Partikel Penyusun Atom dan Bilangan Kuantum

Partikel Penyusun Atom

Partikel penyusun atom merupakan unit dasar dan bahan bangunan dari sebuah unsur. Atom akan  memulai reaksi dan proses kehidupan terpenting.

Partikel penyusun atom terdiri dari:

1.      Elektron

Elektron ditemukan oleh J.J Thomson pada tahun 1897. Suatu elektron merupakan partikel subatomic yang ringan dan terikat pada inti dengan gaya tarik menarik diantara elektron negatif dan proton yang bermuatan positif.  Besar muatan atom dalam elektron ditemukan oleh Robert Andrew Milikan pada tahun 1908 melalui proses percobaan dengan tetes minyak milikan.

2.      Neutron

Neutron ditemukan oleh James Chadwick. Neutron tidak mempunyai muatan. Chadwick telah menemukan bahwa neutron terletak pada inti. Neutron terdiri dari partikel fundamental yang disebut sebagai quark. Hasil eksperimen Ruttherford pada penelitian penembakan lempengan emas menyatakan bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif. Hal inilah yang menyebabkan atom bersifat netral.

3.      Proton

Proton ditemukan oleh Eugene Goldstein pada tahun 1886 dengan melakukan percobaan tabung crookes yang telah dimodifikasi. Jumlah proton yang berada dalam inti atom disebut nomor atom unsur. Massa neutron dan  proton hampir sama tetapi proton 1.836 kali lebih berat jika dibandingkan dengan elektron. Muatan positif diantara proton akan menyebabkan saling tolak.

4.      Inti Atom

Ketika elektron dan proton telah ditemukan, Ernest Ruttherford melakukan penelitian penembakan lempeng tipis emas. Apabila atom hanya terdiri dari dua partikel bermuatan negatif dan positif, seharusnya sinar alfa yang ditembakan akan menembus lempengan tersebut. Namun saat percobaan dilakukan, sinar alfa tersebut tidak menembus lempengan sehingga muncul istilah inti atom. 

Bilangan Kuantum

Bilangan kuantum adalah suatu harga yang menyatakan keadaan orbital suatu atom. Bilangan kuantum terdiri dari :

1.      Bilangan Kuantum Utama (n)

Yang menyatakan tingkat energi atau kulit atom.

2.      Bilangan Kuantum Azimuth (l)

Menyatakan sub kulit atom dan bentuk geometri orbital.

3.      Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Yaitu menyatakan banyak dan posisi/orientasi orbital.

4.      Bilangan Kuantum Spin (s)

Menyatakan kedudukan elektron dalam suatu orbital.

A.     Bilangan Kuantum Utama

Bilangan kuantum utama/prinsipal (n) adalah suatu harga yang menyatakan tingkat energi atau kulit dalam atom. Bilangan kuantum utama merupakan dasar penentu harga bilangan kuantum lainnya.

B.     Bilangan Kuantum Azimuth

Bilangan kuantum azimuth/orbital (l) adalah suatu harga yang menyatakan sub-kulit atom dan bentuk geometri orbital.

Harga l yag diizinkan di setiap kulitnya adalah:

0<l<(n-1)

Sub Kulit	Nama	Harga	Bentuk Orbital
s	sharp	0	1 balon
p	principal	1	1balon terpilin
d	diffuse	2	2 balon terpilin
f	fundamental	3	4 balon terpilin

 Kulit-kulit atom dalam keadaan penuh terisi elektron beserta harga bilangan kuantum azimuth

Kulit	K	L
Harga	0	0,1
Sub-kulit	1s	2s 2p
Elektron Maks	2	8
Kulit	M	N
Harga	0,1,2	0,1,2,3
Sub-kulit	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f
Elektron Maks	18	32

C.     Bilangan Kuantum Maknetik

Bilangan kuantum magnetik (m) adalah suatu harga yang menyatakan banyak dan posisi/orientasi orbital.

Harga m yang diizinkan di setiap sub kulitnya adalah

-l < m < +1

Posisi/orientasi atau orbital adalah tempat dimana elektron bergerak didalam atom dan masing-masing orbital maksimal menampung sepasang elektron.

Sub kulit adalah keadaan terisi penuh elektron beserta harga bilangan kuantum magnetik

D.     Bilangan Kuantum Spin

Bilangan kuantum spin (s) adalah suatu harga yang menyatakan kedudukan dan arah rotasi elektron pada suatu orbital.

Bilangan kuantum spin tidak digunakan dalam menentukan keadaan orbital, namun hanya digunakan untuk menentukan perbedaan elektron pada orbital.

Karena terdapat dua elektron dalam satu orbital sedangkan keduanya memiliki kutub, maka nilai elektron yang berpasangan dalam orbital tersebut harus berbeda nilai

Harga bilangan kuantum spin terdiri dari:

(gambar)

  

E.      Bentuk Orbital

Bentuk orbital bergantung pada harga bilangan kuantum azimuth (l) dan setiap l memiliki bentuk orbital berbeda.

1.      Orbital S

Orbital s berbentuk satu buah balon atau satu buah bola.

2.      Orbital P

Orbital p berbentuk satu buah balon yang dipilin atau 2 buah bola

3.      Orbital D

Orbital d berbentuk dua buah balon yang dipilin atau 4 buah bola

4.      Orbital F

Orbital f berbentuk empat buah balon yang dipilin atau 8 buah bola

F.      Diagram Orbital

Diagram orbital menggambarkan urutan konfigurasi elektron dalam setiap kulit atom.

Konfigurasi yang ditulis menggunakan bilangan kuantum harus memenuhi kaidah berikut:

1.      Azas Aufau

Azas aufbau berbunyi “pengisian elektron pada sub-kulit diisi dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih besar.

Aturan pengisian sub-kulit:

Contoh soal:

₈O : 1s² 2s² 2p⁴

₁₉K : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

₂₆Fe : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸

2.      Aturan Hund

Aturan Hund berbunyi “pengisian elektron pada orbital yang satu sub-kulit, mula-mula elektron mengisi satu di tiap orbital baru kemudian berpasangan.

Contoh Soal: 

Penyimpangan pengisian sub-kulit terjadi pada sub-kulit d karena mengiginkan kestabilan.  Sub-kulit d stabil apabila terisi 5 atau 10 elektron. Sehingga apabila terdapat 4 atau 9 elektron pada sub-kulit d,maka sub-kulit d akan meminjam elektron dari sub-kulit s.

Contoh:

4s² 3d⁴ menjadi 4s¹ 3d⁵

Sub-kulit d juga mengalami penyimpangan pada unsur-unsur lantanida dan aktinida. Dimana sebelum mengisi sub-kulit f, terdapat satu elektron yang mengisi sub-kulit d terlebih dahulu.

Contoh:

6s² 4f⁸ menjadi 6s² 5d¹ 4f⁷

3.      Larangan Pauli

Larangan pauli berbunyi “tidak ada elektron dengan keempat bilangan kuantum yang sama dalam satu atom”.

Elektron ke	n	l	m	s
1	1	0	0	+1/2
2	1	0	0	-1/2
3	2	0	0	+1/2
4	2	0	0	-1/2
5	2	1	-1	+1/2
6	2	1	0	+1/2

Penulisan konfigurasi elektron dapat dipersingkat dengan menggunakan notasi gas mulia.

Contoh :

Unsur halogen dapat dipersingkat konfigurasi elektronnya dengan :

₉F : [He] 2s² 2p⁵

₁₇Cl:[Ne] 3s² 3p⁵

₃₅Br: [Ar] 4s² 4p⁵

₅₃I: [Kr] 5s² 5p⁵

₈₅At: [Xe] 6s² 6p⁵

 Daftar Pustaka:

https://www.academia.edu/28441912/Partikel_Penyusun_Atom

https://materi78.files.wordpress.com/2014/04/kuant_kim1_4.pdf

Pengertian Atom Menurut Para Ahli

Atom

Atom adalah satuan unit terkecil dari sebuah unsur yang memiliki sifat-sifat dasar tertentu. Setiap atom terdiri dari sebuah inti kecil yang terdiri dari proton dan neutron dan sejumlah elektron pada jarak yang jauh. Mempelajari tentang atom sangatlah penting karena atom merupakan penyusun materi yang ada di alam semesta.

Nama  atom berasal dari bahasa Yunani yaitu “atomos”. “A” yang berarti tidak dan “tomos” yang berarti tidak dapat di potong.  Kata tersebut pertama kali diperkenalkan oleh Democritus.  Konsep atom yang merupakan penyusun materi yang tidak dapat dibagi lagi pertama kali diperkenalkan oleh ahli filsafat Yunani dan India.

Teori Atom

Banyak dari para ahli yang mengemukakan teori tentang atom. Diantaranya adalah Democritus, Dalton, J.J Thomson, Ruttherford, Niels Bohr hingga teori Atom Mekanika Kuantum. Dalam pembahasan kali ini akan dijelaskan beberapa teori yang telah dikemukakan oleh para tokoh tersebut.

1.   1 . Teori Democritus

Diawali dari seorang Filsuf  Yunani  yang bernama Leucippus(400M). Mereka mengemukakan teori atomisme. Teori atom ini menyebutkan  bahwa semua benda terdiri dari bagian-bagian terkecil yang tidak bisa dibagi lagi yang disebut atom. Menurut teori atomisme, jika kita mengambil sebuah benda dan memotongnya menjadi dua bagian terus menerus maka akan menemukan bagian yang tidak bisa dipotong lagi yang disebut dengan atom. Teori atomisme ini kemudian dijelaskan lebih rinci oleh muridnya yang bernama Democritus.

2.   2.  Teori Dalton (1803)

Pada tahun 1803, John Dalton yang merupakan seorang guru dan ahli kimia Inggris melakukan penelitian terhadap atom. Hasil penelitiannya tersebut menyempurnakan teori atom Democritus. Democritus dan Dalton sama-sama beranggapan bahwa atom berbentuk bola pejal. Dalton menyatakan bahwa atom merupakan suatu zat yang tidak dapat dibagi-bagi lagi.

Berdasarkan penelitiannya, Dalton mengemukakan teorinya yaitu:

a.       Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur dan tidak dapat dibagi lagi.

b.      Atom-atom sejenis mempunyai sifat sama sedangkan atom tidak sejenis mempunyai sifat berbeda.

c.       Dalam reaksi kimia, terjadi penggabungan atau pemisahan atom. Selanjutnya atom-atom itu ditata ulang sehingga membentuk komposisi tertentu.

d.      Atom suatu unsur dapat bergabung dengan atom unsur lain sehingga membentuk suatu senyawa dengan angka perbandingan bulat dan sederhana.

Dari  teori yang telah dikemukakan oleh Dalton, Dalton mengemukakan bahwa atom berbentuk suatu bulatan kecil yang tidak dapat dibagi lagi. Bentuk atom yang digambarkan oleh Dalton adalah bentuk bola kecil yang menjadi inti atom.

Berdasarkan penelitian dan perkembangan masa, teori yang dikemukakan oleh Dalton memiliki beberapa kelemahan yaitu sebagai berikut:

a.       Dalton menerangkan atom tidak bisa dibagi lagi. Namun setelah berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi diketahui bahwa atom bukanlah sesuatu yang tak terbagi melainkan terdiri dari berbagai partikel sub atom yaitu elektron, proton dan neutron.

b.      Dalton menyatakan bahwa atom suatu unsur sama dalam segala hal. Namun setelah adanya isotop, ternyata ada atom suatu unsur yang sama sifatnya tetapi massanya berbeda.

c.       Dalton menyatakan atom tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan.Namun melalui reaksi nuklir, atom dari suatu unsur dapat diubah menjadi atom unsur lain.

d.      Pernyataan Dalton terkait perbandingan senyawa mempunyai bilangan bulat dan sederhana. Tetapi seiring perkembangannya, diketahui terdapat perbandingan bilangan yang tidak bulat dan tidak sederhana seperti C₁₈H₃₅O₂Na

3.Teori J.J Thomson

  

Pada tahun 1886 Eugene Goldstein melakukan percobaan dari tabung gas yang memiliki katode yang diberi lubang-lubang dan muatan listrik. Percobaan tersebut membuktikan bahwa pada saat terbentuknya elektron yang menuju anode, terbentuk pula sinar positif yang menuju arah berlawanan melewati lubang pada katode.

                                            (gambar percobaan Eugene Goldstein(1886)))

Dari percobaan Goldstein tersebut timbul pertanyaan darimana asal dan bagaimana cara terbentuknya sinar positif. Thomson menduga sinar itu berasal dari atom gas dalam tabung. P ercobaan telah menunjukkan bahwa setiap atom mengandung elektron. Thomson pun melanjutkan penelitian terhadap sinar katoda tersebut dan mengemukakan teori yang disebut teori atom Thomson yang berbunyi “atom merupakan sebuah bola kecil bermuatan positif dan di permukaannya tersebar elektron yang bermuatan negatif”. 

4. Teori  Ruttherford

Teori atom Ruttherford menyatakan bahwa atom mempunyai inti yang merupakan pusat massa yang kemudian dinamakan nukleus dengan dikelilingi awan elektron yang bermuatan negatif. Teori atom Ruttherford didasarkan pada percobaan penembakan inti atom pada lempengan emas dengan partikel alfa yang dikenal dengan percobaan Geiger-Marsden.  Rutterford menyusun desain rancangan percobaan penembakan atom emas oleh partikel alfa yang dipancarkan oleh unsur radioaktif. Ternyata, dari percobaan tersebut diketahui bahwa sinar radioaktif yang dipancarkan tersebut ada yang dipantulkan, dibelokkan dan diteruskan.

(gambar percobaan penembakan inti atom)

Dari gambar diatas, Ruttherford menjelaskan bahwa jika partikel alfa mengenai inti atom, maka akan terjadi tumbukan dan mengakibatkan pembelokkan atau pemantulan partikel alfa. Sedangkan partikel alfa yang tidak mengenai inti atom akan diteruskan dan partikel yang mengenai ujung inti atom akan dibelokkan.

5. Teori Niels Bohr

Niels Bohr melakukan percobaan menggunakan spektrum hidrogen untuk memperbaiki teori atom Ruttherford. Karena model atom Bohr merupakan pengembangan dan modifikasi dari model atom Ruttherford, banyak ahli kimia menyebutnya dengan sebutan teori atom Ruttherford-Bohr. Hasil dari percobaan yang dilakukan oleh Bohr adalah elektron-elektron mengelilingi inti atom yang terdiri dari proton dan neutron pada lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Model atom Bohr berbentuk seperti tata surya dengan elektron yang berada di lintasan peredaran(orbit) mengelilingi inti bermuatan positif yang ukurannya sangat kecil.

Bunyi postulat dari teori atom Niels Bohr adalah sebagai berikut:

a.       Elektron mengitari inti atom dalam orbit-orbit tertentu yang berbentuk lingkaran. Orbit-orbit ini sering disebut sebagai kulit-kulit elektron yang dinotasikan dengan huruf K,L,M, dst.

b.      Elektron dalam tiap orbit memiliki energi tertentu yang semakin tinggi jika lingkaran orbit semakin besar atau semakin besarnya harga n.

c.       Selama dalam orbit elektron tidak memancarkan energi dan dikatakan dalam keadaan stasioner.

d.      Elektron dapat berpindah dari satu orbit satu ke orbit yang lainnya.

e.      Atom dalam molekul dikatakan dalam keadaan tingkat dasar (ground state) apabila elektron-elektronnya menepati orbit-orbit yang memberikan energi total rendah. Dan apabila elektron menepati orbit yang memberikan energi lebih tinggi dikatakan atom dalam tingkat tereksitasi(excited state).

Walaupun teori yang dikemukan oleh Bohr bisa menjelaskan banyak hal tentang atom, akan tetapi teori tersebut juga memiliki kelemahan yaitu:

a.       Melanggar asas ketidakpastiaan Heinsenberg karena elektron memiliki jari-jari dan lintasan yang telah diketahui.

b.      Model atom Bohr memiliki nilai momentum sudut lintasan ground state yang salah.

c.       Lemahnya penjelasan mengenai prediksi spektra atom yang lebih besar.

d.      Tidak dapat memprediksi intensitasi relatif garis spektra.

e.      Model atom Bohr tidak dapat menjelaskan struktur garis spektra yang baik.

f.        Tidak dapat menjelaskan efek Zeeman.

1.       Teori Mekanika Kuantum (Modern)

a.       Louis De Broglie

Pada tahun 1924, de Broglie menyatakan bahwa partikel kecil mempunyai sifat berbeda dari benda besar. Ia bertolak dari hukum Einstein dan Plack masing-masing tentang energi dan cahaya. Menurut de Broglie cahaya dapat berperilaku sebagai materi dan berperilaku sebagai gelombang (dikenal dengan istilah dualisme gelombang partikel).

b.      Werner Heinstberg

Menurut Heinsberg, tidak mungkin menentukan kecepatan dan posisi elektron secara bersamaan. Tetapi yang dapat ditentukan adalah kemungkinan menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom.

Erwin Schrodinger mengajukan teori yang disebut teori atom mekanika kuantum yang berbunyi “kedudukan elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti. Yang dapat ditentukan adalah kemungkinan menemukan elektron sebagai fungsi jarak dari inti atom”. Daerah dengan kemungkinan terbesar ditemukannya elektron disebut orbital. Orbital digambarkan berupa awan yang tebal tipisnya menyatakan besar kecilnya kemungkinan ditemukannya elektron di daerah tersebut.

Teori Schrodinger dan prinsip ketidakpastian Heinsberg melahirkan model atom mekanika kuantum sebagai berikut:

1.       Posisi elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti.

2.       Atom mempunyai kulit elektron.

3.       Setiap kulit elektron memiliki sub-kulit elektron.

4.       Setiap subkulit elektron memiliki sub-sub kulit elektron.

Berdasarkan pendapat dari para ahli yang ada dapat dibuat kesimpulan mengenai model atom mekanika kuantum.Yaitu model atom mekanika kuantum didasarkan pada beberapa pendapat yaitu:

1.       Elektron bersifat gelombang dan partikel. Hal ini disampainkan oleh Louis de Broglie (1923)

2.       Persamaan gelombang elektron dalam atom oleh Erwin Schrodinger (1926)

3.       Asas ketidakpastian oleh Werner Heinsenberg (1927)

Menurut teori atom mekanika kuantum, elektron tidak bergerak pada lintasan tertentu. Berdasarkan hal tersebut, maka model atom mekanika kuantum adalah sebagai berikut:

a.       Elektron terdiri dari inti atom yang mengandung proton dan neutron. Dan elektron-elektron yang mengelilingi inti atom berada pada orbital-orbital tertentu yang membentuk orbital tertentu yang disebut dengan konsep orbital.

b.      Dengan memadukan asas ketidakpastian milik Werner Heinsberg dan mekanika gelombang dari Louis de Broglie, Erwin Schroninger merumuskan konsep orbital sebagai suatu ruang tempat peluang elektron dapat ditentukan.

c.       Kedudukan elektron pada orbital-orbitalnya dinyatakan dengan bilangan kuantum

Dari teori atom mekanika kuantum yang diajukan oleh Erwin Schrodinger, teori tersebut berhasil menyempurnakan beberapa kelemahan yang ada dalam teori atom Niels Bohr sekaligus membuka pemahaman baru mengenai struktur atom dan pergerakan elektron di dalam atom.

Kelebihan dari teori atom mekanika kuantum adalah teori tersebut dapat menjelaskan posisi kemungkinan ditemukannya elektron, menjelaskan posisi elektron saat mengorbit, dapat mengukur perpindahan energi eksitisi dan emisinya dan mengindentifikasi proton dan neutron pada inti sedangkan elektron pada orbitalnya.

Walaupun memiliki kelebihan, teori atom mekanika kuantum juga memiliki kelemahan yaitu rumusan persamaan gelombang hanya dapat diterapkan secara eksak untuk partikel dalam kotak dan atom dalam elektron tunggal. Serta model atom mekanika kuantum sulit diterapkan untuk sistem makroskopis (skala lebih besar) dengan kumpulan atom misalnya pada tumbuhan, hewan dan manusia.

DAFTAR PUSTAKA

http://www.nafiun.com/2013/03/sejarah-percobaan-penemuan-proton-elektron-neutron-dan-inti-atom.html

https://hedisasrawan.blogspot.com/2012/08/perkembangan-teori-atom-artikel.html

https://www.studiobelajar.com/teori-atom/

https://enjiner.com/struktur-atom/

https://rahmiikurniasari.blogspot.com/2013/01/macam-macam-model-atom_29.html

https://www.ilmukimia.org/2013/08/teori-atom-rutherford.html

https://www.ilmukimia.org/2013/01/teori-atom-bohr.html

https://blogmipa-kimia.blogspot.com/2018/05/model-atom-mekanika-kuantum-modern.html