Struktur 3.1 · Tabel periodik: klasifikasi unsur

Lembar kerja ini mengajarkan Struktur 3.1, Tabel periodik: klasifikasi unsur, untuk mata kuliah yang pertama kali diujikan pada 2025.

Prasyarat: konfigurasi elektron dan energi ionisasi dari Struktur 1.3, serta ikatan ionik dan kovalen dari Struktur 2.1 dan 2.2. Anda akan menggunakan tabel periodik, jari-jari ionik, dan nilai keelektronegatifan dari buku data.

Satu tabel, banyak ramalan

Pada 1869 Dmitri Mendeleev mengatur unsur-unsur yang diketahui berdasarkan massa atom dan meninggalkan celah di mana pola menunjukkan adanya unsur yang seharusnya ada. Ia memprediksi sifat "eka-silicon", dan germanium, ditemukan pada 1886, sangat cocok dengannya. Tabel periodik berfungsi karena sifat unsur berulang secara teratur: periodisitas.

Periode, golongan, dan blok

Tabel modern mengurutkan unsur berdasarkan nomor atom $Z$.

• Periode adalah baris horizontal. Nomor periode adalah nomor tingkat energi terluar: natrium, $[\text{Ne}]\,3\text{s}^1$, berada pada periode 3.
• Gugus adalah kolom vertikal, bernomor 1 hingga 18. Elemen dalam satu gugus memiliki jumlah elektron valensi yang sama, sehingga bereaksi dengan cara yang serupa. Untuk gugus 1 dan 2, jumlah elektron valensi sama dengan nomor gugus; untuk gugus 13 hingga 18, jumlah elektron valensi adalah nomor gugus dikurangi 10.
• Blok dinamai berdasarkan sublevel yang diisi: s (golongan 1 dan 2), p (golongan 13 hingga 18), d (golongan 3 hingga 12) dan f (lantanoida dan aktinoida).

Contoh terpecahkan: klorin adalah $1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^5$. Tingkat terluar adalah $n = 3$, jadi periode 3; elektron terakhir memasuki sublevel p, jadi blok p; tujuh elektron terluar, jadi golongan 17.

Logam, metaloida, dan non-logam

Logam terletak di sebelah kiri dan tengah tabel; non-logam di sebelah kanan. Pita diagonal metaloida (B, Si, Ge, As, Sb, Te) memisahkan keduanya. Metaloida memiliki sebagian sifat kedua-duanya: silikon terlihat berkilau tetapi rapuh, dan merupakan semikonduktor.

Beberapa golongan memiliki nama: golongan 1 logam alkali, golongan 2 logam tanah alkaline, golongan 17 halogen, dan golongan 18 gas mulia.

Dua ide menjelaskan setiap tren

Setiap tren dalam bagian ini berasal dari keseimbangan dua efek pada elektron terluar:

• muatan inti: lebih banyak proton menarik elektron lebih kuat;
• pelindung: elektron dalam menolak elektron terluar dan mengurangi tarikan yang mereka rasakan.

Menyilang periode, muatan inti meningkat satu setiap kali, tetapi elektron masuk ke tingkat energi yang sama, sehingga efek pelindung hampir tidak berubah. Elektron terluar merasakan tarikan yang lebih kuat. Menurun dalam golongan, setiap unsur memiliki satu tingkat dalam tambahan yang penuh: elektron terluar berada lebih jauh dan lebih terlindungi, sehingga merasakan tarikan yang lebih lemah, meskipun muatan intinya lebih besar.

Jari-jari atom

• Menyilang periode jari-jari atom menurun: Na 186 pm hingga Cl 102 pm.
• Menurun dalam golongan jari-jari atom meningkat: satu tingkat energi terisi tambahan setiap kali.

Jari-jari ion

• Kation lebih kecil daripada atomnya: telah kehilangan seluruh tingkat terluarnya, dan elektron yang tersisa ditarik lebih kuat. $\text{Na}$ 186 pm, $\text{Na}^{+}$ 102 pm.
• Anion lebih besar daripada atomnya: elektron tambahan saling menolak, dan muatan inti yang sama menahan lebih banyak elektron. $\text{Cl}$ 102 pm, $\text{Cl}^{-}$ 181 pm.
• Untuk ion dengan konfigurasi elektron yang sama (ion isoelektronik), jari-jari menurun seiring meningkatnya muatan inti: $\text{N}^{3-} > \text{O}^{2-} > \text{F}^{-} > \text{Na}^{+} > \text{Mg}^{2+} > \text{Al}^{3+}$, semuanya dengan konfigurasi neon.

Energi ionisasi, afinitas elektron, dan elektronegativitas

Ketiganya berakar dari gagasan yang sama: tarikan yang lebih kuat pada elektron terluar membuatnya lebih sulit dilepas dan membuat atom menarik elektron tambahan lebih kuat. Afinitas elektron pertama biasanya negatif (eksotermik), karena elektron yang masuk tertarik oleh inti.

Fluorin adalah unsur paling elektronegatif (4.0); cesium dan fransium adalah yang paling rendah.

Sifat logam dan non-logam

Logam bereaksi dengan melepaskan elektron. Sifat logam meningkat seiring menurunnya energi ionisasi: ke bawah dalam satu golongan dan ke kiri melintasi satu periode. Sifat non-logam meningkat ke atas dan ke kanan. Inilah sebabnya logam paling reaktif (Cs, Fr) terletak di sudut kiri bawah, sedangkan non-logam paling reaktif (F) berada di sudut kanan atas.

Logam alkali

Logam golongan 1 bersifat lunak, memiliki titik leleh rendah, dan bereaksi cepat dengan air menghasilkan hidroksida dan hidrogen:

Reaktivitas meningkat ke bawah dalam golongan. Elektron terluar berada semakin jauh dari inti dan lebih terlindungi, sehingga lebih mudah dilepaskan. Litium berbusa secara konstan; kalium meleleh, terbakar, dan menyala dengan nyala ungu lilac.

Halogen

Halogen terdapat sebagai molekul diatomik: $\text{F}_2$ dan $\text{Cl}_2$ berupa gas, $\text{Br}_2$ berupa cairan, dan $\text{I}_2$ berupa padat pada suhu ruang (gaya London meningkat ke bawah dalam golongan). Halogen bereaksi dengan menerima elektron, sehingga reaktivitasnya menurun ke bawah dalam golongan: elektron yang masuk berada semakin jauh dari inti dan lebih terlindungi.

Halogen yang lebih reaktif menggeser halogen yang kurang reaktif dari larutan ion halidanya:

Larutan berubah menjadi oranye-kuning saat bromin terbentuk. Bromin tidak dapat menggeser ion klorida, karena klorin lebih reaktif.

Dari basa menuju asam

Oksida logam sebagian besar bersifat ionik dan basa: bereaksi dengan asam, dan yang larut menghasilkan larutan basa. Oksida non-logam bersifat kovalen dan asam: bereaksi dengan basa dan larut menghasilkan larutan asam.

Oksida amfoter bereaksi dengan asam dan basa:

Deposisi asam dan pengasaman laut

Oksida non-logam di udara membuat hujan lebih asam. Pembakaran bahan bakar yang mengandung belerang membentuk $\text{SO}_2$, dan suhu tinggi di mesin membentuk oksida nitrogen. Di udara mereka membentuk asam sulfat dan asam nitrat:

Deposisi asam ini merusak bangunan batu kapur, hutan, dan danau. Karbon dioksida yang melarut dalam lautan membentuk asam karbonat, $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3$, yang menurunkan pH air laut: pengasaman laut. Hal ini membuat karang dan moluska lebih sulit membangun cangkang kalsium karbonat.

Aturan untuk menentukan bilangan oksidasi

Bilangan oksidasi adalah muatan yang dimiliki atom jika semua ikatannya bersifat ionik. Ditulis dengan tanda terlebih dahulu: $+2$, $-1$.

1. Unsur bebas memiliki 0: Fe, $\text{O}_2$, $\text{Cl}_2$.
2. Ion sederhana memiliki muatannya: $\text{Na}^{+}$ adalah $+1$, $\text{O}^{2-}$ adalah $-2$.
3. Dalam senyawa, oksigen biasanya $-2$ (kecuali dalam peroksida, $-1$, dan dengan fluorin), hidrogen biasanya $+1$ (kecuali dalam hidrida logam, $-1$), dan fluorin selalu $-1$.
4. Jumlah bilangan oksidasi sama dengan nol dalam senyawa, dan sama dengan muatan dalam ion.

Contoh terpecahkan: bilangan oksidasi Mn dalam $\text{MnO}_4^{-}$. Empat atom oksigen memberikan $4(-2) = -8$. Total harus $-1$, sehingga $\text{Mn} + (-8) = -1$, dan Mn adalah $+7$.

Penamaan dengan angka Romawi

Ketika unsur dapat memiliki lebih dari satu bilangan oksidasi, nama menunjukkan bilangan tersebut dalam angka Romawi: besi(II) klorida adalah $\text{FeCl}_2$, besi(III) klorida adalah $\text{FeCl}_3$. Oksianon dinamai dengan cara yang sama: $\text{SO}_4^{2-}$ adalah sulfat(VI) dan $\text{SO}_3^{2-}$ adalah sulfat(IV), biasa disebut sulfit; $\text{NO}_3^{-}$ adalah nitrat(V).

1. Tanpa tabel periodik, nyatakan periode, golongan dan blok dari unsur dengan konfigurasi $1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^4$.
2. Jelaskan mengapa jari-jari atom berkurang dari natrium hingga klorin.
3. Urutkan ini berdasarkan peningkatan jari-jari dan jelaskan: $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{F}^{-}$, $\text{O}^{2-}$.
4. Jelaskan mengapa kalium bereaksi lebih vigorously dengan air daripada natrium.
5. Tulis persamaan reaksi klorin dengan larutan kalium iodida, dan nyatakan apa yang akan Anda lihat.
6. Tulis persamaan untuk menunjukkan reaksi (a) natrium oksida dan (b) sulfur trioksida dengan air, dan nyatakan efek masing-masing terhadap pH.
7. Tentukan bilangan oksidasi: (a) Cr dalam $\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}$, (b) S dalam $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$, (c) N dalam $\text{NH}_4^{+}$.

Jawaban.

1. Periode 3 (tingkat luar $n = 3$), golongan 16 (enam elektron luar), blok p. Ini adalah belerang.
2. Muatan inti meningkat dari $+11$ ke $+17$, tetapi elektron terluar tetap berada pada tingkat energi yang sama, dengan pelindung sekitar yang sama. Elektron terluar tertarik lebih dekat ke inti.
3. $\text{Mg}^{2+} < \text{Na}^{+} < \text{F}^{-} < \text{O}^{2-}$. Keempatnya memiliki konfigurasi neon (10 elektron). Muatan intinya adalah 12, 11, 9 dan 8; semakin besar muatan inti, semakin kuat elektron yang sama ditarik masuk.
4. Elektron terluar kalium berada pada tingkat energi keempat, lebih jauh dari inti dan lebih terlindungi daripada natrium. Ia diikat kurang kuat, sehingga lebih mudah dilepaskan.
5. $\text{Cl}_2(\text{aq}) + 2\text{KI}(\text{aq}) \rightarrow 2\text{KCl}(\text{aq}) + \text{I}_2(\text{aq})$. Larutan tidak berwarna berubah menjadi cokelat karena pembentukan yodium.
6. (a) $\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}$: pH naik (alkali, sekitar 14). (b) $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$: pH turun (sangat asam, sekitar 0 hingga 1).
7. (a) $2\text{Cr} + 7(-2) = -2$, jadi Cr adalah $+6$. (b) $2(+1) + 2\text{S} + 3(-2) = 0$, jadi S adalah $+2$. (c) $\text{N} + 4(+1) = +1$, jadi N adalah $-3$.

• Jelaskan setiap tren menggunakan muatan inti, pelindung, dan jarak; jelaskan apa yang terjadi pada daya tarik terhadap elektron terluar.
• Sepanjang periode, elektron masuk ke tingkat energi yang sama; dalam golongan, ditambahkan tingkat energi yang baru.
• Ion isoelektronik: bandingkan hanya muatan inti; jumlah elektronnya sama.
• Oksida logam bersifat basa, oksida non-logam bersifat asam, $\text{Al}_2\text{O}_3$ bersifat amfoter; tuliskan persamaan reaksi keduanya.
• Tuliskan bilangan oksidasi dengan tanda pertama ($+3$), dan muatan dengan tanda terakhir ($3+$).