Prinsip Aufbau dan Konfigurasi Elektronik

1.64 metode Hatree-Fock atau dikenal sebagai metode medan swa-konsisten self-consistent field, SCF. Metode ini menyangkut proses perbaikan perhitungan fungsi gelombang tiap-tiap elektron yang terus-menerus diulang-ulang hingga diperoleh harga-harga yang perubahannya dapat diabaikan. Dengan metode ini ternyata diperoleh hasil bahwa orbital-orbital dalam atom-atom selain atom hidrogen tidak menunjukkan perbedaan yang radikal. Perbedaan yang mendasar adalah terjadinya semacam kontraksi penyusutan bagi semua jenis orbital sebagai akibat naiknya muatan inti atom yang bersangkutan. Untuk sebagian besar tingkat energi, perubahan naiknya energi orbital mengikuti urutan: s p d f. Namun untuk tingkat-tingkat energi yang makin tinggi oleh karena naiknya nomor atom, perbedaan energi orbital-orbital tersebut makin tegas, dan pada sekitar ”awal” unsur-unsur transisi yakni nomor atom 19-22, 38-40, 56-59, dan 89-91, penyusutan energi orbital nd dan nf terjadi secara “mendadak” tidak “semulus” seperti penyusutan energi orbital ns dan np; hasilnya energi orbital 3d 4s 4p, 4d 5s 5p, 4f ≈ 5d 6s 6p, dan 5f ≈ 6d 7s 7p sebagaimana ditunjukkan Gambar 3.8a-b.

3.10 Prinsip Aufbau dan Konfigurasi Elektronik

Energi elektron dalam atom terutama ditentukan oleh energi orbital dan kontribusi energi tolakan antar elektron. Prinsip energi minimum menyatakan bahwa elektron-elektron dalam atom terdistribusi berdasarkan urut-urutan dari energi orbital terendah ke tertinggi yang kemudian dikenal sebagai prinsip aufbau yang artinya prinsip membangun. Prinsip aufbau ini biasanya didasarkan pada naiknya nilai jumlah numerik bilangan kuantum utama dan azimut, n + , sebagaimana diajukan oleh Madelung, sebagai berikut: Orbital 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s 7p …. n 1 2 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 …. 1 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 …. n + 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 6 7 8 9 7 8 …. Menurut metode ini, dari kombinasi yang berbeda dapat menghasilkan numerik yang sama, misalnya untuk 2p = 3s, 3p = 4s, dan 3d = 4p = 5s; dalam hal ini, urutan naiknya energi ditentukan urutan naiknya nilai n. Dengan demikian, prinsip aufbau tersebut menghasilkan urutan penataan elektron dalam orbital sebagai berikut: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, ....... . . 1.65 Penataan elektron dalam setiap orbital menghasilkan konfigurasi elektronik atom atau spesies yang bersangkutan. Atas dasar pemahaman keempat bilangan kuantum dan prinsip aufbau, distribusi elektron dalam setiap atom netral dapat ditentukan. Semua atom unsur yang telah ditemukan telah berhasil diidentifikasi konfigurasi elektroniknya, dan ternyata prinsip aufbau dapat diterapkan pada hampir semua atom unsur dengan beberapa kekecualian. Namun harus disadari bahwa prinsip aufbau hanya tepat untuk jumlah elektron pada tiap orbital dengan beberapa kekecualian, dan urutan energi orbital ternyata hanya Gambar 3.9a Diagram energi orbital atom sebagai fungsi nomor atom 1 20 40 60 80 100 n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5 n = 6 n = 7 1 s 2 p 2 s 5 d 5 p 5 s 6 p 6 s 7 p 7 s 6 d 5 f 4 f 4 d 4 p 4 s 3 d 3 p 3 s = f = d = p = s E n e r g i Nomor atom 1.66 tepat untuk 20 atom unsur pertama. Untuk atom-atom dengan nomor atom lebih besar yang melibatkan orbital d dan f, urutan energinya ditentukan oleh bilangan kuantum utama n Gambar 3.9a; misalnya, energi n-1d x lebih rendah daripada energi ns 1-2 . Atas dasar kaidah Pauli yang menyatakan bahwa kombinasi keempat bilangan kuantum bagi setiap elektron selalu tidak sama, maka ini berarti bahwa setiap sub- orbital maksimum berisi dua elektron dengan spin anti-paralel, sehingga tiap-tiap orbital maksimum berisi elektron sebanyak 22 +1. Sebagai contoh, atom besi, Fe, dengan nomor atom 26 mempunyai konfigurasi elektronik: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Perlu ditegaskan bahwa “pengisian elektron” model aufbau bukanlah proses yang berlangsung pada suatu atom, melainkan justru yang sesungguhnya dapat dilakukan adalah sebaliknya yaitu proses pengeluaran elektron dari atomnya; elektron yang lebih mudah dikeluarkan adalah elektron yang mempunyai energi yang lebih tinggi. Oleh karena itu konfigurasi elektronik dipahami sebagai susunan elektron berdasarkan urutan energinya bukan berdasarkan urutan pengisiannya yang dituliskan mulai dari energi terendah hingga tertinggi. Dengan demikian untuk contoh atom besi di atas, elektron terluar dengan energi tertinggi adalah 4s 2 bukan 3d 6 karena elektron inilah yang memang paling rendah energi yang diperlukan untuk mengeluarkannya; susunan demikian ini sesuai dengan diagram urutan energi orbital Gambar 3.9a yang menunjukkan bahwa energi orbital 3d yang terisi elektron tidak pernah lebih tinggi daripada energi orbital 4s; dan demikianlah seterusnya bagi atom-atom lainnya. Perbedaan tingkat energi antara orbital n-1d dengan energi orbital ns semakin besar dengan bertambahnya elektron pada orbital n-1d, sehingga urutan penulisannya juga mendahuluinya. Jadi, konfigurasi elektronik atom Sc dalam bentuk “kondens- singkat”-condense seharusnya dituliskan [ 18 Ar] 3d 1 4s 2 , dan bukan [ 18 Ar] 4s 2 3d 1 , demikian seterusnya untuk yang lain sebagaimana ditunjukkan Tabel 3.7. Hal ini sangat penting untuk pemahaman proses ionisasi, bahwa elektron yang mudah dilepas lebih dahulu adalah elektron terluar dalam arti pula elektron dengan energi tertinggi. Dengan kata lain, pada proses ionisasi elektron-elektron ns akan selalu dilepas lebih dahulu sebelum elektron-elektron n-1d. Perubahan energi ikat elektron terjadi pada empat “daerah kritis” unsur-unsur transisi, yakni nomor atom 19-22, 37-40, 56-59, dan 88-92, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 3.9b. 1.67 Analisis spektroskopi menyarankan adanya penyimpangan atau perkecualian dari konfigurasi elektronik menurut diagram aufbau yaitu bagi atom kromium dan tembaga untuk seri transisi 3d. Konfigurasi elektronik 24 Cr adalah [ 18 Ar] 3d 5 4s 1 bukan [ 18 Ar] 3d 4 4s 2 sebagaimana diramalkan oleh aturan aufbau. Ini berarti bahwa energi konfigurasi [ 18 Ar] 3d 5 4s 1 lebih rendah atau lebih stabil daripada energi konfigurasi [ 18 Ar] 3d 4 4s 2 . Hal ini sering dikaitkan dengan stabilitas konfigurasi elektronik setengah penuh baik untuk orbital 3d maupun 4s. Dalam hal ini elektron-elektron terdistribusi secara lebih merata di sekeliling inti yang mengakibatkan energi tolakan antar-elektronnya menjadi minimum dan akibatnya energi total konfigurasi menjadi lebih rendah. Dengan argumentasi yang sama dapat dijelaskan bahwa konfigurasi elektronik 29 Cu adalah [ 18 Ar] 3d 10 4s 1 dan bukan [ 18 Ar] 3d 9 4s 2 . Perkecualian konfigurasi elektronik bagi unsur-unsur transisi seri 4d dan 5d adalah: Seri 4d : 41 Nb : [Kr] 4d 4 5s 1 ; 42 Mo : [Kr] 4d 5 5s 1 ; 44 Ru : [Kr] 4d 7 5s 1 ; 45 Rh : [Kr] 4d 8 5s 1 ; 46 Pd : [Kr] 4d 10 ; 47 Ag : [Kr] 4d 10 5s 1 Seri 5d : 78 Pt : [Xe] 4f 14 5d 9 6s 1 ; 79 Au : [Xe] 4f 14 5d 10 6s 1 Gambar 3.9b Perubahan energi ikat elektron binding versus nomor atom 37 38 39 40 41 Rb Sr Y Zr Nb 4 d 4 d 5 s 5 s 5 p 5 p 56 57 58 59 Ba La Ce Pr 4 f 4 f 5 d 6 s 6 s 5 d 5,0 10,0 19 20 21 22 K Ca Sc Ti 3 d 3 d 4 s 4 s 4 p 4 p 87 88 89 90 91 92 Fr Ra Ac Th Pa U 5 f 5 f 6 d 7 s 7 s 6 d E n er g i eV Nomor Atom 1.68 Tabel 3.7 Konfigurasi elektronik dan tingkat oksidasi logam periode 4 Unsur Lambang Konfigurasi elektronik Ion yang umum Tingkat oksidasi yang umum Kalium 19 K [ 18 Ar] 4s 1 K + +1 Kalsium 20 Ca [ 18 Ar] 4s 2 Ca 2+ +2 Skandium 21 Sc [ 18 Ar] 3d 1 4s 2 Sc 3+ +3 Titanium 22 Ti [ 18 Ar] 3d 2 4s 2 Ti 4+ +2 , +3, +4 Vanadium 23 V [ 18 Ar] 3d 3 4s 2 V 3+ +2 , +3, +4, +5 Kromium 24 Cr [ 18 Ar] 3d 5 4s 1 Cr 3+ +2 , +3 , +6 Mangan 25 Mn [ 18 Ar] 3d 5 4s 2 Mn 2+ +2 , +3 , +4 , +6 , +7 Besi 26 Fe [ 18 Ar] 3d 6 4s 2 Fe 2+ , Fe 3+ +2 , +3 Kobalt 27 Co [ 18 Ar] 3d 7 4s 2 Co 2+ , Co 3+ +2 , +3 Nikel 28 Ni [ 18 Ar] 3d 8 4s 2 Ni 2+ +2 Tembaga 29 Cu [ 18 Ar] 3d 10 4s 1 Cu + , Cu 2+ +1, +2 Zink 30 Zn [ 18 Ar] 3d 10 4s 2 Zn 2+ +2 Gambar 3.10 Diagram mnemonic urutan pengisian elektron pada orbital menurut: a Pao-Fang Yi J. Chem. Ed. 1947, Vol. 24, 567 b Uncle Wiggly J. Chem. Ed. 1983, Vol. 60, 562 c Darsey sebagai “pohon natal Pascal” J. Chem. Ed. 1988, Vol. 65, 1036 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p b 1s 2s 4s 3p 3s 2p 6s 5p 4d 7s 6p 5d 4f 5s 4p 3d 8s 7p 6d 5f c 2s 7s 6s 5s 4s 3s 1s 6p 5p 4p 3p 2p 6d 5d 4d 3d 4f 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 a 5f 1.69 Penyusunan konfigurasi elektronik menurut prinsip aufbau tersebut akan menjadi mudah diingat jika urutan pengisian elektron disajikan dalam suatu bentuk diagram mnemonic dalam berbagai model. Model yang pertama kali ditemui nampaknya diusulkan oleh Pao-Fang Yi 1947, Gambar 3.10a. Modifikasi yang paling umum terdapat dalam banyak buku teks seperti diusulkan oleh Uncle Wiggly 1983, Gambar 3.10b. Sejak itu, berbagai model dikembangkan sebagaimana ditawarkan oleh Darsey 1988 dalam bentuk semacam “pohon natal Pascal”, Gambar 3.10c. Model lain dengan menggunakan semacam petak anak tangga ditunjukkan pada Gambar 3.11, dan petak papan catur dikemukakan oleh Carpenter 1983 dan Hovland 1986. 1 1s 1s 2 2s 2s 3 2p 3s 2p 3s 1 4 3p 4s 3p 4s 1 5 3d 4p 5s 3d 4p 5s 2 1 4d 5p 6s 4d 5p 6s 2 1 4f 5d 6p 7s 4f 5d 6p 7s 3 2 1 5f 6d 7p 8s 5f 6d 7p 8s 3 2 1 a b c Gambar 3.11 Urutan pengisian elektron menurut: a Singh dan Dikshit J. Chem.Ed. 1991, Vol. 68, 396 b Parson J. Chem.Ed. 1989, 66, 319 c urutan bilangan kuantum, Scerri J. Chem.Ed. 1991, Vol. 68, 122

2.11 Diagram Orbital Konfigurasi Elektronik