2.6 Rumus Kimia

Kimiawan menggunakan rumus kimia untuk mengekspresikan komposisi molekul dan senyawa ionik dalam simbol kimia. Dengan komposisi yang dimaksud bukan hanya unsur-unsur yang ada tetapi juga rasio-rasio di mana atom-atom digabungkan. Di sini perhatian pada dua jenis rumus, yaitu: rumus molekul dan rumus empiris.

Rumus Molekul

Rumus molekul menunjukkan jumlah atom yang pasti dari setiap unsur dalam satuan terkecil suatu senyawa. Dalam diskusi tentang molekul, setiap contoh senyawa diberikan dengan rumus molekulnya dalam tanda kurung. Dengan demikian, H₂ adalah rumus molekul untuk hidrogen, O₂ adalah oksigen, O₃ adalah ozon, dan H₂O adalah air. Angka subskrip menunjukkan jumlah atom dari suatu unsur yang ada. Tidak ada subskrip untuk O dalam H₂O karena hanya ada satu atom oksigen dalam molekul air, jadi angka “satu” dihilangkan dari rumus. Perhatikan bahwa oksigen (O₂) dan ozon (O₃) adalah alotrop oksigen. Alotrop adalah salah satu dari dua atau lebih bentuk unsur yang molekulnya berbeda. Dua bentuk alotrop dari unsur karbon — intan dan grafit — secara dramatis berbeda tidak hanya dalam sifat tetapi juga dalam harga relatifnya.

Model Molekul

Molekul terlalu kecil untuk kita amati secara langsung. Cara yang efektif untuk memvisualisasikannya adalah dengan menggunakan model molekul. Dua tipe standar model molekul yang digunakan saat ini, yaitu: model bola-tongkat dan model pengisian-ruang (Gambar 2.12). Dalam kit model bola-tongkat, atom-atom adalah bola kayu atau plastik dengan lubang di dalamnya. Tongkat atau pegas digunakan untuk mewakili ikatan kimia. Sudut-sudut yang dibentuk antara atom mendekati sudut ikatan dalam molekul yang sebenarnya. Dengan pengecualian atom H, semua bola memiliki ukuran yang sama dan setiap jenis atom diwakili oleh warna tertentu. Dalam model pengisian-ruang, atom diwakili oleh bola terpotong yang disatukan dengan pengencang jepret, sehingga ikatan tidak terlihat. Bola sebanding dengan ukuran atom. Langkah pertama menuju pembuatan model molekul adalah menulis rumus struktur, yang menunjukkan bagaimana atom terikat satu sama lain dalam sebuah molekul. Sebagai contoh, diketahui bahwa masing-masing dari dua atom H terikat pada atom O dalam molekul air. Oleh karena itu, rumus struktur air adalah H-O-H. Garis yang menghubungkan dua simbol atom melambangkan ikatan kimia.

Model bola-tongkat menunjukkan susunan atom tiga dimensi dengan jelas, dan model ini cukup mudah untuk dibangun. Namun, bola tidak sebanding dengan ukuran atom. Selanjutnya, tongkat sangat melebih-lebihkan ruang antara atom dalam sebuah molekul. Model pengisian ruang lebih akurat karena model ini menunjukkan variasi dalam ukuran atom. Kelemahan model ini adalah bahwa membangunnya memakan waktu untuk disatukan dan model ini tidak menunjukkan posisi atom tiga dimensi dengan sangat baik. Kita akan menggunakan kedua model secara ekstensif dalam pembahasan selanjutnya.

Gambar 2.12 Rumus Molekul, rumus struktur, dan model molekul dari empat molekul umum.

Rumus Empiris

Rumus molekul hidrogen peroksida (zat yang digunakan sebagai antiseptik dan sebagai zat pemutih untuk tekstil dan rambut) adalah H₂O₂. Rumus ini menunjukkan bahwa setiap molekul hidrogen peroksida terdiri dari dua atom hidrogen dan dua atom oksigen. Rasio atom hidrogen dan atom oksigen dalam molekul ini adalah 2:2 atau disedernakan menjadi 1:1. Rumus empiris hidrogen peroksida adalah HO. Dengan demikian, rumus empiris memberi informasi tentang unsur-unsur yang ada dan rasio bilangan bulat paling sederhana dari atom-atomnya, tetapi belum tentu menunjukan jumlah atom yang sebenarnya dalam molekul tertentu. Sebagai contoh lain, perhatikan senyawa hidrazin (N₂H₄) yang digunakan sebagai bahan bakar roket. Rumus empiris hidrazin adalah NH₂. Meskipun rasio nitrogen terhadap hidrogen adalah 1:2 pada kedua rumus molekul (N₂H₄) dan rumus empiris (NH₂), hanya rumus molekul yang memberi tahu jumlah atom N (dua) dan H (empat) yang sebenarnya ada dalam molekul hidrazin.

Rumus empiris adalah rumus kimia paling sederhana; rumus ini ditulis dengan menyderhanakan angka subskrip (indeks bawah) dalam rumus molekul menjadi bilangan bulat terkecil yang mungkin. Rumus molekul adalah rumus molekul yang sebenarnya. Jika kita mengetahui rumus molekul, maka kita juga mengetahui rumus empiris, tetapi sebaliknya belum tentu benar. Lalu mengapa para ahli kimia repot-repot dengan rumus empiris? Seperti yang akan kita lihat di Bab 3, ketika ahli kimia menganalisis suatu senyawa yang tidak diketahui, langkah pertama biasanya adalah menentukan rumus empiris senyawa tersebut. Dengan informasi tambahan, dimungkinkan untuk menyimpulkan rumus molekul.

Untuk sebagian besar molekul, rumus molekul dan rumus empiris adalah satu dan sama. Beberapa contohnya adalah air (H₂O), amonia (NH₃), karbon dioksida (CO₂), dan metana (CH₄).

Contoh 2.2 dan 2.3 berurusan dengan penulisan rumus molekul dari model molekul dan penulisan rumus empiris dari rumus molekul.

Contoh 2.2

Tuliskan rumus molekul metanol, pelarut organik dan antibeku, dari model bola-tongkat, yang ditunjukkan di bawah ini.

Metanol

Penyelesaian

Lihat label (lihat juga sebelah belakang). Ada empat atom H, satu atom C, dan satu atom O. Oleh karena itu, rumus molekulnya adalah CH₄O. Namun, cara standar penulisan rumus molekul untuk metanol adalah CH₃OH karena ini menunjukkan bagaimana atom bergabung dalam molekul.

Contoh 2.3

Tuliskan rumus empiris untuk molekul-molekul berikut: (a) asetilena (C₂H₂), yang digunakan dalam obor las; (b) glukosa (C₆H₁₂O₆), suatu zat yang dikenal sebagai gula darah; dan (c) dinitrogen oksida (N₂O), gas yang digunakan sebagai gas anestesi (“gas tertawa”) dan sebagai propelan aerosol untuk krim kocok.

Strategi

Ingat bahwa untuk menulis rumus empiris, subskrip dalam rumus molekul harus dikonversi menjadi bilangan bulat terkecil yang mungkin.

Solusi

(a) Ada dua atom karbon dan dua atom hidrogen dalam asetilena. Membagi subskrip dengan 2, kita memperoleh rumus empiris CH.

(b) Dalam glukosa ada 6 atom karbon, 12 atom hidrogen, dan 6 atom oksigen. Membagi subskrip dengan 6, kita memperoleh rumus empiris CH₂O. Perhatikan bahwa jika kita membagi subskrip dengan 3, maka akan mendapatkan rumus C₂H₄O₂. Meskipun rasio karbon terhadap atom hidrogen dan oksigen dalam C₂H₄O₂ sama dengan C₆H₁₂O₆ (1: 2: 1), C₂H₄O₂ bukanlah rumus yang paling sederhana karena subskripnya tidak berada dalam rasio angka terkecil.

(c) Karena subskrip dalam N₂O sudah merupakan bilangan bulat terkecil, rumus empiris untuk dinitrogen oksida sama dengan rumus molekulnya.

Rumus Senyawa Ionik

Rumus senyawa ionik biasanya sama dengan rumus empirisnya karena senyawa ionik tidak terdiri dari satuan molekul diskrit. Sebagai contoh, sampel padat natrium klorida (NaCl) terdiri dari jumlah ion Na⁺ dan Cl^- yang sama yang diatur dalam jaringan tiga dimensi (Gambar 2.13). Dalam senyawa seperti itu ada rasio 1:1 kation terhadap anion sehingga senyawa tersebut netral secara elektrik. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.13, tidak ada ion Na⁺ dalam NaCl yang dikaitkan hanya dengan satu ion Cl^- tertentu. Bahkan, setiap ion Na⁺ sama-sama dipegang oleh enam ion Cl^- sekitarnya dan sebaliknya. Dengan demikian, NaCl adalah rumus empiris untuk natrium klorida. Dalam senyawa ionik lainnya, struktur yang sebenarnya mungkin berbeda, tetapi pengaturan kation dan anion sedemikian rupa sehingga semua senyawa netral secara elektrik. Perhatikan bahwa muatan pada kation dan anion tidak ditampilkan dalam rumus untuk senyawa ionik.

Gambar 2.13 (a) Struktur NaCl padat. (b) Pada kenyataannya, kation kontak dengan anion. Dalam kedua (a) dan (b), bola yang lebih kecil mewakili ion Na⁺ dan bola yang lebih besar mewakili ion Cl^-. (c) Kristal NaCl.

Agar senyawa ionik menjadi netral secara listrik, jumlah muatan pada kation dan anion di setiap satuan rumus harus nol. Jika muatan pada kation dan anion berbeda secara numerik, kita menerapkan aturan berikut untuk membuat rumus netral secara elektrik: Subskrip kation secara numerik sama dengan muatan pada anion, dan subskrip anion secara numerik sama dengan muatan pada kation. Jika muatan sama, maka tidak ada subskrip yang diperlukan. Aturan ini mengikuti dari fakta bahwa karena rumus senyawa ion biasanya rumus empirisnya, subskrip harus selalu disederhanakan menjadi rasio terkecil. Mari kita pertimbangkan beberapa contoh.

• Kalium Bromida. Kation Kalium K⁺ dan anion bromin Br^- bergabung membentuk senyawa ionik kalium bromida. Jumlah dari muatan adalah +1 + (-1) = 0, jadi tidak ada subskrip yang diperlukan. Rumusnya adalah KBr.
• Seng Iodida. Kation seng Zn²⁺ dan anion yodium I^- bergabung membentuk seng iodida. Jumlah dari muatan satu ion Zn²⁺ dan satu ion I^- adalah +2 + (-1) = +1. Untuk membuat muatan menjadi nol kita mengalikan -1 muatan anion dengan 2 dan menambahkan subskrip "2" pada simbol untuk yodium. Oleh karena itu rumus untuk seng iodida adalah ZnI₂
• Aluminium Oksida. Kationnya adalah Al³⁺ dan anionnya adalah oksigen O^2-. Diagram berikut membantu kita menentukan subskrip untuk senyawa yang dibentuk oleh kation dan anion:

Jumlah muatan adalah 2(+3) + 3(-2) = 0. Jadi, rumus aluminium oksida adalah Al₂O_3.

Contoh 2.4

Tuliskan rumus magnesium nitrida, yang mengandung ion Mg²⁺ dan N^3-.

Strategi

Panduan untuk menulis rumus senyawa ionik adalah netralitas listrik; yaitu, total muatan pada kation harus sama dengan total muatan pada anion. Karena muatan pada ion Mg²⁺ dan N^3- tidak sama, kita tahu rumusnya tidak bisa MgN. Sebagai gantinya, kita menulis rumus sebagai MgxNy, di mana x dan y adalah subskrip yang akan ditentukan.

Solusi 

Untuk memenuhi kenetralan listrik, hubungan berikut harus memiliki:

(+2)x + (-3)y = 0

Penyelesaian, kita mendapatkan x/y = 3/2. Maka x = 3 dan y = 2, ditulis:

Periksa Subskrip ini direduksi menjadi rasio bilangan bulat terkecil karena rumus kimia senyawa ionik biasanya adalah rumus empirisnya.

Logam natrium bereaksi dengan gas klorin membentuk NaCl

Ketika magnesium terbakar di udara, membentuk magnesium oksida dan magnesium nitrida.

2.5 Molekul dan Ion

Dari semua unsur, hanya enam gas mulia di Golongan VIIIA pada tabel periodik (He, Ne, Ar, Kr, Xe, dan Rn) ada di alam sebagai atom tunggal. Untuk alasan ini, unsur gas mulia disebut gas monoatomik (yang berarti atom tunggal). Kebanyakan materi terdiri dari molekul atau ion yang dibentuk oleh atom.

Molekul

Molekul adalah agregat dari setidaknya dua atom dalam susunan tertentu yang disatukan oleh kekuatan kimia (juga disebut ikatan kimia). Suatu molekul dapat mengandung atom-atom dari unsur yang sama atau atom dari dua atau lebih unsur yang tergabung dalam rasio tetap, sesuai dengan hukum perbandingan tetap yang dinyatakan dalam SubBab 2.1. Jadi, sebuah molekul tidak selalu merupakan senyawa, yang menurut definisi terdiri dari dua atau lebih unsur (lihat Bagian 1.4). Gas hidrogen, misalnya, adalah unsur murni, tetapi terdiri dari molekul unsur yang tersusun dari dua atom H masing-masing. Air, di sisi lain, adalah molekul senyawa yang mengandung hidrogen dan oksigen dalam rasio dua atom H dan satu atom O. Sama seperti atom, molekul juga bersifat netral.

Molekul hidrogen, dilambangkan sebagai H₂, disebut molekul unsur diatomik karena hanya mengandung dua atom. Unsur-unsur lain yang biasanya ada sebagai molekul diatomik adalah nitrogen (N₂) dan oksigen (O₂), serta unsur-unsur Golongan 7A — fluorin (F₂), klorin (Cl₂), bromin (Br₂), dan yodium (I₂). Tentu saja, molekul diatomik dapat mengandung atom-atom dari berbagai unsur. Contohnya adalah hidrogen klorida (HCl) dan karbon monoksida (CO).

Sebagian besar molekul mengandung lebih dari dua atom. Molekul tiga atom dapat dibentuk oleh atom dari unsur yang sama, seperti dalam ozon (O₃), yang terdiri dari tiga atom oksigen, atau dapat juga merupakan kombinasi dari dua atau lebih unsur yang berbeda. Molekul yang mengandung lebih dari dua atom disebut molekul poliatomik. Seperti ozon, air (H₂O) dan amonia (NH₃) adalah molekul poliatomik.

Ion

Ion adalah atom atau sekelompok atom yang memiliki muatan bersih positif atau negatif. Jumlah proton bermuatan positif dalam inti atom tetap sama selama perubahan kimia biasa (disebut reaksi kimia), tetapi elektron yang bermuatan negatif mungkin dilepas atau diperoleh. Lepasnya satu atau lebih elektron dari atom netral menghasilkan kation, ion dengan muatan bersih positif. Misalnya, atom natrium (Na) dapat dengan mudah melepas satu elektron menjadi kation natrium, yang direpresentasi sebagai Na⁺:

Atom Na	Ion Na+
11 proton	11 proton
11 elektron	10 elektron

Di sisi lain, anion adalah ion yang muatan bersihnya negatif karena peningkatan jumlah elektron. Atom klorin (Cl), misalnya, dapat memperoleh elektron menjadi ion klorida Cl^-:

Atom Cl	Ion Cl-
17 proton	17 proton
17 elektron	18 elektron

Natrium klorida (NaCl), garam meja biasa, disebut senyawa ionik karena terbentuk dari kation dan anion.

Sebuah atom dapat melepas atau memperoleh lebih dari satu elektron. Contoh-contoh ion yang dibentuk oleh pelepasan atau perolehan lebih dari satu elektron adalah Mg²⁺, Fe³⁺, S^2-, dan N^3-. Ion-ion ini, serta Na⁺ dan Cl^-, disebut ion monoatomik karena mengandung hanya satu atom. Gambar 2.11 menunjukkan muatan sejumlah ion monoatomik. Dengan sangat sedikit pengecualian, logam cenderung membentuk kation dan non logam cenderung membentuk anion.

Selain itu, dua atau lebih atom dapat bergabung membentuk ion yang memiliki muatan bersih positif atau negatif. Ion poliatomik seperti OH^- (ion hidroksida), CN^- (ion sianida), dan NH₄⁺ (ion amonium) adalah ion yang mengandung lebih dari satu atom.

Gambar 2.11 Ion monoatomik yang umum disusun menurut posisinya dalam tabel periodik. Perhatikan bahwa ion Hg₂²⁺ mengandung dua atom.

Distribusi Unsur-unsur di Bumi dan dalam Sistem Kehidupan

Kimia Sehari-hari
Distribusi Unsur-unsur di Bumi dan Dalam Sistem Kehidupan

Mayoritas unsur terjadi secara alami. Bagaimana unsur-unsur ini didistribusikan di Bumi, dan mana yang penting untuk sistem kehidupan?

Kerak Bumi memanjang dari permukaan hingga kedalaman sekitar 40 km (sekitar 25 mil). Karena kesulitan teknis, para ilmuwan belum mampu mempelajari bagian-bagian dalam Bumi semudah kerak. Namun demikian, diyakini bahwa ada inti padat yang sebagian besar terdiri dari besi di pusat Bumi. Di sekitar inti ada lapisan yang disebut mantel, yang terdiri dari cairan panas yang mengandung besi, karbon, silikon, dan belerang.

Dari 83 unsur yang ditemukan di alam, 12 diantaranya membentuk 99,7 persen kerak Bumi secara massal. Unsur-unsur itu adalah oksigen (O), silikon (Si), aluminium (Al), besi (Fe), kalsium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na), kalium (K), titanium (Ti), hidrogen (H), fosfor (P), dan mangan (Mn). Dalam membahas kelimpahan unsur alami ini, kita harus ingat bahwa (1) unsur-unsur tidak terdistribusi secara merata di seluruh kerak Bumi, dan (2) sebagian besar unsur berada dalam bentuk gabungan atau senyawa. Fakta-fakta ini memberikan dasar pada sebagian besar metode untuk memperoleh unsur-unsur murni dari senyawanya, seperti yang akan kita lihat di bab-bab selanjutnya.

Tabel yang disertai berikut mencantumkan unsur-unsur penting dalam tubuh manusia. Yang menarik adalah unsur-unsur jejak/penanda, seperti besi (Fe), tembaga (Cu), seng (Zn), yodium (I), dan kobalt (Co), yang bersama-sama membentuk sekitar 0,1 persen dari massa tubuh. Unsur-unsur ini diperlukan untuk fungsi biologis seperti pertumbuhan, transportasi oksigen untuk metabolisme, dan pertahanan terhadap penyakit. Ada keseimbangan yang harus ada dalam batasan tertentu berdasarkan jumlah unsur-unsur ini dalam tubuh kita. Terlalu banyak atau terlalu sedikit selama periode waktu yang panjang dapat menyebabkan penyakit serius, keterbelakangan, atau bahkan kematian.

(a) Kelimpahan alami unsur-unsur dalam persen berdasarkan massa. Misalnya, kelimpahan oksigen adalah 45,5 persen. Ini berarti bahwa dalam sampel 100g kerak bumi, rata-rata ada 45,5 g unsur oksigen. (b) Kelimpahan unsur-unsur dalam tubuh manusia dalam persen berdasarkan massa.

2.4 Tabel Periodik

Lebih dari separuh unsur yang telah diketahui saat ini ditemukan antara era 1800 dan 1900. Selama periode ini, ahli kimia mencatat bahwa banyak unsur menunjukkan kesamaan sifat yang kuat satu sama lain. Pengakuan keteraturan periodik dalam sifat fisika dan sifat kimia serta kebutuhan untuk mengatur volume besar informasi yang tersedia tentang struktur dan sifat zat unsur menyebabkan perkembangan tabel periodik, grafik di mana unsur-unsur yang memiliki sifat kimia dan sifat fisika yang serupa dikelompokkan bersama. Gambar 2.10 menunjukkan tabel periodik modern di mana unsur-unsur disusun berdasarkan nomor atom (ditunjukkan di atas simbol unsur) dalam baris horisontal yang disebut periode dan dalam kolom vertikal yang dikenal sebagai golongan, sesuai dengan kesamaan dalam sifat kimianya. Perhatikan bahwa unsur-unsur 112-116 dan 118 baru-baru ini telah disintesis, meskipun unsur-unsur ini belum diberi nama.

Unsur-unsur dapat dibagi menjadi tiga kategori-logam, non logam, dan metaloid. Sebuah logam adalah konduktor panas dan konduktor listrik yang baik, sementara non logam biasanya merupakan konduktor panas dan listrik yang buruk. Metaloid memiliki sifat-sifat yang bersifat intermediet antara logam dan non logam. Gambar 2.10 menunjukkan bahwa sebagian besar unsur yang dikenal adalah logam; hanya 17 unsur non logam, dan 8 unsur adalah metaloid. Dari kiri ke kanan sepanjang periode, sifat fisika dan sifat kimia unsur-unsur berubah secara bertahap dari logam menjadi non logam.

Gambar 2.10 Tabel periodik modern.Unsur-unsur disusun menurut nomor atom (di atas simbol-simbolnya). Dengan pengecualian hidrogen (H), non logam yang terletak di ujung kanan tabel. Dua baris logam di bawah kerangka utama tabel secara konvensional ditetapkan untuk menjaga tabel agar tidak terlalu lebar. Sebenarnya, cerium (Ce) harus mengikuti lanthanum (La), dan thorium (Th) harus berada tepat setelah actinium (Ac). Penunjukan golongan 1–18 telah direkomendasikan oleh International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) tetapi belum digunakan secara luas. Dalam teks ini, digunakan notasi AS standar untuk nomor golongan (1A – 8A dan 1B – 8B). Belum ada nama yang ditetapkan untuk unsur 112–116, dan 118. Unsur 117 belum disintesis.

Unsur sering disebut secara kolektif menurut nomor golongan tabel periodiknya (Golongan IA, Golongan IIA, dan seterusnya). Namun, untuk kenyamanan, beberapa golongan unsur telah diberi nama khusus. Unsur-unsur Golongan IA (Li, Na, K, Rb, Cs, dan Fr) disebut logam alkali, dan unsur-unsur Golongan IIA (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, dan Ra) disebut logam alkali tanah. Unsur dalam Golongan VIIA (F, Cl, Br, I, dan At) dikenal sebagai halogen, dan unsur dalam Golongan VIIIA (He, Ne, Ar, Kr, Xe, dan Rn) disebut gas mulia merupakan gas langka.

Tabel periodik adalah alat yang berguna yang menghubungkan sifat-sifat unsur dengan cara yang sistematis dan membantu kita untuk membuat prediksi tentang sifat kimia. Kita akan melihat lebih dekat pada dasar (keystone) kimia ini di Bab 8.

Kimia sehari-hari dalam bagian Bab 2 ini menggambarkan distribusi unsur-unsur di Bumi dan di tubuh manusia.

2.3 Nomor Atom, Nomor Massa, dan Isotop

Semua atom dapat diidentifikasi berdasarkan jumlah proton dan neutron yang dikandungnya. Nomor atom (Z) adalah jumlah proton dalam inti setiap atom unsur. Dalam atom netral jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga nomor atom juga menunjukkan jumlah elektron yang ada dalam atom netral. Identitas kimia suatu atom dapat ditentukan hanya dari nomor atomnya. Misalnya, nomor atom fluorin adalah 9. Ini berarti bahwa setiap atom fluorin memiliki 9 proton dan 9 elektron. Atau dapat dilihat dengan cara lain, bahwa setiap atom di alam semesta yang mengandung 9 proton sudah pasti benar adalah atom "fluorin."

Nomor massa (A) adalah jumlah total neutron dan proton yang ada dalam inti atom suatu unsur. Kecuali untuk hidrogen, yang memiliki satu proton dan tidak ada neutron, semua inti atom mengandung proton dan neutron. Secara umum, nomor massa diberikan oleh

nomor massa     = jumlah proton + jumlah neutron

        = nomor atom + jumlah neutron

Jumlah neutron dalam atom sama dengan selisih antara nomor massa dan nomor atom atau (A-Z). Misalnya, jika diketahui nomor massa atom boron tertentu adalah 12 dan nomor atomnya adalah 5 (menunjukkan 5 proton dalam inti), maka jumlah neutron adalah 12 - 5 = 7. Perhatikan bahwa ketiga kuantitas (nomor atom, jumlah neutron, dan nomor massa) harus bilangan bulat positif, atau bilangan bulat.

Atom-atom suatu unsur yang diberikan tidak semuanya memiliki massa yang sama. Sebagian besar unsur memiliki dua atau lebih isotop. Isotop adalah atom yang memiliki nomor atom yang sama tetapi nomor massa yang berbeda. Contohnya adalah tiga isotop atom hidrogen. Pertama, yang dikenal sebagai hidrogen, memiliki satu proton dan tidak ada neutron. Isotop kedua, deuterium mengandung satu proton dan satu neutron, dan isotop ketiga, tritium memiliki satu proton dan dua neutron. Cara yang diterima untuk menunjukkan nomor atom dan nomor massa atom suatu unsur (X) adalah sebagai berikut:

Jadi, untuk isotop hidrogen, dituliskan

Sebagai contoh lain, perhatikan dua isotop uranium dengan nomor massa 235 dan 238, masing-masing:

Isotop pertama digunakan dalam reaktor nuklir dan bom atom, sedangkan isotop kedua tidak memiliki sifat yang diperlukan untuk aplikasi ini. Dengan pengecualian hidrogen, yang memiliki nama berbeda untuk masing-masing isotopnya, isotop unsur diidentifikasi dengan nomor massanya. Dengan demikian, dua isotop sebelumnya disebut uranium-235 (diucapkan "uranium dua tiga lima") dan uranium-238 (diucapkan "uranium dua tiga delapan").

Sifat-sifat kimia suatu unsur ditentukan terutama oleh proton dan elektron dalam atom-atomnya; neutron tidak mengambil bagian dalam perubahan kimia dalam kondisi normal (kecuali reaksi inti). Oleh karena itu, isotop dari unsur yang sama memiliki kemiripan kimia yang sama, membentuk jenis senyawa yang sama dan menampilkan reaktivitas yang serupa.

Contoh 2.1 menunjukkan bagaimana menghitung jumlah proton, neutron, dan elektron menggunakan nomor atom dan nomor massa.

Contoh 2.1

Berikan jumlah proton, neutron, dan elektron pada masing-masing spesies berikut: 

Strategi

Ingat bahwa superskrip (indeks atas) menunjukkan nomor massa (A) dan subskrip (indeks bawah) menunjukkan nomor atom (Z). Nomor massa selalu lebih besar dari nomor atom. (Satu-satunya pengecualian adalah ¹H, di mana nomor massa sama dengan nomor atom). Untuk menentukan jumlah elektron, ingatlah bahwa karena atom bersifat netral, jumlah elektron sama dengan jumlah proton.

Solusi

(a) Nomor atom adalah 11, jadi ada 11 proton. Nomor massa adalah 20, sehingga jumlah neutron adalah 20 - 11 = 9. Jumlah elektron sama dengan jumlah proton; yaitu, 11.

(b) Nomor atom sama dengan (a), atau 11. Nomor massa adalah 22, jadi jumlah neutron adalah 22 - 11 = 11. Jumlah elektron adalah 11. Catatan bahwa spesies atom dalam (a) dan (b) adalah isotop unsur natrium yang mirip secara kimia.

(c) Nomor atom O (oksigen) adalah 8, jadi ada 8 proton. Nomor massa adalah 17, jadi ada 17 - 8 = 9 neutron. Ada 8 elektron.

(d) Karbon-14 direpresentasikan sebagai ¹⁴C. Nomor atom karbon adalah 6, jadi ada 14 - 6 = 8 neutron. Jumlah elektron adalah 6.

2.2 Struktur Atom

Berdasarkan teori atom Dalton, atom dapat didefinisikan sebagai satuan dasar dari suatu unsur yang dapat bergabung dalam kombinasi kimia. Dalton membayangkan atom kedua unsur yang bergabung sangat kecil dan tak dapat dibagi lagi. Namun, serangkaian penyelidikan yang dimulai pada tahun 1850-an dan diperluas pada abad ke-20 dengan jelas menunjukkan bahwa atom sebenarnya memiliki struktur internal; artinya, atom terdiri dari partikel yang lebih kecil, yang disebut partikel subatom. Penelitian ini mengarah pada penemuan tiga partikel yaitu: elektron, proton, dan neutron.

Atom terdiri dari proton, neutron dan elektron. Proton dan neutron berada di dalam inti atom, sedangkan elektron mengelilingi inti atom karena muatan listriknya. Semua elektron bermuatan negatif (-) dan semua proton bermuatan positif (+), sedangkan neutron tidak bermuatan atau netral. Elektron yang bermuatan negatif (-) ditarik oleh proton yang bermuatan positif (+) ke inti atom.

Dalam hal ini, semua inti atom di alam semesta akan ditemukan bermuatan positif (+) karena ada muatan listrik positif (+) di dalam inti. Akibatnya, semua inti atom akan saling bertolakan satu sama lain.

Elektron

Pada tahun 1890-an, banyak ilmuwan terperangkap dalam penelitian tentang radiasi, emisi dan transmisi energi melalui ruang dalam bentuk gelombang. Informasi yang diperoleh dari penelitian ini sangat berkontribusi pada pemahaman tentang struktur atom. Salah satu perangkat yang digunakan untuk menyelidiki fenomena ini adalah tabung sinar katoda, yang merupakan pelopor tabung televisi (Gambar 2.3). Tabung sinar katoda adalah tabung kaca dimana sebagian besar udara telah divakumkan. Ketika dua pelat logam terhubung ke sumber listrik tegangan tinggi, pelat bermuatan negatif disebut katoda memancarkan sinar tak terlihat. Sinar katoda ditarik ke pelat bermuatan positif yang disebut anoda di mana sinar melewati lubang dan terus bepergian ke ujung tabung. Ketika sinar menyambar permukaan yang dilapisi khusus, peristiwa itu menghasilkan fluoresensi yang kuat, atau cahaya terang.

Dalam beberapa percobaan, dua pelat bermuatan listrik dan magnet ditambahkan ke bagian luar tabung sinar katoda (lihat Gambar 2.3). Ketika medan magnet menyala dan medan listrik mati, sinar katoda menyerang titik A. Ketika medan listrik menyala, penangkapan sinar di titik C. Ketika medan magnet dan medan listrik mati atau ketika keduanya seimbang sehingga keduanya saling menghilangkan pengaruh satu sama lain, pengangkapan sinar di titik B. Menurut teori elektromagnetik, benda yang bermuatan bergerak berperilaku seperti magnet dan dapat berinteraksi dengan medan listrik serta magnet yang dilewatinya. Karena sinar katoda tertarik oleh pelat yang membawa muatan positif dan ditolak oleh pelat yang mengandung muatan negatif, maka harus terdiri dari partikel bermuatan negatif. Diketahui bahwa partikel bermuatan negatif ini adalah elektron. Gambar 2.4 menunjukkan efek dari magnet batang pada sinar katoda.

Seorang fisikawan Inggris bernama J. J. Thomson menggunakan tabung sinar katoda dan pengetahuannya tentang teori elektromagnetik untuk menentukan rasio muatan listrik terhadap massa elektron secara individu. Angka yang didapatkan adalah -1,759 x 10⁸ coulomb/gram, di mana C adalah singkatan dari coulomb, yang merupakan satuan muatan listrik. Setelah itu, dalam serangkaian percobaan yang dilakukan antara tahun 1908 dan 1917, R. A. Millikan berhasil mengukur muatan elektron dengan ketepatan yang tinggi. Karyanya membuktikan bahwa muatan pada setiap elektron sama persis. Dalam eksperimennya, Millikan memeriksa gerakan tetesan kecil minyak yang bermuatan listrik statis dari ion di udara. Dia menangguhkan tetesan minyak di udara dengan menerapkan medan listrik serta mengikuti gerakan Animasi mereka melalui mikroskop (Gambar 2.5). Menggunakan pengetahuannya tentang elektrostatik, Millikan menemukan muatan elektron adalah -1,6022 x 10⁻¹⁹ coulomb. Dari data ini ia menghitung massa elektron:

Massa satu elektron = e/(e/m) = (1,602 x 10⁻¹⁹) / (1,759 x 10⁸) = 9,11 × 10⁻²⁸ gram
Ini adalah massa yang sangat kecil sekali.

Gambar 2.3 Sebuah tabung sinar katoda dengan medan listrik yang tegak lurus terhadap arah sinar katoda dan medan magnet eksternal. Simbol N dan S menunjukkan kutub magnet utara dan selatan. Sinar katoda akan menghantam ujung tabung di A di hadapan medan magnet, di C di hadapan medan listrik, dan di B ketika tidak ada medan eksternal yang hadir atau ketika efek medan listrik dan medan magnet saling menghilangkan.

Gambar 2.4 (a) Suatu sinar katoda yang dihasilkan dalam tabung vakum. Sinar itu sendiri tidak terlihat, tetapi fluoresensi lapisan seng sulfat pada kaca menyebabkannya tampak hijau. (b) Sinar katoda dibelokkan ke bawah ketika sebuah batang magnet dibawa ke arahnya. (c) Ketika polaritas magnet terbalik, sinar membelok ke arah yang berlawanan.

Radioaktivitas

Pada tahun 1895, fisikawan Jerman bernama Wilhelm Röntgen mengamati bahwa sinar katoda yang ditimbulkan kaca dan logam memancarkan sinar yang sangat tidak biasa. Radiasi yang sangat energik ini menembus materi, piring fotografi tertutup gelap, dan menyebabkan berbagai zat berfluoresensi. Karena sinar ini tidak dapat dibelokkan oleh magnet, maka tidak mengandung partikel bermuatan seperti sinar katoda. Röntgen menyebutnya dengan sinar X karena sifatnya tidak diketahui.

Gambar 2.5. Diagram skematis dari percobaan tetes minyak Millikan.

Gambar 2.6. Tiga jenis sinar yang dipancarkan oleh unsur radioaktif. sinar β terdiri dari partikel bermuatan negatif (elektron) dan karena itu tertarik oleh pelat bermuatan positif. Kebalikannya berlaku untuk sinar α bermuatan positif dan tertarik ke pelat bermuatan negatif. Karena sinar γ tidak memiliki muatan, jalurnya tidak terpengaruh oleh medan listrik eksternal.

Tidak lama setelah penemuan Röntgen, Antoine Becquerel seorang profesor fisika di Paris, mulai mempelajari sifat fluoresensi zat. Murni karena kebetulan, ia menemukan bahwa pelat fotografi yang dibungkus tebal terekspos oleh senyawa uranium yang menyebabkannya menjadi gelap, bahkan tanpa stimulasi sinar katoda. Seperti sinar X, sinar dari senyawa uranium sangat energik dan tidak dapat dibelokkan oleh medan magnet, tetapi sinarnya berbeda dari sinar X karena sinar ini muncul secara spontan. Salah satu siswa Becquerel bernama Marie Curie menyarankan nama radioaktivitas untuk menggambarkan emisi partikel dan/atau radiasi spontan ini. Sejak itu, setiap unsur yang secara spontan memancarkan radiasi disebut unsur radioaktif.

Tiga jenis sinar dihasilkan oleh peluruhan atau penghancuran zat radioaktif seperti uranium. Dua dari tiga yang dibelokkan oleh pelat logam yang bermuatan secara berlawanan (Gambar 2.6). Sinar alfa (α) terdiri dari partikel bermuatan positif, yang disebut partikel α, dan oleh karena itu terdefleksi (dibelokkan) oleh pelat bermuatan positif. Sinar beta (β), atau partikel β adalah elektron dan dibelokkan oleh pelat bermuatan negatif. Jenis ketiga dari radiasi radioaktif terdiri dari sinar berenergi tinggi yang disebut sinar gamma (γ). Seperti sinar X, sinar γ tidak memiliki muatan dan tidak terpengaruh oleh medan listrik eksternal.

Catatan kaki:

Antoine Henri Becquerel (1852–1908). Fisikawan Prancis yang dianugerahi Hadiah Nobel dalam bidang Fisika pada 1903 karena menemukan radioaktivitas dalam uranium. Marie (Marya Sklodowska) Curie (1867–1934). Kimiawan dan fisikawan kelahiran Polandia. Pada 1903 ia dan suaminya orang Prancis, Pierre Curie, dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika untuk pekerjaan mereka dalam radioaktivitas. Pada tahun 1911, ia kembali menerima hadiah Nobel, kali ini dalam bidang kimia, untuk karyanya pada unsur radioaktif radium dan polonium. Dia adalah satu dari hanya tiga orang yang menerima dua hadiah Nobel dalam sains. Terlepas dari kontribusinya yang besar terhadap sains, pencalonannya untuk Akademi Ilmu Pengetahuan Perancis pada tahun 1911 ditolak oleh satu suara karena dia adalah seorang wanita! Putrinya Irene, dan menantu laki-lakinya Frederic Joliot-Curie, berbagi Penghargaan Nobel dalam Kimia pada tahun 1935.

Proton dan Inti

Pada awal 1900-an, dua sifat atom menjadi jelas: atom mengandung elektron, dan bersifat netral secara muatan. Untuk menjaga netralitas muatannya, atom harus mengandung muatan positif dan negatif dalam jumlah yang sama. Oleh karena itu, Thomson mengusulkan bahwa atom dapat dianggap sebagai lingkup materi positif yang seragam di mana elektron tertanam seperti kismis dalam kue (Gambar 2.7). Model "plum-pudding" adalah model yang diterima selama beberapa tahun.

Gambar 2.7 Model atom Thomson, kadang-kadang digambarkan sebagai model "plum-pudding", yaitu makanan penutup tradisional Inggris yang mengandung kismis. Elektron tertanam dalam bola bermuatan positif yang seragam.

Gambar 2.8 (a) Rancangan percobaan Rutherford untuk mengukur hamburan partikel dengan selembar emas tipis (foil). Sebagian besar partikel melewati lembar (foil) emas dengan sedikit atau tanpa dibelokkan. Beberapa dibelokkan pada sudut lebar. Kadang-kadang sebuah partikel dipantul balik. (b) tampilan yang diperbesar dari partikel yang lewat dan dibelokkan oleh inti.

Pada tahun 1910 fisikawan Selandia Baru bernama Ernest Rutherford, yang pernah belajar dengan Thomson di Universitas Cambridge, memutuskan menggunakan partikel α untuk menyelidiki struktur atom. Bersama dengan rekannya Hans Geiger dan seorang sarjana bernama Ernest Marsden, Rutherford melakukan serangkaian percobaan menggunakan lembaran (foil) emas dan logam lain yang sangat tipis sebagai target partikel α dari sumber radioaktif (Gambar 2.8). Mereka mengamati bahwa sebagian besar partikel α menembus foil baik yang tidak terbelokkan atau hanya dengan sedikit belokkan. Tetapi setiap saat dan kemudian sebuah partikel α tersebar (atau dibelokkan) pada sudut yang besar. Dalam beberapa sampel, sebuah partikel α benar-benar dipantulkan kembali ke arah dari mana ia datang! Ini adalah temuan yang paling mengejutkan, karena dalam model Thomson muatan positif atom begitu menyebar sehingga partikel positif seharusnya melewati foil dengan sedikit belokkan (defleksi). Untuk mengutip reaksi awal Rutherford ketika diberitahu tentang penemuan ini: "Itu luar biasa seolah-olah Anda telah menembakkan cangkang 15 inci di selembar kertas tisu dan ia kembali dan menabrak Anda."

Rutherford kemudian mampu menjelaskan hasil eksperimen hamburan-α dalam hal model baru untuk atom. Menurut Rutherford, sebagian besar atom harus merupakan ruang kosong. Ini menjelaskan mengapa sebagian besar partikel melewati foil emas dengan sedikit atau tanpa belokkan. Muatan positif atom menurut usulan Rutherford semuanya terkonsentrasi di inti atom, yang merupakan inti padat di dalam pusat atom. Setiap kali sebuah partikel mendekati inti dalam eksperimen hamburan-α, partikel tersebut mengalami gaya tolak besar dan oleh karena itu dibelokkan dengan sudut besar. Selain itu, sebuah partikel α yang bergerak langsung menuju inti akan benar-benar ditolak dan arahnya akan berbalik.

Partikel bermuatan positif dalam inti disebut proton. Dalam percobaan terpisah, ditemukan bahwa setiap proton membawa muatan yang sama dengan elektron dan memiliki massa 1,6726231 × 10⁻²⁴ g — sekitar 1.840 kali massa elektron yang bermuatan negatif.

Pada tahap penyelidikan ini, para ilmuwan menganggap atom sebagai berikut: Massa inti merupakan sebagian besar massa seluruh atom, tetapi inti hanya menempati sekitar 1/10¹³ volume atom. Kita mengekspresikan dimensi atom (dan molekul) dalam satuan SI yang disebut picometer (pm), di mana

1 pm = 1 × 10⁻¹² m

Catatan kaki:

Ernest Rutherford (1871–1937). Fisikawan Selandia Baru. Rutherford melakukan sebagian besar pekerjaannya di Inggris (Universitas Manchester dan Cambridge). Dia menerima Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 1908 untuk penyelidikannya dalam struktur inti atom. Komentarnya yang sering dikutip oleh murid-muridnya adalah bahwa “semua sains adalah fisika atau perangko.”  Johannes Hans Wilhelm Geiger (1882–1945). Fisikawan Jerman. Pekerjaan Geiger terfokus pada struktur inti atom dan pada radioaktivitas. Dia menciptakan alat untuk mengukur radiasi yang sekarang biasa disebut penghitung Geiger. Ernest Marsden (1889–1970). Fisikawan Inggris. Sangat menggembirakan untuk mengetahui bahwa kadang-kadang seorang sarjana dapat membantu memenangkan Hadiah Nobel. Marsden melanjutkan untuk berkontribusi secara signifikan untuk pengembangan ilmu pengetahuan di Selandia Baru.

Jari-jari atom yang khas adalah sekitar 100 pm, sedangkan jari-jari inti atom hanya sekitar 5 × 10⁻³ pm. Kita dapat menghitung ukuran relatif atom dan intinya dengan membayangkan bahwa jika sebuah atom seukuran sebuah stadion olahraga, maka volume intinya akan sebanding dengan sebuah marmer kecil ditengah stadion. Meskipun proton terbatas pada inti atom, elektron dipahami tersebar di sekitar inti di beberapa jarak jauhnya darinya.

Stadion olahraga

Konsep jari-jari atom berguna secara eksperimental, tetapi kita tidak boleh menyimpulkan bahwa atom memiliki batas atau permukaan yang terdefinisi dengan baik. Kita akan belajar nanti bahwa daerah terluar atom relatif "kabur."

Neutron

Model struktur atom Rutherford meninggalkan satu masalah besar yang belum terpecahkan. Telah diketahui bahwa hidrogen merupakan atom paling sederhana, hanya mengandung satu proton dan bahwa atom helium mengandung dua proton. Oleh karena itu, perbandingan massa atom helium dengan atom hidrogen harus 2:1. (Karena elektron jauh lebih ringan daripada proton, kontribusinya terhadap massa atom dapat diabaikan.) Namun kenyataannya, rasio ini 4:1. Rutherford dan yang lain mempostulatkan bahwa harus ada jenis partikel subatom lainnya dalam inti atom; buktinya disediakan oleh fisikawan Inggris lainnya bernama James Chadwick, pada tahun 1932. Ketika Chadwick membombardir selembar berilium tipis dengan partikel, radiasi berenergi sangat tinggi mirip dengan sinar γ dipancarkan oleh logam. Percobaan selanjutnya menunjukkan bahwa sinar sebenarnya terdiri dari ketiga jenis partikel subatomik, yang Chadwick namai neutron, karena neutron terbukti sebagai partikel netral yang memiliki massa sedikit lebih besar daripada proton. Misteri rasio massa sekarang bisa dijelaskan. Dalam inti helium ada dua proton dan dua neutron, tetapi dalam inti hidrogen hanya ada satu proton dan tidak ada neutron; oleh karena itu, rasionya adalah 4:1.

Gambar 2.9. Proton dan neutron atom dikemas dalam inti yang sangat kecil. Elektron ditampilkan sebagai "awan" di sekitar inti

Gambar 2.9 menunjukkan lokasi partikel dasar (proton, neutron, dan elektron) dalam sebuah atom. Ada partikel subatom lainnya, tetapi elektron, proton, dan neutron adalah tiga komponen fundamental dari atom yang penting dalam kimia. Tabel 2.1 menunjukkan massa dan muatan ketiga partikel dasar ini.

Tabel 2.1 Massa dan muatan partikel sub atom

Partikel	Massa (g)	Muatan
		Coulomb	Satuan muatan
Elektron	9,10938 x 10-28	-1,6022 x 10-19	-1
Proton	1,67262 x 10-24	+1,6022 x 10-19	+1
Neutron	1,67493 x 10-24	0	0

2.1 Teori Atom

Pada abad kelima masehi, seorang filsuf Yunani bernama Democritus menyatakan keyakinannya bahwa semua materi terdiri dari partikel-partikel yang sangat kecil dan tidak dapat dibagi lagi, yang ia beri nama atomos (yang berarti tidak dapat dibagi atau tidak dapat dipecah/hancur). Meskipun gagasan Democritus tidak diterima oleh banyak orang sezamannya (terutama Plato dan Aristoteles), entah bagaimana pendapat itu tetap bertahan. Bukti eksperimental dari penyelidikan ilmiah awal abad delapan belas memberikan dukungan untuk gagasan "atomisme", kemudian secara bertahap memunculkan definisi modern unsur dan senyawa. Pada tahun 1808, seorang ilmuwan dan guru sekolah Inggris bernama John Dalton memformulasikan definisi yang tepat tentang satuan penyusun materi yang tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom.

Karya Dalton menandai awal dari era kimia modern. Hipotesis tentang sifat materi yang menjadi dasar teori atom Dalton dapat diringkas sebagai berikut:

1. Unsur-unsur tersusun dari partikel-partikel sangat kecil yang disebut atom. 
2. Semua atom dari unsur yang sama adalah identik, memiliki ukuran, massa, dan sifat kimia yang sama. Atom-atom suatu unsur berbeda dari atom-atom unsur lainnya. 
3. Senyawa tersusun atas atom-atom lebih dari satu unsur. Dalam senyawa apa pun, rasio jumlah atom dari dua unsur yang ada adalah bilangan bulat sederhana. 
4. Reaksi kimia hanya melibatkan pemisahan, kombinasi, atau penataan ulang atom; atom tidak dapat diciptakan ataupun dihancurkan. 

Gambar 2.1 adalah representasi skematis dari tiga hipotesis terakhir.

Konsep Dalton tentang atom jauh lebih rinci dan spesifik daripada pendapat Democritus. Hipotesis kedua menyatakan bahwa atom dari suatu unsur berbeda dari atom unsur lainnya. Dalton tidak berusaha menggambarkan struktur atau komposisi atom — dia tidak tahu seperti apa atom itu sebenarnya. Tetapi ia menyadari bahwa sifat-sifat berbeda yang ditunjukkan oleh unsur-unsur seperti hidrogen dan oksigen dapat dijelaskan dengan mengasumsikan bahwa atom-atom hidrogen tidak sama dengan atom-atom oksigen. Hipotesis ketiga menunjukkan bahwa, untuk membentuk senyawa tertentu, tidak hanya membutuhkan atom dari jenis unsur yang tepat, tetapi juga sejumlah atom tertentu.

Gambar 2.1 (a) Menurut teori atom Dalton, atom dari unsur yang sama adalah identik, tetapi atom dari suatu unsur berbeda dengan atom semua unsur lainnya. (b) Senyawa terbentuk dari atom unsur X dan Y. Dalam hal ini, rasio atom unsur X dan atom unsur Y adalah 2:1. Perhatikan bahwa reaksi kimia hanya menghasilkan penataan ulang atom, bukan dalam penghancuran atau penciptaannya.

Ide ini merupakan perpanjangan dari hukum yang diterbitkan pada tahun 1799 oleh Joseph Proust, seorang ahli kimia dari Perancis. Hukum Proust tentang proporsi pasti atau dikenal dengan hukum perbandingan tetap menyatakan bahwa sampel yang berbeda dari senyawa yang sama selalu mengandung unsur-unsur penyusunnya dalam proporsi yang sama berdasarkan massa. Jadi, jika dianalisis sampel gas karbon dioksida yang diperoleh dari sumber yang berbeda, akan ditemukan dalam setiap sampel rasio yang sama antara massa karbon terhadap oksigen. Maka dapat dipastikan, bahwa, jika rasio massa unsur-unsur yang berbeda dalam senyawa tertentu adalah tetap, maka rasio atom-atom unsur-unsur ini dalam senyawa juga harus tetap.

Hipotesis ketiga Dalton mendukung hukum penting lainnya, hukum proporsi berganda atau hukum perbandingan berganda. Menurut hukum ini, jika dua unsur dapat bergabung membentuk lebih dari satu senyawa, massa dari satu unsur yang bergabung dengan massa tetap dari unsur lainnya berada dalam rasio bilangan bulat sederhana. Teori Dalton menjelaskan hukum perbandingan berganda cukup sederhana: Senyawa berbeda yang terdiri dari unsur-unsur yang sama berbeda dalam jumlah atom dari setiap jenis yang bergabung. Sebagai contoh, karbon membentuk dua senyawa stabil dengan oksigen, yaitu karbon monoksida dan karbon dioksida. Teknik pengukuran modern menunjukkan bahwa satu atom karbon bergabung dengan satu atom oksigen dalam karbon monoksida dan dengan dua atom oksigen dalam karbon dioksida. Dengan demikian, rasio oksigen dalam karbon monoksida terhadap oksigen dalam karbon dioksida adalah 1:2. Hasil ini konsisten dengan hukum perbandingan berganda (Gambar 2.2).

Gambar 2.2 Ilustrasi hukum perbandingan berganda.

Hipotesis keempat Dalton adalah cara lain untuk menyatakan hukum kekekalan massa, yaitu bahwa materi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Karena materi tersusun dari atom yang tidak berubah selama reaksi kimia, maka massanya juga harus tetap. Pandangan jenius Dalton tentang sifat materi adalah stimulus utama bagi kemajuan pesat kimia selama abad kesembilan belas.