Mengapa Warna Ion Kompleks Berbeda-beda?

Materi: kimia
Beberapa soal pada olimpiade sains nasional beberapa kali ditanyakan soal tentang kemungkinan warna dari larutan atau ion atau senyawa kompleks. Mengapa ion berbeda memberikan respon warna berbeda pula ketika suatu cahaya mengenai larutan ion tersebut? Secara prinsip terjadinya perpindahan elektron ke orbital dengan tingkat energi yang lebih tinggi akibat terpapar cahaya (baca energi) maka ada warna tertentu yang diserap oleh larutan ion tersebut. Ingat bahwa setiap cahaya memiliki panjang gelombang tertentu, panjang gelombang tertentu ini dapat identik dengan suatu energi yang menyebabkan perpindahan elektron antartingkat energi. Ingat bahwa panjang gelombang itu berbanding terbalik dengan energi $E~=\dfrac{h.c}{\lambda}$, $E$= Energi, h = tetapan Planck, c = kecepatan cahaya, $\lambda$= panjang gelombang.

Jika cahaya yang diserap adalah cahaya merah maka yang tampak oleh mata adalah warna komplementer dari warna merah yaitu warna hijau. Jika yang diserap adalah warna kuning maka yang tampak oleh pengamat adalah warna violet .

Tabel serapan cahaya, rentang panjang gelombang, dan warna pantulan (tampak)

Warna Cahaya Diserap	Rentang Panjang Gelombang (nm)	Warna Cahaya Dipantulkan
Merah	700-620	Hijau
Oranye	620-580	Biru
Kuning	580-560	Violet
Hijau	560-490	Merah
Biru	490-430	Oranye
Violet	430-380	Kuning

Dari mana kita tahu bahwa cahaya dengan warna tertentu itu diserap atau tidak? Yah sebagai pengamat kita hanya dapat melihat cahaya komplementer yang terpantul ke mata kita.

Bahasan lebih detil dapat dibaca di http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Inorganic_Chemistry/Coordination_Chemistry/Complex_Ion_Chemistry/Origin_of_Color_in_Complex_Ions.

Untuk level soal SMA bahasan ini dapat disederhanakan dengan hanya mengamati keter-isi-an elektron dalam orbital atom pusat. Berikut ini contoh soal dan pembahasannya.

Contoh soal #1:
Ion kompleks koordinasi berikut ini, manakah yang diharapkan tidak berwarna?

[Fe(H₂O)₆]³⁺
[Co(NH₃)₆]²⁺
[Mn(CN)₆]^3–
[CrCl₃(SCN)₃]^3–
[Ag(NO₂)₂]^–

Pembahasan contoh soal #1:
Meskipun ada beberapa faktor yang dapat menentukan apakah suatu ion kompleks itu berwarna atau tidak namun tinjauan berdasarkan ada tidaknya elektron tidak berpasangan pada atom pusat dari ion kompleks tersebut dapat dijadikan pijakan awal.

[Fe(H₂O)₆]³⁺ → Fe³⁺ + 6H₂O
₂₆Fe konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²
₂₆Fe³⁺ konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s⁰
↿ ↿ ↿ ↿ ↿
      3d⁵       4s⁰
Dengan demikian diharapkan ion ini akan memiliki warna tertentu karena adanya 5 elektron tidak berpasangan pada orbital 3d-nya.

[Co(NH₃)₆]²⁺→ Co²⁺ + 6NH₃
₂₇Co konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁷ 4s²
₂₇Co²⁺ konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁷ 4s⁰
↿⇂ ↿⇂ ↿ ↿ ↿
      3d⁷         4s⁰
Dengan demikian diharapkan ion ini akan memiliki warna tertentu karena adanya 3 elektron tidak berpasangan pada orbital 3d-nya.

[Mn(CN)₆]^3–→ Mn³⁺ + 6CN^–
₂₅Mn konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s²
₂₅Mn³⁺ konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴ 4s⁰
↿ ↿ ↿ ↿
      3d⁴        4s⁰
Dengan demikian diharapkan ion ini akan memiliki warna tertentu karena adanya 4 elektron tidak berpasangan pada orbital 3d-nya.

[CrCl₃(SCN)₃]^3–→ Cr³⁺ + 3Cl^– + 3SCN^–
₂₄Cr konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹
₂₄Cr³⁺ konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d³ 4s⁰
↿ ↿ ↿
      3d³      4s⁰
Dengan demikian diharapkan ion ini akan memiliki warna tertentu karena adanya 3 elektron tidak berpasangan pada orbital 3d-nya.

[Ag(NO₂)₂]^– →Ag⁺ + 2NO₂^–
₄₇Ag konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s¹
₄₇Ag⁺ konfigurasi elektron = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s⁰
↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂
        4d¹⁰       5s⁰
Dengan demikian diharapkan ion ini tidak berwarna karena semua orbital 3d-nya terisi penuh.

Untuk soal tadi alternatif yang tepat adalah E.

Warna beberapa ion kompleks dalam pelarut air

Bacaan lebih lanjut : http://www.learnnext.com/nextgurukul/wiki/concept/Uttar-Pradesh/XII/Chemistry/Colour-in-Coordination-Compounds-and-Limitations-of-Crystal-Field-Theory.htm

Lalu bagaimana dapat menjelaskan fenomena pada suatu ion dengan atom pusat yang sama, mengapa pada ion kompleks tersebut berbeda-beda seperti ilustrasi gambar beberapa ion dalam air di atas? Hal ini tidak dapat dijelaskan dengan menggunakan dasar alasan ada-tidaknya elektron tidak berpasangan pada orbital d saja. Pengaruh ligan dan atau bentuk geometri akan memberikan argumen. Ligan yang bagaimanakah yang dapat menyebabkan warna pada berbeda-beda tersebut?

Ligan yang berbeda memiliki pengaruh yang berbeda pada energi dari orbital d ion pusat. Beberapa ligan memiliki medan listrik yang kuat yang menyebabkan pembelahan (splitting) energi yang besar ketika d orbital dibagi menjadi dua kelompok, seperti pada ilustri di bawah. Ligan yang lainnya memiliki energi jauh lebih lemah untuk membuat pembelahan energi yang jauh lebih kecil. Ingat bahwa ukuran pembelahan menentukan panjang-pendek gelombang cahaya akan diserap. Berikut ini adalah daftar beberapa ligan umum, yang di atas menghasilkan pembelahan relatif kecil (ligan medan lemah) sedangkan yang di bawah pembelahan energi terbesar (ligan medan kuat).

Pembelahan kecil

↓

Cl^–

F^–

OH^–

H₂O

SCN^–
NH₃

CN^–

↓

Pembelahan besar

Contoh soal #2:
Terdapat ion kompleks [Cr(NH₃)₆]³⁺, [CrF₆]^3–, [Cr(CN)₆]^3– dan [Cr(H₂O)₆]³⁺?
Masing-masing senyawa ion tersebut memunculkan spektrum yang terlihat dengan panjang gelombang 460 nm,740 nm, 400 nm, dan 575 nm. Prediksi warna masing-masing kompleks dengan argumen yang logis kemudian urutkan tiga ligan berdasar peningkatan kekuatan medan.

Pembahasan contoh soal #2:
Berdasarkan data panjang gelombang yang disajikan dapat dibuat urutan
[CrF₆]^3– = 740 nm warna hijau, ligan F^– daya belah terhadap orbital d energi paling lemah
[Cr(H₂O)₆]³⁺ = 575 nm warna violet, ligan H₂O daya belah terhadap orbital d energi sedang
[Cr(NH₃)₆]³⁺ = 460 nm warna oranye, ligan NH₃ daya belah terhadap orbital d energi kuat.
[Cr(CN)₆]^3– = 400 nm warna kuning, ligan CN^– daya belah terhadap orbital d energi paling kuat.
𝚫E (selisih energi) berturut-turut [CrF₆]^3–< [Cr(H₂O)₆]³⁺< [Cr(NH₃)₆]³⁺< [Cr(CN)₆]^3–

Ilustrasi Pembelahan (Splitting) Orbital d pada ion Cr³⁺

Contoh soal #3:
Ada dua larutan, dengan warna oranye dan yang lainnya berwarna biru. Kedua larutan tersebut diketahui terdiri dari larutan kompleks dari kobalt; salah satunya mengandung ion klorida sebagai ligan, sementara yang lain berligan ligan amonia. Larutan mana yang berwarna oranye?

Pembahasan contoh soal #3:
Untuk menyelesaikan soal ini, perlu diketahui kekuatan relatif ligan yang terlibat.
Secara mudah untuk diingat dapat menggunakan clue:

Ligan kuat (biasa pendonor PEB pada karbon (C), nitrogen (N), fosfor (P)).
Contoh ligan kuat: P(CH₃)₃, NH₃, CN^–, CO,
Ligan lemah (biasa pendonor PEB pada halogen (X), oksigen(O), belerang(S))
Contoh ligan lemah: I^–, Br^–, Cl^–, SCN^–, F^–, OH^–, C₂O₄^2–, H₂O,

Dari informasi ini, kekuatan ligan NH₃ > Cl^–, yang berarti bahwa kompleks yang melibatkan NH₃ memiliki energi lebih besar, dan kompleks akan menjadi spin rendah. Karena energi yang lebih besar, elektron menyerap foton energi yang lebih tinggi, sehingga akan memiliki tampilan warna energi yang lebih rendah (pada soal ini warna oranye). Oleh karena itu larutan kompleks kobalt yang mengandung NH₃ diprediksi menjadi oranye.

Pembahasan tentang trik menentukan hibridisasi ion kompleks dan menentukan bentuk molekul juga dapat dijadikan panduan awal soal warna-warna larutan yang mengandung ion kompleks dapat dibaca di Cara Super Cepat (Trik) Menentukan Hibridisasi dan Bentuk Molekul Ion Kompleks.

Demikian pembahasan yang disederhanakan semoga dapat memberikan sedikit gambaran bagaimana warna-warna pada ion kompleks ini terjadi.

Mengapa Warna Ion Kompleks Berbeda-beda?

Tidak ada komentar:

Posting Komentar