Atom, unsur dan senyawa

Semua zat terdiri dari sekitar 100 blok penyusun sederhana. Mengetahui bagaimana mereka bergabung memungkinkan Anda mengelompokkan setiap zat ke dalam salah satu dari tiga kelompok.

• Unsur adalah zat yang hanya terdiri dari satu jenis atom. Anda tidak dapat memecahnya menjadi sesuatu yang lebih sederhana melalui reaksi kimia. Contoh: tembaga, oksigen, karbon.
• Senyawa terbentuk dari dua unsur atau lebih yang terikat secara kimia (berikatan). Atom-atom tersebut terikat dalam rasio tetap. Contoh: air, karbon dioksida. Sifat senyawa berbeda dengan unsur-unsur penyusunnya.
• Campuran adalah dua zat atau lebih yang sekadar dicampur, bukan terikat secara kimia. Masing-masing bagian mempertahankan sifat aslinya dan dapat dipisahkan dengan metode fisika. Contoh: udara.

Perbedaan utamanya: pada senyawa unsur-unsurnya terikat dan hanya dapat dipisahkan melalui reaksi kimia; sedangkan pada campuran mereka tidak terikat dan mudah dipisahkan.

Di dalam atom

Setiap atom memiliki inti kecil yang padat yang disebut inti atom. Di sekelilingnya, elektron bergerak di dalam kulit elektron (tingkat energi). Inti atom mengandung dua jenis partikel: proton dan neutron.

Setiap partikel memiliki massa relatif dan muatan relatif. Anda harus menghafal nilai-nilai ini:

Sebuah atom tidak bermuatan keseluruhan karena memiliki jumlah proton ($+1$ masing-masing) dan elektron ($-1$ masing-masing) yang sama.

Nomor proton dan nomor massa

Dua angka menggambarkan sebuah atom:

• Nomor proton (juga disebut nomor atom) adalah jumlah proton di dalam inti. Angka ini menunjukkan unsur apa yang dimiliki atom tersebut.
• Nomor massa (juga disebut nomonukleon) adalah total jumlah proton dan neutron di dalam inti.

Maka, jumlah neutron $=$ nomor massa $-$ nomor proton.

Konfigurasi elektronik

Elektron mengisi kulit dari dalam ke luar. Kulit pertama menampung maksimal 2 elektron; kulit berikutnya menampung maksimal 8 elektron masing-masing (untuk 20 unsur pertama). Konfigurasi elektron mencantumkan berapa banyak elektron di setiap kulit, dimulai dari bagian dalam.

Sebagai contoh, atom dengan 13 elektron memiliki konfigurasi $2,8,3$. Natrium (nomor proton 11) adalah $2,8,1$. Kalsium (nomor proton 20) adalah $2,8,8,2$.

Konfigurasi ini berkaitan dengan Tabel Periodik:

• Angka Golongan (Golongan I sampai VII) sama dengan jumlah elektron di kulit terluar. Jadi $2,8,1$ berada di Golongan I.
• Angka Periode sama dengan jumlah kulit yang memuat elektron. Jadi $2,8,1$ memiliki tiga kulit, sehingga berada di Periode 3.
• Gas mulia di Golongan VIII (atau 0) memiliki kulit luar yang penuh, yang membuat mereka sangat tidak reaktif.

Isotop adalah atom dari unsur yang sama yang memiliki jumlah proton yang sama tetapi jumlah neutron yang berbeda. Karena nomor protonnya sama, mereka adalah unsur yang sama. Karena jumlah neutronnya berbeda, mereka memiliki nomor massa yang berbeda.

Anda menulis atom dengan nomor massanya di atas dan nomor proton di bawah, seperti $^{12}_{6}\text{C}$. Untuk ion, tambahkan muatannya, seperti $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

Isotop dari suatu unsur memiliki sifat kimia yang sama. Hal ini karena reaksi kimia hanya melibatkan elektron, dan isotop memiliki jumlah elektron serta konfigurasi elektron yang sama. (Neutron tambahan hanya mengubah massa.)

Menghitung massa atom relatif

Massa atom relatif ($A_r$) dari suatu unsur adalah rata-rata massa atom-atomnya, memperhitungkan seberapa umum setiap isotopnya. Kelimpahan adalah persentase dari setiap isotop.

Sebagai contoh, klorin adalah 75% $^{35}\text{Cl}$ dan 25% $^{37}\text{Cl}$:

Contoh soal. Boron memiliki dua isotop, $^{10}\text{B}$ dan $^{11}\text{B}$, dan $A_r$-nya adalah 10.8. Temukan persentase masing-masing. Misalkan kelimpahan $^{11}\text{B}$ adalah $x$, sehingga kelimpahan $^{10}\text{B}$ adalah $(100 - x)$. Maka

sehingga $11x + 1000 - 10x = 1080$, menghasilkan $x = 80$. Boron adalah 80% $^{11}\text{B}$ dan 20% $^{10}\text{B}$. Periksa dengan logika: 10.8 berada lebih dekat ke 11, jadi isotop yang lebih berat haruslah yang lebih umum. Jika jawaban Anda memberikan mayoritas untuk isotop yang lebih jauh dari $A_r$, maka Anda salah memposisikannya.

Ion adalah atom (atau kelompok atom) yang telah kehilangan atau mendapatkan elektron, sehingga memiliki muatan listrik.

• Atom logam melepaskan elektron untuk membentuk ion positif, yang disebut kation.
• Atom non-logam menerima elektron untuk membentuk ion negatif, yang disebut anion.

Atom melakukan hal ini untuk mendapatkan kulit luar yang penuh, mirip dengan gas mulia.

Bagaimana ikatan ion terbentuk

Ikatan ion adalah tarik-menarik elektrostatik yang kuat antara ion bermuatan berlawanan (ion $+$ dan ion $-$ saling tarik menarik).

Ikatan ion terbentuk antara logam dan non-logam. Ambil natrium klorida, $\text{NaCl}$. Natrium ($2,8,1$) memberikan satu elektron terluarnya ke klorin ($2,8,7$). Sekarang natrium menjadi $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) dan klorin menjadi $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). Keduanya memiliki kulit luar yang penuh, dan muatan berlawanan saling tarik-menarik.

Anda dapat menunjukkan hal ini dengan diagram titik-silang: gambar elektron kulit luar setiap atom sebagai titik untuk satu unsur dan silang untuk unsur lainnya, lalu tunjukkan elektron berpindah dari logam ke non-logam.

Struktur dan sifat senyawa ion

Sebuah senyawa ion tidak terdiri dari molekul terpisah. Ion-ion tersebut terkemas bersama membentuk kisi raksasa — pola teratur dari jumlah besar ion positif dan negatif yang berselang-seling.

Struktur ini menjelaskan sifat-sifatnya:

Sebuah ikatan kovalen terbentuk ketika dua atom berbagi sepasang elektron. Dengan berbagi, setiap atom mendapatkan kulit luar yang penuh (konfigurasi gas mulia). Ikatan kovalen terbentuk antara atom-atom non-logam.

Beberapa molekul yang harus diketahui:

• $\text{H}_2$ — dua atom hidrogen berbagi satu pasangan elektron (ikatan tunggal).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — masing-masing memiliki satu pasangan yang dibagikan.
• $\text{H}_2\text{O}$ — oksigen berbagi satu pasangan dengan masing-masing dari dua atom hidrogen.
• $\text{NH}_3$ — nitrogen berbagi sepasang elektron dengan masing-masing dari tiga atom hidrogen.
• $\text{CH}_4$ — karbon berbagi sepasang elektron dengan masing-masing dari empat atom hidrogen.
• $\text{O}_2$ dan $\text{CO}_2$ memiliki ikatan ganda (dua pasangan dibagikan); $\text{N}_2$ memiliki ikatan tiga (tiga pasangan dibagikan); $\text{C}_2\text{H}_4$ dan $\text{CH}_3\text{OH}$ juga menggunakan pasangan yang dibagikan.

Dalam diagram titik-silang untuk molekul, Anda menggambar elektron terluar dari setiap atom dan menunjukkan pasangan mana yang dibagikan dalam tumpang tindih antar atom.

Sifat senyawa molekuler sederhana

Zat-zat ini terdiri dari molekul-molekul kecil yang terpisah.

• Mereka memiliki titik leleh dan titik didih yang rendah. Ikatan kovalen di dalam setiap molekul kuat, tetapi gaya antarmolekul (gaya antara satu molekul dan molekul berikutnya) lemah, sehingga sedikit energi diperlukan untuk memisahkan molekul-molekul tersebut.
• Mereka adalah penghantar listrik yang buruk, karena molekul-molekul tersebut tidak memiliki muatan keseluruhan dan tidak memiliki elektron bebas atau ion untuk membawa muatan.

Beberapa zat kovalen bukan molekul kecil. Sebaliknya, jutaan atom dihubungkan oleh ikatan kovalen menjadi satu struktur kovalen raksasa. Dua yang harus Anda ketahui adalah kedua bentuk karbon.

Berlian: setiap atom karbon terikat pada empat atom karbon lainnya. Hal ini menciptakan jaringan 3-D yang sangat kuat dan kaku. Berlian sangat keras, sehingga digunakan dalam alat pemotong.

Grafit: setiap atom karbon hanya terikat pada tiga atom lain, membentuk lapisan datar. Ada gaya lemah di antara lapisan-lapisan tersebut, sehingga lapisan-lapisan dapat meluncur satu sama lain — ini membuat grafit sebagai pelumas yang baik. Elektron terluar keempat dari setiap karbon bersifat bebas; elektron terdelokalisasi ini dapat bergerak, sehingga grafit menghantarkan listrik dan digunakan sebagai elektroda.

Silikon(IV) oksida ($\text{SiO}_2$) memiliki struktur kovalen raksasa seperti berlian, sehingga ia juga sangat keras dan memiliki titik leleh yang sangat tinggi.

Logam adalah struktur raksasa dari ion positif yang dikelilingi oleh 'laut' elektron terdelokalisasi yang bebas bergerak di seluruh logam. Ikatan logam adalah tarikan elektrostatik kuat antara ion-ion positif dan laut elektron ini.

Ini menjelaskan dua sifat utama logam:

• Konduktivitas listrik yang baik: elektron terdelokalisasi bebas bergerak dan membawa muatan melalui logam.
• Kerekalan (dapat dipukul menjadi lembaran) dan keterdailan (dapat ditarik menjadi kawat): lapisan ion positif dapat bergeser satu sama lain tanpa mematahkan ikatan logam, sehingga logam berubah bentuk alih-alih hancur.

• Jumlah neutron = nomor massa − nomor proton. Nomor protonlah yang menentukan unsur apa yang dimiliki oleh atom tersebut.
• Isotop memiliki sifat kimia yang sama karena reaksi melibatkan hanya elektron, dan isotop memiliki konfigurasi elektron yang sama; hanya massanya yang berbeda.
• Sesuaikan struktur dengan sifat: ionik = jaring raksasa (titik leleh tinggi; menghantarkan listrik hanya saat cair atau dalam larutan); molekul sederhana = gaya lemah antara molekul (titik leleh rendah; tidak menghantarkan listrik); kovalen raksasa = sangat keras, titik leleh sangat tinggi.
• Grafit menghantarkan listrik dan licin (satu elektron bebas per karbon; lapisan bergeser); berlian tidak keduanya (keempat elektron terikat, sehingga keras dan tidak menghantarkan listrik). Logam menghantarkan listrik dan dapat dibengkokkan berkat lautan elektron terdelokalisasi.
• Untuk massa atom relatif, ambil rata-rata tertimbang: $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.