2 teori atom dan molekul

2Atom,MolekuldanReaksiKimia

BabII Atom,MolekuldanReaksiKimia Filosof Yunani di Miletos, Thales (624546 SM) merintis sebuah pendapat tentanghakekatzat,semuazattersusundarisatuunsur:air.Karenamenurutnyaair dapatdiubahmenjadiudara(uapair)dandibekukanmenjadipadat(es),sehinggaair berperan sebagai asal semua perubahan. Sederhana memang, tetapi inilah awal dimulainyaupayamenyibakhakikatzat.PendapatinikemudianditolakAnaksimandos, murid Thales. Anaksimandos berpendapat bahwa alam merupakan campuran yang berlawanan empat kualitas dasar dan lebih esensial: panas dan dingin, basah dan kering. Proses alam merupakan daur ulang empat kualitas dasar. Sedangkan empat kualitasdasartersebuttersusunataszatasalutamayangdiberinyanamaapeirontak terbatas. Generasiberikutnya,Anaksimenes(585525SM),melihatprosesprosesyang dijalani apeiron dalam menyusun alam hanyalah bersifat dugaan dan sulit dikaitkan denganalamnyata.Menurutnya,adasebuahpneumasemacamudarayangdihirup sebagai zat dasar alam. Perubahan wujud zat dikaitkan dengan proses pemampatan dan peregangan pneuma. Pemampatan pneuma akan menghasilkan udara dan air, yangjikadimampatkanlebihlanjutakanmenghasilkantanahdanbatu.Nampaksekali bahwa Anaksimenes lebih menekankan pemahaman proses perubahan wujud zat. Kemudianmunculpendapatpendapatlainyangberkaitandenganupayamenemukan penjelasanhakikatzat,antaralain: Herakleitos(540474SM),yangberperansebagizatdasaradalahapiyang bersifat terus mengalir dan dijelaskannya sebagai panta rei, segala sesuatumengalir. Empedokles(500440SM),yangberperansebagaizatdasaradalahempat unsur yang berbeda yaitu: tanahairudaraapi. Menurutnya semua zat terbentuk dari keempat unsur tersebut melalui pencampuran dengan kadaryangberbedamenurutdayatolakandantarikan

12


Anaksagoras (500428 SM), perubahan zat disebabkan penggabungan atau pemisahan partikelpartikel kecil tak tampak yang disebutnya spermata.Setiappartikelberbedadalambentuk,warnadanrasa.

Pandangan Anaksagoras ini kemudian dibentuk lebih tegas oleh Leukippos danDemokritus(460370SM).MenurutDemokritus,alamtidaksinambungdanterdiri atasruangkosongdansejumlahbesarzatmungiltaktampak,takterbelahkandengan bentukyangberbedabeda.Disebutkannyaatomos,takterbelahkanatautakterbagi. Berubahnya zat satu ke zat yang lain adalah karena perubahan susunan dan gerak atomosatomosnya.TeoriinikemudianditolakolehAristoteles(384322SM)dengan pandangan anthropo sentries, bahwa setiap pangkal pemikiran haruslah berupa sesuatuyangdapatditangkapolehindramanusia.Sehinggaatomosdianggaphanya khayalanbelaka.SebagaigantinyaiamendukungteoriempatunsurEmpedoklesyang disempurnakan menjadi: tanahairudaraapi terbentuk dari dua pasang mutu dasar: panasdingin dan basahkering. Sejak itu terkuburlah teori atomos, karena kewibawaanAristoteles.

2.1SumbanganBesarpadaIlmuKimiaSejak jaman Iskandar Agung (kota Iskandariyah sekitar 300 SM), perkembangan ilmu lebih pesat terutama matematika, astronomi, geometri dsb. Tercatatbanyakhukumhukumdasarsainsdikemukakanilmuwansaatitu: Pembuatan alloy atau campuran beberapa logam dalam keadaan lelehannya akan mampu meningkatkan kekuatan dan mutu logam, untuk kebutuhan manusia (dilakukan oleh Iskandar Agung dalam membuat benteng dan tameng menahan gempuran musuh musuhnya). Archimedes (287212 SM) menemukan pi = sebagai bilangan hampiran yang bernilai 22/7, untuk menghitung lingkaran dan bola. PenemuanlainadalahhukumArchimedestentanggayatahanzatcair, yang membuka prinsip percobaan dalam fisika, yang digunakannya untuk mengukur kadar logamlogam. Karya lain: skrup Archimedes, rodagigi,pantulancermindatardanparabolikdansebagainya.13


CladiusPtolomeus(16870SM)menemukansudutpembiasancahaya yangmelewatimediaberbeda.Perhitungannyasaatituhanyaberlaku padasudutpembiasanyangkecil.

Karyakarya ini yang akhirnya menjadi cikal bakal lahirnya ilmu kimia. Bahkan teori atommoderndidasarkanpadaefekyangbisaditangkapdariserangkaianpercobaan, spektrumcahaya(optik),lintasanellipsdansebagainya. Saatsaatawal,kimiamunculkarenaadanyaupayapraktismengubahlogam biasa menjadi logam mulia, emas dan perak. Bahkan di Mesir kuno ada anggapan dasar,adakesatuanzatdankehadiranzatpengubahmanjur,dinamakanaliksiratau elixir, yang dapat digunakan untuk tujuan tersebut. Justru karena semangat inilah banyakpercobaandilakukandanilmukimiaberkembang. Para ilmuwan Arab (sekitar abad 8 sampai 9) mulai menemukan alkohol, alkana,alkalidansebagainya.Ilmukimiamulaimendapatkanbentukilmiah,berbagai percobaansistematismulaidilakukan.Dokumentasimetodemulaibanyakdihasilkan. BeberapakaryabesarilmuwanIslamsaatituantaralain: Cara membuat arsen dan timbal, menghaluskan logam, mewarnai kain dankulityangdilengkapimetodedanalatpercobaannya,ditemukanoleh Jabir Ibn Haiyyan (geber), 776 M. Karya lainnya adalah metode analisis komposisi senyawa, mutu logam, dan cara sintesis berbagai reagent kimia. Juga dalam laboratorium dihasilkan metode penyulingan, pembuatanasammineraldanalcohol,teknikpemfilteran,penyubliman, peleburan,pengkristalan,membuatasamnitrat,asamsulfatdanairraja (aquaregia)yangdapatmelarutkanemas Algoritma dan Aljabar, suatu metode perhitungan matematika, persamaan kuadrat dan logika matematika, diungkapkan oleh Al Khawarizmi(800M).Sumbanganmetodamatematikaini,hinggadewasa ini memberikan sumbangan yang sangat besar terhadap kemajuan peradabanmanusiamodern. Bidang optic, pemantulan cahaya pada cermin berpermukaan bola dan parabola, oleh AlHasan Ibn AlHaytham (9651038 M) dan mendapati bahwaperhitunganPtolomeushanyabenarpadasudutkecil.Karyabesar

14


nya yang lain adalah didapatinya bayangan benda oleh lensa, dan mencarihubunganletakbendadenganbayangannyayangdibentukoleh cermin. Formula AlHasan (elhazen) ini menjadi acuan bidang optika sampai saat ini, dan menjadi dasar spektroskopika penyelidikan atom modern. Bukunya tentang irisan kerucut menjadi acuan sangat penting dalam meramalkan pola orbit elektron dewasa ini. Dia juga menyusun tabelastronomisebagidasarilmuhisabpenentuanawalbulan,gerhana bulandanmatahari. SetelahkekuasaanIslamArabberakhir(sekitartahun1200an)danbangsa bangsa Eropa berkuasa, maka banyak karyakarya di Spanyol yang dimusnahkan penguasabaru,dansebagianlaindiambilalihdanditerjemahkan.Sekitar5abadtidak adaperkembanganberartidalambidangkimia.Barupadaakhirabad16,RobertBoyle melalui percobaanpercobaannya mengemukakan definisi unsur yaitu zat utuh sederhana yang tak tercampur atau terbentuk dari zat lain, dan merupakan bahan dasar benda. Gagasan ini nampaknya baru berharga satu abad kemudian ketika Antonie L Lavoisier pada tahun 1774 memperlihatkan bahwa udara terdiri atas campuran nitrogen dan oksigen dalam bentuk gas; dan tahun 1781 J Priestley menunjukkan bahwa air tersusun atas campuran oksigen dan hidrogen. Sehingga secara sederhana diyakini bahwa oksigen, hidrogen dan nitrogen adalah unsur menurut pengertian Boyle, bukan udaraairtanah menurut filosofi Yunani. Saat itu Lavoisier berhasil menyusun daftar yang terdiri dari 33 unsur, dan menurut definisi yangdiyakinisaatini,20diantaranyabenarmerupakanunsur.Beberapadiantaranya seperti gas oksigen (O2), hidrogen (H2) dan nitrogen (N2) yang awalnya dianggap unsur,ternyataadalahmolekulmenurutdefinisimodern. Langkah penting berikutnya adalah ditemukannya hukum perbandingan tetap oleh J.L. Proust (17541826), Dalam semua senyawa kimia, unsurunsur penyusunnyaselalumunculdenganperbandinganberatyangtetap,tidaktergantung bagaimana reaksi yang dijalaninya. Setelah itu John Dalton (17661844) menyimpulkan dari berbagai percobaannya, sebuah hukum perbandingan berganda, Suatuunsurdenganberattertentudapatbergabungdenganunsurlaindenganberat yang berbedabeda, perbandingan berat unsur yang berbeda tersebut selalu berupa bilanganbulat.SuatucontohPbdapatbergabungdenganoksigenmenjadiPbOatau15


PbO2makapebandinganberatoksigendalamPbOdenganoksigendalamPbO2adalah selalu1:2.

2.2TeoriAtomdanPerkembangannyaGagasan atom Democritus (filosof Yunani), menjadi bahan kajian dan pertanyaan besar Aristoteles serta menjadi bahan perdebatan ilmuwanilmuwan selama berabadabad. Namun gagasan tersebut tidak berkembang baik karena keterbatasan metoda. Konsep atom ini kembali mencuat pada sekitar tahun 1806, ketikakimiawaninggrisJohnDaltonmenerapkannyadalammemperkirakansifatsifat unsur dan senyawa. Bahwa unsur tersusun atas sejumlah zat utuh terkecil yang tak terbelahkan(atom,samadenganbayanganLeukipposdanDemocritus).Reaksikimia tidakmenciptamaupunmemusnahkanatom,danpenggabunganduaunsurataulebih selalu mengikuti hukum perbandingan tetap Proust atau perbandingan berganda Dalton. Dalam memudahkan penjelasannya Dalton mencoba membuat lambang visualisasiatomatomnya,terutamauntukgasgasyangdianggapnyasebagaiatom.Ia memisalkan masingmasing gas sebagai objek geometri tertentu. Gas hidrogen digambarkandenganlambangbintang( ),gasoksigen(),gasasamarang(),gas

nitrogen () dan sebagainya. Sehingga makin banyak zat atau gas ditemukan akan makin banyak lambang yang harus dibuat, mungkin ilmu kimia akan menjadi sangat sulit. Kesulitan ini teratasi dengan sumbangan JJ Barzellius, pada 1819 mengusulkan sistemlambangmenggunakanabjadlatin.Aturannya,hurufpertamanamalatinsetiap unsur atau atom digunakan sebagai lambang, ditulis dengan huruf kapital. Jika dua unsurdenganhurufdepansamamakaunsuryangdinamaiberikutnyamenggunakan salahsatuhurufdarinamanyasebagaihurufkedualambangtersebut,ditulisdengan huruf kecil. Contoh H untuk hidrogen, He untuk helium; C untuk carbon, Cr untuk chromium, Cd untuk cadmium; dan seterusnya. Tikalas (subscript) digunakan untuk menyatakan jumlah atom yang terlibat dalam penyusunan suatu senyawa atau molekul. Jadi air, H2O menyatakan dalam molekul air disusun atas 2 atom H dan 1 atomO.H2SO4tersusunatas2atomH,1atomSdan4atomO;danseterusnya.

16


Sebelumabad19sangatbanyakilmuwandanahlikimiamenggunakanteori dan konsep atom walaupun mereka belum bisa membuktikan secara fisik keberadaaanya, tetapi dalam setiap percobaan dan aplikasinya mereka dengan mengagumkantelahmampumengetahuisifatreaksidanpenggabunganatomuntuk kehidupan. Para ilmuwan saat itu lebih cenderung mengamati reaksireaksi yang terjadi daripada mempertanyakan bagaimana reaksi tersebut bisa terjadi. Hingga pertengahan abad ke19, pengetahuan atom nampaknya hanya mengetahui berat atom sebagai satusatunya kuantitas dalam angka sebagai karakteristik zat. Pengetahuaninitelahdigunakanparailmuwanuntukmencirikanatomatomberbagai unsur dan karakteristik reaksi yang dijalaninya. Konsep atom baru bisa diterima dengancermatketikaperhitunganEinsteindanJeanPerrin(awalabad20)memaksa ilmuwanuntukmenerimakeberadaanatom. Terobosan besar dalam memahami atom dimulai pada tahun 1860an ketika paraahlifisikamenyadaripolaspektrumgariscahayayangdipancarkansetiapunsur merupakan kekhasan atomatom penyusunnya. Penyelidikan dilakukan Fraunhofer sekitar1814menggunakanspektroskopdanmendapatibahwacahayamatahariyang dilewatkanlensaspektroskopakanmenghasilkanwarnasinambungpelangi,diselingi olehsejumlahgarisgelaptajam.Peristiwateramatiinibelumbisadijelaskan.Saatitu hanya dikenal spektrum kontinyu karena pembiasan, sehingga adanya spektrum diskritcukupbertentangandenganteoripembiasanumumnya. Peristiwa lain bidang spektroskopi diamati Kirchhoff dan Wilhelm Bunsen pada 1860, bahwa berbagai logam yang dimasukkan ke dalam nyala api akan menghasilkan pancaran cahaya yang khas. Luar biasa. Dari setiap logam mereka menemukan garisgaris cahaya atau spektrum yang merupakan ciri khas logam tersebut. Sifat ini selalu muncul, tidak tergantung dari suhu nyala api ataupun dari senyawaan kimia logamnya. Apapun bentuk senyawaannya, setiap logam akan memberikanspektrumyangkhassebagaicirinya.Suatucontoh,logamnatriumdalam keadaan muri maupun bersenyawa dengan atom lain (misal NaCl, Na2SO4, Na2CO3) akanselalumemberikannyalakuningyangtegasketikadimasukkankedalamapi,dan akanmemberikangarisspektrumyangjelasketikadianalisisdenganspektrograf.Pola pola garis gelap selalu muncul dengan khas dan jelas untuk setiap logam yang dinyalakan.Tidakadasatupunlogamatauunsuryangdicobamemberikanpolayang17


sama, bahkan ketika unsurunsur dicampur tetap memberikan spektrum yang khas penyusunpenyusunnya. Demikian juga dengan logamlogam lain, kalium, kalsium, magnesium dan sebagainya. Pengetahuan tentang spektrum garis atom ini berkembang terus sehingga memberikan sumbangan besar terhadap pemahaman atom. Gambar1.AtomCu(hijau)Li(merah)danNa(kuning)ketikadinyalakan

ModelatomThompsonMenelaahkembaliperkembanganteoriatom,denganberbekalteoriLorentz, bahwa pancaran cahaya sebagai akibat dari getaran elektron dalam atom, para ilmuwan menduga bahwa atom memiliki struktur elektromagnetik tertentu. Struktur inimemungkinkanmenghasilkanketeraturananekaspektrumgarissepertiyangtelah teramati. Sir JJ Thompson pada tahun1897 memerikan elektron, dan mengusulkan model atom. Dengan didasari pendapat bahwa atom takterbelahkan, ia merincikan strukturkelistrikannya. Didasarkan pada percobaannya yang menunjukkan bahwa cahaya bisa bersifat gelombang (teori gelombang maxwell dan mekanika newton), dan elektron mempunyai nisbah muatan terhadap massa, maka Thompson menyimpulkan bahwa elektron lebih mirip partikel, bukan sinar katoda. Dalam gagasannya sebuah atom lebih mirip sebagai bola sangat kecil yang bermuatan positif dan sejumlah elektron yang bermuatan negatif menempel dipermukaannya. Jumlah elektron sedemikian rupa,sehinggatotalmuatannyasamadenganjumlahmuatanpositif,resultanmuatan untuk atom ini adalah nol. Jika atom kehilangan satu atu lebih elektronnya, maka18


atom tersebut akan menjadi bermuatan positif yang disebut ion positif. Model ini secara mekanika sangat tidak stabil dan tidak bisa digunakan untuk menjelaskan berbagai fenomena atom maupun reaksireaksi yang akan dijalaninya secara kimia atau reaksi inti. Namun demikian model ini kembali mengukuhkan toeri getaran elektrondisekitarkedudukansetimbangnyaakanmemancarkancahayaatom.Dalam perhitungannya, Thompson menunjukkan bahwa untuk dapat menghasilkan cahaya tampak,bolaatomharusberjarijarisekitarsatuperseratusjutacm.Angkainihampir samadenganyangdiperolehmodelperhitunganlain.

-

+ + + +

- + + + + + +

-

-

-

- + -+ + -+ - + -+ - - -+ + + + -

Gambar2.ModelatomThompson

ModelatomRutherfordFisikawan ini adalah murid Thompson di Cambridge dan menjabat profesor fisika di Universitas Manchester. Bekerja bersama dengan mahasiswa risetnya, Rutherford mencoba menembakkan muatan positif (dipilih adalah partikel alfa) dihamburkan oleh selaput tipis emas. Hasil hamburan ini ditangkap dengan layar berpendar. Ternyata didapatkan, sebagian besar partikel alfa dihamburkan dengan sudut kecil 1akanadaberbagaibentuk orbitellipsyangmungkin.Darisini,makasudahdiperolehbahwauntuknilain=1,k=1 orbitalberbentuklingkaransamadenganpostulatBohrdanhasilpercobaanspektrum stasionerhidrogen.Untukn=2,adalebihbanyakgarisspektrumdariyangdiperkirakan n+ E= n hf n+ n+ E= n hf

22


Bohr, karena k yang ada adalah 1 dan 2 berbentuk orbit ellips, demikian juga untuk n=3,4,5danseterusnya. Dalam sudut pandang kimia modern orbitalorbital atom sangat penting dengan fungsi gelombang elektron, yang memungkinkan manipulasi ikatan dan memperkirakan sifatsifat gabungan unsur atau senyawa. Dari pengamatan spektra danmanipulasimatematikdiperolehbentukbentukorbital: Orbitalsberbentuksimetribulatpadapusatatom Orbitalpberbentukdumblepadasepanjangsumbukoordinatkartesiuspx,py danpz Orbitaldberbentukdobeldumblepadasumbudz2,dxy,dxz,dyzdandx2y2 Berbalik ke percobaan Pieter Zeeman (pada awal 1890an) kalau atom tereksitasi di letakkan dalam medan magnet, maka akan didapatkan garisgaris spektrum tambahan. Dalam khazanah ini, teori atom harus bisa menjelaskan efek zeeman. Sommerfeld kembali merumuskan kunci untuk penjelasan efek zeeman ini, disyaratkan lebih lanjut ada arah orientasi orbit ketika berada di medan magnet, dengan batas orbit bilangan kuantum magnetik, m. Karya Sommerfeld ini mendapatkan apresiasi khusus dari Eisntein dan Bohr. Dengan dukungan dari teori Sommerfeld, Bohr merumuskan kembali aturan seleksi untuk transisi atom berdasarkan 3 bilangan kuantum yaitu ukuran orbit (n), bentuk orbit (k), dan arah orbit(m). orbital1s(n=1,k=1,m=0)orbital2s(n=2,k=1,m=0)orbitalp(n>1,k=2,m=1,0,1) Gambar6.Ilustrasibentukorbitalsdanorbitalp

23


Orbitald(n>2,k=3,m=2,1,0,1,2) Gambar7.Ilustrasibentukorbitalddansuborbitalelektron Ternyata, perburuan atom belum selesai dan nampaknya tak akan segera berakhir. Dalam pengamatan lanjutan ternyata didapatkan garis spektrum lebih banyaklagidalampenerapandobelmedanmagnetik,dansebelumnyadisebutsebagai anomaliefekZeeman.PersoalaninidijelaskanolehWolfgangPauli,doktorbimbingan SommerfelddanbekerjabersamadenganBohr.Paulimemberikanhipote Gambar8.Pasanganspinelektron(s=dans=+) sis adanya anomali efek Zeeman karena rotasi tersembunyi elektron yang menghasilkan momen sudut tambahan, sehingga diusulkan bilangan kuantum keempatyangmemiliki2harga,dikenalkemudiandenganspinelektron,yangbernilai (rotasiatas/berlawananarahjarumjam)dan+(rotasibawah/searahjarumjam). Elektron selama berputar pada orbitalnya juga berputar pada sumbunya dengan putaranspin.Sepasangelektrondalamorbitdansuborbitnyaharusmempunyaispin yangberbeda. Paulimenjelaskan,tiapkeadaanatom(dengan3bilangankuantumn,k,m) mempunyai 2 elektron dan masingmasing mempunyai orbit sendiri, dinamakan kuantisasiruang.Inilahyangmenjelaskanelektrontidakjatuhkeinti.Masingmasing24

-

-


keadaan kuantum dalam atom hanya boleh ada 1 elektron, jadi ada 4 bilangan kuantum untuk setiap tingkat energi (n, k, m, s). Jika suatu tingkat energi sudah tercapai,elektronberikutnyaharusmencapaitingkatenergiberikutnya(yangkosong, diatasnya),berturutandarienergiterendahsampaitertinggi.Dengandemikian,suatu tabelperiodikunsuratauatombisadisusundengansistematis. Gambar9.AtomHestasionerdanstabildengann=1,k=0,m=0,s=dan+ Tabel periodik. Sifat periodik unsur, sifat berulang atau hampir mirip dari unsurunsur dalam reaksi kimia setiap periodeperiode tertentu, sudah dikenal sejak DimitriMendeleyev(Rusia,1890an).Ditujukanuntukperagaanvisualdalammengajar kimia organik. Dalam pengamatan Mendeleyev sifatsifat unsur secara mirip mengalamiperulanganjikadisusundalamtabelbariskolommenurutkenaikannomor atom. Setelah ada penjelasan teori kuantum, Bohr juga memberikan penjelasan tentangperiodisitasunsur,antaralain: Sifatsifat kimia dan fisika unsur tergantung pada susunan elektron di sekitar inti, bagaimana elektron tersusun dalam kulit, orbital dan sub orbital, serta spinyangdijalaninyamenentukansifatunsurtersebut. Elektronelektron tersusun dalam kulitkulit secara berkelompok dengan pola tertentu. Kelompok dalam kulit ini yang digambarkan dalam periode unsur, cara berkelompok dengan menempati orbital dan sub orbital, sehingga elektronberpasanganspinmaksimal2elektrontiapsuborbital. Penuh tidaknya kulit atom terisi elektron, mempengaruhi sifat kimia unsur. Kulit yang terisi penuhdikaitkan dengan sifat stabilitas kimia. Sebagaicontoh unsur gas inert (He, Ne, Ar, dsb) diduga berisi elektron secara penuh dan lengkapsetiapkulitnya. He

25


Elektron terluar, valensi, diduga mudah bergabung dengan orbital atom terdekat. Pendugaan ini cocok dengan teori reaksi kimia, bahwa reaksi kimia terjadidenganpercampuranorbitaldanelektronvalensi. Pada tahun 1921, Niels Bohr mengajukan bentuk tabel periodik yang

memberikandasarlogisuntukmemahamikimia.Secarafundamental,tabeltersebut dijelaskanolehPaulidenganprinsiplaranganpauli,setiapsubkulithanyabolehdiisi oleh2elektron,dantidakdiperbolehkanelektrontidakmempunyaibilangankuantum yang lengkap, secara otomatis memunculkan angka 2, 8, 18,.... untuk atom stabil, untuktiaptiapkulitnya. Tabel1.Susunandanjumlahelektrondalamkulitdanorbitalatom Kulitke 1 2 n 1 2 2 3 3 3 3 Dst Dalam penerapan untuk menyusun tabel periodik dan menentukan letak unsur atau atom stasioner dalam golongan maupun perioda, maka diberlakukan aturanpenataanelektrondalammengisisetiapkulitmaupunorbitalnya.Dalamekslusi Pauli, larangan Pauli, dinyatakan tidak diperbolehkan ada 2 elektron, sebenarnya ini berlaku untuk semua hal, yang sama persis, artinya mempunyai keempat bilangan kuantumyangsama.Sehinggajikaada2elektrondengannilain,k,myangsamamaka harus punya nilai spin yang berbeda. Dan aturan kestabilan menyatakan bahwa elektronakantersusundalamkulitkulitatomdenganmenempatiorbitalmaupunsub orbital dengan tingkat energi terendah. Elektron berikutnya akan menempati orbit dengan tingkat energi lebih tinggi dan seterusnya, sehingga di dapatkan elektron elektron yang mengisi kulit dengan orbital tingkat energi tertinggi sebagai elektron terluar (valensi). Suatu atom stasioner dikatakan stabil jika elektron mengisi penuh26

Possiblek 1(s) 1(s) 2(p) 1(s) 2(p) 3(d) dst(s,p,d,f)

Possiblem 0 0 1,0,1 0 1,0,1 2,1,0,1,2 Dst

Possibles + + + + + + dst

Totalelektron 2 2 6 2 6 10 dst dst 18 2 8

dst


orbital atau setengah penuh dalam keadaan tingkat energi terendah yang mungkin dimilikinya. Jika tidak demikian, maka atomatom atau unsur itu akan melakukan penataan ulang elektron dan mungkin melibatkan atom atau unsur lain sehingga samasamamendapatkankeadaanlebihstabil(miripstasioner,dengantingkatenergi yanglebihrendah).Secarasederhana,inilahyangdigunakansebagaidasarpenjelasan untukreaksireaksikimiayangterjadiselamaini. Dalam pengamatan dan pembahasan yang seksama ditemukan susunan tingkatenergiorbitaldansuborbitaldenganurutanyangdisepakatisebagaiberikut: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p dan seterusnya (lihat gambar 10).Tampak bahwa orbital 4s mempunyai tingkat energi lebih rendah dari 3d, sehingga elektron akan mengisi orbital 4s lebih dahulu hingga penuh baru kemudian sisanya mengisi orbital 3d. Jadi walaupun kulit ke3 belum penuh terisi, sub kulit ke4 (4s) akan terisi elektron lebih dahulu,dalammempertahankankestabilanelektrondilintasannya.

Gambar10.Tingkatenergiorbitaldansuborbital Sejumlahelektrondalamsuatuatom,disusundenganmengisiorbitalorbital tingkatenergilebihrendahterdahuluberturutankeorbitaltingkatenergilebihtinggi, hinggaseluruhelektronmendapatkantempatnya(masingmasingmempunyaiempat bilangan kuantum yang khas). Ketika mengisi tiaptiap orbital, elektron tidak berpasangan spin terlebih dahulu sehingga semua sub orbital terisi sebuah elektron. Dalamhalini,elektronelektronyangmengisiorbitalp,d,fdanseterusnya,spinatas (+) mengisi sub orbitalsub orbital yang tersedia hingga penuh (orbital setengah penuh),barukemudianpasanganspinnya,spinbawah()melengkapi.Posisielektron27


terakhir dari atom stasioner, dalam orbital, menentukan letak atom tersebut dalam tabelperiodikunsur.Sehingga,setelahseluruhelektronyangdimilikiatomstasioner disusunmengisiorbitsepertidiagramenergidiatas,makaelektronvalensi(elektron terluar)menentukantempatpadagambardibawah.

Gambar11.Posisielektronvalensipadatabelperiodikunsur Suatucontoh,atomnatrium(Na)mempunyaielektronsebanyak11,sehingga dapat disusun dengan konfigurasi 1s2, 2s2, 2p6, 3s1. Elektron terluar berada pada 3s, kulitke3atauperioda3denganorbitals,makaatomNaakanberadapadakolom3s padatabelperiodikdiatas.Jumlahelektronpadakulitterluaradalah1,sehinggaNa beradapadagolongan1A. Kajianlebihlanjutterhadapsusunanelektrondalamatomakanmenjelaskan sifat kimia unsur, yang ditentukan oleh jumlah elektron yang terdapat pada kulit terluar(elektronvalensi)atomtersebut.Dalamkaitandengansistemperiodikunsur, dinyatakan bahwa pada kolom yang sama, jumlah elektron valensi atomatomnya adalahsama.Sebagaicontohpadakolomgolongan1A,seluruhelektronterakhirjatuh pada s dengan jumlah satu. Elektron terluar, yang mengisi kulit atau orbital atom atomjatuhpadas,LiNaKRbCsFr.Secarakimia,sifatsifatkimiayangdimilikiunsur unsur ini adalah mirip. Dari sini jelaslah bahwa yang menentukan sifat kimia suatu atom atalah nomor atom atau jumlah proton maupun elektron, bukan berat atom yangtelahdianutsebelumabad19. Secara sederhana, atom mempunyai inti atom (nucleus) yang bermuatan positif, dimana sebagian besar massa atom terkonsentrasi. Di dalam inti atom terutamaterdapatproton(bermuatanpositif)dannetron(bermuatannegatif)dengan28


massamasingmasingadalah1amu(atomicmassunit).Secarautuhsederhana,atom disusunatasintiatom(nukleusprotondannetron)dandikelilingielektronelektron (dengan massa sekitar 1/2000 amu) dengan orbit dan lintasan yang tertentu (tergantung tingkat energi yang memungkinkan elektron untuk tertahan pada orbitnya). Namun demikian dalam perkembangan riset kimia kuantum, akan dikenal pula positron (elektron bermuatan positif, ditemukan oleh Carl Anderson (1932) berdasarkan perkiraan Paul A.M. Dirac dalam persamaan dirac tentang quantum electrodynamic (QED)), dan pertikelgelombang elementer yang lebih substansial sepertimuon,quark,foton,stringdansebagainya,yangmenyusunproton,elektron, netron,positron.

2.3Molekul:sebuahikatankimiaantaratomatomBerbagai pertanyaan akan muncul setelah diketemukannya struktur atom. MengapaHeselaluberbentukunsurHesedangkanhidrogenHselaluberstrukturH2? Garam dapur sebagai NaCl, dan air H2O? Jawabannya terletak pada keberadaan dan interakasielektronelektronterluar(valensi)dalamatom. Gagasan molekul pertama kali dimunculkan oleh Amedeo Avogadro 1811 dan disempurnakan oleh S Cannizzaro pada 1858. Secara prinsip adalah sebagai berikut: 1. Bagian terkecil setiap zat adalah molekul, dan bagian terkecil unsur adalah atom. 2. Molekulbeberapaunsurgas(sepertihidrogen,oksigennitrogendanklor)tak terbelahkan,tetapiterdiriatasduaatomyangsamayangmudahberpisahbila unsurunsurnyabereaksimembentuksenyawalain. 3. Di bawah suhu dan tekanan tetap, volume yang sama berbagai gas mengandungjumlahmolekukyangsama. Gagasanitukemudiandidukungdengandataberbagaipercobaan,sehingga didapatkanbukti beberapa gas yang disebut diatomik (molekulnya beratom dua, N2; O2;H2;Cl2dsb).Disampingituuntukgolongangasmuliaselaludalambentukmolekul monoatomik(molekulnyaberatomtunggal).Adahalmendasaryanghaarusdijelaskan mengapa atomatom membentuk molekul? Penjelasan percobaan maupun

29


perhitungan menunjukkan bahwa atomatom membentuk molekul karena kecenderungannyauntukmemperolehbentukyangstabil. Pembentukan ikatan atom (reaksi kimia) untuk berbagai molekul kimia didasarkanpadaasaz: Hanyaelektronelektrondikulitterluardarisustuatomyangberperandalam pembentukanikatanantaratom Setiapatommempunyaikecenderunganberadaatauinginmencapaikeadaan: o Subkulit terluarnya terisi penuh, sehingga mempunyai konfigurasi stabil o Sepertisusunangasmulia,yangkulitterluarnyaterisi8elektron(octet) atau2spertipadaHe. Atomatom pada golongan gas mulia memiliki orbital terluar (kulit terluar) dengan elektronelektron mengisi penuh semua suborbitalnya. Atom He, hanya memililkiduabuahelektronyangmengisisubkulitterluar1s.Sehinggaatominikulit terluarnya1s,terisipenuhdanstabil,makaHeselaluberadadalambentuksendirian1 atom (monoatomik) stabil, inert atau disebut mulia. Begitu juga dengan atomatom Ne,Ar,Kr,Xe,danRn,masingmasingmempunyaikulitterluardengansubkulit2s2p, 3s3p,4s4p,5s5pdan6s6p,yangberdayatampung(2+6)=8elektron.Konfigurasi penuh pada kulit terluar ini stabil, sehingga atomatom gas mulia ini tidak berikatan denganatomlain,dinamakanmolekulmonoatomik(terdiridari1atom). Konfigurasi gas mulia ini akan ditiru oleh atomatom lain dengan berbagai upaya,baikikatandenganatomlainyangsegolonganataupundenganatoatomlain golongan yang memungkinkan. Subkulit terluar atom natrium (Na, dengan nomor atom11,mempunyai11elektrondengankonfigurasi1s2,2s2,2p6,3s1),adalah3syang diisi 1 elektron spin atas. Untuk mencapai kestabilan dengan meniru konfigurasi gas mulia,yangpalingmudahadalahdenganmelepaskan1elektronterluarnyasehingga bermuatan total positif (kation), Na+. Konfigurasi ion Na+ adalah 1s2, 2s2, 2p6 sama dengankonfigurasigasneon,Ne. Di sisi lain atom khlorium (Cl, dengan nomor atom 17 mempunyai 17 elektrondengankonfigurasi1s2,2s2,2p6,3s2,3p5)kulitterluardiisidengan7elektron (2 elektron pada sub kulit s dan 5 elektron pada sub kulit p). Untuk mencapai kestabilan seperti gas mulia terdekat, maka Cl cenderung menangkap 1 elektron30


tambahandanmembentukionnegatif(anion),Cl.KonfigurasiionCladalah1s2,2s2, 2p6,3s2,3p6samadengankonfigurasigasargon,Ar.DengandemikianionNa+danion Cldapatsalingberikatan,dimanaatomNamemberikan1elektronterluarnyadarisub kulit 3s dan atom Cl menerima 1 elektron untuk memenuhi kulit terluarnya 3p. Sehingga baik Na maupun Cl samasama mempunyai konfigurasi baru, elektron elektronnyadenganmembentukkationNa+dananionCl.Hasilnyaterbentukmolekul garam dapur NaCl, sebagai akibat tarifan gayacoulomb antara ion Na+ dan Cl. Jenis ikatan ini dinamakan ikatan Ionik. Gambar berikut hanya menampilkan elektron valensi(elektrondikulitterluar,Na=[1s2,2s2,2p6]3s1 =1danCl=[1s2,2s2,2p6]3s2, 3p5=7) Na

+-

-

Cl

Na+

-

-

Cl-

-

-

-

Gambar12.Ilustrasiikatanionik Atom hidrogen H, hanya memiliki 1 elektron pada kulit 1 sub kulit 1s, sehingga atom ini kekurangan satu elektron untuk memnuhi sub orbitalnya dan menirususunanHe.KekuranganinimembuatatomHcenderungberikatandengan1 atom H lain, dengan demikian kedua elektron (masingmasing atom H memiliki satu elektron) dapat dipakai bersama, untuk menjadikan kulit terluarnya penuh terisi 2 elektronpadasubkulits.Ikataninimenjelaskanbahwamolekulhidrogenselaluterdiri atas2atom(diatomik)hidrogen,H2.

-H

-

+

H

H

H

-

Gambar13.IlustrasipembentukanmolekulH2(ikatankovalen)

31


Sementara di golongan VI ada atom oksigen O, dengan 8 elektron yang dimiliki, maka elektron tersebut akan tersusun 1s2, 2s2, 2p4. Kulit terluar 2 dengan orbital2sdan2pberdayatampung8elektron(2untuksdan6untukp),namunhanya terisi6elektron(2disdan4dip).DengandemikianatomOstasionerkekurangan2 elektron dan cenderung menarik elektron dari atom lain. Contoh yang sederhana adalah dengan menarik 2 elektron dari 2 atom H, agar konfigurasi O mirip dengan konfigurasi Ne. Atom H butuh satu elektron untuk membentuk konfigurasi mirip He. MakaakanterbentukmolekulH2O,dimana4elektron(2dariOdan2dari2atomH) dipakai secara bersama. Selain dengan cara itu, atom O juga bias berikatn dengan atom O lain membentuk O2. Ikatan dengan pemakaian elektron secara bersama ini dinamakanikatankovalen. Kenyataan pembentukan molekul ini menunjukkan bahwa rahasia rumus molekul bersumber pada kehadiran sub kulit elektron yang dijelaskan mekanika kuantum. Dalam berbagai penelaahan, dijelaskan pula berbagai reaksi kimia terjadi karena perubahan konfigurasi elektron di kulit terluar (elektron valensi). Atomatom dengan jumlah kulit yang sama (satu perioda pada tabel periodik), makin ke kanan jumlah elektron yang menempati kulit tersebut makin banyak. Akibat dari hal demikian, atomatom tersebut makin ke kanan akan makin cenderung menangkap elektron tambahan untuk mencapai kestabilan konfigurasi, atau makin cenderung membentuk atom muatan negatif (kation). Kata lain dari peristiwa ini adalah atom atomdalamsatuperiodanilaielectronegativitas(keelektronegatifanataukemampuan menangkapelektrontambahan)makinbesar.Sedangkanatomatomyangsebelahkiri sulit menangkap elektron, tetapi lebih mudah melepaskan elektron valensinya sehingga membentuk ion positif (kation). Kenyataan ini sesuai dengan teori tarikan gaya muatan listrik. Makin banyak elektron pada suatu kulit atom, maka gaya tarik denganintiatomyangbermuatanpositifakanmakinbesarsehinggaelektronpunakan makin sulit lepas. Dari pengukuran seksama terhadap relatif nilai elektronegativitas atom,diperolehnilainilaisebagaiberikut:

32


Gambar14.Hargaelektronegativitasberbagaiunsuratauatom Darinilaielektronegativitasatomatomdapatdiperkirakanjenisikatandalam pembentukan molekul. Dua atom yang mengadakan suatu ikatan pembentukan molekuljikanilaielektronegativitasnyaberbedalebihdari2makaikatanantaratom tersebutadalahikatanionik,contohNaCl,KCl,CaF2dansebagainya.Jikaperbedaan keelektronegatifannya antara 2 0,5 maka yang terjadi adalah ikatan kovalen yang menghasilkan molekul senyawa polar (terjadi pengkutuban muatan, orientasi yang jelas muatan positif dan negatif pada momen dipolnya), contoh H2O, CuO dan sebagainya . Dan jika perbedaan keelektronegatifannya kurang dari 0,5 maka ikatan yangterjadiadalahikatankovalennonpolar(distribuselektronmeratapadaseluruh molekul,tidakterjadiorientasimuatanataukutub),contohCH4,C2H6dansebagainya. Hampirsamadenganelektronegativitasadalahenergiionisasi.EnergiIonisasi diterapkanuntukmengukurbesargayatarikantaraelektronelektrondengansuatuinti positif.SehinggaEI(energiionisasi)merupakanbesarnyaenergiyangdiperlukanuntuk mementalkanataumelepaskanelektrondariorbitnyasehinggaatommembentukion positif. Elektron elektron yang lebih jauh dari inti, EInya akan lebih kecil, sehingga elektronelektron tersebut mudah untuk dilepaskan, hal ini karena gaya tarik inti kurangkuatmengikatnya. Li, Na, K (unsur dari golingan I) atomatomnya mempunyai energi ionisasi pertamaterkecildiantarasemuaunsurunsuryangada,sehinggaatomatominipunya33


1 elektron yang mudah dilepas membentuk kation. Be, Mg, Ca (unsur golongan II) punyaEIpertamadanEIkeduaterkecil,sehinggaiabisamelepas2elektronterluarnya membentuk kation bervalensi 2. Makin ke kanan energi ionisasi makin besar, atau makinsulitelektronlepasdarikulitterluarsuatuatom.He,Ne,Ar,energiionisasinya sangat besar, sehingga sangat erat mengikat seluruh elektronnya tetap pada orbit. Golonganiniinertdansangatstabil(golongangasmulia).

2.4ReaksiKimia:peristiwapertukarankomposisiunsur(atom) molekulmolekuldanupayauntukmencapaikestabilanDi sekitar kita terdapat berbagai proses yang berdasarkan reaksi kimia. Contohcontoh berikut ini menunjukkan betapa pentingnya reaksi kimia dalam kehidupankitaseharihari. Respirasidanfotosintesis Sistem kehidupan bukan mesin kalor. Sistem ini bukan juga sebuah baterai listrikyangsederhana.Namunkerjanyaberdasarkanreaksikima.Secarakeseluruhan sistem ini menggunakan oksigen untuk mengoksidasi karbohidrat sehingga pecah menjadikarbondioksidadanair. C6H12O6(s)+6O2(g) 6CO2(g)+6H2O(l) (respirasi)

Reaksi di atas menghasilkan energi. Proses ini disebut respirasi, proses yang dijalani hampir seluruh makhluk hidup untuk aktivitasnya, terutama yang bersifat aerobik. Reaksi sebaliknya, hanya dilakukan oleh tumbuhan dengan klorofil (zat hijau daun) dengan fotokatalitik (dibantu dengan sinar matahari) yaitu fotosintesis. Proses fotosintesisadalahsalahsatupembentukansenyawaorganikdarisenyawaanorganik. 6CO2(g)+6H2O(l) C6H12O6(s)+6O2(g) (fotosintesis)

Pembakaran(oksidasi),KombinasidanDekomposisi Hampirsamadenganrespirasi,beberapazatorganikterutamayangbersifat sebagai bahan bakar akan mampu dibakar dengan baik. Pembakaran pada dasarnya adalah reaksi oksidasi dengan oksidator oksigen. Kayu, alkohol, alkana (bahan bakar minyakdangas)dansebagainyaadalahzatorganikdenganrumus(CH2O)natauCnHm.

34


Pada reaksi pembakaran, bahanbahan tersebut direaksikan dengan oksigen akan menghasilkanzatasamarang(CO2)danair. (CH2O)n+O2(g) CnHm+O2(g)

CO2(g)+H2O(l) CO2(g)+H2O(l)

(pembakaran)

Reaksi lain yang cukup penting di lingkungan adalah reaksi kombinasi atau reaksi kondensasi, yaitu reaksi molekulmolekul yang berukuran kecil membentuk hasilreaksiberupamolekulyanglebihbesar.Pembakaranbriketarangadalahcontoh reaksikombinasiyangmenghasilkanenergi: C(s)+O2(g) CO2(g) (kombinasi/pembakaran)

Pada pembuatan briket arang dengan proses reaki pirolisis, yaitu reaksi pemanasanbahanorganikdengantanpakehadiranoksigen,akandihasilkanmolekul air dan padatan karbon. Reaksi ini adalah contoh reaksi dekomposisi, bersifat endotermisartinyadalammenjalankanreaksinyamembutuhkanenergiyangcukup. (CH2O)n C(s)+H2O(l) (dekomposisi)

Oksidasireduksibateraisel Baterai sel merupakan contoh aksidasireduksi yang sangat berguna bagi kehidupan.Didalamreaksiiniakandihasilkanenergilistrikakibatperbedaanpotensial reduksioksidasi setengah selnya. Reaksi ini berlangsung spontan sampai terjadi kesetimbangan. Oksidasi:Zn Total:Zn+Cu2+ Reaksi semacam ini telah dikembangkan untuk berbagai macam hal yang sangat berguna bagi kehidupan dan ilmu pengetahuan. Contoh lain adalah sel bahan bakar hidrogenmurniyangdireaksikandenganoksigenmurnimenghasilkan1,23voltdanair murnitiapmolnya. Oksidasi:2H2 4H++4e 2O2

Zn2++2e Cu Zn2++Cu

E=0,76volt E=0,34volt E=1,10volt

Reduksi:Cu2++2e

E=0volt E=1,23volt E=1,23volt35

Reduksi:O2+4e Total:2H2+O2

2H2O


Dalam kenyataannya, sel hidrogen ini mampu menghasilkan 0,9 volt karena efisiensi prosesyangbelummampumencapai100%,danadanyahambatanlistrikpadasistem. Danbanyakreaksilainyangsangatpentingbagikehidupan. Jika diperhatikan dari seluruh reaksi kimia yang terjadi, maka dengan berbagaiperhitungandanpengamatan,berbekalhukumkekekalanmassadanhukum kekekalan unsur maka reaksi kimia secara sederhana dapat dipandang sebagai pertukarankomposisiunsurantarreaktandanhasilreaksi.Dengandemikianseluruh reaksi kimia dapat dihitung dengan menggunakan prinsip stoikiometri, reaksi kimia berlangsung dengan perbandingan mol yang seimabang (tetap). Sebagai contoh, setiap1molkarbon(C)yangbereaksidengan1moloksigen(O2)akanmenghasilkan1 mol karbondioksida (CO2), seperti reaksi kombinasi di atas. Jumlah massa C dan O2 yang bereaksi akan sama dengan jumlah massa CO2 yang dihasilkan, demikian pula jumlahunsurunsurnya.

36

2 teori atom dan molekul

Documents