Perkembangan Teori Atom

Kompetensi

Setelah mempelajari materi ini, Anda diharapkan mampu:

1. Mendeskripsikan melalui gambar/model tentang perkembangan teori model atom

2. Mendeskripsikan melalui gambar dan menjelaskan partikel dasar atom

3. Menjelaskan hubungan partikel dasar atom denga nomor atom dan nomor massa

4. Menentukan jumlah proton, neutron, elektron, nomor atom dan nomor massa dalam suatu atom

5. Menentukan konfigurasi elekton dan elektron valensi suatu unsur

6. Mengidentifikasi perbedaan unsur-unusr yang saling berisotop, isobar, dan isoton

7. Menentukan massa atom relatif suau unsur

Teori Atom Dalton

Seorang filsafat Yunani, Leucippus, berpendapat bahwa materi tersusun atas butiran-butiran kecil. Pendapat ini dikembangkan oleh muridnya, Democritus, yang menyatakan bahwa materi tersusun atas partikel-partikel yang tak dapat dibagi lagi, yaitu atom.

John Dalton membuktikan pemikiran filsafat Yunani tersebut dengan menyatakan bahwa pemikiran Democritus tidak bertentangan dengan Hukum Kekekalan Massa dan Hukum Perbandingan Tetap.

John Dalton

Kemudian pada tahun 1803 John Dalton mengemukakan teori atomnya:

Materi tersusun dari partikel-partikel terkecil yang disebut atom.

Unsur adalah materi yang tersusun dari atom-atom yang sejenis dengan massa dan sifatnya sama.

Unsur yang berbeda memiliki atom-atom dengan massa dan sifat yang berbeda.
Senyawa adalah materi yang tersusun minimal 2 jenis atom dari unsur-unsur berbeda, dengan perbandingan tetap dan tertentu. Dalam senyawa, atom-atom berikatan melalui ikatan antar atom.

Atom tidak dapat dimusnahkan. Reaksi kimia hanyalah penataan ulang atom-atom yang bereaksi.

Seiring perkembangan teknologi, teori atom Dalton terbukti tidaklah sepenuhnya benar. Penelitian selanjutnya mengarah bahwa ternyata atom dapat dibagi menjadi bagian-bagian kecil lain yang merupakan partikel dasar atom itu sendiri yaitu proton, elektron baru disusul neutron. Artinya atom bukanlah bagian terkecil dari suatu materi.

Model Atom Dalton

Teori Atom J.J. Thomson

Setelah penemuan proton oleh Goldstein di tahun 1886 dan elektron oleh J.J. Thomson di tahun 1897. Kemudian pada tahun 1898 J.J Thomson mengemukakan model atomnya. Model atom Thomson menyatakan bahwa atom berbentuk bulat dimana muatan listrik positif yang tersebar merata dalam atom dinetralkan oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif yang berada di antara muatan positif.

J.J Thomson

Model atom Thomson didasarkan pada asumsi bahwa massa elektron lebih kecil dari massa atom, dan elektron merupakan partikel penyusun atom. Karena atom bermuatan netral, maka elektron yang bermuatan negatif akan menetralkan suatu muatan positif dalam atom. Hal ini mendukung keberadaan proton dalam atom.









Model Atom J.J Thomson

Model atom Thomson diuji oleh penelitian yang dilakukan oleh Philipp Lenard pada tahun 1903, yang mempelajari tentang pengaruh fotolistrik. Ia mengamati perilaku elektron yang menembus lempeng alumunium yang sangat tipis dengan cara memodifikasi tabung sinar katode dan menempatkan lempeng tersebut di dalamnya. Jika model atom Thomson benar, maka akan ada banyak berkas elektron yang dibelokkan setelah menembus lempeng alumunium, hal ini disebabkan elektron telah kehilangan energi yang banyak karena menabrak elektron yang tersebar merata dalam muatan positif atom.

Akan tetapi, ia mengamati bahwa sebagian besar elektron tidak dibelokkan. Hal ini membuktikan bahwa model atom Thomson yang menyatakan bahwa elektron tersebar merata dalam muatan positif atom, adalah tidak benar.

Teori Atom Rutherford

Pada tahun 1911 Ernest Rutherford bermaksud melanjutkan penelitian Philipp Lenard, hanya saja Rutherford mengganti partikel elektron dengan partikel dan lempeng alumunium dengan lempeng emas.

Setelah penembakan partikel terhadap lempeng emas, Rutherford menyimpulkan:

Sebagian besar ruang dalam atom adalah ruang hampa/kosong. Hal ini didasarkan adanya berkas partikel yang tidak dibelokkan atau tetap diteruskan.
Adanya suatu bagian yang sangat kecil dan padat dalam atom yang disebut inti atom. Hal ini dibuktikan oleh partikel yang dipantulkan kembali oleh atom dengan jumlah yang kecil.
Adanya muatan inti yang sejenis dengan muatan partikel yaitu muatan positif (proton). Hal ini didasarkan adanya berkas partikel yang dibelokkan akibat terjadi gaya tolak-menolak dengan muatan listrik yang sejenis

Hasil penelitian Rutherford sekaligus menggantikan model atom Thomson, Rutherford mengajukakan model atom yang menyatakan bahwa atom tersusun dari inti yang bermuatan positif dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif, seperti planet mengelilingi matahari. Massa atom terpusat pada inti dan sebagian besar volum atom merupakan ruang hampa/kosong. Karena atom bersifat netral, maka jumlah muatan positif dalam inti (proton) harus sama dengan jumlah elektron.

Tidak beberapa lama Rutherford mengajukan model atomnya, ternyata terdapat beberapa kelemahan. Model atom Rutherford bersifat tidak stabil karena bertentangan dengan hukum fisika klasik Maxwell. Berdasarkan hukum tersebut, jika ada partikel bermuatan (elektron) mengelilingi inti atom yang memiliki muatan yang berlawanan (proton) maka elektron akan memiliki percepatan dan memancarkan energi berupa gelombang elektromagnetik, dengan demikian lama kelamaan elektron akan kehilangan energinya. Akibatnya, jari-jari lintasan semakin kecil, hingga suatu saat elektron akan bergabung inti atom. Padahal kenyataannya, atom bersifat stabil sehingga elektron tidak bergabung dengan inti atom.

Selang waktu 2 tahun dari penelitian Rutherford, pada tahun 1913, Niels Bohr berhasil memperbaiki kelemahan model atom Rutherford, melalui percobaannya terhadap spektrum atom hidrogen.

Bohr berpendapat jika elektron bergerak mengelilingi inti atom berbentuk spiral (seperti yang disampaikan Rutherford) adalah benar, maka energi yang dipancarkan elektron akan menghasilkan spektrum yang bersifat kontinu. Akan tetapi, hasil pengamatan Bohr terhadap spektrum atom menggunakan spektrometer bahwa spektrum bersifat diskrit (terputus-putus). Hal ini menandakan bahwa elektron hanya memancarkan energi dengan panjang gelombang tertentu atau dengan besaran energi tertentu.

Teori Atom Bohr

Sehingga menurut Bohr, adanya spektrum yang bersifat diskrit menandakan bahwa elektron berada pada lintasan-lintasan tertentu berdasarkan tingkat energinya. Hal ini dibuktikan dengan menggunakan teori kuantum Planck, hingga akhirnya Bohr mengemukakan postulatnya menjelaskan kestabilan atom dan spektrum atom hidrogen.

Setiap elektron dalam atom mengelilingi inti dalam lintasan tertentu yang stationer disebut orbit/kulit.

Elektron dapat berpindah dari kulit yang satu ke kulit yang lain dengan memancarkan atau menyerap energi.

Niels Bohr

Model atom Bohr dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum atom hidrogen. Akan tetapi model ini mempunyai beberapa kelemahan, antara lain:

Hanya dapat menjelaskan spektrum atom hidrogen dengan akurat, belum dapat menjelaskan spektrum atom yang lebih kompleks.

Asumsi elektron mengelilingi inti atom dalam lintasan lingkaran belum tentu benar, dapat saja berbentuk elips.

Belum dapat menjelaskan adaya garis halus pada spektrum atom hidrogen.

ORBITAL ATOM

Apa itu orbital atom?

Orbital dan orbit

Ketika planet bergerak mengitari matahari, kita dapat menggambarkan jalur yang ditempuh oleh planet itu yang disebut dengan orbit. Gambaran sederhana dari atom juga sama dengan fenomena tersebut dan kita dapat menggambar elektron-elektron yang mengorbit mengelilingi nukleus ( inti atom ). Walaupun sesungguhnya elektron-elektron tidak mengorbit pada jalur yang tetap melainkan mengorbit pada sebuah ruang yang disebut dengan orbital.
Orbit dan orbital terkesan sama, tetapi sebenarnya memiliki makna yang cukup berbeda. Kita perlu memahami perbedaan di antara keduanya.

Ketidakmungkinan penggambaran orbital elektron-elektron

Untuk menggambar suatu jalur kita perlu mengetahui secara pasti di mana objek tersebut berada dan ke arah mana objek itu bergerak. Sayangnya, kita tidak bisa melakukan hal tersebut untuk elektron-elektron.
Prinsip ketidakpastian Heisenberg menunjukkan bahwa kita tidak dapat mengetahui secara pasti di mana elektron itu berada dan ke arah mana elektron itu bergerak. Hal ini membuat kita tidak mungkin menggambarkan secara tepat jalur atau orbit dari elektron yang mengelilingi nukleus. Tetapi ada suatu cara lain yang bisa diterima untuk menggambarkan pergerakan elektron-elektron di sekitar nukleus.

Elektron hidrogen - orbital 1s

Bayangkan kita memiliki satu atom hidrogen dan menentukan posisi elektronnya pada suatu waktu tertentu. Segera sesudahnya, kita kembali menentukan posisi elektron ini, dan kita mendapati elektron itu sudah ada di posisi yang berbeda. Kita tidak mengerti bagaimana elektron ini berpindah dari posisi yang pertama ke posisi yang kedua.

Kita coba untuk terus mencari titik-titik posisi dari elektron tersebut, dan kita akan perlahan-lahan menemukan suatu gambaran 3 dimensi peta posisi dari elektron tersebut.
Dalam kasus elektron hidrogen, elektron dapat ditemukan di manapun di sekeliling nukleus. Diagram menunjukkan kemungkinan dari posisi elektron yang membentuk ruang wilayah yang mengelilingi nukleus.
Pada 95% dari hasil pengamatan, elektron dapat ditemukan dalam suatu ruang wilayah yang relatif dekat dengan nukleus. Wilayah dari ruang tersebut kita sebut dengan orbital.
Kita dapat beranggapan bahwa orbital merupakan suatu ruang wilayah di mana elektron itu bergerak di dalamnya.
Tiap orbital memilki nama :
Orbital yang dihuni oleh elektron hidrogen disebut dengan orbital 1s. Angka “1” menunjukkan bahwa orbital tersebut memiliki tingkat energi yang terdekat dengan nukleus. Huruf “s” menunjukkan bentuk dari orbital tersebut. Orbital s berbentuk bulat simetris yang mengelilingi nukleus.

Orbital berikut merupakan orbital 2s. Bentuknya sama dengan orbital 1s kecuali ruang wilayahnya yang lebih jauh dari nukleus - di mana letaknya pada tingkat energi kedua.
Jika kita perhatikan secara seksama, kita dapat menemukan bahwa terdapat wilayah di mana rapat elektronnya lebih tinggi ( di mana titik-titiknya lebih pekat ) dekat dengan nukleus. “Kerapatan elektron” merupakan suatu istilah yang dipakai untuk memberitahukan kemungkinan kita dapat menemukan elektron pada posisi tertentu.
Elektron-elektron 2s ( dan juga 3s, 4s ) berada dalam posisi dekat dengan nukleus daripada yang mungkin kita bayangkan. Efek dari ini adalah pengurangan energi dari elektron dalam orbital s. Semakin dekat elektron dengan nukleus, semakin rendah energinya.

Orbital p

Tidak semua elektron memiliki sifat seperti orbital s. Pada tingkat energi pertama, orbital hanya terdiri dari orbital 1s, tetapi ketika kita memasuki tingkat energi kedua, selain daripada orbital 2s, kita akan menemukan orbital 2p.
Orbital p berbentuk seperti 2 buah balon yang identik yang diikat di tengahnya. Gambar di sebelah kiri menunjukkan adanya titik yang membagi ruang wilayah. Perlu diingat, orbital menunjukkan 95% kemungkinan elektron itu berada.

Tidak seperti orbital s, orbital p memiliki arah tertentu - pertama yang mengarah ke atas dan yang mengarah ke bawah.
Pada tiap tingkat energi ada kemungkinan terdapat 3 orbital p yang arahnya saling tegak lurus satu sama lain. Arah dari tiap orbital p ini diberi simbol px, py dan pz. x, y dan z merupakan koordinat dari orbital-orbital tersebut.

Orbital p pada tingkat energi kedua disebut dengan 2px, 2py dan 2pz. Begitu juga pada orbital lainnya 3px, 3py dan 3pz, maupun 4px, 4py dan 4pz dan seterusnya.
Seluruh tingkat energi selain dari tingkat energi pertama memiliki orbital p. Pada energi level yang lebih tinggi bentuk dari balon akan semakin lonjong, yang berarti kemungkinan elektron berada akan semakin jauh dari nukleus.
orbital d dan f
Selain daripada orbital s dan p, terdapat dua bentuk orbital lainnya di mana elektron berada pada tingkat energi yang lebih tinggi. Pada tingkat energi ketiga, kita akan menemukan 5 bentuk dari orbital d ( dengan bentuk dan penamaan yang lebih rumit ), dan tentunya juga orbital 3s dan orbital 3p (3px, 3py dan 3pz). Pada tingkat energi ketiga kita akan menemukan total 9 orbital.
Pada tingkat energi keempat, selain daripada orbital 4s , 4p dan 4d , kita juga akan menemukan tambahan 7 buah orbital f - dengan total 16 orbital. Orbital s, p, d dan f memiliki tingkat energi yang lebih tinggi.
Menempatkan elektron di orbital
Kita dapat membayangkan sebuah atom seperti sebuah istana - di mana nukleus berada pada lantai bawah tanah, kemudian tiap lantai terdiri dari kamar-kamar (orbital) yang akan ditempati oleh elektron-elektron. Lantai pertama hanya terdiri dari satu kamar ( yaitu orbital 1s ); lantai kedua terdiri dari 4 kamar ( orbital 2s, 2px, 2py dan 2pz ); lantai ketiga terdiri dari 9 kamar ( satu orbital 3s, tiga orbital 3p dan 5 orbital 3d ) dan seterusnya. Tetapi kamar-kamar tersebut tidaklah besar. Tiap orbital hanya dapat ditempati oleh 2 elektron.
Cara yang lazim digunakan untuk menggambarkan orbital yang dihuni oleh elektron adalah dengan cara ” kotak-kotak elektron “.

“Kotak-kotak elektron”

Orbital dapat diwakili oleh kotak dan atom digambarkan sebagai anak panah. Anak panah ke atas dan anak panah ke bawah digunakan untuk menggambarkan elektron yang berbeda arah.

Orbital 1s ditempati oleh 2 elektron seperti gambar dan kita bisa menuliskannya lebih singkat dengan 1s2 . Kata ini dibaca ” satu s dua ” bukan ” satu s kuadrat “.
Ingat, angka 1 mewakili tingkat energi, huruf s mewakili tipe dari orbital dan angka 2 mewakili jumlah elektron yang berada pada orbital tersebut.

Urutan mengisikan orbital

Elektron mengisi dari orbital pada tingkat energi rendah ( dekat dengan nukleus ) sebelum mengisi pada orbital pada tingkat yang lebih tinggi. Ketika dihadapkan pada orbital yang berada pada energi yang sama, elektron akan mengisi orbital yang kosong dahulu.
Diagram di bawah ini menggambarkan tingkat energi orbital sampai tingkat energi keempat.
Perhatikan bahwa orbital s selalu memiliki energi yang rendah daripada orbital p pada seluruh tingkat energi, jadi orbital s akan ditempati terlebih dahulu oleh elektron sebelum menempati orbital p.
Kita akan menemui kejanggalan pada posisi orbital 3d. Orbital ini berada pada tingkat energi yang lebih tinggi daripada 4s - jadi elektron akan menempati orbital 4s lebih dahulu sebelum menempati orbital 3d dan baru kemudian 4p. Kejanggalan berikutnya akan kita temui pada tingkat energi yang lebih tinggi lagi, sebagai contoh, di mana terjadi penindihan tingkat energi yang mengakibatkan orbital 4f akan terisi setelah orbital 6s.