BILANGAN KUANTUM DAN BENTUK ORBITAL

BILANGAN KUANTUM DAN BENTUK ORBITAL

Model Atom Mekanika Gelombang

Pada tahun 1913, Niels Bohr mengajukan suatu model atom untuk mengatasi kelemahan dari model atom Rutherford. Bohr melakukan serangkaian percobaan atas dasar postulat Planck tentang cahaya dan spektrum hidrogen yang terdiri dari garis-garis. Kemudian lahirlah teori atom Bohr yang Menyatakan:

• Elektron dalam atom mempunyai tingkat energi tertentu atau elektron bergerak mengelilingi inti dalam lintasan tertentu.
• Pada lintasannya elektron tidak menyerap atau memancarkan energi.
• Elektron dapat pindah dari satu tingkat ke tingkat energi yang lain. Jika elektron pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi elektron tersebut dikatakan dalam keadaan tereksitasi.

Teori atom Bohr ini belum mampu menjelaskan atom-atom berelektron banyak.Spektrum garis hidrogen ternyata terdiri atas garis-garis kecil yang sangat berdekatan. Para ahli berusaha memecahkan masalah ini.

Pada tahun 1923 Louis de Broglie mengemukakan bahwa semua materi memiliki sifat gelombang dan setiap partikel yang bergerak memiliki sifat gelombang dengan panjang gelombang tertentu. Elektron yang bergerak mengelilingi inti, gerakannya seperti sebuah gelombang, keberadaan dalam lintasannya tidak pasti. Hal ini tidak sesuai dengan yang dikemukakan Bohr yaitu elektron bergerak pada lintasan tertentu.

Pada tahun 1926 Erwin Schrodinger dan Werner Heisenberg mengemukakan teori bahwa lokasi elektron dalam atom tidak dapat ditentukan secara pasti, yang dapat ditentukan hanyalah daerah Kemungkinan keberadaan elektron. Oleh karena keberadaan elektron diperkirakan dengan mekanika kuantum maka teori ini disebut teori atom mekanika kuantum. Fungsi gelombang dari elektron di dalam atom disebut dengan istilah orbital. Orbital – orbital atom mempunyai bentuk dan tinngkat energi tertentu. Fungsi gelombang kuadrat ( ψ² ) menggambarkan kebolehjadian terbesar ( probabilitas ) untuk menemukan elekton di sekitar inti atom.

Orbital merupakan tingkat energi dari suatu ruang yang mempunyai kebolehjadian terbesar ( probabilitas ) untuk menemukan elektron disekitar inti atom.

Model atom Bohr merupakan model satu dimensi ( orbit ) yang menggunakan satu bilangan kuantum ( n ) untuk menggambarkan sebaran elektron didalam atom, sedangkan model atom mekanika gelombang menggambarkan probabilitas menemukan elektron dalam model tiga dimensi ( orbital ). Oleh karena itu, untuk menggambarkan orbital atom memerlukan tiga koordinat atau tiga bilangan  kuantum, yang meliputi bilangan kuantum utama ( n ), bilangan kuantum azimut ( l ) dan bilangan kuantum magnetik ( m ).

a. Bilangan Kuantum Utama (n)

Menentukan besarnya tingkat energi suatu elektron yang mencirikan ukuran orbital (menyatakan tingkat energi utama atau kulit atom). Bilangan kuantum utama memiliki harga mulai dari 1, 2, 3, 4,….dst (bilangan bulat positif). Biasanya dinyatakan dengan lambang, misalnya K(n=1), L(n=2), dst. Orbital–orbital dengan bilangan kuantum utama berbeda, mempunyai tingkat energi yang berbeda. Makin besar bilangan kuantum utama, kulit makin jauh dari inti, dan makin besar pula energinya. Hubungan antara kulit dengan bilangan kuantum utama digambarkan sebagai berikut :

Tabel 1.1 hubungan antara kulit dengan bilangan kuntum utama

 

b. Bilangan Kuantum Azimut (l)

Mekanika gelombang  menunjukkan sub kulit dimana elektron itu bergerak sekaligus menunjukkan sub kulit yang merupakan penyusun suatu kulit.

Bilangan kuantum azimut  mempunyai harga dari 0 sampai dengan (n-1).
n = 1 ; l = 0 ; sesuai kulit K
n = 2 ; l = 0, 1 ; sesuai kulit L
n = 3 ; l = 0, 1, 2 ; sesuai kulit M
n = 4 ; l = 0, 1, 2, 3 ; sesuai kulit N
dan seterusnya

Bilangan kuantum azimut disebut juga bilangan kuantum momentum angular, bilangan kuantum ini berhubungan dengan bentuk orbital. Artinya nilai l yang berbeda menunjukan bentuk orbital yang berbeda pula. Nilai l adalah dari 0 hingga n-1. Adapun bentuk orbital dengan nilai bilangan kuantum azimuth 1 sampai 3 adalah sebagai berikut:

l = 0 bentuk orbitalnya disebut “orbital s” (s = sharp)
l = 1 bentuk orbitalnya disebut “orbital p” (p = principle)
l = 2 bentuk orbitalnya disebut “orbital d” (d = diffuse)
l = 3 bentuk orbitalnya disebut “orbital f” (f = fundamental)
c. Bilangan Kuantum magnetik (m)

Menyatakan orbital khusus mana yang ditempati elektron pada suatu subkulit. Selain itu juga dapat menyatakan orientasi khusus dari orbital itu dalam ruang relatif terhadap inti. Nilai bilangan kuantum magnetik bergantung pada bilangan kuantum azimuth, yaitu bilangan bulat dari –l  sampai  +l.

Contoh:

l = 0, maka nilai m = 0 berarti hanya terdapat 1 orbital

l = 1, maka nilai m = –1, 0, +1, berarti terdapat 3 orbital

Hubungan antara l dan harga m digambarkan sebagai berikut :

Tabel 1.2 Harga m untuk berbagai subkulit
 

Harga bilangan kuantum n, l, danm untuk berbagai bilangan kuantum dapat digambarkan seperti Tabel 1.3.

Tabel 1.3 Harga bilangan kuantum n, l, dan m untuk berbagai bilangan kuantum

 

Bilangan kuantum ini menunjukan orientasi orbital di dalam ruang relative dengan kedudukan orbital yang lain dalam atom. Besarnya nilai m ditentukan dari “+l” hingga “-l”. Artinya untuk l = 0 maka nilai m nya adalah 0, untuk l=1 maka nilai m nya adalah -1,0, dan 1. Jadi setiap nilai m menunjukan satu ruang orbital di dalam sub kulit atom. Perhatikan contoh berikut: l = 0 bentuk orbitalnya disebut “orbital s” dan nilai m yang mungkin adalah 0 sehingga orbital s hanya memiliki 1 ruang orbital

l = 1 bentuk orbitalnya disebut “orbital p” dan nilai m yang mungkin adalah -1, 0, dan 1 sehingga orbital p memiliki 3 ruang orbital p dengan orientasi yang berbeda yaitu P_x, P_y, P_z.

l = 2 bentuk orbitalnya disebut “orbital d” dan nilai m yang mungkin adalah -2,-1, 0, 1, dan 2, sehingga orbital d memiliki 5 ruang orbital d dengan orientasi yang berbeda, yaitu d_xz, d_yz, d_xy, d_x²_-y² dan d_z².

l = 3 bentuk orbitalnya disebut “orbital f” dan nilai m yang mungkin adalah -3,-2,-1, 0, 1, 2, dan 3, sehingga orbital f memiliki 7 ruang orbital dengan orientasi yang berbeda.

Untuk menentukan kedudukan suatu elektron dalam atom, digunakan 4 bilangan kuantum.

d. Bilangan Kuantum Spin (s)

Bilangan kuantum ke-4 ini diusulkan oleh George Uhlenbeck, Samuel Goudsmit Otto Stern, dan Walter Gerlach pada tahun 1925.  Bilangan kuantum spin terlepas dari pengaruh momentum sudut. Hal ini berarti bilangan kuantum spin tidak berhubungan secara langsung dengan tiga bilangan kuantum yang lain. Bilangan kuantum spin bukan merupakan penyelesaian dari persamaan gelombang, tetapi didasarkan pada pengamatan Otto Stern dan Walter Gerlach terhadap spektrum yang dilewatkan pada medan magnet, ternyata terdapat dua spektrum yang terpisah dengan kerapatan yang sama. Terjadinya pemisahan garis  spektrum oleh medan magnet dimungkinkan karena elektron-elektron tersebut selama mengelilingi inti berputar pada sumbunya dengan arah yang berbeda. Berdasarkan hal ini diusulkan adanya bilangan kuantum spin untuk menandai arah putaran (spin) elektron pada  sumbunya.

Bilangan Kuantum Spin menyatakan arah putar elektron terhadap sumbunya sewaktu elektron berputar mengelilingi inti atom. Jadi, hanya ada dua kemungkinan arah rotasi elektron, yaitu searah jarum jam dan berlawanan dengan arah jarum jam, maka probabilitas elektron berputar searah jarum jam adalah ½ dan berlawanan jarum jam 1/2 . Untuk membedakan arah putarnya maka diberi tanda positif (+½) dinyatakan dengan arah panah ke atas dan negatif (–½ ) dinyatakan dengan arah panah ke bawah. Oleh karena itu dapat dimengerti bahwa satu orbital hanya dapat ditempati maksimum dua elektron

Perhatikan Gambar 1.1

 

Bilangan kuatum spin dengan lambang s, menyatakan arah perputaran elektron pada sumbunya. Bilangan kuantum suatu elektron di dalam orbital dapat memiliki harga spin + 1/ 2 dan – 1/ 2 , tetapi berdasarkan kesepakatan para tokoh kimia, untuk elektron pertama di dalam orbital harga spinnya = + 1/2.

Berdasarkan harga bilangan kuantum dapat ditentukan berapa jumlah elektron maksimum yang dapat menempati subkulit dan kulit. Perhatikan Tabel 1.4.

Tabel 1.4 Harga Masing- Masing Bilangan Kuantum