STOIKIOMETRI

Struktur Atom-44BAB IIISTRUKTUR ATOM

3.1. PERKEMBANGAN KONSEP ATOM

Leucippus dan Demokritos (Filsuf Yunani) pada tahun 400 500 SM menyatakan bahwa apabila benda dipecah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil secara terus menerus, maka akan diperoleh bagian yang paling kecil yang tidak dapat dipecah lagi. Sehingga kata mereka berdua:a = tidak, tomos = terpecahkan.

Kemudian pada tahun 1803, John Dalton (Inggris), mengusulkan teorinya yang tidak berdasarkan pemikiran filsafat. Teori atom Dalton berdasarkan percobaan-percobaan ilmiah (shg beliau dapat dianggap sebagai Bapak ilmu kimia modern)

Teori atom Dalton dinyatakan dalam postulat:1. Materi disusun dari partikel-partikel yang tidak dapat dibagi lagi dan disebut atom.2. Atom-atom suatu unsur mempunyai sifat sama, seperti ukuran, bentuk dan massa.3. Atom-atom suatu unsur berbeda dengan atom-atom unsur yang lain.4. Reaksi kimia tidak lain merupakan pembentukkan kombinasi atom-atom baru dari kombinasi atom-atom sebelumnya.

Kemudian pada tahun 1834, Michael Faraday (Inggris) berdasarkan percobaan yang dilakukannya mengemukakan: perubahan kimia dapat disebabkan oleh aliran listrik pada larutan suatu zat kimia. Ini berarti materi juga bersifat listrik.

G.I. Stoney, berdasarkan percobaan Faraday, kemudian mengemukakan adanya partikel-partikel di dalam materi. Partikel ini diberi nama elektron.

Joseph John Thomson, pada tahun 1897 berdasarkan percobaannya yang menggunakan tabung sinar katoda (Gambar 1 di bawah) berhasil membuktikan adanya elektron ini dan sekaligus menghitung harga perbandingan muatan terhadap massa elektron (e/m), yaitu -1,76 x 108 c/g. Thomson memperoleh Nobel kimia berkat karyanya ini.

Gambar 1. Tabung sinar katoda

R.A. Millikan pada tahun 1908 di University of Chicago, berhasil menemukan muatan elektron yaitu -1,602 x 10-19C.Sehingga dengan hasil percobaan Thomson dan Millikan, maka massa elektron (me) dapat dihitung:

Ernest Rutherford pada tahun 1906 mengemukakan adanya partikel bermuatan positif di dalam atom. Partikel ini diberi nama proton. Massa proton sekitar 1837 kali massa elektron. Atas karya ini Rutherford mendapat hadiah Nobel kimia pada tahun 1908.3.2. SPEKTRUM UNSUR

Spektrum merupakan kumpulan dari berbagai frekuensi/panjang gelombang radiasi yang dipisah-pisahkan.

Bila cahaya matahari atau sinar zat yang membara dilewatkan melalui sebuah prisma, maka cahaya atau sinar itu diuraikan menjadi beberapa warna pelangi. Warna-warna ini dapat dilihat apabila sinar yang dilewatkan prisma dijatuhkan pada pita film atau layer putih.

Warna-warna tersebut (berbentuk pita-pita) saling meliputi satu dengan lainnya. Bentuk spektrum yang demikian dinamakan spektrum kontinu. Cara memperolehnya tampak pada Gambar 2 di bawah.

Gambar 2. Cara memperoleh spektrum kontinu

Bila suatu unsur dipijarkan atau gas suatu unsur yang dipanaskan yang bertindak sebagai sumber cahaya, maka didapatkan garis-garis pada pita film atau layer. Spektrum yang demikian dinamakan spektrum garis.

Spektrum atom merupakan istilah lain untuk spektrum garis. Hal ini karena spektrum garis timbul oleh adanya perubahan energi di dalam atom. Karena tingkat energi atom tiap unsur berbeda, maka spektrum atom bersifat khas, artinya atom dari unsur yang satu mempunyai spectrum yang berbeda dengan unsur yang lain.

Sebagai contoh bila gas hydrogen dipijarkan dalam suatu tabung dan sinar yang dihasilkan melalui/dilewatkan prisma, maka akan didapat-kan spectrum atom hydrogen berupa garis-garis pita film seperti tampak pada Gambar 3.

Gambar 3. Spektrum atom hidrogen

3.3. TEORI KUANTUM

Teori kuantum menerangkan interaksi antara radiasi, misalnya cahaya dan materi. Max Planck pada tahun 1900, mengemukakan pendapatnya:1. Apabila suatu benda memancarkan atau menyerap energi dalam bentuk radiasi, maka proses tersebut tidak dapat terjadi dalam bentuk kontinu (lihat Gambar 4).

2.Pemancaran atau penyerapan energi radiasi dalam bentuk kelipatan dari satuan energi yang disebut kuantum.

Gambar 4. Dua pandangan tentang proses pemancaran energi dari bola besi yang dipanaskan

3. Energi setiap kuantum bergantung pada frekuensi radiasi yang diserap. Hubungan antara energi dengan frekuensi:E = h dengan : E = energi kuantumh = konstanta Planck (6,6252 x 10-27 erg.det) = frekuensi radiasi (detik-1)

Contoh soal 1. Cahaya kuning dari natrium mempunyai frekuensi 5,2 x 1014 getaran/detik. Tentukan energi setiap fotonnya!

Jawab:E = h E = 6,6252 x 10-27 erg.det x 5,2 x 1014/det = 3,4 x 10-12 erg.

3.4. HUBUNGAN FREKUENSI DENGAN PANJANG GELOMBANG

Panjang gelombang () adalah jarak antara puncak dua gelombang. Bila suatu gelombang sederhana arah pergerakannya dapat digambar-kan seperti Gambar 5, maka pan jang gelombang () adalah jarak antara A dan B.

Gambar 5. Penggambaran gelombang sederhana

Frekuensi () adalah jumlah gelombang yang melewati titik tertentu tiap detiknya. Frekuensi diukur sebagai jumlah getaran per detik.

= C/ atau = C/dengan: = panjang gelombangC = kecepatan cahaya (3 x 1010 cm/detik)Satuan untuk dapat berupa: (angstrom) = 10-10 m (micron) = 10-6 mnm (nanometer) = 10-9 m

Untuk persamaan Planck dapat ditulis:E = hC/

Contoh soal 2.Berapa besar energi dari salah satu spectrum atom hydrogen yang panjang gelombangnya 480 nm?Jawab:E = hC/E = (6,6252 x 10-27 erg.det 3x 108 m/detik)/480 x 10-9E = 4,14075 x 10-12 erg

3.5. MODEL ATOM RUTHERFORD-BOHR

Pada tahun 1908 Geiger dan Marsden, mahasiswa Rutherford melakukan percobaan dengan menembakan partikel alfa () yang berasal dari radiaum (Ra) pada lempengan logam emas (Au) yang sangat tipis. Partikel merupakan partikel yang bermuatan positif.

Partikel/sinar yang dilewatkan atau dipantulkan oleh lempengan logam diterima oleh dua buah layar yang dapat berpendar. Layar-layar ini dilapisi oleh senyawa seng sulfide (ZnS). Percobaan mereka dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. (a) Penghamburan partikel oleh lempengan logam Au (b) Pembelokan partikel oleh inti atom

Hasil pengamatan percobaan ini:1. Sebagian besar partikel menembus logam tanpa mengalami pembelokan.2. Sebagian partikel menembus lempengan logam dengan arah yang sudah dibelokkan.3. Sebagian partikel dipantulkan kembali oleh lempengan logam.

Dari pengamatan-pengamatan itu Rutherford berkesimpulan1. Atom mengandung inti atom yang bermuatan positif, sangat kecil dan padat.2. Di dalam inti atom terkumpul semua proton dan massa atom terpusat pada inti atom.3. Inti atom sangat kecil dibandingkan dengan volume atom, jadi ada ruang kosong di dalam atom.4. Elektron-elektron atom beredar pada ruang-ruang kosong yang terdapat pada atom.

Berdasarkan kesimpulan itu, maka pada tahun 1911 Rutherford mengungkapkan teori tentang atom dalam suatu makalah, yang intinya adalah:1. Atom terdiri atas inti bermuatan positif dan elektron yang mengelilingi yang bermuatan negatif.2. Karena atom bersifat netral, maka muatan positif inti sama dengan muatan negatif elektron.3. Jari-jari inti besarnya kira-kira 10-13 cm, sedang jari-jari atom sekitar 10-8 cm.

Kelemahan teori atom Rutherford

Bila elektron yang mengelilingi inti bermuatan negatif sedang inti bermuatan positif maka akan terjadi gaya tarik menarik elektrostatik atau gaya Coulomb. Akibat gaya tarik menarik itu lama kelamaan elektron akan jatuh ke inti, seperti pada Gambar 7.

Gambar 7. Elektron yang jatuh ke inti digambarkan dalam bentuk lintasan-lintasan melingkar menuju inti

Kelemahan teori atom Rutherford diperbaiki oleh Niels Bohr pada tahun 1913, yang mengemukakan:1. Elektron-elektron yang bergerak mengelilingi inti pada lintasan-lintasan tertentu tidak memancarkan energi. Lntasan-lintasan elektron itu disebut kulit atau tingkat energi elektron.2. Elektron-elektron dapat berpindah dari lintasan satu ke lintasan lainnya. Elektron yang berpindah lintasan yang lebih luar (energi tinggi) ke lintasan yang lebih dalam (energi rendah) akan memancarkan energinya. Sedang bila sebaliknya maka elektron akan menyerap energi, seperi terdapat pada Gambar 8.

Gambar 8. Perpindahan elektron dari orbitnyaI. Energi (E) diserap oleh elektron apabila berpindah dari orbit yang lebih dalam (energi lebih rendah) ke orbit yang lebih luar (energi lebih tinggi)

II. Energi dilepaskan oleh elektron apabila berpindah dari orbit yang lebih luar ke orbit yang lebih. Bulatan hitam ditengah adalah inti atom.

3. Elektron-elektron yang bergerak pada lintasan nya berada di dalam keadaan stationer, artinya elektron-elektron tidak menyerap atau memancarkan energi.

Kelemahan teori atom Bohr.

1. Teori Bohr hanya sukses untuk atom-atom yang sederhana, misalnya hidrogen. Untuk atom-atom yang mempunyai struktur lebih rumit dari hidrogen, teorinya tidak sukses digunakan.

2. Kedudukan elektron yang mengitari inti atom, tidak dapat ditentukan dengan cepat, tetapi hanya berupa kemungkinan terbesarnya saja.

3.6. MODEL ATOM MODERN

Louis Victor de Broglie mengemukakan pendaptnya bahwa untuk gerakan benda-benda kecil (subatomic) berlaku sifat-sifat gerakan gelombang. Jadi pada partikel-partikel seperti elektron berlaku hukum-hukum gelombang.

Werner Heisenberg, mengemukakan prinsip ketidakpastiannya untuk materi yang berisfat partikel dan gelombang. Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, kecepatan/ memontum dan kedudukan elektron tidak dapat ditentukan dengan tepat secara bersamaan.Erwin Schrodinger, berhasil menyusun persamaan gelombang untuk elektron dengan menggunakan cara-cara mekanika gelombang. Pemecahan persamaan itu memberikan perbaikan pada lintasan elektron yang mengelilingi inti (orbit) model atom Bohr. Menurut Schrodinger yang mengelilingi inti terdapat di dalam suatu orbital. Perbedaan orbit dan orbital dapat dilihat pada Gambar 9.

Pengertian Orbital

Orbital adalah daerah tiga dimensi di sekitar inti dimana suatu elektron dengan energi tertentu dapat diketemukan dengan kemungkinan terbesar.

Gambar 9. Perbedaan antara orbit dan orbital untuk elektron

Orbital dapat digambarkan sebagai awan elektron, yaitu bentuk ruang di mana suatu elektron kemungkinan diketemukan. Makin rapat awan elektron maka makin besar elektron ditemukan dan sebaliknya. Sebuah orbital dapat ditempati maksimal hanya dua elektron.

Bilangan kuantum

Ada 4 bilangan kuantum yang digunakan untuk menentukan kedudukan elektron di dalam atom, yaitu:

1. Bilangan kuantum utama (n)

Menunjukan tingkat energi utama atau kulit di dalam atom. Tingkat energi utama dengan energi paling rendah letaknya paling dekat dengan inti. Tingkat energi ini disebut tingkat enrgi utama ke-1.Jadi n mempunyai nilai 1,2,3,(menurut teori atom Bohr). Huruf-huruf juga dapat digunakan untuk menandai kulit 1,2,3,, misalnya: n = 1,2,3,4, dengan huruf = K, L, M, N, Jadi n = 1 sebagai kulit Kn = 3 sebagai kulit Mn = 7 sebagai kulit QJumlah elektron maksimum yang dapat menempati tiap tingkat energi utama adalah 2n2.Contoh: n = 1, jumlah elektron maksimum = 2 12 = 2n = 5 2 52 = 50

2. Bilangan kuantum azimuth (l)

Tingkat energi utama dibagi lagi menjadi beberapa tingkat energi yang disebut subtingkat energi, yang juga disebut subkulit, dan diberi tanda dengan huruf-huruf yaitu:s (= sharp)p (= principal)d (= difuse)f (= fundamental) Banyaknya bilangan kuantum azimuth/subkulit tiap kulit sesuai dengan bilangan kuantum utamanya (n). Harganya dalam tiap kulit mulai dari nol sampai n-1l = 0, 1, 2, (n-1)Contoh: - untuk kulit K (n = 1)l = 0- untuk kulit M (n = 3)l = 0, 1, 2Harga tiap l ditandai dengan huruf, yaitu:l= 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, huruf = s, p, d, f, g, h, i,

3. Bilangan kuantum magnetik (m)

Tiap subkulit terdapat satu atau lebih orbital. Banyaknya orbital yang terdapat dalam tiap-tiap sub-kulit dinyatakan oleh bilangan kuantum magnetik.Harga bilangan kuantum magnetik terdapat antara -l sampai +l.Tiap harga m, mengandung 1 orbital.Jadi: untuk l = 0, harga m = 0, terdapat 1 orbitall = 1, harga m = -1,0,+1, terdapat 3 orbitall = 2, harga m = -2, -1,0,+1, +2 terdapat 5 orbitall = 3, harga m = -3,-2, -1,0,+1, +2,+3 terdapat 7 orbitalKarena tiap orbital hanya dapat ditempati oleh 2 elektron, maka banyaknya elektron maksimum yang dapat dimiliki oleh tiap subkulit/subtingkat energi adalah:l = 0 (s), jumlah elektron maksium 2l = 1 (p), jumlah elektron maksium 6l = 2 (d), jumlah elektron maksium 10l = 3 (f), jumlah elektron maksium 14

Orbital pada subkulit/subtingkat energi energi p ada 3 yaitu: px, py, pzSedang pada orbital d ada 5 yaitu: dxz, dxy, dyz, dx2-y2, dz2. Gambar bentuk dan orientasi orbital dapat dilihat pada Gambar 10 di bawah.

Gambar 10. Bentuk dan orientasi orbital

4. Bilangan kuantum spin (s)

Bilangan kuantum spin menyatakan arah putaran elektron terhadap sumbu spinnya- Karena elektron bermuatan listrik, maka bila berputar akan menimbulkan suatu medan magnet yang sangat kecil. Bila elektron berputar berlawanan dengan perputaran jarum jam, maka harga s = + dan arah medan ke atas. Sedang elektron yang berputar searah dengan perputaran jarum jam, harga s = - dan arah medan ke bawah. Putaran spin elektron terdapat pada Gambar 11.

Gambar 11. Bentuk spin elektron

Satu orbital dengan dua elektron maksimum di dalamnya (dengan arah berlawanan) dapat dilambangkan: Contoh subkulit

3.7. KONSFIGURASI ELEKTRON DALAM ATOM

3.7.1. Aturan Aufbau

Elektron mulai mengisi orbital dengan tingkat energi yang paling rendah, kemudian orbital yang tingkat energinya lebih tinggi dan seterusnya. Prinsip pengisian elektron dapat dilihat pada Gambar 12.

Gambar 12. Prinsip pengisian elektron

3.7.2. Aturan Hund

Elektron-elektron yang memasuki suatu subkulit yang terdiri lebih dari satu orbital akan mengisi orbital-orbital itu sedemikian rupa sehingga memberikan jumlah elektron yang tidak berpasangan maksimum dan arah spin yang sama. Dengan kata lain: elektron-elektron yang mengisi orbital-orbital dalam suatu subkulit tidak mebentuk pasangan elektron

sebelum orbital-orbital yang lain terisi dengan sebuah elektron.Contoh soal 3. Tuliskan diagram konsfigurasi elektron untuk 6CJawab:Konsfigurasi elektron untuk 6C = 1s2 2s2 2p2Maka diagaramnya adalah:

Elektron valensi

Elektron valensi adalah elektron-elektron yang terdapat pada kulit terluar atau tingkat energi yang tertinggi atau bilangan kuantum utama terbesar suatu atom.Elektron valensi ini berperan dalam membentuk ikatan kimiaUnsur dengan struktur elektron valensi sama mempunyai sifat-sifat yang sama.Contoh soal 4.Tentukan elektron valensi unsur-unsur 11Na, 17Cl, 19K, 20CaJawab:Untuk menentukan elektron valensi, tuliskan dulu konsfigurasi elektronnya:11Na = 1s2 2s2 2p6 3s1 17Cl = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 19K = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 20Ca = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

- maka 11Na = elektron valensinya adalah 1 sama dengan 19K 17Cl elektron valensinya 7 20Ca elektron valensinya 2

5.3 Larangan Pauli- Tidaklah mungkin di dalam atom terdapat dua elektron yang memiliki keempat bilangan kuantum yang sama. Artinya tidak mungkin di dalam atom terdapat elektron kembar.

- Bila 2 elektron ternyata mempunyai bilangan kuantum utama, azimuth dan magnetik sama, maka bilangan kuantum spin-nya pasti berbeda!Contoh:- Keadaan dasar ialah keadaan atom di mana elektron-elektronnya terdapat pada tingkat energi terendah

3.8. HUBUNGAN NOMOR ATOM DAN NOMOR MASSA

Atom suatu unsur dengan lambang unsur X nomor atom Z dan nomor massa A, maka dituliskan:ZXAX = unsurZ = nomor atom (NA) = jumlah proton dalam inti = jumlah elektron pada kulit Z (NA) = p = eA = nomor massa (NM) = jumlah proton dan netron (n) dalam inti A (NM) = p + n

Dengan adanya Z, A, dan netron (n), maka ada istilah-istilah:- Isotop = unsur-unsur yang mempunyai Z (NA) sama tetapi A (NM) berbeda- Isobar = unsur-unsur yang mempunyai A (NM) sama tetapi Z (NA) berbeda- Isoton = unsur-unsur yang mempunyai jumlah netron yang sama

Contoh soal 5.Tentukan manakah unsur-unsur berikut ini yang isotop, isobar dan isoton?8O16, 7N14, 6C14, 7N15, 9F17, 8O17Jawab:- isotop = 8O16dan 8O17serta 7N14dan 7N15- isobar = 7N14,dan 6C14serta 9F17dan 8O17- isoton = 8O16, 6C14, 7N15,dan 9F17 dengan jumlah netron sebanyak 8 buah

Latihan Soal A.Pilihan Berganda, pilihlah 1 jawaban yang tepat pada tempat yang telah disediakan dengan cara memberi tanda silang. Coretan di anggap salah

1. Untuk memenuhi persyaratan konsfigurasi elektron, susunan yang benar adalah: a. 1s22s22p3 b. 1s12s1 c. 1s22s22p43s2 d. [10Ne] 3s23p54s1 e. [10Ne] 3s23p34s1

2. Deret bilangan kuantum yang mungkin bagi elektron 3p adalah: a. n= 3, l = 3, m = -1, s = - d. n= 3, l = 2, m = -1, s = - b. n= 3, l = 1, m = -1, s = - e. n= 3, l = 2, m = 0, s = - e. n= 3, l = 1, m = -2, s = -

3. Jumlah elektron maksimum yang dapat menempati suatu orbital py adalah a. 2 b. 4 c. 6 d. 10 e. 8

4. Unsur yang memiliki elektron tak berpasangan paling sedikit adalah dengan konsfigurasi elektron: a. s2p6d2 b. s2p6d8 c. s2p2 d. s2p3 e. s2p6d9

5. Inti atom terdiri dari a. proton dan elektron b. netron dan elektron c. proton dan netron d. hanya proton e. hanya netron

6. Beda suatu unsur dengan isotopnya adalah: a. jumlah elektronnya b. jumlah protonnya c. jumlah netronnya d. nomor atomnya e. tempatnya pada sistem periodik

7. Dalam penggambaran berikut atom dengan nomor atom terbesar adalah: 8. Komposisi dari ion 188O2- adalah: protonelektronneutron a.8610b.81010c.8812d.10810e.1088

9. Susuan elektron 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 merupakan susunan elektron dari: a. 19K b. 17Cl c. 19K+ d. Cl2

10. Cahaya kuning dari natrium mempunyai frekuensi sebesar 5,2 x 1014 getaran/detik, tentukan energi tiap fotonnya (erg): a. 3,16 x 10-12 b. 4,26 x 10-12 c. 4,445 x 10-12 d. 3,445 x 10-12

11. Yang melakukan percobaan dengan menembakkan partikel alfa adalah: a. Bohr b. Stooney c. Rutherford d. Thompson

12. Yang bukan pencetus teori atom modern adalah: a. de Broglie b. Heisenberg c. Schrodinger d. Bohr

13. Yang merupakan pasangan isoton adalah: a. 8O16 dan 8O17 b. 8O16dan 7 N15 c. 6C14 dan 7 N14 d. 8O15dan 7 N15

Soal B.1. Suatu unsur elektron terakhirnya memiliki bilangan kuantum: n=3, l=1, m=+1, s=+ bila unsur tersebut memiliki 16 netron maka: a. tentukan konsfigurasi elektron lengkapnya b. berapakah jumlah p, e dan A nya?

2. Jika diberikan unsur-unsur: 12Mg24, 11Na23, 13Al25, 12Mg25, 13Al27 tentukan a. isoton b. isotop c. isobar

3. Nomor atom suatu unsur adalah 58 dan bilangan massanya 140, tentukan jumlah proton, elektron dan netron unsur ini!

4. Tentukan ke empat bilangan kuantum yang mungkin untuk semua elektron yang menempati subkulit d pada unsur dengan nomor atom 22! Berapakah elektron valensinya?

6.Tentukan manakah unsur dengan konsfigurasi elektron di bawah ini yang berada dalam keadaan tereksitasi? Temukan unsurnya bila mungkin? Dan tulis konfigurasi elektron dalam keadaan dasar bagi unsur yang ditemukan dalam keadaan tereksitasi tersebut: a. 1s22s23p1 b. 1s22s22p6 c. 1s22s22p43s1 d. [Ar]4s23d54p1 e. Berapakah jumlah elektron yang tidak berpasangan pada masing-masing unsur?

7. Tentukan jumlah elektron maksimum tiap atom yang memiliki bilangan kuantum berikut ini: a. n=0, l = 0, m = 0 b. n=2, l = 1, m = -1, s = - c. n=3 d. n = 2, l = 2 e. n = 1, l = 0, m = 0

8. Jelaskan teori kuantum Max Planck!9. Hitung energi yang dipancarkan oleh salah satu satu spektrum atom hidrogen dalam satuan Joule yang panjang gelombangnya: 410,3 nm10. Apa postulat Neils Bohr dalam memperbaiki teori atom Rutherford? Apa kelemahan teori Bohr? Struktur Atom-25