Struktur atom

Struktur Atom

Atom terdiri atas proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron berada di dalam inti atom. Sedangkan elektron terus berputar mengelilingi inti atom karena muatan listriknya. Semua elektron bermuatan negatif (–) dan semua proton bermuatan positif (+). Sementara itu, neutron bermuatan netral. Elektron yang bermuatan negatif (–) ditarik oleh proton yang bermuatan positif (+) pada inti atom. Elektron tersebut tidak meninggalkan inti, meskipun ada gaya sentrifugal yang terjadi akibat kecepatan elektron. Atom memiliki elektron di bagian luarnya sedangkan proton dalam jumlah yang sama di bagian pusatnya, sehingga muatan listrik atom berada dalam keadaan seimbang. Namun, baik volume maupun massa proton lebih besar daripada elektron. Jika kita membandingkannya, perbedaan di antara kedua partikel ini seperti perbedaan antara manusia dengan sebutir kacang kenari. Walaupun demikian, muatan listrik total keduanya tetap sama besar. Apa yang akan terjadi jika muatan listrik pro- ton dan elektron tidak sama besar?

Dalam hal ini, semua atom di alam semesta akan menjadi bermuatan positif (+) karena ada kelebihan muatan listrik positif (+) di dalam proton. Akibatnya, semua atom akan saling bertolakan satu sama lain. Apa yang akan terjadi jika situasi seperti ini berlangsung? Apa yang akan terjadi jika semua atom di alam semesta saling bertolakan? Hal yang akan terjadi sangat tidak lazim. Begitu terjadi perubahan seperti itu di dalam atom, tangan Anda yang saat ini sedang memegang buku, begitu pula lengan Anda, akan hancur berantakan. Tidak hanya tangan dan lengan, tetapi juga tubuh, kaki, kepala, gigi Anda, singkatnya setiap bagian tubuh Anda akan terpisah-pisah saat itu juga. Ruangan yang Anda tempati, pemandangan di luar yang terlihat dari jendela juga akan berantakan. Semua laut di bumi, gunung-gunung, semua planet di dalam tata surya dan semua benda-benda langit di jagat raya akan musnah, hancur secara serempak. Tidak ada satu benda pun yang akan tersisa. Demikianlah karena keseimbangan yang sangat teliti dari struktur atom maka tercipta pula keseimbangan alam semesta.

A. Perkembangan Teori Atom

Anda telah mengetahui beberapa unsur dalam kehidupan sehari-hari. Unsur dapat mengalami perubahan materi yaitu perubahan kimia. Ternyata perubahan kimia ini disebabkan oleh partikel terkecil dari unsur tersebut. Partikel terkecil inilah yang kemudian dikenal sebagai atom.

Jika Anda memotong satu batang kapur menjadi dua bagian, kemudian dipotong lagi menjadi dua bagian dan seterusnya maka bagian terkecil yang tidak dapat dibagi lagi inilah yang mengawali berkembangnya konsep atom.

Konsep atom itu dikemukakan oleh Demokritos yang tidak didukung oleh eksperimen yang meyakinkan, sehingga tidak dapat diterima oleh beberapa ahli ilmu pengetahuan dan filsafat. Pengembangan konsep atom-atom secara ilmiah dimulai oleh John Dalton (1805), kemudian dilanjutkan oleh Thomson (1897), Rutherford (1911), dan disempurnakan oleh Bohr (1914).

Hasil eksperimen yang memperkuat konsep atom ini menghasilkan gambaran mengenai susunan partikel-partikel tersebut di dalam atom. Gambaran ini berfungsi untuk memudahkan dalam memahami sifat-sifat kimia suatu atom. Gambaran susunan partikel-partikel dasar dalam atom disebut model atom.

1. Model Atom Dalton

·                  Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi lagi.

·                  Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda.

·                  Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atas atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen.

·                  Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atomatom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Hipotesis Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti bola tolak peluru.

2. Model Atom Thomson

Atom adalah bola padat bermuatan positif dan di permukaannya tersebar elektron yang bermuatan negatif.

3. Model Atom Rutherford

Atom adalah bola berongga yang tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilinginya. Inti atom bermuatan positif dan massa atom terpusat pada inti atom.

Kelemahan dari Rutherford tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran energi sehingga lama- kelamaan energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti.

Fenomena di atas dapat dijelaskan sebagai berikut. Ambillah seutas tali dan salah satu ujungnya Anda ikatkan sepotong kayu sedangkan ujung yang lain Anda pegang. Putarkan tali tersebut di atas kepala Anda. Apa yang terjadi? Lama-kelamaan putarannya akan melemah karena Anda pegal memegang tali tersebut sehingga kayu akan mengenai kepala Anda. Meski teorinya lemah, namun Rutherford telah berjasa dengan mengenalkan istilah lintasan/kedudukan elektron yang nanti disebut dengan kulit.

4. Model Atom Niels Bohr

·                  Atom terdiri atas inti yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam suatu lintasan.

·                  Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke yang lain dengan menyerap atau memancarkan energi sehingga energi elektron atom itu tidak akan berkurang. Jika berpindah lintasan ke lintasan yang lebih tinggi, elektron akan menyerap energi. Jika beralih ke lintasan yang lebih rendah, elektron akan memancarkan energi.

·                  Kedudukan elektron-elektron pada tingkat-tingkat energi tertentu yang disebut kulit-kulit elektron.

5. Model Atom Modern

Kulit-kulit elektron bukan kedudukan yang pasti dari suatu elektron, tetapi hanyalah suatu kebolehjadian saja.

B. Percobaan-Percobaan Mengenai Struktur Atom

1. Elektron

Pernahkah Anda memperhatikan tabung televisi? Tabung televisi merupakan tabung sinar katode. Percobaan tabung sinar katode pertama kali dilakukan oleh William Crookes (1875). Hasil eksperimennya yaitu ditemukannya seberkas sinar yang muncul dari arah katode menuju ke anode yang disebut sinar katode.

George Johnstone Stoney (1891) yang mengusulkan nama sinar katode disebut "elektron". Kelemahan dari Stoney tidak dapat menjelaskan pengaruh elektron terhadap perbedaan sifat antara atom suatu unsur dengan atom dalam unsur lainnya. Antoine Henri Becquerel (1896) menentukan sinar yang dipancarkan dari unsur-unsur radioaktif yang sifatnya mirip dengan elektron.

Joseph John Thomson (1897) melanjutkan eksperimen William Crookes yaitu pengaruh medan listrik dan medan magnet dalam tabung sinar katode.

Hasil percobaan J.J. Thomson menunjukkan bahwa sinar katode dapat dibelokkan ke arah kutub positif medan listrik. Hal ini membuktikan terdapat partikel bermuatan negatif dalam suatu atom.

Besarnya muatan dalam elektron ditemukan oleh Robert Andrew Milikan (1908) melalui percobaan tetes minyak Milikan seperti gambar berikut.

Minyak disemprotkan ke dalam tabung yang bermuatan listrik. Akibat gaya tarik gravitasi akan mengendapkan tetesan minyak yang turun. Apabila tetesan minyak diberi muatan negatif maka akan tertarik ke kutub positif medan listrik. Dari hasil percobaan Milikan dan Thomson diperoleh muatan elektron –1 dan massa elektron 0, sehingga elektron dapat dilambangkan:

2. Proton

Jika massa elektron 0 berarti suatu partikel tidak mempunyai massa. Namun pada kenyataannya partikel materi mempunyai massa yang dapat diukur dan atom bersifat atom itu netral. Bagaimana mungkin atom itu bersifat netral dan mempunyai massa, jika hanya ada elektron saja dalam atom?

Eugene Goldstein (1886) melakukan eksperimen dari tabung gas yang memiliki katode, yang diberi lubang- lubang dan diberi muatan listrik.

Hasil eksprerimen tersebut membuktikan bahwa pada saat terbentuk elektron yang menuju anode, terbentuk pula sinar positif yang menuju arah berlawanan melewati lubang pada katode. Setelah berbagai gas dicoba dalam tabung ini, ternyata gas hidrogenlah yang menghasilkan sinar muatan positif yang paling kecil baik massa maupun muatannya, sehingga partikel ini disebut dengan proton. Massa proton = 1 sma (satuan massa atom) dan muatan proton = +1.

3. Inti Atom

Setelah penemuan proton dan elektron, Ernest Rutherford melakukan penelitian penembakan lempeng tipis emas. Jika atom terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan negatif maka sinar alfa yang ditembakkan seharusnya tidak ada yang diteruskan/menembus lempeng sehingga muncullah istilah inti atom. Ernest Rutherford dibantu oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden (1911) menemukan konsep inti atom didukung oleh penemuan sinar X oleh WC. Rontgen (1895) dan penemuan zat radioaktif (1896). Percobaan Rutherford dapat digambarkan sebagai berikut.

Hasil percobaan ini membuat Rutherford menyatakan hipotesisnya bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif, sehingga atom bersifat netral. Massa inti atom tidak seimbang dengan massa proton yang ada dalam inti atom, sehingga dapat diprediksi bahwa ada partikel lain dalam inti atom.

4. Neutron

Prediksi dari Rutherford memacu W. Bothe dan H. Becker (1930) melakukan eksperimen penembakan partikel alfa pada inti atom berilium (Be) dan dihasilkan radiasi partikel berdaya tembus tinggi. Eksperimen ini dilanjutkan oleh James Chadwick (1932). Ternyata partikel yang menimbulkan radiasi berdaya tembus tinggi itu bersifat netral atau tidak bermuatan dan massanya hampir sama dengan proton. Partikel ini disebut neutron dan dilambangkan dengan:

C. Menentukan Struktur Atom Berdasarkan Tabel Periodik

1. Partikel Dasar Penyusun Atom

Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur tersebut. Struktur atom menggambarkan bagaimana partikel-partikel dalam atom tersusun. Atom tersusun atas inti atom dan dikelilingi elektron-elektron yang tersebar dalam kulit-kulitnya. Secara sistematis dapat digambarkan partikel-partikel subatom sebagai berikut.

Sebagian besar atom terdiri dari ruang hampa yang di dalamnya terdapat inti yang sangat kecil di mana massa dan muatan positifnya dipusatkan dan dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif. Inti atom tersusun atas sejumlah proton dan neutron. Jumlah proton dalam inti atom menentukan muatan inti atom, sedangkan massa inti ditentukan oleh banyaknya proton dan neutron. Selanjutnya ketiga partikel subatom (proton, neutron, dan elektron) dengan kombinasi tertentu membentuk atom suatu unsur yang lambangnya dapat dituliskan:

X : lambang suatu unsur

Z : nomor atom

A : nomor massa

2. Memahami Susunan dari Sebuah Atom

a. Lihatlah nomor atom dari tabel periodik. Nomor atom selalu lebih kecil dari nomor massa.

b. Nomor atom merupakan jumlah proton. Oleh karena sifat atom netral, maka nomor atom juga merupakan jumlah elektron.

c. Susunlah elektron-elektron dalam level-level energi, selalu isi level ter- dalam sebelum mengisi level luar.

Contoh: Mencari susunan dari atom klor.

·                  1) Dalam tabel periodik tertera klor bernomor atom 17.

·                  2) Oleh karenanya atom klor terdiri dari 17 proton dan 17 elektron.

·                  3) Susunan dari elektron-elektron tersebut yaitu 2,8,7 (2 di level pertama, 8 di level kedua, dan 7 di level ketiga). Cara pengisian elektron model ini dijelaskan pada sub subbab konfigurasi elektron.

Cara pengisian elektron model lain dijelaskan sebagai berikut.

Dua hal penting yang perlu diperhatikan jika Anda melihat susunan dalam tabel periodik.

·                  Jumlah elektron pada tingkat terluar (atau kulit terluar) sama dengan nomor golongan (kecuali helium yang hanya memiliki 2 elektron. Gas Mulia biasa disebut dengan golongan 0 bukan golongan 8). Hal ini berlaku di seluruh golongan unsur pada tabel periodik (kecuali unsur-unsur transisi). Jadi, jika Anda mengetahui bahwa barium terletak pada golongan 2, berarti barium memiliki 2 elektron pada tingkat terluar; iodium merupakan golongan 7 yang berarti iodium memiliki 7 elektron pada tingkat terluar.

·                  Gas mulia memiliki elektron penuh pada tingkat terluar.

D. Nomor Atom dan Nomor Massa

Suatu atom memiliki sifat dan massa yang khas satu sama lain. Dengan penemuan partikel penyusun atom dikenal istilah nomor atom (Z) dan nomor massa (A). Penulisan lambang atom unsur menyertakan nomor atom dan nomor massa. Di mana:

A = nomor massa

Z = nomor atom

X = lambang unsur

Nomor Massa (A) = Jumlah proton + Jumlah neutron

atau

Jumlah Neutron = Nomor massa – Nomor atom

Nomor Atom (Z) = Jumlah proton

1. Nomor Atom (Z)

Nomor atom (Z) menunjukkan jumlah proton (muatan positif) atau jumlah elektron dalam atom tersebut. Nomor atom ini merupakan ciri khas suatu unsur. Oleh karena atom bersifat netral maka jumlah proton sama dengan jumlah elektronnya, sehingga nomor atom juga menunjukkan jumlah elektron. Elektron inilah yang nantinya paling menentukan sifat suatu unsur. Nomor atom ditulis agak ke bawah sebelum lambang unsur.

2. Nomor Massa (A)

Massa elektron sangat kecil dan dianggap nol sehingga massa atom ditentukan oleh inti atom yaitu proton dan neutron. Nomor massa (A) menyatakan banyaknya proton dan neutron yang menyusun inti atom suatu unsur. Nomor massa ditulis agak ke atas sebelum lambang unsur.

E. Isotop, Isobar, dan Isoton Suatu Unsur

Setelah penulisan lambang atom unsur dan penemuan partikel penyusun atom, ternyata ditemukan adanya unsur-unsur yang memiliki jumlah proton yang sama tetapi memiliki massa atom yang berbeda. Ada pula unsur-unsur yang memiliki massa atom yang sama tetapi nomor atom berbeda. Oleh karena itu, dikenallah istilah isotop, isoton, dan isobar.

1. Isotop

Isotop adalah atom yang mempunyai nomor atom sama tetapi memiliki nomor massa berbeda.

Contoh:

Setiap isotop satu unsur memiliki sifat kimia yang sama karena jumlah elektron valensinya sama. Isotop-isotop unsur ini dapat digunakan untuk menentukan massa atom relatif (Ar) atom tersebut berdasarkan kelimpahan isotop dan massa atom semua isotop.

2. Isobar

Isobar adalah unsur-unsur yang memiliki nomor atom berbeda tetapi nomor massa sama.

3. Isoton

Atom-atom yang berbeda tetapi mempunyai jumlah neutron yang sama.

Contoh:

F. Menentukan Elektron Valensi

1. Konfigurasi Elektron

Konfigurasi (susunan) elektron suatu atom berdasarkan kulit-kulit atom tersebut. Setiap kulit atom dapat terisi elektron maksimum 2n kuadrat, di mana n merupakan letak kulit.

Jika n = 1 maka berisi 2 elektron

Jika n = 2 maka berisi 8 elektron

Jika n = 3 maka berisi 18 elektron dan seterusnya.

Lambang kulit dimulai dari K, L, M, N, dan seterusnya dimulai dari yang terdekat dengan inti atom. Elektron disusun sedemikian rupa pada masing-masing kulit dan diisi maksimum sesuai daya tampung kulit tersebut. Jika masih ada sisa elektron yang tidak dapat ditampung pada kulit tersebut maka diletakkan pada kulit selanjutnya.

Perhatikan konfigurasi elektron pada unsur dengan nomor atom 19.

Hal ini dapat dijelaskan bahwa elektron paling luar maksimum 8, sehingga sisanya harus 1 di kulit terluar. Begitu pula dengan nomor atom 20. Bagaimana dengan unsur dengan nomor atom 88?

Unsur dengan nomor atom 88 akan terisi sesuai dengan kapasitas kulit pada kulit K, L, M, dan N serta masih ada sisa 28. Sisa ini tidak boleh diletakkan seluruhnya di kulit O, sisa ini diletakkan pada kulit sesudahnya mengikuti daya tampung maksimum kulit sebelumnya yang dapat diisi yaitu 18, 8 atau 2 sehingga sisanya diisikan sesuai Tabel 1.2 tersebut.

2. Elektron Valensi

Elektron yang berperan dalam reaksi pembentukan ikatan kimia dan reaksi kimia adalah elektron pada kulit terluar atau elektron valensi. Jumlah elektron valensi suatu atom ditentukan berdasarkan elektron yang terdapat pada kulit terakhir dari konfigurasi elektron atom tersebut. Perhatikan Tabel 1.3 untuk menentukan jumlah elektron valensi.

Unsur-unsur yang mempunyai jumlah elektron valensi yang sama akan memiliki sifat kimia yang sama pula.

Contoh:

Unsur natrium dan kalium memiliki sifat yang sama karena masing-masing memiliki elektron valensi = 1.

Suatu atom netral dapat melepaskan 1 atau lebih elektronnya dan membentuk ion yang bermuatan positif, atau menangkap elektron dan membentuk muatan negatif.

Contoh:

Sumber : bse.kemdikbud.go.id