Memahami Dengan Mudah Bilangan Kuantum

Sebelumnya kita sudah mengetahui tentang perkembangan model atom yang salah satunya adalah model atom mekanika kuantum. Menurut model atom ini kita hanya dapat menentukan daerah dengan peluang terbesar untuk menentukan elektron, dimana daerah tersebut disebut dengan orbital. 

Dalam hal ini, satu kulit tersusun dari subkulit-subkulit, satu subkulit tersusun dari orbital-orbital dan satu orbital menampung maksimal dua elektron. Nah, untuk menyatakan kedudukan tingkat energi, bentuk serta orientasi suatu orbital digunakanlah bilangan kuantum. 

Pengertian Bilangan Kuantum

Bilangan kuantum merupakan suatu cara yang digunakan untuk menentukan kedudukan suatu elektron dalam atom. Bilangan kuantum adalah bilangan-bilangan yang menyatakan keadaan energi dan posisi elektron dalam suatu atom berdasarkan model atom mekanika kuantum. Penemuan bilangan kuantum dikemukakan oleh seorang ilmuwan bernama Erwin Schrodinger yang didasarkan pada teori mekanika kuantum.

Fungsi Bilangan Kuantum

Berdasarkan pengertiannya, bilangan kuantum digunakan untuk menentukan kedudukan suatu elektron dalam atom. Hal ini dibuktikan karena bilangan kuantum mampu menggambarkan sifat elektron dalam atom dan menentukan elektron terakhir suatu atom. 

Selain itu, bilangan kuantum dapat menentukan tingkat energi utama atau jarak dari inti, bentuk orbital, orientasi orbital, dan spin elektron. Dalam sistem kuantum dapat memiliki satu atau lebih bilangan kuantum. Berdasarkan hal tersebut, bilangan kuantum bersifat spesifik sesuai dengan azas larangan Pauli. 

Asas larangan Pauli merupakan prinsip dalam mekanika kuantum pada tahun 1925 yang diungkapkan oleh fisikawan Austria Wolfgang Pauli. Pauli mengatakan bahwa tidak ada elektron yang memiliki bilangan kuantum yang sama, maksudnya adalah dua elektron dapat memiliki bilangan kuantum n, l, dan m yang sama namun harus memiliki bilangan kuantum spin (s) yang berbeda. Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan, yaitu:

• Subkulit terdiri dari s, p, d, f saja yang dapat ditempati oleh elektron, sedangkan subkulit g, h, i, j dan sub kulit lainnya masih kosong dan belum terisi oleh elektron.
• Pada sebuah atom, kulit pertama memiliki subkulit s, kemudian kulit kedua memiliki subkuli s, dan p, dan seterusnya.

Macam-Macam Bilangan Kuantum

Dalam teori kuantum, suatu bilangan bulat n tidak dapat menyatakan keadaan stasioner, melainkan dinyatakan dengan sekumpulan bilangan kuantum. 

Berdasarkan penjabaran persamaan Schrodinger untuk atom hidrogen menunjukkan bahwa energi suatu elektron ditentukan oleh bilangan kuantum utama (n), bilangan kuantum azimut (l), bilangan kuantum magnetik (m) dan bilangan kuantum spin (s). Maka dari itu, untuk menjelaskan elektron secara lengkap dibutuhkan empat macam bilangan kuantum, yaitu:

• Bilangan kuantum utama (n) yang menyatakan tingkat energi
• Bilangan kuantum azimuth (l) yang menyatakan bentuk orbital
• Bilangan kuantum magnetik (m) yang menyatakan orientasi orbital dalam ruang tiga dimensi
• Bilangan kuantum spin (s) yang menyatakan spin elektron pada sebuah atom

Penjelasan Bilangan Kuantum

Bilangan Kuantum Utama (n)

Bilangan kuantum utama menyatakan tingkat energi utama atau kulit atom yang dimiliki oleh elektron dalam sebuah atom. Nilai bilangan kuantum utama tidak pernah bernilai nol melainkan mulai dari 1 sampai tak hingga. Semakin tinggi energi elektron makan semakin tinggi nilai n. Dalam bilangan kuantum utama mempunyai nilai dengan bilangan bulat positif 1, 2, 3, dst. Nilai-nilai tersebtu melambangkan K, L, M, dst.

Bilangan Kuantum Azimut (l)

Bilangan kuantum azimut sering dikatakan sebagai bilangan kuantum angular atau sudut. Bilangan kuantum azimut mempunyai fungsi dalam menyatakan jumlah subkulit atom yang didalamnya terdapat orbital-orbital. Momentum sudut ini digambarkan sebagai energi pada elektron yang berkaitan dengan gerakan orbital. 

Momentum sudut ini di identifikasi dengan menggunakan bilangan kuantum azimut. Bilangan kuantum azimut ini menyatakan bentuk suatu orbital yang disimbolkan dengan huruf “l”. Besarnya nilai kuantum azimuth dinyatakan dengan rumus (n-1). Nilai bilangan kuantum azimuth digambarkan dengan subkulit s, p, d, f, bilangan kuantum berturut-turut adalah 0, 1, 2, 3.

Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Bilangan kuantum magnetik adalah bilangan yang menyatakan bentuk orbital, dimana dalam subkulit atom memiliki subkulit dengan orbital yang berbeda-beda. Bilangan kuantum magnetik dilambangkan dengan huruf “m”.  Bilangan kuantum magnetik mempunyai besar nilai yang berkisar -1 dari +1 termasuk 0. Dalam bilangan kuantum magnetik setiap orbitalnya ditulis dengan simbol kotak dengan panah didalamnya. Panah inilah yang menentukan besarnya bilangan kuantum.

Bilangan Kuantum Spin (s)

Bilangan kuantum spin berfungsi dalam menentukan arah rotasi pergerakan suatu elektron. Bilangan kuantum spin juga dapat mengetahui energi dan bentuk orbital. Bilangan kuantum spin ini tidak ada memiliki kaitan dengan momentum sudut dan ketiga bilangan kuantum sebelumnya. 

Hal ini menandakan bahwa bilangan kuantum spin ini keadaan elektron yang sudah benar-benar kuantum. Bilangan kuantum spin disimbolkan dengan huruf “s”. Suatu elektron dalam bilangan kuantum spin s adalah +1/2 atau -1/2. Nilai positif atau negative dari spin menyatakan rotasi partikel dan spin pada sumbu.

Aturan Pendistribusian Elektron

Penulisan bilangan kuantum digunakan untuk menentukan konfigurasi elektron subkulit. Untuk membuat susunan konfigurasi elektron terdapat beberapa aturan. Konfigurasi elektron sering dikenal sebagai aturan pendistribusian elektron. Adapun aturan yang digunakan untuk menentukan konfigurasi elektron yaitu:

1. Prinsip Aufbau

Aufbau memiliki arti yaitu membangun, maka prinsip dari aufbau mampu menyatakan bahwa dalam tingkat energi rendah atau kulit pertama menentukan kondisi stabil suatu atom yang didalamnya terdapat elektron. Kemudian, membentuk subkulit dengan elektron yang berada dalam setiap orbital. 

Jadi dapat disimpulkan bahwa elektron memiliki kemampuan dalam menempati subkulit yang mempunyai tingkat energi rendah. Elektron terisi dari orbital dengan tingkat energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi.

2. Aturan Hund

Aturan Hund menyatakan bahwa setiap orbital terisi dengan sebuah elektron yang memiliki spin yang sama (1/2 penuh) terutama pada orbital-orbital yang memiliki tingkat energi sama. Setelah itu, orbital-orbital tersebut saling berpasangan atau penuh.

3. Elektron Valensi

Elektron valensi digunakan untuk membuat ikatan kimia yang digambarkan dengan sejumlah elektron yang terletak di bagian subkulit terluar dari sebuah atom.

4. Diagram Orbital

Diagram orbital dilambangkan sebagai dua anak panah yang saling berlawanan. Bilangan kuantum spin menyatakan nilai pada diagram orbital. Dalam satu orbital memiliki elektron maksimun sebanyak 2 elektron yang bernilai negative dan menyebabkan saling tolak menolak. Gaya tolak menolak ini diimbangi oleh adanya rotasu yang arahnya saling berlawanan.

Orbital

Ketika mengenal bilangan kuantum, sering kali terdengar kata orbital. Dikatakan pada bilangan bahwa setiap subkulit memiliki orbital, lalu apakah orbital itu?

Orbital adalah gambaran perilaku sebuah elektron atau sepasang elektron dalam sebuah atom. Setiap orbital memiliki bentuk, ukuran, dan arah orientasi yang berbeda-beda. 

Perbedaan ini dipengaruhi oleh ketiga bilangan kuantum yaitu bilangan kuantum utama, azimut, dan spin. Berikut ini adalah macam-macam dari orbital pada tiap masing-masing subkulit.

1.  Orbital subkulit S

Orbital ini mempunyai bentuk seperti bola, hal ini dikarenakan banyaknya elektron ditemukan pada subkulit s. Pada orbital ini mempunyai susunan dari bilangan kuantum azimut I=0 dan memiliki ukuran yang berbeda. Hal ini tergantung dengan besarnya nilai bilangan kuantum utama n pada bagian kulit.

2. Orbital subkulit p

Orbital ini mempunyai gambaran bentuk seperti dumbell, hal ini dikarenakan elektron jarangan ditemukan pada subkulit p. Pada orbital ini mempunyai susunan dari bilangan kuantum azimut I=1, sehingga subkulit p tersusun atas 3 macam orbital yaitu Px, Py, dan Pz.

3. Orbital subkulit d

Orbital subkulit d mempunyai bilangan kuantum azimut I=2 dan tersusun atas 5 orbital. Orbital d memiliki arah orientasi yang dibedakan menjadi 2 jenis yaitu arah orientasi pada sumbu yang terdiri dari 3 orbital (dxy, dxz, dyz) dan arah orientasi pada sumbu yang terdiri dari 2 orbital (dx2-dy2 dan dz2).

4. Orbital subkulit f

Subkulit f terdiri dari 7 macam orbital yang memiliki energi setara atau sama. Orbital subkulit f ini berfungsi untuk unsur transisi yang memiliki letak lebih dalam. Orbital f memiliki bentuk yang lebih rumit dan kompleks yang terbagi menjadi 3 kelompok yaitu:

• Kelompok 1 : fxyz
• Kelompok 2 : fx(z2-y2), fy(z2-x2), fz(x2-y2)
• Kelompok 3 : fx3, fy3, fz2