Lagi

2.1: Elektron, Proton, Neutron, dan Atom - Geosains

2.1: Elektron, Proton, Neutron, dan Atom - Geosains


Semua materi yang kita kenal, termasuk kristal mineral, terdiri dari atom, dan semua atom terdiri dari tiga partikel utama: proton, neutron, dan elektron. Baik proton dan neutron memiliki massa 1, sedangkan elektron hampir tidak memiliki massa.

Tabel 2.1 Muatan dan massa partikel dalam atom
Partikel DasarMengenakan biayaMassa
Proton+11
neutron01
Elektron−1~0

Unsur hidrogen memiliki atom paling sederhana, masing-masing hanya memiliki satu proton dan satu elektron. Proton membentuk nukleus, sedangkan elektron mengorbit di sekitarnya. Semua elemen lain memiliki neutron dan juga proton dalam intinya, seperti helium, yang digambarkan pada Gambar (PageIndex{1}). Proton bermuatan positif cenderung menolak satu sama lain, tetapi neutron membantu menahan inti bersama-sama. Jumlah proton adalah nomor atom, dan jumlah proton ditambah neutron adalah massa atom. Untuk hidrogen, massa atom adalah 1 karena ada satu proton dan tidak ada neutron. Untuk helium, itu adalah 4: dua proton dan dua neutron.

Untuk sebagian besar dari 16 elemen paling ringan (hingga oksigen), jumlah neutron sama dengan jumlah proton. Untuk sebagian besar unsur yang tersisa terdapat lebih banyak neutron daripada proton karena neutron tambahan diperlukan untuk menjaga inti tetap bersama dengan mengatasi tolakan timbal balik dari meningkatnya jumlah proton yang terkonsentrasi di ruang yang sangat kecil. Misalnya, silikon memiliki 14 proton dan 14 neutron. Nomor atomnya adalah 14 dan massa atomnya adalah 28. Isotop uranium yang paling umum memiliki 92 proton dan 146 neutron. Nomor atomnya adalah 92 dan massa atomnya adalah 238 (92 + 146).

Sebuah atom helium digambarkan pada Gambar (PageIndex{1}). Titik di tengah adalah nukleus, dan awan di sekitarnya menunjukkan di mana dua elektron mungkin berada setiap saat. Semakin gelap bayangannya, semakin besar kemungkinan elektron akan berada di sana. Atom helium berukuran sekitar 1 angstrom. Angstrom (Å) adalah 10−10 meter (m). Inti helium berukuran sekitar 1 femtometer. Sebuah femtometer (fm) adalah 10−15 M. Dengan kata lain, awan elektron atom helium sekitar 100.000 kali lebih besar dari nukleusnya. Stanley Park di Vancouver berjarak sekitar 2 km. Jika Stanley Park adalah atom helium, nukleusnya akan seukuran kenari.

Elektron yang mengorbit di sekitar inti atom tersusun dalam kulit—juga dikenal sebagai “tingkat energi”. Kulit pertama hanya dapat menampung dua elektron, sedangkan kulit berikutnya dapat menampung hingga delapan elektron. Kulit berikutnya dapat menampung lebih banyak elektron, tetapi kulit terluar dari atom mana pun tidak dapat menampung lebih dari delapan elektron. Seperti yang akan kita lihat, elektron di kulit terluar memainkan peran penting dalam ikatan antar atom. Konfigurasi kulit elektron untuk 29 dari 36 elemen pertama tercantum dalam Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Konfigurasi kulit elektron hingga elemen 36. (Elemen inert, dengan kulit terluar terisi, memiliki *.)
[Lewati Tabel]
ElemenSimbolnomor atomJumlah Elektron pada Kulit PertamaJumlah Elektron di Kulit ke-2Jumlah Elektron pada Kulit KetigaJumlah Elektron di Kulit ke-4
HidrogenH11000
Helium *Dia22000
LitiumLi32100
BeriliumMenjadi42200
boronB52300
KarbonC62400
Nitrogenn72500
OksigenHAI82600
FluorF92700
Neon *Tidak102800
Sodiumtidak112810
MagnesiumMg122820
AluminiumAl132830
silikonSi142840
FosforP152850
SulfurS162860
KlorinCl172870
Argon *Ar182880
KaliumK192881
KalsiumCa202882
SkandiumSc212892
TitaniumTi2228102
VanadiumV2328112
kromiumCr2428131
ManganM N2528132
BesiFe2628142
.......
SeleniumSe3428186
BromBr3528187
Kripton *Kr3628188

.Rumah

Atribusi Media

  • Gambar (PageIndex{1}): Helium Atom QM. © Yzmo. CC BY-SA.

2.1: Blok Bangunan Molekul

  • Disumbangkan oleh OpenStax
  • Konsep Biologi di OpenStax CNX

Pada tingkat yang paling mendasar, kehidupan terdiri dari materi. Materi menempati ruang dan memiliki massa. Semua materi terdiri dari unsur-unsur, zat yang tidak dapat diuraikan atau diubah secara kimia menjadi zat lain. Setiap elemen terbuat dari atom, masing-masing dengan jumlah proton yang konstan dan sifat unik. Sebanyak 118 elemen telah didefinisikan, namun hanya 92 yang terjadi secara alami, dan kurang dari 30 ditemukan dalam sel hidup. 26 elemen yang tersisa tidak stabil dan, oleh karena itu, tidak ada untuk waktu yang lama atau bersifat teoretis dan belum terdeteksi.

Setiap unsur ditunjuk oleh simbol kimianya (seperti H, N, O, C, dan Na), dan memiliki sifat yang unik. Sifat unik ini memungkinkan elemen untuk bergabung dan terikat satu sama lain dengan cara tertentu.


2.1 Atom, Isotop, Ion, dan Molekul: Blok Bangunan

Pada akhir bagian ini, Anda akan dapat melakukan hal berikut:

  • Jelaskan pengertian materi dan unsur
  • Jelaskan hubungan antara proton, neutron, dan elektron
  • Bandingkan cara elektron dapat disumbangkan atau dibagi antar atom
  • Jelaskan cara-cara di mana unsur-unsur alami bergabung untuk menciptakan molekul, sel, jaringan, sistem organ, dan organisme!

Pada tingkat yang paling mendasar, kehidupan terdiri dari materi. Materi adalah setiap zat yang menempati ruang dan memiliki massa. Unsur adalah bentuk materi yang unik dengan sifat kimia dan fisik tertentu yang tidak dapat diuraikan menjadi zat yang lebih kecil dengan reaksi kimia biasa. Ada 118 elemen, tetapi hanya 98 yang terjadi secara alami. Unsur-unsur yang tersisa tidak stabil dan membutuhkan para ilmuwan untuk mensintesisnya di laboratorium.

Setiap unsur dilambangkan dengan lambang kimianya, yaitu huruf kapital tunggal atau, bila huruf pertama sudah “diambil” oleh unsur lain, kombinasi dari dua huruf. Beberapa unsur mengikuti istilah bahasa Inggris untuk unsur, seperti C untuk karbon dan Ca untuk kalsium. Simbol kimia unsur lain berasal dari nama latinnya. Misalnya, simbol untuk natrium adalah Na, mengacu pada natrium, kata Latin untuk natrium.

Empat unsur yang umum untuk semua organisme hidup adalah oksigen (O), karbon (C), hidrogen (H), dan nitrogen (N). Di dunia tak hidup, unsur-unsur ditemukan dalam proporsi yang berbeda, dan beberapa unsur yang umum bagi organisme hidup relatif langka di bumi secara keseluruhan, seperti yang ditunjukkan Tabel 2.1. Misalnya, atmosfer kaya akan nitrogen dan oksigen tetapi mengandung sedikit karbon dan hidrogen, sedangkan kerak bumi, meskipun mengandung oksigen dan sedikit hidrogen, memiliki sedikit nitrogen dan karbon. Terlepas dari perbedaan kelimpahan mereka, semua elemen dan reaksi kimia di antara mereka mematuhi hukum kimia dan fisika yang sama terlepas dari apakah mereka adalah bagian dari dunia hidup atau tidak hidup.

Elemen Kehidupan (Manusia) Suasana Kerak bumi
Oksigen (O) 65% 21% 46%
Karbon (C) 18% jejak jejak
Hidrogen (H) 10% jejak 0.1%
Nitrogen (N) 3% 78% jejak

Struktur Atom

Untuk memahami bagaimana unsur-unsur datang bersama-sama, pertama-tama kita harus membahas komponen terkecil atau blok penyusun unsur, atom. Atom adalah unit terkecil dari materi yang mempertahankan semua sifat kimia unsur. Misalnya, satu atom emas memiliki semua sifat emas, seperti reaktivitas kimianya. Koin emas hanyalah sejumlah besar atom emas yang dicetak menjadi bentuk koin dan mengandung sejumlah kecil elemen lain yang dikenal sebagai pengotor. Kita tidak dapat memecah atom emas menjadi sesuatu yang lebih kecil sambil tetap mempertahankan sifat-sifat emas.

Sebuah atom terdiri dari dua wilayah: nukleus, yang berada di pusat atom dan mengandung proton dan neutron. Daerah terluar atom menahan elektronnya pada orbit di sekitar nukleus, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.2. Atom mengandung proton, elektron, dan neutron, di antara partikel subatom lainnya. Isotop hidrogen (H) yang paling umum adalah satu-satunya pengecualian dan terbuat dari satu proton dan satu elektron tanpa neutron.

Proton dan neutron memiliki massa yang kurang lebih sama, sekitar 1,67 × 10 -24 gram. Para ilmuwan secara sewenang-wenang mendefinisikan jumlah massa ini sebagai satu satuan massa atom (sma) atau satu Dalton, seperti yang ditunjukkan Tabel 2.2. Meskipun serupa dalam massa, proton dan neutron berbeda dalam muatan listriknya. Proton bermuatan positif sedangkan neutron tidak bermuatan. Oleh karena itu, jumlah neutron dalam atom memberikan kontribusi signifikan terhadap massanya, tetapi tidak pada muatannya. Elektron jauh lebih kecil massanya daripada proton, dengan berat hanya 9,11 × 10 -28 gram, atau sekitar 1/1800 satuan massa atom. Oleh karena itu, mereka tidak berkontribusi banyak pada keseluruhan massa atom suatu elemen. Oleh karena itu, ketika mempertimbangkan massa atom, biasanya mengabaikan massa elektron dan menghitung massa atom berdasarkan jumlah proton dan neutron saja. Meskipun bukan penyumbang massa yang signifikan, elektron berkontribusi besar terhadap muatan atom, karena setiap elektron memiliki muatan negatif yang sama dengan muatan positif proton. Dalam atom netral yang tidak bermuatan, jumlah elektron yang mengorbit inti sama dengan jumlah proton di dalam inti. Dalam atom-atom ini, muatan positif dan negatif saling meniadakan, mengarah ke atom tanpa muatan bersih.

Dengan memperhitungkan ukuran proton, neutron, dan elektron, sebagian besar volume atom—lebih besar dari 99 persen—adalah ruang kosong. Dengan semua ruang kosong ini, orang mungkin bertanya mengapa yang disebut benda padat tidak melewati satu sama lain begitu saja. Alasan mereka tidak melakukannya adalah karena elektron yang mengelilingi semua atom bermuatan negatif dan muatan negatif saling tolak.

Nomor Atom dan Massa

Atom dari setiap unsur mengandung jumlah proton dan elektron yang khas. Jumlah proton menentukan nomor atom suatu unsur , yang digunakan para ilmuwan untuk membedakan satu unsur dengan unsur lainnya. Jumlah neutron bervariasi, menghasilkan isotop, yang merupakan bentuk berbeda dari atom yang sama yang hanya bervariasi dalam jumlah neutron yang dimilikinya. Bersama-sama, jumlah proton dan neutron menentukan nomor massa suatu unsur, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.3. Perhatikan bahwa kita mengabaikan kontribusi kecil massa dari elektron dalam menghitung nomor massa. Kita dapat menggunakan pendekatan massa ini untuk dengan mudah menghitung berapa banyak neutron yang dimiliki suatu elemen hanya dengan mengurangi jumlah proton dari nomor massa. Karena isotop suatu unsur akan memiliki nomor massa yang sedikit berbeda, para ilmuwan juga menentukan massa atom , yang merupakan rata-rata yang dihitung dari nomor massa untuk isotop yang terjadi secara alami. Seringkali, angka yang dihasilkan berisi pecahan. Misalnya, massa atom klor (Cl) adalah 35,45 karena klor terdiri dari beberapa isotop, beberapa (mayoritas) dengan massa atom 35 (17 proton dan 18 neutron) dan beberapa dengan massa atom 37 (17 proton dan 20 neutron) .

Koneksi Visual

Berapa banyak neutron yang dimiliki karbon-12 dan karbon-13?

Isotop

Isotop adalah bentuk yang berbeda dari suatu unsur yang memiliki jumlah proton yang sama tetapi jumlah neutron yang berbeda. Beberapa elemen—seperti karbon, kalium, dan uranium—memiliki isotop alami. Karbon-12 mengandung enam proton, enam neutron, dan enam elektron sehingga memiliki nomor massa 12 (enam proton dan enam neutron). Karbon-14 mengandung enam proton, delapan neutron, dan enam elektron, massa atomnya adalah 14 (enam proton dan delapan neutron). Kedua bentuk karbon alternatif ini adalah isotop. Beberapa isotop dapat memancarkan neutron, proton, dan elektron, dan mencapai konfigurasi atom yang lebih stabil (tingkat energi potensial yang lebih rendah) ini adalah isotop radioaktif, atau radioisotop. Peluruhan radioaktif (peluruhan karbon-14 menjadi nitrogen-14) menggambarkan hilangnya energi yang terjadi ketika inti atom yang tidak stabil melepaskan radiasi.

Koneksi Evolusi

Penanggalan karbon

Karbon biasanya hadir di atmosfer dalam bentuk senyawa gas seperti karbon dioksida dan metana. Karbon-14 (14 C) adalah radioisotop alami yang dibuat di atmosfer dari atmosfer 14 N (nitrogen) dengan penambahan neutron dan hilangnya proton karena sinar kosmik. Ini adalah proses yang berkelanjutan, jadi lebih banyak 14 C selalu dibuat. Sebagai organisme hidup menggabungkan 14 C awalnya sebagai karbon dioksida tetap dalam proses fotosintesis, jumlah relatif 14 C dalam tubuhnya sama dengan konsentrasi 14 C di atmosfer. Ketika suatu organisme mati, ia tidak lagi menelan 14 C, sehingga rasio antara 14 C dan 12 C akan menurun karena 14 C meluruh secara bertahap menjadi 14 N melalui proses yang disebut peluruhan beta—elektron atau emisi positron. Peluruhan ini memancarkan energi dalam proses yang lambat.

Setelah kira-kira 5.730 tahun, setengah dari konsentrasi awal 14 C akan berubah kembali menjadi 14 N. Kami menyebut waktu yang diperlukan untuk setengah dari konsentrasi awal sebuah isotop untuk meluruh kembali ke bentuk yang lebih stabil dari waktu paruhnya. Karena waktu paruh 14 C panjang, para ilmuwan menggunakannya untuk menentukan umur benda-benda yang sebelumnya hidup seperti tulang atau kayu tua. Membandingkan rasio konsentrasi 14 C dalam suatu objek dengan jumlah 14 C di atmosfer, para ilmuwan dapat menentukan jumlah isotop yang belum meluruh. Berdasarkan jumlah ini, Gambar 2.4 menunjukkan bahwa kita dapat menghitung usia materi, seperti mamut kerdil, dengan akurat jika usianya tidak lebih dari sekitar 50.000 tahun. Unsur-unsur lain memiliki isotop dengan waktu paruh yang berbeda. Misalnya, 40 K (kalium-40) memiliki waktu paruh 1,25 miliar tahun, dan 235 U (Uranium 235) memiliki waktu paruh sekitar 700 juta tahun. Melalui penggunaan penanggalan radiometrik, para ilmuwan dapat mempelajari usia fosil atau sisa-sisa organisme punah lainnya untuk memahami bagaimana organisme berevolusi dari spesies sebelumnya.

Tautan ke Pembelajaran

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang atom, isotop, dan bagaimana membedakan satu isotop dari yang lain, jalankan simulasinya.

Tabel Periodik

Tabel periodik mengatur dan menampilkan elemen yang berbeda. Dibuat oleh ahli kimia Rusia Dmitri Mendeleev (1834–1907) pada tahun 1869, tabel mengelompokkan unsur-unsur yang, meskipun unik, memiliki sifat kimia tertentu dengan unsur lain. Sifat-sifat unsur bertanggung jawab atas keadaan fisiknya pada suhu kamar: mereka mungkin gas, padatan, atau cairan. Unsur juga memiliki reaktivitas kimia tertentu, kemampuan untuk menggabungkan dan mengikat secara kimia satu sama lain.

Dalam tabel periodik pada Gambar 2.5, unsur-unsur diatur dan ditampilkan menurut nomor atomnya dan disusun dalam serangkaian baris dan kolom berdasarkan kesamaan sifat kimia dan fisika. Selain memberikan nomor atom untuk setiap unsur, tabel periodik juga menampilkan massa atom unsur tersebut. Melihat karbon, misalnya, muncul simbol (C) dan namanya, serta nomor atomnya enam (di sudut kiri atas) dan massa atomnya 12,01.

Tabel periodik mengelompokkan unsur menurut sifat kimianya. Para ilmuwan mendasarkan perbedaan dalam reaktivitas kimia antara unsur-unsur pada jumlah dan distribusi spasial elektron atom. Atom-atom yang secara kimia bereaksi dan berikatan satu sama lain membentuk molekul. Molekul hanyalah dua atau lebih atom yang terikat secara kimia. Logikanya, ketika dua atom terikat secara kimia untuk membentuk sebuah molekul, elektron-elektron mereka, yang membentuk daerah terluar dari setiap atom, berkumpul lebih dulu saat atom-atom tersebut membentuk ikatan kimia.

Kulit Elektron dan Model Bohr

Perhatikan bahwa ada hubungan antara jumlah proton dalam suatu unsur, nomor atom yang membedakan satu unsur dengan unsur lainnya, dan jumlah elektron yang dimilikinya. Pada semua atom yang bermuatan listrik netral, jumlah elektron sama dengan jumlah proton. Dengan demikian, setiap elemen, setidaknya ketika netral secara listrik, memiliki jumlah karakteristik elektron yang sama dengan nomor atomnya.

Pada tahun 1913, ilmuwan Denmark Niels Bohr (1885–1962) mengembangkan model awal atom. Model Bohr menunjukkan atom sebagai inti pusat yang mengandung proton dan neutron, dengan elektron dalam orbital melingkar pada jarak tertentu dari inti, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.6. Orbit ini membentuk kulit elektron atau tingkat energi, yang merupakan cara untuk memvisualisasikan jumlah elektron di kulit terluar. Tingkat energi ini ditunjuk oleh angka dan simbol "n." Misalnya, 1n mewakili tingkat energi pertama yang terletak paling dekat dengan inti.

Elektron mengisi orbital dalam urutan yang konsisten: pertama-tama mereka mengisi orbital yang paling dekat dengan nukleus, kemudian mereka terus mengisi orbital dengan energi yang meningkat lebih jauh dari nukleus. Jika ada beberapa orbital dengan energi yang sama, mereka mengisi dengan satu elektron di setiap tingkat energi sebelum menambahkan elektron kedua. Elektron dari tingkat energi terluar menentukan stabilitas energi atom dan kecenderungannya untuk membentuk ikatan kimia dengan atom lain untuk membentuk molekul.

Dalam kondisi standar, atom mengisi kulit terluar terlebih dahulu, seringkali menghasilkan sejumlah elektron yang bervariasi di kulit terluar. Kulit terdalam memiliki maksimal dua elektron tetapi dua kulit elektron berikutnya masing-masing dapat memiliki maksimal delapan elektron. Ini dikenal sebagai aturan oktet , yang menyatakan, dengan pengecualian kulit terdalam, bahwa atom lebih stabil secara energetik ketika mereka memiliki delapan elektron di kulit valensinya, kulit elektron terluar. Gambar 2.7 menunjukkan contoh beberapa atom netral dan konfigurasi elektronnya. Perhatikan bahwa pada Gambar 2.7, helium memiliki kulit elektron terluar yang lengkap, dengan dua elektron mengisi kulit pertama dan satu-satunya. Demikian pula, neon memiliki kulit terluar 2n lengkap yang mengandung delapan elektron. Sebaliknya, klorin dan natrium masing-masing memiliki tujuh dan satu di kulit terluarnya, tetapi secara teoritis mereka akan lebih stabil secara energi jika mereka mengikuti aturan oktet dan memiliki delapan.

Koneksi Visual

Sebuah atom dapat memberi, mengambil, atau berbagi elektron dengan atom lain untuk mencapai kulit valensi penuh, konfigurasi elektron paling stabil. Melihat gambar ini, berapa banyak elektron yang harus dilepaskan unsur-unsur dalam golongan 1 untuk mencapai konfigurasi elektron yang stabil? Berapa banyak elektron yang dibutuhkan unsur-unsur dalam golongan 14 dan 17 untuk mencapai konfigurasi yang stabil?

Memahami bahwa organisasi tabel periodik didasarkan pada jumlah total proton (dan elektron) membantu kita mengetahui bagaimana elektron mendistribusikan diri di antara kulit. Tabel periodik disusun dalam kolom dan baris berdasarkan jumlah elektron dan lokasinya. Periksa lebih dekat beberapa elemen di kolom paling kanan tabel pada Gambar 2.5. Atom golongan 18 helium (He), neon (Ne), dan argon (Ar) semuanya telah mengisi kulit elektron terluar, sehingga mereka tidak perlu berbagi elektron dengan atom lain untuk mencapai stabilitas. Mereka sangat stabil sebagai atom tunggal. Karena mereka tidak reaktif, para ilmuwan menciptakannya inert (atau gas mulia). Bandingkan ini dengan elemen grup 1 di kolom sebelah kiri. Unsur-unsur ini, termasuk hidrogen (H), litium (Li), dan natrium (Na), semuanya memiliki satu elektron di kulit terluarnya. Itu berarti bahwa mereka dapat mencapai konfigurasi yang stabil dan kulit terluar yang terisi dengan menyumbangkan atau berbagi satu elektron dengan atom atau molekul lain seperti air. Hidrogen akan menyumbangkan atau berbagi elektronnya untuk mencapai konfigurasi ini, sedangkan lithium dan natrium akan menyumbangkan elektronnya agar stabil. Sebagai akibat dari kehilangan elektron bermuatan negatif, mereka menjadi ion bermuatan positif. Unsur golongan 17, termasuk fluor dan klor, memiliki tujuh elektron di kulit terluarnya, sehingga mereka cenderung mengisi kulit ini dengan elektron dari atom atau molekul lain, menjadikannya ion bermuatan negatif. Unsur golongan 14, di mana karbon adalah yang paling penting bagi sistem kehidupan, memiliki empat elektron di kulit terluarnya yang memungkinkan mereka membuat beberapa ikatan kovalen (dibahas di bawah) dengan atom lain. Dengan demikian, kolom tabel periodik mewakili keadaan bersama potensial dari kulit elektron terluar unsur-unsur ini yang bertanggung jawab atas karakteristik kimianya yang serupa.

Orbital Elektron

Meskipun berguna untuk menjelaskan reaktivitas dan ikatan kimia unsur-unsur tertentu, model Bohr tidak secara akurat mencerminkan bagaimana elektron mendistribusikan diri mereka sendiri secara spasial di sekitar nukleus. Mereka tidak mengitari nukleus seperti bumi mengorbit matahari, tetapi kita menemukannya dalam orbital elektron . Bentuk-bentuk yang relatif kompleks ini dihasilkan dari fakta bahwa elektron berperilaku tidak hanya seperti partikel, tetapi juga seperti gelombang. Persamaan matematika dari mekanika kuantum, yang oleh para ilmuwan disebut fungsi gelombang, dapat memprediksi dalam tingkat probabilitas tertentu di mana sebuah elektron mungkin berada pada waktu tertentu. Para ilmuwan menyebut daerah di mana elektron paling mungkin ditemukan orbitalnya.

Ingatlah bahwa model Bohr menggambarkan konfigurasi kulit elektron atom. Di dalam setiap kulit elektron terdapat subkulit, dan setiap subkulit memiliki jumlah orbital tertentu yang mengandung elektron. Meskipun tidak mungkin untuk menghitung secara tepat lokasi elektron, para ilmuwan tahu bahwa kemungkinan besar elektron itu terletak di dalam jalur orbitnya. Surat-surat, P, D, dan F tentukan subkulitnya. NS S subkulit berbentuk bola dan memiliki satu orbital. Cangkang utama 1n hanya memiliki satu S orbital yang dapat menampung dua elektron. Cangkang utama 2n memiliki satu S dan satu P subkulit, dan dapat menampung total delapan elektron. NS P subkulit memiliki tiga orbital berbentuk halter, seperti yang diilustrasikan Gambar 2.8. Subkulit D dan F memiliki bentuk yang lebih kompleks dan masing-masing berisi lima dan tujuh orbital. Kami tidak menunjukkan ini dalam ilustrasi. Cangkang utama 3n memiliki S, P, dan D subkulit dan dapat menampung 18 elektron. Cangkang utama 4n memiliki S, P, D dan F orbital dan dapat menampung 32 elektron. Menjauh dari inti, jumlah elektron dan orbital pada tingkat energi meningkat. Dari satu atom ke atom berikutnya dalam tabel periodik, kita dapat menentukan struktur elektron dengan memasukkan elektron ekstra ke orbital berikutnya yang tersedia.

Orbital terdekat dengan inti, orbital 1s, dapat menampung hingga dua elektron. Orbital ini setara dengan kulit elektron terdalam model Bohr. Para ilmuwan menyebutnya 1S orbital karena bulat di sekitar nukleus. 1S orbital adalah orbital terdekat dengan nukleus, dan selalu terisi terlebih dahulu, sebelum orbital lainnya mengisi. Hidrogen memiliki satu elektron oleh karena itu, ia hanya menempati satu tempat dalam 1S orbit. Kami menetapkan ini sebagai 1S 1 , di mana superskrip 1 mengacu pada satu elektron dalam 1S orbit. Helium memiliki dua elektron oleh karena itu, ia dapat sepenuhnya mengisi 1S orbital dengan dua elektronnya. Kami menetapkan ini sebagai 1S 2 , mengacu pada dua elektron helium di 1S orbit. Pada tabel periodik Gambar 2.5, hidrogen dan helium adalah satu-satunya dua elemen di baris pertama (periode). Ini karena mereka hanya memiliki elektron di kulit pertama mereka, 1S orbit. Hidrogen dan helium adalah dua elemen yang memiliki 1S dan tidak ada orbital elektron lain dalam keadaan netral secara elektrik.

Kulit elektron kedua mungkin berisi delapan elektron. Cangkang ini berisi bola lain S orbital dan tiga "dumbbell" berbentuk P orbital, yang masing-masing dapat menampung dua elektron, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.8. Setelah 1S orbital terisi, kulit elektron kedua terisi, pertama mengisi 2S orbital dan kemudian tiga P orbital. Saat mengisi P orbital, masing-masing mengambil satu elektron. Setiap sekali P orbital memiliki elektron, mungkin menambahkan satu detik. Litium (Li) mengandung tiga elektron yang menempati kulit pertama dan kedua. Dua elektron mengisi 1S orbital, dan elektron ketiga kemudian mengisi 2S orbit. Konfigurasi elektronnya adalah 1S 2 2S 1 . Neon (Ne), sebagai alternatif, memiliki total sepuluh elektron: dua di terdalamnya 1S orbital dan delapan mengisi kulit kedua (masing-masing dua di 2S dan tiga P orbital). Dengan demikian ia adalah gas inert dan stabil secara energi sebagai atom tunggal yang jarang akan membentuk ikatan kimia dengan atom lain. Unsur yang lebih besar memiliki orbital tambahan, yang terdiri dari kulit elektron ketiga. Sementara konsep kulit elektron dan orbital terkait erat, orbital memberikan gambaran yang lebih akurat tentang konfigurasi elektron atom karena model orbital menentukan berbagai bentuk dan orientasi khusus dari semua tempat yang dapat ditempati elektron.

Tautan ke Pembelajaran

Tonton animasi visual ini untuk melihat susunan spasial orbital p dan s.

Reaksi Kimia dan Molekul

Semua elemen paling stabil ketika kulit terluarnya diisi dengan elektron sesuai dengan aturan oktet. Ini karena secara energetik menguntungkan bagi atom untuk berada dalam konfigurasi itu dan membuatnya stabil. Namun, karena tidak semua unsur memiliki cukup elektron untuk mengisi kulit terluarnya, atom membentuk ikatan kimia dengan atom lain sehingga memperoleh elektron yang mereka butuhkan untuk mencapai konfigurasi elektron yang stabil. Ketika dua atau lebih atom terikat secara kimia satu sama lain, struktur kimia yang dihasilkan adalah molekul. Molekul air yang sudah dikenal, H2O, terdiri dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Ikatan ini bersama-sama membentuk air, seperti yang diilustrasikan Gambar 2.9. Atom dapat membentuk molekul dengan menyumbangkan, menerima, atau berbagi elektron untuk mengisi kulit terluarnya.

Reaksi kimia terjadi ketika dua atau lebih atom terikat bersama untuk membentuk molekul atau ketika atom yang terikat pecah. Para ilmuwan menyebut zat yang digunakan pada awal reaksi kimia reaktan (biasanya di sisi kiri persamaan kimia), dan kita menyebut zat di akhir produk reaksi (biasanya di sisi kanan persamaan kimia). Kami biasanya menggambar panah antara reaktan dan produk untuk menunjukkan arah reaksi kimia. Arah ini tidak selalu merupakan “jalan satu arah”. Untuk membuat molekul air di atas, persamaan kimianya adalah:

Contoh reaksi kimia sederhana adalah pemecahan molekul hidrogen peroksida yang masing-masing terdiri dari dua atom hidrogen yang terikat pada dua atom oksigen (H2HAI2). Reaktan hidrogen peroksida terurai menjadi air, mengandung satu atom oksigen yang terikat pada dua atom hidrogen (H2O), dan oksigen, yang terdiri dari dua atom oksigen terikat (O2). Dalam persamaan di bawah, reaksi mencakup dua molekul hidrogen peroksida dan dua molekul air. Ini adalah contoh persamaan kimia yang seimbang, di mana jumlah atom setiap unsur adalah sama di setiap sisi persamaan. Menurut hukum kekekalan materi, jumlah atom sebelum dan sesudah reaksi kimia harus sama, sehingga tidak ada atom, dalam keadaan normal, yang diciptakan atau dimusnahkan.

Meskipun semua reaktan dan produk dari reaksi ini adalah molekul (setiap atom tetap terikat pada setidaknya satu atom lain), dalam reaksi ini hanya hidrogen peroksida dan air yang mewakili senyawa : mereka mengandung atom lebih dari satu jenis unsur. Oksigen molekuler, sebagai alternatif, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.10, terdiri dari dua atom oksigen yang berikatan rangkap dan tidak diklasifikasikan sebagai senyawa tetapi sebagai molekul homonuklear.

Beberapa reaksi kimia, seperti yang di atas, dapat berlangsung dalam satu arah sampai mereka mengeluarkan semua reaktan. Persamaan yang menggambarkan reaksi ini mengandung panah searah dan tidak dapat diubah . Reaksi reversibel adalah reaksi yang dapat berlangsung ke dua arah. Dalam reaksi reversibel, reaktan berubah menjadi produk, tetapi ketika konsentrasi produk melampaui ambang batas tertentu (karakteristik reaksi tertentu), beberapa produk ini diubah kembali menjadi reaktan. Pada titik ini, penunjukan produk dan reaktan terbalik. Bolak-balik ini berlanjut sampai keseimbangan relatif tertentu antara reaktan dan produk terjadi—keadaan yang disebut kesetimbangan. Persamaan kimia dengan panah berkepala dua yang mengarah ke reaktan dan produk sering menunjukkan situasi reaksi reversibel ini.

Misalnya, dalam darah manusia, kelebihan ion hidrogen (H + ) berikatan dengan ion bikarbonat (HCO).3 - ) membentuk keadaan setimbang dengan asam karbonat (H2BERSAMA3). Jika kita menambahkan asam karbonat ke sistem ini, sebagian akan berubah menjadi ion bikarbonat dan hidrogen.

Namun, reaksi biologis jarang mencapai kesetimbangan karena konsentrasi reaktan atau produk atau keduanya terus berubah, seringkali dengan produk satu reaksi reaktan untuk yang lain. Kembali ke contoh kelebihan ion hidrogen dalam darah, pembentukan asam karbonat akan menjadi arah utama reaksi. Namun, asam karbonat juga dapat meninggalkan tubuh sebagai gas karbon dioksida (melalui pernafasan) alih-alih mengubah kembali menjadi ion bikarbonat, sehingga mendorong reaksi ke kanan oleh hukum aksi massa. Reaksi-reaksi ini penting untuk menjaga homeostasis dalam darah kita.

Ion dan Ikatan Ion

Beberapa atom lebih stabil ketika mereka mendapatkan atau kehilangan elektron (atau mungkin dua) dan membentuk ion. Ini mengisi kulit elektron terluar mereka dan membuat mereka lebih stabil secara energi. Karena jumlah elektron tidak sama dengan jumlah proton, setiap ion memiliki muatan bersih. Kation adalah ion positif yang terbentuk dengan kehilangan elektron. Ion negatif terbentuk dengan mendapatkan elektron, yang kita sebut anion. Kami menetapkan anion dengan nama unsurnya dan mengubah akhiran menjadi "-ide", sehingga anion klorin adalah klorida, dan anion belerang adalah sulfida.

Para ilmuwan menyebut pergerakan elektron dari satu elemen ke elemen lain sebagai transfer elektron. Seperti yang diilustrasikan Gambar 2.11, natrium (Na) hanya memiliki satu elektron di kulit elektron terluarnya. Dibutuhkan lebih sedikit energi untuk natrium untuk menyumbangkan satu elektron daripada untuk menerima tujuh elektron lagi untuk mengisi kulit terluar. Jika natrium kehilangan elektron, sekarang memiliki 11 proton, 11 neutron, dan hanya 10 elektron, meninggalkannya dengan muatan keseluruhan +1. Kami sekarang menyebutnya sebagai ion natrium. Klorin (Cl) dalam keadaan energi terendah (disebut keadaan dasar) memiliki tujuh elektron di kulit terluarnya. Sekali lagi, klorin lebih hemat energi untuk mendapatkan satu elektron daripada kehilangan tujuh. Oleh karena itu, ia cenderung mendapatkan elektron untuk membuat ion dengan 17 proton, 17 neutron, dan 18 elektron, memberikannya muatan negatif bersih (–1). Kami sekarang menyebutnya sebagai ion klorida. Dalam contoh ini, natrium akan menyumbangkan satu elektronnya untuk mengosongkan kulitnya, dan klorin akan menerima elektron tersebut untuk mengisi kulitnya. Kedua ion sekarang memenuhi aturan oktet dan memiliki kulit terluar yang lengkap. Karena jumlah elektron tidak lagi sama dengan jumlah proton, masing-masing sekarang menjadi ion dan memiliki muatan +1 (kation natrium) atau -1 (anion klorida). Perhatikan bahwa transaksi ini biasanya hanya dapat terjadi secara bersamaan: agar atom natrium kehilangan elektron, ia harus berada di hadapan penerima yang sesuai seperti atom klorin.

Ikatan ion terbentuk antara ion dengan muatan yang berlawanan. Misalnya, ion natrium bermuatan positif dan ion klorida bermuatan negatif terikat bersama untuk membuat kristal natrium klorida, atau garam meja, menciptakan molekul kristal dengan muatan bersih nol.

Ahli fisiologi menyebut garam tertentu sebagai elektrolit (termasuk natrium, kalium, dan kalsium), ion yang diperlukan untuk konduksi impuls saraf, kontraksi otot, dan keseimbangan air. Banyak minuman olahraga dan suplemen makanan menyediakan ion ini untuk menggantikan ion yang hilang dari tubuh melalui keringat saat berolahraga.

Ikatan Kovalen dan Ikatan dan Interaksi Lainnya

Cara lain untuk memenuhi aturan oktet adalah dengan berbagi elektron antar atom untuk membentuk ikatan kovalen. Ikatan ini lebih kuat dan lebih umum daripada ikatan ion dalam molekul organisme hidup. Kami biasanya menemukan ikatan kovalen dalam molekul organik berbasis karbon, seperti DNA dan protein kami. Kami juga menemukan ikatan kovalen dalam molekul anorganik seperti H2O, CO2, dan O2. The bonds may share one, two, or three pairs of electrons, making single, double, and triple bonds, respectively. The more covalent bonds between two atoms, the stronger their connection. Thus, triple bonds are the strongest.

The strength of different levels of covalent bonding is one of the main reasons living organisms have a difficult time in acquiring nitrogen for use in constructing their molecules, even though molecular nitrogen, N2, is the most abundant gas in the atmosphere. Molecular nitrogen consists of two nitrogen atoms triple bonded to each other and, as with all molecules, sharing these three pairs of electrons between the two nitrogen atoms allows for filling their outer electron shells, making the molecule more stable than the individual nitrogen atoms. This strong triple bond makes it difficult for living systems to break apart this nitrogen in order to use it as constituents of proteins and DNA.

Forming water molecules provides an example of covalent bonding. Covalent bonds bind the hydrogen and oxygen atoms that combine to form water molecules as Figure 2.9 shows. The electron from the hydrogen splits its time between the hydrogen atoms' incomplete outer shell and the oxygen atoms' incomplete outer shell. To completely fill the oxygen's outer shell, which has six electrons but which would be more stable with eight, two electrons (one from each hydrogen atom) are needed: hence, the well-known formula H2O. The two elements share the electrons to fill the outer shell of each, making both elements more stable.

Tautan ke Pembelajaran

View this short video to see an animation of ionic and covalent bonding.

Polar Covalent Bonds

There are two types of covalent bonds: polar and nonpolar. In a polar covalent bond , Figure 2.12 shows atoms unequally share the electrons and are attracted more to one nucleus than the other. Because of the unequal electron distribution between the atoms of different elements, a slightly positive (δ+) or slightly negative (δ–) charge develops. This partial charge is an important property of water and accounts for many of its characteristics.

Water is a polar molecule, with the hydrogen atoms acquiring a partial positive charge and the oxygen a partial negative charge. This occurs because the oxygen atom's nucleus is more attractive to the hydrogen atoms' electrons than the hydrogen nucleus is to the oxygen’s electrons. Thus, oxygen has a higher electronegativity than hydrogen and the shared electrons spend more time near the oxygen nucleus than the hydrogen atoms' nucleus, giving the oxygen and hydrogen atoms slightly negative and positive charges, respectively. Another way of stating this is that the probability of finding a shared electron near an oxygen nucleus is more likely than finding it near a hydrogen nucleus. Either way, the atom’s relative electronegativity contributes to developing partial charges whenever one element is significantly more electronegative than the other, and the charges that these polar bonds generate may then be used to form hydrogen bonds based on the attraction of opposite partial charges. (Hydrogen bonds, which we discuss in detail below, are weak bonds between slightly positively charged hydrogen atoms to slightly negatively charged atoms in other molecules.) Since macromolecules often have atoms within them that differ in electronegativity, polar bonds are often present in organic molecules.

Nonpolar Covalent Bonds

Nonpolar covalent bonds form between two atoms of the same element or between different elements that share electrons equally. For example, molecular oxygen (O2) is nonpolar because the electrons distribute equally between the two oxygen atoms.

Figure 2.12 also shows another example of a nonpolar covalent bond—methane (CH4). Carbon has four electrons in its outermost shell and needs four more to fill it. It obtains these four from four hydrogen atoms, each atom providing one, making a stable outer shell of eight electrons. Carbon and hydrogen do not have the same electronegativity but are similar thus, nonpolar bonds form. The hydrogen atoms each need one electron for their outermost shell, which is filled when it contains two electrons. These elements share the electrons equally among the carbons and the hydrogen atoms, creating a nonpolar covalent molecule.

Hydrogen Bonds and Van Der Waals Interactions

Ionic and covalent bonds between elements require energy to break. Ionic bonds are not as strong as covalent, which determines their behavior in biological systems. However, not all bonds are ionic or covalent bonds. Weaker bonds can also form between molecules. Two weak bonds that occur frequently are hydrogen bonds and van der Waals interactions. Without these two types of bonds, life as we know it would not exist. Hydrogen bonds provide many of the critical, life-sustaining properties of water and also stabilize the structures of proteins and DNA, the building block of cells.

When polar covalent bonds containing hydrogen form, the hydrogen in that bond has a slightly positive charge because hydrogen’s electron is pulled more strongly toward the other element and away from the hydrogen. Because the hydrogen is slightly positive, it will be attracted to neighboring negative charges. When this happens, a weak interaction occurs between the hydrogen's δ + from one molecule and the molecule's δ – charge on another molecule with the more electronegative atoms, usually oxygen. Scientists call this interaction a hydrogen bond . This type of bond is common and occurs regularly between water molecules. Individual hydrogen bonds are weak and easily broken however, they occur in very large numbers in water and in organic polymers, creating a major force in combination. Hydrogen bonds are also responsible for zipping together the DNA double helix.

Like hydrogen bonds, van der Waals interactions are weak attractions or interactions between molecules. Van der Waals attractions can occur between any two or more molecules and are dependent on slight fluctuations of the electron densities, which are not always symmetrical around an atom. For these attractions to happen, the molecules need to be very close to one another. These bonds—along with ionic, covalent, and hydrogen bonds—contribute to the proteins' three-dimensional structure in our cells that is necessary for their proper function.

Career Connection

Pharmaceutical Chemist

Pharmaceutical chemists are responsible for developing new drugs and trying to determine the mode of action of both old and new drugs. They are involved in every step of the drug development process. We can find drugs in the natural environment or we can synthesize them in the laboratory. In many cases, chemists change potential drugs from nature chemically in the laboratory to make them safer and more effective, and sometimes synthetic versions of drugs substitute for the version we find in nature.

After a drug's initial discovery or synthesis, the chemist then develops the drug, perhaps chemically altering it, testing it to see if it is toxic, and then designing methods for efficient large-scale production. Then, the process of approving the drug for human use begins. In the United States, the Food and Drug Administration (FDA) handles drug approval. This involves a series of large-scale experiments using human subjects to ensure the drug is not harmful and effectively treats the condition for which it is intended. This process often takes several years and requires the participation of physicians and scientists, in addition to chemists, to complete testing and gain approval.

An example of a drug that was originally discovered in a living organism is Paclitaxel (Taxol), an anti-cancer drug used to treat breast cancer. This drug was discovered in the bark of the pacific yew tree. Another example is aspirin, originally isolated from willow tree bark. Finding drugs often means testing hundreds of samples of plants, fungi, and other forms of life to see if they contain any biologically active compounds. Sometimes, traditional medicine can give modern medicine clues as to where to find an active compound. For example, mankind has used willow bark to make medicine for thousands of years, dating back to ancient Egypt. However, it was not until the late 1800s that scientists and pharmaceutical companies purified and marketed the aspirin molecule, acetylsalicylic acid, for human use.

Occasionally, drugs developed for one use have unforeseen effects that allow usage in other, unrelated ways. For example, scientists originally developed the drug minoxidil (Rogaine) to treat high blood pressure. When tested on humans, researchers noticed that individuals taking the drug would grow new hair. Eventually the pharmaceutical company marketed the drug to men and women with baldness to restore lost hair.

A pharmaceutical chemist's career may involve detective work, experimentation, and drug development, all with the goal of making human beings healthier.


Appendix 1 List of Geologically Important elements and the Periodic Table

Tabel berikut mencakup 36 elemen penting secara geologis, diurutkan berdasarkan abjad berdasarkan nama elemennya, bersama dengan nomor atomnya dan massa atom dari isotopnya yang paling stabil.

Elemen yang paling penting secara geologis dicetak tebal, dan delapan elemen utama mineral silikat diidentifikasi dengan tanda bintang (*).

Simbol Nama nomor atom Atomic Mass
Al* Aluminium 13 27
Sebagai Arsenic 33 75
ba Barium 56 137
Menjadi Berilium 4 9
B boron 5 11
CD Kadmium 48 112
Ca* Kalsium 20 40
C Karbon 6 12
Cl Klorin 17 35
Cr kromium 24 52
Bersama Kobalt 27 59
Cu Tembaga 29 64
F tepung terigu 9 19
Au Emas 79 197
Dia Helium 2 4
H Hidrogen 1 1
Fe* Besi 26 56
Pb Memimpin 82 207
Mg* Magnesium 12 24
M N Manganese 25 55
Mo molibdenum 42 96
Tidak Neon 10 20
Ni Nickel 28 59
n nitrogren 7 14
HAI* Oksigen 8 16
P Fosfor 15 31
PT Platinum 78 195
K* Kalium 19 39
Si* Silicon 14 28
Ag Perak 47 108
Tidak* Sodium 11 23
Sri Stronsium 38 88
S Sulfur 16 32
Ti Titanium 22 48
kamu Uranium 92 238
Zn Seng 30 65

Tabel periodik adalah daftar semua unsur yang disusun dalam kelompok sesuai dengan konfigurasi atomnya. In this table the elements are colour-coded according to their chemical and physical properties.


Frequently Asked Questions (FAQs) about Atomic Structure

What are the names of scientists who discovered electron, proton and neutron?

Which sub-atomic particle has minus one charge and negligible mass?

What is the charge on proton and neutron?

Which model of atomic structure is called plum-pudding model or water-melon model?

Which model of atomic structure is also called nuclear model of atom?

Which model of atomic structure proposed that certain special orbits of electrons are found inside the atom?

Which term refers to the total of protons and neutrons in the nucleus of an atom?

Which term is used for atoms having the same mass number and different atomic number?

Which term is used for atoms of the same element having same atomic numbers (Z) and different mass number (A)?

Which isotope is used in the treatment of cancer?


Tonton videonya: Menentukan Jumlah Proton, Neutron dan Elektron