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.

Bab 2 Atom, Molekul dan Ion

Gambar di atas mengilustrasikan pancaran radioaktif radium (Ra). Model tersebut menunjukkan inti radium yang meluruh menghasilkan unsur radioaktif radon (Rn) dan partikel alfa. Partikel alfa memiliki dua proton dan dua neutron. Studi tentang radioaktifitas telah sangat membantu dalam memajukan pengetahuan para ilmuwan tentang struktur atom.

Konsep Penting

• Perkembangan teori atom. Pencarian satuan dasar penyusun materi telah dimulai sejak sejarah kuno. Dasar teori atom modern diletakkan oleh John Dalton pada abad kesembilan belas, yang mendalilkan bahwa unsur-unsur terdiri dari partikel yang sangat kecil yang disebut atom. Semua atom dari suatu unsur yang sama adalah identik, tetapi berbeda dari atom-atom unsur lainnya. (2.1)
• Struktur atom. Melalui eksperimen para ilmuwan abad sembilan belas dan awal abad dua puluh telah mempelajari dan menyatakan bahwa atom terdiri dari tiga partikel dasar, yaitu: proton, elektron, dan neutron. Proton memiliki muatan positif, elektron memiliki muatan negatif, dan neutron tidak memiliki muatan. Proton dan neutron terletak di wilayah kecil di pusat atom, yang disebut inti, sementara elektron tersebar di sekitar inti di beberapa jarak jauhnya dari inti atom. (2.2)
• Cara mengidentifikasi atom. Nomor atom adalah jumlah proton dalam inti atom. Atom unsur yang berbeda memiliki nomor atom yang berbeda. Isotop adalah atom dari unsur yang sama yang memiliki jumlah neutron yang berbeda. Massa atom adalah jumlah dari proton dan neutron dalam inti atom. Karena atom netral secara muatan, maka jumlah elektron harus sama dengan jumlah proton di dalam inti atom. (2.3)
• Tabel periodik. Unsur-unsur dapat dikelompokkan secara bersama menurut sifat kimia dan sifat fisikanya dalam tabel yang disebut tabel periodik. Tabel periodik memungkinkan untuk mengelompokkan unsur-unsur (seperti logam, metaloid, dan non logam) serta menghubungkan sifat-sifatnya dengan cara yang sistematis. Tabel periodik sebagai sumber informasi yang sangat berguna dalam kimia (2.4)
• Atom, molekul dan ion. Atom dari sebagian besar unsur berinteraksi membentuk senyawa, yang diklasifikasikan sebagai molekul atau senyawa ionik yang terdiri dari ion positif (kation) dan ion negatif (anion). (2.5)
• Rumus kimia (rumus molekul dan rumus empiris). Rumus kimia merepresentasikan jenis dan jumlah atom yang membentuk molekul atau senyawa ionik serta model representasi molekul atau senyawa. (2.6)
• Tatanama senyawa anorganik. Seperangkat aturan membantu dalam memberi nama senyawa anorganik. (2.7)
• Kimia organik. Secara singkat menjelajahi dunia kimia organik yang akan dipelajari lebih jauh di bagian berikutnya. (2.8)

Sejak zaman dahulu manusia telah memikirkan sifat materi. Gagasan modern tentang struktur materi mulai terbentuk pada awal abad kesembilan belas dengan munculnya teori atom Dalton. Sekarang diketahui bahwa semua materi tersusun dari atom, molekul, dan ion. Semua pelajaran kimia akan selalu berkaitan dengan atom, molekul dan ion.

Tugas 1

1.1 Klasifikasikan pernyataan-pernyataan berikut ini sebagai pernyataan kualitatif atau kuantitatif, berikan alasan Anda.
(a) Massa atom Na adalah 22,99.
(b) Model atom Thomson lebih baik daripada Model atom Dalton.
(c) Air lebih rapat molekunya dibandingkan es.

(d) Rasa keju lebih enak daripada mentega.

1.2 Manakah pernyataan berikut yang menggambarkan sifat kimia dan sifat fisika? Berikan alasan!
(a) Gas oksigen diperlukan pada pembakaran.
(b) Pupuk membantu meningkatkan produksi pertanian.
(c) Air mendidih dibawah suhu 100°C di puncak sebuah gunung.
(d) Timbal lebih padat dari aluminium.

(e) Uranium adalah unsur radioaktif.

1.3 Berikan nama unsur yang diwakili oleh simbol kimia berikut: Li, F, P, Cu, As, Zn, Cl, Pt, Mg, U, Al, Si, Ne.

1.4 Klasifikasikan masing-masing zat berikut sebagai unsur atau senyawa: 
(a) hidrogen
(b) air
(c) emas
(d) gula.

1.5 Brom adalah cairan coklat kemerahan. Hitung kerapatannya (dalam g/mL) jika 586 g zat tersebut menempati volume 188 mL!

1.6 Ubah skala suhu berikut menjadi derajat Celcius atau Fahrenheit: 
(a) 95°F, suhu pada hari musim panas
(b) 12°F, suhu pada hari musim dingin
(c) 102°F, suhu demam
(d) tungku yang beroperasi pada 1.852°F
(e) -273,15°C (secara teoritis suhu terendah yang dapat dicapai).

1.7 Ubah suhu berikut menjadi Kelvin: 
(a) 113°C, titik leleh belerang 
(b) 37°C, suhu tubuh normal
(c) 357° C, titik didih air raksa

1.8 Nyatakan angka-angka berikut dalam notasi ilmiah: 
(a) 0,000000027
(b) 356
(c) 47,764
(d) 0,096

1.9 Nyatakan jawaban untuk perhitungan berikut dalam notasi ilmiah:
(a) 145,75 + (2,3 x 10⁻¹)
(b) 79.500 : (2,5 x 10²)
(c) (7,0 x 10⁻³) - (8,0 x 10⁻⁴)
(d) (1,0 x 10⁴) x (9,9 x 10⁶)

1.10 Berapa jumlah angka penting dalam masing-masing pengukuran berikut?
(a) 4.867 m
(b) 56 mL
(c) 60.104 ton
(d) 2.900 g
(e) 40,2 g/cm³
(f) 0,0000003 cm
(g) 0,7 menit
(h) 4,6 x 10¹⁹ atom

1.11 Lakukan operasi berikut seolah-olah bilangan itu adalah perhitungan hasil eksperimen, dan nyatakan setiap jawaban dalam satuan yang tepat dengan jumlah angka signifikan yang tepat:
(a) 5,6792 m + 0,6 m + 4,33 m
(b) 3,70 g - 2,9133 g
(c) 4,51 cm x 3,6666 cm

(d) (3 x 10⁴ g + 6.827 g)/(0,043 cm³ - 0,021 cm³)

1.12 Tiga siswa (A, B, dan C) diminta untuk menentukan volume sampel etanol. Setiap siswa mengukur volume tiga kali dengan gelas ukur. Hasil dalam mililiter adalah: A (87,1; 88,2; 87,6); B (86,9; 87,1; 87,2); C (87,6; 87,8; 87,9). Volume sebenarnya adalah 87,0 mL. Komentari ketepatan (presisi) dan keakuratan (akurasi) hasil masing-masing siswa!

1.13 Lakukan konversi berikut: 
(a) 22,6 m ke desimeter
(b) 25,4 mg ke kilogram
(c) 556 mL ke liter
(d) 10,6 kg/m³ ke g/cm³.

1.14 Kecepatan rata-rata helium pada 25°C adalah 1.255 m/s. Ubah kecepatan ini menjadi km per jam!

1.15 Berapa menit cahaya dari matahari untuk mencapai Bumi? (Jarak dari matahari ke Bumi adalah 93 juta mil; kecepatan cahaya = 3,00 x 10⁸ m/s.) (1 mil = 1.609 m)

1.16 Seseorang setinggi 6,0 kaki berbobot 168 lb. Nyatakan tinggi orang ini dalam meter dan beratnya dalam kilogram. (1 lb = 453,6 g; 1 m = 3,28 kaki)

1.17 Agar jet tempur lepas landas dari dek kapal induk, maka harus mencapai kecepatan 62 m/s. Hitung kecepatan dalam mil per jam (mph).

1.18 Lakukan konversi berikut: 
(a) 1,42 tahun cahaya ke mil (tahun cahaya adalah ukuran jarak astronomi — jarak yang ditempuh cahaya dalam setahun, atau 365 hari; kecepatan cahaya 3,00 = 10⁸ m/s) 
(b) 32,4 inci ke sentimeter
(c) 3,0 x 10¹⁰ cm/s ke mil/jam

1.19 Aluminium adalah logam ringan (kerapatannya = 2,70 g/cm³) yang digunakan dalam konstruksi pesawat, saluran transmisi tegangan tinggi, kaleng minuman, dan foil. Berapa kerapatannya dalam kg/m³?