Bilangan kuantum

 1. Identitas :

• Nama Guru       : Desi Amalia, S. Pd, Gr.
• Mata Pelajaran  : Kimia
• Kelas                 : X.3, X. 7, X. 1
• Pertemuan         : Minggu ke 18

2. Materi  : bilangan kuantum

3. Capaian Pembelajaran  :  Pada akhir fase E, peserta didik memiliki kemampuan untuk memahami sistem pengukuran, energi alternatif, ekosistem, bioteknologi, keanekaragaman hayati, struktur atom, reaksi kimia, hukum-hukum dasar kimia, dan perubahan iklim sehingga responsif dan dapat berperan aktif dalam memberikan penyelesaian masalah pada isu-isu lokal dan global. Semua upaya tersebut diarahkan pada pencapaian tujuan pembangunan yang berkelanjutan (Sustainable Development Goals/SDGs).

4. Tujuan Pembelajaran  : 

Tujuan yang ingin dicapai dari pembelajaran ini adalah, Peserta didik mampu:

-       menentukan konfigurasi elektron menurut model atom Bohr melalui tabel data beberapa unsur.

-       menentukan konfigurasi elektron menurut model atom kuantum melalui tabel data beberapa unsur.

5. Metode Pembelajaran  : Diskusi, tanya jawab, ceramah dengan model pembelajaran based learning

6. Pengembangan Materi  : 

•  Materi : 

KONFIGURASI ELEKTRON

Dari konfigurasi elektron pula, dapat diketahui golongan dan periode dari suatu atom.

Golongan ditunjukkan oleh jumlah elektron terluar (elektron valensi) sedangkan periode ditunjukkan oleh nomor kulit terbesar yang terisi elektron (kulit terluar).

 

2. Konfigurasi Elektron Menurut Model Atom Mekanika Kuantum

Menurut model atom mekanika kuantum, elektron–elektron dalam atom bergerak mengelilingi inti pada tingkat–tingkat energi tertentu (kulit atom). Pada setiap kulit atom terdiri atas subkulit yang merupakan kumpulan orbital (tempat kebolehjadian ditemukan adanya elektron).

a. Bentuk Orbital Berikut adalah bentuk-bentuk orbital:

1) Orbital s Orbital s berbentuk seperti bola di sekitar inti atom. Ketika tingkat energi elektron meningkat, maka bentuk orbitalnya semakin besar.

Gambar 3. Bentuk Orbital s (sumber: https://www.kimia-science7.com)

 

2) Orbital p Orbital p berbentuk seperti bola terpilin dan menunjuk ke sumbu-sumbu ruang tertentu. Orbital yang berada pada sumbu X maka disebut Px, orbital yang berada pada sumbu Y maka disebut Py, orbital yang berada pada sumbu Z maka disebut Pz.

Gambar 4. Bentuk Orbital p (sumber: https://www.kimia-science7.com)

3) Orbital d

Orbital d berbentuk seperti bola terpilin. Ada 5 orbital subkulit d, yaitu dx-y,   dy- z, dx-z, dx2-y2, dz2. Tiga orbital d terletak diantara sumbu ruang dan 2 orbital d terletak pada sumbu ruang. Orbital dx-y berada diantara sumbu X dan Y, orbital dy-z berada diantara sumbu Y dan Z, orbital dx-z berada diantara sumbu X dan Z, orbital dx2-y2 berada pada sumbu X dan Y, orbital dz2 berada pada sumbu X dimana ada lingkaran di tengah-tengahnya.

Gambar 5. Bentuk Orbital d (sumber: https://www.kimia-science7.com)

 

4) Orbital f Subkulit f memiliki 7 orbital yang memiliki tingkat energi yang setara. Bentuk orbitalnya lebih rumit dan sangat kompleks.

Gambar 6. Bentuk Orbital f (sumber: https://www.kimia-science7.com)

 

b. Diagram Orbital Diagram orbital digunakan untuk memudahkan penentuan nilai bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum magnetik dan bilangan kuantum spin. Diagram orbital akan dilambangkan dengan dengan kotak. Subkulit s = 1 kotak, subkulit p = 3 kotak, subkulit d = 5 kotak dan subkulit f = 7 kotak.

c. Penulisan konfigurasi Elektron

Penulisan konfigurasi elektron menurut model mekanika kuantum menggunakan diagram orbital dan perlu mengikuti aturan penentuan konfigurasi elektron berdasarkan orbital yang meliputi asas Aufbau, Larangan Pauli, dan Kaidah Hund.

Kedudukan elektron terluar dari suatu atom bisa ditentukan dengan melihat bilangan kuantumnya.

1) Asas Aufbau

Pengisian elektron dimulai dari subkulit yang memiliki tingkat energi paling rendah dilanjutkan pada subkulit yang lebih tinggi tingkat energinya. Dalam setiap sub kulit mempunyai batasan elektron yang dapat diisikan yakni: Subkulit s memiliki 1 orbital maksimal berisi 2 elektron Subkulit p memiliki 3 orbital maksimal berisi 6 elektron Subkulit d memiliki 5 orbital maksimal berisi 10 elektron Subkulit f  memiliki 7 orbital maksimal berisi 14 elektron Urutan penulisan konfigurasi adalah sebagai berikut :

Gambar 7 Pengisian Elektron Berdasarkan Aturan Aufbau (Sumber: http://jusliandi0307.blogspot.com)

 

Anak panah menunjukkan urutan pengisian elektron pada model mekanika kuantum. Pengisian pertama diawali oleh 1s² dan urutan paling akhir oleh 7s²

 

2. Urutan pengisian elektron pada konfigurasi elektron mekanika kuantum lebih lengkapnya adalah 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 4s², 3d¹⁰, 4p⁶ , 5s², 4d¹⁰, 5p⁶, 6s², 4f¹⁴, 5d¹⁰, 6p⁶, 7s² dan seterusnya. Jika kesulitan menghafal urutan ini, kalian sebenarnya tidak perlu menghafalkan urutan pengisian elektron ini. Kalian cukup lihat dari model pengisian elektron yang diberikan pada gambar di atas

Contoh :

Nitrogen (N), nomor atom N = 7 maka konfigurasi elektron sebagai berikut:   

₇N =  1s² 2s² 2p³

Neon (Ne), nomor atom Ne = 10 maka konfigurasi elektron sebagai berikut:

₁₀Ne = 1s² 2s² 2p⁶

Magnesium (Mg), nomor atom Mg = 12 maka konfigurasi elektron sebagai berikut:   

₁₂Mg = 1s² 2s² 2p⁶ 3s²

Klorin (Cl) nomor atom Cl = 17 maka konfigurasi elektron sebagai berikut:

₁₇Cl = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵

Sedangkan untuk ion Cl^– konfigurasinya: 

₁₇Cl^– = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵

Kalsium (Ca) dengan nomor atom  Ca = 20 maka konfigurasi elektronnya:

₂₀Ca = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Sedangkan konfigurasi untuk ion Ca²⁺ sebagai berikut: 

₂₀Ca²⁺ = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

 

2) Asas larangan Pauli

Tidak ada dua elektron dalam satu atom yang memiliki keempat bilangan kuantum yang sama. Setiap orbital maksimum diisi oleh 2 elektron yang memiliki spin yang berlawanan. Oleh karena dapat terjadi kemungkinan 2 elektron akan memiliki 3 bilangan kuantum n, l, dan m sama, tetapi untuk bilangan kuantum s pasti berbeda.

 

3) Kaidah Hund

Jika ada orbital dengan tingkat energi yang sama, konfigurasi elektron dengan energi terendah adalah dengan jumlah elektron tak berpasangan dengan spin paralel yang paling banyak.

Gambar 8 Konfigurasi Elektron dan Diagram Orbital (sumber: https://www.studiobelajar.com)

4) Aturan Setengah Penuh

Aturan konfigurasi elektron penuh-setengah penuh terjadi pada atom dengan golongan B yaitu pada pengisian elektron pada subkulit d. Elektron yang berisi penuh d¹⁰ dan setengah penuh d⁵ akan relatif lebih stabil. Sehingga, elektron cenderung akan mengisi orbital secara penuh atau setengah penuh. Perhatikan contoh berikut:

₂₄Cr = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁴   → Tidak stabil

₂₄Cr = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵   → Stabil , karena mengikuti aturan setengah penuh      

Dari contoh terlihat apabila atom ₂₄Cr membentuk konfigurasi elektron 4s¹ 3d⁵  maka atom Cr leih stabil. Maka konfigurasi electron yang tepat adalah 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵ .  Hal ini juga berlaku untuk kasus:

₂₉Cu = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁹   → Tidak stabil 

₂₉Cu = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰   → Stabil , karena mengikuti aturan penuh

 

d. Bilangan Kuantum

Dalam konfigurasi elektron model mekanika kuantum dikenal empat bilangan kuantum. Bilangan kuantum tersebut yang menjelaskan letak elektron–elektron suatu atom. Keempat bilangan kuantum tersebut adalah bilangan kuantum utama (n), azimuth (l), magnetik (m), dan spin (s).

1) Bilangan Kuantum Utama (n)

Menyatakan tingkat energi utama dengan nilai n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, dan 7.

n = 1 menyatakakan kulit pertama (K)

n = 2 menyatakakan kulit pertama (L)

n = 3 menyatakakan kulit pertama (M) dan seterusnya

 

2) Bilangan kuantum Azimuth (l)

Menyatakan bentuk orbital tempat elektron berada pada subkulit. Nilai bilangan azimut dimulai dari l = 0, 1, 2, 3, dan seterusnya.

Nilai l = 0 menyatakan subkulit s

Nilai l = 1 menyatakan subkulit p

Nilai l = 2 menyatakan subkulit d

Nilai l = 3 menyatakan subkulit f

 

3) Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Menyatakan letak elektron pada suatu orbital. Nilai bilangan kuantum m adalah – l sampai dengan +l Untuk l = 0, subkulit s, m = 0 (terdapat 1 orbital)

Untuk l = 1, subkulit p, m = – 1, 0, + 1 (terdapat 3 orbital)

Untuk l = 2, subkulit d, m = –2, – 1, 0, + 1, +2 (terdapat 5 orbital)

Untuk l = 3, subkulit f, m = –3, –2, – 1, 0, + 1, +2, + 3 (terdapat 7 orbital)

4) Bilangan Kuantum Spin (s)

Menyatakan arah perputaran elektron. Nilai bilangan kuantum s adalah – ½ dan + ½ . s = + ½   menyatakan arah putaran searah jarum jam dan digambarkan dengan tanda panah ke atas.

s = – ½  menyatakan arah putaran berlawanan arah jarum jam digambarkan dengan tanda panah ke arah bawah.

Contoh bilangan kuantum untuk elektron terakhir pada:

 

e. Konfigurasi Elektron Gas Mulia

Gas mulia adalah unsur-unsur yang memiliki kestabilan yang sangat tinggi dan dalam sistem periodik terdapat pada golongan VIIIA.

Gas mulia terdiri dari He (Helium), Ne (Neon), Ar (Argon), Kr (Kripton), Xe (Xenon), Rn (Radon). Sebagian unsur ini ditemukan di alam sebagai unsur monoatomik. Hal penting yang menyebabkan gas mulia memiliki kesatabilan yang sangat tinggi adalah konfigurasi elektronnya.

Berikut ini adalah konfigurasi elektron dari unsur gas mulia:

₂He     = 1s²

₁₀Ne    = 1s² 2s² 2p⁶

₁₈Ar     = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

₃₆Kr     = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶

₅₄Xe    = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶

₈₆Rn    = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶

Konfigurasi elektron gas mulia digunakan untuk menyederhanakan atau meringkas penulisan konfigurasi elektron unsur yang lain. Misalnya, penulisan elektron unsur ₂₁Sc, penulisannya sebagai berikut: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ jika disederhanakan maka menjadi  ₂₁Sc = [Ar] 4s² 3d¹

 

Letak Unsur dalam Sistem Periodik Unsur

Pada Pembelajaran satu kalian sudah mempelajari konfigurasi elektron. Tahukah kalian hubungan konfigurasi elektron dengan sistem periodik unsur? Hungannnya adalah letak suatu unsur dalam tabel sistem periodik unsur dapat ditentukan berdasarkan konfigurasi elektronnya.  Bagaimanakah caranya? berikut akan kita pelajari bagaimana cara menentukan letak unsur dalam sistem periodik dengan menggunakan konfigurasi elektronnya.

 

Periode dan Golongan

Unsur-unsur yang jumlah kulitnya sama terletak pada periode (baris) yang sama.

nomor periode = kulit atom terbesar

 

Unsur-unsur yang struktur elektron terluarnya sama terletak pada golongan (kolom) yang sama.

Untuk menentukan nomor golongan, unsur-unsur dibagi menjadi tiga kelompok:

a. Unsur-unsur Utama (Golongan A)

Unsur-unsur yang pengisian elektronnya berakhir pada subkulit s (blok s) atau subkulit p (blok p).

ns^x atau ns^x np^y

n = periode,

nomor golongan (blok s) = x atau nomor golongan (blok p) = x + y

Agar lebih paham, perhatikan tabel berikut:

 

Tabel Penentuan Golongan Utama (A)

Golongan		Nama Golongan	Elektron valensi	Blok	Penentu golongan
Versi Amerika	Versi IUPAC
IA/ 1A	1	Alkali	ns1	s	s
IIA/ 2A	2	Alkali Tanah	ns2	s	s
IIIA/ 3A	13	Boron	ns2 np1	p	s + p
IVA/ 4A	14	Karbon	ns2 np2	p	s + p
VA/ 5A	15	Nitrogen	ns2 np3	p	s + p
VIA/ 6A	16	Oksigen	ns2 np4	p	s + p
VIIA/ 7A	17	Halogen	ns2 np5	p	s + p
VIIIA/ 8A	18	Gas Mulia	ns2 np6	p	s + p

 

Perkecualian:

₁H [ 1s¹]: hidrogen tidak mempunyai golongan

₂He [1s²]: helium termasuk gas mulia (VIIIA)

 

b. Unsur-unsur Transisi (Golongan B)

Unsur-unsur yang pengisian elektronnya berakhir pada sub kulit d.

Golongan = ns^x (n - 1)d^z

n = periode

x + z = nomor golongan

 

Perkecualian:

Jika x + z = 9 golongan VIIIB

jika x + z = 10 golongan VIIIB

jika x + z = 11 golongan IB

jika x + z = 12 golongan I IB

 

Agar lebih paham, perhatikan tabel berikut:

 

Tabel Penentuan Golongan Utama (B)

Golongan		Elektron valensi	Blok	Penentu Golongan
Versi Amerika	Versi IUPAC
IIIB	3	(n – 1 )d1 ns2	d	s + d
IVB	4	(n – 1 )d2 ns2	d	s + d
VB	5	(n – 1 )d3 ns2	d	s + d
VIB	6	(n – 1 )d5 ns1	d	s + d
VIIB	7	(n – 1 )d5 ns2	d	s + d
VIIIB	8	(n – 1 )d6 ns2	d	s + d
VIIIB	9	(n – 1 )d7 ns2	d	s + d
VIIIB	10	(n – 1 )d8 ns2	d	s + d
IB	11	(n – 1 )d10 ns1	d	s + d
IIB	12	(n – 1 )d10 ns2	d	s + d

 

C. Unsur-unsurTransisi Dalam

Unsur-unsur yang pengisian elektronnya berakhir

pada subkulit f.

1) unsur-unsur Lantanida berakhir pada 4f.

2) unsur-unsur Aktinida berakhir pada 5f.

 

Contohnya

Pada atom ₁₃Al, maka konfigurasi elektronnya:

₁₃Al : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹

Diakhiri pada subkulit p yang artinya terletak pada Unsur Utama (A). Maka:

periode = 3

golongan : 2 + 1 = IIIA atau 13

 

Pada atom ₂₁Sc, maka konfigurasi elektronnya:

₂₁Sc : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹

Diakhiri pada subkulit d yang artinya terletak pada Unsur Transisi (B). Maka:

periode = 4

golongan : 2 + 1 = IIIB atau 3