Berikut ini penjelasan logis tentang d-collapse pada konfigurasi elektron unsur transisi. Penjelasan ini sudah dipaparkan oleh Muhamad Abdulkadir Martoprawiro, Ph.D. (Dosen Kimia ITB) pada lokakarya daring bekerja sama dengan AGKI (Asosiasi Guru Kimia Indonesia). Rangkuman ini dapat dibaca di grup AGKI di Facebook. Grup ini bersifat tertutup hanya anggota yang dapat menyimak dan berdiskusi. Oleh karena itu agar dapat dibaca semua yang membutuhkan penjelasan dengan seijin penulis tulisan tersebut disalin di sini.
Beberapa artikel membahas tentang keruntuhan energi orbital-orbital d, ketika memasuki wilayah unsur transisi. Dalam beberapa bahasan, istilah keruntuhan subkulit d atau d-collapse sering dilekatkan pada fenomena perubahan diagram tingkat energi untuk unsur-unsur periode ke-4, periode ke-5, dan seterusnya .
Mari kita lihat beberapa unsur di periode ke-4.
Urutan unsur dari bagian kiri tabel periodik adalah K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu Zn. Konfigurasi elektron atom K dan Ca bebas berturut-turut: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ dan 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². Perhatikan bahwa dalam konfigurasi elektron kedua atom tersebut, tidak ada elektron yang mengisi subkulit 3d. Hal ini disebabkan tingkat energi 3d yang masih ada di atas subkulit 4s.
Berdasarkan prinsip aufbau, pada keadaan dasar, elektron akan mengisi orbital dengan energi yang lebih rendah terlebih dahulu. Hingga pembahasan ini, semuanya masih masuk akal.
Ketika masuk bilangan atom yang lebih besar dari ₂₀Ca, ambillah contoh Sc dan Ti, konfigurasi elektronnya menjadi berturut-turut: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s² dan 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s². Perhatikan, dalam konfigurasi elektron Sc dan Ti, mulai terisi subkulit 3d, yang kalau mengikuti aturan Hund, maka pada Ti, ada 2 orbital 3d yang terisi elektron tunggal.
Menurut kelompok peneliti tertentu, pada Sc dan Ti, terjadi keruntuhan-d. Subkulit 3d yang pada atom K dan Ca berada di atas subkulit 4s, tiba-tiba turun menjadi berada di bawah energi subkulit 4s. Mereka menganggap urutannya seperti ini, karena berdasarkan percobaan photoelectron spectroscopy (PES), elektron yang keluar saat pengionan Sc dan Ti, adalah elektron subkulit 4s.
Walaupun anggapan urutan seperti itu, sejalan dengan percobaan PES, tapi ada pertanyaan yang sulit dijawab. Jika benar bahwa 3d pada Sc dan Ti berada di bawah subkulit 4s, mengapa 2 elektron pada 4s, tidak jatuh ke subkulit 3d? Padahal ruang orbital di subkulit 3d masih sangat banyak.
Ada cara lain untuk memaknai istilah d-collapse atau keruntuhan-d. Pada unsur-unsur periode ke-4, dari kiri ke kanan, yaitu K, Ca, Sc, dan Ti, tidak ada keruntuhan-d, yang berarti, subkulit 3d tetap berada di atas subkulit 4s. Dengan cara pandang ini, tidak diperlukan penjelasan, mengapa 2 elektron 4s tidak jatuh ke subkulit 3d, karena memang subkulit 3d berada di atasnya.
Lalu bagaimana menjelaskan hasil percobaan PES (photoelectron spectroscopy), yang menyimpulkan bahwa pengionan menyebabkan hilangnya elektron dari subkulit 4s? Jawabannya sederhana.
Pada saat terjadi pengionan pada atom logam transisi, urutan subkulitnya berubah. Pada atom Sc dan Ti misalnya, urutan tingkat energi subkulit adalah: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d. Tetap sama dengan urutannya dalam atom K dan Ca. Tidak terjadi d-collapse dari K, Ca ke Sc, Ti.
Tapi ketika Sc dan Ti melepaskan 2 elektron, menjadi Sc(II) dan Ti(II), terjadi perubahan urutan tingkat energi subkulit, menjadi 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 3d < 4s. Peristiwa inilah yang bisa disebut sebagai d-collapse, yaitu berpindahnya subkulit 3d, yang energinya di atas 4s, menjadi lebih rendah dari tingkat energi 4s.
Rangkuman
Bisa dirangkumkan, d-collapse tidak terjadi, dari kiri ke kanan dalam tabel periodik. Untuk contoh yang dibahas di atas, dari K, Ca, Sc, Ti ke kanan, tidak ada perubahan tingkat energi subkulit 3d ke tempat yang lebih rendah, setelah memasuki wilayah unsur transisi.
Jatuhnya energi subkulit 3d menjadi di bawah energi subkulit 4s, terjadi ketika atom-atom logam transisi mengalami pengionan atau ionisasi. Dengan kata lain d-collapse hanya terjadi ketika atom tersebut melepaskan elektron menjadi ion.
Mengapa Terjadi Pemisahan dan Persilangan Energi Antar-subkulit?
Mengapa pada hidrogen, energi 2s = 2p? Energi 3s juga sama dengan 3p dan 3d? Sehingga saat terjadi eksitasi pada atom H, kita cukup mengatakan ada eksitasi dari kulit ke-1 menuju kulit ke-2? Dan tidak menyebutnya dari 1s ke 2p misalnya?
Mengapa pada atom He, Li, Be, dan seterusnya sampai S (belerang), energi 2s < 2p? Mengapa pada atom-atom ini, energi 3s < 3p < 3d, tapi ketiga subkulit ini masih di bawah 4s?
Secara singkat, mengapa setelah atom H, yaitu mulai atom He, mulailah terjadi splitting (pemisahan) energi kulit elektron menjadi subkulit-subkulit dengan energi yang berbeda?
Mengapa ketika pengisian elektron-elektron sudah melampaui 3s dan 3p, splitting kulit ke-3 terus bertambah sehingga terjadi crossing? Yaitu persilangan, hingga energi 3d menjadi lebih tinggi dari 4s?
Semua pemahaman, berasal dari pertanyaan-pertanyaan tersebut. Dari jawaban pertanyaan-pertanyaan itu pula, kita memahami apa yang terjadi saat pengionan atom unsur transisi.
Demikian.
Beberapa artikel membahas tentang keruntuhan energi orbital-orbital d, ketika memasuki wilayah unsur transisi. Dalam beberapa bahasan, istilah keruntuhan subkulit d atau d-collapse sering dilekatkan pada fenomena perubahan diagram tingkat energi untuk unsur-unsur periode ke-4, periode ke-5, dan seterusnya .
Mari kita lihat beberapa unsur di periode ke-4.
Urutan unsur dari bagian kiri tabel periodik adalah K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu Zn. Konfigurasi elektron atom K dan Ca bebas berturut-turut: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ dan 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². Perhatikan bahwa dalam konfigurasi elektron kedua atom tersebut, tidak ada elektron yang mengisi subkulit 3d. Hal ini disebabkan tingkat energi 3d yang masih ada di atas subkulit 4s.
Berdasarkan prinsip aufbau, pada keadaan dasar, elektron akan mengisi orbital dengan energi yang lebih rendah terlebih dahulu. Hingga pembahasan ini, semuanya masih masuk akal.
Ketika masuk bilangan atom yang lebih besar dari ₂₀Ca, ambillah contoh Sc dan Ti, konfigurasi elektronnya menjadi berturut-turut: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s² dan 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s². Perhatikan, dalam konfigurasi elektron Sc dan Ti, mulai terisi subkulit 3d, yang kalau mengikuti aturan Hund, maka pada Ti, ada 2 orbital 3d yang terisi elektron tunggal.
Menurut kelompok peneliti tertentu, pada Sc dan Ti, terjadi keruntuhan-d. Subkulit 3d yang pada atom K dan Ca berada di atas subkulit 4s, tiba-tiba turun menjadi berada di bawah energi subkulit 4s. Mereka menganggap urutannya seperti ini, karena berdasarkan percobaan photoelectron spectroscopy (PES), elektron yang keluar saat pengionan Sc dan Ti, adalah elektron subkulit 4s.
Walaupun anggapan urutan seperti itu, sejalan dengan percobaan PES, tapi ada pertanyaan yang sulit dijawab. Jika benar bahwa 3d pada Sc dan Ti berada di bawah subkulit 4s, mengapa 2 elektron pada 4s, tidak jatuh ke subkulit 3d? Padahal ruang orbital di subkulit 3d masih sangat banyak.
Ada cara lain untuk memaknai istilah d-collapse atau keruntuhan-d. Pada unsur-unsur periode ke-4, dari kiri ke kanan, yaitu K, Ca, Sc, dan Ti, tidak ada keruntuhan-d, yang berarti, subkulit 3d tetap berada di atas subkulit 4s. Dengan cara pandang ini, tidak diperlukan penjelasan, mengapa 2 elektron 4s tidak jatuh ke subkulit 3d, karena memang subkulit 3d berada di atasnya.
Lalu bagaimana menjelaskan hasil percobaan PES (photoelectron spectroscopy), yang menyimpulkan bahwa pengionan menyebabkan hilangnya elektron dari subkulit 4s? Jawabannya sederhana.
Pada saat terjadi pengionan pada atom logam transisi, urutan subkulitnya berubah. Pada atom Sc dan Ti misalnya, urutan tingkat energi subkulit adalah: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d. Tetap sama dengan urutannya dalam atom K dan Ca. Tidak terjadi d-collapse dari K, Ca ke Sc, Ti.
Tapi ketika Sc dan Ti melepaskan 2 elektron, menjadi Sc(II) dan Ti(II), terjadi perubahan urutan tingkat energi subkulit, menjadi 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 3d < 4s. Peristiwa inilah yang bisa disebut sebagai d-collapse, yaitu berpindahnya subkulit 3d, yang energinya di atas 4s, menjadi lebih rendah dari tingkat energi 4s.
Rangkuman
Bisa dirangkumkan, d-collapse tidak terjadi, dari kiri ke kanan dalam tabel periodik. Untuk contoh yang dibahas di atas, dari K, Ca, Sc, Ti ke kanan, tidak ada perubahan tingkat energi subkulit 3d ke tempat yang lebih rendah, setelah memasuki wilayah unsur transisi.
Jatuhnya energi subkulit 3d menjadi di bawah energi subkulit 4s, terjadi ketika atom-atom logam transisi mengalami pengionan atau ionisasi. Dengan kata lain d-collapse hanya terjadi ketika atom tersebut melepaskan elektron menjadi ion.
Mengapa Terjadi Pemisahan dan Persilangan Energi Antar-subkulit?
Mengapa pada hidrogen, energi 2s = 2p? Energi 3s juga sama dengan 3p dan 3d? Sehingga saat terjadi eksitasi pada atom H, kita cukup mengatakan ada eksitasi dari kulit ke-1 menuju kulit ke-2? Dan tidak menyebutnya dari 1s ke 2p misalnya?
Mengapa pada atom He, Li, Be, dan seterusnya sampai S (belerang), energi 2s < 2p? Mengapa pada atom-atom ini, energi 3s < 3p < 3d, tapi ketiga subkulit ini masih di bawah 4s?
Secara singkat, mengapa setelah atom H, yaitu mulai atom He, mulailah terjadi splitting (pemisahan) energi kulit elektron menjadi subkulit-subkulit dengan energi yang berbeda?
Mengapa ketika pengisian elektron-elektron sudah melampaui 3s dan 3p, splitting kulit ke-3 terus bertambah sehingga terjadi crossing? Yaitu persilangan, hingga energi 3d menjadi lebih tinggi dari 4s?
Semua pemahaman, berasal dari pertanyaan-pertanyaan tersebut. Dari jawaban pertanyaan-pertanyaan itu pula, kita memahami apa yang terjadi saat pengionan atom unsur transisi.
Demikian.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar