Mengapa atom berikatan

Memutus satu mol ikatan H-H membutuhkan 436 kJ, jadi dua atom hidrogen jauh lebih stabil bersama daripada terpisah.

Hampir tidak ada benda di sekitarmu yang tersusun dari atom-atom tunggal yang terpisah. Udara sebagian besar berupa molekul N₂ dan O₂, air adalah H₂O, dan sebutir garam adalah balok natrium dan klorin yang tersusun rapat dalam jumlah miliaran. Hanya gas mulia yang melayang sebagai atom tunggal. Jadi pertanyaan sebenarnya bukan apakah atom bergabung, melainkan mengapa, dan mengapa sebagian kombinasi terjadi sedangkan yang lain tidak pernah.

Energi lebih rendah berarti lebih stabil

Bola di lereng bukit menggelinding turun dan diam di lembah. Atom mengikuti aturan yang sama dalam hal energi. Saat dua atom hidrogen saling mendekat, elektron masing-masing tertarik ke kedua inti sekaligus. Sampai batas tertentu, tarikan ini mengalahkan tolakan antara kedua inti dan antara kedua elektron, sehingga energi total turun. Pada jarak 74 pm energinya mencapai titik terendah. Dorong inti lebih dekat dan tolakan mengambil alih; tarik keduanya menjauh dan kamu harus memberikan energi kembali. Lembah itulah ikatannya.

Kedalaman lembah adalah energi ikatan. Untuk hidrogen besarnya 436 kJ untuk setiap mol molekul, yaitu sekitar 6 × 10²³ ikatan. Energi itu harus diberikan untuk memisahkan molekul, dan dilepaskan saat atom-atom bergabung. Bahan bakar bekerja dengan cara sebaliknya: saat hidrogen terbakar, ikatan yang lebih lemah diputus dan ikatan yang lebih kuat dalam air terbentuk, dan selisihnya keluar sebagai panas.

Bagaimana orang bisa mengukur jarak 74 pm? Tidak ada yang memakai penggaris. Molekul berputar dan bergetar, dan hanya menyerap cahaya pada frekuensi tertentu yang bergantung pada jarak antaratomnya dan kekakuan ikatannya. Ukur frekuensi itu dengan spektrometer, lalu panjang dan sudut ikatan diperoleh dari perhitungan. NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database mengumpulkan geometri hasil pengukuran ini, dan setiap panjang dan sudut ikatan pada model 3D di kursus ini berasal dari sana.

Pola kulit penuh

Kimiawan punya cara cepat untuk meramalkan ikatan mana yang akan terbentuk. Gas mulia, yang kulit terluarnya penuh, nyaris tidak bereaksi, jadi kulit penuh tampaknya susunan yang nyaman. Banyak atom berikatan sedemikian rupa sehingga masing-masing mendapat kulit terluar yang penuh, biasanya 8 elektron, atau 2 untuk hidrogen. Ini disebut aturan oktet. Kimiawan Amerika G. N. Lewis menggambarkan pasangan elektron bersama pada 1916, dan diagram titiknya masih dipakai untuk menghitung elektron dalam ikatan.

Ada tiga cara mencapai kulit penuh, dan ketiganya menghasilkan tiga jenis ikatan utama. Atom bisa menyerahkan elektron ke atom lain, sehingga terbentuk ion yang terikat oleh tarikan listrik: ikatan ion. Dua atom bisa memakai bersama pasangan elektron sehingga masing-masing menghitung elektron bersama itu sebagai miliknya: ikatan kovalen. Atau sekumpulan besar atom logam bisa menggabungkan elektron terluarnya: ikatan logam. Ikatan mana yang terjadi terutama bergantung pada keelektronegatifan, yaitu tarikan setiap atom terhadap elektron.

Aturan oktet adalah panduan, bukan hukum. Boron dalam BF₃ akhirnya hanya punya 6 elektron terluar, dan belerang dalam SF₆ punya 12. Logam transisi punya cara hitung sendiri. Namun, untuk dua puluh unsur pertama dan senyawa karbon, nitrogen, dan oksigen, aturan ini sangat sering berlaku, dan inilah titik awal yang tepat.