Kecenderungan Golongan Karbon
Tiga unsur pertama golongan 4, C, Si, dan Ge, mempunyai titik leleh yang sangat tinggi, suatu karakteristik jaringan ikatan kovalen unsur non logam dan semi logam, sedangkan dua unsure berikutnya, Sn dan Pb, mempunyai titik leleh yang lebih rendah, bersifat lebih dekat logam dengan rentangan fase cair yang cukup panjang. Unsur-unsur golongan 14 ini mampu membentuk senyawa katenasi, yaitu membentuk rantai dari atom-atomnya sendiri, kemampuan sifat katenasi ini menurun dengan naiknya nomor atom. Jadi, karbon mampu membentuk rantaiyang tak terbatas panjangnya, silikon membentuk rantai hingga enam belas atom, germanium enamatom, dan timah dua atom.Golongan karbon, dengan karakteristik konfigurasi elektronik terluar ...ns2np2 ,mempunyai bilanganoksidasi +4.
Sifat non logam mendominasi hingga pertengahan golongan yang bersifat semi logam,dan tingkat oksidasi -4 dapat ditemui bagi tiga unsur pertama ini jika bersenyawa dengan unsurelektropositif. Tingkat oksidasi ganda, +2 dan +4, menjadi karakteristik bagi unsur-unsur selanjutnya,Sn dan Pb, tingkat oksidasi ini melibatkan ikatan kovalen, dan ikatan ionik khususnya dengan tingkatoksidasi +2. Kecenderungan kestabilan tingkat oksidasinya adalah bahwa bagi karbon dangermanium tingkat oksidasi +4 lebih stabil daripada tingkat oksidasi +2, tetapi bagi Sn dan Pb, tingkatoksidasi +2 lebih stabil daripada tingkat oksidasi +4.
Kecenderungan Sifat Non-Logam dan Logam Pada Unsur-Unsur Golongan 4
Struktur dan sifat-sifat fisik
Struktur unsure
Kecenderungan dari non-logam ke logam jika anda turun dalam satu golongan jelas terlihat pada struktur unsur-unsur itu sendiri.
Karbon pada posisi paling atas mempunyai struktur kovalen raksasa dengan dua allotropi yang sangat dikenal – intan dan grafit.
Intan memiliki struktur tiga dimensi dari atom-aton karbon yang masing-masing tergabung secara kovalen dengan 4 atom lainnya. Gambar berikut menunjukkan bagian kecil dari strukturnya.
Struktur yang sama seperti ini ditemukan pada silikon, germanium, dan pada salah satu allotropi timah – "timah abu-abu" atau "alfa-timah".
Allotropi yang umum untuk timah ("timah putih" atau "beta-timah") merupakan logam dan atom-atomnya terikat oleh ikatan logam. Strukturnya berupa terjejal yang terdistorsi. Pada struktur terjejal, masing-masing atom dikelilingi oleh 12 atom tetangga terdekat.
Selanjutnya anda dapatkan timbal, atom-atomnya tersusun dalam struktur logam berkoordinasi 12.
Hal itu merupakan kecenderungan yang jelas dari ikatan kovalen yang umum ditemukan pada non-logam dan ikatan logam pada logam, dengan perubahan yang jelas, terdapat dua struktur yang sangat berbeda pada timah.
Sifat-sifat fisik unsur
Titik leleh dan titik didih
Jika anda melihat kecenderungan titik leleh dan titik didih pada golongan 4 dari atas ke bawah, sangat sulit membuat alasan yang masuk akal tentang pengaruh perubahan dari ikatan kovalen ke ikatan logam. Kecenderungan menggambarkan ikatan kovalen atau ikatan logam makin lemah dengan makin besarnya atom dan makin panjang ikatan.
Titik leleh timah yang lebih rendah dibandingkan dengan timbal dikarenakan timah membentuk struktur koordinasi 12 yang terdistorsi, bukan murni. Nilai titik leleh dan titik didih timah pada tabel merupakan nilai untuk logam timah putih.
Kerapuhan
Terdapat perbedaan yang jelas antara non-logam dan logam jika anda melihat kerapuhan unsurnya.
Karbon sebagai intan, tentu, sangat keras – menggambarkan kekuatan ikatan kovalen. Namun demikian, jika anda memukulnya dengan palu, intan akan pecah. Anda memerlukan energi yang cukup untuk memecah keberadaan ikatan karbon-karbon.
Silikon, germanium, dan timah abu-abu (semuanya memiliki struktur yang sama dengan intan) juga berupa padatan yang rapuh.
Timah putih dan timbal mempunyai struktur logam. Atom-atom dapat diputar satu sama lain tanpa menimbulkan kerusakan permanen pada ikatan logam – disebabkan oleh sifat-sifat logam yang umum seperti dapat ditempa dan dapat diubah bentuknya. Timbal merupakan logam yang lunak.
Konduktivitas listrik
Karbon sebagai intan tidak menghantarkan listrik. Pada intan elektron terikat erat dan tidak bebas bergerak.
Tidak seperti intan (yang tidak menghantarkan listrik), silikon, germanium, dan timah abu-abu merupakansemikonduktor.
Timah putih dan timbal merupakan logam yang dapat menghantarkan listrik. Hal itu merupakan kecenderungan sifat konduktivitas karbon sebagai intan yang berupa non-logam, dan timah putih dan timbal yang merupakan logam.
Hal itu merupakan kecenderungan sifat konduktivitas karbon sebagai intan yang berupa non-logam, dan timah putih dan timbal yang merupakan logam.
Mencoba menjelaskan kecenderungan yang terjadi
Karakteristik utama logam adalah membentuk ion positif. Yang perlu dilakukan adalah mengamati faktor yang dapat meningkatkan kemungkinan terbentuknya ion positif pada golongan 4 dari atas ke bawah.
Elektronegativitas
Elektronegativitas merupakan ukuran kecenderungan suatu atom untuk menarik elektron. Biasanya diukur dengan skala Pauling, dimana unsur yang paling elektronegatif (fluor) elektronegativitasnya 4.
Suatu atom yang elektronegativitasnya rendah, kurang kuat menarik elektron. Artinya bahwa atom ini akan cenderung kehilangan pasangan elektron bila berikatan dengan atom lain. Atom yang kita amati cenderung membawa muatan positif parsial atau membentuk ion positif.
Sifat logam biasanya dikaitkan dengan elektronegativitas yang rendah.
Jadi apa bagaimanakah elektronegativitas unsur golongan 4? Apakah terjadi penurunan jika anda bergerak ke bawah dalam satu golongan, yang menunjukkan kecenderungan sifat logam?
Baiklah! Elektronegativitas turun dari karbon ke silikon, tetapi setelah itu terjadi ketidakteraturan!
Karena itu sepertinya tidak ada kecenderungan hubungan antara non-logam hingga logam dengan elektronegativitas.
Energi ionisasi
Jika anda memikirkan pembentukan ion positif, cara tepat untuk memulai adalah bagaimana energi ionisasi berubah dari atas ke bawah pada golongan 4.
Energi ionisasi didefinisikan sebagai energi yang diperlukan untuk melepas satu elektron terluar, dinyatakan dalam kJ mol-1.
Energi ionisasi pertama:
Energi ionisasi kedua:
. . . dan seterusnya
Unsur golongan 4 tidak ada yang membentuk ion 1+, jadi mengamati energi ionisasi pertama saja tidak berguna. Beberapa unsur membentuk ion 2+ dan (untuk beberapa tingkat) 4+.
Tabel pertama menunjukkan energi ionisasi total yang diperlukan untuk membentuk ion 2+, bervariasi dari atas ke bawah dalam satu golongan. Nilainya dinyatakan dalam kJ mol-1.
Anda dapat melihat bahwa energi ionisasi cenderung turun dari atas ke bawah dalam satu golongan – meskipun adasedikit peningkatan pada timbal. Kecenderungan ini karena:
- Atom-atom menjadi lebih besar karena bertambahnya elektron. Elektron terluar makin jauh dengan inti atom, sehingga daya tarik inti kurang – dan elektron lebih mudah lepas.
- Elektron terluar terlindungi dari pengaruh inti dengan bertambahnya elektron yang lebih dalam.
- Dua pengaruh tersebut lebih besar dibanding pengaruh kenaikan muatan inti.
Jika anda melihat besarnya energi ionisasi yang diperlukan untuk membentuk ion 4+, polanya sama, tetapi tidak semuanya mirip. Sekali lagi, nilainya dinyatakan dalam kJ mol-1.
Apa yang dapat dilihat dengan jelas dari dua grafik di atas adalah bahwa anda memerlukan energi ionisasi dalam jumlah besar untuk membentuk ion 2+, dan lebih besar lagi untuk membentuk ion 4+.
Namun demikian, pada tiap contoh ada penurunan energi ionisasi jika anda bergerak dari atas ke bawah dalam satu golongan yang sepertinya menjadikan timah dan timbal dapat membentuk ion positif – namun demikian, tidak ada indikasi dari gambar ini bahwa mereka mungkin membentuk ion positif.
Energi ionisasi karbon pada puncak golongan terlalu besar dan tidak memungkinkan untuk membentuk ion positif yang sederhana.
Kecenderungan Keadaan Oksidasi Golongan 4
Beberapa contoh kecenderungan keadaan oksidasi
Kecenderungan secara keseluruhan
Keadaan oksidasi yang umum untuk golongan 4 adalah +4, ditemukan pada senyawa CCl4, SiCl4 dan SnO2.
Jika anda bergerak ke bawah dalam satu golongan, ada banyak contoh dengan keadaan oksidasi +2, seperti SnCl2, PbO, dan Pb2+.
Pada timah, keadaan +4 masih lebih stabil dibandingkan +2, tetapi pada timbal, keadaan +2 lebih stabil – dan mendominasi kimia timbal.
Contoh pada kimia karbon
Contoh yang umum untuk keadaan oksidasi +2 pada kimia karbon adalah karbon monoksida, CO. Karbon monoksida merupakan agen pereduksi yang kuat karena mudah teroksidasi menjadi karbon dioksida – dimana keadaan oksidasinya lebih stabil secara termodinamika yaitu +4.
Sebagai contoh, karbon monoksida mereduksi beberapa oksida logam panas menjadi logam – reaksi ini diterapkan, misalnya, pada ekstraksi besi dalam blast furnace.
Contoh pada kimia timah
Jika anda bergerak ke bawah dalam satu golongan sampai pada timah, keadaan oksidasi +2 secara umum meningkat, dan ada yang menarik pada senyawa timah(II) dan timah(IV). Timah(IV) merupakan keadaan oksidasi timah yang lebih stabil.
Itu artinya akan mudah mengubah senyawa timah(II) menjadi senyawa timah(IV). Hal ini ditunjukkan dengan baik pada ion Sn2+ dalam larutan yang merupakan agen pereduksi yang baik.
Sebagai contoh, larutan yang mengandung ion timah(II) (misalnya larutan timah(II) klorida) akan mereduksi larutan iod menjadi ion iodida. Pada proses tersebut, ion timah(II) dioksidasi menjadi ion timah(IV).
Ion timah(II) juga mereduksi ion besi(III) menjadi ion besi(II). Sebagai contoh larutan timah(II) klorida akan mereduksi larutan besi(III) klorida menjadi larutan besi(II) klorida. Pada proses ini, ion timah(II) dioksidasi menjadi ion timah(IV) yang lebih stabil.
Ion timah(II) juga, tentu saja, mudah dioksidasi oleh agen pengoksidasi yang sangat kuat seperti larutan kalium mangan(VII) (larutan kalium permanganat) dalam kondisi asam. Reaksi ini dapat digunakan dalam titrasi untuk menentukan konsentrasi ion timah(II) dalam suatu larutan.
Dan sebagai contoh terakhir . . .
Dalam kimia organik, timah dan asam klorida pekat digunakan untuk mereduksi nitrobenzena menjadi fenilamin (anilin). Reaksi ini melibatkan timah yang teroksidasi menjadi ion timah(II) dan kemudian menjadi ion timah(IV).
Contoh pada kimia timbal
Pada timbal, kondisinya dibalik. Keadaan oksidasi timbal(II) lebih stabil, dan senyawa timbal(IV) mempunyai kecenderungan yang kuat untuk bereaksi dan menghasilkan senyawa timbal(II).
Timbal(IV) klorida, sebagai contoh, terurai pada temperatur kamar menghasilkan timbal(II) klorida dan gas klor.
. . . dan timbal(IV) oksida terdekomposisi pada pemanasan menghasilkan timbal(II) oksida dan oksigen.
Timbal(IV) oksida juga bereaksi dengan asam klorida pekat, mengoksidasi beberapa ion klorida dari asam menjadi gas klor. Sekali lagi, timbal direduksi dari +4 menjadi +2 yang lebih stabil.
Mencoba menjelaskan kecenderungan keadaan oksidasi
Tidak ada yang mengejutkan tentang keadaan oksidasi yang normal pada golongan 4 yaitu +4.
Semua unsur pada golongan 4 memiliki struktur elektron terluar ns2npx1npy1, dimana n bervariasi dari 2 (untuk karbon) sampai 6 (untuk timbal). Pada keadaan oksidasi +4 semua elektron terluar terlibat secara langsung dalam ikatan.
Pada bagian bawah golongan, ada kecenderungan peningkatan untuk tidak menggunakan pasangan s2 dalam pembentukan ikatan. Ini sering disebut dengan efek pasangan inert – dan hal ini dominan pada kimia timbal.
Tidak ada penjelasan apapun dari penamaan "efek pasangan inert" Anda perlu mengetahui dua penjelasan yang berbeda tergantung pada apa yang anda bicarakan, pembentukan ikatan ionik atau ikatan kovalen.
Efek pasangan inert pada pembentukan ikatan ionik
Jika unsur golongan 4 membentuk ion 2+, maka unsur tersebut akan kehilangan elektron pada orbital p, menyisakan pasangan s2 yang tidak terpakai. Misalnya, untuk membentuk ion timbal(II), timbal akan kehilangan dua elektron 6p, elektron 6s tidak mengalami perubahan – sebagai "pasangan inert".
Secara normal anda akan mengharapkan energi ionisasi turun dari atas ke bawah dalam satu golongan karena elektron lebih jauh dari inti. Hal itu tidak terjadi pada golongan 4.
Tabel pertama menunjukkan energi ionisasi total yang diperlukan untuk membentuk ion 2+ bervariasi dari atas ke bawah dalam satu golongan. Nilainya dinyatakan dalam kJ mol-1.
Perhatikanlah, antara timah dan timbal terdapat sedikit peningkatan.
Ini artinya sedikit lebih sulit untuk menghilangkan elektron p pada timbal daripada pada timah.
Jika anda melihat pola lepasnya 4 elektron, perbedaan antara timah dan timbal lebih menarik. Peningkatan energi ionisasi yang relatif besar antara timah dan timbal disebabkan karena pasangan 6s2 pada timbal secara signifikan lebih sulit untuk dihilangkan daripada pasangan 5s2 pada timah.
Sekali lagi, nilainya dalam kJ mol-1, dan dua tabel tersebut mempunyai skala yang hampir sama.
Hal tersebut dapat dijelaskan dengan teori relativitas. Pada unsur yang lebih berat seperti timbal, ada kecenderungan untuk menarik elektron lebih dekat ke inti daripada yang diperkirakan, dikenal sebagai kontraksi relativistik elektron. Karena elektron lebih dekat dengan inti, maka lebih sulit untuk dilepaskan. Pada unsur yang lebih berat pengaruh ini lebih besar.
Pengaruh ini lebih besar pada elektron s daripada elektron p.
Pada contoh timbal, adanya kontraksi relativistik menyebabkan elektron 6s lebih sulit dilepaskan secara energetika dari yang anda perkirakan. Energi yang dilepaskan ketika ion terbentuk (seperti entalpi kisi atau entalpi hidrasi) tidak cukup untuk mengimbangi tambahan energi akibat adanya kontraksi relativistik. Artinya secara energetika tidak disukai bagi timbal untuk membentuk ion 4+.
Efek pasangan inert pada pembentukan ikatan kovalen
Anda perlu memikirkan mengapa karbon secara normal membentuk empat ikatan kovalen bukan dua.
Dengan menggunakan notasi elektron dalam kotak, struktur elektron terluar karbon terlihat seperti ini:
Pada gambar hanya ada dua elektron tak berpasangan. Sebelum membentuk ikatan, secara normal karbon akan mendorong satu elektron dari orbital s untuk mengisi orbital p yang kosong.
Akhirnya terdapat 4 elektron tak berpasangan yang (setelah hidridisasi) dapat membentuk 4 ikatan kovalen.
Hal itu bermanfaat untuk menyediakan energi untuk mendorong elektron orbital s, karenanya karbon dapat membentuk ikatan kovalen dua kali lebih banyak. Masing-masing ikatan kovalen yang terbentuk melepaskan energi yang cukup untuk keperluan promosi.
Satu penjelasan yang mungkin, mengapa timbal tidak melakukan hal yang sama adalah karena terjadi penurunan energi ikatan dari atas ke bawah dalam satu golongan. Energi ikatan cenderung turun dengan makin besarnya ukuran atom dan makin jauhnya jarak pasangan ikatan dengan dua inti serta lebih terlindungi dari inti.
Sebagai contoh, energi yang dilepaskan ketika dua ikatan tambahan Pb-X (dengan X adalah H atau Cl atau apapun) terbentuk tidak mampu mengimbangi besarnya energi tambahan yang diperlukan untuk mendorong elektron 6s ke orbital 6p yang kosong.
Hal ini akan lebih sulit, tentu saja, jika beda energi antara orbital 6s dan 6p bertambah dengan adanya kontraksi relativistik dari orbital 6s.