ws 1

STUDENT WRKSHEET OF PHYSICAL CHEMISTRY I: CHEMICAL STRUCTURE & BONDING

INTRODUCTION TO QUANTUM CHEMISTRY

Basic Competence : Understanding the principle of quantum chemistry

Indicator : 1. To explain the importance of using quantum mechanics to the behaviour of elementary particles.

2. To distinguish the time-dependent with time independent Schrodinger equation

==================================================================================

WORKSHEET 001

1. In the space below, please draw an atomic model of Dalton, Thompson, Rutherford, and Bohr.

Dalton Atomic Model

Model atom John Dalton digambarkan seperti bola pejal sesuai dengan postulat Dalton yang menyatakan bahwa atom tidak bisa dibagi-bagi lagi.

Thompson Atomic ModelDalam penelitiannya Thompson mempelajari bahwa tabung katoda pada kondisi

vakum parsial (hampir vakum) yang diberi tegangan tinggi akan mengeluarkan “berkas sinar” dimana Thompson menyebut sinar ini sebagai “berkas sinar katoda” disebabkan berkas sinar ini berasal dari katoda (elektroda negative). Berkas sinar katoda ini apabila didekatkan dengan medan listrik negative maka akan dibelokan (berkas sinar katoda ini tertolak oleh medan negative), berdasarkan hal ini maka Thomson menyatakan bahwa berkas sinar katoda itu adalah partikel-partikel yang bermuatan negative yang ia sebut sebagai “corpuscle”.

Dia juga meyakini bahwa corpuscle itu berasal dari atom-atom logam yang dipakai sebagai elektroda pada tabung katoda. Dengan menggunakan jenis logam yang berbeda-beda sebagai elektroda yang dia gunakan pada tabung katoda maka percobaan Thomson tetap menghasilkan berkas sinar katoda yang sama. Akhirnya Thomson menyimpulkan bahwa setiap atom pasti tersusun atas corpuscle. Corpuscle yang ditemukan oleh Thomson ini kemudian disebut sebagai “electron” oleh G. Johnstone Stoney.

IGMA SANJAYA & DIAN NOVITA


Dari asumsi tersebut dia akhirnya meyakini bahwa atom sebenarnya tidak berbentuk masiv (berbentuk bulatan yang pejal) akan tetapi tersusun atas komponen-komponen penyususn atom.

Di alam atom berada dalam keadaan yang stabil dan memiliki muatan yang netral, dengan demikian Thomson lebih lanjut mengasumsikan bahwa didalam atom itu sendiri pasti terdapat bagian yang bermuatan positif. Dari asumsi tersebut maka Thomson mengajukan struktur atom sebagai bulatan awan bermuatan posistif dengan elektron yang terdistribusi random di dalamnya. Model atom Thompson ini dapat diibaratkan seperti roti kismis.

Rutherford Atomic ModelEksperimen ini melibatkan penambakan partikel alfa (inti atom helium atau ion

helium dengan muatan positip) yang diemisikan oleh unsur Radium pada lempengan logam emas tipis dan kemudian mendeteksi partikel alfa yang telah melewati lempengan logam emas tersebut dengan menggunakan layar yang dilapisi seng sulfida (ZnS) sebagai detektor.Dari percobaan penembakan lempengan emas menggunakan sinar alfa ternyata sebagian besar sinar alfa diteruskan atau menembus lempengan logam tanpa penyimpangan, sebagian kecil sinar alfa dipantulkan dan sebagian lagi dibelokan.

Rutherford mengambil kesimpulan bahwa sebagian besar ruang dalam atom adalah “ruang kosong” dan terdapat massa yang terkonsentrasi pada pusat atom yang bermuatan positif dimana ukurannya 10.000 kali lebih kecil dibanding ukuran keseluruhan bagian atom, dan elektron mengelilingi inti atom tersebut seperti planet-planet kita mengelilingi matahari. Rutherford menyimpulkan struktur atom tersebut berlandaskan eksperimennya sebagai berikut:

1. Sebagian besar berkas partikel alfa yang dapat melewati lempengan logam emas menunjukan bahwa partikel alfa ini melewati ruang kosong yang ada di dalam atom sehingga dengan mudah partikel alfa ini melewati ruang kosong tersebut tanpa hambatan yang berarti.

2. Berkas partikel alfa yang didefleksi menunjukan bahwa partikel alfa tersebut berada pada posisi yang dekat dengan inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif dengan muatan positif akan saling tolak menolak, hal inilah yang menyebabkan partikel alfa dibelokan dengan sudut yang besar.

3. Berkas partikel alfa yang direfleksi kembali (dipantulkan kembali) menunjukan bahwa partikel alfa tersebut bertumbukkan dengan inti atom yang bermuatan positif. Inti atom emas mempunyai massa dan muatan positif yang lebih besar dibanding dengan massa dan muatan partikel alfa, hal inilah yang membuat partikel alfa di pantulkan kembali.



Bohr Atomic ModelNiels Bohr mengajukan sebuah model atom (model atom hidrogen) berdasarkan

analisisnya menggunakan teori kuantum dan spektrum atom yang dikemukakan oleh Planck. Bentuk yang dinyatakan ini memiliki kemiripan dengan Sistem Tata Surya.

Model atom hidrogen Bohr yang menunjukkan loncatan elektron antara orbit-orbit tetap dan memancarkan energi foton dengan frekuensi tertentu. Niels Bohr mengkaji ulang model atom Rutherford dan mengajukan bahwa elektron-elektron terletak pada orbit-orbit yang terkuantisasi dan dapat meloncat dari satu orbit ke orbit lainnya. Elektron hanya dapat berpindah dari lintasan stasioner yang lebih rendah ke lintasan stasioner yang lebih tinggi jika elektron menyerap sejumlah energi. Perpindahan elektron ini terjadi dari kulit yang lebih rendah ke kulit yang lebih tinggi disebut eksitasi elektron. Sebaliknya, elektron yang telah tereksitasi dapat kembali lintasan stasioner yang lebih rendah maka akan disertai pelepasan sejumlah energi. Energi yang dilepaskan dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang tertentu yang dapat diamati dalam bentuk sinar tampak. Pada peralihan elektron ini energi yang terlibat, besarnya sesuai dengan persamaan planck.

2. Analysis of the advantages and disadvantages of each model of the atom.

No.

Model Atom Advantages Disadvantages

1. Dalton a) Dapat menerangkan hukum kekekalan massa (Hukum Lavoisier).

b) Dapat menerangkan hukum perbandingan tetap ( Hukum Proust).

a) Tidak dapat menerangkan sifat listrik atom. Jika atom berbentuk seperti bola pejal bagaimana dapat menghantarkan arus listrik, padahal listrik adalah elektron yang bergerak.

b) Pada kenyataannya atom dapat dibagi lagi menjadi partikel lebih kecil yang disebut partikel subatomik.

c) Pada kenyataannya dengan penembakan atom dengan partikel subatomik dalam reaksi fisi atau pembelahan inti, suatu atom unsur



dapat dapat dipecah, diciptakan dan dimusnahkan.

d) Tidak dapat menjelaskan perbedaaan antara atom suatu unsur dengan unsur lainnya. Karena atom unsur yang sama ternyata dapat mempunyai massa yang berbeda yang disebut isotop.

2. Thompson a) Dapat menerangkan adanya partikel yang lebih kecil dari atom yang disebut partikel subatomik.

b) Dapat menerangkan sifat listrik atom.

a) Tidak dapat menerangkan fenomena penghamburan partikel alfa oleh selaput tipis emas yang dikemukakan oleh Rutherford.

b) Tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.

c) Tidak dapat menjelaskan adanya inti atom.

3. Rutherford a) Dapat menerangkan fenomena penghamburan partikel alfa oleh selaput tpis emas.

b) Mengemukakan keberadaan inti atom yang bermuatan positif dan merupakan pusat massa atom.

c) Ditemukannya lintasan atau kedudukan elektron yang nantinya disebut dengan kulit.

a) Bertentangan dengan teori elektron dinamika klasik, dimana suatu partikel bermuatan listrik apabila bergerak akan memancarkan energi.

b) Elektron bermuatan negatif yang beredar mengelilingi inti akan kehilangan energi terus menerus sehingga akhirnya akan membentuk lintasan spiral dan jatuh ke inti. Pada kenyataannya hal ini tidak terjadi, elektron tetap stabil pada lintasannya.

c) Model atom rutherford ini belum mampu menjelaskan dimana letak elektron dan cara rotasinya terhadap inti



atom.4. Bohr a) Menerangkan dengan

jelas garis spektrum pancaran (emisi) atau serapan (absorpsi) dari atom hidrogen.

b) Dapat menjelaskan berpindahnya elektron pada kulit dan atom membentuk suatu orbit dimana inti atom merupakan positif dan disekelilingnya terdapat elektron.

a) Tidak dapat menerangkan efek Zaeman, yaitu bila suatu zat yang menghasilkan emisi spektrum ditempatkan pada medan magnet, maka garis-garis spektrum dipisahkan menjadi seumlah garis yang berdekatan.

b) Tidak dapat menerangkan efek Stark, yaitu bila suatu zat yang menghasilkan emisi spektrum ditempatkan pada medan elektromagnet, maka garis-garis spektrum dipisahkan menjadi sejumlah garis-garis yang berdekatan jaraknya.

c) Lintasan electron yg sebenarnya, masih mempunyai sub kulit orbital bukan hanya berupa lingkaran, jadi tidak sesederhana teori Bohr.

d) Model atom Bohr hanya dapat menerangkan model atom hydrogen, belum dapat menerangkan model atom berelektron banyak.

3. Write down and explain the idea of de Broglie on the principle of wave-matter!

Newton mengajukan bahwa cahaya mempunyai sifat seperti sekumpulan partikel, yaitu terdiri dari aliran partikel yang berenergi. Teori lain dikemukakan oleh Huygens , yang menyatakan bahwa cahaya terdiri dari gelombang energi. Untuk memilih satu dari kedua teori itu diperlukan pengukuran yang akurat dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan dalam bermacam-macam medium. Berdasarkan teori Newton, cahaya akan bergerak lebih cepat dalam medium yang lebih rapat, sedangkan menurut Huygens kecepatan akan lebih lambat. Pengukuran kecepatan cahaya yang akurat membuktikan bahwa memang kecepatan cahaya berkurang dalam media yang lebih rapat. Jadi, model gelombang dapat diterima. Tetapi, untuk menjelaskan efek fotolistrik, Einstein menganggap bahwa foton cahaya



bersifat sebagai partikel. Dengan demikian timbullah gagasan baru bahwa cahaya mempunyai dua sifat, sebagai gelombang dan sebgai partikel. Pada tahun 1924, de Broglie mengeluarkan pernyataan mengenai sifat cahaya dan materi: “ Tidak hanya cahaya yang memperlihatkan sifat-sifat partikel, tetapi partikel-partikel kecilpun pada saat tertentu dapat memperlihatkan sifat-sifat gelombang.” Hal ini juga dijelaskan secara matematik. Panjang gelombang de Broglie yang dikaitkan dengan partikel berhubungan dengan momentum partikel dan konstanta Planck.

λ=hmv

Suatu partikel memiliki sifat seperti gelombang ketika gelombang dari dua sumber melewati daerah ruang yang sama, keduanya saling berinterferensi. Seperti gelombang air, bila dua puncak bertemu, terjadi interferensi konstruktif dan muncullah puncak yang lebih tinggi (amplitudo lebih besar), tapi jika puncak dari satu gelombang bertemu dengan palung dari gelombang lain, terjadilah interferensi destruktif (amplitudo lebih kecil).

Sifat partikel dan gelombang suatu materi tidak tampak sekaligus, sifat yang tampak jelas tergantung pada perbandingan panjang gelombang de Broglie dengan dimensinya serta dimensi sesuatu yang berinteraksi dengannya. Pertikel yang bergerak memiliki sifat gelombang. Fakta yang mendukung teori ini adalah petir dan kilat. Kilat akan lebih dulu terjadi daripada petir. Kilat menunjukan sifat gelombang berbentuk cahaya, sedangkan petir menunjukan sifat pertikel berbentuk suara.

Untuk mencari bukti dari hipotesis de Broglie itu tidaklah sulit. Apakah Anda pernah mendengan istilah mikroskop elektron? Ya, mikroskop yang mampu melakukan perbesaran hingga berjuta-juta kali lipat. Mikroskop tersebut tidak menggunakan cahaya (karena terbatasnya resolusi cahaya) dalam melakukan pengamatan, melainkan elektron.

4. Draw a model of atom of de Broglie when an electron around the nucleus by 1, 2, 3, and 4 wavelengths.

h /λ = n h / 2πr so n λ = 2πr n = 1, 2, 3, 4n = 1 , λ1 = 2πr1 n = 2, 2λ2 = 2πr2

n = 3, 3λ3 = 2πr3

One wavelength around nucleus Two wavelengths around nucleus



Three wavelengths around nucleus Four wavelengths around nucleus.

5. Please explain whether there is a match between the model of the atom of de Broglie and Heisenberg’s uncertainty principle underlying principles of quantum chemistry!Jawab:

Iya, dimana de Broglie mengungkapkan bahwa pada kondisi tertentu, materi juga berperilaku seperti gelombang, Hipotesis tersebut terbukti benar dengan ditemukannya sifat gelombang dari elektron. Gelombang tidak bergerak melalui suatu garis, melainkan menyebar pada daerah tertentu. Sehingga menurut Prinsip Ketidakpastian Heisenberg, tidak mungkin menentukan kecepatan sekaligus posisi yang pasti dari elektron dalam ruang, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti.

6. Summarize the importance of quantum mechanics to explain the properties of the atom!

Orbital" beserta tingkat energinya merupakan pusat perhatian untuk menentukan sifat suatu atom atau suatu molekul dalam teori kuantum yang baru. Orbital merupakan suatu ruang, tempat keboleh jadian terdapatnya elektron.

Setiap kombinasi bilangan kuantum n, l, danm berkaitan dengan orbital elektron ayng berbeda-beda. Semua orbital yang mempunyai bilangan kuantum n yang sama, berada dalam kulit elektron utama yang sama. Kulit utama dinomori sesuai dengan nilai n, tetapi dapat pula ditunjukkan dengan huruf. Kulit elektron yang pertama atau kuli K terdiri dari orbotal-orbital dengan n=1, kulit utama kedua atau kulit L diisi oleh orbital dengan n=2, dan seterusnya. Nilai bilangan kuantum n berhubungan dengan enrgi dan kemungkinan jaraknya dari inti.

Nilai bilangan kuantum l menunjukkan bentuk geometris dari awan elektron atau penyebaran peluang elektron. Bilangan kuantum azimuth mempunyai harga dari 0 sampai dengan (n -1).n = 1 ; l = 0 ; sesuai kulit K

n = 2 ; l = 0, 1 ; sesuai kulit Ln = 3 ; l = 0, 1, 2 ; sesuai kulit Mn = 4 ; l = 0, 1, 2, 3 ; sesuai kulit N dan seterusnya

Sub kulit yang harganya berbeda-beda ini diberi nama khusus :



l = 0 ; sesuai sub kulit s (s = sharp)l = 1 ; sesuai sub kulit p (p = principle)l = 2 ; sesuai sub kulit d (d = diffuse)l = 3 ; sesuai sub kulit f (f = fundamental)

dan semua orbital yang mempunyai nilai l yang sama dikatakan berada dalam subkulit yang sama.

Bilangan kuantum magnetik ( m ) : mewujudkan adanya satu atau beberapa tingkatan energi di dalam satu sub kulit. Bilangan kuantum magnetik ( m ) mempunyai harga ( -1 ) sampai harga ( +1 ). Untuk :l = 0 ( sub kulit s ), harga m = 0 ( mempunyai 1 orbital ).

l = 1 ( sub kulit p ), harga m = -1, O, +1 ( mempunyai 3 orbital ).

l = 2 ( sub kulit d ), harga m = -2, -1, O, +1, +2 ( mempunyai 5 orbital ).l = 3 ( sub kulit f ) , harga m = -3, -2, O, +1, +2, +3 ( mempunyai 7 orbital).

Bilangan kuantum spin ( s ) menunjukkan arah perputaran elektron pada sumbunya. Dalam satu orbital, maksimum dapat berisi 2 elektron dan kedua elektron ini berputar melalui sumbu dengan arah yang berlawanan, dan masing-masing diberi harga s = +1/2 atau s = -1/2.


ws 1

Documents