Bilangan Kuantum Elektron dalam Atom, Ketahui Penerapan dan Fungsinya   

Liputan6.com, Jakarta - Memahami struktur atom modern menjadi bagian dari dunia mekanika kuantum. Dalam model atom terbaru, keberadaan elektron di sekitar inti tidak lagi digambarkan seperti planet mengelilingi matahari, melainkan sebagai wilayah probabilitas yang tinggi dan disebut dengan orbital. Mendeskripsikan setiap karakteristik unik dari orbital memerlukan sebuah sistem koordinat khusus dikenal sebagai bilangan kuantum.

Menurut buku Fisika Kuantum oleh Nurul Azmi Ridha dkk (2024: 49), orbital didefinisikan sebagai volume ruang di mana terdapat probabilitas tinggi untuk menemukan elektron. Materi bilangan kuantum merupakan pelajaran Kimia kelas 10 SMA yang harus dipahami.

Konsep bilangan kuantum merupakan kunci menjelaskan mengapa unsur-unsur menunjukkan sifat kimia yang berbeda-beda. Empat bilangan ini berfungsi layaknya alamat pos bagi setiap elektron dalam atom. Dengan memahami keempat bilangan kita dapat memprediksi konfigurasi elektron suatu unsur. 

Melansir dari buku Cerdas Belajar Kimia Oleh Nana Sutresna (2007: 5) terdiri dari 4 bilangan kuantum, yaitu bilangan kuantum utama, bilangan kuantum azimut, bilangan kuantum magnetik, dan bilangan kuantum spin.

a. Bilangan Kuantum Utama ukuran dan Energi

Bilangan kuantum utama disimbolkan dengan (n) menentukan ukuran dari orbital. Bilangan kuantum ini menentukan tingkat energi yang mempunyai harga n = 1, 2, 3 Biasanya digunakan istilah "kulit" yang menyatakan sekelompok tingkat energi yang memiliki n dengan harga yang sama.

Bilangan kuantum utama menentukan ukuran orbital dan tingkat energi keseluruhan dari orbital tersebut. 

Semakin besar nilai n, maka: 

• Ukuran Orbital semakin besar: Orbital tersebut semakin jauh dari inti atom.
• Energi Orbital semakin tinggi: Elektron yang berada pada kulit dengan n yang lebih besar memiliki energi yang lebih tinggi.

b. Bilangan Kuantum Azimut: Bentuk Orbital

Bilangan kuantum azimut (1) disebut juga bilangan kuantum orbital dapat menentukan bentuk ruang dari orbital.

Bilangan kuantum / mempunyai harga sebagai berikut.

l = 0, 1, 2, 3 ,...(n-1)

Harga / biasanya dinyatakan dengan huruf sebagai berikut.

l = 0 yaitu huruf s (sharp) Orbital berbentuk bola.

l = 1 yaitu huruf p (principal) Orbital berbentuk seperti balon terpilin/angka delapan (dumbbell).

l = 2 yaitu huruf d (diffuse) Orbital berbentuk lebih kompleks (misalnya, empat daun semanggi).

l = 3 yaitu huruf f (fundamental) Orbital memiliki bentuk yang sangat kompleks.

Nilai s, p, d, f digunakan dari spektroskopi deret-deret spektrum unsur alkali. Dengan adanya bilangan kuantum azimut (orbital) yang berbeda memungkinkan untuk mem-bagi setiap "kulit" menjadi "subkulit" atau orbital.

Setiap subkulit dinyatakan dengan harga bilangan dari n dan huruf yang menyatakan I. Misalkan, subkulit 2p ber-arti mempunyai harga n = 2 dan l = 1

Hubungan kulit dan subkulit (orbital)

Kulit K (n = 1) maka hanya mengandung orbital 1s.

Kulit L (n = 2) maka hanya mengandung orbital 2s dan 2p.

Kulit M (n = 3) maka hanya mengandung orbital 3s, 3p, dan 3d.

Kulit N (n = 4) maka hanya mengandung orbital 4s, 4p, 4d, dan 4f.

c. Bilangan Kuantum Magnetik Orientasi Ruang

Bilangan kuantum magnetik (ml) menentukan orientasi orbital dalam ruang sehingga disebut juga bilangan kuantum orientasi orbital.

Untuk setiap harga I akan mempunyai harga m sebanyak (2l + 1) dengan rentang nilai ml = 1,..., 0, +1.

Untuk l = 0 (elektron pada s) maka m = 0

Untuk l = 1 (elektron pada p) maka m = - 1, 0, 1

Untuk l = 2 (elektron pada d) maka m = - 2, - 1, 0, 1, 2

Untuk l = 3 (elektron pada f) maka m = - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3

d. Bilangan Kuantum Spin

Dengan menggunakan alat spektroskopi yang daya pisahnya sangat tinggi maka akan tampak setiap garis spektrum yang terdiri atas sepasang garis yang sangat berdekatan. Menurut Uhlenbeck dan Goudsmit (1925) bahwa elektron memiliki momen magnetik sehingga elektron berputar pada sumbu-nya dan menghasilkan sudut spin. Harga bilangan kuantum 1 spin (s) adalah ms = + ½ dan - ½ 

Dalam buku Mudah dan Aktif Belajar Kimia, (2007: hlm 13) Menurut Wolfgang Pauli, prinsip ini menyatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam satu atom yang boleh memiliki keempat bilangan kuantum (n, l, ml, ms) yang sama.

Aturan ini disebut Prinsip larangan Pauli. Makna dari larangan Pauli adalah jika elektron-elektron memiliki ketiga bilangan kuantum (n, l, m) sama maka elektron-elektron tersebut tidak boleh berada dalam orbital yang sama pada waktu bersamaan. 

Akhirnya, setiap orbital hanya dapat dihuni maksimum dua elektron dan arah spinnya harus berlawanan. Sebagai konsekuensi dari larangan Pauli maka jumlah elektron yang dapat menghuni subkulit s, p, d, f,..., dan seterusnya berturut-turut adalah 2, 6, 10, 14, ..., dan seterusnya. Hal ini sesuai dengan rumus: 2(2l + 1)

Bilangan kuantum berfungsi untuk mendeskripsikan keadaan elektron dalam atom secara lengkap, seperti alamat sebuah elektron. Penerapan utamanya terlihat dalam menentukan konfigurasi elektron, yang menjelaskan bagaimana elektron tersusun dalam orbital atom. 

Penerapan bilangan kuantum memungkinkan kita untuk mengidentifikasi orbital. Selain itu memastikan tidak ada dua elektron dalam satu atom yang memiliki empat set bilangan kuantum yang persis sama. Selain itu, penerapan bilangan kuantum bisa memprediksi sifat kimia dan berikatan dengan unsur lain. 

 Berikut penerapannya: 

1. Atom Hidrogen

n utama: 1 (elektron berada di kulit energi pertama)

l azimut: 0 untuk sub kulit s, nilai l=0

ml magentik: 0 karena hanya ada satu orbital s dengan ml = 0

ms spin : +½ (elektron tunggal di orbital biasanya ditulis dengan positif.

2. Atom Helium 

Helium memiliki nomor atom 2 dengan 2 elektron. Konfigurasi elektronnya adalah 1s^2.

n utama:1

l azimut: 0

ml magentik: 0

ms spin : -½  

3. Atom Oksigen

Oksigen punya nomor atom 8. Konfigurasi elektronnya adalah 1s^22S^2SP^4. Elektron valensi berada di subkulit 2p.

n utama: 2 (elektron berada di kulit energi kedua).

l azimut: 1 (untuk subkulit (p), nilai (l=1).

ml magentik: Nilai yang mungkin adalah -1, 0, atau +1

ms spin : +½   atau ½   tergantung pada elektron spesifik yang Anda tinjau.

Bilangan Kuantum Utama

Fungsinya ialah menentukan tingkat energi utama yang jaraknya dihitung dari inti serta ukuran orbital. Nilainya adalah bilangan bulat positif (1, 2, 3, dst.). Semakin besar (n), semakin tinggi tingkat energinya dan semakin jauh jarak rata-rata elektron dari inti atom.

Bilangan Kuantum Azimut (Sudut)

Menentukan bentuk orbital dan subkulit atom  (s,p,d,f). Nilainya berkisar dari 0 hingga (n-1).  (l=0) untuk bentuk bola (orbital (s). (l=1) untuk bentuk dumbbell (orbital (p).

Bilangan Kuantum Magnetik 

Bilangan kuantum magnetik berfungsi menentukan orientasi orbital dalam ruang tiga dimensi di sekitar inti atom. Nilainya berkisar dari (-l) hingga (+l), termasuk nol.

Bilangan Kuantum Spin

Menentukan spin elektron (arah putaran elektron pada porosnya). Nilainya hanya ada dua: (+1/2) (spin ke atas) atau (-1/2) (spin ke bawah). Fungsi ini sangat penting untuk mematuhi Asas Larangan Pauli, yang menyatakan bahwa tidak ada dua elektron dalam satu atom yang dapat memiliki keempat bilangan kuantum yang sama.

Q: Apa yang dimaksud dengan bilangan kuantum?

A: Bilangan kuantum adalah nilai-nilai yang menggambarkan keadaan elektron dalam atom, seperti energi, bentuk orbital, orientasi, dan spin.

Q: Ada berapa jenis bilangan kuantum?

A: Ada empat: bilangan kuantum utama (n), azimut (l), magnetik (m), dan spin (s).

A: Menunjukkan tingkat energi atau kulit tempat elektron berada.

Q: Apa fungsi bilangan kuantum spin?

A: Menunjukkan arah putaran elektron, yaitu +½ atau –½.

Q: Mengapa bilangan kuantum penting dalam kimia?

A: Karena membantu menentukan distribusi elektron, bentuk orbital, dan sifat kimia suatu unsur.