Paper

TEORI ORBITAL MOLEKUL

Disusun oleh:

Aini Rizka 3315122110

Fiah Ismi Shintya 3315122098

Rokhimah Rahayu 3315122082

Pendidikan Kimia Reguler

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Negeri Jakarta

Teori Orbital Molekul

Latar belakang

Pada tahun 1951, telah berkembang teori yang diusulkan oleh Bethe (1929) dan

Van Fleck (1931-1935). Teori ini dikenal sebagai teori medan kristal (Crystal

Field Theory). Teori medan kristal mengungkapkan bahwa ikatan antara atom

pusat dan ligan dalam senyawa kompleks merupakan ikatan ion sehingga interaksi

yang ada hanya berupa interaksi elektrostatik. Namun, teori ini terbantahkan oleh

sebuah fakta eksperimen senyawa kompleks [Ni(CO)4], [Fe(CO)5], dan

[Cr(CO)6]. Berdasarkan data, senyawa tersebut ternyata dapat membentuk ikatan

antara ligan dengan atom pusat dan bersifat stabil. Akan tetapi, senyawa tersebut

bermuatan netral.

Di sisi lain, teori medan kristal mengungkapkan bahwa senyawa kompleks

dengan ligan bermuatan netral [Co(H2O)6]3+

menimbulkan medan yang lebih

lemah dibandingkan medan yang ditimbulkan oleh senyawa kompleks dengan

ligan bermuatan negatif, [CoF6]3-

. Berdasarkan hasil eksperimen metode resonansi

spin elektron, senyawa kompleks [Co(H2O)6]3+

memiliki medan yang lebih besar

dibandingkan senyawa kompleks [CoF6]3-

. Hal tersebut terjadi karena adanya

pemakaian bersama pasangan elektron antara atom pusat dengan ligan.

Oleh karena itu, muncullah teori orbital molekul yang didasarkan oleh aturan

Hund dan Mulliken pada pengisian elektron. Teori ini mengungkapkan bahwa

pada pembentukan senyawa kompleks selain adanya interaksi elektrostatik yang

terjadi, ada pula interaksi kovalen yang terjadi antara atom pusat dengan ligan.

Pendahuluan

Teori orbital molekul (Molecular Orbital Theory) merupakan teori paling

lengkap karena teori ini melibatkan pembentukan ikatan kovalen. Teori ini

muncul karena modifikasi teori medan kristal dengan memasukkan interaksi

kovalen. Teori ini disebut juga dengan teori medan ligan (Ligan Field Theory).

Dalam teori ini, ikatan dalam kompleks terjadi melalui pembentukan orbital

molekul. Orbital molekul merupakan orbital yang terbentuk sebagai kombinasi

antara orbital atom yang dimiliki logam dengan orbital atom yang dimiliki oleh

ligan. Oleh karena itu orbital molekul dapat dipelajari dengan menggunakan

pendekatan Linear Combination Atomic Orbital (LCAO).

Setiap penggabungan orbital atom menjadi orbital molekul akan menghasilkan

orbital bonding (orbital ikatan) dan orbital antibonding (orbital anti ikatan).

Pembentukan orbital molekul akan dijelaskan lebih rinci

Pembentukan orbital molekul

Sebagaimana yang telah dijelaskan pada teori medan kristal, orbital-orbital t2g

(dxy, dxz, dan dyz) berada di antara sumbu x, y dan z, sementara orbital-orbital eg

(dx2-y

2 dan dz

2) berada dalam posisi yang berimpit dengan sumbu x, y dan z.

Orbital Molekul σ dalam Senyawa Kompleks

Pada senyawa kompleks, orbital molekul terbentuk sebagai gabungan/kombinasi

dari orbital atom logam dengan orbital atom dari ligan. Orbital atom logam dapat

bergabung dengan orbital atom ligan jika orbital-orbital atom tersebut memiliki

simetri yang sama.

Untuk logam transisi pertama, orbital yang dapat membentuk orbital molekul

adalah orbital-orbital eg (dx2-y

2 dan dz

2), 4s, 4p, 4px, 4py dan 4pz. Orbital-orbital t2g

(dxy, dxz dan dyz) dari logam tidak dapat membentuk orbital σ karena orientasi

arahnya yang berada di antara sumbu x, y dan z. Oleh karena itu ketiga orbital

tersebut disebut sebagai orbital nonbonding. Meskipun tidak dapat membentuk

orbital σ, orbital-orbital t2g tersebut dapat membentuk orbital molekul π dengan

orbital atom dari ligan yang tidak searah dengan orbital atom logam.

-

- +

- + +

+ + - -

+ -

Ligan dapat membentuk orbital molekul dengan orbital logam jika posisinya

segaris dengan logam, atau berada tepat pada sumbu/garis penghubung ion pusat

dan ligan. Adapun orbital atom dari ligan yang dapat bergabung dengan orbital

atom dari logam adalah orbital s atau orbital hasil hibridisasi antara orbital s dan

p.

Karena jauh lebih banyak orbital dan elektron yang terlibat, maka diagram

pembentukan orbital molekul dalam senyawa kompleks lebih rumit dibandingkan

diagram pembentukan orbital molekul untuk molekul diatomik sederhana.

Umumnya orbital atom dari ligan tingkat energinya lebih rendah dibandingkan

orbital atom dari logam pusat, sehingga karakteristik dari orbital molekul yang

terbentuk lebih mirip dengan karakteristik orbital atom ligan dibandingkan orbital

atom logam.

Pembentukan Orbital π

Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, orbital σ dapat terbentuk antar orbital

atom dengan simetri yang sama. Adapun orbital π dapat terbentuk antara orbital

px, py, pz, dxy, dxz, dan dyz dari logam dengan orbital atom dari ligan yang tidak

searah dengan orbital logam. Salah satu contoh bagaimana orbital π dapat

terbentuk antara orbital atom dari logam dengan orbital atom yang dimiliki ligan

ditunjukkan dalam gambar berikut :

Gambar 1. Kombinasi orbital dxz dari logam dengan orbital py dan pz dari ligan

+

-+

-

+

-

+

-+

-

Dari Gambar 1 di atas dapat dilihat bahwa orbital dxz berada sejajar dengan

orbital py dan pz dari ligan, sehingga kombinasi dari orbital atom logam dan

orbital atom ligan tersebut dapat menghasilkan orbital molekul π.

Selain dari penggabungan orbital dxz dari logam dengan orbital py dan pz, orbital

molekul π juga dapat terbentuk dari penggabungan antara orbital pz dari logam

dengan orbital pz dari ligan. Ilustrasi kedua orbital atom tersebut dapat dilihat

pada gambar di bawah ini.

Gambar 2. Posisi orbital atom pz dari logam dan orbital pz ligan berada dalam

posisi yang sejajar, sehingga juga dapat bergabung dan menghasilkan orbital

molekul π

Jika pada pembentukan ikatan σ, ligan berperan sebagai Basa Lewis yang

menyumbangkan pasangan elektron, maka dalam pembentukan ikatan π ini, ligan

dapat bertindak sebagai asam Lewis yang menerima pasangan elektron yang

didonorkan oleh logam.

Adanya ikatan π akan memperkuat ikatan antara logam dengan ligan, sehingga

meningkatkan kestabilan kompleks. Selain itu, konsep mengenai pembentukan

ikatan π juga dapat menjelaskan urutan kekuatan ligan dalam deret Spektrokimia.

Ligan dapat berperan sebagai akseptor π atau donor π, tergantung keterisian

orbital π yang dimiliki oleh ligan tersebut:

1. Ligan akseptor π

Sejumlah ligan seperti CO, CN- dan NO

+ memiliki orbital π kosong yang dapat

bertumpang tindih dengan orbital t2g dari logam, membentuk ikatan π. Interaksi

semacam ini seringkali disebut sebagai pembentukan ikatan balik (backbonding).

Tingkat energi dari orbital π yang dimiliki ligan ini seringkali lebih tinggi

dibandingkan tingkat energi dari logam, sehingga dapat menaikkan harga ∆0.

Ligan-ligan semacam ini merupakan ligan medan kuat dan pada deret

spektrokimia berada di sebelah kanan.

2. Ligan Donor π

Sejumlah ligan tertentu memiliki orbital π yang telah terisi elektron dan

mengalami overlap dengan orbital t2g dari logam, menghasilkan ikatan π. Rapatan

elektron akan ditransfer dari ligan menuju logam melalui ikatan π ini. Selain dari

ikatan π yang terbentuk tadi, transfer elektron dari ligan ke logam juga terjadi

melalui ikatan σ. Interaksi semacam ini lebih sering terjadi pada kompleks dari

logam dengan bilangan oksidasi yang tinggi, sehingga logam tersebut

”kekurangan elektron”. Orbital π dari ligan biasanya memiliki tingkat energi yang

lebih rendah dibandingkan orbital t2g logam, sehingga delokalisasi elektron π dari

ligan melalui cara ini akan memperkecil harga ∆0. Ligan yang merupakan donor π

terletak di sebelah kiri dari deret spektrokimia.

Pembentukan senyawa kompleks

Kompleks Oktahedral

Diagram orbital molekul kompleks octahedral yang melibatkan interaksi

elektrostatik maupun interaksi kovalen:

Gambar 3. Diagram orbital kompleks oktahedral

Pada gambar 3 (a) merupakan orbital atom logam atau ion logam pada keadaan

bebas atau sebelum ada interaksi dengan ligan – ligan; (b) merupakan orbital atom

logam atau ion logam pada kmpleks octahedral bila berinteraksi dengan ligan –

ligan yang terjadi hanya interaksi elektrostatik; (c) merupakan orbital – orbital

dari ligan sebelum terjadi interaksi dengan orbital – orbital atom logam, disebut

dengan orbital kelompok ligan (ligand group orbitals) dan (d) orbital molekul

kompleks oktahedral yang melibatkan baik interaksi elektrostatik maupun

interaksi kovalen.

Pada waktu logam atau ion logam mengadakan interaksi elektrostatik dengan

ligan–ligan maka semua orbital yang ada mengalami kenaikan tingkat energi.

Tiga orbital p meskipun mengalami kenaikan tingkat energi tetapi tetap dalam

keadaan degenerate karena intreraksi ligan –ligan dengan tiga orbital p tersebut

adalah sama kuat. Lima orbital d dari atom logam atau ion logam mengalami

pemisahan menjadi orbital t2g dan eg. setelah mengalami kenaikan tingkat energi,

orbital – orbital dari atom logam atau ion logam mengadakan kombinasi linear

dengan orbital – orbital dari ligan membentuk orbital molekul kompleks

octahedral. Contoh dari kompleks oktahedral:

1. [Co(NH3)]3+

Berdasarkan fakta eksperimen menunjukkan bahwa ion kompleks [ Co(NH3)]3+

memiliki bentuk octahedral dan bersifat diamagnetic karena semua electron yang

tedapat pada orbital molekul kompleks tersebut berpasangan. Atom pusat ion

kompleks tersebut adalah ion Co3+

dengan konfigurasi electron : [Ar] 3d6.

Jumlah

electron pada orbital 3d atom pusat dan electron –elektron yang didonorkan oleh 6

ligan NH3 adalah 18 elektron. Kedelapan belas electron tersebut diisikan pada

orbital molekul kompleks octahedral seperti gambar 4

Gambar 4. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [Co(NH3)]3+

Cara pengisian 18 elektron pada orbital molekul kompleks [Co(NH3)]3+

adalah

sebagai berikut:

Mengisi 6 pasang electron pada orbital-orbital a1g, t1u, eg

Mengisi 6 elektron yang tersisa pada orbital t2g secara berpasangan karena

kompleks [Co(NH3)]3+

merupakan kompleks dengan medan kuat harga 10

Dq>p

2. [CoF6]3-

Berdasarkan fakta eksperimen menunjukkan bahwa ion kompleks [CoF6]3-

memiliki bentuk octahedral dan bersifat paramagnetic dikarenakan adanya 4

elektron tak berpasangan. Atom pusat ion kompleks tersebut adalah Co3+

dengan

konfigurasi electron: [Ar] 3d6 .

jumlah electron pada orbital 3d atom pusat dan

electron-elektron yang didonorkan oleh 6 ligan F- adalah 18 elektron. Kedelapan

belas electron tersebut diisikan pada orbital molekul kompleks octahedral seperti

gambar 5

Gambar 5. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [CoF6]3-

Cara pengisian 18 elektron tersebut pada orbital molekul kompleks [CoF6]3-

adalah sebagai berikut :

Mengisi 6 pasang electron pada orbital-orbital a1g, t1u, eg.

Mengisi 3 elektron pada orbital t2g dan 2 elektron pada orbital eg karena

ion kompleks [CoF6]3-

merupakan kompleks dengan medan lemah harga

10Dq<P

Memasangkan satu electron yang tersisa dengan salah satu electron tak

berpasangan yang terdapat pada orbital t2g .

3. [FeF6]3-

Berdasarkan fakta ekesperimen menunjukkan bahwa ion kompleks [FeF6]3-

memiliki bentuk octahedral dan bersifat para magnetic yang dikarenakan adanya 5

elektron tak berpasangan. Atom pusat ion kompleks tersebut adalah Fe3+

dengan

konfigurasi electron: [Ar] 3d5. Jumlah electron pada orbital 3d atom pusat dan

electron – electron yang didonorkan oleh 6 ligan F- adalah 17 elektron. Ketujuh

belas electron yang didonorkan tersebut diisikan pada orbital molekul kompleks

octahedral seperti gambar 6

Gambar 6. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [FeF6]3-

Cara pengisian 17 elektron pada orbital molekul [FeF6]3-

adalah

Mengisi enam pasang electron pada orbital-orbital a1g, t1u, dan eg

Mengisi 3 elektron pada orbital t2g dan 2 elektron pada orbital eg karena

ion kompleks [FeF6]3-

merupakan kompleks dengan medan lemah dengan

harga 10Dq<P

4. [Fe(CN)6]3-

Berdasarkan fakta eksperimen menunujukkan bahwa ion kompleks [Fe(CN)6]3-

memiliki bentuk octahedral dan bersifat paramagnetic dikarenakan adanya 1

elektron tak berpasangan. Atom pusat ion kompleks tersebut adalah Fe3+

dengan

konfigurasi electron: [Ar]3d5. Jumlah electron pada orbital 3d atom pusat dan

electron – electron yang didonorkan oleh 6 ligan CN- adalah 17 elektron. Ketujuh

belas electron tersebut diisikan pada orbital molekul kompleks octahedral seperti

gambar 7

Gambar 7. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [Fe(CN)6]3-

Cara pengisian 17 elektron pada orbital molekul kompleks [Fe(CN)6]3-

adalah

sebagai berikut

1. Mengisi 6 pasang electron pada orbital-orbital a1g, t1u, dan eg.

2. Mengisi lima electron yang tersisa pada orbital t2g karena ion kompleks

[Fe(CN)6]3-

merupakan kompleks dengan medan kuat harga 10Dq>P

Kompleks Tetrahedral

Gambar 8. Diagram orbital molekul kompleks tetrahedral

Pada gambar di atas, (a) merupakan orbital atom logam pada senyawa kompleks

sebelum terlibat interaksi dengan ligan, (b) merupakan orbital terjadinya interaksi

antara atom pusat dengan ligan-ligan hanya interaksi elektrostatik, (d) merupakan

orbital yang melibatkan interaksi elektrostatik dan interaksi kovalen.

Pada waktu ion logam mengalami interaksi elektrostatik dengan ligan-ligan, maka

semua orbital mengalami kenaikan energi seperti pada (b). Pada orbital d

mengalami splitting menjadi orbital t2 dan e seperti yang telah dijelaskan pada

teori medan kristal. Setelah mengalami kenaikan energi, orbital-orbital ion logam

mengalami interaksi dengan orbital-orbital ligan membentuk orbital kompleks

tetrahedral. Kompleks tetrahedral merupakan kompleks medan lemah atau high

spin karena ∆o < P, sehingga elektron akan mengisi e terlebih dahulu. P

merupakan energi berpasangan.

Cara pengisisan pada kompleks tetrahedral ini adalah:

Mengisikan elektron pada orbital a1 dan t2

Mengisikan elektron pada orbital e dan t2*

Memasangkan elektron yang tersisa pada orbital e

Contoh dari kompleks tetrahedral:

1. [NiCl4]2-

Kompleks [NiCl4]2-

memiliki bentuk tetrahedral dan bersifat paramagnetik karena

pada gambar 9, adanya dua elektron tak berpasangan pada orbital molekul

kompleks tersebut. Ion pusat kompleksnya adalah Ni2+

dengan 4 ligan Cl-

yang

menyumbangkan 8 elektron sehingga total jumlah elektron ada 16 elektron. Enam

belas elektron diisikan pada orbital molekul kompleks tetrahedral seperti

diberikan pada gambar berikut:

28Ni 1s2, 2s

2, 2p

6, 3s

2, 3p

6, 4s

2, 3d

8

Ni2+

1s2, 2s

2, 2p

6, 3s

2, 3p

6, 3d

8

Gambar 9. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [NiCl4]2-

2. [FeCl4]2-

Kompleks [FeCl4]2-

memiliki bentuk tetrahedral dan bersifat paramagnetik karena

pada gambar 10, adanya dua elektron tak berpasangan pada orbital molekul

kompleks tersebut. Ion pusat kompleksnya adalah Fe2+

dengan 4 ligan Cl-

yang

menyumbangkan 8 elektron sehingga total jumlah elektron ada 14 elektron.

Empat belas elektron diisikan pada orbital molekul kompleks tetrahedral seperti

diberikan pada gambar berikut:

26Fe 1s2, 2s

2, 2p

6, 3s

2, 3p

6, 4s

2, 3d

6

Fe2+

1s2, 2s

2, 2p

6, 3s

2, 3p

6, 3d

6

Gambar 10. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [FeCl4]2-

Kompleks Bujur Sangkar

Kompleks ini mengandung empat ligan yang berikatan langsung dengan atom

pusatnya. Untuk lebih mudah memahami kompleks ini, hal yang pertama harus

kita lakukan adalah menurunkan tingkat energi kompleks bujur sangkar dari

tingkat energi kompleks oktahedral heksakoordinat. Pada kasus ini terjadi

perpanjangan ikatan di sepanjang sumbu z yang mengakibatkan terbentuknya

beberapa variasi diagram orbital d yang dapat ditunjukkan dengan gambar 11 di

bawah ini.

Gambar 11. Variasi diagram splitting orbital d yang diakibatkan dari

perpanjangan ikatan sepanjang sumbu z.

Perpanjangan tersebut dilanjutkan dengan menempatkan enam ligan di sumbu

koordinat cartesian, kemudian dua ligan perlahan-lahan digeser dari atom pusat

dan akhirnya hanya empat ligan yang terikat terletak di bidang xy. Gambar 11

menunjukkan adanya interaksi antara dua ligan di koordinat z dengan

orbital dz2, dxz, dan dyz menjadi lebih kecil dan akhirnya tingkat energinya menjadi

lebih rendah. Di pihak lain empat ligan sisanya mendekati atom logam sehingga

tingkat energi dx2-y2 dan dxy akan naik akibat pergeseran dua ligan. Hal ini

menghasilkan urutan tingkat energinya menjadi: dxz, dyz < dz2 < dxy << dx2-y2.

Berdasarkan pengamatan, kompleks logam seperti Rh+, Ir

+, Pd

2+, Pt

2+, Au

3+ dan

logam dengan konfigurasi d

8 lainnya cenderung konsisten membentuk struktur

bujur sangkar. Hal ini disebabkan 8 elektronnya menempati orbital terendah

sedangkan orbital tertingginya yaitu dx2-y2 kosong.

Diagram orbital molekul kompleks bujur sangkar yang melibatkan interaksi

elektrostatis maupun interaksi kovalen ditunjukkan pada gambar 12 yang terdapat

di bawah ini.

Gambar 12. Diagram orbital molekul kompleks bujur sangkar

Pada kompleks di atas, dapat dilihat bahwa orbital atom pusatnya sudah

mengalami splitting dengan sendirinya. Hal ini dapat terjadi karena posisi

ligannya berada tepat pada sumbu-sumbu x,y dan z dan berhadapan langsung

dengan atom pusatnya. Sehingga interaksi elektrostatis antara ligan dengan atom

pusatnya sangat kuat dan menyebabkan terjadinya pemisahan antar orbital yang

diantaranya mengalami kenaikan atau penurunan energi.

Pada kompleks bujur sangkar, empat pasangan elektron akan menempati orbital

a1g, eu, dan b1g membentuk empat ikatan sigma, sedangkan elektron-elektron yang

tersisa akan menempati orbital-orbital di atasnya. Dengan menggunakan diagam

pada gambar 12, kemagnetan dari kompleks bujur sangkar dapat diterangkan

melalui beberapa contoh di bawah ini:

1. [Ni(CN)4]2-

Gambar 13. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [Ni(CN)4]2-

Fakta eksperimen menunjukkan bahwa ion kompleks [Ni(CN)4]2-

berbentuk bujur

sangkar dan bersifat diamagnetik. Atom pusat ion kompleks tersebut adalah Ni2+

dengan konfigurasi elektron: [Ar] 3d8. Jumlah elektron pada orbital 3d atom pusat

dan elektron-elektron yang didonorkan oleh 4 ligan CN- adalah 16 elektron. Enam

belas elektron tersebut diisikan pada orbital molekul kompleks tetrahedral seperti

diberikan pada gambar 13.

Cara pengisian 16 elektron pada orbital molekul kompleks [Ni(CN)4]2-

adalah

sebagai berikut:

1) Mengisikan empat pasang elektron pada orbital-orbital a1g, eu, dan b1g.

2) Mengisikan empat elektron secara tidak berpasangan pada orbital-orbital

eg, b2g, dan a1g*.

3) Memasangkan empat elektron yang tersisa dengan elektron-elektron yang

telah menempati orbital eg, b2g, dan a1g*.

Sifat diamagnetik dari kompleks ini ditunjukkan dengan telah berpasangannya

semua elektron pada orbital molekul kompleks tersebut.

2. [Cu(NH3)4]2+

Gambar 14. Diagram orbital molekul senyawa kompleks [Cu(NH3)4]2+

Fakta eksperimen menunjukkan bahwa ion kompleks [Cu(NH3)4]2+

memiliki

bentuk bujur sangkar dan bersifat paramagnetik dengan kemagnetan setara dengan

adanya sebuah elektron tak berpasangan. Jumlah elektron pada orbital 3d atom

pusat dan elektron-elektron yang didonorkan oleh 4 ligan NH3 adalah 17 elektron.

Kesimpulan

Teori orbital molekul didasarkan atas asumsi, yaitu pembentukan senyawa

kompleks terjadi akibat interaksi antara orbital-orbital dari atom pusat dengan

orbital-orbital ligan yang membentuk orbital molekul. Interaksi antara atom pusat

dengan ligan merupakan gabungan interaksi elektrostatis (ionik) dan interaksi

kovalen.

Teori orbital molekul dapat menjelaskan pembentukan ikatan, sifat magnetik, dan

warna senyawa kompleks. Teori ini dapat menjelaskan sifat senyawa kompleks

lebih baik daripada teori ikatan valensi dan teori medan kristal.

Daftar Pustaka

Effendy. 2007. Perspektif Baru Kimia Koordinasi Jilid ke-1. Malang: Bayumedia

Publishing