Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Arsitektur Molekul Kompleks

Berbicara mengenai unsur-unsur golongan transisi sangatlah mengasyikkan. Terutama unsur transisi yang dikelompokkan sebagai blok–d di dalam sistem periodik unsur mempunyai banyak sekali keistimewaan apabila ditelaah dari konfigurasi elektronnya. Berdasarkan konfigurasi elektron ini bisa dipelajari juga sifat fisisnya, antara lain tren dalam panjang diameter atomnya, standar entalpi maupun potensial reduksi, sifat magnetnya, dan penampakannya yang berwarna-warni.

Contoh unsur transisi blok-d dan posisinya dalam tabel periodik.

Contoh unsur transisi blok-d dan posisinya dalam tabel periodik.

Pertama-tama, mari kita pelajari mengapa unsur-unsur transisi ini menunjukkan warna warni yang sangat menarik. Unsur transisi blok-d memiliki orbital 3d yang masih kosong atau yang baru yang diisi sebagian oleh elektron, sehingga memungkinkan transisi elektron dari satu orbital ke orbital lainnya. Inilah yang menyebabkan mereka berwarna-warni. Pada gambar larutan ion beberapa unsur transisi di atas, kita bisa lihat warna {\rm Co}^{2+} ungu kemerahan, {\rm Ni}^{2+} hijau, {\rm Cu}^{2+} biru, dan {\rm Zn}^{2+} bening. Mari kita coba uraikan pengisian orbital untuk {\rm Co}^{2+} dan {\rm Zn}^{2+} yang warnanya kontras satu sama lain.

Konfigurasi elektron {\rm Co}^{2+} (melepas 2 elektron) adalah:

Ed03-kimia-2

Sementara itu, konfigurasi elektron untuk {\rm Zn}^{2+} adalah:

Ed03-kimia-3

Di sini kita bisa lihat orbital d pada {\rm Co}^{2+} masih belum penuh, sedangkan pada {\rm Zn}^{2+} sudah terisi penuh. Perbedaan pengisian orbital ini menghasilkan warna yang berbeda. Transisi elektron akan menyerap panjang gelombang komplementer dari warna yang bersesuaian.

Selanjutnya, apa untungnya orbital-orbital kosong maupun orbital yang belum penuh elektronnya tersebut? Adanya tempat untuk elektron itu berpotensi bagi logam-logam transisi untuk berikatan dengan senyawa yang disebut ligan (ligand). Dalam hal ini, ligan bersifat sebagai basa Lewis (Lewis base), yang berperan sebagai donor elektron, yaitu karena ligan mempunyai pasangan elektron bebas untuk disumbangkan, sedangkan logam transisi menyediakan orbital kosong yang berperan sebagai asam Lewis. Ikatan seperti inilah yang dinamakan ikatan kovalen koordinasi. Sebagai contohnya adalah kompleks [{\rm Ag}({\rm NH}_3)_2]_2 {\rm SO}_4, dengan Ag berperan sebagai logam pusat (Lewis acid) sedangkan {\rm NH}_3 dengan {\rm N} yang mempunyai sepasang elektron bebas berperan sebagai basa lewis. Sementara itu, {\rm SO}_4^{2-} berperan untuk mengompensasi muatan total dalam senyawa kompleks tersebut.

Reaksi pembentukan kompleks [{\rm Ag}({\rm NH}_3)_2]^+ adalah sebagai berikut:

2 {\rm Ag}^+ + 4 {\rm NH}_3 + {\rm SO}_4^{2-} \rightarrow [{\rm Ag}({\rm NH}_3)_2]_2 {\rm SO}_4

Ed03-kimia-4

Contoh sederhana ini menghasilkan molekul kompleks  [{\rm Ag}({\rm NH}_3)_2]^+ yang bisa ditebak geometrinya, yaitu linear (sudut {\rm NH}_3 - Ag - {\rm NH}_3 adalah 180^\circ {\rm C}). Kaitannya dengan konfigurasi elektron adalah hibridisasi orbital yang terbentuk, yaitu untuk linear biasanya diformulasikan sp. Beberapa geometri lainnya misalnya seperti sp^3 (untuk tetrahedral), d^2 sp^3 (oktahedral), serta dsp^2 (segi empat planar).

Apa sebenarnya manfaat pengetahuan dasar geometri seperti ini dipelajari? Coba perhatikan struktur molekul tiga dimensi (3D) dari MOF-5 (Metal Organic Frameworks) berikut ini.

Struktur kristal tunggal dari MOF-5 (Zn, biru ; O, hijau; C, abu-abu) dan jaringan penghubungnya.

Struktur kristal tunggal dari MOF-5 (Zn, biru; O, hijau; C, abu-abu) dan jaringan penghubungnya.

MOF, yang disebut juga polimer koordinasi, pada dasarnya dimulai dari konsep sederhana. Desain ligan dipilih yang mempunyai pasangan elektron bebas di kedua ujungnya (sisi depan dan belakang) yang bisa bersifat asam seperti gugus fungsi karboksilat, maupun yang bersifat netral seperti turunan piridine. Ligan ini kemudian disambungkan dengan logam-logam transisi yang menyediakan orbital kosong untuk berkoordinasi sehingga membentuk semacam jaringan (network). Pada sisi-sisi kubus ada semacam cluster (dalam kasus ini adalah asosiasi antara logam-logam dengan oksigen), yaitu berupa {\rm Zn}_4 {\rm O} yang membentuk struktur tetrahedron. Masing-masing {\rm Zn}^{2+} sisinya berikatan dengan 6 grup karboksilat membentuk konstruksi oktahedral. Begitulah seterusnya pada masing-masing unit sehingga membentuk jaringan yang berupa polimer koordinasi. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar di bawah ini.

Konstruksi cluster Zn4(O)O12C6.

Konstruksi cluster Zn_4(O) O_12 C_6.

Cluster {\rm Zn}_4 ({\rm O}) {\rm O}_{12} {\rm C}_6 digambarkan di sebelah kiri dalam bentuk model ball and stick  (Zn, biru; O, hijau; C, abu). Gambar tengah sebenarnya sama, yaitu {\rm Zn}_4 ({\rm O}), tetapi digambarkan dalam bentuk tetrahedron (berupa warna hijau). Dan di sebelah kanan juga sama, hanya saja  tetrahedral {\rm Zn}_4 ({\rm O})  digambarkan dalam warna biru.

Di sinilah letak seninya geometri dalam kimia, dan bisa diistilahkan sebagai bidang ilmu rekayasa kristal (crystal engineering) atau bisa disebut sebagai arsitektur kimia. Bagaimana kita bisa merancang molekul yang artistik, dipelajari ikatan/ interaksi antara logam dengan ligan (senyawa organik), bagaimana stabilitas termal senyawa itu, dan dikaitkan dengan segala potensi yang mungkin diaplikasikan. Untuk MOFs sendiri banyak sekali aplikasi yang bisa diterapkan. Isu paling panas adalah sebagai penyimpan hidrogen, yang merupakan bahan fuel cell yang dalam pemakaiannya bebas polusi karena hanya mempunyai produk samping berupa air (melalui reaksi {\rm H}_2 + \frac{1}{2} {\rm O}_2 \rightarrow {\rm Energi} + {\rm H}_2{\rm O}). Selain itu, MOFs digunakan sebagai katalis heterogen karena sifat logamnya yang dapat berperan sebagai asam Lewis, atau karena karena modifikasi ligan dalam pori sehingga bisa menciptakan sisi aktif untuk katalis. MOFs juga bisa digunakan dalam proses penyaluran obat dalam sel tubuh, sebagai sensor, magnet, dan masih banyak lagi.

Bahan bacaan:

  • C. E. Housecroft and A.G. Sharpe, Inorganic Chemistry 3rd edition, Pearson Prentice Hall (2008).
  • H. Li, M. Eddaoudi, M. O’Keeffe and O. M. Yaghi, Nature 402, 276 (1999).

Penulis:
Witri Wahyu Lestari, dosen kimia di UNS Solo, doktor bidang kimia anorganik dari Leipzig University, Jerman.
Kontak penulis: uwitwl(at)yahoo(dot)com.