ATOM BERELEKTRON BANYAK A. MODEL ATOM BOHR * Keunggulan Dapat menjelaskan adanya 1. Kestabilan atom 2. Spektrum garis pada atom hidrogen deret Lyman, Balmer, Paschen, Brackett, Pfund * Kelemahan Tidak dapat menjelaskan 1. Efek Zeeman yaitu, gejala tambahan garis-garis spektrum jika atom-atom tereksitasi diletakkan dalam medan magnet. 2. Spektrum garis yang dipancarkan oleh atom berelektron banyak. 3. Pada spektrum suatu atom, beberapa garis spektrum memiliki intensitas lebih besar dari garis spektrum yang lain. B. MODEL ATOM MEKANIKA KUANTUM * Dikembangkan oleh Erwin Schrodinger dan Werner Heisenberg * Dikenal dengan Teori Mekanika Kuantum 1. Bilangan kuantum utama n Menentukan besar energi total elektron Energi total elektron atom hidrogen E=− 13,6 n2 eV Energi total elektron ion He+, Li2+ E=− 13,6 ⋅ z 2 n2 z = nomor atom He + → z = 2 Li2+ → z = 3 - Energi total elektron banyak E=− 2. 13,6 ⋅ z ef 2 n2 z ef = nomor atom efektif Jumlah elektron maksimum pada orbit ke-n adalah 2n 2 jadi ∑ e = 2n2 Bilangan Kuantum Orbital/Azimuth Penemu Arnold Sommerfeld → orbit ellips menentukan besar momentum anguler/sudut orbital elektron l = n – 1 jadi l = 0, 1, 2, 3, ... besar momentum sudut L © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -1- h h = h 2π 2π h tetapan Planck l makin kecil → L makin kecil bentuk orbit semakin pipih. L = ll + 1 - l=2 l=0 l=1 inti l=3 3. Bilangan kuantum magnetik ml Menunjukkan arah dari momentum sudut orbital ml = − l , ..., 0, ... + l Banyaknya nilai yang diperbolehkan jumlah orbital ml = 2l + 1 - Arah momentum sudut dikuantisasi dengan acuan ke medan magnet luar kuantisasi ruang Lz L z = ml h Contoh l = 2 z 2h h 0 −h L= 22 + 1h = 6h 6h 6h 6h −2 h - 4. 6h Anomali efek Zeeman AEZ pengecualian gejala tambahan garis spektrum yang tidak sesuai dengan jumlah yang diperkirakan. Contoh garis pertama deret Balmer dari atom hidrogen yang menunjukkan sebuah struktur halus oleh Phipps dan Taylor Bilangan Kuantum Spin ms Menunjukkan arah perputaran elektron pada sumbunya Ada 2 nilai, ms = ± 1 2 - Pauli berhasil menjelaskan adanya AEZ penyebab → rotasi tersembunyi Goudsmit & Uhlenbeck → rotasi tersembunyi disebabkan oleh momentum sudut intrinsik momentum sudut spin Besar momentum sudut spin S S = ms ms + 1 h © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -2- - Arah vektor momentum sudut spin S z S z = ms h Nama kulit Bilangan kuantum utama n Nama subkulit Bilangan kuantum orbital l Banyak orbital ml = 2l + 1 Jumlah elektron l = 2 × m * K 1 s 0 1 L 2 p 1 3 M 3 d 2 5 N 4 f 3 7 O 5 g 4 9 2 6 10 14 18 KONFIGURASI ELEKTRON Yaitu susunan elektron-elektron dalam atom yang sesuai dengan tingkat energinya. Aturan-aturan 1. Prinsip Aufbau Elektron mengisi orbital dari tingkat energi yang paling rendah sampai yang paling tinggi. Contoh Atom K → z = 19, konfigurasi elektronnya 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s * 2p 3p 5p 5p 6p 3d 4d 5d 6d 4f 5f 2. Aturan Hund • Dalam orbital yang setingkat, elektron-elektron tidak boleh berpasangan sebelum seluruh orbital setingkat terisi oleh sebuah elektron. • Contoh tidak boleh 3. Larangan Pauli dalam satu atom tidak boleh ada elektron yang mempunyai keempat bilangan kuantum yang sama harganya. SPEKTRUM EMISI & ABSORPSI Adanya spektrum menunjukkan adanya tingkat energi. 1. Spektrum Emisi • Dihasilkan dari zat yang memancarkan gelombang elektromagnetik • Dapat diamati denan spektroskop • Ada 3 jenis a. spektrum garis - dihasilkan oleh gas-gas bertekanan rendah yang dipanaskan - terdiri dari garis-garis cahaya monokromatik dengan panjang gelombang tertentu yang merupakan karakteristik dari unsur yang menghasilkan spektrum tersebut © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -3- b. c. 2. * spektrum pita - dihasilkan oleh gas dalam keadaan molekuler Contoh gas H2, O2, N2 dan CO - spektrum yang dihasilkan berupa kelompok-kelompok garis yang sangat rapat sehingga membentuk pita-pita. spektrum kontinue - spektrum kontinue terdiri atas cahaya dengan semua panjang gelombang, walaupun dengan intensitas yang berbeda - dihasilkan oleh zat padat, zat cair dan gas yang berpijar Spektrum Absorpsi - terjadi karena penyerapan panjang gelombang tertentu oleh suatu zat terhadap radiasi gelombang elektromagnetik yang memiliki spektrum kontinue - terdiri dari sederetan garis-garis hitam pada spektrum kontinue - Contoh spektrum matahari sepintas spektrum matahari tampak seperti spektrum kontinue, tetapi jika dicermati akan tampak garis-garis gelap terang yang disebut garis-garis Fraunhofer. Hal ini disebabkan cahaya putih dari bagian inti matahari diserap oleh atom-atom atau molekul-molekul gas dalam atmosfer matahari maupun atmosfer bumi. ENERGI IONISASI DAN AFINITAS ELEKTRON Apabila suatu atom menerima energi dari luar yang cukup untuk mengeksitasi elektron melampaui tingkat energi tertinggi, maka elektron tersebut akan meninggalkan atom.  Energi ionisasi energi terendah yang dibutuhkan untuk melepaskan sebuah elektron dari ikatan atomnya +13,6 Contoh energi ionisasi atom hidrogen pada kulit ke-n adalah En = eV n2 Ø Energi ionisasi merupakan ukuran kestabilan konfigurasi elektron terluar dari suatu atom Ø Makin besar energi ionisasi, makin sukar atom tersebut untuk melepaskan elektron Ø Dalam satu periode dari kiri ke kanan energi ionisasinya makin besar Ø Dalam satu golongan dari atas ke bawah energi ionisasinya makin § § §  Jumlah elektron pada orbit terluar disebut ELEKTRON VALENSI Elektron valensi kurang dari 4 cenderung melepaskan elektron, sedangkan yang lebih dari 4 cenderung menerima elektron Atom-atom yang menangkap elektron membentuk Ion negatif disertai dengan pembebasan sejumlah energi AFINITAS ELEKTRON energi yang dibebaskan pada saat suatu atom menangkap sebuah elektron © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -4- MOLEKUL, ZAT PADAT PITA ENERGI A. MOLEKUL molekul terbentuk karena adanya gaya tarik-menarik antara 2 atom atau lebih gaya coulomb Ikatan molekul 1. Ikatan Ion - disebabkan oleh gaya coulomb, atom satu melepas satu elektron terluarnya dan yang lain menerima. - Contoh NaCl + + Na Cl + Na+ + Cl− Na → Na + + e membutuhkan energi Cl + e → Cl− melepaskan energi 2. Ikatan Kovalen - ikatan yang terjadi di antara dua atom dengan memakai satu atau dua elektron bersama. - Contoh H2 H → H+ + e 3. H2 Ikatan Hidrogen - terjadi akibat gaya tarik-menarik elektrostatik kuat antara hidrogen pada satu molekul dengan atom N, O atau F dari molekul lain. B. ZAT PADAT Zat padat terbentuk karena antaratomnya terikat oleh ikatan - ionik garam padat - kovalen intan - Van der Waals H2O padat - hidrogen hidrogen padat - logam 1. Ikatan Van der Waals Ikatan yang terjadi karena gaya tarik-menarik antar dipol H2O dengan H2O, N2 padat, CH4 padat. © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -5- 2. Ikatan Logam Ikatan terjadi antara awan elektron dengan ion-ion positif C. PITA ENERGI Elektron-elektron yang mengelilingi inti atom memiliki energi. Bila atom-atom berdekatan, maka elektron-elektron pada atom mengalami pergeseran/perubahan energi. E E E 2s pita energi E 1s atom tunggal Banyak atom berdekatan Pita Energi sekumpulan energi-energi yang besarnya tidak jauh berbeda. Banyak elektron pada setiap pita energi adalah ∑ e = 22l + 1N Keterangan l = bilangan kuantum orbital 0, 1, 2, 3, ... N = banyaknya atom yang saling berdekatan Pita Valensi PV pita energi terakhir yang terisi penuh elektron Pita Konduksi PK pita energi yang terisi sebagian atau tidak terisi elektron Celah Energi CE selisih energi pada pita valensi dan konduksi Contoh Na11 N 2p 6N 2s 1s 2N 2N Pada Na 11 pita konduksi terisi sebagian oleh sebab itu elektron-elektron pada PK akan bergerak bebas yang memungkinkan Na sebagai konduktor yang baik. Ditinjau dari konduktivitas zat pada yang berkaitan dengan pita energi dibagi sebagai berikut 1. 2. Konduktor • PV penuh • CE sempit • PK sebagian Isolator • PV penuh • CE lebar • PK kosong © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -6- 3. Semikonduktor • PV penuh • CE sedang • PK kosong SEMIKONDUKTOR Si, Ge Berdasarkan kemurniannya, semikonduktor dibedakan menjadi 1. Intrinsik • Semikonduktor yang belum dikotori • Bersifat isolator pada suhu rendah • Bersifat konduktor pada suhu sedang 300 K 2. Ekstrinsik • Semikonduktor yang telah dikotori golongan IIIA, VA • Bersifat isolator pada suhu rendah • lebih bersifat konduktor jika dibanding intrinsik Ada dua macam semikonduktor Ekstrinsik, yaitu a. Semikonduktor ekstrinsik tipe N - dibuat dengan mengotori kristal Si IVA dengan atom golongan VAAs, Sb, P Si elektron bebas Si As Si Si - Atom-atom golongan VA As disebut atom donor menyumbangkan sebuah elektron bebas - Pembawa muatan mayoritas elektron - Pembawa muatan minoritas hole - Untuk menjadi konduktor hanya dibutuhkan sedikit energi ± 0,05 eV b. Semikonduktor ekstrinsik tipe P - dibuat dengan mengotori kristal Si IVA dengan atom golongan IIIBoron, Al, Ga, I, Tl Si Si B Si hole Si - Pembawa muatan mayoritas hole - Pembawa muatan minoritas elektron © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -7- Kegunaan semikonduktor 1. Thermistor Thermally Sensitive Resistor - thermometer hambat yang sangat peka - dasar kerja kenaikan suhu, hambat jenis semikonduktor turun sehingga kuat arus naik. 2. Penunda arus 3. Pengukur intensitas cahaya - semakin besar intensitas cahaya semakin banyak fotonnya sehingga semakin besar energi yang dibawa berkas cahaya itu. Hal ini menyebabkan penurunan hambat jenis sehingga menaikkan kuat arus listrik pada rangkaian. 4. Penyaring - energi foton sinar inframerah sesuai dengan celah energi germanium, sehingga apabila sinar putih dilewatkan pada kristal Ge, hanya sinar inframerah saja yang lolos sedangkan sinar-sinar yang lain diserap. SOAL-SOAL LATIHAN Atom Berelektron Banyak, Molekul, Zat Padat dan Pita Energi 1. Salah satu konsep atom menurut Dalton adalah ... a. molekul terdiri dari atom-atom b. massa keseluruhan atom berubah c. atom tidak bergabung dengan atom lainnya d. atom tidak dapat membentuk suatu molekul e. atom dapat dipecah-pecah lagi 2. Percobaan hamburan Rutherford menghasilkan kesimpulan ... a. atom adalah bagian terkecil dari unsur b. elektron adalah bagian atom yang bermuatan listrik negatif c. atom memiliki massa yang tersebar secara merata d. massa atom terpusat di suatu titik yang disebut inti e. elektron mengelilingi inti pada lintasan tertentu 3. Berikut ini beberapa kesamaan antara model atom Rutherford dan model atom Bohr, kecuali ... a. elektron berputar mengelilingi inti dengan membebaskan sejumlah energi b. elektron merupakan bagian atom yang bermuatan negatif c. atom berbentuk bola kosong dengan inti berada di tengah d. secara keseluruhan atom bersifat netral e. massa atom terpusat pada inti atom © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -8- 4. Salah satu model atom menurut Bohr adalah ... a. elektron bergerak dengan lintasan stasioner b. energi foton yang terpancar berbanding terbalik dengan f c. tidak memiliki momentum anguler d. atom merupakan bola pejal bermuatan positif e. atom tidak dapat dipecah-pecah lagi 5. Dalam postulat Bohr tentang momentum sudut, tersirat sifat gelombang elektron, panjang gelombang λ elektron yang bergerak dalam suatu orbit berjari-jari r memenuhi ... . n bilangan bulat a. r = nλ b. 2πr = nλ c. 2πr = n2λ λ d. r = n λ e. 2πr = 2 n 6. Menurut Bohr, elektron bergerak mengelilingi inti hanya pada lintasan tertentu dan besarnya momentum anguler elektron pada lintasan itu adalah ... a. berbanding terbalik dengan tetapan Planck b. berbanding lurus dengan tetapan Planck c. berbanding lurus dengan tetapan Rydberg d. berbanding terbalik dengan tetapan Rydberg e. berbanding terbalik dengan momentum linier 7. Sebuah atom akan memancarkan foton, apabila salah satu elektronnya ... . a. meninggalkan atom itu b. bertumbukan dengan elektron lainnya c. bertukar tingkat energi dengan elektron yang lain d. mengalami transisi ke tingkat energi yang lebih rendah e. mengalami transisi ke tingkat energi yang lebih tinggi © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -9- 8. Menurut teori atom Bohr, elektron bermassa 9 × 10−31 kg pada atom hidrogen dengan jari-jari 0,53 Å akan mempunyai kecepatan sebesar ... 1c 1 c a. d. 100 b. c. 9. 2 1 5 c 1 13 e. 1 137 c c Pemancaran sinar ultraviolet pada atom hidrogen terjadi apabila elektron berpindah dari ... . a. lintasan 1 ke lintasan 2 b. lintasan 2 ke lintasan 4 c. lintasan 3 ke lintasan 2 d. lintasan 4 ke lintasan 1 e. lintasan 4 ke lintasan 2 10. Berdasarkan model atom Bohr, tetapan Rydberg 1, m−1 jika terjadi transisi elektron dari lintasan n = 4 ke lintasan n = 2 dipancarkan foton dengan panjang gelombang ... . a. 1,82 × 10−7 b. 2,43 × 10−7 c. 3,65 × 10−7 d. 4,86 × 10−7 e. 7,29 × 10−7 11. Jika konstanta Rydberg 1, maka panjang gelombang terbesar dari deret Balmer adalah ... a. 1215 Å d. 6563 Å b. 4050 Å e. 8752 Å c. 5127 Å 12. Energi foton sinar tampak yang dipancarkan atom hidrogen ketika terjadi transisi elektron dari kulit ke-4 ke kulit ke-2 adalah ... a. 13,6 eV d. 2,55 eV b. 6,8 eV e. 54,4 eV c. 3,4 eV 13. Jika energi elektron atom hidrogen pada tingkat dasar 13,6 eV, maka energi yang diserap atom hidrogen agar elektronnya tereksitasi dari tingkat dasar ke lintasan kulit M adalah ... . a. 6,82 eV d. 10,20 eV b. 8,53 eV e. 12,09 eV c. 9,07 eV © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -10- 14. Bila elektron berpindah dari kulit M ke kulit K pada atom hidrogen dan R adalah tetapan Rydberg, maka panjang gelombang yang terjadi besarnya ... 8 a. 9R 9 b. 8R 17 c. 9R 9 d. 17R 1 e. R 15. Elektron atom hidrogen model Bohr mengelilingi intinya dengan bilangan kuantum n, bila energi ionisasi atom itu 1 kali energi ionisasi atom itu bernilai 16 dalam keadaan dasarnya, maka nilai n itu adalah ... . a. 2 b. 4 c. 8 d. 16 e. 32 16. Dalam model atom Bohr, elektron atom hidrogen yang mengorbit di sekitar inti atom membangkitkan kuat arus listrik rata-rata sebesar 0,8 mA pada suatu titik di orbit lintasannya, bila besar muatan elektron adalah 1, C maka jumlah putaran per sekon elektron tadi mengelilingi inti adalah ... a. 5 × 1012 b. 5 × 1013 c. 5 × 1015 d. 5 × 1016 e. 5 × 1018 17. Pada model atom Bohr, elektron atom hidrogen bergerak dengan orbit lingkaran dengan laju sebesar 2, m/s, jika e = 1, c dan me = 9, kg, maka besarnya arus pada orbit tersebut adalah ... . a. 1,06 pA b. 1,06 nA c. 1,06 µA d. 1,06 mA e. 1,06 A © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -11- 18. Diagram di bawah ini menunjukkan empat tingkatan energi suatu atom logam -5,2 . 10-19 J -9,0 . 10-19 J -16,4 . 10-19 J -24,6 . 10-19 J dari pengolahan data di atas, dengan mengendalikan transisi ke tingkatan energi yang lebih rendah selalu mungkin, dapat ditarik kesimpulan bahwa 1. ada 6 garis spektrum yang mungkin terjadi akibat transisi elektron 2. panjang gelombang minimum spektrum emisinya 3. panjang gelombang maksimum spektrum emisinya 4. adanya komponen spektrum emisi yang merupakan sinar tampak 19. Perbandingan frekuensi yang dipancarkan foton apabila elektron pindah dari orbit 2 ke orbit 1 dengan elektron yang pindah dari orbit 4 ke orbit 1 adalah ... a. 4 5 d. 2 4 b. 4 2 e. 1 4 c. 4 1 20. Atom A dapat mengadakan ikatan ionik dengan atom B jika ... a. atom A dan atom B saling melepaskan sejumlah elektron terluar yang sama jumlahnya b. atom A dan atom B merupakan atom dari suatu unsur yang sejenis c. atom A dan atom B memakai sejumlah elektron secara bersamasama d. atom A dan atom B membentuk dipol-dipol listrik e. atom A melepaskan sejumlah elektron dan atom B menerima elektron tersebut 21. Ikatan antaratom dengan pemakaian bersama sejumlah elektron pada kulit terluar atom-atom penyusun disebut ... . a. ikatan Van der Waals b. ikatan ionik c. ikatan kovalen d. ikatan logam e. ikatan hidrogen © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -12- 22. Semikonduktor tipe-n memiliki ... a. tingkat energi akseptor yang terletak di dekat pita konduksi b. tingkat energi donor yang terletak di dekat pita valensi c. tingkat energi akseptor yang terletak di dekat pita valensi d. tingkat energi donor yang terletak di dekat pita konduksi e. tingkat energi donor yang terletak di bawah pita valensi 23. Pengotoran doping pada bahan semikonduktor intrinsik dimaksudkan untuk ... a. menurunkan daya hantar listriknya b. menurunkan resistivitasnya c. menurunkan harga jualnya d. memperbesar celah energinya e. memperbesar hambatan jenisnya 24. Semikonduktor intrinsik pada OK bersifat sebagai isolator, karena ... . a. jarak celah energi antara pita valensi dan pita konduksi terlalu besar b. tidak ada tingkat energi akseptor pada pita energi c. tidak ada tingkat energi donor pada pita energi d. tidak cukup energi bagi elektron untuk pindah ke pita konduksi e. tidak ada pembawa muatan yang diberikan dari luar 25. Yang berfungsi sebagai pembawa muatan mayoritas dalam bahwa semikonduktor ekstrinsik tipe n adalah ... a. elektron b. proton c. hole d. elektron dan hole e. proton dan hole 26. Beberapa sifat sinar-X adalah ... 1. dapat menghitamkan film 2. mampu menembus keping kayu 3. bergerak menurut garis lurus 4. menimbulkan ion-ion dalam udara yang dilaluinya © SMA NEGERI 8 JAKARTA Halaman -13-