Struktur atom: proton, neutron, elektron, isotop, ion, dan konfigurasi elektron

Seorang penyelia laundry menerima laporan uji air sumur. Isinya kolom angka dengan nama yang dikenalnya, tetapi dengan tanda yang asing: Ca²⁺ 60 mg/L, Mg²⁺ 15 mg/L, Na⁺ 30 mg/L, Cl⁻ 40 mg/L, Fe³⁺ 0,4 mg/L. Ia bertanya kepada teknisi: apa arti tanda dua plus di belakang kalsium, dan mengapa besi kadang ditulis Fe²⁺ dan kadang Fe³⁺?

Jawaban pertanyaan itu ada di dalam atom. Tanda plus dan minus menyatakan bahwa atom telah melepas atau menerima elektron, dan jumlahnya ditentukan oleh susunan elektron atom itu. Bab ini membuka atom supaya angka di laporan uji air, di SDS, dan di tabel periodik dapat dibaca dengan benar.

Batas pembahasan

Bab ini membahas partikel penyusun atom, nomor atom dan nomor massa, isotop, massa atom relatif, ion, serta susunan elektron dalam kulit dan subkulit pada tingkat pengantar. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Kimia, yang memuat bab struktur atom dari buku Kimia Dasar berbahasa Indonesia, buku kursus kimia tingkat menengah, dan buku elektronika dasar.

Pembedaan unsur, senyawa, dan campuran ada di bab sebelumnya. Pola sifat unsur dalam tabel periodik dibahas di bab berikutnya, dan ikatan antaratom di bab sesudahnya. Konsep mol dan bilangan Avogadro dibahas di bab mol dan stoikiometri pada rak ini. Kesadahan dan logam terlarut dalam air laundry dibahas di Bab 4 · Laundry.

Inti dan elektron

Atom tersusun dari inti yang sangat kecil di pusatnya dan elektron di ruang sekitarnya. Inti berisi proton dan neutron. Hampir seluruh massa atom berada di inti, sedangkan hampir seluruh volumenya adalah ruang tempat elektron berada. Buku elektronika dasar dalam sumber menyebut bahwa jumlah proton dan neutron menentukan jenis inti atom.

Atom netral punya jumlah elektron sama dengan jumlah proton, sehingga muatannya nol. Massa elektron sekitar 1/1836 massa proton, sehingga atom yang kehilangan atau mendapat beberapa elektron praktis tidak berubah massanya. Yang berubah adalah muatannya, dan muatan itu mengubah perilaku kimianya.

Bagaimana isi atom diketahui

Atom terlalu kecil untuk dilihat, dan modelnya disusun dari percobaan. Bagian ini adalah ringkasan editorial sejarah ilmu yang baku. Percobaan dengan tabung sinar katode pada akhir abad ke-19 menunjukkan bahwa semua atom mengandung partikel bermuatan negatif yang jauh lebih ringan daripada atom, yaitu elektron. Percobaan penembakan lempeng emas yang sangat tipis dengan partikel bermuatan positif menunjukkan bahwa hampir semua partikel lewat tanpa terbelokkan, tetapi sebagian kecil terpantul tajam. Kesimpulannya, muatan positif dan hampir seluruh massa atom terpusat di inti yang sangat kecil, dan sisanya ruang kosong tempat elektron berada.

Bukti bahwa elektron menempati tingkat energi tertentu datang dari cahaya. Atom yang dipanaskan memancarkan cahaya hanya pada warna-warna tertentu, karena elektron yang turun dari tingkat energi tinggi ke rendah melepaskan energi dalam jumlah tertentu. Setiap unsur punya pola warna sendiri. Natrium memberi nyala kuning, kalium ungu muda, kalsium merah bata, dan tembaga hijau kebiruan. Uji nyala dan alat fotometri nyala di laboratorium air memanfaatkan sifat ini untuk mengukur natrium dan kalium.

Nomor atom dan nomor massa

Nomor atom $Z$ adalah jumlah proton dalam inti. Nomor atom menentukan identitas unsur: setiap atom dengan 9 proton adalah fluor, setiap atom dengan 26 proton adalah besi. Buku Kimia Dasar dalam sumber memakai contoh ini: nomor atom fluor 9, jadi atom fluor punya 9 proton.

Nomor massa $A$ adalah jumlah proton ditambah neutron. Jumlah neutron karena itu $N = A - Z$. Atom ditulis dengan nomor massa di kiri atas dan nomor atom di kiri bawah lambangnya, misalnya $^{23}_{11}\text{Na}$ untuk natrium dengan 11 proton dan 12 neutron. Karena nomor atom sudah ditentukan oleh lambang, penulisan sering disingkat menjadi natrium-23 atau Na-23. Latihan menghitung proton, neutron, dan elektron untuk berbagai atom dan ion adalah latihan baku di buku sumber.

Isotop

Atom-atom satu unsur selalu punya jumlah proton yang sama, tetapi jumlah neutronnya dapat berbeda. Atom seperti itu disebut isotop. Klor di alam terdiri atas sekitar tiga perempat klor-35 dan seperempat klor-37. Karbon terutama karbon-12, dengan sedikit karbon-13 dan sangat sedikit karbon-14. Buku kursus kimia tingkat menengah dalam sumber memakai tabel isotop dan soal mengenali isotop dari jumlah partikelnya.

Isotop satu unsur punya sifat kimia yang hampir sama, karena sifat kimia ditentukan oleh elektron, dan jumlah elektron atom netral sama dengan jumlah proton. Yang berbeda adalah massanya, dan pada sebagian isotop, kestabilan intinya. Bab ini mencatat gagasan dasar teori atom yang dikutip di bab sebelumnya, bahwa semua atom satu unsur identik; isotop menunjukkan bahwa gagasan itu benar untuk sifat kimia tetapi tidak untuk massa.

Massa atom relatif

Massa atom sangat kecil, sehingga dinyatakan relatif terhadap atom acuan. Acuan internasionalnya adalah karbon-12, yang massanya ditetapkan tepat 12 satuan massa atom. Buku Kimia Dasar dalam sumber menyebut bahwa jumlah atom dalam tepat 12 g karbon-12 ditentukan melalui percobaan; jumlah itu adalah bilangan Avogadro yang dibahas di bab mol.

Massa atom relatif yang tertulis di tabel periodik adalah rata-rata massa semua isotop unsur itu, ditimbang menurut kelimpahannya di alam:

$A_\text{r} = \sum_i (\text{kelimpahan}_i \times \text{massa isotop}_i)$

Itulah sebabnya massa atom relatif klor 35,45, bukan bilangan bulat. Tidak ada atom klor yang massanya 35,45; yang ada adalah campuran atom bermassa sekitar 35 dan 37.

Untuk perhitungan lapangan, massa atom relatif dibulatkan secukupnya: hidrogen 1,008, karbon 12,01, oksigen 16,00, natrium 22,99, klor 35,45, kalsium 40,08. Angka lengkapnya dibaca dari tabel periodik yang sama untuk seluruh perhitungan, supaya hasil antarbab konsisten. Angka di tabel periodik terbitan berbeda dapat berbeda pada desimal terakhir karena pembaruan pengukuran kelimpahan isotop; perbedaan itu tidak berarti bagi pekerjaan lapangan.

Ion: atom yang bermuatan

Atom dapat melepas atau menerima elektron. Atom yang melepas elektron menjadi ion bermuatan positif, disebut kation. Atom yang menerima elektron menjadi ion bermuatan negatif, disebut anion. Jumlah proton tidak berubah, sehingga identitas unsurnya tetap. Ion kalsium tetap kalsium, tetapi sifatnya sangat berbeda dari logam kalsium: ion kalsium larut dan beredar dalam air sumur, sedangkan logam kalsium bereaksi dengan air.

Angka di belakang tanda muatan menyatakan berapa elektron yang dilepas atau diterima. Ca²⁺ telah melepas dua elektron. Cl⁻ telah menerima satu elektron. Besi dapat melepas dua atau tiga elektron, sehingga ada Fe²⁺ dan Fe³⁺, dan keduanya berperilaku berbeda di dalam air.

Sebagian ion terdiri atas beberapa atom yang terikat bersama dan membawa muatan secara keseluruhan. Ion seperti ini disebut ion poliatom. Yang paling sering dijumpai di lapangan:

Bab 8 memakai ion hidronium untuk mendefinisikan pH, dan notasi itu dipakai sama di sini.

Ion dalam air dan daya hantar listrik

Ion yang larut membawa muatan dan dapat bergerak, sehingga larutan yang mengandung ion menghantar listrik. Makin banyak ion dan makin besar muatannya, makin besar daya hantar larutan. Air murni hampir tidak menghantar; air keran menghantar sedikit; air laut dan larutan deterjen pekat menghantar jauh lebih baik. Dari sinilah alat ukur daya hantar dipakai untuk memperkirakan zat padat terlarut di air, memantau air hasil osmosis balik, dan mengendalikan dosis deterjen di mesin pencuci piring. Faktor konversi dari daya hantar ke zat padat terlarut bergantung pada jenis ion, sehingga hanya berlaku sebagai perkiraan untuk air dengan komposisi serupa.

Air alam dan larutan apa pun netral secara keseluruhan: jumlah muatan positif semua kation sama dengan jumlah muatan negatif semua anion. Laboratorium memakai sifat ini untuk memeriksa mutu hasil analisis air. Laporan yang hanya mencantumkan kation tanpa anion, atau yang jumlah muatannya sangat timpang, menunjukkan ada ion yang tidak diukur atau ada kesalahan analisis. Perhitungannya memerlukan jumlah zat dalam mol, yang dibahas di bab mol dan stoikiometri.

Ukuran atom dan ion

Atom yang melepas elektron menjadi lebih kecil, karena elektron yang tersisa ditarik oleh jumlah proton yang sama dan sering satu kulit hilang seluruhnya. Atom yang menerima elektron menjadi lebih besar, karena tolak-menolak antarelektron bertambah. Ion Na⁺ jauh lebih kecil daripada atom Na, dan ion Cl⁻ lebih besar daripada atom Cl. Ion dengan muatan lebih besar, seperti Ca²⁺ dan Mg²⁺, menarik molekul air di sekitarnya lebih kuat daripada Na⁺.

Ukuran dan muatan ion ikut menentukan perilakunya dalam proses pengolahan air. Penukar ion lebih menyukai ion bermuatan dua daripada ion bermuatan satu, dan membran osmosis balik umumnya menahan ion bermuatan dua lebih baik daripada ion bermuatan satu. Uraian prosesnya ada di rak Air; di sini cukup dicatat bahwa perbedaan itu berakar pada struktur atom.

Elektron dalam kulit

Elektron tidak tersebar sembarangan. Elektron menempati tingkat-tingkat energi yang dalam model sederhana disebut kulit, diberi nomor $n = 1, 2, 3, \ldots$ dari yang paling dekat inti. Kulit ke-$n$ dapat menampung paling banyak $2n^2$ elektron: 2, 8, 18, 32. Untuk dua puluh unsur pertama, susunannya dapat ditulis sebagai bilangan per kulit:

• Natrium (11 elektron): 2, 8, 1
• Magnesium (12): 2, 8, 2
• Klor (17): 2, 8, 7
• Kalium (19): 2, 8, 8, 1
• Kalsium (20): 2, 8, 8, 2

Elektron pada kulit terluar disebut elektron valensi, dan merekalah yang terlibat dalam reaksi dan ikatan. Atom gas mulia, seperti neon (2, 8) dan argon (2, 8, 8), punya kulit terluar penuh dan hampir tidak bereaksi. Atom lain cenderung melepas atau menerima elektron sampai susunannya menyerupai gas mulia terdekat. Natrium melepas satu elektron valensinya dan menjadi Na⁺ dengan susunan 2, 8. Klor menerima satu elektron dan menjadi Cl⁻ dengan susunan 2, 8, 8. Kalsium melepas dua dan menjadi Ca²⁺. Pola ini menjelaskan muatan ion yang tercantum di laporan uji air.

Subkulit dan orbital

Model kulit cukup untuk dua puluh unsur pertama, tetapi tidak menjelaskan logam transisi seperti besi. Model yang lebih rinci membagi setiap kulit menjadi subkulit s, p, d, dan f, yang masing-masing berisi orbital dengan kapasitas dua elektron. Subkulit s menampung 2 elektron, p menampung 6, d menampung 10, dan f menampung 14. Buku Kimia Dasar dalam sumber menganjurkan menggambar tempat-tempat orbital lebih dulu, lalu mengisinya dengan elektron, dan memakai tabel periodik untuk menentukan diagram orbital.

Urutan pengisian mengikuti energi, yang untuk unsur ringan adalah 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, lalu 3d. Subkulit 4s terisi sebelum 3d. Besi dengan 26 elektron punya susunan $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6$. Ketika menjadi ion, besi melepas elektron 4s lebih dulu: Fe²⁺ bersusunan $[\text{Ar}]\,3d^6$ dan Fe³⁺ bersusunan $[\text{Ar}]\,3d^5$. Lambang [Ar] menyingkat susunan argon. Perbedaan satu elektron d ini ikut menentukan mengapa Fe²⁺ larut dan hampir tak berwarna dalam air yang belum terkena udara, sedangkan Fe³⁺ membentuk endapan cokelat kemerahan yang menodai linen. Bab 4 · Laundry membahas besi dalam air laundry. Rincian aturan pengisian orbital termasuk pengecualiannya berada di luar tingkat dasar ini.

Contoh kerja

Contoh 1. Menghitung partikel.

Proton tidak pernah berubah untuk unsur yang sama; yang berubah antara atom dan ionnya hanya elektron.

Contoh 2. Massa atom rata-rata klor. Klor-35 bermassa 34,969 dengan kelimpahan 75,77 persen, dan klor-37 bermassa 36,966 dengan kelimpahan 24,23 persen. Massa atom relatif rata-ratanya $0{,}7577 \times 34{,}969 + 0{,}2423 \times 36{,}966 = 35{,}45$. Angka itu yang tercantum di tabel periodik.

Contoh 3. Dari susunan elektron ke muatan ion. Magnesium 2, 8, 2 melepas dua elektron menjadi Mg²⁺ (2, 8). Oksigen 2, 6 menerima dua elektron menjadi O²⁻ (2, 8). Kalium 2, 8, 8, 1 melepas satu menjadi K⁺ (2, 8, 8). Aluminium 2, 8, 3 melepas tiga menjadi Al³⁺ (2, 8).

Contoh 4. Keseimbangan muatan dalam senyawa ion. Senyawa ion netral secara keseluruhan. Kalsium klorida terdiri atas Ca²⁺ dan Cl⁻, sehingga diperlukan dua Cl⁻ untuk satu Ca²⁺: $\text{CaCl}_2$. Tawas aluminium sulfat yang dipakai sebagai koagulan di rak Air terdiri atas Al³⁺ dan SO₄²⁻; kelipatan persekutuan terkecil muatannya 6, sehingga rumusnya $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$: $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$.

Contoh 5. Massa ion dan massa atom. Atom natrium bermassa sekitar 22,99 satuan massa atom. Elektron bermassa sekitar 0,000549 satuan. Ion Na⁺ karena itu lebih ringan $0{,}000549/22{,}99 = 0{,}0024$ persen. Dalam perhitungan kimia, massa ion dianggap sama dengan massa atomnya.

Contoh 6. Dua ion besi. Fe²⁺ punya $26 - 2 = 24$ elektron dan Fe³⁺ punya 23. Air sumur yang mengandung Fe²⁺ dapat tampak jernih saat dipompa, lalu menjadi keruh kecokelatan setelah terkena udara karena Fe²⁺ teroksidasi menjadi Fe³⁺ yang membentuk endapan. Perubahan satu elektron per atom itu menjadi noda karat pada linen. Oksidasi dibahas di bab redoks pada rak ini.

Contoh 7. Elektron pada ion poliatom. Ion sulfat $\text{SO}_4^{2-}$ terdiri atas satu atom belerang (16 proton) dan empat atom oksigen (masing-masing 8 proton), jadi jumlah protonnya $16 + 4 \times 8 = 48$. Muatan −2 berarti ada dua elektron lebih banyak daripada proton, yaitu 50 elektron. Ion karbonat $\text{CO}_3^{2-}$ punya $6 + 3 \times 8 = 30$ proton dan 32 elektron.

Kondisi berhenti

Bab ini tidak memuat prosedur berbahaya. Satu akibat praktis tetap perlu diingat: air yang mengandung ion menghantar listrik. Air keran, air sumur, dan air cuci yang tumpah bukan isolator. Pekerjaan listrik di dekat air tumpahan dihentikan sampai area kering dan proteksi ruang basah dipastikan sesuai Bab 37 · Kelistrikan & Kendali.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Elektron berputar mengelilingi inti seperti planet." Model kulit adalah model tingkat energi, bukan lintasan. Untuk kebutuhan bab ini, kulit cukup dipahami sebagai urutan tingkat energi dan kapasitasnya.

"Isotop adalah unsur yang berbeda." Isotop adalah atom unsur yang sama dengan jumlah neutron berbeda. Sifat kimianya hampir sama.

"Ion bermuatan positif karena mendapat proton." Kation terbentuk karena kehilangan elektron. Jumlah proton tidak berubah dalam reaksi kimia.

"Nomor massa sama dengan massa atom relatif." Nomor massa adalah bilangan bulat jumlah proton dan neutron satu isotop. Massa atom relatif adalah rata-rata tertimbang semua isotop.

"Natrium di laporan air berarti logam natrium." Na⁺ adalah ion natrium yang larut. Logam natrium tidak dapat berada dalam air karena langsung bereaksi.

"Air yang jernih tidak menghantar listrik." Kejernihan menyangkut partikel tak larut; daya hantar menyangkut ion yang larut. Air jernih dapat mengandung banyak ion dan menghantar dengan baik.

"Fe²⁺ dan Fe³⁺ sama saja karena keduanya besi." Jumlah elektron yang berbeda membuat kelarutan, warna, dan perilaku pengolahannya berbeda.

Hubungan dengan bab lain

Bab sebelumnya membedakan unsur, senyawa, dan campuran. Bab berikutnya menyusun unsur menurut nomor atom dalam tabel periodik, dan bab ikatan kimia menjelaskan bagaimana elektron valensi membentuk ikatan. Bab 8 memakai ion hidronium untuk pH. Bab 4 · Laundry membahas kalsium, magnesium, dan besi dalam air laundry, dan rak Air memakai keseimbangan muatan pada koagulan.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan alasannya. Angka dalam soal adalah data latihan atau nilai baku.

1. Hitung proton, neutron, dan elektron untuk $^{16}\text{O}^{2-}$, $^{27}\text{Al}^{3+}$, dan $^{24}\text{Mg}^{2+}$.
2. Boron di alam terdiri atas 19,9 persen boron-10 (massa 10,013) dan 80,1 persen boron-11 (massa 11,009). Hitung massa atom relatif boron.
3. Tuliskan susunan elektron per kulit untuk kalium dan ionnya. Mengapa ion kalium bermuatan +1, bukan −7?
4. Dalam kalsium sulfat, kalsium hadir sebagai Ca²⁺. Berapa muatan ion sulfat? Dalam besi(III) sulfat $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$, berapa muatan ion besi?
5. Partikel apa yang menentukan identitas unsur, dan partikel apa yang menentukan sifat kimianya? Jelaskan dengan contoh isotop klor.
6. Mengapa air sumur yang jernih saat dipompa dapat menimbulkan noda kecokelatan di linen setelah ditampung beberapa jam?

Kunci jawaban beralasan

1. $^{16}\text{O}^{2-}$: 8 proton, 8 neutron, 10 elektron. $^{27}\text{Al}^{3+}$: 13 proton, 14 neutron, 10 elektron. $^{24}\text{Mg}^{2+}$: 12 proton, 12 neutron, 10 elektron. Ketiganya punya susunan elektron seperti neon.
2. $A_\text{r} = 0{,}199 \times 10{,}013 + 0{,}801 \times 11{,}009 = 10{,}81$. Nilai mendekati 11 karena boron-11 lebih melimpah.
3. Kalium 2, 8, 8, 1; ion K⁺ 2, 8, 8. Melepas satu elektron jauh lebih mudah daripada menerima tujuh elektron, sehingga kalium membentuk K⁺ dengan susunan seperti argon.
4. Kalsium sulfat $\text{CaSO}_4$ netral, jadi sulfat bermuatan −2. Dalam $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$, muatan negatif total $3 \times (-2) = -6$, sehingga dua ion besi membawa +6, masing-masing Fe³⁺.
5. Jumlah proton menentukan identitas unsur; susunan elektron menentukan sifat kimia. Klor-35 dan klor-37 sama-sama punya 17 proton dan 17 elektron, sehingga bereaksi hampir sama, walaupun neutronnya 18 dan 20.
6. Air sumur dapat mengandung Fe²⁺ yang larut dan hampir tidak berwarna. Setelah terkena udara, Fe²⁺ teroksidasi menjadi Fe³⁺ yang membentuk endapan cokelat kemerahan, dan endapan itu menempel pada serat sebagai noda. Bab 4 · Laundry membahas cara menanganinya.

Referensi