Kimia / Kelas X / Struktur Atom
Atom adalah unit terkecil yang membangun sebuah benda. Atom itu sendiri masih bisa dibagi menjadi partikel-partikel yang lebih kecil lagi terdiri dari:
Elektron
Elektron ditemukan pada tahun 1979 oleh Sir William Crookes melalui percobaan sinar katode. Di percobaan ini ia menghubungkan tabung dengan sumber arus bertegangan tinggi. Pada saat sumber arus dinyalakan, berkas sinar memancar dari katode menuju anode sehingga sinar ini dinamakan sinar katode. Saat sinar ini diletakkan dalam medan listrik, sinar ini berbelok menuju kutub positif. Hal ini membuktikan bahwa sinar katode bermuatan negatif.
Proton
Proton ditemukan oleh Eugen Goldstein melalui percobaan tabung Crookes yang dimodifikasi. Tabung Crookes ini diisi dengan gas hidrogen bertekanan rendah dan pada bagian belakang katode dilubangi. Di bagian belakang katode ini ditemukan sebuah sinar terusan dan karena sinar ini bergerak menuju katode maka sinar ini bermuatan positif. Menurut Goldstein, sinar terusan ini adalah ion hidrogen yang terbentuk akibat tumbukan gas hidrogen dengan sinar katode. Atom hidrogen hanya mengandung satu proton, maka disimpulkan bahwa sinar positif ini adalah proton.
Neutron
Neutron ditemukan oleh James Chadwick melalui percobaan dengan sinar alfa pada berilium. Partikel alfa itu sendiri bermuatan positif. Saat partikel ini bertumbukkan dengan berilium terbentuk suatu partikel yang tidak dapat dipengaruhi oleh medan magnet. Oleh karena partikel ini tidak terpengaruh medan magnet, maka dapat disimpulkan bahwa partikel ini tidak bermuatan atau netral.
Elektron
Elektron ditemukan pada tahun 1979 oleh Sir William Crookes melalui percobaan sinar katode. Di percobaan ini ia menghubungkan tabung dengan sumber arus bertegangan tinggi. Pada saat sumber arus dinyalakan, berkas sinar memancar dari katode menuju anode sehingga sinar ini dinamakan sinar katode. Saat sinar ini diletakkan dalam medan listrik, sinar ini berbelok menuju kutub positif. Hal ini membuktikan bahwa sinar katode bermuatan negatif.
Proton
Proton ditemukan oleh Eugen Goldstein melalui percobaan tabung Crookes yang dimodifikasi. Tabung Crookes ini diisi dengan gas hidrogen bertekanan rendah dan pada bagian belakang katode dilubangi. Di bagian belakang katode ini ditemukan sebuah sinar terusan dan karena sinar ini bergerak menuju katode maka sinar ini bermuatan positif. Menurut Goldstein, sinar terusan ini adalah ion hidrogen yang terbentuk akibat tumbukan gas hidrogen dengan sinar katode. Atom hidrogen hanya mengandung satu proton, maka disimpulkan bahwa sinar positif ini adalah proton.
Neutron
Neutron ditemukan oleh James Chadwick melalui percobaan dengan sinar alfa pada berilium. Partikel alfa itu sendiri bermuatan positif. Saat partikel ini bertumbukkan dengan berilium terbentuk suatu partikel yang tidak dapat dipengaruhi oleh medan magnet. Oleh karena partikel ini tidak terpengaruh medan magnet, maka dapat disimpulkan bahwa partikel ini tidak bermuatan atau netral.
Sebuah atom dapat dibedakan satu sama lain melalui nomor atom dan nomor massa. Apa bedanya kedua hal tersebut?
Nomor Atom
Dalam suatu eksperimen, Moseley menyinari anode yang terbuat dari logam dengan sinar katode dan menemukan bahwa panjang gelombang sinar X yang dihasilkan bergantung pada jumlah proton pada logam tersebut. Melalui eksperimen lain, Moseley menemukan bahwa jumlah proton berbanding lurus dengan nomor atom. Oleh karena itu, nomor atom menyatakan jumlah proton dalam atom tersebut dan bersifat khas untuk satu jenis atom. Nomor atom ini dilambangkan dengan Z.
Nomor Massa
Berdasarkan eksperiment dari spektrometri massa ditemukan bahwa satu unsur yang sama bisa memiliki massa yang berbeda. Contohnya: unsur karbon dengan nomor atom 6 bisa memiliki massa 12,13, dan 14. Di dalam atom terdapat proton, elektron, dan neutron. Untuk atom dalam keadaan netral jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga yang membedakan hanyalah neutron. Jadi massa atom itu adalah jumlah protom ditambah neutron. Nomor massa ini dilambangkan dengan A.
Nomor Atom
Dalam suatu eksperimen, Moseley menyinari anode yang terbuat dari logam dengan sinar katode dan menemukan bahwa panjang gelombang sinar X yang dihasilkan bergantung pada jumlah proton pada logam tersebut. Melalui eksperimen lain, Moseley menemukan bahwa jumlah proton berbanding lurus dengan nomor atom. Oleh karena itu, nomor atom menyatakan jumlah proton dalam atom tersebut dan bersifat khas untuk satu jenis atom. Nomor atom ini dilambangkan dengan Z.
Nomor Massa
Berdasarkan eksperiment dari spektrometri massa ditemukan bahwa satu unsur yang sama bisa memiliki massa yang berbeda. Contohnya: unsur karbon dengan nomor atom 6 bisa memiliki massa 12,13, dan 14. Di dalam atom terdapat proton, elektron, dan neutron. Untuk atom dalam keadaan netral jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga yang membedakan hanyalah neutron. Jadi massa atom itu adalah jumlah protom ditambah neutron. Nomor massa ini dilambangkan dengan A.
Atom satu sama lain bisa memiliki persamaan dan perbedaan. Hal ini memunculkan istilah-istilah sebagai berikut:
Isotop
Karbon yang memiliki nomor atom 6 bisa memiliki nomor massa 12, 13, dan 14. Hal ini bergantung pada jumlah neutron yang dimilikinya. Ketiga atom karbon ini dengan nomor atom yang sama tetapi berbeda massa disebut dengan isotop. Pada umumnnya isotop memiliki sifat fisika yang sama.
Isobar
Isobar kebalikannya dari isotop memiliki nomor massa yang sama tetapi nomor atom berbeda. Contoh isobar adalah 14N dan 14C. Kedua atom ini memiliki massa yang sama tetapi nomor atomnya berbeda, N memiliki nomor atom 7 dan C 6.
Isoton
Isoton adalah sebutan untuk atom-atom yang memiliki jumlah neutron yang sama, tetapi nomor atom dan nomor massanya berbeda. Contoh isoton adalah 13C dan 14N. Keduanya memiliki jumlah neutron yang sama yaitu 7.
Kesimpulannya...
Isotop protonnya sama. Isobar massanya sama. Isoton neutronnya sama.
Isotop
Karbon yang memiliki nomor atom 6 bisa memiliki nomor massa 12, 13, dan 14. Hal ini bergantung pada jumlah neutron yang dimilikinya. Ketiga atom karbon ini dengan nomor atom yang sama tetapi berbeda massa disebut dengan isotop. Pada umumnnya isotop memiliki sifat fisika yang sama.
Isobar
Isobar kebalikannya dari isotop memiliki nomor massa yang sama tetapi nomor atom berbeda. Contoh isobar adalah 14N dan 14C. Kedua atom ini memiliki massa yang sama tetapi nomor atomnya berbeda, N memiliki nomor atom 7 dan C 6.
Isoton
Isoton adalah sebutan untuk atom-atom yang memiliki jumlah neutron yang sama, tetapi nomor atom dan nomor massanya berbeda. Contoh isoton adalah 13C dan 14N. Keduanya memiliki jumlah neutron yang sama yaitu 7.
Kesimpulannya...
Isotop protonnya sama. Isobar massanya sama. Isoton neutronnya sama.
Bagaimana caranya kita mengukur massa atom yang sangat kecil? Jawabannya yaitu massa atom diukur terhadap suatu unsur yang massa atomnya sudah distandarisasi.
Standar massa atom
Suatu unsur bisa memiliki banyak isotop, maka diperlukan suatu standar massa atom. Standar yang dipilih ini adalah isotop 12C karena merupakan isotop yang paling stabil. IUPAC mendefinisikan 1 sma (satuan massa atom) = 1⁄12 massa atom 12C. Jadi untuk menghitung massa atom X = massa atom X / 1⁄12 massa atom 12C
Massa atom relatif
Suatu unsur bisa memiliki lebih dari 1 isotop, contohnya 12C, 13C, dan 14C. Kelimpahan setiap isotop ini berbeda-beda: 12C = 98,80%, 13C = 1,009%, 14C = 0,001%. Hal ini menimbulkan masalah yaitu isotop manakah yang akan menjadi suatu standar untuk mengukur massa unsur di laboratorium. Untuk memecahkan masalah ini, IUPAC menentukan massa relatif suatu unsur Ar = m1Z1 + m2Z2 + m3Z3. m adalah massa suatu isotop dan Z adalah persentase kelimpahannya.
Standar massa atom
Suatu unsur bisa memiliki banyak isotop, maka diperlukan suatu standar massa atom. Standar yang dipilih ini adalah isotop 12C karena merupakan isotop yang paling stabil. IUPAC mendefinisikan 1 sma (satuan massa atom) = 1⁄12 massa atom 12C. Jadi untuk menghitung massa atom X = massa atom X / 1⁄12 massa atom 12C
Massa atom relatif
Suatu unsur bisa memiliki lebih dari 1 isotop, contohnya 12C, 13C, dan 14C. Kelimpahan setiap isotop ini berbeda-beda: 12C = 98,80%, 13C = 1,009%, 14C = 0,001%. Hal ini menimbulkan masalah yaitu isotop manakah yang akan menjadi suatu standar untuk mengukur massa unsur di laboratorium. Untuk memecahkan masalah ini, IUPAC menentukan massa relatif suatu unsur Ar = m1Z1 + m2Z2 + m3Z3. m adalah massa suatu isotop dan Z adalah persentase kelimpahannya.
Pemahaman tentang atom sejalan dengan perkembangan ilmu kimia itu sendiri. Ilmuwan-ilmuwan yang mengemukakan teori atom adalah sebagai berikut:
John Dalton
Dalton membuat postulat atom berdasarkan observasi dari reaksi kimia yang berbunyi sebagai berikut:
• Materi tersusun dari partikel yang sangat padat dan tidak bisa dipecah lagi, yaitu atom.
• Atom-atom suatu unsur indentik dalam segala hal tetapi berbeda dengan atom-atom unsur lain.
• Dalam reaksi kimia, terjadi pemisahan atau penggabungan atom-atom dari satu komposisi ke komposisi lain.
• Atom dapat bergabung dengan atom lain membentuk suatu molekul.
J. J. Thomson
Setelah ditemukana fakta bahwa elektron adalah penyusun dasar sebuah atom, Thomson membangun model atom untuk menyempurnakan Dalton. Menurutnya, atom mengandung elektron yang bermuatan negatif dan tersebar merata di seluruh atom. Atomnya sendiri ia asumsikan sebagai bola pejal positif. Atom Thomson ini bisa digambarkan sebagai roti cokelat, roti adalah pejala positif dan coklat ini adalah elektronnya.
Ernest Rutherford
Rutherford melakukan eksperimen dengan menembakkan partikel alfat ke lempengan emas tipis. Hasil dari eksperimen ini adalah sebagian besar partikel alfa bisa melewati lempengan emas dan hanya sebagian kecil yang dipantulkan kembali. Berdasarkan data ini, Rutherford menyimpulkan bahwa atom terdiri dari ruang kosong karena banyaknya partikel alfa yang bisa melewati lempeng emas ini. Adanya partikel alfa yang dipantulkan menunjukkan bahwa terjadi suatu pertumbukkan, Rutherford menamai ini inti atom dan menyatakan inti atom ini bermuatan positif. Inti atom ini tidak mungkin bermuatan negatif karena memantulkan sinar alfa yang bermuatan positif. Rutherford menyempurnakan model atom Thomson sebagai berikut:
• Atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif.
• Sebagian besar dari atom adalah ruang kosong yang massanya berpusat pada inti atom.
• Oleh karena atom bersifat netral maka jumlah muatan positif dan negatif adalah sama.
• Elektron bermuatan negatif dan selalu bergerak mengelilingi inti atom.
Kelemahan model ini adalah pergerakkan elektron mengelilingi inti atom. Berdasarkan hukum fisika, jika suatu partikel bermuatan listrik bergerak melingkar akan mengemisikan energinya sehingga percepatannya akan menurun dan akhirnya diam. Dengan demikian, jika elektron mengelilingi inti atom, elektron ini akan kehilangan energinya dan jatuh ke inti atom sehingga atom itu musnah.
Niels Bohr
Bohr menyempurnakan kegagalan atom Rutherford dengan teori kuantum. Bohr memiliki 4 postulat sebagai berikut:
• Dalam mengelilingi inti atom, elektron berada pada lintasan/kulit tertentu. Kulit ini memiliki jarak tetap dari inti atom.
• Selama elektron berada pada kulit tertentu, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi yang diemisikan atau diserap.
• Elektron dapat beralih dari satu kulit ke kulit lain. Pada peralihan ini besarnya energi yang diemisikan atau diserap sama dengan persamaan Planck, yaitu Δ = h.
• Lintasan elektron memiliki momentum sudut. Besarnya momentum ini adalah kelipatan dari nh⁄2π. n adalah bilangan kuatan dan h adalah Planck konstan.
Kulit lintasan elektron memiliki n = 1, 2, 3, dan seterusnya. Ini disimbolkan dengan K, L, M, dan seterusnya.
John Dalton
Dalton membuat postulat atom berdasarkan observasi dari reaksi kimia yang berbunyi sebagai berikut:
• Materi tersusun dari partikel yang sangat padat dan tidak bisa dipecah lagi, yaitu atom.
• Atom-atom suatu unsur indentik dalam segala hal tetapi berbeda dengan atom-atom unsur lain.
• Dalam reaksi kimia, terjadi pemisahan atau penggabungan atom-atom dari satu komposisi ke komposisi lain.
• Atom dapat bergabung dengan atom lain membentuk suatu molekul.
J. J. Thomson
Setelah ditemukana fakta bahwa elektron adalah penyusun dasar sebuah atom, Thomson membangun model atom untuk menyempurnakan Dalton. Menurutnya, atom mengandung elektron yang bermuatan negatif dan tersebar merata di seluruh atom. Atomnya sendiri ia asumsikan sebagai bola pejal positif. Atom Thomson ini bisa digambarkan sebagai roti cokelat, roti adalah pejala positif dan coklat ini adalah elektronnya.
Ernest Rutherford
Rutherford melakukan eksperimen dengan menembakkan partikel alfat ke lempengan emas tipis. Hasil dari eksperimen ini adalah sebagian besar partikel alfa bisa melewati lempengan emas dan hanya sebagian kecil yang dipantulkan kembali. Berdasarkan data ini, Rutherford menyimpulkan bahwa atom terdiri dari ruang kosong karena banyaknya partikel alfa yang bisa melewati lempeng emas ini. Adanya partikel alfa yang dipantulkan menunjukkan bahwa terjadi suatu pertumbukkan, Rutherford menamai ini inti atom dan menyatakan inti atom ini bermuatan positif. Inti atom ini tidak mungkin bermuatan negatif karena memantulkan sinar alfa yang bermuatan positif. Rutherford menyempurnakan model atom Thomson sebagai berikut:
• Atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif.
• Sebagian besar dari atom adalah ruang kosong yang massanya berpusat pada inti atom.
• Oleh karena atom bersifat netral maka jumlah muatan positif dan negatif adalah sama.
• Elektron bermuatan negatif dan selalu bergerak mengelilingi inti atom.
Kelemahan model ini adalah pergerakkan elektron mengelilingi inti atom. Berdasarkan hukum fisika, jika suatu partikel bermuatan listrik bergerak melingkar akan mengemisikan energinya sehingga percepatannya akan menurun dan akhirnya diam. Dengan demikian, jika elektron mengelilingi inti atom, elektron ini akan kehilangan energinya dan jatuh ke inti atom sehingga atom itu musnah.
Niels Bohr
Bohr menyempurnakan kegagalan atom Rutherford dengan teori kuantum. Bohr memiliki 4 postulat sebagai berikut:
• Dalam mengelilingi inti atom, elektron berada pada lintasan/kulit tertentu. Kulit ini memiliki jarak tetap dari inti atom.
• Selama elektron berada pada kulit tertentu, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi yang diemisikan atau diserap.
• Elektron dapat beralih dari satu kulit ke kulit lain. Pada peralihan ini besarnya energi yang diemisikan atau diserap sama dengan persamaan Planck, yaitu Δ = h.
• Lintasan elektron memiliki momentum sudut. Besarnya momentum ini adalah kelipatan dari nh⁄2π. n adalah bilangan kuatan dan h adalah Planck konstan.
Kulit lintasan elektron memiliki n = 1, 2, 3, dan seterusnya. Ini disimbolkan dengan K, L, M, dan seterusnya.
Atom tersusun dari proton, elektron, dan elektron. Berdasarkan teori atom, diketahui bahwa proton dan neutron berada pada inti atom dan elektron berada pada kulit/lintasan tertentu. Bagaimanakah konfigurasi elektron pada suatu atom?
Pada atom netral jumlah proton sama dengan jumlah elektron, maka nomor atom juga menyatakan jumlah elektron pada atom netral. Elektron memiliki konfigurasi berdasarkan aturan kuantum. Berdasarkan dari hasil perhitungan elektron menghuni kulit dengan aturant sebagai berikut:
• Kulit ke-1 K maksimum memiliki 2 elektron.
• Kulit ke-2 L maksimum memiliki 8 elektron.
• Kulit ke-3 M maksimum memiliki 18 elektron.
• Kulit ke-4 N maksimum memiliki 32 elektron.
Sebagai contoh: 20Ca memiliki konfigurasi: 2 8 8 2. Hal ini dikarenakan pada kulit ketiga Ca tidak bisa memenuhi jumlah maksimal 18 sehingga membentuk subkulit yang memiliki maksimal 8 elektron.
Dalam konfigurasi elektron ada juga yang disebut dengan elektron valensi yaitu elektron yang berada pada kulit terluar. Untuk contoh pada 20Ca elektron valensinya adalah 2.
Pada atom netral jumlah proton sama dengan jumlah elektron, maka nomor atom juga menyatakan jumlah elektron pada atom netral. Elektron memiliki konfigurasi berdasarkan aturan kuantum. Berdasarkan dari hasil perhitungan elektron menghuni kulit dengan aturant sebagai berikut:
• Kulit ke-1 K maksimum memiliki 2 elektron.
• Kulit ke-2 L maksimum memiliki 8 elektron.
• Kulit ke-3 M maksimum memiliki 18 elektron.
• Kulit ke-4 N maksimum memiliki 32 elektron.
Sebagai contoh: 20Ca memiliki konfigurasi: 2 8 8 2. Hal ini dikarenakan pada kulit ketiga Ca tidak bisa memenuhi jumlah maksimal 18 sehingga membentuk subkulit yang memiliki maksimal 8 elektron.
Dalam konfigurasi elektron ada juga yang disebut dengan elektron valensi yaitu elektron yang berada pada kulit terluar. Untuk contoh pada 20Ca elektron valensinya adalah 2.