Bentuk molekul (VSEPR)

Ikatan-ikatan metana membentuk sudut 109.5°, amonia 107°, dan air 104.5°. Ketiganya punya empat pasangan elektron di sekitar atom pusat.

Ikat empat balon pada lehernya dan balon-balon itu akan menata diri sendiri: masing-masing menunjuk ke sudut sebuah tetrahedron, sejauh mungkin satu sama lain. Pasangan elektron di sekitar atom berperilaku sangat mirip. Semuanya bermuatan negatif, saling tolak, dan menyebar agar tolakan itu sekecil mungkin. Bentuk molekul mengikuti posisi akhir pasangan-pasangan tersebut.

Gagasan ini disebut teori tolakan pasangan elektron kulit valensi, disingkat VSEPR, dan dirumuskan oleh Ronald Gillespie dan Ronald Nyholm pada 1957. Untuk memakainya, hitung daerah kerapatan elektron di sekitar atom pusat. Ikatan tunggal, rangkap dua, atau rangkap tiga masing-masing dihitung sebagai satu daerah, karena semua elektronnya mengarah ke arah yang sama. Pasangan elektron bebas, yaitu pasangan elektron milik atom itu yang tidak dipakai untuk berikatan, juga dihitung sebagai satu daerah.

Dua, tiga, dan empat daerah

Dua daerah mengarah berlawanan, berselisih 180°, sehingga molekulnya linear. Karbon dioksida, O=C=O, punya dua ikatan rangkap dua dan tidak ada pasangan elektron bebas pada karbon, jadi bentuknya garis lurus. Tiga daerah menyebar membentuk segitiga datar bersudut 120°, disebut segitiga datar (trigonal planar). Setiap karbon dalam etena punya tiga daerah (dua ikatan C-H dan ikatan rangkap C=C), dan seluruh molekulnya datar; sudut H-C-H hasil pengukuran adalah 117.6°, dekat dengan nilai ideal. Empat daerah mengarah ke sudut-sudut tetrahedron dengan sudut 109.5°. Metana adalah contoh klasiknya.

Pasangan elektron bebas menyempitkan sudut

Amonia dan air juga punya empat daerah di sekitar atom pusat, tetapi sebagian berupa pasangan elektron bebas. Nitrogen dalam NH₃ punya tiga ikatan dan satu pasangan elektron bebas; oksigen dalam H₂O punya dua ikatan dan dua pasangan elektron bebas. Pasangan elektron bebas hanya dipegang oleh satu inti, sehingga ia menyebar lebih dekat ke atom itu dan mendorong ikatan di sebelahnya lebih kuat daripada pasangan elektron ikatan. Ikatan-ikatan itu terdesak saling mendekat. Pada amonia, sudut H-N-H menyempit dari 109.5° menjadi sekitar 107°; pada air, yang punya dua pasangan elektron bebas, sudut H-O-H menyempit lagi menjadi 104.5°.

Nama bentuk menggambarkan letak atom-atomnya, bukan letak pasangan elektron bebas. Amonia disebut piramida trigonal, piramida rendah dengan nitrogen di puncaknya. Air disebut bengkok. Nyalakan "Pasangan bebas" pada model dan kamu bisa melihat sudut keempat tetrahedron amonia yang tak terlihat, serta dua sudut yang melengkapi tetrahedron air. Model menggambarkannya sebagai cuping kuning dengan dua titik kecil untuk elektronnya; pasangan elektron bebas yang sebenarnya berupa awan muatan tanpa tepi yang tegas.

Molekul yang lebih besar punya lebih dari satu pusat, dan aturan yang sama diterapkan pada setiap pusat. Dalam etana, setiap karbon punya empat ikatan tunggal, jadi setiap karbon berbentuk tetrahedral dan molekulnya berkelok zigzag dalam tiga dimensi. Dalam metanol, CH₃OH, karbonnya tetrahedral, sedangkan oksigennya, dengan dua ikatan dan dua pasangan elektron bebas, bengkok seperti oksigen dalam air. Benzena adalah kebalikannya: keenam karbonnya masing-masing punya tiga daerah, sehingga kedua belas atomnya terletak datar dalam segi enam dengan sudut 120°. Pilih setiap molekul itu pada model dan lihat dari samping untuk memeriksanya.