Atom Berelektron Banyak

Transkripsi

1 Bab.7 Atom Berelektron Banyak

2 Probabilitas keadaan S

3 Probabilitas keadaan P

4 Zeeman effect Zeeman effect ialah terpecahnya energi dari atom dan spektrum garis yang berhubungan dengannya ketika atom ditempatkan dalam medan magnet. Effect ini secara eksperimen menunjukan bahwa momentum angular terkuantisasi.

5 Energi potential Energi potensial dari suatu objek didalam medan magnet bergantung pada momen magnetik dari objek dan besar medan magnet di lokasi tersebut. r r U = µ B S N S µ r N

6 Momen magnetik dari loop arus Momen magnetik dari suatu loop kawat yang dialiri arus listrik bergantung τ r r r r r = τ1 + τ pada + τ3 + besar τ4 = arus a r a r Ib yang nˆ Bmengalir + Ib nˆ pada B + 0loop + 0 = dan IA r luas B r loop. r r µ = IA

7 Zeeman effect orbit elektron equivalen dengan suatu loop arus yang jari jarinya r dan luas. πr e Arus I rata rata ialah rata rata muatan per satuan waktu T untuk satu putaran, ialah T=πr/v. µ e ev e e µ = ia = A = πr = mevr = T πr m m e e L

8 Zeeman effect Bila medan B searah sumbu z. Interaksi energi dari atom momen magnetik dengan medan ialah: U = µ B z dimana µ z ialah komponen z dari vektor µ. atau: µ e = m z L z dan L z =m l h dengan = 0, ± 1, ±, ± 3... m l. Jadi U eh = µ B = m B = l m m µ z l B B µ Β Βohr magneton

9 Zeeman effect Rentang harga dari m l ialah dari l hingga +l, Tingkat energi dengan harga tertentu dari bilangan kuantum orbital l mengandung (l+1) keadaan orbital yang berbeda. Tanpa medan magnet seluruh keadaan keadaan tersebut energinya sama atau berdegenerasi(degenerate). Dengan kehadiran medan magnet energinya terpecah menjadi (l+1) tingkat tingkat energi berbeda: U = m µ = l BB with ml = 0, ± 1, ±,... Perbedaan dua tingkat energi yang berurutan ialah U = ( eh / m) B = µ B B eh µ B = = 5.79 m 10 e 5 ev T

10 Zeeman effect diagram energi dari hydrogen, menunjukan terpecahnya tingkat tingkat energi yang dihasilkan dari interaksi momen magnetik dari gerak elektron dalam orbital dengan medan magnet luar.

11 Zeeman effect Terpecahnya tingkat tingkat energi dari keadaan d disebabkan oleh pemasangan medan magnetik, hanya diasumsikan suatu momen magnetk orbital.

12 Selection rules h Photon membawa satu satuan ( ) dari momentum angular.maka Transisi yg diijinkan: l harus berbeda 1 dan m l harus berbeda 0 atau ± 1 Garis padat Tansisi yg diijinkan; Garis putus putusterlarang 9 garis padat hanya memberikan 3 energi: E i -E f ; E i -E f +µ Β B; E i -E f -µ Β B

13 Zeeman effect kesimpulan: garis spektrum berkaitan dengan transisi dari satu set tingkat tingkat ke set lainnya, pecah ( split) dan muncul sebagai deret dari tiga spektrum garis yang letaknya sangat berdekatan menggantikan garis tunggal.

14 Effek Zeeman Anomalous

15 Momentum angular Spin dan momen magnetik Elektron memiliki momentum angular spin L s. Yang bebas dri momentum sudut orbitalnya. Dengan momentum ini momentum magnetik dinyatakan oleh: r µ s = e L r m e s r µ s = g e e m e r L s dengan g e ialah gyromagnetic ratio Untuk elektron bebas g e =

16 Własny Momentum moment angular pędu - spin spin dan momen magnetik Harga yang diperbolehkan dari momentum angular spin adalah terkuantisasi : L s = h s( s +1) spin quantum number s = ½ z component dari spin angular momentum: L s = h 3 L sz = m s h m s = + 1 1

17 z- component dari momen magnetik spin µ µ sz sz = = m e m e eh m L e sz = eh = m mµ B e ± 1 L µ L s sz m s = + 1 m s = 1

18 Elektron dalam medan magnetik E = E 0 µ sz B m s = + 1 m s 1 =

19 Untuk menandai keadaan elektron dalam atom hidrogen diperlukan 4 bilangan quantum yaitu: name label magnitude Principal quantum number Orbital quantum number magnetic quantum number Spin quantum number n 1,, 3,... l 0, 1,,... n-1 m l od l do +l m s ± 1/

20 Atom berelektron banyak dan prinsip eklusi Central field approximation: - Electron is moving in the total electric field due to the nucleus and averaged out cloud of all the other electrons. - There is a corresponding spherically symmetric potential energy function U( r). Solving the Schrodinger equation the same 4 quantum numbers are obtained. However wave functions are different. Energy levels depend on both n and l. In the ground state of a complex atom the electrons cannot all be in the lowest energy state. Pauli s exclusion principle states that no two electrons can occupy the same quantum mechanical state. That is, no two electrons in an atom can have the same values of all four quantum numbers (n, l, m l and m s )

21 Shells dan orbital n shell l orbital 1 K 0 s L 0 s L 1 p 3 M 0 s 4 N N N N M 1 p M d 0 s 1 p 3 d f N max N max jumlah elektron maksimum yang menempati orbital

22 Shells K, L, M n 1 3 l m l m s N 8 18 N : jumlah keadaan yang diijinkan keadaan dengan m s = +1/ keadaan dengan m s = -1/ Hund s rule electron elektron menempati shell yang diberikan diawali dengan men set up spinnya secara paralel carbon 1s s p oxygen 1s s p 4

23 Mendeleev s Periodic Law Susunan 65 unsur yang telah diketahui berdasarkan massa atomnya dan sifat kimianya. Tabel periodik sekarang serupa tetapi disusun berdasarkan nomor atomnya(jumlah proton protonnya). Unsur unsur yang terletak pada satu golongan,memiliki sifat kimia yang sama, selain itu dapat memprediksikan sifat sifat unsur yang belum diketahui.

24 Table.1 Mendeleev s Predicted Properties of Germanium ( eka Silicon ) and Its Actual Properties Property atomic mass appearance density molar volume specific heat capacity oxide formula oxide density sulfide formula and solubility chloride formula (boiling point) chloride density element preparation Predicted Properties of eka Silicon(E) 7amu gray metal 5.5g/cm 3 13cm 3 /mol 0.31J/g*K EO 4.7g/cm 3 ES ; insoluble in H O; soluble in aqueous (NH 4 ) S ECl 4 ; (<100 0 C) 1.9g/cm 3 reduction of K EF 6 with sodium Actual Properties of Germanium (Ge) 7.61amu gray metal 5.3g/cm cm 3 /mol 0.3J/g*K GeO 4.3g/cm 3 GeS ; insoluble in H O; soluble in aqueous (NH 4 ) S GeCl 4 ; (84 0 C) 1.844g/cm 3 reduction of K GeF 6 with sodium

25 Dari bab 6 - Bilangan Quantum dan orbital atom Orbital atom dicirikan oleh tiga bilangan kuantum. n bilangan kuantum utama - integer positif l bilangan kuantum momentum angular - integer dari 0 hinga n-1 m l bilangan kuantum momen magnetik - integer dari -l hingga +l M s bilangan kuantun spinan - + ½ atau - ½. The Pauli Exclusion Principle - No two electrons in the same atom can have the same four q.n. Since the first three q.n. define the orbital, this means only two electrons can be in the same orbital and they must have opposite spins.

26 Table. Summary of Quantum Numbers of Electrons in Atoms Name Symbol Permitted Values Property principal n positive integers(1,,3, ) orbital energy (size) angular momentum l integers from 0 to n-1 orbital shape (The l values 0, 1,, and 3 correspond to s, p, d, and f orbitals, respectively.) magnetic m l integers from -l to 0 to +l orbital orientation spin m s +1/ or -1/ direction of e - spin

27 Faktor yang mempengaruhi energi orbital Atomik Pengaruh muatan inti (Z effective ) Higher nuclear charge lowers orbital energy (stabilizes the system) by increasing nucleus-electron attractions. Pengaruh dari tolakan Elektron (Shielding) Additional electron in the same orbital (makes less stable) An additional electron raises the orbital energy through electron-electron repulsions. Additional electrons in inner orbitals (makes outer orbital less stable) Inner electrons shield outer electrons more effectively than do electrons in the same sublevel.

28 Pengaruh dari elektron lain di orbital yang sama

29 Pengaruh elektron lainnya di inner orbitals

30 Pengaruh bentuk orbital

31 Order for filling energy sublevels with electrons Illustrating Orbital Occupancies The electron configuration n l # of electrons in the sublevel as s,p,d,f The orbital diagram

32 kosong Diagram orbital vertikal untuk Li keadaan dasar Terisi setengah penuh, spin-berpasangan

33 Latihan 1 Menentukan bilangan kuantum dari diagram orbital Tuliskanlah set dari bilangan quantum untuk elektron ke 3 dan ke 8 dalam atom F. Gunakan orbital diagram untuk menentukan elektron ke 3 dan ke 8 9F SOLUSI: 1s s p Elektron ketiga bearada di orbital s. Bilangan kuantumnya ialah n = l = 0 m l = 0 m s = +1/ Elektron ke 8 berada di orbital p. Bilangan kuantumnya nialah n = l = 1 m l = -1 m s = -1/

34 Orbital occupancy for the first 10 elements, H through Ne.

35 Hund s rule

36 Condensed ground-state electron configurations in the first three periods.

37

38

39 A periodic table of partial ground-state electron configurations

40 The relation between orbital filling and the periodic table

41 Pola umum untuk pengisian sublevels

42 Soal. Menentukan Konfigurasi Elkctron Dengan menggunakan tabel periodik, tentukanlah konfigurasi lengkap, condensed electrons configurations, diagram orbital partial yang menunjukan elektron valensinya, dan jumlah inner elektron untuk unsur unsur berikut: (a) potassium (K: Z = 19) (b) molybdenum (Mo: Z = 4) (c) lead (Pb: Z = 8) SOLUSI: (a) untuk K (Z = 19) full configuration 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1 condensed configuration partial orbital diagram [Ar] 4s 1 There are 18 inner electrons. 4s 1

43 lanjutan (b) untuk Mo (Z = 4) full configuration condensed configuration partial orbital diagram 1s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 10 4p 6 5s 1 4d 5 [Kr] 5s 1 4d 5 ada 36 inner electrons and 6 elektron valensi 5s 1 4d 5 (c) for Pb (Z = 8) full configuration 1s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 10 4p 6 5s 4d 10 5p 6 6s 4f 14 5d 10 6p condensed configuration partial orbital diagram [Xe] 6s 4f 14 5d 10 6p ada 78 inner electrons dan 4 elektron valensi. 6s 6p

44 Defining metallic and covalent radii Knowing the Cl radius and the C-Cl bond length, the C radius can be determined.

45 Trends dalam Tabel Periodik Radius Atomik dari group utama dan unsur transition.

46 Trends dalam tabel Periodik Periodicity of atomic radius

47 latihan.3 Ranking Elements by Atomic Size SOLUSI: Gunakan tabel periodik, urutkanlah berdasarkan urutan ukuran atomnya dari yang besar hingga yang kecil: (a) Ca, Mg, Sr (b) K, Ga, Ca (c) Br, Rb, Kr (d) Sr, Ca, Rb Unsur dalam grup yang sama ukurannya membesar dari bawah keatas. (a) Sr > Ca > Mg Unsur unsur ini ada di Group A(). (b) K > Ca > Ga Unsur ini ada di Perioda 4. (c) Rb > Br > Kr (d) Rb > Sr > Ca

48 Trend dalam tabel Periodik Periodicity of first ionization energy (IE 1 ) Energy required to remove one outermost electron.

49 Energi ionisasi pertama dari unsur unsur golongan utama Trend dalam tabel Periodik

50 latihan.4 Ranking energi Ionization pertama unsur Dengan menggunakan tabel periodik,urutkanlah unsur unsur berikut berdasarkan energi ionisasinya dari yang terbesar hingga terkecil (a) Kr, He, Ar (b) Sb, Te, Sn (c) K, Ca, Rb (d) I, Xe, Cs IE dalam satu golongan meningkat dari bawah ke atas; IE dalam satu periode meningkat dari kiri kekanan. SOLUSI: (a) He > Ar > Kr (b) Te > Sb > Sn (c) Ca > K > Rb (d) Xe > I > Cs Group 8A(18) - IE decreases down a group. Unsur Perioda 5 - IE increases across a period. Ca sebelah kanan K; Rb sebelah bawah K. I sebelah kiri Xe; Cs adalah paling kiri dan terbawah di satu periode berikutnya.

51 Trend dalam Tabel Periodik The first three ionization energies of beryllium (in MJ/mol)

52 Trends in the Periodic Table Electron affinities of the main-group elements Electron Affinity: Energy change to add one electron. In most cases, EA negative (energy released because electron attracted to nucleus

53 Trends in three atomic properties

54 Trends in metallic behavior

55 Trend dalam tabel Periodik Properties of Monatomic Ions Main-group ions and the noble gas configurations

56 Sifat Magnetik dari ion ion logam Transisi species dengan elektron takberpasangan paramagnetism. Akan ditarik oleh medan magnet external. Species dengan seluruh spin elektronnya berpasangan, tidak ditarik medan magnet luar...diamagnetic

57 Latihan.5 Tentukanlah apakah unsur unsur berikut termasuk paramagnetik atau diamagnetik. (a) Mn + (Z = 5) (b) Cr 3+ (Z = 4) (c) Hg + (Z = 80) SOLUSI: (a) Mn + (Z = 5) Mn([Ar]4s 3d 5 ) Mn + ([Ar] 3d 5 ) + e - paramagnetic (b) Cr 3+ (Z = 4) Cr([Ar]4s 3d 6 ) Cr 3+ ([Ar] 3d 5 ) + 3e - paramagnetic (c) Hg + (Z = 80) Hg([Xe]6s 4f 14 5d 10 ) Hg + ([Xe] 4f 14 5d 10 ) + e - not paramagnetic (is diamagnetic)

58 Ionic vs. atomic radius

59 Latihan.6 Urutkanlah ion ion berikut berdasarkan ukurannya dari besar hingga kecil: (a) Ca +, Sr +, Mg + (b) K +, S -, Cl - (c) Au +, Au 3+ SOLUSI: (a) Sr + > Ca + > Mg + (b) S - > Cl - > K + (c) Au + > Au 3+

60 Tabel periodik unsur unsur

61 Atom helium, lithium dan sodium n =3, l = 0 3s n =, l = 1 n =, l = 1 p n =, l = 0 n =, l = 0 n =, l = 0 s n =1, l = 0 n =1, l = 0 n =1, l = 0 1s Helium (Z = ) Lithium(Z = 3) Sodium (Z= 11)

62 1s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 10 4p 6 5s 4d 10 5p 6 6s 4f 14 5d 10 6p 6 7s 6d 10 5f : 4 3 : 4 3 :1 s d Sc s p Ca s p s K L Konfigurasi Elektron the occupying of orbitals : 4 3 : 4 3 : 4 3 : 4 3 : s d Cu s d Mn s d Cr s d V s d Ti

63 Momentum angulartotal - J v J v J = j( j +1)h Kemungkinan dua harga j : v = L + r L S j = l + s or j = l-s J z = m jh, m j = j, j + 1, K, j 1, j j contoh: l = 1, s = ½ = = 3 m j =,,, lub m j 1 1 lub 3 j = 1 1 = = 1, 1 1 j = 3/ j = 1/

64 TheStern-Gerlach experiment

65 Diamagnetics.Diamagnetics secara total Shell dipenuhi oleh elektron. Momen magnetik Total sama dengan nol. (dalam orbital yang penuh, vektor vektor dari momentum angular orbital dan momentum angular spin mengarah kesegala arah dan saling menghilangkan). Noble gas - He, Ne, Ar.. molekule gas diatomik - H, N.. ikatan ionik zat padat - NaCl(Na+, Cl-) Ikatan kovalen zat padat - C(diamond), Si, Ge.. Sebagian besar material organik

66 Paramagnetics. Paramagnetics Shells sebagian terisi penuh elektron momen magnetik Total tidak nol. µ ef = g J ( J + 1 ) µ B Komponen dari momen magnetik disearahkan sesuai dengan arah medan magnet luar µ ef, H = g M J µ B

67 Fine and hyperfine structure terpecahnya spektrum garis sebagai hasil dari interaksi medan magnet disebut fine structure. Inti atom juga memiliki momen dipole magnetik yang berinteraksi dengan mmen magnetik total dari elektron elektron. Effek ini disebut hyperfine structure.

68 NMR ( nuclear magnetic resonance) Seperti halnya elektron, proton juga memiliki momen magnetik yaitu momentum angular orbital danmomentum angular spin. Spin flip experiment: Protons, the nuclei of hydrogen atoms in the tissue under study, normally have random spin orientations. In the presence of a strong magnetic field, they become aligned with a component paralell to the field. A brief radio signal flips the spins; as their components reorient paralell to the field, they emit signals that are picked up by sensitive detectors. The differing magnetic environment in various regions permits reconstruction of an image showing the types of tissue present.

69

70 An electromagnet used for MRI imaging

71 Wilhelm Roentgen 1895

72 Roentgen lamp Roentgen 1895; X -ray: 10-1 m 10-9 m m e v = ev = hν = AC max hc λ min

73 X-ray continuum spectra m e v = ev = hν = AC max hc λ min λ min = hc ev AC

74 Spektrum X-ray dan Moseley law λ min = hc ev AC The continous spectrum radiation is nearly independent of the target material. Sharp peaks (characteristic spectra) depend on the accelerating voltage and the target element. Frequencies of the peaks as a function of the element s atomic number Z: f = Z 15 ( Hz)( 1) Moseley law

75 X-ray spectra and Moseley law - explanation Characteristic x-ray radiation is emitted in transitions involving the inner shells of a complex atom. Let us assume, that due to electric field one of the two K electrons is knocked out of the K shell. The vacancy can be filled by another electron falling in from the outer shells. K α is the transition from n= to n=1. As the electron drops down it is attracted by Z protons in the nucleus screened by the one remaining electron in the K shell. The energy before (E i ) an after (E f ) transition: E i = ( Z 1) (13.6eV )/ E f = ( Z 1) (13.6eV ) f E K α ( Z 1) (10.eV ) E = = Z h 15 ( Hz)( 1)

76 X-ray diffraction pattern

77 X-ray diffraction pattern X Diffraction maxima: d sinθ = mλ