3.2 Covalent bonding
Anda akan melukis struktur Lewis molekul dan ion, menerangkan pertindihan dan penghibridan orbital, meramal bentuk melalui teori VSEPR, serta mengaitkan kekutuban, panjang ikatan, kekuatan ikatan dan ikatan kovalen datif.
SP 3.2.1Draw the Lewis structure of covalent molecules;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Draw (Melukis)
Calon perlu melukis struktur Lewis molekul kovalen yang menunjukkan semua elektron valens, contohnya NH₃, CCl₄, H₂O, CO₂, N₂O₄, BF₃, NO, NO₂, PCl₅ dan SF₆, termasuk molekul yang tidak mematuhi oktet.
- IsiMolekul mematuhi oktetHuraian
Kira elektron valens, letak atom pusat, bentuk ikatan tunggal, lengkapkan oktet dengan pasangan bebas, dan guna ikatan ganda jika atom pusat belum oktet.
ContohCCl₄: 4 + 4(7) = 32 elektron; empat ikatan C–Cl dan tiga pasangan bebas pada setiap Cl.
- IsiPengecualian oktetHuraian
BF₃: B hanya 6 elektron (kurang oktet). PCl₅ (10 elektron) dan SF₆ (12 elektron): oktet dikembangkan kerana P dan S ada orbital 3d. NO dan NO₂ ada elektron tidak berpasangan (bilangan elektron ganjil); N₂O₄ terbentuk apabila dua NO₂ bergabung melalui ikatan N–N.
ContohNO: 5 + 6 = 11 elektron valens, maka satu elektron tidak berpasangan pada N; molekul ini radikal.
Peta alirLangkah melukis struktur Lewis (Lewis structure)
- Kira jumlah elektron valens; bagi ion tambah satu elektron untuk setiap cas negatif dan tolak satu untuk setiap cas positif.
- Letak atom paling kurang elektronegatif (bukan H) di tengah dan sambung atom lain dengan ikatan tunggal.
- Lengkapkan oktet atom luar dengan pasangan elektron bebas (lone pairs), kemudian atom pusat.
- Jika atom pusat belum oktet, bentuk ikatan ganda dua atau ganda tiga.
- Bagi ion, kurungkan struktur dengan [ ] dan tulis cas di luar kurungan.
JadualContoh struktur Lewis (dihuraikan)
| Spesies | Elektron valens | Huraian struktur Lewis |
|---|---|---|
| H₂O | 8 | O di tengah, dua ikatan O–H, dua pasangan bebas pada O |
| NH₃ | 8 | N di tengah, tiga ikatan N–H, satu pasangan bebas pada N |
| CO₂ | 16 | O=C=O, dua pasangan bebas pada setiap O |
| N₂ | 10 | N≡N, satu pasangan bebas pada setiap N |
| NH₄⁺ | 8 | [N di tengah dengan empat ikatan N–H]⁺, tiada pasangan bebas |
| CO₃²⁻ | 24 | [C di tengah, satu C=O dan dua C–O⁻]²⁻, struktur resonans |
| CN⁻ | 10 | [C≡N]⁻, satu pasangan bebas pada C dan pada N |
SP 3.2.2Draw the Lewis structure of ions;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Draw (Melukis)
Calon perlu melukis struktur Lewis ion poliatom seperti SO₄²⁻, CO₃²⁻, NO₃⁻ dan CN⁻, menggunakan istilah cas formal (formal charge) untuk memilih struktur paling munasabah.
- IsiKira elektron ion dan kurungkanHuraian
Tambah satu elektron bagi setiap cas negatif (tolak bagi cas positif). Lukis struktur dalam kurungan [ ] dengan cas di luar.
ContohNO₃⁻: 5 + 3(6) + 1 = 24 elektron; satu N=O dan dua N–O⁻, dengan struktur resonans.
- IsiCas formal (formal charge)Huraian
Cas formal = elektron valens − elektron bebas − ½(elektron ikatan). Struktur terbaik mempunyai cas formal paling kecil dan cas negatif pada atom paling elektronegatif.
ContohCN⁻ [C≡N]⁻: cas formal C = 4 − 2 − 3 = −1, N = 5 − 2 − 3 = 0; jumlah = −1 seperti cas ion.
SP 3.2.3Explain the concept of overlapping and hybridisation of s and p orbitals;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan pertindihan orbital (overlapping) membentuk ikatan σ dan π, serta penghibridan orbital s dan p (sp, sp², sp³) dengan contoh BeCl₂, BF₃, CH₄, N₂, HCN, NH₃ dan H₂O.
- IsiPertindihan hujung dan sisiHuraian
Pertindihan hujung ke hujung (head-on) membentuk ikatan σ; pertindihan sisi orbital p selari membentuk ikatan π. Ikatan ganda tiga = 1σ + 2π.
ContohN₂: satu ikatan σ (p–p hujung) dan dua ikatan π (p–p sisi); HCN juga mempunyai C≡N (1σ + 2π).
- IsiPenghibridan sp, sp², sp³Huraian
Orbital s dan p atom pusat bercampur menjadi orbital hibrid setara: sp (2 orbital, 180°), sp² (3, 120°), sp³ (4, 109.5°). Pasangan bebas juga menempati orbital hibrid.
ContohBeCl₂ sp (linear); BF₃ sp² (satah segi tiga); CH₄, NH₃ dan H₂O sp³ (NH₃ satu pasangan bebas, H₂O dua).
Peta pokokPenghibridan orbital s dan p
- 1 orbital s + 1 orbital p → 2 orbital sp
- Linear, 180°
- BeCl₂, C₂H₂
- 1 s + 2 p → 3 orbital sp²
- Satah segi tiga, 120°
- BF₃, C₂H₄
- 1 s + 3 p → 4 orbital sp³
- Tetrahedron, 109.5°
- CH₄, NH₃, H₂O
NotaPertindihan orbital: ikatan σ dan π
Ikatan kovalen terbentuk apabila orbital atom bertindih (overlap) dan berkongsi sepasang elektron. Pertindihan hujung ke hujung (head-on) membentuk ikatan sigma (σ) yang kuat; pertindihan sisi orbital p yang selari (side-on) membentuk ikatan pi (π) yang lebih lemah. Ikatan tunggal = 1σ; ganda dua = 1σ + 1π; ganda tiga = 1σ + 2π. Dalam etena, C ialah sp² dan orbital p tidak terhibrid membentuk ikatan π.
SP 3.2.4Explain the shapes and bond angles in molecules and ions using the principle of valence-shell electron-pair repulsion (VSEPR) theory;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan bentuk dan sudut ikatan molekul dan ion menggunakan teori VSEPR berdasarkan bilangan pasangan elektron ikatan dan pasangan bebas di sekeliling atom pusat.
- IsiPasangan elektron menolak sejauh mungkinHuraian
Kira jumlah kawasan elektron (ikatan ganda = satu kawasan). 2 = linear 180°, 3 = satah segi tiga 120°, 4 = tetrahedron 109.5°, 5 = dwipiramid segi tiga, 6 = oktahedron.
ContohSF₆: 6 pasangan ikatan, tiada pasangan bebas, bentuk oktahedron, 90°.
- IsiPasangan bebas mengecilkan sudutHuraian
Tolakan PB–PB > PB–PI > PI–PI. Bentuk dinamakan mengikut kedudukan atom sahaja.
ContohNH₃ (3 PI + 1 PB) piramid segi tiga 107°; H₂O (2 PI + 2 PB) bentuk V 104.5°.
JadualBentuk molekul dan ion (VSEPR)
| Pasangan elektron (ikatan + bebas) | Contoh | Bentuk | Sudut ikatan |
|---|---|---|---|
| 2 + 0 | BeCl₂, CO₂ | Linear | 180° |
| 3 + 0 | BF₃, CO₃²⁻ | Satah segi tiga (trigonal planar) | 120° |
| 4 + 0 | CH₄, NH₄⁺ | Tetrahedron | 109.5° |
| 3 + 1 | NH₃, H₃O⁺ | Piramid segi tiga (trigonal pyramidal) | 107° |
| 2 + 2 | H₂O | Bentuk V (bent) | 104.5° |
| 5 + 0 | PCl₅ | Dwipiramid segi tiga (trigonal bipyramidal) | 90° dan 120° |
| 6 + 0 | SF₆ | Oktahedron | 90° |
| 4 + 2 | XeF₄ | Satah segi empat sama (square planar) | 90° |
Poin utamaPrinsip VSEPR
- Pasangan elektron di petala valens atom pusat saling menolak dan menyusun diri sejauh mungkin.
- Tertib tolakan: pasangan bebas–pasangan bebas > pasangan bebas–pasangan ikatan > pasangan ikatan–pasangan ikatan.
- Setiap pasangan bebas mengecilkan sudut ikatan: CH₄ 109.5° > NH₃ 107° > H₂O 104.5°.
- Ikatan ganda dianggap satu kawasan elektron.
SP 3.2.5Explain the existence of polar and non-polar bonds;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan kewujudan ikatan polar dan bukan polar berdasarkan perbezaan keelektronegatifan, termasuk ikatan C–Cl, C–N, C–O dan C–Mg.
- IsiPerbezaan keelektronegatifan menghasilkan dwikutubHuraian
Atom lebih elektronegatif menarik pasangan elektron ikatan dan menjadi δ−; atom yang lain δ+. Atom serupa membentuk ikatan bukan polar.
ContohC–Cl: Cl lebih elektronegatif, maka Cδ+–Clδ−; Cl–Cl bukan polar.
- IsiArah kekutuban bergantung pada pasangan atomHuraian
Dalam C–N dan C–O, karbon δ+. Dalam C–Mg (sebatian Grignard), Mg kurang elektronegatif, maka karbon menjadi δ−.
ContohCH₃–MgBr: Cδ−–Mgδ+, maka karbon bertindak sebagai nukleofil; dalam CH₃–OH karbon δ+.
Peta buih bergandaIkatan polar berbanding molekul polar
SP 3.2.6Explain the existence of polar and non-polar molecules;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan mengapa sesetengah molekul polar dan sesetengahnya bukan polar walaupun mengandungi ikatan polar, berdasarkan bentuk molekul dan momen dwikutub bersih.
- IsiMolekul simetri: dwikutub terbatalHuraian
Jika ikatan polar tersusun simetri di sekeliling atom pusat, vektor dwikutub saling membatalkan dan momen dwikutub bersih sifar.
ContohCO₂ linear dan BF₃ satah segi tiga adalah bukan polar.
- IsiMolekul tidak simetri: polarHuraian
Pasangan bebas atau atom berbeza di sekeliling atom pusat menyebabkan dwikutub tidak terbatal.
ContohH₂O (bentuk V) dan CH₃Cl (tetrahedron tidak simetri) adalah polar; CCl₄ bukan polar.
SP 3.2.7Relate bond length and bond strength with respect to single, double and triple bonds;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Relate (Mengaitkan)
Calon perlu mengaitkan panjang ikatan dan kekuatan (tenaga) ikatan dengan ikatan tunggal, ganda dua dan ganda tiga.
- IsiLebih banyak pasangan dikongsi, ikatan lebih pendekHuraian
Ikatan ganda tiga menarik dua nukleus lebih rapat; panjang C–C > C=C > C≡C.
ContohC–C 0.154 nm, C=C 0.134 nm, C≡C 0.120 nm.
- IsiIkatan lebih pendek lebih kuatHuraian
Tenaga ikatan bertambah dengan bilangan ikatan, tetapi C=C kurang daripada dua kali C–C kerana ikatan π lebih lemah daripada σ.
ContohC–C ≈ 350, C=C ≈ 610, C≡C ≈ 840 kJ mol⁻¹.
JadualPanjang dan kekuatan ikatan karbon–karbon
| Ikatan | Panjang ikatan (nm) | Tenaga ikatan (kJ mol⁻¹) |
|---|---|---|
| C–C | 0.154 | 350 |
| C=C | 0.134 | 610 |
| C≡C | 0.120 | 840 |
| N≡N | 0.110 | 944 |
SP 3.2.8Explain the inertness of nitrogen molecule;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan kelengaian molekul nitrogen berdasarkan ikatan ganda tiga N≡N dan sifat bukan polarnya.
- IsiIkatan ganda tiga sangat kuatHuraian
N≡N (1σ + 2π) pendek (0.110 nm) dan tenaga ikatannya sangat tinggi (944 kJ mol⁻¹); tenaga pengaktifan tindak balas amat tinggi.
ContohN₂ di udara tidak bertindak balas dengan O₂ pada suhu bilik; hanya dalam kilat atau enjin panas NO terbentuk.
- IsiBukan polar, tiada tapak seranganHuraian
Kedua-dua atom N sama, maka tiada hujung δ+ atau δ− untuk ditarik oleh nukleofil atau elektrofil.
ContohProses Haber memerlukan mangkin Fe, kira-kira 450 °C dan 200 atm untuk menukarkan N₂ kepada NH₃.
NotaKelengaian molekul nitrogen
Molekul N₂ mempunyai ikatan ganda tiga (1σ + 2π) yang pendek dan amat kuat (tenaga ikatan 944 kJ mol⁻¹). Tenaga yang sangat tinggi diperlukan untuk memutuskannya, dan molekul ini bukan polar, maka N₂ lengai (inert) pada suhu bilik. Proses Haber memerlukan mangkin ferum, suhu sekitar 450 °C dan tekanan tinggi untuk bertindak balas.
SP 3.2.9Compare the properties of ionic and covalent compounds;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Compare (Membandingkan)
Calon perlu membandingkan sifat sebatian ion dan sebatian kovalen, terhad kepada takat lebur dan kekonduksian elektrik.
- IsiTakat leburHuraian
Sebatian ion: tarikan elektrostatik kuat dalam kekisi gergasi, takat lebur tinggi. Sebatian kovalen ringkas: hanya daya antara molekul yang lemah diatasi, takat lebur rendah.
ContohNaCl melebur pada 801 °C, CCl₄ melebur pada −23 °C.
- IsiKekonduksian elektrikHuraian
Sebatian ion mengkonduksi dalam leburan atau larutan akueus kerana ion bebas bergerak, tetapi tidak dalam pepejal. Sebatian kovalen ringkas tidak mengkonduksi dalam semua keadaan kerana tiada ion.
ContohLeburan PbBr₂ mengkonduksi; glukosa cecair atau larutan glukosa tidak mengkonduksi.
Peta buih bergandaSebatian ion berbanding sebatian kovalen
SP 3.2.10Explain the existence of coordinate covalent bond.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan kewujudan ikatan kovalen koordinat (ikatan datif, dative bond) dengan contoh H₃O⁺, NH₄⁺ dan Al₂Cl₆.
- IsiKedua-dua elektron daripada satu atomHuraian
Atom penderma mempunyai pasangan elektron bebas; atom penerima mempunyai orbital kosong. Ditunjukkan dengan anak panah dari penderma ke penerima.
ContohH₂O + H⁺ → H₃O⁺: O menderma pasangan bebas kepada H⁺.
- IsiDimer Al₂Cl₆Huraian
Al dalam AlCl₃ hanya ada 6 elektron. Atom Cl daripada satu AlCl₃ menderma pasangan bebas kepada Al dalam molekul lain; dua ikatan datif membentuk Al₂Cl₆.
ContohDalam wap pada suhu rendah, aluminium klorida wujud sebagai Al₂Cl₆ dengan dua jambatan Cl.
Poin utamaIkatan kovalen datif (coordinate covalent bond)
- Kedua-dua elektron yang dikongsi datang daripada satu atom (penderma pasangan bebas) kepada atom yang mempunyai orbital kosong.
- NH₃ + H⁺ → NH₄⁺; H₂O + H⁺ → H₃O⁺.
- NH₃ + BF₃ → H₃N→BF₃ (B kekurangan elektron).
- Al₂Cl₆: Cl menderma pasangan bebas kepada Al; ion kompleks [Cu(NH₃)₄]²⁺.
- Setelah terbentuk, ikatan datif sama dengan ikatan kovalen biasa (cth empat ikatan N–H dalam NH₄⁺ serupa).
Ingat: mnemonik & kad imbas
Mnemonik
- LTTBO
- Linear, Trigonal planar, Tetrahedral, trigonal Bipyramidal, Octahedral: bentuk asas bagi 2, 3, 4, 5 dan 6 pasangan elektron tanpa pasangan bebas.
Kad imbas
- Bilangan elektron valens NH₄⁺
- 5 + 4(1) − 1 = 8
- Penghibridan C dalam C₂H₂
- sp, linear 180°
- Bentuk dan sudut NH₃
- Piramid segi tiga, 107°
- Tertib tolakan VSEPR
- PB–PB > PB–PI > PI–PI
- Mengapa CO₂ bukan polar?
- Molekul linear; dua dwikutub C=O saling membatalkan
- Mengapa N₂ lengai?
- Ikatan ganda tiga sangat kuat (944 kJ mol⁻¹) dan bukan polar
- Ikatan kovalen datif
- Pasangan elektron dikongsi berasal daripada satu atom
Semak kefahaman
Hitung jumlah elektron valens dalam molekul NH₃ dan nyatakan bilangan pasangan elektron bebas (lone pair) pada atom N. (SP 3.2.1)
Lihat jawapan
5 + 3(1) = 8 elektron valens; tiga ikatan N–H dan satu pasangan elektron bebas pada N.
Hitung jumlah elektron valens bagi ion CO₃²⁻. (SP 3.2.2)
Lihat jawapan
4 + 3(6) + 2 = 24 elektron.
Nyatakan jenis penghibridan (hybridisation) atom C dalam CH₄ dan sudut ikatannya. (SP 3.2.3)
Lihat jawapan
Penghibridan sp³, sudut ikatan 109.5°.
Ramalkan bentuk molekul BF₃ dan sudut ikatannya menggunakan teori VSEPR. (SP 3.2.4)
Lihat jawapan
Tiga pasangan ikatan dan tiada pasangan bebas: satah segi tiga (trigonal planar), 120°.
Tunjukkan cas separa (δ+ dan δ−) pada ikatan C–O dalam metanol dan berikan sebabnya. (SP 3.2.5)
Lihat jawapan
Karbon δ+ dan oksigen δ− kerana oksigen lebih elektronegatif (more electronegative) daripada karbon dan menarik pasangan elektron ikatan.
Mengapakah CO₂ bukan polar walaupun ikatan C=O polar? (SP 3.2.6)
Lihat jawapan
CO₂ linear dan simetri, maka dua dwikutub (dipole) C=O sama besar tetapi bertentangan arah lalu saling membatalkan.
Susun ikatan karbon-karbon tunggal, ganda dua dan ganda tiga mengikut panjang ikatan menurun. (SP 3.2.7)
Lihat jawapan
Tunggal > ganda dua > ganda tiga, iaitu C–C (0.154 nm) > C=C (0.134 nm) > C≡C (0.120 nm).
Nyatakan anggaran tenaga ikatan N≡N. (SP 3.2.8)
Lihat jawapan
Kira-kira 944 kJ mol⁻¹, iaitu sangat tinggi.
Mengapakah natrium klorida mempunyai takat lebur yang tinggi? (SP 3.2.9)
Lihat jawapan
Tarikan elektrostatik yang kuat antara ion Na⁺ dan Cl⁻ dalam kekisi (lattice) gergasi memerlukan banyak tenaga untuk diatasi.
Nyatakan dua syarat pembentukan ikatan kovalen koordinat (coordinate covalent bond). (SP 3.2.10)
Lihat jawapan
Satu atom (penderma) mempunyai pasangan elektron bebas dan atom lain (penerima) mempunyai orbital kosong.
30 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.
Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (4)
- Mengingat
Aktiviti: Murid melukis struktur Lewis bagi molekul (H2O, NH3, CO2) dan ion (NH4+, SO4 2-) pada lembaran kerja.
Bukti hasil kerja: Lembaran kerja atau kuiz ringkas: ketepatan ingatan istilah dan fakta tentang ikatan kovalen.
SP disasar: 3.2.1, 3.2.2 · Latihan sepadan: aras Mengingat - Memahami
Aktiviti: Berpasangan, murid menerangkan bentuk dan sudut ikatan molekul menggunakan teori VSEPR dan pengahibridan sp, sp2 dan sp3.
Bukti hasil kerja: Penerangan lisan dan lukisan murid tentang ikatan kovalen; semak ketepatan hubungan sebab dan akibat.
SP disasar: 3.2.3, 3.2.4 · Latihan sepadan: aras Memahami - Mengaplikasi
Aktiviti: Murid meramal kepolaran molekul BF3, NH3 dan CCl4 daripada bentuk dan keelektronegatifan, serta menyatakan polar atau bukan polar.
Bukti hasil kerja: Jawapan lembaran kerja atau hasil pengiraan tentang ikatan kovalen; semak kaedah dan ketepatan jawapan.
SP disasar: 3.2.5, 3.2.6 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi - Menganalisis
Aktiviti: Dalam kumpulan, murid membandingkan sifat sebatian ion dan kovalen dalam jadual dan menganalisis mengapa molekul nitrogen lengai dan bagaimana ikatan kovalen koordinat terbentuk dalam NH4+.
Bukti hasil kerja: Jadual atau peta pemikiran analisis ikatan kovalen; semak ketepatan kesimpulan berasaskan data atau bukti.
SP disasar: 3.2.8, 3.2.9, 3.2.10 · Latihan sepadan: aras Menganalisis
Cadangan ini mengikut aras kognitif hasil pembelajaran (bukan TP DSKP kerana STPM tiada TP). Buka unit dan latihan
Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 65 unit Kimia STPM untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.