Chemistry · Buku 1 · Grades 1–12

Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12

Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

16Di Dalam Atom

Pada tahun 1909, di sebuah laboratorium di Manchester, seberkas partikel yang sangat kecil dan cepat ditembakkan ke selembar emas tipis yang tebalnya hanya beberapa ratus atom. Hampir semuanya lewat lurus, seolah emas itu kosong. Tetapi sekitar satu dari beberapa ribu partikel memantul kembali. “Seolah-olah kamu menembakkan peluru meriam 15 inci ke selembar kertas tisu, lalu peluru itu berbalik dan mengenaimu,” kata Ernest Rutherford, yang murid-muridnya melakukan percobaan itu. Atom, kepingan materi yang tak terpotong, ternyata memiliki struktur — dan hampir seluruhnya kosong.

Yang sudah kamu ketahui

Semua materi tersusun atas atom, dengan sekitar seratus jenis yang berbeda, masing-masing dengan lambang seperti H\ce{H}, C\ce{C}, O\ce{O}, Fe\ce{Fe}. Atom-atom bergabung menjadi molekul, yang dinyatakan dengan rumus seperti HX2O\ce{H2O} (Bab 11).

16.1 Inti atom dan elektron

Definisi 16.1 (Inti atom dan elektron)

Setiap atom memiliki pusat yang sangat kecil dan berat, yaitu inti atom, yang bermuatan listrik positif. Di sekelilingnya bergerak partikel-partikel yang jauh lebih ringan, yaitu elektron, yang masing-masing membawa muatan negatif yang sama, −e-e.

Proposisi 16.2 (Atom itu netral)

Sebuah atom secara keseluruhan tidak bermuatan listrik: muatan positif intinya tepat diimbangi oleh muatan negatif elektron-elektronnya. Muatan ee sangat kecil: e=1.60×10−19 Ce = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{C} (coulomb, satuan muatan, dibahas di buku fisika).

Sebuah atom, tidak menurut skala. Jika inti digambar sebesar titik merah itu, awan elektronnya akan berukuran beberapa ratus meter.
Sebuah atom, tidak menurut skala. Jika inti digambar sebesar titik merah itu, awan elektronnya akan berukuran beberapa ratus meter.

16.2 Proton dan neutron

Definisi 16.3 (Proton, neutron, nukleon)

Inti atom tersusun atas dua jenis partikel: proton, yang masing-masing bermuatan +e+e, dan neutron, yang tidak bermuatan. Proton dan neutron, yang massanya hampir sama, bersama-sama disebut nukleon.

Definisi 16.4 (Nomor atom dan nomor massa)

Banyaknya proton dalam sebuah inti disebut nomor atom, ditulis ZZ. Banyaknya nukleon (proton dan neutron bersama-sama) disebut nomor massa, ditulis AA. Banyaknya neutron adalah N=A−ZN = A - Z.

Notasi 16.5 (Lambang nuklida)

Atom dengan inti tertentu ditulis dengan lambangnya, nomor massa di kiri atas dan nomor atom di kiri bawah: XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}. Misalnya X612X26212C\ce{^{12}_{6}C} memiliki 6 proton dan 12−6=612 - 6 = 6 neutron; X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} memiliki 26 proton dan 30 neutron.

Metode 16.6 (Membaca lambang nuklida)

Untuk XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}:

  1. proton: ZZ;
  2. neutron: A−ZA - Z;
  3. elektron atom netral: ZZ, sama dengan protonnya.

Untuk X1123X211223Na\ce{^{23}_{11}Na}: 11 proton, 12 neutron, 11 elektron.

Membaca lambang nuklida: atom klorin ini memiliki 17 proton, 35 - 17 = 18 neutron, dan 17 elektron dalam keadaan netral.
Membaca lambang nuklida: atom klorin ini memiliki 17 proton, 35−17=1835 - 17 = 18 neutron, dan 17 elektron dalam keadaan netral.

16.3 Unsur kimia dan isotopnya

Definisi 16.7 (Unsur kimia)

Yang disebut unsur kimia adalah himpunan semua atom, beserta semua atom bermuatan yang terbentuk darinya, yang memiliki nomor atom ZZ yang sama. Setiap unsur memiliki nama dan lambang: setiap atom dengan 6 proton adalah atom karbon, C\ce{C}; setiap atom dengan 8 proton adalah atom oksigen, O\ce{O}.

Definisi 16.8 (Isotop)

Atom-atom dari unsur yang sama yang banyak neutronnya berbeda, sehingga nomor massanya berbeda, disebut isotop unsur itu. Isotop-isotop itu memiliki ZZ yang sama dan AA yang berbeda.

Contoh 16.9 (Isotop karbon dan isotop hidrogen)

Karbon alami terdiri atas sekitar 98.9 %98.9\,\% karbon-12, X612X26212C\ce{^{12}_{6}C}, dan 1.1 %1.1\,\% karbon-13, X613X26213C\ce{^{13}_{6}C}, dengan sedikit sekali karbon-14, X614X26214C\ce{^{14}_{6}C}, yang perubahannya yang lambat menjadi inti lain dipakai untuk menentukan umur kayu dan tulang purba (keradioaktifan dibahas di buku fisika). Hidrogen memiliki tiga isotop: X11X2121H\ce{^{1}_{1}H}, tanpa neutron sama sekali, yang paling umum; deuterium X12X2122H\ce{^{2}_{1}H}, beberapa atom dalam setiap seratus ribu; dan tritium X13X2123H\ce{^{3}_{1}H}.

Proposisi 16.10 (Isotop-isotop berperilaku sama dalam kimia)

Sifat kimia sebuah atom bergantung pada elektron-elektronnya, dan isotop-isotop sebuah unsur memiliki jumlah elektron yang sama. Karena itu isotop-isotop bereaksi dengan cara yang sama: air yang dibuat dengan deuterium tampak dan berperilaku hampir persis seperti air biasa.

Inti ketiga isotop hidrogen: masing-masing satu proton, dan 0, 1, atau 2 neutron.
Inti ketiga isotop hidrogen: masing-masing satu proton, dan 0, 1, atau 2 neutron.

16.4 Ukuran dan massa

Proposisi 16.11 (Inti atom sangat kecil dan memuat hampir seluruh massa)

Sebuah atom berukuran sekitar 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m}; intinya, sekitar 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m} sampai 10−14 m10^{-14}\,\mathrm{m}: kira-kira sepuluh ribu sampai seratus ribu kali lebih kecil. Massa partikel-partikelnya adalah

mp=1.673×10−27 kg,mn=1.675×10−27 kg,me=9.11×10−31 kg.m_p = 1.673 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_n = 1.675 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_e = 9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}.

Sebuah proton kira-kira 1836 kali lebih berat daripada sebuah elektron, sehingga lebih dari 99.9 %99.9\,\% massa sebuah atom berada di intinya.

Contoh 16.12 (Kelereng di tengah stadion)

Jika inti sebuah atom adalah kelereng berdiameter 1 cm1\,\mathrm{cm}, atomnya akan berdiameter sekitar 1 cm×100 000=1 km1\,\mathrm{cm} \times 100\,000 = 1\,\mathrm{km}: sebutir kelereng di tengah stadion raksasa, dengan beberapa butir debu — elektron-elektronnya — berputar-putar di sekitar tribun. Materi sebagian besar berupa ruang kosong.

Metode 16.13 (Massa sebuah atom)

Karena proton dan neutron hampir sama massanya dan elektron sangat ringan, massa sebuah atom mendekati A×1.67×10−27 kgA \times 1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}, dengan AA nomor massanya. Sebuah atom karbon-12: 12×1.67×10−27=2.00×10−26 kg12 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.00 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

16.5 Sejarah singkat model atom

Sejarah — Dari yang tak terpotong sampai inti atom, 1897–1932

Pada tahun 1897 J. J. Thomson menemukan elektron, partikel yang jauh lebih ringan daripada atom mana pun: ternyata atom dapat dipotong. Ia membayangkan atom sebagai bola materi positif yang bertaburan elektron. Pada 1909–1911 percobaan lembaran emas oleh tim Rutherford menunjukkan bahwa muatan positif dan hampir seluruh massa berada di dalam inti yang sangat kecil. Pada tahun 1913 Niels Bohr mengusulkan bahwa elektron-elektron menempati tingkat-tingkat energi tertentu di sekeliling inti, dan pada tahun 1932 James Chadwick menemukan neutron.

Ernest Rutherford (1871–1937).
Percobaan lembaran emas: sebagian besar partikel lewat lurus; beberapa dibelokkan; sedikit sekali yang memantul kembali dari sebuah inti.

16.6 Latihan

Latihan 16.1 ★

Sebutkan partikel-partikel di dalam inti dan partikel-partikel di sekelilingnya, beserta tanda muatannya.

Solusi

Solusi Latihan 16.1.

Di dalam inti: proton (positif) dan neutron (tidak bermuatan). Di sekelilingnya: elektron (negatif).

Latihan 16.2 ★

Tentukan banyaknya proton, neutron, dan elektron pada X816X28216O\ce{^{16}_{8}O}, X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al}, dan X2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}.

Solusi

Solusi Latihan 16.2.

X816X28216O\ce{^{16}_{8}O}: 8 proton, 8 neutron, 8 elektron. X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al}: 13, 14, 13. X2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}: 20, 20, 20.

Latihan 16.3 ★

Mengapa sebuah atom netral secara listrik?

Solusi

Solusi Latihan 16.3.

Atom itu memiliki elektron (masing-masing bermuatan −e-e) sebanyak protonnya (masing-masing bermuatan +e+e): muatan-muatannya saling meniadakan.

Latihan 16.4 ★

Sebuah atom memiliki 26 proton dan 30 neutron. Tuliskan lambang nuklidanya (unsurnya besi, Fe\ce{Fe}).

Solusi

Solusi Latihan 16.4.

A=26+30=56A = 26 + 30 = 56: X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

Latihan 16.5 ★★

Apakah X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} dan X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl} unsur yang sama? Apakah keduanya isotop? Jelaskan.

Solusi

Solusi Latihan 16.5.

Ya: keduanya memiliki Z=17Z = 17, jadi keduanya klorin. Nomor massanya berbeda (18 dan 20 neutron): keduanya isotop.

Latihan 16.6 ★★

Apakah X614X26214C\ce{^{14}_{6}C} dan X714X27214N\ce{^{14}_{7}N} isotop? Jelaskan.

Solusi

Solusi Latihan 16.6.

Bukan: nomor atomnya berbeda (6 dan 7), jadi keduanya unsur yang berbeda, karbon dan nitrogen. Isotop memiliki ZZ yang sama.

Latihan 16.7 ★★

Hitung, dalam notasi ilmiah, perkiraan massa sebuah atom X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

Solusi

Solusi Latihan 16.7.

56×1.67×10−27≈9.35×10−26 kg56 \times 1.67 \times 10^{-27} \approx 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

Latihan 16.8 ★★

Dalam percobaan lembaran emas, mengapa sebagian besar partikel lewat lurus menembus emas?

Solusi

Solusi Latihan 16.8.

Atom sebagian besar berupa ruang kosong: intinya sangat kecil, sehingga kebanyakan partikel tidak bertemu inti mana pun dalam perjalanannya dan lewat lurus.

Latihan 16.9 ★★

Berapa kali lebih kecil sebuah inti 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m} dibandingkan sebuah atom (10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m})? Tuliskan jawabannya sebagai perpangkatan sepuluh.

Solusi

Solusi Latihan 16.9.

10−10/10−15=10510^{-10} / 10^{-15} = 10^{5}: seratus ribu kali lebih kecil.

Latihan 16.10 ★★

Mengapa isotop-isotop sebuah unsur memiliki sifat kimia yang sama?

Solusi

Solusi Latihan 16.10.

Sifat kimia bergantung pada elektron, dan isotop-isotop sebuah unsur memiliki jumlah elektron yang sama (ZZ yang sama).

Latihan 16.11 ★★★

Sebuah atom besi memiliki 26 elektron. Hitung massa totalnya, lalu bagian massa atom X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} yang merupakan massa elektron-elektron itu (pakailah massa yang diperoleh pada latihan 7).

Solusi

Solusi Latihan 16.11.

26×9.11×10−31=2.37×10−29 kg26 \times 9.11 \times 10^{-31} = 2.37 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}. Bagiannya: 2.37×10−29/9.35×10−26≈2.5×10−42.37 \times 10^{-29} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 2.5 \times 10^{-4}, sekitar 0.025 %0.025\,\% massanya.

Latihan 16.12 ★★★

Tembaga alami terdiri atas 69.15 %69.15\,\% tembaga-63 dan 30.85 %30.85\,\% tembaga-65. Di antara 10 000 atom tembaga, berapa atom dari setiap isotop? Berapa rata-rata banyaknya nukleon per atom tembaga?

Solusi

Solusi Latihan 16.12.

6915 atom tembaga-63 dan 3085 atom tembaga-65. Rata-rata: (6915×63+3085×65)/10 000=63.6(6915 \times 63 + 3085 \times 65)/10\,000 = 63.6 nukleon.

16.7 Soal: Menimbang Klorin

Soal 16.1

Soal akhir pekan — dua isotop klorin, massa setiap atomnya, dan massa rata-rata sebuah atom klorin

Klorin alami adalah campuran dua isotop, klorin-35 dan klorin-37: dari 1000 atom klorin, sekitar 758 adalah klorin-35 dan 242 klorin-37. Anggaplah massa sebuah nukleon 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg} dan massa sebuah elektron 9.11×10−31 kg9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}. Nomor atom klorin adalah 17.

Bagian I — Dua inti.

  1. Tuliskan lambang nuklida kedua isotop itu.
  2. Tentukan banyaknya proton, neutron, dan elektron masing-masing.
  3. Mengapa keduanya disebut klorin? Mengapa keduanya isotop?
  4. Akankah sampel klorin-37 bereaksi dengan natrium dengan cara yang sama seperti sampel klorin-35? Jelaskan.

Bagian II — Massa setiap atom.

  1. Hitung massa inti sebuah atom klorin-35.
  2. Hitung massa ke-17 elektronnya, dan periksa bahwa massa itu dapat diabaikan dibandingkan intinya.
  3. Hitung massa sebuah atom klorin-37.
  4. Berapa atom klorin-35 yang beratnya 1 g1\,\mathrm{g}? Berikan jawabannya dalam notasi ilmiah.

Bagian III — Atom rata-rata.

  1. Berapa persen atom klorin yang berupa klorin-35? Klorin-37?
  2. Dalam 1000 atom klorin alami, hitung massa total atom-atom klorin-35 dan atom-atom klorin-37.
  3. Hitung massa 1000 atom ini.
  4. Simpulkan massa rata-rata sebuah atom klorin.
Solusi

Solusi Soal 16.1.

1. X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} dan X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl}.

2. Klorin-35: 17 proton, 18 neutron, 17 elektron. Klorin-37: 17 proton, 20 neutron, 17 elektron.

3. Keduanya memiliki 17 proton, jadi keduanya unsur klorin; keduanya hanya berbeda dalam banyaknya neutron, jadi keduanya isotop.

4. Ya: sifat kimia bergantung pada elektron, dan keduanya memiliki 17 elektron.

5. 35×1.67×10−27=5.845×10−26 kg35 \times 1.67 \times 10^{-27} = 5.845 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

6. 17×9.11×10−31=1.55×10−29 kg17 \times 9.11 \times 10^{-31} = 1.55 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}: sekitar 4000 kali lebih kecil daripada intinya, dapat diabaikan.

7. 37×1.67×10−27=6.179×10−26 kg37 \times 1.67 \times 10^{-27} = 6.179 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

8. 1 g=10−3 kg1\,\mathrm{g} = 10^{-3}\,\mathrm{kg}; 10−3/5.845×10−26≈1.71×102210^{-3} / 5.845 \times 10^{-26} \approx 1.71 \times 10^{22} atom.

9. 75.8 %75.8\,\% dan 24.2 %24.2\,\%.

10. 758×5.845×10−26=4.430×10−23 kg758 \times 5.845 \times 10^{-26} = 4.430 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}; 242×6.179×10−26=1.495×10−23 kg242 \times 6.179 \times 10^{-26} = 1.495 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

11. 4.430×10−23+1.495×10−23=5.925×10−23 kg4.430 \times 10^{-23} + 1.495 \times 10^{-23} = 5.925 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

12. 5.925×10−23/1000≈5.93×10−26 kg5.925 \times 10^{-23} / 1000 \approx 5.93 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}: massa rata-rata sebuah atom klorin.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium