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