STRUKTUR ATOM POLIELEKTRON

Pendahuluan

• Struktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan elektron   bermuatan negatif yang mengelilinginya.
• Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani, yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi
• Teori atom mekanika kuantum tidak berhasil menyelsaikan masalah atom polielektron secara eksek, kesulitanya adalah dengan bertambahnya jumlah elektron menimbulkan bakutarik antara elektron-inti dan baku tolak antara elektron-elektron yang makin rumit, 
•  Cara menagani masalah atom polielektron di gunakan metode pendekatan,yaitu menjadikan atom hidrogen yang telah di selsaikan secara eksek sebagai dasar, kemudian antar aksi yang lain di masukkan secara sistematis kedalam perhitungan ( “SELF-CONSISTENCIES FIELD ( SCF)")

Pengertian dan Penjelasan

 

 Atom tersusun dari : 

1. Inti atom (berupa proton & neutron )

2. Kulit atom yg mengandung elektron-elektron, Elektron (-) yang berada pada lintasan-lintasan tertentu bergerak mengelilingi inti atom (+), Jumlah elektron sama dengan jumlah proton sehinga secara keseluruhan atom bersifat netral

Kulit terdiri atas subkulit yang berisi orbital-orbital dengan bilangan kuantum utama yang sama. Jumlah orbital dalam setiap kulit dinyatakan dengan  rumus  n^2 dan jumlah maksimum elektron yang dapat menempati setiap kulit dinyatakan dengan rumus 2n^2

Contoh 

Berapa jumlah orbital dan jumlah maksimum elektron dalam kulit M? 

Penyelesaian:

Kulit M memiliki bilangan kuantum, n = 3 maka jumlah orbital dalam kulit M adalah 32 = 9 orbital dan jumlah maksimum      elektronnya sebanyak 2(3)^2= 18 elektron

Konfigurasi elektron

      Pada mekanika gelombang atau mekanika kuantum, elektron-elektron dalam suatu atom akan tersebar ke dalam orbital-orbital (s, p, d, f, dan seterusnya). Bagaimana pengisian elektron ke dalam orbital? Pengisian orbital oleh electron mengikuti aturan dengan memperhatikan tiga hal, yaitu asas AufBau, asas larangan Pauli, dan asas Hund.

a. Asas AufBau

Menurut asas AufBau, pada kondisi normal atau pada tingkat dasar, elektron akan menempati orbital yang memiliki energy terendah terlebih dahulu dan diteruskan ke orbital yang memiliki energi lebih tinggi. Untuk memudahkan dalam pengisian electron diberikan tahap-tahap pengisian elektron dengan menggunakan jembatan ingatan sebagai berikut;

 

Arah anak panah menyatakan urutan pengisian orbital. Dengan demikian urutan pengisian elektron berdasarkan gambar tersebut berurut-urut 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, dan seterusnya. Pengisian elektron harus satu persatu dan setiap orbital hanya boleh diisi oleh maksimal 2 elektron.

 

b. Asas larangan Pauli

Pauli mengemukakan hipotesisnya yang menyatakan bahwa dalam satu atom tidak mungkin dua elektron mempunyai keempat bilangan kuantum sama. Misal, 2 elektron akan menempati subkulit 1s. Tiga bilangan kuantum pertama akan mempunyai nilai yang sama (n = 1, l = 0, m = 0). Untuk itu bilangan kuantum yang terakhir, yaitu bilangan kuantum spin(s) harus mempunyai nilai berbeda +1/2 dan -1/2.

Dengan kata lain, setiap orbital maksimal hanya dapat terisi 2 elektron dengan arah spin berlawanan. Sebagai contoh, pengisian elektron pada orbital 1s digambarkan sebagai berikut:

Mengapa pada satu orbital hanya dapat ditempati maksimal oleh dua elektron? Karena jika ada elektron ketiga, maka electron tersebut pasti akan mempunyai spin yang sama dengan salah satu elektron yang terdahulu dan itu akan melanggar asas larangan Pauli dengan demikian tidak dibenarkan. Jumlah elektron maksimal untuk tiap subkulit sama dengan dua kali dari jumlah orbitalnya.

1. Orbital s maksimal 2 elektron,
2. Orbital p maksimal 6 elektron,
3. Orbital d maksimal 10 elektron, dan
4. Orbital f maksimal 14 elektron,

c. Asas Hund

Frederick Hund, 1927 (dikenal Hund) mengatakan bahwa pengisian elektron pada orbital yang setingkat (energinya sama) dalam satu orbital adalah satu per satu dengan arah spin yang sama sebelum berpasangan. Asas ini dikemukakan berdasarkan penalaran bahwa energi tolak-menolak antara dua elektron akan minimum jika jarak antara elektron berjauhan. Untuk lebih memahaminya, perhatikan gambaran pengisian elektron pada orbital p.

Contoh pengisian yang benar:

Contoh pengisian yang salah

 

Untuk penulisan konfigurasi elektron yang mempunyai jumlah elektron besar dapat dilakukan penyederhanaan. Penyederhanaan dilakukan dengan menuliskan simbol dari unsur gas mulia yang mempunyai nomor atom di bawahnya, diikuti dengan penulisan kekurangan jumlah elektron setelah gas mulia tersebut.

d. Penyimpangan konfigurasi elektron

Berdasarkan eksperimen, terdapat penyimpangan konfigurasi elektron dalam pengisian elektron. Penyimpangan pengisian elektron ditemui pada elektron yang terdapat pada orbital subkulit d dan f. Penyimpangan pada orbital subkulit d dikarenakan orbital yang setengah penuh (d5) atau penuh (d10) bersifat lebih stabil dibandingkan dengan orbital yang hampir setengah penuh (d4) atau hampir penuh (d8 atau d9). Dengan demikian, jika electron terluar berakhir pada d4, d8 atau d9 tersebut, maka satu atau semua elektron pada orbital s (yang berada pada tingkat energy yang lebih rendah dari d) pindah ke orbital subkulit d. Lihat beberapa contoh dalam Tabel 1.4.

Tabel 1.4 Penyimpangan pada orbital d

 

Pada orbital f , sebagaimana dengan penyimpangan konfigurasi dalam orbital d, maka konfigurasi elektron yang berakhir pada orbital f juga mengalami penyimpangan. Penyimpangan dalam pengisian elektron dalam orbital ini disebabkan oleh tingkat energi orbital saling berdekatan hamper sama. Penyimpangan ini berupa berpindahnya satu atau dua elektron dari orbital f ke orbital d. Lihat beberapa contoh dalam Tabel 1.5

Tabel 1.5 Penyimpangan pada orbital f.

e. Penulisan konfigurasi elektron pada ion

Penulisan konfigurasi elektron di atas berlaku pada atom netral. Penulisan konfigurasi elektron pada ion yang bermuatan pada dasarnya sama dengan penulisan konfigurasi elektron pada atom netral. Atom bermuatan positif (misalnya +x) terbentuk karena atom netral melepaskan elektron pada kulit terluarnya sebanyak x, sedangkan ion negatif (misalnya –y) terbentuk karena menarik elektron sebanyak y. Penulisan konfigurasi elektronnya hanya menambah atau mengurangi elektron yang dilepas atau ditambah sesuai dengan aturan penulisan konfigurasi elektron. Ini berlaku untuk semua unsur yang membentuk ion, termasuk unsur transisi.

Perhatikan contoh berikut:

 

 Diagram Tingkat Energi Orbitan

Orbital Atom

Orbit dan orbital kedengarannya serupa, padahal keduanya memiliki arti yang agak berbeda. Merupakan hal yang  ukup penting untuk mengerti perbedaan tersebut.
  Ketidakmungkinan menggambar orbit dari elektron
Untuk menggambar jalur dari sesuatu anda perlu tahu dengan tepat dimana objek tersebut berada dan akan berada dimana objek tersebut beberapa saat kemudian. Hal ini tidak dapat dilakukan untuk elektron. Prinsip ketidakpastian Heisenberg mengatakan bahwa tidak dapat ditentukan dengan tepat dimana dan akan kemana sebuah elektron. Itu menjadikan tidak mungkin untuk menggambar orbit dari elektron di sekitar nukleus. Tapi, apakah ini masalah yang besar? Tidak. Jika sesuatu tidak mungkin anda harus menerimanya dan mencari pemecahan dari masalah tersebut. Elektron hidrogen -orbital 1s  
Anggap anda memiliki sebuah atom hydrogen dan pada suatu saat tertentu anda menggambar posisi dari satu elektron tersebut. Beberapa saat kemudian anda melakukan hal yang sama dan menemukannya sudah berada di posisi yang baru. Anda mungkin tidak mengerti bagaimana ele tron tersebut berpindah dari posisi pertama ke posisi kedua.
 Anda melakukan hal ini berulang-ulang kali dan pelan-pelan anda akan dapat menemukan suatu peta 3D dari letak elektron tersebut.
Pada kasus hidrogen Elektron dapat ditemukan dimanapun di dalam ruangan bola disekitar nukleus. Diagram diatas menggambarkan potongan melintang dari ruangan bola tersebut.
95% dari keseluruhan waktu (atau mungkin persentase lain yang anda pilih) elektron dapat ditemukan dengan mudah di daerah dekat dengan nu leus. Daerah seperti itu yang disebut dengan orbital. Anda dapat membayangkannya sebagai suatu daerah dimana elekron berada.
Apa yang elektron lakukan di orbital? Kita tidak tahu dan kita tidak bisa tahu. Jadi kita tidak akan membahas tentang hal tersebut. Yang bisa kita katakan hanyalah bila elektron berada di suatu orbital tertentu elektron tersebut akan memiliki tingkat energi tertentu. Tiap tingkat energi memiliki nama masing- masing.
Orbital yang dimiliki oleh ele tron hydrogen disebut sebagai orbital 1s. Angka 1 melambangkan bahwa orbital tersebut berada pada level energi terdekat dari nukleus. Dan huruf s melambangkan bentuk dari orbital tersebut. Orbital s berbentuk sebuah bola yang simetris di sekitar nukleus yang pada kasus tertentu seperti bola dengan isi yang kosong dengan nukleus sebagai pusatnya.  
Orbital pada gambar diatas adalah orbital 2s. Sama seperti orbital 1s kecuali daerah dimana elektron mungkin berada lebih jauh dari nukleus orbital ini berada pada tingkat energi kedua.
Jika anda mengamati dengan seksama anda akan menemukan adanya suatu daerah dengan kepadatan elektron yang lebih besar (dimana titik-titik menjadi padat) disekitar nukleus. (“Kepadatan elektron” adalah  cara lain menemkan elektron pada daerah tertentu.)
2s (juga  3s, 4s, dsb) elektron menghabiskan waktu di daerah  yang lebih dekat dengan nukleus lebih dari yang anda bayangkan. Efek ini untuk sedikit mengurangi energi yang dipakai oleh elektron pada orbital s. Makin dekat dengan nukleus. Makin kecil energi yang diperlukan.
Orbital 3s, 4s (dsb) secara progresif makin jauh dari nukleus. Orbital p

 

Tidak semua elektron berada pada orbital s. (Bahkan hanya sedikit). Pada tingkat energi yang pertama, satu-satunya orbital hanya  cukup untuk orbital 1s. Tetapi pada tingkat 2, selain orbital 2s ada juga orbital lain yang disebut orbital 2p.

Orbital p seperti dua balon identik yang diikat pada bagian tengah. Diagram disamping adalah potongan melintang dari struktur 3D daerah tersebut. Sekali lagi orbital tersebut menunjukkan daerah dimana elektron 95% dapat ditemukan.

Tidak seperti orbital s, orbital  p menunjuk ke arah arah tertentu.
Pada setiap tingkat energi ada tiga kemungkinan dari orbital p yang sama yang sama yang saling tegak lurus. Secara acak diberi nama sebagai p_x, p_y dan p_z.   Nama ini semata-mata hanya untuk memudahkan apa yang anda pikir sebagai arah x,y,z berganti secara terus menerus karena rotasi atom di ruang.

 

Orbital p pada tingkat dua disebut sebagai 2p_x, 2p_y dan 2p_z. Dan pada tingkat yang lain disebut sebagai 3p_x, 3p_y, 3p_z, 4p_x, 4p_y, 4p_z dan seterusnya.
Semua level memiliki orbital p kecuali level satu. Pada level yang lebih tinggi elekton lebih banyak ditemukan pada jarak yang jauh dari nukleus.

Memasukkan elektron kedalam orbital.
Karena pada saat ini kita hanya tertarik pada struktur elektron dari hydrogen dan karbon, kita tidak perlu memikirkan apa yang terjadi diatas level energi tingkat dua.
Ingat:
Pada level 1 hanya ada satu orbital – orbital 1s.
Pada level empat ada empat orbital -orbital  2s, 2p_x, 2p_y and 2p_z.
Tiap orbital mengandung 1 atau 2 elektron. Tidak lebih dari itu.

Elektron dalam kotak
Orbital dapat diwakili dengan kotak dan elektron dengan anak panah. Arah anak panah menunjukkan arah elektron yang berlawanan. Orbital 1s yang memiliki 2 elektron dapat ditunjukkan seperti gambar disamping, atau bisa juga ditulis lebih ringkas dengan 1s². Dibaca “satu s dua”, bukan “satu s kuadrat”.

Urutan dalam mengisi orbital
Elektron mengisi orbital energi rendah (yang dekat dengan nukleus) sebelum mengisi orbital di tingkat energi yang lebih tinggi. Saat ada pilihan antara orbital dengan tingkat energi yang sama elektron mengisi orbital satu satu sejauh mungkin.
Diagram berikut menunjukkan energi dari orbital di tingkat satu dan tingkat dua.
Perhatikan bahwa orbital 2s memiliki energi yang sedikit lebih rendah dari orbital 2p. Ini berarti bahwarbital 2s akan penuh dengan elektron terlebih dahulu sebelum orbital 2p. Semua orbital 2p memiliki tingkat energi yang sama.

Struktur elektron dari Hidrogen
Hidrogen hanya memiliki satu elektron dan itu akan mengisi orbital dengan tingkat energi terendah yaitu orbital 1s.
Struktur elektron hydrogen adalah 1s¹. Kita telah bahas hal ini sebelumnya.
Struktur Elektron dari Karbon
Karbon memiliki enam buah elektron. Dua pada orbital 1s dari molekul. Lalu dua yang selanjutnya pada orbital 2s. Sisanya akan terbagi satu satu dalam orbital 2p. Hal ini karena orbital 2p memiliki tingkat energi yang sama dan stabil pada keadaan sendiri.
Struktur elektron Karbon biasanya ditulis sebagai 1s²2s²2p_x¹2p_y¹.