STRUKTUR atom & SISTEM PERIODIK UNSUR

Setiap materi di alam semesta tersusun atas partikel-partikel yang sangat kecil yang dikenal dengan nama atom. Sejak zaman dahulu, manusia telah memikirkan tentang zat penyusun setiap materi. Pemikiran tersebut kemudian melahirkan teori atom, yang hingga kini, di era modern yang serba canggih, keberadaan atom telah diterima oleh semua orang.

Namun, bagaimana bentuk sebenarnya dari atom serta penyusunnya masih belum diketahui secara pasti. Para ahli hanya dapat memperkirakan berdasarkan hasil pengamatan di laboratorium terhadap gejala-gejala yang muncul ketika suatu materi diberi perlakuan tertentu. Berdasarkan pengamatan tersebut, para ahli menyusun teori tentang atom dan memperkirakan bentuknya, yang dikenal dengan istilah model atom.

Model-model atom yang diusulkan oleh para ahli terus mengalami perkembangan hingga saat ini, dan akan terus berkembang seiring dengan kemajuan teknologi instrumen laboratorium yang didukung oleh perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi (iptek) yang luar biasa pesatnya.

Partikel Dasar

Walaupun pada awalnya atom diartikan sebagai partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi, namun dalam perkembangannya diketahui bahwa atom tersusun atas tiga jenis partikel subatomik (partikel dasar), yaitu Proton, Elektron, dan Neutron.

1.Satuan Massa dan Muatan Partikel Dasar

• Massa partikel dasar dinyatakan dalam satuan massa atom (sma), di mana: 1 sma = 1,66 × 10⁻²⁴ gram

• Muatan partikel dasar dinyatakan sebagai muatan relatif terhadap elektron (e), dengan ketentuan: Muatan 1 elektron (e) = –1,60 × 10⁻¹⁹ coulomb

• Muatan 1 proton besarnya sama dengan muatan 1 elektron, namun berlawanan tanda (positif untuk proton, negatif untuk elektron).

• Massa 1 proton ≈ massa 1 neutron, masing-masing sekitar 1 sma.

• Massa elektron jauh lebih kecil dibandingkan dengan massa proton maupun neutron, sehingga sering kali diabaikan dalam perhitungan massa atom.

2.Nomor Atom dan Nomor Massa

Pada tahun 1913, Henry Gwyn-Jeffreys Moseley (1887–1915) menemukan bahwa jumlah muatan positif dalam inti atom merupakan sifat khas setiap unsur. Atom-atom dari unsur yang sama memiliki jumlah muatan positif yang sama, dan Moseley kemudian mengusulkan penggunaan istilah nomor atom yang diberi lambang Z, untuk menyatakan jumlah muatan positif dalam inti atom.

Nomor atom (Z) menyatakan jumlah proton dalam inti atom

Berdasarkan hasil percobaan, diketahui bahwa atom bersifat netral. Hal ini berarti jumlah muatan positif (proton) sama dengan jumlah muatan negatif (elektron). Dengan demikian, nomor atom juga menyatakan jumlah elektron dalam atom unsur. Rumus:

Nomor atom (Z) = jumlah proton (p) = jumlah elektron (e)

Contoh: Unsur oksigen memiliki nomor atom 8 (Z = 8). Artinya, dalam satu atom oksigen terdapat 8 proton dan 8 elektron.

Selain nomor atom, dikenal juga istilah nomor massa, yang diberi lambang A. Nomor massa digunakan untuk menunjukkan jumlah nukleon dalam inti atom suatu unsur. Nukleon adalah partikel penyusun inti atom, yaitu proton dan neutron.

Nomor massa (A) = jumlah proton (p) + jumlah neutron (n)

Penemuan Partikel Dasar

1. Elektron

Setelah John Dalton (1766–1844) mengemukakan teori atom pertamanya pada tahun 1803, tidak lama kemudian dua orang ilmuwan, yaitu Sir Humphry Davy (1778–1829) dan muridnya Michael Faraday (1791–1867), menemukan metode elektrolisis—yakni cara menguraikan senyawa menjadi unsur-unsurnya dengan bantuan arus listrik. Dengan metode baru inilah akhirnya mereka menemukan bahwa atom mengandung muatan listrik.

Sejak pertengahan abad ke-19, para ilmuwan mulai banyak meneliti daya hantar listrik dari gas-gas pada tekanan rendah. Tabung lampu gas pertama kali dirancang oleh Heinrich Geissler (1829–1879) dari Jerman pada tahun 1854.  Rekannya, Julius Plücker (1801–1868), melakukan eksperimen sebagai berikut:

• Dua pelat logam ditempatkan pada masing-masing ujung tabung Geissler yang telah divakumkan

• Tabung tersebut diisi dengan gas bertekanan rendah.

• Salah satu pelat logam diberi muatan positif dan disebut anode, sedangkan pelat lainnya diberi muatan negatif dan disebut katode.

• Ketika arus listrik bertegangan tinggi dialirkan melalui gas di dalam tabung, tampak nyala berupa sinar dari katode ke anode.

Sinar yang dihasilkan ini kemudian dikenal dengan nama sinar katode. Namun, Plücker kurang teliti dalam pengamatannya dan menganggap sinar tersebut hanyalah cahaya listrik biasa.  Pada tahun 1875, William Crookes (1832–1919) dari Inggris mengulangi eksperimen Plücker dengan lebih cermat. Ia mengungkapkan bahwa sinar katode merupakan kumpulan partikel-partikel, yang pada saat itu belum dikenal.

Hasil-hasil eksperimen yang dilakukan oleh William Crookes dapat dirangkum sebagai berikut:

• Partikel sinar katode bermuatan negatif, karena partikel tersebut tertarik menuju pelat yang bermuatan positif.

• Partikel sinar katode memiliki massa, dibuktikan dengan kemampuannya memutar baling-baling kecil di dalam tabung vakum.

• Partikel sinar katode terdapat dalam semua jenis materi, karena berbagai bahan yang digunakan—baik padat, cair, maupun gas—tetap menghasilkan sinar katode yang sama.

Partikel sinar katode tersebut kemudian dinamai "elektron" oleh George Johnstone Stoney (1817–1895) pada tahun 1891. 

Pada masa itu, para ilmuwan masih diliputi kebingungan, ketidaktahuan, dan ketidakpercayaan bahwa setiap materi mengandung elektron. Mereka masih memegang keyakinan bahwa atom adalah partikel terkecil penyusun suatu materi. Jika memang atom merupakan partikel terkecil, maka muncul pertanyaan: di manakah keberadaan elektron dalam materi tersebut?

Pada tahun 1897, Joseph John Thompson (1856–1940) dari Inggris, melalui serangkaian eksperimen, berhasil mendeteksi dan membuktikan keberadaan elektron yang sebelumnya telah diperkirakan oleh George Johnstone Stoney. Thompson menunjukkan bahwa elektron adalah partikel penyusun atom, dan lebih dari itu, ia juga mampu menghitung perbandingan antara muatan dan massa elektron. 

(e/m) = 1,759 × 108  Coulomb/gram

Nilai ini menunjukkan bahwa elektron memiliki muatan yang sangat besar dibandingkan dengan massanya, yang sekaligus menguatkan bahwa elektron adalah partikel bermassa sangat kecil namun bermuatan listrik. Penemuan ini menjadi titik awal dari runtuhnya model atom Dalton dan membuka jalan bagi pemahaman baru tentang struktur atom. 

Pada tahun 1908, seorang fisikawan asal Amerika Serikat bernama Robert Andrew Millikan (1868–1953) dari Universitas Chicago berhasil menentukan besar muatan elektron melalui eksperimen tetes minyak yang terkenal (Millikan Oil Drop Experiment). Hasil eksperimen tersebut menunjukkan bahwa Muatan elektron (e) = 1,602 × 10-19 Coulomb. Dengan diketahui nilai e/m dari eksperimen J. J. Thompson sebelumnya: Perbandingan muatan terhadap massa elektron (e/m) = 1,759 × 108 C/g. Maka, massa sebuah elektron dapat dihitung dengan rumus: 

m = e ÷ (e/m)
m = (1,602 × 10-19) ÷ (1,759 × 108) ≈ 9,11 × 10-28 gram

2. Proton

Keberadaan partikel bermuatan positif dalam atom pertama kali diisyaratkan oleh Eugen Goldstein (1850–1930) pada tahun 1886. Setelah ditemukannya elektron, para ilmuwan semakin yakin bahwa atom harus mengandung partikel bermuatan positif untuk menyeimbangkan muatan negatif dari elektron. Tanpa partikel bermuatan positif, atom tidak akan bersifat netral secara listrik. Selain itu, jika atom hanya tersusun atas elektron, maka massa total elektron akan terlalu kecil bila dibandingkan dengan massa total atom yang sebenarnya. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam atom pasti terdapat partikel lain yang massanya jauh lebih besar daripada elektron—yakni proton (Tahun 1919), yang bermuatan positif.

Massa 1 elektron = 9,11 × 10⁻²⁸ gram

Massa 1 proton ≈ 1.837 × massa elektron 

sehingga,

Massa 1 proton = 1.837 × (9,11 × 10⁻²⁸ gram) ≈ 1,673 × 10⁻²⁴ gram 

3. Neutron

Setelah para ilmuwan meyakini keberadaan elektron dan proton dalam atom, muncul masalah baru. Meskipun hampir seluruh massa atom terkonsentrasi di inti (karena massa elektron sangat kecil dan dapat diabaikan), jumlah proton dalam inti ternyata belum cukup untuk menjelaskan massa atom secara keseluruhan. Hal ini menunjukkan bahwa inti atom pasti mengandung partikel lain selain proton.

Pada tahun 1932, James Chadwick (1891–1974) berhasil menemukan neutron, yaitu partikel inti yang tidak bermuatan listrik. Massa satu neutron adalah sekitar 1,675 × 10⁻²⁴ gram, hampir sama dengan massa proton. Dengan penemuan ini, para ilmuwan menyimpulkan bahwa inti atom tersusun atas dua jenis partikel, yaitu proton (partikel bermuatan positif) dan neutron (partikel netral). Kedua partikel ini bersama-sama disebut nukleon, yang berarti partikel-partikel penyusun inti atom.

Beberapa tahun setelah penemuan elektron, yaitu pada tahun 1911, Ernest Rutherford mengungkapkan teori atom modern yang dikenal dengan sebutan model atom Rutherford. Teori ini dikemukakan berdasarkan hasil eksperimen penembakan partikel alfa terhadap lempeng emas tipis. Adapun pokok-poakok model atom Rutherford adalah sebagai berikut:

• Atom tersusun atas dua komponen utama yaitu: 1) Inti atom yang bermuatan positif, dan 2) Elektron-elektron yang bermuatan negatif dan bergerak mengelilingi inti.

• Semua proton (partikel bermuatan positif) terkonsentrasi di dalam inti atom, sehingga inti atom memiliki muatan positif.

• Sebagian besar volume atom merupakan ruang kosong. Hampir seluruh massa atom terkonsentrasi pada inti atom yang sangat kecil.
  Jari-jari atom diperkirakan sekitar 10⁻¹⁰ meter, sedangkan jari-jari inti atom hanya sekitar 10⁻¹⁵ meter.

Model atom Bohr dapat dianalogikan seperti sebuah tata surya mini. Dalam sistem tata surya, planet-planet bergerak mengelilingi matahari. Demikian pula dalam atom, elektron-elektron mengelilingi inti atom. Perbedaannya adalah pada tata surya, setiap lintasan (orbit) hanya ditempati oleh satu planet. Sedangkan dalam atom, setiap lintasan (kulit) dapat ditempati oleh lebih dari satu elektron.

Dalam model atom Bohr ini, dikenal istilah konfigurasi elektron, yaitu susunan elektron pada masing-masing kulit atom. Data utama yang digunakan untuk menyusun konfigurasi elektron adalah nomor atom dari suatu unsur, karena nomor atom menyatakan jumlah elektron dalam atom tersebut.

Elektron yang berada di kulit terluar disebut sebagai elektron valensi. Susunan elektron valensi sangat menentukan sifat-sifat kimia suatu unsur, serta berperan penting dalam proses pembentukan ikatan dengan atom lain. Untuk menentukan konfigurasi elektron suatu unsur, terdapat beberapa patokan penting, yaitu:

• Penulisan konfigurasi dimulai dari lintasan (kulit) yang paling dekat dengan inti atom, yang dinamai secara berurutan: Kulit ke-1: Kulit K, Kulit ke-2: Kulit L, Kulit ke-3: Kulit M, Kulit ke-4: Kulit N, dan seterusnya.

• Jumlah maksimum elektron yang dapat menempati masing-masing kulit adalah 2n2, dengan n = nomor kulit. Kulit K: maksimal 2 elektron, Kulit L: maksimal 8 elektron, Kulit M: maksimal 18 elektron, dan seterusnya, sesuai aturan distribusi energi.

• Kulit paling luar (kulit valensi) hanya boleh mengandung maksimal 8 elektron, meskipun kapasitas kulit tersebut lebih besar.

Konfigurasi Elektron

Konfigurasi elektron merupakan urutan subtingkatan energi yang diisi oleh elektron dalam sebuah atom. Terdapat tiga kaidah pengisian orbital yang harus diperhatikan, yaitu Prinsip Aufbau, Prinsip Larangan Pauli, dan Kaidah Hund. 

Upaya Awal Pengelompokan Unsur

Seiring dengan ditemukannya banyak unsur baru, jumlah unsur yang diketahui oleh para ilmuwan terus bertambah. Hal ini menimbulkan tantangan dalam mempelajari unsur-unsur tersebut karena semakin kompleks dan sulit untuk dipahami satu per satu tanpa adanya sistem pengelompokan yang baik. Untuk mengatasi kesulitan tersebut, para ahli kimia berupaya melakukan pengelompokan unsur secara sistematis. Hasil dari upaya ini adalah terbentuknya Sistem Periodik Unsur (SPU), yaitu sebuah tabel yang memuat unsur-unsur kimia dengan pengelompokan berdasarkan kemiripan sifat-sifat kimianya. Sistem periodik unsur sangat membantu dalam memahami dan memprediksi sifat-sifat kimia dari unsur-unsur, baik yang alami maupun sintetis, yang kini jumlahnya mencapai lebih dari 118 unsur.

Sebelum sistem periodik seperti yang kita kenal sekarang ditemukan, para ilmuwan telah mencoba mengelompokkan unsur berdasarkan karakteristik yang mirip. Pengelompokan paling sederhana adalah membagi unsur ke dalam dua kategori yaitu unsur logam dan unsur nonlogam. Namun, pengelompokan ini dianggap terlalu umum dan kurang informatif. Maka, para ilmuwan mencoba pendekatan lain yang lebih sistematis. 

1.Triad Dobereiner 1892

Salah satu usaha awal yang cukup berpengaruh adalah yang dilakukan oleh Johan Wolfgang Dobereiner pada tahun 1829. Ia mengelompokkan unsur-unsur yang memiliki sifat kimia mirip ke dalam kelompok yang terdiri dari tiga unsur, yang disebut Triad. Contohnya Triad Klorin (Cl), Bromin (Br), dan Iodin (I). Jika unsur-unsur ini disusun berdasarkan kenaikan massa atom, maka sifat unsur kedua (Br) cenderung merupakan rata-rata dari sifat unsur pertama (Cl) dan ketiga (I). Hal yang sama berlaku untuk massa atomnya. Kesimpulan dari Triad Dobereiner: Dalam satu triad, unsur yang berada di tengah memiliki massa atom dan sifat kimia yang merupakan rata-rata dari dua unsur lainnya. Sistem triad ini ternyata ada kelemahannya. Sistem ini kurang efisien karena ternyata ada beberapa unsur lain yang tidak termasuk dalam satu triad, tetapi mempunyai sifat-sifat mirip dengan triad tersebut.

Kelebihan sistem Mendeleev adalah Berani mengosongkan posisi tertentu dalam tabel, karena yakin akan adanya unsur-unsur yang belum ditemukan pada masa itu. Ramalannya terbukti benar: unsur-unsur seperti gallium (Ga) dan germanium (Ge) ditemukan kemudian dan mengisi kekosongan tersebut dengan sempurna.

Kelemahan sistem Mendeleev adalah ditemukan beberapa unsur yang tidak sesuai urutan massa atom, seperti iodin (I) dan telurium (Te). Serta. belum semua unsur ditemukan saat itu, sehingga masih banyak ruang kosong dalam tabel.

4. Penyempurnaan oleh Henry G. Moseley (1914)

Tahun 1914, ilmuwan Inggris Henry Gwyn-Jeffreys Moseley menemukan bahwa sifat-sifat unsur lebih akurat jika dikaitkan dengan nomor atom (jumlah proton), bukan massa atom. Contoh: Telurium (Te) memiliki massa atom lebih besar daripada iodin (I), namun nomor atom Te = 52, sedangkan I = 53. Hal ini menjelaskan posisi iodin yang lebih tepat berada setelah telurium, meskipun massanya lebih kecil. Maka, sistem periodik modern disusun berdasarkan:

• Kenaikan nomor atom, bukan massa atom.

• Kemiripan sifat-sifat kimia antar unsur.

Sistem ini merupakan penyempurnaan dari sistem Mendeleev dan menjadi dasar Sistem Periodik Unsur Modern yang digunakan hingga saat ini.

Sistem Periodik Unsur Modern

Sistem periodik unsur modern disusun berdasarkan kenaikan nomor atom dan kemiripan sifat. Lajur horizontal, yang selanjutnya disebut periode, disusun menurut urutan kenaikan nomor atom, sedangkan lajur vertikal, yang selanjutnya disebut golongan, disusun berdasarkan kemiripan sifat. Unsur-unsur dalam satu golongan tidak memiliki sifat yang sama persis, melainkan menunjukkan kemiripan sifat. Setiap unsur memiliki sifat khas yang membedakannya dari unsur lain. Unsur-unsur dalam sistem periodik dibagi menjadi dua kelompok besar, yaitu unsur-unsur yang menempati golongan A, yang disebut unsur golongan utama, dan unsur-unsur yang menempati golongan B, yang disebut unsur transisi.

Sistem periodik unsur modern, yang juga disebut sistem periodik bentuk panjang, terdiri atas 7 periode dan 8 golongan. Periode ke-1, ke-2, dan ke-3 disebut periode pendek karena hanya memuat sedikit unsur, sedangkan periode lainnya disebut periode panjang. Golongan terbagi menjadi golongan A dan golongan B. Unsur-unsur dalam golongan A disebut golongan utama, sedangkan unsur-unsur dalam golongan B disebut golongan transisi. Golongan-golongan B terletak di antara golongan IIA dan IIIA, dan mulai muncul pada periode ke-4. Dalam sistem periodik unsur terbaru, penomoran golongan menggunakan angka 1 hingga 18 secara berurutan dari kiri ke kanan. Dengan sistem ini, unsur-unsur transisi berada pada golongan 3 hingga golongan 12. Penomoran tersebut dapat dilihat pada sistem periodik unsur yang ditampilkan pada Gambar B.2.

Hidrogen ditempatkan dalam golongan IA, terutama karena memiliki satu elektron valensi. Namun, terdapat perbedaan sifat yang cukup mencolok antara hidrogen dan unsur-unsur lain dalam golongan IA. Hidrogen tergolong nonlogam, sedangkan unsur-unsur lainnya merupakan logam aktif. Oleh karena itu, hidrogen kadang-kadang ditempatkan secara terpisah di bagian atas sistem periodik unsur. 

1.Periode

Sistem periodik unsur modern mempunyai 7 periode. Unsur-unsur yang mempunyai jumlah kulit yang sama pada konfigurasi elektronnya, terletak pada periode yang sama.

Nomor periode = jumlah kulit

2.Golongan

Sistem periodik unsur modern mempunyai 8 golongan utama (A). Unsur-unsur pada sistem periodik modern yang mempunyai elektron valensi (elektron kulit terluar) sama pada konfigurasi elektronnya, maka unsur-unsur tersebut terletak pada golongan yang sama (golongan utama/A).

Nomor golongan = jumlah elektron valensi

Sifat-Sifat Periodik Unsur

Beberapa sifat periodik yang akan dibicarakan di sini adalah jari-jari atom, energi ionisasi, keelektronegatifan, afinitas elektron, sifat logam, dan titik leleh serta titik didih.

6. Sifat Logam

Secara kimia, sifat logam berkaitan dengan keelektronegatifan, yakni kecenderungan suatu atom untuk melepaskan elektron dan membentuk ion bermuatan positif. Dengan demikian, sifat logam sangat dipengaruhi oleh energi ionisasi. Berdasarkan konfigurasi elektronnya, unsur-unsur logam cenderung melepaskan elektron (memiliki energi ionisasi yang rendah), sedangkan unsur-unsur nonlogam cenderung menangkap elektron (memiliki keelektronegatifan yang tinggi). Sesuai dengan kecenderungan energi ionisasi dan keelektronegatifan, maka pola sifat logam dan nonlogam dalam sistem periodik unsur adalah sebagai berikut:

• Dari kiri ke kanan dalam satu periode, sifat logam menurun, sedangkan sifat nonlogam meningkat.

• Dari atas ke bawah dalam satu golongan, sifat logam meningkat, sementara sifat nonlogam menurun.

Dengan demikian, unsur-unsur logam umumnya terletak di bagian kiri bawah tabel periodik, sedangkan unsur-unsur nonlogam berada di bagian kanan atas. Perbatasan antara logam dan nonlogam dalam sistem periodik sering digambarkan sebagai garis tangga diagonal tebal. Unsur-unsur yang berada di sekitar garis ini memiliki sifat campuran antara logam dan nonlogam, dan disebut sebagai unsur metaloid. Contoh unsur metaloid antara lain boron dan silikon.

Selain itu, sifat logam juga berkaitan dengan kereaktifan unsur. Reaktif berarti mudah bereaksi dengan unsur lain. Pada sistem periodik, logam-logam semakin ke bawah semakin reaktif, karena semakin mudah melepaskan elektron. Sebaliknya, nonlogam semakin ke bawah semakin kurang reaktif, karena semakin sulit menangkap elektron. Oleh karena itu, logam yang paling reaktif terdapat pada golongan IA (logam alkali), sedangkan nonlogam yang paling reaktif berada pada golongan VIIA (halogen).