Partikel subatomik yang terdapat di sekeliling inti dalam suatu level energi atau orbital adalah

        Pada beberapa abad sebelum masehi, filsuf-filsuf Yunani, di antaranya Leucippus dan Democritus berpendapat bahwa semua materi terdiri dari partikel-partikel kecil yang tak terbagi. Democritus menyatakan bahwa jika suatu materi dibagi menjadi bagian yang lebih kecil kemudian terus dibagi lagi maka akan sampai pada suatu saat di mana didapat bagian yang sangat kecil yang tidak dapat dihancurkan atau dibagi lagi yang disebut atom (‘atomos’ dalam bahasa Yunani yang artinya ‘tak terbagi’). Namun, pemikiran filosofis tersebut tidak begitu diterima pada saat itu hingga pada awal abad ke-18, John Dalton merumuskan teori atom yang berhasil menjelaskan hukum-hukum dasar kimia – hukum kekekalan massa, hukum perbandingan tetap, dan hukum kelipatan perbandingan.

Teori Atom Dalton

Teori atom Dalton menyatakan bahwa:

1. Setiap unsur tersusun dari partikel yang sangat teramat kecil yang disebut atom.
2. Semua atom dari satu unsur yang sama adalah identik, namun atom unsur satu berbeda dengan atom unsur-unsur lainnya.
3. Atom dari satu unsur tidak dapat diubah menjadi atom dari unsur lain melalui reaksi kimia; atom tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan dalam reaksi kimia.
4. Senyawa terbentuk dari kombinasi atom-atom dari unsur-unsur yang berbeda dengan rasio atom yang spesifik.

Teori atom Dalton ini memberikan gambaran model atom seperti model bola pejal atau model bola billiard.

Teori Atom J.J. Thomson

        Pada tahun 1897, J.J. Thomson melakukan eksperimen dengan sinar katoda. Eksperimen tersebut menunjukkan bahwa sinar katoda terdefleksi (terbelokkan) oleh medan magnet maupun medan listrik. Hal ini menunjukkan bahwa sinar katoda merupakan radiasi partikel yang bermuatan listrik. Pada eksperimen dengan medan listrik, sinar katoda terbelokkan menuju ke arah kutub bermuatan positif. Hal ini menunjukkan bahwa sinar katoda merupakan radiasi partikel bermuatan negatif. Selanjutnya, partikel sinar katoda ini disebut sebagai elektron. Penemuan elektron ini kemudian mengacu pada kesimpulan bahwa di dalam atom terdapat elektron yang bermuatan negatif. Menurut model atom Thomson, elektron bermuatan negatif tersebar dalam bola bermuatan positif seperti model roti kismis, di mana kismis-kismis adalah elektron-elektron, dan roti adalah bola bermuatan positif.

Teori Atom Rutherford

        Pada tahun 1911, Ernest Rutherford melakukan eksperimen menembakkan partikel α—partikel bermuatan positif—pada lempeng emas tipis. Ia menemukan bahwa sebagian besar partikel-partikel α tersebut menembus melewati lempeng emas, namun ada sebagian yang mengalami pembelokan bahkan terpantulkan. Hal ini mengacu pada kesimpulan model atom Rutherford: model inti, di mana dalam atom yang sebagian besar merupakan ruang kosong terdapat inti yang padat pejal dan masif bermuatan positif yang disebut sebagai inti atom; dan elektron-elektron bermuatan negatif yang mengitari inti atom.

Teori Atom Bohr

        Pada tahun 1913, Niels Bohr mengajukan model atom untuk menjelaskan fenomena penampakan sinar dari unsur-unsur ketika dikenakan pada nyala api ataupun tegangan listrik tinggi. Model atom yang ia ajukan secara khusus merupakan model atom hidrogen untuk menjelaskan fenomena spektrum garis atom hidrogen. Bohr menyatakan bahwa elektron-elektron bermuatan negatif bergerak mengelilingi inti atom bermuatan positif pada jarak tertentu yang berbeda-beda seperti orbit planet-planet mengitari matahari. Oleh karena itu, model atom Bohr disebut juga model tata surya. Setiap lintasan orbit elektron berada tingkat energi yang berbeda; semakin jauh lintasan orbit dari inti, semakin tinggi tingkat energi. Lintasan orbit elektron ini disebut juga kulit elektron. Ketika elektron jatuh dari orbit yang lebih luar ke orbit yang lebih dalam, sinar yang diradiasikan bergantung pada tingkat energi dari kedua lintasan orbit tersebut.

Teori Atom Mekanika Kuantum

        Pada tahun 1924, Louis de Broglie menyatakan hipotesis dualisme partikel-gelombang—semua materi dapat memiliki sifat seperti gelombang. Elektron memiliki sifat seperti partikel dan juga sifat seperti gelombang. Pada tahun 1926, Erwin Schrödinger merumuskan persamaan matematis yang kini disebut persamaan gelombang Schrödinger, yang memperhitungkan sifat seperti partikel dan seperti gelombang dari elektron. Pada tahun 1927, Werner Heisenberg mengajukan asas ketidakpastian Heisenberg yang menyatakan bahwa posisi elektron tidak dapat ditentukan secara pasti, namun hanya dapat ditentukan peluang posisinya. Teori-teori — dualisme partikel gelombang, asas ketidakpastian Heisenberg, dan persamaan Schrödinger—ini kemudian menjadi dasar dari teori atom mekanika kuantum. Penyelesaian persamaan Schrödinger menghasilkan fungsi gelombang yang disebut orbital. Orbital biasanya digambarkan seperti awan elektron, di mana kerapatan awan tersebut menunjukkan peluang posisi elektron. Semakin rapat awan elektron maka semakin tinggi peluang elektron, begitu pula sebaliknya. Oleh karena itu, model atom mekanika kuantum disebut juga model awan elektron.

        Sebelumnya, pada tahun 1919, Rutherford berhasil menemukan partikel bermuatan positif, yang disebut proton, dari eksperimen penembakkan partikel α pada atom nitrogen di udara. Lalu, pada tahun 1932, James Chadwick menemukan partikel netral, yang disebut neutron, dari eksperimen bombardir partikel α pada berbagai unsur. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa dalam model awan elektron, awan elektron terdiri dari elektron-elektron bermuatan negatif yang bergerak sangat cepat mengelilingi inti atom yang tersusun dariproton yang bermuatan positif dan neutron yang tak bermuatan.

        Berdasarkan teori atom Dalton, atom merupakan unit dasar terkecil dan tersederhana penyusun suatu unsur. Di dalam atom terdapat partikel subatomik utama: proton, neutron, dan elektron. Proton (p+) yang bermuatan positif dan neutron (n0) yang tidak bermuatan terdapat pada inti atom. Elektron (e−) yang bermuatan negatif bergerak cepat dalam ruang sekeliling inti atom yang sangat besar sebagaimana adanya gaya tarik dari inti atom. Inti atom sangatlah padat: 99,97% massa atom adalah massa inti atom namun volume yang ditempatinya hanya 1/1015 dari volume atom. Diameter sebuah atom (∼10−10 m) sekitar 100.000 kali diameter inti atom (∼10−15 m). Berikut ilustrasi struktur atom (Gambar 1) dan perbandingan karakter dari 3 partikel subatomik utama (Tabel 1).

Gambar 1. Ilustrasi struktur atom
(Sumber: McMurry, John. et al. 2013. Fundamentals of General, Organic, and Biological Chemistry (7th edition). Illinois: Pearson Education, Inc.)

        Nilai massa atom dan partikel-partikel subatomik sangatlah kecil dalam satuan gram sehingga lebih mudah jika dinyatakan sebagai massa relatif. Basis ukuran massa relatif atom adalah atom karbon yang terdiri dari 6 proton dan 6 neutron (atom C-12), di mana massa satu atom C-12 dinyatakan senilai 12 satuan massa atom (sma) atau 12 dalton (Da).

1 sma = 1,660539×10−24 g.

Jadi, secara praktis, massa proton dan massa neutron masing-masing dinyatakan 1 sma.

Isotop, Massa Atom (Massa Atom Rata-rata), dan Massa Atom Relatif

        Semua atom dari suatu unsur memiliki nomor atom yang identik, namun memiliki nomor massa yang berbeda-beda. Isotop adalah atom-atom dengan nomor atom yang identik, namun berbeda nomor massa. Sebagai contoh, semua atom karbon (Z = 6) memiliki 6 proton dan 6 neutron, namun di alam 98,89% atom karbon memiliki 6 neutron (A = 12), sisanya 1,11% memiliki 7 neutron (A = 13), dan < 0,01% memiliki 8 neutron (A = 14). Dengan kata lain, di alam terdapat 3 isotop karbon: 12C, 13C, dan 14C. Selain itu, hidrogen juga memiliki 3 isotop – 1H (protium) yang paling berlimpah, 2H (deuterium), dan 3H (tritium).

Gambar 3. Ilustrasi susunan / struktur atom dari ketiga isotop hidrogen: 1H, 2H, dan 3H
(Sumber: McMurry, John. et al. 2013. Fundamentals of General, Organic, and Biological Chemistry (7th edition). Illinois: Pearson Education, Inc.)

        Semua unsur yang berada di alam umumnya merupakan campuran dari isotop-isotop. Oleh karena itu, dalam perhitungan perlu diketahui rata-rata dari massa isotop-isotop unsur di alam yang diukur berdasarkan kelimpahan masing-masing isotop tersebut di alam yang disebut massa atom (massa atom rata-rata) unsur. Rumus umum perhitungan massa atom (massa atom rata-rata):

.

di mana adalah massa atom (massa atom rata-rata) unsur X yang memiliki isotop-isotop dengan massa m1, m2, m3, … dengan kelimpahan masing-masing isotop di alam a1, a2, a3, … dalam fraksi desimal.

Contoh Soal Struktur Atom

Perak (Ag; Z = 47) memiliki dua isotop di alam, 107Ag dan 109Ag. Dari data spektrometri massa yang diperoleh berikut, tentukan massa atom Ag.

Isotop         Massa (sma)      Kelimpahan (%)

107Ag           106,90509                 51,84

109Ag            108,90476                 48,16

Jawab:

massa atom Ag  = (massa isotop 107Ag)(kelimpahan isotop 107Ag) +(massa isotop 109Ag)(kelimpahan isotop 109Ag)

= (106,90509 sma)(0,5184) + (108,90476 sma)(0,4816)

= 55,42 sma + 52,45 sma

= 107,87 sma

        Berdasarkan IUPAC, massa atom relatif (Ar) merupakan perbandingan massa atom terhadap satu satuan massa atom (sma), di mana satu sma sama dengan 1/12 massa 1 atom C-12. Jadi, massa atom relatif tidak memiliki satuan.

Isobar dan Isoton

Isobar adalah atom-atom yang memiliki nomor massa yang sama, namun berbeda nomor atom (unsur berbeda).
Contoh: dengan  ; dengan .

Isoton adalah atom-atom yang memiliki jumlah neutron sama, namun berbeda nomor atom (unsur berbeda).
Contoh: dengan ; dengan

        Konfigurasi elektron adalah susunan penyebaran (pengisian) elektron-elektron dalam. Di dalam atom terdapat partikel subatomik neutron dan proton yang terdapat pada inti atom, dan elektron yang bergerak mengelilingi inti atom tersebut pada kulit-kulit elektron (level-level energi) yang tertentu. Lintasan peredaran elektron ini disebut juga kulit elektron. Kulit pertama yang terdekat dengan inti atom disebut kulit K, kemudian kulit kedua disebut kulit L, kulit ketiga disebut kulit M, dan seterusnya berurut berdasarkan alfabet sebagaimana kulit menjauhi inti atom. Kulit elektron ini juga dapat dinyatakan dengan bilangan kuantum utama (n), dimulai dari 1 untuk kulit K, 2 untuk kulit L, dan seterusnya.

        Semakin besar nilai n, semakin jauh kulit elektron dari inti atom dan semakin besar energi elektron yang beredar di kulit terkait. Elektron-elektron akan mengisi kulit-kulit elektron pada atom dimulai dari kulit K yang merupakan level energi terendah. Setiap kulit elektron hanya dapat terisi sejumlah tertentu elektron. Jumlah maksimum elektron yang dapat terisi pada kulit elektron ke-n adalah 2n2. Namun, jumlah maksimum elektron pada kulit terluar dari suatu atom adalah 8.

Lebih jelasnya, perhatikan ilustrasi pada Gambar 1 dan Tabel 1.

(Sumber: Spencer, James N., Bodner, George M., & Rickard, Lyman H. 2011. Chemistry: Structure and Dynamics (5th edition). New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.)