Pendahuluan dan teori atom

KIMIA DIPANDANG SEBAGAI ILMU PENGETAHUAN

Ilmu Kimia adalah ilmu yang mempelajari zat/materi, sifat-sifat, perubahan-perubahan kimia dan aplikasinya dengan semua isi alam.Reaksi kimia adalah interaksi antar zat kimia satu dengan yang lainnya membentuk zat baru.Zat baru tersebut memiliki sifat (fisik maupun kimia) yang berbeda dari sifat asalnya.

Contoh:Reaksi antar logam natrium dengan gas klor membentuk natrium klorida

2

ZAT DAN ENERGI

Zat : Sesuatu yang menempati ruang dan mempunyai massa

Massa : Ukuran banyak zat yang terdapat dalam sesuatu benda

Berat : Gaya dari suatu benda dengan massa tertentu yang tertarik oleh gaya gravitasi (bumi)

Energi : Sesuatu yang dimiliki oleh benda untuk dapat melakukan kerja

14

SIFAT ZATSifat Fisika

Suatu sifat yang dapat diamati tanpa perlu/adanya perubahan reaksi kimia

Sifat KimiaMenggambarkan suatu perubahan kimia (reaksi kimia) yang dialami oleh suatu zat biasanya diikuti oleh perubahan sifat fisika

Sifat EkstensifSifat yang ditentukan oleh ukuran benda (contoh: massa dan volume)

Sifat IntensifSifat yang tidak ditentukan oleh ukuran benda (contoh: warna dan daya hantar listrik)

15

ENERGI

Energi Kinetik

Energi yang dimiliki oleh benda bergerak

Energi Potensial

Energi yang dimiliki oleh atau tersimpan dalam benda yang dapat diubah menjadi energi kinetik

Zat Kimia juga mengandung energi potensial yang biasa disebut dengan energi kimia. Energi ini dilepas pada saat reaksi terjadi

16

HUKUM KEKEKALAN ENERGI

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan

Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain

Satuan Energi: SI = Joule (J) E = ½ m v2

1 J = ½ (2 kg) (1 m/s)2 = 1 kg.m2/s2

Satuan energi yang mungkin lebih populer adalah Kalori yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g air sebesar 1o

C ( dari 14,5 oC ke 15, 5 oC)

1 kal = 4,184 J17

PANAS DAN SUHU

Panas (energi termal)

Energi kinetik total dari seluruh atom (partikel kecil) yang membentuk suatu benda. Partikel-partikel kecil ini memiliki energi kinetik karena mereka secara konstan bergerak dan berputar.

Suhu

Ukuran panas atau dingin suatu benda yang merupakan energi kinetik rata-rata atom (partikel kecil) bergerak.

18

Teori Atom Dalton (1803-1808)

Kimia modern diawali dengan Teori Atom Dalton, dan didasarkan atas 3 asumsi pokok

• Semua materi terdiri dari partikel kecil yang tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Selama perubahan kimia, atom tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan

• Semua atom dari suatu unsur mempunya massa(berat) dan sifat yang sama, tetapi atom-atom dari suatu unsur berbeda dengan atom-atom dari unsur yang lain, baik massa (berat) maupun sifat-sifatnya yang berlainan.

• Dalam senyawa kimia , atom-atom dari unsur yang berlainan melakukan ikatan dengan perbandingan numerik yang sederhana.

TEORI ATOM

1. Teori Atom Thomson

Atom seperti roti kismis, yang permukaannya dipenuhi dengan muatan + dan -

Sinar Sinar ++ ++-- ++

++

++

++--

------

--++--HeHe

Pembuktian teori dengan menembakan sinar

--

2

2. Teori Atom Rutherford

Teori ini mengemukakan massa atom terpusat di inti yang bermuatan positif. Elektron terletak di luar inti pada jarak yang relatif jauh dengan gerakan yang cepat

Sinar Sinar

Gaya tarik elektron dan inti diimbangi oleh gaya tarik sentrifugal

ee ee

ee ee

3

Menurut hukum fisika klasik, partikel bermuatan yang bergerak selalu kehilangan energi dengan demikian gerakan elektron makin mendekati inti dan terjadi gerakan spiral dengan kecepatan menurun. Pada suatu saat elektron bergabung dengan inti dan atom akan musnah. Dalam kenyataannya atom tidak musnah

4

3. Teori Atom Bohr

Kesukaran pada teori atom Rutherford diatasi oleh Bohr. Gerakan elektron mengelilingi inti harus dengan momentum sudut tertentu.

1. Elektron dalam lintasannya mempunyai energi tertentu dan tetap selama dalam lintasan

2. Elektron dapat pindah dari lintasan yang energinya lebih tinggi ke lintasan yang energinya lebih rendah. Bila hal ini terjadi, energi yang terbebas diubah menjadi sinar dengan frekuensi

h

EEv 12 -

5

EE11

EE22

EE33

π2

π2

h

nmvnh

mv

mv = momentum sudut

Energinya dinyatakan c

hvh . . E

E1 = E2 - E1 = h.v1

E2 = E3 - E1 = h.v2

Sinar-sinar dengan frekuensi v1 dan v2 menyebabkan terjadinya spektra garis

6

Atom Bohr• Secara elektrostatika, elektron harus bergerak

mengelilingi inti agar tidak tertarik ke inti• Namun berdasarkan fisika klasik benda yang

bergerak memutar akan melepaskan energi yang lama kelamaan akan menghabiskan energi elektron itu sendiri dan kemudian kolaps

• Niels Bohr mengungkapkan bahwa dilema diatas dapat dipecahkan oleh teori Planck

Gagasan Bohr dalam menggabungkan teori klasik dan kuantum

• Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diizinkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen

• Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke yang lainnya dengan melibatkan sejumlah energi menurut Planck

• Lintasan stasioner yang diizinkan mencerminkan sifat-sifat elektron yang mempunyai besaran yang khas. Momentum sudut harus merupakan kelipatan bulat dari h/2 atau menjadi nh/2.

Model Bohr untuk Atom Hidrogen

Keterangan

• Lintasan yang diizinkan untuk elektron dinomori n = 1, n = 2, n =3 dst. Bilangan ini dinamakan bilangan kuantum, huruf K, L, M, N juga digunakan untuk menamakan lintasan

• Jari-jari orbit diungkapkan dengan 12, 22, 32, 42, …n2. Untuk orbit tertentu dengan jari-jari minimum a0 = 0,53 Å

• Jika elektron tertarik ke inti dan dimiliki oleh orbit n, energi dipancarkan dan energi elektron menjadi lebih rendah sebesar

Jn

BEn

18-2

10 x 2,179 nilaidengan numerik konstanta : B ,

115134

8

2222

22222223

det10289,3det10626,6

10179,2

3

1

2

1;

3

1

2

1

3

1

2

1

3223

xJx

Jx

h

B

BhBE

hE

BBBBB

EEE

Konstanta B/h identik dengan hasil dari R x c dalam persamaan Balmer. Jika persamaan diatas dihitung maka frekuensi yang diperoleh adalah frekuensi garis merah dalam deret Balmer.

Soal Latihan

Berapakah frekuensi dan panjang gelombang cahaya yang dipancarkan jika elektron dari atom hidrogen jatuh dari tingkat energi n = 6 ke n = 4? Dalam bagian spektrum elektromagnetik manakah sinar ini?

Kelemahan Teori Bohr

• Keberhasilan teori Bohr terletak pada kemampuannya untuk meeramalkan garis-garis dalam spektrum atom hidrogen

• Salah satu penemuan lain adalah sekumpulan garis-garis halus, terutama jika atom-atom yang dieksitasikan diletakkan pada medan magnet

• Struktur garis halus ini dijelaskan melalui modifikasi teori Bohr tetapi teori ini tidak pernah berhasil memerikan spektrum selain atom hidrogen

Dualitas Gelombang - Partikel

• Newton mengajukan bahwa cahaya mempunyai sifat seperti sekumpulan patikel yang terdiri dari aliran partikel berenergi

• Huygens menyatakan bahwa cahaya terdiri dari gelombang energi

• Pembuktian dengan pengukuran kecepatan cahaya pada berbagai medium menunjukkan cahaya berkurang kecepatannya dalam medium yang lebih rapat

• Tetapi Einstein menganggap bahwa foton cahaya bersifat sebagai partikel untuk menjelaskan efek fotolistrik

• Timbul gagasan baru bahwa cahaya mempunyai dua macam sifat sebagai gelombang dan sebagai partikel

• Tahun 1924 Louise de Broglie menyatakan Tidak hanya cahaya yang memperlihatkan sifat-sifat partikel, tetapi partikel-partikel kecil pun pada saat tertentu dapat memperlihatkan sifat-sifat gelombang

• Usulan ini dibuktikan tahun 1927 dimana gelombang materi (partikel) dijelaskan secara matematik

• Panjang gelombang de Broglie dikaitkan dengan partikel berhubungan dengan momentum partikel dan konstanta Planck.

mv

h

p

h

Panjang gelombang dinyatakan dengan meter, massa dalam kilogram, kecepatan dalam meter per detik. Konstanta Planck dinyatakan dalam kg m2 s-2.

3.1 Partikel sub Atom3.1 Partikel sub Atom

ElektronElektron

FIGURE FIGURE 33.1.1 (a) (a) A gas discharge tube. A gas discharge tube. (b) (b) Deflection of a cathode ray toward a positively Deflection of a cathode ray toward a positively charged platecharged plate 7

Percobaan Millikan: Penentuan Massa ElektronPercobaan Millikan: Penentuan Massa Elektron

FIGURE FIGURE 33..33 Millikan’s Millikan’s famous oil famous oil drop drop experimentexperiment

C/g 10 x 1,76 - m

e 8

e =e = - 1,60 x 10 - 1,60 x 101919 C C g 10 x 9,09

C/g 10 x 1,76 -

C 10 x 1,60

28-

8

-19

m8

FIGURE FIGURE 33..44 Positively charged particles are made when Positively charged particles are made when cathode rays (electrons) strike atoms of residual gas. They are cathode rays (electrons) strike atoms of residual gas. They are attracted to the cathode, and some sail through the hole to strike attracted to the cathode, and some sail through the hole to strike the phosphor and generate a flash of lightthe phosphor and generate a flash of light

ProtonProton

9

ProtonProtonNeutronNeutron

FIGURE FIGURE 33.8 .8 The protons and neutrons of an atom are packed in The protons and neutrons of an atom are packed in an extremely small nucleus Electrons are shown as an extremely small nucleus Electrons are shown as "clouds" around the nucleus. "clouds" around the nucleus.

10

3.2 Radiasi elektromagnetik dan spektrum atom. tingkatan energi dalam atom.

FIGURE 3.9 Atoms not drawn to scale, as they are joined in water, H2O Nuclei stay far apart and only the outer parts of the atoms touch

11

Energi ElektromagnetEnergi Elektromagnet

FIGURE FIGURE 33.10.10 The electrical force assocThe electrical force assocIaIated wted wiitthh electromagnetic radiation fluctuateelectromagnetic radiation fluctuatess rhythmically. rhythmically. (a) (a) Two Two cycles of cycles of fflucluctutuaation are tion are shshown; therefore. the frequency is 2 own; therefore. the frequency is 2 Hz. Hz. (b) (b) An electromagneticAn electromagnetic ra radiation frozen in time. This curve diation frozen in time. This curve shows how the electricshows how the electricalal force varies alo force varies alonng thg thee d diirerecction of tion of travel. travel. The distThe distance ance between two maximum values ibetween two maximum values iss the the wavelewavelenngth of the egth of the ellectectrromaomaggnetic radnetic radiiatiatioon. n.

12

The SI symbol for the The SI symbol for the secondsecond is is ss. .

SS-1-1 = = 11//ss

For any wave, the product of its wavelength For any wave, the product of its wavelength and its frequand its frequeency ncy eequaqualls ths thee velocity of the velocity of the wave. wave.

HertzHertz == (Hz)(Hz) 1 Hz1 Hz = = 11ss-1-1 LamdaLamda = = = Panjang Gelombang = Panjang Gelombang

KecKec.. Cahaya Cahaya = = c c = 3,00 x 10= 3,00 x 1088 mmss-1-1

. . = = c c = 3= 3,,00 x 1000 x 1088 m mss-1-1 13

FIGURE 3.11 The electromagnetic spectrum

Spektrum Elektromagnetik

14

FIGURE 3.14 Production of a line spectrum. The light emitted by excited atoms is formed into a narrow beam and passed through a prism. This light beam is divide into relatively few narrow beams with frequencies that are characteristic of the particular eIement that is emitting the light.

Spektrum Atom

15

Spektrum Unsur

16

3.4 Gelombang Elektron dalam Atom

2

-n

L

Orbital = bentuk gelombang elektron

Bilangan Kuantum Utama = n

n = 1 - ~

n 1 2 3 4 ...

Kulit K L M N ...

Bilangan kuantum kedua = l = sub kulit bilangan kuantum

azimuth.

Untuk setiap harga n; l = O sampai dengan l = n -1

l 0 1 2 3 4 5 … Sub Kulit s p d f 9 h …

17

1 0 2 0,1 3 0, 1, 2 4 0, 1, 2, 3 5 0, 1, 2, 3, 4

TABLE 3.1 Relationship between n and l

Value of nValue of n Value of Value of l

4s < 4p < 4d < 4f

Energi bertambah besar

Bilangan Kuantum Magnet = ml

Untuk setiap harga l, harga ml adalah -1 s/d +1 18

3.5 Spin Elektron = ms

ms = + ½ atau – ½ Prinsip Pauli

19

Pauli received the 1945 NobelPrize in physics for his discoveryOf the exclusion principle.

A paramagnetic A paramagnetic substance is attracted to substance is attracted to a magnetic fielda magnetic field

20

3.6. Konfigurasi Elektron = Struktur Elektronik

21

Mekanika Gelombang• Salah satu implikasi struktur atom menurut prinsip

ketidakpastian, tidak mungkin mengukur sekaligus kedudukan dan momen dari suatu elektron

• Implikasi lain diungkapkan oleh Schrodinger bahwa elektron dapat diperlakukan sebagai gelombang materi, gerakannya dapat disamakan dengan gerakan gelombang

• Gerakan gelombang yang berkenaan dengan elektron haruslah terkait dengan pola terijinkan

• Pola ini dapat diperikan dengan persamaan matematis yang jawabannya dikenal dengan fungsi gelombang ()

• mengandung tiga bilangan kuantum yang jika ditentukan akan diperoleh hasil berupa orbital. 2 menggambarkan rapatan muatan elektron atau peluang menemukan elektron pada suatu titik dalam atom

Tiga macam penggambaran orbital 1s

Orbital 2s

Orbital Elektron dan Bilangan Kuantum

• Bilangan kuantum utama (n). Bilangan ini hanya mempunyai nilai positif dan bilangan bulat bukan noln = 1, 2, 3, 4, …

• Bilangan kuantum orbital (azimut), l. yang mungkin bernilai nol atau bulat positif. Bilangan ini tidak pernah negatif dan tidak lebih besar dari n –1 l = 0, 1, 2, 3, …, n –1

• Bilangan kuantum magnetik (ml). Nilainya dapat positif, negatif, nol dan berkisar dari –l s.d. +l (l bilangan kuantum orbital)ml = -l, -l + 1, -l + 2, …, 0, 1, 2, … , +l

Soal Latihan

Nyatakan perangkat bilangan kuantum berikut yang tidak terijinkan!

• n = 3, l = 2, ml = -1

• n = 2, l = 3, ml = -1

• n = 4, l = 0, ml = -1

• n = 5, l = 2, ml = -1

• n = 3, l = 3, ml = -3

• n = 5, l = 3, ml = +2

• Setiap kombinasi tiga bilangan kuantum n, l dan m berkaitan dengan orbital elektron yang berbeda-beda

• Orbital yang memiliki bilangan kuantum n yang sama dikatakan berada dalam kulit elektron atau peringkat utama yang sama

• Sementara elektron yang mempunyai nilai l yang sama dikatakan berada dalam sub kulit atau sub peringkat yang sama

• Nilai bilangan n berhubungan dengan energi elektron dan kemungkinan jaraknya dari inti

• Nilai bilangan kuantum l menentukan bentuk geometris dari awan elektron atau penyebaran peluang elektron

Tiga gambaran orbital 2p

Ketiga orbital p

Kelima orbital d

Kulit elektron, orbital dan bilangan kuantum

Kulit utama

K L M

n = 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3

l = 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 2 2 2 2

ml = 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2

Tanda orbital

1s 2s 2p 2p 2p 3s 3p 3p 3p 3d 3d 3d 3d 3d

Jml orbital pd subkulit

1 1 3 1 3 5

Jml total orbital n2

1 4 9

Spin (Rotasi) Elektron – Bilangan Kuantum Keempat• Tahun 1925 Uhlenbeck dan Goudsmit

mengajukan sifat yang tak dapat dijelaskan mengenai garis halus pada spektrum hidrogen, apabila elektron dianggap memiliki bilangan kuantum keempat

• Sifat elektron yang berkaitan dengan bilangan ini adalah spin elektron

• Elektron berotasi menurut sumbunya saat ia mengelilingi inti atom, terdapat dua kemungkinan rotasi elektron

• Bilangan kuantum ini dinyatakan dengan ms bisa bernilai + ½ atau – ½

Konfigurasi ElektronAda tiga aturan dalam penentuan konfigurasi1. Elektron menempati orbital sedemikian rupa untuk

meminimumkan energi atom tersebut2. Tak ada dua elektron dalam sebuah atom yang

boleh memiliki keempat bilangan kuantum yang sama (prinsip eksklusi Pauli)

3. Prinsip penggandaan maksimum, jika terdapat orbital –orbital dengan energi yang sama, elektron menempatinya sendiri-sendiri sebelum menempatinya secara berpasangan

Urutan pengisian sub kulit elektron

Aturan Hund :

FIGURE 3.18 A way to remember the fiIling order of subshells. Write the subshell designations as shown and follow the diagonal arrows, starting at the bottom.

Core Elektron: Na [Ne] 3s1

Mg [Ne] 3s2 22

3.10. Energi lonisasi = EA Adalah energi yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari atom yang terisolasi.

X(g) X-(g) + e

23

FIGURE 3.27FIGURE 3.27 The variation of first ionization energy with atomic numberThe variation of first ionization energy with atomic number

3.11. Afinitas Elektron = EA

Adalah energi yang dilepaskan untuk menerima satu elektron dari atom yang terisolasi.

X(g) + e- X-(g)

24