Teori Mekanika Kuantum #2: Bilangan Kuantum

1. Bilangan Kuantum Utama
Dalam teori mekanika kuantum, kita bisa mengibaratkan elektron dalam sebuah atom itu sebagai bola yang berada pada anak tangga. Elektron bisa berada di anak tangga mana saja, namun ia tidak bisa berada di antara anak tangga. Analogi ini membantu dalam memahami kulit atom atau tingkat energi elektron yang dilambangkan dengan bilangan kuantum utama.

Jadi, kulit atom kita analogikan sebagai anak tangga, dan elektron sebagai bola. Sehingga, elektron bisa berada di kulit berapapun, namun tidak mungkin bagi elektron untuk berada di antara dua kulit atom. Bilangan kuantum utama memiliki nilai bulat positif, yaitu 1, 2, 3, 4, dst kulitnya dinamai K, L, M, N, dst. Jadi 1 = K, 2 = L, dst. Misalkan jika suatu elektron berada pada kulit M, maka bilangan kuantum utamanya adalah 3. Begitu pula sebaliknya, jika bilangan kuantum utama (n) suatu elektron adalah 4, maka ia berada pada kulit N.

2. Bilangan Azimut (l)

Mari kita analogikan, anak-anak tangga (kulit atom) terdiri dari sub-anak tangga yang berbeda-beda jumlahnya. Anak tangga paling bawah hanya mempunyai satu sub-anak tangga, anak tangga kedua mempunyai 2 sub-anak tangga, anak tangga ketiga mempunyai 3 sub-anak tangga, dst. Setiap segmen pada anak tangga mempunyai nama. Satu-satunya segmen yang ada pada anak tangga paling bawah dinamai 0. Sub-anak tangga pada anak tangga kedua dinamai 0 dan 1. Analogi tersebut berguna untuk memahami bilangan azimut (nama sub-anak tangga) yang mewakili subkulit/orbital (sub-anak tangga).

3. Bilangan Magnetik (m)

Kalau tadi bilangan subkulit dianalogikan sebagai sub-anak tangga, sekarang setiap sub-anak tangga dibagi lagi atas ruang-ruang yang berbeda-beda jumlahnya sesuai nama sub-anak tangga. Sub-anak tangga s mempunyai 1 ruang, namanya 0. Sub-anak tangga p mempunyai tiga ruang, namanya -1, 0, dan +1, sub anak tangga d mempunyai 5 ruang, namanya -2, -1, 0, +1, +2, sub-anak tangga f mempunyai 7 ruang, namanya -3, -2, -2, 0, +1, +2, dan +3. Itu bisa menjadi analogi bagi kita memahami bilangan magnetik yang mewakili orbital. 

Rumus jumlah ruang dalam suatu orbital (diwakili oleh nilai bilangan azimut (l)) adalah 2l + 1. Jadi misalkan nilai bilangan azimut adalah 3 (orbital f), maka banyak ruang dalam orbital d adalah sebanyak 2(3) + 1 = 7.

4. Bilangan Spin (s)

Elektron mempunyai dua arah putaran, dilambangkan dengan +1/2 dan -1/2. Setiap ruang (diwakili oleh bilangan magnetik) dalam orbital dapat diisi oleh maksimal 2 elektron yang mempunyai spin berlawanan.

Contoh Soal 1

Suatu elektron berada pada kulit L dan subkulit p. Berapakah harga dari n dan l ?

Penyelesaian:

Untuk n:

K = 1, L = 2, M = 3, dst. Karena elektron pada soal berada pada kulit L, maka harga n = 2.

Untuk l:

1 = s, 2 = p, 3 = d, 4 = f, dst. Karena elektron pada soal berada pada subkulit p, maka harga l adalah 2. 

Contoh Soal 2

Sebuah elektron berada pada orbital 2s. Sebutkan nilai-nilai bilangan kuantumnya!

Penyelesaian:

Karena berada pada kulit 2, maka n = 2.

Karena berada pada subkulit s, maka l = 0.

Karena berada pada subkulit s, maka untuk bilangan magnetik hanya ada 1 kemungkinan, yaitu 0.

Teori Makanika Kuantum #1 - Kimia Kelas XI

Teori Kuantum Max Planck

Max Planck menemukan bahwa suatu benda hanya dapat menerima dan melepaskan radiasi elektromagnetik (suatu bentuk energi) secara diskret. Artinya, suatu benda hanya dapat menerima dan melepaskan radiasi elektromagnetik dalam satuan “paket”. Paket energi ini disebut kuantum (jamak: kuanta). Sehingga, suatu benda hanya bisa menyerap dan memancarkan energi sebesar 1, 3, 5, atau 10 (angka bulat) kuanta. Tapi, suatu benda tidak bisa menyerap atau memancarkan energi sebesar ½ , ¾ , atau ¼ kuantum.  

Analoginya seperti ini, uang rupiah terdiri dari kelipatan 100 rupiah (anggap nominal 50 rupiah dan lebih kecil sudah tidak berlaku lagi). Jadi, kalian tidak akan mungkin bisa mendapatkan uang sebesar 375 rupiah, 100,5 rupiah, 3,5 rupiah, atau 10.999 rupiah kan? Tapi kalian bisa mendapatkan uang sebesar 1.000 rupiah, 500 rupiah, 30.000 rupiah, dst selama jumlahnya merupakan kelipatan dari 100.

Ilmuwan sempat berpikir bahwa cahaya (bentuk radiasi elektromagnetik) merupakan gelombang. Namun, Einstein mengemukakan teori bahwa cahaya memiliki sifat sebagai gelombang juga sifat sebagai partikel. Partikel tersebut dinamakan foton. Seperti sudah dijelaskan sebelumnya suatu bentuk energi berada dalam suatu paket. Nah, energi yang terkandung dalam 1 fotonpun (bersifat partikel) juga begitu. Namun, energi yang terkandung dalam foton tergantung frekuensi gelombangnya (bersifat gelombang). Besar “paket” energi yang terkandung dalam 1 foton dapat dihitung melalui persamaan berikut:

 E=hf=h c/λ 

E = energi radiasi elektromagnetik
h = tetapan Planck = 6,63 x 10-34 J s
f = frekuensi radiasi elektromagnetik

Jadi, misalkan kita punya cahaya laser dengan panjang gelombang. Cahaya laser tadi tersusun atas banyak sekali foton yang mempunyai panjang gelombang 500 Hz. Maka energi dari setiap foton penyusun laser tadi adalah:

E=hf

= 6,63 x 10-34  x 500

= 3,315 x 10-31 J

Stoikiometri #1 : Konsep Mol dan Massa Molar - Kimia Kelas X

A. Apa itu mol?
Istilah “mol” mungkin merupakan istilah yang agak membingungkan bagi kalian yang pertama kali belajar kimia. Namun jikalau kalian dapat memahami makna mol, kalian akan sangat mudah memahami konsep-konsep lain dalam dunia kimia seperti molaritas, fraksi mol, dsb. Ditambah lagi konsep mol akan sangat banyak dipakai di dalam materi kimia selanjutnya, baik pada semester II, III, IV, V, VI, bahkan sampai ke perguruan tinggi.

Jadi sebenarnya apa sih MOL itu? Untuk memudahkan gambaran mengenai konsep mol, mari kita analogikan (samakan) dengan selusin sendok. Seperti yang kita ketahui, selusin sendok terdiri dari 12 sendok, begitu pula selusin apel terdiri dari 12 buah apel. Nah analog dengan selusin sendok atau selusin apel, satu mol suatu unsur terdiri dari sejumlah atom pembentuk unsur tersebut. Sedangkan satu mol suatu senyawa terdiri dari sejumlah molekul pembentuk senyawa tersebut. Sejumlah itu berapa banyak? Sejumlah yang dimaksud di sini adalah sebanyak:
6,022 x 10²³ (bilangan Avogadro)

Angka di atas dalam ilmu kimia dan fisika disebut dengan bilangan Avogadro. Misalkan ada satu mol aluminium, berarti:

1 mol aluminium = 6,022 x 10²³ atom aluminium.

Contoh lain, jika kita punya satu mol NaCl (garam dapur) berarti:

1 mol NaCl = 6,022 x 10²³ molekul NaCl

Kalau begitu berapa molekul H2O yang terdapat dalam 3 mol air? Berarti tinggal kita kalikan bilangan Avogadro dengan 3, hasilnya:

3 mol H2O = 3 x 6,022 x 10²³ molekul H2O = 18,066 x 10²³ molekul H2O

Lalu, pertanyaan selanjutnya adalah darimana angka itu berasal? Untuk menjawab itu ada baiknya aku berikan definisi mol. Satu mol ditetapkan sebagai jumlah atom (partikel) C-12 yang ada pada 12 gram unsur karbon-12 (12C). Jadi, bilangan Avogadro didapat dari perhitungan jumlah atom yang ada pada 12 gram unsur karbon-12.

1 mol air, 1 mol Na₂CrO₄  (kuning) _{, 1} mol tembaga sulfat pentahidrat (biru), 

dan 1 mol garam dapur (putih), semuanya tersusun atas jumlah molekul yang sama.
Sumber: Chemistry, Brady, et. al. hal 109

B. Apa guna mol?
Seperti yang kita ketahui di atas, dalam hanya 12 gram unsur karbon terdapat 6,022 x 10²³  atom C. Bagaimana kalau kita berurusan dengan 1 Kg atau 1 ton karbon? Tak terbayang banyaknya angka yang harus kita gunakan dalam perhitungan kimia. Oleh karena itu, ditetapkan suatu satuan jumlah yang memudahkan kita dalam perhitungan kimia, yaitu mol ini.

C. Massa Molar
Mari kita kembali ke 1 lusin apel dan 1 lusin sendok. Apakah 1 lusin apel memiliki massa yang sama dengan 1 lusin sendok? Tentu tidak kan. Lalu bagaimana dengan volumenya? Kita bisa memasukkan selusin sendok ke dalam kotak pensil, namun kita tidak bisa memasukkan 1 lusin apel ke dalam kotak pensil.

Hal ini berlaku pula dengan konsep mol. 1 mol Au (emas) memiliki massa dan volume yang berbeda dengan 1 mol Ag (perak). Berangkat dari sini ilmuwan lalu menetapkan massa atom relatif dan massa molekul relatif.

Massa molar (Ar/Mr) didefinisikan sebagai massa 1 mol dari suatu unsur tertentu (ingat unsur tersusun atas atom) atau 1 mol dari suatu senyawa tertentu (senyawa tersusun atas molekul). Masih ingat kan 1 mol unsur karbon-12 memiliki massa 12 g? Nah, berarti massa molar karbon-12 adalah 12 g/mol.

Lalu, misalkan kita disuruh menimbang 6,022 x 10²³ atom unsur hidrogen-1 (¹H). Ternyata setelah kita timbang, massanya adalah 1 gram. Itu berarti massa atom relatif (Ar) unsur hidrogen-1 adalah 1 g/mol. Contoh lain, pas kita menimbang 6,022 x 10²³  molekul oksigen-16 (16O) , kita dapati massanya adalah 8 g, berarti Ar oksigen-16 adalah  16 g/mol.

Lalu kenapa saat kalian melihat tabel periodik Ar dari setiap unsur tidak merupakan bilangan bulat seperti yang kita dapatkan di atas? Karena ini ada hubungannya dengan isotop. Di alam, setiap unsur memiliki lebih dari satu isotop. Misalkan saja hidrogen, terdiri dari 3 isotop, yaitu : hidrogen-1 (¹H), hidrogen-2 (²D, berasal dari nama lain hidrogen-2, deuterium), dan hidrogen-3  (³T , berasal dari nama lain hidrogen-3, tritium). Walaupun semua isotop hidrogen tersebut memiliki sifat yang serupa, namun kelimpahannya (ketersediaan) di alam berbeda-beda.

D. Kelimpahan dan Perhitungan Massa Molar Rata-rata
Seperti yang aku jelaskan di atas, kelimpahan setiap isotop itu berbeda-beda. Nah karena setiap isotop memiliki massa atom yang berbeda-beda, maka massa molar yang berbeda pula. Oleh karena itu kita menggunakan yang namanya MASSA MOLAR RATA-RATA. Bagaimana cara perhitungannya? Mari kita tengok contoh di bawah ini!

Massa molar rata-rata inilah yang akan kalian temukan ketika melihat ke massa atom relatif pada tabel periodik.

Untuk memudahkan melakukan konversi ini, kalian cukup mengingat definisi massa molar, yaitu massa suatu zat per 1 molnya. Maksudnya begini, massa molar O adalah 16 g/mol, berarti ketika kita menimbang 1 mol (atau 6,022 x 10²³  atom) unsur O, maka kita akan mendapat massanya adalah 16 g. sehingga kita dapat merumuskannya secara matematis massa molar sbb:

Mr=  n / m

CUKUP satu rumus (aku menyebutnya persamaan) ini yang kalian ingat dan pahami untuk bisa melakukan konversi massa, massa molar, dan mol. Untuk memudahkan kalian memahami cara penggunaanya, aku akan berikan beberapa contoh:

Latihan:

DEFINISI MOL

1. Konsep mol merupakan konsep yang sangat membantu dalam perhitungan stoikiometri. Mol merupakan ukuran kuantitatif untuk sekumpulan partikel (atom atau molekul) yang sama dengan banyaknya partikel dalam 1 mol adalah 6,022 x 10²³  partikel. 

Konsep mol dapat kita analogikan dengan:

A. 1 Kg apel

B. 1 meter benang

C. 1 lembar kertas

D. 1 rim kertas

E. 1 biji jeruk

2. Dalam 10 mol CO₂, terdapat ……………………….. CO₂.

A. 6,022 x 10²³  molekul

B. 6,022 x 10²³  atom

C. 6,022 x 10²⁴  molekul

D. 6,022 x 10²⁴  atom

E. 6,022 x 10²⁴  senyawa

3. Jika dalam 1 mol NaCl terdapat 6,022 x 10²³  molekul NaCl, maka dalam 2 mol logam Na (natrium) terdapat …………………………….. Na.

A. 12,044 x 10²³  molekul

B. 12,044 x 10²³  atom

C. 6,022 x 10²⁴  molekul

D. 6,022 x 10²⁴  atom

E. 6,022 x 10²⁴  senyawa

MASSA MOLAR

4. Jika massa molar Na adalah 23 g/mol dan massa molar Cl adalah 35,5 g/mol, berapa massa molar NaCl?

A. 35,5 g/mol

B. 40 g/mol

C. 58,5 g/mol

D. 10 g/mol

E. Tidak dapat ditentukan

5. Jika Ar H = 1 g/mol, Ar S = 32 g/mol, dan Ar O = 16 g/mol, berapa Mr H₂SO₄ (asam sulfat)?

A. 49 g/mol

B. 98 g/mol

C. 189 g/mol

D. 32 g/mol

E. Tidak ada jawaban

6. Berapakah Ar B (boron), jika diketahui boron hanya mempunyai 2 isotop di alam, yaitu ¹¹B dengan kelimpahan 80,1% dan ¹⁰B dengan kelimpahan 19,9%?

A. 10,5 g/mol

B. 10,801 g/mol

C. 1.080,1 g/mol

D. 2.160,2 g/mol

E. Tidak ada jawaban

KONVERSI MOL, MASSA, DAN MASSA MOLAR

7. Berapa massa 2 mol CaCl2 jika diketahui Ar Ca = 40,08 , Ar Cl = 35,5?

A. 110,08 g

B. 3 g

C. 14,75 g

D. 220,16 Kg

E. 0,22 Kg

8. Dalam penentuan massa molar NH₃ , ditimbang 10 mol NH₃ murni. Setelah ditimbang didapatkan massa 10 mol NH₃ adalah 170 g. Berapakah massa molar NH₃ berdasarkan data tersebut?

A. 170 g/mol

B. 17 g/mol

C. 34 g/mol

D. 17 Kg/mol

E. Tidak cukup data

9. Dari data dan jawaban pada soal no. 8, berapakah massa molar (Ar) N jika diketahui Ar H = 1 g/mol?

A. 17 g/mol

B. 16 g/mol

C. 15 g/mol

D. 14 g/mol

E. 1 g/mol

10. Jika 2 mol NaCl (natrium klorida / garam dapur) dicampurkan dengan 1 mol KCl (kalium klorida) kemudian keduanya dilarutkan dalam 100 g air, berapakah massa larutan kedua garam tersebut?

A. 100 g

B. 1 Kg

C. 291,5 Kg

D. 29,15 mg

E. 0,291 Kg 

Laju Reaksi #1 - Kimia Kelas XI

Ketika kalian berkendara, apa yang kalian pikirkan ketika kalian mengamati speedometer? Kalian mungkin langsung mengatakan angka yang ditunjukkan oleh jarum pada speedometer adalah besar laju kendaraan yang kalian kendarai. Dalam hal ini laju kendaraan kalian biasanya dinyatakan dalam besaran Kmph (kilometer per hour / kilometer per jam).

Dalam kimia, ada beberapa reaksi yang berjalan cepat ada pula yang berlangsung lama. Coba kita bandingkan antara reaksi perkaratan dengan reaksi pembakaran bensin. Untuk dapat mengamati perubahan dalam reaksi perkaratan kita butuh waktu beberapa hari untuk dapat melihat perubahan yang berarti. Namun untuk pembakaran bensin, ketika kita sulut dengan api, maka dalam waktu sepersekian detik, maka bensin sudah mulai terbakar (bereaksi dengan oksigen) dengan sangat cepat dan menghasilkan panas yang besar.

Dari situ kita dapat menyimpulkan bahwa sama seperti kendaraan di jalanan, reaksi kimia ada yang berjalan dengan cepat, ada yang berjalan dengan lambat. Namun bedanya, jikalau laju kendaraan diukur dengan satuan jarak per satuan waktu (misalkan meter per detik), laju reaksi kimia diukur dengan satuan molaritas per satuan waktu. Satuan waktu yang biasa digunakan adalah detik, namun tidak jarang juga digunakan satuan waktu jam, hari, bahkan tahun. Data laju reaksi kimia hanya dapat kita peroleh dari hasil percobaan.

Mari kita amati reaksi antara hidrogen dan oksigen membentuk air (H₂O)
.

O_2(g) + 2H_2(g) à 2H₂O_(l)

_{Laju reaksi (r) dapat kita notasikan dengan beberapa cara:}

Jadi laju reaksi di atas dapat dituliskan sebagai laju pengurangan O₂ (merah), laju pengurangan H₂ (kuning), dan laju pertambahan H₂O (hijau). Untuk laju pengurangan reaktan, kita beri tanda minus untuk membuat nilainya positif. Kenapa? Karena, seperti yang kita ketahui, delta (Δ) merupakan simbol matematis yang mengungkapkan selisih keadaan akhir dan awal. Nah, karena pengurangan, maka konsentrasi reaktan akhir pasti akan lebih kecil daripada konsentrasi awal, maka delta-nya pun bernilai negatif. Untuk membuat nilainya sama dengan r yang bernilai positif, maka tinggal kita kalian dengan -1 untuk membuatnya bernilai positif.Untuk menghitung, misalkan, laju pengurangan H₂ dari laju reaksi, maka kita tinggal kalikan laju reaksi (r) dengan koefisien H₂, yaitu 2. MIsalkan diketahui laju reaksi di atas adalah 0,01 s/detik. Maka laju pengurangan konsentrasi O₂ adalah 1 x 0,01 M/detik = 0,01 M/detik, laju pengurangan H₂ = 2 x 0,01 M/detik, sedangkan laju pertambahan H₂O = 2 x 0,01 M/detik = 0,02 M/detik.Jadi, untuk “rumus” umumnya seperti ini:

aA + bB à cC + dD

Untuk lebih memahami lebih dalam, mari simak contoh soal berikut

Faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi

1. Suhu

Jika dilihat dari segi mikroskopis, reaksi terjadi apabila ada dua molekul yang saling bertumbukan satu sama lain, diikuti oleh molekul-molekul lainnya. Tumbukan ini terjadi sebagai hasil dari energi kinetis (energi gerak) yang dikandung oleh setiap molekul. Namun, tidak setiap saat molekul bertumbukan akan terjadi reaksi, melainkan harus ketika jumlah energi kinetis minimum tertentu tercapai. Total energi kinetis minimum inilah yang disebut energi aktivasi. Jadi jikalau kita mencampurkan senyawa A dan senyawa B saat energi kinetisnya di bawah energi aktivasi, maka kita tidak akan melihat reaksi yanng terjadi secara makroskopis. 

Lalu bagaimana caranya meningkatkan energi kinetis suatu molekul? Jawabannya adalah dengan meningkatkan suhu sistem. Misalkan kita punya senyawa A  yang terdiri dari 100 molekul A dan senyawa B yang terdiri dari 100 molekul B. Pada suhu 70°C ada 50 molekul A dan 50 molekul B yang memiliki energi kinetis cukup untuk bisa bertumbukan dan bereaksi. Ketika kita naikan suhu sistem menjadi 90°C, maka jumlah molekul A dan molekul B yang memiliki energi kinetis minimum untuk bertumbukan dan bereaksi menjadi masing-masing 70 (70%). Dengan begitu, kita mempercepat laju reaksi antara senyawa A dan B.

Grafik Distribusi Energi Kinetis pada Dua Suhu Berbeda, T1 dan T2
Sumber: Chemistry, Brady et. al., hal. 666

Tidak cuma bergantung pada energi aktivasi, laju reaksi juga bergantung pada orientasi tumbukan. Jika orientasi tumbukan tidak tepat, walaupun molekulnya memiliki energi kinetis cukup, maka tidak akan terjadi reaksi di antara keduanya. Tetapi, jika semakin banyak molekul yang bertumbukan (diakibatkan energi kinetis terkandung dalam molekul), maka semakin besar pula kemungkinan untuk molekul bertumbukan dengan orientasi yang tepat.

(a)     Orientasi Molekul yang Efektif Mendukung Terjadinya Tumbukan
(b) Orientasi Molekul Tidak Efektif, Sehingga Tidak Menghasilkan Produk
Sumber: Chemistry, Raymond Chang hal. 587

2. Konsentrasi

Menurut teori tumbukan, maka semakin banyak konsentrasi (semakin banyak molekul per satuan volume), maka akan semakin banyak kemungkinan molekul-molekul bertumbukan dan menghasilkan produk. 

Kita ibaratkan dengan kerumunan orang di suatu tempat. Misalkan jika ada 10 orang di dalam suatu rumah yang besar, maka orang-orang di dalam rumah itu mungkin akan jarang berpapasan dan tidak akan terjadi komunikasi (membentuk ikatan). Namun jika ada 50 orang yang dijejal dalam rumah tersebut, pasti akan sering terjadi orang-orang tersebut berpapasan dan bahkan mulai membentuk ikatan (persahabatan) satu sama lain.

3. Tekanan

Tekanan berbanding terbalik dengan volume. Misalkan ketika kalian menekan piston pada sebuah tabung yang terisi udara, maka kalian berarti memperkecil volume. Dengan ini, kalian berarti memperbesar tekanan pada tabung tersebut. Ini ditandai dengan semakin sulitnya kalian menekan piston tersebut.

Dengan volume yang semakin kecil (karena tekanan semakin besar), maka konsentrasi reaktan pada suatu sistem akan semakin besar (konsentrasi atau molaritas = jumlah mol reaktan / volume reaktan). Sehingga, dengan memperbesar tekanan, maka kalian juga meningkatkan laju reaksi seperti yang sudah dijelaskan pada poin 2.

4. Luas Permukaan

Semakin besar luas permukaan zat reaktan, semakin besar pula laju reaksi yang terjadi. Memperluas permukaan bisa dilakukan dengan cari menghaluskan bongkahan material padat. Misalkan kita punya 1 bongkah gula batu yang berukuran 1 cm x 1 cm x 1 cm, maka luas permukaannya adalah 6 cm2. Lalu bongkahan tersebut kita pecah menjadi 4 persegi panjang sama besar dengan ukuran 0,5 cm x 1 cm x 0,5 cm, maka sekarang luas permukaan total menjadi 4 x [(0,5x0,5x2) + (0,5x1x4)] = 10 cm2. Kemudian dipotong lagi menjadi 16 persegi panjang dengan ukuran 0,25 cm x 1 cm x 0,25 cm, maka sekarang luas permukaannya menjadi 16 x [(0,25x0,25x2) + (0,25x1x4)] = 18 cm2. Begitu seterusnya, semakin halus butirannya, semakin besar luas permukaannya.

Misalkan, akan lebih mudah melarutkan gula berbentuk serbuk daripada berbentuk bongkahan. Itu karena dalam bentuk serbuk, akan lebih banyak molekul gula yang bersetuhan dengan air dalam suatu waktu dibandingkan jika gula dalam bentuk bongkahan.

Nomor Atom dan Nomor Massa - Kimia Kelas X

A. NOMOR ATOM DAN NOMOR MASSA

A.1. Nomor Atom

Nomor atom (Z) mewakili banyaknya proton yang dimiliki oleh suatu atom. Pada atom netral atau tidak bermuatan, nomor atom juga mewakili jumlah elektron yang mengelilingi inti atom (jelas, karena supaya netral muatan positif yang dimiliki suatu atom harus sama dengan muatan negatif dari elektron). Nomor atomlah yang menentukan sifat suatu atom, dengan kata lain identitas suatu atom. Nomor atomlah yang membuat atom karbon atom karbon, atom oksigen atom oksigen, dst. 

Nomor atom biasanya ditulis di bagian bawah kiri nama unsur / atom, misalkan ₂He. Notasi ₂He menyatakan bahwa setiap atom helium yang netral memilki 2 proton dan 2 elektron.

A.2. Nomor Massa
Nomor massa (A) adalah penjumlahan dari jumlah proton (nomor atom) dan neutron. Sehingga, jumlah neutron merupakan pengurangan dari nomor massa dengan nomor atom. Nomor massa biasanya ditulis di bagian kiri atas dari simbol atom unsur.

Contohnya sebagai berikut:

Jadi untuk contoh di atas, atom oksigen-16 memiliki nomor massa 16. Jika kita ingin mengetahi jumlah neutronnya, maka tinggal kita kurangkan nomor massa dan nomor atom, 16-8 = 8. Sehingga, neutron yang dimiliki oleh oksigen-16 adalah 8 buah.

B. ISOTOP, ISOBAR, dan ISOTON

B.1. Isotop

Seperti yang sudah aku jelaskan, yang membedakan suatu atom unsur satu dengan atom unsur lainnya adalah nomor atomnya (ibaratkan sebagai namanya/identitasnya), alias jumlah protonnya. Misalkan, yang membuat atom oksigen atom oksigen adalah protonnya yang berjumlah 8. Jika, andaikata kita bisa menambah 1 proton ke atom oksigen tersebut sehingga total protonnya sekarang menjadi 9, maka sekarang atom tersebut bukan lagi atom oksigen, melainkan atom F (fluorin), silakan lihat tabel periodik.

Lalu bagaimana jika atom O yang mempunyai proton sebanyak 8 buah dan neutron 8 buah tadi kita tambahkan 1 neutron. Apakah atom tersebut berubah menjadi atom unsur lain? Jawabannya adalah TIDAK! Karena seperti yang kukatakan ribuan kali, yang membedakan satu atom dengan atom lainnya adalah jumlah proton, sedangkan neutron dan elektron tidak berpengaruh. 

Nah, dan ternyata di alam banyak ditemukan suatu unsur yang terdiri dari beberapa atom yang memiliki jumlah proton yang sama, namun jumlah neutron yang berbeda. Jika jumlah protonnya sama tapi jumlah neutronnya berbeda, apa yang berbeda, nomor atom atau nomor massa? Ya, nomor massanya berbeda, tetapi nomor atom tetap sama. Untuk lebih jelasnya perhatikan contoh berikut.

Ketiga atom di atas memilki nomor atom yang sama, yaitu 1. Sehingga semuanya merupakan atom unsur hidrogen. Ketiganya memiliki sifat hidrogen yang kita kenal, seperti mudah terbakar dan dapat bereaksi dengan oksigen membentuk H₂O  alias air. Tapi yang membedakan ketiganya adalah nomor massanya. Perbedaan nomor massa mengindikasikan adanya perbedaan jumlah neutron. Coba hitung jumlah neutron pada setiap isotop hidrogen di atas!

Agar mudah dalam penyebutannya, kita cukup menyebutkan hidrogen-1 untuk isotop hidrogen yang memiliki nomor massa 1, hidrogen-2 untuk isotop hidrogen yang mempunyai nomor massa 2, dst. KHUSUS UNTUK HIDROGEN, untuk mempermudah dalam membedakannya, ilmuwan menamai hidrogen-1 sebagai protium (Yunani: prota = pertama), hidrogen-2 sebagai deuterium (Yunani: deuteros = kedua), dan hidrogen-3 sebagai tritium (Yunani: tritos = ketiga).

Berikut adalah gambaran isotop-isotop hidrogen di atas.

Gambaran atom isotop-isotop hidrogen (merah=proton, hijau = neutron)
Sumber: Chemistry, Raymond Chang, hal. 50

B.2. Isobar

Isobar adalah atom-atom yang memiliki nomor massa sama, tetapi nomor atom berbeda. Jadi, isobar merupakan kebalikan dari isotop. Isobar suatu atom memiliki sifat kimiawi berbeda. Lihat contoh berikut untuk lebih jelasnya.

Hidrogen-3 (tritium) memiliki nomor massa yang sama dengan helium-3. Walau begitu karena sifat kimia suatu atom HANYA ditentukan oleh jumlah protonnya, maka tritium dan helium-3 memilki sifat kimiawi yang berbeda. Tritium merupakan gas yang ringan, mudah terbakar, dan dapat bereaksi dengan oksigen membentuk H₂O , sedangkan helium-3 merupakan gas mulia yang bersifat inert (lembam) alias sangat sulit untuk bereaksi dengan atom apapun.

B.3. Isoton

Isoton adalah atom-ataom yang memiliki jumlah neutron sama, tetapi jumlah protonnya berbeda. Isoton suatu atom memiliki sifat fisis dan kimiawi berbeda. Yuk tengok contohnya!

Litium-6 persis memilki jumlah neutron yang sama (6-3=3) dengen helium-5 (5-2=3). Maka Litium-6 dan helium-5 merupakan isoton.

C. MASSA ATOM RELATIF

Untuk mempelajari kimia lebih kuantitatif, kita perlu tahu massa setiap atom. Namun massa suatu atom sangatlah kecil dan sangat sulit untuk diukur secara langsung. Oleh karena itu diperlukan suatu konsep yang dapat mewakili massa atom, namun dengan harga yang lebih sederhana.

Ilmuwan lalu sepakat untuk menjadikan atom karbon-12 sebagai acuan. Kenapa? Alasannya adalah karbon-12 merupakan atom unsur yang melimpah di bumi dan merupakan isotop karbon yang paling stabil. Ilmuwan menetapkan bahwa massa atom karbon-12 adalah tepat 12 smu (satuan massa atom). Jadi, satuannya bukan gram atau kilogram, melainkan sma (satuan massa atom) atau amu (atomic mass unit) atau cukup u, semuanya sama saja, tergantung di negara mana dipakai.  Jadi, misalkan massa atom hidrogen adalah 1/12 kali massa atom karbon, maka massa atom hidrogen adalah:

Contoh lain, jika massa oksigen adalah 4/3 kali massa atom karbon, maka:

D. MASSA ATOM RATA-RATA

Masih ingatkan dengan isotop? Nah, karena setiap unsur terdiri dari isotop-isotopnya, maka kita harus mempertimbangkannya dalam perhitungan massa atom, yang disebut dengan massa atom rata-rata dengan cara menjumlahkan semua massa isotopnya dengan sebelumnya dikalikan dengan kelimpahannya masing-masing. Bingung? Simak contoh berikut:

Atom dan Materi - Kimia Kelas X

A. ATOM, MOLEKUL, DAN PARTIKEL

Apa yang ada di benak kalian ketika mendengar kata "zat kimia"? Formalin, boraks, narkoba, atau pewarna tekstil? Memang itu merupakan zat kimia. Namun apakah kalian juga berpikir bahwa air, batu bara, oksigen yang kalian hirup, bahkan protein-protein penyusun tubuh kalian juga merupakan zat kimia? Ya, betul sekali zat kimia ada di sekitar kita bahkan kita sendiri adalah zat kimia.

Andai kalian mempunyai suatu pisau ajaib dan kalian punya satu lempeng besi berukuran 5 cm x 5 cm, kemudian kalian potong besi tersebut dengan pisau ajaib kalian menjadi ukuran 1 cm x 1 cm, kemudian dipotong lagi menjadi 0,01 cm x 0,01 cm, begitu seterusnya, apa yang akan kalian dapatkan? Mungkin sebagian dari kalian akan berkata tidak akan ada lagi yang tersisa. Jawaban itu tidak salah jika kita tinjau dari sudut pandang makroskopis (mata telanjang). Namun secara mikroskopis (lebih kecil dari yang dapat dilihat melalui mikroskop), kalian akan mendapati pada suatu saat, pisau ajaib kalian tidak mampu lagi membelah besi tadi. Itu akan tercapai ketika kalian telah memotong-motong besi tersebut menjadi atom-atom besi.

Apa itu atom? Atom berasal dari bahasa Yunani “atomos” yang bermakna tak bisa dibagi. Atom merupakan penyusun terkecil semua benda (materi) yang tidak dapat dibagi-bagi lagi menjadi bagian yang lebih kecil melalui reaksi kimia biasa.  Sedangkan molekul adalah gabungan dari lebih dari satu atom. Secara umum molekul dan atom digolongkan sebagai partikel.


B. MATERI

MATERI adalah segala seuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Dalam kimia, materi dibagi menjadi beberapa jenis, antara lain:

B.1. Unsur
Unsur merupakan zat yang tidak bisa diubah menjadi materi lain melalui reaksi kimia. Contoh unsur adalah besi (Fe) dan karbon (C). Yang ada di tabel periodik merupakan unsur. Sejauh ini ilmuwan telah menemukan 90 unsur alami dan 28 unsur buatan, sehingga kalau dijumlahkan ada 118 unsur yang dunia kimia ketahui saat ini.

Unit terkecil penyusun unsur adalah ATOM.

B.2. Senyawa
Ketika unsur Na dan Cl bereaksi, maka NaCl (garam dapur) akan dihasikan. Hasil reaksi antara dua unsur itu merupakan senyawa. Contoh lain, jika kalian mereaksikan unsur hidrogen dan oksigen, maka akan terbentuk senyawa H2O atau yang sering kita sebut dengan air. Dari situ kita dapat menyimpulkan bahwa senyawa merupakan zat yang tersusun atas dua unsur atau lebih.

Unit terkecil penyusun senyawa adalah MOLEKUL. Molekul terbagi menjadi dua jenis, yaitu:

B.2.a. Molekul diatomis (bhs Yunani: di = dua)
Senyawa diatomis merupakan senyawa yang tersusun atas dua atom sejenis.
Contoh:
N2, O2, dan H2

B.2.b. Molekul poliatomis (bhs Yunani: poli- >> polus = banyak)
Senyawa poliatomis merupakan senyawa yang tersusun atas lebih dari dua atom (sejenis ataupun tidak).
Contoh:
H2O, NH3, dan CO2


B.3. Campuran
Kalau unsur dan senyawa merupakan zat murni, sekarang kita akan mengenal yang namanya campuran. Campuran, seperti yang tergambar jelas dari namanya, merupakan zat yang terdiri dari unsur-unsur, senyawa-senyawa, maupun unsur-senyawa.

Misalkan ketika kalian mencampurkan air putih dengan gula, maka kalian sudah membuat suatu campuran (lebih khususnya larutan). Begitu juga udara yang kita hirup sehari-hari, merupakan campuran, karena terdiri dari berbagai gas, seperti nitrogen (N2), oksigen (O2), karbon dioksida (CO2), dll

Campuran bisa dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

3.a. Campuran homogen (homo=sama)
Campuran yang setiap komponen pembentuknya tidak bisa dibedakan. Seringkali kita menyebutnya larutan. Contohnya adalah ketika kamu melarutkan gula dalam air, maka kamu tidak bisa membedakan lagi yang mana gula dan air. Nah itulah yang dimaksud dengan larutan. Larutan tidak hanya terbatas pada campuran homegen yang mengandung air. Contohnya adalah udara yang kita hirup merupakan larutan.

3.b. Campuran heterogen
Campuran heterogen adalah campuran yang terdiri dari lebih dari satu fasa. Maksudnya adalah ketika kamu melihat campuran antara minyak dan air, kamu bisa membedakan yang mana air dan yang mana minyak kan? Nah berarti campuran minyak-air memiliki dua fasa yang berbeda. Oleh karena itu larutan minyak-air disebut campuran heterogen.

C. SIFAT FISIS DAN KIMIAWI

C.1. Sifat Fisis
Sifat fisis adalah sifat suatu zat yang dapat diamati tanpa merubah struktur kimia (susunan atom/molekul) zat tersebut. Contoh dari sifat fisis adalah warna perak (putih metalik) pada logam perak atau kelenturan karet. Jika kalian ingin mengamati warna perak, kalian tidak harus mereaksikannya dengan zat lain kan? Kalian cukup melihat logam perak tersebut dan kalian sudah langsung bisa menilai bahwa warna perak adalah ya perak. Lalu jika kalian ingin mengamati apakah karet itu lentur, keras, atau rapuh, maka kalian cukup merasakannya dengan indera peraba kalian, atau jika belum cukup, maka kalian bisa menarik atau membengkokannya. Setelah itu apakah karet akan berubah menjadi zat lain? TIDAK kan? Oleh karena itu warna dan kelenturan merupakan sifat fisis.

Beberapa sifat fisis yang umum antara lain:
- Warna
- Kekerasan
- Rapat massa
- Titik didih/beku
- Tekanan uap
- Konduktivitas kalor
- Konduktivitas listrik
- Magnetisme

C.2. Sifat Kimiawi
Sifat kimiawi dapat didefinisikan sebagai sifat suatu zat yang tidak bisa diamati secara langsung tanpa adanya perubah struktur kimiawinya (susunan atom/molekul). Maksudnya begini, jika kalian ingin mengamati apakah bensin mudah terbakar, maka kalian tidak bisa menentukannya hanya dengan menyentuh atau melihatnya saja kan? Kalian harus membakarnya (mereaksikan dengan oksigen) untuk dapat mengetahui apakah bensin itu mudah terbakar kan? Dan lagi, setelah bensin terbakar, kita tidak bisa melihat lagi bensinnya kan? Itulah sifat kimiawi.

Contoh lainnya adalah jika kalian ingin mengetahui apakah besi itu mudah berkarat atau tidak, maka kalian harus menunggu beberapa waktu untuk dapat mengetahuinya. Perkaratan sendiri sebenarnya merupakan reaksi antara suatu logam dengan oksigen membentuk senyawa oksida logam bersangkutan. Sehingga, untuk mengetahui apakah besi mudah berkarat maka kalian harus mereaksikan (atau membiarkannya bereaksi sendiri) dengan oksigen. Andai kata semua besi yang kalian amati habis berkarat, maka kalian tidak akan menemukan besi lagi kan? Yang tersisa hanyalah karat yang tidak lain dan tidak bukan adalah senyawa baru (Fe3O2) yang memiliki sifat fisis berbeda dari besi. Besi (Fe) bersifat keras dan berwarna keperakan sedangkan karat (Fe3O2) bersifat rapuh dan berwarna merah kekuningan. Itulah kenapa kemudahan berkarat (secara umum kereaktifan) merupakan sifat kimiawi.

Sifat kimiawi yang umum antara lain:
- Kemudahan untuk terbakar (flammablity)
- Kereaktifan
- Keberacunan (toksisitas)

D. PERUBAHAN FISIS DAN KIMIAWI
Setelah kita mempelajari jenis-jenis materi, ada baiknya kita juga membahas mengenai perubahan kimia dan fisika, karena ini akan sangat membantu kalian untuk memahami perbedaan unsur, senyawa dan campuran.

D.1. Perubahan Fisis
Andaikata kalian melarutkan garam dalam air. Kemudian, jika kalian ingin memisahkan garam dan air dari larutan garam tersebut, apa yang kalian harus lakukan? Menguapkan airnya kemudian seterlah airnya habis menguap, garam akan mengendap kan?! Tapi apakah garam tersebut berbeda jenis dengan garam yang kalian larutkan tadi? Tetap sama kan. Nah dari situ kita simpulkan, perubahan fisis adalah perubahan yang terjadi pada suatu zat tanpa mengubah sifat zat tersebut (tidak ada zat baru terbentuk). Perubahan fisis biasanya melibatkan perubahan fasa (wujud).

Contoh lainnya adalah, ketika kalian membekukan air, maka akan terbentuk es. Pada kasus ini air hanya berubah fasanya, tapi sifat airnya tetap ada. Buktinya adalah ketika kalian minum air dan makan es batu apakah ada perbedaan rasanya? Atau apakah es batu berubah menjadi beracun atau menjadi mudah terbakar? Tidak kan. Nah berarti perubahan air menjadi es batu tidak mengubah sifat airnya, hanya fasanya (wujudnya).

D.2. Perubahan Kimiawi
Seperti yang kalian ketahui molekul air terdiri dari atom hidrogen dan oksigen. Tapi bisakah kalian mendapatkan hidrogen dan oksigen dengan cara memanaskan atau membekukan air? Jawabannya tentu tidak. Molekul dan atom kita sebut sebagai ZAT MURNI, karena ia terdiri dari zat yang memiliki sifat yang sama. Misalkan air, ia terdiri dari molekul-molekul air yang setiap molekulnya memiliki sifat yang sama.

Untuk memisahkan zat murni, kita hanya bisa menggunakan pemisahan/penggabungan secara kimiawi (pemisahan yang melibatkan perubahan kimiawi), misalnya mereaksikannya dengan zat lain. Dari sini, dapat kita simpulkan bahwa perubahan kimiawi merupakan peruahan yang menghasilkan zat baru.

Misalkan ketika kalian membakar arang (karbon), berarti kalian mereaksikannya dengan oksigen. Apa yang dihasilkan dari pembakaran tersebut? Asap kan. Asap sebagian besar terdiri dari CO2. Seperti yang kita ketahui CO2 memiliki sifat yang sangat berbeda dengan arang dan oksigen kan. Nah itulah perubahan kimiawi.

Diagram Rangkuman Materi

Struktur Atom - Kimia Kelas X

A. Subpartikel Atom

Pada awalnya, ilmuwan mengira bahwa atom merupakan partikel terkecil penyusun materi dan tidak bisa dibagi-bagi lagi. Memang tidak salah, namun tidak juga sepenuhnya benar, karena sebenarnya atom masih bisa dibagi lagi menjadi subpartike-subpartikel yang lebih kecil, seperti elektron, proton, dan neutron. Namun pemisahan tersebut harus dengan metode yang berbeda dari hanya reaksi kimia biasa. Nanti kalian akan mempelajari bagaimana hal itu mungkin dilakukan saat kelas 12 semester 2. Untuk saat ini, mari kita kenalan dulu lebih dekat dengan subpartikel-subpartikel tersebut!

A.1. Elektron
Elektron merupakan subpartikel penyusun atom dengan muatan negatif. Salah seorang ilmuwan yang melakukan investigasi tentang elektron adalah J.J. Thompson. Beliau melakukan percobaan dengan tabung sinar katoda. Yaitu tabung yang berisi suatu gas yang kemudian dialirkan listrik melalui gas tersebut.

Percobaan Milikan
sumber : Chemistry 6th Edition, Brady,et.al hal. 65

Pada tahun 1909, Robert Milikan, seorang ilmuwan Amerika dari Universitas Chicago melakukan eksperimen dengan cara untuk menentukan muatan dan massa elektron. Beliau melakukannya dengan menggunakan sebuah tabung yang terhubung dengan semprotan minyak. Di dalam tabung tersebut dipasang dua lempeng logam tipis yang diberi muatan. Lempeng atas bermuatan positif dan lempeng bawah bermuatan negatif. Kemudian, beliau menyemprotkan minyak ke dalam tabung dengan butiran yang sangat halus. Tetesan halus minyak tadi akan jatuh dan melewati lubang kecil pada pelat bagian atas. Kemudian beliau menembakkan sinar laser pada tetesan minyak tersebut. Ini membuat tetesan-tetesan minyak tersebut bermuatan negatif. Karena bermuatan negatif, maka tetesan minyak akan melayang atau melambat kecepatan jatuhnya. Dengan membandingkan laju jatuh tetesan minyak saat lempeng diberi muatan dan tidak, Milikan dapat muatan elektron adalah sebesar -1,6 x 10-19 C.

2. Neukleus

Nukleus merupakan subpartikel penyusun atom yang tidak bermuatan. Nukleus ditemukan oleh Ernest Rutherford pada 1909. Ia melakukan percobaan dengan suatu lempeng tipis logam yang ditembaki oleh sinar-α yang tidak lain sebenarnya merupakan suatu subpartikel (lebih kecil daripada atom) bermuatan positif. Pada eksperimennya, didapati bahwa sebagian besar sinar dapat menembuts lempeng tipis logam. Namun, ada beberapa yang terpantul kembali. Dari percobaan tersebut ia menyimpulkan bahwa atom tidak hanya tersusun atas elektron yang bermuatan negatif, tetapi juga subpartikel yang lebih besar yang terkonsentrasi di tegah atom, yang kemudian disebut inti atom atau nukleus. Karena adanya inti atom inilah sinar-α dapat terpantul. 

Sebagian Partikel Alfa Terpantulkan dan Terbelokan
sumber : Chemistry 6th Edition, Brady,et.al hal. 67

Namun, dengan pertimbangan bahwa lebih banyak lagi sinar-α yang diteruskan, ada indikasi bahwa inti atom dan elektron yang mengelilinginya terpisah oleh jarak yang cukup signifikan relatif terhadap ukuran nukleus dan elektron sendiri. Jadi bisa dikatakan suatu atom sebagian besar hanya terdiri dari ruang hampa. Ibaratnya begini, jika neutron berukuran sebesar bola sepak yang diletakkan di tengah-tengah lapangan bola dan elektron adalah sebuah kelereng, maka jarak antara keduanya mungkin berkilo-kilometer jauhnya. 

A.3. Proton

Proton merupakan subpartikel penyusun atom yang bermuatan positif. Penemuan proton juga tak lepas dari percobaan Ernest Rutherford dalam penemuan nukleus. Karena sinar-α diketahui bermuatan positif, maka subpartikel yang mampu menolak (memantulkan) sinar-α adalah subpartikel bermuatan positif atau paling tidak negatif.

A.4. Neutron

Berlanjut dari percobaannya di atas, Rutherford lalu membandingkan massa seluruh proton yang terkandung dalam atom metal dengan massa atom dengan pengukuran. Didapati bahwa massa atom yang dihitung dengan penjumlahan seluruh proton lebih kecil dibandingkan dengan massa atom sesungguhnya. Sehingga ia dan murid-muridnya menyimpulkan bahwa ada subpartikel lain yang menyumbang pada massa total atom namun tidak bermuatan, yang dinamakan neutron.