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

23Kulit Elektron dan Tabel Periodik

Neon berpendar merah jingga pada papan reklame; natrium, logam yang lunak, terbakar di dalam air; klorin adalah gas kuning kehijauan yang menyesakkan napas. Padahal atom-atomnya hanya berbeda satu atau dua proton: neon memiliki 10, natrium 11, klorin 17. Mengapa unsur-unsur yang bertetangga dalam tabel periodik berperilaku begitu berbeda, sedangkan natrium dan kalium, yang nomor atomnya berjauhan, berperilaku begitu mirip? Jawabannya terletak pada cara elektron-elektron sebuah atom tersusun.

Yang sudah kamu ketahui

Sebuah atom memiliki $Z$ proton di dalam intinya dan, dalam keadaan netral, $Z$ elektron di sekelilingnya (Bab 16). Tabel periodik mengurutkan unsur-unsur menurut $Z$ dalam periode (baris) dan golongan (kolom); unsur-unsur segolongan berperilaku sama (Bab 20). Atom menerima atau melepaskan elektron untuk menjadi ion (Bab 17).

23.1 Konfigurasi elektron

Definisi 23.1 (Kulit, subkulit, dan konfigurasi elektron)

Elektron-elektron sebuah atom tersusun dalam kulit elektron, yang diberi nomor $n = 1, 2, 3, \ldots$ dari inti ke arah luar; makin besar $n$ , makin jauh dari inti dan makin lemah elektron-elektronnya terikat. Setiap kulit terbagi menjadi subkulit yang dinamai dengan sebuah huruf: kulit 1 memiliki subkulit s (1s), kulit 2 subkulit s dan p (2s, 2p), kulit 3 memiliki 3s dan 3p (dan 3d, yang akan kita temui kemudian). Subkulit s menampung paling banyak 2 elektron, subkulit p paling banyak 6. Yang disebut konfigurasi elektron sebuah atom adalah daftar subkulit yang terisi beserta banyaknya elektron di dalamnya sebagai pangkat: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ untuk oksigen.

Metode 23.2 (Menuliskan konfigurasi elektron, sampai $Z = 20$ )

Hitung elektronnya: $Z$ untuk atom netral.
Isilah subkulit-subkulit dengan urutan ini, masing-masing sampai penuh sebelum memulai subkulit berikutnya:

$1\mathrm{s} \to 2\mathrm{s} \to 2\mathrm{p} \to 3\mathrm{s} \to 3\mathrm{p} \to 4\mathrm{s}.$
Periksalah bahwa jumlah pangkatnya sama dengan banyaknya elektron.

Natrium, $Z = 11$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^1$ . Klorin, $Z = 17$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ . Kalsium, $Z = 20$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6\,4\mathrm{s}^2$ .

Urutan pengisian, sampai Z = 20. Setiap kotak kecil adalah tempat bagi satu elektron: subkulit s memiliki 2 tempat, subkulit p 6. — Urutan pengisian, sampai $Z = 20$ . Setiap kotak kecil adalah tempat bagi satu elektron: subkulit s memiliki 2 tempat, subkulit p 6.

23.2 Elektron valensi

Definisi 23.3 (Elektron valensi dan elektron teras)

Elektron-elektron pada kulit terluar yang terisi (kulit dengan $n$ terbesar) disebut elektron valensi; elektron-elektron lainnya disebut elektron teras. Hanya elektron valensi yang ikut serta dalam reaksi kimia.

Contoh 23.4 (Menghitung elektron valensi)

Oksigen, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ : kulit terluar $n = 2$ , $2 + 4 = 6$ elektron valensi. Natrium, $\ldots 3\mathrm{s}^1$ : 1 elektron valensi. Klorin, $\ldots 3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ : 7. Neon, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ : 8, kulit yang penuh.

23.3 Tabel periodik disusun ulang dari konfigurasi

Proposisi 23.5 (Periode dan golongan dari konfigurasi)

Untuk unsur-unsur sampai $Z = 20$ :

periode sebuah unsur adalah nomor $n$ kulit terluarnya;
unsur-unsur dalam golongan yang sama memiliki banyak elektron valensi yang sama — satu di golongan 1, dua di golongan 2, tiga sampai delapan di golongan 13 sampai 18 (helium, dengan 2, adalah pengecualian).

Dua kolom paling kiri, tempat elektron-elektron terakhir masuk ke subkulit s, membentuk blok s; golongan 13 sampai 18 membentuk blok p.

Dua puluh unsur pertama, dengan banyaknya elektron di setiap kulit di bawah lambangnya (2.8.1 untuk natrium: 2 di kulit 1, 8 di kulit 2, 1 di kulit 3). Warnanya menandai blok s dan blok p. — Dua puluh unsur pertama, dengan banyaknya elektron di setiap kulit di bawah lambangnya ( $2.8.1$ untuk natrium: 2 di kulit 1, 8 di kulit 2, 1 di kulit 3). Warnanya menandai blok s dan blok p.

23.4 Keluarga unsur

Definisi 23.6 (Keluarga kimia)

Sebuah keluarga kimia adalah golongan dalam tabel periodik yang unsur-unsurnya memiliki sifat-sifat kimia utama yang sama. Tiga keluarga diberi nama: logam alkali (golongan 1 kecuali hidrogen: litium, natrium, kalium…), logam lunak yang bereaksi kuat dengan air; halogen (golongan 17: fluorin, klorin, bromin, iodin), nonlogam berwarna yang reaktif; dan gas mulia (golongan 18: helium, neon, argon…), yang hampir tidak bereaksi dengan apa pun.

Proposisi 23.7 (Mengapa sebuah keluarga berperilaku sama)

Unsur-unsur sebuah keluarga memiliki banyak elektron valensi yang sama, dan kimia adalah urusan elektron valensi: litium, natrium, dan kalium semuanya memiliki satu, halogen tujuh, gas mulia kulit terluar yang penuh.

Keluarga-keluarga dalam tabel periodik: logam alkali, logam alkali tanah (golongan 2), halogen, dan gas mulia.

Natrium, sebuah logam alkali, dipotong dengan pisau: lunak dan keperakan ketika baru dipotong, natrium langsung kusam di udara. Foto: Dnn87, CC BY-SA 3.0.

Di laboratorium — Natrium dalam air

Di balik layar pelindung, guru menjatuhkan sepotong natrium sebesar sebutir beras ke dalam baskom besar berisi air. Natrium itu terapung, meleleh menjadi bola mengilap, dan berlari ke sana kemari sambil berdesis sampai habis; gas yang dilepaskan adalah hidrogen, dan air yang tersisa bersifat basa.

Keselamatan

Natrium: melepaskan hidrogen yang mudah menyala jika bersentuhan dengan air (GHS02), menyebabkan luka bakar parah (GHS05). Klorin: gas pengoksidasi (GHS03), beracun jika terhirup (GHS06), juga iritan dan sangat beracun bagi kehidupan akuatik. Keduanya hanya ditangani oleh guru.

23.5 Ion yang stabil dan aturan gas mulia

Definisi 23.8 (Aturan duplet dan oktet)

Gas mulia, dengan kulit terluar yang penuh, hampir tidak bereaksi: konfigurasinya sangat stabil. Ketika atom-atom unsur pertama membentuk ion, atom-atom itu menerima atau melepaskan elektron sehingga mencapai konfigurasi gas mulia terdekat: dua elektron di kulit 1, seperti helium, untuk atom-atom yang paling ringan — aturan duplet — dan delapan elektron di kulit terluar, seperti neon atau argon, untuk atom-atom lainnya — aturan oktet.

Contoh 23.9 (Ion-ion yang diramalkan aturan itu)

Natrium, $2.8.1$ , melepaskan satu-satunya elektron valensinya: $\ce{Na+}$ , $2.8$ , seperti neon. Magnesium, $2.8.2$ , melepaskan dua: $\ce{Mg^{2+}}$ . Aluminium, $2.8.3$ , melepaskan tiga: $\ce{Al^{3+}}$ . Klorin, $2.8.7$ , menerima satu: $\ce{Cl-}$ , $2.8.8$ , seperti argon. Oksigen, $2.6$ , menerima dua: $\ce{O^{2-}}$ . Belerang, $2.8.6$ : $\ce{S^{2-}}$ . Litium, $2.1$ , melepaskan satu dan menyisakan $2$ , seperti helium: $\ce{Li+}$ .

Ion natrium memiliki konfigurasi neon, gas mulia yang terdekat.

Catatan 23.10 (Batas-batas aturan itu)

Aturan itu berlaku baik untuk dua puluh unsur pertama dan ion-ion sederhananya. Banyak unsur, seperti besi ( $\ce{Fe^{2+}}$ dan $\ce{Fe^{3+}}$ ), tidak mengikutinya; alasan-alasannya, beserta gambaran yang lebih baik tentang elektron, diberikan dalam buku Tahun Pertama universitas.

23.6 Latihan

Latihan 23.1 ★

Tuliskan konfigurasi elektron karbon ( $Z = 6$ ), nitrogen ( $Z = 7$ ), dan magnesium ( $Z = 12$ ).

Solusi

Solusi Latihan 23.1.

C: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^2$ . N: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^3$ . Mg: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ .

Latihan 23.2 ★

Berapa elektron valensi yang dimiliki karbon, nitrogen, dan magnesium?

Solusi

Solusi Latihan 23.2.

Karbon 4, nitrogen 5, magnesium 2.

Latihan 23.3 ★

Pada periode dan golongan berapa unsur yang konfigurasinya $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3$ ?

Solusi

Solusi Latihan 23.3.

Kulit terluar $n = 3$ : periode 3. $2 + 3 = 5$ elektron valensi: golongan 15 (fosfor).

Latihan 23.4 ★

Sebutkan ketiga keluarga dalam bab ini dan berikan dua unsur dari masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 23.4.

Logam alkali (litium, natrium, kalium); halogen (fluorin, klorin, bromin, iodin); gas mulia (helium, neon, argon).

Latihan 23.5 ★

Nyatakan aturan oktet.

Solusi

Solusi Latihan 23.5.

Atom-atom cenderung menerima atau melepaskan elektron sehingga memiliki delapan elektron di kulit terluarnya, seperti gas mulia yang terdekat.

Latihan 23.6 ★★

Dengan aturan gas mulia, tentukan ion yang dibentuk kalium ( $Z = 19$ ) dan fluorin ( $Z = 9$ ), beserta konfigurasinya.

Solusi

Solusi Latihan 23.6.

K, $2.8.8.1$ , melepaskan satu: $\ce{K+}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6$ (argon). F, $2.7$ , menerima satu: $\ce{F-}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ (neon).

Latihan 23.7 ★★

Sebuah unsur memiliki 2 elektron di kulit ketiganya, dan kulit ketiga itu adalah kulit terluarnya. Tentukan konfigurasinya, nomor atomnya, dan namanya.

Solusi

Solusi Latihan 23.7.

$1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ : $Z = 12$ , magnesium.

Latihan 23.8 ★★

Dengan ion-ion yang stabil, tuliskan rumus senyawa ion yang dibentuk magnesium dan klorin, lalu aluminium dan oksigen.

Solusi

Solusi Latihan 23.8.

$\ce{Mg^{2+}}$ dan $\ce{Cl-}$ : $\ce{MgCl2}$ . $\ce{Al^{3+}}$ dan $\ce{O^{2-}}$ : $\ce{Al2O3}$ .

Latihan 23.9 ★★

Lihatlah tabel dua puluh unsur pertama. Unsur-unsur apa yang memiliki banyak elektron valensi yang sama dengan oksigen?

Solusi

Solusi Latihan 23.9.

Belerang (6 elektron valensi, $2.8.6$ ), dalam golongan yang sama, 16.

Latihan 23.10 ★★

Mengapa neon, tidak seperti natrium dan klorin, tidak membentuk ion dalam reaksi kimia?

Solusi

Solusi Latihan 23.10.

Kulit terluarnya sudah penuh (delapan elektron): neon tidak memperoleh apa-apa dengan melepaskan atau menerima elektron.

Latihan 23.11 ★★

Ion $\ce{X^{2+}}$ memiliki konfigurasi argon. Tentukan $X$ .

Solusi

Solusi Latihan 23.11.

Argon memiliki 18 elektron; $\ce{X^{2+}}$ telah melepaskan 2, jadi X memiliki 20: kalsium.

Latihan 23.12 ★★★

Helium memiliki 2 elektron valensi tetapi berada di golongan 18, bukan golongan 2. Jelaskan dengan konfigurasinya.

Solusi

Solusi Latihan 23.12.

Helium, $1\mathrm{s}^2$ , memiliki kulit terluar yang penuh (kulit 1 hanya menampung dua elektron), seperti gas mulia lainnya; helium tidak berperilaku seperti logam-logam golongan 2.

Latihan 23.13 ★★★

Kalium bereaksi dengan air bahkan lebih hebat daripada natrium. Dengan jarak elektron valensinya dari inti, berikan dugaan mengapa.

Solusi

Solusi Latihan 23.13.

Elektron valensinya berada di kulit 4, lebih jauh dari inti daripada elektron valensi natrium di kulit 3: karena kurang kuat terikat, elektron itu lebih mudah lepas.

Latihan 23.14 ★★★

Tuliskan konfigurasi $\ce{S^{2-}}$ , $\ce{Cl-}$ , $\ce{K+}$ , dan $\ce{Ca^{2+}}$ . Apa persamaan keempatnya?

Solusi

Solusi Latihan 23.14.

Keempatnya memiliki 18 elektron dan konfigurasi argon:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6.

Latihan 23.15 ★★★

Sebuah unsur periode 3 membentuk ion $\ce{Y^{3-}}$ . Tentukan golongannya, konfigurasinya, dan namanya.

Solusi

Solusi Latihan 23.15.

Unsur itu menerima 3 elektron untuk mencapai oktet: unsur itu memiliki 5 elektron valensi, golongan 15. Pada periode 3, unsur itu adalah fosfor:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3.

23.7 Soal: Rubi, Safir, dan Korundum

Soal 23.1

Soal akhir pekan — elektron di balik sebuah batu permata: dari dua konfigurasi sampai banyaknya elektron yang berpindah dalam satu gram

Rubi dan safir adalah bentuk permata dari korundum, senyawa ion aluminium dan oksigen; sedikit logam lain memberinya warna. Korundum cukup keras untuk menggores hampir apa saja, dan serbuk korundum dipakai untuk memoles lensa. Anggaplah massa sebuah nukleon $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ ; aluminium-27 memiliki 27 nukleon, oksigen-16 memiliki 16.

Bagian I — Atom-atomnya.

Tentukan banyaknya proton dan elektron sebuah atom aluminium ( $Z = 13$ ) dan sebuah atom oksigen ( $Z = 8$ ).
Tuliskan konfigurasi elektron keduanya.
Berapa elektron valensi yang dimiliki masing-masing? Pada periode dan golongan berapa masing-masing berada?
Apakah aluminium logam atau nonlogam? Dan oksigen?

Bagian II — Ion-ionnya.

Dengan aturan oktet, ion apa yang dibentuk aluminium? Tuliskan konfigurasinya.
Ion apa yang dibentuk oksigen? Tuliskan konfigurasinya.
Gas mulia apa yang memiliki konfigurasi yang sama dengan kedua ion itu?
Berapa elektron yang dilepaskan sebuah atom aluminium, dan berapa yang diterima sebuah atom oksigen?

Bagian III — Rumusnya.

Tentukan rumus korundum, senyawa netral dari ion-ion ini.
Dalam satu satuan rumus, berapa elektron yang dilepaskan atom-atom aluminium? Yang diterima atom-atom oksigen?
Mengapa kedua bilangan itu harus sama?
Sebutir rubi mengandung sedikit ion kromium $\ce{Cr^{3+}}$ yang menggantikan sebagian $\ce{Al^{3+}}$ . Mengapa ion $\ce{Cr^{3+}}$ dapat menggantikan ion $\ce{Al^{3+}}$ tanpa mengganggu keseimbangan muatan?

Bagian IV — Satu gram korundum.

Berapa nukleon yang ada dalam satu satuan rumus korundum?
Hitung massa satu satuan rumus (elektron diabaikan).
Berapa satuan rumus yang ada dalam $1\,\mathrm{g}$ korundum?
Berapa ion $\ce{Al^{3+}}$ dan ion $\ce{O^{2-}}$ itu?
Mengapa elektron dapat diabaikan pada soal 14?
Berapa elektron yang berpindah dari aluminium ke oksigen untuk membentuk $1\,\mathrm{g}$ korundum?

Solusi

Solusi Soal 23.1.

1. Aluminium: 13 proton, 13 elektron. Oksigen: 8 proton, 8 elektron.

2. Al: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^1$ . O: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ .

3. Al: 3 elektron valensi, periode 3, golongan 13. O: 6, periode 2, golongan 16.

4. Aluminium adalah logam, oksigen nonlogam.

5. $\ce{Al^{3+}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

6. $\ce{O^{2-}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

7. Neon.

8. Aluminium melepaskan 3, oksigen menerima 2.

9. $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ : $\ce{Al2O3}$ .

10. Dilepaskan: $2 \times 3 = 6$ . Diterima: $3 \times 2 = 6$ .

11. Elektron tidak diciptakan atau dimusnahkan: elektron yang dilepaskan aluminium tepat sama dengan yang diterima oksigen, dan senyawanya netral.

12. Ion itu bermuatan sama, $+3$ : muatan-muatan dalam kristal tetap seimbang.

13. $2 \times 27 + 3 \times 16 = 102$ nukleon.

14. $102 \times 1.67 \times 10^{-27} = 1.70 \times 10^{-25}\,\mathrm{kg}$ .

15. $10^{-3} / 1.70 \times 10^{-25} \approx 5.87 \times 10^{21}$ satuan rumus.

16. $2 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.17 \times 10^{22}$ ion $\ce{Al^{3+}}$ ; $3 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.76 \times 10^{22}$ ion $\ce{O^{2-}}$ .

17. Sebuah elektron kira-kira 1836 kali lebih ringan daripada sebuah nukleon; ke-50 elektron dalam satu satuan rumus beratnya kurang dari tiga perseratus satu nukleon.

18. $6 \times 5.87 \times 10^{21} \approx 3.5 \times 10^{22}$ elektron berpindah untuk $1\,\mathrm{g}$ korundum.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium