Pengguna:Hysocc/Buku/Teori atom

Molekul dan atom

Partikel adalah satuan berukuran kecil dari suatu benda. Sedangkan molekul adalah sesuatu yang berukuran sangat kecil yang membentuk zat secara kimiawi. Molekul tersusun atas dua atau lebih unsur.

Partikel garam dilihat di bawah mikroskop elektron

Molekul garam adalah kombinasi natrium (bola warna putih) dan klor (bola warna hijau). Sedangkan natrium dan klor masing-masingnya disebut sebagai atom unsur

Penggambaran sebuah atom, dengan inti atom terletak di tengah, dan dikelilingi oleh "awan" yang merupakan lokasi di mana elektron mengorbit

Partikel penyusun atom

Elektron, bermuatan negatif, muatan listrik -1.602 x 10^-19 Coulomb, massa 9.1 x 10^-28 gram

Proton, bermuatan positif, muatan listrik +1.602 x 10^-19 Coulomb, massa 1.67 x 10^-24 gram

Neutron, tidak bermuatan listrik, massa 1.67 x 10^-24 gram

Inti atom tersusun atas proton dan neutron. Sedangkan elektron senantiasa bergerak mengelilingi inti atom.

Perkembangan teori atom

Teori atom Dalton

• Setiap zat tersusun atas partikel yang berukuran sangat kecil yang disebut dengan atom.
• Atom pada zat yang homogen bersifat identik dalam ukuran, massa, dan sifat lainnya. Atom dari unsur yang berbeda akan memiliki sifat yang berbeda pula.
• Atom tidak bisa dibagi, diciptakan, maupun dihancurkan. Secara tidak langsung, Dalton menyatakan tidak ada partikel subatomik seperti elektron, proton, dan neutron.
• Atom dari unsur yang berbeda dapat bergabung (bereaksi) dengan aturan rasio yang sederhana (hukum perbandingan berganda) untuk membentuk senyawa kimia.
• Dalam reaksi kimia, atom bergabung, berpisah, atau disusun ulang.

Teori atom Thomson

Ilustrasi teori atom Thomson.

• Muncul setelah penemuan elektron dan inti atom.
• Elektron yang tersebar merata di dalam atom, dan proton berada pada pusat atom.

Teori atom Rutherford

Perbandingan model teori atom Thomson dan Rutherford yang didapat dari eksperimen

Lintasan elektron yang berbentuk elips

• Elektron mengelilingi inti atom dalam lintasan yang berbentuk elips.
• Inti atom terkonsentrasi di pusat atom dalam volume yang sangat kecil jika dibandingkan dengan diameter atom, namun menyumbang sebagian besar massa atom.

Teori atom Bohr

Ilustrasi teori atom Bohr dengan elektron yang mengemisikan energi ketika berpindah lintasan

• Elektron bergerak mengelilingi inti dengan lintasan tertentu sehingga elektron berada pada tingkat energi tertentu pula.
• Elektron yang berpindah lintasan harus mengemisikan atau menyerap energi.

Teori atom mekanika kuantum

• Posisi elektron di dalam atom tidak bisa ditentukan secara pasti, namun hanya dapat diperkirakan posisinya pada suatu jangkauan tertentu yang disebut dengan orbital.

Orbital elektron pada teori mekanika kuantum

Nomor atom dan nomor massa

Setiap unsur memiliki masing-masing nomor atom dan nomor massa. Nomor atom menggambarkan seberapa banyak proton yang terdapat di dalam inti atom tersebut. Sedangkan nomor massa menggambarkan jumlah proton dan neutron yang terdapat di dalam inti atom. Jika atom bersifat netral, maka jumlah proton akan sama dengan jumlah elektron.

Misal hidrogen di dalam tabel periodik memiliki nomor atom 1 dan nomor massa 1, karena hidrogen hanya memiliki 1 proton dan tidak memiliki neutron, serta jika bersifat netral memiliki 1 elektron. Namun uranium memiliki nomor atom 92 dan nomor massa 238, berarti uranium memiliki 92 proton dan neutron sebanyak 238 - 92 = 146 buah. Pada atom uranium netral, jumlah elektronnya juga 92.

Notasi atom dilambangkan dengan:

$_{Z}^{A}X$

dengan $Z$ adalah nomor atom dan $A$ adalah nomor massa. Sehingga jumlah neutron dapat dirumuskan dengan $A-Z$. Jumlah elektron adalah sama dengan jumlah proton jika atom bersifat netral.

Atom tak netral

Atom yang tidak netral berarti ia mengalami perubahan jumlah elektron. Kondisi ini menyebabkan jumlah elektron tidak sama dengan nomor atom. Elektron bermuatan negatif, sehingga ketika atom mendapatkan tambahan elektron, ia disebutkan memiliki muatan negatif atau menjadi ion negatif. Dan sebaliknya, jika kehilangan elektron, ia menjadi bermuatan positif.

Contoh, $_{11}^{23}Na^{+}$ memiliki arti bahwa atom natrium kehilangan 1 elektron menjadi $11-1=10$. Sedangkan $_{17}^{35}Cl^{-}$ memiliki arti bahwa atom klor mendapatkan 1 elektron tambahan menjadi $17+1=18$.

Massa molekul

Massa molekul adalah hasil penjumlahan dari semua massa atom yang menyusun molekul tersebut. Untuk mengetahui massa molekul, maka harus diketahui massa atom-atomnya dengan melihat pada tabel periodik.

Contoh, massa molekul dari metana (CH₄) adalah 16, karena massa atom dari C adalah 12, dan massa atom dari hidrogen adalah 1, sehingga massa molekul adalah 12 + (1 x 4) = 16.

Tabel periodik

Tabel periodik

Tabel periodik adalah susunan deret unsur kimia serupa tabel, yang disusun berdasarkan nomor atom, konfigurasi elektron, dan kesamaan serta pengulangan sifat kimia dari unsur tersebut. Pengurutan tersebut menghasilkan blok-blok yang berisi unsur yang memiliki sifat serupa (logam dan non-logam, padat-cair-gas, dsb). Secara umum, unsur logam berada di sebelah kiri, sedangkan unsur non-logam berada di sebelah kanan. Dalam satu kolom terdapat kesamaan sifat. Sedangkan dalam satu baris kesamaannya ada pada jumlah lapisan elektron yang mengelilingi inti atom.

Berikut adalah informasi yang bisa didapatkan dari tabel periodik:

Nomor atom

Massa atom

Jumlah lapisan elektron

Jumlah lapisan elektron diketahui dari periodenya. Pada periode satu, suatu unsur hanya memiliki satu lapis elektron. Periode dua memiliki dua lapis, dan seterusnya.

Elektron valensi

Elektron valensi adalah jumlah elektron yang menempati lapisan elektron terluar yang mengelilingi suatu atom. Prediksi mengenai jumlah elektron valensi suatu atom didapatkan dari kolom ke berapa ia dalam baris utama. Jika ia berada di kolom kedua, maka ia memiliki 2 elektron valensi. Prediksi ini mengecualikan logam transisi

Bilangan oksidasi

Bilangan oksidasi menunjukkan kecenderungan suatu unsur dalam melepas atau menerima elektron. Suatu unsur dikatakan memiliki bilangan oksidasi positif jika ia melepas elektron, dan negatif jika menerima elektron. Semakin ke kiri, semakin mudah ia melepas elektron, dan sebaliknya. Bilangan oksidasi pada golongan 1 disebut memiliki bilangan oksidasi +1, golongan 2 +2, dan seterusnya sampai golongan 4. Namun pada arah berlawanan, yaitu golongan 7 bernilai -1, golongan 6 -2, dan seterusnya sampai ke golongan 4 kembali.

Contoh karbon bisa ditemukan berada di golongan 4 periode 2. Dari informasi tersebut, dapat diketahui bahwa karbon memiliki jumlah lapisan elektron sebanyak 2, dan elektron valensi (jumlah elektron di kulit terluar) sebanyak 4. Selain itu, karbon dapat memiliki bilangan oksidasi antara +4 dan -4, tergantung bentuk senyawanya.

Perpindahan energi atom

Elektron yang berpindah dari satu lintasan ke lintasan berikutnya akan mengalami perubahan tingkat energi sehingga menyebabkan atom mengemisikan energi atau menyerap energi. Perpindahan dari lintasan tinggi ke lintasan rendah akan menyebabkan atom mengemisikan energi, dan sebaliknya jika berpindah dari lintasan rendah ke lintasan tinggi harus menyerap energi. Energi yang diemisikan seringkali berbentuk cahaya. Konsep ini menjadi penyebab mengapa lampu dapat mengeluarkan cahaya.

Spektrum cahaya yang diemisikan bersifat unik bagi setiap unsur, dan sifat ini menjadi acuan untuk berbagai penerapan, seperti dalam bidang astronomi yaitu untuk menentukan unsur penyusun suatu bintang.

Energi yang diemisikan digambarkan dengan persamaan Rydberg:

$E=E_{i}-E_{f}=R_{\mathrm {E} }\left({\frac {1}{n_{f}^{2}}}-{\frac {1}{n_{i}^{2}}}\right)\,$

di mana n_f adalah bilangan kuantum akhir, dan n_i adalah bilangan kuantum awal. Sedangkan R_E adalah konstanta Rydberg yang memiliki nilai 2.178 x 10^-18 Joule

Bilangan kuantum dan konfigurasi elektron

Dalam memperkirakan posisi suatu elektron dalam suatu unsur, digunakan koordinat yang terdiri dari empat bilangan kuantum, yaitu:

1. Bilangan kuantum utama, dilambangkan dengan n
2. Bilangan kuantum azimut, dilambangkan dengan l
3. Bilangan kuantum magnetik, dilambangkan dengan m
4. Bilangan kuantum spin, dilambangkan dengan s

Kombinasi dari semua bilangan kuantum tersebut menunjukkan jumlah maksimum elektron di setiap orbital dan kulit atom, seperti yang ditunjukkan pada table di bawah ini:

n	l	m	Orbital	s	Jumlah maksimum elektron
1	0	0	1s	+½, -½	2	2
2	0 1	0 -1, 0, +1	2s 2p	+½, -½ +½, -½	2 6	8
3	0 1 2	0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2	3s 3p 3d	+½, -½ +½, -½ +½, -½	2 6 10	18
4	0 1 2 3	0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3	4s 4p 4d 4f	+½, -½ +½, -½ +½, -½ +½, -½	2 6 10 14	32

Bentuk dari orbital bisa diilustrasikan dengan tabel di bawah ini:

	s (ℓ = 0)	p (ℓ = 1)			d (ℓ = 2)					f (ℓ = 3)
	m = 0	m = 0	m = ±1		m = 0	m = ±1		m = ±2		m = 0	m = ±1		m = ±2		m = ±3
	s	pz	px	py	dz2	dxz	dyz	dxy	dx2−y2	fz3	fxz2	fyz2	fxyz	fz(x2−y2)	fx(x2−3y2)	fy(3x2−y2)
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4

Sedangkan urutan untuk mengisi elektron mengikuti aturan Madelung seperti yang dijelaskan pada gambar di bawah ini.

Contoh, fosforus dengan nomor atom 15 akan memiliki konfigurasi elektron 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³. Orbital 3p dapat memiliki elektron sampai enam, namun pada fosfor orbital p tidak penuh, hanya terisi tiga elektron saja. Sehingga orbital 3p hanya sampai 3p³. Pada orbital sebelum 3p, elektron mengisi penuh.

Jika suatu atom mengalami ionisasi (mengalami penambahan atau pengurangan elektron), maka cukup dengan menambah atau mengurangi elektron dari konfigurasi normalnya. Misal ion fosfor P^3- akan memiliki konfigurasi elektron 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, dengan orbital terakhir mengalami penambahan elektron dari 3 menjadi 6.

Penulisan konfigurasi elektron dapat dipersingkat dengan menyisipkan gas mulia yang mengikutinya. Misal fosfor diikuti oleh gas mulia neon yang memiliki konfigurasi elektron 1s² 2s² 2p⁶, sehingga konfigurasi gas elektron cukup dituliskan dengan [Ne] 3s² 3p³. Penyingkatan harus dilakukan dengan gas mulia karena konfigurasi elektron yang mengikutinya adalah elektron valensi dari unsur tersebut. Pada fosfor, konfigurasi dari elektron valensinya adalah 3s² 3p³.

Namun aturan Madelung hanya berlaku untuk unsur sebelum Vanadium. Setelah Vanadium, beberapa unsur tidak mengikuti aturan Madelung, sehingga konfigurasi elektron tepatnya hanya bisa ditentukan melalui riset.

Elektron valensi

Elektron valensi adalah elektron yang menempati kulit terluar dari suatu atom. Fungsi dari pemahaman tentang elektron valensi adalah untuk mengetahui bagaimana suatu unsur berikatan dengan unsur lainnya.

Jika suatu atom memiliki elektron dengan konfigurasi hingga orbital 3s (seperti magnesium dan natrium), maka elektron valensi adalah yang menempati orbital tersebut. Pada magnesium yang diakhiri dengan 3s², valensinya adalah 2, sedangkan pada natrium yang diakhiri dengan 3s¹, valensinya adalah 1.

Namun pada elektron yang diakhiri dengan orbital 3s dan 3p, jumlah elektron valensi adalah jumlah elektron yang menempati kedua obital tersebut. Misal pada aluminium yang diakhiri dengan 3s² dan 3p¹, valensinya adalah 2 + 1 = 3. Sedangkan pada klorin yang diakhiri dengan 3s² dan 3p⁵, valensinya adalah 2 + 5 = 7.

Hubungan tabel periodik dengan bilangan kuantum

Bilangan kuantum memiliki hubungan dengan tabel periodik karena jumlah dan posisi elektron valensi juga mempengaruhi sifat dari suatu unsur. Secara umum, hubungan tersebut diilustrasikan dengan gambar di bawah ini:

Hubungan bilangan kuantum dengan tabel periodik

Unsur dengan elektron valensinya hanya berazimuth s akan mengisi golongan logam alkali dan logam alkali tanah. Elektron valensi berazimuth p akan mengisi metaloida, non-logam, halogen, dan gas mulia. Elektron valensi berazimuth d akan mengisi logam transisi. Sedangkan elektron valensi berazimuth f akan mengisi logam transisi dalam.