Ikatan Kovalen

Atom-atom mengadakan ikatan kovalen dengan cara membentuk pasangan elektron yang disumbangkan oleh kedua atom dan menjadi milik bersama atom-atom yang berikatan. Kedua atom yang berikatan tersebut akan tertarik pada pasangan elektron yang sama. Itulah mengapa ikatan kovalen disebut juga sebagai ikatan molekul. Terjadinya ikatan kovalen karena kecendrungan atom-atom untuk mencapai konfigurasi elektron atom gas mulia, yaitu 8 elektron pada kulit terluar.

Rumus lewis digunakan untuk menggambarkan ikatan kovalen berdasarkan kaidah oktet, khusus untuk hidrogen mengikuti kaidah duplet. Suatu molekul dinyatakan stabil apabila memiliki konfigurasi elektron gas mulia (oktet dan duplet). Ikatan kovalen terdiri dari beberapa jenis yaitu berdasarkan banyaknya elektron yang digunakan saat kedua atom berikatan (ikatan tunggal, ikatan rangkap 2, dan ikatan rangkap 3). Dan berdasarkan sumber elektron yang akan dipakai bersama (ikatan kovalen koordinasi).

1. Kovalen Tunggal

          Ikatan kovalen tunggal merupakan ikatan yang hanya melibatkan sepasang elektron untuk digunakan bersama. Artinya, masing-masing atom hanya saling memberikan satu elektron untuk dapat digunakan bersama. Contoh ikatan kovalen tunggal terjadi pada molekul H₂.

Contoh implementasi ikatan kovalen yaitu pada pembentukan molekul H₂. Pada awalnya atom-atom H saling mendekat satu sama lain, dan orbital 1s dari masing-masing atom mulai bertindihan (overlap). Setiap elektron dapat dapat menghuni ruang disekitar kedua atom hidrogen. Dengan kata lain kedua elektron dapat digunakan bersama oleh kedua atom H menghasilkan gaya baku tarik.

Ilustrasi ikatan kovalen dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar ilustrasi ikatan kovalen tunggal molekul H₂ (sumber: serc.carleton.edu)

Hidrogen memiliki banyak manfaat dalam kehidupan sehari-hari. Manfaat hidrogen ditemukan dalam berbagai bidang. Dalam kimia organik, hidrogen dipakai sebagai pesintesis senyawa-senyawa organik seperti senyawa aldehid. Dalam bidang industri, hidrogen banyak digunakan seperti pembuatan bahan bakar fosil, pupuk, meningkatkan kejenuhan minyak, pemurnian minyak bumi, pembuatan metanol, sebagai sel bahan bakar serta berperan dalam proses hidrodealkilasi, hidrodesulfurasi, hidrocracking. Dalam bidang fisika dan teknik, hidrogen digunakan sebagai sheilding gas dan zat pendingin rotor.

Selain hidrogen, asam klorida atau HCl merupakan senyawa yang sangat popular dalam kimia. HCl juga terbentuk melalui ikatan kovalen tunggal. HCl dapat dimanfaatkan untuk mengatur pH (keasaman) air limbah cair industri, sebelum dibuang ke badan air penerima. HCl juga digunakan pada proses produksi gelatin dan bahan aditif pada makanan. Di laboratorium, asam klorida biasa digunakan untuk titrasi penentuan kadar basa dalam sebuah larutan. Asam klorida juga berguna sebagai bahan pembuatan cairan pembersih porselen. Kegunaan-kegunaan lain dari asam klorida diantaranya adalah pada proses produksi baterai, kembang api dan lampu blitz kamera.

2. Kovalen Rangkap 2

Ikatan kovalen rangkap 2 adalah ikatan yang masing-masing atomnya memberikan sumbangan dua elektron valensi untuk membentuk dua pasang elektron ikatan. Hal itulah yang membuatnya menjadi ikatan rangkap dua. Contohnya adalah pada molekul O₂.

Gambar pembentukan ikatan kovalen rangkap 2 molekul O₂ (sumber: bhataramedia.com)

1. Beberapa kegunaan oksigen dalam kehidupan sehari-hari dan industri antara lain :
2. Untuk pernapasan makhluk hidup, penderita paru-paru, penyelam, antariksawan
3. Untuk pembakaran / oksidator
4. Campuran oksigen cair dan hidrogen cair digunakan untuk bahan bakar roket
5. Untuk bahan baku berbagai senyawa kimia

Gambar gas oksigen (sumber: google site)

3. Kovalen Rangkap 3

Ikatan kovalen rangkap tiga merupakan ikatan yang terjadi antara dua atom yang melibatkan enam elektron ikatan dalam satu ikatan kovalen. Contohnya adalah molekul nitrogen, ilustrasi pembentukan senyawa N₂ dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar pembentukan ikatan kovalen rangkap 3 molekul N₂ (sumber: courses lumenlearning.com)

Pada gambar tersebut atom N dan N pada molekul nitrogen bergabung menggunakan sepasang elektron yang dipakai bersama, tersisa dua elektron pada atom nitrogen yang belum berpasangan. Untuk memenuhi aturan oktet, kedua elekton tersebut harus dipasangkan sehingga diperoleh dua pasang elektron tambahan dan membentuk ikatan rangkap 3.

Gambar gas nitrogen (sumber: goggle site)

Kegunaan nitrogen dalam kehidupan sehari-hari dan di industri :

1. Pengisi bola lampu pijar
2. Nitrogen cair digunakan sebagai pendingin untuk membuat suhu yang sangat rendah
3. Penyimpanan buah-buahan dan sayuran sehingga tidak cepat busuk dalam kemasan kaleng
4. Pembuatan larutan injeksi
5. Penyimpanan produk yang mudah terbakar.
6. Bahan baku pembuatan amoniak (Siklus Haber-Bosch)

Gambar siklus Haber-Bosch (sumber: utakatikotak.com)

Ikatan Kovalen Koordinasi

Ikatan kovalen koordinasi adalah ikatan yang terjadi kalau hanya ada satu atom aja yang menyumbangkan pasangan elektron. Jadi, atom pasangannya tidak bisa menyumbangkan elektron. Contohnya adalah molekul HNO₃, SO₃, NH₄, dan H₂SO₄.

Pembentukan senyawa NH₄⁺ ion amonium dibentuk dari amonia dan sebuah proton atau ion hidrogen. Pada ion amonium terdapat ikatan kovalen koordinasi, seperti terlihat pada gambar berikut.

Gambar pembentukan ikatan kovalen koordinasi molekul NH₄ (sumber: courses lumenlearning.com)

Dalam gambar ditunjukkan bahwa sepasang elektron yang digunakan bersama dalam ikatan antara atom nitrogen dan ion H⁺ berasal dari atom nitrogen. Dengan demikian, pada ion amonium terdapat ikatan kovalen koordinasi.

Selain terdapat pada pembentukan senyawa diatas, ikatan koordinasi juga dapat terjadi dalam pembentukan senyawa organologam antara ligan organik dengan logam pusat. Senyawa organologam merupakan senyawa yang setidaknya terdapat satu atom karbon dari gugus organik yang berikatan langsung dengan atom logam.

Berikut merupakan tabel contoh logam pusat dan ligan organik.

No	Logam Pusat	Ligan Organik
1	Cu+ , Cu2+	H2O
2	Cr3+, Cr6+	CN-
3	Co3+	NH3
4	La+	CH3COOH
5	Be+	C5H5OH
6	Mg2+	C6H12O6
7	Al+	C5H5N
8	Ca+	C10H8N2
9	Ag+	C₆H₄(CO₂H)₂
10	Fe2+, Fe3+	CH3COCH2COCH3

Kombinasi logam pusat dan ligan organik tersebut dapat membentuk senyawa kompleks. Senyawa ini terbentuk sebagai hasil gabungan antara ion atau atom logam pusat dengan molekul netral atau ion melalui ikatan kovalen koordinasi.

Salah satu senyawa kompleks yang sedang dikembangkan saat ini yaitu Metal Organic Frameworks (MOFs). MOFs terbentuk dari logam pusat dan ligan organik yang memiliki karakteristik yang khas, struktur yang bervariasi dan ukuran pori yang teratur. Hal inilah yang menyebabkan MOFs sangat menarik digunakan dalam berbagai aplikasi salah satunya yaitu adsorpsi.

Untuk mempelajari lebih lanjut mengenai implementasi MOFs serta kaitannya dengan materi ikatan kimia. Maka kita akan mempelajarinya melalui langkah-langkah pembelajaran berbasis inkuiri.

Orientasi

Batik besurek merupakan warisan budaya yang merupakan ciri khas Provinsi Bengkulu. Ada banyak industri kecil menengah (IKM) yang memproduksi batik besurek di Kota Bengkulu. Industri batik menimbulkan dampak berupa limbah cair organik dengan volume yang besar, warna yang pekat, dan berbau menyengat. Limbah industri batik yang dibuang ke saluran drainase umum bercampur dengan air limbah domestik menuju ke saluran primer perkotaan yang berakhir di laut. Apabila air limbah dibuang ke media lingkungan tanpa diolah terlebih dahulu maka dapat menyebabkan pencemaran lingkungan terutama ekosistem perairan.

Salah satu cara pengolahan limbah organik perairan yaitu dengan cara adsorpsi. Adsorpsi atau penyerapan adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida, cairan maupun gas, terikat kepada suatu padatan atau cairan yang disebut adsorben dan akhirnya membentuk suatu lapisan tipis pada permukaannya. Salah satu adsorben yang saat ini sedang banyak dikembangkan di dunia sains yaitu Metal Organic Framework atau MOF.

Metal Organic Framework (MOF) atau dikenal sebagai polimer koordinasi berpori merupakan senyawa anorganik yang tersusun atas kluster ion-ion logam yang membentuk ikatan koordinasi dengan molekul-molekul organik menjadi struktur satu, dua atau tiga dimensi.

Proses terbentuknya Metal Organic Frameworks secara umum (Li et al., 2018)

MOFs yang disintesis pada penelitian ini berasal dari logam Fe(Cl₃).6H₂O dan ligan Asam Teraftalat dengan rumus kimia C₆H₄(CO₂H)₂. Mula-mula logam Fe(Cl₃) berwarna kuning dan asam tereftalat berwarna putih. Setelah melalui proses sintesis maka diperoleh padatan MOFs berwarna orange kecoklatan. Berikut merupakan gambar logam pusat, ligan organik dan MOFs. 

Gambar padatan Fe(Cl₃).6H₂O

C₆H₄(CO₂H)₂ (asam tereftalat)

MOF-235 atau Fe-MOFs

Pada proses pembentukan MOF-235, Fe(Cl₃).6H₂O bertindak sebagai ion logam (klaster oksida logam) akan membentuk node (simpul) dan berkoordinasi dengan linker organik yaitu asam tereftalat sehingga akan membentuk suatu rangka (framework) yang disebut MOFs.

Proses sintesis Metal Organic Frameworks (MOFs) yang terjadi melalui ikatan koordinasi antara logam pusat dengan ligan organik. MOFs memiliki beberapa karakteristik yang khas, seperti struktur yang bervariasi, ukuran pori yang teratur, luas permukaan yang besar, serta memiliki kemampuan adsorpsi yang baik. Hal ini membuat MOFs sangat menarik untuk digunakan dalam beberapa aplikasi salah satunya yaitu adsorpsi atau penyerapan. Pada proses adsorpsi MOFs bertindak sebagai adsorben.

Struktur Kimia Asam Tereftalat, Logam Fe(Cl₃).6H₂O dan MOF-235

Sebelum adanya MOFs, sudah dikenal beberapa adsorben diantaranya yaitu zeolit, karbon aktif, dan silika gel.

Berikut merupakan hasil adsorpsi limbah zat warna oleh beberapa adsroben!

Adsorben Silika Gel

Adsorben Karbon Aktif

Adsorben Pasir

Adsorben MOF-235

Berdasarkan gambar diatas, kemukakan minimal 2 kesimpulan anda terkait hasil adsorpsi limbah zat warna oleh adsorben tersebut! 

Berikut merupakan contoh kesimpulan yang baik:

1.      Pada gambar 3 zat warna tidak terserap, adsorben pasir mengendap dibagian bawah larutan, hal ini menunjukkan bahwa adsorben pasir tidak dapat menyerap zat warna

2.      ....

3.      .....

4.      Dst...

Hasil kesimpulan yang anda peroleh diposting dikolom komentar!

Perumusan Masalah

Setelah menganalisis karakteristik MOFs, dan kemampuannya dalam mengadsorpsi zat warna. Kemukakan minimal 2 rumusan masalah terkait adsorpsi limbah zat warna oleh adsorben MOFs!

Berikut merupakan contoh rumusan masalah yang berkaitan dengan proses adsorpsi limbah zat warna oleh adsorben MOFs:

1.        Jelaskan bagaimana ikatan kimia yang terjadi pada proses sintesis MOFs?

2.        ....

3.        ....

4.        Dst..

Rumusan masalah yang anda peroleh diposting dikolom komentar!

Perumusan Hipotesis

Jika kalian sudah merumuskan 2 rumusan masalah, maka kemukakan minimal 2 hipotesis kalian mengenai rumusan masalah tersebut.

Berikut merupakan contoh hipotesis yang berkaitan dengan rumusan masalah yang anda temukan:

1.      Pada proses pembentukan MOFs ion logam (klaster oksida logam) akan membentuk node (simpul) dan berkoordinasi dengan linker organik sehingga akan membentuk suatu rangka (framework) yang disebut MOFs. Ikatan kovalen koordinasi terjadi antara orbital kosong atom pusat dengan molekul netral ligan organik yang mempunyai atom donor elektron.

2.      ....

3.      ....

4.      Dst..

Rumusan hipotesis yang anda peroleh diposting dikolom komentar!