BAB II
STRUKTUR ATOM
Dalam usahanya untuk menjelaskan
hukum-hukum dasar ilmu kimia yaitu hukum kekekalan massa, hukum perbandingan
tetap, dan hukum kelipatan berganda, pada abad ke – 19 John Dalton mengemukakan
hipotesis bahwa zat terdiri partikel yang lebih kecil yang disebut atom. Atom dari unsur atau zat yang sama mempunyai
sifat yang sama, sedangkan atom dari unsur yang berbeda mempunyai sifat yang
berbeda.. Dalton juga berpendapat bahwa
atom merupakan bagian
yang terkecil dari
suatu unsur atau zat.
Namun
dengan ditemukannya partikel dasar atom pendapat Dalton tentang atom menjadi
tidak tepat lagi.
PARTIKEL DASAR ATOM
Penemuan Elektron
Pada tahun 1834 Farady mengemukakan bahwa
materi dan listrik adalah ekivalen. Penemuan elektron diawali dengan pembuatan
tabung sinar katoda oleh J. Plucker (1858) dan dipelajari lebih lanjut oleh W.
Crookes (1875), dan J.J. Thomson (1879).
Gambar
Percobaan Tabung Gas Bermuatan
Suatu elektrode logam diletakkan pada
kedua ujung tabung gas dan udara dikeluarkan dari tabung dengan menggunakan
pompa fakum. Bila tabung diberi muatan listrik maka sinar akan dipancarkan dari katode (elektrode negatip)
menuju ke anode (elektrode positip). Karena sinar yang dipancarkan berasal dari
katode maka disebut sinar katode. Pada
percobaan tersebut juga dilakukan pengamatan tentang pengaruh adanya medan
listrik dan medan magnet terhadap sinar katode seperti gambar berikut :
Gambar
Percobaan Pengaruh Medan Listrik dan Medan Magnet
terhadap Sinar Katode
Selanjutnya dari bukti eksperimen
diketahui bahwa sinar katode mempunyai sifat sebagai berikut :
1.
Merambat menurut garis lurus, kecuali kalau
dikenai gaya dari luar.
2.
Bermuatan negatip karena tertarik oleh lempeng
yang bermuatan positip dan dibelokkan oleh medan magnit dengan arah yang sama.
3.
Terdiri dari partikel dengan massa yang pasti
karena dapat menggerakkan bolang-baling dalam tabung sinar katode.
4.
Sifat sinar katode tidak tergantung pada bahan
katode, macam gas dalam tabung, maupun macam kawat penghantar arus listrik
dalam tabung.
5.
Dari bukti eksperimen juga dapat dinyatakan bahwa
elektron merupakan partikel dasar yang dijumpai dalam setiap zat.
Penentuan Perbandingan Muatan dan Massa
Elektron
Pada tahun 1897, J.J. Thomson berhasil
menentukan kecepatan serta perbandingan
muatan dengan massa elektron (e/m) dengan alat seperti gambar berikut :
Gambar
Bagan Alat Thomson untuk Menentukan Perbandingan e/m Elektron
Elektron yang berasal dari katode C
melewati celah S sebagai berkas sinar sempit bergerak dalam tabung hampa udara
sepanjang SA menghasilkan titik terang pada A. Kedua kutub elektromagnet E
menghasilkan medan magnet berkekuatan sebesar B (kuat medan magnet)
mempengaruhi elektron yang bergerak. Dengan memberikan muatan listrik pada
pelat p terbentuk medan listrik yang dapat diatur sehingga tegak lurus pada
berkas sinar katode dan medan magnet. Dengan medan listrik saja elektron jatuh
pada M dan dengan medan magnet saja elektron jatuh pada B.
Berdasarkan arah pembelokan sinar katode
oleh medan magnet dan medan listrik, Thomson berhasil menentukan besarnya
perbandingan muatan dengan massa (e/m) elektron sebesar = - 1,76 x 108
C g-1.
Penentuan Massa Elektron
Hasil penemuan Thomson bahwa harga e/m
elektron sebesar 1,76 x 108 C g-1 memberikan petunjuk
bahwa masa elektron sangat kecil.
R.A.
Millikan (1908) dengan percobaan tetes minyak berhasil menentukan muatan
elektron yaitu = 9,11 x 10-28 g. Bagan percobaan tetes minyak
Millikan dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar
Percobaan Tetes Minyak Millikan(Penentuan Muatan Elektron)
Pada percobaan tetes minyak Millikan, minyak
disemprotkan di atas sepasang plat paralel, sehingga satu tetes
minyak akan jatuh di antara kedua plat melalui lubang sempit. Jika udara di
antara plat diradiasi dengan sinar X, maka molekul udara akan melepaskan
elektron.
Elektron
yang dilepaskan akan ditangkap oleh tetes minyak. Dengan mengatur potensial
pada plat , gerakan tetes minyak dapat diatur turun naik yang dapat diamati
dengan alat teleskop. Dari hasil percobaan ini dapat disimpulkan massa elektron
= 9,11 x 10-28 g.
Penemuan Proton
Goldstein (1866)
menemukan sinar positip, sinar tersebut berupa sinar terusan dibalik
katoda yang berlubang. Partikel tersebut merupakan hasil tabrakan ion positip
dengan elektron berenergi tinggi.
Ion positip terbentuk dari gas dalam
tabung dan massanya jauh lebih besar dari elektron. Percobaan dengan gas
hidrogen memberikan harga e/m paling besar dari gas manapun. Maka dipostulatkan
bahwa H+ adalah suatu partikel dalam atom yang muatannya berlawanan
dengan elektron, yang kemudian diberi nama proton.
Massa proton = 1837 x massa elektron.
Netron
Rutherford (1920) meramalkan bahwa pada
inti atom terdapat partikel netral, tetapi sukar dideteksi. Kemudian Chadwick
(1932) berhasil menemukan netron dari reaksi :
42He +
115 B
145
N +
10 n
Dengan
adanya beberapa penemuan beberapa partikel tersebut kemudian elektron, proton,
dan netron disebut partikel dasar atom.
Tabel
Karakteristik Partikel Dasar Atom
Partikel
|
Simbol
|
Muatan
|
Massa
|
||
Relatif
terhadap proton
|
Absolut
(C)
|
Massa
atom relatip pada isotop12C
|
Absolut
|
||
Proton
Netron
Elektron
|
P
N
e
|
+1
0
-1
|
+ 1,602
x 10-19
0
- 1,602
x 10-19
|
1,007276
1,008565
0,0005486
|
1,67 x
10-24
1,67 x
10-24
9,11 x
10-28
|
SPEKTRUM ATOM HIDROGEN
Gelombang elektromagnetik merambat dalam
vakum dengan kecepatan 3,0 x 1018 m detik-1.
c
E
= h u = h ---
l
Di
mana : c
= kecepatan cahaya = 3,0 x 108 m detik-1
u = frekuensi = Hz
h =
tetapan Planck = 6,625 x 10-34
Joule detik
l =
panjang gelombang
E =
energi gelombang elektromagnetik
Setiap zat bila dipanaskan pada suhu
tertentu akan memancarkan radiasi menghasilkan spektrum yang khas disebut spektrum emisi. Tetapi bila suatu benda
pijar dapat memancarkan semua warna akan memancarkan spektrum kontinyu.
Atom
dalam keadaan uap akan mengabsorbsi radiasi spektrum kontinyu dan menghasilkan spektrum absorbsi yang berupa garis
hitam di balik sinar tampak. Spektrum absorbsi suatu unsur berimpit dengan
spektrum emisi unsur yang sama.
Tahun
1895 Balmer mengamati adanya spektrum hidrogen di daerah sinar tampak dengan
mempotret sinar matahari melalui prisma. Panjang gelombang spektrum yang
teramati sebesar : l 6562,8
4861,3 4340,5 4101,7
Å
Sehingga
dapat dinyatakan dengan rumus :
1 1 1
---- = σ =
109677,7 ( ---
- --- ) cm-1
l 22 n2
di mana
: l = panjang gelombang = cm
σ = bilangan gelombang = cm-1
n2= bilangan bulat 3, 4, 5, 6
dan seterusnya.
l (A)
Gambar
Kedudukan Relatif Garis pada Spektrum Atom Hidrogen
Kemudian
pada tahun 1906 Lyman menengamati adanya spektrum hidrogen yang termasuk di
daerah sinar ultra violet yang dinyatakan dalam persamaan :
1 1 1
--- = σ =
109677,7 ( ---
- --- ) cm-1
l 12 n2
di mana
harga n1 = 1 dan n2 =
2, 3, 4,
5, dan seterusnya.
Selanjutnya
para ilmuwan seperti : paschen, Bracket, Pfund, dan Humphreys menemukan deret
spektrum yang termasuk di daerah sinar infra merah dan setiap deret spektrum
diberi nama sesuai dengan nama penemunya.
Pada
tahun 1908 Rydberg menyatakan persamaan bilangan gelombang spektrum sebagai
berikut :
1 R R
--- =
( --- -
---- ) cm-1
l n12 n22
di
mana R
= 109678 cm-1
Persamaan
tersebut kemudian dikenal dengan persamaan Rydberg
1 1 1
---- =
R ( ---
- ---- ) cm-1
l
n12 n22
atau
: 1 1 1
---- =
109678 ( ---
- ---- ) cm-1
l n12 n22
Tabel
Spektrum Atom Hidrogen
Deret
|
Tahun
|
N1
|
n2
|
Daerah
|
Lyman
Balmer
Paschen
Brachet
Pfund
Humphreys
|
1906
1885
1908
1922
1926
1926
|
1
2
3
4
5
6
|
2, 3,
4, ..
3, 4,
5, ..
4, 5,
6, ..
5, 6,
7. ..
6, 7,
8, ..
7, 8, 9,
..
|
Ultraviolet
Tampak
Inframerah
Inframerah
Inframerah
inframerah
|
TEORI KUANTUM
Menurut Planck energi radiasi tidak
dipancarkan atau diserap secara kontinyu, melainkan dalam bentuk paket energi
yang disebut kuantum. Energi
tersebut merupakan energi yang terkuantisasi. Besarnya energi dinyatakan dengan
persamaan :
E = h u
Di mana
: E
= energi (Joule)
h = tetapan Planck = 6,625 x 10-4 J
mol-1
BEBERAPA PENDAPAT TENTANG MODEL ATOM
Model Atom Thomson
Thomson berpendapat bahwa atom terdiri
dari muatan positip dan negatip. Thomson
menggambarkan bahwa atom seperti roti kismis di mana muatan negatip tersebar di
permukaan, sedangkan muatan positip tersebar merata di dalamnya. Jari-jari atom
sekitar 10-10 m = 1 A0. Dengan
diperolehnya hasil percobaan hamburan partikel a
pendapat
Thomson menjadi tidak benar.
Model Atom Rutherford
Dalam usahanya menjelaskan tentang atom Rutherford mengadakan
percobaan tentang hamburan partikel a pada
lempeng logam emas yang sangat tipis ( 0,0004 mm) seperti pada gambar berikut :
Gambar
Percobaan Hamburan Partikel a dari
Rutherford
Dari
hasil percobaan tersebut Rutherford mengamati
bahwa hanya 1 di antara 20.000
partikel sinar a yang
dipantulkan atau dibelokkan dengan sudut 90o atau lebih. Dari hasil
pengamatan ini Rutherford menyimpulkan bahwa atom terdiri muatan positip yang
terpusat pada inti dan elektron yang bermuatan negatip beredar mengelilingi
inti. Jari-jari inti sekitar 10-13 cm.
Tetapi
teori Rutherford kemudian memunyai kelemahan karena menurut teori
elektrodinamika klasik suatu partikel bermuatan seperti elektron bila bergerak
akan memancarkan energi sehingga lama-kelamahan elektron akan jatuh ke inti.
Model Atom Bohr
Model atom Bohr didasari oleh model atom
Rutherford dan teori kuantum dari Planck. Menurut Bohr elektron yang bergerak
mengelilingi inti dengan lintasan (orbit) yang berbentuk lingkaran. Lintasan
tersebut disebut lintasan kuantum yang mempunyai momentum sudut elektron
sebesar kelipatan bulat dari h/2p. Di
mana h = tetapan Planck
Jika
elektron dengan massa m bergerak dengan kecepatan v dan jari-jari lintasan r,
akan mempunyai momentum sudut =
h
mvr =
n --- ( n = 1, 2, 3, 4, …)
2p
Bila
elektron bergerak pada lintasan kuantumnya tidak akan memancarkan energi,
elktron ini disebut dalam keadaan stasioner. Bila elektron pindah dari lintasan
dengan tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi lebih tinggi akan
diserap energi dan bila pindah dari tingkat energi lebih tinggi ke yang lebih
rendah dipancarkan energi. Besarnya energi yang diserap atau dipancarkan
sebesar l E = hp. Berdasarkan harga
h
momentum
sudut elektron = mvr = n ----
2 p
n2
h2
dan
jari-jari lintasan = r = ---------- di mana n = 1,
2, 3, 4, ...
4p2me2
Dengan
memasukkan harga h dan m serta n = 1,
maka akan diperoleh :
r =
0,52917 x 10-8 cm
Untuk
atom hidrogen energi En elektron pada setiap lintasan adalah :
2p2me4
En =
- ----------- di mana n = 1,
2, 3, 4, ...
n2h2
Atau
dapat ditulis :
A 2p2 me4
En =
- ----- di mana A = ------------
n2 h2
Dengan
memasukkan harga h, m, dan e, akan diperoleh :
A = 2,18 x
10-18 Youle =
2,18 x 10 -11 erg = 13,6
eV
Teori atom Bohr dapat menjelaskan
terjadinya spektrum emisi dan absorbsi dari atom hidrogen, karena adanya
transisi elektron dari satu orbit ke orbit yang lain.
Untuk
atom hidrogen elektron paling stabil bila berada pada n = 1 (pada keadaan dasar) dan jika n > 1, akan kurang stabil,
disebut keadaan tereksitasi, bila
elektron kembali ke keadaan dasar akan dipancarkan energi.
Berdasarkan teori
atom Bohr adanya deret spektrum atom hidrogen dapat digambarkan sebagai berikut
:
|
|
12 n=3 M
|
|
8
6
4
2
0 n=1 K
|
Gambar
Spektrum Atom Hidrogen Menurut Teori Atom Bohr
Pada
gambar tersebut terlihat bahwa
garis-garis pada deret Lyman terjadi akibat transisi elektron dari orbit
n = 2, 3, 4, ... ke orbit n = 1, garis-garis spektrum
pada deret Balmer terjadi karena transisi elektron dari orbit n = 3, 4, 5,
... ke
n = 2. garis spektrum pada deret Paschen, Brachet, pfund, dan Humphreys
berturut-turut terjadi karena transisi elektron dari :
n2 =
4, 5, 6, ......
ke n1 = 3
n2 =
5, 6, 7, ......
ke n1 = 4
n2 =
6, 7, 8, ......
ke n1 =
5
n2 =
7, 8, 9, ......
ke n1 =
6
Berdasarkan teori atom Bohr dapat
dihitung besarnya perbedaan energi antara orbit yang satu dengan yang lain.
D E = E2
- E1
2p2me4 2 p2me4
Untuk Z = 1, D EH =
- ------------ -
( - ----------- )
n22 h2 n12h2
2p2me4 1 1
= ---------- x
( ---- -
---- )
h2 n12 n22
1 1
= A (
---- - ----
)
n12 n22
1 1
= 2,18 x 10-18 ( ----
- ---- ) Youle
n12
n22
1 1
=
A ( ----
- ---- )
n12
n22
c
Karena
E = h u = h
---- ,
maka : 1/l = E/hc
l
1 2p2 me4 1 1
---- =
----------- x (
---- - ----
) cm-1
l
ch3 n12 n22
Jika
harga-harga h, m, e, dan c dimasukkan, maka diperoleh :
1 1 1
---- =
109737,3 x (
---- - ----
) cm-1
l n12 n22
Harga 109737,3
cm-1 hampir sama
dengan tetapan Rydberg hasil eksperimen yang diperoleh pada pengamatan spektrum
atom hidrogen yaitu : 109677,58 cm-1.
Teori atom Bohr belum dapat menjelaskan
spektrum atom yang berelektron banyak dan belum dapat menjelaskan mengapa
momentum sudut elektron = nh/2p
Soal
latihan :
1.
Hitung besarnya energi ionisasi atom hidrogen.
2.
Hitung panjang gelombang garis kedua deret Balmer
pada spektrum atom hidrogen.
Teori Gelombang Elektron
Tahun 1924 Louis de Broglie
mengusulkan bahwa sinar mempunyai sifat sebagai partikel maupun sebagai
gelombang. Dengan memanfaatkan pendapat Eistein bahwa energi suatu partikel
dengan massa m adalah :
E = mc2 di mana c =
kecepatan cahaya.
dan
menurut Planck energi foton =
hc
E = h u = ----
l
maka
dapat dinyatakan :
hc
----- = mc2
l
h
l =
-----
mc
Untuk
partikel seperti elektron dapat dinyatakan :
h
l =
-----
mv
Hubungan Pendapat L. de Broglie dengan Bohr
Menurut L. de Broglie elektron selain
bersifat sebagai partikel juga sebagai gelombang, berarti lintasan elektron
sebagai lintasan gelombang. Sedangkan menurut Bohr lintasan elektron sebagai
lingkaran. Dengan menggabung kedua pendapat tersebut maka keliling lintasan
yang berupa lingkaran harus merupakan
kelipatan bulat dari panjang gelombang, l,
sehingga dapat dinyatakan :
h
2 pr = nl = n
-----
mv
atau
h
mvr = n
------
2p
Dengan
demikian dengan adanya pendapat L. de
Broglie pendapat Bohr tentang
h
momentum
sudut elektron = mvr =
n ----- dapat dijelaskan.
2p
Prinsip Ketidakpastian Heisenberg
Menurut Heisenberg
tidak mungkin dalam waktu yang bersamaan dapat menentukan kedudukan dan
momentum suatu partikel yang sangat kecil seperti elektron secara tepat.
Apabila kedudukan partikel dapat ditentukan secara tepat, maka momentumya tidak
dapat ditentukan secara tepat, tetapi bila momentumnya dapat ditentukan secara
tepat, maka kedudukannya tidak dapat ditentukan secara tepat.
Menurut
Heisenberg ketidak pastian kedudukan elektron dan momentumnya dapat dinyatakan
sebagai :
nh
( D x ) (D px
) =
------
4p
di mana
: D x =
ketidakpastian kedudukan
D px =
ketidakpastian momentum
h =
tetapan Planck
Persamaan Gelombang Schrödinger
Secara sederhana persamaan gelombang
Schrödinger dapat dinyatakan :
HY = E Y
Di mana :
H
= operator Hamilton yang menyatakan energi kinetik dan energi potensial
sistem, sedangkan E adalah harga numerik setiap fungsi gelombang. Penyelesaian
persamaan gelombang Schrödinger menghasilkan fungsi gelombang Y, yang disebut eigen values. Bentuk umum hasil penyelesaian persaman gelombang
Schrödinger untuk atom hidrogen adalah :
Yn, e, m
(r,O,F) = Pn,
e (r) Oe, m (O, F )
Bilangan Kuantum dan Orbital
Persamaan gelombang Schrődinger
menjelaskan tentang bentuk dan energi gelombang elektron. Salah satu
kemungkinan bentuk dan energi gelombang tersebut disebut orbital ( untuk membedakan dengan orbit Bohr). Masing-masing
orbital mempunyai ciri energi yang berbeda jika kedudukan elektron di
sekeliling inti berbeda.Fungsi gelombang yang menjelaskan tentang ciri dari
suatu orbital dinyatakan dengan tiga bilangan
kuantum, yaitu bilangan kuantum
utama (n), bilangan kuantum azimut
(l), dan bilangan kuantum magnetik
(m ).
Bilangan kuantum utama (n), menentukan ukuran orbital yang biasanya
digunakan istilah kulit, untuk
sejumlah elektron dalam orbital. Harga n merupakan bilangan bulat = 1, 2,
3, 4, ...
Bilangan kuantum azimut (l), menentukan
besarnya momentum sudut dan bentuk orbital, sehingga disebut juga bilangan kuantum orbital . Bilangan
kuantum orbital untuk setiap harga n
mempunyai harga :
l = 1,
2, 3, 4, .......... ( n – 1 )
Jumlah
harga l sesuai dengan n, sehingga
untuk n = 1
mempunyai satu harga l yaitu
l
= 0 sesuai dengan kulit K. Untuk
n =
2 mempunyai dua harga l
yaitu l = 0
dan l = 1, sesuai dengan L.
Bilangan kuantum magnetik (ml), menentukan
orientasi atau arah orbital dalam ruang. Untuk setiap harga l mempunyai harga ml = (2l
+ 1) yaitu dari – l s/d + l. Sehingga untul harga l = 1, ml =
-1, 0,
+ 1.
Bilangan kuantum spin. Elektron
juga berputar pada sumbunya sendiri
menghasilkan momentum sudut spin yang dinyatakan oleh bilangan kuantum spin (ms). Bilangan kuantum mempunyai
harga +1/2 dan - ½.
Contoh
penggunaan bilangan kuantum yaitu untuk menentukan jumlah elektron pada suatu
orbital, misalnya seperti tabel berikut :
Tabel
Hubungan antara Bilangan Kuantum Sub Kulit dan Jumlah Elektron
Bilangan
Kuantum
n
|
Bilangan
kuantum l
|
Sub
kulit
|
Bilangan
kuantum
azimut
|
Jumlah
elektron tiap kulit
|
1
2
3
4
|
0
0
1
0
1
2
0
1
2
3
|
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
|
0
0
-1, 0,
+1
0
-1, 0,
+1
-2,-1,0,+1,+2
0
-1,0,+1
-2,-1,0,+1,+2
-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
|
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
|
Bentuk dan Arah Orbital
Tiap orbital dicirikan oleh 3 bilangan kuantum yaitu : n, l, dan ml, yang mempunyai bentuk, ukuran, dan arah (orientasi
dalam ruang) tertentu. Bentuk dan arah beberapa macam orbital dapat digambarkan
sebagai berikut :
Gambar
Bentuk dan Arah Orbital s
Gambar Bentuk Arah dan Orbital p dan d
KONFIGURASI ELEKTRON
Konfigurasi elektron atau susunan
elektron suatu unsur adalah khas untuk setiap unsur, namun mengikuti aturan
tertentu.
1. Prinsip Aufbau
Menurut prinsip Aufbau yang artinya membangun, elektron harus
berada pada tingkat energi paling rendah dan mengikuti aturan (n + l )sebagai berikut :
Sub kulit 1s
2s 2p 3s
3p 3d 4s
4p 4d 5s
5p 5d 5f
6s 6p 6d
6f
n 1 2
2 3 3
3 4 4
4 5 5
5 5 6
6 6 6
l 0 0
1 0 1
2 0 1
2 0 1
2 3 0
1 2 3
n
+ l 3 2
3 3 4
5 4 5
6 5 6
7 8 6
7 8 9
Menurut
aturan n + l, untuk harga n + l yang sama energi yang lebih rendah
adalah orbital yang mempunyai harga utama (n) lebih kecil, sehingga urutan
tingkat energi setiap orbital adalah :
1s
< 2s < 2 p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4s < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s
2. Azas Larangan Pauli
Menurut azas larangan Pauli (eksklusi
Pauli) dalam satu atom tidak mungkin terdapat elektron yang ke empat bilangan
kuantumnya sama, hal ini berarti tiap orbital hanya dapat ditempati maksimum
oleh 2 elektron.
3. Aturan Hund
Aturan Hund disusun berdasarkan data spektroskopi.
Daftar Pustaka
Brady,James
E. and GE Heminsten. 1989. General Chemistry Principles and
Structure. New
York : John Willey zand Sons
Redjeki,Tri.2011.Handout
Perkuliahan Kimia Dasar I.Surakarta:UNS
Press
Sudarmo,Unggul.2004.Kimia
SMA.Jakarta:Erlangga
Wismono,Joko.2007.Kimia
dan Kecakapan Hidup.Jakarta:Ganeca Exact
Tidak ada komentar:
Posting Komentar