A. Struktur Elektron dari Atom

1. Atom

Atom adalah satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom yang dikelilingi oleh awan elektron yang bermuatan negatif. Inti atom mengandung campuran proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral (terkecuali pada Hidrogen-1 yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Demikian pula sekumpulan atom dapat berikatan satu sama lainnya membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan merupakan ion. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah proton dan neutron pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.
            Istilah atom bermula dari zaman  Leukipos dan Demokritus yang mengatakan bahwa benda yang paling kecil adalah atom. Atom yang berasal dari bahasa Yunani yaitu atomos, a artinya tidak dan  tomos artinya dibagi. Model atom mengalami perkembangan seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan berdasarkan fakta-fakta eksperimen. Walaupun model atom telah mengalami modifikasi, namun gagasan utama dari model atom tersebut tetap diterima sampai sekarang. Perkembangan model atom dari model atom Dalton sampai model atom mekanika kuantum yaitu sebagai berikut:

Model atom Dalton. Pada tahum 1803, John Dalton mengemukakan teorinya sebagai berikut: setiap unsur tersusun atas partikel-partikel kecil yang tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Atom-atom dari unsur yang sama akan mempunyai sifat yang sama, tetapi atom-atom dari unsur berbeda mempunyai sifat yang berbeda pula. Dalam reaksi kimia tidak ada atom yang hilang, tetapi hanya terjadi perubahan susunan atom-atom dalam unsur tersebut. Bila atom membentuk molekul, atom-atom tersebut bergabung dengan angka perbandingan yang bulat dansederhana, seperti 1 : 1,  2 : 1 , 2 : 3.

Model atom Dalton mempunyai beberapa kelemahan. Beberapa kelemahan itu diantaranya tidak dapat menjelaskan sifat listrik materi, tidak dapat menjelaskan gaya gabung unsur-unsur. Misalnya, mengapa dalam pembentukan air (H₂O) satu atom oksigen mengikat dua atom hydrogen.

Model atom Thomson. Setelah J.J. Thomson menemukan bahwa di dalam atom terdapat elektron, maka Thomson membuat model atom sebagai berikut: Atom merupakan suatu materi berbentuk bola pejal bermuatan positif  dan di dalamnya tersebar elektron-elektron  (model roti kismis), atom bersifat netral, jumlah muatan positif sama dengan jumlah muatan negatif. Model atom Thomson tidak bertahan lama. Hal ini disebabkan karena model atom Thomson tidak menjelaskan adanya inti atom.

Model atom Rutherfor. Setelah Rutherford menemukan inti atom yang bermuatan positif dan massa atomnya terpusat pada inti, maka Rutherford membuat model atom sebagai berikut: atom terdiri atas inti atom yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif mengelilingi inti atom; atom bersifat netral; jari-jari inti atom dan jari-jari atom sudah dapat ditentukan. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan alam, ternyata model Rutherford juga memiliki kekurangan. Kelemahan mendasar dari model atom Rutherford ialah tidak dapat menjelaskan mengapa elektron yang beredar mengelilingi inti tidak jatuh ke inti karena ada gaya tarik menarik antara inti dan elektron. Dan menurut ahli fisika klasik pada massa itu (teori Maxwell), elektron yang bergerak mengelilingi inti atom akan melepaskan energi dalam bentuk radiasi.

Model atom Bohr. Berdasarkan hasil pengamatannya pada spektrum atom hidrogen, Neils Bohr memperbaiki model atom Rutherford, dengan menyusun model atom sebagai berikut: Atom terdiri atas inti atom yang mengandung proton bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif yang mengelilingi inti atom; Ruang hampa  Elektron mengelilingi inti Inti atom (bermuatan positif).

Model atom mekanika kuantum. Model atom mekanika kuantum didasarkan pada: elektron bersifat gelombang dan partikel, oleh Louis de Broglie (1923); persamaan gelombang elektron dalam atom, oleh Erwin Schrodinger (1926); asas ketidakpastian, oleh Werner Heisenberg (1927). Menurut teori atom mekanika kuantum, elektron tidak bergerak pada lintasan tertentu. Berdasarkan hal tersebut maka model atom mekanika kuantum adalah sebagai berikut: Atom terdiri atas inti atom yang mengandung proton dan neutron, dan elektron-elektron mengelilingi inti atom berada pada orbital-orbital tertentu yang membentukkulit atom,  hal ini disebut dengan konsep orbital, dengan memadukan asas ketidakpastian dari Werner Heisenberg dan mekanika gelombang dari Louis de Broglie, Erwin Schrodinger merumuskan konsep orbital sebagai  suatu ruang tempat peluang elektron dapat ditemukan. Kedudukan elektron pada orbital-orbitalnya dinyatakan dengan bilangan kuantum.

2. Molekul

Banyak partikel terkecil dari suatu zat di alam yang bukan  atom, melainkan gabungan dari dua atau lebih atom unsur,  baik dari unsur yang sama maupun berbeda. Gabungan dua  atom atau lebih yang berasal dari unsur yang sama atau berbeda disebut molekul. Jika atomnya berasal dari unsur yang sama maka molekul tersebut disebut molekul unsur. Jika suatu molekul tersusun atas dua atau lebih atom dari unsur yang berbeda maka disebut molekul senyawa. Tidak seperti unsur logam yang partikel-partikel terkecilnya tersusun atas atom, partikel-partikel terkecil dari unsur-unsur bukan logam dapat berupa  atom maupun  molekul. Unsur-unsur golongan gas mulia (VIIIA) tersusun atas partikel terkecil kelompok  atom. Adapun unsur-unsur  golongan halogen (VIIA) tersusun atas molekul unsur.

Struktur Elektron dari Atom terdiri dari  Unsur-unsur penting dalam kimia organik; C, H, O, dan N; Setiap kulit elektron berhubungan dengan sejumlah energi tertentu ; Elektron yang dekat ke inti lebih tertarik oleh proton dalam inti  energinya semakin rendah berada pada tingkat energi pertama ;  Elektron dalam kulit kedua tingkat energi kedua energi yang  lebih tinggi daripada elektron dalam tingkat pertama.

Dalam Kimia Organik ada 4 unsur yang harus dimengerti atau dipahami diantaranaya adalah C (carbon), H (Hidrogen), O (Oksigen) dan N (Nitrogen). Keempat unsur ini ada di kedua periode pertama dari susunan dan elektronnya terdapat dalam dua kulit elektron yang paling dekat dengan inti.

Setiap kulit elektron berhubungan dengan sejumlah energi tertentu. Elektron yang paling dekat dengan inti lebih tertarik oleh proton dalam inti daripada elektron yang lebih jauh kedudukannya. Karena itu, semakin dekat elektron terdapat ke inti, semakin rendah energinya, dan elektron ini sukar berpindah dalam reaksi kimia. Kulit elektron yang terdekat ke inti adalah kulit yang terendah energinya, dan elektron dalam kulit ini dikatakan berada pada tingkatan energi pertama. Elektron dalam kulit kedua, yaitupada tingkat energi kedua mempunyai energi yang lebih tinggi daripada elektron dalam tingkat pertama, dan elektron dalam tingkat ketiga atau pada tingkat energi ketiga, mempunyai energi yang lebih tinggi lagi.

B. Sistem Periodik Unsur

a. Jari-jari Atom

Jarak dari pusat inti ke elektron paling luar . Jari-jari atom disebut dengan jari-jari kovalen. Nilai jari-jari atom biasanya diberikan dalam Angstrom (A^o), 1 A^o=10^-8cm.

Atom tidak memiliki batasan luar yang jelas, sehingga dimensi atom biasanya dideskripsikan sebagai jarak antara dua inti atom ketika dua atom bergabung bersama dalam ikatan kimia. Jari-jari ini bervariasi tergantung pada jenis atom, jenis ikatan yang terlibat, jumlah atom di sekitarnya, dan spin atom. Pada tabel periodik unsur-unsur, jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya periode (atas ke bawah). Sebaliknya jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya nomor golongan (kiri ke kanan).  Oleh karena itu, atom yang terkecil adalah helium dengan jari-jari 32 pm, manakala yang terbesar adalah sesium dengan jari-jari 225 pm. Dimensi ini ribuan kali lebih kecil daripada gelombang cahaya (400–700 nm), sehingga atom tidak dapat dilihat menggunakan mikroskop optik biasa. Namun, atom dapat dipantau menggunakan mikroskop penerowonganpayaran.

            Ukuran atom sangatlah kecil, sedemikian kecilnya lebar satu helai rambut dapat menampung sekitar 1 juta atom karbon. Satu tetes air pula mengandung sekitar 2 × 1021 atom oksigen. Intan satu karat dengan massa 2 × 10-4 kg mengandung sekitar 1022 atom karbon carbon. Jika sebuah apel diperbesar dengan ukuran sebesar Bumi, maka atom dalam apel tersebut akan terlihat sebesar ukuran apel asli tersebut.

 Faktor yang paling berpengaruh penting adalah jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung  elektron . Inti dengan jumlah proton yang lebih besar mempunyai tarikan yang lebih besar terhadap elektron-elektronnya, termasuk elektron paling luar .

Bila kita bergerak dari atas ke bawah dalam satu golongan dalam sistem berkala, jumlah kulit elektron bertambah dan karenanya, jari-jari atom bertambah juga.

b. Keelektronegatifan

Ukuran kemampuan atom untuk menarik elektron luarnya, atau elektron valensi . Makin besar jumlah proton berarti makin besar muatan inti positif, dan dengan demikian tarikan untuk elektron ikatan bertambah . Oleh karena itu keelektronegatifan bertambah dari kiri ke kanan untuk periode tertentu dalam sistem berkala . Skala Pauling adalah skala numerik dari keelektronegatifan, skala ini diturunkan dari perhitungan energi ikatan untuk berbagai unsur yang terikat oleh ikatan kovalen.

Keelektronegatifan dari beberapa unsur (skala Pauling)

 

C. Panjang Ikatan dan Sudut Ikatan

Jarak yang memisahkan inti dari dua atom yang terikat kovalen disebut panjang ikatan (bond length). Panjang ikatan kovalen, yang dapat ditentukan secara eksperimental, mempunyai harga 0,74 A^o sampai 2 A^o . Bila ada lebih dari dua atom dalam molekul, ikatan membentuk sudut, yang disebut sudut ikatan (bond angles), besar sudut ikatan 60^o sampai 180^o

Kebanyakan struktur organik mengandung lebih dari tiga atom, dan lebih bersifat berdimensi tiga daripada berdimensi  dua . Ikatan garis (-) menyatakan ikatan pada bidang kertas. Garis   padat (-) menyatakan suatu ikatan yang ke luar dari pada kertas menuju pengamat . Garis yang putus-putus (----) menyatakan ikatan yang menunjukkan ke belakang kertas.

D. Energi Disosiasi Ikatan

Pemaksapisahan heterolitik (heterolytic cleavage), pembelahan suatu atom yang akan menghasilkan sepasang ion.

Pemaksapisahan homolitik (homolytic cleavage), pembelahan suatu atom yang akan menghasilkan atom atau gugus atom yang mempunyai elektron tak berpasangan .

E. Konsep Asam Basa Dalam Kimia Organik

a. Teori asam basa Lewis

Asam menurut Lewis adalah zat yang dapat menerima pasangan electron (akseptor pasangan electron)

Basa menurut Lewis adalah zat yang dapat memberikan pasangan electron (donor pasangan electron).

Contoh: reaksi asam basa antara larutan HCl dan NaOH menurut teori Arhenius dapat dijelaskan dengan menggunakan teori Lewis.

Reaksi antara larutan HCl dan NaOH ;

HCl_(aq) + NaOH_(aq)  ↔ NaCl_(aq) + H₂O_(l)

Untuk menjelaskan reaksi ini menggunakan teori Lewis, nyatakan reaksi sebagai reaksi ion:

HCl ↔ H⁺ + Cl^-                      NaOH ↔ Na⁺ + OH^-

NaCl ↔ Na⁺  + Cl^-                  H₂O

Reaksi ion bersihnya adalah :

H⁺ + OH^-↔ H₂O_(l)

Ikatan kovalen koordinasi antara H dan O yang terbentuk akibat transfer sepasang elektron dari OH^- ke H⁺

Sebagai contoh lain; reaksi yang terjadi pada NH3 dan BF3 yang dapat ditulus dengan persamaan:

      NH₃        +             BF₃              ->            F₃B-NH₃.


Pada reaksi diatas NH3 dapat dikatakan basa karena memiliki sepasang elektron bebas, sedangkan BF3 kekurangan elektron, sehingga kedua senyawa tersebut saling bereaksi melalui sepasang elektron bebas yang digunakan bersama.

Berdasarkan kemampuan mengionnya, baik asam maupun basa dapat dibedakan kekuatannya, yaitu asam kuat dan asam lemah, serta basa kuat dan basa lemah.