Modul 2 (untuk Prodi Teknologi dan Rekayasa)

STRUKTUR ATOM DAN SISTEM PERIODIK

A.   Uraian Materi

I.     Perkembangan Teori Atom

Konsep atom dikemukakan oleh Demokritos yang tidak didukung oleh ekperimen yang menyakinkan, sehingga tidak dapat diterima oleh beberapa ahli ilmu pengetahuan dan filsafat. Pengembangan konsep atom-atom secara ilmiah dimulai oleh John Dalton (1805), kemudian dilakukan oleh Thomson (1897), Rutherford (1911), dan disempurnakan oleh Bohr (1914).

Hasil ekperimen yang memperkuat konsep atom ini menghasilakn gambaran mengenai susunan parikel-partikel tersebut didalam atom. Gambaran ini berfungsi untuk memudahkan dalam memahami sifat-sifat kimia suatu atom. Gambaran susunan partikel-partikel dasar dalam atom disebut model atom.

1.    Model Atom Dalton

·      Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi-bagi.

·      Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda.

·      Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atas atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen.

·      Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Hipotesis Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pegal seperti bola tolak peluru. 

2.    Model Atom Thompson.

Teori ini memperbaiki teori atom Dalton, model atom Thompson menyatakan bahwa electron tersebar merata dalam atom yang digambarkan seperti ‘kismis’ dalam roti kismis. Digambarkan sebagai bola bulat bermuatan positif dan di permukaan tersebar elektron yang bermuatan negative. 

3.    Model Atom Rutherford.

Atom adalah bola berongga yang tersusun dari inti atom dan eletron yang tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilinginya. Inti atom bermuatan positif dan massa atom terpusat pada inti atom. Kelemahan dari Rutherford tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti.  

4.    Model Atom Niels Bohr                                 

·         Atom terdiri atas inti yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam suatu lintasan.

·         Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke yang lain dengan menyerap atau memancarkan energi sehingga energi elektron atom itu tidak akan berkurang. Jika berpindah lintasan ke lintasan yang lebih tinggi, elektron akan menyerap energi. Jika beralih ke lintasan yang lebih rendah, elektron akan memancarkan energi lebih rendah, elektron akan memancarkan energi.

·         Kedudukan elektron-eletron pada tingkat-tingkat energi tertentu yang disebut kulit-kulit elektron.  

5.    Teori Atom Chadwick

Chadwick menyempurnakan teori atom Rutherford, dengan terdapatnya neutron pada inti atom. Percobaan Chadwick menghasilkan partikel tak bermuatan (neutron), dan membuktikan mengapa massa atom lebih besar dibandingkan penjumlahan massa proton dan massa electron.  

6.    Teori Atom Modern (Mekanika Kuantum)

Teori ini dikembangkan oleh Erwin Schrodinger, pada tahun 1962. Teori atom modern menyatakan prinsip ketidakpastian bahwa electron tidak terdapat pada lintasan tertentu, tetapi terdapat dalam suatu awan electron. Awan electron ini adalah tempat kebolehjadian ditemukan electron. Ruang atau awan electron disekitar kebolehjadian untuk mendapatkan electron disebut orbital. Gagasan bahwa electron berada dalam orbital-orbital diseputar inti merupakan model atom modern.

II.   Struktur Atom

neutron

proton

elektron

Atom terdiri dari proton, neutron dan elektron. Proton dan neutron berada di dalam inti atom. Sedangkan elektron terus berputar mengelilingi inti atom karena muatan listriknya. semua electron bermuatan negatif (-) dan semua proton bermuatan positif (+). sementara itu neutron bermuatan netral. Elektron bermuatan yang bermuatan negatif (-) ditarik oleh proton yang bermuatan positif (+) pada inti atom.

   

1.    Partikel Dasar Penyusun Atom

Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur tersebut. Struktur atom menggambarkan bagaimana partikel-partikel dalam atom tersusun, atom tersusun atas inti atom dan dikelilingi elektron-elektron yang tersebar dalam kulit-kulitnya. Secara sistematis dapat digambarkan partikel-partikel sub atom berikut.

Tabel 1 Partikel-partikel dalam Atom

Partikel	Penemu	Massa (sma)	Muatan	Lambang
Elektron	J.J. Thompson	≈ 0	–1
Proton	Goldstein	1	+1
Neutron	J.    Chadwick	1	0

Sebagian besar atom terdiri dari ruang hampa yang dalamnya terdapat inti yang sangat kecil di  mana massa dan muatan positifnya dipusatkan dan dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif. Inti atom tersusun atas sejumlah proton dan neutron. Jumlah proton dalam inti atom menentukan muatan inti atom, sedangkan massa atom inti ditentukan oleh banyaknya proton dan neutron.  

2.    Percobaan-percobaan Mengenai Struktur Atom

a) Elektron

Percobaan tabung sinar katode pertama kali dilakukan oleh William Crookes (1875). Hasil ekperimennya yaitu ditemukannya seberkas sinar yang muncul dari arah katode menuju ke anode yang disebut sinar katode.

George Johnstone Stoney (1891) yand mengusulkan nama sinar katode disebut “elektron”. Kelemahan dari stoney tidak dapat menjelaskan pengaruh elektron terhadap perbedaan sifat antara atom suatu unsur dengan atom dalam unsur lainya.  

Antonine Henri Beecquerel (1896) menemukan sinar yang dipancarkan dari unsur-unsur radioaktof yang sifatnya mirip dengan elektron.

Joseph John Thomson (1897) melanjutkan eksperimen William Crookes yaitu pengaruh medan listrik dan medan magnet dalam tabung sinar katode.

Hasil percobaan J.J Thomson menujukkan bahwa sinar katode dapat dibelokkan ke arah kutub positif medan listrik. Hal ini membuktikan terdapat partikel bermuatan negatif dalam suatu atom.

Besarnya muatan dalam eletron ditemukan oleh Robert Andreww miliki (1908) melalui percobaan tetes Minyak Milikan seperti gambar berikut.

Minyak disemprotkan kedalam tabung yang bermuatan litrik. Akibat gaya tarik gravitasi akan mengendapkan tetesan minyak yang turun. Apabila tetesan minyak diberi muatan negatif maka akan tertarik ke kutub positif medan listrik. Dari hasil percobaan Milikan dan Thomson diperoleh muatan elektron-1 dan massa elektron 0.

b)   Proton

Jika massa elektron 0 berarti suatu partikel tidak mempunyai massa. Namun pada kenyataan nya partikel materi mempunyai massa yang dapat diukur dan atom bersifat atom netral. Eugene Goldstein (1886) melakukan eksperimen dari tabung gas yang memiliki katode, yang diberi lubang-lubang dan diberi muatan listrik. Hasil eksperimen tersebut membuktikan bahwa pada saat terbentuk elektron yang menuju anode, terbentuk pula sinar positif yang menuju arah berlawanan melalui lubang pada katode. Setelah berbagai gas dicoba dalam tabung ini, ternyata gas hidrogenlah yang menghasilkan sinar muatan positif yang paling kecil baik massa maupun muatanya, sehingga partikel ini disebut proton. Massa proton = 1 sma (satuan massa atom) dan muatan proton = +1

c) Inti atom

Setelah penemuan proton dan elektron, Ernest Rutherford melakukan penelitian penembakan lempang tipis emas. Jika atom terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan negatif maka sinar alfa yang ditembakkan seharusnya tidak ada yang diteruskan/ menembus lempeng sehingga mincullah istilah inti atom. Ernest Rutherford dibantu oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden (1911) menemukan konsep inti atom didukung oleh penemuan sinar X oleh WC. Rontgen (1895) dan penemuan zat radioaktif (1896). Percobaan Rutherford dapat digambarkan sebagai berikut.

Hasil percobaan ini membuat Rutherford menyatakan hipotesisnya bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif, sehingga atom bersifat netral. Massa inti atom tidak seimbang dengan massa proton yang ada dalam inti atom, sehingga dapt diprediksi bahwa ada partikel lain dalam inti atom.

d) Neutron

Prediksi dari Rutherford memicu W. Bothe dan H. Becker (1930) melakukan eksperimen penembakan partikel pada inti atom berilium (Be) dan dihasilkan radiasi partikel berdaya tembus tinggi. James Chadwick (1932). Ternyata partikel yang menimbulkan radiasi berdaya tembus tinggi itu bersifat nertal atau tidak bermuatan dan massanya hampir sama dengan proton. Partikel ini disebut neutron.    

 

Gambar Model-Model Atom

                  

	Dalton                          Thompson                                       Rutherford

 

                

	Bohr                                                                    Modern

 

  

III.    Nomor Atom dan Nomor Massa

Suatu atom memiliki sifat dan massa yang khas satu sama lain. Dengan penemuan partikel penyusun atom dikenal istilah nomor atom (Z) dan nomor massa (A)

Penulisan lombang atom unsur menyetarakan nomor atom dan nomor massa.

Dimana :

A = nomor massa

Z = nomor atom

X = lambang unsur

                                        

Nomor Massa (A)  = Jumlah proton + Jumlah Neutron    

                                                                Jumlah Neutron     = Nomor massa – Nomor atom

                                                                Nomor Atom (Z)    = Jumlah proton 

1. Nomor Atom (Z)

Nomor atom (Z) menunjukkan jumlah proton (muatan positif) atau jumlah elektron dalam atom tersebut. Nomor atom ini merupakan ciri khas suatu unsur. Oleh karena atom bersifat netral maka jumlah proton sama dengan jumlah elektronya, sehingga nomor atom juga menujukkan jumlah elektron. Elektron inilah yang nantinya paling menentukan sifat suatu unsur. Nomor atom ditulis agak ke bawah sebelum lambang unsur. 

2. Nomor Massa (A)

Massa elektron sangat kecil dan dianggap nol sehingga massa atom ditentukan oleh inti atom yaitu proton dan neutron. Nomor massa (A) menyatakan banyaknya proton dan neutron yang menyusun inti atom suatu unsur. Nomor massa ditulis agak ke atas sebelum lambang unsur. 

Contoh

Tentukan jumlah proton, elektron dan neutron (atom netral)

1.                 Proton = 20,  elektron = 20  dan neutron = 20 (40 – 20)

2.               Proton = 6,  elektron = 6  dan neutron = 6 (12 – 6)

 Tentukan jumlah proton, elektron dan neutron untuk ion (atom bermuatan)

1.       Ion Ca²⁺        , maka proton = 20, elektron = 18 (20 – 2) dan neutron = 40

2.       Ion S^–2      , maka proton = 16,  elektron = 18 (16 + 2)  dan neutron = 16

IV.  Isotop, Isobar, dan Isoton suatu Unsur

1. Isotop

      Isotop adalah atom yang mempunyai nomor sama tetapi memiliki nomor massa berbeda. Atau dengan kata lain isotope adalah suatu unsur yang jumlah protonnya sama tetapi jumlah netronnya berbeda.

Contoh :  dengan     ,      dengan  

2. Isobar

Isobar adalah unsur-unsur yang memiliki nomor atom berbeda tetapi nomor massa sama.

Contoh :  dengan     

3.  Isoton

Isoton Adalah Atom-atom yang berbeda tetapi mempunyai jumlah neutron yang sama.

Contoh :  ,     dan     

V.      Menentukan Konfigurasi Elektron dan Elektron Valensi  

1.    Konfigurasi Elektron

n=7 n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 n=1

Perhatikan Model Atom Bohr

Susunan electron pada masing-masing kulit disebut dengan Konfigurasi Elektron. Setiap atom dapat terisi eletron maksimum 2n², dimana n merupakan letak kulit. Lambang kulit dimulai dari K, L, M, N dan seterusnya dimulai dari yang terdekat dengan inti atom.

Elektron disusun sedemikian rupa pada masing-masing kulit dan diisi maksimum sesuai daya tampung kulit tersebut. Jadi masing ada sisa elektron yang tidak dapat ditampung pada kulit tersebut maka diletakkan pada kulit selanjutnya.

Menurut teori atom Niels Bohr, electron beredar mengelilingi inti pada lintasan-lintasan energy tertentu atau tingkat-tingkat energy tertentu;

n=1   Kulit K         maksimal terisi 2 elektron

n=2   Kulit L         maksimal terisi 8 elektron

n=3   Kulit M       maksimal terisi 16 elektron

n=4   Kulit N        maksimal terisi 32 elektron

n=5   Kulit O        maksimal terisi 50 elektron   …  dst. Sesuai dng rumus  2n²

Cara menentukan konfigurasi elektron suatu unsur, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan

1.       Dimulai dari lintasan yang terdekat dengan inti, masing-masing lintasan disebut kulit ke-1 (kulit K), kulit ke-2 (kulit L), kulit ke-3 (kulit M), kulit ke-4 (kulit N), dan seterusnya.

2.       Kulit yang paling luar hanya boleh mengandung maksimal 8 elektron.

Contoh

Tulislah konfigurasi elektron dari unsur-unsur berikut.

a. Helium dengan nomor atom 2

b. Nitrogen dengan nomor atom 7

c. Oksigen dengan nomor atom 8

d. Kalsium dengan nomor atom 20

e. Bromin dengan nomor atom 35

Jawaban

Unsur	No Atom	Kulit
		K	L	M	N	O	P
He	2	2
N	7	2	5
O	8	2	6
Ca	20	2	8	8	2
Br	35	2	8	18	7
Ba	56	2	8	18	18	8	2

Atau Konfigurasi dengan Prinsip Aufbau

              Subkulit atau orbital-orbital elektron mempunyai tingkat energi yang berbeda.
Tingkat-tingkat energi dan subkulit elektron dari periode ke-1 sampai ke-7
Menurut Aufbau, elektron dalam atom sedapat mungkin memiliki energi yang
terendah maka berdasarkan urutan tingkat energi orbital, pengisian konfigurasi
elektron dimulai dari tingkat energi yang paling rendah ke tingkat energi yang
tertinggi. Cara pengisian elektron pada subkulit dapat digambarkan seperti Gambar.

Pada kulit atom terdapat 4 subkulit ;

1.       Sharp              (s), berisi maksimum 2 elektron

2.       Principle         (p), berisi maksimum 6 elektron

3.       Diffuse            (d), berisi maksimum 10 elektron

4.       Fundalmental (f), berisi maksimum 14 elektron          

  

Secara lengkap, urutan pengisian electron-elektron didalam tingkat energy (kulit atom) adalah sebagai berikut;

 

K     : 1s

L      : 2s       2p

M    : 3s       3p      3d

N     : 4s       4p      4d        4f

O     : 5s       5p      5d        5f 

P     : 6s       6p      6d      6f

Q     : 7s      7p      7d

Urutan subkulit dari energi terendah sampai tertinggi yaitu sebagai berikut.

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 6f, 7d

Contoh

·      Konfigurasi atom Natrium =    ₁₁Na     1s²  2s²  2p⁶  3s¹ 

·      Konfigurasi atom Nikel      =    ₂₈Ni     1s²  2s²  2p⁶  3s²  3p⁶  4s²  3d⁸ 

                                 

Konfigurasi elektron dari atom-atom ₂He, ₃Li, ₇N, ₁₁Na, ₁₈Ar, ₂₂Ti, dan ₂₆Fe adalah sebagai barikut:

2.  Elektron Valensi

Elektron yang berperan dalam reaksi pembentukan ikatan kimia dan reaksi kimia adalah elektron pada kulit terluar atau elektron valensi. Jumlah elektron valensi suatu atom ditentukan berdasarkan elektron yang terdapat pada kulit terakhir dari konfigurasi elektron atom tersebut. Perhatikan Tabel untuk menentukan jumlah elektron valensi.

 

Unsur –unsur yang mempunyai jumlah elektron valensi yang sama akan memiliki sifat kimia yang sama pula.

Contoh;

	Jawab: 1.       Nomor atom = 12, jumlah elektron=12  Konfigurasi elektron 2   8   2 Elektron valensi =2 2.    Nomor atom = 20, jumlah elektron=20 Konfigurasi elektron 2  8  8   2 Elektron valensi =2

 

1.    

2.    

  

VI.    Menentukan Golongan dan Periode dengan Konfigurasi Elektron dan Elektron valensi

Kamu dapat menentukan golongan dan periode suatu unsur dalam table periodik unsur dengan konfigurasi elektron dan elektron valensinya.

- Golongan suatu unsur menunjukkan jumlah elektron valensi

- Periode suatu unsur menunjukkan jumlah kulit yang terisi elektron.

Elektron valensi dan jumlah kulit yang telah terisi elektron dapat diketahui dari konfigurasi elektron. Jadi, dari konfigurasi eletron dapat diketahui golongan dan periode suatu unsur.

Contoh;

1.       Tentukan golongan dan periode unsur ₉F

Jawab : konfigurasi elektron ₉F   = 2 7   (elektron valensi 7, berarti golongan VII A)

                                                           (terdapat 2 kulit terisi, berarti periode 2)

                  

2.       Tentukan golongan dan periode ₁₂Mg

Jawab : konfigurasi elektron ₁₂Mg = 2 8 2  (elektron valensi 2, berarti golongan II A)

                                                                                   (terdapat 3 kulit terisi, berarti periode 3)

  

VII.    Sifat-Sifat Unsur dalam Sistem Periodik

Sifat sifat unsur dalam system periodik meliputi jari-jari atom, energi ionisasi, afinitas elektron dan keelektronegatifan.

1.    Jari-jari atom

Jari-jari atom adalah jarak elektron di kulit terluar dari inti atom.  Jari-jari atom dengan nomor atom memperlihatkan bahwa jari-jari atom dalam satu golongan akan semakin besar dari atas ke bawah. Hal ini terjadi karena dari atas ke bawah jumlah kulit bertambah sehingga jari-jari atom juga bertambah.

Unsur-unsur dalam satu periode (dari kiri ke kanan) berjumlah kulit sama tetapi jumlah proton bertambah sehingga jari-jari atom juga berubah. Karena jumlah proton bertambah maka muatan inti juga bertambah yang mengakibatkan gaya tarik menarik antara inti dengan elektron pada kulit terluar semakin kuat. Kekuatan gaya tarik yang semakin meningkat menyebabkan jari-jari atom semakin kecil. Sehingga untuk unsur dalam satu periode, jari-jari atom semakin kecil dari kiri ke kanan.

2.       Energi Ionisasi

Energi minimum yang dibutuhkan untuk melepas elektron atom netral dalam wujud gas pada kulit terluar dan terikat paling lemah disebut energi ionisasi. Nomor atom dan jari-jari atom mempengaruhi besarnya energi ionisasi. Semakin besar jari-jari atom maka gaya tarik antara inti dengan elektron pada kulit terluar

semakin lemah. Hal ini berarti elektron pada kulit terluar semakin mudah lepas dan energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron tersebut semakin kecil. Akibatnya, dalam satu golongan, energy ionisasi semakin kecil dari atas ke bawah. Sedangkan dalam satu periode, energi ionisasi semakin besar dari kiri ke kanan. Hal ini disebabkan dari kiri ke kanan muatan iti semakin besar yang mengakibatkan gaya tarik antara inti dengan elektron terluar semakin besar sehingga dibutuhkan energi yang besar pula untuk melepaskan elektron pada kulit terluar.

3.       Afinitas Elektron

Afinitas elektron merupakan enegi yang dilepaskan atau diserap oleh atom netral dalam bentuk gas apabila terjadi penangkapan satu elektron yang ditempatkan pada kulit terluarnya dan atom menjadi ion negatif. Afinitas elektron dapat berharga positif dan negatif. Afinitas elektron berharga negatif apabila dalam proses penangkapan satu elektron, energi dilepaskan. Ion negatif yang terbentuk akibat proses tersebut bersifat stabil. Hal sebaliknya terjadi apabila dalam proses penangkapan satu elektron, energi diserap. Penyerapan energi menyebabkan ion yang terbentuk bersifat tidak stabil. Semakin negatif harga afinitas lektron suatu atom unsur maka ion yang ter bentuk semakin stabil.

Jadi secara umum dapat dikatakan bahwa afinitas elektron, dalam satu periode, dari kiri ke kanan semakin negatif dan dalam satu golongan dari atas ke bawah, semakin positif.

4.       Keelektronegatifan

Keelektronegatifan adalah skala yang dapat menjelaskan kecenderungan atom suatu unsur untuk menarik elektron menuju kepadanya dalam suatu ikatan. Keelektronegatifan secara umum, dalam satu periode, dari kiri ke kanan semakin bertambah dan dalam satu golongan, dari atas ke bawah keelekrnegatifan semakin berkurang. Hal ini dapat dimengerti karena dalam satu periode, dari kiri ke kanan, muatan inti atom semakin bertambah yang mengakibatkan gaya tarik antara inti atom dengan elektron terluar juga semakin bertambah. Fenomena ini menyebabkan jari-jari atom semakin kecil, energi ionisasi semakin besar, afinitas elektron makin besar dan makin negatif dan akibatnya kecenderungan untuk menarik elektron semakin besar.

Dalam tabel periodik modern, unsur-unsur disusun dalam baris-baris yang disebut sebagai periode dengan kenaikan nomor atom. Baris-baris tersebut menjadikan unsur-unsur dapat tersusun dalam satu baris yang sama yang disebut golongan yang mempunyai kesamaan sifat fisika dan sifat kimia.