STRUKTUR ATOM

Struktur Atom

Menurut Bohr, mekanika kuantum

STRUKTUR ATOM

Atom tersusun atas proton dan neutron pada inti serta elektron yang tersebar pada kulit. Sekitar 400 SM para filsuf di Yunani telah memikirkan tentang atom. Konsep pemikiran tentang atom diawali oleh Leucippus yang kemudian dilanjutkan oleh musridnya bernama Democritus. Menurut Democritus, ada 5 konsep utama mengenai atom yaitu:

Semua materi tersusun atas atom yang sangat kecil dan tidak dapat dilihat serta tidak dapat dibagi menjadi bagian yang lebih kecil lagi.
Atom berwujud padat
Atom bersifat homogen dan tidak memiliki struktur lebih lanjut pada bagian dalamnya.
Atom dapat berbeda dari segi ukuran, bentuk dan massanya.

(Dr.Roto, 2011)

Pemikiran tersebut sempat diterima lama meskipun pada saat belum ada pembuktian secara ilmiah. Keingintahuan manusia tentang atom semakin bertambah hingga akhirnya tahun 1803, John Dalton berhasil membuktikan pemikiran tersebut secara ilmiah (Dr.Roto, 2011). Sekarang istilah atom telah menjadi semakin kompleks karena disertai dengan penjelasan ilmiah terhadap kekurangan-kekurangan teori atom sebelumnya. Hingga saat ini, kita menggunakan teori atom Niels Bohr dan Mekanika Kuantum untuk menjelaskan struktur dari atom.
Bagian berikut akan menjelaskan teori-teori atom, mulai dari teori atom Dalton sampai dengan teori atom Mekanika Kuantum.

1. Teori Atom Dalton

Dalton mengawali teorinya mengenai atom berdasarkan hukum-hukum dasar kimia yaitu hukum kekekalan massa, hukum perbandingan tetap dan hukum kelipatan perbandingan yang merupakan kesimpulan Dalton terhadap dua hukum sebelumnya. Dalam hukum perbandingan tetap disebutkan: If elements A and B react to form two compounds, the different masses of B that combine with a fixed mass of A can be expressed as a ratio of small whole numbers. (Dr.Roto, 2011)

Dalton kemudian membuat teorinya tentang atom sebagai berikut:

1) All matter is composed of tiny particles called atoms.

2) All atoms of a given element have identical chemical properties that are characteristic of that element.

3) Atoms form chemical compounds by combining in whole-number ratios.

4) Atoms can change how they are combined, but they are neither created nor destroyed in chemical reactions.

(Dr.Roto, 2011)

Model atom Dalton:

Teori Dalton memiliki kelemahan ketika orang-orang bertanya mengapa ada larutan yang dapat menghantarkan listrik. Pertanyaan ini tidak dapat dijawab oleh Dalton. Namun penelitian Dalton mengenai atom membangkitkan semangat orang-orang dimasanya untuk meneliti atom lebih lanjut.

2. Teori Atom Thompson

Tahun 1897 JJ.Thompson mengadakan percobaan mengenai struktur atom dan kemungkinan partikel lain yang terdapat dalam suatu atom. Melalui percobaan yang dikenal dengan percobaan tabung sinar katoda, Thompson berhasil membuktikan keberadaan partikel bermuatan negatif dalam atom (penemuan elektron). Partikel ini kemudian dikenal dengan istilah elektron dan elektron ini yang menyebabkan terjadinya hantaran listrik pada larutan yang bersifat elektrolit.

Skema percobaan tabung sinar katoda:

Passing an electric current makes a beam appear to move from the negative to the positive end. By adding an electric field. He found that the moving pieces were negative. He assumed that the basic body of an atom is a spherical object containing N electrons confined in homogeneous jellylike but relatively massive positive charge distribution whose total charge cancels that of the N electrons. The schematic drawing of this model is shown in the following figure. Thomson’s model is sometimes dubbed a plum pudding model.

Permasalahan susunan ion positif dan ion negatif pada model atom Thompson tidak dipaparkan secara jelas sehingga ini menjadi kelemahan bagi teori atom Thompson.

Tahun 1866, Eugen Goldstein memodifikasi tabung sinar katoda dengan membuat plat berlubang (kanal) di tengah tabung vakum. Saat diberikan potensial tinggi, Goldstein mengamati adanya sinar yang bergerak berlawanan arah dengan sinar katoda melalui plat berlubang tadi yang berarti bermuatan positif (penemuan proton). Goldstein menyebut sinar positif itu dengan istilah Kanalstrahlen” karena terlihat seperti melewati lubang-lubang pada kanal tersebut. (Atomic Theory slide no:5)

3. Teori Atom Rutherford

Tahun 1912 Rutherford menggagas suatu model atom yang disebut sebagai “planetary model” berdasarkan peristiwa penghamburan sinar α (alfa) dari percobaan Geiger dan Marsden. (Zumhdal, page: 58)

Gambar Interpretasi Pembelokan Sinar alfa yang Teramati

Rutherford menemukan bahwa banyak tejadi pembelokan sinar alfa dengan sudut yang besar dan sedikit intensitas sinar dipantulkan kembali menuju sumber sinar. Hasil percobaan ini mengarahkan Rutherford pada kesimpulan bahwa massa atom terpusat pada inti bermuatan positif dan elektron berputar mengelilingi inti pada suatu orbit (penemuan inti atom). (Zumhdal, page: 68)

Sejak ditemukannya pusat massa atom pada inti atom oleh Rutherford, tahun 1932 James Chadwick menemukan neutron melalui percobaan penembakan inti Berilium dengan sinar alfa.

PA.Cox, page: 60

Zumdahl, page: 25

Dengan segera permasalahan muncul saat observasi dilakukan terhadap model yang telah dikemukakan Rutherford. Perhatian serius terletak pada gerak elektron (partikel bermuatan) mengelilingi inti disertai dengan pemancaran energi elektromagnet. Hal ini berakibat elektron dapat dengan cepat kehilangan energinya dan gerak elektron menjadi tidak elips lagi melainkan berubah menjadi gerak spiral menuju inti sehingga terjadi peristiwa kolaps. Permasalahan lain muncul pada spektrum garis yang ditimbulkan oleh atom (dalam hal ini adalah atom hidrogen). Ekspektasi mengenai spektrum garis dari atom hidrogen kemudian dijelaskan oleh Niels Bohr. (PA.Cox page 61)

4. Teori Atom Bohr

Teori atom Rutherford menghadirkan model atom menyerupai sistem tata surya atau disebut dengan “planetary model” klasik karena elektron dianggap bergerak statis di orbitnya. Bohr menyempurnakan model Rutherford melalui analisis spektrum atom hidrogen.

Spektrum hidrogen yang berbentuk garis (berbeda dengan spektrum cahaya yang bersifat kontiniu) membuktikan bahwa pada masing-masing orbit tersebut terdapat tingkat energi tertentu yang menjadikan elektron bergerak stabil namun tidak menutup kemungkinan elektron dapat mengalami eksitasi maupun deeksitasi dengan penyerapan dan pemancaran energi sebesar E.

Excitation by absorption of light and de-excitation by emission of light

Gambar Tingkatan Energi dan Model Atom Bohr

Keterangan:

n Lintasan yang diizinkan untuk elektron dinomori n = 1, n = 2, n =3 dst. Bilangan ini dinamakan bilangan kuantum, huruf K, L, M, N juga digunakan untuk menamakan lintasan

n Panjang gelombang yang diserap dan dipancarkan selama radiasi adalah sebesar:

n Jari-jari orbit diungkapkan dengan 12 a0, 22 a0, 32 a0, 42 a0, …n2 a0. Untuk orbit tertentu dengan jari-jari minimum a0 = 0,53 Å

n Jika elektron tertarik ke inti dan dimiliki oleh orbit n, energi dipancarkan dan energi elektron menjadi lebih rendah sebesar :

(Unsri.ac.id slide no: 18)

Keberhasilan teori Bohr terletak pada kemampuannya untuk meeramalkan garis-garis dalam spektrum atom hydrogen. Salah satu penemuan lain adalah sekumpulan garis-garis halus, terutama jika atom-atom yang dieksitasikan diletakkan pada medan magnet. Struktur garis halus ini pernah dijelaskan Bohr tetapi ia tidak pernah berhasil memerikan spektrum selain atom hydrogen. Berikut adalah gagasan Bohr dalam menggabungkan teori atom klasik dan kuantum:

Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diizinkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen

Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke yang lainnya dengan melibatkan sejumlah energi menurut Planck, disebut kuantum.
Lintasan stasioner yang diizinkan mencerminkan sifat-sifat elektron yang mempunyai besaran yang khas.

(Unsri.ac.id, slide no: 16)

5. Teori Atom Mekanika Kuantum
Dualisme Partikel Gelombang

= panjang gelombang (m) m = massa (Kg) v = kecepatan (ms-)

h = tetapan Planck p = momentum (Kgms-)

(6,626×10-34 Js)

Tahun 1924 Louise de Broglie menyatakan Tidak hanya cahaya yang memperlihatkan sifat-sifat partikel, tetapi partikel-partikel kecil pun pada saat tertentu dapat memperlihatkan sifat-sifat gelombang. Usulan ini dibuktikan tahun 1927 dimana gelombang materi (partikel) dijelaskan secara matematik. Panjang gelombang de Broglie dikaitkan dengan partikel yang berhubungan dengan momentum partikel dan konstanta Planck.

Prinsip Ketidakpastian

Hukum Fisika klasik dianggap berlaku universal dan dapat menjelaskan kejadian yang akan datang berdasarkan keadaan awal. Tahun 1920 Niels Bohr dan Werner Heisenberg berusaha menentukan sifat-sifat sub-atomik. Dua peubah yang ditentukan dalam menentukan sifat ini adalah kedudukan partikel (x) dan momentumnya (p). Kesimpulan dari pemikiran ini ialah bahwa dalam penentuan sub-atomik selalu terdapat ketidakpastian

Persamaan Schrodinger

Salah satu implikasi struktur atom menurut prinsip ketidakpastian, tidak mungkin mengukur sekaligus kedudukan dan momen dari suatu electron. Implikasi lain diungkapkan oleh Schrodinger bahwa elektron dapat diperlakukan sebagai gelombang materi, gerakannya dapat disamakan dengan gerakan gelombang. Gerakan gelombang yang berkenaan dengan elektron haruslah terkait dengan pola terijinkan. Pola ini dapat dihitung dengan persamaan matematis yang jawabannya dikenal dengan Persamaan Schrodinger (y) atau fungsi gelombang. Persamaan Schrodinger (y) mengandung tiga bilangan kuantum yang jika ditentukan akan diperoleh hasil berupa orbital. y2 menggambarkan rapatan muatan elektron atau peluang menemukan elektron pada suatu titik dalam atom. Sejauh ini baru bisa dibuat persamaan Schrodinger untuk sebuah elektron dalam atom hidrogen.

Nilai y tergantung pada sumbu x, y dan z yang kemudian diubah menjadi koordinat polar bulat yaitu r, θ dan ϕ. Karena persamaan ini menyangkut permasalahan ruang dimensi tiga, maka muncul 3 bilangan khusus yang disebut bilangan kuantum, yaitu:

l (bilangan kuantum momen sudut) kadang juga disebut sebagai bilangan kuantum azimut. Persamaan fungsi gelombang yang lebih umum menjadi:

besarnya energi setiap elektron tergantung pada bilangan kuantum n yaitu;

me = mass of electron = 9,109×10-31Kg n= principal quantum number= 1,2,…etc

= vacuum permittivity = 8,854×10-12JC2m-1 ħ= h/2π = 1,055×10-34 Js

(PA.Cox, page: 63)

Orbital Atom

Istilah orbital mirip dengan orbit pada teori atom Bohr, namun karena gerakan elektron yang seperti gerakan gelombang maka peluang ditemukannya elektron menjadi tidak sama di setiap lintasan. Orbital pada l=1 disebut orbital s (sharp), l=2 disebut orbital p (principal) dan demikian juga untuk d (diffuse) dan f (fundamental). Notasi s, p, d, dan f dibuat berdasarkan pengamatan garis-garis spektroskopi yang berbeda-beda.

Bentuk orbital atom dapat diinterpretasikan dengan 2 cara:

Diagram polar yang langsung menunjukkan ψ sebagai fungsi sudut. (angular function)
Alternatif lain dapat menggunakan “boundary surface” yang menunjukkan daerah kemungkinan terbesar ditemukannya elektron. (orbital image)

(PA.Cox, page:64)

Contoh untuk orbital 1s

Contoh untuk orbital 2s

Contoh untuk orbital atom 2p

Karena orientasi pada sumbu x, y & z, maka kemungkinan orbital p ada 3 yaitu px, py, dan pz

Konfigurasi Elektron

Berdasarkan teori mekanika kuantum maka posisi elektron menjadi lebih spesifik karena melalui konfigurasi elektron ini kita dapat meramalkan posisi elektron dalam atom termasuk tingkat energi (n), bentuk orbital (l), letak elektron dalam orbital (m), dan tambahannya adalah arah putaran elektron tersebut dalam orbital (s).

Berikut tabel kemungkinan pengisian elektron dalam atom:

Ada tiga aturan dalam penentuan konfigurasi elektron:

Elektron menempati orbital sedemikian rupa untuk meminimumkan energi atom tersebut (Aufbau)

Tak ada dua elektron dalam sebuah atom yang boleh memiliki keempat bilangan kuantum yang sama (prinsip eksklusi Pauli)
Prinsip penggandaan maksimum, jika terdapat orbital –orbital dengan energi yang sama, elektron menempatinya sendiri-sendiri sebelum menempatinya secara berpasangan (Hund)

Contoh: Konfigurasi elektron atom Cr nomor 24 adalah …

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4
1s 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 4 p4
1s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s1 3 d5
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3 d6
1s2 2 s2 2p6 3s2 3p6 4d6

Nomor atom 24 menandakan jumlah elektron yang terkandung dalam atom adalah sebanyak 24. Jumlah ini kita konfigurasi pada masing-masing sub kulit sesuai urutan pengisian sub kulit. Jawabannya adalah C.

Kesimpulan:

Teori mekanika kuantum adalah teori atom terkini yang menjelaskan perilaku atom sebagai partikel sekaligus sebagai gelombang.
Atom tersusun atas kulit (berisi elektron) dan inti (berisi proton dan neutron) yang merupakan pusat massa atom.