Tidak hanya ada korelasi antara konfigurasi elektron dan sifat fisik, tetapi juga ada korelasi erat antara konfigurasi elektron (sifat mikroskopis) dan sifat kimia (sifat makroskopik). Seperti yang akan kita lihat di seluruh buku ini, sifat-sifat kimia dari setiap atom ditentukan oleh konfigurasi elektron valensi atom unsur. Stabilitas elektron terluar ini terlihat langsung dalam energi ionisasi atom. Energi ionisasi adalah energi minimum (dalam kJ/mol) yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom gas dalam keadaan dasarnya. Dengan kata lain, energi ionisasi adalah jumlah energi dalam kilojoule yang dibutuhkan untuk melepaskan 1 mol elektron dari 1 mol atom gas. Atom gas ditentukan dalam definisi ini karena atom dalam fase gas hampir tidak terpengaruh oleh tetangganya sehingga tidak ada gaya antarmolekul (yaitu kekuatan antar molekul) yang diperhitungkan ketika mengukur energi ionisasi.
Besarnya energi ionisasi adalah ukuran seberapa "rapatnya" elektron dipegang dalam atom. Semakin tinggi energi ionisasi, semakin sulit untuk melepaskan elektron. Untuk atom berelektron banyak, jumlah energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron pertama dari atom dalam keadaan dasarnya,
Energi + X(g) → X⁺(g) + e⁻ (8.3)
disebut energi ionisasi pertama (I₁). Dalam Persamaan (8.3), X mewakili atom dari unsur apa pun dan e- adalah elektron. Energi ionisasi kedua (I₂) dan energi ionisasi ketiga (I₃) ditunjukkan dalam persamaan berikut:
Energi + X⁺(g) → X²⁺(g) + e⁻ ionisasi kedua
Energi + X²⁺(g) → X³⁺(g) + e⁻ ionisasi ketiga
Pola ini berlanjut untuk melepaskan elektron selanjutnya.
Ketika sebuah elektron dilepas dari atom, tolakan di antara elektron yang tersisa berkurang. Karena muatan inti tetap konstan, lebih banyak energi diperlukan untuk melepaskan elektron lain dari ion bermuatan positif. Dengan demikian, energi ionisasi selalu meningkat dengan urutan sebagai berikut:
I₁ < I₂ < I₃ < ...
Tabel 8.2 mencantumkan energi ionisasi dari 20 unsur pertama. Ionisasi selalu merupakan proses endotermik. Dengan konvensi, energi yang diserap oleh atom (atau ion) dalam proses ionisasi memiliki nilai positif. Jadi, energi ionisasi semuanya bernilai positif. Gambar 8.11 menunjukkan variasi energi ionisasi pertama terhadap nomor atom. Plot jelas menunjukkan periodisitas dalam stabilitas elektron yang paling longgar yang dipegang. Perhatikan bahwa, terlepas dari penyimpangan kecil, energi ionisasi pertama unsur dalam suatu periode meningkat dengan meningkatnya jumlah atom. Kecenderungan ini disebabkan oleh peningkatan muatan inti efektif dari kiri ke kanan (seperti dalam kasus variasi jari-jari atom). Muatan inti efektif yang lebih besar berarti elektron valensi yang lebih rapat, dan karenanya merupakan energi ionisasi pertama yang lebih tinggi. Fitur penting pada Gambar 8.11 adalah puncak, yang sesuai dengan gas mulia. Kita cenderung mengasosiasikan konfigurasi elektron kulit valensi penuh dengan tingkat stabilitas kimia yang melekat. Energi ionisasi tinggi dari gas mulia, yang berasal dari muatan inti efektifnya yang besar, merupakan salah satu alasan stabilitas ini. Faktanya, helium (1s²) memiliki energi ionisasi pertama tertinggi dari semua unsur.
Di bagian bawah grafik pada Gambar 8.11 adalah unsur Golongan 1A (logam alkali), yang memiliki energi ionisasi pertama terendah. Masing-masing logam ini memiliki satu elektron valensi (konfigurasi elektron terluar adalah ns¹), yang secara efektif dilindungi oleh kulit bagian dalam yang terisi penuh. Akibatnya, secara energetik mudah untuk melepaskan elektron dari atom logam alkali membentuk ion unipositif (Li⁺, Na⁺, K⁺, ...). Secara signifikan, konfigurasi elektron dari kation-kation ini adalah isoelektronik dengan gas-gas mulia yang mendahuluinya dalam tabel periodik.
Unsur-unsur Golongan 2A (logam alkali tanah) memiliki energi ionisasi pertama yang lebih tinggi daripada logam alkali. Logam alkali tanah memiliki dua elektron valensi (konfigurasi elektron terluar adalah ns²). Karena kedua elektron ini tidak saling melindungi dengan baik, muatan inti efektif untuk atom logam alkali tanah lebih besar dari pada untuk logam alkali. Sebagian besar senyawa alkali tanah mengandung ion dipositif (Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺). Ion Be²⁺ isoelektronik dengan Li⁺ dan dengan He, Mg²⁺ adalah isoelektronik dengan Na⁺ dan dengan Ne, dan seterusnya.
Seperti Gambar 8.11 menunjukkan, logam memiliki energi ionisasi yang relatif rendah dibandingkan dengan non logam. Energi ionisasi metaloid umumnya jatuh di antara logam dan non logam. Perbedaan energi ionisasi menunjukkan mengapa logam selalu membentuk kation dan non logam membentuk anion dalam senyawa ionik. (Satu-satunya kation bukan logam yang penting adalah ion amonium, NH₄⁺.) Untuk golongan tertentu, energi ionisasi berkurang dengan meningkatnya jumlah atom (yaitu, ketika kita bergerak ke bawah golongan). Unsur dalam golongan yang sama memiliki konfigurasi elektron terluar yang serupa. Namun, dengan meningkatnya bilangan kuantum utama n, demikian juga jarak rata-rata elektron valensi dari inti. Pemisahan yang lebih besar antara elektron dan inti berarti daya tarik yang lebih lemah, sehingga menjadi lebih mudah untuk melepas elektron pertama saat kita beralih dari unsur ke unsur ke bawah suatu golongan meskipun muatan inti efektif juga meningkat dalam arah yang sama. Dengan demikian, karakter logam unsur-unsur dalam suatu golongan meningkat dari atas ke bawah. Kecenderungan ini terutama terlihat untuk unsur-unsur dalam Golongan 3A hingga 7A. Sebagai contoh, di Golongan 4A, karbon adalah non logam, silikon dan germanium adalah metaloid, dan timah dan timbal adalah logam.
Meskipun kecenderungan umum dalam tabel periodik adalah untuk energi ionisasi pertama meningkat dari kiri ke kanan, beberapa penyimpangan memang ada. Pengecualian pertama terjadi antara unsur Golongan 2A dan 3A dalam periode yang sama (misalnya, antara Be dan B dan antara Mg dan Al). Unsur-unsur Golongan 3A memiliki energi ionisasi pertama yang lebih rendah daripada unsur-unsur 2A karena semuanya memiliki satu elektron dalam subkulit p terluar (ns² np¹), yang terlindung dengan baik oleh elektron-elektron dalam dan elektron-elektron ns². Oleh karena itu, lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk menghilangkan satu elektron p daripada mengeluarkan elektron s dari tingkat energi utama yang sama. Ketidakteraturan kedua terjadi antara Golongan 5A dan 6A (misalnya, antara N dan O dan antara P dan S). Dalam unsur-unsur Golongan 5A (ns² np³), elektron p berada dalam tiga orbital yang terpisah sesuai dengan aturan Hund. Dalam Golongan 6A (ns² np⁴), elektron tambahan harus dipasangkan dengan salah satu dari tiga elektron p. Kedekatan dua elektron dalam hasil orbital yang sama menghasilkan tolakan elektrostatik yang lebih besar, yang membuatnya lebih mudah untuk mengionisasi atom unsur Golongan 6A, meskipun muatan inti meningkat satu unit. Dengan demikian, energi ionisasi untuk unsur Golongan 6A lebih rendah daripada energi untuk unsur Golongan 5A pada periode yang sama.
Contoh 8.4 membandingkan energi ionisasi beberapa unsur
Contoh 8.4
(a) Atom mana yang harus memiliki energi ionisasi pertama yang lebih kecil: oksigen atau belerang? (b) Atom mana yang harus memiliki energi ionisasi kedua lebih tinggi: lithium atau berilium?.
Strategi
(a) Energi ionisasi pertama berkurang ketika kita turun satu golongan karena elektron terluar lebih jauh dari inti dan dianggap kurang tertarik. (b) Pelepasan elektron terluar membutuhkan energi lebih sedikit jika dilindungi oleh kulit dalam yang diisi.
Penyelesaian
(a) Oksigen dan belerang adalah anggota Golongan 6A. Keduanya memiliki konfigurasi elektron valensi yang sama (ns² np⁴), tetapi elektron 3p dalam belerang lebih jauh dari inti dan mengalami tarikan inti lebih sedikit daripada elektron 2p dalam oksigen. Dengan demikian, kita memperkirakan bahwa belerang harus memiliki energi ionisasi pertama yang lebih kecil.
(b) Konfigurasi elektron Li dan Be masing-masing adalah 1s² 2s¹ dan 1s² 2s². Energi ionisasi kedua adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari ion unipositif gas dalam keadaan dasarnya. Untuk proses ionisasi kedua, kita menulis
Li⁺(g) → Li²⁺(g) + e⁻
1S² 1S¹
Be⁺(g) → Be²⁺(g) + e⁻
1S² 2S¹ 1S²
Karena elektron 1s melindungi elektron 2s jauh lebih efektif daripada mereka saling melindungi, kita memperkirakan bahwa akan lebih mudah untuk melepas elektron 2s dari Be⁺ daripada melepas elektron 1s dari Li⁺.
Periksa
Bandingkan jawaban Anda dengan data yang ditunjukkan pada Tabel 8.2. Dalam (a), apakah prediksi Anda konsisten dengan fakta bahwa karakter logam unsur-unsur meningkat ketika kita bergerak ke bawah golongan periodik? Dalam (b), apakah prediksi Anda menjelaskan fakta bahwa logam alkali membentuk ion +1 sedangkan logam alkali tanah membentuk ion +2?
Latihan
(a) Manakah dari atom berikut ini yang memiliki energi ionisasi pertama yang lebih besar: N atau P? (b) Manakah dari atom-atom berikut ini yang memiliki energi ionisasi kedua yang lebih kecil: Na atau Mg?
Ulasan Konsep
Beri label plot yang ditampilkan di sini untuk energi ionisasi pertama, kedua, dan ketiga untuk Mg, Al, dan K.
No comments:
Post a Comment
Note: Only a member of this blog may post a comment.