TEORI ATOM MEKANIKA KUANTUM

=>Teori atom

Menurut Rutherford, atom terdiri atas inti atom dan elektron. Pada inti terdapat proton dan neutron. Inti atom bermuatan positif, sedangkan elektronnya bermuatan negatif dan bergerak mengelilingi inti. Teori ini ternyata ada kelemahannya. Pada tahun 1913, teori ini dilengkapi oleh Niels Bohr sehingga muncul teori atom Bohr.

Menurut teori atom Bohr, atom terdiri atas inti atom yang merupakan pusat massa atom dan muatan inti, sedangkan elektron berputar mengelilingi inti pada lintasan tertentu dan dapat berpindah dari lintasan yang satu ke lintasan yang lainnya.

Teori atom Bohr hanya dapat menjelaskan spektrum atom hidrogen, setelah itu muncullah teori-teori baru tentang atom yang dikemukakan oleh Louis de Broglie, Schrodinger, dan Heisenberg yang dikenal dengan teori atom mekanika kuantum. Pada bab ini akan dibahas tentang teori atom mekanika kuantum, bilangan kuantum, bentuk orbital, konfigurasi elektron, diagram elektron, dan hubungan konfigurasi elektron unsur dengan tempatnya dalam tabel periodik.

1. Teori atom bohr dan mekanika kuantum

Teori Bohr

Seperti telah diketahui bahwa menurut Max Planck radiasi elektromagnetik bersifat diskontinyu atau dalam bentuk kuanta. Max Planck menurunkan persamaan untuk pernyataan tersebut sebagai berikut:

Pernyataan tersebut bertentangan dengan pandangan fisika klasik yang mengemukakan bahwa energi bersifat kontinyu.

Untuk mengatasi perbedaan tersebut, Niels Bohr melakukan penelitian dan mencoba menjelaskan dengan pendekatan pemecahan spektrum garis hidrogen. Bohr menggunakan pendekatan Max Planck untuk menjelaskan spektrum garis hidrogen.

Beberapa hasil penelitian Bohr diantara adalah

• Elektron mengorbit pada lintasan tertentu dan dengan tingkat energi tertentu
• Lintasan orbit elektron berbentuk lingkaran dan disebut kulit
• Momentum sudut elektron yang mengorbit berharga kelipatan .  Setiap elektron yang mengorbit mempunyai momentum sudut sebesar yang merupakan bilangan bulat positif dan disebut sebagai bilangan kuantum utama.

Bilangan kuantum utama menyatakan kulit

Hubungan Lintasan, Kulit dan Bilangan Kuantum

Pendekatan energi oleh Max Planck dan fisika klasik

Niels Bohr

• Energi elektron berbanding terbalik dengan lintasan (kulit)
• Keadaan paling stabil adalah pada saat n = 1 yakni ketika elektron memiliki energi paling minimal
• Elektron berada dalam keadaan stasioner, tidak memancarkan dan menyerap energi, ketika elektron megorbit mengelilingi inti atom.

Apabila elektron berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap untuk melakukan proses tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan elektron tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini tidak stabil sehingga elektron kembali dari tingkta energi tinggi menuju tingkat energi rendah yang disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi.

Model atom Bohr

Teori Bohr berhasil menjelaskan spektrum garis atom hidrogen dan ion-ion berelektron tunggal seperti ₂He⁺ dan ₃Li²⁺. Akan tetapi teori Bohr juga masih menunjukkan kelemahan yaitu tidak mampu menjelaskan spektrum garis atom berelektron banyak dan sifat spektrum garis dalam medan magnet serta tidak dapa menjelaskan garis-garis halus spektrum garis atom hidrogen.

Proses eksitasi dan emisi

Pada tahun 1923 Louis de Broglie mengemukakan bahwa semua materi memiliki sifat gelombang dan setiap partikel yang bergerak memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang tertentu. Elektron yang bergerak mengelilingi inti, gerakannya seperti sebuah gelombang, keberadaan dalam lintasannya tidak pasti. Hal ini tidak sesuai dengan yang dikemukakan Bohr yaitu elektron bergerak pada lintasan tertentu.

Pada tahun 1926 Erwin Schrodinger dan Werner Heisenberg mengemukakan teori bahwa lokasi elektron dalam atom tidak dapat ditentukan secara pasti, yang dapat ditentukan hanyalah daerah Kemungkinan keberadaan elektron. Oleh karena keberadaan elektron diperkirakan dengan mekanika kuantum maka teori ini disebut teori atom mekanika kuantum.

1. Bilangan kuantum dan bentuk orbital  

2.      Subkulit p terdiri dari tiga orbital p. Karena nilai bilangan kuantum magnetiknya ada tiga yaitu –1, 0, dan +1. Ketiga orbital ini mempunyai tingkat energi yang sama tetapi arah ruangnya masing-masing berbeda. Jika digabungkan, ketiga orbital ini saling tegak lurus satu sama lain. Bila digambarkan pada sistem koordinat kartesius yang memiliki sumbu X, Y, dan Z maka orbital p yang terletak pada sumbu X disebut orbital px, sedangkan yang terletak pada sumbu Y disebut orbital py. Begitu pula halnya dengan orbital p yang terletak pada sumbu Z disebut orbital pz, perhatikan gambar berikut ini!

3.     

4.      Sehingga gambaran orbital p dengan bilangan kuantum azimut l =1 dinyatakan dalam gambar berikut ini!

5.     

6.       

7.      Untuk mengambarkan orbital atom p, ambillah 3 buah balon. Kemudian pilin (putar) pada bagian tengah balon. Lakukan hal ini pada semua balon. Siapkan tali pengikat yang akan digunakan untuk menggabungkan ketiga balon. Balon pertama  diletakkan tegak lurus (vertikal), sedangkan balon kedua diletakkan mendatar (horisontal), dan balon ketiga diletakkan diantara balon pertama dan balon kedua. Bagian balon yang dipilin harus berada di tengah-tengah ikatan dari ketiga balon yang diikat menjadi satu. Pastikan bahwa ketiga balon ini terikat dengan kuat.

8.      Subkulit d terdiri dari 5 orbital d karena nilai bil kuantum magnetiknya –2, -1, 0, +1, +2. Seperti halnya orbital p, orbital d juga memiliki tingkat energi yang sama tetapi arah ruangnya masing-masing berbeda. Bila digambarkan pada sistem koordinat kartesius maka ketiga orbital d menempati ruang antar sumbu pada koordinat kartesius tersebut. Masing-masing orbital dinyatakan sebagai d_XY, d_XZ dan d_YZ, sedangkan dua orbital d lainnya terletak pada sumbu koordinat kartesius yang masing-masing orbital dinyatakan sebagai d_X²_-Y² dan d_Z². Bentuk kelima orbital d dapat digambarkan sebagai berikut:

9.     

10.  Orbital d_Z² terletak pada sumbu Z
Orbital d_X²_-Y² terletak pada sumbu X dan Y
Orbital d_XY terletak antara sumbu X dan Y
Orbital d_XZ terletak antara sumbu X dan Z
Orbital d_YZ terletak antara sumbu Y dan Z 

11.   

12.  Untuk menggambarkan orbital d  yaitu : pada orbital d mempunyai 4 orbital dengan bentuk seperti 2 balon terpilin yaitu dxy, dxz, dyz dan dx²-y²  dengan satu bentuk orbital yang berbeda yaitu orbital dz².

13.  Sedangkan orbital f memiliki 7 obital seperti yang digambarkan sebagai berikut:

14. 

15.  Dalam pengambaran orbital atom akan semakin rumit, sebagai contoh penggambaran orbital atom pada atom-atom yang no atomnya kecil seperti atom Li, Be, B dan C adalah sebagai berikut :

Pada teori atom mekanika kuantum, untuk menggambarkan posisi elektron digunakan bilangan-bilangan kuantum. Daerah kemungkinan elektron berada disebut orbital. Orbital memiliki bentuk yang berbeda-beda. Untuk memahami bilangan kuantum dan bentuk-bentuk orbital perhatikan uraian berikut.

a.bilangan kuantum.
Schrodinger menggunakan tiga bilangan kuantum yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimut (l), dan bilangan kuantum magnetik (m). Ketiga bilangan kuantum tersebut menjelaskan tingkat energi, bentuk, dan orientasi elektron di dalam orbital. Selain ketiga bilangan kuantum tersebut ada bilangan kuantum spin (s) yang menunjukkan perputaran elektron pada sumbunya.

1. Bilangan kuantum utama (n)

Bilangan kuantum utama memiliki lambang n. Harga n melambangkan tingkat energi elektron atau kulit elektron. Harga n untuk berbagai kulit elektron yaitu sebagai berikut.

Elektron pada kulit ke-1, memiliki harga n = 1.

Elektron pada kulit ke-2, memiliki harga n = 2.

Elektron pada kulit ke-3, memiliki harga n = 3

Elektron pada kulit ke-4, memiliki harga n = 4 

2. Bilangan kuantum azimut (l) 

Bilangan kuantum azimut memiliki lambang l. Bilangan kuantum azimut menyatakan tingkat energi elektron pada subkulit. Subkulit elektron mempunyai lambang s, p, d, f. Huruf-huruf tersebut berasal dari kata sharp (s), principal (p), diffuse (d), dan fundamental (f) yang diambil dari nama-nama seri spektrum unsur. Harga l untuk berbagai subkulit yaitu sebagai berikut.

Elektron pada subkulit s memiliki harga l = 0

Elektron pada subkulit p memiliki harga l = 1

Elektron pada subkulit d memiliki harga l = 2

Elektron pada subkulit f memiliki harga l = 3 

Hubungan harga n dengan l adalah harga l mulai dari 0 sampai dengan n-1.

Contoh:

Jika n = 1 maka l = 0.

Jika n = 2 maka l = 0, 1.

Jika n = 3 maka l = 0, 1, 2.

Jika n = 4, maka l = 0, 1, 2, 3. 

3. Bilangan kuantum magnetik (m)

Bilangan kuantum magnetik memiliki lambang m yang menunjukkan arah orbital elektron. Bilangan kuantum magnetik menyatakan jumlah orbital pada subkulit elektron. Bilangan kuantum ini bernilai negatif, nol, dan positif. Secara matematika harga m dapat ditulis mulai dari -l sampai dengan +l. Harga m untuk berbagai l atau subkulit dapat dilihat pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Harga m untuk berbagai subkulit

Subkulit	Harga L	Harga M	Jumlah Orbital
S	0	0	1
P	1	-1, 0, +1	3
d	2	-2, -1, 0, +1, +2	5
f	3	-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3	7

Harga bilangan kuantum n, l, danm untuk berbagai bilangan kuantum dapat

digambarkan seperti Tabel 1.2.

Tabel 1.2 Harga bilangan kuantum n, l, dan m untuk berbagai bilangan kuantum

4. Bilangan kuantum spin (s) 

Elektron dalam orbital tidak hanya bergerak di sekitar inti tetapi berputar pada 

sumbunya. Perhatikan Gambar 1.1 

Bilangan kuatum spin dengan lambang s, menyatakan arah perputaran elektron pada sumbunya. Bilangan kuantum suatu elektron di dalam orbital dapat memiliki harga spin + 1/ 2 dan – 1/ 2 , tetapi berdasarkan kesepakatan para tokoh kimia, untuk elektron pertama di dalam orbital harga spinnya = + 1/2.

Berdasarkan harga bilangan kuantum dapat ditentukan berapa jumlah elektron maksimum yang dapat menempati subkulit dan kulit. Perhatikan Tabel 1.3.

Tabel 1.3 Harga Masing- Masing Bilangan Kuantum

Bagaimana cara menentukan harga bilangan kuantum? Perhatikan contoh soal berikut! 

1.Tentukan harga bilangan kuantum n, l, dan m untuk elektron-elektron yang berada pada orbital atau subkulit 2s. 

Penyelesaian : 

Nomor kulit = 2             n = 2

Subkulit = s            l = 0

Harga m = 0. Jadi subkulit 2s memiliki harga n = 2, l = 0 dan m= 0.

2. Suatu elektron mempunyai harga bilangan kuantum n = 2, l = 1, dan m = +1. Terletak pada orbital atau  subkulit mana elektron tersebut? 

Penyelesaian :Diketahui : n = 2 menyatakan kulit ke 2, l = 1 menyatakan subkulit p, jadi bilangan kuantum magnetiknya (m ) = -1, 0, 1. Jadi elektron tersebut berada pada subkulit 2p dan pada orbital ke-3.   

3. Elektron terakhir suatu atom menempati subkulit 3d, tentukan harga keempat bilangan kuantum dari elektron tersebut?

Diket : subkulit 3d¹, berarti n = 3 dan l = 2, 

m = -2,-1,0,1,2 

s = +1/2