Diagram Orbital Konfigurasi Elektronik

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

Konfigurasi elektronik sering dilukiskan dalam bentuk “diagram kotak orbital” khususnya pada elektron “terluar” outermost yang mengambil peran atas kharakteristik atom yang bersangkutan. Diagram ini melukiskan kotak-kotak orbital yang kosong-isi elektron maupun arah spinnya. Berikut ditampilkan beberapa contoh. 1.70 1. Atom C dengan nomor atom 6, mempunyai konfigurasi elektronik [He] 2s 2 2p 2 ; berbagai “diagram kotak-orbital” konfigurasi elektroniknya dapat dilukiskan sebagai berikut. 2s 2p ↑↓ ↑ ↑ c 2p ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 6 C: [ 2 He] ↑↓ ↑ ↑ b ↑↓ ↑ ↑ a 2s ↑↓ ↑↓ ↑↓ A C D E ↑↓ ↓ ↓ c 2p ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 6 C: [ 2 He] ↑↓ ↓ ↓ b ↑↓ ↓ ↓ a 2s ↑↓ ↑↓ ↑↓ B F G H Diagram A-B menata elektron secara mendatar, dan C-H secara vertikal dan mendatar; keduanya sama-sama validnya, namun model A-B lebih “efisien” dalam penggunaan tempatkertas-tulis. Dalam “satu set” mendatar seperti orbital p yang terdiri atas 3 kotak harus dipahami bahwa energi ketiganya setingkat, sehingga kehadiran elektron dapat berada dalam kotak yang manapun, tidak harus urut alfabetik, p x -p y -p z , juga sama sekali tidak harus urut numerik -1,0,+1 atau sebaliknya, sebab harus diingat bahwa numerik ini bukanlah besaran melainkan “lambang” m ℓ yang melukiskan variasi orientasi dalam ruang. Arah spin elektron pun demikian juga; untuk elektron nir-pasangan tanpa pasangan boleh ↑ ½ atau ↓ -½, tetapi harus paralel dalam satu set orbital sesuai aturan Hund, sebab jika tidak paralel akan menghasilkan energi total yang lebih tinggi. Dalam banyak buku teks, yang paling umum dijumpai adalah model diagram Aa dan C, kadang Ba dan F; yang lain barangkali tidak pernah dijumpai. Hal yang sama berlaku pada konfigurasi elektronik unsur-unsur transisi yang melibatkan orbital d yang terdiri atas 5 kotak-orbital sebagaimana ditunjukkan pada contoh 2 berikut. 2. Atom V dan Fe masing-masing dengan nomor atom 23 dan 26, mempunyai konfigurasi elektronik [Ar] 3d 3 4s 2 dan [Ar] 3d 6 4s 2 ; “diagram kotak-orbital” konfigurasi elektroniknya sering dilukiskan secara mendatar berikut ini seperti pada A. Sementara itu banyak pula teks yang menuliskan konfigurasi elektronik [Ar] 4s 2 3d 3 dan [Ar] 4s 2 3d 6 dengan konsekuensi diagram orbital seperti pada B berikut ini. 1.71 3d 4s 4s 3d 23 V: [ 18 Ar] ↑ ↑ ↑ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 26 Fe: [ 18 Ar] ↓↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓↑ ↑↓ ↓↑ ↑ ↑ ↑ ↑ A B Diagram A sesuai dengan urutan energi orbital, sementara itu diagram B sesuai dengan urutan diagram aufbau model Madelung, tetapi menyimpang dari urutan energi orbitalnya. Dengan demikian konfigurasi elektronik yang dilukiskan dengan diagram B tentu saja “menyesatkan”. Diagram orbital secara vertikal dan mendatar yang mencerminkan urutan energi untuk konfigurasi elektronik 29 Cu: [ 18 Ar] 3d 10 4s 1 dilukiskan berikut ini seperti pada C, namun ada pula yang memahami dengan konfigurasi elektronik 29 Cu: [ 18 Ar]4s 1 3d 10 dengan konsekuensi diagram orbital seperti pada D yang tentu saja “menyesatkan” sebab orbital penuh 3d 10 tentu saja stabil dan energinya lebih rendah ketimbang 4s 1 . 4p 4p ↑ 4s 3d ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ 29 Cu: [ 18 Ar] 3d ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↑ 4s C D Konfigurasi elektronik dengan diagram A dan C sangat mudah dipahami ketika teori ikatan valensi menjelaskan misalnya terjadinya hibridisasi sp 3 pada ion FeII dalam kompleks [FeCl 4 ] 2- , dan pada CuII dalam [CuCl 4 ] 2- , sebab orbital kosong 4s pada kedua ion ini bergabung dengan orbital kosong terdekat berikutnya yakni 4p. Diagram B dan D tentu ”kesulitan” menjelaskan terjadinya segala bentuk hibridisasi demikian ini. Pertanyaan yang segera muncul pada konfigurasi elektronik orbital d yang belum penuh seperti pada [Ar] 3d 3 4s 2 atau yang sejenis adalah, mengapa konfigurasi elekroniknya bukan [Ar] 3d 5 4s atau [Ar] 3d 4 4s 1 , jika memang energi orbital 3d 4s? Demikian pula misalnya mengapa konfigurasi elektronik Fe bukan [Ar] 3d 8 4s ? Jawaban utama terkait dengan orbital-radial jarak 3d versus 4s sebagaimana disajikan pada Gambar 3.12. Orbital-radial ini menunjukkan bahwa probabilitas rapatan elektron pada orbital 4s ternyata berupa empat “gundukan” dengan 3 simpul- nodal, dua diantaranya tumpang-tindih berada dalam daerah probabilitas rapatan 3d, dan bahkan terdapat satu gundukan kecil yang lain lebih dekat dengan inti ketimbang 3d, namun satu gundukan utama jauh berada di luar 3d; keadaan demikian ini sering 1.72 dikatakan orbital 4s mempunyai efek penetrasi penembusan terhadap 3d. Jadi, sangat jelas bahwa rerata probabilitas rapatan elektron orbital 3d memang lebih dekat dengan inti daripada 4s yang berarti energi 3d 4s. Akan tetapi daya penetrasi orbital 4s mengakibatkan perbedaan energi antara keduanya berkurang, dan bahkan hadirnya gundukan kecil pertama diduga berperan secara signifikan atas pemilihan elektron menempati orbital 4s ketimbang 3d untuk nomor atom 19-20 K-Ca. Dengan demikian dapat dipahami bahwa untuk unsur-unsur “transisi” elektron elektronnya tidak serta- merta semua menempati orbital 3d begitu saja. Gambar 3.12 Gambar orbital 3d versus 4s menunjukkan efek penetrasi 4s, namun probabilitas jarak rata-rata 3d lebih dekat dengan inti. Analisis spektroskopi menunjukkan bahwa pelepasan elektron pertama dari unsur-unsur transisi netral ternyata menghasilkan ion dengan konfigurasi elektronik yang mengurangi bahkan mengosongkan elektron dalam orbital 4s sebagaimana persamaan berikut: 21 Sc: [Ar]3d 1 4s 2 → − e 21 Sc + : [Ar]3d 1 4s 1 22 Ti: [Ar]3d 2 4s 2 → − e 22 Ti + : [Ar]3d 2 4s 1 23 V: [Ar]3d 3 4s 2 → − e 23 V + : [Ar]3d 4 24 Cr: [Ar]3d 5 4s 1 → − e 24 Cr + : [Ar]3d 5 26 Fe: [Ar]3d 6 4s 2 → − e 26 Fe + : [Ar]3d 7 27 Co: [Ar]3d 7 4s 2 → − e 27 Co + : [Ar]3d 8 28 Ni: [Ar]3d 8 4s 2 → − e 28 Ni + : [Ar]3d 9 29 Cu: [Ar]3d 10 4s 1 → − e 29 Cu + : [Ar]3d 10 57 La: [Xe]5d 1 4s 2 → − e 57 La + : [Xe]5d 2 Nah, apa yang dapat disimpulkan data tersebut? Pelepasan 1 elektron dari 4s 2 , ternyata banyak ditemui tidak menyisakan 4s 1 , melainkan terjadi penambahan perpindahan ke orbital 3d, dan ini tentu berarti menghasilkan energi yang lebih rendah. Jadi data tersebut menyarankan bahwa energi orbital n-1d ns, dan ini sesuai dengan hasil mekanika kuantum, bertentangan dengan anggapan diagram aufbau yang benar- 1.73 benar “menyesatkan” tidak hanya pada teks general, tetapi juga teks advanced Scerri, 1989. Orbital- radial yang menunjukkan penetrasi berkelanjutan 6s atas 5d atas 4f ditampilkan pada Gambar 3.13. Rerata rapatan elektron 4f yang secara berturut-turut jauh lebih dekat dengan inti ketimbang 5d lalu 6s menunjukkan naiknya energi orbital yang bersangkutan.

2.12 Efek Perisai dan Penetrasi