Teori Mekanika Kuantum

1.    Teori Kuantum Max Planck

Max Planck, ahli fisika dari Jerman, pada tahun 1900 mengemukakan teori kuantum. Planck menyimpulkan bahwa atom-atom dan molekul dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah tertentu. Jumlah atau paket energi terkecil yang dapat dipancarkan atau diserap oleh atom atau molekul dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut kuantum.

Planck menemukan bahwa energi foton (kuantum) berbanding lurus dengan frekuensi cahaya.

E = h ·

dengan: E = energi (J)

h = konstanta Planck 6,626 × 10–34 J. s

 = frekuensi radiasi (s–1)

Salah satu fakta yang mendukung kebenaran dari teori kuantum Max Planck adalah efek fotolistrik, yang dikemukakan oleh Albert Einstein pada tahun 1905. Efek fotolistrik adalah keadaan di mana cahaya mampu mengeluarkan elektron dari permukaan beberapa logam (yang paling terlihat adalah logam alkali)

2.    Model Atom Bhor

Dari percobaan yang dilakukan, Bohr merumuskan sebagai berikut.

1.    Elektron bergerak mengelilingi inti atom dengan lintasan (orbit) tertentu, dengan momen sudut kelipatan dari . h = ketetapan Planck.

2.    Selama elektron bergerak pada lintasannya, maka energinya akan tetap,                                               sehingga tidak memancarkan energi.

3.    Selama bergerak mengelilingi inti, elektron dapat berpindah naik atau turun dari satu lintasan ke lintasan yang lain.

Karena perpindahan elektron berlangsung antara kulit yang sudah tertentu tingkat energinya, maka atom hanya akan memancarkan radiasi dengan tingkat energi yang tertentu pula. Dengan demikian dapat dijelaskan penyebab spektrum unsur berupa spektrum garis. Bohr menggunakan atom hidrogen sebagai model, dan dia berhasil merumuskan jari-jari lintasan dan energi elektron.

Jari-jari lintasan ke-n dalam atom hidrogen memenuhi rumus:

r_n = n²a₀

dengan: n = kulit ke-1, 2, dan seterusnya

a₀ = 0,53 Å (53 pm)

3.    Hipotesis Louis de Broglie

Pada tahun 1924, Louis de Broglie, menjelaskan bahwa cahaya dapat berada dalam suasana tertentu yang terdiri dari partikel-partikel, kemungkinan berbentuk partikel pada suatu waktu, yang memperlihatkan sifat-sifat seperti gelombang (James E Brady, 1990).

Argumen de Broglie menghasilkan hal sebagai berikut.

Einstein : E = mc²

Max Planck : E = h ·

Hipotesis de Broglie terbukti benar dengan ditemukannya sifat gelombang dari elektron. Elektron mempunyai sifat difraksi seperti halnya sinar–X. Sebagai akibat dari dualisme sifat elektron sebagai materi dan sebagai gelombang, maka lintasan elektron yang dikemukakan Bohr tidak dapat dibenarkan. Gelombang tidak bergerak menurut suatu garis, melainkan menyebar pada suatu daerah tertentu.

4.    Teori Mekanika Kuantum

Menurut Heisenberg, metode eksperimen apa saja yang digunakan untuk menentukan posisi atau momentum suatu partikel kecil dapat menyebabkan perubahan, baik pada posisi, momentum, atau keduanya. Jika suatu percobaan dirancang untuk memastikan posisi elektron, maka momentumnya menjadi tidak pasti, sebaliknya jika percobaan dirancang untuk memastikan momentum atau kecepatan elektron, maka posisinya menjadi tidak pasti. Untuk mengetahui posisi dan momentum suatu elektron yang memiliki sifat gelombang, maka pada tahun 1927, Erwin Schrodinger, mendeskripsikan pada sisi elektron tersebut dengan fungsi gelombang (wave function) yang memiliki satu nilai pada setiap posisi di dalam ruang (Oxtoby, Gillis, Nachtrieb). Fungsi gelombang ini dikembangkan dengan notasi ϕ (psi), yang menunjukkan bentuk dan energi gelombang elektron (James E. Brady, 1990).

Model atom mekanika kuantum menerangkan bahwa elektron-elektron dalam atom menempati suatu ruang atau “awan” yang disebut orbital, yaitu ruang tempat elektron paling mungkin ditemukan. Beberapa orbital bergabung membentuk kelompok yang disebut subkulit. Jika orbital kita analogikan sebagai “kamar elektron”, maka subkulit dapat dipandang sebagai “rumah elektron”. Beberapa subkulit yang bergabung akan membentuk kulit atau “desa elektron”.

5.    Bilangan Kuantum

Menurut mekanika gelombang, setiap tingkat energi dalam atom diasosiasikan dengan satu atau lebih orbital. Untuk menyatakan kedudukan (tingkat energi, bentuk, serta orientasi) suatu orbital menggunakan empat bilangan  kuantum, yaitu bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimuth, bilangan kuantum magnetik (ml atau m) dan spin (s).

a. Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama (n) menyatakan tingkat energi utama atau kulit atom. Bilangan kuantum utama mempunyai harga mulai dari 1, 2, 3, dan seterusnya (bilangan bulat positif) serta dinyatakan dengan lambang K (n = 1), L (n = 2), dan seterusnya. Orbital-orbital dengan bilangan kuantum utama berbeda mempunyai tingkat energi yang berbeda secara nyata.

b. Bilangan Kuantum Azimuth (l)

Bilangan kuantum azimuth (l) menyatakan subkulit. Nilai-nilai untuk bilangan kuantum azimuth dikaitkan dengan nilai bilangan kuantum utamanya, yaitu semua bilangan bulat dari 0 sampai (n – 1).

c. Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Bilangan kuantum magnetik (m) menyatakan orbital khusus yang ditempati elektron pada suatu subkulit. Bilangan kuantum magnetik juga menyatakan orientasi khusus dari orbital itu dalam ruang relatif terhadap inti. Nilai bilangan kuantum magnetik bergantung pada nilai kuantum azimuth, yaitu semua bilangan bulat mulai dari –l sampai dengan +l, termasuk 0.

d. Bilangan Kuantum Spin (ms atau s)

Sambil beredar mengintari inti, elektron juga berputar pada sumbunya. Gerak berputar pada sumbu ini disebut rotasi. Hanya ada dua kemungkinan arah rotasi elektron, yaitu searah atau berlawanan arah jarum jam. Kedua arah yang berbeda itu dinyatakan dengan bilangan kuantum spin (s) yang mempunyai nilai s = + ½ dan s= -1/2.

Dapat disimpulkan bahwa kedudukan suatu elektron dalam suatu atom

dinyatakan oleh empat bilangan kuantum, yaitu:

a. Bilangan kuantum utama (n) menyatakan kulit utamanya.

b. Bilangan kuantum azimuth (l) menyatakan subkulitnya.

c. Bilangan kuantum magnetik (m) menyatakan orbitalnya.

d. Bilangan kuantum spin (s) menyatakan spin atau arah rotasinya.

6. Bentuk Orbital

Setiap orbital dicirikan oleh 3 bilangan kuantum n, l, dan m, di mana orbital mempunyai ukuran, bentuk, dan orientasi tertentu dalam ruang.

a.    Orbital s

Bentuk orbital s berupa bola simetris dan hanya memiliki satu macam orbital.

b.    Orbital p

Orbital p berjumlah 3 buah yang terletak disubkulit p. Ketiganya mempunyai tingkat energi yang sama namun arah ruangnya berbeda.setiap orbital berbentuk seperti balon terpilin yang digambarkan menggunakan koordinat Cartesius dengan sumbu x, y, dan z.

c.    Orbital d

Orbital dengan bilangan azimuth l = 2, yaitu orbital d, mulai terdapat pada kulit ketiga (n = 3). Setiap subkulit d terdiri atas lima orbital sesuai dengan lima harga m untuk l = 2, yaitu m = –2, –1, 0, +1, dan +2. Kelima orbital d itu diberi nama sesuai dengan orientasinya, sebagai d x² – y² , dxy, dxz, dyz, dan d_z² .

d.    Orbital f

Orbital f lebih rumit dan lebih sukar untuk dipaparkan, tetapi hal itu tidaklah merupakan masalah penting. Setiap subkulit f terdiri atas 7 orbital, sesuai dengan 7 harga m untuk l = 3

Salah satu dari tujuh orbital 4 f, yaitu orbital fxyz

7. Konfigurasi Elektron

                        Penulisan konfigurasi elektron harus mengikuti aturan aufbau, kaidah Hund dan asas larangan Pauli.

a.    Aturan aufbau

Menurut aufbau elektron secara bertahap menempati orbital dimulai dari yang berenergi paling rendah. Setelah orbital berenergi rendah penuh, elektron menempati orbital yang energinya satu tingkat lebih tinggi dan seterusnya sampai elektron dalam atom tersebut menempati orbitalnya. Adapun susunan konfigurasi elektronnya yaitu:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ 7s² 5f¹⁴ 6d¹⁰ 7p⁶

b.    Kaidah Hund

Elektron-elektron pada orbital yang memiliki tingkat energi yang sama akan mengisi terlebih dahulu kotak-kotak yang kosong dengan arah spin tertentu. Kemudian, orbital diisi dengan elektron berikutnya dengan arah spin yang berlawanan.

c.    Asas larangan Pauli

Menurut asas larangan Pauli bahwa dalam suatu atom atau molekul, tidak terdapat dua elektron yang mempunyai keempat bilangan kuantum yang sama.

8.    Penentuan bilangan kuantum

                   Langkah-langkah penentuan bilangan kuantum dalam suatu elektron  dalam atom:

a.    Menuliskan konfigurasi atom

b.    Membuatkan diagram orbital yang ditempati oleh elektron yang yang ditentukan bilangan kuantumnya.

c.    Menentukan bilangan kuantum

9.    Penentuan Letak Unsur dalam Tabel Periodik Berdasarkan Konfigurasi Elektron Teori Mekanika Kuantum

Seperti yang pernah kita pelajari di kelas X, bahwa sistem periodik modern disusun berdasarkan kenaikan nomor atom dan kemiripan sifat. Lajur-lajur horizontal (periode) disusun berdasarkan kenaikan nomor atom, sedangkan lajur-lajur vertikal (golongan) berdasarkan kemiripan sifat. Sedangkan pada pokok bahasan ini, kita akan mempelajari hubungan antara sistem periodik dengan konfigurasi elektron.

a.    Golongan unsur-unsur

Nomor golongan suatu unsur menunjukkan jumlah elektron valensi unsur tersebut pada subkulit tertentu. Golongan juga menunjukkan unsur-unsur yang memiliki kemiripan sifat yang sama. Golongan secara garis besar dibagi atas 2, yaitu golongan utama (golongan A) dan golongan transisi (golongan B).

1)   Golongan A

Golongan A menempati blok s (elektron valensi pada subkulit s) dan blok p (elektron valensi pada subkulit s dan p). Unsur-unsur blok s terbagi 2 golongan yaitu golongan IA (elektron valensi ns¹) dan golongan IIA (elektron valensi ns²). Sedangkan untuk blok p terdiri atas 6 golongan berturut-turut IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, dan VIIIA (elektron valensi ns² np¹, ns² np², ns² np³, ns² np⁴, ns² np⁵, dan  ns² np⁶)

2)      Golongan B

Golongan B menempati blok d (elektron valensi pada subkulit s dan d) dan blok f (elektron valensi pada subkulit s dan f). Unsur-unsur blok d terdiri atas 8 golongan yaitu golongan IB - VIIIB.  Secara berturut-turut golongan tersebut memiliki konfigurasi elktron valensi (n-1)d¹⁰ ns¹, (n-1)d¹⁰ ns², (n-1)d¹ ns², (n-1)d² ns², (n-1)d³ ns², (n-1)d⁵ ns¹, (n-1)d⁵ ns², dan  (n-1)d⁶ ns² atau (n-1)d⁷ ns² atau (n-1)d⁸ ns². Sedangkan untuk blok f (transisi dalam) terbagi menjadi dua  golongan yaitu golongan lantanida (elektron valensi 4f¹ 6s² sampai 4f¹⁴ 6s²) dan aktinida (elektron valensi 5f¹ 7s² sampai 5f¹⁴ 7s²).

b.    Periode unsur

Periode menunjukkan kulit terluar yang telah berisi elktron. Dalam sistem periodik terdapat 7 periode. Penentuan nomor periode dilakukan dengan cara menentukan nilai n terbesar.