Electron Structure of the Atom ----- Struktur Elektron Atom

English Language

The most important elements to organic chemists are carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen. These four elements are in the first two periods of the periodic table and their electrons are all found in the two electron shells closest to the nucleus. Consequently, our discussion of the electron structures of atoms will center mainly on elements with electrons only in these two electron shells.

Each electron shell is associated with a certain amount of energy. Electrons close to the nucleus are more attracted by the protons in the nucleus than are electrons farther away. Therefore, the closer an electron is to the nucleus, the lower is its energy. The electron shell closest to the nucleus is the one of lowest energy, and an electron in this shell is said to be at the first energy level. Electrons in the second shell, at the second energy level, are of higher energy than those in the first shell. Electrons in the third shell, at the third energy level, are of higher energy yet.

A. Atomic Orbitals

We cannot accurately determine the position of an electron relative to the nucleus of an atom. Instead, we must rely upon quantum theory to describe the most likely location of an electron. Each electron shell of an atom is subdivided into atomic orbitals. an atomic orbital being a region in space where the probability of finding an electron of a specific energy content is high (90-95°C). Electron density is another term used to describe the probability of finding an electron in a particular spot; a higher electron density means a greater probability, while a lower electron density means a lesser probability.

The first electron shell contains only the spherical Is orbital. The probability of finding a 1s electron is highest in this sphere. The second shell, which is slightly farther from the nucleus than the first shell, contains one 2s orbital and three 2p orbitals. The 2s orbital, like the 1s orbital, is spherical.

Figure 1 shows a graph of electron density in the 1s and 2s orbitals as a function of distance from the nucleus. It may be seen from the graph that the 1s and 2s orbitals do not have sharply defined surfaces, but rather the electron density increases and decreases over a range of distances from the nucleus. The result is that the 1s and 2s orbitals overlap each other.

The electron density-distance curve for the 2s orbital reveals two areas of high electron density separated by a zero point. This zero point is called a node. and represents a region in space where the probability of finding an electron (the 2s electron in this case) is very small. All orbitals except the 1s orbital have nodes. Pictorial representations of the 1s and 2s orbitals are shown in Figure 2.

Figure 1. Graphic relationship between the 1s and 2s atomic orbitals.

Figure 2. Pictorial representations of the 1s and 2s atomic orbitals.

The second energy level also contains three 2p atomic orbitals. The 2p orbitals are at a slightly greater distance from the nucleus than the 2s orbital and are of slightly higher energy. The p orbitals are shaped rather like dumbbells ; each p orbital has two lobes separated by a node (a nodal plane in this case) at the nucleus (see Figure 3).

A sphere (an s orbital) is nondirectional; that is, it appears the same when viewed from any direction. This is not the case with ap orbital, which can assume different orientations about the nucleus. The three 2p orbitals are at right angles to each other—this orientation allows maximum distance between the electrons in the three p orbitals and thus minimizes repulsions between electrons in different p orbitals. The mutually perpendicular p orbitals are sometimes designated px , py , and pz . The subscript letters refer to the x, y, and z axes that may be drawn through pictures of these/) orbitals, as in Figure 3.

Figure 3. The shapes and orientations of the 2p orbitals.

Table 1. Atomic orbitals in the first three energy levels
Energy Level	Atomic orbitals
1	1s
2	2s, 2px, 2pz
3	3s, 3px, 3pz plus five 3d

Since the three 2p orbitals are equivalent in shape and in distance from the nucleus, they have equal energies. Orbitals that have the same energy, such as the three 2p orbitals, are said to be degenerate.

The third electron shell contains one 3s orbital, three 3p orbitals. and also five 3d orbitals. The numbers of atomic orbitals at each of the first three energy levels are summarized in Table 1.

B. Filling the Orbitals

Electrons have spin, which can be either clockwise or counterclockwise. The spin of a charged particle gives rise to a small magnetic field, or magnetic moment, and two electrons with opposite spin have opposite magnetic moments. The repulsion between the negative charges of two electrons with opposite spin is minimized by the opposite magnetic moments, allowing two such electrons to become paired within an orbital. For this reason, any orbital can hold a maximum of two electrons, but those electrons must be of opposite spin. Because of the number of orbitals at each energy level (one at the first energy level, four at the second, and nine at the third), the first three energy levels can hold up to two, eight, and 18 electrons, respectively.

The aufbau principle (German, "building up") states that as we progress from hydrogen (atomic number 1) to atoms of successively higher atomic number, orbitals become filled with electrons in such a way that the lowest-energy orbitals are filled first. A hydrogen atom has its single electron in a 1s orbital. The next element, helium (atomic number 2), has its second electron also in the Is orbital. The two electrons in this orbital are paired.

Table 2. Electron configurations of the elements in periods 1 and 2
Element	Atomic number	Electron configuration
H	1	1s1
He	2	1s2
Li	3	1s2 2s1
Be	4	1s2 2s2
B	5	1s2 2s2 2p1
C	6	1s2 2s2 2p2
N	7	1s2 2s2 2p3
O	8	1s2 2s2 2p4
F	9	1s2 2s2 2p5
Ne	10	1s2 2s2 2p6

A description of the electron structure for an element is called its electron configuration. The electron configuration for H is 1s¹ , which means one electron (superscript 1) in the 1s orbital. For He. the electron configuration is 1s² , meaning two electrons (superscript 2) in the 1s orbital. Lithium (atomic number 3) has two electrons in the 1s orbital and one electron in the 2s orbital; its electron configuration is 1s² 2s¹.

The electron configurations for the first- and second-period elements are show n in Table 2. In carbon and the succeeding elements, each 2p orbital receives one electron before any 2p orbital receives a second electron. This is an example of Hund's rule: In filling atomic orbitals. pairing of two electrons in degenerate orbitals does not occur until each degenerate orbital contains one electron. Therefore, an atom of carbon has an electron configuration of 1s² 2s² 2p_x^l 2p_y¹.

Indonesian Language

Unsur paling penting untuk kimia organik adalah karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen. Keempat elemen ini berada dalam dua periode pertama tabel periodik dan elektronnya semuanya ditemukan dalam dua kerang elektron yang paling dekat dengan nukleus. Akibatnya, diskusi kita tentang struktur elektron atom akan berpusat terutama pada unsur-unsur dengan elektron hanya dalam dua kulit elektron ini.

Setiap kulit elektron dikaitkan dengan sejumlah energi tertentu. Elektron yang dekat dengan nukleus lebih tertarik oleh proton dalam nukleus daripada elektron yang jauh. Oleh karena itu, semakin dekat elektron ke inti, semakin rendah energinya. Cangkang elektron yang paling dekat dengan nukleus adalah salah satu energi terendah, dan sebuah elektron dalam cangkang ini dikatakan berada pada tingkat energi pertama. Elektron pada cangkang kedua, pada tingkat energi kedua, memiliki energi yang lebih tinggi daripada yang ada di cangkang pertama. Elektron pada cangkang ketiga, pada tingkat energi ketiga, masih memiliki energi yang lebih tinggi.

Kita tidak dapat secara akurat menentukan posisi elektron relatif terhadap inti atom. Sebaliknya, kita harus bergantung pada teori kuantum untuk menggambarkan lokasi elektron yang paling mungkin. Setiap kulit elektron dari suatu atom dibagi lagi menjadi orbital atom. orbital atom menjadi wilayah di ruang di mana probabilitasnya menemukan elektron dari kandungan energi spesifik tinggi (90-95 ° c). Elektron kepadatan adalah istilah lain yang digunakan untuk menggambarkan kemungkinan menemukan elektron di tempat tertentu; kerapatan elektron yang lebih tinggi berarti probabilitas yang lebih besar, sementara kerapatan elektron yang lebih rendah berarti probabilitas yang lebih rendah.

Cangkang elektron pertama hanya mengandung orbital bola. Probabilitas untuk menemukan elektron 1s adalah yang tertinggi di bidang ini. Shell kedua, yang sedikit lebih jauh dari nukleus daripada shell pertama, berisi satu orbital 2s orbital dan tiga 2p. Orbital 2s, seperti orbital 1s, adalah bulat.

Gambar 1 menunjukkan grafik kerapatan elektron pada orbital 1s dan 2s sebagai fungsi jarak dari nukleus. Hal ini dapat dilihat dari grafik bahwa orbital 1s dan 2s tidak memiliki permukaan yang terdefinisi dengan jelas, tetapi kerapatan elektron meningkat dan menurun pada rentang jarak dari nukleus. Hasilnya adalah bahwa 1s dan 2s orbital saling tumpang tindih.


Kurva jarak densitas elektron untuk orbital 2s mengungkapkan dua area dengan kepadatan elektron tinggi yang dipisahkan oleh titik nol. Titik nol ini disebut node. dan mewakili wilayah di ruang di mana probabilitas menemukan elektron (elektron 2s dalam kasus ini) sangat kecil. Semua orbital kecuali orbital 1s memiliki node. Penggambaran bergambar orbital 1s dan 2s ditunjukkan pada Gambar 2.

Figure 1. Hubungan grafik antara orbital atom 1s dan 2s.

Gambar 2. Penggambaran bergambar orbital atom 1s dan 2s.

Tingkat energi kedua juga mengandung tiga orbital atom 2p. Orbital 2p berada pada jarak yang sedikit lebih besar dari nukleus daripada orbital 2s dan memiliki energi yang sedikit lebih tinggi. Orbital p berbentuk agak seperti dumbel; setiap orbital p memiliki dua lobus yang dipisahkan oleh sebuah simpul (bidang nodal dalam kasus ini) pada nukleus (lihat Gambar 3).

Sebuah bola (an s orbital) tidak berarah; artinya, tampak sama ketika dilihat dari arah mana pun. Ini bukan kasus dengan orbital ap, yang dapat mengasumsikan orientasi yang berbeda tentang nukleus. Tiga orbital 2p memiliki sudut siku-siku satu sama lain - orientasi ini memungkinkan jarak maksimum antara elektron dalam tiga orbital p dan dengan demikian meminimalkan repulsi antar elektron dalam orbital p yang berbeda. Orbital p yang saling tegak lurus kadang-kadang disebut px, py, dan pz. Huruf subskrip mengacu pada sumbu x, y, dan z yang dapat ditarik melalui gambar orbital ini, seperti pada Gambar 3.

Gambar 3. Bentuk dan orientasi orbital 2p.

Tabel   1. Orbital atom dalam tiga tingkat energi pertama
Energy Level	Atomic orbitals
1	1s
2	2s, 2px, 2pz
3	3s, 3px, 3pz plus five 3d

Karena ketiga orbital 2p memiliki bentuk dan jarak yang sama dari nukleus, mereka memiliki energi yang sama. Orbital yang memiliki energi yang sama, seperti tiga orbital 2p, dikatakan mengalami degenerasi.

Cangkang elektron ketiga mengandung satu orbital 3s, tiga orbital 3p. dan juga lima orbital 3d. Jumlah orbital atom pada masing-masing dari tiga tingkat energi pertama dirangkum dalam Tabel 1.

B. Mengisi Orbitals


Elektron memiliki putaran, yang bisa menjadi searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Spin dari partikel bermuatan menimbulkan medan magnet kecil, atau momen magnetik, dan dua elektron dengan spin berlawanan memiliki momen magnet yang berlawanan. Pengusiran antara muatan negatif dari dua elektron dengan spin berlawanan diminimalisasi oleh momen magnet yang berlawanan, memungkinkan dua elektron tersebut untuk dipasangkan dalam orbital. Untuk alasan ini, setiap orbital dapat menampung maksimal dua elektron, tetapi elektron-elektron itu harus berputar berlawanan. Karena jumlah orbital di setiap tingkat energi (satu pada tingkat energi pertama, empat pada yang kedua, dan sembilan pada tingkat energi ketiga), tiga tingkat energi pertama dapat menyimpan hingga dua, delapan, dan 18 elektron, masing-masing.

Prinsip aufbau (Jerman, "building up") menyatakan bahwa ketika kita maju dari hidrogen (nomor atom 1) ke atom nomor atom yang lebih tinggi secara berturut-turut, orbital menjadi penuh dengan elektron sedemikian rupa sehingga orbital energi terendah terisi terlebih dahulu. Atom hidrogen memiliki elektron tunggal dalam orbital 1s. Elemen berikutnya, helium (nomor atom 2), memiliki elektron kedua juga dalam orbital Is. Dua elektron dalam orbital ini dipasangkan.

Tabel 2. Konfigurasi elektron dari unsur-unsur dalam periode 1 dan 2
Element	Atomic number	Electron configuration
H	1	1s1
He	2	1s2
Li	3	1s2 2s1
Be	4	1s2 2s2
B	5	1s2 2s2 2p1
C	6	1s2 2s2 2p2
N	7	1s2 2s2 2p3
O	8	1s2 2s2 2p4
F	9	1s2 2s2 2p5
Ne	10	1s2 2s2 2p6

Penjelasan tentang struktur elektron untuk suatu elemen disebut konfigurasi elektronnya. Konfigurasi elektron untuk H adalah 1s¹, yang berarti satu elektron (superskrip 1) dalam orbital 1s. Untuk dia. konfigurasi elektron adalah 1s², yang berarti dua elektron (superskrip 2) dalam orbital 1s. Litium (nomor atom 3) memiliki dua elektron dalam orbital 1s dan satu elektron dalam orbital 2s; konfigurasi elektronnya adalah 1s² 2s¹.

Konfigurasi elektron untuk unsur periode pertama dan kedua ditunjukkan pada Tabel 2. Dalam karbon dan unsur-unsur selanjutnya, masing-masing orbital 2p menerima satu elektron sebelum orbital 2p menerima elektron kedua. Ini adalah contoh dari aturan Hund: Dalam mengisi orbital atom. pasangan dari dua elektron dalam orbital yang berdegenerasi tidak terjadi sampai setiap orbital yang berdegenerasi mengandung satu elektron. Oleh karena itu, atom karbon memiliki konfigurasi elektron 1s² 2s² 2p_x^l 2p_y¹.

Kalau Translatenya salah harap dimaklumi, karena pakai Google Translate

REFERENCE :

Ralph J. Fessenden, Joan S. Fessenden. 1982. Organic Chemistry 2nd Edition. Boston, Massachusetts : Willard Grant Press