Konfigurasi Elektron

Konfigurasi elektron atom adalah representasi dari susunan elektron yang didistribusikan di antara kulit orbital dan subshell. Umumnya, konfigurasi elektron digunakan untuk menggambarkan orbital atom dalam keadaan dasarnya, tetapi juga dapat digunakan untuk mewakili atom yang telah terionisasi menjadi kation atau anion dengan mengkompensasi dengan hilangnya atau perolehan elektron di orbital berikutnya. Banyak sifat fisik dan kimia unsur-unsur dapat dikorelasikan dengan konfigurasi elektronnya yang unik. Elektron valensi, elektron dalam kulit terluar, adalah faktor penentu untuk kimia unik unsur tersebut.

Pendudukan Orbital

Elektron mengisi orbital dengan cara meminimalkan energi atom. Oleh karena itu, elektron dalam atom mengisi tingkat energi utama dalam urutan peningkatan energi (elektron semakin jauh dari nukleus). Urutan level yang diisi terlihat seperti ini:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, dan 7p

Salah satu cara untuk mengingat pola ini, mungkin yang paling mudah, adalah dengan merujuk pada tabel periodik dan mengingat di mana setiap blok orbital jatuh untuk menyimpulkan pola ini secara logis. Cara lain adalah dengan membuat tabel seperti di bawah ini dan menggunakan garis vertikal untuk menentukan subshell mana yang sesuai satu sama lain.

Prinsip Pengecualian Pauli

Prinsip pengecualian Pauli menyatakan bahwa tidak ada dua elektron yang dapat memiliki empat bilangan kuantum yang sama. Tiga yang pertama (n, l, dan ml) mungkin sama, tetapi bilangan kuantum keempat  harus berbeda. Orbital tunggal dapat menampung maksimal dua elektron, yang harus memiliki putaran yang berlawanan; jika tidak mereka akan memiliki empat bilangan kuantum yang sama, yang dilarang. Satu elektron berputar ke atas (ms = +1/2) dan yang lainnya akan berputar ke bawah (ms = -1/2). Ini memberi tahu kita bahwa setiap subshell memiliki dua kali lipat elektron per orbital. Subshell s memiliki 1 orbital yang dapat menampung hingga 2 elektron, subshell p memiliki 3 orbital yang dapat menampung hingga 6 elektron, subshell d memiliki 5 orbital yang menampung hingga 10 elektron, dan subshell f memiliki 7 orbital dengan 14 elektron.

Tiga bilangan kuantum pertama dari suatu elektron adalah n = 1, l = 0, ml = 0. Hanya dua elektron yang dapat sesuai dengan ini, yang akan menjadi ms = -1/2 atau ms = +1/2. Seperti yang sudah kita ketahui dari studi kita tentang bilangan kuantum dan orbital elektron, kita dapat menyimpulkan bahwa keempat bilangan kuantum ini mengacu pada subshell 1s. Jika hanya satu dari nilai ms yang diberikan maka kita akan memiliki 1s1 (menunjukkan hidrogen) jika keduanya diberikan kita akan memiliki 1s2 (menunjukkan helium). Secara visual, ini direpresentasikan sebagai:

Aturan Hund

Saat menetapkan elektron dalam orbital, setiap elektron pertama-tama akan mengisi semua orbital dengan energi yang sama (juga disebut sebagai degenerasi) sebelum dipasangkan dengan elektron lain dalam orbital yang setengah terisi. Atom pada keadaan dasar cenderung memiliki sebanyak mungkin elektron yang tidak berpasangan. Saat memvisualisasikan proses ini, pikirkan tentang bagaimana elektron menunjukkan perilaku yang sama seperti kutub yang sama pada magnet jika mereka bersentuhan; karena elektron bermuatan negatif mengisi orbital, mereka pertama-tama mencoba untuk mendapatkan sejauh mungkin dari satu sama lain sebelum harus berpasangan.

Jika kita melihat konfigurasi elektron yang benar dari atom Nitrogen (Z = 7), unsur yang sangat penting dalam biologi tanaman: 1s2 2s2 2p3

Kita dapat dengan jelas melihat bahwa orbital p setengah terisi karena ada tiga elektron dan tiga orbital p. Ini karena Aturan Hund menyatakan bahwa tiga elektron dalam subshell 2p akan mengisi semua orbital kosong terlebih dahulu sebelum mengisi orbital dengan elektron di dalamnya. Jika kita melihat unsur setelah Nitrogen pada periode yang sama, Oksigen (Z = 8) konfigurasi elektronnya adalah: 1s2 2s 2s2 2p4 (untuk atom).

Oksigen memiliki satu elektron lebih banyak daripada Nitrogen dan karena orbital semuanya setengah terisi, elektron harus berpasangan.

Proses Aufbau

Aufbau berasal dari kata Jerman "aufbauen" yang berarti "membangun." Saat menulis konfigurasi elektron, orbital dibangun dari atom ke atom. Saat menulis konfigurasi elektron untuk atom, orbital diisi dalam urutan peningkatan nomor atom. Namun, ada beberapa pengecualian untuk aturan ini.

Mengikuti pola melintasi periode dari B (Z =5) ke Ne (Z=10), jumlah elektron meningkat dan subshell diisi. Contoh ini berfokus pada subshell p, yang mengisi dari boron ke neon.

Konfigurasi B (Z = 5): 1 detik2 2 detik2 2p1

Konfigurasi C (Z=6):1s2 2s2 2p2

N (Z = 7) konfigurasi: 1s2 2s2 2p3

O (Z = 8) konfigurasi: 1s2 2s2 2p4

Konfigurasi F (Z=9):1s2 2s2 2p5

Ne (Z = 10) konfigurasi: 1s2 2s2 2p6

Saat menulis konfigurasi elektron, pertama-tama tulis tingkat energi (periode), kemudian subshell yang  akan diisi dan superskrip, yang merupakan jumlah elektron dalam subshell itu. Jumlah total elektron adalah nomor atom, Z. Aturan di atas memungkinkan seseorang untuk menulis konfigurasi elektron untuk semua elemen dalam tabel periodik. Tiga metode digunakan untuk menulis konfigurasi elektron:

diagram orbital

notasi spdf

 notasi gas mulia

Setiap metode memiliki tujuannya sendiri dan masing-masing memiliki kekurangannya sendiri.

Diagram Orbital

Diagram orbital, seperti yang ditunjukkan di atas, adalah cara visual untuk merekonstruksi konfigurasi elektron dengan menunjukkan masing-masing orbital terpisah dan putaran pada elektron. Ini dilakukan dengan terlebih dahulu menentukan subshell (s,p,d, atau f) kemudian menggambar di setiap elektron sesuai dengan aturan yang disebutkan di atas.

Tulis konfigurasi elektron untuk aluminium dan iridium.

Aluminium berada pada periode ke-3 dan memiliki nomor atom Z=13. Jika kita melihat tabel periodik kita dapat melihat bahwa itu ada di blok-p seperti di grup 13. Sekarang kita akan melihat orbital yang akan diisinya: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p. Kita tahu bahwa aluminium sepenuhnya mengisi orbital 1s, 2s, 2p, dan 3s karena secara matematis ini akan menjadi 2 + 2 + 6 + 2 = 12. Elektron terakhir berada di orbital 3p. Juga cara lain untuk memikirkannya adalah bahwa ketika Anda bergerak dari setiap blok orbital, subshell menjadi terisi saat Anda menyelesaikan setiap bagian orbital dalam periode tersebut. Blok tempat atom berada (dalam kasus untuk aluminium: 3p) adalah tempat kita akan menghitung untuk mendapatkan jumlah elektron dalam subshell terakhir (untuk aluminium ini akan menjadi satu elektron karena ini adalah elemen pertama dalam periode 3 p-block).

Notasi spdf

Cara paling umum untuk menggambarkan konfigurasi elektron adalah dengan menulis distribusi dalam notasi spdf. Meskipun distribusi elektron di setiap orbital tidak sejelas pada diagram, jumlah total elektron di setiap tingkat energi dijelaskan oleh superskrip yang mengikuti tingkat energi yang berkaitan. Untuk menulis konfigurasi elektron atom, identifikasi tingkat energi yang menarik dan tulis jumlah elektron dalam tingkat energi sebagai superskripnya sebagai berikut: 1s2. Ini adalah konfigurasi elektron helium; itu menunjukkan orbital s penuh. Tabel periodik digunakan sebagai referensi untuk secara akurat menulis konfigurasi elektron semua atom.

Mulailah dengan masalah langsung untuk menemukan konfigurasi elektron dari unsur yttrium. Seperti biasa, lihat tabel periodik. Unsur yttrium (disimbolkan Y) adalah logam transisi, ditemukan pada periode kelima dan pada Kelompok 3. Secara total ia memiliki tiga puluh sembilan elektron. Konfigurasi elektronnya adalah sebagai berikut:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d1

Ini adalah cara yang jauh lebih sederhana dan lebih efisien untuk menggambarkan konfigurasi elektron atom. Cara berpikir logis tentang hal itu adalah bahwa semua yang diperlukan adalah mengisi orbital melintasi suatu periode dan melalui blok orbital. Jumlah elemen di setiap blok sama dengan tingkat energi yang sesuai dengannya. Misalnya, ada 2 elemen di blok-s, dan 10 elemen di blok-d. Bergerak melintasi, cukup hitung berapa banyak elemen yang jatuh di setiap blok. Yttrium adalah elemen pertama dalam periode keempat d-block; dengan demikian ada satu elektron dalam tingkat energi itu. Untuk memeriksa jawabannya, verifikasi bahwa subskrip menambahkan hingga nomor atom. Dalam hal ini, 2+2+6+2+6+2+10+6+2+1= 39 dan Z=39, jadi jawabannya benar.

Contoh yang sedikit lebih rumit adalah konfigurasi elektron bismut (dilambangkan Bi, dengan Z = 83). Tabel periodik memberikan konfigurasi elektron berikut:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p65s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p3

Alasan mengapa konfigurasi elektron ini tampak lebih kompleks adalah karena blok-f, seri Lantanida, terlibat. Sebagian besar siswa yang pertama kali mempelajari konfigurasi elektron sering mengalami masalah dengan konfigurasi yang harus melewati blok-f karena mereka sering mengabaikan jeda ini dalam tabel dan melewatkan tingkat energi itu. Penting untuk diingat bahwa ketika melewati tingkat energi 5d dan 6d bahwa seseorang harus melewati  seri lantanoid dan aktinoid  blok-f. Dengan mengingat hal ini, masalah "kompleks" ini sangat disederhanakan.

Orbital individu diwakili, tetapi putaran pada elektron tidak; putaran yang berlawanan diasumsikan. Saat mewakili konfigurasi atom dengan orbital setengah terisi, tunjukkan dua orbital yang setengah terisi. Notasi yang diperluas untuk karbon ditulis sebagai berikut:

1s2 2s2 2px1 2py1

Karena bentuk notasi spdf ini biasanya tidak digunakan, tidak sepenting itu untuk memikirkan detail ini seperti halnya memahami cara menggunakan notasi spdf umum.

Notasi Gas Mulia

Ini memunculkan poin menarik tentang elemen dan konfigurasi elektron. Ketika subshell p diisi dalam contoh di atas tentang prinsip Aufbau (tren dari boron ke neon), ia mencapai kelompok yang biasa dikenal sebagai gas mulia. Gas mulia memiliki konfigurasi elektron yang paling stabil, dan dikenal relatif lembam. Semua gas mulia memiliki subshell yang diisi dan dapat digunakan sebagai cara singkatan untuk menulis konfigurasi elektron untuk atom-atom berikutnya. Metode penulisan konfigurasi ini disebut notasi gas mulia, di mana gas mulia pada periode di atas elemen yang sedang dianalisis digunakan untuk menunjukkan subshell yang telah diisi unsur dan setelah itu elektron valensi (elektron yang mengisi orbital di bagian terluar sebagian besar cangkang) ditulis. Ini terlihat sedikit berbeda dari notasi spdf, karena referensi gas mulia harus ditunjukkan.

Apa konfigurasi elektronik vanadium (V, Z = 23)?

Vanadium adalah logam transisi pada periode keempat dan kelompok kelima. Gas mulia yang mendahuluinya adalah argon (Ar, Z=18), dan mengetahui bahwa vanadium telah mengisi orbital-orbital tersebut sebelumnya, argon digunakan sebagai gas mulia referensi. Gas mulia dalam konfigurasi dilambangkan E, dalam tanda kurung: [E]. Untuk menemukan elektron valance yang mengikutinya, kurangi nomor atom: 23 - 18 = 5. Alih-alih 23 elektron untuk didistribusikan dalam orbital, ada 5. Sekarang ada cukup informasi untuk menulis konfigurasi elektron:

Vanadium, V: [Ar] 4s2 3d3

Metode ini merampingkan proses distribusi elektron dengan menunjukkan elektron valensi, yang menentukan sifat kimia atom. Selain itu, ketika menentukan jumlah elektron yang tidak berpasangan dalam atom, metode ini memungkinkan visualisasi cepat dari konfigurasi elektron valansi. Dalam contoh di atas, ada orbital s penuh dan tiga orbital d setengah terisi.