Pada tulisan ini akan dibahas mengenai antaraksi dipol-dipol, ikatan hidrogen, dan pengaruh ikatan hidrogen tersebut.

1. Antaraksi dipol-dipol

Kecuali dalam gas yang terdispersi, molekul saling tarik-menarik dan tolak-menolak. Tarikan dan tolakan ini terutama timbul dari antaraksi dipol-dipol. Antaraksi dipol-dipol adalah tarik menarik antara muatan yang berlainan tanda dan tolak-menolak antara muatan yang ama tanda. Misalnya dalam keadaan cair, molekul CH₃Cl parsial negatif atom klorida dalam molekul ini ditarik ke dalam parsial positif atom karbon dalam molekul lain.

Bila ujung atom klorida dari dua molekul CH₃Cl saling mendekat, maka mengakibatkan kedua molekul saling tolak-menolak.

Molekul nonpolar saling ditarik oleh antaraksi dipol-dipol yang lemah yang disebut gaya London. Gaya London timbul dari dipol yang diinduksi dalam satu molekul oleh molekul yang lain. Dalam hal ini, elektron dari satu molekul ditarik ke inti dari molekul kedua secara lemah, maka elektron dari molekul kedua ditolak oleh elektron dari yang pertama. Hasilnya adalah distribusi elektron yang tidak merata dan suatu dipol terinduksi.

Antaraksi berbagai dipol-dipol (tarikan dan tolakan) secara kolektif disebut gaya van der Waals. Jarak antara molekul yang mempunyai pengaruh penting terhadap kekuatan gaya van der Waals. Jarak dimana gaya adalah terbessar disebut jari-jari van der Waals. Bila dua atom saling mendekat lebih dekat daripada jarak ini, timbul tolakan antara kedua inti dan antara kedua perangkat elektron. Bila jarak antara kedua molekul menjadi lebih besar dari jari-jari van der Waals, gaya tarik antara kedua molekul berkurang.

Molekul rantai kontinu, seperti pada Ch₃CH₂CH₂CH₂CH₃, dapat meluruskan molekul-molekulnya menurut rantai yang berliku-liku (zig-zag), yang memungkinkan atom dari berbagai molekul menempati kedudukan yang sesuai dengan jari-jari Van der Waals. Tarikan van der Waals yang maksimal dapat timbul antara molekul yang berantai panjang demikian. Molekul bercabang tidak dapat saling mendekati cukup dekat bagi semua atom untuk mencapai jarak van der Waals secara optimal. Karena lebih banyak energi diperlukan untuk mengatasi tarikan van der Waals dan untuk membebaskan molekul dari keadaan cair, maka senyawa rantai kontinu mempunyai titik didih yang lebih tinggi daripada ssenyawa berantai dari berat molekul yang sama dan struktur yang dengan sendirinya sama.

2. Ikatan Hidrogen

Jenis antaraksi dipol-dipol yang kuat terjadi antara molekul yang mengandung atom hidrogen yang terikat pada nitrogen, oksigen, atau fluor. Masing-masing dari unsur terakhir ini adalah elektronegatif dan mempunyai elektron valensi menyendiri. Beberapa senyawa yang khas yang mengandung ikatan NH, OH, dan FH.

Dalam keadaan cair, molekul dari salah satu senyawa ini mempunyai tarikan yang kuat satu terhadap yang lain. Atom hidrogen yang parsial positif dari satu molekul ditarik oleh pasangan elektron menyendiri dari atom suatu molekul lain yang elektronegatif. Tarikan ini disebut ikatan hidrogen.

Senyawa atau gugus yang hanya mengandung karbon dan hidrogen tidak dapat mengalami ikatan hidrogen. Sebagai contoh, perhatikan pada metana (CH₄). Metana tidak dapat mengalami ikatan hidrogen dikarenakan dua alasan berikut:

1. Karena ikatan CH relatif nonpolar, maka molekul CH₄ tidak mempunyai H yang parsial positif.
2. Atom karbon dalam CH₄ tidak mempunyai elektron sendiri (elektron bebas) untuk menarik atom hidrogen.

Energi disosiasi ikatan hidrogen hanya 5 – 10 kkal/mol, jauh lebih rendah daripada energi disosiasi ikatan dari ikatan kovalen yang khas (80 – 100 kkal/mol), tetapi jelas lebih kuat daripada kebanyakan tarikan dipol-dipol. Alasan untuk perbedaan ini adalah ukuran atom yang bersangkutan. Atom hidrogen memiliki ukuran yang kecil dibandingkan atom lain dan dapat menempati suatu kedudukan yang sangat dekat dari elektron menyendiri dari atom elektronegatif. Hasilnya ialah suatu tarikan elektrostatik yang kuat. Atom yang lebih besar daripada hidrogen tidak dapat menempati kedudukan yang demikian dekatnya terhadap yang lain, akibatnya terjadi tarikan dipol-dipol antara atom yang lain lebih lemah.

Ikatan hidrogen tidak sama kekuatannya. Suatu ikatan hidrogen O– – –HO lebih kuat dari ikatan hidrogen N– – –HN. Mengapa terjadi demikian? Oksigen lebih elektronegatif daripada nitrogen, karena gugus O–H lebih polar dan mempunyai H yang lebih positif. H yang lebih positif ini lebih kuat tertarik oleh pusat negatif.

Ikatan hidrogen dapat terbentuk antara dua senyawa yang berbeda, seperti antara CH₃OH dan H₂O atau antara CH₂NH₂ dan H₂O. dalam hal ini, sering ada lebih dari satu kemungkinan untuk ikatan hidrogen. Struktur di bawah ini menunjukkan dua jenis ikatan hidrogen antara CH₃NH₂ dan H₂O. Jika diperhatikan pada CH₃NH₂ dan H₂O, ikatan hidrogen dapat juga terbentuk antara dua molekul H₂O dan antara dua molekul CH₃NH₂.

Tabel di atas menunjukkan banyaknya energi yang diperlukan untuk memecah berbagai jenis ikatan hidrogen. Perhatikan bahwa ikatan hidrogen OH– – –N adalah yang terkuat dari kelompoknya. Karena nitrogen kurang elektronegatif dari oksigen, elektron-elektronnya terikat kurang kuat dan lebih mudah ditarik oleh atom lain. Kombinasi elektron dari nitrogen yang terikat lemah dan hidrogen yang lebih positif dari gugus OH menyebabkan terjadinya ikatan hidrogen yang cukup kuat.

3. Pengaruh ikatan hidrogen

Ikatan hidrogen adalah seperti perekat antara molekul. Meskipun ikatan hidrogen tunggal sendiri lemah, semua molekul bersama-sama dapat membentuk sejumlah besar ikatan hidrogen.

Untuk semua zat, titik didih bertambah dengan berat molekul karena bertambahnya tarikan van der Waals. Namun, demikian senyawa berikatan hidrogen mempunyai titik didih yang lebih tinggi daripada yang dapat diramalkan dari pertimbangan berat molekul saja. Untuk menguapkan cairan berikatan hidrogen, harus diberikan energi tambahan untuk memecahkan semua ikatan hidrogen antarmolekul.

Etanol (CH₃CH₂OH) dan dimetil eter (CH₃OCH₃) mempunyai berat molekul yang sama. Namun demikian, etanol mempunyai titik didih yang jauh lebih tinggi daripada dimetil eter. Perbedaan dalam titik didih antara kedua senyawa ini dapat langsung dihubungkan dengan fakta bahwa molekul etanol terikat oleh ikatan hidrogen, sedangkan molekul dimetil eter tidak dapat saling membentuk ikatan hidrogen antara molekul-molekulnya. Perhatikan bahwa ikatan hidrogen mempengaruhi titik didih jauh lebih besar daripada pengaruh percabangan.

Kelarutan dari senyawa kovalen dalam air adalah sifat lain yang dipengaruhi oleh ikatan hidrogen. Suatu senyawa yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air cenderung untuk dapat lebih larut dalam air daripada senyawa yang tidak dapat. Gula seperti glukosa, mengandung banyak gugus OH dan larut lebih baik dalam air. Sikloheksana, di lain pihak, tidak dapat membentuk ikatan hidrogen dan tidak dapat memecah ikatan hidrogen yang terdapat dalam air, karena itu, sikloheksana tidak larut dalam air.

Bentuk biomolekul besar juga ditentukan terutama oleh pengikatan hidrogen. Misalnya protein dipaksa dalam bentuk-bentuk yang teratur dan khas oleh ikatan-ikatan hidrogen dalam masing-masing molekul atau antarmolekul. Molekul DNA-bahan genetik dalam sel tumbuhan dan hewan-ditahan agar berbentuk spiral rangkap sebagaian karena ikatan-ikatan hidrogen antara pasangan-pasangan molekul.