Struktur Atom

Atom terdiri dari proton, neutron dan elektron. Proton dan neutron berada di dalam inti atom. Sedangkan elektron terus berputar mengelilingi inti atom karena muatan listriknya. semua elektron bermuatan negatif (-) dan semua proton bermuatan positif (+). Sementara itu neutron bermuatan netral. Elektron bermuatan yang bermuatan negatif (-) ditarik oleh proton yang bermuatan positif (+) pada inti atom.

Dalam hal ini, semua atom di alam semesta akan terjadi bermuatan positif (+) karena ada kelebihan muatan listrik positif (+) di dalam proton.  Akibatnya, semua atom akan saling bertolak satu sama lain.

A.      Perkembangan Teori Atom

Konsep atom dikemukakan oleh Demokritos yang tidak didukung oleh ekperimen yang menyakinkan, sehingga tidak dapat diterima oleh beberpa ahli ilmu pengetahuan dan filsafat.

Pengembangan konsep atom-atom secara ilmiah dimulai oleh John Dalton (1805), kemudian dilakukan oleh Thomson (1897), Rutherford (1911), dan disempurnakan oleh Bohr (1914)

Hasil ekperimen yang memperkuat konsep atom ini menghasilakn gambaran mengenai susunan parikel-partikel tersebut didalam atom. Gambaran ini berfungsi untuk memudahkan dalam memahami sifat-sifat kimia suatu atom. Gambaran susunan partikel-partikel dasar dalam atom disebut model atom.

1. Model Atom Dalton
   1. Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi-bagi.
   2. Atom digambarkan sebagai bola pegal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda.
   3. Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atas atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen.
   4. Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan

Hipotesis Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pegal seperti bola tolak peluru.

2. Model Atom Thomson

Atom adalah bola bulat bermuatan

positif dan di permukaan tersebar

elektron yang bermuatan negatif

3. Model Atom Rutherford

Atom adalah bola berongga yang tersusun dari inti atom dan eletron yang tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilinginya. Inti atom bermuatan positif dan massa atom terpusat pada inti atom. Kelemahan dari Rutherford tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti.

4. Model Atom Niels Bohr

1. 1. Atom terdiri atas inti yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam suatu lintasan.
   2. Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke yang lain dengan menyerap atau memancarkan energi sehingga energi elektron atom itu tidak akan berkurang. Jika berpindah lintasan ke lintasan yang lebih tinggi, elektron akan menyerap energi. Jika beralih ke lintasan yang lebih rendah, elektron akan memancarkan energi lebih rendah, elektron akan memancarkan energi.
   3. Kedudukan elektron-eletron pada tingkat-tingkat energi tertentu yang disebut kulit-kulit elektron.

5. Model Atom Modern

Kulit-kulit elektron bukan kedudukan yang pasti dari suatu elektron, tetapi hanya suatu keboleh jadian saja.

B. Percobaan-percobaan Mengenal Struktur Atom

1. Elektron

Percobaan tabung sinar katode pertama kali dilakukan oleh William Crookes (1875). Hasil ekperimennya yaitu ditemukannya seberkas sinar yang muncul dari arah katode menuju ke anode yang disebut sinar katode.

George Johnstone Stoney (1891) yand 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 lainya. Antonine Henri

Beecquerel (1896) menemukan sinar yang dipancarkan dari unsur-unsur radioaktof 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 menujukkan bahwa sinar katode dapat dibelokkan ke arah kutub positif medan listrik. Hal ini membuktikan terdapat partikel bermuatan negatif dalam suatu atom.

Besarnya muatan dalam eletron ditemukan oleh Robert Andreww miliki (1908) melalui percobaan tetes Minyak Milikan seperti gambar berikut.

Minyak disemprotkan kedalam tabung yang bermuatan litrik. Akibat gaya tarik grafitasi 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.

2. Proton

Jika massa elektron 0 bearti suatu partikel tidak mempunyai massa. Namun pada kenyataan nya partikel materi mempunyai massa yang dapat diukur dan atom bersifat atom netral. Eugene Goldstein (1886) melakukan eksperimen dari tabung gas yang memiliki katode, yang diberi lubang-lubang dan diberi muatan listrik.

Hasil eksperimen tersebut membuktikan bahwa pada saat terbentuk elektron yang menuju anode, terbentuk pula sinar positif yang menuju arah berlawanan melalui lubang pada katode. Setelah berbagai gas dicoba dalam tabung ini, ternyata gas hidrogenlah yang menghasilkan sinar muatan positif yang paling kecil baik massa maupun muatanya, sehingga partikel ini disebut 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 lempang tipis emas. Jika atom terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan negatif maka sinar alfa yang ditembakkan seharusnya tidak ada yang diteruskan/ menembus lempeng sehingga mincullah 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.

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 dapt diprediksi bahwa ada partikel lain dalam inti atom.

4. Neutron

Prediksi dari Rutherford memicu W. Bothe dan H. Becker (1930) melakukan eksperimen penembakan partikel pada inti atom berilium (Be) dan dihasilkan radiasi partikel berdaya tembus tinggi.

James Chadwick (1932). Ternyata partikel yang menimbulkan radiasi berdaya tembus tinggi itu bersifat nertal atau tidak bermuatan dan massanya hampir sama dengan proton. Partikel ini disebut neutron dan dilambangkan

C. Menetukan Struktur Atom Berdasarkan Tabel Periodik

1. Partikel Dasar Penyusun Atom

Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur tersebut. Struktur atom menggambarkan bagaimana partikel-partikel dalam atom tersusun, atom tersusun atas inti atom dan dikelilingi elektron-elektron yang tersebar dalam kulit-kulitnya. Secara sistematis dapat digambarkan partikel-partikel sub atom berikut.

Sebagian besar atom terdiri dari ruang hampa yang dalamnya terdapat inti yang sangat kecil di mana massa dan muatan positifnya dipusatkan dan dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif. Inti atom tersusun atas sejumlah proton dan neutron. Jumlah proton dalam inti atom menentukan muatan inti atom, sedangkan massa atom inti ditentukan oleh banyaknya proton dan neutron. Selanjutnya ketiga partikel sub atom (proton, neutron, dan elektron ) dangan kombinasi tertentu membentuk atom suatu unsur yang lambangnya dapat dituliskan :

X : lambang suatu unsur

Z : nomor atom

A : nomor  massa

2. Memahami Susunan dari Sebuah Atom

1. Lihatlah nomor dari tabel periodik. Nomor atom selalu labih kecil dari nomor massa
2. Nomor atom merupakan jumlah proton. Oleh karena sifat atom netral, maka nomor atom juga merupakan jumlah elekton
3. Susunan elektron-elektron dalam level-level energi, selalu isi level terdalam sebelum mengisi level luar

Dua hal yang penting diperhatikan jika anda melihat susunan daam tabel periodik.

1. Jumlah elektron tingkat terluar (atau kulit terluar)sama dengan nomor golongan (kecuali helium yang memiliki 2 elektron. Gas mulia biasa disebut dengan golonga 0 bukan golongan 8). Hal ini berlaku diseluruh golongan unsur pada tabel periodik (kecuali unsur-unsur transisi). Jadi, jika anda mengetahui bahwa barium terletak pada golongan 2, bearti barium memiliki 2 elektron pada tingkat teluar.
2. Gas mulia memiliki elektron penuh pada tingkat terluar

D. Nomor Atom dan Nomor Massa

Suatu atom memiliki sifat dan massa yang khas satu sama lain. Dengan penemuan partikel penyusun atom dikenal istilah nomor atom (Z) dan nomor massa (A)

Penulisan lombang atom unsur menyetarakan nomor atom dan nomor massa.

Dimana :

A = nomor massa

Z = nomor atom

X = lambang unsur

Nomor Massa (A) = Jumlah proton + Jumlah Neutron

Atau

Jumlah Neutron = Nomor massa – Nomor atom

Nomor Atom (Z) = Jumlah proton

1. Nomor Atom (Z)

Nomor atom (Z) menujukkan jumlah proton (muatan positif) atau jumlah elektron dalam atom tersebut. Nomor atom ini merupakan ciri khas suatu unsur. Oleh karena atom bersifat netral maka jumlah proton sama dengan jumlah elektronya, sehingga nomor atom juga menujukkan jumlah elektron. Elektron inilah yang nantinya paling menentukan sifat suatu unsur. Nomor atom ditulis agak ke bawah sebelum lambang unsur

2. Nomor Massa (A)

Massa elektron sangat kecil dan dianggap nol sehingga massa atom ditentukan oleh inti atom yaitu proton dan neutron. Nomor massa (A) menyatakan banyaknya proton dan neutron yang menyusun inti atom suatu unsur. Nomor massa ditulis agak ke atas sebelum lambang unsur. 

E. Isotop, Isobar, dan Isoton suatu Unsur

1. Isotop

Isotop adalah atom yang mempunyai nomor sama tetapi memiliki nomor massa berbeda

Setiap isotop satu unsur memiliki sifat kimia yang sama karena jumlah elektron valensinya sama.

Isotop-isotop unsur ini dapat digunakan untuk menetukan massa atom relatif (Ar) atom tersebut berdasarkan kelimpahan isotop dan massa atom semua isotop

2. Isobar

Isobar adalah unsur-unsur yang memiliki nomor atom berbeda tetapi nomor massa sama.

3. Isoton

Atom-atom yang berbeda tetapi mempunyai jumlah neutron yang sama

F. Menetukan Elektron Valensi

1. Konfigurasi Elektron Menurut Teori Atom Bohr

Konfigurasi (susunan) elektron suatu atom berdasarkan kulit-kulit atom tersebut. Setiap atom dapat terisi eletron maksimum 2n2, dimana n merupakan letak kulit.

Lambang kulit dimulai dari K, L, M, N dan seterusnya dimulai dari yang terdekat dengan inti atom.

Elektron disusun sedemikian rupa pada masing-masing kulit dan diisi maksimum sesuai daya tampung kulit tersebut. Jadi masing ada sisa elektron yang tidak dapat ditampung pada kulit tersebut maka diletakkan pada kulit selanjutnya.

2. Elektron Valensi

Elektron yang berperan dalam reaksi pembentukan ikatan kimia dan reaksi kimia adalah elektron pada kulit terluar atau elektron valensi.

Jumlah elektron valensi suatu atom ditentukan berdasarkan elektron yang terdapat pada kulit terakhir dari konfigurasi elektron atom tersebut. Perhatikan Tabel untuk menentukan jumlah elektron valensi

Unsur –unsur yang mempunyai jumlah elektron valensi yang sama akan memiliki sifat kimia yang sama

3. Konfigurasi Elektron Menurut Teori Mekanika Kuantum 

Model atom Bohr dapat digunakan dengan baik untuk atom yang sangat sederhana seperti atom hidrogen, tetapi tidak untuk atom yang lebih kompleks. Dengan demikian, dikembangkanlah satu model struktur atom yang lebih rumit dengan model mekanika kuantum.

Model mekanika kuantum bersandar pada teori kuantum, yang menyatakan bahwa materi memiliki sifat-sifat yang sama seperti gelombang (Hukum De Broglie). Menurut teori kuantum, letak (posisi) dan momentum (kecepatan dan arah) suatu elektron pada satu waktu tidak mungkin diketahui dengan pasti (prinsip ketidakpastian Heisenberg).  Jadi, lingkaran Bohr yang pasti harus digantikan denganorbital (awan elektron), yaitu volume ruang yang kemungkinan besar terdapat elektron. Dengan kata lain, kepastian diganti dengan kebolehjadian (probabilitas).

Melalui persamaan Schrodinger, distribusi elektron di dalam atom dapat ditunjukkan melalui seperangkat bilangan kuantum. Dalam mekanika kuantum, tiga bilangan kuantum digunakan untuk menentukan distribusi elektron di dalam atom, sedangkan bilangan kuantum ke-4 digunakan untuk menunjukkan rotasi (spin) elektron di dalam atom.

Keempat bilangan kuantum  yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Bilangan kuantum utama (n) → kulit

Memiliki harga n = 1,2,3,4,…

Menjelaskan tingkat energi orbital dan ukuran orbital

n = 1 (kulit K); n = 2 (kulit L), n = 3 (kulit M); n = 4 (kulit N); …

Jumlah elektron maksimum pada masing-masing kulit adalah 2n²

2.  Bilangan kuantum azimuth atau angular momentum (l) → subkulit

Memiliki harga l = 0,1,2,…,(n-1)

Menjelaskan bentuk orbital

l = 0 (subkulit s); l = 1 (subkulit p); l = 2 (subkulit d); l = 3 (subkulit f);…

n = 1,maka  l = 0

n = 2, maka l = 0 dan 1

n = 3, maka l = 0, 1, dan 2

n = 4, maka l = 0, 1,2, dan 3

Jumlah subkulit yang terdapat pada kulit ke-n adalah n subkulit

3. Bilangan kuantum magnetik (m_l) → orbital

Memiliki harga m_l = -l, (-l + 1),…, 0,…, (+l +1), +l

Menjelaskan orientasi elektron (letak elektron dalam orbital)

l = 0, maka m_l = 0 (1 orbital)

l = 1, maka m_l = -1, 0, dan +1 (3 orbital)

l = 2, maka m_l = -2, -1, 0, +1, dan +2 (5 orbital)

l = 3, maka m_l = -3, -2, -1, 0, +1, +2, dan +3 (7 orbital)

Untuk tiap nilai l, akan terdapat (2l + 1) orbital

4. Bilangan kuantum spin (m_s) → rotasi elektron

Memiliki harga m_s = + ½ atau m_s = – ½

Menjelaskan spin elektron dalam orbital

Masing-masing orbital maksimum hanya dapat ditempati oleh dua elektron dengan spin yang berlawanan (Azas Larangan Pauli)

Bilangan kuantum dapat digunakan dalam menyatakan distribusi elektron di dalam atom. Melalui diagram energi dan konfigurasi elektron, para kimiawan dapat menunjukkan tingkat energi subkulit dan orbital yang ditempati oleh elektron pada atom tertentu.  Dalam penulisan konfigurasi elektron suatu atom, terdapat tiga aturan yang harus ditaati, antara lain:

1. Aturan Aufbau

Pengisian orbital dimulai dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang tinggi. Elektron mempunyai kecenderungan akan menempati dulu subkulit yang energinya rendah. Besarnya tingkat energi dari suatu subkulit dapat diketahui dari bilangan kuantum utama (n) dan bilangan kuantum azimuth ( l ) dari orbital tersebut. Orbital dengan harga (n + l) lebih besar mempunyai tingkat energi yang lebih besar. Jika harga (n + l) sama, maka orbital yang harga n-nya lebih besar mempunyai tingkat energi yang lebih besar. Urutan energi dari yang paling rendah ke yang paling tinggi sebagaimana digaram yang dibuat oleh Mnemonik Moeler adalah sebagai berikut:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d ….

DIAGRAM MNEMONIK MOOLER

2. Aturan Pauli (Eksklusi 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”. Orbital yang sama akan mempunyai bilangan kuantum n, l, m, yang sama tetapi yang membedakan hanya bilangan kuantum spin (s). Dengan demikian, setiap orbital hanya dapat berisi 2 elektron dengan spin (arah putar) yang berlawanan. Jadi, satu orbital dapat ditempati maksimum oleh dua elektron, karena jika elektron ketiga dimasukkan maka akan memiliki spin yang sama dengan salah satu elektron sebelumnya.

Contoh :

Pada orbital 1s, akan ditempati oleh 2 elektron, yaitu :

Elektron Pertama à n=1, l=0, m=0, s= +½

Elektron Kedua à n=1, l=0, m=0, s= – ½

(Hal ini membuktikan bahwa walaupun kedua elektron mempunyai n,l dan m yang sama tetapi mempunyai spin yang berbeda)

3. Aturan Hund

Aturan ini dikemukakan oleh Friedrick Hund Tahun 1930. yang menyatakan “elektron-elektron dalam orbital-orbital suatu subkulit cenderung untuk tidak berpasangan”.

Elektron-elektron baru berpasangan apabila pada subkulit itu sudah tidak ada lagi orbital kosong.

Untuk menyatakan distribusi elektron-elektron pada orbital-orbital dalam suatu subkulit, konfigurasi elektron dituliskan dalam bentuk diagram orbital.

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

Dalam menerapkan aturan hund, maka kita harus menuliskan arah panah ke atas terlebih dahulu pada semua kotak, baru kemudian diikuti dengan arah panah ke bawah jika masihterdapat elektron sisanya.

PRINSIP PENGGUNAAN ATURAN HUND

http://musnainimusnaini.wordpress.com/kimia-x-2/struktur-atom-2/

https://andykimia03.wordpress.com/2009/08/11/teori-kuantum-dan-konfigurasi-elektron-atom/
https://esdikimia.wordpress.com/2010/08/13/konfigurasi-elektron-berdasarkan-konsep-bilangan-kuantum/