Penjelasan Struktur atom

Penjelasan Struktur atom

KONSEP DASAR STRUKTUR ATOM

Setiap atom terdiri dari inti yang sangat kecil yang terdiri dari proton dan neutron, yang dikelilingi oleh elektron yang bergerak. Baik elektron maupun proton bermuatan listrik, besar muatannya adalah 1,602 x 10 (pangkat -19) C, yang bertanda negatif untuk elektron dan positif untuk proton; neutron bersifat netral secara listrik. Massa untuk partikel subatom ini sangat kecil; proton dan neutron memiliki kira-kira massa yang sama, 1,67 x 10 pangkat -27 kg, yang jauh lebih besar daripada elektron, 9,11 x 10 pangkat - 31 kg.

Setiap unsur kimia dicirikan oleh jumlah proton dalam nukleus, atau nomor atom (Z). Untuk atom yang netral atau lengkap secara elektrik, nomor atom juga sama dengan jumlah elektron. Nomor atom ini berkisar dalam satuan integral dari 1 untuk hidrogen hingga 92 untuk uranium, yang tertinggi dari unsur-unsur alami.

Massa atom (A) dari atom tertentu dapat dinyatakan sebagai jumlah massa proton dan neutron di dalam nukleus. Meskipun jumlah proton sama untuk semua atom dari suatu unsur tertentu, jumlah neutron (N) dapat bervariasi. Dengan demikian atom dari beberapa unsur memiliki dua atau lebih massa atom yang berbeda, yang disebut isotop. Berat atom suatu unsur sesuai dengan rata-rata tertimbang massa atom dari isotop alami atom. Satuan massa atom (sma) dapat digunakan untuk menghitung berat atom. Sebuah skala telah ditetapkan dimana 1 sma didefinisikan sebagai massa atom dari isotop karbon yang paling umum.

Berat atom suatu unsur atau berat molekul suatu senyawa dapat ditentukan berdasarkan amu per atom (molekul) atau massa per mol bahan.

Misalnya, berat atom besi adalah 55,85 sma/atom, atau 55,85 g/mol. Kadang-kadang penggunaan amu per atom atau molekul lebih mudah; pada kesempatan lain gram (atau kilogram) per mol lebih disukai.

ELECTRONS IN ATOMS

Atomic Models

Selama bagian akhir abad kesembilan belas disadari bahwa banyak fenomena yang melibatkan elektron dalam padatan tidak dapat dijelaskan dalam istilah mekanika klasik.

Yang terjadi selanjutnya adalah pembentukan seperangkat prinsip dan hukum yang mengatur sistem entitas atom dan subatomik yang kemudian dikenal sebagai mekanika kuantum.

Pemahaman tentang perilaku elektron dalam atom dan padatan kristal tentu melibatkan diskusi tentang konsep mekanika kuantum.

Namun, eksplorasi rinci dari prinsip-prinsip ini berada di luar cakupan buku ini, dan hanya perlakuan yang sangat dangkal dan disederhanakan yang diberikan.

Salah satu hasil awal mekanika kuantum adalah model atom Bohr yang disederhanakan, di mana elektron diasumsikan berputar di sekitar inti atom dalam orbital diskrit, dan posisi elektron tertentu kurang lebih didefinisikan dengan baik dalam hal orbitalnya.

Model atom ini ditunjukkan pada Gambar di bawah ini.

skema atom bohr

Prinsip mekanika kuantum penting lainnya menetapkan bahwa energi elektron terkuantisasi; yaitu, elektron diizinkan hanya memiliki nilai energi tertentu. Sebuah elektron dapat mengubah energi, tetapi dalam melakukannya ia harus membuat lompatan kuantum baik ke energi yang lebih tinggi yang diizinkan (dengan penyerapan energi) atau ke energi yang lebih rendah (dengan emisi energi). Seringkali, lebih mudah untuk memikirkan ini diperbolehkan

energi elektron sebagai yang terkait dengan tingkat energi atau negara. Keadaan ini tidak berubah terus menerus dengan energi; yaitu, keadaan yang berdekatan dipisahkan oleh energi yang terbatas. Misalnya, keadaan yang diizinkan untuk atom hidrogen Bohr ditunjukkan pada Gambar di bawah. Energi ini dianggap negatif, sedangkan referensi nol adalah elektron bebas atau tidak terikat. Tentu saja, elektron tunggal yang terkait dengan atom hidrogen hanya akan mengisi salah satu dari keadaan ini.

Dengan demikian, model Bohr merupakan upaya awal untuk menggambarkan elektron dalam atom, baik dari segi posisi (orbital elektron) dan energi (tingkat energi terkuantisasi).

(a) Tiga elektron pertama

keadaan energi untuk atom hidrogen Bohr.

(b) Keadaan energi elektron untuk tiga kulit pertama atom hidroge mekanis gelombang. (Diadaptasi dari WG Moffatt, GW Pearsall, dan J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. I, Structure, p. 10. Hak Cipta © 1964 oleh John Wiley & Sons, New York. .)

(a) Tiga elektron pertama keadaan energi untuk atom hidrogen Bohr. 

(b) Keadaan energi elektron untuk tiga kulit pertama atom hidroge mekanis gelombang. (Diadaptasi dari WG Moffatt, GW Pearsall, dan J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. I, Structure, p. 10. Hak Cipta © 1964 oleh John Wiley & Sons, New York. .)

Perbandingan (a) Bohr dan (b) model atom mekanik gelombang dalam hal distribusi elektron. (Diadaptasi dari Z. D. Jastrzebski, The Nature and Properties of Engineering Materials, edisi ke-3, hlm. 4. Hak Cipta © 1987 oleh John Wiley & Sons, New York.)

Model Bohr ini akhirnya ditemukan memiliki beberapa keterbatasan yang signifikan karena ketidakmampuannya untuk menjelaskan beberapa fenomena yang melibatkan elektron. Sebuah resolusi dicapai dengan model gelombang-mekanik, di mana elektron dianggap menunjukkan karakteristik seperti gelombang dan partikel. Dengan model ini, elektron tidak lagi diperlakukan sebagai partikel yang bergerak dalam orbital diskrit; alih-alih, posisi dianggap sebagai probabilitas keberadaan elektron di berbagai lokasi di sekitar nukleus. Dengan kata lain, posisi digambarkan dengan distribusi probabilitas atau awan elektron.

Gambar di bawah membandingkan Bohr dan model gelombang-mekanik untuk atom hidrogen. Kedua model ini digunakan di sepanjang buku ini; pilihannya tergantung pada model mana yang memungkinkan penjelasan yang lebih sederhana. Bilangan Kuantum Menggunakan mekanika gelombang, setiap elektron dalam atom dicirikan oleh empat parameter yang disebut bilangan kuantum.

Ukuran, bentuk, dan orientasi spasial dari kerapatan probabilitas elektron ditentukan oleh tiga bilangan kuantum ini. Selanjutnya, tingkat energi Bohr terpisah menjadi subkulit elektron, dan bilangan kuantum menentukan jumlah keadaan dalam setiap subkulit. Kulit ditentukan oleh bilangan kuantum utama n, yang dapat mengambil nilai integral yang dimulai dengan kesatuan; terkadang kulit-kulit ini dilambangkan dengan huruf K, L, M, N, O, dan seterusnya, yang masing-masing bersesuaian dengan n 1, 2, 3, 4, 5, . . . , seperti yang ditunjukkan pada Tabel di bawah ini

Jumlah Keadaan Elektron yang Tersedia di Beberapa ElektronKerang dan Subkulit

Jumlah Keadaan Elektron yang Tersedia di Beberapa Elektron

Kerang dan Subkulit

Perhatikan juga bahwa bilangan kuantum ini, dan hanya itu, juga dikaitkan dengan model Bohr. Bilangan kuantum ini terkait dengan jarak elektron dari nukleus, atau posisinya. Bilangan kuantum kedua, l, menandakan subkulit, yang dilambangkan dengan huruf kecil—an s, p, d, atau f; itu terkait dengan bentuk subkulit elektron. Selain itu, jumlah subkulit ini dibatasi oleh besarnya n.

Subkulit yang diizinkan untuk beberapa nilai n juga disajikan dalam Tabel di atas. Jumlah keadaan energi untuk setiap subkulit ditentukan oleh bilangan kuantum ketiga, ml. Untuk subkulit s, ada keadaan energi tunggal, sedangkan untuk subkulit p, d, dan f, masing-masing ada tiga, lima, dan tujuh keadaan (Tabel di atas). Dengan tidak adanya medan magnet eksternal, keadaan dalam setiap subkulit adalah identik. Namun, ketika medan magnet diterapkan, keadaan subkulit ini terpecah, dengan masing-masing keadaan mengasumsikan energi yang sedikit berbeda.

Terkait dengan setiap elektron adalah momen spin, yang harus berorientasi ke atas atau ke bawah. Terkait dengan momen putaran ini adalah bilangan kuantum keempat, ms, di mana dua nilai dimungkinkan satu untuk setiap orientasi putaran.

Dengan demikian, model Bohr disempurnakan lebih lanjut oleh mekanika gelombang, di mana pengenalan tiga bilangan kuantum baru memunculkan subkulit elektron di dalam setiap kulit. Perbandingan kedua model atas dasar ini diilustrasikan, untuk atom hidrogen, pada Gambar di atas diagram tingkat energi lengkap untuk berbagai kulit dan subkulit menggunakan model gelombang-mekanik ditunjukkan pada Gambar di bawah Beberapa fitur diagram yang perlu diperhatikan.

Pertama, semakin kecil bilangan kuantum utama, semakin rendah tingkat energinya; misalnya, energi keadaan 1s lebih kecil daripada energi keadaan 2s, yang pada gilirannya lebih rendah dari 3s. Kedua, di dalam setiap kulit, energi tingkat subkulit meningkat dengan nilai bilangan kuantum.

Misalnya, energi keadaan 3d lebih besar dari 3p, yang lebih besar dari 3s. Akhirnya, mungkin ada tumpang tindih energi suatu keadaan dalam satu kulit dengan keadaan dalam kulit yang berdekatan, yang terutama berlaku untuk keadaan d dan f; misalnya, energi keadaan 3d umumnya lebih besar daripada energi untuk 4s.

Representasi skema dari energi relatif elektron untuk berbagai kulit dan subkulit. (Dari K. M. Ralls, T. H. Courtney, dan J. Wulff, Pengantar Ilmu dan Teknik Material, hal. 22. Hak Cipta © 1976 oleh John Wiley & Sons)

KONFIGURASI ELEKTRON

Pembahasan sebelumnya terutama membahas keadaan elektron—nilai energi yang diizinkan untuk elektron. Untuk menentukan cara di mana keadaan ini diisi dengan elektron, kami menggunakan prinsip pengecualian Pauli, konsep mekanika kuantum lainnya. Prinsip ini menetapkan bahwa setiap keadaan elektron dapat menampung tidak lebih dari dua elektron, yang harus memiliki spin yang berlawanan. Jadi, subkulit s, p, d, dan f masing-masing dapat menampung, masing-masing, total 2, 6, 10, dan 14 elektron; Tabel 2.1 merangkum jumlah maksimum elektron yang dapat menempati masing-masing dari empat kulit pertama.

Tentu saja, tidak semua kemungkinan keadaan dalam atom diisi dengan elektron. Untuk sebagian besar atom, elektron mengisi keadaan energi serendah mungkin di kulit elektron dan subkulit, dua elektron (memiliki putaran berlawanan) per keadaan. Struktur energi untuk atom natrium diwakili secara skematis pada Gambar di bawah ini:

Representasi skematis dari keadaan energi terisi dan tidak terisi terendah untuk atom natrium.

Representasi skematis dari keadaan energi terisi dan tidak terisi terendah untuk atom natrium.

Ketika semua elektron menempati energi serendah mungkin sesuai dengan batasan di atas, sebuah atom dikatakan berada dalam keadaan dasarnya. Namun, transisi elektron ke keadaan energi yang lebih tinggi dimungkinkan, seperti yang dibahas dalam Bab 18 dan 21. Konfigurasi elektron atau struktur atom menunjukkan cara di mana keadaan ini ditempati. Dalam notasi konvensional, jumlah elektron dalam setiap subkulit ditunjukkan dengan superskrip setelah penunjukan kulit-subkulit.

Misalnya, konfigurasi elektron untuk hidrogen, helium, dan natrium berturut-turut adalah 1s . Konfigurasi elektron untuk beberapa elemen yang lebih umum tercantum dalam Tabel di bawah ini

Daftar Konfigurasi Elektron yang Diharapkan untuk Beberapa Elemen Umum

Daftar Konfigurasi Elektron yang Diharapkan untuk

Beberapa Elemen Umum

Pada titik ini, komentar mengenai konfigurasi elektron ini diperlukan.

Pertama, elektron valensi adalah elektron yang menempati kulit terluar. Elektron ini sangat penting; seperti yang akan terlihat, mereka berpartisipasi dalam ikatan antara atom untuk membentuk agregat atom dan molekul.

Selain itu, banyak sifat fisik dan kimia padatan didasarkan pada elektron valensi ini. Selain itu, beberapa atom memiliki apa yang disebut konfigurasi elektron stabil; yaitu, keadaan dalam kulit elektron terluar atau valensi terisi penuh. Biasanya ini sesuai dengan pendudukan hanya keadaan s dan p untuk kulit terluar dengan total delapan elektron, seperti pada neon, argon, dan kripton; satu pengecualian adalah helium, yang hanya mengandung dua elektron 1s. Unsur-unsur ini (Ne, Ar, Kr, dan He) adalah gas inert, atau mulia, yang hampir tidak reaktif secara kimia. Beberapa atom dari unsur-unsur yang memiliki kulit valensi yang tidak terisi mengasumsikan konfigurasi elektron yang stabil dengan mendapatkan atau kehilangan elektron untuk membentuk ion bermuatan, atau dengan berbagi elektron dengan atom lain. Ini adalah dasar untuk beberapa reaksi kimia, dan juga untuk ikatan atom dalam padatan.

Dalam keadaan khusus, orbital s dan p bergabung membentuk orbital hibrid sp n, di mana n menunjukkan jumlah orbital p yang terlibat, yang mungkin bernilai 1, 2, atau 3. Unsur golongan IIIA, IVA, dan VA dari tabel periodik adalah yang paling sering membentuk hibrida ini. Kekuatan pendorong untuk pembentukan orbital hibrida adalah keadaan energi yang lebih rendah untuk elektron valensi. Untuk karbon, hibrida sp sangat penting dalam kimia organik dan polimer.

Bentuk hibrida sp 3 inilah yang menentukan sudut 109 (atau tetrahedral) yang sering ditemukan dalam rantai polimer

TABEL PERIODIK

Tabel periodik unsur. Angka dalam kurung adalah berat atom dari isotop yang paling stabil atau umum.

Semua unsur telah diklasifikasikan menurut konfigurasi elektron dalam tabel periodik (Gambar di atas). Di sini, unsur-unsur terletak, dengan meningkatnya nomor atom, dalam tujuh baris horizontal yang disebut periode. Susunannya sedemikian rupa sehingga semua unsur yang tersusun dalam kolom atau golongan tertentu memiliki struktur elektron valensi yang sama, serta sifat kimia dan fisika. Sifat-sifat ini berubah secara bertahap, bergerak secara horizontal melintasi setiap periode dan secara vertikal ke bawah setiap kolom.

Unsur-unsur yang terletak di Golongan 0, kelompok paling kanan, adalah gas inert, yang telah mengisi kulit elektron dan konfigurasi elektron yang stabil. Unsur golongan VIIA dan VIA masing-masing kekurangan satu dan dua elektron karena memiliki struktur yang stabil. Unsur Golongan VIIA (F, Cl, Br, I, dan At) kadang-kadang disebut halogen. Logam alkali dan logam alkali tanah (Li, Na, K, Be, Mg,

Ca, dll.) diberi label sebagai Grup IA dan IIA, masing-masing memiliki satu dan dua elektron yang melebihi struktur stabil.

Unsur-unsur dalam tiga periode panjang, Golongan IIIB sampai IIB, disebut logam transisi, yang sebagian mengisi keadaan elektron d dan dalam beberapa kasus satu atau dua elektron pada kulit energi berikutnya yang lebih tinggi.

Golongan IIIA, IVA, dan VA (B, Si, Ge, As, dll.) menampilkan karakteristik yang berada di antara logam dan nonlogam berdasarkan struktur elektron valensinya.

Seperti yang dapat dicatat dari tabel periodik, sebagian besar unsur benar-benar berada di bawah klasifikasi logam. Ini kadang-kadang disebut elemen elektropositif, yang menunjukkan bahwa mereka mampu melepaskan beberapa elektron valensinya menjadi ion bermuatan positif.

Selanjutnya, unsur-unsur yang terletak di sisi kanan tabel adalah elektronegatif; yaitu, mereka siap menerima elektron untuk membentuk ion bermuatan negatif, atau kadang-kadang mereka berbagi elektron dengan atom lain.

Nilai keelektronegatifan unsur. tabel periodik

Gambar di atas menampilkan nilai keelektronegatifan yang telah ditetapkan untuk berbagai elemen yang diatur dalam tabel periodik. Sebagai aturan umum, keelektronegatifan meningkat ketika bergerak dari kiri ke kanan dan dari bawah ke atas. Atom lebih mungkin menerima elektron jika kulit terluarnya hampir penuh, dan jika mereka kurang "terlindung" dari (yaitu, lebih dekat ke) nukleus.