Struktur dan sifat atom · AP Chemistry

Bab 1 · Struktur dan sifat atom

mol, kulit, spektrum

Atom terlalu kecil untuk dihitung satu per satu. Kimia menghitungnya dengan menimbang, dan menjelaskan perilakunya dari letak elektronnya.

Gambar ini adalah model kulit atom. Inti memuat proton (merah) dan neutron. Elektron berada di kulit-kulit di sekelilingnya, tertahan oleh tarikan inti. Saat gambar menambahkan satu proton dan satu elektron setiap kali, atom berjalan dari hidrogen, Z = 1, hingga kalsium, Z = 20.

Elektron pada kulit terluar adalah elektron valensi (merah). Elektron inilah yang dilepas, diterima, atau dipakai bersama oleh atom, sehingga menentukan perilaku unsur.

Bab ini menghitung atom dengan mol, membaca isotop dari spektrum massa, dan menentukan komposisi senyawa dan campuran. Lalu atom dibangun kulit demi kulit dengan hukum Coulomb, kulit diperiksa dengan spektrum fotoelektron, dan tren periodik serta muatan ion dijelaskan.

1.1 · Menghitung atom dengan menimbang

mol dan massa molar

Setiap neraca menerima jumlah atom yang sama, karbon di kiri dan magnesium di kanan. Neraca magnesium selalu 2.02 kali lebih berat.

Massa atom sangat kecil, sehingga diukur dalam satuan massa atom (sma): 1 sma = 1.6605 × 10⁻²⁴ g. Atom karbon rata-rata bermassa 12.01 sma, dan atom magnesium rata-rata 24.31 sma.

Satu mol adalah 6.022 × 10²³ partikel, yaitu bilangan Avogadro N_A. Nilainya dipilih agar massa satu mol atom dalam gram sama dengan massa satu atom dalam sma. Massa itu adalah massa molar: 12.01 g/mol untuk karbon dan 24.31 g/mol untuk magnesium.

n = \frac{m}{M} \qquad N = n\,N_\text{A}

Di sini n adalah jumlah zat dalam mol, m massa, M massa molar, dan N jumlah partikel. Berapa banyak atom dalam 5.00 g magnesium?

\begin{aligned}n &= \frac{5.00\ \text{g}}{24.31\ \text{g/mol}} = 0.2057\ \text{mol} \\ N &= 0.2057 \times 6.022\times10^{23} = 1.24\times10^{23}\end{aligned}

Massa molar senyawa adalah jumlah massa molar atom-atomnya: H₂O adalah 2(1.008) + 16.00 = 18.02 g/mol.

1.2 · Isotop dan massa rata-rata

spektrum massa suatu unsur

Atom suatu unsur semuanya memiliki jumlah proton yang sama, tetapi jumlah neutronnya tidak selalu sama. Versi-versi ini disebut isotop, dan massanya berbeda.

Spektrum massa suatu unsur menunjukkan satu puncak untuk tiap isotop. Posisi puncak adalah massa isotop; tingginya adalah kelimpahan relatif isotop, yaitu persentase atom yang berupa isotop itu. Magnesium memiliki tiga:

isotop	²⁴Mg	²⁵Mg	²⁶Mg
massa (sma)	23.985	24.986	25.983
kelimpahan (%)	78.99	10.00	11.01

Massa atom rata-rata pada tabel periodik adalah rata-rata seluruh atom, sehingga tiap isotop dihitung menurut kelimpahannya:

\begin{aligned}&23.985(0.7899) \ &+ 24.986(0.1000) \ &+ 25.983(0.1101) \\ &= 24.31\ \text{amu}\end{aligned}

Pada gambar, atom dihitung satu per satu. Pada awalnya puncak dan rata-rata merah melompat-lompat; seiring bertambahnya hitungan, keduanya menetap pada spektrum sebenarnya dan pada 24.31 sma.

Tidak ada satu pun atom magnesium yang bermassa 24.31 sma: itu adalah rata-rata. Rata-rata paling dekat dengan isotop yang paling melimpah. Klorin terdiri dari 75.76% ³⁵Cl dan 24.24% ³⁷Cl, sehingga rata-ratanya, 35.45 sma, jauh lebih dekat ke 35 daripada 37.

1.3 · Komposisi tetap

persen massa dan rumus empiris

Senyawa murni memiliki komposisi yang sama pada setiap sampel: unsur yang sama dengan perbandingan massa yang sama. Inilah hukum perbandingan tetap.

Persen massa suatu unsur dalam senyawa adalah massa unsur itu dalam satu mol senyawa dibagi massa molar. Untuk etena, C₂H₄:

\%\,\text{C} = \frac{2(12.01)}{28.05} \times 100 = 85.6\%

Rumus empiris menyatakan perbandingan bilangan bulat paling sederhana dari atom-atomnya. Etena dan siklopropana, C₃H₆, keduanya terurai menjadi satuan CH₂, sehingga keduanya memiliki rumus empiris CH₂ dan persen massa yang sama, 85.6% C dan 14.4% H. Data massa saja menghasilkan rumus empiris, bukan rumus molekul.

Dari persen massa kembali ke rumus: ambil 100 g, sehingga tiap persen menjadi gram; ubah ke mol; bagi dengan yang terkecil. Suatu senyawa terdiri dari 40% C, 6.71% H, dan 53.3% O:

	gram	mol	÷ terkecil
C	40	40 / 12.01 = 3.331	1.00
H	6.71	6.71 / 1.008 = 6.657	2.00
O	53.3	53.3 / 16 = 3.331	1.00

Perbandingannya 1 : 2 : 1, sehingga rumus empirisnya CH₂O. Glukosa, C₆H₁₂O₆, memiliki komposisi ini.

1.4 · Campuran bervariasi

komposisi campuran

Campuran adalah dua zat atau lebih yang tidak bergabung secara kimia. Berbeda dengan senyawa murni, komposisinya dapat berbeda dari satu sampel ke sampel lain.

Sampel pada gambar adalah campuran natrium klorida dan kalium klorida. Setiap garam murni memiliki persen massa klorin yang tetap:

\begin{aligned}\text{NaCl:}\ \frac{35.45}{58.44} &= 60.66\%\ \text{Cl} \\ \text{KCl:}\ \frac{35.45}{74.55} &= 47.55\%\ \text{Cl}\end{aligned}

Saat campuran berubah, persen klorin bergeser sepanjang garis lurus di antara kedua nilai itu. Jika x adalah fraksi massa NaCl:

\%\,\text{Cl} = 60.66\,x + 47.55\,(1 - x)

Analisis unsur menjalankannya secara terbalik. Sebuah sampel ternyata mengandung 55.0% Cl menurut massa. Maka

x = \frac{55.0 - 47.55}{60.66 - 47.55} = 0.568

sehingga sampel itu mengandung 56.8% NaCl menurut massa. Penalaran yang sama dipakai untuk mencari kemurnian sampel: jika suatu pengotor tidak mengandung unsur yang diukur, pengotor itu menurunkan persen massanya di bawah nilai senyawa murninya.

1.5 · Elektron dalam kulit

Hukum Coulomb dan konfigurasi elektron

Atom adalah inti kecil, padat, dan bermuatan positif yang dikelilingi elektron bermuatan negatif. Nomor atom Z adalah jumlah proton, dan pada atom netral juga sama dengan jumlah elektron.

Yang menahan elektron adalah gaya tarik elektrostatiknya ke inti. Hukum Coulomb menyatakan bahwa gaya antara dua muatan bertambah besar seiring besar muatan dan berkurang seiring kuadrat jarak di antara keduanya:

F \propto \frac{q_1 q_2}{r^2}

Jadi elektron tertahan lebih kuat, dan perlu lebih banyak energi untuk melepaskannya, ketika inti memiliki lebih banyak proton atau ketika elektron lebih dekat ke inti.

Elektron menempati kulit (n = 1, 2, 3, …) pada jarak yang makin jauh, dan setiap kulit memiliki subkulit: s menampung 2 elektron, p menampung 6. Elektron mengisi subkulit berenergi terendah lebih dahulu (prinsip aufbau), dengan urutan 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s. Diagram orbital di sebelah kanan menunjukkan setiap orbital sebagai kotak yang berisi paling banyak dua elektron dengan spin berlawanan. Hasilnya adalah konfigurasi elektron:

N (Z = 7)	1s² 2s² 2p³
Na (Z = 11)	1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Cl (Z = 17)	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Ca (Z = 20)	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Kulit dalam yang terisi penuh berisi elektron inti. Elektron ini berada di antara inti dan elektron valensi serta menyaring elektron valensi: satu elektron 3s pada natrium merasakan 11 protonnya sebagian dinetralkan oleh 10 elektron inti, sehingga tertahan longgar.

Konfigurasi ion mengikuti jumlah elektronnya: Na⁺ memiliki 10 elektron, 1s² 2s² 2p⁶, dan Cl⁻ memiliki 18, yaitu konfigurasi argon.

1.6 · Mengukur kulit

spektroskopi fotoelektron

Spektroskopi fotoelektron (PES) menguji model kulit secara langsung. Foton berenergi tinggi melepaskan elektron dari atom, lalu energi yang dibutuhkan tiap elektron untuk lepas diukur.

Energi itu adalah energi ikat elektron. Energi foton diketahui, sehingga energi kinetik elektron saat meninggalkan atom memberikannya: energi ikat = energi foton − energi kinetik.

Elektron dalam subkulit yang sama memiliki energi ikat yang sama, sehingga setiap subkulit menghasilkan satu puncak. Posisi puncak adalah energi ikatnya: seberapa kuat subkulit itu tertahan. Tinggi puncak sebanding dengan jumlah elektron di dalamnya. Silikon:

subkulit	1s	2s	2p	3s	3p
energi ikat (MJ/mol)	178	15.1	10.3	1.46	0.79
tinggi relatif	2	2	6	2	2

Energi ikat digambarkan meningkat ke kiri, dan pada gambar memakai skala logaritmik agar 178 dan 0.79 muat pada satu sumbu. Lima puncak berarti lima subkulit, 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²; jumlah tinggi puncaknya adalah 14, nomor atom silikon.

Spektrum ini mengikuti hukum Coulomb. Elektron 1s paling dekat ke inti dan tidak tersaring, sehingga puncaknya jauh di kiri. Subkulit yang sama berada pada energi ikat lebih tinggi pada unsur dengan lebih banyak proton: 1s bernilai 104 MJ/mol pada natrium dan 126 MJ/mol pada magnesium.

1.7 · Tren periodik

ukuran, energi ionisasi, dan keelektronegatifan

Sepanjang periode, atom menjadi lebih kecil dan menahan elektronnya lebih kuat. Ke bawah dalam golongan, atom menjadi lebih besar dan menahan elektron kurang kuat. Hukum Coulomb dan model kulit menjelaskan keduanya.

Sepanjang periode setiap unsur memiliki satu proton lebih banyak, tetapi elektron barunya masuk ke kulit yang sama. Inti dalamnya tidak berubah, sehingga perisaian hampir tidak berubah, dan elektron valensi ditarik lebih kuat. Ke bawah dalam golongan setiap unsur menambah satu kulit: elektron valensi lebih jauh dan terperisai oleh lebih banyak elektron inti.

periode 3	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl
jari-jari (pm)	166	141	121	111	107	105	102
IE₁ (kJ/mol)	496	738	578	787	1012	1000	1251

Jari-jari atom mengecil sepanjang periode dan membesar ke bawah dalam golongan. Energi ionisasi pertama, energi untuk melepaskan satu elektron dari atom gas, berlaku sebaliknya: terendah pada logam alkali dan tertinggi pada gas mulia. Dua penurunan kecil, pada boron dan oksigen di periode 2 (aluminium dan belerang di periode 3), berasal dari struktur subkulit; pola keseluruhannya bersifat Coulomb.

Keelektronegatifan, tarikan atom pada elektron dalam ikatan yang dipakai bersama, mengikuti energi ionisasi: naik sepanjang periode dan turun ke bawah dalam golongan, sehingga fluorin adalah unsur paling elektronegatif. Afinitas elektron, perubahan energi saat atom menerima elektron, juga cenderung makin menguntungkan sepanjang periode.

Ion berbeda ukuran dari atomnya: kation lebih kecil daripada atomnya karena kehilangan elektron terluar, dan anion lebih besar karena elektron tambahannya ditolak oleh elektron lainnya.

1.8 · Elektron valensi membentuk ion

muatan dan rumus senyawa ion

Natrium memiliki satu elektron valensi dan klorin memiliki tujuh. Saat bereaksi, natrium melepas elektronnya, klorin menerimanya, dan kedua ion saling tarik-menarik.

Untuk unsur golongan utama, jumlah elektron valensi mengikuti golongannya, dan muatan khas ionnya mengikuti jumlah itu. Logam melepas elektron valensinya; nonlogam menerima elektron secukupnya untuk mengisi kulit valensi. Dengan cara apa pun, ion memiliki konfigurasi elektron gas mulia.

golongan	1	2	13	15	16	17
elektron valensi	1	2	3	5	6	7
ion	Na⁺	Mg²⁺	Al³⁺	N³⁻	O²⁻	Cl⁻

Natrium berhenti pada +1 karena elektron berikutnya adalah elektron inti. Energi ionisasi pertamanya 496 kJ/mol, tetapi yang kedua 4562 kJ/mol: elektron itu berada di kulit kedua, lebih dekat ke inti dan tidak tersaring oleh elektron 3s yang telah lepas.

Tarik-menarik antarion lagi-lagi bersifat Coulomb, dan senyawa ionik tidak bermuatan neto, sehingga rumusnya menyeimbangkan muatan: NaCl, MgCl₂, Na₂O, Al₂O₃. Unsur dalam golongan yang sama membentuk ion bermuatan sama sehingga membentuk senyawa dengan rumus serupa: Na₂O dan K₂O, MgCl₂ dan CaCl₂.

Dalam padatan, ion-ion bermuatan berlawanan saling mengelilingi dalam suatu kisi: pada natrium klorida setiap Na⁺ memiliki enam tetangga Cl⁻, dan setiap Cl⁻ memiliki enam tetangga Na⁺.