Minggu, 12 Juli 2009

Penjelasan Ikatan Kovalen

Ikatan kimia yang mengikat karbon ketika membentuk senyawa organik disebut "ikatan kovalen". Ikatan kovalen terjadi ketika dua atom berbagi elektronnya.

Elektron-elektron sebuah atom menempati lapisan orbit spesifik yang mengelilingi inti atom. Orbit yang terdekat dengan nukleus dapat ditempati tidak lebih dari dua elektron. Pada orbit berikutnya elektron terbanyak adalah delapan elektron. Pada orbit ketiga, dapat mencapai delapan belas. Jumlah elektron semakin meningkat dengan penambahan orbit. Lalu, sebuah aspek yang menarik dari skema tersebut adalah atom "ingin" melengkapi jumlah elektron dalam orbit. Misalnya, oksigen memiliki enam elektron pada orbit kedua (dan yang paling luar), dan ini membuatnya lebih "berani" membentuk kombinasi dengan atom lainnya yang akan menyediakan dua kelebihan elektron yang diperlukan untuk menaikkan jumlahnya menjadi delapan. (Kenapa atom bertindak seperti itu adalah sebuah pertanyaan yang tidak terjawab. Namun dengan berperilaku seperti itu merupakan hal yang bagus: karena jika tidak, kehidupan tidak akan mungkin.)

Struktur metana: empat atom hidrogen membagi setiap satu elektron dengan sebuah atom karbon.

Ikatan kovalen merupakan hasil dari kecenderungan atom untuk melengkapi elektron pada orbitnya. Dua atau lebih atom dapat mengisi kekurangan dalam orbitnya dengan saling berbagi elektron. Sebuah contoh yang bagus adalah molekul air (H2O), yang unsur pembentuknya (dua atom hidrogen dan satu atom oksigen) membentuk ikatan kovalen. Dalam senyawa ini, oksigen melengkapi jumlah elektron pada orbit kedua menjadi delapan dengan berbagi dua elektron (masing-masing satu elektron) dari orbit dua buah atom hidrogen; dengan cara yang sama, setiap atom hidrogen "meminjam" satu elektron dari atom oksigen untuk melengkapi kulitnya sendiri.

Karbon sangat piawai dalam membentuk ikatan kovalen dengan atom lain (termasuk atom karbon) yang memungkinkan terbentuknya sejumlah besar senyawa. Salah satu contoh dari senyawa ini yang paling sederhana adalah metana: gas biasa yang dibentuk dari ikatan kovalen empat atom hidrogen dan satu atom karbon. Hanya dengan enam elektron, orbit terluar karbon kekurangan empat elektron untuk menggenapkan menjadi delapan, tidak seperti oksigen yang kekurangan dua, dan karena inilah, empat atom hidrogen diperlukan untuk melengkapinya.

Telah disebutkan bahwa karbon memiliki beragam kemampuan dalam membentuk ikatan dengan atom lain dan kemampuan inilah yang menghasilkan beragam senyawa. Kelompok senyawa yang dibentuk secara eksklusif dari karbon dan hidrogen disebut "hidrokarbon". Kelompok ini merupakan kelompok senyawa yang sangat beragam yang meliputi gas alam, bensin, kerosen, dan minyak oli. Hidrokarbon seperti etilen dan propilen adalah dasar pembentuk industri petrokimia modern. Hidrokarbon seperti benzena, toluena, dan terpentin tidak asing lagi bagi siapa pun yang kerjanya berhubungan dengan cat. Naptalen yang melindungi pakaian kita dari ngengat adalah hidrokarbon lainnya. Dengan tambahan klorin dalam senyawa, beberapa hidrokarbon menjadi zat bius; dengan tambahan florin, kita memiliki freon, gas yang banyak digunakan dalam AC.

Terdapat kelompok senyawa penting lain bentukan dari karbon, hidrogen, dan oksigen yang berikatan kovalen satu dengan lainnya. Dalam kelompok ini kita temukan alkohol seperti etanol dan propanol, keton, aldehid, dan asam lemak, sebagai salah satu dari sekian banyak senyawa. Kelompok senyawa lain yang tersusun dari karbon, hidrogen, dan oksigen adalah gula, yang mencakup glukosa dan fruktosa.

Selulosa yang menyusun kerangka kayu dan bahan kertas mentah adalah karbohidrat. Begitu juga dengan cuka. Demikian pula lilin lebah dan asam formiat. Setiap senyawa dan bahan-bahan yang begitu beragam yang terbentuk alami di dunia kita ini "tidak lebih" merupakan susunan berbeda dari karbon, hidrogen, dan oksigen yang diikat bersama oleh ikatan kovalen.

Minyak zaitun, daging, dan gula merah: Segala sesuatu yang kita makan terbuat dari susunan hirogen, oksigen, dan karbon dengan penambahan atom lain seperti nitrogen.

Ketika karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen membentuk ikatan seperti itu, hasilnya adalah sekelompok molekul yang merupakan dasar dan struktur kehidupan itu sendiri: asam amino yang menyusun protein. Nukleotida yang menyusun DNA juga merupakan molekul yang dibentuk dari karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen.

Singkatnya, ikatan kovalen yang mampu dibentuk oleh atom karbon sangat penting untuk keberadaan kehidupan. Andaikan hidrogen, karbon, nitrogen, dan oksigen tidak terlalu "berani" saling berbagi elektron, maka kehidupan tidak akan mungkin.

AIR DAN METANA: DUA CONTOH IKATAN KOVALEN YANG BERBEDA
Dalam molekul air (atas), terdapat ikatan kovalen antara dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Dalam molekul metana (bawah), empat atom hidrogen membentuk ikatan kovalen dengan sebuah atom karbon.



Yang memungkinkan karbon membentuk ikatan-ikatan tersebut adalah sebuah sifat yang disebut para ahli kimia sebagai "keadaan metastabil", sebuah keadaan dengan ambang yang sangat tipis di atas stabil. Ahli biokimia, J. B. S. Haldane, menjelaskan keadaan metastabil sebagai:

Molekul metastabil berarti molekul yang mampu melepaskan energi bebas dengan transformasi, namun cukup stabil untuk bertahan lama kecuali diaktifkan oleh panas, radiasi, atau penyatuan dengan katalis.90

Istilah yang agak teknis ini berarti bahwa karbon memiliki struktur agak unik, oleh karenanya, sangat mudah bagi karbon membentuk ikatan kovalen dalam kondisi normal.

Akan tetapi, tepat di sinilah karbon mulai membuat penasaran karena karbon metastabil hanya dalam kisaran suhu yang sangat sempit. Lebih tepatnya, senyawa karbon menjadi sangat tidak stabil jika suhu di atas 100oC.

Fakta ini sangat lumrah dalam kehidupan kita sehari-hari sehingga sebagian besar dari kita tidak menganggapnya istimewa. Misalnya ketika kita memasak daging, yang kita lakukan sebenarnya adalah mengubah struktur senyawa karbonnya. Namun ada sesuatu yang perlu kita catat di sini: Daging matang menjadi benar-benar "mati"; yaitu struktur kimianya berbeda dengan yang dimiliki daging tersebut ketika masih merupakan bagian organisme hidup. Sesungguhnya sebagian besar senyawa karbon menjadi "tidak alami" pada suhu di atas 100oC: sebagian besar vitamin misalnya, terurai begitu saja; gula juga mengalami perubahan struktur dan kehilangan sebagian nilai gizi; dan pada suhu sekitar 150oC, senyawa karbon akan mulai terbakar.

Dengan kata lain, jika atom karbon harus melakukan ikatan kovalen dengan atom-atom lain dan jika senyawa yang dihasilkan harus tetap stabil, maka suhu lingkungan harus tidak lebih dari 100oC. Sebaliknya batas bawah adalah sekitar 0oC: Jika suhu turun jauh di bawah 0oC, biokimia organik menjadi tidak mungkin.

Dalam kasus senyawa lain, secara umum keadaan ini bukanlah yang terjadi. Sebagian besar senyawa anorganik tidak meta-stabil; kestabilannya tidak terlalu dipengaruhi oleh perubahan suhu. Untuk mengetahuinya mari kita lakukan sebuah percobaan. Tusuk sepotong daging di ujung sebatang logam panjang, misalnya besi dan panaskan keduanya di atas api. Bersamaan suhu memanas, daging akan menghitam dan akhirnya terbakar jauh sebelum terjadi apa-apa dengan logam tersebut. Hal yang sama akan terjadi juga jika Anda mengganti logam dengan batu atau kaca. Anda harus meningkatkan panas sampai beberapa ratus derajat sebelum struktur benda-benda tersebut berubah.

Saat ini, Anda tentu sudah mendapati kesamaan antara kisaran suhu yang diperlukan untuk pembentukan dan kestabilan ikatan kovalen senyawa karbon dan kisaran suhu yang umum pada planet kita. Seperti telah dibahas di bagian lain, di seluruh alam semesta, suhu berkisar dari jutaan derajat dalam pusat bintang sampai nol derajat mutlak (-273,15oC). Namun bumi, yang telah diciptakan untuk umat manusia agar hidup di dalamnya, memiliki kisaran suhu sempit yang mutlak diperlukan bagi pembentukan senyawa karbon sebagai unsur pembentuk kehidupan.

Namun "kebetulan" yang menarik tidak berakhir di sini. Kisaran suhu yang sama merupakan satu-satunya keadaan di mana air tetap cair. Seperti yang telah kita bahas pada bab sebelumnya, air yang cair merupakan salah satu syarat utama kehidupan, untuk tetap cair, air memerlukan suhu yang tepat sama dengan suhu senyawa karbon agar dapat terbentuk dan stabil. Tidak ada "hukum" fisika atau alam yang mengharuskan keadaan seperti ini, dan berdasarkan fakta ini, terbukti bahwa sifat fisik air dan karbon dan keadaan planet bumi diciptakan selaras antara satu dan lainnya.

1 komentar: