Ikatan Hidrogen – Tahukah kalian tentang fakta menarik mengenai unsur hidrogen? Unsur hidrogen ternyata merupakan unsur paling melimpah di alam dan juga menjadi unsur paling ringan dengan bobot hanya 1,00794 sma. Tidak heran jika unsur ini banyak membentuk ikatan dengan unsur-unsur lainnya.
Saat atom hidrogen terikat dengan atom-atom yang sangat elektronegatif melalui gaya antar molekul maka akan terbentuk yang namanya ikatan hidrogen. Seperti ikatan N-H, O-H, dan F-H yang terbentuk dari atom N, O, dan F.
Diharapkan setelah kalian memahami artikel ini maka kalian sudah dapat menjawab beberapa pertanyaan umum seperti berikut:
Kepolaran Ikatan Hidrogen
Saat atom hidrogen membentuk senyawa dengan atom-atom dengan keelektronegatifan tinggi maka senyawa yang terbentuk menjadi sangat polar. Hal ini terjadi karena tertariknya pasangan elektron yang digunakan bersama ke arah atom yang memiliki keelektronegatifan besar.
Alhasil, Hidrogen yang memiliki keelektronegatifan kecil cenderung akan bermuatan positif. Pada kondisi tersebut atom hidrogen akan gampang membentuk ikatan berikutnya dengan atom lain yang lebih elektronegatif.
Ikatan-ikatan yang terus dibentuk oleh atom hidrogen inilah yang disebut sebagai ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen umumnya terjadi pada interaksi antarmolekul air (H2O) dan juga terdapat pada interaksi antarmolekul amonia (NH3). Ikatan hidrogen terjadi akibat adanya gaya antarmolekul. Apa itu gaya antarmolekul?
Jenis-jenis Ikatan Hidrogen
Ikatan hidrogen sendiri dibedakan atas dua jenis yaitu ikatan hidrogen antarmolekul dan ikatan hidrogen intramolekul.
1. Ikatan Hidrogen Antarmolekul
Ikatan hidrogen antarmolekul terbentuk saat atom hidrogen terikat oleh dua atau lebih atom lain yang mempunyai keelektronegatifan tinggi seperti F, N, dan O.
rumuspintar.com
Dari gambar di atas merupakan contoh ikatan hidrogen pada molekul air. Dalam setiap molekul air terbentuk empat ikatan hidrogen antarmolekul, dua melalui atom H dan dua lainnya melalui pasangan elektron bebas pada atom O. Selain molekul air, ikatan hidrogen antarmolekul juga terjadi pada etanol.
Setiap molekul etanol hanya dapat membentuk dua ikatan hidrogen antarmolekul. Hal inilah yang menjadi alasan mengapa gaya antarmolekul pada molekul air lebih kuat dibandingkan gaya antarmolekul pada etanol. Hal tersebut pula yang menjadi penyebab titik didih air lebih tinggi dibandingkan titik didih etanol.
2. Ikatan Hidrogen Intramolekul
Ikatan hidrogen intramolekul terjadi pada interaksi atom-atom yang berada pada molekul yang sama. Ikatan hidrogen intramolekul umumnya terjadi pada molekul siklik yang terdiri dari atom-atom yang memiliki perbedaan keelektronegatifan besar. Ikatan ini seringkali ditemukan pada senyawa organik.
Para ahli kimia membuktikan keberadaan ikatan hidrogen melalui studi kristalografi. Studi ini terdiri dari eksperimen menggunakan sinar X, spektrum infra merah, difraksi neutron, dan Nuclear Magnetic Resonance (NMR) terhadap sampel dalam wujud cairan dan larutan.
Sebagai contoh, melalui studi dengan spektrum infra merah, sampel X-H yang mengandung ikatan hidrogen. Keberadaan ikatan hidrogen akan menimbulkan energi vibrasi yang mengakibatkan terjadinya stretching dari molekul X-H, saat melemah maka akan terbaca pada spektrum yang memunculkan frekuensi lebih rendah, melebar hingga tumpul.
Ikatan Hidrogen pada Air dan Es
Ikatan hidrogen antarmolekul juga terdapat pada es. Seperti yang kalian sudah ketahui, satu molekul air mampu membentuk ikatan hidrogen dengan empat molekul air lain yang ada disekelilingnya.
Massa jenis es lebih kecil dibandingkan massa jenis air karena didalam es terdapat rongga-rongga seperti yang terlihat pada gambar di atas. Rongga-rongga pada es menyebabkan es menjadi ringan sehingga dapat mengapung di permukaan air.
Sebagian dari ikatan hidrogen putus saat es mulai meleleh. Kondisi ini mengakibatkan molekul-molekul air kembali menjadi lebih rapat. Sehingga meningkatkan densitas atau massa jenisnya. Saat es sudah meleleh maka densitas akan meningkat dan mencapai kerapatan maksimum pada 3,98 derajat celcius.
Kemampuan es yang dapat mengapung membawa manfaat bagi beberapa makhluk hidup terutama hewan air yang hidup di daerah dengan musim salju dan pada daerah bersuhu sangat dingin seperti di kutub.
Saat musim dingin, ikan tidak akan merasa kedinginan dan membeku karena pembentukan es hanya pada permukaan air saja dan mengapung. Alhasil, badan air tidak akan membeku seluruhnya dari atas hingga ke dasar. Dengan demikian, ikan dapat bertahan hidup di kedalaman bawah air yang tidak membeku.
Sifat Fisis Molekul dengan Ikatan Hidrogen
Gaya antarmolekul umumnya mempengaruhi sifat-sifat fisika suatu zat. Ikatan hidrogen yang merupakan salah satu jenis dari gaya antarmolekul, maka ikatan hidrogen juga mampu mengubah sifat fisika molekul.
Seperti yang kalian sudah ketahui bahwa sifat fisis dengan mudah bisa diamati atau terlihat. Sifat fisika dari pengaruh ikatan hidrogen yang dimaksud yaitu titik didih, bentuk permukaan cairan, dan bentuk tetesan cairan.
1. Titik Didih
Ikatan hidrogen pada molekul memberikan pengaruh pada perubahan sifat fisis yang salah satunya adalah titik didih. Sebagai contoh, senyawa hidrida biner pada unsur-unsur yang termasuk kedalam golongan IVA sampai VIIA mengalami peningkatan titik didih.
Pada golongan IVA yang membentuk senyawa hidrida seperti CH4, SiH4, GeH4dan SnH4mengalami peningkatan titik didih dari atas ke bawah (dari unsur C ke unsur Sn). Perlu diketahui, bahwa keempat molekul tersebut bersifat nonpolar yang mengandung gaya antarmolekul yaitu gaya London.
Kekuatan gaya London pada cairan SnH4> GeH4> SiH4> CH4. Peningkatan kekuatan gaya London mengakibatkan peningkatan titik didih cairan sehingga titik didih molekul SnH4yang paling tinggi diantara keempat molekul tersebut.
Sedangkan titik didih air jika dibandingkan dengan molekul yang mengandung unsur segolongan dengan air yaitu H2S, H2Se, dan H2Te jauh lebih tinggi. Dengan kata lain, Titik didih dari air lebih tinggi dari keempat senyawa tersebut. Hal ini disebabkan karena molekul air atau H2O membentuk ikatan hidrogen antarmolekul sedangan molekul H2S, H2Se, dan H2Te tidak dapat membentuk ikatan hidrogen.
Jika dibandingkan titik didih H2Odengan titik didih molekul HF dan NH3yang juga mengandung ikatan hidrogen. Diantara ketiganya yang memiliki titik didih paling tinggi adalah H2O. Mengapa? Karena molekul-molekul H2O ternyata dapat memungkinan terbentuknya empat ikatan hidrogen antarmolekul H2O . Berbeda halnya dengan HF dan NH3 yang hanya mampu membentuk 2 ikatan hidrogen.
Semakin banyak ikatan hidrogen yang bisa dibentuk oleh suatu molekul maka titik didihnya semakin tinggi. Hal ini berlaku pada molekul air yang mengandung lebih banyak ikatan hidrogen.
2. Bentuk Permukaan Cairan
Kalian pastinya sudah pernah melakukan praktikum di laboratorium sekolah, kan? Apakah kamu menyadari ? Saat menggunakan gelas ukur atau pipa kapiler, cairan yang dimasukkan ke dalamnya akan membentuk cekungan pada permukaan cairan. Mengapa bisa demikian?
Pipa kapiler yang terdiri dari SiO2 ternyata mampu membentuk ikatan hidrogen antarmolekul. Jadi, molekul-molekul air yang menempel pada pipa kapiler membentuk ikatan hidrogen antar molekul dengan atom-atom oksigen dari SiO2. Fenomena nyata ini yang biasa disebut dengan adhesi yaitu gaya tarik yang terjadi antara molekul-molekul yang berbeda.
Selain itu, molekul-molekul air yang tidak menempel pada dinding pipa kapiler juga membentuk ikatan hidrogen antar molekul dengan molekul air lainnya. Gaya tarik antara molekul-molekul air karena terjadi pada molekul-molekul yang sama maka disebut kohesi.
Bentuk cekungan pada permukaan cairan terjadi karena adhesi lebih kuat dibandingkan kohesi pada permukaan air dalam pipa kapiler.
3. Bentuk Tetesan Cairan
Pernahkah kalian mempertanyakan, mengapa tetesan cairan selalu berbentuk bulat seperti bola?. Fakta ini bisa dijelaskan dengan kimia. Dimana molekul-molekul yang terdapat pada permukaan cairan tertarik kuat kedalam cairan, sehingga jumlah molekul yang terdapat pada permukaan cairan menjadi minimal.
Luas permukaan cairan yang minimal terjadi pada permukaan yang berbentuk bulat atau bola. Olehnya itu, bentuk tetesan cairan memiliki bentuk bola.
Ikatan Hidrogen pada Makhluk Hidup
Dalam tubuh makhluk hidup terjadi reaksi-reaksi yang melibatkan senyawa-senyawa kompleks seperti karbohidrat, lemak, protein, hingga DNA. Dalam reaksi tersebut terjadi pemutusan dan pembentukan ikatan yang salah satunya adalah ikatan hidrogen.
Ikatan hidrogen menjamin kerja protein sesuai fungsinya, saat ikatan hidrogen dalam protein putus otomatis protein bisa kehilangan fungsinya. Ikatan ini juga mampu mempertahankan struktur rantai ganda DNA namun tetap memungkinkan terjadinya proses pemutusan ikatan saat replikasi DNA.
Gaya Antarmolekul
Interaksi yang terjadi antara molekul yang satu dengan molekul lainnya disebabkan karena adanya gaya tarik yang disebut sebagai gaya antarmolekul. Gaya antarmolekul inilah yang dapat mengubah wujud suatu zat, misalnya fase gas berubah menjadi fase cair dan fase padat.
Gaya antarmolekul dapat dibedakan menjadi empat yaitu gaya London, gaya dipol-dipol induksian, gaya dipol-dipol, dan ikatan hidrogen. Khusus interaksi antara molekul polar dengan molekul polar lainnya terjadi karena adanya gaya dipol-dipol dan ikatan hidrogen.
Dibandingkan gaya dipol-dipol, ikatan hidrogen memiliki energi ikatan yang lebih besar yaitu antara 4 sampai 45 kJ/mol. Namun jika dibandingkan dengan energi ikatan ionik dan ikatan kovalen yang kisarannya antara 400 hingga 500 kj/mol, ikatan hidrogen jauh lebih lemah.
Sebenarnya ikatan hidrogen sendiri juga terdapat gaya dipol-dipol karena terjadi gaya tarik atom-atom yang sangat elektronegatif dengan atom hidrogen.
Gaya Dipol-dipol
Gaya dipol-dipol terjadi antara molekul-molekul polar yang sama maupun berbeda. Gaya dipol-dipol antara molekul-molekul yang sama terjadi di dalam cairan dan padatan senyawa polar murni.
Contohnya, di dalam cairan dan padatan diklorometana terdapat banyak molekul diklorometana yang bersifat polar. Antara molekul diklorometana satu dengan molekul diklorometana yang lain terjadi gaya dipol-dipol.
Dalam fase cair, molekul-molekul polar tersusun secara acak. Molekul-molekul yang acak ini membentuk susunan dimana pusat muatan positif suatu molekul polar berada dekat dengan pusat muatan negatif molekul polar yang lain, begitu juga sebaliknya.
Dalam fase padat, molekul-molekul polar tersusun secara teratur dan berulang. Pada molekul heterodiatomik, kepolaran molekul bergantung pada perbedaan keelektronegatifan dari dua atom yang berikatan kovalen.
Kepolaran HCl > HBr > HI karena perbedaan keelektronegatifan antara atom H dan l > antara atom H dan atom Br > antara atom H dan atom I. Kekuatan gaya dipol-dipol pada cairan HCl > HBr > HI. Semakin polar suatu molekul, gaya dipol-dipolnya semakin kuat.
Gaya Tolak Antarmolekul
Ternyata tidak hanya ada gaya tarik antarmolekul tapi ada juga yang namanya gaya tolak antarmolekul. Interaksi antarmolekul memiliki energi yang paling rendah atau paling stabil apabila gaya tarik antarmolekul seimbang dengan gaya tolak antarmolekul. Mengapa kondisi ini dapat terjadi?
Saat terjadi gaya tarik antara molekul-molekul otomatis jarak antara molekul-molekul akan semakin dekat. Saat molekul-molekul saling berdekatan maka jarak antar awan elektron semakin pendek.
Saat mencapai jarak tertentu, muatan negatif dari awan elektron molekul-molekul akan saling tolak atau timbul gaya tolak. Gaya tarik dan gaya tolak seimbang pada waktu energi total molekul-molekul yang berinteraksi harganya minimal.
Contoh Soal Ikatan Hidrogen
1. Apa yang dimaksud dengan molekul polar?
Molekul polar merupakan molekul yang terbentuk dari atom-atom dengan perbedaan keelektronegatifan sehingga akan terbentuk dipol atau muatan dimana terdapat bagian yang lebih bermuatan positif dan bagian yang lebih bermuatan negatif.
2. Yang manakah dari keempat senyawa berikut yang dapat membentuk ikatan hidrogen di dalam senyawanya?
- Metana (CH4)
- Hidrazin (H2NNH2)
- Metil Florida (CH3F)
- Hydrogen Sulfida (H2S)
Jawaban:
Untuk menyelesaikan soal di atas, kalian perlu menganalisis setiap rumus kimia dari senyawa-senyawa tersebut agar terlihat apakah mengandung N, F dan O yang membentuk ikatan langsung dengan H. Kalian juga perlu menggambar struktur Lewis dari keempat senyawa untuk melihat keberadaan pasangan elektron bebas pada atom elektronegatif N,F, dan O.
Dari kriteria tersebut, kita bisa menghilangkan H2S dan CH4 karena tidak mengandung atom H yang terikat pada N, F, dan O. Senyawa CH3F juga bisa dihilangkan karena dalam penggambaran struktur Lewis yang menjadi atom pusat adalah atom C yang umum berikatan dengan 4 atom sehingga atom F tidak berikatan dengan H melainkan dengan C (C-F).
Sehingga senyawa ini juga tidak mengandung ikatan hidrogen. Jawaban yang tersisa tinggal H2NNH2 yang merupakan senyawa dengan ikatan hidrogen antara atom H dan atom N dengan penggambaran struktur Lewis sebagai berikut.
Brown, et al. 2015
3. Urutkan senyawa BaCl2, HF, H2, dan CO berdasarkan kenaikan titik didihnya!
Seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa titik didih bergantung pada kekuatan ikatan antarmolekul. Kekuatan ikatan pada senyawa ionik lebih tinggi daripada kekuatan ikatan pada molekul sehingga senyawa BaCl2 yang merupakan senyawa ionik tentu memiliki titik didih tertinggi.
Kekuatan ikatan antar molekul dari suatu senyawa bergantung pada berat molekul, polaritas, dan ada tidaknya ikatan hidrogen. Berat molekul masing-masing senyawa yaitu HF = 20, H2 = 2 CO = 28 dan Ne = 20. Titik didih H2 yang paling rendah karena merupakan molekul nonpolar dan berat molekul terkecil.
Berat molekul HF, CO dan Ne tidak berbeda jauh namun molekul HF memiliki ikatan hidrogen yang otomatis akan memiliki titik didih yang tinggi. Molekul CO merupakan molekul yang sedikit polar dengan berat molekul tinggi sedangkan Ne yang nonpolar juga tidak akan memiliki titik didih yang tinggi.
Urutan yang benar berdasarkan kenaikan titik didihnya yaitu:
H2 < Ne < CO < HF < BaCl2
Apakah kalian sudah paham mengenai konsep-konsep terkait ikatan hidrogen yang telah dipaparkan di atas. Ikatan hidrogen secara langsung maupun tidak langsung mempengaruhi karakteristik fisika dari beberapa senyawa.
Video Pembelajaran Ikatan Hidrogen
Untuk membantu meningkatkan pemahaman kalian terkait ikatan hidrogen, kalian bisa menyaksikan video pembahasan mengenai konsep ikatan hidrogen divideo ini:
Mempelajari konsep ikatan hidrogen yang terbilang abstrak memang butuh tingkat pemahaman yang cukup tinggi. Dengan belajar dan berlatih mengerjakan soal kalian pasti bisa, yang semangat belajarnya, Ya!