Gaya antarmolekul & sifat zat

Sederhana · Fase A–C · SD kelas 1–6 (IPAS)

Partikel-partikel zat saling tarik-menarik. Tarikan inilah yang membuat tetes air berbentuk bulat, membuat serangga anggang-anggang dapat berjalan di atas air, dan membuat air naik perlahan di tisu.

Makin kuat partikel saling tarik, makin sulit zat itu menguap atau mendidih. Coba teteskan air dan alkohol di tangan: alkohol lebih cepat kering karena partikelnya saling tarik lebih lemah daripada partikel air.

Minyak dan air tidak mau bercampur. Partikel air lebih suka menarik sesamanya, sehingga minyak terdorong dan mengapung di atas. Sabun dapat "menjembatani" keduanya, itulah sebabnya piring berminyak bersih setelah dicuci dengan sabun.

Standar · Fase D · SMP kelas 7–9 (IPA)

Di dalam molekul, atom terikat kuat oleh ikatan kovalen. Di antara molekul bekerja gaya antarmolekul yang jauh lebih lemah, tetapi menentukan wujud, titik didih, dan kelarutan zat. Tiga jenisnya:

• Gaya London (dispersi): ada pada semua molekul; makin besar dan panjang molekul, makin kuat. Karena itu titik didih halogen naik dari F₂ (−188 °C) sampai I₂ (184 °C).
• Gaya dipol–dipol: antara molekul polar yang punya kutub positif dan negatif, misalnya HCl.
• Ikatan hidrogen: tarikan kuat bila H terikat pada F, O, atau N. Air membentuk banyak ikatan hidrogen.

Akibatnya: air mendidih pada 100 °C, sedangkan H₂S yang molekulnya lebih berat sudah mendidih pada −60 °C. Etanol (titik didih 78 °C) dan dimetil eter (−24 °C) punya rumus sama, tetapi hanya etanol yang dapat berikatan hidrogen.

"Sejenis melarutkan sejenis": zat polar larut dalam pelarut polar (gula dalam air), zat nonpolar larut dalam pelarut nonpolar (minyak dalam bensin).

Lanjutan · Fase E–F · SMA kelas 10–12 (Kimia)

Kepolaran molekul ditentukan oleh kepolaran ikatan dan bentuk molekul: CO₂ linear sehingga dipolnya saling meniadakan (nonpolar), sedangkan H₂O bengkok sehingga polar. Lihat bentuknya di lab VSEPR.

Faktor yang memperkuat gaya London:

• Jumlah elektron (polarisabilitas): F₂ < Cl₂ < Br₂ < I₂; CH₄ < C₂H₆ < C₃H₈.
• Luas kontak: isomer rantai lurus lebih tinggi titik didihnya daripada bercabang, misalnya butana (−0,5 °C) dan isobutana (−12 °C).

Ikatan hidrogen menjelaskan anomali hidrida: H₂O, HF, dan NH₃ mendidih jauh lebih tinggi daripada hidrida lain di golongannya, padahal pada hidrida golongan 14 (CH₄, SiH₄, GeH₄) titik didih naik teratur mengikuti ukuran.

Keunikan air karena ikatan hidrogen: es lebih ringan dari air cair (kisi heksagonal yang renggang) sehingga danau membeku dari atas; massa jenis air maksimum pada 4 °C; kalor jenis dan kalor penguapannya besar sehingga menstabilkan suhu tubuh dan iklim.

Dalam larutan juga ada gaya ion–dipol: ion Na⁺ dan Cl⁻ dikelilingi molekul air (hidrasi), yang memungkinkan garam larut. Gaya van der Waals adalah sebutan umum untuk gaya London dan dipol.

Mendalam · Perguruan tinggi · Kimia dasar dan lanjut

Energi interaksi antarmolekul dapat dinyatakan secara kuantitatif. Untuk dua molekul pada jarak r: gaya London (dispersi) ∝ α₁α₂/r⁶ (α = polarisabilitas), dipol–dipol terputar termal (Keesom) ∝ μ₁²μ₂²/(kT·r⁶), dan dipol–dipol terinduksi (Debye) ∝ μ²α/r⁶. Ketiganya digabung dengan tolakan jarak pendek dalam potensial Lennard-Jones: V(r) = 4ε[(σ/r)¹² − (σ/r)⁶]. Tetapan a dalam persamaan gas van der Waals mencerminkan tarikan ini.

Ikatan hidrogen (sekitar 10–40 kJ/mol) memiliki sifat terarah dan sebagian kovalen; kerja samanya menstabilkan heliks ganda DNA, heliks-α dan lembaran-β protein, serta jaringan air cair. Efek hidrofobik bukan tarikan langsung antarmolekul nonpolar, melainkan terutama efek entropi: air di sekitar permukaan nonpolar kehilangan kebebasan susunan ikatan hidrogennya, sehingga molekul nonpolar cenderung berkumpul. Efek ini mendorong pelipatan protein dan pembentukan membran sel.

Hubungan gaya antarmolekul dengan sifat makroskopik: persamaan Clausius–Clapeyron, ln(P₂/P₁) = −(ΔH_uap/R)(1/T₂ − 1/T₁), menghubungkan tekanan uap dengan entalpi penguapan; aturan Trouton menyatakan entropi penguapan banyak cairan sekitar 85–88 J mol⁻¹ K⁻¹, dengan air dan alkohol menyimpang karena ikatan hidrogen. Tegangan permukaan dan viskositas juga naik seiring kekuatan gaya antarmolekul.