Model atom mekanika kuantum

Kupas Tuntas Materi Mekanika Kuantum

Artikel ini akan membahas tentang teori mekanika kuantum, model atom mekanika kuantum, bilangan kuantum, hingga contoh soal dan pembahasan dari mekanika kuantum.

Sebelumnya kamu sudah mempelajari tentang teori Bohr, bukan? Nah, ternyata teori Bohr memiliki banyak kelemahan lho, guys. Ia hanya menjelaskan tentang kulit atom saja, selain itu ia juga tidak menjelaskan spektrum pancar atom yang mengandung lebih dari satu elektron. Padahal, di balik kulit atom terdapat yang namanya subkulit dan di dalamnya lagi terdapat orbital.

Setelah mengetahui kelemahan teori Bohr, maka para ahli mencoba untuk mengemukakan teori-teorinya. Teori itulah yang menjadi dasar dari mekanika kuantum. Yuk, simak lebih jauh penjelasan di bawah ini!

 

Teori Mekanika Kuantum Menurut Ahli

Max Planck

Max Planck merupakan seorang fisikawan Jerman yang dianggap sebagai bapak mekanika kuantum. Ia mematahkan teori fisika klasik yang mengatakan bahwa cahaya merupakan suatu gelombang. Teori fisika klasik tersebut bertahan lama hingga Planck menemukan teori baru dan sangat revolusioner, yaitu gelombang cahaya termasuk dalam gelombang dan suatu partikel.

Louis de Broglie

Louis de Broglie menyatakan bahwa partikel kecil yang bergerak sangat cepat seperti elektron memiliki sifat seperti gelombang. De Broglie merumuskan suatu persamaan dimana panjang gelombang yang ditimbulkan ketika suatu partikel bergerak. Persamaannya bisa dilihat sbb:

Kupas Tuntas Materi Mekanika Kuantum 9

Keterangan:

λ = panjang gelombang

h = ketetapan planck

m = massa

v = cepat rambat gelombang

Werner Heisenberg

Teori menurut Heisenberg ini biasa disebut juga sebagai teori ketidakpastian. Mengapa disebut sebagai teori ketidakpastian? Hal ini karena posisi dan momentum elektron tidak bisa ditentukan secara pasti.

Erwin Schrodinger

Dari teori de Broglie dan Heisenberg, maka muncullah teori Schrodinger yang menyatakan bahwa posisi dan momentum elektron tidak bisa ditentukan secara pasti, yang bisa ditentukan adalah probabilitas (kemungkinan daerahnya) menemukan elektron. Daerah dengan probabilitas menemukan elektron terbesar disebut dengan orbital.

Untuk menemukan tingkat energi, bentuk, dan orientasi orbital, maka Schrodinger mengemukakan tiga jenis bilangan kuantum yang terdiri dari bilangan kuantum utama, azimut, dan magnetik. Selengkapnya akan dibahas pada bagian bilangan kuantum di bawah ini.

 

Model Atom Mekanika Kuantum

Sebelum kita ke bilangan kuantum, alangkah baiknya kita mengenal model atom mekanika kuantum terlebih dahulu. Tak kenal maka… tak paham dong. Yuk langsung aja kita bahas!

Model atom mengalami perkembangan dari yang pertama yaitu model atom Dalton, kemudian disempurnakan oleh Thomson, masih kurang sempurna dan disempurnakan lagi oleh Rutherford, selanjutnya Bohr, dan ternyata masih ada kelemahan hingga akhirnya berkembang lagi menjadi model atom Mekanika Kuantum hingga saat ini.

Model Atom Dalton

Dalton menyebutkan bahwa partikel terkecil dari suatu materi disebut atom. Jadi, ketika ada suatu benda kemudian dibagi dan dibagi terus menerus sampai kecil, hingga ditemukan benda tersebut sudah tidak bisa dibagi lagi, itu disebut atom.

Model Atom Thomson

Ternyata, Thomson menemukan bahwa bagian terkecil dari suatu materi bukanlah atom. Sehingga, teori Dalton menjadi runtuh. Ia menemukan partikel penyusun atom. Thomson menemukan partikel sub atomik yang bermuatan negatif, bernama elektron atau sinar katoda. Teori Thomson menyatakan bahwa atom memiliki muatan yang bernilai positif, kemudian terdapat partikel-partikel negatif yang menyelimuti atom tersebut, sehingga bentuknya seperti roti kismis. Maka dari itu model atom Thomson dikenal dengan sebutan model bola kismis.

Model Atom Rutherford

Selanjutnya Rutherford ingin membuktikan apakah teori Thomson benar atau tidak. Ternyata, ditemukan bahwa atom terdiri dari rongga-rongga kosong dan terdapat inti atom yang bermuatan positif. Nah, massa atom itu berpusat di inti, sehingga elektron tidak berpengaruh terhadap massa atom.

Model Atom Bohr

Ternyata, model atom Rutherford diketahui memiliki beberapa kelemahan teori nih, guys. Sehingga, Niels Bohr dan Ernest Rutherford melakukan percobaan lagi, hingga akhirnya dicetuskan model atom Bohr. Model ini menyatakan bahwa atom terdiri dari inti atom yang mengandung proton dan neutron yang dikelilingi oleh elektron. Jadi, si elektron ini berputar dalam orbitnya dengan tingkatan energi tertentu. Tingkat energi tertentu itulah yang dinamakan dengan orbit atau kulit atom (n), yaitu K, L, M, N.

Tapi, model atom Bohr ini ternyata ada kelemahannya. Ia hanya dapat menjelaskan spektrum dari atom atau ion yang berelektron tunggal.

Model Atom Mekanika Kuantum

Model atom terakhir yang masih eksis hingga saat ini adalah mekanika kuantum. Model ini menyatakan bahwa atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh awan-awan elektron. Dari teori inilah ditemukan empat jenis orbital, yaitu s, p, d, f. Berikut gambaran modelnya:

Model atom mekanika kuantum
Model atom mekanika kuantum (sumber gambar: www.sutori.com)

 

Bilangan Kuantum

Nah, sekarang kita mengenal macam-macam bilangan kuantum, yuk!

Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama menyatakan tingkat energi utama elektron yang dimiliki dari suatu atom. Bilangan ini dilambangkan dengan n yang melambangkan kulit atom pada model atom Bohr. Kita review kembali bahwa pada model atom Bohr terdapat jenis kulit K (n=1), L (n=2), M (n=3), N (n=4), O (n=5), dst. Semakin besar nilai n, maka akan semakin besar juga ukuran orbital dan tingkat energinya.

Bilangan Kuantum Azimut (l)

Kalau tadi bilangan kuantum utama menyatakan kulit atom, nah kalau bilangan azimuth ini menyatakan suatu bentuk orbital atau sub-kulit atom. Lalu, banyaknya sub kulit ini tergantung pada banyaknya tingkat energi utama (kulit). Maksudnya begini, kalau jumlah kulit (n) adalah 1, maka sub kulit (l) yang diperbolehkan hanya 1. Coba deh lihat di bawah ini:

bilangan kuantum azimut
Bilangan kuantum azimuth (sumber gambar: video materi Zenius)

Begitu seterusnya, tapi untuk saat ini belum ditemukan atom yang elektronnya mengisi sub kulit 5g, sehingga hanya dibahas sampai sub kulit s, p, d, dan f.

Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Selanjutnya adalah bilangan kuantum magnetik yang dilambangkan dengan m. Bilangan ini menyatakan orientasi dari orbital, bentuk khusus orbital, atau ukuran orbital. Dimana nilai m yang diperbolehkan yaitu m = –l  sampai +l.

bilangan kuantum magnetik
Bilangan kuantum azimuth (sumber gambar: video materi Zenius)

Dari gambar di atas, kamu bisa mengetahui bahwa sub kulit s (l=0) memiliki harga m=0 yang artinya dia hanya punya 1 buah orbital. Kemudian, sub kulit p (l=1) memiliki harga m=-1, 0, 1 yang artinya dia memiliki 3 buah orbital. Begitu deh seterusnya.

Bilangan Kuantum Spin (s)

Bilangan kuantum yang terakhir adalah spin atau dilambangkan dengan huruf s. Tahukah kamu bahwa selain berevolusi mengelilingi inti, ternyata elektron juga berotasi lho, guys. Nah, itulah yang akan dibahas pada bilangan kuantum spin, dimana bilangan ini akan mendeskripsikan arah spin elektron di dalam orbital. Harga s yang diperbolehkan adalah – ½ atau + ½.

bilangan kuantum spin
Bilangan kuantum spin, penulisan tanda panah ke atas didahulukan (sumber gambar: video materi Zenius)

Harga s = + ½ dilambangkan dengan tanda panah mengarah ke atas, sedangkan untuk harga s = – ½ dilambangkan dengan tanda panah yang mengarah ke bawah. Dalam penulisannya, tanda panah mengarah ke atas harus diutamakan atau didahulukan.

 

Konfigurasi Elektron

Selanjutnya, kita akan mempelajari tentang konfigurasi elektron. Wah apa itu? Konfigurasi elektron merupakan gambaran distribusi elektron dalam orbital-orbital penyusun atom. Kamu harus tau dulu nih prinsip-prinsip dalam menyusun atom, yaitu asas aufbau, kaidah hund, dan larangan pauli.

Asas Aufbau

Asas ini menyatakan bahwa pengisian elektron dimulai dari sub kulit yang memiliki tingkat energi terendah lebih dulu. Begini urutan dari tingkat energi yang terendah hingga yang tertinggi:

konfigurasi elektron asas aufbau mekanika kuantum
Tingkatan energi menurut asas aufbau (sumber gambar: video materi Zenius)

Kaidah Hund

Kaidah selanjutnya adalah kaidah hund, yang menyatakan bahwa elektron di dalam suatu orbital tidak boleh berpasangan sebelum masing-masing orbital dalam sub kulit terisi masing-masing 1 elektron. Agar lebih jelas, coba lihat pada gambar di bawah ini:

Konfigurasi elektron kaidah hund
Penulisan orbital sesuai kaidah hund (sumber gambar: video materi Zenius)

Pada kaidah hund ini juga terdapat penyimpangan konfigurasi pada sub kulit d. Ternyata, sub kulit d menyukai keadaan stabil, yaitu ketika ½ penuh dan penuh. Contohnya bisa dilihat pada kasus Cr dan Cu berikut ini:

kaidah hund mekanika kuantum
Contoh penyimpangan konfigurasi sub kulit d (sumber gambar: video materi Zenius)

Bisa dilihat bahwa pada orbital d sebenarnya tidak stabil karena kosong. Agar sub kulit d stabil, maka 1 elektron dari sub kulit s diberikan kepada d, sehingga d menjadi stabil.

Asas Larangan Pauli

Terakhir, ada asas larangan pauli. Asas ini menyebutkan bahwa elektron-elektron dalam menyusun atom memiliki masing-masing empat bilangan kuantum yang berbeda. Jadi, gak bisa tuh ada yang sama bilangan kuantumnya di dalam satu atom. Hal ini karena keempat bilangan kuantum menyatakan alamat dari suatu elektron. Coba kamu lihat dari contoh di bawah ini:

Larangan pauli mekanika kuantum
Asas larangan pauli menggunakan bilangan kuantum yang berbeda pada setiap atom (sumber gambar: video materi Zenius)

Dari contoh di atas, kita bisa tau kalau tidak ada bilangan kuantum yang sama di dalam atom S tersebut. Kalau m-nya sama, maka s-nya berbeda.

 

Contoh Soal Bilangan Kuantum

Gimana nih guys, masih bingung gak? Udah paham dong pastinya. Biar makin paham lagi, yuk lihat contoh soal dan pembahasan di bawah ini!

Soal 1:

Tentukan konfigurasi elektron dari H, He, Li, O, Na, Ca, Fe, dan Br berdasarkan prinsip aufbau!

Pembahasan soal 1:

contoh soal dan pembahasan mekanika kuantum

Soal 2:

Tentukan keempat bilangan kuantum elektron terakhir dari atom Na, Fe, dan Co!

Pembahasan 2:

contoh soal dan pembahasan bilangan kuantum

Itu dia penjelasan dari materi kimia tentang mekanika kuantum. Sekarang udah paham ‘kan tentang mekanika kuantum? Jadi, kamu udah gak perlu lagi ketakutan kalau bertemu dengan contoh-contoh soal di atas. Semoga penjelasan di atas bisa bermanfaat ya buat kamu. Oh iya, kamu juga boleh banget langsung cek di sini buat tonton video materi dari kakak tutor kimia yang super duper keren, tentunya bakal bikin kamu bersahabat dengan kimia. Jangan lelah untuk belajar ya, guys! Have a nice day!

 

Baca Juga Artikel Lainnya

Struktur Atom

Sifat Periodik Unsur

Larutan Elektrolit dan Non Elektrolit