Konfigurasi Elektron (Prinsip Aufbau, Aturan Hund, dan Larangan Pauli)

Elektron merupakan partikel sub-atom yang bermuatan negatif dan terletak pada luar inti atom. Pada teori sebelumnya, dijelaskan bahwa setiap atom-atom yang ada menempati orbital sesuai dengan susunannya sering disebut sebagai konfigurasi elektron. Konfigurasi elektron merupakan distribusi elektron dari atom atau molekul di sebuah orbital. Adanya konfigurasi elektron mampu menggambarkan elektron yang bergerak secara bebas di dalam orbital. Secara teoritis, konfigurasi elektron memiliki tiga aturan yang terdiri atas Prinsip Aufbau, Aturan Hund, dan Larangan Pauli. Penentuan konfigurasi elektron menjadi dasar dari model atom Niels Bohr dengan konfigurasi berdasarkan kulit. Adapun pengisian elektron diawali dari kulit K, selanjutnya kulit L hingga kulit berikutnya. Pengisian elektron ini hanya berlaku untuk atom yang memiliki nomor atom 1 sampai dengan 18. Sedangkan atom yang mempunyai nomor atom lebih besar dari 18 yang biasanya berada dikulit N dapat diisi sebelum kulit yang sebelumnya penuh. Dimana, jumlah  batas maksimum elektron pada kulit terluar yaitu 8.

Salah satu contoh pada atom hidrogen dan atom polielektron yang tiap orbitalnya dicirikan oleh bilangan kuantum.  Bilangan kuantum memiliki arti perbedaan yang terletak pada distribusi radial atau jarak inti dari orbital.  Hal ini mengakibatkan tingkat energi orbital-orbital pada atom polielektron berbeda dengan tingkat energi pada atom elektron tunggal seperti atom hidrogen. Atom hidrogen, setiap orbital dengan nilai bilangan kuantum utama sama, mempunyai tingkat energi atau tingkat energi yang terdegenerasi yang sama seperti orbital 2s dan 2p memiliki tingkat energi yang sama begitu juga dengan orbital 3s, 3p, dan 3d memiliki tingkat energi yang sama.

Berbeda dengan atom polielektron yang tingkat energi orbital ditentukan oleh harga n dan juga l yang mengakibatkan nilai bilangan kuantum sama tetapi bilangan kuantum azimut berbeda. Hal ini menyebabkan tingkat energi orbital 2s berbeda dengan orbital 2p begitu juga dengan orbital 3s yang memiliki tingkat energi berbeda dengan 3p dan 3d. Selanjutnya, atom polielektron di orbital 2s mempunyai peluang cenderung lebih tinggi karena terletak lebih dekat ke inti dibandingkan elektron dalam orbital 2p yang artinya orbital 2s mampu menembus lebih dalam dibandingkan orbital 2p. Sedangkan orbital 1s mempunyai kemampuan untuk memerisai suatu elektron yang terletak lebih luar dari tarikan inti sehingga terjadi tolak menolak antar elektron yang menyebabkan di dalam orbital 2s dan 2p tidak mampu terdegenerasi seperti atom  hidrogen. Setelah mengikuti penentuan berdasarkan teori yang telah dikemukakan oleh Niels Bohr, terdapat tiga aturan untuk menentukan konfigurasi elektron yang mengikuti aturan Aufbau (subkulit), aturan Hund dan juga Larangan Pauli.

Suatu atom mempunyai elektron yang menempati kulit atom berdasarkan tingkat energi. Maka, pengisian elektron ini dimulai dari tingkat yang terendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi. Aturan ini disebut dengan Prinsip Aufbau yang ditemukan pertama kali oleh seorang ahli asal Denmark bernama Niels Bohr di tahun 1920. 

Prinsip Aufbau yang pada dasarnya memiliki keadaan ketika elektron mengisi kulit pada energi terendah atau keadaan dasar.  Orbital diisi dengan peningkatan n+1, jika tersedia dua orbital yang memiliki nilai n+1 sama hal ini karena orbital pertama diisi dengan nilai n yang sangat rendah. Pengisian orbital ini mengacu pada urutan 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p sampai seterusnya. Hal ini menyatakan tingkat energi 3d lebih besar dibandingkan tingkat energi 4s. Sedangkan dalam mengisi elektron sub kulit dengan energi terendah dilakukan dengan cara diisi terlebih dahulu sehingga sisa elektron itu akan menempati sub kulit dengan tingkat energi yang lebih tinggi. Dimana, saat 3d terisi penuh, elektron akan mengisi sub kulit 4s terlebih dahulu sebelum ke sub kulit 3d. Masing-masing sub kulit memiliki nilai tampung yang berbeda.

            s memiliki 1 orbital dengan maksimum 2 buah elektron

            p memiliki 3 orbital dengan maksimum 6 buah elektron

            d memiliki 5 orbital dengan maksimum 10  buah elektron

            f memiliki 7 orbital dengan maksimum 14 buah elektron

Dalam pengisian konfigurasi elektron berdasarkan Prinsip Aufbau memiliki kelemahan karena aturan ini bergantung pada postulat dasar yang menyatakan bahwa urutan energi orbital tetap, adil sebagai unsur atau sela-sela unsur yang berlainan. Niels Bohr menyatakan bahwa orbital-orbital atom sebagai kotak-kotak yang memiliki energi tetap dengan mengisi dua buah elektron. Tetapi, energi dalam orbital atom bergantung pada keseluruhan energi dalam atom. Selanjutnya, penerapan Prinsip Aufbau ini memunculkan paradoks yang dapat membantu dalam menuliskan konfigurasi sebagai salah satu contoh yaitu kromium [Ar] 3d5 4s1. Hal tersebut menyatakan satu elektron melewati pengisian orbital 4s ke orbital 3d yang menghasilkan sub kelopak yang diisi setengah. Atau diisi penuh sebagai wujud elektron yang stabil.

Selanjutnya, terdapat Aturan Hund yang dicetuskan oleh Friedrich Hund di tahun 1930 yang menyampaikan gagasan pikiran bahwa elektron-elektron yang berada di dalam orbital-orbital sub kulit akan cenderung tidak berpasangan. Tetapi elektron-elektron ini akan berpasangan jika pada sub kulit sudah tidak ada orbital yang kosong. Aturan Hund digunakan untuk menyatakan distribusi elektron-elektron pada orbital-orbital dalam sub kulit, dimana konfigurasi elektronnya dapat ditulis ke dalam bentuk diagram orbital. Adapun suatu orbital ini dilambangkan dengan strip sedangkan dua elektron yang diam dalam satu orbital yang disimbolkan dengan dua panah yang berlawanan arah. Apabila suatu orbital hanya mengandung satu elektron, anak panah harus dituliskan dengan mengarah ke atas

Berhubungan dengan aturan Hund sebelumnya, terdapat Larangan Pauli merupakan suatu aturan yang memiliki hubungan dengan bilangan kuantum spin. Larangan Pauli dicetuskan oleh seorang ahli bernama Wolfgang Pauli yang menyatakan bahwa tidak ada elektron dalam atom yang memiliki empat bilangan kuantum yang sama. 

Artinya, apabila terdapat dua buah elektron yang menempati orbital sama yaitu n, l, dan m sama, jadi kedua elektron ini harus berbeda dalam bilangan kuantum spinnya. Sehingga, dua buah elektron yang memiliki bilangan kuantum utama, azimut, dan magnetik  sama dalam satu orbital harus mempunyai bilangan kuantum spin yang berbeda dengan istilah kedua elektron harus berpasangan. 

Adapun setiap orbital dapat menampung maksimum dua buah elektron. Untuk mengimbangi terjadinya gaya tolak-menolak antara elektron-elektron tersebut maka dua elektron di dalam satu orbital harus selalu berotasi dalam arah yang berlawanan. Seperti sub kulit s (satu orbital dengan maksimum dua elektron), sub kulit p (tiga orbital dengan maksimum enam elektron) sub kulit d  (terdapat lima orbital dengan maksimum sepuluh elektron) dan  selanjutnya sub kulit f (tujuh orbital dengan maksimum empat belas elektron).

Jadi dapat disimpulkan bahwa konfigurasi elektron merupakan distribusi elektron dari suatu atom pada sebuah orbital. Konfigurasi elektron tidak dituliskan secara sembarang tetapi berdasarkan kenaikan energi serta terdapat tiga aturan untuk menentukan konfigurasi elektron yang mengikuti Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan juga Larangan Pauli.