Struktur Atom

BAB I

STRUKTUR ATOM

A.   Pengertian Atom

Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur tersebut. Struktur atom menggambarkan bagaimana partikel-partikel dalam atom tersusun.

Bab ini meninjau lebih jauh tentang struktur sempurna yang berada di dalam sebuah atom. Setelah mempelajari bab ini, diharapkan mampu mengidentifikasi atom dan strukturnya berdasarkan Tabel Periodik Unsur.

Atom terdiri atas proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron berada di dalam inti atom. Sedangkan elektron terus berputar mengelilingi inti atom karena muatan listriknya. Semua elektron bermuatan negatif (–) dan semua proton bermuatan positif (+). Sementara itu, neutron bermuatan netral. Elektron yang bermuatan negatif (–) ditarik oleh proton yang bermuatan positif (+) pada inti atom. Elektron tersebut tidak meninggalkan inti, meskipun ada gaya sentrifugal yang terjadi akibat kecepatan elektron. Atom memiliki elektron di bagian luarnya sedangkan proton dalam jumlah yang sama di bagian pusatnya, sehingga muatan listrik atom berada dalam keadaan seimbang. Namun, baik volume maupun massa proton lebih besar daripada elektron. Jika kita membandingkannya, perbedaan di antara kedua partikel ini seperti perbedaan antara manusia dengan sebutir kacang kenari. Walaupun demikian, muatan listrik total keduanya tetap sama besar. Apa yang akan terjadi jika muatan listrik proton dan elektron tidak sama besar?

Dalam hal ini, semua atom di alam semesta akan menjadi bermuatan positif (+) karena ada kelebihan muatan listrik positif (+) di dalam proton. Semua laut di bumi, gunung-gunung, semua planet di dalam tata surya dan semua benda-benda langit di jagat raya akan musnah, hancur secara serempak.

Tidak ada satu benda pun yang akan tersisa. Demikianlah karena keseimbangan yang sangat teliti dari struktur atom maka tercipta pula keseimbangan alam semesta.

B.   Perkembangan Teori Atom

Unsur dapat mengalami perubahan materi yaitu perubahan kimia. Ternyata perubahan kimia ini disebabkan oleh partikel terkecil dari unsur tersebut. Partikel terkecil inilah yang kemudian dikenal sebagai atom. Jika memotong satu batang kapur menjadi dua bagian, kemudian dipotong lagi menjadi dua bagian dan seterusnya maka bagian terkecil yang tidak dapat dibagi lagi inilah yang mengawali berkembangnya konsep atom.

Konsep atom itu dikemukakan oleh Demokritos yang tidak didukung oleh eksperimen yang meyakinkan, sehingga tidak dapat diterima oleh beberapa ahli ilmu pengetahuan dan filsafat. Pengembangan konsep atom-atom secara ilmiah dimulai oleh John Dalton (1805), kemudian dilanjutkan oleh Thomson (1897), Rutherford (1911), dan disempurnakan oleh Bohr (1914).

Hasil eksperimen yang memperkuat konsep atom ini menghasilkan gambaran mengenai susunan partikel-partikel tersebut di dalam atom. Gambaran ini berfungsi untuk memudahkan dalam memahami sifat-sifat kimia suatu atom. Gambaran susunan partikel-partikel dasar dalam atom disebut model atom.

1.   Model Atom Dalton

a.    Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi lagi.

b.    Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda

c.    Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atas atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen.

d.    Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atomatom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Hipotesis Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti bola tolak peluru.

2.   Model Atom Thomson

Atom adalah bola padat bermuatan positif dan di permukaannya tersebar elektron yang bermuatan negatif.

3.   Model Atom Rutherford

Atom adalah bola berongga yang tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilinginya. Inti atom bermuatan positif dan massa atom terpusat pada inti atom.

Kelemahan dari Rutherford tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran energi sehingga lamakelamaan energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti dan jatuh ke dalam inti.

4.   Model Atom Niels Bohr

a.    Atom terdiri atas inti yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam suatu lintasan.

b.    Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke yang lain dengan menyerap atau memancarkan energi sehingga energi elektron atom itu tidak akan berkurang. Jika berpindah lintasan ke lintasan yang lebih tinggi, elektron akan menyerap energi. Jika beralih ke lintasan yang lebih rendah, elektron akan memancarkan energi.

c.    Kedudukan elektron-elektron pada tingkat-tingkat energi tertentu yang disebut kulit-kulit elektron.

5.   Model Atom Modern

Kulit-kulit elektron bukan kedudukan yang pasti dari suatu elektron, tetapi hanyalah suatu kebolehjadian saja. Dalam perkembangan teori atom, tiap-tiap teori yang mengemukakan model atom dari model atom Dalton sampai model atom modern selalu mempunyai gagasan utama yang menjadi landasan penting bagi penemuan selanjutnya.

C.   Percobaan-Percobaan Mengenai Struktur Atom

1.   Percobaan Penemuan Elektron

Tabung televisi merupakan tabung sinar katode. Percobaan tabung sinar katode pertama kali dilakukan oleh William Crookes (1875). Hasil eksperimennya yaitu ditemukannya seberkas sinar yang muncul dari arah katode menuju ke anode yang disebut sinar katode. George Johnstone Stoney (1891) yang mengusulkan nama sinar katode disebut "elektron". Kelemahan dari Stoney tidak dapat menjelaskan pengaruh elektron terhadap perbedaan sifat antara atom suatu unsur dengan atom dalam unsur lainnya.

Antoine Henri Becquerel (1896) menentukan sinar yang dipancarkan dari unsur-unsur radioaktif yang sifatnya mirip dengan elektron.

Joseph John Thomson (1897) melanjutkan eksperimen William Crookes yaitu pengaruh medan listrik dan medan magnet dalam tabung sinar katode. Hasil percobaan J.J. Thomson menunjukkan bahwa sinar katode dapat dibelokkan ke arah kutub positif medan listrik. Hal ini membuktikan terdapat partikel bermuatan negatif dalam suatu atom.

Besarnya muatan dalam elektron ditemukan oleh Robert Andrew Milikan (1908) melalui percobaan tetes minyak Milikan.  Minyak disemprotkan ke dalam tabung yang bermuatan listrik. Akibat gaya tarik gravitasi akan mengendapkan tetesan minyak yang turun. Apabila tetesan minyak diberi muatan negatif maka akan tertarik ke kutub positif medan listrik. Dari hasil percobaan Milikan dan Thomson diperoleh muatan elektron –1 dan massa elektron 0, sehingga elektron dapat dilambangkan .

2.   Percobaan Penemuan Proton

Jika massa elektron 0 berarti suatu partikel tidak mempunyai massa. Namun pada kenyataannya partikel materi mempunyai massa yang dapat diukur dan atom bersifat atom itu netral. Bagaimana mungkin atom itu bersifat netral dan mempunyai massa, jika hanya ada elektron saja.

Eugene Goldstein (1886) melakukan eksperimen dari tabung gas yang memiliki katode, yang diberi lubanglubang dan diberi muatan listrik.

Hasil eksprerimen tersebut membuktikan bahwa pada saat terbentuk elektron yang menuju anode, terbentuk pula sinar positif yang menuju arah berlawanan melewati lubang pada katode. Setelah berbagai gas dicoba dalam tabung ini, ternyata gas hidrogenlah yang menghasilkan sinar muatan positif yang paling kecil baik massa maupun muatannya, sehingga partikel ini disebut dengan proton. Massa proton = 1 sma (satuan massa atom) dan muatan proton = +1. Proton dilambangkan dengan .

3.   Percobaan Pembuktian Inti Atom

Setelah penemuan proton dan elektron, Ernest Rutherford melakukan penelitian penembakan lempeng tipis emas. Jika atom terdiri dari partikel yang bermuatan positif dan negatif maka sinar alfa yang ditembakkan seharusnya tidak ada yang diteruskan/menembus lempeng sehingga muncullah istilah inti atom. Ernest Rutherford dibantu oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden (1911) menemukan konsep inti atom didukung oleh penemuan sinar X oleh WC. Rontgen (1895) dan penemuan zat radioaktif (1896).  

Hasil percobaan ini membuat Rutherford menyatakan hipotesisnya bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif, sehingga atom bersifat netral. Massa inti atom tidak seimbang dengan massa proton yang ada dalam inti atom, sehingga dapat diprediksi bahwa ada partikel lain dalam inti atom.

4.   Percobaan Penemuan Neutron

Prediksi dari Rutherford memacu W. Bothe dan H. Becker (1930) melakukan eksperimen penembakan partikel alfa pada inti atom berilium (Be) dan dihasilkan radiasi partikel berdaya tembus tinggi. Eksperimen ini dilanjutkan oleh James Chadwick (1932). Ternyata partikel yang menimbulkan radiasi berdaya tembus tinggi itu bersifat netral atau tidak bermuatan dan massanya hampir sama dengan proton. Partikel ini disebut neutron dan dilambangkan dengan .

D.   Menentukan Struktur Atom Berdasarkan Tabel Periodik

1.   Partikel Dasar Penyusun Atom

Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur tersebut. Struktur atom menggambarkan bagaimana partikel-partikel dalam atom tersusun. Atom tersusun atas inti atom dan dikelilingi elektron-elektron yang tersebar dalam kulit-kulitnya. Secara sistematis dapat digambarkan partikel-partikel subatom sebagai berikut.

Tabel Partikel Penyusun Atom

Partikel)	Massa (sma)	Muatan	Lambang	Letak
Elektron	0	-1		Kulit atom
Proton	1	+1		Inti atom
Neutron	1	0		Inti atom

Sebagian besar atom terdiri dari ruang hampa yang di dalamnya terdapat inti yang sangat kecil di mana massa dan muatan positifnya dipusatkan dan dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif. Inti atom tersusun atas sejumlah proton dan neutron. Jumlah proton dalam inti atom menentukan muatan inti atom, sedangkan massa inti ditentukan oleh banyaknya proton dan neutron. Selanjutnya ketiga partikel subatom (proton, neutron, dan elektron) dengan kombinasi tertentu membentuk atom suatu unsur.

Lambang suatu unsur dapat dituliskan:

X : lambang suatu unsur

Z : nomor atom

A : nomor massa

Jumlah elektron, proton dan neutron dalam suatu atom netral :

·         Jumlah elektron

e = Z

·         Jumlah proton

p = Z

·         Jumlah neutron

n = A - Z

Contoh :

Tentukan jumlah elektron, proton dan neutron dalam unsur  .

Jawab :

Lambang unsur = Ca

Massa unsur = 41

Nomor atom = 20

Jumlah elektron :

              e = Z

              e = 20

Jumlah proton :

              p = Z

                 = 41

Jumlah neutron :

             n = Z – A

                = 41 – 20 = 21

LATIHAN :

Tentukan jumah proton, elektron dan neutron dari unsur-unsur berikut:

1.   

2.    

3.

4.

5.

2.   Memahami Susunan dari Sebuah Atom

a.    Lihatlah nomor atom dari tabel periodik. Nomor atom selalu lebih kecil dari nomor massa.

b.    Nomor atom merupakan jumlah proton. Oleh karena sifat atom netral, maka nomor atom juga merupakan jumlah elektron.

c.    Susunlah elektron-elektron dalam level-level energi, selalu isi level terdalam sebelum mengisi level luar.

E.   Nomor Atom dan Nomor Massa

Suatu atom memiliki sifat dan massa yang khas satu sama lain. Dengan penemuan partikel penyusun atom dikenal istilah nomor atom (Z) dan nomor massa (A). Penulisan lambang atom unsur menyertakan nomor atom dan nomor massa.

X : lambang suatu unsur

Z : nomor atom

A : nomor massa

Nomor Massa (A) = Jumlah proton + Jumlah neutron

Jumlah Neutron = Nomor massa – Nomor atom

Nomor Atom (Z) = Jumlah proton

1.   Nomor Atom (Z)

Nomor atom (Z) menunjukkan jumlah proton (muatan positif) atau jumlah elektron dalam atom tersebut. Nomor atom ini merupakan ciri khas suatu unsur. Oleh karena atom bersifat netral maka jumlah proton sama dengan jumlah elektronnya, sehingga nomor atom juga menunjukkan jumlah elektron. Elektron inilah yang nantinya paling menentukan sifat suatu unsur. Nomor atom ditulis agak ke bawah sebelum lambang unsur.

2.   Nomor Massa (A)

Massa elektron sangat kecil dan dianggap nol sehingga massa atom ditentukan oleh inti atom yaitu proton dan neutron. Nomor massa (A) menyatakan banyaknya proton dan neutron yang menyusun inti atom suatu unsur. Nomor massa ditulis agak ke atas sebelum lambang unsur.

F.    Isotop, Isobar, dan Isoton Suatu Unsur

Setelah penulisan lambang atom unsur dan penemuan partikel penyusun atom, ternyata ditemukan adanya unsur-unsur yang memiliki jumlah proton yang sama tetapi memiliki massa atom yang berbeda. Ada pula unsur-unsur yang memiliki massa atom yang sama tetapi nomor atom berbeda. Oleh karena itu, dikenallah istilah isotop, isoton, dan isobar.

1.   Isotop

Isotop adalah atom yang mempunyai nomor atom sama tetapi memiliki nomor massa berbeda.

Contoh:

                        

p = 7      p = 7           p = 7

e = 7      e = 7           e = 7

n = 6      n = 7           n = 8

Setiap isotop satu unsur memiliki sifat kimia yang sama karena jumlah elektron valensinya sama. Isotop-isotop unsur ini dapat digunakan untuk menentukan massa atom relatif (Ar) atom tersebut berdasarkan kelimpahan isotop dan massa atom semua isotop. Oksigen di alam terdiri dari tiga isotop dengan kelimpahan sebagai berikut.

                      

 (99,76%) (0,04%) (0,20%)

Hitunglah massa atom rata-rata (Ar) dari unsur oksigen ini.

Jawab:

Ar =   = 15,999

Ar ~ 16

LATIHAN

Hitunglah massa atom rata-rata (Ar) dari unsur nitrogen berikut:

                     

 (95,76%) (3,04%) (1,20%)

2.   Isobar

Isobar adalah unsur-unsur yang memiliki nomor atom berbeda tetapi nomor massa sama. Sehingga antara  dan  merupakan isobar.

3.   Isoton

Atom-atom yang berbeda tetapi mempunyai jumlah neutron yang sama.

Contoh:

 isoton antara dan , karena jumlah neutron O = 15 – 8 = 7 dan jumlah neutron N = 14 – 7 = 7.

LATIHAN :

Diketahui unsur                        

Pilihlah unsur-unsur dalam daftar di atas ke dalam:

a. kelompok isotop,

b. kelompok isoton,

c. kelompok isobar.

G.   Menentukan Elektron Valensi

1.   Konfigurasi Elektron

Konfigurasi (susunan) elektron suatu atom berdasarkan kulit-kulit atom tersebut. Setiap kulit atom dapat terisi elektron maksimum 2n², di mana n merupakan letak kulit.

Jika n = 1 maka berisi 2 elektron

Jika n = 2 maka berisi 8 elektron

Jika n = 3 maka berisi 18 elektron

dan seterusnya.

Lambang kulit dimulai dari K, L, M, N, dan seterusnya dimulai dari yang terdekat dengan inti atom. Elektron disusun sedemikian rupa pada masing-masing kulit dan diisi maksimum sesuai daya tampung kulit tersebut. Jika masih ada sisa elektron yang tidak dapat ditampung pada kulit tersebut maka diletakkan pada kulit selanjutnya.

Nomor Atom  (Jumlah Elektron)	Kulit
	K n = 1	L n = 2	M n = 3	N n = 4	O n = 5	P n = 6	Q n = 7
1 4 11 19 20 54 88	1 2 2 2 2 2 2	- 2 8 8 8 8 8	- - 1 8 8 18 18	- - - 1 2 18 32	- - - - - 8 18	- - - - - - 8	- - - - - - 2

Contoh :

Buat konfigurasi dari unsur   !

Jawab :

  = 2   8   8   7

LATIHAN :

Buat konfigurasi dari unsur-unsur berikut :

1.

2.

3.

4.

5.

2.   Elektron Valensi

Elektron yang berperan dalam reaksi pembentukan ikatan kimia dan reaksi kimia adalah elektron pada kulit terluar atau elektron valensi. Jumlah elektron valensi suatu atom ditentukan berdasarkan elektron yang terdapat pada kulit terakhir dari konfigurasi elektron atom tersebut.

Unsur-unsur yang mempunyai jumlah elektron valensi yang sama akan memiliki sifat kimia yang sama pula.

Contoh:

Unsur ₁₁Na dan ₁₉K memiliki sifat yang sama karena masing-masing

memiliki elektron valensi = 1.

Suatu atom netral dapat melepaskan 1 atau lebih elektronnya dan membentuk ion yang bermuatan positif, atau menangkap elektron dan membentuk muatan negatif.

Contoh:

 mempunyai 11 elektron, 11 proton dan 12 neutron

Konfigurasi elektron Na dapat ditulis: 2, 8, 1.

Apabila atom Na melepaskan elektron valensinya maka jumlah elektronnya menjadi 10 sedangkan protonnya tetap 11, sehingga atom Na akan bermuatan +1.

 ® Na⁺ + e

Konfigurasi elektron Na⁺ dapat ditulis: 2, 8

Soal Latihan

A.   Pilihlah jawaban yang tepat!

1.    Pernyataan berikut yang bukan tentang teori atom Dalton yaitu . . .

a.    Atom adalah bagian terkecil dari materi yang tidak dapat dibagi lagi.

b.    Atom tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan.

c.    Atom dari unsur yang berbeda dapat bergabung membentuk senyawa.

d.    Reaksi kimia melibatkan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali atomatom.

e.    Atom digambarkan sebagai roti kismis.

2.    Kelemahan model atom Dalton tidak dapat menerangkan . . . .

a.    atom berelektron banyak

b.    hubungan larutan senyawa dengan daya hantar listrik

c.    elektron tidak jatuh ke inti

d.    susunan muatan positif dalam atom

e.    adanya lintasan elektron

3.    Konsep inti atom pertama kali dikemukakan oleh . . . .

a.    Dalton                                   d. Niels Bohr

b.    Thomson                                e. Max Planck

c.    Rutherford

4.    Eksperimen tabung sinar katode menghasilkan . . . .

a.    penemuan elektron

b.    penemuan massa elektron

c.    penemuan muatan elektron

d.    penemuan massa proton

e.    penemuan muatan proton

5.    Lambang partikel penyusun atom yang benar yaitu . . . .

a.                                  d.

b.                                  e.

c.   

6.    Pernyataan yang tepat untuk unsur dengan lambang atom yaitu . . . .

a. p = 26, e = 26, n = 56

b. p = 26, e = 30, n = 56

c. p = 26, e = 30, n = 26

d. p = 26, e = 26, n = 26

e. p = 26, e = 26, n = 30

7.    Atom dengan nomor atom 35 dan nomor massa 80 mempunyai neutron sebanyak . . . .

a. 35                                 d. 30

b. 80                                 e. 115

c. 45

8.    Unsur yang memiliki elektron valensi terbanyak yaitu yang mempunyai nomor atom . . . .

a. 13                                 d. 19

b. 15                                 e. 20

c. 17

9.    Elektron valensi pada kulit ke tiga adalah 3, maka nomor atom unsur tersebut . . . .

a. 3                                     d. 8

b. 4                                     e. 13

c. 5

10. Jumlah elektron maksimum yang terdapat pada kulit M sebanyak . . . .

a. 2                                     d. 18

b. 8                                     e. 32

c. 10

11. Sifat kimia suatu unsur ditentukan oleh jumlah . . . .

a. elektron valensi

b. elektron

c. kulit

d. nomor atom

e. nomor massa

12. Konfigurasi yang tepat untuk unsur bernomor atom 38 yaitu . . . .

a. 2 8 18 10                       d. 2 8 8 18 2

b. 2 8 18 8 2                      e. 2 8 18 2 8

c. 2 8 18 9 1

13. Konsep kulit atom dikemukakan oleh . . . .

a. Dalton                            d. Niels Bohr

b. Thomson                        e. Max Planck

c. Rutherford

14. Spektrum garis hanya dimiliki oleh . . . .

a. atom-atom berelektron tunggal

b. atom-atom berelektron banyak

c. atom yang berpindah lintasan

d. elektron yang mengelilingi inti atom

e. elektron yang berpindah lintasan

15. Nomor massa dari atom yang mengandung 5 buah proton dan 6 neutron yaitu . . . .

a. 5                                             d. 16

b. 6                                             e. 17

c. 11

16. Sebelum ditemukan teori atom modern, model atom berkembang sesuai urutan . . . .

a. Dalton, Rutherford, Thompson, Bohr

b. Dalton, Thompson, Bohr, Rutherford

c. Dalton, Thompson, Rutherford, Bohr

d. Dalton, Bohr, Rutherford, Thompson

e. Dalton, Bohr, Thompson, Rutherford

17. Kekhasan atom suatu unsur ditentukan oleh . . . .

a. jumlah neutron

b. jumlah proton

c. jumlah nukleon

d. jumlah proton dan neutron

e. jumlah elektron dan neutron

18. Diketahui nomor atom Fe : 26. Di dalam ion Fe²⁺ terdapat . . . .

a. 24 elektron di sekitar inti

b. 24 proton di sekitar inti

c. 26 elektron di sekitar inti

d. 26 neutron dalam inti

e. 28 elektron di sekitar inti

19. Ion Na⁺ dan Ne (nomor atom Na = 11 dan Ne = 10) mempunyai kesamaan dalam hal . . . .

a. konfigurasi elektron

b. jumlah proton

c. jumlah neutron

d. muatan inti

e. jumlah partikel

20. Inti atom yang tersusun oleh proton saja yaitu . . . .

a.                                      d.

b.                                    e.

c.

B.   Jawablah dengan singkat dan jelas!

1.    Benarkah pernyataan bahwa ”atom adalah partikel terkecil dari suatu unsur”? Jelaskan pendapatmu!

2.    Suatu unsur mempunyai konfigurasi elektron 2, 8, 18, 3. Salah satu isotop unsur tersebut mempunyai neutron 36. Berapa nomor massa isotop tersebut?

3.    Apa yang dimaksud dengan:

a. konfigurasi elektron,

b. elektron valensi.

4.    Jelaskan salah satu kelemahan model atom Niels Bohr!

5.    Diketahui nomor atom oksigen = 8 dan nomor massanya 16. Berapa jumlah p, n, dan e dalam:

    a. atom oksigen (O),

    b. ion O^2–,

    c. ion O²⁺

6.    Jelaskan dengan singkat bagaimana Thomson sampai pada kesimpulan bahwa semua atom mengandung elektron!

7.    Kelompokkan unsur-unsur berikut ke dalam kelompok isotop, isobar, dan isoton!

, , , , , , , , , , , , ,

8.    Suatu unsur mempunyai 17 proton dan 18 neutron.

Tentukan:

a. konfigurasi elektron unsur tersebut,

b. letak golongan dan periodenya dalam tabel periodik unsur.

9.    Suatu ion M^2– mempunyai konfigurasi 2, 8, 8 dan mempunyai 16 neutron dalam intinya. Tuliskan lambang unsur tersebut!

10. Tuliskan konfigurasi elektronnya dan tentukan pula elektron valensinya!

a. ₅₃I                            d. ₁₄Si

b. ₃₆Kr                          e. ₃₁Ga

c. ₃₃As