Soal & Pembahasan Khusus Bilangan Kuantum Dikaitkan dengan Hal Lain

Berikut ini beberapa soal terkait bilangan kuantum. Terdapat bebapa soal menantang karena dikaitkan dengan bahasan lain di kimia. Sangat cocok buat melatih pemikiran dan melatih kemampuan hubungan antarkonsep. Bagus untuk berlatih persiapan menghadapi olimpiade kimia berikutnya.

Soal 1: Aturan Hund dan Spin Elektron

Atom nitrogen (N) memiliki konfigurasi elektron 1s² 2s² 2p³. Berdasarkan aturan Hund, bagaimana spin elektron dalam orbital 2p?

1. Semua elektron berpasangan dengan spin berlawanan (↑↓).
2. Dua elektron berpasangan (↑↓) dan satu elektron tunggal.
3. Ketiga elektron tidak berpasangan dengan spin paralel (↑↑↑).
4. Satu elektron spin up (+½) dan dua elektron spin down (-½).
5. Semua elektron spin down (↓↓↓).

Jawaban benar: C

Aturan Hund menyatakan bahwa elektron akan mengisi orbital degenerasi (setara energi) secara tunggal dengan spin paralel terlebih dahulu sebelum berpasangan. Pada nitrogen (2p³), ketiga elektron mengisi orbital 2pₓ, 2pᵧ, dan 2p₂ masing-masing dengan spin paralel (↑↑↑).

Soal 2: Bilangan Kuantum Elektron Tak Berpasangan

Pada atom oksigen (O) dengan konfigurasi 1s² 2s² 2p⁴, salah satu elektron tak berpasangan di orbital 2p dapat memiliki bilangan kuantum:

1. n=2, ℓ=1, mℓ=0, ms=-½
2. n=2, ℓ=1, mℓ=+1, ms=+½
3. n=1, ℓ=0, mℓ=0, ms=+½
4. n=2, ℓ=2, mℓ=0, ms=+½
5. n=2, ℓ=1, mℓ=-2, ms=+½

Jawaban benar: B

Oksigen (2p⁴) memiliki dua elektron tak berpasangan. Salah satunya bisa berada di orbital 2pₓ (mℓ=+1) dengan spin up (ms=+½). Pilihan lain salah karena:

• A: Spin down (-½) juga benar, tapi bukan satu-satunya jawaban
• C: n=1 bukan subkulit 2p
• D: ℓ=2 tidak mungkin untuk orbital p (ℓ hanya 0,1,2,...n-1)
• E: mℓ=-2 di luar rentang orbital p (hanya -1,0,+1)

Soal 3: Pengisian Orbital yang Valid

Manakah pengisian orbital 2p yang tidak valid untuk atom karbon (C) dengan konfigurasi 1s² 2s² 2p²?

1. 2pₓ↑ 2pᵧ↑
2. 2pₓ↑ 2p₂↑
3. 2pₓ↑↓ 2pᵧ↑
4. 2pᵧ↑ 2p₂↑
5. 2pₓ↑ 2pᵧ↓

Jawaban benar: C dan E

Pengisian yang tidak valid:

• C: Melanggar aturan Hund karena elektron langsung berpasangan (↑↓) sebelum semua orbital terisi tunggal
• E: Spin tidak paralel (↑↓) padahal elektron bisa mengisi orbital lain dengan spin paralel

Pilihan A, B, dan D valid karena memenuhi aturan Hund (elektron tunggal dengan spin paralel).

Soal 4: Konsep Delokalisasi Elektron

Mengapa istilah "elektron terakhir" dalam pengisian orbital kurang tepat secara kuantum?

1. Karena elektron bergerak terlalu cepat untuk dilacak
2. Karena elektron terdelokalisasi dalam orbital dan tidak memiliki posisi pasti
3. Karena semua elektron memiliki spin yang sama
4. Karena orbital p selalu terisi penuh
5. Karena bilangan kuantum mℓ tidak bisa negatif

Jawaban benar: B

Dalam mekanika kuantum:

• Elektron tidak memiliki posisi pasti, tetapi terdistribusi dalam orbital sebagai fungsi gelombang
• Konsep "elektron terakhir" adalah penyederhanaan klasik yang tidak menggambarkan sifat probabilistik elektron
• Semua elektron dalam orbital setara dan tidak bisa dibedakan (indistinguishable)

Soal 5: Variasi Nilai mℓ dan ms

Jika salah satu elektron tak berpasangan atom boron (B) berada di orbital 2pᵧ dengan spin down, bilangan kuantumnya adalah:

1. n=2, ℓ=1, mℓ=+1, ms=-½
2. n=2, ℓ=1, mℓ=-1, ms=-½
3. n=2, ℓ=0, mℓ=0, ms=-½
4. n=1, ℓ=1, mℓ=-1, ms=+½
5. n=2, ℓ=1, mℓ=0, ms=+½

Jawaban benar: B

Penjelasan:

• Boron (2p¹): elektron tunggal di 2pᵧ ≡ mℓ=-1 (bergantung sistem koordinat)
• Spin down → ms=-½
• Pilihan salah:
  • A: mℓ tidak sesuai dengan pᵧ
  • C: ℓ=0 untuk orbital s, bukan p
  • D: n=1 bukan kulit kedua
  • E: spin tidak sesuai soal

Soal 6: Pengecualian Aturan Hund

Dalam kasus tertentu, atom dapat menyimpang dari aturan Hund untuk mencapai stabilitas lebih tinggi. Manakah pernyataan berikut yang benar tentang penyimpangan ini?

1. Elektron selalu mengisi orbital dengan spin paralel meskipun tidak stabil
2. Beberapa atom seperti Cr dan Cu mengisi subkulit d secara tidak lengkap untuk mencapai stabilitas
3. Aturan Hund tidak pernah memiliki pengecualian
4. Penyimpangan hanya terjadi pada gas mulia
5. Semua unsur transisi selalu mengikuti aturan Hund secara ketat

Jawaban benar: B

Beberapa atom seperti Chromium (Cr) dan Tembaga (Cu) menyimpang dari aturan Hund untuk mencapai konfigurasi setengah penuh (d⁵) atau penuh (d¹⁰) yang lebih stabil. Contoh:

• Cr: [Ar] 4s¹ 3d⁵ (bukan 4s² 3d⁴)
• Cu: [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ (bukan 4s² 3d⁹)

Soal 7: Bilangan Kuantum Magnetik

Jika sebuah elektron memiliki bilangan kuantum magnetik (mℓ) = +2, orbital yang ditempati elektron tersebut adalah:

1. Orbital s
2. Orbital p
3. Orbital d
4. Orbital f
5. Tidak mungkin ada orbital dengan mℓ = +2

Jawaban benar: C

Rentang nilai mℓ bergantung pada bilangan kuantum azimut (ℓ):

• ℓ=0 (s): mℓ=0
• ℓ=1 (p): mℓ=-1,0,+1
• ℓ=2 (d): mℓ=-2,-1,0,+1,+2
• ℓ=3 (f): mℓ=-3,...,+3

Jadi mℓ=+2 hanya mungkin untuk orbital d (ℓ=2).

Soal 8: Konfigurasi Elektron Tidak Lazim

Perhatikan konfigurasi elektron berikut: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁷ 5s¹. Konfigurasi ini mungkin dimiliki oleh:

1. Atom gas mulia
2. Unsur golongan alkali
3. Logam transisi periode 5
4. Unsur golongan halogen
5. Lantanida

Jawaban benar: C

Analisis konfigurasi:

• 4d⁷ 5s¹ menunjukkan penyimpangan aturan Aufbau yang khas pada logam transisi (contoh: Rhodium/Rh)
• Elektron 5s¹ berpindah ke 4d untuk mencapai stabilitas setengah penuh
• Bukan gas mulia/golongan utama karena memiliki elektron d

Soal 9: Prinsip Larangan Pauli

Berdasarkan prinsip larangan Pauli, dalam satu atom tidak boleh ada dua elektron yang memiliki...

1. Tingkat energi yang sama
2. Bilangan kuantum utama yang sama
3. Keempat bilangan kuantum identik
4. Spin yang searah
5. Orbital dengan bentuk sama

Jawaban benar: C

Prinsip larangan Pauli menyatakan:

• Dua elektron dalam atom tidak boleh memiliki keempat bilangan kuantum (n, ℓ, mℓ, ms) yang sama persis
• Jika tiga bilangan kuantum sama, spin (ms) harus berbeda (↑↓)
• Ini menjelaskan mengapa orbital maksimal berisi 2 elektron dengan spin berlawanan

Soal 10: Bentuk Orbital dan Bilangan Kuantum

Sebuah orbital dengan bilangan kuantum ℓ=2 dan mℓ=0 memiliki bentuk:

1. Bola (sferis)
2. Halter dengan sumbu di bidang xy
3. Halter dengan sumbu di bidang z dan donat di tengah
4. Bentuk lobang empat daun
5. Kompleks dengan banyak nodal

Jawaban benar: C

Orbital dengan:

• ℓ=2 → orbital d
• mℓ=0 → orbital d_z²
• Bentuk khas: dua lobang di sumbu z dengan donat melingkar di bidang xy
• Berbeda dengan orbital d lainnya (d_x²-y², d_xy, d_xz, d_yz)

Soal 11: Elektron Valensi dan Bilangan Kuantum

Elektron valensi atom selenium (Se, Z=34) yang terletak di orbital 4p dapat memiliki bilangan kuantum:

1. n=3, ℓ=1, mℓ=1, ms=+½
2. n=4, ℓ=1, mℓ=-1, ms=-½
3. n=4, ℓ=2, mℓ=0, ms=+½
4. n=4, ℓ=0, mℓ=0, ms=+½
5. n=3, ℓ=2, mℓ=-1, ms=-½

Jawaban benar: B

Konfigurasi Se: [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴

• Elektron valensi di 4p⁴ → n=4, ℓ=1 (orbital p)
• mℓ bisa -1,0,+1 dan ms ±½
• Pilihan B valid untuk elektron di 4p_y (mℓ=-1) dengan spin down
• Pilihan lain salah karena nilai n/ℓ tidak sesuai

Soal 12: Efek Relativistik pada Bilangan Kuantum

Pada atom berat (seperti emas), efek relativistik menyebabkan:

1. Nilai bilangan kuantum utama (n) berubah
2. Orbital s dan p memiliki energi sama
3. Orbital s menyusut dan stabil, mempengaruhi konfigurasi elektron
4. Aturan Hund tidak berlaku lagi
5. Semua orbital d menjadi degenerasi sempurna

Jawaban benar: C

Efek relativistik pada atom berat:

• Elektron s (ℓ=0) bergerak sangat cepat di dekat inti bermuatan besar → massa efektif meningkat → orbital menyusut
• Contoh: Emas (Au) memiliki konfigurasi [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ (bukan 6s²) karena stabilisasi orbital 6s
• Tidak mengubah bilangan kuantum, tetapi mempengaruhi tingkat energi

Soal 13: Aplikasi Bilangan Kuantum dalam Spektroskopi

Transisi elektron yang diperbolehkan dalam spektrum atom hidrogen harus memenuhi syarat perubahan bilangan kuantum:

1. Δn = 0 dan Δℓ = ±1
2. Δℓ = 0 dan Δmℓ = ±1
3. Δℓ = ±1 dan Δmℓ = 0,±1
4. Δms = ±1 dan Δmℓ = 0
5. Tidak ada aturan khusus untuk transisi

Jawaban benar: C

Aturan seleksi transisi elektron:

• Δℓ = ±1 (transisi antara orbital dengan ℓ berbeda, misal s→p atau p→d)
• Δmℓ = 0,±1 (bergantung polarisasi cahaya)
• Δn bisa berapa saja
• Spin (ms) umumnya tidak berubah (transisi spin-terlarang lebih lemah)

Aturan ini menjelaskan garis spektral karakteristik unsur.

Soal 14: Bentuk Orbital dan Bilangan Kuantum

Jika suatu elektron memiliki bilangan kuantum n=3, ℓ=2, dan mℓ=+2, orbital tersebut memiliki:

1. Bentuk bola dengan 1 bidang nodal
2. Bentuk daun empat lobang dengan 2 bidang nodal
3. Bentuk halter dengan donat tengah
4. Bentuk kompleks dengan 3 bidang nodal
5. Bentuk seragam tanpa bidang nodal

Jawaban benar: B

Analisis:

• ℓ=2 → orbital d
• mℓ=+2 → orbital d_x²-y² (bentuk daun empat lobang)
• Bidang nodal: 2 bidang (node kerucut)
• Berbeda dengan d_z² (opsi C) yang memiliki donat tengah

Visualisasi: Orbital d_x²-y² menyerupai bentuk cloverleaf dengan lobang di antara sumbu x dan y.

Soal 15: Konfigurasi Elektron Ion

Ion Fe³⁺ (Z=26) memiliki konfigurasi elektron [Ar] 3d⁵. Bilangan kuantum untuk elektron terakhir yang ditambahkan pada pembentukan ion ini adalah:

1. n=3, ℓ=2, mℓ=0, ms=+½
2. n=4, ℓ=2, mℓ=-2, ms=-½
3. n=3, ℓ=2, mℓ=+2, ms=+½
4. n=3, ℓ=1, mℓ=0, ms=-½
5. n=4, ℓ=0, mℓ=0, ms=+½

Jawaban benar: C

Langkah pembentukan Fe³⁺:

1. Fe netral: [Ar] 4s² 3d⁶
2. Fe²⁺: [Ar] 3d⁶ (melepas 2e^- 4s)
3. Fe³⁺: [Ar] 3d⁵ (melepas 1e^- 3d)

Elektron terakhir:

• Diisi sesuai aturan Hund → 3d⁵ = ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
• Bilangan kuantum: n=3, ℓ=2 (d), mℓ=+2 (d_x²-y²), ms=+½

Soal 16: Prinsip Aufbau dan Pengecualian

Manakah pernyataan yang salah tentang prinsip Aufbau?

1. Elektron mengisi orbital dari energi terendah ke tertinggi
2. 4s diisi sebelum 3d pada unsur periode 4
3. Konfigurasi elektron selalu stabil ketika orbital terisi penuh atau setengah penuh
4. Beberapa unsur transisi memiliki konfigurasi tidak lazim untuk mencapai kestabilan
5. Energi orbital 4s menjadi lebih tinggi daripada 3d setelah terisi elektron

Jawaban benar: C

Poin kesalahan:

• Pengecualian hanya terjadi pada kasus tertentu (Cr, Cu, Mo, Ag, dll.)
• Contoh: Pd (Z=46) memiliki konfigurasi [Kr] 4d¹⁰ (tanpa 5s⁰) meski tidak setengah penuh

Fakta benar tentang opsi lain:

• A: Definisi dasar prinsip Aufbau
• B: Urutan pengisian orbital netral
• D: Contoh Cr ([Ar] 4s¹ 3d⁵)
• E: Penyebab ion logam transisi kehilangan elektron 4s terlebih dahulu

Soal 17: Bilangan Kuantum dan Sifat Magnetik

Suatu unsur dengan konfigurasi elektron [Ar] 3d⁹ memiliki sifat magnetik dan bilangan kuantum elektron tak berpasangan:

1. Diamagnetik, semua elektron berpasangan
2. Paramagnetik, n=3, ℓ=2, mℓ=+2, ms=+½
3. Feromagnetik, n=4, ℓ=2, mℓ=0, ms=-½
4. Diamagnetik, n=3, ℓ=1, mℓ=0, ms=+½
5. Paramagnetik, n=4, ℓ=0, mℓ=0, ms=-½

Jawaban benar: B

Analisis:

• Konfigurasi 3d⁹ = ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ (1e^- tak berpasangan)
• Sifat magnetik: Paramagnetik (ada elektron tak berpasangan)
• Bilangan kuantum e^- tak berpasangan:
  • n=3, ℓ=2 (orbital d)
  • mℓ=+2 (asumsi mengisi d_x²-y² terakhir)
  • ms=+½ (spin up)
• Contoh unsur: Cu²⁺ dengan konfigurasi [Ar] 3d⁹

Soal 18: Efek Zeeman dan Bilangan Kuantum

Ketika atom ditempatkan dalam medan magnet eksternal kuat, terjadi pemisahan tingkat energi orbital. Berdasarkan efek Zeeman, orbital dengan bilangan kuantum mℓ = +1 akan:

1. Mempertahankan energi yang sama dengan mℓ = -1
2. Mengalami pergeseran energi yang berbeda dengan mℓ = 0
3. Kehilangan bilangan kuantum magnetiknya
4. Berubah menjadi orbital dengan ℓ yang berbeda
5. Selalu berpasangan dengan elektron ber-spin berlawanan

Jawaban benar: B

Efek Zeeman:

• Medan magnet eksternal menyebabkan pemisahan tingkat energi berdasarkan nilai mℓ
• Setiap nilai mℓ (-ℓ,...,+ℓ) memiliki pergeseran energi yang unik
• Contoh untuk orbital p (ℓ=1):
  • mℓ = +1: energi meningkat
  • mℓ = 0: tidak berubah
  • mℓ = -1: energi menurun
• Aplikasi: Menjelaskan garis spektral tambahan dalam medan magnet

Soal 19: Prinsip Larangan Pauli pada Sistem Multielektron

Dalam atom helium tereksitasi dengan konfigurasi 1s¹2p¹, dua elektron tersebut dapat memiliki:

1. Tiga bilangan kuantum identik asalkan spin berbeda
2. n dan ℓ yang berbeda meskipun semua bilangan kuantum lain sama
3. mℓ dan ms yang sama jika n berbeda
4. ℓ dan mℓ yang sama asalkan berada di kulit berbeda
5. Semua bilangan kuantum identik karena berada dalam atom yang sama

Jawaban benar: B

Analisis prinsip Pauli:

• 1s¹2p¹ → Elektron 1: n=1, ℓ=0 / Elektron 2: n=2, ℓ=1
• Kedua elektron boleh memiliki:
  • mℓ sama (misal: mℓ=0 untuk keduanya)
  • ms sama (misal: ms=+½ untuk keduanya)
• Syarat: Minimal satu bilangan kuantum harus berbeda (dalam kasus ini n dan ℓ sudah berbeda)
• Contoh keadaan terlarang: 1s² dengan dua elektron memiliki keempat bilangan kuantum identik

Soal 20: Orbital Hibrida dan Bilangan Kuantum

Pada molekul CH₄, orbital hibrida sp³ dari atom karbon:

1. Memiliki bilangan kuantum ℓ yang jelas terdefinisi
2. Merupakan superposisi keadaan dengan ℓ berbeda sehingga tidak memiliki nilai ℓ tunggal
3. Selalu memiliki mℓ = 0 karena simetri tetrahedral
4. Mempertahankan bilangan kuantum asli orbital s dan p penyusunnya
5. Hanya boleh diisi oleh elektron dengan ms = +½

Jawaban benar: B

Karakteristik orbital hibrida:

• Orbital sp³ = campuran 1 orbital s (ℓ=0) + 3 orbital p (ℓ=1)
• Tidak memiliki nilai ℓ tunggal karena merupakan superposisi keadaan
• Bilangan kuantum yang tetap valid:
  • n (kulit utama)
  • ms (spin elektron)
• Contoh: Salah satu orbital sp³ = ½(s + p_x + p_y + p_z)
• Aplikasi: Menjelaskan geometri tetrahedral CH₄

Soal 21: Bilangan Kuantum dan Spektrum Emisi

Garis kuning pada spektrum natrium (589 nm) berasal dari transisi elektron antara dua orbital dengan perbedaan bilangan kuantum:

1. Δn=1, Δℓ=0 (s→s)
2. Δn=0, Δℓ=1 (p→s)
3. Δn=2, Δℓ=1 (d→p)
4. Δn=1, Δℓ=2 (p→f)
5. Δn=0, Δℓ=0 (p→p)

Jawaban benar: B

Transisi 3p→3s pada natrium:

• Garis D natrium (589 nm) berasal dari transisi:
  • 3p (n=3, ℓ=1) → 3s (n=3, ℓ=0)
  • Δn=0, Δℓ=1 (sesuai aturan seleksi)
• Bukti eksperimental: Doublet kuning karakteristik dalam lampu natrium
• Transisi terlarang:
  • A: Δℓ=0 (s→s) melanggar aturan seleksi
  • E: Δℓ=0 (p→p) tidak menghasilkan perubahan momen dipol

Soal 22: Elektron dalam Medan Magnet

Jika elektron dengan bilangan kuantum mℓ=+2 ditempatkan dalam medan magnet searah sumbu z, energi orbitalnya akan:

1. Menurun karena interaksi spin-orbital
2. Meningkat sebanding dengan kekuatan medan magnet
3. Tidak berubah karena mℓ sudah maksimum
4. Berfluktuasi acak tergantung temperatur
5. Menjadi sama dengan elektron mℓ=-2

Jawaban benar: B

Efek Zeeman orbital:

• Energi elektron dalam medan magnet B diberikan oleh:
  E = -μ_B B mℓ
  (μ_B = magneton Bohr)
• Untuk mℓ=+2:
  • Tanda negatif dalam rumus → energi meningkat dengan B
  • Nilai besar mℓ → pergeseran energi lebih signifikan
• Analog klasik: Loop arus dengan momen magnetik searah B memiliki energi potensial lebih tinggi

Soal 23: Konfigurasi Elektron Unsur Transisi

Ion Ni²⁺ (Z=28) memiliki dua elektron tak berpasangan. Salah satu elektron tersebut dapat memiliki bilangan kuantum:

1. n=4, ℓ=0, mℓ=0, ms=+½
2. n=3, ℓ=1, mℓ=0, ms=-½
3. n=3, ℓ=2, mℓ=-1, ms=+½
4. n=4, ℓ=2, mℓ=+2, ms=-½
5. n=3, ℓ=0, mℓ=0, ms=+½

Jawaban benar: C

Konfigurasi Ni²⁺:

1. Ni netral: [Ar] 4s² 3d⁸
2. Ni²⁺: [Ar] 3d⁸ (melepas 2e⁻ 4s)
3. Susunan elektron 3d⁸:

   3d: ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ (dua elektron tak berpasangan)

Bilangan kuantum yang mungkin:

• n=3, ℓ=2 (orbital d)
• mℓ=-2,-1,0,+1,+2 (tergantung orbital)
• ms=+½ atau -½ untuk elektron tak berpasangan
• Contoh valid: 3d_yz↑ → n=3, ℓ=2, mℓ=-1, ms=+½

Soal 24: Prinsip Ketidakpastian dan Orbital

Konsep orbital sebagai daerah probabilitas elektron merupakan konsekuensi langsung dari:

1. Prinsip Aufbau yang membatasi pengisian elektron
2. Prinsip ketidakpastian Heisenberg yang mencegah penentuan posisi pasti
3. Interaksi Coulomb antara elektron-elektron
4. Hukum kekekalan momentum sudut
5. Efek tuneling kuantum pada inti atom

Jawaban benar: B

Hubungan prinsip Heisenberg dengan orbital:

• Prinsip Heisenberg: Δx Δp ≥ ħ/2
• Implikasi:
  • Elektron tidak memiliki lintasan pasti (bertentangan dengan model Bohr)
  • Posisi elektron dideskripsikan sebagai distribusi probabilitas |ψ|²
  • Orbital = daerah dengan probabilitas 90% menemukan elektron
• Contoh: Orbital 1s memiliki kerapatan probabilitas maksimum di dekat inti, tetapi tidak ada batas tajam

Soal 25: Aplikasi Bilangan Kuantum dalam NMR

Dalam spektroskopi NMR, perbedaan energi antara keadaan spin inti (+½ dan -½) bergantung pada:

1. Bilangan kuantum utama (n) elektron valensi
2. Nilai mℓ orbital tempat elektron berada
3. Kekuatan medan magnet eksternal dan rasio giromagnetik inti
4. Bentuk geometri orbital molekul
5. Jumlah elektron dalam orbital d

Jawaban benar: C

Dasar fisika NMR:

• Inti dengan spin ≠ 0 (e.g., ¹H, ¹³C) berperilaku seperti magnet kecil
• Dalam medan magnet B₀, terjadi pemisahan tingkat energi:
  ΔE = γħB₀
  (γ = rasio giromagnetik inti)
• Transisi NMR: Absorpsi energi saat inti berpindah antara keadaan spin +½ dan -½
• Aplikasi: Identifikasi gugus fungsi dalam kimia organik

Contoh praktis: Sinyal ¹H NMR bergeser tergantung lingkungan kimia (perisai elektron)

Soal 26: Bilangan Kuantum Elektron pada Keadaan Eksitasi

Atom nitrogen (Z=7) dalam keadaan eksitasi memiliki konfigurasi elektron: 1s² 2s² 2p² 3s¹. Bilangan kuantum yang mungkin untuk elektron terluarnya adalah:

1. n=3, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=2, ℓ=1, m_ℓ=+1, m_s=-½
3. n=3, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½
4. n=2, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½
5. n=3, ℓ=2, m_ℓ=+1, m_s=+½

Jawaban benar: A

Elektron terluar berada di orbital 3s¹ (keadaan eksitasi), sehingga bilangan kuantumnya:

• n=3 (kulit ketiga)
• ℓ=0 (orbital s)
• m_ℓ=0 (hanya ada 1 orbital s)
• m_s=+½ atau -½ (opsi A memenuhi +½)

Analisis opsi lain:

• B: Elektron 2p (bukan terluar)
• C: ℓ=1 tidak sesuai orbital s
• D: Elektron 2s (bukan terluar)
• E: Tidak mungkin ℓ=2 untuk orbital s

Soal 27: Bilangan Kuantum pada Ion Logam Transisi

Ion Fe³⁺ (Z=26) memiliki konfigurasi elektron [Ar] 3d⁵. Bilangan kuantum untuk salah satu elektron tak berpasangannya adalah:

1. n=3, ℓ=2, m_ℓ=+2, m_s=+½
2. n=4, ℓ=2, m_ℓ=0, m_s=-½
3. n=3, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½
4. n=4, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
5. n=3, ℓ=2, m_ℓ=-1, m_s=-½

Jawaban benar: A

Konfigurasi 3d⁵ dengan elektron tak berpasangan (sesuai aturan Hund):

3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
(m_ℓ=+2,+1,0,-1,-2; m_s=+½)

Bilangan kuantum yang mungkin:

• n=3, ℓ=2 (orbital d), m_ℓ=+2, m_s=+½ (opsi A)
• Opsi B: n=4 salah (harus n=3)
• Opsi C: ℓ=1 salah (harus ℓ=2 untuk orbital d)

Soal 28: Efek Relativistik pada Bilangan Kuantum

Atom emas (Au, Z=79) memiliki konfigurasi elektron [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ akibat efek relativistik. Bilangan kuantum elektron 6s¹ adalah:

1. n=6, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=6, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=-½
3. n=5, ℓ=2, m_ℓ=+2, m_s=+½
4. n=6, ℓ=0, m_ℓ=1, m_s=+½
5. n=5, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½

Jawaban benar: A

Elektron 6s¹:

• n=6 (kulit keenam)
• ℓ=0 (orbital s)
• m_ℓ=0 (orbital s hanya punya 1 orientasi)
• m_s=+½ atau -½ (opsi A memenuhi +½)

Mengapa bukan opsi lain:

• B: ℓ=1 salah (harus ℓ=0 untuk orbital s)
• C: n=5 salah (harus kulit 6)
• D: m_ℓ=1 tidak mungkin untuk orbital s

Soal 29: Bilangan Kuantum Elektron pada Orbital Hibrida

Pada molekul CH₄, atom karbon membentuk orbital hibrida sp³. Bilangan kuantum untuk elektron dalam salah satu orbital hibrida ini adalah:

1. n=2, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=2, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½
3. Tidak dapat ditentukan karena orbital hibrida tidak memiliki bilangan kuantum tetap
4. n=2, ℓ=1, m_ℓ=+1, m_s=+½
5. n=3, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½

Jawaban benar: C

Orbital hibrida sp³ adalah campuran:

• 1 orbital s (ℓ=0) + 3 orbital p (ℓ=1)
• Tidak memiliki nilai ℓ tunggal
• Bilangan kuantum n dan m_s tetap ada, tetapi ℓ dan m_ℓ tidak terdefinisi dengan baik

Konsep kunci: Orbital hibrida adalah superposisi keadaan kuantum sehingga tidak memiliki bilangan kuantum azimut (ℓ) dan magnetik (m_ℓ) yang unik.

Soal 30: Bilangan Kuantum setelah Transisi Elektron

Atom hidrogen (Z=1) mengalami transisi elektron dari n=3 ke n=2. Bilangan kuantum elektron setelah transisi adalah:

1. n=2, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=2, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½
3. n=3, ℓ=2, m_ℓ=+1, m_s=+½
4. n=2, ℓ=1, m_ℓ=+1, m_s=+½
5. Semua opsi di atas mungkin benar

Jawaban benar: E

Setelah transisi ke n=2, elektron bisa berada di:

• Orbital 2s (ℓ=0, m_ℓ=0) dengan m_s=±½
• Orbital 2p (ℓ=1, m_ℓ=-1,0,+1) dengan m_s=±½

Analisis opsi:

• A: Valid (2p_z dengan spin up)
• B: Valid (2s dengan spin down)
• D: Valid (2p_x dengan spin up)
• C: Salah karena n harus=2 setelah transisi

Karena ada beberapa kemungkinan, jawaban E paling tepat.

Soal 31: Bilangan Kuantum pada Keadaan Terlarang

Manakah dari berikut ini yang tidak mungkin menjadi bilangan kuantum elektron dalam atom?

1. n=2, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=3, ℓ=2, m_ℓ=+3, m_s=-½
3. n=1, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
4. n=4, ℓ=3, m_ℓ=-2, m_s=+½
5. n=3, ℓ=1, m_ℓ=-1, m_s=-½

Jawaban benar: B

Alasan: Nilai m_ℓ harus memenuhi -ℓ ≤ m_ℓ ≤ +ℓ.

• Opsi B: ℓ=2 tetapi m_ℓ=+3 (melanggar aturan, maksimal m_ℓ=+2)

Opsi lain valid:

• A: 2p_z (n=2, ℓ=1)
• C: 1s (n=1, ℓ=0)
• D: 4f (n=4, ℓ=3)
• E: 3p_y (n=3, ℓ=1)

Soal 32: Bilangan Kuantum Elektron pada Logam Alkali

Atom kalium (K, Z=19) dalam keadaan dasar memiliki elektron terluar di orbital 4s. Bilangan kuantum elektron tersebut adalah:

1. n=4, ℓ=0, m_ℓ=1, m_s=+½
2. n=3, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=-½
3. n=4, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
4. n=4, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½
5. n=3, ℓ=2, m_ℓ=+1, m_s=-½

Jawaban benar: C

Konfigurasi K: [Ar] 4s¹

Bilangan kuantum elektron 4s¹:

• n=4 (kulit keempat)
• ℓ=0 (orbital s)
• m_ℓ=0 (orbital s hanya punya 1 orientasi)
• m_s=+½ atau -½ (opsi C memenuhi +½)

Mengapa bukan opsi lain:

• A: m_ℓ=1 tidak mungkin untuk ℓ=0
• B: n=3 bukan elektron terluar
• D: ℓ=1 salah (harus ℓ=0 untuk orbital s)

Soal 33: Bilangan Kuantum pada Elektron yang Dilepaskan

Jika atom magnesium (Mg, Z=12) melepaskan 2 elektron membentuk ion Mg²⁺, bilangan kuantum elektron yang dilepaskan terakhir adalah:

1. n=3, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=2, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=-½
3. n=3, ℓ=1, m_ℓ=+1, m_s=+½
4. n=3, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½
5. n=2, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½

Jawaban benar: A

Konfigurasi Mg: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²

Elektron yang dilepaskan adalah dari orbital 3s (kulit terluar), dengan bilangan kuantum:

• n=3
• ℓ=0
• m_ℓ=0
• m_s=+½ atau -½ (opsi A memenuhi +½)

Catatan: Elektron kedua yang dilepaskan juga dari 3s dengan spin berlawanan (m_s=-½), tetapi soal menanyakan yang "terakhir" (masih tersisa di opsi D). Namun berdasarkan urutan pelepasan, opsi A lebih tepat.

Soal 34: Bilangan Kuantum Elektron pada Orbital d

Suatu elektron dalam orbital 3d memiliki bilangan kuantum m_ℓ = +2. Bilangan kuantum lengkap yang mungkin untuk elektron tersebut adalah:

1. n=3, ℓ=2, m_ℓ=+2, m_s=+½
2. n=3, ℓ=3, m_ℓ=+2, m_s=-½
3. n=4, ℓ=2, m_ℓ=+2, m_s=+½
4. n=3, ℓ=1, m_ℓ=+2, m_s=+½
5. n=2, ℓ=2, m_ℓ=+2, m_s=-½

Jawaban benar: A

Untuk orbital 3d:

• n=3 (kulit ketiga)
• ℓ=2 (orbital d)
• m_ℓ=+2 valid (rentang -2 ≤ m_ℓ ≤ +2)
• m_s=±½ (opsi A memenuhi +½)

Analisis opsi lain:

• B: ℓ=3 salah (harus ℓ=2 untuk orbital d)
• C: n=4 salah (harus n=3)
• D: ℓ=1 salah (orbital p)
• E: n=2 salah (kulit kedua tidak memiliki orbital d)

Soal 35: Bilangan Kuantum setelah Penyerapan Energi

Atom hidrogen (Z=1) menyerap energi sehingga elektron berpindah dari n=1 ke n=4. Bilangan kuantum yang mungkin untuk elektron setelah penyerapan energi adalah:

1. n=4, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=4, ℓ=2, m_ℓ=+1, m_s=-½
3. n=4, ℓ=3, m_ℓ=+2, m_s=+½
4. Semua opsi di atas mungkin benar
5. Tidak dapat ditentukan tanpa informasi tambahan

Jawaban benar: D

Pada n=4, elektron bisa berada di:

• 4s (ℓ=0, m_ℓ=0) → Opsi A
• 4p (ℓ=1, m_ℓ=-1,0,+1)
• 4d (ℓ=2, m_ℓ=-2,...,+2) → Opsi B
• 4f (ℓ=3, m_ℓ=-3,...,+3) → Opsi C

Karena semua keadaan mungkin, jawaban D paling tepat.

Soal 36: Bilangan Kuantum pada Ion Kompleks

Dalam ion kompleks [Co(H₂O)₆]³⁺, bilangan kuantum untuk elektron tak berpasangan di orbital 3d adalah:

1. n=3, ℓ=2, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=4, ℓ=2, m_ℓ=+2, m_s=-½
3. n=3, ℓ=1, m_ℓ=+1, m_s=+½
4. n=3, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½
5. n=4, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½

Jawaban benar: A

Konfigurasi Co³⁺: [Ar] 3d⁶ (high-spin):

3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓ (4 elektron tak berpasangan)

Bilangan kuantum yang mungkin:

• n=3, ℓ=2 (orbital d)
• m_ℓ=-2,-1,0,+1,+2
• m_s=+½ untuk elektron tak berpasangan (opsi A)

Soal 37: Bilangan Kuantum Elektron pada Keadaan Dasar vs Eksitasi

Perhatikan pernyataan berikut tentang atom oksigen (Z=8):

1. Pada keadaan dasar, elektron terluarnya memiliki n=2 dan ℓ=1
2. Pada keadaan eksitasi (2p³3s¹), salah satu elektron bisa memiliki n=3 dan ℓ=0
3. Baik keadaan dasar maupun eksitasi, nilai m_s selalu +½
4. Pernyataan 1 dan 2 benar
5. Semua pernyataan benar

Jawaban benar: D

Analisis:

• Pernyataan 1: Benar (2p⁴ → n=2, ℓ=1)
• Pernyataan 2: Benar (3s¹ → n=3, ℓ=0)
• Pernyataan 3: Salah (m_s bisa +½ atau -½)

Jadi, pernyataan 1 dan 2 benar (opsi D).

Soal 38: Bilangan Kuantum dan Prinsip Larangan Pauli

Dalam atom helium (He, Z=2) keadaan dasar, kedua elektron memiliki:

1. n=1, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
2. n=1, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½
3. n=1, ℓ=1, m_ℓ=0, m_s=+½
4. A dan B benar
5. A, B, dan C benar

Jawaban benar: D

Konfigurasi He: 1s²

Bilangan kuantum kedua elektron:

• n=1, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½ (elektron pertama)
• n=1, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½ (elektron kedua)

Prinsip Pauli: Kedua elektron tidak boleh memiliki keempat bilangan kuantum yang sama persis (spin harus berbeda).

Soal 39: Bilangan Kuantum pada Unsur Golongan Utama

Atom fluor (F, Z=9) dalam keadaan dasar memiliki elektron valensi dengan bilangan kuantum:

1. n=2, ℓ=1, m_ℓ=+1, m_s=+½
2. n=2, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=-½
3. n=1, ℓ=0, m_ℓ=0, m_s=+½
4. A dan B benar
5. A, B, dan C benar

Jawaban benar: D

Konfigurasi F: 1s² 2s² 2p⁵

Elektron valensi di 2p⁵:

2p: ↑↓ ↑↓ ↑ (satu elektron tak berpasangan)

Bilangan kuantum yang mungkin:

• n=2, ℓ=1, m_ℓ=±1/0, m_s=±½ (opsi A untuk m_ℓ=+1)
• Elektron 2s (n=2, ℓ=0) juga termasuk valensi (opsi B)
• Opsi C bukan elektron valensi (kulit dalam)

Soal 40: Bilangan Kuantum pada Efek Zeeman

Ketika atom ditempatkan dalam medan magnet kuat, orbital dengan m_ℓ=+1 akan:

1. Memiliki energi lebih tinggi daripada m_ℓ=0
2. Memiliki energi lebih rendah daripada m_ℓ=-1
3. Energinya sama dengan m_ℓ=0
4. A dan B benar
5. Tidak ada yang benar

Jawaban benar: D

Efek Zeeman: Medan magnet menyebabkan pemisahan tingkat energi berdasarkan m_ℓ:

• m_ℓ=+1: energi meningkat
• m_ℓ=0: tidak berubah
• m_ℓ=-1: energi menurun

Jadi:

• Pernyataan A benar (+1 > 0)
• Pernyataan B benar (+1 > -1)
• Pernyataan C salah