Fisika AtomPerkembangan Teori AtomSpektrum Atom Hidrogen Model Atom Bohr Atom Berelektron

Bab 8

XII EXACT 2

MAS.AS’ADIYAH PUTERI SKG

Dewi Jannati Fatimah Zahrah RM

Fitriani Syarif Mardia

Musdalifah Nurhaya Kadir

Perkembangan Teori Atom

Demokritus(460 – 370 SM) John Dalton

(1766-1844)

JJ. Thomson( 1856 - 1940 )

Ernest Rutherford(1871-1937)Niels Bohr

Konsep Atom DemokritusTiap zat dapat dibagi atas bagian-bagian yang lebih kecil sampai menjadi bagian yang lebih kecil dan tidak dapat di bagi lagi. Bagian zat yang terkecil inilah yang disebut Atom. Atom berasal dari kata Yunani Atomos yang artinya sebagai sesuatu yang tidak dapat dibagi lagi.Demokritus

(460 – 370 SM)

Hasil pemikiran

Teori Atom Dalton

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

b. Atom-atom suatu unsur semuanya serupa dan tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain

c. Dua atom atau lebih dari unsur-unsur berlainan dapat membentuk suatu molekul

John Dalton(1766-1844)

Hasil percobaan

Teori Atom Dalton

d. Pada suatu reaksi kimia, atom-atom berpisah kemudian bergabung lagi dengan susunan yang berbeda dari semula, tetapi massa keseluruhannya tetap

e. Pada reaksi kimia atom-atom bergabung menurut perbandingan tertentu yang sederhana.

Hasil percobaan

John Dalton(1766-1844)

Kelebihan Menyempurnakan teori Domocritus atau teori Sebelumnya.

Kelemahan Teori Dalton tidak menerangkan hubungan antara larutan senyawa daya hantar arus listrik

Teori Atom J.J. Thomson

Atom berbentuk bola padat dengan muatan-muatan listrik positif tersebar merata di seluruh bagian bola, muatan-muatan positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron bermuatan negatif yang melekat pada bola seragam bermuatan positif tersebut.

Hasil eksperimen

JJ. Thomson( 1856 - 1940 )

elektron

Muatan positif

Model Atom J.J. Thomson

Percobaan Sinar Katode

Teori Atom Rutherford

Atom terdiri dari inti yang bermuatan positif di pusat dan hampir seluruh massa atom terpusat pada inti atom

Pada jarak yang relative jauh dari inti terdapat electron-elektron yang mengelilinginya

Jumlah muatan positif dan negative adalah sama

Electron bergerak agar electron tidak jatuh ke intinya = 9x109 Nm2C2

Eksperimen penghamburan sinar alfa

1. Sebagian besar dari partikel menembus lempeng logam tanpa pembelokkan.

Hasil Pengamatan

2. Sebagian (~1 dari tiap 20.000) mengalami pembelokkan setelah menembus lempeng logam.

3. Dalam jumlah yang sama (poin 2) tidak menembus lempeng logam sama sekali tetapi berbalik sesuai arah datangnya sinar.

E: Energi Total elektron (J)k: kostanta keseimbangan (9x109 m2c2)r: jari-jari lintasan elektrone: muatan elementer (1,6x10-19 c)m: massa elektronv: kecepatan linear

Menurut hukum Coulomb, antara inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif ada gaya sebesar:

Gaya sentripetal elektron

Gaya elektrostatika

elektron dan inti !!!

Gaya sentripetal = Gaya elektrostatika

2

2

re

KFc

rmv

F2

s

2

22

re

Kr

mv r

eKmv

22

Ek elektron saat mengorbit

EP elektron pada jarak r dari inti

Energi total elektron selama mengorbit

re

KE2

p

2re

KE2

k 2k mv

21

E

2re

KE2

re

K-2re

KEEE22

pk

Sebuah lintasan memiliki jari-jari 5m dan muatan elektronnya sebanyak 1,60 x 10-19 C, dengan Konstanta keseimbangannya 9 x 109 N m2/C2. Tentukanlah Energi total elektronnya!

Dik: k: 9x109 m2c2

r: 5 me: 1,6x10-19 C

Dit: E...?

Penyelesaian:

J2,304x1010

2,56x10.9x1010

).(1,6x109x102re

KE

29

389

2199

2

Contoh:

a.Tidak dapat menjelaskan kestabilan atom

b.Tidak dapat menjelaskan spektrum garis hidrogen

Atom stabil

Spektrum menurut teori Atom Rutherford

Spektrum hasil pengamatan Atom hidrogen

Kelemahan Atom Rutherford

Atom tidak stabil

Kelemahan1. model atom Rutherford ini belum mampu menjelaskan dimanaletak elektron dan car rotasinya terhadap inti atom.2. elektron memancarkan energi ketika bergerak, sehingga energi atom menjadi tidak stabil. 3. tidak dapat menjelaskan spektrum garis pada atom hidrogen.

Kelebihan Membuat hipotesa bahwa atom tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilingi inti

Model Atom BohrModel atom Bohr dinyatakan dengan dua

postulat1. Elektron tidak dapat bergerak

mengelilingi inti melalui sembarang lintasan , tetapi hanya dapat melalui lintasan tertentu saja tanpa mebebaskan energi. Lintasan itu disebut lintasan stasioner. Pada lintasan ini elektron memiliki momentum angular (sudut)

2πh

nmvr

m = massa elektron (kg)v = keecepatan linier elektron (m/s)r = jari-jari lintasan elektron (m)n = bilangan kwantumh = tetapan planck =6,626.10-34 Js

2. Elektron dapat berpindah dari suatu lintasan ke lintasan yang lain dengan memancarkan atau menyerap energi foton. Energi foton yang dipancarkan atau diserap saat terjadi perpindahan lintasan sebanding dengan frekuensinya

E = Energi Foton (j)h = konstanta Planck (Js)EA = energi elektron pada lintasan dengan bilangan kuantum A (J)EB = energi elektron pada lintasan dengan bilangan kuantum B (J)F = frekuensi yang dipancarkan atau

diserap (Hz)

hfE hfEE BA

apabila elektron pindah dari lintasan dengan bilangan kuantum utama besar ke lintasan dengan bilangan kuantum utama kecil, elektron memancarkan energi, jika sebaliknya, elektron menyerap energi.

n=1n=2

n=3

n=4

Memancarkan energi dari n besar ke n kecil

Menyerap energi ,dari n kecil ke n besar

Foton

Jari-jari Orbit Elektron

22

22

n mke4πh

nr

Dengan menggabungkan teori Rutherford dan teori Planck Bohr menghitung jari-jari lintasan orbit elektron

h = tetapan Planck = 6,626 x 10 -34 J.sk = tetapan = 9 x 10 9 Nm2C-2

m = massa elektron = 9,1 x 10 -31 kge = muatan elektron 1,6 x 10 -19 Cp = 3,14

Dengan memasukkan nilai-nilai variabel yang ada pada rumus ini diperoleh nilai r = n2 (0.529 x 10 -

10)meter.

Bohr beranggapan bahwa suatu elektron tunggal dengan massa m bergerak dalam lintasan orbit berbentuk lingkaran dengan jari-jari r, dan kecepatan v, mengelilingi inti bermuatan positif.

rv

mre

K

FF2

2

2

SC

Untuk lintasan orbit elektron lebih jauh dari inti dirumuskan :

Perbandingan jari-jari orbit elektron atau kulit atom pd bilangan kuantum:

rn = n2 x r1 atau rn = n2 x 0,53 Å

....:9:2:1...:r:r:r

...:3:2:1...:r:r:r

...:n:n:n...:r:r:r

MLk

222321

23

22

21321

Jari-jari lintasan orbit elektron yang terdekat dengan inti n =1 adalah : r1 = 12 (0.529 x 10 -10) meter

= 0.529 x 10 -10 meter 0,529 Å

Dik: n = 3 r1 = 0,53 Å

tentukan jari-jari orbit jika Elektron atom hidrogen berada pada orbit Bohr n = 3!

Dit: rn ...?

Penyelesaian: rn = n2 x r1 = 32 x 0,53

= 4,77 Å

Contoh Soal:

Elektron atom hidrogen berada pada orbit Bohr n = 2. Jika k = 9× 109 Nm2/c2, dengan e = 1,6 × 10-19 C, me = 9,1 × 10-31 kg, tentukan:a. jari-jari orbit,b. gaya elektrostatik yang bekerja pada elektron (Fc)c. kelajuan elektron!

c.Jawab:a. rn = 0,53 . n2

= (0,53)(2)2 = 2,12 Å

b.

N5,13x10

)(2,12x10))(1,6x10(9x10

r

k.eF

9

210

2199

2n

2

C

m/s1,093x10v

1,195x10v

9,1x10))(2,12x10(5,13x10

v

m.rF

v

Fr

m.v

6

12

31

109

C

C

2

Kelebihan: •Keberhasilan teori Bohr terletak pada kemampuannya untuk meeramalkan garis-garis dalam spektrum atom hidrogen•Salah satu penemuan adalah sekumpulan garis halus, terutama jika atom-atom yang dieksitasikan diletakkan pada medan magnet

Kelemahan:1.Struktur garis halus ini dijelaskan melalui modifikasi

teori Bohr tetapi teori ini tidak pernah berhasil memerikan spektrum selain atom hydrogen

2. Belum mampu menjelaskan adanya stuktur halus(fine structure) pada spectrum, yaitu 2 atau lebih garis yang sangat berdekatan3. Belum dapat menerangkan spektrum atom kompleks4. Itensitas relatif dari tiap garis spektrum emisi.5. Efek Zeeman, yaitu terpecahnya garis spektrum bila atom berada dalam medan magnet.

Energi Elektron pada Suatu Orbit

22

422

n hnme2πk

E eVn

13,6E 2n

Apabila elektron menyerap energi foton dari luar cukup besar makaelektron tersebut dapat tereksitasi sampai ke lintasan dengan bilangan kuantum utama n = ∞. Eksitasi elektron ke n = ∞ disebut ionisasi dan energi yang diserap disebut energi ionisasi.

1 eV = 1,6 x 10 -19 J Eksitasi elektron

Energi elektron pada keadaan dasar didalam atom hidrogen adalah -13,6 eV. Energi elektron pada orbit dengan bilangan kuantum n=4 adalah....

Dik: Eo = -13,6 eV

n = 4 Dit: En...?

Penyelesaian:

eV0,854

13,6

eVn

13,6E

2

2n

Contoh

Soal:

Beberapa energi yang dilepas atau diserap elektron ketika berpindah dari tingkat nA ke tingkat nB yaitu:

ΔE = EnB – EnA

2

A2B n

1n1

-13,6ΔE

Dik: nA: 2nB: 1

Dit:ΔE ....?

Sebuah elektron berpindah lintasan dari n = 2 ke n = 1 dengan memancarkan energi. Tentukanlah energi foton yang dipancarkan!

J-1,632x10

eV -10,2

-13,6

-13,6

18-

22

2A

2B

21

11

n1

n1

ΔE

Tanda (-) menyatakan pemancaran energi

Spektrum Atom Hidrogen

λ : Panjang gelombang spektrum (m)R : Konstanta Rydberg (R= 1,097x107 m-1)n : Bilangan kuantum utama (3,4,5,6,...)

Pada tahun 1886 John Jacob Balmer secara empiris membuat perumusan tentang deret-deret yang sesuai dengan panjang gelombang pada spektrum atom hidrogen. Secara matematis dapat dirumuskan sbb:

22

n n1

21

Rλ1

n= 3 λ3 = 6.560 Å n= 4 λ4 = 4.862 Ån= 5 λ5 = 4.341 Ån= 6 λ6 = 4.102 Å

2

t2r n

1n1R

λ1

Deret Lyman : nr = 1Deret Balmer : nr = 2Deret Pachen : nr = 3Deret Bracket : nr = 4Deret Pfund : nr = 5

nt : 2,3,4,...nt : 3,4,5,...nt : 4,5,6,...nt : 5,6,7,...nt : 6,7,8,...

Adapun yang ditemukan dalam inframerah adalah Paschen,Bracket, dan Pfund. Secara umum rumus deret dinyatakan sebagai:

Deret LymanElektron pindah ke n =1Spektrum yang dihasilkan cahaya ultra violet

Deret BalmerElektron pindah ke n = 2Spektrum yang dihasilkan cahaya tampak

Deret Paschen Elektron pindah ke n =3Spektrum yang dihasilkan cahaya infra merah 1

Deret Bracket Elektron pindah ke n =4Spektrum yang dihasilkan cahaya infra merah 2

Deret Pfund : Elektron pindah ke n =5Spektrum yang dihasilkan cahaya infra merah 3

n = 2

n = 1

n = 3

n = 4

n = 5

n = 6

n = 7

Jawab :

= 1,097.107 ( 1 - 1/~ )

= 1,097.107 ( 1) = 1,097.107 l = 9,12.10-8 m

Jika konstanta Rydberg = 1,097.107 m-1, hitunglah panjang gelombang terpendek dan terpanjang dari deret Lyman atom hidrogen.

Dik: n1 = 1 ; R = 1,097.107 m-1

Dit : panjang gelombang terpendek dan terpanjang.

2

22

1 n

1

n

1R

λ1

2

22

1 n

1

n

1R

λ1

= 1,097.107 ( 1 - 1/22 )

= 1,097.107(3/4) =8,2275.106 l = 1,215.10-7 m

Untuk panjang gelombang terpanjang n2 =2

Untuk panjang gelombang terpendek n1 = ~

Atom Berelektron Banyak

Suatu bilangan yang menunjukkan orbit elektron mengelilingi inti pada kulit atau tingkat energi tertentu disebut bilangan kuantum (quantum number).

Orbit elektron mengelilingi lingkaran berkaitan dengan bilangan bulat panjang gelombang, diberikan oleh:

Postulat De Broglie

mvh

λ

r2πmvnh

nλ

Bilangan

Kuantum

n : Bilangan Kuantum λ : Panjang gelombang de Broglier : Jari-jari orbit

Panjang gelombang dikaitkan dengan momentum

Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama menyatakan kulit utama lintasan elektron yang menentukan energi total elektron. Nilai n bilangan kuantum utama ialah dari 1 sampai 7 atau kulit utama K sampai Q. Kulit K (n = 1) adalah kulit yang letaknya paling dekat dengan inti. Jumlah elektron dalam kulit adalah 2n2.

En = energi total elektron (eV)Z = nomor atomn = bilangan kuantum utama

eVn

Z 13,6E 2

2

n

Tentukanlah energi total elektron jika diketahui nomor atom He (2) berada pada kulit k!

eV 54,4-

eV1

4 . 13,6

eV1

2 . 13,6

eVn

Z 13,6E

2

2

2

2

n

Jawab:

Dit: En...? Diketahui: n: kulit k= 1Z: 2

Bilangan Kuantum Orbital (l)Bilangan kuantum orbital menyatakan besar momentum anguler(sudut) orbital elektron. Besar momentum sudut menurut teori mekanika kuantum dinyatakan dengan persamaan:

l = 0, 1, 2,..., (n–1)

1)l(l L

341,054x102πh

Ket:L: momentum Sudut (Js) l : bilangan kuantum orbital

Nilai bilangan kuantum orbital yaitu dari 0 sampai dengan (n–1). Atau dinyatakan sebagai berikut:

Lambang yang dipakai berasal dari klasifikasi empiris spektrum, yaitu deret sharp (tajam), principal (utama), diffuse (kabur), dan fundamental (pokok), yang terjadi sebelum teori atom dikembangkan.

Dik: l = 4h= 1,054x10-34

Dit: L....?Penyelesaian:

Tentukanlah besar momentum sudut, jika diketahui l = 4!

34

34

10x4,71

1,054x10x20

2πh

x1)4(4

1)l(lL

Contoh:

Bilangan Kuantum Magnetik

Bilangan kuantum magnetik dilambangkan ml, dan digunakan untuk menentukan arah momentum sudut dan menentukan jumlah subkulit. Nilai bilangan kuantum magnetik ml adalah bilangan bulat, mulai dari –1, melalui 0, sampai +1, dapat dituliskan: ml = 0, ±1, ±2, ±3, ....±l

Elektron dalam suatu atom dengan momentum sudut tertentu dapat berinteraksi dengan medan magnetik luar. Bila arah medan magnetik luar adalah sejajar dengan sumbu z, maka nilai L dalam arah z memenuhi persamaan:

lmLZ LZ: Momentum sudut pada arahMl : bilangan kuantum magnetik

Untuk nilai l tertentu, nilai ml dapat diketahui sebagai berikut:

l = 0, harga ml = 0 atau 1 orbitall = 1 maka ml = -1, 0, +1 atau 3 orbital

l = 2 maka ml = -2, -1, 0, +1, +2 atau 5 orbital

dst..Example:

-1 0 +1

Bilangan kuantum SpinBilangan kuantum spin menyatakan arah rotasi elektron pada porosnya. Dalam satu orbital dapat berisi elektron tunggal atau sepasang elektron. Ada dua kemungkinan arah rotasi yaitu searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.

Begitulah elektron yang berotasi, bila searah jarum jam maka memiliki nilai s = + ½ dan dalam orbital dituliskan dengan tanda panah ke atas. Sebaliknya untuk elektron yang berotasi berlawanan arah jarum jam maka memiliki nilai s = -½ dan dalam orbital dituliskan dengan tanda panah ke bawah.

Konfigurasi Elektron

Konfigurasi elektron adalah susunan atau distribusi elektron di setiap orbital. Atau susunan elektron-elektron dalam atom sesuai tingkat energinya. Terdapat dua aturan untuk mengisikan elektron dalam orbital.

Aturan Aufbau

1. Aturan Hund

2.

K L M N O P Q R

Aturan Aufbau

Menurut Aufbau, konfigurasi elektron dimulai dari subkulit yg memiliki tingkat energi terendah dan diikuti dgn subkulit yg memiliki tingkat energi lebih rendah.

2s

5f

2p

4f

1s

3d 4d 5d 6d

3p 4p 5p 6p 7p

8s3s 4s 5s 6s 7s

Aturan Hund

Aturan Hund, yaitu dalam suatu subtingkatan energi tertentu, tiap orbital dihuni oleh 1 elektron terlebih dahulu sebelum ada orbital yg memiliki sepasang elektron. Elektron-elektron tunggal dlm orbital itu mempunyai spin searah (paralel).

Subkulit s p d f ...

l 0 1 2 3 ...

ml

(2l + 1)1 3 5 7 ...

Jumlah elektron= 2 x ml

2 6 10 14 ...

d10

Diketahui bilangan elektron terakhir sebuah atom n=4, l=2, m=1, dan s=-½. Berapakah nomor atom unsur tersebut?

Dik: n = 4 m = 1 l = 2 s = -½Dit: nomor atom ...?Penyelesaian:

n: Bilangan kuantum utama (nomor kulit)l : Bilangan kuantum orbital (nomor subkulit)m : Bilangan kuantum magnetik (nomor orbital)s : Bilangan Kuantum spin

l = 2 = subkulit d

4d9

Contoh:

1s2

2s2 2p6

3s2 3p6 3d10

4s2 4p6 5d10 Jadi, nomor atomnya 50

-2 -1 0 +1 +2

Tentukan panjang gelombang terpanjang dan terpendek deret Balmer atomR = 1,097× 107 m-1!

Dik: R= 1,097x107

n= Panjang gelombang terpanjang terjadi jika elektro mengalami transisi dari kulit n = 3 ke n = 2. Dit: λ...?

22 32

11Rλ1

nm656λ

m656x10λ

51,097x10λ1

9-

7

36

Contoh:

Jawab:

SPEKTRUM EMISI : Zat padat maupun zat cair pada suhu tertentu atom-atomnya meman-carkan energi radiasi dengan panjang gelom-bang berbeda-beda, tingkat energinya bergantung pada bilangan kuantumnya. Energi radiasi yang dipancarkan memiliki spektrum yang berisi panjang gelombang tertentu saja. Untuk mengamati spektrum atomik seperti itu digunakan SPEKTROSKOP.

Spektroskop digunakan untuk menganalisa kom-posisi zat yang tidak diketahui sehingga dapat ditentukan jenisnya

Spektrom emisi terdiri

dari garis terang pada

latar belakang

gelap

SPEKTRUM ABSORBSI : Cahaya putih sebagai gelombang elektromagnetik memancarkan energi dalam bentuk spektrum emisi. Jika cahaya putih melalui gas , gas akan menyerap energi cahaya tersebut dalam bentuk spektrum absorbsi. Spektrum absorbsi yang terjadi terdiri dari latar belakang yang terang ditumpangi oleh garis gelap yang bersesuaian dengan panjang gelombang yang diserap.

Zat yang beradiasi memancarkan spektrum emisi, zat tersebut merupakan zat yang baik untuk mengabsorbsi spektrumnya.