STRUKTUR ATOM DAN KONFIGURASI ELEKTRON

A. STRUKTUR ATOM

Masih ingatkah kalian dengan model atom yang dikemukakan oleh Ernest Rutherford (1871–1937). Menurut Rutherford, atom terdiri dari inti yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif. Namun, jika suatu partikel yang bermuatan listrik bergerak melingkar akan mengemisikan energinya dalam bentuk cahaya yang mengakibatkan percepatan partikel semakin berkurang dan akhirnya diam. Dengan demikian, jika elektron yang bermuatan negatif bergerak melingkar (mengelilingi inti bermuatan positif) maka akan kehilangan energinya sehingga gerakan elektron akan berkurang, yang akhirnya akan jatuh ke inti. Namun pada kenyataannya, elektron tidak jatuh ke inti. Rutherford tidak mampu menjelaskan mengapa elektron tidak dapat jatuh ke inti. Teori atom ini kemudian disempurnakan oleh Niels Bohr (1885 – 1962) sehingga model atom menurut Bohr adalah sebagai berikut.

Struktur atom menurut Niels Bohr adalah sebagai berikut:

• Atom terdiri atas inti yang proton bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan (netral).
• Inti atom dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam suatu lintasan/orbit tertentu yang biasa disebut kulit atom. 
• Pada atom setiap lintasan (kulit) dapat ditempati lebih dari 1 elektron. 
• Kulit atom merupakan gerakan stasioner (menetap) dari elektron dalam mengelilingi inti atom dengan jarak tertentu. Selama elektron berada pada lintasan stasioner tertentu, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi yang diemisikan atau diserap. 
• Setiap kulit atom memiliki tingkat energi tertentu. Makin besar nomor kulit, tingkat energinya juga makin besar. 
  
  
  
• Berdasarkan struktur atom Bohr, elektron tidak akan memancarkan atau menyerap energi jika dia berada pada lintasannya (keadaan dasar) ® stabil. Namun, elektron dapat berpindah dari kulit satu ke kulit lainnya dengan cara melepas atau menyerap energi. 
  
  
  
• Jika elektron berpindah dari kulit dengan energi rendah ke kulit yang energinya lebih tinggi, maka ia akan menyerap energi (eksitasi)
• jika elektron berpindah dari kulit dengan energi tinggi ke kulit yang energinya lebih rendah maka ia akan melepaskan/membebaskan energy (emisi)

B. KONFIGURASI ELEKTRON

Berdasarkan struktur atom Bohr, elektron akan mengelilingi inti pada lintasan atau kulit atom tertentu. Susunan pendistribusian elektron pada masing-masing kulit disebut konfigurasi elektron. Data yang digunakan untuk menuliskan konfigurasi elektron adalah nomor atom suatu unsur, di mana nomor atom unsur menyatakan jumlah elektron dalam atom unsur tersebut. Sedangkan elektron pada kulit terluar dikenal dengan sebutan elektron valensi. Susunan elektron valensi sangat menentukan sifat-sifat kimia suatu atom dan berperan penting dalam membentuk ikatan dengan atom lain.

Untuk menentukan konfigurasi elektron suatu unsur, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan, yakni:

• Dimulai dari lintasan yang terdekat dengan inti, masing-masing lintasan disebut kulit ke-1, kulit ke-2, kulit ke-3, kulit ke-4, dan seterusnya.       
• Jumlah elektron maksimum (paling banyak) yang dapat menempati masing-masing kulit adalah:  2ⁿ, dengan n = nomor kulit

            Kulit 1 dapat menampung maksimal 2 elektron.

            Kulit 2 dapat menampung maksimal 8 elektron.

            Kulit 3 dapat menampung maksimal 18 elektron, dan seterusnya.

Aturan penulisan konfigurasi elektron suatu unsur :

Ø  Hitung jumlah elektron ( pada atom bebas, jumlah elektron = nomor atom)

Ø  Pengisian elektron dimulai dari kulit K, L, M, N dan seterusnya.

Ø  Setiap kulit diisi elektron sebanyak jumlah maksimal elektron (2n²) dan menghitung jumlah elektron yang tersisa.

Ø  Jika elektron yang tersisa kurang dari jumlah elektron maksimal suatu kulit maka diisi sesuai jumlah elektron maksimal kulit sebelumnya.

Ø  Jika elektron yang tersisa < 8, maka ditempatkan pada kulit berikutnya sebagai elektron terluar atau disebut sebagai elektron valensi.

Ø  Jumlah maksimal elektron valensi adalah 8.

Kelebihan dan Kelemahan Atom Bohr

Kelebihan : dapat menjelaskan adanya lintasan elektron pada atom sehingga elektron tidak jatuh ke inti.

Kelemahan : tidak dapat menjelasakan spektrum  atom yang memiliki elektron lebih banyak serta tidak mampu menjelaskan mengapa spectrum atom hydrogen memiliki garis-garis tambahan ketika dipengaruhi medan magnet

C. TEORI ATOM MEKANIKA KUANTUM

Ketidakmampuan Teori Atom Bohr dalam menerangkan model atom selain atom hidrogen dan gejala atom dalam medan magnet disempurnakan oleh ahli fisika Prancis, Louis de Broglie pada tahun 1924.

Menurut de Broglie, selain bersifat partikel, elektron dapat bersifat gelombang, sedangkan Niels Bohr berpendapat bahwa elektron adalah partikel. Pendapat de Broglie yang dikembangkan oleh Erwin Schrödinger dan Werner Karl Heisenberg melahirkan Teori Atom Modern. Teori ini dikenal dengan nama Teori Atom Mekanika Kuantum. Prinsip dasar Teori Mekanika Kuantum adalah gerakan elektron dalam mengelilingi inti bersifat seperti gelombang. Teori Mekanika Kuantum digunakan untuk menjelaskan sifat atom dan molekul.

Berdasarkan Teori Mekanika Kuantum, keberadaan elektron dalam lintasan tidak dapat ditentukan dengan pasti, yang dapat diketahui hanya daerah kebolehjadian ditemukannya elektron. Teori ini dikemukakan oleh ahli fisika Jerman, Werner Heisenberg, dan dinamakan Prinsip Ketidakpastian Heisenberg.

D. PERBEDAAN STRUKTUR ATOM BERDASARKAN TEORI ATOM BOHR DAN TEORI ATOM MEKANIKA KUANTUM

Perbedaan Struktur Atom Berdasarkan Teori Atom Bohr dan Teori Atom Mekanika Kuantum dapat dilihat pada Tabel 1.2 di bawah ini.

Tabel 1.2. Perbedaan Struktur Atom Bohr dan Mekanika Kuantum

Pada struktur atom menurut Bohr, dapat dilihat bahwa elektron dalam atom hanya dapat beredar pada lintasan-lintasan dengan tingkat energi tertentu. Pada lintasan itu, electron dapat beredar tanpa pemancaran atau penyerapan energi. Lintasan elektron tersebut berupa lingkaran dengan jari-jari tertentu yang disebut sebagai kulit atom.

Sedangkan pada Model atom mekanika kuantum menerangkan bahwa elektron-elektron dalam atom menempati suatu ruang atau “awan” yang disebut orbital, yaitu ruang tempat elektron paling mungkin ditemukan. Beberapa orbital bergabung membentuk kelompok yang disebut subkulit. Jika orbital kita analogikan sebagai “kamar elektron”, maka subkulit dapat dipandang sebagai “rumah elektron”. Beberapa subkulit yang bergabung akan membentuk kulit atau “desa elektron”. Orbital-orbital dalam satu subkulit mempunyai tingkat energi yang sama, sedangkan orbital-orbital dari subkulit berbeda, tetapi dari kulit yang sama mempunyai tingkat energi yang mirip.

E. BILANGAN KUANTUM

Keberadaan elektron dalam atom dikaitkan dengan empat bilangan kuantum. Adapun keempat bilangan kuantum tersebut, yaitu bilangan kuantum utama, bilangan kuantum azimuth, bilangan kuantum magnetic dan bilangan kuantum spin.

a.      Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama (n) menentukan ukuran dari orbital berdasarkan kulit/orbit. Bilangan kuantum ini menentukan tingkat energi yang mempunyai harga n = 1, 2, 3, …..

Biasanya digunakan istilah “kulit” yang menyatakan sekelompok tingkat energi yang memiliki n dengan harga yang sama.

b.      Bilangan Kuantum Azimuth (l)

Bilangan kuantum azimuth (l) disebut juga bilangan kuantum orbital yang dapat menentukan bentuk ruang dari orbital. Harga l biasanya dinyatakan dengan huruf sebagai berikut.

l = 0, yaitu s (sharp)

l = 1, yaitu p (principal)

l = 2, yaitu d (diffuse)

l = 3, yaitu f (fundamental)

Nilai s, p, d, f digunakan dari spektroskopi deret-deret spectrum unsur alkali. Dengan adanya bilangan kuantum azimuthh (orbital) yang berbeda memungkinkan untuk membagi setiap “kulit” menjadi “subkulit” atau orbital. Setiap subkulit dinyatakan dengan harga bilangan dari n dan huruf yang menyatakan l. Misalkan, subkulit 2p berarti mempunyai harga n = 2 dan l = 1.

c.       Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Bilangan kuantum magnetik (m) menentukan orientasi orbital dalam ruang sehingga disebut juga bilangan kuantum orientasi orbital. Untuk setiap harga l, akan mempunyai harga m dengan rentang nilai m = …, - l, 0, + l,….

Untuk l = 0 (elektron pada s) maka m = 0

Untuk l = 1 (elektron pada p) maka m = -1, 0, +1

Untuk l = 2 (elektron pada d) maka m = -2, -1, 0, +1, +2

Untuk l = 3 (elektron pada f) maka m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3

d.      Bilangan Kuantum Spin (s)

Dengan menggunakan alat spektroskopi yang daya pisahnya sangat tinggi maka akan tampak setiap garis spectrum yang terdiri atas sepasang garis yang sangat berdekatan. Menurut Uhlenbeck dan Goudsmit (1925) bahwa elektron memiliki momen magnetik sehingga elektron berputar pada sumbu-sumbu dan menghasilkan sudut spin. Harga bilangan kuantum spin (s) adalah +½ dan -½.

F. ORBITAL MOLEKUL

Orbital (bukan orbit) adalah volume ruang yang memiliki kebolehjadian paling besar untuk menemukan elektron dalam atom. Setiap orbital dicirikan oleh 3 bilangan kuantum n, l, dan m, dimana orbital mempunyai ukuran, bentuk, dan orientasi tertentu dalam ruang.

Kumpulan orbital-orbital dengan bilangan kuantum utama (n) yang sama disebut kulit. Jumlah orbital dalam kulit dapat ditentukan dengan rumus n².

a.      Orbital s

Bentuk orbital s berupa bola simetris dan hanya memiliki 1 macam orbital. Bentuk orbitalnya dapat dilihat pada Gambar. 1.2

b.      Orbital p

Orbital p berjumlah tiga buah yang terletak di subkulit p. ketiganya mempunyai tingkat energi yang sama, namun arah ruangnya berbeda. Ketiga orbital tersebut, yaitu P_x, P_y dan P_z. Setiap orbital berbentuk seperti balon terpilin yang digambarkan menggunakan koordinat Cartesius dengan sumbu x, y dan z, seperti pada Gambar 1.3

a.      Orbital d

Orbital d berjumlah lima buah, terletak di subkulit d, dan digambarkan dengan empat buah bola lonjong. Orbital-orbital tersebut, yaitu d_xy, d_xz, d_yz, d_x2-dy2 dan d_z2. Bentuk-bentuk orbital d dapat dilihat pada Gambar 1.4.

G. KONFIGURASI ELEKTRON

Konfigurasi elektron merupakan gambaran penyebaran elektron yang paling mungkin ke dalam orbital-orbital kulit elektron. Menurut prinsip Aufbau, pengisian orbital dimulai dari tingkat energi yang rendah sampai penuh  kemudian tingkat energinya lebih 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 menurut aturan Aufbau dapat dilihat pada Gambar 1.5 berikut.

H. DIAGRAM ORBITAL

Diagram orbital menunjukkan sebaran elektron dalam orbital-orbital pada suatu atom. Penggambaran diagram orbital pada umumnya menggunakan kotak yang mewakili jumlah orbital pada setiap subkulit disertai dengan tanda panah ke atas  (↿) atau ke bawah (⇂) yang menggambarkan spin elektron. Diagram orbital umumnya hanya dituliskan untuk elektron valensi.

Setiap orbital mempunyai ukuran, bentuk, dan arah orientasi ruang yang ditentukan oleh bilangan kuantum n, l, m, dan s. Orbital-orbital bergabung membentuk suatu subkulit, kemudian subkulit bergabung membentuk kulit dan tingkat energi.

Untuk memudahkan penentuan nilai bilangan-bilangan kuantum suatu elektron, Konfigurasi elektron terlebih dahulu diubah menjadi diagram orbital. Ada beberapa aturan yang harus dipenuhi dalam menggambarkan diagram orbital, diantaranya :

1.    Larangan Pauli

Larangan Pauli menyatakan bahwa di dalam satu atom tidak boleh terdapat dua elektron dengan empat bilangan kuantum yang sama. Dua elektron yang menempati satu orbital (mempunyai bilangan kuantum utama, azimut, magnetik yang sama), harus mempunyai spin yang berbeda. Jadi, setiap orbital hanya dapat berisi 2 elektron dengan spin (arah putaran) yang berlawanan

 

Dengan adanya larangan Pauli, maka elektron yang dapat menempati suatu subkulit terbatas hanya dua kali dari jumlah orbitalnya. Dengan demikian, jumlah maksimum elektron adalah sebagai berikut:

Friedrich Hund (1927), seorang ahli fisika dari Jerman mengemukakan aturan pengisian elektron pada orbital yaitu :

“orbital-orbital dengan energi yang sama, masing-masing diisi lebih dulu oleh satu elektron arah (spin) yang sama atau setelah semua orbital masing-masing terisi satu elektron kemudian elektron akan memasuki orbital-orbital secara urut dengan arah (spin) berlawanan”

 

Konfigurasi elektron suatu unsur harus menggambarkan sifat suatu unsur. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sifat unsur lebih stabil apabila orbital dalam suatu atom unsur terisi elektron tepat setengah penuh atau tepat penuh,terutama orbital-orbital d dan f (5 elektron atau 10 elektron untuk orbital-orbital d dan 7 elektron atau 14 elektron untuk orbital-orbital  f).

Contoh:

Konfigurasi elektron: ₂₄Cr

₂₄Cr: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵ atau disingkat ₂₄Cr : [₁₈Ar] 3d⁵ 4s¹

bukan: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁴

 

Konfigurasi elektron: ₂₉Cu

₂₉Cu: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰ atau disingkat ₂₉Cu : [₁₈Ar] 3d¹⁰ 4s¹

bukan: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁹

Konfigurasi elektron: ₈₇Fr

₈₇Fr : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ 7s¹

atau disingkat ₈₇Fr : [₈₆Rn] 7s¹

• Contoh gambar orbital yang mungkin untuk atom karbon dengan 6 elektron

  

• Konfigurasi 1 dan 2 tidak melanggar larangan Pauli dan tidak melanggar aturan Hund, disebut dengan konfigurasi elektron keadaan dasar.
• Konfigurasi 3 dan 4 tidak melanggar larangan Pauli, tetapi melanggar aturan Hund, disebut dengan konfigurasi elektron keadaan tereksitasi.
•  Konfigurasi 5 dan 6 melanggar larangan Pauli, disebut dengan konfigurasi elektron keadaan terlarang.

I. PENENTUAN BILANGAN KUANTUM ELEKTRON

Bilangan kuantum adalah nilai yang menjelaskan kuantitas kekal dalam sistem dinamis. Bilangan kuantum menggambarkan sifat orbital dan elektron dalam orbital. Ada empat bilangan kuantum yang akan kita kenal, yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum Azimut (l), bilangan kuantum magnetic (m) dan bilangan kuantum spin (s). Penentuan bilangan kuantum ini ada beberapa langkah:

Contoh: Na (Z= 11)

1. Menuliskan konfigurasi elektron atom tersebut : ₁₁Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
2. Membuat diagram orbital yang ditempati oleh elektron valensi yang akan ditentukan bilangan kuantumnya. 
   
   
   
3. Menentukan bilangan kuantum elektron valensi.

a. Menentukan bilangan kuantum utama (n) dari elektron valensi, yaitu 3s1. Tingkat energi pada konfigurasi terakhir adalah 3, maka bilangan kuantum utama (n) = 3

b. Menentukan bilangan kuantum azimuth (l). Pada atom Na, elektron valensinya ada di subkulit s, maka l = 0

c. Menentukan bilangan kuantum magnetik (m). Pada atom Na, jumlah elektron valensi hanya 1, maka harga (m) = 0 

d. Menentukan bilangan kuantum spin (s) berdasarkan pada orientasi atau arah panah terakhir pengisian orbital. Maka atom Na memiliki nilai bilangan kuantum spin +.

Jadi atom Na (Z = 11), elektron valensinya memiliki bilangan kuantum n = 3, l = 0, m = 0, s = +½