Struktur 2.4 · Dari model ke material

Lembar kerja ini mengajarkan Struktur 2.4, Dari model hingga bahan, untuk mata kuliah yang pertama kali diujikan pada 2025.

Prasyarat: model ionik, kovalen, dan logam dari Struktur 2.1 hingga 2.3, serta nilai elektronegativitas dari buku data. Anda akan menggambar rumus struktur molekul organik sederhana.

Mengapa rangka sepeda terbuat dari serat karbon?

Rangka sepeda balap harus kuat, kaku, dan ringan. Baja kuat tetapi berat. Paduan aluminium lebih ringan. Komposit serat karbon, rantai panjang karbon yang terikat secara kovalen dalam polimer, lebih kuat daripada baja untuk massanya. Memilih bahan berarti memilih jenis ikatan, karena ikatan menentukan sifatnya.

Tiga model, satu kontinum

Ikatan ionik, kovalen, dan logam adalah model: kasus ideal. Zat nyata sering berada di antara keduanya.

• Ikatan ionik memerlukan perbedaan elektronegativitas yang besar: satu atom mengambil elektron dari atom lain.
• Ikatan kovalen terjadi antara atom yang keduanya memiliki elektronegativitas tinggi: mereka berbagi elektron.
• Ikatan logam terjadi antara atom yang keduanya memiliki elektronegativitas rendah: mereka melepaskan elektron ke dalam lautan bersama.

Sebagian besar ikatan memiliki karakter dari lebih dari satu jenis. Dalam aluminium oksida, ikatan utamanya bersifat ionik, tetapi ion $\text{Al}^{3+}$ kecil bermuatan tinggi menarik elektron ion oksida ke arahnya, memberikan ikatan tersebut sebagian karakter kovalen.

Segitiga ikatan

Segitiga ikatan (segitiga van Arkel–Ketelaar dalam buku data) menempatkan senyawa biner berdasarkan dua angka:

• rata-rata elektronegativitas kedua unsur pada sumbu $x$;
• perbedaan elektronegativitas pada sumbu $y$.

Contoh terpecahkan: menempatkan senyawa

Gunakan segitiga untuk memprediksi ikatan dalam magnesium oksida. Elektronegativitas: Mg 1.3, O 3.4.

• Rata-rata: $(1.3 + 3.4) / 2 = 2.35$.
• Perbedaan: $3.4 - 1.3 = 2.1$.
• Titik (2.35, 2.1) berada di daerah ionik, sehingga MgO diprediksi utamanya bersifat ionik: titik leleh tinggi, dan konduksi hanya saat cair.

Untuk silikon dioksida (Si 1.9, O 3.4): rata-rata 2.65, perbedaan 1.5. Titik tersebut berada di daerah kovalen, yang sesuai dengan struktur kovalen raksasanya.

Dari posisi ke sifat

Segitiga ini memprediksi ikatan; namun tidak menentukan apakah struktur tersebut bersifat kovalen molekul atau kovalen jaringan. Gunakan bukti lain, seperti titik leleh, untuk hal itu.

Logam dicampur dengan unsur lain

Paduan adalah campuran logam dengan logam lain, atau dengan non-logam seperti karbon. Paduan dibuat dengan mencampurkan unsur-unsur yang mencair dan membiarkannya mendingin. Paduan tetap memiliki ikatan logam: kation dari berbagai unsur di dalam lautan elektron terdelokalisasi.

Logam murni seringkali terlalu lunak. Dalam logam murni, semua kation berukuran sama, sehingga lapisan-lapisannya dapat bergeser dengan mudah. Dalam paduan, atom dengan ukuran berbeda merusak susunan lapisan yang teratur. Lapisan tidak lagi dapat bergeser dengan mudah, sehingga paduan menjadi lebih keras dan lebih kuat.

Paduan juga dapat mengubah sifat lain: beberapa melebur pada suhu lebih rendah daripada komponen-komponennya (solder), dan beberapa tahan korosi karena unsur tambahan membentuk lapisan oksida pelindung (kromium dalam baja tahan karat).

Rantai panjang dari unit kecil

Polimer adalah molekul yang sangat besar (makromolekul) yang terdiri dari banyak unit kecil yang terhubung dalam sebuah rantai. Molekul-molekul kecil yang bergabung disebut monomer, dan bagian dari rantai yang berulang disebut unit pengulang.

Polimer bisa bersifat alami, seperti pati, selulosa, protein, dan DNA, atau sintetis, seperti polietena dan nilon. Sebagian besar plastik adalah polimer sintetis.

Sifat-sifat plastik

Sifat-sifat suatu plastik berasal dari rantai panjangnya:

• Rantai-rantai diikat bersama oleh gaya antarmolekul. Rantai yang lebih panjang memiliki kontak yang lebih banyak satu sama lain, sehingga gayanya lebih kuat dan plastiknya lebih tahan serta melebur pada suhu yang lebih tinggi.
• Rantai tanpa cabang samping mengemas secara rapat (polietilena berdensitas tinggi, HDPE); rantai bercabak mengemas secara longgar (polietilena berdensitas rendah, LDPE), sehingga LDPE lebih lunak dan fleksibel.
• Plastik ringan, murah, mudah dibentuk, dan tidak reaktif. Sebagian besar tidak menghantarkan listrik, sehingga merupakan isolator yang baik.

Ikatan kovalen yang tidak reaktif ini justru menimbulkan masalah: sebagian besar plastik tidak terurai secara hayati. Mereka bertahan selama ratusan tahun di tempat pembuangan sampah dan di lautan. Membakar mereka melepaskan karbon dioksida dan, untuk PVC, hidrogen klorida yang beracun. Daur ulang mengurutkan plastik berdasarkan jenisnya, menggunakan kode identifikasi resin yang dicetak pada produk tersebut.

Menggabungkan alkena

Dalam polimerisasi adisi, monomer dengan ikatan rangkap C=C bergabung bersama. Ikatan pi dalam setiap ikatan rangkap putus, dan elektron membentuk ikatan tunggal baru dengan monomer tetangga. Tidak ada produk lain yang terbentuk: setiap atom monomer berakhir di dalam polimer.

Untuk menggambar unit pengulangan dari monomer:

1. Gambar dua karbon dari C=C dengan ikatan tunggal di antaranya.
2. Pertahankan setiap gugus yang terikat pada karbon-karbon tersebut pada posisi yang sama.
3. Tambahkan ikatan lanjutan di kedua sisi, melalui kurung siku, dan tulis $n$ setelah kurung.

Untuk kembali dari polimer ke monomernya, temukan unit pengulangan dua karbon dan buatlah ikatan rangkap antara kedua karbon tersebut.

Perhatikan bahwa gugus samping (seperti $\text{CH}_3$ atau Cl) menggantung dari rantai utama; ia tidak pernah menjadi bagian dari rantai itu sendiri.

1. Elektronegativitas: Na 0.9, Cl 3.2, C 2.6, H 2.2, Cu 1.9, Zn 1.6. Gunakan segitiga pengikatan untuk memprediksi jenis pengikatan utama dalam: (a) NaCl, (b) CH$_4$, (c) CuZn (kuningan).
2. Jelaskan mengapa aluminium oksida digambarkan sebagai ionik dengan sebagian karakter kovalen.
3. Jelaskan mengapa baja lebih keras daripada besi murni.
4. Gambar unit berulang polipropena, dan monomer dari polimer dengan unit berulang $-\text{CH}_2-\text{CH(CN)}-$.
5. Sebutkan dua sifat yang membuat polietena berguna untuk kemasan dan satu masalah lingkungan yang ditimbulkannya.
6. Jelaskan mengapa HDPE lebih kuat dan lebih padat daripada LDPE.

Jawaban.

1. (a) rata-rata 2.05, selisih 2.3: ionik. (b) rata-rata 2.4, selisih 0.4: kovalen. (c) rata-rata 1.75, selisih 0.3: logam.
2. Perbedaan elektronegativitas (Al 1.6, O 3.4: perbedaan 1.8) berada di batas wilayah ionik. Ion $\text{Al}^{3+}$ yang kecil dengan muatan tinggi mendistorsi awan elektron $\text{O}^{2-}$, menarik kepadatan elektron di antara ion-ion tersebut, sehingga ikatan memiliki sebagian karakter kovalen.
3. Baja mengandung atom karbon dengan ukuran berbeda di antara kation besi. Atom-atom ini mendistorsi lapisan teratur, sehingga lapisan-lapisan tersebut tidak dapat bergeser satu sama lain dengan mudah.
4. Polipropena: $-\text{CH}_2-\text{CH(CH}_3)-$ dalam kurung siku dengan ikatan lanjutan dan $n$. Monomernya adalah $\text{CH}_2=\text{CHCN}$ (propenenitril).
5. Dua dari: ringan, murah, fleksibel, tahan air, tidak reaktif, mudah dibentuk. Masalah: tidak dapat terurai secara hayati, sehingga tetap berada di tumpukan sampah dan lautan selama ratusan tahun (atau: pembakaran melepaskan $\text{CO}_2$).
6. Rantai HDPE tidak memiliki cabang, sehingga mereka dapat berkemas rapat. Ada lebih banyak kontak antar rantai, sehingga gaya London lebih kuat dan lebih massa muat dalam volume yang sama.

• Gunakan segitiga pengikatan dengan kedua angka: rata-rata elektronegativitas dan perbedaannya.
• Satakan bahwa pengikatan merupakan kontinum: wilayah pada segitiga tidak memiliki batas yang tegas.
• Untuk paduan, jelaskan kekerasan dengan atom berukuran berbeda yang mendistorsi lapisan sehingga tidak dapat bergeser.
• Saat menggambar unit pengulangan penjumlahan, ubah C=C menjadi C–C, biarkan gugus samping di luar rantai, dan tambahkan ikatan kelanjutan dengan $n$.