MATERI
KONFIGURASI ELEKTRON
1.
Pengertian konfigurasi elektron
Konfigurasi elektron
adalah susunan atau distribusi elektron-elektron pada sebuah atom atau molekul.
Susunannya mengikuti aturan khusus. Aturan tersebut antara lain prinsip aufbau,
kaidah hund, dan larangan pauli. Menurut hukum mekanika kuantum, untuk sistem
yang hanya memiliki satu elektron, elektronnya dapat berpindah dari satu
konfigurasi ke konfigurasi lain dalam bentuk foton. Konfigurasi elektron
menunjukkan jumlah elektron pada setiap sublevel. Sublevel pertama adalah 1s,
kemudian 2s, 2p, 3s, 3p, dan seterusnya. Masing-masing elektron dapat berpindah
dengan sendirinya di dalam sebuah orbital. Salah satu contoh konfigurasi
elektron adalah atom neon dengan konfigurasi 1s2 2s2 2p6. Pengetahuan tentang
konfigurasi elektron di setiap atom sangat berguna untuk memahami struktur
tabel periodik. Konsep konfigurasi elektron ini juga berguna untuk menjelaskan
konsep ikatan kimia, sifat laser, dan semikonduktor.
2.
Kulit dan Subkulit dalam Konfigurasi Elektron
Konfigurasi elektron
didasari oleh model atom Bohr dan masih digunakan untuk menjabarkan kulit dan
subkulit selain pemahaman mekanika kuantum yang lebih kompleks. Sebuah kulit
elektron adalah beberapa subkulit yang berbagi bilangan kuantum yang sama yaitu
n (nomor sebelum angka dalam sebuah orbital). Sebuah atom dengan kulit ke-n
dapat berisi 2n2 elektron. Misalnya, kulit pertama dapat berisi 2 elektron,
kulit kedua dapat berisi hingga 8 elektron, dan kulit ketiga 18 elektron.
Faktor yang membuatnya selalu genap adalah karena subkulit dapat menjadi dua bergantung
pada putaran elektronnya. Setiap orbital dapat dimasuki sampai dua elektron
dengan putaran yang berlawanan, satu dengan putaran +1/2 (biasanya dilambangkan
dengan tanda panah ke atas) dan satu dengan putaran –1/2 (dilambangkan dengan
tanda panah ke bawah).
Subkulit adalah sebuah
tempat di dalam kulit yang berisi bilangan azimuth yaitu ℓ. Nilai dari ℓ (0, 1,
2, atau 3) sesuai dengan masing-masing label s, p, d, dan f. Jumlah maksimum
elektron yang bisa ditempatkan di sebuah subkulit dirumuskan sebagai 2(2ℓ+1).
Pada subkulit s maksimum 2, 6 elektron pada subkulit p, 10 pada subkulit d, dan
14 pada subkulit f.
Jumlah elektron yang
dapat mengisi setiap kulit dan masing-masing subkulit muncul dari perhitungan
mekanika kuantum, tertama prinsip larangan Pauli, dimana tidak ada dua elektron
di satu atom yang memiliki nilai bilangan kuantum yang sama.
3.
Notasi Konfigurasi Elektron
Ahli fisika dan ahli
kimia menggunakan notasi standar untuk mengetahui konfigurasi elektron dari
sebuah atom dan molekul. Untuk atom, notasinya terdiri dari urutan orbital atom
(contoh: untuk fospor urutannya adalah 1s, 2s, 2p, 3s, 3p) dengan nomor
elektron mengisi masing-masing orbital dalam format superscript. Contoh,
hidrogen memiliki satu elektron dalam orbital s kulit pertama, jadi
konfigurasinya ditulis 1s1. Litium memiliki dua elektron di subkulit 1s dan
satu elektron di subkulit 2s sehingga konfigurasi elektronnya ditulis 1s2 2s1
(dibaca “satu-s-dua, dua-s-satu”). Fosfor dengan nomor atom 15 memiliki
konfigurasi elektron 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. Konfigurasi elektron pada molekul
ditulis dengan cara yang sama.
Superscript 1 pada
notasi tidak wajib dicantumkan. Umumnya hurup orbital (s, p, d, f) dicetak
miring meskipun IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry
merekomendasikan huruf normal. Huruf yang dicetak miring saat ini digunakan
untuk mewakili salah satu kategori garis spektrum seperti “sharp”, “principal”,
“diffuse”, dan “fundamental” (atau “fine”).
·
Penyingkatan Konfigurasi Elektron
Untuk atom dengan banyak
elektron, notasi ini dapat menjadi sangat panjang. Maka dari itu, diperlukan
sebuah singkatan untuk mewakili notasi tertentu. Gas mulia (2 He, 10 Ne, 18 Ar,
36 Kr, 54 Xe, dan 86 Rn) bisa digunakan untuk mewakili notasi tertentu.
Misalnya fosfor yang salah satu bagian notasinya diwakili oleh neon (1s2 2s2
2p6) sehingga menjadi [Ne] 3s2 3p3. Kaidah ini sangat berguna untuk membantu
memahami konfigurasi elektron yang panjang.
·
Aturan Penuh Setengah Penuh
Sifat ini berhubungan
erat dengan hibridisasi elektron. Aturan ini menyatakan bahwa “suatu elektron
mempunyai kecenderungan untuk berpindah orbital apabila dapat membentuk susunan
elektron yang lebih stabil”. Untuk konfigurasi elektron yang berakhir pada sub
kulit d berlaku aturan penuh dan setengah penuh. Contohnya adalah sebagai
berikut:
24Cr = 1s2 2s2 2p6 3s2
3p6 4s2 3d4 menjadi 24Cr = 1s2 2s2 2p6
3s2 3p6 4s1 3d5
Dari contoh diatas
terlihat apabila 4s diisi 2 elektron maka 3d kurang satu elektron untuk menjadi
setengah penuh. Maka elektron dari 4s akan berpindah ke 3d.
·
Konfigurasi Elektron Ion
Unsur yang mengalami
ionisasi akan mengalami perubahan jumlah elektron. Misalnya adalah besi (Fe)
yang mempunyai nomor atom 26 dan mempunyai konfigurasi elektron [Ar] 3d64s2.
Jika Fe terionisasi menjadi Fe2+, maka elektron Fe berkurang 2 dari jumlah
asal. Sehingga konfigurasi Fe2+ adalah [Ar] 3d6. Ingat, jika sebuah atom
mengalami ionisasi maka yang berkurang adalah elektron valensi (elektron
terluar).
4.
Energi dalam Konfigurasi Elektron
Energi dikaitkan dengan
elektron dalam orbital. Energi dalam sebuah konfigurasi sering mendekati jumlah
energi di setiap elektron dengan mengabaikan interaksi antar elektron.
Konfigurasi yang memiliki energi terendah disebut keadaan dasar (ground state).
Sedangkan konfigurasi lainnya disebut keadaan tereksitasi (excited state).
Sebagai contoh, keadaan
dasar konfigurasi atom sodium adalah 1s2 2s2 2p6 3s, yang berasal dari prinsip
Aufbau. Keadaan tereksitasi pertama diperoleh dengan menukar elektron 3s
menjadi 3p sehingga menjadi 1s2 2s2 2p6 3p yang dapat disingkat menjadi level
3p. Atom dapat berpindah dari satu konfigurasi ke konfigurasi lain dengan
menyerap atau melepaskan energi.
5.
Sejarah Konfigurasi Elektron
Niels Bohr (1923) adalah
orang pertama yang mengusulkan bahwa perioditas dalam tabel periodik dapat
dijabarkan dengan struktur elektron dalam atom. Usul tersebut didasari oleh
model atom Bohr miliknya dimana kulit elektron memiliki orbit dengan jarak
tertentu dari nukleus (inti atom). Konfigurasi awal Bohr terlihat aneh dalam
ilmu kimia masa kini: misalnya sulfur memiliki konfigurasi 2.4.4.6 sedangkan
yang sekarang adalah 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 (2.8.6).
Beberapa tahun kemudian,
E. C. Stoner bersama Sommerfield berhasil menjabarkan kulit elektron dan secara
tepat memprediksi struktur kulit sulfur adalah 2.8.6. Namun, tidak ada sistem
baik milik Bohr maupun Stoner dapat menjabarkan dengan benar perubahan spektrum
atom dalam zona magnetik (efek Zeeman).
Bohr sangat menyadari
kekurangan prinsipnya tersebut. Ia menulis surat untuk temannya Wolfgang Pauli
untuk meminta bantuannya untuk menjaga teori kuantumnya (sistem yang kini
dikenal sebagai “teori kuantum lama”). Pauli menyadari bahwa efek Zeeman hanya
berlaku pada elektron terluar dari atom dan dapat mereproduksi struktur kulit
Stoner.
Persamaan Schrödinger
yang dipublikasikan pada tahun 1926 memberikan tiga dari empat bilangan kuantum
sebagai kesimpulan langsung dari penyelesaiannya terhadap atom hidrogen.
Penyelesaiannya tersebut merupakan hasil dari orbital atom yang saat ini diajarkan
di textbook kimia.
6.
Prinsip Aufbau dan dan Aturan Madelung dalam Konfigurasi Elektron
Prinsip Aufbau adalah
bagian penting dari konsep Bohr tentang konfigurasi elektron. Istilah “Aufbau”
merupakan bahasa Jerman yang berarti “konstruksi”. Prinsip tersebut dinyatakan
sebagai:
“Maksimal dua elektron
dimasukkan ke dalam orbital untuk meningkatkan energi orbital: energi terendah
dalam orbital diisi sebelum elektron ditempatkan di energi tertinggi dalam
orbital”.
Prinsip tersebut bekerja
dengan sangat baik (dalam keadaan dasar atom) untuk 18 elemen pertama, kemudian
berkurang terhadap 100 elemen berikutnya. Bentuk modern dari prinsip Aufbau
menjelaskan urutan energi orbital yang diberikan oleh aturan Madelung. Aturan
ini pertama kali dinyatakan oleh Charles Janet pada tahun 1929, kemudian
diteliti ulang oleh Erwin Madelung pada tahun 1936, dan diberikan pembenaran
teoritis oleh V.M. Klechkowski. Bunyi aturan Madelung adalah sebagai berikut:
1). Orbital diisi untuk
meningkatkan nilai n+l;
2). Dimana dua orbital
memiliki nilai n+l yang sama.
Berikut adalah urutan orbital pada konfigurasi
elektron:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s,
4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, (8s, 5g, 6f, 7d, 8p, dan 9s)
Supaya lebih mudah diingat, berikut adalah
ilustrasinya:
Orbital yang di dalam tanda kurung tidak berisi
atom setelah atom dengan nomor atom tertinggi yaitu Uuo = 118.
Prinsip Aufbau dapat
diaplikasikan untuk memodifikasi susunan proton dan neutron di inti atom
bersama dengan model kulit dari fisika nuklir dan kimia nuklir.
7.
Hubungan Konfigurasi Elektron dengan Tabel Periodik
Tabel Konfigurasi Elektron
Bentuk dari tabel
periodik berkaitan dengan konfigurasi elektron masing-masing atom yang terdapat
disana. Contohnya, semua golongan ke-2 tabel periodik memiliki konfigurasi
elektron [E] ns2 (dimana [E] merupakan konfigurasi gas mulia) dan memiliki
kesamaan sifat kimia. Umumnya, perioditas tabel periodik dalam blok tabel
periodik bergantung pada jumlah elektron yang diperlukan untuk mengisi subkulit
s, p, d, dan f.
Kulit elektron terluar
sering disebut “elektron valensi” dan menentukan sifat kimia. Harus diingat
bahwa kemiripan sifat kimia telah ada lebih dari satu abad sebelum teori
konfigurasi elektron. Belum jelas seberapa jauh aturan Madelung menjabarkan
(bukan hanya menjelaskan) tabel periodik. Meski beberapa sifat jelas berbeda
dengan perbedaan urutan pengisian orbital.
- · Menentukan Golongan dan Periode Tabel Periodik Suatu Unsur dengan Konfigurasi Elektron
Konfigurasi elektron
juga dapat digunakan untuk menentukan letak suatu unsur pada tabel periodik.
Periode suatu unsur sama dengan nomor kulit terbesarnya. Golongan suatu unsur
ditentukan dengan menggunakan tabel seperti dibawah.
Bila subkulit
terakhirnya pada s atau p maka unsur tersebut termasuk golongan A (utama).
Sedangkan bila subkulit terakhirnya pada d maka unsur tersebut termasuk
golongan B (transisi).Berikut adalah contoh menentukan golongan dan periode
suatu unsur dengan konfigurasi elektron:
24Cr = 1s2 2s2 2p6 3s2
3p6 4s1 3d5
Berdasarkan konfigurasi elektron diatas, maka
letak unsur adalah pada golongan VI B periode 4.
8.
Penyimpangan Konfigurasi Elektron
Berdasarkan eksperimen,
terdapat penyimpangan konfigurasi elektron dalam pengisian elektron.
Penyimpangan pengisian elektron ditemui pada elektron yang terdapat pada
orbital subkulit d dan f.
a. ⇛ Penyimpangan Konfigurasi
Elektron pada Orbital d
Penyimpangan pada
orbital subkulit d dikarenakan orbital yang setengah penuh (d5) atau penuh (d10)
bersifat lebih stabil dibandingkan dengan orbital yang hampir setengah penuh
(d4) atau hampir penuh (d8 atau d9). Dengan demikian, jika elektron terluar
berakhir pada d4, d8, atau d9, maka satu atau semua elektron pada orbital s
pindah ke orbital d. Dibawah ini adalah beberapa contoh penyimpangan orbital d.
b. ⇛Penyimpangan Konfigurasi
Elektron pada Orbital f
Pada orbital f,
sebagaimana dengan penyimpangan konfigurasi dalam orbital d, maka konfigurasi
elektron yang berakhir pada orbital f juga mengalami penyimpangan. Penyimpangan
disebabkan oleh tingkat energi orbital saling berdekatan dan hampir sama.
Penyimpangan ini berupa berpindahnya satu atau dua elektron dari orbital f ke
orbital d. Dibawah ini adalah beberapa contoh penyimpangan orbital f.
9.
Konfigurasi Elektron dalam Molekul
Dalam molekul,
konfigurasi elektronnya semakin rumit. Masing-masing molekul memiliki struktur
orbital yang berbeda. Orbital molekul ditandai berdasarkan simetrinya. Misalnya
O2 ditulis 1σg2 1σu2 2σg2 2σu2 3σg2 1πu4 1πg2, atau setara dengan 1σg2 1σu2
2σg2 2σu2 1πu4 3σg2 1πg2. Istilah 1πg2 mewakili dua elektron di dalam dua
turunan orbital ke-π* (antibonding). Berdasarkan aturan Hund, elektron tersebut
memiliki putaran paralel dalam keadaan dasar, dan dioksigen memiliki momen
magnetik (disebut paramagnetik). Penjabaran dari paramagnetisme pada dioksigen
adalah penemuan besar dalam teori orbital molekul.
Konfigurasi elektron
dari molekul poliatomik dapat berubah tanpa penyerapan atau pelepasan foton
melalui sambungan bergetar.
·
Konfigurasi Elektron dalam Padatan
Dalam padatan, elektron
menjadi sangat banyak. Elektron tidak menjadi berlainan, dan bercampur secara
efektif menjadi rentang kemungkinan keadaan secara berkelanjutan (disebut pita
elektron). Gagasan tentang konfigurasi elektron menjadi tidak relevan dan
menghasilkan teori pita.
10. Aplikasi Konfigurasi
Elektron
Penerapan konfigurasi
elektron yang paling luas adalah dalam bidang rasionalisasi sifat kimia, baik
dalam kimia organik maupun kimia anorganik. Akibatnya, konfigurasi elektron
sepanjang teori orbital molekul menjadi perbandingan modern untuk konsep
valensi yang menjelaskan jumlah dan jenis ikatan kimia.
Pendekatan lebih lanjut
juga diterapkan di kimia komputasi. Dimana digunakan untuk membuat perkiraan
kuantitatif terhadap sifat kimia. Selama beberapa tahun, perhitungan
mengandalkan perkiraan “kombinasi linear orbital atom” (LCAO), menggunakan
basis set orbital atom yang lebih besar dan lebih kompleks sebagai titik awal.
Langkah berikutnya adalah menghitung penempatan elektron di antara orbital-orbital
molekul dengan menggunakan prinsip Aufbau. Tidak semua metode penghitungan
kimia mengandalkan konfigurasi elektron. Misalnya teori tingkat fungsional
(DFT).
Untuk atom atau molekul
dengan lebih dari satu elektron, pergerakan elektron saling berhubungan.
Konfigurasi elektron dengan angka yang sangat besar diperlukan untuk
menjelaskan semua sistem multielektron, dan tidak ada energi yang dapat
dikaitkan dengan satu konfigurasi. Namun, fungsi gelombang elektron biasanya
didominasi oleh konfigurasi dalam jumlah yang sangat kecil dan gagasan
konfigurasi elektron menjadi sangat esensial untuk sistem multielektron.
Penerapan fundamental
dari konfigurasi elektron adalah dalam interpretasi terhadap spektrum atom.
Dalam kasus ini, diperlukan untuk menambahkan konfigurasi elektron dengan satu
atau lebih istilah simbol yang menjelaskan perbedaan tingkat energi yang
terdapat dalam sebuah atom. Istilah simbol dapat dikalkulasikan untuk semua
konfigurasi elektron, tidak hanya konfigurasi keadaan dasar yang tertulis dalam
tabel.
Komentar
Posting Komentar