Periodisitas

Sifat dari unsur-unsur menunjukkan sebuah periodisitas (perulangan) yang berasal dari periodisitas konfigurasi elektronnya. Dalam bagian ini, energi ionisasi dan afinitas elektron dipelajari dalam hubungannya dengan periodisitas. Pertama, hasil-hasil eksperimen akan ditinjau dan dilihat dan kemudian hubungannya dengan konfigurasi elektron akan dibahas.

Energi ionisasi dan afinitas elektron

Energi yang diperlukan untuk membuat n+1 keadaan valensi ionik dengan mengeluarkan sebuah elektron dari keadaan valensi ionik n dari sebuah bahan disebut sebgai energi ionisasi ke n+1. Definisi ini dapat digunakan pada n = 0. Dalam kasus n = 0, energi yang diperlukan untuk mengeluarkan sebuah elektron dari bahan yang netral disebut sebagai energi ionisasi pertama. Biasanya energi ionisasi tercatat sebagai energi ionisasi pertama. Gambar 2.8 dan Tabel 2.5 menunjukkan periodisitas dari energi ionisasi pertama dari atom-atom dan gambaran atas sifat utamanya adalah sebagai berikut.
Gambar 2.8 Periodisitas dari energi ionisasi
Gambaran (1) Berkaitan dengan meningkatnya bilangan atom dan nilai-nilai maksimum ditemukan pada atom-atom gas mulia.
Gambaran (2) Berkaitan dengan meningkatnya bilangan atom, nilai minimum dengan penurunan yang tiba-tiba dari atom-atom gas mulia ditemukan pada atom-atom logam alkali.
Gambaran (3) Dalam baris yang sama dalam tabel periodik, kecenderungan meningkat diketahui terjadi pada keseluruhan baris berangkat dari atom logam alkali hingga atom gas mulia.
Gambaran (4) Gambaran detail sepanjang baris yang sama pada tabel periodik menunjukkan nilai maksimum yang kecil pada grup kedua atau grup kelima dengan nilai minimum pada grup berikutnya.
Gambaran (5) Dalam grup yang sama, kecenderungan penurunan ditemukan jika kita bergerak ke bawah dalam tabel periodik.
Tabel 2.5 Energi ionisasi untuk beberapa atom (eV)
Energi yang dilepaskan pada saat sebuah elektron diserap oleh sebuah material yang secara elektrik netral disebut sebagai afinitas elektron, dan ekivalen dengan energi yang diperlukan untuk mengeluarkan sebuah elektron dari sebuah ion negatif monovalen. Afinitas elektron untuk atom-atom juga menunjukkan variasi periodik sebagaimana ditunjukkan dalam Tabel 2.6. Meskipun kecenderungannya untuk variasi sepanjang urutan vertikal dan horizontal dalam tabel periodik secara umum sama dengan energi ionisasi, posisi tempat nilai maksimum yang besar bergeser dari atom-atom gas mulia ke atom-atom halogen dan nilai minimumnya bergeser ke atom-atom gas mulia.
Tabel 2.6 Afinitas elektron untuk beberapa atom (eV)
Berbagai metoda diusahakan untuk menentukan energi W yang diperlukan untuk memindahkan sebuah elektron. Sebagai contoh, berdasarkan sebuah metoda yang mirip dengan metoda yang digunakan untuk mempelajari efek fotolistrik, energi kinetik elektron ½mv2 yang dilepaskan dari suatu bahan melalui proses radiasi dengan sebuah foton hυ dapat ditentukan dan kemudian W dapat diperoleh dengan rumus sebagai berikut.
(2.66)
Metoda ini sering digunakan untuk menentukan energi ionisasi dan afinitas elektron.

Muatan inti efektif dan aturan untuk menghitung konstanta perisai

Dalam memperhitungkan periodisitas dalam konfigurasi elektron, muatan efektif dari inti atom secara dekat berkaitan dengan periodisitas dalam energi ionisasi dan afinitas elektron. Marilah ki ta mempelajari bagaimana muatan inti efektif bergantung pada efek perisai sebagaimana yang dijelaskan pada bagian 2.3.
Dalam usaha untuk mendapatkan muatan inti efektif , konstanta perisai s harus ditentukan disamping bilangan atom Z. Konstanta perisai s dapat dengan mudah diperkirakan dengan menggunakan aturan-aturan sebagai berikut.

[Aturan-aturan untuk menghitung konstanta perisai]

  1. Karena efek perisai disebabkan oleh gaya tolak-menolak oleh elektron yang lain terhadap elektron yang menjadi perhatian, konstanta perisai dapat diperkirakan sebagai penjumlahan atas kontribusi seluruh elektron-elektron secara individual.
  2. Karena efek perisai sangat bergantung pada lokasi elektron lokasi elektron-elektron, baik itu di sebelah dalam atau luar dari elektron yang menjadi perhatian, sebagaimana disebutkan dalam bagian 2.3, posisi-posisi relatif dari orbital elektron diklasifikasikan dalam kelompok-kelompok berikut dan dipisahkan dengan garis miring.
  3. Dari kiri ke kanan, orbital berkembang dari yang terdalam hingga yang terluar. ns dan np berada pada kelompok yang sama dengan memperhatikan kesamaan lokasi dari orbital-orbital ini.
  4. Kontribusi yang diberikan oleh elektron dalam kelompok terluar adalah sama dengan 0, karena mereka tidak menyebabkan efek perisai.
  5. Kontribusi oleh elektron dalam kelompok yang sama dapat dinyatakan sebesar 1/3, dikarenakan efek perisai yang tidak lengkap dan berkaitan juga dengan probabilitas relatif dari elektron-elektron tersebut berada pada daerah yang lebih dalam.
  6. Kontribusi dari elektron dari kelompok dalam adalah sama dengan 1, karena elektron dalam akan memberikan efek perisai yang lengkap.
Aturan-aturan di atas merupakan versi yang lebih sederhana dari aturan Slater pada tahun 1930, yang mana bagian utama saja yang digunakan. Aturan (1)-(3) adalah sama. Dan untuk aturan (4), Slater memperkenalkan sedikit perbedaan untuk 1s dan orbital yang lain, 0.3 untuk 1s dan 0.35 untuk yang lainnya. Aturan (5) adalah sama kecuali untuk elektron pada ns dan np, di mana Slater meninjau elektron dalam (n-1)s atau (n-1)p memiliki kontribusi sebesar 0.85 untuk perisai terhadap elektron yang berada pada kulit ke-n, disebabkan oleh efek perisai yang tidak lengkap dan dikarenakan oleh kulit elektron yang saling tumpang tindih. Aturan Slater telah digunakan untuk membangun fungsi orbital atomik dengan perlakuan yang sederhana untuk berbagai atom dan mereka memainkan peranan yang sangat penting terutama pada saat-saat awal perkembangan kimia kuantum. Fungsi orbital atomik dengan bentuk yang diusulkan oleh J. C. Slater disebut sebagai orbital tipe Slater (Slater Type Orbital/STO) dan digunakan dalam paket program terakhir untuk kimia kuantum.

Muatan efektif inti dan energi ionisasi

Elektron yang tidak terikat secara erat dalam kulit elektron terluar adalah elektron yang penting yang harus ditinjau untuk menentukan energi ionisasi atom. Marilah kita memperkirakan muatan efektif inti untuk sebuah elektron di kulit elektron terluar dengan menggunakan aturan konstanta perisai yang sebutkan sebelumnya. Sebagai contoh, kita akan memperhatikan efek perisai pada sebuah elektron 2p pada sebuah atom Flor, F(Z = 9). Konfigurasi elektron untuk sebuah atom F adalah sebagai berikut:
Pada sisi sebelah dalam dari elektron 2p yang ditinjau, terdapat dua elektron 1s yang akan memberikan kontribusi sebesar 1 x 2 berdasarkan aturan (5). Dalam daerah yang sama dengan 2p, terdapat enam elektron secara bersama-sama, yaitu dua elektron 2s dan empat elektron (5-1 = 4) dalam 2p dan akan memberikan kontribusi sebesar 1/3 x 6 berdasarkan aturan (4). Dengan demikian, s = 1×2 + 1/6 = 4, dan ini akan menghasilkan muatan inti efektif sebesar = Z − s = 9 − 4 = 5
Tabel 2.7 menunjukkan muatan efektif inti untuk sebuah elektron dalam kulit terluar pada atom dari hidrogen H hingga argon Ar, yang diperkirakan dengan menggunakan aturan di atas untuk konstanta perisai. Gambaran (1)-(5) memberikan bahwa periodisitas dalam energi ionisasi sekarang dapat dibahas dengan menggunakan muatan inti efektif sebagaimana terdapat dalam tabel. Karena energi ionisasi meningkat, ini berkaitan dengan meningkatnya gaya tarik-menarik oleh inti dan harus memberikan dua kecenderungan berikut.
(Kecenderungan 1): Energi ionisasi meningkat dengan meningkatnya muatan inti efektif dan disebabkan oleh kebergantungan gaya Coulomb pada muatan listrik.
(Kecenderungan 2): Energi ionisasi akan menurun jika kulit elektron semakin berada di luar dan ini disebabkan oleh kebergantungan gaya Coulomb atas jarak.
Dalam baris di dalam tabel periodik, elektron valensi akan berada pada kulit elektron yang sama dan muatan inti efektif akan meningkat jika bergerak dari kiri ke kanan. Hal ini mengikuti kecenderungan 1 dan menjelaskan gambaran 3 bahwa sepanjang baris yang sama energi ionisasi akan meningkat dari kiri ke kanan. Jika kita bergerak dari sisi ujung sebelah kanan menuju puncak dari baris berikutnya, kulit elektron akan bergerak menuju daerah lebih luar (kecenderungan 2) yang berkaitan dengan penurunan tiba-tiba dari muatan inti efektif (kecenderungan 1) dan karenanya kecenderungan-kecenderungan ini menjelaskan nilai maksimum pada sisi ujung di sebelah kanan (gambaran 1) dan minimum pada ujung sebelah kiri (gambaran 2). Pada grup yang sama muatan inti efektif adalah sama kecuali untuk perubahan antara He dan Ne dalam atom-atom gas mulia dan kulit elektron terluar memberikan kontribusi pada unsur yang lebih rendah. Ini akan memberikan situasi di mana baris yang lebih rendah akan memberikan energi ionisasi yang lebih rendah (gambaran 5). Pada perubahan pada He dan Ne, sangat sulit untuk menebak susunan relatif dikarenakan kecenderungan 1 dan kecenderungan 2 bekerja secara berlawanan. Nilai hasil eksperimen menunjukkan penurunan yang berbeda dari He ke Ne dan ini menunjukkan akan kecenderungan 2, efek dari jarak dari kulit K hingga L, lebih penting pada besaran energi ionisasi. Efek ini dapat juga dipahami dari penurunan yang besar pada energi ionisasi dari 13.6 eV (H) menjadi 5.4 eV (Li) meskipun terdapat kesamaan muatan efektif inti.
Gambaran 4 untuk nilai eksperimental dari energi ionisasi mengandung perubahan lebih lanjut dan ini tidak dapat dijelaskan dengan kecenderungan 1 dan kecenderungan 2. Perubahan dari grup 2 hingga ke grup 13 adalah disebabkan oleh perubahan pada subkulit elektron dari ns hingga np. Sebuah elektron dalam sebuah orbital s memiliki probabilitas yang tinggi untuk mendekati inti dibandingkan dengan elektron dalam sebuah orbital p. Karena energi potensial dari interaksi Coulomb adalah berbanding dengan kebalikan dari jaraknya, kelakuan di sekitar ini adalah yang paling efektif. Dengan demikian maka efek perisai dari elektron s jauh lebih kecil dibandingkan dengan elektron p. Ini akan mengakibatkan bahwa muatan inti efektif untuk elektron s menjadi lebih besar dibandingkan dengan untuk elektron p. Efek ini menjelaskan perbedaan dari energi ionisasi jika kita bergerak dari grup 2 hingga grup 13. Perubahan dari grup 15 menuju grup 16 dapat dipahami dengan jelas ketika konfigurasi elektron dari atom N dan O dibandingkan secara lebih detil. N memiliki konfigurasi [He](2s)2(2px)2(2py)1(2pz)1, sementara O memiliki sebuah konfigurasi [He](2s)2(2px)1(2py)1(2pz)1. Dalam sebuah atom O, sebuah elektron ditambahkan dalam orbital 2p yang sama, yang mengakibatkan tolakan e lektron yang lebih besar untuk meningkatkan energi elektron dalam kulit elektron terluar dan karenanya ionisasi energi akan menurun.
Tabel 2.7 Muatan inti efektif untuk sebuah elektron dalam kulit elektron terluar.

Muatan inti efektif dan afinitas elektron

Sekarang marilah kita mempelajari periodisitas afinitas elektron dalam atom dengan didasarkan pada muatan inti efektif. Karena afinitas elektron sama dengan energi untuk mengambil sebuah elektron tambahan, kita mempertimbangkan muatan inti efektif untuk sebuah elektron pada kulit elektron terluar dalam ion mononegatif. Untuk sebuah elektron 2p dari ion F (Z = 9) sebagai contoh, konfigurasi elektron untuk ion F diberikan oleh
Terdapat dua elektron 1s di sisi dalam dari elektron 2p yang dipilih dan dengan demikian efek perisainya akan bernilai 1 x 2 berdasarkan aturan (5). Elektron dalam grup yang sama dengan elektron 2p yang dipilih seluruhnya berjumlah tujuh, dua elektron 2s dan 6 ????1 = 5 elektron 2p yang akan memberikan kontribusi sebesar ⅓7 secara keseluruhan berdasarkan aturan (4). Ini akan memberikan konstanta perisai menjadi s = 1 x 2 + ⅓ x 7 = 13/3 = 4.33. Dengan demikian muatan inti efektif dapat diperkirakan dan diperoleh = Z − s = 9 − 13/3 = 14/3 = 4,67. Jika sebuah ion negatif dibentuk untuk sebuah atom Ne dengan sebuah bilangan atom Z = 10 , elektron terluar dari Ne adalah berada dalam sebuah orbital 3s. Konstanta perisai untuk elektron 3s ini menjadi s = 10 , karena bilangan dari elektron terdalamnya adalah 10. Karenanya, muatan ini efektif menjadi = 10 − 10 = 0.
Tabel 2.8 memberikan muatan inti efektif untuk sebuah elektron yang berada pada kulit terluar dari sebuah ion mononegatif dari atom hidrogen H hingga argon Ar.
Tabel 2.8 Muatan inti efektif untuk sebuah elektron dalam kulit elektron terluar dalam ion mononegatif
Meskipun periodisitas dari muatan inti efektif untuk ion mononegatif sama dengan untuk atom netral, posisi dari nilai maksimum dan nilai minimum bergeser ke bilangan atom yang lebih rendah masing-masing sebanyak satu. Ini akan mengakibatkan bahwa afinitas elektron akan memberikan nilai maksimumnya pada atom halogen dan minimumnya pada atom gas mulia. Nilai maksimum dan minimum yang kecil sebagaimana pada gambaran 4 dalam energi ionisasi juga ditemukan pada posisi yang bergeser ke kiri sebanyak satu; pada grup 2 dan 15, nilainya akan menjadi lebih kecil terhadap atom yang berada di sebelah kirinya.

Disponsori Oleh :

Semoga Artikel Periodisitas Bisa Bermanfaat untuk kita semua.