KUNCI JAWABAN BUKU KERJA KELAS 3 B

BAB 29

FISIKA ATOM

Teori Atom

Atom

Senyawa

Energi

Teori Atom Thomson

*******On The Text*******

******Penalaran*******

Karbon membentuk ikatan dengan hidrogen dengan perbandingan massa C:H = 3:1, untuk

membentuk gas metan. Jumlah atom hidrogen untuk berikatan dengan 900 g karbon adalah:

Massa hidrogen = 1/3 x 900 g = 300 g

Jumlah atom hidrogen = 300/1 x 6,02 x 1023 atom = 1,806 x 1023 atom.

******Penalaran*******

a. Tabung harus berada dalam kondisi vakum agar interaksi yang berada di dalamnya

hanya merupakan hasil dari interaksi tabung sinar katode dengan medan lsitrik. Jika

tabung tidak vakum maka ada kemungkinan sinar katode berinteraksi dengan partikel-

partikel yang ada dalam tabung sehingga pengamatan terhadap gejala sinar katode justru

terganggu.

b. Kutub positif di katode sedangkan kutub negatif di anoda

c. Sinar katode akan dibelokkan ke pelat A

d. Kesimpulan dari percobaan adalah bahwa sinar katode dibelokkan oleh medan listrik,

sinar katoda mempunyai muatan negatif, dan sinar katode ternyata adalah elektorn.

Perbandingan Muatan dan Massa Elektron

**********On The Text***********

EP = eΔV

EK = ½ mv2

eΔV = ½ mv2

e/m = v2/2ΔV

FE = eE

Pelat A

FB = Bev

Bev = eE

v = E/B

e/m = E2/2B2ΔV

1,76 x 1011 C/kg

Eksperimen Tetes Minyak Milikan

******Penalaran*******

a. Tetesan minyak disemprotkan ke dalam ruang antar dua

elektroda dan diberi muatan negatif. Muatan negatif tersebut

bisa dihasilkan dengan mengionisasi gas antara dua elektroda

menggunakan radioaktif atau cara lainnya.

b. Pelat A agar mengimbangi gaya gravitasi bumi

c. Gaya gravitasi (mg, berarah ke bawah) sama dengan gaya listrik

(FE, berarah ke atas)

d. Persamaan saat minyak berada dalam kondisi setimbang:

w = FE mg = qE

e. Cara mengukur massa minyak adalah dengan menghilangkan

gaya listrik sehingga tetes minyak bergerak jatuh ke bawah.

Namun karena ada gesekan dengan udara maka pada suatu saat

minyak akan berada dalam kondisi gerak dengan kecepatan

konstan. Gaya hambat udara ini disebut gaya Stokes. Massa

minyak dihitung dengan persamaan Stokes:2/33

3

2

9

3

4

2

9

3

4

3

4

g

v

g

vrm

m

m

m

mm

f. Setelah massa tetes minyak diketahui maka muatan elektron

dapat diketahui dengan persamaan:2/3

2

9

3

4

g

v

E

g

E

mgq

m

m

atau langsung memasukkan ke

persamaan q = mg/E

Hamburan Rutherford

*******On The Text********

Semua partikel dipantulkan oleh material (jika dianggap atom-atom merupakan

bola yang sangat keras) atau semua partikel menembus material (jika dianggap

semua atom berupa bola lunak).

Kesimpulan percobaan Rutherford:

1. Hampir seluruh partikel alfa menembus logam tanpa mengalami pembelokan

yang berarti. Hal ini disimpulkan bahwa sebagian besar ruang atom adalah

ruang kosong

2. Hanya sedikit sekali partikel alfa yang dipantulkan kembali. Bagian ini disebut

ini atom.

3. Sebagian kecil partikel alfa dibelokkan. Hal ini menunjukkan bahwa inti tom

bermuatan positif.

Teori Atom Rutherford

*****On The Text******

1. Semua muatan positif dan sebagian besar massa atom berkumpul pada bagian

tengah atom yang disebut inti atom. Bagian ini bermuatan positif.

2. Inti atom dikelilingi oleh elektron pada jarak yang relatif jauh.

3. Karena inti atom dan elektron memiliki muatan yang berlawanan, maka elektron

dan ini atom akan saling tarik menarik. Oleh karena itu, untuk menyeimbangkan

interaksi antara inti dan elektron, elektron harus berputar mengelilingi inti atom

pada lintasannya.

4. Jumlah muatan negatif yang dibawa elektron sama dengan jumlah muatan positif

yang dibawa oleh inti, sehingga secara keseluruhan atom bermuatan netral.

Energi atom Rutherford

******On The Text********

A = nomor massa atom menyatakan massa atom yang terdiri dari proton dan

netron.

Z = nomor inti atom yang menyatakn jumlah proton dan elektron.

Q1 = proton, bermuatan (+), Ze

Q2 = elektron, bermuatan (-), e

2

)(

r

eZekF

Besarnya gaya FS = FC

r

mv

r

Zek

2

2

2

r

mvr

r

Zek

r 2

2

2

22

22

2

1

2

1mv

r

Zek

r

ZekEk

2

2

1

r

ZekEp

2

r

Zek

r

Zek

r

ZekEEE pk

222

2

1

2

1

*******Diskusi dan Penelusuran Informasi********

Kelemahan model atom Rutherford

Partikel yang bergerak dalam lintasan lingkaran memiliki percepatan ke arah pusat

(percepatan sentripetal). Demikian pula dengan elektron yang mengitari inti. Elektron

tersebut selalu mengalami percepatan ke pusat inti.

Menurut teori elektrodinamika klasik, setiap benda bermutan listrik dan memiliki

percepatan akan memancarkan gelombang elektromagetik. Karena electron memiliki

muatan listrik negatif maka seharusnya electron terus menerus memancarkan gelombang

elektromagnetik selama mengitari inti. Karena gelombang elektromagnetik merupakan

salah satu bentuk energi, maka pemancaran gelombang elektromagnetik oleh electron

menyebabkan energi electron makin berkurang.

Berdasarkan persamaanr

Zek

r

Zek

r

ZekEEE pk

222

2

1

2

1

, energi

total electron berbanding terbalik dengan jarak dari inti, tetapi berharga negatif. Jadi

berkurangnya energi total electron harus disertai dengan makin dekatnya jarak electron

dengan inti.

Dengan demikian, makin lama jarak electron ke inti makin kecil karena terus-

menerus dipancarkan gelombang elektronmagnetik. Lintasan electron di sekitar inti

bukan lagi berupa lingkaran, tetapi berubah menjadi spiral.

Pada akhirnya electron akan jatuh bersatu dengan inti, yang berarti eksistensi atom

menjadi hilang. Dengan kata lain, konsekuansi modal atom Rutherford adalah atom tidak

stabil. Tetapi prediksi ini tidak sesuai dengan pengamatan bahwa atom sangat stabil.

Inilah salah satu kelemahan mendasar pada teori atom Rutherford.

Teori Atom Bohr

*******On The Text*******

Memancarkan energi dalam bentuk foton (radiasi elektromagnetik)

E

21

22

2

4222 112

nnh

emZk, dengan n1 > n2.

Menyerap energi

Energi yang diserap sebesar E

21

22

2

4222 112

nnh

emZk, dengan n1 < n2.

Persamaan (4)

22

22

2

82

1

mr

hn

r

Zek

HBankme

hnr 2

22

22

4

Konstanta Planck, h = 6,625 x 10-34 Js

Konstanta k = 9 x 109 Nm2/C2

Massa elektron, me = 9,11 x 10-31 kg

Muatan elektron, e = –1,6 x 10-19 C

Z untuk atom hidrogen adalah 1

Besarnya jari-jari Bohr untuk atom hidrogen adalah:

2193192

234

10602,1101,910914,34

10625,6

HBa = 5.3510-11 m

Energi Spektrum Atom Hidrogen

******On The Text********

Z untuk atom hidrogen = 1

Energi total pada atom hidrogen

E

2

24222 /2

n

hemZk

Pada lintasan elektron dengan n1 , energinya adalah:

21

24222

1

/2

n

hemZkEn

Pada lintasan elektron dengan n2 , energinya adalah:

22

24222

2

/2

n

hemZkEn

Ketika terjadi transisi elektron maka energi yang diserap atau dilepaskan

memenuhi persamaan berikut:

22

24222

21

24222 /2/22121 n

hemZk

n

hemZkEEE nnnn

ΔEn1,n2

21

22

2

4222 112

nnh

emZk

Elektron berpindah dari kulit luar ke kulit yang lebih dalam:

21

22

2

4222 112

nnh

emZkhc

Kedua ruas dikalikan dengan faktor 1/hc :

21

22

3

4222 1121

nnch

emZk

Konstanta Rydberg, RH = 1,097 107 m-1

Deret Lyman

********On The Text********

21

2

1

1

11

nRH

21

2

1

3

11

nRH

21

2

1

4

11

nRH

21

2

1

5

11

nRH

*********Analisis Contoh Soal*********

1. Untuk atom hidrogen, tentukan:

- Kecepatan elektron pada orbit pertama:

v = nh/2mr

******Penalaran********

Pembuktian persamaan energi En = –13,6/n2 eV

En

2

24222 /2

n

hemZk

Persamaan ini berlaku pada atom hidrogen. Dengan memasukkan nilai konstanta k, h, Z, e,

m, dan maka akan diperoleh persamaan energi En = –13,6/n2 eV

v = 1 x 6,625 x 10-34 /(2 x 3,14 x 9,11 x 10-31 x 5.3510-11)

v = 2,165 x 108 m/s

- Energi kinetik elektron:

EK = = 1 x 6,625 x 10-34 / [8 x 9,11 x 10-31 x (3,14)2 x (5,35 x 10-11)2]

EK = 2,133 x 10 – 19 J

Boleh juga menggunakan persamaan ½ mv2, hasilnya sama saja.

- Energi potensial pada orbit pertama:

EP = ½ kZe2/r = ½ x 1 x (1,6 x 10-19)2/ (5,35 x 10-11) = 2,15 x 10–18 J

- Energi Total adalah (0,2133 + 2,15 ) x 10-18 = 2,3633 x 10-18 J

2. Panjang gelombang yang dipancarkan oleh atom hidrogen ketika bertransisi dari

n = 5 ke n = 2 adalah:

Kita gunakan deret Balmer:

λ = 4,3402 x 10-7 m

********Penerapan Konsep**********

Jelaskan kelebihan dan kekurangan masing-masing model atom berikut ini:

Model

Atom

Kelebihan Kekurangan

Atom

Dalton

- Menyatakan bahwa atom

merupakan penyusun zat

terkecil

- Menyatakan tentang

- Tidak menjelaskan apapun

tentang karakteristik fisis dari

atom misalnya terdiri dari apa

saja, muatannya berapa, mengapa

pembentukan senyawa

kimia oleh atom-atom

dengan perbandingan yang

tetap

- Hukum kekekalan energi

bisa demikian stabil, dan lain-lain.

Atom

Thomson

- Penemuan elektron oleh

Thomson

- Tidak dapat menjelaskan

fenomena percobaan hamburan

Rutherford

Atom

Rutherford

- Penemuan inti atom yang

bermuatan positif

- Penemuan bahwa atom

terdiri dari sebagian besar

ruang kosong

- Berhasil menjelaskan hasil

percobaan yang

dilakukannya

- Tidak mampu menjelaskan

kestabilan atom

- Tidak mampu menjelaskan

mengapa elektron tetap berada di

orbitnya ketika mengelilingi inti

atom

Atom Bohr - Mampu menjelaskan

kestabilan atom

- Menghitung jari-jari atom

hidrogen

- Menentukan besarnya

energi atom hidrogen

- Penemuan spektrum atom

hidrogen

- Sifat kuantum dari atom

- Tidak dapat menjelaskan atom

berelektron banyak

- Hanya dapat menjelaskan orbit

elektorn yang berbentuk lingkaran

- Tidak dapat menerangkan

pengaruh medan magnet terhadap

spektrum atom hidrogen

- Tidak dapat menerangkan dengan

gambling kejadian ikatan kimia

Bilangan Kuantum

Larangan Pauli

******On The Text*******

Larangan Pauli menyebutkan bahwa, “Tidak boleh lebih dari satu electron dalam

sebuah atom memiliki empat bilangan kuantum yang sama”

********Penerapan Konsep*********

1. Energi total ion untuk keadaan n = 1, 2, dan 3

- Pada n1 ET = –13,6 eV

- Pada n2 ET = –13,6/22 = –3,4 eV

- Pada n3 ET = –13,6/32 = –1,51 eV eV

2. Momentum sudut sebuah elektron dengan keadaan l = 2 dan l = 4

******Diskusi dan Penelusuran Informasi*******

Manfaat Deret Balmer

Deret Balmer digunakan terutama dalam bidang astronomi yaitu untuk analisis spektrum cahaya

(radiasi elektromagnetik) yang dipancarkan oleh bintang-bintang. Berdasarkan pengamatan

diketahui bahwa rata-rata (dan yang paling dominan) spektrum radiasi elektromagnetik berada

dalam orde deret Balmer.

Dengan mengetahui spektrum radiasi elektromagnetik kita bisa menentukan temperatur

permukaan suatu bintang tertentu. Di samping itu, dengan kajian yang lebih mendalam, kita juga

bisa memprediksi gravitasi suatu bintang tertentu berdasarkan ukurannya dan menentukan

material apa saja yang menyusun suatu bintang.

- L2 =

- L4 =

3. Melengkapi tabel

No n l ml ms Kedudukan elektron

1 1 0 0 + ½

2 1 0 0 - ½

3 2 0 0 + ½

4 2 0 0 - ½

5 2 1 -1 + ½

6 2 1 -1 - ½

7 2 1 +1 + ½

8 3 0 0 - ½

9 3 2 0 + ½

10 4 3 +2 - ½

4. Melengkapi tabel bilangan kuantum

No Kedudukan elektron n l ml ms

1 1s2 1 0 0 +½ , -½

2 2s1 1 1, 0 -1, 0, 1 +½ , -½

3 2p5 2 1, 0 -1, 0, 1 +½ , -½

4 3s2 1 1, 0 -1, 0, 1 +½ , -½

5 3p3 2 1, 0 -1, 0, 1 +½ , -½

6 3d9 3 2, 1, 0 -2, -1, 0, 1, 2 +½ , -½

7 4s1 1 1, 0 -1, 0, 1 +½ , -½

8 4p2 2 1, 0 -1, 0, 1 +½ , -½

9 4p6 2 1, 0 -1, 0, 1 +½ , -½

10 5f11 4 3, 2, 1, 0 -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 +½ , -½

5. Terjadinya spektrum suatu unsur

Spektrum terjadi karena terjadi proses eksitasi dan de-eksitasi yang sangat pada

atom. Ketika elektron menyerap sejumlah energi tertentu maka elektron akan

berpindah ke kulit di atasnya namun elektron kemudian kembali ke keadaan

semula sambil memancarkan foton. Hal ini terjadi terus menerus dan sangat cepat

sehingga timbullah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang tertentu

yang terpancar dari atom, dan inilah yang disebut spektrum.

6. Perbedaan antara spektrum kontinu dan spektrum diskontinu

- Spektrum kontinu adalah spektrum elektromagnetik yang mempunyai beda

energi antar level-level energi sangat kecil bahkan mendekati nol sehingga

dalam garis spektrum atau level energi pad asistem atomik,

- Spektrum diskontinu (diskrit) adalah spektrum yang antara level keadaan satu

dengan yang lain dipisahkan oleh suatu energi gap yang mempunyai besar

nilai tertentu. Lihat gambar di atas.

Spektrum kontinu

Spektrum diskontinu

7. Besarnya energi yang dilepaskan ketika elektron berpindah dari tingkat energi 5,

4, 3, 2 dalam ion He+ jatuh pada tingkat energi 1.

- Kita gunakan persamaan energi

E = -Z213,6/n2 = -54,4/n2

ΔE5 – 1 = -54,4 (1 – 1/52) = -52,224 eV

ΔE4 – 1 = -54,4 (1 – 1/42) = -51,0 eV

ΔE3 – 1 = -54,4 (1 – 1/32) = -48,356 eV

ΔE2 – 1 = -54,4 (1 – 1/22) = -40,80 eV

8. Untuk atom hidrogen pada orbit n = 2, maka:

- Jari-jari orbit

r = 22 0.535 Å = 2,14 Å

- Kelajuan elektron

v = nh/2mr

v = 2 x 6,625 x 10-34 /(2 x 3,14 x 9,11 x 10-31 x 4 x 5.3510-11)

v = 1,0825 x 108 m/s

- Gaya sentripetal elektron:

FS = mv2/r = 9,11 x 10-31 x (1,0825 x 108)2/(2,14 x 10-10) = 2,331 x 10 – 5 N

- Gaya elektrostatik pada orbit kedua:

EP = kZe2/r2 = 1 x (1,6 x 10-19)2/ (4 x 5,35 x 10-11)2 = 5,0234 x 10–9 N

9. Kelajuan, EK, EP, dan ET elektron pada orbit ke – 2 atom hidrogen:

- Kelajuan elektron

v = nh/2mr

v = 2 x 6,625 x 10-34 /(2 x 3,14 x 9,11 x 10-31 x 4 x 5.3510-11)

v = 1,0825 x 108 m/s

- Energi kinetik elektron:

EK = = 4 x 6,625 x 10-34 / [8 x 9,11 x 10-31 x (3,14)2 x (4 x 5,35 x 10-11)2]

EK = 0,5333 x 10 – 19 J

Boleh juga menggunakan persamaan ½ mv2, hasilnya sama saja.

- Energi potensial pada orbit kedua:

EP = ½ kZe2/r = ½ x 1 x (1,6 x 10-19)2/ 4 x (5,35 x 10-11) = 0,5375 x 10–18 J

- Energi Total adalah (0,05333 + 0.5375 ) x 10-18 = 0.59083 x 10-18 J

10. Panjang gelombang yang dipancarkan atom hidrogen akibat adanya transisi dari n

= 5 ke n = 2 adalah

- Panjang gelombang yang dipancarkan oleh atom hidrogen ketika bertransisi dari

n = 5 ke n = 2 adalah:

Kita gunakan deret Balmer:

λ = 4,3402 x 10-7 m

11. Frekuensi yang terpancar ketika elektron berpindah dari orbit 4 ke 2 adalah:

f = c/λ = 3 x 108 x 2,057 x 106 = 6,171 x 1014 Hz

12. Bilangan kuantum utama untuk panjang gelombang 102,6 nm adalah:

- Kita gunakan persamaan energi atom hidrogen:

En = 13,6 x 1,6 x 10-19 / n2 = hc/λ

n2 = 13,6 x 1,6 x 10-19 / (6,625 x 10-34 x 3 x 108) = 8,9022

n = 2,984 3

Jadi n (bilangan kuantum utama) adalah 3

13. Lintasan yang dilalui elektron ketika melepaskan foton dengan frekuensi sebesar 8

x 1014 Hz adalah:

- Energi yang dibawa foton ini adalah: E = hf = 6,625 x 10-34 x 8 x 1014 = 5,3 x 10-19 J

- Kemungkinan besar elektron berpindah dari keadaan (energi) 9,28 x 10-19 J ke

keadaan 4,0 x 10-19 J karena selisih energi paling mendekati yaitu 5,28 x 10-19 J.

14. Frekuensi foton yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari kulit K ke

kulit M adalah:

- Frekuensi dihitung melalui persamaan f = ΔE/h

ΔE = 2,4 x 10-19 – (–21,76 x 10-19) = 19,36 x 10-19 J

f = 19,36 x 10-19 / 6,625 x 10-34 = 2,92 x 1015 Hz

15. Panjang gelombang maksimum dan minimum dari deret berikut adalah:

Deret Persamaan Panjang gelombang

Max (n = n0), x 10-7 Min (n = ), x 10-7

Lyman

21

2

1

1

11

nRH

1,215 0,912

Balmer 6,606 3,646

Paschen

21

2

1

3

11

nRH

18,604 8,204

Brackett

21

2

1

4

11

nRH

40,515 14,585

Pfund

21

2

1

5

11

nRH

74,63 22,789

**********Diskusi dan Penelusuran Informasi***********

1. Arti dari bilangan-bilangan kuantum:

- n = menyatakan bilangan kuantum utama yang (khusus dalam atom hidrogen)

menunjukkan tingkat energi atom, juga menyatakan letak orbital suatu

elektron.

- l = bilangan kuantum orbital, menyatakan besarnya momentum sudut yang

dimiliki oleh elektron.

- ml = bilangan kuantum magnetic, menyatakan sifat magnetic (bisa berinteraksi

dengan medan magnet eksternal) ketika atom berinteraksi dengan suatu

medan magnet tertentu.

- mS = bilangan kuantum spin, menyatakan orientasi atau arah putar (spinning)

elektron ketika mengorbit pada lintasannya.