KIMIA ORGANIK1 Rollando,M.Sc.,Apt Pertemuan 1

Sub-Bahasan Strukturdan orbital atom Empat Bilangan Kuantum Elektron

PUSTAKA John McMurry, Organic Chemistry, 7th(Ed), 2008, Brooks/Cole, Cangage Learning, Australia-UnitedStates Andrew Streiweiser and Clayton H. Heathcock, Introduction to Organic Chemistry, 1976, MacMillan Publishing Co., Inc., United States. Robert T. Morrison and Robert N. Boyd, Organic Chemistry, 3rd(Ed), 1973, Prentice Hall of India Private limited, New Delhi 1975. Hendrickson, J.B., Cram, D.J. and Hammond, G.S., Organic Chemistry, 1970, McGraw-Hill Book Company, NY-Toronto. Fessenden and Fessenden, Kimia Organik, 1982, Erlangga, Jakarta.

PENDAHULUAN Mengapa mempelajari Kimia Organik? Semua makhluk hidup terbuat dari senyawa organik atau senyawa karbon. Protein yang membuat rambut, adalah senyawa organik. DNA, yang mengontrol gen, adalah senyawa organik. Makanan dan Obat-obatan, sebagian besar adalah senyawa organik. Lihat contoh di bawah ini:

PENDAHULUAN Apa Kimia Organik itu? Kimia Organik adalah kimia yang mempelajari senyawa karbon Mengapa senyawa karbon perlu dipelajari? Karena lebih dari 90% dari 30 juta senyawa mengadung karbon. Untuk mempelajari senyawa karbon, maka pertama-tama yang harus difahami adalah Struktur Atom Karbon, serta Orbital Atom Karbon. Terlebih dahulu akan dibicarakan Struktur dan Orbital Atom secara umum.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Niels Bohr & Rutherford menggambarkan Struktur Atom yang terdiri dari Inti Atom (nucleus) yg terdiri dari satu atau lebih proton (bermuatan positif) dengan atau tanpa netron (bermuatan netral), dikelilingi oleh satu atau lebih elektron yg bermuatan negatif. Gambaran Struktur Atom Bohr ini memberikan kesan elektron “mengorbit inti atom”. Gambaran struktur ini mirip dengan Tata Surya, dimana Matahari dikelilingi oleh 9 Planet. Orbit Elektron Inti Atom (nucleus) Elektron

STRUKTUR & ORBITAL ATOM beberapa pengertian tentang Atom Nomer Atom (atomic number ) (Z) adalah jumlah proton dalam inti atom (nucleus). Nomer Massa (mass number )(A) adalah jumlah proton dan netron dalam inti atom (nucleus). Isotopes merupakan atom-atom dari elemen yang sama, namun berbeda jumlah netron dalam inti-atomya, dengan demikian nomer massa-nya juga berbeda. Massa atom (atomic weight) dari suatu elemen adalah berat massa rata-rata dalam dimensi atomic mass units (amu), untuk elemen dengan isotop alamiah.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Jika Struktur Atom seperti proposal Bohr ini, maka dengan menggunakan Mekanika Klasik (Mekanika Newton) kita harus bisa menentukan kecepatan elektron mengelilingi inti atom, dan pada saat yang sama menentukan posisi elektron itu. KENYATAANNYA: Mekanika Newton TIDAK BISA menentukan kecepatan sekaligus posisi elektron pada saat yg sama. Mekanika Newton, bisa mengukur kecepatan elektron, namun posisi berubah ATAU bisa menentukan posisi elektron namun kecepatan tidak terdeteksi

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Mengapa demikian ??? !! Elektron adalah partikel sub-atomik, yaitu partikel yg lebih kecil dibanding atom itu sendiri. Louis Victor de Broglie menyatakan bahwa partikel sub-atomik yang berputar pada sumbunya menunjukkan sifat ganda (dual properties); yaitu ia adalah suatu materi (karena mempunyai massa), namun sekaligus juga ia adalah gelombang (karena menunjukkan adanya panjang-gelombang, l). De Brolie memberikan persamaan panjang gelombang elektron sbb: l = h/mve l : Panjang gelombang elektron h : Tetapan Planck (6.625x10-27 erg.dtk) m : Massa elektron ve : Kecepatan elektron 1892-1987

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Werner Heisenberg memberikan apa yang dikenal sebagai Prinsip Tak-tentu Heisenberg atau Heisenberg Uncertainty Principle, yang menyatakan: “It is not possible to determine simultaneously both precise position and momentum (velocity) of an electron” “Adalah tidak mungkin untuk menentukan secara simultan posisi dan momentum (kecepatan) yang tepat dari suatu elektron” 1901-1976

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Werner Heisenberg menyatakan bahwa Hukum Alam itu sedemikian rupa, sehingga kita tidak dapat menentukan trajektori yang eksak (pasti) dari suatu elektron. MENGAPA? Karena untuk menentukan momentum (kecepatan) benda sub-atomik spt elektron itu, diperlukan sinar, yang adalah foton. Foton ini akan menabrak elektron sehingga posisi berubah, walaupun kecepatan mungkin terdeteksi. Begitu pula jika posisi bisa ditentukan, namun kecepatannya tidak dapat dideteksi secara eksak pula. Werner Heisenberg memberikan Formula Matematik untuk Prinsip Tak-tentunya (Uncertainty Principle) sbb: Dx.Dp = h/2p Dx = Perubahan momen (energi) Dp = Perubahan posisi h = Tetapan Planck (6.625x10-27 erg.dtk)

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Werner Heisenberg kemudian mengembangkan jenis mekanika lain, yg berbeda dengan Mekanikanya Newton (Klasik); yang kemudian dikenal dengan Mekanika Kuantum (Quantum Mechanics). Secara terpisah, Erwin Schrodinger, juga mengembangkan Mekanika Kuantum, yang ia namakan Mekanika Gelombang (Wave Mechanics). Mekanika Kuantum adalah identik dengan Mekanika Gelombang. 1887 -1961

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Mekanika Kuantum = Mekanika Gelombang, menggambar Struktur Atom sebagai Probabilitas (Kebolehjadian) ditemukannya satu elektron dalam wilayah sekitar Inti Atom (nucleus) Gambar sebelah kiri: Keboleh-jadian (Probabilitas) ditemukannya satu elektron di sekitar inti (nucleus) digambarkan sebagai titik-titik merah sferis (membulat) disekitar inti atom.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Struktur atom berdasarkan perhitungan matematika Mekanika Kuantum/Mekanika Gelombang ini, akan memberikan gambaran distribusi elektron sebagai wave motion atau gerak gelombang. Wave motion ini dalam pengertian kuantum dikenal sebagai Fungsi Gelombang, yaitu Probabilitas ditemukannya suatu elektron dalam wilayah sekitar inti atom (nucleus). Fungsi Gelombang inilah yg kemudian disebut sebagai Orbital Atom.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Gambar Kiri: Struktur Atom menurut Bohr-Rutherford. Terlihat adanya orbit elektron, dimana elektron mengelilingi Inti Atom. Gambar kanan: Struktur Atom menurut Heisenberg dan Schrodinger. Elektron sekitar inti atom digambarkan sebagai probabilitas ditemukannya elektron di wilayah sekitar inti atom. Probabilitas ini disebut sebagai Fungsi Gelombang atau Orbital Atom. Bentuk Orbital Atom adalah bulat (spherical), dimana inti atom ada di tengah bulatan Orbital Atom tersebut.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Amplitudo dari gelombang-elektron disebut sebagai fungsi-gelombang (y), dan merupakan fungsi dari tiga koordinat spasial (x,y,z). Fungsi-gelombang ini selain mempunyai amplitudo (positif maupun negatif), juga mempunyai nodal atau simpul, serta panjang gelombang, l

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Catatan: Y = Fungsi gelombang = Orbital Atom, selalu mempunyai : (1)Amplitudo (+/-), disinilah ditemukan elektron. (2) Nodal/Simpul, disini probabilitas ditemukan elektron adalah nol, umumnya pada nodal ini ditempati nucleus.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Orbital Atom dalam suatu Atom, tersusun dalam lapisan-lapisan yang berbeda tingkat energinya. Lapisan ini dikenal sebagai Kulit-elektron (electron shells). Sebelum membicarakan tetang susunan orbital atom dalam kulit- elektron, maka akan dibicarakan dulu apa yang dikenal dengan Empat Bilangan Kuantum Elektron, atau yang dikenal dengan Four Electronic Quantum Numbers. Empat Bilangan Kuantum Elektron, menggambarkan tetang sifat-sifat elektron sebagai materi maupun fungsi-gelombang, (Y, orbital atom) di dalam suatu atom.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Empat Bilangan Kuantum Elektron (Four Electronic Quantum Numbers) Principal Quantum Number atau Bilangan Kuantum Utama: n n menggambarkan tingkat energi atau kulit-elektron di dalam suatu atom. Tingkat energi atau kulit-elektron n ini mempunyai harga n = 1, 2, 3 ... Dst. Pada literatur lama n = K,L,M,...dst . Jadi bila harga n = 1, berarti elektron ada di kulit-elektron no 1 (atau Kulit K), dst. Harga n juga menunjukkan jumlah jenis orbital pada kulit yang bersangutan. Jika n=1, maka hanya ada satu jenis orbital. Azimuthal Quantum Number ( atau Angular Quantum Number atau Orbital Quantum Number ) atau Bilangan Kuantum Azimuth atau Bilangan Kuantum Angular atau Bilangan Kuantum Orbital : ℓ Menggambarkan orbital atom dalam kulit-elektron. Harga l adalah: 0,1,2,3....dst sampai (n-1). Karena orbital atom ada di dalam kulit-elektron, maka orbital atom disebut pula sebagai sub-kulit-elektron (electron sub-shells). * Banyaknya harga l memberikan pula gambaran tentang banyaknya jenis orbital * Sedang nilai l tertinggi menunjukkan jumlah nodal yang ada yang ada di dalam orbital.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Empat Bilangan Kuantum Elektron (Four Electronic Quantum Numbers) Magnetic Quantum Number atau Bilangan Kuantum Magnetik, mℓ atau m m menggambarkan orientasi magnetik dari orbital atom dalam kulit-elektron. Harga m adalah: 0, +1, +2, +3, ...dst sampai + l Spin Quantum Number: ms atau s s menggambarkan spin (momentum angular intrinsik) dari elektron dalam orbital, dan harga dari s adalah, s = + 1/2. Pengertian spin adalah perputaran pada sumbunya, atau rotasi.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Cara membaca Empat Bilangan Kuantum Elektron (Four Electronic Quantum Numbers) Bila elektron/orbital-atom mempunyai harga quantum: n = 1, l = 0, m = 0 Artinya: Elektron/orbital atom berada pada tingkat energi yang paling rendah atau berada pada tingkat energi/kulit-elektron no.1 (K). n=1, jadi hanya ada satu jenis orbital. Harga l = n-1 = 0. jadi harga l=0, maka berarti hanya ada satu harga l; maka hanya ada satu jenis orbital dan karena nilai l=0 (nol), maka orbital atom tsb tanpa nodal. Harga m=+l, maka m=0, berarti orbital atom pada n=1 tidak mempunyai orientasi magnetik. Orbital ini disebut dg orbital s berbentuk bulat dan tidak mempunyai nodal/simpul. Karena ada di kulit n=1, maka ditulis orbital 1s Jadi jenis orbital yang ada pada kulit n=1, adalah satu buah: orbital 1s

STRUKTUR & ORBITAL ATOM: 1s Gambar: ORBITAL 1S Bentuk bulat (sferis) Gerak gelombang orbital 1s, tanpa nodal.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Cara membaca Empat Bilangan Kuantum Elektron (Four Electronic Quantum Numbers) Bila elektron/orbital-atom mempunyai harga quantum: n = 2, l = 0, m = 0 l = 1, m = + 1, ditulis -1,0,+1 Artinya: Elektron/orbital atom berada pada tingkat energi yg lebih tinggi yi n=2, maka akan berada pada kulit-elektron no.2 (L). Harga n=2, jadi ada 2 jenis orbital Harga ditulis l=0,1. Karena ada dua harga l yaitu: 0 dan 1, maka berarti ada dua jenis orbital pada kulit No.2. Karena nilai tertinggi l=1, maka kedua jenis orbital tersebut mempunyai satu nodal Orbital dg harga l=0, dg m=0 merupakan orbital tak berorientasi pada medan magnet; jadi jenis orbitalnya s. Namun krn harga l tertingginya 1, maka orbital ini mempunyai nodal 1. Karena ada di Kulit no.2, disebut orbital 2s. Orbital dg harga l=1, dg m=-1,0,+1 merupakan orbital bernodal satu dan berorientasi pada medan magnet, dalam ruang; jenis orbitalnya disebut orbital p. Harga m tiga angka, maka orbital p berorientasi dalam ruang, pada 3 sumbu x,y,z, jadi akan ada 3 jenis orbital p, yaitu px,py dan pz. Karena ada di Kulit no.2, disebut orbital 2px, 2py dan 2pz. Jadi jenis orbital pada kulit n=2 adalah dua buah yaitu: 2s dan 2p

STRUKTUR & ORBITAL ATOM: 2s & 2p Gambar Orbital 2s Bentuk Bulat Gerak gelombang Orbital 2s Bernodal satu Gambar Orbital 2px, 2py dan 2pz Bentuk Halter Gerak gelombang Orbital 2p Bernodal satu

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Cara membaca Empat Bilangan Kuantum Elektron (Four Electronic Quantum Numbers) Bila elektron/orbital-atom mempunyai harga quantum: n = 3, l = 0, m = 0 l = 1, m = + 1, ditulis -1,0,+1 l = 2, m = + 2, ditulis -2,-1,0,+1,+2 Artinya: Elektron/orbital atom berada pada tingkat energi yg lebih n=3, maka akan berada pada kulit-elektron no.3 (M). Harga n=3, jadi ada 3 jenis orbital Harga ditulis l=0,1,2. Karena harga l-nya tiga : 0, 1 dan2, maka berarti ada tiga jenis orbital pada kulit No.3. Nilai tertinggi l adalah 2, jadi semua orbital dalam kulit no.3 ini bernodal 2 Orbital dg harga l=0, dg m=0 merupakan orbital tidak berorientasi pada medan magnet; jadi jenis orbitalnya s. Namun karena harga l tertinggi 2, maka orbital ini mempunyai 2 nodal. Karena ada di Kulit no.3, disebut orbital 3s. Orbital dg harga l=1, dg m=-1,0,+1 merupakan berorientasi pada medan magnet, dalam ruang; jenis orbitalnya disebut orbital p. Orbital ini bernodal 2. Harga m tiga angka, maka orbital p berorientasi dalam ruan,g pada 3 sumbu x,y,z, jadi akan ada 3 jenis orbital p, yaitu px,py dan pz. Karena ada di Kulit no.3, disebut orbital 3px, 3py dan 3pz.

STRUKTUR & ORBITAL ATOM Cara membaca Empat Bilangan Kuantum Elektron (Four Electronic Quantum Numbers) Bila elektron/orbital-atom mempunyai harga quantum: n = 3, l = 0, m = 0 l = 1, m = + 1, ditulis -1,0,+1 l = 2, m = + 2, ditulis -2,-1,0,+1,+2 Lanjutan:... Orbital dg harga l=2, dg m=-2,-1,0,+1,+2 merupakan orbital bernodal dua dan berorientasi pada medan magnet, dalam ruang; jenis orbitalnya disebut orbital d. Harga m lima angka, maka orbital d berorientasi dalam ruang, pada 5 bidang-sumbu, yaitu x-y, x-z, y-z, x2-y2 serta z2, jadi akan ada 5 jenis orbital d, yaitu dx-y,, dx-z dy-z, dx2-y2 dan dz2 Karena ada di Kulit no.3, disebut orbital 3dx-y,, 3dx-z 3dy-z, 3dx2-y2 dan 3dz2 . 6. Jadi jenis orbital pada kulit n=3 adalah 3 buah, yaitu 3s,3p,3d

STRUKTUR & ORBITAL ATOM: 1s, 2s, 3s Orbital 2s Bernodal satu Orbital 3s Bernodal dua Orbital 1s Tanpa nodal

STRUKTUR & ORBITAL ATOM: 2p, 3p Gerak gelombang Orbital 3p Bernodal dua Bernodal dua Gerak gelombang Orbital 2p Bernodal satu Bernodal satu

STRUKTUR & ORBITAL ATOM: 3d Orbital 3d Bernodal dua Ada 5 Orbital d, empat berbentuk kipas: 3dyz, 3dxz, 3dxy, dan 3dx2-y2 Satu berbentuk halter-bercincin: 3dz2

STRUKTUR & ORBITAL ATOM

Empat Bilangan Kuantum Elektron RESUME: Empat Bilangan Kuantum Elektron Name Symbol Orbital meaning Range of values Value examples principal quantum number n kulit n > 1 n = 1, 2, 3, … azimuthal quantum number (angular momentum) ℓ Sub-kulit (orbital s pd l= 0, orbital p pd l=1, dsb.) 0 ≤ ℓ ≤ (n−1) l = 0,1,2,3.... (n-1) magnetic quantum number, (projection of angular momentum) m Orientasi dari bentuk Sub-kulit −ℓ ≤ m ≤ +ℓ m = + l spin projection quantum number s spin elektron (−½ = "spin down", ½ = "spin up") s = + ½,