Hibridisasi orbital
Dalam kimia, hibridisasi adalah sebuah konsep bersatunya orbital-orbital atom membentuk "orbital hibrid" yang baru yang sesuai dengan penjelasan kualitatif sifat ikatan atom. Konsep orbital-orbital yang terhibridisasi sangatlah berguna dalam menjelaskan bentuk orbital molekul dari sebuah molekul. Konsep ini adalah bagian tak terpisahkan dari teori ikatan valensi. Walaupun kadang-kadang diajarkan bersamaan dengan teori VSEPR, teori ikatan valensi dan hibridisasi sebenarnya tidak ada hubungannya sama sekali dengan teori VSEPR.
Teori hibridisasi dipromosikan oleh kimiawan Linus Pauling dalam menjelaskan struktur molekul seperti metana (CH). Secara historis, konsep ini dikembangkan untuk sistem-sistem kimia yang sederhana, namun pendekatan ini selanjutnya diaplikasikan lebih luas, dan sekarang ini dianggap sebagai sebuah heuristik yang efektif untuk merasionalkan struktur senyawa organik.
Teori hibridisasi tidaklah sepraktis teori orbital molekul dalam hal perhitungan kuantitatif. Masalah-masalah pada hibridisasi terlihat jelas pada ikatan yang melibatkan orbital "d", seperti yang terdapat pada kimia koordinasi dan kimia organologam. Walaupun skema hibridisasi pada logam transisi dapat digunakan, ia umumnya tidak akurat.
Sangatlah penting untuk dicatat bahwa orbital adalah sebuah model representasi dari tingkah laku elektron-elektron dalam molekul. Dalam kasus hibridisasi yang sederhana, pendekatan ini didasarkan pada orbital-orbital atom hidrogen. Orbital-orbital yang terhibridisasikan diasumsikan sebagai gabungan dari orbital-orbital atom yang bertumpang tindih satu sama lainnya dengan proporsi yang bervariasi. Orbital-orbital hidrogen digunakan sebagai dasar skema hibridisasi karena ia adalah salah satu dari sedikit orbital yang persamaan Schrödingernya memiliki penyelesaian analitis yang diketahui. Orbital-orbital ini kemudian diasumsikan terdistorsi sedikit untuk atom-atom yang lebih berat seperti karbon, nitrogen, dan oksigen. Dengan asumsi-asumsi ini, teori hibridisasi barulah dapat diaplikasikan. Perlu dicatat bahwa kita tidak memerlukan hibridisasi untuk menjelaskan molekul, namun untuk molekul-molekul yang terdiri dari karbon, nitrogen, dan oksigen, teori hibridisasi menjadikan penjelasan strukturnya lebih mudah.
Teori hibridisasi sering digunakan dalam kimia organik, biasanya digunakan untuk menjelaskan molekul yang terdiri dari atom C, N, dan O (kadang kala juga P dan S). Penjelasannya dimulai dari bagaimana sebuah ikatan terorganisasikan dalam metana.
Hibridisasi menjelaskan atom-atom yang berikatan dari sudut pandang sebuah atom. Untuk sebuah karbon yang berkoordinasi secara tetrahedal (seperti metana, CH), maka karbon haruslah memiliki orbital-orbital yang memiliki simetri yang tepat dengan 4 atom hidrogen. Konfigurasi keadaan dasar karbon adalah 1"s" 2"s" 2"p" 2"p" atau lebih mudah dilihat:
formula_1
Teori ikatan valensi memprediksikan, berdasarkan pada keberadaan dua orbital "p" yang terisi setengah, bahwa C akan membentuk dua ikatan kovalen, yaitu CH. Namun, metilena adalah molekul yang sangat reaktif (lihat pula: karbena), sehingga teori ikatan valensi saja tidak cukup untuk menjelaskan keberadaan CH.
Lebih lanjut lagi, orbital-orbital keadaan dasar tidak bisa digunakan untuk berikatan dalam CH. Walaupun eksitasi elektron 2"s" ke orbital 2"p" secara teori mengizinkan empat ikatan dan sesuai dengan teori ikatan valensi (adalah benar untuk O), hal ini berarti akan ada beberapa ikatan CH yang memiliki energi ikat yang berbeda oleh karena perbedaan aras tumpang tindih orbital. Gagasan ini telah dibuktikan salah secara eksperimen, setiap hidrogen pada CH dapat dilepaskan dari karbon dengan energi yang sama.
Untuk menjelaskan keberadaan molekul CH ini, maka teori hibridisasi digunakan. Langkah awal hibridisasi adalah eksitasi dari satu (atau lebih) elektron:
formula_2
Proton yang membentuk inti atom hidrogen akan menarik salah satu elektron valensi karbon. Hal ini menyebabkan eksitasi, memindahkan elektron 2s ke orbital 2p. Hal ini meningkatkan pengaruh inti atom terhadap elektron-elektron valensi dengan meningkatkan potensial inti efektif.
Kombinasi gaya-gaya ini membentuk fungsi-fungsi matematika yang baru yang dikenal sebagai orbital hibrid. Dalam kasus atom karbon yang berikatan dengan empat hidrogen, orbital 2"s" (orbital inti hampir tidak pernah terlibat dalam ikatan) "bergabung" dengan tiga orbital 2"p" membentuk "hibrid sp" (dibaca "s-p-tiga") menjadi
formula_3
Pada CH, empat orbital hibrid "sp" bertumpang tindih dengan orbital 1"s" hidrogen, menghasilkan empat ikatan sigma. Empat ikatan ini memiliki panjang dan kuat ikat yang sama, sehingga sesuai dengan pengamatan.
Sebuah pandangan alternatifnya adalah dengan memandang karbon sebagai anion C. Dalam kasus ini, semua orbital karbon terisi:
formula_4
Jika kita menrekombinasi orbital-orbital ini dengan orbital-"s" 4 hidrogen (4 proton, H) dan mengijinkan pemisahan maksimum antara 4 hidrogen (yakni tetrahedal), maka kita bisa melihat bahwa pada setiap orientasi orbital-orbital "p", sebuah hidrogen tunggal akan bertumpang tindih sebesar 25% dengan orbital-"s" C dan 75% dengan tiga orbital-"p" C. HaL ini sama dengan persentase relatif antara s dan p dari orbital hibrid "sp" (25% "s" dan 75% "p").
Menurut teori hibridisasi orbital, elektron-elektron valensi metana seharusnya memiliki tingkat energi yang sama, namun spektrum fotoelekronnya menunjukkan bahwa terdapat dua pita, satu pada 12,7 eV (satu pasangan elektron) dan saty pada 23 eV (tiga pasangan elektron). Ketidakkonsistenan ini dapat dijelaskan apabila kita menganggap adanya penggabungan orbital tambahan yang terjadi ketika orbital-orbital "sp" bergabung dengan 4 orbital hidrogen.
Senyawa karbon ataupun molekul lainnya dapat dijelaskan seperti yang dijelaskan pada metana. Misalnya etilena (CH) yang memiliki ikatan rangkap dua di antara karbon-karbonnya. Struktur Kekule metilena akan tampak seperti:
Karbon akan melakukan hibridisasi "sp" karena orbtial-orbital hibrid hanya akan membentuk ikatan sigma dan satu ikatan pi seperti yang disyaratkan untuk ikatan rangkap dua di antara karbon-karbon. Ikatan hidrogen-karbon memiliki panjang dan kuat ikat yang sama. Hal ini sesuai dengan data percobaan.
Dalam hibridisasi "sp", orbital 2"s" hanya bergabung dengan dua orbital 2"p":
formula_5
membentuk 3 orbital "sp" dengan satu orbital p tersisa. Dalam etilena, dua atom karbon membentuk sebuah ikatan sigma dengan bertumpang tindih dengan dua orbital "sp" karbon lainnya dan setiap karbon membentuk dua ikatan kovalen dengan hidrogen dengan tumpang tindih "s"-"sp" yang bersudut 120°. Ikatan pi antara atom karbon tegak lurus dengan bidang molekul dan dibentuk oleh tumpang tindih 2"p"-2"p" (namun, ikatan pi boleh terjadi maupun tidak).
Jumlah huruf "p" tidaklah seperlunya terbatas pada bilangan bulat, yakni hibridisasi seperti "sp" juga dapat terjadi. Dalam kasus ini, geometri orbital terdistorsi dari yang seharusnya. Sebagai contoh, seperti yang dinyatakan dalam kaidah Bent, sebuah ikatan cenderung untuk memiliki huruf-"p" yang lebih banyak ketika ditujukan ke substituen yang lebih elektronegatif.
Ikatan kimia dalam senyawa seperti alkuna dengan ikatan rangkap tiga dijelaskan dengan hibridisasi "sp".
formula_6
Dalam model ini, orbital 2"s" hanya bergabung dengan satu orbital-"p", menghasilkan dua orbital "sp" dan menyisakan dua orbital "p". Ikatan kimia dalam asetilena (etuna) terdiri dari tumpang tindih "sp"-"sp" antara dua atom karbon membentuk ikatan sigma, dan dua ikatan pi tambahan yang dibentuk oleh tumpang tindih "p"-"p". Setiap karbon juga berikatan dengan hidrogen dengan tumpang tindih "s"-"sp" bersudut 180°.
Hibridisasi membantuk kita dalam menjelaskan bentuk molekul:
Secara umum, untuk sebuah atom dengan orbital s dan p yang membentuk hibrid h dengan sudut formula_7, maka berlaku: 1 + formula_8formula_8 cos(formula_7) = 0. Rasio p/s untuk hibrid i adalah formula_8, dan untuk hibrid j formula_8. Dalam kasus khusus hibrdid dengan atom yang sama, dengan sudut formula_7, persamaan tersebut akan tereduksi menjadi 1 + formula_8 cos(formula_7) = 0. Sebagai contoh, BH memiliki geometri datar trigonal, sudut ikat 120, dan tiga hibrid yang setara. Maka 1 + formula_8 cos(formula_7) = 0 menjadi 1 + formula_8 cos(120) = 0, berlaku juga formula_8 = 2 untuk rasio p/s. Dengan kata lain terdapat hibrid sp seperti yang diperkirakan dari daftar di atas.
Teori hibridisasi adalah bagian yang tak terpisahkan dari kimia organik dan secara umum didiskusikan bersama dengan teori orbital molekul dalam buku pelajaran kimia organik tingkat lanjut.
Walaupun teori ini masih digunakan secara luas dalam kimia organik, teori hibridisasi secara luas telah ditinggalkan pada kebanyakan cabang kimia lainnya. Masalah dengan teori hibridisasi ini adalah kegagalan teori ini dalam memprediksikan spektra fotoelektron dari kebanyakan molekul, meliputi senyawa yang paling dasar seperti air dan metana. Dari sudut pandang pedagogi, pendekatan hibridisasi ini cenderung terlalu menekankan lokalisasi elektron-elektron ikatan dan tidak secara efektif mencakup simetri molekul seperti yang ada pada teori orbital molekul.