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?

Kata Kunci 1

Klik Pada Kata Kunci Berikut Untuk Mencari dan Melihat:

Akurasi, bab. 1.8

Angka penting, bab 1.8

Berat, bab. 1.7

Campuran heterogen, bab. 1.4

Campuran homogen, bab. 1.4

Campuran, bab. 1.4

Densitas, bab. 1.6

Hipotesis, bab. 1.3

Hukum, bab. 1.3

Kelvin, bab. 1.7

Kimia, bab. 1.1

Kualitatif, bab. 1.3

Kuantitatif, bab. 1.3

Liter, bab. 1.7

Massa, bab. 1.6

Materi, bab. 1.4

Metode ilmiah, bab. 1.3

Presisi, bab. 1.8

Senyawa, bab. 1.4

Sifat ekstensif, bab. 1.6

Sifat fisika, bab. 1.6

Sifat Intensif, bab. 1.6

Sifat kimia, bab. 1.6

Sifat makroskopik, bab. 1.7

Sifat mikroskopik, bab. 1.7

Sistem Satuan Internasional(SI), bab. 1.7

Teori, bab. 1.3

Unsur, bab. 1.4

Volume, bab. 1.6

Zat, bab. 1.4

Ringkasan Pengetahuan Faktual dan Konseptual 1

1. Pelajaran kimia melibatkan tiga langkah dasar, yaitu: observasi (pengamatan), representasi, dan interpretasi. Observasi (pengamatan) mengacu pada pengukuran di dunia makroskopik. Representasi melibatkan penggunaan simbol atau notasi singkat dan persamaan untuk komunikasi. Interpretasi didasarkan pada atom dan molekul, yang termasuk dalam dunia mikroskopik.
2. Metode ilmiah adalah pendekatan sistematis terhadap penelitian yang dimulai dengan pengumpulan informasi atau pengumpulan data melalui observasi (pengamatan) dan pengukuran. Dalam proses selanjutnya, hipotesis, hukum, dan teori dirancang kemudian diuji.
3. Ahli kimia mempelajari materi dan perubahan yang dialaminya. Zat yang membentuk materi memiliki sifat fisika yang unik yang dapat diamati tanpa mengubah identitas. Sifat kimia yang unik ditunjukkan oleh perubahan identitas zat. Campuran, baik homogen ataupun heterogen, dapat dipisahkan menjadi komponen murni dengan cara fisika.
4. Zat paling sederhana dalam kimia adalah unsur. Senyawa dibentuk oleh kombinasi kimia atom dari unsur yang berbeda dalam proporsi atau perbandingan tetap.
5. Semua zat, pada prinsipnya, bisa ada di tiga keadaan, yaitu: padat, cair, dan gas. Interkonversi antara keadaan-keadaan ini dapat dilakukan dengan mengubah suhu terutama pada titik lebur dan titik leleh.
6. Satuan SI digunakan untuk mengekspresikan jumlah atau ukuran fisika dalam semua sains, termasuk kimia.
7. Angka yang dinyatakan dalam notasi ilmiah memiliki bentuk N x 10ⁿ, dimana N adalah antara 1 sampai 10, dan n adalah bilangan bulat positif atau negatif. Notasi ilmiah membantu kita menangani bilangan yang sangat besar dan sangat kecil.

Rumus Penting 1

Berikut ini rumus densitas dan konversi suhu yang harus diingat:

Latihan 1

1.1 Jelaskan apa yang dimaksud dengan metode ilmiah!

1.2 Apa perbedaan antara data kualitatif dan data kuantitatif?

1.3 Berikan contoh untuk masing-masing istilah berikut: 
(a) materi
(b) zat murni
(c) campuran.

1.4 Berikan contoh campuran homogen dan contoh campuran heterogen!

1.5 Dengan menggunakan contoh, jelaskan perbedaan antara sifat fisika dan sifat kimia!

1.6 (a) Apa perbedaan antara sifat intensif dan sifat ekstensif? 
(b) Manakah dari sifat-sifat berikut ini yang sifat intensif dan mana yang sifat ekstensif? 
(i) panjang
(ii) volume
(iii) suhu
(iv) massa.

1.7 (a) Berikan contoh unsur dan senyawa! 
(b) Apa perbedaan unsur dan senyawa?

1.8 Berapakah jumlah unsur yang telah diketahui?

1.9 Sebutkan satuan dasar SI yang penting dalam kimia! Berikan satuan SI untuk menyatakan satuan berikut: 

(a) panjang

(b) volume

(c) massa

(d) waktu

(e) energi

(f) suhu.

1.10 Tulis angka-angka yang diwakili oleh awalan berikut: 
(a) mega-
(b) kilo-
(c) desi
(d) senti
(e) mili-
(f) mikro-
(g) nano -
(h) pico-

1.11 (a) Apa satuan yang biasa digunakan ahli kimia untuk kerapatan cairan dan padatan? 
(b) Untuk kerapatan gas? 
(c) Jelaskan perbedaannya!

1.12 Jelaskan tiga skala suhu yang digunakan di laboratorium dan dalam kehidupan sehari-hari: 
(a) skala Fahrenheit
(b) skala Celsius
(c) skala Kelvin.

1.13 Apakah keuntungan menggunakan notasi ilmiah daripada notasi desimal?

1.14 (a) Definisikan yang dimaksud dengan angka penting! 
(b) Jelaskan pentingnya menggunakan jumlah angka penting yang tepat dalam pengukuran dan perhitungan!

1.9. Analisis Dimensi Dalam Penyelesaian Soal

Pengukuran yang cermat dan penggunaan yang tepat dari angka signifikan, bersama dengan perhitungan yang benar, akan menghasilkan hasil numerik yang akurat. Tetapi untuk menjadi bermakna, jawabannya juga harus dinyatakan dalam satuan yang diinginkan (satuan yang sesuai). Prosedur yang kita gunakan untuk mengkonversi antar satuan dalam memecahkan masalah kimia disebut analisis dimensi (disebut juga metode faktor-label). Teknik sederhana yang membutuhkan sedikit penghafalan, analisis dimensi didasarkan pada hubungan antara satuan yang berbeda yang mengungkapkan kuantitas fisika yang sama. Misalnya dengan definisi 1 inci = 2,54 cm (tepatnya). Kesetaraan ini memungkinkan kita untuk menulis sebuah faktor konversi sebagai berikut:

1 inci

______

2,54 cm

Karena pembilang dan penyebut mengungkapkan panjang yang sama, fraksi ini sama dengan 1. Demikian pula, kita dapat menulis faktor konversi sebagai berikut:

2,54 cm

_______

1 inci

yang juga sama dengan 1. Faktor konversi berguna untuk mengubah satuan. Jadi, jika kita ingin mengubah panjang yang dinyatakan dalam inci menjadi sentimeter, kita mengalikan panjang dengan faktor konversi yang sesuai.

2,54 cm

12,00 inci x _______ = 30,48 cm

1 inci

Kita memilih faktor konversi yang menghilangkan satuan inci dan menghasilkan satuan yang diinginkan, yaitu sentimeter. Perhatikan bahwa hasilnya dinyatakan dalam empat angka yang signifikan karena 2,54 adalah angka pasti.

Selanjutnya mari kita perhatikan konversi 57,8 meter menjadi sentimeter. Masalah ini bisa dinyatakan sebagai berikut:

? cm = 57,8 m

Secara definisi,

1 cm = 1 x 10^-2 m

Karena kita mengubah atau mengkonversi "m" menjadi "cm," kita memilih faktor konversi yang memiliki meter di penyebut,

1 cm

_________

1 x 10^-2 m

dan menulis konversi sebagai berikut:

Perhatikan bahwa notasi ilmiah digunakan untuk menunjukkan bahwa jawabannya memiliki tiga angka signifikan. Sekali lagi, faktor konversi 1 cm / 1 x 10^-2 m berisi angka pasti; Oleh karena itu, hal itu tidak mempengaruhi jumlah angka yang signifikan. Secara umum, untuk menerapkan analisis dimensi kita menggunakan hubungan berikut:

nilai yang diberikan x faktor konversi = nilai yang diinginkan

dan untuk satuan yang dihilangkan sebagai berikut:

satuan yang diberikan x (satuan yang diinginkan/satuan yang diberikan) = satuan yang diinginkan

(tanda "/" artinya dibagi)

Dalam analisis dimensi, satuan didapat melalui keseluruhan urutan perhitungan. Oleh karena itu, jika persamaan dibuat dengan benar, maka semua satuan akan dihilangkan kecuali yang diinginkan. Jika ini tidak terjadi, maka kesalahan pasti terjadi di suatu tempat, dan biasanya dapat dilihat dengan meninjau kembali penyelesaiannya.

Catatan untuk Menyelesaikan Soal

Pada titik ini kita telah diperkenalkan sampai pada notasi ilmiah, angka penting, dan analisis dimensi, yang akan membantu kita dalam memecahkan masalah numerik. Kimia adalah ilmu eksperimental dan banyak masalah kimia bersifat kuantitatif. Kunci sukses dalam penyelesaian soal adalah latihan. Sama seperti pelari maraton tidak dapat mempersiapkan diri untuk lomba dengan hanya membaca buku tentang berlari dan seorang pianis tidak dapat memberikan konser yang sukses dengan hanya menghafal not musikal, kita tidak dapat memastikan pemahaman kita tentang kimia tanpa latihan meyelesaikan soal kimia dan lebih lanjut memecahkan masalah kimia. Langkah-langkah berikut akan membantu meningkatkan kemampuan kita dalam menyelesaikan soal dan masalah numerik.

1. Baca pertanyaannya dengan saksama. Pahami informasi yang diberikan dan apa yang diminta untuk kita selesaikan. Seringkali sangat membantu membuat sketsa yang akan membantu kita memvisualisasikan situasinya. 
2. Temukan persamaan yang sesuai yang berhubungan dengan informasi yang diberikan dan kuantitas yang tidak diketahui. Kadang-kadang memecahkan soal akan melibatkan lebih dari satu langkah, dan kita mungkin diharapkan untuk mencari angka dalam tabel yang tidak tersedia dalam soal. Analisis dimensi seringkali diperlukan untuk melakukan konversi. 
3. Periksa jawaban kita untuk tanda, satuan, dan angka yang benar. 
4. Bagian yang sangat penting dalam penyelesaian soal adalah mampu menilai apakah jawabannya masuk akal. Hal ini relatif mudah untuk menemukan tanda yang salah atau satuan yang salah. Tetapi jika sebuah angka (katakanlah 9) salah ditempatkan dalam penyebut dan bukan di pembilang, jawabannya akan terlalu kecil meskipun tanda dan satuan kuantitas yang dihitung benar. 
5. Cara pertama untuk cepat memeriksa jawabannya adalah dengan membuat perkiraan "pembulatan angka". Idenya di sini adalah membulatkan angka-angka dalam perhitungan sedemikian rupa sehingga memudahkan perhitungan aritmatika. Pendekatan ini kia sebut "perhitungan angka bulat" karena bisa dilakukan dengan mudah tanpa menggunakan kalkulator. Jawaban yang kita dapatkan tidak akan tepat, tetapi akan mendekati yang benar.

Analisis dimensi membawa Einstein pada persamaan energi massanya yang terkenal E = mc².

1.8. Penanganan Bilangan

Setelah mempelajari beberapa satuan yang digunakan dalam bidang kimia, sekarang kita beralih ke teknik untuk menangani bilangan yang terkait dengan hasil pengukuran, yaitu: notasi ilmiah dan angka signifikan (disebut juga  dengan angka pasti).

Notasi Ilmiah
Ahli kimia sering menangani bilangan yang sangat besar atau sangat kecil. Misalnya, dalam 1 g unsur hidrogen kira-kira ada sekitar 602.200.000.000.000.000.000.000 atom hidrogen. Setiap atom hidrogen memiliki massa kira-kira 0,00000000000000000000000166 g

Angka-angka ini tidak praktis untuk ditangani. Seorang ahli kimia mudah untuk membuat kesalahan saat menggunakannya dalam perhitungan aritmatika jika kurang teliti. Pertimbangkan perkalian berikut ini:

0,0000000056 × 0,00000000048 = 0,000000000000000002688

Mudah bagi kita melewatkan satu angka nol atau menambahkan satu angka nol lagi setelah tanda koma secara tidak sengaja atau karena kurang teliti. Akibatnya, ketika bekerja dengan bilangan sangat besar dan sangat kecil, kita menggunakan sistem yang disebut notasi ilmiah. Terlepas dari besarnya, semua angka bisa dinyatakan dalam bentuk berikut:

N x 10ⁿ

dimana N adalah bilangan antara 1 sampai 10 dan n adalah eksponennya atau pangkatnya yang merupakan bilangan bulat positif atau bilangan bulat negatif. Sejumlah angka yang diungkapkan dengan cara ini disebut dan ditulis dalam notasi ilmiah.

Misalkan kita diberi bilangan tertentu dan diminta untuk mengungkapkannya dalam notasi ilmiah. Pada dasarnya, tugas ini meminta kita untuk menemukan n. Kita harus menghitung jumlah tempat dimana tanda koma harus dipindahkan untuk memberi bilangan N (yaitu antara 1 sampai 10). Jika tanda koma harus dipindahkan ke kiri, maka n adalah bilangan bulat positif. Jika tanda koma harus dipindahkan ke kanan, maka n adalah bilangan bulat negatif. Contoh berikut menggambarkan penggunaan notasi ilmiah:

(1) Ungkapkan bilangan 568,762 dalam notasi ilmiah:

568,762 = 5,68762 × 10²

Perhatikan bahwa tanda koma dipindahkan ke kiri melewati dua tempat (dua angka disebelahnya) dan n = 2.

(2) Ungkapkan bilangan 0,00000772 dalam notasi ilmiah:

0,00000772 = 7,72 × 10^–6

Di sini tanda koma dipindahkan ke kanan melewati enam tempat dan n = -6.

Harus diingat dua hal berikut ini! Pertama, n = 0 digunakan untuk bilangan yang tidak dinyatakan dalam notasi ilmiah. Misalnya, 74,6 × 10⁰ (n = 0) setara dengan 74,6. Kedua, praktik yang biasa dilakukan adalah menghilangkan superskrip (indeks atas) ketika n = 1. Dengan demikian, notasi ilmiah untuk 74,6 adalah 7,46 × 10 dan bukan 7,46 × 10¹.

Selanjutnya, kita mempertimbangkan bagaimana notasi ilmiah ditangani dalam operasi aritmatika.

Penjumlahan dan pengurangan

Untuk menjumlahkan atau mengurangi menggunakan notasi ilmiah, pertama-tama kita menulis setiap kuantitas - misalkan N₁ dan N₂ - dengan eksponen n yang sama. Kemudian kita menjumlahkan N₁ dan N₂; eksponennya tetap sama. Perhatikan contoh berikut ini:

(7,4 x 10³) + (2,1 x 10³) = 9,5 x 10³

(4,31 x 10⁴) + (3,9 x 10³) = (4,31 x 10⁴) + (0,39 x 10⁴) = 4,70 x 10⁴

(2,22 x 10²²) - (4,10 x 10²³) = (2,22 x 10²²) - (0,41 x 10²²) = 1,81 x 10²²

Perkalian dan Pembagian

Untuk mengalikan angka yang dinyatakan dalam notasi ilmiah, kita mengalikan N₁ dan N₂ dengan cara biasa, tetapi untuk eksponennya dijumlahkan. Untuk membagi dengan notasi ilmiah, kita membagi N₁ dan N₂ seperti biasa tetapi eksponennya dikurangkan. Contoh berikut menunjukkan bagaimana operasi ini dilakukan agar lebih jelas:

Angka Signifikan atau Angka Pasti

Kecuali bila semua angka yang terlibat adalah bilangan bulat (misalnya, dalam menghitung jumlah mahasiswa di kelas), seringkali tidak mungkin untuk mendapatkan nilai pasti dari kuantitas yang diteliti. Untuk alasan ini, penting untuk menunjukkan margin kesalahan dalam pengukuran dengan menunjukkan secara jelas jumlah angka signifikan atau angka pasti, yang merupakan angka bermakna dalam jumlah yang diukur atau dihitung. Bila angka signifikan digunakan, angka terakhir dipahami sebagai angka tidak pasti. Sebagai contoh, kita bisa mengukur volume sejumlah cairan dengan menggunakan gelas ukur (gelas yang terbuka dibagian atas dan digunakan untuk mengukur volume suatu cairan secara akurat, gelas ukur juga dikenal sebagai measuring cylinder) dengan skala yang memberi ketidakpastian 1 mL dalam pengukuran. Jika volumenya yang diukur 6 mL, maka volume sebenarnya berada pada kisaran 5 mL sampai 7 mL. Kita menuliskan volume cairan sebagai (6±1) mL. Dalam kasus ini, hanya ada satu angka signifikan atau angka pasti (angka 6), sedangkan angka yang tidak pasti diwakili oleh plus-minus 1 mL. Untuk keakuratan yang lebih besar, kita bisa menggunakan pipet ukur yang memiliki divisi yang lebih baik, sehingga volume yang kita ukur sekarang ketidakpastiannya hanya 0,1 mL. Jika volume cairan sekarang ditemukan 6,0 mL, kita dapat menyatakan jumlahnya sebagai (6,0± 0,1) mL, dan nilai sebenarnya adalah antara 5,9 mL dan 6,1 mL. Kita dapat lebih meningkatkan alat pengukur dan memperoleh angka yang lebih signifikan, namun dalam setiap kasus, angka terakhir selalu tidak pasti. Angka ketidakpastian ini tergantung pada alat ukur yang kita gunakan.

Gambar 1.12 Neraca Analitik

Gambar 1.12 menunjukkan neraca atau timbangan modern. Neraca seperti ini tersedia di banyak laboratorium kimia pada umumnya. Neraca ini dengan mudah mengukur massa benda dengan empat tempat desimal. Oleh karena itu, massa terukur biasanya memiliki empat angka yang signifikan (misalnya 0,8642 g) atau lebih (misalnya 3,9745 g). Menjaga jumlah angka signifikan dalam pengukuran seperti massa memastikan bahwa perhitungan yang melibatkan data akan mempengaruhi ketepatan pengukuran.

Pedoman untuk Menggunakan Angka Signifikan atau Angka Pasti

Kita harus selalu berhati-hati dalam karya ilmiah untuk menuliskan jumlah angka signifikan (angka pasti) yang tepat. Secara umum, cukup mudah untuk menentukan berapa banyak angka signifikan dengan mengikuti aturan berikut:

1. Setiap angka yang bukan nol signifikan. Dengan demikian, 845 cm memiliki tiga angka signifikan, 1,234 kg memiliki empat angka signifikan, dan seterusnya.
2. Angka nol di antara angka bukan nol signifikan. Dengan demikian, 606 m berisi tiga angka signifikan, 40,501 kg mengandung lima angka signifikan, dan seterusnya.
3. Angka nol di sebelah kiri angka bukan nol pertama tidak signifikan. Tujuannya adalah untuk menunjukkan penempatan koma desimal. Sebagai contoh, 0,08 L berisi satu angka signifikan, 0,0000349 g berisi tiga angka signifikan, dan seterusnya.
4. Jika angka lebih besar dari 1, maka semua angka nol yang ditulis di sebelah kanan koma dianggap sebagai angka signifikan. Dengan demikian, 2,0 mg memiliki dua angka signifikan, 40,062 mL memiliki lima angka signifikan, dan 3,040 dm memiliki empat angka signifikan. Jika angka kurang dari 1, maka hanya angka nol yang ada di akhir angka dan angka nol yang berada di antara angka bukan nol yang sigifikan. Ini berarti bahwa 0,090 kg memiliki dua angka signifikan, 0,3005 L memiliki empat angka signifikan, 0,00420 mL memiliki tiga angka signifikan, dan seterusnya.
5. Untuk angka yang tidak mengandung koma, angka nol yang tertinggal (yaitu angka nol setelah angka nol terakhir) boleh signifikan atau boleh tidak signifikan. Jadi, 400 cm boleh memiliki satu angka signifikan (angka 4), dua angka signifikan (40), atau tiga angka signifikan (400). Kita tidak bisa mengetahui mana yang benar tanpa informasi lebih lanjut. Dengan menggunakan notasi ilmiah kita dapat menghindari ambiguitas ini. Dalam kasus khusus ini, kita dapat mengungkapkan angka 400 sebagai 4 × 10² untuk satu angka signifikan, 4,0 × 10² untuk dua angka signifikan, atau 4,00 × 10² untuk tiga angka signifikan.

Perangkat aturan kedua menentukan bagaimana menangani angka signifikan dalam perhitungan.

1.Untuk penjumlahan dan pengurangan, jawabannya tidak dapat memiliki lebih banyak angka di sebelah kanan koma daripada angka mula-mula. Pertimbangkan contoh berikut ini:

89,332

  1,1
______+
90,432  (dibulatkan menjadi 90,43)

2,097
0,12
______-
1,977 (dibulatkan menjadi 1,98)

2.Prosedur pembulatan adalah sebagai berikut. Untuk membulatkan sebuah angka pada koma tertentu, kita cukup meletakan angka yang mengikuti jika yang pertamanya kurang dari 5 maka angka terakhir dihilangkan. Jadi, 8,724 dibulatkan ke 8,72, jika kita hanya menginginkan dua angka setelah koma. Jika angka pertama setelah koma pembulatan sama dengan atau lebih besar dari 5, kita tambahkan 1 ke angka sebelumnya dan menghilangkan angka terakhir. Dengan demikian, 8,727 dibulatkan ke 8,73, dan 0,425 dibulatkan ke 0,43.

Dalam perkalian dan pembagian, jumlah angka signifikan dalam hasil akhir atau hasil bagi dapat ditentukan oleh jumlah asal yang memiliki jumlah terkecil dari angka signifikan. Contoh berikut menggambarkan aturan ini:

2,8 x 4,5039 = 12,61092
6,85 : 112,04 = 0,0611388789

3. Harus diingat bahwa angka pasti yang diperoleh dari definisi atau dengan menghitung jumlah objek dapat dianggap memiliki jumlah angka yang signifikan. Misalnya, inci didefinisikan sama dengan 2,54 sentimeter tepat, yaitu:

1 inci = 2,54 cm

Dengan demikian, "2,54" dalam persamaan tidak boleh ditafsirkan sebagai angka terukur dengan tiga angka signifikan. Dalam perhitungan yang melibatkan konversi antara "inci" dan "cm," kita memperlakukan keduanya "1" dan "2,54" memiliki jumlah angka yang signifikan. Begitu pula jika sebuah benda memiliki massa 5,0 g, maka massa dari sembilan benda tersebut adalah

5,0 g x 9 = 45 g

Jawabannya memiliki dua angka signifikan karena 5,0 g memiliki dua angka signifikan. Angka 9 tepat dan tidak menentukan jumlah angka yang signifikan. Contoh pada Latihan 1.5 menunjukkan bagaimana angka signifikan ditangani dalam operasi aritmatika

Prosedur pembulatan sebelumnya berlaku untuk perhitungan satu langkah. Dalam perhitungan berantai, yaitu perhitungan yang melibatkan lebih dari satu langkah, kita bisa mendapatkan jawaban yang berbeda tergantung pada bagaimana kita membulatkan. Pertimbangkan perhitungan dua langkah berikut ini:

Langkah 1 : A x B = C

Langkah 2 : C x D = E

Anggaplah A = 3,66, B = 8,45, dan D = 2,11. Bergantung pada apakah kita membulatkan C ke tiga atau empat angka signifikan, kita memperoleh bilangan yang berbeda untuk E:

Cara 1:
3,66 x 8,45 = 30,9
30,9 x 2,11 = 65,2
Cara 2:
3,66 x 8,45 = 30,93
30,9 x 2,11 = 65,3

Namun, jika kita telah melakukan perhitungan seperti ini 3,66 x 8,45 x 2,11 pada kalkulator tanpa membulatkan jawaban antara, kita akan mendapatkan 65,3 sebagai jawaban untuk E. Meskipun mempertahankan angka tambahan melewati jumlah angka signifikan untuk langkah-langkah antara membantu menghilangkan kesalahan dari pembulatan, prosedur ini tidak diperlukan untuk sebagian besar perhitungan karena perbedaan antara jawaban biasanya cukup kecil. Oleh karena itu, untuk sebagian besar contoh dan masalah diakhir bab dimana jawaban antara dicantumkan, semua jawaban, antara dan akhir, akan dibulatkan.

Akurasi dan Presisi

Dalam membahas pengukuran dan angka signifikan, berguna untuk membedakan antara akurasi dan presisi (ketepatan). Akurasi memberi tahu kita seberapa dekat pengukuran dengan nilai sebenarnya dari kuantitas yang diukur. Bagi seorang ilmuwan ada perbedaan antara akurasi dan presisi. Presisi (ketepatan) mengacu pada seberapa dekat dua atau lebih pengukuran dengan angka yang sama saling mendukung satu sama lain (Gambar 1.13).

Gambar 1.13 Distribusi anak panah pada papan anak panah menunjukkan perbedaan antara akurasi dan presisi. (a) akurasi yang baik dan presisi yang baik. (b) Akurasi yang buruk dan presisi yang baik. (c) Akurasi yang buruk dan presisi yang buruk. Titik-titik menunjukkan posisi anak panah.

Perbedaan antara akurasi dan presisi (ketepatan) adalah perbedaan yang tipis (sulit dibedakan) tetapi penting. Misalkan, bahwa tiga siswa diminta untuk menentukan massa sepotong kawat tembaga. Hasil dua penimbangan berturut-turut oleh masing-masing siswa tersebut sebagai berikut:

Massa sebenarnya dari kawat adalah 2,000 g. Oleh karena itu, hasil Siswa B lebih tepat daripada nilai Siswa A, namun tidak ada hasil yang sangat akurat. Hasil Siswa C tidak hanya yang paling tepat, tapi juga yang paling akurat, karena nilai rata-rata paling dekat dengan nilai sebenarnya. Pengukuran yang sangat akurat biasanya juga tepat. Di sisi lain, pengukuran yang sangat presisi tidak menjamin hasil yang akurat. Misalnya, tongkat meter  atau neraca yang tidak dikalibrasi dengan benar dapat mengakibatkan pembacaan presisi yang salah.

Pentingnya satuan

Pada bulan Desember 1998, NASA meluncurkan satelit $125 juta Mars Climate Orbiter, yang dimaksudkan sebagai satelit cuaca pertama planet merah tersebut. Setelah menempuh perjalanan 416 juta mil, pesawat ruang angkasa itu seharusnya mencapai orbit Mars pada tanggal 23 September 1999. Sebaliknya, pesawat masuk Mars di 100 km (62 mil) lebih rendah dari yang direncanakan dan dihancurkan oleh panas di sekitarnya. Kontroler misi mengatakan hilangnya pesawat ruang angkasa itu karena kegagalan mengkonversi satuan pengukuran Inggris ke satuan metrik dalam perangkat lunak navigasi.

Insinyur di Perusahaan Lockheed Martin yang khusus membuat pesawat ruang angkasa menggunakan pound untuk gaya dorongnya, yang merupakan satuan Inggris. Para ilmuwan di NASA Jet Propulsion Laboratory, di sisi lain, telah diasumsikan bahwa data dorongnya yang diterima dinyatakan dalam satuan metrik, yaitu newton (N). Biasanya, pon (pound) adalah satuan untuk massa. Disajikan sebagai satuan untuk gaya, namun, 1 lb adalah gaya karena daya tarik gravitasi pada objek massa itu. Untuk melaksanakan konversi antara pon dan newton, kita mulai dengan 1 lb = 0,4536 kg dan dari hukum kedua Newton tentang gerak,

gaya = massa x percepatan
        = 0,4536 kg x 9,81 m/s²
        = 4,45 kg m/s²
        = 4,45 N

karena 1 newton (N) = 1 kg m / s². Oleh karena itu, alih-alih mengubah satu pon gaya menjadi 4,45 N, para ilmuwan memperlakukannya sebagai 1 N. Dorongan mesin yang jauh lebih kecil yang dinyatakan dalam newton menghasilkan orbit yang lebih rendah dan menghancurkan pesawat ruang angkasa. Mengomentari kegagalan misi Mars, seorang ilmuwan mengatakan: "Ini akan menjadi kisah peringatan yang akan dimasukkan ke dalam pengenalan sistem metrik sejak sekolah dasar, sekolah menengah, dan pelatihan sains sampai akhir zaman."

Gambar 1.9 Climate Orbiter