Soal 1: Lampu Neon dan Konfigurasi Elektron
Lampu neon yang digunakan di papan iklan bekerja berdasarkan eksitasi elektron pada atom neon. Jelaskan bagaimana konfigurasi elektron neon (Ne, Z=10) berperan dalam proses emisi cahaya ini, dan bandingkan dengan atom helium (He, Z=2). Mengapa helium kurang efisien untuk tujuan ini?
Konfigurasi elektron neon: 1s² 2s² 2p⁶ (kulit penuh, stabil). Ketika diberi energi listrik, elektron pada 2p tereksitasi ke tingkat energi lebih tinggi, lalu kembali ke keadaan dasar sambil memancarkan cahaya (foton). Helium (1s²) memiliki hanya satu kulit yang penuh, sehingga transisi elektronnya terbatas dan menghasilkan energi cahaya yang kurang bervariasi dibandingkan neon. Neon lebih efisien karena memiliki lebih banyak tingkat energi yang dapat dieksitasi.
Soal 2: Isotop Karbon di Arkeologi
Arkeolog menggunakan karbon-14 (C-14) untuk menentukan usia fosil. Jelaskan perbedaan struktur atom karbon-12 dan karbon-14, serta bagaimana perbedaan ini memengaruhi peluruhan radioaktif yang digunakan dalam penanggalan karbon.
Karbon-12 (6 proton, 6 neutron) stabil, sedangkan karbon-14 (6 proton, 8 neutron) tidak stabil karena jumlah neutron berlebih. Perbedaan ini menyebabkan C-14 meluruh secara radioaktif melalui emisi beta (neutron → proton + elektron), berubah menjadi nitrogen-14. Waktu paruh C-14 (~5730 tahun) memungkinkan penanggalan fosil berdasarkan rasio C-14/C-12.
Soal 3: Spektroskopi dan Matahari
Sinar matahari dianalisis menggunakan spektroskopi untuk mengidentifikasi unsur-unsur di fotosfer. Hidrogen menunjukkan garis spektral pada panjang gelombang tertentu. Jelaskan hubungan antara struktur atom hidrogen dan garis spektral yang dihasilkan.
Struktur atom hidrogen (1 proton, 1 elektron) menghasilkan tingkat energi diskrit (n=1, n=2, dst.). Transisi elektron antar tingkat energi (misalnya dari n=2 ke n=1) menghasilkan emisi foton dengan panjang gelombang spesifik (seri Lyman, Balmer, dll.), yang terdeteksi sebagai garis spektral.
Rekomendasi gambar: Spektrum Hidrogen
Soal 4: Logam Alkali dalam Baterai
Litium digunakan dalam baterai karena sifat reaktifnya. Bandingkan struktur atom litium (Li, Z=3) dan natrium (Na, Z=11), lalu jelaskan mengapa litium lebih cocok untuk baterai isi ulang.
Litium (1s² 2s¹) dan natrium (1s² 2s² 2p⁶ 3s¹) sama-sama memiliki 1 elektron valensi, tetapi litium lebih kecil (jari-jari atom kecil) dan memiliki potensial ionisasi lebih rendah, sehingga lebih mudah melepaskan elektron dalam reaksi redoks baterai. Ukuran kecilnya juga memungkinkan penyimpanan energi yang lebih padat.
Soal 5: Ozon dan Ikatan Kovalen
Molekul ozon (O₃) melindungi Bumi dari radiasi UV. Jelaskan bagaimana konfigurasi elektron atom oksigen (O, Z=8) memungkinkan pembentukan struktur resonansi pada ozon.
Oksigen (1s² 2s² 2p⁴) memiliki 6 elektron valensi. Dalam O₃, dua struktur resonansi (O=O⁻-O⁺ dan O⁺-O⁻=O) terbentuk karena delokalisasi elektron p pada ikatan kovalen, memberikan stabilitas ekstra pada molekul.
Rekomendasi gambar: Struktur Resonansi Ozon
Soal 6: Fusi Nuklir di Matahari
Matahari menghasilkan energi melalui fusi nuklir hidrogen menjadi helium. Jelaskan perubahan struktur atom yang terjadi selama proses ini dan mengapa energi dilepaskan.
Dua inti hidrogen-1 (1 proton) bergabung membentuk helium-4 (2 proton, 2 neutron) melalui rantai proton-proton. Massa produk sedikit lebih kecil dari reaktan; selisih massa ini dikonversi menjadi energi sesuai E=mc², karena ikatan nuklir helium lebih kuat.
Soal 7: Efek Kuantum dalam LED
LED menggunakan semikonduktor seperti galium arsenida (GaAs). Jelaskan bagaimana struktur atom galium (Ga, Z=31) dan arsen (As, Z=33) berkontribusi pada sifat kuantum yang menghasilkan cahaya.
Galium (4s² 4p¹) dan arsen (4s² 4p³) membentuk ikatan kovalen dalam GaAs. Elektron valensi membentuk pita energi; eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi diikuti relaksasi menghasilkan emisi foton (cahaya), yang ditentukan oleh celah pita energi GaAs.
Soal 8: Polusi Udara dan Nomor Kuantum
Polutan seperti nitrogen dioksida (NO₂) di udara berasal dari pembakaran bahan bakar. Jelaskan konfigurasi elektron nitrogen (N, Z=7) dan oksigen (O, Z=8) dalam NO₂, serta tentukan bilangan kuantum elektron valensi nitrogen.
Nitrogen (1s² 2s² 2p³), oksigen (1s² 2s² 2p⁴). Dalam NO₂, N berikatan dengan dua O, elektron valensi N di 2p memiliki bilangan kuantum: n=2 (kulit), l=1 (subkulit p), m_l=0,±1 (orbital), m_s=±1/2 (spin).
Soal 9: Penyaring Air dan Ion Kalsium
Penyaring air sering menghilangkan ion kalsium (Ca²⁺) untuk mencegah kerak. Tulis konfigurasi elektron kalsium (Ca, Z=20) sebelum dan sesudah menjadi ion, lalu jelaskan mengapa kalsium cenderung membentuk ion +2.
Ca: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². Ca²⁺: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Kalsium kehilangan 2 elektron dari 4s untuk mencapai konfigurasi gas mulia (Ar), yang stabil, sehingga membentuk ion +2.
Soal 10: Magnetisme dan Struktur Atom Besi
Besi (Fe, Z=26) digunakan dalam magnet karena sifat feromagnetiknya. Jelaskan bagaimana konfigurasi elektron besi, khususnya pada subkulit d, berkontribusi pada sifat ini.
Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Elektron pada 3d (6 elektron, tidak penuh) memiliki spin yang tidak berpasangan, menciptakan momen magnetik. Interaksi antar atom besi memperkuat efek feromagnetik.
Soal 11: Emas dan Jari-jari Atom
Emas (Au, Z=79) dikenal tahan korosi dan lunak. Bandingkan jari-jari atom emas dengan tembaga (Cu, Z=29) dalam satu golongan, lalu jelaskan pengaruh efek relativistik pada sifat emas.
Cu: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹; Au: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Jari-jari Au lebih kecil dari perkiraan karena efek relativistik: elektron 6s bergerak cepat dekat inti (Z besar), meningkatkan massa efektif dan kontraksi orbital, membuat Au lebih padat dan tahan korosi.
Soal 12: Fluorida dalam Pasta Gigi
Fluorida (F⁻) dalam pasta gigi memperkuat email gigi. Tulis konfigurasi elektron fluor (F, Z=9) dan ionnya, lalu jelaskan mengapa fluor cenderung menangkap elektron.
F: 1s² 2s² 2p⁵; F⁻: 1s² 2s² 2p⁶. Fluor hanya kekurangan 1 elektron untuk mencapai konfigurasi stabil Ne, sehingga memiliki elektronegativitas tinggi dan cenderung menangkap elektron.
Soal 13: Laser dan Eksitasi Elektron
Laser helium-neon menggunakan eksitasi elektron. Jelaskan bagaimana struktur atom neon (Ne, Z=10) mendukung proses stimulasi emisi dalam laser ini.
Ne: 1s² 2s² 2p⁶. Elektron Ne dieksitasi oleh tumbukan dengan He ke tingkat energi lebih tinggi (misalnya 5s), lalu kembali ke 3p sambil memancarkan foton koheren. Populasi inversi antara tingkat energi memungkinkan stimulasi emisi.
Rekomendasi gambar: Diagram Tingkat Energi He-Ne Laser
Soal 14: Sinar-X dan Nomor Atom
Sinar-X dihasilkan ketika elektron berenergi tinggi menabrak target logam seperti tungsten (W, Z=74). Jelaskan bagaimana nomor atom tungsten memengaruhi energi sinar-X yang dihasilkan.
W: [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². Nomor atom besar (Z=74) berarti inti memiliki muatan besar, sehingga elektron kulit dalam (misalnya 1s) terikat kuat. Transisi elektron dari kulit luar ke dalam menghasilkan foton sinar-X dengan energi tinggi (E ∝ Z²).
Soal 15: Kembang Api dan Warna
Kembang api berwarna hijau menggunakan barium (Ba, Z=56). Jelaskan bagaimana struktur atom barium menghasilkan emisi cahaya hijau saat dipanaskan.
Ba: [Xe] 6s². Panas mengeksitasi elektron 6s ke tingkat lebih tinggi (misalnya 6p). Saat kembali ke keadaan dasar, energi dilepaskan sebagai foton dengan panjang gelombang ~510 nm (hijau), sesuai dengan perbedaan tingkat energi.
Soal 16: Superkonduktor dan Elektron Pasangan
Superkonduktor seperti yttrium (Y, Z=39) dalam YBCO bekerja pada suhu rendah. Jelaskan bagaimana konfigurasi elektron yttrium berkontribusi pada pembentukan pasangan Cooper.
Y: [Kr] 4d¹ 5s². Elektron valensi (4d dan 5s) dapat berpindah bebas dalam struktur kristal YBCO. Pada suhu rendah, elektron berpasangan (pasangan Cooper) melalui interaksi dengan getaran kisi, memungkinkan konduktivitas tanpa hambatan.
Soal 17: Panel Surya dan Silikon
Panel surya menggunakan silikon (Si, Z=14) sebagai semikonduktor. Jelaskan bagaimana konfigurasi elektron silikon mendukung pembentukan efek fotovoltaik.
Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p². Silikon memiliki 4 elektron valensi yang membentuk ikatan kovalen dalam kisi kristal. Cahaya matahari memutuskan ikatan ini, membebaskan elektron dan meninggalkan lubang, menciptakan arus listrik melalui efek fotovoltaik.
Soal 18: Penyakit Anemia dan Besi
Besi (Fe, Z=26) dalam hemoglobin mengikat oksigen. Jelaskan perubahan konfigurasi elektron besi saat membentuk ion Fe²⁺ dalam hemoglobin dan pengaruhnya pada fungsi biologis.
Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²; Fe²⁺: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶. Kehilangan 2 elektron 4s memungkinkan Fe²⁺ berkoordinasi dengan oksigen melalui elektron 3d, mendukung transportasi oksigen dalam darah.
Soal 19: Pewarna Makanan dan Titanium
Titanium dioksida (TiO₂) digunakan sebagai pewarna putih pada makanan. Jelaskan bagaimana struktur atom titanium (Ti, Z=22) memengaruhi sifat optik senyawa ini.
Ti: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s². Dalam TiO₂, Ti⁴⁺ (3d⁰) tidak memiliki elektron d untuk transisi warna, sehingga memantulkan semua cahaya tampak, menghasilkan warna putih.
Soal 20: Reaktor Nuklir dan Uranium
Uranium-235 (U-235) digunakan dalam reaktor nuklir. Jelaskan perbedaan struktur atom U-235 dan U-238, serta bagaimana perbedaan ini memengaruhi fisi nuklir.
U-235: 92 proton, 143 neutron; U-238: 92 proton, 146 neutron. U-235 lebih mudah berfisi karena intinya kurang stabil (rasio neutron/proton lebih rendah), sehingga menyerap neutron lambat dan terbelah menghasilkan energi.
Soal 21: Kamera Digital dan Selenium
Selenium (Se, Z=34) digunakan pada sensor kamera digital. Jelaskan bagaimana konfigurasi elektron selenium mendukung sifat fotokonduktif-nya.
Se: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. Elektron 4p dapat tereksitasi oleh cahaya ke pita konduksi, meningkatkan konduktivitas listrik (fotokonduktivitas), yang mendeteksi intensitas cahaya pada sensor.
Soal 22: Pengolahan Air dan Klorin
Klorin (Cl, Z=17) digunakan untuk mendisinfeksi air. Tulis konfigurasi elektron klorin dan jelaskan mengapa klorin sangat reaktif dalam membunuh bakteri.
Cl: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Dengan 7 elektron valensi, Cl sangat elektronegatif dan cenderung menangkap 1 elektron atau berbagi pasangan elektron, membentuk senyawa oksidator kuat yang membunuh bakteri.
Soal 23: Penghantar Listrik dan Tembaga
Tembaga (Cu, Z=29) digunakan sebagai kabel listrik. Jelaskan bagaimana struktur atom tembaga mendukung konduktivitas listrik yang tinggi.
Cu: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹. Elektron 4s tunggal mudah bergerak bebas dalam kisi logam, memungkinkan aliran listrik yang efisien. Subkulit 3d penuh memberikan stabilitas struktur.
Soal 24: Termometer dan Merkuri
Merkuri (Hg, Z=80) digunakan dalam termometer karena sifat cairnya. Jelaskan bagaimana konfigurasi elektron merkuri memengaruhi titik leleh rendahnya.
Hg: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s². Efek relativistik menyebabkan kontraksi orbital 6s, mengurangi tumpang tindih (overlap) antar atom dalam kisi, sehingga ikatan logam lemah dan Hg cair pada suhu rendah.
Soal 25: Pemutih dan Natrium
Natrium hipoklorit (NaClO) digunakan sebagai pemutih. Jelaskan perubahan struktur atom natrium (Na, Z=11) saat membentuk ion Na⁺ dalam senyawa ini.
Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹; Na⁺: 1s² 2s² 2p⁶. Natrium kehilangan 1 elektron 3s untuk mencapai konfigurasi stabil Ne, membentuk ikatan ion dengan ClO⁻, yang bertindak sebagai oksidator dalam pemutihan.
Referensi utama soal: Kimia, Raymond Chang, Edisi-13, 2019.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar