Hubungan Konfigurasi Elektron dengan sistem periodik

 Konfigurasi elektron menyatakan sebaran elektron dalam atom. Nomor atom menunjukkan jumlah elektron. Hal ini membuktikan bahwa terdapat hubungan antara sifat-sifat unsur dengan konfigurasi elektron, katena tabel Sistem Periodik Unsur (SPU) disusun berdasarkan kenaikan nomor atom unsur. Pada SPU dikenal istilah Golongan (kolom vertikal) dan Periode (baris horizontal)

 

1. Golongan

SPU dibagi atas 8 golongan. Setiap golongan dibagi atas Golongan Utama (A) dan Golongan Transisi (B). Penomoran golongan dilakukan berdasarkan elektron valensi yang dimiliki oleh suatu unsur. Setiap Unsur yang memiliki elektron valensi sama akan menempati golongan yang sama pula

Berdasarkan letak elektron terakhir pada orbitalnya, dalam konfigurasi elektron, unsur-unsur dalam SPU dibagi menjadi 4 blok, yaitu blok s, blok p, blok d, dan blok f.

• Jika konfigurasi elektron berakhir di blok s atau p maka pasti menempati golongan A
• Jika konfigurasi elektron berakhir di blok d maka pasti menempati golongan B
• Jika konfigurasi elektron berakhir di blok f maka pasti menempati golongan B (Lantanida, n=6 dan Aktinida, n=7 (gol.radioatif))

Selain itu untuk menentukan nomor golongan, ditentukan dengan mengetahui jumlah elektron valensi pada konfigurasi terakhir.

Contoh :

₁₁Na = 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Dapat diketahui bahwa elektron terakhir pada n=3 mempunyai elektron valensi 1, berarti golongan I serta berakhir di subkulit s, berarti Golongan A, jadi kalau digabungkan menjadi Golongan IA

2. Periode

SPU terdiri atas 7 periode. Periode disusun berdasarkan kenaikan nomor atom. Unsur-unsur yang mempunyai jumlah kulit sama akan menempati baris yang sama. Dengan demikian jumlah kulit sama dengan periode, sehingga periode 1 memiliki n-1, periode 2 memiliki n=2, dst.

Contoh :

₁₁Na = 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Dapat diketahui bahwa elektron terakhir berada pada n=3 yang berarti unsur tersebut masuk dalam Periode 3

konfigurasi elektron berdasarkan konsep bilangan kuantum

Konfigurasi elektron menggambarkan penataan/susunan elektron dalam atom. Dalam menentukan konfigurasi elektron suatu atom, ada 3 aturan yang harus dipakai, yaitu : Aturan Aufbau, Aturan Pauli, dan Aturan Hund.

1. Aturan Aufbau

 

Pengisian orbital dimulai dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang 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 sebagaimana digaram yang dibuat oleh Mnemonik Moeler.

2. Aturan Pauli (Eksklusi Pauli)

 Aturan ini dikemukakan oleh Wolfgang Pauli pada tahun 1926. Yang menyatakan “Tidak boleh terdapat dua elektron dalam satu atom dengan empat bilangan kuantum yang sama”. Orbital yang sama akan mempunyai bilangan kuantum n, l, m, yang sama tetapi yang membedakan hanya bilangan kuantum spin (s). Dengan demikian, setiap orbital hanya dapat berisi 2 elektron dengan spin (arah putar) yang berlawanan. Jadi, satu orbital dapat ditempati maksimum oleh dua elektron, karena jika elektron ketiga dimasukkan maka akan memiliki spin yang sama dengan salah satu elektron sebelumnya.

Contoh :

Pada orbital 1s, akan ditempati oleh 2 elektron, yaitu :

Elektron Pertama à n=1, l=0, m=0, s= +½

Elektron Kedua à n=1, l=0, m=0, s= – ½

(Hal ini membuktikan bahwa walaupun kedua elektron mempunyai n,l dan m yang sama tetapi mempunyai spin yang berbeda)

 

3. Aturan Hund

Aturan ini dikemukakan oleh Friedrick Hund Tahun 1930. yang menyatakan “elektron-elektron dalam orbital-orbital suatu subkulit cenderung untuk tidak berpasangan”.

Elektron-elektron baru berpasangan apabila pada subkulit itu sudah tidak ada lagi orbital kosong.

Untuk menyatakan distribusi elektron-elektron pada orbital-orbital dalam suatu subkulit, konfigurasi elektron dituliskan dalam bentuk diagram orbital.

Suatu orbital digambarkan dalam bentuk kotak, sedangkan elektron yang menghuni orbital digambarkan dengan dua anak panah yang berlawanan arah. Jika orn=bital hanya mengandung satu elektron, maka anak panah yang ditulis mengarah ke atas.

Dalam menerapkan aturan hund, maka kita harus menuliskan arah panah ke atas terlebih dahulu pada semua kotak, baru kemudian diikuti dengan arah panah ke bawah jika masihterdapat elektron sisanya.

  

 

Teori Mekanika Kuantum

 

Teori atom mengalami perkembangan mulai dari teori atom John Dalton, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, dan Niels Henrik David Bohr. Perkembangan teori atom menunjukkan adanya perubahan konsep susunan atom dan reaksi kimia antaratom.

Kelemahan model atom yang dikemukakan Rutherford disempurnakan oleh Niels Henrik David Bohr. Bohr mengemukakan gagasannya tentang penggunaan tingkat energi elektron pada struktur atom. Model ini kemudian dikenal dengan model atom Rutherford-Bohr. Tingkat energy elektron digunakan untuk menerangkan terjadinya spektrum atom yang dihasilkan oleh atom yang mengeluarkan energi berupa radiasi cahaya.

Gambar  : Spektrum emisi natrium dan hidrogen dalam daerah yang dapat dilihat dengan spektrum yang lengkap

Penjelasan mengenai radiasi cahaya juga telah dikemukakan oleh Max Planck pada tahun 1900. Ia mengemukakan teori kuantum yang menyatakan bahwa atom dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah tertentu (kuanta). Jumlah energi yang dipancarkan atau diserap dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut kuantum. Adapun besarnya kuantum dinyatakan dalam persamaan berikut:

Keterangan:
E = energi radiasi (Joule = J)
h = konstanta Planck (6,63 x 10^-34 J.s)
c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 x 10⁸ ms-1)
l = panjang gelombang (m)

Dengan Teori Kuantum, kita dapat mengetahui besarnya radiasi yang dipancarkan maupun yang diserap. Selain itu, Teori Kuantum juga bisa digunakan untuk menjelaskan terjadinya spektrum atom. Perhatikan spektrum atom hidrogen berikut.

 

Pada Gambar di atas dapat dilihat bahwa percikan listrik masuk ke dalam tabung gelas yang mengandung gas hidrogen. Sinar yang keluar dari atom H (setelah melalui celah) masuk ke dalam prisma, sehingga sinar tersebut terbagi menjadi beberapa sinar yang membentuk garis spektrum. Ketika sinar itu ditangkap oleh layar, empat garis yang panjang gelombangnya tertera pada layar adalah bagian yang dapat dilihat dari spektrum gas hidrogen.

 

Salah satu alasan atom hidrogen digunakan sebagai model atom Bohr adalah karena hidrogen mempunyai struktur atom yang paling sederhana (satu proton dan satu elektron) dan menghasilkan spektrum paling sederhana. Model atom hidrogen ini disebut solar system (sistem tata surya), di mana electron dalam atom mengelilingi inti pada suatu orbit dengan bentuk, ukuran, dan energi yang tetap. Semakin besar ukuran suatu orbit, semakin besar pula energi elektronnya. Keadaan ini dipengaruhi oleh adanya gaya tarik-menarik antara proton dan elektron. Dengan menggunakan model atom hidrogen, Bohr menemukan persamaan energi elektron sebagai berikut.

 
Keterangan:
A = 2,18 x 10^-18 J
N = bilangan bulat yang menunjukkan orbit elektron  (1, 2, 3, …, 8)
{Tanda negatif menunjukkan orbit mempunyai energi paling rendah (harga n = 1) dan paling tinggi (harga n = 8)}.

Pada atom hidrogen, elektron berada pada orbit energi terendah (n = 1). Jika atom bereaksi, elektron akan bergerak menuju orbit dengan energy yang lebih tinggi (n = 2, 3, atau 4). Pada saat atom berada pada orbit dengan energi yang lebih tinggi, atom mempunyai sifat tidak stabil yang menyebabkan

elektron jatuh ke orbit yang memiliki energi lebih rendah. Perpindahan tersebut menjadikan electron mengubah energinya dalam jumlah tertentu. Besar energi tersebut sama dengan perbedaan energi antarkedua orbit yang dilepaskan dalam bentuk foton dengan frekuensi tertentu.

Gambar :  Perpindahan elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya

menyebabkan energi elektron berubah dalam jumlah tertentu.

Meskipun teori atom Niels Bohr mampu menerangkan spektrum gas hidrogen dan spektrum atom berelektron tunggal (seperti He⁺ dan Li²⁺), tetapi tidak mampu menerangkan spektrum atom berelektron lebih dari satu. Oleh karena itu, dibutuhkan penjelasan lebih lanjut mengenai gerak partikel (atom). Pada tahun 1924, ahli fisika dari Perancis bernama Louis de Broglie mengemukakan bahwa partikel juga bersifat sebagai gelombang. Dengan demikian, partikel mempunyai panjang gelombang yang dinyatakan dengan persamaan berikut.

 

Keterangan:

l = panjang gelombang (m)
h = tetapan Planck (6,63 10-34 J.s)
p = momentum (m2s-1)
m = massa partikel (kg)
v = kecepatan partikel (ms-1)

Berdasarkan persamaan de Broglie, diketahui bahwa teori atom Bohr memiliki kelemahan. Kelemahan itu ada pada pernyataan Bohr yang menyebutkan bahwa elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasan tertentu berbentuk lingkaran. Padahal, elektron yang bergerak mengelilingi inti atom juga melakukan gerak gelombang. Gelombang tersebut tidak bergerak sesuai garis, tetapi menyebar pada suatu daerah tertentu.

Selanjutnya, pada tahun 1927, Werner H        eisenberg menyatakan bahwa kedudukan elektron tidak dapat diketahui dengan tepat. Oleh karena itu, ia menganalisis kedudukan elektron (x) dengan momentum electron (p) untuk mengetahui kedudukan elektron.

Hasil analisis Heisenberg, yaitu selalu terdapat ketidakpastian dalam menentukan kedudukan elektron yang dirumuskan sebagai hasil kali ketidakpastian kedudukan x dengan momentum p. Satu hal yang perlu diingat adalah hasil kali keduanya harus sama atau lebih besar dari tetapan Planck. Persamaan ini dikenal sebagai prinsip ketidakpastian Heisenberg yang dirumuskan sebagai berikut:

 

Keterangan:
Δx = ketidakpastian kedudukan
Δp = ketidakpastian momentum
h    = tetapan Planck

Selain Werner Heisenberg, ada juga ilmuwan yang menunjukkan kelemahan teori atom Bohr.  Pada tahun 1927, Erwin Schrodinger menyempurnakan teori atom yang disampaikan oleh Bohr. Dari penyelidikan terhadap gelombang atom hidrogen, Schrodinger menyatakan bahwa elektron dapat dianggap sebagai gelombang materi dengan gerakan menyerupai gerakan gelombang. Teori ini lebih dikenal dengan mekanika gelombang (mekanika kuantum).

Teori model atom Schrodinger memiliki persamaan dengan model atom Bohr berkaitan dengan adanya tingkat energi dalam atom. Perbedaannya yaitu model atom Bohr memiliki lintasan elektron yang pasti. Sedangkan pada model atom Schrodinger, lintasan elektronnya tidak pasti karena menyerupai gelombang yang memenuhi ruang (tiga dimensi). Fungsi matematik untuk persamaan gelombang dinyatakan sebagai fungsi gelombang [ dibaca psi (bahasa Yunani)] yang menunjukkan bentuk dan ener gi gelombang elektron.

Berdasarkan teori yang disampaikan oleh Schrodinger, diketahui bahwa elektron menempati lintasan yang tidak pasti sehingga electron berada pada berbagai jarak dari inti atom dan berbagai arah dalam ruang. Jadi, daerah pada inti atom dengan kemungkinan terbesar ditemukannya elektron dikenal sebagai orbital.

Hukum kekekalan massa (Antonie Lavoisier)

 

Hukum kekekalan massa atau prinsip kekekalan massa menyatakan bahwa untuk setiap sistem yang melakukan transfer materi dan energi dalam keadaan tertutup (keduanya memiliki massa), massa sistem akan tetap konstan sepanjang waktu, massa sistem tidak dapat mengubah jumlahnya jika tidak ditambahkan atau dihilangkan. Oleh karena itu, massa kekal dari waktu ke waktu. Hukum kekekalan massa merupakan bagian dari hukum-hukum dasar kimia. Hukum ini menjelaskan bahwa massa tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, meskipun dapat dirangkai atau dirubah bentuknya. Hukum ini juga menjelaskan bahwa selama reaksi kimia apapun, reaksi nuklir, atau peluruhan radioaktif, maka massa total reaktan akan tetap sama dengan massa produk.

Hukum kekekalan massa secara luas digunakan di berbagai bidang seperti kimia, mekanik, dan dinamika fluida. Secara historis, hukum kekekalan massa ditemukan oleh Antoine Lavoisier pada akhir abad ke-18. Penemuan beliau adalah penemuan penting dalam mengubah alkemi menjadi ilmu kimia modern.

Dalam teori relativitas khusus, massa bukanlah dikonversi menjadi energi, karena massa dan energi tidak dapat dihancurkan dan energi dalam segala bentuknya selalu mempertahankan jumlahnya yang setara dengan massa. Beberapa jenis materi dapat diciptakan atau dihancurkan, tetapi dalam semua proses ini, energi dan massa tetap tidak berubah, tetapi energi menjadi berubah bentuk.

1. Sejarah Hukum Kekekalan Massa

Terdapat falsafat Yunani kuno yang menyatakan bahwa “tidak ada yang datang dari tidak ada” dan masih berlaku hingga kini. Falsafah ini ditemukan di Empedokles yang dibuat sekitar tahun 490-430 SM. Selain itu, terdapat falsafah “sebab ianya mustahil datang dari tidak ada menjadi ada, dan mustahil juga untuk benar-benar dibinasakan.”

Prinsip kekekalan massa lebih lanjut dinyatakan oleh Epikurus (341-270 SM) yang menggambarkan tentang alam semesta, yang bahwa “keseluruhan hal-hal itu selalu seperti itu sekarang, dan akan selalu seperti itu”.

Filsafat Jain, yang berdasarkan ajaran-ajaran Mahavira (abad ke-6 SM), menyatakan bahwa alam semesta dan isinya tidak dapat menghancurkan atau menciptakan. Teks Jain Tattvarthasutra (abad ke-2) menyatakan bahwa substansi itu permanen, tetapi mode dapat diciptakan dan dihancurkan. Prinsip kekekalan massa ini juga dinyatakan oleh Nasir al Din al Tusi (1201-1274). Dia menyatakan bahwa “tubuh tidak dapat hilang sepenuhnya, itu hanyalah perubahan bentuk, kondisi, komposisi, warna, dan yang lainnya dan berubah menjadi hal yang lebih rumit atau kembali ke dasarnya”.

Hukum kekekalan massa pertama kali dijelaskan oleh Mikhail Lomonosov (1711-1765). Ia membuktikannya dengan eksperimen meskipun terkadang ia ditentang. Antoine Lavoisier (1743-1794) menjelaskan ide-ide ini pada tahun 1774. Dia sering disebut sebagai bapak kimia modern. Ide-ide yang lainnya sebelum karya Lavoisier adalah oleh Joseph Black (1728-1799), Henry Cavendish (1731-1810), dan Jean Rey (1583-1645).

 

Antoine Lavoisier mendapatkan hukum ini dengan melakukan eksperimen mereaksikan cairan merkuri dengan gas oksigen dalam suatu wadah di ruang tertutup sehingga menghasilkan merkuri oksida yang berwarna merah. Apabila merkuri oksida dipanaskan kembali, senyawa tersebut akan terurai menghasilkan sejumlah cairan merkuri dan gas oksigen dengan jumlah yang sama seperti semula. Dengan bukti dari percobaan ini Lavoisier merumuskan suatu hukum dasar kimia yaitu Hukum Kekekalan Massa yang menyatakan bahwa jumlah massa zat sebelum dan sesudah rekasi adalah sama.

Hukum kekekalan massa tidak terlihat selama ribuan tahun karena pengaruh berat gas pada atmosfer. Contohnya, kayu beratnya berkurang setelah dibakar. Ini yang membuat sebagian orang berpendapat bahwa massanya berkurang, berubah, atau hilang. Namun, jika kita meneliti di tempat yang tertutup kaca, ditemukan bahwa reaksi kimia tidak mengubah berat penutup dan isinya. Pompa vakum juga memungkinkan untuk menimbang berat gas.

Setelah hukum ini dimengerti, hukum kekekalan massa menjadi penemuan yang sangat penting dalam yang mengubah alkemi menjadi ilmu kimia modern. Setelah kimiawan menyadari bahwa bahan kimia tidak bisa hilang tetapi hanya dapat diubah menjadi zat lain dengan berat sama, para ilmuwan pertama kalinya melakukan studi perubahan zat.

2. Generalisasi Hukum Kekekalan Massa

Dalam teori relativitas khusus, kekekalan massa tidak berlaku jika sistem terbuka dan energi lolos. Namun, itu tetap berlaku untuk sistem yang benar-benar terisolasi. Jika energi tidak dapat pergi dari sistem, massa tidak dapat diturunkan. Dalam teori relativitas, asalkan semua jenis energi masih terperangkap dalam sistem, massanya akan tetap.

Jika misalnya dicampurkan 32 gram belerang dan 63,5 gram tembaga. Maka hasilnya adalah tembaga (II) sulfida dengan massa 95,5 gram yang merupakan massa belerang ditambah massa tembaga.

Perubahan massa terjadi dimana partikel atom atau partikel lainnya dapat melarikan diri, tetapi jenis energi lainnya (seperti cahaya atau panas) diperbolehkan untuk masuk atau keluar. Teori dari seluruh energi dengan massa dibuat oleh Albert Einstein pada tahun 1905. Namun Max Planck menunjukkan bahwa perubahan dalam massa sistem sebagai akibat dari ekstraksi atau penambahan energi kimia (seperti yang dikatakan oleh teori Einstein) begitu kecil sehingga tidak dapat diukur. Itu adalah contoh percobaan dari teori Einstein.

3. Penyimpangan Hukum Kekekalan Massa

Penyimpangan hukum kekekalan massa dapat terjadi pada sistem terbuka dengan proses yang melibatkan perubahan energi yang sangat signifikan seperti reaksi nuklir. Salah satu contoh reaksi nuklir yang dapat diamati adalah reaksi pelepasan energi dalam jumlah besar pada bintang. Hubungan antara massa dan energi yang berubah dijelaskan oleh Albert Einstein dengan persamaan E = m.c². E merupakan jumlah energi yang terlibat, m merupakan jumlah massa yang terlibat dan c merupakan konstanta kecepatan cahaya. Namun, perlu diperhatikan bahwa pada sistem tertutup, karena energi tidak keluar dari sistem, massa dari sistem tidak akan berubah.