Elektronik Dan Susunan Berkala

MODUL 9

Elektronik Dan Susunan Berkala

Oleh : Ir. Nanang Ruhyat, MT.

Kenyataan yang ditemukan dalam kimia, seperti yang telah dipelajari sebelumnya, merupakan bagian yang sangat vital dalam ilmu kimia. Kita belum dapat menayatakan bahwa kita tahu ilmu kimia, jika kita belum mengetahui bagaimana sifat beberapa zat. Kenyataan ini hanya merupakan bagian dari ilmu kimia. Kita tidak boleh puas hanya dengan mengetahui bagaimana zat menunjukkan si­fatnya, kita perlu juga mengetahui apa sebabnya. Apa sebabnya ada unsur logam dan ada pula unsur nonlogam. Mengapa senyawa-senyawa nonlogam-berbentuk molekuler dimana senyawa logam-non logam cenderung berbentuk ion. Dalam susunan berkala mengapa banyak tempat-tempat yang kosong? Mengapa tidak ada unsur-unsur yang mengisi tempat tersebut? Contoh-contoh ini merupa­kan sebagai pertanyaan yang muncul setelah kita pelajari kenyataan yang ada. Untuk mencari jawaban pertanyaan ini merupakan bagian yang penting dari penelitian kimia dan hal ini merupakan suatu cara mempersiapkan kita dengan pengertian mendasar mengenai proses dasar yang mengatur dunia kita ini.

Kita telah mempelajari bahwa suatu atom terdiri darn proton dan neutron dimana intinya terletak ditengah-tengah atom dan dikelilingi sejumlah elektron agar atom itu netral. Gambaran struk­tur atom sudah cukup untuk menerangkan beberapa sifat unsur misalnya adanya isotop-tetapi belum dapat menerangkan sifat-sifat kimia dan fisika atom tersebut.

Jika atom bereaksi, hanya bagian luamya yang berhubungan. Iminya sangat kecil dan terletak jauh sekali dalam atom, sehingga inti-inti ini tidak pernah berhubungan. Oleh sebab itu persamaan dan perbedaan di antara atom-atom dari bermacam-macam unsur harus diteliti dengan cara bagaimana elektron ini disusun dibagian luar atom. Penyusunan elektron ini disebut struktur elektronik atom.

Bab ini dimulai dengan penjelasan dari hasil percobaan yang dapat membantu kita memecahkan rahasia struktur elektron dan menerima teori yang terbaru. Tujuan kiw adalah agar kita inampu menjabarkan struktur elektron suatu atom dan menghubungkan letak atom itu dalam susunanberkala. Dari pengetahuan ini kita dapat mulai mengerti be­berapa kecenderungan sifat-sifat kimia dan fisika dari unsur-unsur.

Radiasi Elektromagnetik dan Spektrum Atom

Kunci yang memungkinkan pengurangan struktur elektron suatu unsur adalah analisa sinar yang dipancarkan atom ketika atom itu menge­luarkan energi atau sedang terangsang "excited" dengan cara dipanas­kan dengan api atau dengan cara melepaskan muatan listriknya. Untuk itu, sebelum kita ulas selanjutnya, kita harus memahami lebih da­hulu apa yang dimaksud dengan cahaya.

Kita telah mempelajari mengenai materi/zat yang dapat inempunyai energi dalam dua cara, sebagai energi kinetika dan sebagai energi potensial. Kita juga telah mempelajari bahwa energi dalam suatu benda dapat dipindahkan l ditransfer. Salah satu bentuk per­pindahan energi ini adalah perpindahan panas, yaitu perpindahan energi kinetik yang disebabkan oleh tubrukan antara atom dan molekul. Ben­tuk lainnya agar energi dapat berpindah di antara benda adalah bila benda itu dalam bentuk cahaya, jadi benda dalam bentuk energi.

Macam-macam bentuk cahaya-sinar X, cahaya yang dapat dilihat, radiasi infra merah dan ultraviolet dan gelombang radio dan TV-disebut radiasi elektromagnetik. Cahaya bergerak di angkasa dalam bentuk gelombang dengan kecepatan tetap yang disebut kecepatan cahaya 3,00 x 10⁸ m/s. Gelombang cahaya, seperti umumnya suatu cahaya, mempu­nyai beberapa sifat yang spesifik. Di antara sifat yang dimilikinya adalah intensitas gelombang, yang diukur dari amplitude, yaitu tinggi maksimum gelombang, seperti terlihat pada gambar di bawah. Sifat lainnya yang dimiliki suatu gelombang adalah ( panjang gelombang) yaitu jarak antara dua puncak/peak suatu gelombang cahaya (lihat gambar). Sifat ketiga yang dimiliki suatu gelombang adalah frekuensi, f, adalah jumlah puncak gelombang yang melalui suatu titik tertentu da­lam satu detik. Setiap gelombang, antara panjang gelombang dan fre­kuensinya mempunyai hubungan tertentu.

(panjang gelombang) x (frekuensi) = kecepatan gelombang

Simbol untuk kecepatan cahaya adalah c. Dengan demikian persainaan­nya menjadi

l . f^,= c

Cahaya memancarkan bermacam-macain panjang gelombang yang menghasilkan spektrum elektromagnetik. Setiap satuan/unit yang menunjukkan panjang gelombang tergantung dari daerah spektrum dimana radiasi itu terjadi. Radio CB misalnya, dipancarkan pada panjang gelombang 11 meter, jadi meter adalah satuan yang cukup memadai untuk menunjukkan Panjang gelom­bang. Cahaya hanya dapat dilihat, yang merupakan komposisi yang sangat kecil dari suatu spektrum elektromagnetik, dimana mata kita cukup sensitif melihatnya, mempunyai panjang gelombang beberapa ratus nanometer, jadi ukuran ini cukup memadai untuk mengetahui panjang gelombang cahaya yang dapat dilihat.

Pada umumnya, frekuensi diperlihatkan dalam bentuk jumah ke­jadian/even persatuan waktu. Sebagai contoh misalnya, pertemuan ke­luarga disepakati tiga kali dalam setahun. Jika kita membicarakan ants listrik bolak-balik, maka kita dapatkan arus bolak-balik adalah 120 kali per detik. Dalam setiap gerakan frekuensi dinyatakan dalarn unit per­satuan waktu dan unit yang kita hubungkan dengan frekuensi mempunyai dimensi 1/waktu atau 1/detik.

Spektrum atom

Jika sinar dari bola lampu listrik setelah melalui kemudian melewati prisma dan akhirnya ditangkap pada layar terbentuk sinar warna pelangi. Prisma memesah sinar putih dengan cara refraksi menjadi spektrum cahaya dari semua warna. Sinar warna "pelangi" ini disebut sprektrum yang terns menerus karena semua panjang gelombang yang dapat dilihat berada disini. Meskipun demikian, bila sinar yang melalui prisma berasal dari gas, misalnya uap hidrogen atau natrium, atau sinar ini berasal dari senyawa yang menyala, maka spektrum yang terjadi sangat berbeda. Yang diperoleh bukan sinar warna pelangi melainkan hanya beberapa garis berwarna yang terlihat. Garis ini adalah halsil cahaya yang melalui celah yang sempit dan karena bentuk spektrum dan karena bentuk spektrumnya seperti garis, disebut spektrum garis. Karma sinar yang dihasilkan berasal dari atom yang mengeluarkan energi , maka sinar itu juga disebut spektrum emisi atom atau lebih sederhana spektrum emisi atau spektrum atom.

Daerah yang gelap dari suatu spektrum emisi cocok dengan panjang gelombang dari sinar yang tidak dipancarkan. Garis dalam spektrum emisi hidrogen mempu­nyai panjang gelombang yang berbeda dari garis yang ada dalam spek­trum natrium. Ternyata setiap unsur mempunyai spektrum emisi yang khas/spesifik yang dapat digunakan untuk mengenalnya. Sebagai con­toh, kita melihat di layar TV tayangan mengenai kriminal dimana polisi menggambarkan potongan-potongan dari pakaian tersangka un­tuk dianalisis. Jika bagian yang ada dalam gambar itu dalam jumlah tertentu cocok dengan potongan-potongan gambar yang diambil dari mobil yang diduga terlibat dalam kejahatan, maka jelas terbukti bahwa mobil yang diduga itu benar-benar terlibat dalam kejahatan. Analisa seperti itu dapat juga dilakukan dengan mudah, bila menggunakan spek­trum atom, karena setiap unsur dalam gambar menghasilkan garis emisi vang spesifik.

Spektrum atom beberapa unsur dapat juga digunakan pada lampu lalu lintas yang modern. "Lampe pijar yang digunakan pada zaman da­ hulu, kawat pijar tungsten dipanaskan menjadi nyala putih oleh arus listrik dan kebanyakan energi yang dipancarkan adalah dalam bentuk sinar infra merah. Sayangnya, mata kita tidak sensitif terhadap radiasi ini, sehingga energi ini terbuang percuma, hanya sebagian kecil dari gi ener listrik ini vang_, betel-betel muncul sebagai cahaya yang dapat dilihat. Lampu lalu lintas yang modern menggunakan lampu yang terbuat dari uap natrium atau air raksa (mercury) yang mempunyal intensi­tas tinggi dimana sinar yang dihasilkan merupakan spektrum emisi atom dari unsur-unsur tersebut. Dalam lampu ini, kebanyakan energi listrik muncul sebagai sinar pada bagian yang dapat dilihat dalam spek­trum). Oleh sebab itu cahaya energi listrik ini jauh lebih efisien. Sebagai contoh natrium memancarkan sinar pada gelombang 589 nm, yang berwarna kuning. Cahaya kuning dari lampu lalu lintas adalah pancaran sinar dari natrium yang diha­silkan oleh lampu uap natrium bertekanan tinggi. Masih banyak lagi lampu-lampu yang memancarkan warna kuning yang pernah juga kita lihat, yang dihasilkan oleh lampu uap natrium bertekanan ren­dah. Kedua macam lampu natrium ini sangat efisien energi, sehingga masyarakat banyak menggunakan lampu penerangan ini sebagai peng­ganti lampu biasa untuk menghemat Maya listrik.

Struktur Atom dan Teori Bohr

Spektrum atom ditemukan pada akhir abad ke Sembilan belas. Meskipun panjang gelombang dari garis-garis spektrum dapat diukur pada waktu itu, tidak seorang pun mampu menerangkan mengapa spektrum dapat terbentuk. Meskipun demikian satu hal yang jelas unsur yang menghasilkan spektrum yang kompleks dan unsur yang paling ringan, hidrogen menghasilkan spektrum yang paling sederhana dengan garis-garis yang paling sedikit.

Perkembangan pengertian tentang spektrum atom dimulai dengan cara melakukan uji-coba yang kemudian menghasilkan suatu persama­ an yang dapat digunakan untuk menghitung panjang gelombang dari semua garis-garis spektrum hidrogen. Persamaan ini disebut persamaan Rydberg

1/ l = 109,678 cm^-1 ( 1/n₁² - 1/n₂²)

Perhatikan, betapa sederhananya persamaan ini. Pada bagian kanan h anva satu konstanta, 109.678 cm^-1 dan dua variabel n₁ dan n₂. Variabel n₁ dan n₂ menunjukkan bilangan bulat dan dapat bernilai 1. 2. 3, ..., -, dengan syarat n, harus selalu lebih besar dari «,. Jadi. - jika kita mentukan n = 1 maka n2 dapat bernilai 2,3, dan seterusnya. Dengan demikian, setiap kita memilih pasangan bilangan untuk itu, kita selalu menjumpai panjang gelombang yang menunjuk­kan garis yang ada dalam spektrum hidrogen. Contoh-contoh berikut memperlihatkan betapa mudahnya menggunakan persamaan ini.

Kita perhatikan bahwa panjang gelombang ini terletak pada garis hijau dalam spektrum hidrogen yang dapat dilihat (visible).

Kemudahan persamaan Rydberg ini sangat mengagumkan sekali. Betapa mudahnya menghitung panjang gelombang suatu garis spektrum dengan hanya menentukan dua bilangan bulat, tanpa memperhatikan pasangan bilangan bulat yang mana yang kita pilih. Kita selalu memper­oleh panjang gelombang hanya sam dari garis-garis spektrum. Suatu hal menakjubkan bahwa ilmuwan menilai persamaan Rydberg ini merupa­kan petunjuk yang mendasar untuk mengetahui struktur bagian dalam suatu atom.

Energi gelombang cahaya

Dengan cara menganalisa cahaya berdasarkan pemanasan objek, ahli fisika Jerman Max Plank menyimpulkan pada tahun 1900, bahwa ca­ haya kadang-kadang dianggap terdiri dari partikel-partikel halus atau kuanta dari energi (yang kemudian disebut foton). Plank juga menemu­kan bahwa energi foton berbanding lurus dengan frekuensi cahaya

^Efolon ~ in^,

dimana h adalah konstanta yang sebanding yang dikenal sebagai kon­stanta Plank. N11al konstanta tersebut adalah 6,63 x ^10-14 J.s (unit ^t ini merupakan hasil energi x waktu).

Fenomena lainnya yang dijumpai adalah sifat-sifat partikel cahaya mempunyai efek fotoelektrik, dimana cahaya mampu mengeluarkan elektron dari permukaan beberapa logam (yang paling terlihat adalah logam alkali). Elektron yang dilepaskan ini dapat terdeteksi secara elekrronik (elektronically), dan efek fotoelektriknya secara rutin telah digunakan dalam alai-alas pembuka pintu dan sistim alarm untuk men­deteksi setiap gangguan yang mungkin terjadi dalam suatu berkas ca­haya.

Dalam mempelajari efek fotoelektrik ini, ilmuwan menemukan ada­nya beberapa hambatan yang menarik pada sifat-sifat cahaya yang me­nyebabkan terjadinya fenomena itu. Jika cahaya yang mempunyai frekuensi rendah (panjang gelombangnya panjang) tidak ada elektron yang dikeluarkan, meskipun cahayanya sangat kuat. Jika frekuensi ca­haya yang menyinari permukaan dinaikkan bertahap, maka elektron mulai lepas bila terjadi sejumlah frekuensi minimum. Kemudian setelah frekuensi cahaya bertambah banyak lagi, maka energⁱ kinetika dari elektron yang terlepas juga menaik.

Albert Einstein menerangkan mengenai gejala ini dalam tahun 1905 yang menganggap bahwa cahaya terdiri dari partikel-partikel foton yang energinya sebanding dengan frekuensi cahaya. Jika frekuensinya ren dah, setiap foton mempunyai jumlah energi yang sangat sedikit dan tidak mampu memukul elektron agar dapat keluar dari permukaan logam. Jika frekuensi (dan energi.) bertambah, dengan demikian foton memperoleh energi yang cukup untuk melepas elektron dan jika fre­kuensi (dan energi) bertambah naik, energi ekstra, energi minimum yang dibutuhkan untuk melepas elektron muncul sebagai energi kinetik elektron itu.

Tingkat energi dalam atom

Adanya hubungan antara frekuensi dengan energi cahaya memungkin­kan kita mengetahui struktur bagian dalam atom. Jika suatu atom me­mancarkan foton dengan sejumlah energi, maka atom itu kehilangan sejumlah energi An. Dengan perkataan lain, foton yang dipancarkan oleh atom suatu unsur menunjukkan ukkan kepada kita perubahan energi apa yang terjadi dalam atom tersebut. Sekarang dalam spektrum atomnya kita lihat cahaya hanya dari sejumlah frekuensi yang berlainan yang dipancarkan. Hal ini menunjukkan kepada kita dapat terjadinya per­ubahan energi, tetapi untuk frekuensi lainnya (bagian frekuensi yang tidak merupakan bagian spektrum) tidak mungkin diketahui.

Bagaimana halnya untuk atom yang diketahui, apakah kita selalu menjumpai perubahari energi yang sama seperti itu dalam spektrum atom yang sama? Dan apa sebabnya energi ini berubah perbedaannya untuk atom yang berbeda? Jawaban pendahuluan untuk pertanyaan ini muncul dalam bentuk hipotesa. Dianggap dalam suatu atom, elektron tidak dibiarkan mempunyai sejumlah energi yang sembarangan/acak, tetapi mempunyai sejumlah energi terbatas yang spesifik. Ditetapkan misalnya elektron dalam suatu atom mempunyai tingkat energi (energi level) yang terbatas. Jika hal ini benar, bila suatu elektron kehilangan energi, energi akan dapat "jatuh" dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lebih rendah, tetapi hal ini tidak dapat terjadi pada beberapa energi antara (intermediate). Oleh sebab itu jika suatu elektron berada di antara kedua tingkat energi ini, maka perubahan energi selalu dalam jumlah yang sama dan selalu memancarkan foton dengan frekuensi yang sama. Oleh sebab itu, untuk setiap atom yang diketahui (given atom), mempunyai banyak tingkat energi dan mempunyai bermacam­macam kemungkinan perubahan energi, tetapi perubahan energi terse-but selalu dalam bentuk yang sama clan foton yang dipancarkannya selalu sebanding jumlah frekuensinya. Jadi, spektrum emisi selalu sama untuk setiap unsur, dan berbeda untuk unsur yang berbeda pula, karena elektron setiap unsur mempunyai karakter tingkat energinya masing­masing

Teori Bohr untuk hidrogen

Niels Bohr, All fisika bangsa Denmark adalah ahli yang pertama kali mengembangkan teori struktur atom yang mempunyai gagasan meng­gunakan tingkat energi elektron untuk menerangkan spektrum atom. Dia memilih hidrogen sebagai model untuk teorinya, hal ini mudah dimengerti karena hidrogen mempunyai atom yang paling sederhana (satu proton dan satu elektron) dan hal ini menghasilkan spektrum atom yang paling sederhana.

Teori Bohr mengemukakan model "sistem solar (solar system)" untuk atom hidrogen, dimana elektron dapat mengembara mengelilingi Intl dalam orbit dalam bentuk ukuran clan energi yang tetap (lihat Gambar 7.6). Karma elektron dan proton Baling tarik menarik, maka bertambah besar orbitnya, bertambah besar pula energi elektronnya. Dari model atom ini, Bohr menemukan persamaan untuk energi elektron sebagai berikut:

imana A adalah suatu konstanta yang dapat dievaluasi dari konstanta Plank dan mass^y Berta nitiataii elektron. Bilangan A adalah 2,18 x 10" J. Jumlah n adalah bilangan bulat yang menunjukkan orbit elektron: bilang­annya dapat berbentuk 1, 2, 3, ..., oo yang disebut jumlah kuantum sebab nilainya menunjukkan "jumlah" energi yang dimiliki elektron dalam orbit tertentu.

Tand^y negatif pada persamaan ini, disebabkan oleh orbit dari energi paling rendah mempunyai n = 1 clan energi paling tinggi mempunyai n = ^oo . Ukuran orbit juga membesar dengan naiknya nilai n.

Spektrum atom hidrogen diuraikan oleh Bohr sebagai berikut. Biasa­nya, elektron dalam atom hidrogen berada pada orbit energi paling rendah (tingkat energinya paling rendah) dengan n = 1. Jika atom terangsang, elektron bergerak ke orbit dengan energi yang lebih tinggi, misalnya dberg

REFERENSI :

1. 
   
   Chemistry, Reactions, Structure, and Properties., Clyde R.Dilliard & David E.Goldberg
   
   
2. 
   
   Kimia Universitas, Asas & Struktur,. James E. Brady