KONFIGURASI ELEKTRON DAN TABEL PERIODIK

Materi yang telah kita pelajari sebelumnya adalah Persamaan Kimia dan Massa Reaksi, untuk kali ini kita akan belajar mengenai Konfigurasi Elektron Atom dan Tabel Periodik. Topik yang akan kita bahas adalah Model Atom Hidrogen Bohr, Model Mekanika Kuantum, Konfigurasi Elektron Unsur, Konfigurasi Elektron dan Tabel Periodik, Energi Ionisasi dan Tabel Periodik.

Model Atom Hidrogen Bohr

Pada tahun 1913, Niels Bohr menerapkan konsep Planck tentang qauntisasi energi untuk menjelaskan spektrum atom hidrogen. Pada teorinya, Bohr mengusulkan bahwa dalam atom hidrogen elektron bergerak mengelilingi inti pada orbit yang melingkar. Namun, Bohr mengajukan gagasan bahwa sebuah elektron dalam suatu atom hanya bisa memiliki nomor yang dibatasi nilai energi. Hanya jari-jari tertentu  dan energi tertentu yang diperbolehkan. Bohr menunjukkan bahwa elektron dalam salah satu keadaan energi tersebut dapat ada tanpa memancarkan energi.

Bohr menghitung jumlah energi yang diperbolehkan, setiap nilai yang berhubungan dengan lintasan melingkar dengan jari-jari yang berbeda. Pada model Bohr, setiap orbit tertentu atau tingkat energi bisa diidentifikasi dalam hal bilangan kuantum utama (n) yang mungkin memiliki salah satu nilai dari 1, 2, 3, 4,….Istilah kulit juga bisa digunakan untuk menggambarkan  tingkat energi. Kulit dilambangkan dengan huruf K, L, M,N. tingkat energi terdekat dengan inti dilambangkan  dengan n= 1 atau kulit K. Kemudian tingkat dilambangkan sebagai n= 2 tingkat atau kulit L, n= 3 tingkat atau kulit M dan seterusnya.

Elektron dalam sebuah atom dapat melompat dari satu tingkat energi ke tingkat enegi lainnya dengan menyerap atau memancarkan sejumlah energi atau kuantum energi. Peristiwa ini digambarkan sebagai berikut.

Tiga orbit energi terendah pada model atom hidrogen Bohr

Setiap garis dalam spektrum mewakili transisi dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Ketika sebuah elektron melompat dari satu tingkat energi menuju ke tingkat energi yang lebih rendah, radiasi foton dipancarkan. Energi foton ini persis sama dengan perbedaan energi antara kedua tingkat energi atom tersebut. Demikian pula, mungkin untuk sebuah elektron berpindah dari energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap foton dengan energi yang sesuai.

Gambar menunjukkan energi transisi dalam atom hidrogen yang terjadi pada daerah tampak dari spektrum hidrogen.

Ketika elektron dalam atom hidrogen berada pada tingkat energi pertama atau kulit K, atom tersebut mempunyai energi terendah dan dapat dikatakan berada dalam keadaan dasar.

Transisi Elektron terihat sesuai dengan daerah tampak spektrum hidrogen

Ketika elektron berada pada tingkat energi yang lebih tinggi seperti n=2 atau lebih tinggi, atom dikatakan berada dalam keadaan tereksitasi.

Teori Bohr tentang atom hidrogen sangat sukses dalam menjelaskan spektrum garis hidrogen dalam hal stuktur atomnya. Garis serapan atau pancaran dalam spektrum sesuai dengan transisi elektron dari satu tingkat energi ke tingkat lainnya. Energi diserap saat elektron berpindah dari tingkat energi yang dekat dengan inti ke tingkat energi yang lebih jauh. Sebaliknya, energi dipancarkan ketika elektron pada tingkat energi yang lebih tinggi berpindah menuju tingkat energi yang lebih rendah. Meskipun teori Bohr mampu  menjelaskan spektrum hidrogen tetapi gagal untuk memperhitungkan garis-garis yang diamati pada spektrum atom yang mempunyai elektron lebih dari satu. Teori Bohr digantikan dengan model baru tentang atom yang dinamakan mekanika kuantum atau mekanika gelombang. Tetapi, konsep perhitungan tingkat qauntisasi energi yang diperkenalkan Bohr tetap menjadi bagian penting dari model baru tersebut.

Model Mekanika Kuantum

Pada tahun 1925, ilmuwan Perancis Louis de Broglie berpendapat bahwa partikel kecil dan bergerak cepat seperti elektron menunjukkan beberapa sifat gelombang. Dari pendapat tersebut Schrodinger mengembangkan bentuk baru dari mekanika yang dikenal sebagai mekanika gelombang atau mekanika kuantum.

Belajar tentang mekanika kuantum adalah kompleks dan teori matematika abstrak yang melibatkan dua persoalan mendasar, yaitu yang menunjukkan beberapa karakteristik suatu partikel dan karakteristik gelombang. Bacaan ini tidak peduli dengan matematika kompleks dari mekanika kuantum tetapi lebih kepada hasil tertentu yang diperoleh dari matematika kompleks tersebut.

Tingkat Energi Utama

Salah satu hasil penting dari mekanika kuantum adalah dapat mendefinisikan keberadaan tingkat energi yang berbeda atau lokasi kulit atom dimana elektron berada. Tingkat energi tersebut dilambangkan dengan nomor 1, 2, 3, 4,… atau dengan huruf K, L, M, N,… Bilangan tersebut menunjukkan bilangan kuantum utama  dan diberi simbol n. Tingkat energi yang diperbolehkan untuk atom hidrogen sama dengan yang diperkirakan oleh teori Bohr.

Nilai n sesuai dengan  yang lebih dikenal dengan tingkat energi utama. Sehingga n =1 tingkat energi atau kulit K adalah tingkat energi yang paling rendah dan paling dekat dengan inti. n=2 tingkat energi atau kulit L, adalah tingat energi berikutnya yang lebih tinggi dan seterusnya. Bilangan maksimum elektron yang tingkat energi utama bisa ditampung adalah 2n². Dengan demikian tingkat energi yang pertama  bisa menampung dua elektron, tingkat energi kedua delapan, dan tingkat energi ketiga enam belas.

Orbital

Mekanika kuantum menunjukkan bahwa elektron pada suatu atom tidak bergerak dalam orbit lingkaran  beberapa radius tertentu dari inti  seperti yang dikemukakan oleh Bohr. Dalam model mekanika kuantum tidak mungkin untuk menentukan lokasi pasti atau jalur elektron di sekitar inti. Yang bisa dilakukan adalah memprediksi kemungkinan lokasi suatu elektron dalam suatu wilayah tertentu dalam ruang  Daerah di sekitar inti dimana elektron dengan energi tertentu dapat bergerak dinamakan orbital. Suatu orbital dapat dianggap sebagai hasil dari ‘memotret’ posisi elektron jutaan kali pada interval waktu yang sangat singkat dan melapiskan gambar pada foto yang sama. Kemungkinan bahwa sebuah elektron akan ditemukan pada suatu wilayah dapat ditentukan dari kegelapan foto di daerah itu. Gambar 4.9 sampai 4.11 menunjukkan pendapat ini. Suatu orbital kadang-kadang juga disebut sebagai awan muatan elektron. Perlu dicatat bahwa meskipun diagram menunjukkan orbital dalam dua dimensi, sebenarnya elektron bergerak dalam tiga dimensi daerah di sekitar inti.

Mekanika kuantum juga menunjukkan bahwa untuk setiap nilai n ada n² orbital, yang  masing-masing  dapat menampung maksimal dua elektron.Untuk tingkat energi pertama pokok n = 1 dan ada satu orbital, untuktingkat  energi kedua pokok n = 2  ada empat orbital, untuk tingkat energi ketiga pokok terdapat sembilan orbital. Untuk atom hidrogen orbital n² untuk nilai tertentu n semua memiliki energi yang sama.

Orbital s

Orbital energi terendah untuk hidrogen adalah orbital pada tingkat energi utama pertama (n = 1) dan disebut sebagai orbital 1s. Hal ini sesuai dengan distribusi elektron bola simetris di sekitar inti seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9. Gambar  ini menunjukkan bahwa kemungkinan untuk menemukan elektron di sekitar inti berkurang  jika jarak  dari inti meningkat ke segala arah.

Orbital p

Tiga orbital  lainnya di tingkat energi utama kedua ini dikenal sebagai orbital 2p. Orbital p kira-kira berbentuk 'dumb-bell'  dengan inti terletak di antara dua bagian dari 'dumb-bel' tersebut.

Orbital d dan f

Untuk tingkat energi utama ketiga n  = 3 dan ada 3² atau sembilan orbital. Ada satu orbital 3s dan tiga 3p. Lima lainnya orbital dikenal sebagai orbital 3d. Ada lima  orbital d ekuivalen untuk setiap nilai n lebih dari 2.

Untuk n = 4 ada 4² atau 16 orbital. Ada satu orbital 4s, tiga orbital 4p dan lima  orbital 4d. Tersisa tujuh orbital dikenal sebagai orbital 4f. Ada tujuh orbital ekuivalen f yang  sangat kompleks dan tidak akan dipertimbangkan di sini.      Hubungan antara tingkat energi utama dan orbital yang diperbolehkan untuk atom hidrogen diilustrasikan pada Gambar 4.12.

Konfigurasi Elektron Unsur

Analisis garis spektral atom  berelektron banyak, yaitu atom selain hidrogen, menunjukkan para ilmuwan bahwa garis tunggal sebenarnya terdiri dari sejumlah garis yang sangat dekat jaraknya. Dalam rangka untuk menjelaskan keberadaan garis-garis ini, tingkat energi diagram yang digunakan untuk atom hidrogen telah dimodifikasi.

Untuk atom hidrogen semua orbital di tingkat energy pokok yang sama memiliki energi yang sama. Jadi 2s dan tiga orbital 2p memiliki energi yang sama. Dalam atom berelektron banyak, orbital dengan nilai n yang sama tidak harus memiliki energi yang sama. 

Subkulit Energi

Eksperimental dan bukti teoretis menunjukkan bahwa untuk atom selain hidrogen, setiap tingkat energi utama selain dari yang pertama sebenarnya terdiri dari sejumlah subkulits energi atau sub kulit dengan energi yang sedikit berbeda. Orbital s pada setiap tingkat energi utama juga disebut sebagai subkulit s. Golongan tiga orbital p yang semua memiliki energi yang sama disebut  subkulit p . Golongan lima orbital d disebut  subkulit d dan golongan tujuh orbital f disebut  subkulit f. Sekali lagi, semua orbital d memiliki energi yang sama seperti halnya orbital f.