Terjemahan BAB II Calliser 8th

Click here to load reader

  • date post

    23-Dec-2015
  • Category

    Documents

  • view

    553
  • download

    17

Embed Size (px)

description

Terjemahan Buku Callister Intorduction to Material 8th edition Bab 2

Transcript of Terjemahan BAB II Calliser 8th

BAB II STRUKTUR ATOM DAN IKATAN DALAM ATOM

2.1 PendahuluanBeberapa sifat penting pada zat padat bergantung pada susunan geometri atom-atom dan interaksi yang terjadi antara atom-atom atau molekul. Dalam bab ini disajikan beberapa konsep penting dan mendasar mengenai struktur atom dan tabel periodik, serta jenis-jenis ikatan kimia interatomik yang menyatukan atom-atom untuk membentuk zat padat.Struktur Atom

2.2 Konsep DasarTiap atom terdiri dari sebuah nukleus yang sangat kecil yang disusun oleh proton dan neutron dan dikelilingi oleh elektron. Elektron dan proton tersebut memiliki muatan listrik sama, yaitu sebesar C, bertanda negatif untuk elektron dan bertanda positif untuk proton. Sedangkan neutron bermuatan netral. Nilai massa untuk partikel-partikel tersebut sangat kecil. Proton dan neutron memiliki massa yang sama, yaitu kg. Sedangkan massa elektron lebih kecil, yakni kg.Setiap unsur kimia dinyatakan oleh jumlah proton dalam nukleus, atau disebut nomor atom (Z). Untuk atom netral, nomor atom sama dengan jumlah elektron. Jangkauan nomor atom ini dari 1 untuk atom hidrogen hingga yang paling tinggi, 92 untuk atom uranium.Massa atom (A) dinyatakan sebagai jumlah massa proton dan neutron dalam nukleus. Meskipun jumlah proton sama untuk seluruh atom pada unsur, jumlah neutron dapat berbeda. Sehingga, atom-atom dari beberapa unsur memiliki dua atau lebih massa atom yang berbeda yang disebut isotop. Berat atom dari suatu unsur berkaitan dengan rata-rata berat dari massa atom yang secara alami membentuk isotop. Satuan massa atom (sma) digunakan untuk menghitung berat atom. 1 amu didefinisikan sebagai massa atom pada kebanyakan isotop karbon, 12C (A=12.00000). Dengan ini, massa proton dan neutron lebih besar dari massa kesatuan,

Berat atom suatu unsur atau berat molekul suatu senyawa dapat dispesifikasikan dengan basis sma per atom (molekul) atau massa per mol material. Pada satu mol zat, terdapat (bilangan Avogadro) atom atau molekul, dinyatakan dengan persamaan

Misalnya, berat atom besi adalah 55,85 sma/atom, atau 55,85 g/mol. Kadang-kadang, penggunaan sma/atom atau molekul termasuk tepat, pada kasus gram (atau kilogram) disarankan menggunakan per mol.

2.3 Elektron-elektron dalam AtomKira-kira pada abad kesembilanbelas, disadari bahwa banyak fenomena yang melibatkan elektron dalam zat padat tidak dapat dijelaskan oleh mekanika klasik. Akhirnya, dilakukan pembentukan seperangkat prinsip dan hukum yang mengatur sistem entitas atom dan subatom yang kemudian dikenal sebagai mekanika kuantum. Pemahaman tentang perilaku elektron dalam atom dan kristal padatan harus melibatkan pembahasan konsep mekanika kuantum. Namun, eksplorasi rinci prinsip-prinsip ini berada di luar cakupan buku ini, dan hanya dipaparkan garis besarnya saja.Salah satu perkembangan awal mekanika kuantum adalah penyederhanaan model atom oleh Bohr, ketika elektron diasumsikan berputar di sekitar inti atom dalam orbital yang diskrit/diskontinu, dan posisi setiap elektron didefinisikan ditentukan oleh orbitalnya. Model atom tersebut ditunjukkan dalam Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Skema model atom Bohr.

Prinsip lain mekanika kuantum adalah bahwa energi elektron terkuantisasi; yaitu, elektron diizinkan memiliki hanya sebuah nilai energi tertentu. Sebuah elektron dapat mengubah energi tersebut, tetapi elektron harus membuat lompatan kuantum, baik untuk menghasilkan energi yang lebih tinggi (dengan penyerapan energi) atau energi yang lebih rendah (dengan pemancaran energi). Seringkali lebih mudah untuk memikirkan energi elektron tersebut dikaitkan dengan tingkat atau keadaan energi. Keadaan-keadaan energi ini tidaklah kontinu, namun terpisah dengan energi tertentu.Sebagai contoh, keadaan elektron yang diperbolehkan untuk atom hidrogen Bohr diwakili pada Gambar 2.2a. Energi ini bernilai negatif, sedangkan referensi nol adalah elektron bebas atau tak berikatan. Tentu saja elektron tunggal pada atom hidrogen akan mengisi hanya satu dari keadaan-keadaan ini.Dengan demikian, model atom Bohr merupakan upaya awal untuk menggambarkan elektron dalam atom, baik dari segi posisi (orbital elektron) maupun energi (kuantisasi tingkat energi). Model Bohr ini akhirnya ditemukan memiliki beberapa keterbatasan yang signifikan karena ketidakmampuan untuk menjelaskan beberapa fenomena yang melibatkan elektron. Sebuah resolusi dicapai dengan model gelombang mekanik, ketika elektron dianggap menunjukkan fenomena seperti-gelombang dan seperti-partikel. Dengan model ini, posisi elektron tidak

Gambar 2.2 (a) Keadaan energi tiga elektron pertama pada atom hidrogen model Bohr, (b) Keadaan energi elektron untuk tiga kulit pertama pada atom hidrogen model mekanika gelombang.

lagi diperlakukan sebagai partikel bergerak dalam orbital diskrit, namun diasumsikan sebagai kebolehjadian keberadaan elektron di berbagai lokasi di sekitar inti. Dengan kata lain, posisi elektron ditentukan oleh distribusi kebolehjadian atau awan elektron. Gambar 2.3 membandingkan antara model atom Bohr dan model gelombang mekanik untuk atom hidrogen. Kedua model ini digunakan sepanjang pembahasan buku ini, namun akan dipilih model yang memungkinkan penjelasan menjadi lebih sederhana.

Gambar 2.3 Perbandingan distribusi elektron pada model atom (a) Bohr dan (b) mekanika gelombang.

Bilangan KuantumDengan konsep gelombang mekanik, setiap elektron dalam sebuah atom dinyatakan dengan empat parameter yang disebut bilangan kuantum. Ukuran, bentuk, dan orientasi spasial dari kerapatan kebolehjadian elektron ditentukan oleh tiga dari bilangan kuantum ini. Selain itu, tingkat energi Bohr terbagi menjadi subkulit elektron, dan bilangan kuantum mewakili keadaan dalam setiap subkulit. Kulit-kulit elektron ditentukan oleh bilangan kuantum utama n yang memiliki nilai-nilai kontinu dimulai dengan satu kesatuan. Kadang-kadang kulit-kulit ini dinyatakan oleh huruf K, L, M, N, O, dan seterusnya, sesuai masing-masing untuk n = 1, 2, 3, 4, 5,. . . , seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.1. Perhatikan juga bahwa bilangan kuantum ini juga terkait dengan bilangan kuantum model Bohr. Hal ini berhubungan dengan jarak elektron dari inti atau posisi elektron.

Tabel 2.1 Nilai Keadaan Elektron yang Tersedia pada Kulit dan Subkulit Elektron

Bilangan kuantum kedua, l, menandakan subkulit yang dilambangkan oleh huruf-huruf kecil s, p, d, atau f, yang berkaitan dengan bentuk subkulit elektron. Selain itu, jumlah subkulit tersebut dibatasi oleh nilai bilangan kuantum n. Subkulit yang diizinkan untuk beberapa nilai n juga disajikan dalam jumlah Tabel 2.1. Tingkat energi untuk setiap subkulit ditentukan oleh bilangan kuantum ketiga, ml. Untuk subkulit s, tingkat energi hanya satu, sedangkan untuk subkulit p, d, dan f berturut-tururt terdapat tiga, lima, dan tujuh tingkat energi (Tabel 2.1). Dengan tidak adanya medan magnet eksternal, tingkat energi dalam setiap subkulit adalah identik. Namun, ketika medan magnet diterapkan, tingkat energi subkulit ini terbagi, dengan masing-masing tingkat energi memiliki energi yang berbeda.

Gambar 2.4 Skema energi relatif tiap elektron pada berbagai kulit dan subkulit.

Setiap elektron memiliki momen spin yang harus berorientasi atas atau bawah. Bilangan kuantum yang berkaitan dengan putaran ini adalah bilangan kuantum keempat, ms, yang memiliki dua nilai yang mungkin, untuk masing-masing orientasi spin.Model Bohr selanjutnya disempurnakan oleh teori mekanika-gelombang, ketika pendahuluan dari tiga bilangan kuantum baru menimbulkan subkulit elektron dalam setiap kulit. Perbandingan dua model tersebut diilustrasikan untuk atom hidrogen, pada Gambar 2.2a dan 2.2b.Diagram tingkat energi (orbital) yang lengkap untuk berbagai kulit dan subkulit menggunakan model mekanika gelombang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Beberapa fitur diagram tersebut perlu diperhatikan. Pertama, semakin kecil bilangan kuantum utama, semakin rendah tingkat energi, misalnya energi keadaan 1s adalah kurang dari 2s, yang pada gilirannya lebih rendah dari 3s. Kedua, dalam setiap kulit, tingkat energi subkulit meningkat sebesar bilangan kuantum l. Sebagai contoh, tingkat energi 3d lebih besar dari 3p, yang lebih besar dari 3s. Akhirnya, mungkin akan ada tumpang tindih tingkat energi dalam satu kulit dengan tingkat-tingkat energi di kulit yang berdekatan, terutama pada tingkat energi d dan f; misalnya, tingkat energi 3d lebih besar dari 4s.Konfigurasi ElektronPembahasan sebelumnya adalah mengenai tingkat energi elektron, yaitu nilai energi yang diizinkan untuk elektron-elektron tersebar dalam atom. Untuk menentukan cara pengisian tingkat energi ini oleh elektron, kita menggunakan prinsip larangan Pauli, konsep lain dari mekanika kuantum. Prinsip ini menetapkan bahwa setiap tingkat energi elektron dapat menyimpan tidak lebih dari dua elektron, dan harus memiliki spin yang berlawanan. Dengan demikian, subkulit s, p, d, dan f mungkin mengakomodasi, masing-masing paling banyak 2, 6, 10, dan 14 elektron. Tabel 2.1 merangkum jumlah maksimum elektron yang dapat menempati masing-masing empat kulit pertama.

Gambar 2.5 Skema keadaan energi yang terisi dan terisi sebagian pada atom natrium.

Tentu saja, tidak semua tingkat energi dalam atom mungkin diisi dengan elektron. Bagi sebagian besar atom, elektron mengisi tingkat energi yang lebih rendah terlebih dahulu dalam kulit elektron dan pada subkulit, dua elektron (memiliki spin berlawanan) tiap tingkat energi. Struktur energi untuk atom natrium ditunjukkan pada Gambar 2.5. Ketika semua elektron menempati energi terendah sesuai dengan pembatasan sebelumnya, atom tersebut dikatakan berada pada keadaan dasar. Namun, transisi elektron untuk menuju keadaan energi yang lebih tinggi sangat mungkin terjadi, seperti yang dibahas dalam Bab 18 dan 21. Konfigurasi elektron atau struktur atom merupakan cara pengisian tingkat-tingkat energi. Dalam notasi sederhana, jumlah elektron dalam setia