ATOM ( Sekolah Menengah Analis Kimia Makassar)

a.     Defenisi Atom

sekitar 2,5 abad yang lalu ahli filsafat yunani Leucippus berpendapat bahwa materi tersusun dari butiran-butiran kecil. Pendapat ini dikembangkan oleh Democritus muridnya, bahwa materi tersusun dari partikel-partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. partikel ini disebut Atom. Konsep atom tersebut masih berupa pemikiran filosofis dan tidak di dukung oleh bukti atau belum teruji sehingga belum memberikan arti yang yang cukup di bidang keilmuan. Baru setelah perumusan hukum kekekalan massa dan perbandingan tetap yang merupakan hasil pengamatan terhadap suatu reaksi kimia, konsep atom mulai difikirkan lagi oleh seorang ahli kimia inggris bernama John Dalton pada abad ke-18.

Berdasarkan teori atom Dalton, kita dapat mendefenisikan atom sebagai unit terkecil dari suatu unsur yang dapat melakukan penggabungan kimia. Dalton membayangkan suatu atom yang sangat kecil dan tidak dapat dibagi lagi. Tetapi, serangkaian penyelidikan yang dimulai pada tahun 1850-an dan dilanjutkan pada abad ke-19 secara jelas menujukkan bahwa atom sesungguhnya memiliki struktur internal: yaitu, atom tersusun atas partikel-partikel yang lebih kecil lagi, yang disebut patikel subatom. Penelitian tersebut mengarah pada penemuan tiga partikel subatom yaitu: elektron, proton dan neutron.

Jadi, definisi atom adalah bagian terkecil dari suatu zat / unsur yang tidak dapat dibagi-bagi lagiu dengan cara reaksi kimia biasa. Atom terdiri atas inti atom bermuatan positif (tersusun oleh proton dan neutron), dengan electron sebagai awan yang mengelilingi.

Atom dilambangkan dengan ,

dimana  :

X = Lambang Unsur

A = nomor massa (menunjukkan massa atom, merupakan jumlah proton dan neutron)

Z = nomor atom (menunjukkan jumlah elektron atau proton).

 Proton bermuatan positif, neutron tidak bermuatan (netral), dan elektron bermuatan negatif. Massa proton = massa neutron = 1.800 kali massa elektron. Atom-atom yang memiliki nomor atom sama dan nomor massa berbeda disebut isotop, atom-atom yang memiliki nomor massa sama dan nomor atom berbeda dinamakan isobar, atom-atom yang memiliiki jumlah neutron yang sama dinamakan isoton.

b.    Perkembangan teori Atom

1. Teori Atom John Dalton

Pada tahun 1803, John Dalton mengemukakan mengemukakan pendapatnaya tentang atom. Teori atom Dalton didasarkan pada dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa (hukum Lavoisier) dan hukum susunan tetap (hukum prouts). Lavosier mennyatakan bahwa “Massa total zat-zat sebelum reaksi akan selalu sama dengan massa total zat-zat hasil reaksi”. Sedangkan Prouts menyatakan bahwa “Perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa selalu tetap”. Dari kedua hukum tersebut Dalton mengemukakan pendapatnya tentang atom sebagai berikut:

1. Atom merupakan bagian terkecil dari materi yang sudah tidak dapat dibagi lagi
2. Atom digambarkan sebagai bola pejal yang sangat kecil, suatu unsur memiliki atom-atom yang identik dan berbeda untuk unsur yang berbeda
3. Atom-atom bergabung membentuk senyawa dengan perbandingan bilangan bulat dan sederhana. Misalnya air terdiri atom-atom hidrogen dan atom-atom oksigen
4. Reaksi kimia merupakan pemisahan atau penggabungan atau penyusunan kembali dari atom-atom, sehingga atom tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada tolak peluru. Seperti gambar berikut ini:

Kelemahan:

Teori dalton tidak menerangkan hubungan antara larutan senyawa dan daya hantar arus listrik.

2. Teori Atom J. J. Thomson

Berdasarkan penemuan tabung katode yang lebih baik oleh William Crookers, maka J.J. Thomson meneliti lebih lanjut tentang sinar katode dan dapat dipastikan bahwa sinar katode merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling yang diletakkan diantara katode dan anode. Dari hasil percobaan ini,

Thomson menyatakan bahwa sinar katode merupakan partikel penyusun atom (partikel subatom) yang bermuatan negatif dan selanjutnya disebut elektron.
Atom merupakan partikel yang bersifat netral, oleh karena elektron bermuatan negatif, maka harus ada partikel lain yang bermuatan positifuntuk menetrallkan muatan negatif elektron tersebut. Dari penemuannya tersebut, Thomson memperbaiki kelemahan dari teori atom dalton dan mengemukakan teori atomnya yang dikenal sebagai Teori Atom Thomson. Yang menyatakan bahwa:

“Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan didalamya tersebar muatan negatif elektron”

Model atom ini dapat digambarkan sebagai jambu biji yang sudah dikelupas kulitnya. biji jambu menggambarkan elektron yang tersebar marata dalam bola daging jambu yang pejal, yang pada model atom Thomson dianalogikan sebagai bola positif yang pejal. Model atom Thomson dapat digambarkan sebagai berikut:

Kelemahan:

Kelemahan model atom Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

3. Teori Atom Rutherford

Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan.

 Dari pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan lebih.

Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesipulan beberapa berikut:

1. Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan
2. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisanatom-atom emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif.
3. Partikel tersebut merupakan partikelyang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan.

Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford mengusulkan model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang menyatakan bahwa Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif, dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Rutherford menduga bahwa didalam inti atom terdapat partikel netral yang berfungsi mengikat partikel-partikel positif agar tidak saling tolak menolak.

Model atom Rutherford dapat digambarkan sebagai beriukut:

Kelemahan:

Tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom.

4. Teori Atom Bohr

ada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck,

diungkapkan dengan empat postulat, sebagai berikut:

1. Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) elektron dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.
2. Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.
3. Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner lain. Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya sesuai dengan persamaan planck, ΔE = hv.
4. Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu, terutama sifat yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut merupakan kelipatan dari h/2∏ atau nh/2∏, dengan n adalah bilangan bulat dan h tetapan planck.

Menurut model atom bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya.

Kelemahan:

Model atom ini tidak bisa menjelaskan spektrum warna dari atom berelektron banyak.

5. Teori Atom Modern

Model atom mekanika kuantum dikembangkan oleh Erwin Schrodinger (1926).Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom”.

Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger.Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi

.

Persamaan Schrodinger

x,y dan z Y m ђ E V

= Posisi dalam tiga dimensi = Fungsi gelombang = massa = h/2p dimana h = konstanta plank dan p = 3,14 = Energi total = Energi potensial

Model atom dengan orbital lintasan elektron ini disebut model atom modern atau model atom mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron. Orbital menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama atau hampir sama akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergabung membentuk kulit.Dengan demikian kulit terdiri dari beberapa sub kulit dan subkulit terdiri dari beberapa orbital. Walaupun posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya belum tentu sama.

Ciri khas model atom mekanika gelombang

1. Gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga lintasannya (orbitnya) tidak stasioner seperti model Bohr, tetapi mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi gelombang yang disebut orbital (bentuk tiga dimensi darikebolehjadian paling besar ditemukannya elektron dengan keadaan tertentu dalam suatu atom)
2. Bentuk dan ukuran orbital bergantung pada harga dari ketiga bilangan kuantumnya. (Elektron yang menempati orbital dinyatakan dalam bilangan kuantum tersebut)
3. Posisi elektron sejauh 0,529 Amstrong dari inti H menurut Bohr bukannya sesuatu yang pasti, tetapi bolehjadi merupakan peluang terbesar ditemukannya elektron.

c.     Perkembangan model Atom

Macam-macam Model Atom

1. Model Atom John Dalton

Pada tahun 1808, John Dalton yang merupakan seorang guru di Inggris, melakukan perenungan tentang atom. Hasil perenungan Dalton menyempurnakan teori atom Democritus. Bayangan Dalton dan Democritus adalah bahwa atom berbentuk pejal.. Dalam renungannya Dalton mengemukakan postulatnya tentang atom:

1. Setiap unsur terdiri dari partikel yang sangat kecil yang dinamakan dengan atom
2. Atom dari unsur yang sama memiliiki sifat yang sama
3. Atom dari unsur berbeda memiliki sifat yang berbeda pula
4. Atom dari suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain dengan reaksi kimia, atom tidak dapat dimusnahkan dan atom juga tidak dapat dihancurkan
5. Atom-atom dapat bergabung membentuk gabungan atom yang disebut molekul
6. Dalam senyawa, perbandingan massa masing-masing unsur adalah tetap

Teori atom Dalton mulai membangkitkan minat terhadap penelitian mengenai model atom. Namun, teori atom Dalton memiliki kekurangan, yaitu tidak dapat menerangkan suatu larutan dapat menghantarkan arus listrik. Bagaimana mungkin bola pejal dapat menghantarkan arus listrik padahal listrik adalah elektron yang bergerak. Berarti ada partikel lain yang dapat menghantarkan arus listrik.

2. Model Atom J.J. Thomson
Kelemahan model atom Thomson

Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

3. Model Atom Rutherford

Model atom Rutherford

Rutherford melakukan penelitian tentang hamburan sinar α pada lempeng emas. Hasil pengamatan tersebut dikembangkan dalam hipotesis model atom Rutherford.

a. Sebagian besar dari atom merupakan permukaan kosong.

b. Atom memiliki inti atom bermuatan positif yang merupakan pusat massa atom.

c. Elektron bergerak mengelilingi inti dengan kecepatan yang sangat tinggi.

d. Sebagian besar partikel α lewat tanpa mengalami pembelokkan/hambatan. Sebagian kecil dibelokkan, dan sedikit sekali yang dipantulkan.

Kelemahan Model Atom Rutherford

a. Menurut hukum fisika klasik, elektron yang bergerak mengelilingi inti memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Akibatnya, lama-kelamaan elektron itu akan kehabisan energi dan akhirnya menempel pada inti.

b. Model atom rutherford ini belum mampu menjelaskan dimana letak elektron dan cara rotasinya terhadap ini atom.

c. Elektron memancarkan energi ketika bergerak, sehingga energi atom menjadi tidak stabil.

d. Tidak dapat menjelaskan spektrum garis pada atom hidrogen (H).

4. Model Atom Niels Bohr

Model Atom Niels Bohr

Pada tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan pendapatnya bahwa elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasan-lintasan tertentu yang disebut kulit atom. Model atom Bohr merupakan penyempurnaan dari model atom Rutherford.

Kelemahan teori atom Rutherford diperbaiki oleh Neils Bohr dengan postulat bohr :

a. Elektron-elektron yang mengelilingi inti mempunyai lintasan dan energi tertentu.

b. Dalam orbital tertentu, energi elektron adalah tetap. Elektron akan menyerap energi jika berpindah ke orbit yang lebih luar dan akan membebaskan energi jika berpindah ke orbit yang lebih dalam

Kelebihan model atom Bohr

atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.

Kelemahan model atom Bohr

a. tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack.

b. Tidak dapat menerangkan kejadian-kejadian dalam ikatan kimia dengan baik, pengaruh medan magnet terhadap atom-atom, dan spektrum atom yang berelektron lebih banyak.

d.    Struktur Atom

Berdasarkan teori-teori yang telah dikemukakan oleh para ilmuan, maka dapat diketahui bahwa atom terdiri atas partikel-partikel yang lebih kecil lagi yang disebut partikel subatom. partikel-partikel tersebut yaitu:

i.ELEKTRON

 pada tahun 1890-an banyak ilmuan berlomba-lomba meneliti radiasi (radiation), yaitu pemancaran dan perambatan energi melalui ruang dalam bentuk gelombang.  Informasi yang diperoleh dari penelitian ini memberikan sumbangan besar pada pemahaman kita tentang struktur atom salah satu alat yang digunakan untuk menyelidiki fenomena ini adalah tabung sinar katoda, cikal bakal dari tabung televisi. Tabung berupa kaca yang sebagian besar udaranya sudah disedot keluar. Ketika dua lempeng logam dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi.

 Lempeng yang bermuatan negatif disebut katoda, memancarakan sinar yang dilihat. Sinar katoda ini tertarik kelempeng bermuatan positif disebut anoda, dimana sinar itu akan melalui suatu lubang dan terus merambat menuju ujung tabung yang satunya. Ketika sinar ini menumbuk permukaan yang dilapisi secara khusus, sinar katoda tersebut menghasilkan pendaran yang kuat, atau cahaya yang terang.

Dalam beberapa percobaan, ditambahkan dua lempengan bermuatan listrik dan sebuah magnet di luar tabung sinar katoda. Ketika medan magnetik dihidupkan dan medan listrik dimatikan, sinar katoda menumbuk titik A. Ketika hanya medan listrik yang dihidupkan, sinar akan menumbuk titik C. Ketika medan listrik dan medan magnetik kedua-duanya mati atau kedua-duanya hidup tetapi seimbang sehingga saling menghilangkan,  sinar menumbuk titik B.

 Menurut teori elektron magnetik, benda bermuatan yang bergerak berprilaku seperti sebuah magnet sehingga dapat berinteraksi dengan medan listrik dan medan magnetik yng dilaluinya. Karena sinar katoda ditarik oleh lempeng yang bermuatan positif dan ditolak oleh lempeng yang bermuatan negatif, sinar tersebut haruslah terdiri atas partikel-partikel yang bermuatan negatif. Kita mengenal partikel bermuatan negatif ini sebagai elektron.

ii. Radioaktivitas

Pada tahun 1895, seorang fisikawan jerman wilhelm Rontgen mengamati bahwa sinar katoda menyebabkan kaca dan logam memancarkan sinar yang tidak biasa. Radiasi yang berenergi tinggi ini menembus materi, menghitamkan lempeng fotografi yang tertutup, dan menyebabkan berbagai zat berfluoresensi. Karena sinar ini tidak dapat dibelokkan oleh magnet, berarti sinar ini tidak mengandung partikel bermuatan seperti sinar katoda. Rontgen menyebutnya sinar-x.

Tidak lama setelah penemuan rontgen, Antoine Becquerel, seorang profesor fisika di Paris, mulai mengkaji sifat-sifat  fluoresensi dari berbagai zat. Secara tidak sengaja, ia menemukan bahwa senyawa uranium dapat menyebabkan lempeng fotografi yang terbungkus berubah menghitam, bahwa tanpa ransangan sinar katoda. Seperti sinar-x, sinar dari senyawa uranium berenergi sangat tinggi dan tidak dapat dibelokkan oleh magnet, tetapi berbeda dengan sinar-x karena sinarnya dihasilkan secara spontan. Seorang mahasiwa bequerel, yaitu marie curie, mengusulkan nama radioaktivitas untuk menggambarkan pancaran spontan partikel atau radiasi ini. Jadi, disetiap unsur secara spontan memancarkan disebut radioaktif.

iii. Proton dan Inti

Rutherford membuat model baru untuk struktur atom, dengan anggapan bahwa sebagian besar dari atom pastilah berupa ruang kosong. Struktur ini akan memungkinkan sebagian partikel  menembus lembaran emas dengan sedikit atau tanpa pembelokan. Menurut proposisi rutherford, muatan positif atom terkumpul dalam inti (nucleus), yaitu suatu inti pusat yang padat yang terletak didalam atom. Setiap partikel  mendekat keinti dalam percobaan hamburan, partikel ini ,mengalami gaya tolak yang besar sehingga partikel membelok jauh. Bahkan, partikel  yang langsung menuju inti akan mengalami tolakan yang sangat besar sehingga dapat berbalik kembali arah datangnya.

Pertikel-partikel bermuatan positif dalam inti disebut proton. Dalam percobaan yang terpisah, ditemukan bahwa muatan setiap proton mempunyai magnitudo(besar) yang sama dengan elektron dan bahwa massanya adalah 1,67262 x  g sekitar 1840 kali massa elektron,yang muatanya berlawanan.

iv .Neutron

Model struktur atom rutherford menyisakan sebuah masalah penting yang belum terpecahkan. Telah diketahui bahwa Hidrogen, Atom yang paling sederhana,mengandung hanya satu proton dan bahwa atom Helium mengandung dua proton.jadi, perbandingan massa atom helium dan atom Hidrogen tentunya adalah 2:1 . (karena masaa elektron jauh lebih ringan dari pada massa proton, pengaruhnya dapat di abaikan). Tapi dalam kenyataanya adalah 4:1.

Rutherford dan rekan-rekannya  mempostulatkan bahwa pastilah terdapat jenis partikel sub atom yang lain dalam inti atom; pembuktiannya diberikan oleh fisikawan inggris yang lain, james chadwick, pada tahun 1932. Ketika chadwick menembakkan partikel   keselembar tipis Berilium, logam tersebut memancarkan radiasi yang berenergi sangat tinggi yang serupa dengan sinar- . percobaan selanjutnya menunjukkkan bahwa sinar itu sesungguhnya terdiri atas partikel netral yang mempunyai massa sedikit lebih besar dari pada massa proton. chadwick menamai partikal ini Neutron .