Perkembangan Teori Atom dan Konfigurasi Elektron

Perkembangan Teori Atom dan Konfigurasi Elektron

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari sejarah perkembangan teori atom, struktur atom, serta cara menuliskan distrubusi elektron dalam atom. Teori atom pertama kali dicetuskan oleh John Dalton, seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, pada tahun 1808.

Beliau menyatakan bahwa semua materi tersusun dari “building block” yang dikenal dengan istilah “atom”.  Teori atom Dalton dapat dirangkum dalam beberapa pernyataan berikut:

1.      Semua unsur di alam tersusun dari partikel yang sangat kecil yang dikenal sebagai atom.

2.      Atom-atom suatu unsur adalah identik satu sama lainnya; atom suatu unsur berbeda dari atom unsur lainnya

3.      Senyawa terbentuk dari atom-atom berbagai unsur; dalam pembentukan senyawa, perbandingan atom-atom unsur penyusun senyawa selalu merupakan bilangan bulat dan sederhana

4.      Reaksi kimia merupakan peristiwa pemisahan, penggabungan, atau penataulangan (rearrangement) atom-atom; reaksi kimia tidak menciptakan atau memusnahkan atom

Seiiring dengan perkembangan zaman dan kemajuan teknologi, para ilmuwan mulai meneliti atom.  Pada tahun 1906, J.J. Thomson, seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, memperoleh Hadiah Nobel bidang Fisika atas keberhasilannya menemukan elektron, salah satu subpartikel penyusun atom. Beliau mengajukan model atom yang dikenal dengan istilah “model roti kismis”. Dalam teori ini, elektron dianggap tersebar secara acak pada permukaan atom berupa bola pejal bermuatan positif.

Pada awal abad ke-19, dua sifat atom telah jelas; di dalam atom terdapat sejumlah elektron dan atom bersifat netral. Untuk mempertahankan sifat netral tersebut, atom haruslah memiliki sejumlah muatan positif yang sama untuk menetralkan muatan negatif yang diemban elektron.  Pada tahun 1911, Ernest Rutherford, seorang ilmuwan berkebangsaan Selandia Baru, melakukan percobaan untuk mempelajari struktur atom dengan menggunakan sinar α yang ditembakkan pada lempengan emas. Beliau memperoleh hasil bahwa sebagian besar sinar  α akan diteruskan, sementara sebagian akan dibelokkan dan dipantulkan kembali.

Oleh karena sinar α mengemban muatan positif, maka Beliau berkesimpulan bahwa sebagian besar ruang atom adalah kosong (hampa); atom memiliki muatan positif yang terkonsentrasi pada inti atom dengan densitas tinggi. Hasil penemuan Rutherford semakin melengkapi pengetahuan tentang struktur atom.  Muatan positif yang terdapat pada inti atom dikenal dengan istilah proton (oleh Goldstein).

Perkembangan selanjutnya telah menghasilkan temuan bahwa selain proton, di dalam inti atom terdapat sejumlah subpartikel yang memiliki massa yang hampir sama dengan proton, akan tetapi tidak mengemban muatan listrik. Hal ini dikemukakan oleh James Chadwick, ilmuwan berkebangsaan Inggris pada tahun 1932. Partikel tersebut kemudian dikenal dengan istilah neutron. Dengan demikian, atom bukanlah partikel terkecil penyusun materi; sebab, atom sendiri tersusun dari beberapa subpartikel yang lebih kecil, yaitu ELEKTRON, PROTON, dan NEUTRON.

Niels Bohr, seorang ilmuwan berkebangsaan Denmark, mengajukan model atom Bohr untuk melengkapi beberapa kekurangan dari teori-teori atom sebelumnya. Model atom Bohr menunjukkan bahwa elektron-elektron di dalam atom berada di dalam garis-garis lingkaran (orbit) dengan tingkat energi yang berbeda mengelilingi inti (pikirkanlah planet-planet yang sedang mengorbit mengelilingi matahari di dalam sistem tata surya). Bohr menggunakan istilah tingkat energi (kulit) untuk menggambarkan garis-garis lingkaran dengan level energi yang berbeda. Dengan demikian, struktur atom tersusun dari proton dan neutron pada inti atom yang dikelilingi oleh elektron pada kulit atom. Jumlah proton dalam inti atom sama dengan jumlah elektron pada kulit atom.

Elektron memiliki massa yang jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan massa proton maupun neutron. Dengan demikian, massa atom, untuk keperluan praktis, dapat dianggap sebagai jumlah massa proton dan neutron (massa elektron yang sangat kecil dapat diabaikan).

Jumlah banyaknya proton ditambah dengan banyaknya neutron di dalam atom dikenal dengan istilah nomor massa (A).  Sementara, jumlah proton di dalam inti atom sering disebut dengan nomor atom (Z). Oleh karena atom bersifat netral, maka jumlah elektron yang dimiliki akan sama dengan jumlah proton. Simbol suatu unsur tertentu dapat dilengkapi dengan A dan Z, seperti yang dinyatakan dalam bentuk penulisan berikut: _ZX^A

Berdasarkan jumlah proton, elektron, dan neutron yang dimiliki masing-masing unsur, maka unsur-unsur tersebut  dapat dikelompokkan ke dalam beberapa kategori berikut:

1.      Isotop : unsur-unsur dengan nomor atom (Z) sama, tetapi nomor massa (A) berbeda

Contoh :  ₁H¹ (hidrogen), ₁H² (deuterium), dan ₁H³ (tritium)

2.      Isobar : unsur-unsur dengan nomor massa (A) sama, tetapi nomor atom (Z) berbeda

Contoh : ₁₅P³² dan ₁₆S³²

3.      Isoton : unsur-unsur dengan jumlah neutron sama (A-Z, sama)(dibaca: A kurang Z, sama)

Contoh : ₇N¹⁴ dan ₈O¹⁵

4.      Isoelektron : unsur-unsur dengan jumlah elektron sama

Contoh : ₉F^-, ₁₀Ne, dan ₁₁Na⁺

Atom yang bermuatan listrik netral dapat mengemban muatan positif maupun negatif apabila terjadi pelepasan atau penangkapan elektron (ingat: inti atom tidak boleh  mengalami perubahan; sebab, bila terjadi perubahan inti atom, sifat dan jenis unsur akan berubah pula). Atom atau kumpulan atom yang mengemban muatan listrik dikenal dengan sebutan ion. Ion yang mengemban muatan positif (terjadi saat atom kehilangan elektron) disebut kation; sementara ion yang mengemban muatan negatif (terjadi saat atom mendapatkan elektron tambahan dari luar) dikenal dengan istilah anion.

Berdasarkan model atom Bohr, elektron yang terletak pada kulit atom memiliki distribusi sedemikan rupa untuk mempertahankan baik posisi elektron di kulit atom maupun proton dan neutron (dikenal dengan istilah nukleon) pada inti atom. Susunan atau distribusi elektron di dalam kulit atom dikenal dengan istilah konfigurasi elektron. Berdasarkan model atom Bohr, elektron mulai mengisi pada kulit yang paling mendekati inti atom. Setelah dipenuhi, elektron akan mengisi pada kulit berikutnya, dan seterusnya, sesuai dengan jumlah elektron yang dimilikinya.

Kulit atom suatu atom dilambangkan dengan n. Kulit pertama atom memiliki nilai n=1. Sementara kulit kedua memiliki harga n=2, dan seterusnya. Masing-masing kulit memiliki nama dan kapasitas tertentu dalam menampung elektron.

n=1 dikenal dengan nama kulit K; menampung maksimum 2 elektron

n=2 dikenal dengan nama kulit L; menampung maksimum 8 elektron

n=3 dikenal dengan nama kulit M; menampung maksimum 18 elektron

n=4 dikenal dengan nama kulit N; menampung maksimum 32 elektron

Jumlah maksimum elektron pada kulit ke-n dapat ditentukan melalui persamaan 2n². Pengisian elektron hanya akan dilakukan pada kulit ke-n apabila kulit-kulit sebelumnya telah terisi penuh oleh elektron sesuai aturan 2n².

Berikut beberapa contoh penulisan konfigurasi elektron, baik atom maupun ion:

₆C : 2.4

₆C^4- : 2.8 (menerima 4 elektron tambahan pada kulit terluar)

₁₂Mg : 2.8.2

₁₂Mg²⁺ : 2.8 (melepaskan 2 elektron dari kulit terluar)

₁₇Cl : 2.8.7

₁₇Cl^- : 2.8.8 (menerima 1 elektron tambahan pada kulit terluar)

₂₀Ca : 2.8.8.2

₂₀Ca²⁺ : 2.8.8 (melepaskan 2 elektron dari kulit terluar)

₅₅Cs : 2.8.18.18.8.1

₅₅Cs⁺ : 2.8.18.18.8 (melepaskan 1 elektron dari kulit terluar)

Pelepasan maupun penangkapan elektron dapat mengubah jumlah elektron pada kulit terluar (dikenal dengan istilahelektron valensi). Unsur-unsur yang memiliki elektron valensi sama, umumnya memiliki sifat kimia yang serupa, dan dikelompokkan dalam satu kolom (dikenal dengan istilahgolongan). Sementara unsur-unsur yang memiliki jumlah kulit terisi elektron sama, umumnya memiliki sifat yang bervariasi dan mereka dikelompokkan dalam satu baris (dikenal dengan istilah periode). Dengan demikian, konfigurasi elektron telah mempermudah ahli kimia dalam mempelajari sifat unsur-unsur dan mengelompokkan serta menyusunnya dalam tabel periodik (tabel berkala) unsur.

Unsur-unsur di alam umumnya terdapat dalam bentuk senyawa. Hanya beberapa unsur yang terdapat dalam keadaan bebas di alam. Salah satunya adalah golongan gas mulia VIIIA. Unsur-unsur dalam golongan VIIIA tidak berikatan dengan unsur lainnya karena telah mencapai kestabilan. Kestabilan gas mulia diperoleh karena semua kulit terisi penuh oleh elektron dan elektron valensi gas mulia selalu 8 (kecuali Helium yang hanya memiliki elektron valensi 2). Dengan demikian, unsur-unsur cenderung berikatan satu sama lainnya dengan tujuan untuk meniru konfigurasi elektron gas mulia yang terdekat (memiliki 8 elektron valensi), baik melalui cara serah-terima elektron maupun pemakaian bersama pasangan elektron (pembahasan lebih lengkap bisa dilihat pada bab Ikatan Kimia).

Golongan IA (Alkali) cenderung melepaskan 1 elektron membentuk ion dengan muatan +1

Golongan IIA (Alkali Tanah) cenderung melepaskan 2 elektron membentuk ion dengan muatan +2

Golongan IIIA (Boron-Aluminium) cenderung melepaskan 3 elektron membentuk ion dengan muatan +3

Golongan IVA (Karbon) cenderung melepaskan 4 elektron membentuk ion dengan muatan +4 atau menerima 4 elektron membentuk ion dengan muatan -4

Golongan VA (Nitrogen-Fosfor) cenderung menerima 3 elektron membentuk ion dengan muatan -3

Golongan VIA (Oksigen-Belerang) cenderung menerima 2 elektron membentuk ion dengan muatan -2

Golongan VIIA (Halogen) cenderung menerima 1 elektron membentuk ion dengan muatan -1

Golongan VIIIA (Gas Mulia) telah mencapai kestabilan dengan 8 elektron valensi sehingga tidak membentuk ion.