Orbital Hibrida dan Orbital Nonhibrida

Bahasan dalam tulisan ini didasarkan pada teori ikatan valensi (Valence Bond Theory/VBT), teori yang menyatakan bahwa elektron yang terlibat dalam pembentukan ikatan antaratom hanya elektron di kulit terluar. Penentuan jenis orbital hibrida (orbital gabungan/campuran) baik untuk atom pusat atau atom lain yang berikatan dengan atom pusat dapat dilakukan secara cepat.

Hibridisasi adalah konsep dalam VBT untuk menjelaskan geometri molekul dan ikatan sigma, sementara ikatan pi melibatkan orbital nonhibrida (p murni).

Syarat penentuan hibridisasi memang bergantung pada jumlah elektron valensi, jumlah atom yang diikat (atau ikatan sigma). Untuk orbital nonhibrida, keberadaannya dikaitkan dengan adanya ikatan pi (dari ikatan rangkap), bukan hanya ikatan rangkap secara umum. Selain itu, hibridisasi tidak terjadi pada atom hidrogen (H) karena hanya memiliki satu orbital 1s.

Orbital nonhibrida biasanya adalah orbital p murni yang tidak ikut hibridisasi, dan promosi elektron memang diperlukan dalam VBT untuk mengisi orbital hibrida, tetapi orbital nonhibrida tetap dari subkulit valensi asli (seperti 2p).

Syaratnya harus tahu jumlah elektron valensi atom, jumlah atom yang diikat, dan jumlah pasangan elektron bebas (PEB) atau pasangan elektron yang tidak terlibat dalam ikatan.

Sementara untuk mengetahui adanya orbital yang tidak mengalami hibridisasi dapat dilihat ada tidaknya ikatan rangkap (baik dobel maupun tripel), karena ikatan pi dalam ikatan rangkap melibatkan orbital p nonhibrida.

Pedoman yang mudah diingat untuk atom pusat atau atom yang terlibat dalam ikatan

Setiap ikatan tunggal (ikatan sigma, σ) hanya terdapat 1 orbital yang mengalami hibridisasi, kecuali dalam atom H tidak pernah terjadi hibridisasi orbital karena ia hanya mempunyai 1 elektron dalam orbital 1s.
Setiap ikatan rangkap dua terdiri dari 1 ikatan sigma dan 1 ikatan pi. Ikatan sigma biasanya dibentuk oleh orbital hibrida, sedangkan ikatan pi dibentuk oleh orbital p non-hibrida.
Setiap Ikatan rangkap tiga = 1 ikatan sigma (1 orbital hibrida) dan 2 ikatan pi. Dua ikatan pi ini membutuhkan dua orbital p non-hibrida yang saling tegak lurus.
Setiap 1 PEB berarti pada atom tersebut terdapat 1 orbital yang mengalami hibridisasi.

Total orbital hibrida dihitung sebagai jumlah ikatan sigma + jumlah PEB. Orbital nonhibrida muncul hanya jika ada ikatan pi, yang biasanya dari orbital p valensi yang tersisa setelah hibridisasi.

Misalnya, jika suatu atom memiliki 3 ikatan sigma dan 0 PEB, hibridisasinya sp² (menggunakan 3 orbital hibrida), dan menyisakan 1 orbital p non-hibrida. Jika atom itu terlibat dalam ikatan rangkap dua, orbital p non-hibrida inilah yang membentuk ikatan pi.

Orbital-orbital yang tidak turut dalam hibridisasi biasanya adalah orbital p murni dari subkulit valensi yang tidak ikut campur dengan orbital s, misalnya, dan ini sering kali melibatkan elektron yang sudah ada di orbital tersebut (bukan selalu dari promosi).

Dalam VBT, promosi elektron memang terjadi untuk membentuk hibrida, tetapi orbital nonhibrida tetap dari orbital asli.

Catatan: Orbital atom, baik orbital hibrida maupun orbital non-hibrida merupakan model matematis yang di level SMA kemudian disederhanakan seperti yang selama ini diajarkan.
Hibridisasi adalah alat matematika, cara orang memilih basis fungsi gelombang yang paling nyaman untuk mendeskripsikan suatu molekul. Atom tidak "melakukan" hibridisasi; para ahli yang memilih untuk mendeskripsikannya dengan orbital hibrida karena hasilnya lebih intuitif.
Itulah mengapa di level kimia kuantum yang lebih dalam (MO theory, ab initio calculation), konsep hibridisasi tidak dipakai sama sekali, sebab komputer langsung mengoptimasi fungsi gelombang total tanpa perlu framing hibridisasi.

Contoh CO₂

Struktur Lewis CO₂: O=C=O, terdapat 2 buah ikatan dobel antara C dan O, dan pada setiap O terdapat masing-masing 2 PEB.

Untuk atom C:
Atom C pusat terikat pada 2 atom O. Jumlah domain elektron di sekitar atom C adalah 2 (keduanya dari ikatan rangkap). Dengan 2 domain elektron dan tanpa PEB, atom C mengalami hibridisasi sp.

Hibridisasi ini menghasilkan 2 orbital hibrida sp yang digunakan untuk membentuk 2 ikatan sigma dengan O. Sisa 2 orbital p non-hibrida (2p_y dan 2p_z) digunakan untuk membentuk 2 ikatan pi dengan kedua atom O.

Untuk setiap atom O:
Setiap atom O memiliki 3 domain elektron (1 ikatan sigma + 2 PEB) → hibridisasi sp².

Hibridisasi ini menghasilkan 3 orbital hibrida sp². Satu orbital digunakan untuk ikatan sigma dengan C, dan dua lainnya menampung 2 PEB. Sisa 1 orbital p non-hibrida digunakan untuk membentuk ikatan pi dengan atom C.

Untuk memperjelas perbedaan dan cara memperkirakan keberadaan orbital hibrida vs. nonhibrida, berikut beberapa contoh molekul lain.

Kita gunakan kriteria: orbital hibrida terlibat dalam ikatan sigma dan PEB, sementara nonhibrida (p murni) untuk ikatan pi. Jika tidak ada ikatan rangkap, kemungkinan besar tidak ada nonhibrida valensi.

Contoh 1: CH₄ (Metana) - Hanya Hibrida, Tidak Ada Nonhibrida

Struktur: C terikat dengan 4 H (4 ikatan tunggal), tidak ada PEB pada C, tidak ada ikatan rangkap.

Perhitungan: 4 orbital hibrida (dari 1s + 3p → sp³). Tidak ada orbital nonhibrida karena tidak ada ikatan pi.

Geometri: tetrahedral, bersifat polar.

Membedakan: Hanya hibrida karena semua domain adalah sigma tunggal; tidak ada p murni tersisa.

Contoh 2: C₂H₄ (Etilena) - Hibrida dengan Nonhibrida

Struktur: H₂C=CH₂, setiap C punya 1 ikatan dobel (1 sigma + 1 pi), 2 ikatan tunggal ke H, tidak ada PEB pada C.

Perhitungan: Setiap C: 3 orbital hibrida (sp² untuk 1 sigma ke C + 2 sigma ke H), 1 orbital nonhibrida (p murni untuk pi). Total: hibrida untuk sigma, nonhibrida untuk pi.

Membedakan: Ada nonhibrida karena ikatan dobel; tanpa itu, seperti CH₄, hanya hibrida.

Geometri: trigonal planar (segitiga datar), bersifat nonpolar.

Contoh 3: N₂ (Nitrogen) - Hibrida dengan Nonhibrida Ganda

Struktur: N≡N (1 sigma + 2 pi), terdapat 1 PEB pada setiap N.

Perhitungan: Setiap N: 2 domain elektron (1 sigma + 1 PEB) → sp (1 orbital hibrida untuk sigma dan PEB), 2 orbital nonhibrida (2p murni untuk dua pi). Konfigurasi elektron valensi N (2s² 2p³) sudah memiliki elektron tidak berpasangan yang cukup untuk membentuk ikatan tripel tanpa memerlukan promosi elektron.

Membedakan: Nonhibrida lebih banyak (2) karena ikatan tripel; bandingkan dengan NH₃ (3 sigma + 1 PEB → sp³, tidak ada nonhibrida).

Geometri: linier, bersifat nonpolar.

Contoh 4: H₂O (Air) - Hanya Hibrida, Tidak Ada Nonhibrida

Struktur: O terikat 2 H (2 ikatan tunggal), 2 PEB, tidak ada ikatan rangkap.

Perhitungan: 4 orbital hibrida (sp³: 2 untuk sigma, 2 untuk PEB). Tidak ada nonhibrida.

Membedakan: Mirip CH₄, hanya hibrida karena tak ada ikatan pi.

Geometri: bengkok (V-shaped).

Contoh 5: HF (Hidrogen Fluorida) - Tidak Ada Hibridisasi pada F maupun H

Struktur: H-F, ikatan tunggal antara H dan F, dengan 3 PEB pada F, tidak ada ikatan rangkap.

Perhitungan untuk F: Ikatan sigma H-F terbentuk dari overlap orbital 1s H dengan orbital 2p murni F yang setengah terisi. Dua orbital 2p F lainnya yang terisi penuh dan orbital 2s F menjadi PEB. F tidak mengalami hibridisasi karena tidak ada syarat keekuivalenan orbital.

Perhitungan untuk H: Tidak ada hibridisasi, hanya orbital 1s murni untuk ikatan sigma.

Membedakan: Berbeda dengan H₂O atau NH₃ yang atom pusatnya mengalami hibridisasi sp³, pada HF ikatan sigma cukup dijelaskan dengan overlap langsung orbital 2p murni F dan orbital 1s H tanpa hibridisasi.

Geometri: linear diatomik dan bersifat polar.

Contoh 6: SF₆ (Belerang Heksafluorida) - Hibrida Expanded Octet, Tanpa Nonhibrida

Struktur:
Atom pusat S (heksavalen) mengikat dengan 6 F (monovalen).
Tidak ada PEB pada S.

Perhitungan untuk S:
6 ikatan sigma (ke 6 F) → 6 orbital hibrida (sp³d² untuk sigma). Tidak ada orbital nonhibrida karena tidak ada ikatan pi.

Perhitungan untuk F dalam S–F: mirip CO₂, sp² hibrida dengan nonhibrida untuk pi.

Konfigurasi elektron S:
Atom S (keadaan dasar):
[Ne] !s2! !p4!
Atom S (keadaan eksitasi, 2e ke orbital d):
[Ne] !s1! !p3! !d2!
Atom S (hibridisasi menjadi 6 orbital sp³d²):
[Ne] !sp3d2:6!
Atom S (dalam SF₆):
[Ne] !sp3d2:12!

Membedakan: Pada S, hanya hibrida untuk sigma (expanded octet); tanpa ikatan rangkap sehingga tidak ada nonhibrida.

Geometri: oktahedral di sekitar S.

Contoh 7: H₂SO₄ (Asam Sulfat) - Hibrida dengan Nonhibrida pada S

Struktur: S pusat terikat dengan 4 O: dua ikatan dobel (S=O) dan dua ikatan tunggal ke O-H (tapi dalam resonansi, semua O setara). Tidak ada PEB pada S.

Perhitungan untuk S: 4 ikatan sigma (ke 4 O) + 2 ikatan pi (dari dua dobel) → 4 orbital hibrida (sp³ untuk sigma), dan 2 orbital nonhibrida (p atau d murni untuk pi, meskipun S adalah elemen periode 3, dalam VBT sederhana sering digambarkan dengan keterlibatan d orbital). Untuk O dalam S=O: mirip CO₂, sp² hibrida dengan nonhibrida untuk pi. Untuk O dalam OH: sp³ hibrida tanpa nonhibrida.

Perhitungan untuk H: Tidak ada hibridisasi, hanya 1s untuk ikatan ke O.

Membedakan: Pada S, hibrida untuk sigma, nonhibrida untuk pi karena ikatan dobel; tanpa ikatan dobel (misalnya SF₆), mungkin hibridisasi expanded seperti sp³d² tanpa nonhibrida valensi.

Geometri: tetrahedral sekitar S.

Klarifikasi: Untuk molekul dengan atom pusat seperti S, konsep hibridisasi bisa melibatkan orbital d, tapi dalam konteks dasar VBT, fokus pada sp³ untuk sigma dan p/d untuk pi. Ini menunjukkan adanya nonhibrida saat ada ikatan rangkap.

Contoh 8: I₃^- (Triiodida) - Hibridisasi sp³d pada Atom Pusat I

Struktur: I-I-I dengan muatan -1, setiap ikatan adalah ikatan tunggal (sigma), atom pusat I memiliki 2 ikatan sigma ke dua I terminal dan 3 PEB, tidak ada ikatan rangkap.

Perhitungan untuk I pusat: 2 ikatan sigma + 3 PEB → 5 domain elektron → hibridisasi sp³d: dua orbital hibrida untuk sigma, tiga orbital hibrida untuk PEB. Tidak ada orbital nonhibrida karena tidak ada ikatan pi.

Perhitungan untuk I terminal: Masing-masing I terminal hanya memiliki 1 ikatan sigma ke atom pusat dan 3 PEB. Serupa dengan F pada HF, ikatan sigma cukup dijelaskan dengan overlap orbital 5p murni I terminal dengan orbital hibrida I pusat, tanpa hibridisasi.

Membedakan: Berbeda dengan molekul linear seperti CO₂ yang atom pusatnya hibridisasi sp (2 domain elektron), I₃^- linear karena hibridisasi sp³d dengan 5 domain elektron, tiga PEB menempati posisi ekuatorial dan dua ikatan sigma menempati posisi aksial dalam geometri elektron trigonal bipiramidal. Hal ini dimungkinkan karena I adalah unsur periode 5 yang memiliki orbital d tersedia untuk oktet diperluas.

Geometri elektron: trigonal bipiramidal; geometri molekul: linear diatomik dan bersifat nonpolar.

Sudut Pandang Berbeda tentang Orbital Hibrida dan Nonhibrida pada Molekul-Molekul

Konsep hibridisasi adalah model dalam VBT, tetapi ada perspektif lain. Berikut perbandingan dari berbagai sudut pandang untuk memahami kapan orbital hibrida vs. nonhibrida relevan:

Sudut Pandang	Deskripsi Orbital Hibrida	Deskripsi Orbital Nonhibrida	Contoh Molekul	Kelebihan/Kekurangan
Teori Ikatan Valensi (VBT)	Orbital hibrida (sp, sp², sp³) terbentuk dari campuran s dan p untuk ikatan sigma dan PEB; menjelaskan geometri.	Orbital p murni untuk ikatan pi; ada jika ikatan rangkap.	CO₂ (sp hibrida + p nonhibrida), CH₄ (hanya sp³).	Kelebihan: Sederhana untuk geometri. Kekurangan: Tidak jelas untuk delokalisasi.
Teori Orbital Molekul (MO Theory)	Tidak ada hibridisasi eksplisit; orbital atomik valensi membentuk MO (bonding/antibonding) secara linear kombinasi.	Orbital nonhibrida seperti p tetap digunakan untuk MO pi; hibridisasi "simulasi" dari MO sigma.	C₂H₄: MO sigma dari s/p, MO pi dari p murni.	Kelebihan: Lebih akurat untuk spektroskopi. Kekurangan: Lebih kompleks untuk pemula.
Teori VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion)	Hibridisasi diprediksi dari jumlah domain elektron (sigma + PEB); tidak langsung bahas nonhibrida.	Nonhibrida tidak dibahas; fokus pada geometri, tapi ikatan rangkap menunjukkan p tersisa.	H₂O (4 domain → sp³, tak ada ikatan pi), N₂ (2 domain linear → sp).	Kelebihan: Cepat untuk bentuk molekul. Kekurangan: Tidak jelaskan ikatan pi secara detail.
Perspektif Kuantum Kimia (Komputasi)	Hibridisasi adalah aproksimasi; perhitungan DFT menunjukkan distribusi orbital mirip hibrida tapi tidak persis.	Orbital p nonhibrida terlihat sebagai kontribusi lokal untuk ikatan pi.	CO₂: Simulasi menunjukkan sp-like untuk sigma, p untuk pi.	Kelebihan: Akurat secara numerik. Kekurangan: Memerlukan software; bukan intuitif.

Dari sudut pandang ini, orbital hibrida berguna untuk model sederhana (VBT/VSEPR), sementara nonhibrida krusial untuk ikatan pi. Dalam MO theory, konsep hibrida kurang ditekankan, tapi efeknya tetap ada dalam MO. Untuk memperkirakan: Jika molekul punya ikatan rangkap, kemungkinan ada nonhibrida; jika hanya tunggal + PEB, hanya hibrida.

Pages