Struktur Atom dan Konfigurasi Elektron: Partikel Atom, Isotop, Aufbau, Hund, dan Letak Unsur

Atom adalah satuan terkecil penyusun materi yang masih membawa sifat suatu unsur. Sebutir garam dapur saja berisi sekitar 10²¹ atom natrium dan klorin. Ukurannya memang sangat kecil, tetapi susunan di dalamnya menentukan hampir semua hal di kimia: kenapa natrium mudah bereaksi, kenapa gas neon "malas" berikatan, sampai kenapa unsur-unsur bisa disusun rapi dalam tabel periodik.

Di catatan ini kita bongkar isi atom dari luar ke dalam: partikel penyusunnya, cara membaca lambang ^A_ZX, isotop dan kawan-kawannya, sejarah singkat model atom, lalu bagian yang paling sering keluar di ulangan dan UTBK, yaitu konfigurasi elektron dan cara memakainya untuk menentukan letak unsur di tabel periodik.

Setelah membaca catatan ini, kamu bisa:

• Menghitung jumlah proton, neutron, dan elektron dari lambang atom maupun ion.
• Membedakan isotop, isobar, dan isoton.
• Menjelaskan perkembangan model atom dari Dalton sampai mekanika kuantum beserta kelemahannya.
• Menulis konfigurasi elektron per kulit dan per subkulit dengan aturan Aufbau, Pauli, dan Hund.
• Menentukan bilangan kuantum elektron terakhir serta golongan dan periode unsur.

Partikel Penyusun Atom: Proton, Neutron, dan Elektron

Atom tersusun dari inti atom yang sangat kecil di tengah dan elektron yang bergerak di sekelilingnya. Inti atom berisi proton dan neutron, yang bersama-sama disebut nukleon. Hampir seluruh massa atom terkumpul di inti, padahal volumenya cuma sebagian sangat kecil dari volume atom. Kalau atom sebesar stadion, intinya kira-kira sebesar kelereng di tengah lapangan.

Partikel	Lambang	Muatan	Massa (sma)	Lokasi	Penemu
Proton	11p	+1	≈ 1,0073	inti atom	Goldstein (sinar kanal), dipastikan Rutherford
Neutron	10n	0	≈ 1,0087	inti atom	James Chadwick (1932)
Elektron	0−1e	−1	≈ 0,00055	kulit atom	J.J. Thomson (1897)

Massa elektron sekitar 1/1836 massa proton, jadi dalam perhitungan massa atom, elektron biasanya diabaikan. Atom yang netral selalu punya jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga muatan positif dan negatifnya saling meniadakan.

Nomor Atom, Nomor Massa, dan Notasi Unsur

Nomor atom (Z) adalah jumlah proton di inti. Nomor inilah "KTP" sebuah unsur: semua atom dengan 6 proton pasti karbon, dan semua atom dengan 8 proton pasti oksigen. Nomor massa (A) adalah jumlah proton ditambah neutron. Keduanya ditulis bersama lambang unsur dalam notasi berikut.

^A_ZX     A = p + n     Z = p

jumlah neutron: n = A − Z     atom netral: e = p = Z

Contoh: ²³₁₁Na berarti natrium punya 11 proton, 11 elektron, dan 23 − 11 = 12 neutron.

Ion: atom yang melepas atau menerima elektron

Saat bereaksi, atom bisa melepas atau menangkap elektron, tetapi jumlah protonnya tidak berubah. Atom yang melepas elektron menjadi kation (ion positif), sedangkan yang menerima elektron menjadi anion (ion negatif).

ion X^m+: e = Z − m     ion X^m−: e = Z + m

Cara mengingat: tanda muatan ion "berlawanan" dengan perubahan elektronnya. Muatan positif berarti elektronnya berkurang, muatan negatif berarti elektronnya bertambah. Neutron tidak ikut berubah sama sekali.

Tentukan jumlah proton, neutron, dan elektron pada ⁵⁶₂₆Fe³⁺ dan ³²₁₆S²⁻.

Lihat pembahasan

Fe³⁺: p = Z = 26; n = 56 − 26 = 30; ion bermuatan 3+ berarti melepas 3 elektron, jadi e = 26 − 3 = 23. Hasil: 26 p, 30 n, 23 e.

S²⁻: p = 16; n = 32 − 16 = 16; ion bermuatan 2− berarti menerima 2 elektron, jadi e = 16 + 2 = 18. Hasil: 16 p, 16 n, 18 e.

Isotop, Isobar, dan Isoton

Atom-atom bisa "mirip" satu sama lain dalam tiga cara. Hafalkan dengan melihat huruf yang sama di setiap istilah:

• Isotop: nomor atom (jumlah proton) sama, nomor massa berbeda. Contoh: ¹²₆C, ¹³₆C, dan ¹⁴₆C. Isotop adalah unsur yang sama, jadi sifat kimianya hampir sama.
• Isobar: nomor massa sama, nomor atom berbeda. Contoh: ¹⁴₆C dan ¹⁴₇N. Ingat "bar" seperti barbel, yang sama adalah beratnya.
• Isoton: jumlah neutron sama. Contoh: ¹⁴₆C (n = 8) dan ¹⁶₈O (n = 8). Huruf "n" pada isoton mengingatkan pada neutron.

Ada juga istilah isoelektron, yaitu spesi dengan jumlah elektron sama, misalnya Na⁺, Ne, dan F⁻ yang sama-sama punya 10 elektron.

Diberikan atom ¹⁴₆C, ¹²₆C, ¹⁴₇N, ¹⁵₇N, dan ¹⁶₈O. Kelompokkan pasangan yang merupakan isotop, isobar, dan isoton.

Lihat pembahasan

Hitung dulu neutron masing-masing: ¹⁴C = 8, ¹²C = 6, ¹⁴N = 7, ¹⁵N = 8, ¹⁶O = 8.

Isotop (Z sama): ¹²C dengan ¹⁴C, serta ¹⁴N dengan ¹⁵N.

Isobar (A sama): ¹⁴C dengan ¹⁴N.

Isoton (n = 8): ¹⁴C, ¹⁵N, dan ¹⁶O.

Perkembangan Model Atom

Tidak ada yang pernah "melihat" atom seperti melihat bola. Model atom adalah gambaran yang terus diperbaiki setiap kali ada eksperimen baru yang tidak bisa dijelaskan model sebelumnya.

Model	Gagasan utama	Kelemahan
Dalton (1803)	Atom berupa bola pejal yang tidak dapat dibagi lagi; atom unsur yang sama identik.	Tidak bisa menjelaskan sifat listrik materi; ternyata atom punya partikel lebih kecil.
Thomson (1904)	Bola bermuatan positif dengan elektron tersebar di dalamnya, mirip roti kismis.	Tidak cocok dengan hasil percobaan hamburan sinar alfa.
Rutherford (1911)	Muatan positif dan hampir seluruh massa terpusat di inti kecil; elektron mengelilingi inti. Didasarkan pada percobaan lempeng emas tipis.	Menurut fisika klasik, elektron yang mengitari inti akan kehilangan energi dan jatuh ke inti.
Bohr (1913)	Elektron beredar pada lintasan (kulit) dengan tingkat energi tertentu tanpa memancarkan energi; elektron menyerap atau memancarkan energi saat pindah kulit.	Hanya cocok untuk atom berelektron tunggal seperti hidrogen.
Mekanika kuantum (1926)	Posisi elektron tidak bisa dipastikan; yang ada hanya peluang menemukan elektron di suatu ruang yang disebut orbital (Schrödinger, de Broglie, Heisenberg).	Model yang dipakai sampai sekarang.

Percobaan Rutherford patut diingat: sebagian besar sinar alfa menembus lempeng emas tanpa belok, artinya atom sebagian besar ruang kosong. Sebagian kecil dibelokkan, bahkan dipantulkan balik, artinya ada inti kecil yang padat dan bermuatan positif.

Konfigurasi Elektron Berdasarkan Kulit

Konfigurasi elektron adalah susunan elektron dalam atom. Cara paling sederhana mengikuti model Bohr: elektron mengisi kulit K, L, M, N, O, P, Q (n = 1, 2, 3, ...) mulai dari yang paling dekat ke inti.

jumlah elektron maksimum pada kulit ke-n = 2n²

K = 2    L = 8    M = 18    N = 32

Untuk unsur golongan utama (golongan A), tambahkan aturan praktis ini: kulit terluar paling banyak berisi 8 elektron. Jika sisa elektron belum muat di satu kulit, isi kulit itu dengan 18 bila sisanya ≥ 18, atau dengan 8 bila sisanya di antara 8 dan 18, lalu sisanya pindah ke kulit berikutnya.

Elektron di kulit terluar disebut elektron valensi. Elektron inilah yang terlibat dalam reaksi dan ikatan kimia, dan jumlahnya sama dengan nomor golongan A.

Tuliskan konfigurasi elektron per kulit dan elektron valensi untuk ₁₉K, ₃₅Br, dan ₃₈Sr.

Lihat pembahasan

₁₉K: K = 2, L = 8, sisa 9. Sisa 9 lebih dari 8 tetapi kurang dari 18, jadi M diisi 8 dan sisa 1 ke N. Konfigurasi 2 8 8 1, elektron valensi 1.

₃₅Br: 2, 8, sisa 25. Karena 25 ≥ 18, M diisi 18, sisa 7 ke N. Konfigurasi 2 8 18 7, elektron valensi 7.

₃₈Sr: 2, 8, sisa 28 → M = 18, sisa 10 → N = 8, sisa 2 → O = 2. Konfigurasi 2 8 18 8 2, elektron valensi 2.

Konfigurasi Elektron Berdasarkan Subkulit

Model mekanika kuantum membagi setiap kulit menjadi subkulit s, p, d, dan f. Setiap subkulit terdiri atas sejumlah orbital, dan satu orbital paling banyak berisi 2 elektron.

Subkulit	Jumlah orbital	Elektron maksimum	Mulai muncul di kulit
s	1	2	n = 1
p	3	6	n = 2
d	5	10	n = 3
f	7	14	n = 4

Aturan Aufbau

Elektron mengisi subkulit mulai dari tingkat energi terendah. Urutannya tidak sekadar 1, 2, 3 per kulit, karena subkulit 4s ternyata berenergi lebih rendah daripada 3d. Cara termudah mengingatnya adalah diagram panah diagonal berikut.

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

Untuk menyingkat, konfigurasi boleh ditulis memakai lambang gas mulia sebelumnya: [He] = 2 elektron, [Ne] = 10, [Ar] = 18, [Kr] = 36, [Xe] = 54. Contoh: ₁₁Na = 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ = [Ne] 3s¹.

Larangan Pauli

Tidak ada dua elektron dalam satu atom yang keempat bilangan kuantumnya sama. Akibatnya, satu orbital hanya bisa diisi dua elektron dengan spin berlawanan (digambar ↑↓).

Aturan Hund

Pada orbital-orbital yang tingkat energinya sama (misalnya tiga orbital 2p), elektron mengisi orbital kosong satu per satu dengan spin searah dulu, baru kemudian berpasangan. Mirip penumpang bus yang lebih memilih kursi kosong daripada duduk berdempetan. Contoh: ₇N dengan 2p³ diisi ↑ | ↑ | ↑, bukan ↑↓ | ↑ | kosong.

Pengecualian: kromium dan tembaga

Subkulit d yang setengah penuh (d⁵) atau penuh (d¹⁰) lebih stabil. Karena itu, satu elektron 4s "pindah" ke 3d:

• ₂₄Cr: bukan [Ar] 4s² 3d⁴, melainkan [Ar] 4s¹ 3d⁵.
• ₂₉Cu: bukan [Ar] 4s² 3d⁹, melainkan [Ar] 4s¹ 3d¹⁰.

Untuk ion logam transisi, elektron dilepas dari kulit terluar dulu (4s), bukan dari subkulit yang terakhir diisi (3d). Jadi Fe²⁺ = [Ar] 3d⁶, bukan [Ar] 4s² 3d⁴.

Tuliskan konfigurasi elektron subkulit ₂₆Fe dan ion Fe³⁺.

Lihat pembahasan

Isi 26 elektron sesuai urutan Aufbau: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ (total 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 6 = 26). Disingkat: ₂₆Fe = [Ar] 4s² 3d⁶.

Fe³⁺ melepas 3 elektron: 2 dari 4s (kulit terluar) dan 1 dari 3d. Hasilnya Fe³⁺ = [Ar] 3d⁵, subkulit d setengah penuh. Itulah sebabnya Fe³⁺ cukup stabil.

Bilangan Kuantum

Posisi setiap elektron dalam atom bisa "dialamatkan" dengan empat bilangan kuantum, mirip alamat rumah: kota, kecamatan, jalan, dan nomor rumah.

Bilangan kuantum	Menyatakan	Nilai yang mungkin
Utama (n)	kulit	1, 2, 3, ... (K = 1, L = 2, M = 3, ...)
Azimut (l)	subkulit	0 sampai (n − 1); s = 0, p = 1, d = 2, f = 3
Magnetik (m)	orbital	−l sampai +l; misal p: −1, 0, +1
Spin (s)	arah putar elektron	+½ (panah ke atas) atau −½ (panah ke bawah)

Untuk menentukan bilangan kuantum elektron terakhir, gambar diagram orbital subkulit terakhir, beri nomor m dari kiri (−l) ke kanan (+l), isi sesuai aturan Hund, lalu lihat di kotak mana elektron terakhir jatuh.

Tentukan keempat bilangan kuantum elektron terakhir atom ₁₆S.

Lihat pembahasan

₁₆S = [Ne] 3s² 3p⁴. Subkulit terakhir 3p⁴, jadi n = 3 dan l = 1.

Diagram orbital 3p (m = −1, 0, +1): elektron ke-1 sampai ke-3 mengisi ↑ | ↑ | ↑, lalu elektron ke-4 berpasangan di kotak pertama: ↑↓ | ↑ | ↑. Elektron terakhir ada di kotak m = −1 dengan arah ke bawah.

Jadi n = 3, l = 1, m = −1, s = −½.

Menentukan Golongan dan Periode dari Konfigurasi Elektron

Tabel periodik sebenarnya adalah "peta" konfigurasi elektron. Letak unsur bisa dibaca langsung dari konfigurasinya:

• Periode = bilangan kuantum utama (n) terbesar dalam konfigurasi.
• Golongan A: konfigurasi berakhir di subkulit s atau p. Nomor golongan = jumlah elektron ns + np.
• Golongan B: konfigurasi berakhir di subkulit d. Jumlahkan elektron ns + (n−1)d: 3 → IIIB, 4 → IVB, 5 → VB, 6 → VIB, 7 → VIIB, 8 sampai 10 → VIIIB, 11 → IB, 12 → IIB.

periode = n terbesar     golongan A = e(ns + np)     golongan B = e(ns + (n−1)d)

Tentukan golongan dan periode unsur ₁₇Cl, ₂₅Mn, dan ₃₅Br.

Lihat pembahasan

₁₇Cl = [Ne] 3s² 3p⁵. Berakhir di p, n terbesar 3, elektron valensi 2 + 5 = 7. Jadi golongan VIIA, periode 3.

₂₅Mn = [Ar] 4s² 3d⁵. Berakhir di d, n terbesar 4, jumlah 4s + 3d = 2 + 5 = 7. Jadi golongan VIIB, periode 4.

₃₅Br = [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵. Berakhir di p, n terbesar 4, elektron valensi 4s + 4p = 2 + 5 = 7. Jadi golongan VIIA, periode 4. Elektron 3d¹⁰ tidak ikut dihitung karena bukan kulit terluar.

Ion X²⁺ memiliki 18 elektron dan 20 neutron. Tentukan nomor atom, nomor massa, konfigurasi elektron atom X, serta letaknya di tabel periodik.

Lihat pembahasan

X²⁺ sudah melepas 2 elektron, jadi atom netralnya punya 18 + 2 = 20 elektron. Nomor atom Z = 20, nomor massa A = 20 + 20 = 40.

Konfigurasi ₂₀X = [Ar] 4s² (per kulit: 2 8 8 2). Berakhir di s dengan 2 elektron valensi pada n = 4, jadi golongan IIA, periode 4. Unsur ini adalah kalsium.

Kesalahan Umum pada Soal Struktur Atom

1. Mengubah jumlah proton pada ion. Ion hanya berbeda jumlah elektronnya. Proton dan neutron tetap.
2. Lupa urutan 4s sebelum 3d. Menulis 3d sebelum 4s terisi akan membuat konfigurasi K dan Ca salah.
3. Melepas elektron 3d lebih dulu pada ion transisi. Yang dilepas lebih dulu adalah elektron di kulit dengan n terbesar (4s).
4. Memakai aturan kulit "maksimal 8" untuk unsur transisi. Aturan praktis kulit hanya aman untuk golongan A. Untuk unsur transisi, pakai konfigurasi subkulit.
5. Salah menghitung elektron valensi golongan A periode 4 ke atas. Elektron (n−1)d¹⁰ tidak ikut dihitung; cukup ns + np.

Latihan Soal Struktur Atom dan Konfigurasi Elektron

Coba kerjakan dulu tanpa melihat kunci. Kalau masih ragu, lihat kembali diagram Aufbau di atas.

1. Tentukan jumlah proton, neutron, dan elektron pada ion ⁴⁰₂₀Ca²⁺.
   Kunci jawaban

   p = 20, n = 40 − 20 = 20, e = 20 − 2 = 18.

2. Manakah yang merupakan pasangan isoton: ²³₁₁Na, ²⁴₁₂Mg, ²⁴₁₁Na, ²⁵₁₂Mg?
   Kunci jawaban

   Neutron: ²³Na = 12, ²⁴Mg = 12, ²⁴Na = 13, ²⁵Mg = 13. Isoton: ²³Na dengan ²⁴Mg serta ²⁴Na dengan ²⁵Mg.

3. Tuliskan konfigurasi elektron subkulit ₃₀Zn lalu tentukan golongan dan periodenya.
   Kunci jawaban

   ₃₀Zn = [Ar] 4s² 3d¹⁰. Berakhir di d, 2 + 10 = 12 → golongan IIB, periode 4.

4. Tentukan bilangan kuantum elektron terakhir atom ₁₅P.
   Kunci jawaban

   ₁₅P = [Ne] 3s² 3p³ → ↑ | ↑ | ↑, elektron terakhir di m = +1. Jadi n = 3, l = 1, m = +1, s = +½.

5. Suatu unsur memiliki konfigurasi kulit 2 8 18 8 1. Tentukan nomor atom, golongan, dan periodenya.
   Kunci jawaban

   Z = 2 + 8 + 18 + 8 + 1 = 37. Lima kulit → periode 5; 1 elektron valensi → golongan IA (unsur rubidium).

Ringkasan Struktur Atom

Konsep	Inti yang perlu diingat
Notasi AZX	p = Z, n = A − Z, e = Z (netral), Z − m (kation), Z + m (anion)
Isotop / isobar / isoton	Z sama / A sama / n sama
Kulit	maksimum 2n2; kulit terluar golongan A maksimal 8
Subkulit	s 2, p 6, d 10, f 14; isi sesuai Aufbau, Pauli, Hund
Pengecualian	Cr = [Ar] 4s1 3d5, Cu = [Ar] 4s1 3d10
Letak unsur	periode = n terbesar; golongan dari elektron ns + np (A) atau ns + (n−1)d (B)

Pertanyaan yang Sering Ditanyakan

Apa perbedaan kulit, subkulit, dan orbital?

Kulit adalah tingkat energi utama (K, L, M, ...) yang dinyatakan dengan n. Setiap kulit dibagi lagi menjadi subkulit (s, p, d, f), dan setiap subkulit terdiri atas orbital-orbital. Satu orbital adalah ruang tempat paling mungkin menemukan elektron dan hanya bisa diisi maksimal dua elektron.

Kenapa 4s diisi lebih dulu daripada 3d?

Karena tingkat energi subkulit 4s sedikit lebih rendah daripada 3d pada atom-atom awal periode 4. Aturan praktisnya adalah aturan (n + l): subkulit dengan n + l lebih kecil diisi lebih dulu. 4s punya n + l = 4, sedangkan 3d punya n + l = 5.

Apakah konfigurasi boleh ditulis 3d sebelum 4s?

Boleh. Sebagian buku menulis Fe = [Ar] 3d⁶ 4s², yaitu diurutkan berdasarkan kulit, sedangkan buku lain menulis [Ar] 4s² 3d⁶ sesuai urutan pengisian. Isinya sama; yang penting jumlah elektron di tiap subkulit benar.

Apa hubungan elektron valensi dengan sifat unsur?

Unsur dengan elektron valensi sama (satu golongan) cenderung punya sifat kimia mirip. Natrium dan kalium sama-sama punya 1 elektron valensi, sehingga sama-sama mudah melepas elektron dan bereaksi hebat dengan air. Gas mulia punya kulit terluar penuh, sehingga sangat stabil.

Materi apa yang sebaiknya dipelajari setelah struktur atom?

Lanjutkan ke sistem periodik unsur dan sifat keperiodikan (jari-jari atom, energi ionisasi, keelektronegatifan), lalu ke ikatan kimia yang memanfaatkan elektron valensi. Kumpulan catatan lainnya ada di semua catatan Kimia.