pendidikan kimia: Partikel Penyusun Atom dan Bilangan Kuantum

PARTIKEL PENYUSUN ATOM

Ada tiga partikel dasar penyusun atom, yaitu electron, proton, dan neutron yang masing-masing memiliki karakteristik (sifat) dan posisi yang berbeda didalam atom.

a. Elektron

Pada tahun 1879, seorang ilmuwan yang bernama Sir William Crookes melakukan eksperimen menggunakan tabung sinar katode untuk mengetahui daya hantar listrik di ruang hampa. Tabung sinar katode terbuat dari tabung kaca bertekanan sangat rendah yang didalamnya dipasang dua electrode yang berfungsi sebagai katode dan anode. Hasil dari eksperimen tersebut menunjukkan bahwa pada tekanan tertinggi gas tidak dapat menghantarkan listrik, tetapi pada tekanan terendah, gas dapat menghantarkan listrik. Dengan mengatur tekanan gas dan tegangan listrik dalam tabung, terjadi oancaran sinar katode menuju ke anode. Sinar inilah yang dikenal dengan sebutan sinar katode.

Sinar katode bermuatan listrik negative sehingga dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet mendekati kutub bermuatan positif. Sinar katode juga dapat memendarkan berbagai zat yang dilalui. Artinya, benda yang dikenai sinar katode dapat memancarkan cahaya sehingga dapat dimanfaatkan untuk membuat tabung televisi. Hasil eksperimen lain yang dilakukan oleh Thomson bahwa sinar katode adalah partikel bermuatan negative yang terdapat didalam atom dan diberi nama electron. Adapun hasil perbandingan antara muatan dan massa electron sebesar 1,76 x 10⁸ C/g. Pada tahun 1909, Robert Andrew Millikan dari Universitas Chicago melakukan eskperimen tetes minyak oil untuk menentukan besarnya muatan electron.

Muatan electron dapat ditentukan dari tetesan minyak yang berada diantara kedua electrode pada alat tersebut. Besarnya muatan electron (e) diketahui sebesar 1,6 x 10 ^-19 coulomb. Berdasarkan hasil eksperimen dari Crookes, Thomson, dan Millikan, electron adalah sebuah partikel dasar atom yang yang bermuatan negative sebesar 1,6 x 10 ^-19coulomb dengan masa 9,09 x 10 ^-28gram. Electron tersebut terletak diluar inti atom.

b. Proton

Proton ditemukan oleh Goldstein pada tahun 1897 melalui serangkain percobaan dengan menggunakan tabung sinar katode. Pada percobaan tersebut, diketahui adanya sinar positif yang bergerak berlawanan dengan sinar katode (sinar bermuatan negatif).

Selanjutnya, Ernest Rutherfhord bersama asistennya Hans dan Geiger, melakukan eksperimen untuk membuktikan adanya sinar atau partikel bermuatan positif yang diamati Goldstein. Rutherford kemudian menyimpulkan adanya inti atom yang bermuatan positif. Partikel yang bermuatan positif yang terapat di inti atom itulah yang dinamakan proton. Muatan dari partikel dasar atom bermuatan positif tersebut diketahui sebesar 1,6 x 10^-19coulomb dengan massa 1,67 x10^-24 atau 1 sma.

c. Neutron

James Chadwick melalukan eksperimen Rutherford yang menemukan bahwa adanya selisih setengah kali dari massa atom dengan massa inti atom (pada saat itu baru diketahui proton berada didalam inti atom). Chadwick meyakini adanya partikel dengan massa hampir sama dengan proton namun tidak bermuatan. Partikel itulah yng dinamakan neutron. Jadi, neutron (n) adalah suatu partikel dasar yang tidak bermuatan (netral) dengan massa 1 sma. Neutron terletak didalam inti atom bersama-sama dengan proton.

KONFIGURASI ELEKTRON

Konfigurasi electron disebut juga susunan electron, yaitu suatu cara penyusunan electron dalam kulit-kulit atom. Ada dua cara penyusunan electron, yaitu berdasarkan kulit atom dan berdasarkan orbital.

1. Konfigurasi electron berdasarkan kulit atom

Pengisian electron dalam kulit dimulai dari tingkat energy terendah sampai yang tertinggi, yaitu dimulai kulit K,L,M,N,O,P,Q, dan seterusnya dengan jumlah electron maksimal tiap kulit sesuai rumus 2n². Susunan electron dapat digambarkan sebagia berikut.

2. Konfigurasi elektron berdasarkan orbital

Struktur suatu atom ditentukan oleh posisi electron dalam atom tersebut. Oleh karena itu, penjelasan mengenai struktur atom ini dipelajari melalui penggambaran posisi elektronnya. Untuk menggambarkan posisi electron dalam suatu atom berdasarkan model atom mekanika kuantum, digunakan istilah bilangan kuantum. Pada model atom mekanika kuantum , diperkenalkan adanya orbital, yaitu tempat ditemukannya electron. Ada empat jenis bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimuth (l), bilangan kuantum magnetic (m), dan bilangan kuantum spin (s)

a. Bilangan kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama merupakan lintasan electron yang dinyatakan oleh Bohr. Lintasan ini disebut kulit atom. Posisi electron dalam kulit atom dapat ditentukan menggunakan bilangan kuantum utama. Selain menyatakan posisi electron dalam kulit atom, bilangan kuantum utama dapat menjelaskan jarak rata-rata awan electron dari inti atom serta menjelaskan tingkat energy atom. Secara nyata, orbital dengan bilangan kuantum utama berbeda, mempunyai tingkat energy yang berbeda. Semakin besar nilai n tingkat energy atom semakin tinggi. Bilangan kuantum utama mempunyai harga mulai dari 1,2,3,4, dan seterusnya. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang kulit K untuk n=1, kulit L untuk n=2, kulit M untuk n=3, kulit N untuk n=4, dan seterusnya. Bilangan kuantum utama dari kuli-kulit atom dapat dilihat pada table berikut.

b. Bilangan kuantum Azimuth (l)

Bilangan kuantum azimuth menyatakan subkulit. Subkulit tersebut diberi nama s ( sharp), p (principal), d ( diffuse), dan f (fundamental). Bilangan ini juga menentukan bentuk orbital. Setiap subkulit mempunyai bilangan kuantum azimuth yang berbeda-beda. Nilai-nilai untuk bilanganm kuantum azimuth dikaitkan dengan bilangan kuantum utama ( n-1). Jumlah subkulit ditentukan menggunakan rumus: L= 0,1,2,….(n-1)

Contoh jumlah subkulit pada setiap kult terdapat dalam

- Bentuk Orbital s, p, d, f

Orbital s : 1 balon

Orbital p : 1 balon terpilin

Orbital d : 2 balon terpilin

Orbital f : 4 balon terpilin

c. Bilangan kuantum magnetic (m)

Bilangan kuantum magnetic menentukan orientasi orbital dalam ruang disekitar inti atom. Nilai bilangan kuantum magnetic bergantung pada bilanga kuantum azimuth. Nilai bilangan kuantum magnetic berkisar dari -l sampai +l , termasuk nol(0). Jadi harga m untuk setiap subkulit dengan bilangan kuantum l sebesar 2l+1

d. Bilangan kuantum Spin (ms atau s)

Bilangan kuantum spin menyatakan arah putar electron terhadap sumbunya (berotasi) sewaktu electron berputar mengelilingi inti atom. Bilangan kuantum spin dinotasikan dengan s. arah rotasi electron ada dua kemungkinan, yaitu berputar serah jarum jam dan berlawanan dengan jarum jam. Oleh karena itu bilangan kuantum spin mempunyai dua harga yaitu +1/2 yang dinyatakan dengan tanda panah keatas (↿) dan -1/2 yang dinnyataka dengan tanda panah kebawah (⇂)

Maka dari itu untuk setiap satu harga spin menyatakan sebuah electron yang arah ptarnya ditunjukkan oleh tanda aljabar +/- spin yang bersangkutan. Oleh karena ada 2 harga maka setiap orbital atom juga hanya dapat diisi paling banyak dua electron dengan arah spin yang berlawanan. Bilangan kuantum spin tidak digunakan untuk menentukan keadaan orbital.

Penulisan konfigurasi electron berdasarkan orbital didasarkan pada aturan berikut.

A. ATURAN AUFBAU

Dalam keadaan stabil, atom-aton cenderung menempati orbital yang mempunyai energy terendah. Aturan pengurutan tingkat energy orbital dari yang terendah dikenal dengan istilah asas Aufbau, yang berbunyi;

“ Pengisian electron dalam orbital dimulai dari orbital dengan tingkat energy paling rendah. Setelah penuh pengisian berlanjut ke orbital yang tingkat energinya satu tingkat lebih tinggi. Demikian seterusnya hingga semua electron mnempati orbital”

B. KAIDAH HUND

Pada tahun 1927, Friedrich Hund menyatakan aturan untuk menggambarka arah rotasi electron. Aturan ini dikenal sebagai aturan Hund, yang berbunyi:

“ electron - elektron yang berada dalam satu orbital akan menempati orbital yang kosong dengan arah rotasi yang sejajar. Selain itu, electron-elektron lainnya menempati orbital tersebut dengan arah rotasi yang berlawanan”.

C. LARANGAN PAULI

Tahun 1926, Wolfgang Linus Pauli menyatakan aturan penulisan konfigurasi electron yang dikenal degan asas larangan Pauli. Asas tersebut menyatakan: “ tidak ada dua buah electron dalam orbital yang sama memiliki keempat bilangan kuantum yang sama.”

Berdasarkan asas larangan pauli itu, jumlah eketron yang menempati sebuah orbital paling banyak dua electron dengan arah rotasi yang berlawanan. Hal ini berarti bilangan kuantum n,l, dan m sebuah orbital pasti sama, tetapi s berbeda. Dengan demikian jumlah electron maksimum yang menempati suatu subkulit daopat dinyatakan dengan rumus:

Jumlah electron maksimum= 2 x jumlah orbital dalam subkulit.

D. Pengecualian Konfigurasi Elektron dalam Subkulit d dan f

Kestabilan suatu orbital dipengaruhi oleh sifat orbitalnya. Elektron dalam subkulit d akan lebih stabil apabila subkulit d berisi elektron penuh atau setengah penuh. Untuk mencapai kestabilan, satu elektron valensi dari subkulit s berpindah ke subkulit d. penyimpangan juga terjadi pada subkulit f. tingkat energi subkulit f sangan berdekaan dengan subkulit d sehingga satu atau dua elektron dari subkulit (n-2) f berpindah ke subkulit (n-1) d. Orbital yang ditempati elektron secara maksimum disebut orbital penuh. Orbital yang dtempati elektron sebanyak setengah dari jumlah maksimum disebut orbital setengah penuh.