MODUL II & III

JUDUL: STRUKTUR ATOM

BAB I

PENDAHULUAN

a. Latar Belakang

Pengetahuan tentang sturktur atom adalah awal dari pengetahuan tentang

bagaimana logam memperoleh kekuatannya, bagaimana logam dapat

berinteraksi dengan sesamanya serta bagaimana pengaruh lingkungan luar

terhadap kestabilannnya.

Pengetahuan ini setidaknya dapat memberikan gambaran kepada

mahasiswa bahwa atom memiliki sifat yang sangat unik yang memberikan

perilaku fisik, kimia, mekanik, listirk, perilakunya terhadap cahaya dsb

dari bahan logam.

b. Ruang Lingkup Isi

Modul II ini berisi tentang konsep dasar atom dan elektron, juga tentang

model atom selain itu juga berisi tentang :

• Bilangan Kuantum

• Jarak Antar Atom

• Tabel Periodik

c. Kaitan Modul

Modul ini akan mengantarkan pemahaman mahasiswa tentang atom dan

memberikan pengetahuan untuk melangkah kepada pembentukan ikatan

kimia khususnya ikatan logam yang berperan besar menjadi sumber dari

kekuatan bahan logam.

d. Sasaran Pembelajaran Modul

Agar mahasiswa dapat :

• Mengulang kembali beberapa konsep dasar tentang atom utamanya

teori atom, model atom, elektron dan bilangan kuantum.

• mengetahui gambaran kualitatip hubungan antara gaya dan energi

ikat dengan jarak antar atom.

9

• mengetahui pengaruh berbagai faktor akibat ukuran atom seperti

Bilangan Koordinasi

• mengingat kembali tetantang sifat-sifat atom berdasarkan

penempatannya pada tabel periodik.

10

BAB II

PEMBELAJARAN

Beberapa Konsep Dasar

Atom dalam ilmu bahan dianggap sebagai satuan dasar dari struktur intern

bahan. Beberapa konsep dasar tentang atom telah dikenal seperti, nomor atom,

massa atom dan hubungannya dengan table periodic.

Model Atom Bohr’s

Bohr memberikan model atom yang sederhana yang menggambarkan

struktur atom. Dia mengasumsikan bahwa elektron bergerak mengelilingi inti

dalam lintasan yang tetap yang disebut orbit. Tiap elektron hanya dapat memiliki

sebuah keadaan energi. Muatan dari elektron adalah negatif dengan besar 1.6 x10-

19C. Apabila elektron melompat dari level energi tinggi ke rendah akan

melepaskan radiasi sebaliknya apabila melompat dari level energi rendah ke tinggi

akan mengabsorpsi energy radiasi. Menurut Planck, energy E memiliki nilai :

E = nhv

Atau

E = λch.

Dimana n bernilai positip 1, 2, 3,......,7, h adalah konstanta Planck yang nilainya :

6.626 x 10 -34 dan v adalah frekuensi radiasi yang dilepaskan atau diserap..

Pada model atom bohr setiap orbit memiliki karakteristik yang digambarkan

dengan dua bilangan kuantum yaitu bilangan kuantum prinsipal yang

menggambarkan level energi dan bilangan kuantum angular k yang

menggambarkan momentum angular yang sama dengan kh/2π. Ratio n/k adalah

ratio antara sumbu mayor dan minor lintasan

orbit. Bila n=k lintasan orbit akan berbentuk

lingkaran. Hal ini berarti bahwa semakin

rendah harga k untuk tiap harga n maka

semakin eksentris dari lintasan orbit

tersebut.

Gambar Model atom bohr.

11

Kuantum Mekanik

Meskipun berhasil menggambarkan sebuah model atom bohr tidak dapat

menjelaskan dengan detail untuk atom multielektron juga tidak dapat menjelaskan

ikatan kimia. Langkah pertama dalam pengembangan mekanika kuantum adalah

konsep material sebagai partikel dan gelombang atau dikenal dengan the concept

of wave-particle duality.

De broglie mengatakan bahwa bila sebuah partikel bergerak dengan

kecepatan tertentu dapat diibaratkan dengan penjalaran gelombang dengan arah

yang sama. Panjang gelombang dari partikel dapat dirumuskan dengan

persamaan:

ph

=λ

Dimana h adalah konstanta planck dan p adalah momentum partikel dengan massa

m dan kecepatan v dengan subtitusi p = mv maka

mvh

=λ

Contoh :

Hitunglah energi (joule) dan dalam elektron volt (eV) dari foton dengan panjang

gelombang 121.6 nm. (1.00 eV = 1.6 x 10-19 J; h = 6.63 x10-34 J.s; 1 nm = 10-9m.

Jawab :

eV 10.2atau J 1063.1)/10.(6.121

)/1000.3.(.1063.6

.

18

9

834

−

−

−

=

=

=Λ

xnmmnm

smxsJx

chEλ

Satuan Massa Atom ( Atomic mass unit )

Sma didefenisikan sebagai seperdua belas massa atom karbon-12, yaitu

isotop (jumlah proton sama tetapi jumlah neutron yang berbeda) karbon yang

paling sering dijumpai. Massa atom rata-rata dari atom karbon adalah 12,011 sma

Contoh :

Atom Hidrogen ---------- 1 sma

Atom Karbon ---------- 12 sma.

12

Atom Oksigen ---------- 16 sma

Atom Besi ---------- 56 sma.

Nomor Atom

Nomor atom menunjukkan jumlah electron yang terdapat dalam atom

netral. (sama dengan jumlah proton yang terdapat dalam inti atom ).

Setiap unsur atau elemen mempunyai nomor atom tersendiri. Mulai dari Hidrogen

dengan nomor atom satu hingga Uranium dengan 92 elektron.

Khusus untuk electron yang paling luar sangat menentukan sifat-sifat utama

bahan seperti :

1. Sifat –sifat kimia

2. Menentukan ikatan antar atom-atom sehingga menentukan karakteristik

mekanik bahan.

3. mengendalikan ukuran atom yang mempengaruhi konduktivitas listrik dari

bahan

4. mempengaruhi karakteristik optic

5. dsb.

ZXA

Z = Jumlah Proton (bermuatan positip)

= Jumlah electron (bermuatan negatip)

= Nomor Atom

A = Massa Atom

Ion

Bila suatu atom melepaskan electron, atom tersebut berubah menjadi Ion

positip (Kation) (Positip karena jumlah proton > dari jumlah electron) demikian

sebaliknya bila menerima electron menjadi Ion negative (anion).

Elektron

Elektron, yang terdapat dalam atom tunduk pada pengaturan yang ketat

disebabkan electron mempunyai karakteristik gelombang tegak tersendiri didalam

mengitari inti atom

13

Pada atom tunggal, electron memiliki tingkat energi yang spesifik atau

disebut orbital (yaitu tingkat energi yang bisa menghasilkan karakteristik

gelombang tegak, tentunya dengan frekunsi tertentu)

Contoh :

Atom Hidrogen memiliki tingkat energi electron sebesar 13,6 eV atau 2,2

x 10 -18 Joule (artinya dibutuhkan energi 13,6 eV untuk memisahkan elktron dari

intinya, untuk diketahui electron hydrogen memiliki tingkat energi paling rendah)

Contoh :

a. Hitunglah massa dalam gram dari satu atom tembaga

b. Berapa banyak jumlah atom dalm 1 gram tembaga?

Jawab

a. Massa atom tembaga adalah 63.54 gr/mol. Jadi dalam 63.54 gr tembaga

mengandung 6.02 x 1023 atom, sehingga massa satu atom tembaga adalah :

gramxmolatomx

molCugr 2223 1005.1

/1002.6/54.63 −=

b. Jumlah atom dlam 1 gram tembaga :

atomxmolg

molatomx

23

23

1047.9/54.63

/1002.6

=

Contoh :

Sebuah koin yang dibuat dengan proses cladding terdiri dari paduan 75 % Cu dan

25 % Ni, Berapa persen atom Cu dan Ni dalam koin tersebut

Jawab

Dengan mengasumsikan dalam 100 gram, maka terdapat 75 gram Cu dan 25

gram Ni. Sehingga jumlah gram-mol Cu dan Ni adalah :

Jumlah gram-mol Cu = molmolgram

gram 1803.1/54.63

75=

Jumlah gram-mol Ni = molmolgr

gram 4250.0/69.58

25=

Sehingga jumlah total mol : 1.6063 mol

14

% atom Cu = %5.73%1006063.11803.1

=xmolmol

% atom Ni = %5.266063.14260.0

=molmol

Orbital terluar memiliki arti yang sangat penting karena ditempati oleh

electron valensi.Yang sangat berperan dalam ikatan kimia. Elektron-elektron

valensi tersebut dapat dipindahkan dengan medan listrik yang kecil (energi

ionisasi) sehingga atom berubah menjadi Kation. Bila orbital valensi tidak terisi ,

maka atom dapat menerima electron tambahan untuk menempati level energi

tersebut dan dengan demikian menjadi anion.

Dalam teori atom modern electron berada dalam orbital. Setiap orbital

mempunyai tingkat energi dan bentuk tertentu. Satu atau beberapa orbital dengan

tingkat energi yang sama membentuk sub kulit. Selanjutnya satu atau beberapa

sub kulit dengan tingkat energi yang mirip membentuk kulit atom.

Untuk menyatakan posisi suatu orbital diperlukan tiga bilangan kuantum

(tiga kode), yaitu bil.kuantum utama (n) kuantum azimuth (l) dan bil.kuantum

magnetic (m). sedangkan untuk kedudukan electron digunakan bilangan kuantum

keempat, yaitu bilangan kuantum spin (s)

Bilangan Kuantum Utama (n)

Menyatakan kulit tempat electron berada, mempunyai nilaim1,2,3,4 dst

dinyatakan dengan lambang K (n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4) dst. Bila sebuah

electron mempunyai bil.kuantum utama 4 berarti berada pada kulit utama ke 4,

makin besar nilai n maka makin besar pula ukuran orbital.

Bilangan kuantum azimuth (l)

Menyatakan sub kulit (sub tingkat energi).. Nilai-nilai yang diizinkan

tergantung pada bil.kuantum utama, yaitu semua bil. Bulat dari 0 sampai (n-1).

Dilambangkan dengan s (untuk l=0) ,p (untuk l=1), d ( untuk l= 2), f (untuk l =3)

dst.

Contoh :

Untuk n = 1 maka nilai l = 0 berarti hanya 1 sub kulit yaitu tipe s

Untuk n = 2 maka nilai l = 0 dan 1 berarti terdapat 2 sub kulit s dan p

15

Untuk n = 3 maka nilai l = 0,1 dan 2 berarti terdapat 3 sub kulit yaitu, s.p, dan d

Dari contoh diatas dapat disimpulkan jumlah sub kulit dari kulit ke n adalah

sebanyak n.

Bilangan kuantum magnetic (m)

Menyatakan orientasi dari orbital. Nilainya tergantung pada bil.kuantum azimuth.

Bila l = 0 maka m = 0, berarti hanya 1 orbital

Bila l = 1 maka m = -1, 0, +1, berarti 3 orbital

Bila l = 2 maka m = -2, -1, 0, +1, +2, berarti 5 orbital

Bilangan Kuantum Spin (s)

Menyatakan arah perputaran electron pada sumbunya didalam orbital. Ada

dua kemungkinan rotasi electron yaitu searah jarum jam dan berlawanan jarum

jam.

Bila searah jarum jam = + ½ atau panah keatas.

Bila berlawanan jarum jam = - ½ atau panah kebawah.

Tabel Alokasi keadaan elektron pada ketiga kulit kuantum. Kulit n l m s Jumlah keadaan Jumlah maksimum elektron Pertama K 1 0 0

± 1/2 dua keadaan 1-s 2

0 0 ± 1/2 dua keadaan 2-s

1 ± 1/2

0 ± 1/2

Kedua L 21

-1

± ½

enam keadaan 2-p 8

0 0 ± 1/2 dua keadaan 3 s

1 ± 1/2

0 ± 1/2 1

-1

± 1/2

enam keadaan 3-p

2 ± 1/2

1 ± 1/2

0 ± 1/2

-1

± 1/2

2

-2

± 1/2

Sepuluh keadaan 3-d

18 Ketiga M 3

16

Pengisian Orbital

Gambaran sebaran electron dalam orbital-orbital kulit electron disebut

konfigurasi electron. Ada 3 kaidah/prinsip yang harus diperimbangkan dalam

penentuan konfigurasi electron, yaitu :

azaz aufbau = Dimulai dari tingkat energi yang rendah ketingkat energi tertinggi.

Azaz pauli (larangan pauli) = tidak akan ada dua electron dalam satu atom

mempunyai keempat bilangan kuantu yang sama. Bil Utama, azimuth, magnetic

sama tetapi spin berbeda.

Kaidah Hund = pada pengisian orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama,

maka mula-mula electron menempati orbital sendiri-sendiri dengan spin parallel,

baru kemudian berpasang-pasangan.

Urutan pengisian orbital ;

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

Contoh :

Tulislah konfigurasi electron untuk atom Fe, Fe2+dan Fe3+.

Jawab :

Fe = 1s22s22p63s23p63d64s2

Fe2+ = 1s22s22p63s23p63d6

Fe3+ = 1s22s22p63s23p63d5

IKATAN ATOM

Kebanyakan produk dibuat dari bahan padat yang tersusun atas sedemikian

banyak atom yang saling mengikat satu dengan lainnya. Sebagai contoh sepotong

kawat tembaga, setiap gram mengandung 0,602 x 1024 / 63,54 atom. Bila berat

jenis tembaga adalah 8,9 gram /cm3 maka akan terdapat 8,4 x 1022 atom dalam

setiap cm3 tembaga atau 8,4 x 1028 atom /m3.

Dalam kondisi demikian tentu terdapat gaya tarik menarik yang sangat

kuat sehingga atom-atom tersebut tidak tercerai berai dengan mudah. Gaya tarik

menarik antar atom tersebut berpangkal pada struktur elektronik atom

Atom akan selalu berusaha dalam keadaan stabil (keadaan dimana tidak

melepaskan energi). Keadaan ini dapat dicapai melalui beberapa prosedur berikut:

17

1. Menerima electron tambahan

2. Melepaskan electron.

3. Membagi electron.

Ketiga proses tersebut menghasilkan ikatan yang kuat. Diperlukan sekitar

500kJ/mol utk merusak ikatan-ikatan ini (500kJ/0,602 x 1024 ikatan )

JARAK ANTAR ATOM

Pada molekul diatomic terdapat ikatan dan koordinasi dari dua atom saja,

akan tetapi kebanyakan bahan menyangkut koordinasi dari beberapa atom menjadi

suatu struktur yang terintegrasi.

Gaya tarik menarik antar atomic yang telah dibahas sebelumnya mengikat

atom-atom tersebut, akan tetapi sebenaranya terdapat jarak yang menghalangi

lebih merapatnya atom-atom tersebut. Seperti diketahui disekitar inti atom

terdapat “ ruang kosong “ yang dibuktikan oleh kenyataan bahwa neutron bebas

bergerak melintasi bahan bakar padat dan bahan lainnya dalam suatu reactor

nuklir, bergerak diantara sejumlah atom sebelum akhirnya berhenti.

Ruang diantara atom-atom tersebut ditimbulkan oleh gaya tolak menolak

antar atom disamping gaya tarik menarik antar atom yang telah diuraikan diatas.

Jarak seimbang terjadi bila gaya tarik menarik dan gaya tolak menolak sama

besar. Analogi yang paling menggambarkan terjadinya jarak antar atom adalah

seperti jarak pada dua cincin magnit. Tentu saja jenis gaya analogi ini tdk sama,

namun prinsip keseimbangan gaya adalah sama. Cincin magnit teratas tertarik

kebawah oleh gaya gravitasi hingga mengalami gaya tolak menolak oleh cincin

magnit dibawah sampai pada jarak keseimbangan. Suatu bahan non magnetic

dapat bergerak bebas diantara kedua cincin magnet tersebut seperti neutron yang

dapat bergerak diantara atom-atom.

Pada jarak yang lebih besar dari jarak pemisah atom, gaya tarik menarik

lebih dominant dan pada jarak yang lebih kecil dari jarak antara atom gaya tolak

menolak lebih dominant.

Jarak keseimbangan adalah jarak spesifik untuk pasangan atom atau ion

tertentu. Diperlukan gaya yang cukup besar untuk meregang atau menekan jarak

tersebut sebanyak satu persen.

18

Energi Ikatan

Jumlah kedua gaya tersebut (gaya tarik dan gaya tolak) menjadi dasar

untuk energi ikatan. Karena energi sama dengan gaya kali jarak, maka :

E = ∫ ∞

+a

F da )Tolak F tarik (

TABEL PERIODIK

Kita akan mempelajari proses umum penyusunan table periodic, electron

demi electron secara lebih rinci. Pengisian bertahap keadaan-keadaan energi dari

masing-masing unsure menjadi dasar penyusunan table periodic.

Periode pertama dimulai dengan atom hidrogen yang sederhana yang

terdiri dari satu proton didalam nukleus dan satu elektron tunggal yang

mengelilinginya (Z=1). Olehnya atom dari segi kelistrikan bersifat netral dan

dalam keadaan energi yang terendah, elektron akan berada dalam keadaan 1s.

Helium, elemen berikutnya dimana muatan nukleus bertambah satu proton

lagi dan satu elektron tambahan mempertahankan kenetralannya (Z=2). Kedua

elektron ini mengisi keadaan 1s dan oleh karenanya perlu mempunyai spin yang

berlawanan. Nukleus helium memiliki dua proton dan dua neutron sehingga

massanya empat kali lebih besar dari atom hidrogen.

Atom berikutnya adalah lithium memiliki muatan nuklir 3 (Z=3) dan,

karena kulit pertama penuh, suatu elektron harus memasuki keadaan 2s yang

memiliki energi yang lebih tinggi. Elektron yang berada pada keadaan 2s ini

biasanya disebut sebagai elektron valensi. Elektron valensi ini ditarik oleh inti

19

namu dengan ikatan yang kurang kuat akibatnya relatif lebih mudah untuk

memisahkan elektron valensi ini. Proses terlepas dan terikatnya suatu elektron

pada suatu unsur dikenal sebagai ionisasi.

Pengembangan dari periode pendek pertama dari lithium (Z=3) hingga

neon(Z=10) dapat lenih mudah dilihat pada tabel periodik dibawah. Sejauh ini set-

set keadaan yang terkait dengan dua bilangan kuantu utama (n=1, n=2) telah terisi

dan elektron-elektron dalam keadaan ini dikatakan telam membentuk kulit-kulit

yang tertutup. Merupakan konsekuensi dari mekanika kuantum bahwa setelah

suatu kulit terisi, energi kulit tersebut jatuh kenilai yang sangat rendah dan

konfigurasi elektronik yang dihasilkannya sangat stabil. Jadi helium, neon, argon

dan kripton diasosiasikan dengan kulit tertutup dan, karena secara lahiriah stabil

dan secara kimiawi tidak reaktif, dikenal sebagai kumpulan gas inert atau gas

mulia.

Periode pendek kedua dari natrium (Z=11) hingga argon (Z=18), dimulai

dengan pengisian 3s dan berakhir setelah orbital-orbital 3p penuh (lihat tabel).

Periode panjang sesudah periode ini membentang dari kaliun (Z=19) hingga

kripton (Z=36) dan sebagaimana diketahui memiliki ciri yang berbeda yaitu

pengisian keadaan 4s sebelum 3d. Jadi kalium memiliki kemiripan dengan lithium

dan natrium yaitu bahwa elektron dengan energi tertingginyaberada dalam

keadaan s, sebagai akibatnya elemen-elemen ini meiliki reaktivitas kimia yang

sangat mirip dengan membentuk gugus yang dikenal sebagai elemen-elemen

logam alkali. Setelah kalsium (Z=20), pengisian keadaan 3d dimulai.

Keadaan 4s pada kalsium (Z=20) telah terisi dan pengisian keadaan 3d

dapat terjadi karena energinya cukup besar dan menghasilkan skandium (Z=21),

pengisian berlanjut hingga tembaga (Z=29) merampungkan deret pertama elemen

transisi. Setelah tembaga keadaan-keadaan energi terisi dengan cara yang biasa

dan periode panjang pertama diakhiri dengan kripton (Z=36). Perlu dicatat bahwa

elemen-elemen lantanida (Z=57 hingga Z = 71) dan elemen-elemen aktinida

(Z=89 hingga 103) dipisahkan pada tabel periodik karena urut-urutan pengisian

keadaan energi.

Apabila memperhatikan perbedaan langkah yang kecil dari suatu elektorn

diantara elemen-elemen yang berdampingan pada tabel periodik, tidaklah

20

mengherankan apabila ia menemukan bahwa pembedaan antara elemen metalik

dan non metalik tidaklah jelas. Bahkan terdapat sekelompok elemen antara

(intermediate), elemen-elemen metaloid, yang memiliki sifat logam dan sifat non

logam sekaligus. Akan tetapi, kta dapat menganggap elemen-elemen yang dengan

mudah kehilangan elektron, melalui ionisasi atau pembentukan ikatan, sebagai

elemen yang karakter metaliknya sangat kuat (contohnya logam alkali).

Sebaliknya elemen-elemen yang memiliki kecenderungan kuat untuk memperoleh

sebuah elektron sehingga membentuk konfigurasi stabil yang terdiri dari dua atau

delapan elektron dikulit terluarnya digolongkan sebagai elemen-elemen non

metalik (contohnya halogen-halogen fluorin, klorin, bromin, iodin)

Jadi elemen-elemen metalik bersifat elektropositip dan elemen-elemen non

metalik bersifat elektronegatif masing-masing terletak disisi kiri dan sisi kanan

tabel periodik.

Sebagaimana bila dipelajari lebih lanjut aspek-aspek ini dan aspek-aspek lain

mengenai perilaku elektron-elektron terluar (valensi) mempunyai pengaruh yang

sangat menonjol dan menentukan pada ikatan dan olehnya juga sangat

mempengaruhi sifat listrik, magnetik dan optik.

Karena sebelumnya kita telah menyadari bahwa periodisitas-periodisitas

perilaku kimiawi yang kerap kali terlihat ini dapat dinyatakan dalam konfigurasi

elektronik, penekanan diberikan pada ”berat atomik”. Kuantitas ini, yang sekarang

disebut sebagai massa atomik relatif, meningkat secara konstan diseluruh bagian

tabel periodik pada saat proton dan neutron ditambahkan kedalam nukleus. Massa

atomik menentukan sifat fisis seperti densitas (kerapatan), kapasitas panas spesifik

dan kemampuan mengabsorpsi radiasi elektromagnetik; oleh karena itu massa

atomik sangat relevan bagi keteknikan. Sebagai contoh banyak keramik terbuat

dari material dasar elemen-elemen ringan seperti aluminium, silikon dan oksigen

sehingga memiliki kerapatan rendah, yaitu < 3000 kg/m3.

21

22

Soal Latihan

1. Berapakah besar massa dan muatan dari sebuah : proton; neutron; dan

elektron?

2. Jelaskan apa yang dimaksud dengan nomor atom, massa atom dan bilangan

avogadro ?

3. Hitunglan massa dari 1 atom nikel !

4. Hitunglah berapa jumlah atom dalam 1 gram nikel !

5. Bila sebuah kawat aluminium dengan diameter 1.1 mm dan panjang 15 cm,

berapakah jumlah atom Al kawat tersebut, Bila diketahui massa jenis Al

adalah 2.7 g/cm3

6. Sebuah paduan kuningan berisi 70 % Cu dan 30 % Zn, hitunglah berapa

persen atom Cu dan Zn dalam paduan tersebut !

7. Tuliskan konfigurasi elektron dari unsur dibawah ini :

a. Cr2+

b. Cr6+

c. Se4+

d. Se2-

8. Jelaskan model atom Bohr untuk atom Hidrogen!

9. Jelaskan apa yang dimaksud dengan bilangan kuantum !

10. Jelaskan apa yang dimaksud dengan keelektronegatifan. !

23

Lampiran Tabel Periodik

BAB III

PENUTUP

Modul ini telah mengantar kita memahami tentang struktur atom serta

pemahaman tentang hubungan antara struktur atom dan sifat-sifat logam.

Pengetahuan ini setidaknya dapat memberikan gambaran kepada mahasiswa bahwa

atom memiliki sifat yang sangat unik yang memberikan perilaku fisik, kimia,

mekanik, listirk, perilakunya terhadap cahaya dsb dari bahan logam.

24