Tabel periodik dan sifat periodik: golongan, periode, logam, nonlogam, dan keelektronegatifan

Sebuah hotel memakai tablet klor untuk menara pendingin dan tablet brom untuk kolam air panas. Teknisi baru bertanya mengapa dua bahan yang namanya berbeda dipakai untuk pekerjaan yang sama. Di gudang yang sama ada soda kaustik dan kalium hidroksida, juga dua nama berbeda dengan sifat yang sangat mirip: keduanya alkali kuat, keduanya merusak aluminium, keduanya membakar kulit.

Kemiripan itu bukan kebetulan. Klor dan brom berada di kolom yang sama dalam tabel periodik, begitu pula natrium dan kalium. Unsur dalam satu kolom punya susunan elektron terluar yang serupa, sehingga sifat kimianya serupa. Bab ini menjelaskan cara membaca tabel periodik sebagai peta sifat, dan tidak hanya sebagai daftar nama.

Batas pembahasan

Bab ini membahas susunan tabel periodik, golongan dan periode, blok, logam dan nonlogam, golongan-golongan penting di lapangan, kecenderungan sifat periodik, sifat oksida, dan cara membaca satu kotak tabel. Uraiannya berhenti pada tingkat ramalan dari letak unsur; data teknis bahan dan produk tetap dibaca dari lembar data masing-masing.

Isi atom, isotop, ion, dan konfigurasi elektron dibahas di Bab 2 tentang struktur atom. Ikatan kimia yang memakai keelektronegatifan dibahas di Bab 4 tentang ikatan kimia. Perhitungan jumlah zat dengan massa molar dibahas di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri. Korosi logam dibahas di Bab 1 · Material tentang struktur material dan korosi, alkali pembersih di Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih, dan kesadahan di Bab 4 · Laundry tentang air sebagai bahan baku laundry.

Susunan menurut nomor atom

Tabel periodik modern menyusun unsur menurut nomor atom yang makin besar. Hukum periodik (periodic law) menyatakan bahwa sifat unsur merupakan fungsi berkala dari nomor atomnya. Artinya, bila unsur diurutkan menurut nomor atom, sifat-sifat yang mirip muncul kembali secara berkala. Tabel periodik juga disebut prinsip pemersatu kimia modern.

Periode (period) adalah baris mendatar tabel periodik. Nomor periode sama dengan jumlah kulit elektron yang terisi pada atom unsur itu. Golongan (group) adalah kolom tegak tabel periodik. Unsur dalam satu golongan punya jumlah elektron valensi yang sama, atau susunan elektron terluar yang serupa, dan karena itu sifat kimianya mirip.

Ada dua sistem penomoran golongan. Sistem internasional memakai angka 1 sampai 18 dari kiri ke kanan. Sistem lama yang masih banyak dipakai di buku Indonesia memakai 1A sampai 8A untuk golongan utama dan 1B sampai 8B untuk logam transisi; sistem ini adalah penomoran yang dipakai di Amerika Serikat. Bab ini memakai angka 1 sampai 18, dengan padanan sistem lama bila membantu: golongan 1 = 1A, golongan 2 = 2A, golongan 13 sampai 18 = 3A sampai 8A.

Dari daftar massa ke nomor atom

Pada abad ke-19, para kimiawan menyusun unsur yang sudah dikenal menurut massa atomnya dan melihat bahwa sifat mirip muncul berulang. Mendeleev membuat tabel yang membiarkan kotak kosong untuk unsur yang belum ditemukan, lalu meramalkan sifat unsur-unsur itu dari tetangganya. Ketika galium dan germanium ditemukan kemudian, sifatnya cocok dengan ramalan itu. Keberhasilan meramal adalah alasan tabel periodik dipercaya.

Penyusunan menurut massa menyisakan beberapa urutan yang janggal. Awal abad ke-20, percobaan sinar-X menunjukkan bahwa yang naik teratur dari satu unsur ke unsur berikutnya adalah muatan inti, yaitu nomor atom. Sejak itu tabel disusun menurut nomor atom, dan urutan yang janggal itu hilang. Bagi pembaca lapangan, sejarah ini mengajarkan satu hal: tabel periodik adalah alat ramal yang teruji, sehingga sifat unsur yang belum dikenal dapat diperkirakan dari letaknya sebelum mencari datanya.

Blok s, p, d, dan f

Bentuk tabel periodik mengikuti pengisian subkulit yang dibahas di Bab 2 tentang struktur atom. Blok (block) adalah kelompok golongan yang elektron terakhirnya mengisi jenis subkulit yang sama. Dua golongan paling kiri adalah blok s, karena elektron terakhirnya mengisi subkulit s. Enam golongan paling kanan adalah blok p. Sepuluh golongan di tengah, dari golongan 3 sampai 12, adalah blok d. Logam transisi (transition metal) adalah sebutan untuk unsur blok d ini. Dua baris yang biasanya diletakkan terpisah di bawah tabel adalah blok f, yaitu lantanida dan aktinida.

Pembagian blok ini menjelaskan mengapa periode pertama hanya berisi dua unsur, periode kedua dan ketiga delapan, dan periode keempat delapan belas: jumlah itu sama dengan kapasitas subkulit yang terisi pada periode tersebut.

Logam, nonlogam, dan metaloid

Sekitar tiga perempat unsur adalah logam. Logam (metal) adalah unsur yang berkilap, menghantar listrik dan panas dengan baik, dapat ditempa dan ditarik menjadi kawat, dan dalam reaksi cenderung melepas elektron menjadi kation. Semua logam padat pada suhu ruang kecuali raksa.

Nonlogam (nonmetal) adalah unsur di kanan atas tabel yang dalam reaksi dengan logam cenderung menerima elektron menjadi anion. Banyak yang berupa gas pada suhu ruang, seperti oksigen, nitrogen, dan klor; yang padat, seperti belerang dan karbon dalam bentuk arang, umumnya rapuh dan menghantar listrik dengan buruk.

Metaloid (metalloid) adalah unsur yang sifatnya di antara logam dan nonlogam, seperti silikon dan germanium. Letaknya di sepanjang garis zig-zag dari boron ke astatin. Silikon menghantar listrik lebih baik daripada nonlogam tetapi jauh lebih buruk daripada logam, dan daya hantarnya dapat diatur. Sifat itu menjadi dasar semikonduktor yang dibahas di Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor.

Golongan yang sering dijumpai di lapangan

Golongan 1, logam alkali (alkali metals: litium, natrium, kalium). Satu elektron valensi yang mudah lepas membuat logamnya sangat reaktif; di alam dan di lapangan unsur-unsur ini selalu dijumpai sebagai ion Na⁺ dan K⁺. Hidroksidanya, natrium hidroksida dan kalium hidroksida, adalah alkali kuat yang dipakai dalam produk pembersih. Bab 6 · Laundry membahas alkali pembersih.

Golongan 2, logam alkali tanah (alkaline earth metals: magnesium, kalsium, barium). Dua elektron valensi menghasilkan ion Mg²⁺ dan Ca²⁺, yaitu ion penyebab kesadahan air. Karbonat kalsium dan magnesium sukar larut, dan itulah kerak putih di pemanas, nosel, dan pipa. Bab 4 · Laundry membahas kesadahan di laundry.

Logam transisi (antara lain kromium, besi, nikel, tembaga, seng). Banyak yang dapat membentuk ion dengan muatan berbeda, seperti Fe²⁺ dan Fe³⁺, dan banyak senyawanya berwarna. Besi adalah bahan utama baja; kromium dan nikel membuat baja tahan karat; seng melapisi baja galvanis; tembaga dipakai untuk pipa dan kabel. Bab 1 · Material membahas korosi logam-logam ini.

Aluminium (golongan 13). Ringan dan tahan korosi di udara karena lapisan oksidanya, tetapi lapisan itu larut dalam alkali kuat dan juga dalam asam kuat. Itu sebabnya nampan dan bagian aluminium rusak bila dicuci dengan deterjen mesin pencuci piring yang sangat alkali. Garam aluminium juga dipakai sebagai koagulan di pengolahan air; proses koagulasi dibahas di Bab 3 · Air & Pengolahan Air tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi.

Golongan 15 dan 16 (nitrogen, fosfor, oksigen, belerang). Fosfor dijumpai sebagai fosfat dalam bahan pembangun deterjen dan dalam limbah; belerang sebagai sulfat dalam air; oksigen di hampir semua senyawa yang dibahas di rak ini.

Golongan 17, halogen (halogens: fluor, klor, brom, iod). Tujuh elektron valensi membuat halogen mudah menerima satu elektron, sehingga halogen adalah oksidator. Senyawa klor dan brom dipakai sebagai disinfektan dan pemutih. Ion kloridanya sendiri tidak mengoksidasi, tetapi kadar klorida yang tinggi mempercepat korosi sumuran pada baja tahan karat. Bab 8 · Laundry membahas pemutih berbasis klor.

Golongan 18, gas mulia (noble gases: helium, neon, argon). Kulit terluar penuh membuat gas mulia hampir tidak bereaksi. Argon dipakai sebagai gas pelindung pada pengelasan karena tidak bereaksi dengan logam cair.

Kecenderungan sifat periodik

Karena susunan elektron berubah secara teratur di sepanjang tabel, beberapa sifat juga berubah secara teratur. Jari-jari atom termasuk sifat periodik yang paling sistematik.

Jari-jari atom (atomic radius) menyatakan ukuran atom. Nilainya bertambah dari atas ke bawah dalam satu golongan, karena jumlah kulit bertambah. Dari kiri ke kanan dalam satu periode, jari-jari berkurang, karena jumlah proton bertambah sementara elektron masuk ke kulit yang sama, sehingga elektron ditarik lebih kuat ke inti.

Energi ionisasi (ionization energy) adalah energi untuk melepas satu elektron dari atom gas. Energi ini berkurang dari atas ke bawah dan bertambah dari kiri ke kanan, sehingga logam di kiri bawah melepas elektron paling mudah. Ada pengecualian kecil yang dijelaskan oleh susunan subkulit: energi ionisasi pertama oksigen lebih rendah daripada nitrogen.

Keelektronegatifan (electronegativity) adalah kemampuan atom dalam ikatan untuk menarik elektron ke arahnya. Keelektronegatifan bertambah dari kiri ke kanan dan berkurang dari atas ke bawah, sehingga fluor paling elektronegatif dan logam alkali di kiri bawah paling rendah. Skala yang paling umum adalah skala Pauling, tanpa satuan. Angkanya hanya dipakai untuk membandingkan daya tarik atom terhadap elektron ikatan; keelektronegatifan bukan energi, berbeda dari energi ionisasi. Tabel berikut memuat nilai skala Pauling, dibulatkan dua desimal, untuk unsur yang sering muncul di bab ini. Bab 4 memakai nilai ini untuk menilai kepolaran ikatan.

Kereaktifan logam bertambah dari atas ke bawah dalam satu golongan, karena elektron valensi makin mudah lepas; kalium lebih reaktif terhadap air daripada natrium. Dari kiri ke kanan di sisi kiri tabel, kereaktifan menurun. Untuk nonlogam seperti halogen, kecenderungannya terbalik: fluor paling reaktif dan kereaktifan berkurang ke bawah, karena atom yang lebih kecil lebih kuat menarik elektron tambahan.

Kecenderungan ini dapat dipakai untuk memperkirakan sifat unsur yang tidak diukur. Titik didih dan jari-jari atom sesium, misalnya, dapat diperkirakan dari tren golongannya.

Oksida logam bersifat basa, oksida nonlogam bersifat asam

Sifat logam dan nonlogam tampak jelas pada oksidanya. Oksida logam golongan 1 dan 2 bereaksi dengan air membentuk hidroksida yang basa. Kapur tohor, yaitu kalsium oksida, bereaksi dengan air menjadi kalsium hidroksida dan melepaskan banyak panas; kapur ini dipakai untuk menaikkan pH air dan limbah. Oksida nonlogam bereaksi dengan air membentuk asam. Karbon dioksida yang larut membentuk asam karbonat yang lemah, sehingga air hasil osmosis balik yang tidak lagi mengandung bikarbonat sering sedikit asam karena karbon dioksida dari air umpan lolos melalui membran, seperti dicatat Bab 15 · Air & Pengolahan Air tentang regulasi dan standar instalasi RO air minum. Belerang dioksida dari pembakaran bahan bakar membentuk asam yang lebih kuat.

Oksida amfoter (amphoteric oxide) adalah oksida yang dapat bereaksi baik dengan asam maupun dengan basa, seperti aluminium oksida dan seng oksida. Itulah alasan aluminium dan seng rusak oleh asam kuat dan juga oleh alkali kuat, seperti di Contoh 3. Pola basa di kiri, amfoter di tengah, dan asam di kanan tabel adalah satu lagi kecenderungan periodik yang dapat diramal dari letak unsur. Asam dan basa dibahas lebih dalam di Bab 8 tentang larutan dan pH, dan di tingkat kuantitatif di Bab 15 tentang asam-basa lanjut.

Membaca satu kotak tabel periodik

Setiap kotak memuat paling sedikit lambang unsur, nomor atom, dan massa atom relatif. Nomor atom adalah bilangan bulat dan menentukan letak unsur. Massa atom relatif adalah rata-rata tertimbang isotop, seperti dijelaskan di Bab 2. Massa molar seng, misalnya, terbaca 65,39 g dari satu tabel periodik, sedangkan tabel yang lebih baru menulis 65,38. Perbedaan desimal terakhir seperti ini wajar antara terbitan, dan yang penting adalah memakai satu tabel secara konsisten dalam satu perhitungan.

Tabel yang lebih lengkap juga memuat keelektronegatifan, konfigurasi elektron singkat, wujud pada suhu ruang, dan kadang massa jenis atau titik leleh. Warna latar kotak biasanya membedakan logam, nonlogam, dan metaloid. Isi kotak berbeda antarterbitan, sehingga keterangan di tepi tabel perlu dibaca lebih dulu supaya angka yang dibaca adalah besaran yang dimaksud.

Massa rumus relatif (relative formula mass) adalah jumlah massa atom relatif semua atom dalam rumus senyawa. Natrium hidroksida NaOH bermassa rumus $22{,}99 + 16{,}00 + 1{,}008 = 40{,}00$. Angka ini menjadi dasar perhitungan mol di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri.

Contoh kerja

Contoh 1: Meramal muatan ion dari golongan. Aluminium di golongan 13 punya tiga elektron valensi dan membentuk Al³⁺. Oksigen di golongan 16 menerima dua elektron menjadi O²⁻. Brom di golongan 17 menerima satu elektron menjadi Br⁻. Kalium di golongan 1 membentuk K⁺. Ramalan ini berlaku baik untuk golongan utama; logam transisi perlu dilihat satu per satu.

Contoh 2: Membandingkan kereaktifan. Natrium dan kalium sama-sama golongan 1. Kalium satu periode lebih bawah, jari-jarinya lebih besar, dan elektron valensinya lebih mudah lepas, sehingga kalium bereaksi lebih keras dengan air. Hidroksidanya sama-sama alkali kuat. Dalam produk pembersih, pilihan antara keduanya lebih ditentukan kelarutan dan harga daripada kekuatan alkalinya.

Contoh 3: Nampan aluminium di mesin pencuci piring. Deterjen mesin pencuci piring yang sangat alkali melarutkan lapisan oksida aluminium dan kemudian logamnya, sehingga nampan menjadi kusam, berbintik, lalu berlubang. Reaksi itu juga melepaskan gas hidrogen. Pilihan yang tepat adalah deterjen yang dinyatakan aman untuk aluminium menurut SDS dan lembar data produknya, atau nampan dari bahan lain.

Contoh 4: Kecenderungan halogen. Fluor dan klor berupa gas pada suhu ruang, brom cair, dan iod padat. Titik didih naik ke bawah golongan karena molekulnya makin besar. Sebaliknya, daya oksidasinya turun ke bawah golongan. Klor pada pemutih lebih reaktif daripada brom, tetapi senyawa brom lebih stabil pada suhu tinggi dan pH tertentu, sehingga dipakai di air panas. Rincian kimia disinfeksi ada di Bab 3 · Air & Pengolahan Air tentang desinfeksi air dan Bab 8 · Laundry tentang pemutih.

Contoh 5: Massa rumus relatif. Kalsium karbonat CaCO₃: $40{,}08 + 12{,}01 + 3 \times 16{,}00 = 100{,}09$. Kalium hidroksida KOH: $39{,}10 + 16{,}00 + 1{,}008 = 56{,}11$. Aluminium sulfat Al₂(SO₄)₃: $2 \times 26{,}98 + 3 \times (32{,}07 + 4 \times 16{,}00) = 342{,}17$. Pada aluminium sulfat, tanda kurung berarti seluruh gugus sulfat dihitung tiga kali.

Contoh 6: Meramal sifat oksida. Magnesium oksida dari golongan 2 bersifat basa. Belerang trioksida dari golongan 16 bersifat asam. Seng oksida dari golongan 12 bersifat amfoter. Ramalan ini cocok dengan pemakaian: magnesium oksida dipakai untuk menetralkan asam, dan lapisan seng pada baja galvanis rusak bila sering terkena alkali kuat maupun asam kuat.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada petugas yang berwenang bila salah satu keadaan berikut ditemukan:

1. Benda aluminium dicuci atau direndam dalam larutan alkali kuat di wadah tertutup. Gas hidrogen yang terbentuk mudah terbakar dan dapat menekan wadah; buka ventilasi dan pindahkan benda aluminium.
2. Produk yang melepaskan klor atau brom akan dicampur dengan produk lain di luar petunjuk SDS. Campuran oksidator halogen dengan asam atau amonia menghasilkan gas berbahaya; ikuti Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan campuran berbahaya.
3. Logam alkali murni atau bahan yang bereaksi dengan air ditemukan di gudang. Jangan dibersihkan dengan air; tangani menurut SDS oleh petugas yang berwenang.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang struktur atom memberi susunan elektron yang menentukan letak unsur, dan Bab 4 tentang ikatan kimia memakai keelektronegatifan untuk menilai jenis ikatan. Massa rumus relatif dipakai lagi di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri. Bab 1 · Material tentang struktur material dan korosi membahas korosi logam transisi, Bab 6 · Laundry tentang kimia pembersih membahas alkali pembersih, Bab 4 · Laundry tentang air laundry membahas kesadahan, dan Bab 8 · Laundry tentang oksidator membahas pemutih berbasis halogen. Bab 3 · Air & Pengolahan Air tentang koagulasi dan desinfeksi membahas pengolahan air, Bab 5 · Air & Pengolahan Air tentang osmosis balik membahas membrannya dan Bab 15 · Air & Pengolahan Air tentang regulasi instalasi RO mencatat pH air hasilnya, Bab 8 tentang larutan dan pH membahas asam dan basa, dan Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor membahas silikon sebagai semikonduktor.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan alasan dari letak unsur dalam tabel. Massa atom relatif yang tidak tertulis di soal dibaca dari contoh bab ini atau dari tabel periodik.