Teori Kuantum dan Konfigurasi Elektron Atom

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari dasar-dasar teori kuantum, bilangan kuantum, penulisan konfigurasi elektron, serta menentukan kedudukan suatu unsur dalam tabel periodik berdasarkan konfigurasi elektronnya.

Era fisika modern di mulai pada tahun 1900 oleh Max Planck, seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman. Pada saat menganalisis data radiasi yang diemisikan oleh zat padat yang dipanaskan pada berbagai temperatur, Planck menemukan bahwa atom dan molekul mengemisi (melepaskan) energi hanya dalam jumlah tertentu (diskrit) yang dikenal dengan istilah kuanta. Hal ini mendobrak asumsi lama yang diyakini oleh para fisikawan bahwa energi bersifat kontinue dan energi dapat dilepaskan dalam jumlah yang bebas  pada proses radiasi.

Pada tahun 1873, James Clerk Maxwell menemukan bahwa cahaya tampak (visible light) merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik.  Menurut Maxwell, gelombang elektromagnetik dibangkitkan dari dua komponen, yaitu perpaduan antara komponen medan listik dan medan magnet yang saling tegak lurus satu sama lainnya. Dengan demikian, radiasi yang dihasilkan oleh benda panas merupakan radiasi elektromagnetik, yaitu emisi dan transmisi energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya, yaitu 3,00 x 108 m/s.

Fisika klasik mengasumsikan bahwa atom dan molekul dapat mengemisi atau mengabsorbsi energi radiasi dalam jumlah yang bebas . Akan tetapi, Planck justru mengatakan bahwa atom dan molekul hanya dapat mengemisi atau mengabsorbsi energi dalam jmulah tertentu (diskret). Planck memunculkan istilah kuantum untuk mendefinisikan jumlah energi terkecil yang dapat diemisi atau diabsorbsi dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Energi untuk tiap paket energi (kuantum) didefiniskan dalam persamaan berikut:

E = hυ    atau    E = hc/λ

h = konstanta Planck = 6,63 x 10-34 J.s

υ = frekuensi radiasi

c = kecepatan cahaya = 3,00 x 108 m/s

λ = panjang gelombang radiasi

Berdasarkan teori kuantum, energi selalu diemisi atau diabsorbsi sebesar kelipatan bilangan bulat dari hυ, seperti 2hυ, 3hυ, 4hυ,…, dan tidak pernah berbentuk bilangan desimal, seperti 1,23 hυ atau 5,67 hυ.

Hal ini menarik perhatian Albert Einstein, seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman. Pada tahun 1905, Einstein mempelajari efek fotolistrik, suatu fenomena dimana elektron dilepaskan dari permukaan suatu logam setelah menerima sejumlah radiasi (cahaya) yang sesuai dengan frekuensi ambang logam tersebut. Frekuensi ambang (threshold frequency) adalah batas minimum frekuensi (energi) yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Di bawah frekuensi ambang, tidak ada elektron yang dapat dilepaskan.  Einstein berkesimpulan bahwa cahaya tersusun dari paket-paket energi diskret yang diberi nama foton. Masing-masing foton memiliki energi sesuai dengan frekuensinya. Persamaan energi foton Einstein adalah sebagai berikut:

E = hυ    atau    E = hc/λ

Bila digunakan radiasi dengan frekuensi tinggi, maka sebagian energi akan digunakan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, sementara sisa energi akan berubah mejadi energi kinetik elektron (sehingga kita dapat menghitung kecepatan elektron saat dilepaskan dari permukaan logam). Hubungan antara radiasi yang diberikan, frekuensi ambang, dan energi kinetik, dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

KE = hυ – BE    atau    hυ = KE + BE

KE = energi kinetik elektron saat lepas dari permukaan logam

hυ = energi radiasi yang diberikan pada permukaan logam

BE = binding energy, energi ikat elektron pada permukaan logam

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 dengan orbital (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 (ml) → orbital

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

Menjelaskan orientasi elektron (letak elektron dalam orbital)

l = 0, maka ml = 0 (1 orbital)

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

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

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

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

4. Bilangan kuantum spin (ms) → rotasi elektron

Memiliki harga ms = + ½ atau ms = – 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

Elektron akan mulai mengisi dari tingkat energi terendah yang kosong terlebih dahulu menuju tingkat energi yang lebih tinggi. Urutan pengisian elektron adalah sebagai berikut:

1s < 2s < 2p <3s < 3p <4s < 3d < 4p <5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p < 8s

2. Kaidah Hund

Bila terdapat lebih dari satu orbital pada tingkat energi tertentu (seperti 3p atau 4d), hanya satu elektron yang akan mengisi tiap orbital sampai setiap orbital terisi oleh satu elektron; kemudian elektron akan mulai membentuk pasangan pada setiap orbital tadi.

3. Azas Larangan Pauli

Tidak ada dua elektron yang memiliki keempat bilangan kuantum sama dalam orbital yang sama.  Artinya, apabila dua elektron memiliki nilai n, l, dan ml yang sama ( berada dalam orbital yang sama), maka nilai ms kedua elektron harus berbeda.

Berikut diberikan beberapa contoh penulisan konfigurasi elektron atom maupun ion:

8O : 1s2 2s2 2p4

8O2- : 1s2 2s2 2p6

15P : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

15P3- : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

26Fe : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

26Fe2+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d6

28Ni : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8

28Ni3+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d7

37Rb : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1

37Rb+ : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s0

(PS: elektron yang dilepaskan terlebih dahulu adalah elektron pada kulit terluar, bukan subkulit terluar)

Penyimpangan pengisian konfigurasi elektron terjadi pada golongan VI B dan I B. Konfigurasi valensi ns2 (n-1)d4 diubah menjadi ns1 (n-1)d5 (konfigurasi subkulit d setengah penuh). Sementara konfigurasi valensi ns2 (n-1)d9 diubah menjadi ns1 (n-1)d10 (konfigurasi subkulit d penuh).

Berdasarkan konfigurasi elektron, unsur-unsur dapat dikelompokkan menjadi empat blok, yaitu:

  1. Blok s : unsur dengan elektron terakhir pada subkulit s
  2. Blok p : unsur dengan elektron terakhir pada subkulit p
  3. Blok d : unsur dengan elektron terakhir pada subkulit d
  4. Blok f : unsur dengan elektron terakhir pada subkulit f

Konfigurasi elektron dapat digunakan untuk menentukan letak suatu unsur dalam tabel periodik. Periode suatu unsur ditentukan oleh bilangan kuantum terbesar yang ditempati oleh elektron pada unsur  tersebut, sedangkan golongan ditentukan oleh jumlah elektron valensi unsur tersebut. Berikut diberikan rangkuman tabel mengenai golongan unsur dalam tabel periodik:

Golongan Utama (A)

Golongan Transisi (B)

IA

ns1

IIIB

ns2 (n-1)d1

IIA

ns2 (kecuali He)

IVB

ns2 (n-1)d2

IIIA

ns2 np1

VB

ns2 (n-1)d3

IVA

ns2 np2

VIB

ns1 (n-1)d5

VA

ns2 np3

VIIB

ns2 (n-1)d5

VIA

ns2 np4

VIIIB

ns2 (n-1)d6,7,8

VIIA

ns2 np5

IB

ns1 (n-1)d10

VIIIA

ns2 np6

IIB

ns2 (n-1)d10

Berikut beberapa contoh penentuan golongan dan periode unsur  dalam tabel periodik:

20Ca : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

Kulit valensi : 4s2

Periode 4/ Golongan IIA

30Zn : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

Kulit valensi : 4s2 3d10

Periode 4/ Golongan IIB

24Cr : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5

Kulit valensi : 4s1 3d5

Periode 4/ Golongan VIB

36Kr : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6

Kulit valensi : 4s2 4p6

Periode 4/ golongan VIIIA

Referensi:

Andy. 2009. Pre-College Chemistry.

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.

Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia:Pakar Raya.

About these ads

Tag: , , , , , , , , , , ,

Berikan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s


Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

Bergabunglah dengan 41 pengikut lainnya.

%d blogger menyukai ini: