Partikel Dasar Penyusun Atom, Bilangan Kuantum, dan Konfigurasi Elektron

Hallo sobat kimia, pada postingan blog-kimiaitumudah.blogspot.com-kali ini akan membahas seputar Partikel Dasar Penyusun Atom, Bilangan Kuantum, dan Konfigurasi Elektron yang merupakan lanjutan materi dari postingan saya yang sebelumnya, baca selengkapnya ya sampai ke bawah agar dapat memahami dengan benar materi ini!

A. Partikel Dasar Penyusun Atom

1. Elektron

Pernahkah Kalian memperhatikan tabung televisi? Tabung televisi merupakan tabung sinar katode. Percobaan tabung sinar katode pertama kali dilakukan oleh William Crookes (1875). Hasil eksperimennya yaitu ditemukannya seberkas sinar yang muncul dari arah katode menuju ke anode yang disebut sinar katode.

George Johnstone Stoney (1891) yang mengusulkan nama sinar katode disebut “elektron“. Kelemahan dari Stoney tidak dapat menjelaskan pengaruh elektron terhadap perbedaan sifat antara atom suatu unsur dengan atom dalam unsur lainnya. Antoine Henri Becquerel (1896) menentukan sinar yang dipancarkan dari unsur-unsur radioaktif yang sifatnya mirip dengan elektron.

Joseph John Thomson (1897) melanjutkan eksperimen William Crookes. yaitu pengaruh medan listrik dan medan magnet dalam tabung sinar katode.

Hasil percobaan J.J. Thomson menunjukkan bahwa sinar katode dapat dibelokkan ke arah kutub positif medan listrik. Hal ini membuktikan terdapat partikel bermuatan negatif dalam suatu atom.

Besarnya muatan dalam elektron ditemukan oleh Robert Andrew Milikan (1908) melalui percobaan tetes minyak Milikan seperti gambar berikut.

Minyak disemprotkan ke dalam tabung yang bermuatan listrik. Akibat gaya tarik gravitasi akan mengendapkan tetesan minyak yang turun. Apabila tetesan minyak diberi muatan negatif maka akan tertarik ke kutub positif medan listrik. Dari hasil percobaan Milikan dan Thomson diperoleh muatan elektron –1 dan massa elektron 0, sehingga elektron dapat dilambangkan

2. Proton

Jika massa elektron 0 berarti suatu partikel tidak mempunyai massa. Namun pada kenyataannya partikel materi mempunyai massa yang dapat diukur dan atom bersifat atom itu netral. Bagaimana mungkin atom itu bersifat netral dan mempunyai massa, jika hanya ada elektron saja dalam atom?

Eugene Goldstein (1886) melakukan eksperimen dari tabung gas yang memiliki katode, yang diberi lubanglubang dan diberi muatan listrik.

Hasil eksprerimen tersebut membuktikan bahwa pada saat terbentuk elektron yang menuju anode, terbentuk pula sinar positif yang menuju arah berlawanan melewati lubang pada katode. Setelah berbagai gas dicoba dalam tabung ini, ternyata gas hidrogenlah yang menghasilkan sinar muatan positif yang paling kecil baik massa maupun muatannya, sehingga partikel inidisebut dengan proton. Massa proton = 1 sma (satuan massa atom) dan muatan proton = +1.

3. Inti Atom

Setelah penemuan proton dan elektron, Ernest Rutherford melakukan penelitian penembakan lempeng tipis emas. Jika atom terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan negatif maka sinar alfa yang ditembakkanseharusnya tidak ada yang diteruskan/menembus lempeng sehingga muncullah istilah inti atom. Ernest Rutherford dibantu oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden (1911) menemukan konsep inti atom didukung oleh penemuan sinar X oleh WC. Rontgen (1895) dan penemuan zat radioaktif (1896). Percobaan Rutherford dapat digambarkan sebagai berikut :

Percobaan Rutherford, hamburan sinar alfa oleh lempeng emas. Hasil percobaan ini membuat Rutherford menyatakan hipotesisnya bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif, sehingga atom bersifat netral. Massa inti atom tidak seimbang dengan massa proton yang ada dalam inti atom, sehingga dapat diprediksi bahwa ada partikel lain dalam inti atom.

4. Neutron

Prediksi dari Rutherford memacu W. Bothe dan H. Becker (1930) melakukan eksperimen penembakan partikel alfa pada inti atom berilium (Be) dan dihasilkan radiasi partikel berdaya tembus tinggi. Eksperimen ini dilanjutkan oleh James Chadwick (1932). Ternyata partikel yang menimbulkan radiasi berdaya tembus tinggi itu bersifat netral atau tidak bermuatan dan massanya hampir sama dengan proton. Partikel ini disebut neutron dan dilambangkan dengan

Notasi Atom

Nomor Atom

Nomor atom menunjukkan jumlah muatan positif dalam inti (jumlah proton). menurut Hendry Moseley (1887-1915) jumlah muatan positif setiap unsur bersifat karakteristik. Jadi unsur yang berbeda akan mempunyai nomor atom yang berbeda. untuk jumlah muatan positif (nomor atom) diberi lambang Z diberi lambang Z. Jika atom bersifat netral maka jumlah muatan positif (proton)sama dengan jumlah muatan negatif (elektron), jadi nomor atom = jumlah proton =jumlah elektron.

Z = np = ne , dimana n = Jumlah

Nomor Massa

Berdasarkan percobaan tetes Millikan ditemukan seperti tabel :

Atom terdiri dari proton, neutron dan elektron. Massa atom = (massa p + massa n) + massa e. Dari tabel massa elektron jauh lebih kecil dibandingkan massa neutron dan proton, maka massa elektron diabaikan. dengan demikian massa atom = massa p + massa n. Massa atom dinyatakan sebagai nomor massa dan dilambangkan A.

A = massa n + massa p —–> n = A – Z

B. Bilangan Kuantum

Apa sih yang dimaksud dengan bilangan kuantum ini??

Pengertian bilangan kuantum adalah bilangan yang menyatakan kedudukan atau posisi elektron dalam atom yang diwakili oleh suatu nilai yang menjelaskan kuantitas kekal dalam sistem dinamis.

Bilangan ini menggambarkan sifat elektron dalam suatu orbital.

Bilangan Kuantum menentukan tingkat energi utama atau jarak dari inti, bentuk orbital, orientasi orbital, dan spin elektron.

Bilangan kuantum merupakan salah satu ciri khas dari model atom mekanika kuantum atau model atom modern yang dicetuskan oleh Erwin Schrödinger.

Menurut teori atom modern, elektron berada dalam orbital dan setiap orbital mempunyai tingkat energi atau bentuk tertentu. Satu atau beberapa orbital yang memiliki tingkat energi sama membentuk subkulit. Untuk menentukan tingkat energi dari elektron serta menyatakan kedudukan elektron pada suatu orbital digunakan bilangan kuantum. Schrodinger menggunakan tiga bilangan kuantum yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimuth (l), bilangan kuantum magnetic (m). Ketiga bilangan kuantum ini merupakan bilangan bulat dan sederhana yang memberi petunjuk kebolehjadian diketemukannya electron dalam atom. Sedangkan untuk menyatakan arah perputaran elektron pada sumbunya para ahli menggunakan bilangan kuantum spin (s).

Jenis-Jenis Bilangan

Adapun dalam Penjelasan bilangan-bilangan kuantum ini adalah sebagai berikut:

1. Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama (primer) digunakan untuk menyatakan tingkat energi utama yang dimiliki oleh elektron dalam sebuah atom.

Bilangan ini tidak pernah bernilai nol (0). Bilangan kuantum utama dapat mempunyai nilai semua bilangan positif, yaitu 1,2,3,4 dan seterusnya.

Sedangkan kelopak atom dinyatakan dengan huruf K,L,M,N dan seterusnya.

Kulit	K	L	M	N
Nilai (n)	1	2	3	4

Contohnya:

n=1 elektron berada pada kelopak K;

n=2 elektron berada pada kelopak L;

n=3 elektron berada pada kelopak M;

n=4 elektron berada pada kelopak N;

Bilangan quantum utama juga berhubungan dengan jarak rata-rata elektron dari inti dalam orbital tertentu.

Semakin besar n, semakin besar jarak rata-rata elektron dalam orbital tersebut dari inti dan oleh karena itu semakin besar orbitalnya.

2. Bilangan Kuantum Azimut atau Momentum Sudut (ℓ)

Bilangan kuantum azimut sering disebut dengan momentum sudut. Energi sebuah elektron berhubungan dengan gerakan orbital yang digambarkan dengan momentum sudut. Bilangan Kuantum azimut membagi kulit menjadi orbital-orbital yang lebih kecil (sub Kulit).

Setiap kulit pada bilangan kuantum azimut memiliki nilai l=0 sampai l=(n-1). Biasanya nya subkulit ditulis l=1,2,3,…, (n-1) diberi simbol s,p,d,f dan seterusnya.

3. Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Bilangan ini menyatakan tingkah laku elektron dalam medan magnet. Tidak adanya medan magnet luar membuat elektron atau orbital mempunyai nilai n dan l yang sama tetapi berbeda m.

Namun, dengan adanya medan magnet, nilai tersebut sedikit berubah. Hal ini dikarenakan timbulnya interaksi antara medan magnet sendiri dengan medan magnet luar.

Bilangan ini ada karena momentum sudut elektron, gerakannya berhubungan aliran arus listrik.

Karena interaksi ini, elektron menyesuaikan diri di wilayah tertentu sekitar inti. Daerah khusus ini dikenal sebagai orbital. Orientasi elektron di sekitar inti dapat ditentukan dengan menggunakan bilangan ini.

Di dalam satu subkulit, nilai m bergantung pada nilai bilangan azimut/momentum sudut l. Untuk nilai l tertentu, ada (2l + 1) nilai buat m sebagai berikut: -l, (-l + 1), …, (+l – 1), +1

Bila l=0, maka m=0. Bila l =1, maka terdapat 3 nilai m yaitu -1, 0, dan -1. Bila l = 2, maka terdapat lima nilai m yaitu -2, -1, 0, +1, dan +2.

Jumlah m menunjukkan jumlah orbital dalam subkulit dengan nilai l tertentu.

4. Bilangan Kuantum Spin (s)

Bilangan ini menyatakan momentum sudut suatu partikel. Spin mempunyai simbol “s” atau sering ditulis dengan ms (kuantum spin magnetik).

Suatu elektron dapat mempunyai bilangan kuantum spin s = +1/2 atau -1/2.

Nilai positif atau negatif dari spin menyatakan spin atau rotasi partikel pada sumbu. Sebagai contoh, untuk nilai s=+1/2 berarti berlawanan arah jarum jam (ke atas), sedangkan s=-1/2 berarti serah jarum jam.

Diambil nilai setengah karena hanya ada dua peluang orientasi, yaitu atas dan bawah. Dengan demikian, peluang untuk mengarah ke atas adalah 50% dan peluang untuk ke bawah adalah 50%.

C. Konfigurasi Elektron

Konfigurasi Elektron adalah susunan elektron-elektron pada sebuah atom. Susunan elektron pada sebuah atom tidak sembarangan tetapi mengikuti pola atau rumus atau kaidah tertentu yang telah di tetapkan oleh para ahli kimia yang khusus mempelajari tentang konfigurasi elektron. Pada Ilmu Kimia, diterapkan tiga aturan dasar atau azas penting yang menjadi dasar penyusunan konfigurasi elektron suatu atom yaitu prinsip Aufbau, kaidah Hund dan larangan Pauli. Masing-masing prinsip ini menjelaskan tentang konfigurasi elektron yang mungkin terjadi pada suatu atom dengan peraturan-peraturan yang mengikat dan harus terpenuhi.

Adapun ke 3 kaidah yang mengatur konfigurasi elektron adalah sebagai berikut :

Prinsip Aufbau

Kata Aufbau berasal dari bahasa Jerman yaitu "Aufbauen" yang berarti "membangun". Pada saat menuliskan konfigurasi elektron, maka sama dengan membangun elektron orbital yang tersusun dari atom-atom. Pada saat menulisnya, maka orbital akan terisi dengan elektron untuk menambah nomor atom. Prinsip Aufbau berasal dari asa larangan Pauli yang mengatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam sebuah atom dapat memiliki bilangan kuantum yang sama, karena harus "menumpuk" atau "membangun" ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Tingkatan Energi Sesuai Aturan Aufbau

Contoh :

Cl, Σe =17 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
K, Σe =19 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ 4s²

Penyimpangan Aturan Aufbau

Pada aturan Aufbau terdapat penyimpangan terhadap beberapa konfigurasi elektron atom-atom tertentu. Hal ini disebabkan karena berdasarkan kaidah kestabilan(orbital berisi setengah penuh atau penuh). Hanya berlaku pada atom-atom yang berakhir pada subkulit "d" diantaranya adalah Cr(krom) dan Cu(tembaga), dengan pola :
ns² (n-1)d⁴ berubah menjadi ns1 (n-1)d⁵
ns² (n-1)d⁹ berubah menjadi ns1 (n-1)d¹⁰

Contoh :
Cr, Σe =24 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁴
menjadi

Cr, Σe =24 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵

Kaidah Hund

Aturan ini dikemukakan oleh Friedrick Hund Tahun 1930. yang menyatakan “elektron-elektron dalam orbital-orbital suatu subkulit cenderung untuk tidak berpasangan”. Dengan kata lain
setiap orbital di subtingkat diisi elektron tunggal sebelum orbital diisi pasangan elektron. Semua elektron tunggal yang mengisi orbital akan mempunyai spin yang sama. Ketika menetapkan elektron dalam orbital, setiap elektron pertama akan mengisi semua orbital dengan energi yang sama (juga disebut sebagai degenerat) sebelum berpasangan dengan elektron lain dalam orbital setengah penuh. Atom pada keadaan dasar (ground state) cenderung memiliki banyak elektron yang tidak berpasangan.

Suatu orbital digambarkan dalam bentuk kotak, sedangkan elektron yang menghuni orbital digambarkan dengan dua anak panah yang berlawanan arah. Jika orbital hanya mengandung satu elektron, maka anak panah yang ditulis mengarah ke atas.

Kaidah Hund

Larangan Pauli

Aturan ini dikemukakan oleh Wolfgang Pauli pada tahun 1926. Yang menyatakan “Tidak boleh terdapat dua elektron dalam satu atom dengan empat bilangan kuantum yang sama”.

Larangan Pauli menyatakan bahwa tidak ada dua elektron dapat memiliki empat bilangan kuantum yang sama. Dalam satu orbital maksimal dua elektron dapat ditemukan dan dua elektron harus memiliki spin yang berlawanan. Itu berarti satu elektron mempunyai spin ke atas (+½) dan yang lain akan mempunyai spin ke bawah (-½).

Larangan Pauli

Tiga bilangan kuantum pertama adalah n=1, l=0, m=0. Hanya dua elektron yang sesuai, yang akan berupa s=-½ atau s =+½.

Diagram orbital dan konfigurasi elektron berdasarkan orbital dari 10 unsur pertama

References

Aidha, E. R. (2012, February). Partikel Dasar Penyusun Atom. Retrieved from ekaaidha Web Site: https://ekaaidha.wordpress.com/kelas-x-2/i-struktur-atom/b-perkembangan-tabel-periodik-unsur/

Smansa. (2014, Agustus 25). Konfigurasi Elektron, aturan yang harus dipenuhi. Retrieved from Smansax Web Site: http://www.smansax1-edu.com/2014/08/konfigurasi-elektron-aturan-yang-harus.html

Kusuma. (n.d.). Bilangan Kuantum. Retrieved from theinsidemag Web Site: https://theinsidemag.com/bilangan-kuantum/