Penjelasan Tentang Struktur Atom (Kimia Dasar)

Dalton dan ilmuwan sebelum abad ke-19 mempercayai bahwa atom adalah komponen terkecil materi dan tak dapat terbagi lagi.

Berbagai penelitian dilakukan oleh para ahli untuk mengetahui apakah ada bagaian yang terkecil dari atom. Diantara mereka adalah: Faraday, Robert Andrew Milikan (1868-1953) dan Joseph John Thomson (1856-1940).

BACA JUGA : Penjelasan Tentang Teori Atom (Kimia Dasar)

Percobaan tabung vakum:

Saat kation dan anoda saling bersinggungan dan diberi beda potensial yang tinggi pada tekanan yang rendah, gas dalam tabung walaupun merupakan insulator, menjadi penghantar dan memancarkan cahaya. Bila tabung mulai divakumkan maka dindingnya akan mulai mengkilap dan memancarkan cahaya (fluoresensi).  Fisikawan Jerman Julius Plucker (1801-1868) menginterprestasikan bahwa sinar ini adalah partikel yang dipancarkan dari katoda (sinar katoda).

Partikel yang belum teridentifikasi ini saat dipancarkan dari katoda akan menuju dinding tabung atau anoda. Jika diberikan medan listrik lintasannya akan berubah/dibelokkan yang mengindikasikan bahwa sinar tersebut bermuatan. Sifat cahaya tidak bergantung pada jenis gas dalam tabung dan jenis logam pada katoda.

Fisikawan Inggris Joseph John Thomson (1856-1940) menunjukkan bahwa cahaya tersebut bermuatan partikel negatif. Ia juga mendapatkan rasio massa dan muatannya.

Gambar 5. Joseph John Thomson (1856-1940)

Gambar 6. Percobaan Thomson

Gambar 7. percobaan Thomson

Fisikawan Amerika Robert Andrew Milikan (1868-1953) melalui percobaannya, percobaan tetes minyak Milikan, membuktikan bahwa partikel kelistrikan ini bermuatan elektron sebesar 1,6 x 10^-19 C.

Perhitungan massa elektron. Hitung massa elektron dengan menggunakan nilai yang didapat Milikan dan Thomson.

Milikan memperoleh hubungan Muatan/massa = 1,76 x 10⁸ (C/g)

Maka massa elektron: m =e/(1,76 x 10⁸ C/g)

= 1,6 x 10^-19 C / (1,76 x 10⁸ C/g)

= 9,1 x 10^-28 g  (massa elektron)

2. hitung ratio massa elektron dan atom hydrogen

    Massa atom hydrogen adalah: m_H = 1 g / 6 x 10²³ = 1,67 x 10^-24 g

    Jadi: m_e : m_H = 9,1 x 10^-28 g : 1,67 x 10^-24 g

                           = 1 : 1,83 x 10³

Model Atom           

Ukuran atom

Setelah mengetahui bahwa atom memiliki bagian terkecil (dapat dibagi) maka ilmuwan mulai tertarik untuk mengetahui seberapa besar ukuran atom. Suatu pendekatan untuk mengetahui volume atom adalah: membagi  volume 1 mol padatan dengan konstanta Avogadro.

Contoh:

Dengan menganggap molekul air berbentuk kubus, hitung panjang sisi kubus. Dengan menggunakan nilai yang didapat, perkirakan ukuran kira-kira 1 atom.

Jawab:

Volume 1 mol air sekitar 18 cm³. Jadi volume 1 molekul air: V = 18 cm³ / 6 x 10^-23

                                                                                                                  = 3 x 10^-23 cm³

Panjang sisi kubus adalah: (3 x 10^-23)^1/3 cm = 3,1 x 10^-8 cm

Nilai di atas adalah ukuran atom!

BACA JUGA : Penjelasan Tentang Mekanika Kuantum

Penemuan inti atom

Setelah para ilmuwan mengetahui bahwa atom memiliki muatan (positif dan negatif) dan dapat memancarkan radiasi radioaktif, mereka tertarik untuk mengetahui bentuk struktur atom.

Rutherford melakukan penelitian dengan menembakkan berkas partikel α (inti atom He) ke lempeng logam tipis. Dari hasil penelitiannya dia merumuskan:

Teori atom Rutherford:

Muatan positif atom berpusat di tengah (inti) dengan massa yang cukup besar tapi diameternya sangat kecil (kira-kira 10^-12 cm). Muatan negatif atom terdispersi di seluruh ruang atom.  

Gambar 8. Percobaan skema struktur atom

Kelemahannya:

• Jika elektron tidak bergerak, elektron akan bersatu dengan inti karena tarikan electrostatic (gaya Coulomb). Hal ini tidak mungkin terjadi karena atom adalah kesatuan yang stabil.
• Bila elektron mengelilingi inti seperti planet dalam pengaruh gravitasi matahari, elektron akan mengalami percepatan dan akan kehilangan energi melalui radiasi elektrostatik. Akibatnya, orbitnya akan semakin dekat ke inti dan akhirnya elektron akan jatuh ke inti. Dengan demikian, atom akan memancarkan spectrum yang kontinyu. Kenyataannya, atom yang stabil memancarkan spectrum garis. 

Gambar 9. Spectrum cahaya

Spektrum atom

Apabila sebuah logam atau senyawanya dipanaskan maka warna khas logam akan muncul. Apabila warna khas ini dipisahkan dengan prisma maka akan terlihat garis spectra dengan panjang gelombang yang berbeda.

Gambar 10. Spectrum atom hidrogen

Untuk memahami spectrum atom; dimisalkan ada gas dalam tabung vakum yang diberi beda potensial tinggi. Sesaat kemudian gas akan terlucuti dan akan memancarkan cahaya. Dengan sebuah prisma cahaya yang dihasilkan dapat menghasilkan garis-garis spectra diskontinyu. Panjang gelombang yang dihasilkan untuk setiap cahaya berbeda-beda. Spectrum yang dihasilkan disebut dengan spectrum atom.

Gambar 11. Percobaan tabung vakum

Fisikawan Swedia Johannes Robert Rydberg menemukan bahwa bilangan gelombang σ (jumlah gelombang dalam satu satuan panjang, misalnya per 1 cm) garis spectra dapat diperoleh dengan persamaan:

n_i dan n_j adalah bilangan bulat positif (n_i < n_j) dan R adalah tetapan khas untuk gas yang digunakan. Contoh untuk hydrogen nilai λ nya: 1,09678 x 10^-7 m^-1

untuk atom lain bilangan gelombangnya dapat dinyatakan sebagai perbedaan 2 suku:  R/n²

Teori Bohr

 Adalah hubungan antara panjang gelombang radiasi dengan benda atau atom.

Karl Ludwig Planck membuat hipotesa: suatu system fisik tidak dapat memiliki energi sembarang tetapi hanya diijinkan pada nilai nilai tertentu. Dengan radiasi termal (radiasi energi gelombang elektromagnetik dari zat) maka gelombang elektromagnetik yang berfrekuensi ν dari permukaan padatan akan dihasilkan dari suatu osilator yang berisolasi.

Berdasarkan hipotesis Planck, energi osilator ini hanya dapat memiliki nilai diskontinyu seperti dinyatakan dengan persamaan berikut:

ε = nhν   (n = 1,2,3)       (2)   

ε = energi osilator (yang dihasilkan)

n = bilangan bulat positif

h = tetapan/konstanta Planck = 6,626 x 10^-34 Js

ν = frekuensi

Energi adalah kuantitas yang diskontinnyu

disisi yang lain; suatu peristiwa efek fotolistrik yaitu suatu permukaan logam yang diradiasi cahaya (oto-radiasi) akan menghasilkan emisi elektron. Pada logam tertentu, emisi hanya akan terjadi bila frekuensi sinar yang dijatuhkan di atas nilai tertentu yang khas dari logam tersebut. Fenomena ini dijelaskan oleh Eistein yang disebut dengan hipotesis kuantum.

 Kedua hipotesis di atas dikombinasikan oleh Niels Hendrik Bohr (Teori Bohr):

1. Elektron dalam atom diijinkan pada keadaan stasioner tertentu. Setiap keadaan stasioner berkaitan dengan energi tertentu.
2. Tidak ada energi yang dipancarkan bila elektron berada dalam keadaan stationer ini. Bila elektron berpindah dari keadaan stasioner berenergi tinggi ke keadaan stasioner berenergi lebih rendah, akan terjadi pemancaran energi. Jumlah energinya, h, ν, sama dengan perbedaan energi antara kedua keadaan stasioner tersebut.
3. Dalam keadaan stasioner manapun, elektron bergerak dalam orbit sirkular di sekitar inti.
4. Elektron diijinkan bergerak dengan suatu momentum sudut yang merupakan kelipatan bilangan bulat h/2π, yakni

mνr = n(h/2π)                                   dengan n = 1, 2, 3, …                                     (3)

 

Energi elektron yang dimiliki atom hydrogen dapat dihitung dengan menggunakan hipotesis ini dan dapat dinyatakan dengan: (dimana gaya elektrostatik dan gaya sentrifugal pada elektron saling meniadakan)

                                                                     (4)

e = muatan

m = massa

v = kecepatan elektron

r  = jarak antar elektron dan inti

ε₀ = tetapan dielektrik vakum 8,8542 x 10^-2 C² N^-1 m²

 contoh soal:

Turunkan persamaan untuk menentukan jari-jari orbit r elektron dalam atom hydrogen dari persamaan 3 dan 4.

Jawab

Persamaan 3 dapat ditulis ulang:              ν = nh/2πmr

Substitusi persamaan di atas ke persamaan 4, menjadi:   e² / 4πε₀r² = mn²h² / 4π²m²r³

Sehingga:            r = n² ε₀ h² / (2π)² me²                   n = 1, 2, 3, …                                                    (5)

Persamaan (5) menunjukkan batasan bahwa jari-jari elektron diijinkan pada nilai tertentu saja (diskontinyu). n disebut bilangan kuantum.

Persamaan (5) dapat ditulis kembali:        r = n² a_B               n = 1, 2, 3, …                                     (6)

A_B adalah jari-jari minimum bila n = 1. Pada kondisi ini nilainya 5,2918 x 10^-11 m dan disebut dengan jari-jari Bohr.

Model atom Bohr. Elektron akan berotasi dalam orbit sirkular di sekeliling inti. Nilai jari-jarinya diskontinyu dan dapat diprediksi dari teori Bohr.

Energi elektron dalam atom hydrogen merupakan jumlah energi kinetic dan energi potensialnya, jadi:

E = mv²/2 – e²/4πε₀r                                                                                                                       (7)

Contoh soal:

Dengan menggunakan persamaan 3 dan 4 turunkan persamaan yang tidak mengandung suku v untuk mengungkapkan energi elektron dalam atom hydrogen.

Jawab:

Persamaa 4 dapat ditulis kembali menjadi:   mv² = e²/4πε₀r

Substitusi persamaan di atas ke persamaan 7, menjadi:   E = -me²/8ε₀²n²h²       n = 1, 2, 3, …   (8)

Alasan mengapa nilai E negatif. Energi dalam atom lebih rendah daripada elektron yang tidak terikat pada inti. Elektron yang tidak terikat inti disebut elektron bebas. Keadaan stasioner paling stabil elektron terjadi pada n = 1. Dengan meningkatnya n, energinya menurun (dalam nilai absolute) dan menuju nol. 

Spectra atom hydrogen

Menurut teori Bohr, energi radiasi elektromagnetik yang dipancarkan atom berkaitan dengan perbedaan energi 2 keadaan stasioner i dan j. Jadi:

               ΔE = h ν = |Ei – Ej| = (2π²me⁴/ε₀²h²) {(1/n_i²) – (1/n_j²)}           n_j > n_i                               (9)

Bilangan gelombang radiasi elektromagnetik diberikan oleh:

               ν = (me⁴ / 8ε₀²n²h³) {(1/n_i²) – (1/n_j²)}                                                                                    (10)