Gaya Antarmolekul: Titik Didih, Tekanan Uap, dan Kelarutan

Tarik-menarik antarmolekul, bukan ikatan di dalam molekul

Ikatan kovalen menyatukan atom-atom suatu molekul. Gaya antarmolekul (IMF) adalah tarik-menarik yang jauh lebih lemah antara molekul yang terpisah, dan inilah yang harus diatasi ketika cairan mendidih atau zat padat melebur. Ketika air mendidih, gas yang terbentuk masih tersusun dari molekul H₂O; tidak ada ikatan O–H yang putus. Hanya tarik-menarik antara molekul yang bertetangga yang terganggu.

Karena gaya-gaya ini menentukan seberapa kuat molekul saling menempel, gaya-gaya ini bersama-sama mengendalikan sejumlah sifat fisik. IMF yang lebih kuat umumnya berarti titik didih lebih tinggi, entalpi penguapan lebih tinggi, tekanan uap lebih rendah pada suhu tertentu, dan sering kali viskositas serta tegangan permukaan yang lebih tinggi. Jika Anda dapat mengurutkan IMF, Anda biasanya dapat mengurutkan semua sifat ini sekaligus.

Gaya dispersi London pada setiap zat

Gaya dispersi timbul karena distribusi elektron berfluktuasi. Pada setiap saat, elektron dalam molekul bisa sedikit tidak merata, menciptakan dipol sementara yang menginduksi dipol yang sesuai pada tetangganya. Keduanya saling tarik sesaat, dan pola itu berulang di seluruh cairan. Setiap atom dan molekul mengalami gaya dispersi, polar atau tidak.

Kekuatan gaya dispersi bergantung pada polarisabilitas, yaitu seberapa mudah awan elektron dapat terdistorsi. Molekul yang lebih besar dengan lebih banyak elektron lebih mudah terpolarisasi, sehingga gaya dispersi umumnya meningkat seiring massa molar dalam satu keluarga senyawa yang serupa. Bentuk juga berpengaruh: molekul yang panjang dan memanjang memiliki permukaan yang lebih luas yang bersentuhan dengan tetangganya daripada molekul yang kompak dan bercabang dengan rumus yang sama, sehingga saling menarik lebih kuat.

Jangan meremehkan dispersi. Pada molekul besar, gaya ini sering menjadi kontribusi terbesar terhadap total tarikan, bahkan ketika molekul itu juga polar.

Tarik-menarik dipol–dipol dan ikatan hidrogen

Molekul polar memiliki dipol permanen, sehingga dalam cairan molekul cenderung berorientasi dengan ujung parsial positif satu molekul dekat ujung parsial negatif molekul lain. Tarik-menarik dipol–dipol ini ditambahkan pada gaya dispersi yang selalu ada. Menentukan apakah suatu molekul polar memerlukan kepolaran ikatan dan bentuknya.

Ikatan hidrogen adalah tarik-menarik dipol–dipol yang sangat kuat. Ikatan ini memerlukan atom hidrogen yang berikatan kovalen dengan nitrogen, oksigen, atau fluorin (donor) dan pasangan elektron bebas pada atom N, O, atau F di dekatnya (akseptor). Ikatan N–H, O–H, atau F–H yang sangat polar menyisakan atom hidrogen kecil dengan muatan parsial positif besar yang dapat mendekati pasangan elektron bebas akseptor dengan sangat dekat.

Suatu molekul dapat menjadi akseptor tanpa menjadi donor. Aseton, (CH₃)₂CO, memiliki pasangan elektron bebas pada oksigen tetapi semua hidrogennya berikatan dengan karbon, sehingga molekul aseton tidak dapat berikatan hidrogen satu sama lain. Namun, molekul aseton dapat menerima ikatan hidrogen dari air, yang menjadi salah satu alasan aseton bercampur dengan air dalam semua perbandingan.

Gaya ion–dipol dan pelarutan zat padat ion

Ketika zat padat ion larut dalam air, setiap ion dikelilingi molekul air yang berorientasi ke arahnya: ujung oksigen yang parsial negatif menghadap kation, dan ujung hidrogen yang parsial positif menghadap anion. Tarik-menarik ion–dipol ini melepaskan energi yang cukup untuk mengimbangi sebagian besar energi yang diperlukan untuk memisahkan ion dari kristal. Tarikan ini lebih kuat untuk ion dengan muatan lebih tinggi dan ukuran lebih kecil.

Gaya ion–dipol menjelaskan mengapa kalium bromida larut dengan mudah dalam air tetapi hampir tidak larut dalam heksana, yang tidak memiliki dipol untuk menarik ion. Aturan umum “sejenis melarutkan sejenis” merangkum hal ini: zat larut paling baik dalam pelarut yang gaya antarmolekulnya serupa dengan gayanya sendiri. Iodin, molekul nonpolar, larut baik dalam heksana, tempat gaya dispersi antara zat terlarut dan pelarut sebanding dengan gaya di dalam masing-masing zat murni.

Contoh soal: tiga cairan dengan massa molar hampir sama

Urutkan butana (CH₃CH₂CH₂CH₃), aseton ((CH₃)₂CO), dan 1-propanol (CH₃CH₂CH₂OH) menurut titik didih. Pertama bandingkan massa molar, dengan bobot atom standar IUPAC yang dibulatkan sampai dua tempat desimal (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). Butana, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. Aseton, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-Propanol, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. Massanya berbeda kurang dari 4%, sehingga gaya dispersi seharusnya kurang lebih serupa dan perbedaannya akan berasal dari kepolaran.

Selanjutnya golongkan gayanya. Butana hanya mengandung ikatan C–C dan C–H dan pada dasarnya nonpolar, sehingga hanya memiliki gaya dispersi. Aseton memiliki ikatan C=O polar dalam susunan segitiga datar yang tidak saling meniadakan, sehingga menambah gaya dipol–dipol, tetapi tidak memiliki ikatan O–H dan tidak dapat menyumbangkan ikatan hidrogen. 1-Propanol memiliki gugus O–H, sehingga menambah ikatan hidrogen. Prediksinya adalah butana < aseton < 1-propanol.

NIST Chemistry WebBook mencantumkan titik didih normal sekitar 273 K (0 °C) untuk butana, 329.3 K (56.2 °C) untuk aseton, dan 370.3 K (97.2 °C) untuk 1-propanol, dengan konversi T(°C) = T(K) − 273.15. Urutannya sesuai dengan prediksi. Penalaran yang sama mengurutkan tekanan uap pada suhu ruang dengan urutan terbalik: butana adalah gas pada 25 °C, aseton menguap dengan cepat, dan 1-propanol menguap lebih lambat.

Contoh soal: ketika ukuran molekul mengungguli dipol

Sekarang bandingkan dietil eter ((C₂H₅)₂O), 1-butanol (CH₃CH₂CH₂CH₂OH), dan heksana (C₆H₁₄). Dietil eter dan 1-butanol adalah isomer, keduanya C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. Heksana lebih berat: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. Dietil eter polar tetapi tidak memiliki ikatan O–H, 1-butanol dapat berikatan hidrogen, dan heksana nonpolar.

Di antara kedua isomer, ikatan hidrogen yang menentukan: 1-butanol seharusnya mendidih jauh di atas dietil eter. Heksana adalah kasus yang mendidik. Argumen yang hanya memakai kepolaran akan menempatkannya terakhir, tetapi heksana lebih besar, memiliki lebih banyak elektron, dan berupa rantai memanjang, sehingga gaya dispersinya lebih besar daripada dispersi eter ditambah tarik-menarik dipol–dipolnya yang lemah.

Nilai NIST memastikan hal ini: dietil eter 307.7 K (34.6 °C), heksana 341.9 K (68.8 °C), dan 1-butanol 390.6 K (sekitar 117 °C). Pelajarannya adalah bahwa perbandingan kepolaran paling aman dilakukan antara molekul yang ukurannya serupa. Ketika ukurannya berbeda jauh, pertimbangkan dispersi lebih dahulu, lalu tanyakan apakah dipol atau ikatan hidrogen cukup kuat untuk mengalahkannya. Kelarutan juga mengikuti gaya-gaya ini: heksana pada dasarnya tidak larut dalam air, sedangkan 1-butanol, yang dapat berikatan hidrogen dengan air, larut sebagian.

Kesalahan yang perlu dihindari saat membandingkan gaya antarmolekul

Sebelum mengurutkan, daftarkan setiap gaya yang dimiliki tiap zat, bukan hanya yang terkuat, dan catat massa molarnya. Ini mencegah kesalahan yang paling umum, yaitu membandingkan label seperti “polar” dan “nonpolar” saja sambil mengabaikan ukuran.

Kesalahan di bawah ini muncul berulang kali dalam penjelasan tentang titik didih dan kelarutan.

• Mengatakan bahwa mendidih memutuskan ikatan kovalen. Mendidih memisahkan molekul; molekulnya tetap utuh.
• Mengklaim adanya ikatan hidrogen untuk setiap molekul yang mengandung hidrogen. Hidrogen harus terikat pada N, O, atau F.
• Menganggap zat nonpolar tidak memiliki gaya antarmolekul. Semua zat memiliki gaya dispersi.
• Mengurutkan molekul yang ukurannya sangat berbeda hanya berdasarkan kepolaran, seperti ditunjukkan contoh heksana.
• Membalik kecenderungan tekanan uap. IMF yang lebih kuat berarti tekanan uap lebih rendah dan titik didih lebih tinggi.
• Memperlakukan “sejenis melarutkan sejenis” sebagai hukum, bukan kaidah praktis. Kelarutan juga bergantung pada entropi dan suhu.