STRUKTUR ATOM,SISTEM PERIODIK DAN IKATAN KIMIA ~ MATERI DAN SOAL IPA UNTUK SMA

STRUKTUR ATOM, SISTEM PERIODIK DAN IKATAN KIMIA

STRUKTUR ATOM

Setiap atom terdiri dari sebuah inti atom dan elektron bermuatan negatif yang berada di luar inti. Inti atom terdiri dari proton dan yang bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan (netral) sehingga inti atom bermuatan positif. Proton, neutron dan elektron dinamakan partikel dasar atom.

Tabel 1.1 Partikel Dasar atom dan tempatnya pada atom

Partikel	Lambang	Muatan	Lokasi dalam atom
Proton	P	+1	Di dalam inti atom
Neutron	N	0	Di dalam inti atom
Elektron	E	-1	Di luar inti atom

Model atom Niels Bohr menggambarkan bahwa elektron-elektron mengitari inti atom pada tingkat energi tertentu (kulit atom). Elektron-elektron bergerak secara stasioner (tidak menyerap atau melepas energi).

Model atom modern merupakan revisi dari model atom Bohr, menggambarkan elektron bergerak mengitari inti atom dalam orbital tertentu (konsep orbital).

1. Teori Atom Modern (Berdasarkan Mekanika Kuantum)

Menurut teori fisika klasik , energi radiasi bersifat kontinyu (berkesinambungan), Menurut Planck, energi radiasi bersifat diskontinyu (tidak berkesinambungan). Energi radiasi ini terdiri dari paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton. Sejak saat itulah berkembang teori mekanika kuantum.

Teori Niels Bohr adalah teori atom berdasarkan teori mekanika kuantum. Teori atom Bohr hanya berlaku untuk atom berelektron tunggal seperti H, He⁺, dan Li^2+. Akan tetapi untuk atom berelektron lebih dari satu, teori atom Niels Bohr tidak memuaskan. Teori atom Niels Bohr juga tidak dapat menjelaskan tentang garis-garis halus pada spektrum hidrogen, terutama jika elektron dalam atom di eksitasikan dalam pengaruh medan magnet.

Louis de Broglie, th 1924 mengemukakan bahwa materi memiliki sifat dualisme, yakni sebagai partikel dan gelombang. Sifat gelombang suatu partikel yang bergerak mempunyai panjang gelombang yang dirumuskan sebagai berikut.

l = h/p = h/mv

Keterangan : l = panjang gelombang

h = tetapan planck = 6,63 x 10^-34 j.det

p = momentum

m = massa partikel

v = kecepatan partikel yang bergerak

Berdasarkan Postulat Broglie tersebut, maka elektron yang bergerak mengitari inti atom juga melakukan gerak gelombang. Hal ini bertentangan dengan teori Niels Bohr yang mengatakan bahwa elektron bergerak mengitari inti pada lintasan tertentu berbentuk lingkaran.

Werner Heisenberg tahun 1927, mengembangkan persamaan-persamaan matematika untuk menunjukkan bahwa tak ada metode eksperimen yang dapat dirancang untuk mengukur dengan serempak posisi maupun momentum secara cermat dari suatu objek. Untuk suatu partikel sekecil elektron, kurangnya kecermatan ini secara kritis penting. Prinsip ini dikenal sebagai asas ketidakpastian Heisenberg

Pada tahun 1927, berdasarkan karya de Broglie, Schrodinger mengembangkan satu persamaan yang menghubungkan sifat-sifat gelombang yang dikaitkan dengan energi elektron. Persamaan Schrodinger tersebut adalah:

Keterangan:

Y = fungsi gelombang

E = energi total

v = energi potensial

m = massa elektron

x,y,z = ketiga sumbu pada tiga dimensi

Jadi, berdasarkan teori atom modern, elektron dalam atom berada pada orbital.

Dari pembahasan di atas dapat kita simpulkan bahwa model atom modern didasarkan atas tiga hal, yaitu:

elektron dalam atom bersifat gelombang dan partikel, oleh Broglie (1924)
asas ketidakpastian Heisenberg (1927)
persamaan Schrodinger (1927)

Berdasarkan ketiga hal di atas, maka model atom modern adalah sebagai berikut:

Atom-atom terdiri dari inti atom yang mengandung proton, neutron, dan elektron. Elektron-elektron mengitari inti, atom berada pada orbital-orbital tertentu yang membentuk kulit atom. Hal itu disebut dengan konsep orbital.
Dengan memadukan asas ketidakpastian dari Heisenberg dan mekanika gelombang dari Broglie, Erwin Schrodinger merumuskan konsep orbital, yaitu: “orbital adalah suatu ruang di sekitar inti tempat peluang elektron dapat ditemukan”.
Kedudukan elektron pada orbital-orbitalnya dinyatakan dengan bilangan kuantum

2. Bilangan Kuantum

Dari persamaan Schrodinger, dihasilkan tiga bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama (n ), bilangan kuantum azimuth (l ), dan bilangan kuantum magnetik (m). Untuk atom berelektron tunggal (atom hidrogen), posisi elektron cukup ditentukan oleh 3 bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama, azimuth dan magnetik. Sementara itu untuk atom berelektron banyak (lebih dari satu), posisi elektron ditentukan oleh 4 bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama, azimuth, magnetik dan spin.

Keempat bilangan kuantum tersebut merupakan bilangan yang menunjukkan posisi elektron dalam suatu atom.

Bilangan kuantum utama (n)

Bilangan kuantum utama menyatakan tingkat energi utama (kulit) tempat elektron itu berada. Bilangan kuantum utama nilainya bulat. Semakin besar nilai n, berarti makin besar orbital yang dihuni elektron itu.

Kulit	K	L	M	N	O	P	Q
Nilai n	1	2	3	4	5	6	7

Bilangan kuantum azimuth (l)

Bilangan kuantum azimuth menyatakan subtingkat energi (subkulit) yang ditempati elektron, membagi kulit menjadi kelompok-kelompok orbital lebih kecil, yang disebut sub kulit. Bilangan kuantum azimuth juga menyatakan bentuk orbital dalam sub kulit. Harga-harga l yang dipergunakan bergantung pada n, yaitu bilangan yang bernilai nol atau bilangan bulat. Harga l ini tidak mungkin negatif dan tidak boleh lebih besar dari (n-1). Harga l = 0,1,2,3……..(n-1).

Pada subkulit s nilai l = 0, sub kulit p nilai l = 1, dan seterusnya.

Harga l	0	1	2	3
Subkulit	s	P	d	f

Setiap kulit dapat mengandung jenis subkulit yang sama.

1. Kulit K mengandung subkulit s

2. Kulit L mengandung subkulit s dan p

3. Kulit M mengandung subkulit s, p dan d

Bilangan kuantum magnetik (m_l atau m)

Bilangan kuantum magnetik menyatakan orbital khusus mana yang ditempati elektron pada suatu subkulit, juga menyatakan orientasi khusus dari orbital itu dalam ruang relatif terhadap inti. Nilai bilangan kuantum magnetik bergantung pada nilai bilangan kuantum azimuth, yaitu semua bilangan bulat mulai dari –l sampai dengan +l, termasuk 0.

Nilai m = - l, 0 hingga + l

Contoh:

Jika l = 0, maka nilai m = 0, berarti hanya terdapat 1 orbital.

Jika l = 1, maka nilai m = -1, 0, +1, berarti terdapat 3 orbital

Jika l = 2, maka nilai m = -2, -1, 0, +1, +2, berarti terdapat 5 orbital.

Bilangan kuantum Spin (m_s atau s)

Sambil beredar mengelilingi inti, elektron juga berputar pada sumbunya. Gerak berputar pada sumbu ini disebut rotasi. Hanya ada dua kemungkinan arah rotasi elektron yaitu searah atau berlawanan arah dengan jarum jam. Kedua arah yang berbeda itu dinyatakan dengan bilangan kuantum yang keempat yaitu bilangan kuantum spin (s) dengan nilai s = +1/2 dan s = -1/2. Oleh karena itu satu orbital hanya dapat ditempati oleh maksimum dua elektron. Kedua elektron itu harus mempunyai spin yang berlawanan sehingga menghasilkan medan magnet yang berlawanan untuk mengimbangi gaya tolak-menolak listrik yang ada (karena bermuatan sejenis).

Dari pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa kedudukan suatu elektron dalam suatu atom dinyatakan oleh 4 bilangan kuantum yaitu:

1. Bilangan kuantum utama (n), menyatakan kulit utamanya.

2. Bilangan kuantum azimuth (l) menyatakan subkulitnya

3. Bilangan kuantum magnetik (m) menyatakan orbitalnya

4. Bilangan kuantum spin (s) menyatakan spin atau arah rotasinya.

Energi, Bentuk, dan Orientasi Orbital

Orbital mempunyai energi, bentuk, dan orientasi tertentu yang dikarakterisasi oleh bilangan-bilangan kuantumnya.

a. .Energi orbital

Energi orbital dikarakterisasi oleh bilangan kuantum utama (n) dan bilangan kuantum azimuth (l). Bilangan kuantum utama (n) terkait dengan tingkat energi utama, sedangkan bilangan kuantum azimuth (l) terkait dengan energi subkulit. Jadi orbital-orbital dengan nilai n dan l yang sama akan mempunyai energi yang sama.

b.Bentuk dan orientasi orbital

Bentuk orbital dikarakterisasi oleh bilangan kuantum azimuth (l). Orbital-orbital dengan nilai l yang sama akan mempunyai bentuk orbital yang sama. Sebagai contoh, orbital-orbital di subkulit s memiliki bentuk seperti bola dan orbital-orbital di subkulit p memiliki bentuk seperti balon terpilin.

Orientasi orbital terkait dengan bilangn kuantum magnetik (m_l atau m). Sebagai contoh

- Untuk l = 0 (orbital s) hanya terdapat 1 nilai m_l (m_l= 0), sehingga hanya terdapat satu orientasi, yakni sama ke segala arah.

- Untuk l= 1 (orbital p) terdapat 3 nilai m_l (m_l = +1, 0, -1), sehingga terdapat tiga orientasi yang satu sama lainnya membentuk sudut 90^o.

(i) Bentuk dan orientasi dari orbital di subkulit s

Subkulit s memiliki 1 orbital. Orbital ini memiliki bentuk seperti bola dengan orientasi sama ke segala arah.

(ii) Bentuk dan orientasi orbital-orbital di subkuit p

Subkulit p memiliki 3 orbital. Orbital-orbital ini memiliki bentuk seperti balon terpilin dengan orientasi yang membentuk sudut 90^o satu sama lain.

(iii) Bentuk dan orientasi orbital-orbital disubkulit d

Subkulit d memiliki 5 orbital. Orbital-orbital ini memiliki bentuk yang lebih kompleks dengan lima orientasi berbeda. Empat orbital pertama memiliki bentuk yang sama, sedangkan satu orbital lainnya mempunyai bentuk berbeda, yakni dengan tambahan gelang donat pada bidang xy.

(iv) Bentuk dan orientasi orbital f