HYDROGEN ATOM SPECTRUM Cahaya yang dihasilkan oleh atom-atom gas hidrogen dan dianalisa dengan spektrometer membentuk spektrum garis yaitu terdiri warna merah (656 nm)-hijau (486 nm)-biru (434 nm)-ungu (410 nm). TEORI KUANTUM MAX PLANCK Tahun 1900 Max Planck mengajukan teori kuantum yang pada dasarnya merupakan gagasan tentang partikel gelombang, menurut Max Planck radiasi elektromagnet bersifat diskrit, terdiri dari paket-paket kecil (kuanta) atau partikel. Gagasan Max Planck ini bertentangan dengan teori fisika klasik yang menganggap radiasi elektromagnet sebagi gelombang kontinu, tidak merupakan partikel.

h = tetapan Planck = 6,63 . 10-34 J det Einstein mendukung gagasan max Planck dan menamai partikel radiasi tersebut dengan foton. Setiap foton mempunyai energi tertentu yang bergantung pada frekuensi atau panjang gelombangnya. E = h x f atau E = h x E = energi radiasi h = tetapan Planck = 6,63 . 10-34 J det makin besar panjang gelombang makin kecil energinya. Diantara sinar tampak, sinar ungu mempunyai energi terbesar.

Sample Problem Garis merah dari spektrum gas hidrogen mempunyai panjang gelombang 656 nm, Hitunglah: a. energi dari 1 foton b. energi dari 1 mol foton sinar merah tersebut. ( h = tetapan Planck = 6,63 . 10-34 J det ) 2. Manakah yang mempunyai energi lebih besar, sinar merah atau sinar biru? Jelaskan. Tentukan energi dari satu foton sinar biru dalam spektrum gas hidrogen yang panjang gelombangnya 486 nm. Tentukan pula energi dari satu mol foton sinar tersebut.

Jawab: Energi radiasi bergantug pada frekuensi atau panjang gelmbang dengan rumus E = h x c/ λ a. Energi 1 foton, E = 6,63. 10-34 j det x 3 x108 m det-1 656 x 10-9 m = 3,01 x 10-19 J b. Energi 1 mol foton = 6,02x 1023 foton x 3,01 x 10-19 J foton-1 = 1,81 x 105 J

Bohr’s Atomic Model Berdasarkan teori atom Rutherford dan teori kuantum Planck, Bohr mengajukan postulat tentang model atom, yaitu: Elektron-elektron dalam suatu atom mengelilingi inti pada lintasan tertentu yang disebut lintasan stasioner. Pada lintasan ini, elektron tidak menyerap atau melepaskan energi. b. Elektron akan melepaskan energi (berupa foton) jika elektron tersebut berpindah ke lintasan yang lebih rendah tingkat energinya, dan elektron akan menyerap energi jika berpindah ke lintasan dengan tingkat energi lebih tinggi (lintasan lebih luar).

Energy levels of electron The total energy of electron in each orbit is as follows Energy levels of electron n = 1  -13,60 eV n = 2  - 3,40 eV n = 3  - 1,51 eV n = 4  - 0,85 eV n = 5  - 0,54 eV n = 6  - 0,38 eV n = 7  - 0,28 eV n = ~  - 0 eV

Perpindahan electron dari kulit dalam ke kulit luar disebut eksitasi (excitation)  elektron menyerap energi Perpindahan elektron dari keadaan eksitasi ke keadaan semula disebut transisi  elektron memancarkan energi. Energi yang diserap atau dipancarkan dalam bentuk foton atau cahaya, dirumuskan : E = h x f atau E = h x ∆E= E final - Einitial

Sample problem An electron of hydrogen atom is in transition from the 2nd to the 1st shell, determine: a. the energy released (dilepas) b. the frequency of photon emitted Solution ∆E= E final - Einitial

The frequency of photon ∆E = h x ƒ ƒ = ∆E / h = -1,63 x 10-18 J / 6,63 x 10-34 Js = 2,45 x 1015 Hz

Bohr’s atomic models has several weakness: a. Bohr’s atomic models can only explain hydrogen atom while many electrons atoms cannot be explained using the Bohr’s atomic model. b. The Bohr’s atomic theory cannot explain to occurrences (pengaruh) in chemical bonds c. The Bohr’s atomic theory cannot explain the effect of magnetic field to an atomic spectrum.

QUANTUM MECHANICS THEORY The Bohr’s atomic theory was developed and corected by other scientists and finally there obtained (diperoleh) a modern atomic theory known as quantum mechancs theory. The followings are explanations about the quantum mechanics theory initiated (diawali) by de Broglie wave and Heisenberg uncertainty principle. Teori Kuantum Modern memiliki tiga dasar: Sifat gelombang materi yang dikembangkan oleh De Broglie (1924) Persamaan gelombang yang dikembangkan oleh Schrodinger (1927) Prinsip ketidakpastian yang dikembangkan oleh Heisenberg (1927). 1. Tahun 1923 seorang fisikawan Perancis, Louis De Broglie mengusulkan bahwa semua partikel (tidak hanya foton) mempunyai sifat gelombang dan partikel. De Broglie menghitung bahwa setiap partikel mempunyai panjang gelombang yang sama dengan konstanta plank (h) yang dibagi dengan momentum partikel (p).

λ = = λ = wavelength of particle (m) h = Planck’s constant = 6,63 x 10-34 Js m = mass of particle (Kg) v = speed of particle (m/s) SOAL: Tentukan panjang gelombang electron yang bergerak dengan kecepatan 6 x 107 m/s dengan massa elektron 9,11 x 10-31 Kg, Tentukan pula radiasidengan panjang gelombang tersebut ada di daerah .... 2. Tentukan panjang gelombang bola tenis yang bergerak dengan kecepatan 200 Km/detik dan masa bola 20 gram, tentukan pula apakah termasuk spektrum elektromagnet gerak bola terserbut.

∆p ≥ ∆p = momentum uncertainty 2. Heisenberg Uncertainty Principle Adanya sifat partikel dari cahaya (gelombang elektroemagnetik) dan sifat gelombang dari partikel menyebabkan adanya ketidakpastian dalam pengukuran besaran-besaran, seperti momentum dan posisi partikel. Berdasarkan prinsip tumbukan dalam tinjauan mekanika klasik, maka pada tumbukan antara foton dan electron akan diperoleh ketidakpastian pengukuran momentum yang mempunyai harga sekurang-kurangnya sama dengan momentum foton, yaitu ∆p ≥ ∆p = momentum uncertainty

∆x = position uncertainty (ketidakpastian posisi) Berdasarkan hal tersebut warner Heisenberg (fisikawan Perancis) merumuskan sebuah prinsip yang dikenal dengan ketidakpastian Heisenberg atau prinsip ketidaktentuan. In this case, the Heisenberg uncertainty principle prescrible that ”It is impossible to measure or to specify the momentum and the position of a particle simultaneously with unlimited precision:. Or in other words “The measurement of momentum and position of a particle simultaneously always results in an uncertainty which is never less than planck’s constant”.

3. Schrodinger’s Wave Function Berdasarkan gagasan de Broglie dan prinsip ketidakpastian Heisenberg Erwin Schrodinger mengajukan pendapat bahwa apabila elektrom mempunyai sifat gelombang. Maka tentu elektrom mempunyai fungsi gelombang yang menyatakan keadaan elektron tersebut. Karena elektron mempunyai fungsi gelombang, maka menurut Schrodinger electron pada atom tidak mengorbit inti, tetapi lebih bersifat sebagai gelombang yang bergerak pada jarak tertentu dan dengan energi tertentu di sekeliling inti. Model atom Schrodinger terbukti lebih tepat dan berdasarkan model ini, para ahli fisika tidak lagi mencoba untuk menemukan lintasan electron dan posisinya dalam sebuah atom, akan tetapi mereka menggunakan persamaan yang menggambarkan gelombang electron tersebut untuk menemukan daerah dimana electron paling mungkin ditemukan.

MODEL ATOM MEKANIKA KUANTUM Menurut Bohr, elektron beredar mengitari inti menurut suatu orbit berbentuk lingkaran dengan dengan jari-jari tertentu. Hal ini tidak sesuai dengan fakta bahwa gerakan elektron menyerupai gelombang elektromagnet. Gelombang tidak bergerak menurut suatu garis melainkan menyebar pada suatu daerah tertentu. Tahun 1927 Erwin Schrodinger ahli matematika dari Rusia mengajukan teori atom yg disebut teori atom mekanika kuantum. Menurut teori ini, kedudukan elektron dalam atom tidak dapat ditentukan dengan pasti; yang dapat ditentukan adalah probabilitas menemukan elektron sebagai fungsi jarak dari inti atom. Daerah dengan probabilitas terbesar menemukan elektron disebut orbital. Orbital digambarkan berupa awan yang tebal tipisnya menyatakan besar kecilnya kebolehjadian menemukan elektron didaerah tersebut. Bentuk awan dan tingkat energi orbital diperoleh dari persamaan gelombang dari elektron.

Persamaan gelombang Schrodinger untuk atom Hidrogen: V = Energi potensial partikel (elektron) E = Energi total partikel m = massa partikel ψ = fungsi gelombang

QUANTUM NUMBERS and ATOMIC ORBITALS Model atom Bohr suatu model satu dimensi yang menggunakan sebuah bilangan kuantum untuk menggambarkan distribusi atau penyebaran electron dalam atom. Informasi itu hanya berhubungan dengan ukuran orbit electron dalam suatu atom, yang digambarkan dengan bilangan kuantum n. Model atom Schrodinger memperbolehkan electron-elektron untuk menempati ruang tiga dimensi, oleh karena itu untuk menggambarkan orbital-orbital dimana electron dapat ditemukan dalam atom diperlukan tiga buah koordinat atau tiga buah bilangan kuantum. Tiga buah koordinat atau bilangan kuantum yang berasal dari penyelesaian eksak persamaan gelombang Schrodinger tersebut adalah bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimuth atau bilangan kuantum anguler (l ) dan bilangan kuantum magnetic (m). Bilangan-bilangan kuantum tersebut menggambarkan ukuran, bentuk dan orientasi orbital dalam atom.

Konfigurasi Elektronik Sifat-sifat atom dapat dipahami berdasarkan konfigurasi elektronik atau susunan elektronik atom itu. Konfigurasi electron menggambarkan penyebaran atau susunan dari elektron dalam atom. Bilangan Kuantum Keadaan elektron dalam suatu atom ditentukan oleh 4 macam bilangan kunantun yaitu : 1. Bilangan kuantum utama (n) 2. Bilangan kuantum azimuth (l) 3. Bilangan kuantum magnetik (m) 4. Bilangan kuantum spin (s)

Bil kuantum spin (s)  menyatakan arah rotasi elektron dalam orbital. Bil kuantum utama (n)  menyatakan tingkat energi elektron dalam atom  menunjukkan kulit elektron. Bil kuantum azimut (l)  menyatakan bentuk orbital (s, p, d, f )  menunjukkan sub tingkat energi (sub kulit elektron). Bil kuantum magnetik (m)  menyatakan orientasi orbital dalam atom  menunjukan letak elektron dalam ruang. Bil kuantum spin (s)  menyatakan arah rotasi elektron dalam orbital. Harga spin yaitu + jika rotasi elektron sesuai arah jarum jam. Harga spin yaitu - jika rotasi elektron berlawanan arah jarum jam

Orbital s maksimal terisi 2 elektron, Orbital p maksimal terisi 6 elektron Orbital d maksimal terisi 10 elektron Orbital f maksimal terisi 14 elektron

Bilangan Kuantum Simbol Nilai Keterangan 1. Utama n n = 1,2,3,4 .... Menyatakan tingkat energi elektron (nomor kulit). Jenis kulitnya K,L,M,N ….. 2. Azimut ℓ ℓ = 0,1,2,3,4…. ……(n-1) Menyatakan jenis sub kulit tempat elektron berada (bentuk orbital) Jenis sub kulitnya s,p,d,f ….. Sub kulit s  ℓ = 0 p  ℓ = 1 d  ℓ = 2 f  ℓ = 3 …

Menyatakan orientasi orbital dalam atom. ℓ = 0 maka m = 0 saja 3. Magnetik m m = -ℓ ..0..+ℓ Atau ..-2,-1,0,1,2.. Menyatakan orientasi orbital dalam atom. ℓ = 0 maka m = 0 saja ℓ = 1 maka m = -1,0,1 ℓ = 2 maka m = -2,-1,0,1,2 dan seterusnya 4. Spin s =± ½ -½ , ½ Menyatakan arah rotasi elektron dalam orbital. Untuk s = -½ (↓) dan s = ½ (↑) Arah spin elektron yang searah dengan jarum jam mengarah ke bawah, sedangkan elektron dengan spin berlawanan dengan jarum jam mengarah atas.

Bentuk Orbital s

Orbital p

Orbital d

Salah satu dari 7 orbital f

Dari keterangan di atas maka jumlah elektron maksimum kulit atom dirumuskan : n = kulit yang ke-n Untuk menuliskan konfigurasi elektronik suatu atom perlu dicermati aturan-aturan sebagai berikut : a. Aturan aufbau Prinsip Aufbau menyatakan bahwa pengisian sub kulit oleh elektron selalu dimulai dari sub kulit dengan energi lebih rendah ke sub kulit dengan energi lebih tinggi. Hal ini dapat digambarkan sebagai berikut : 1s 2s 3s 2p 3p 4s 3d 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f K 6s 6p 6d N M L 7s 7p P O Q

b. Azas larangan Pauli (prinsip eksklusi Pauli) Azas larangan Pauli menyatakan tidaklah mungkin dua buah electron dalam satu orbital mempunyai empat jenis bilangan kuantum yang sama. Hal ini berarti bahwa satu orbital maksimum ditempati 2 elektron yang berbeda spinnya. c. Aturan Hund Pada atom yang mempunyai sub kulit yang terdiri dari beberapa orbital, pengisisan elektron, pada orbital berlangsung sedemikian rupa sehingga masing-masing orbital akan ditempati oleh masing – masing sebuah electron yang arah spinnya sama (setengah penuh) baru kemudian elektron – elektron dalam orbital tersebut membentuk pasangan elektron penuh. Contoh konfigurasi elektronik beberapa unsur : 11Na : 2. 8. 1 12Mg : 2. 8. 2 13Al : 2. 8. 3 14Si : 2. 8. 4 15P : 2. 8. 5