Konfigurasi Aufbau Unsur Berat

Kenapa Energi Subkulit Bisa Melompat?

Urutan pengisian elektron ditentukan oleh tingkat energi yang dikalkulasi menggunakan nilai $(n+l)$, bukan sekadar angka urut kulit ($n$).

Bayangkan atom sebagai Hotel Energi Bertingkat. Elektron bertindak layaknya rombongan tamu yang selalu memesan kamar paling murah terlebih dahulu (Aturan Aufbau). Namun, tarif sewa kamar tidak hanya bergantung pada nomor lantai atau nomor kulit utama ($n$). Ada tipe kamar yang menentukan biaya tambahan melalui bilangan kuantum azimut ($l$), yaitu orbital $s$ ($l=0$), $p$ ($l=1$), $d$ ($l=2$), dan $f$ ($l=3$). Total biaya kamar inilah yang diukur dengan rumus nilai $(n+l)$.

Grafik batang horizontal tingkat energi n+l untuk subkulit 7s, 5f, 6d, dan 7p

Mari kita hitung nilai $(n+l)$ untuk subkulit yang ada di periode 7:

Dari perhitungan di atas, terlihat jelas bahwa subkulit $7s$ memiliki nilai energi 7, sehingga harus diisi sebelum subkulit $5f$ yang bernilai 8. Ketika beberapa subkulit memiliki jumlah $(n+l)$ yang sama persis (seperti $5f$, $6d$, dan $7p$ yang sama-sama bernilai 8), prioritas pengisian diberikan kepada subkulit dengan nomor kulit ($n$) paling kecil. Urutannya menjadi $5f$ terlebih dahulu, kemudian $6d$, dan barulah $7p$ (Opsi E memiliki energi tertinggi di kelompok ini, bukan yang langsung diisi).

Jika ada subkulit 6s dan 4f, mana yang akan mulai diisi oleh elektron lebih dulu dan mengapa?

  • Subkulit 6s, karena memiliki nilai energi (n+l) total sebesar 6, lebih rendah dari 4f yang bernilai 7.
  • Subkulit 4f, karena berada pada kulit keempat yang lebih dekat ke inti dibanding kulit keenam.
  • Subkulit 4f, karena bentuk orbital f selalu memiliki kapasitas lebih banyak dari orbital s.
  • Subkulit 6s, karena memiliki angka kulit utama (n) terbesar sehingga otomatis ditarik lebih kuat oleh inti.

Jawaban: Subkulit 6s, karena memiliki nilai energi (n+l) total sebesar 6, lebih rendah dari 4f yang bernilai 7.

Menurut Aturan Aufbau dan kaidah (n+l), tingkat energi orbital ditentukan oleh jumlah nomor kulit utama (n) dan bilangan kuantum azimuth (l). Untuk 6s, nilainya adalah 6 + 0 = 6. Untuk 4f, nilainya adalah 4 + 3 = 7. Karena nilai (n+l) milik 6s lebih kecil, subkulit 6s memiliki energi lebih rendah dan diisi elektron lebih dulu daripada 4f. Opsi B dan C salah karena energi tidak semata-mata ditentukan oleh kecilnya n atau besarnya kapasitas orbital. Opsi D salah karena kulit utama lebih besar tidak berarti tarikan inti lebih kuat.

Subkulit yang memiliki kombinasi energi (n+l) lebih rendah akan diisi elektron lebih dulu.

Membaca Peta Blok Tabel Periodik

Tata letak $s$, $p$, $d$, $f$ pada tabel periodik merupakan representasi visual dari urutan energi Aufbau.

Tabel periodik dirancang memetakan tipe subkulit secara spasial ke dalam empat blok besar:

Diagram pembagian blok s, p, d, dan f pada tabel periodik Gambar: User:DePiep, CC BY-SA 3.0 — Wikimedia Commons

Saat kita menelusuri periode 7 dari kiri ke kanan, elektron valensi mengisi subkulit $7s$ di blok s. Setelah blok s terisi penuh, jalur tabel mengarahkan kita langsung turun ke baris bawah, yaitu deret aktinida yang merupakan blok f (pengisian subkulit $5f$). Karena Amerisium berada di dalam deret aktinida, elektron terakhirnya berada di wilayah blok f ini.

Apabila suatu unsur baru ditemukan dan secara letak masuk ke dalam deret aktinida bagian bawah tabel periodik, maka subkulit mana yang kemungkinan besar sedang mengalami pengisian elektron terakhir?

  • Subkulit tipe f (khususnya 5f).
  • Subkulit tipe s (khususnya 7s).
  • Subkulit tipe d (khususnya 6d).
  • Subkulit tipe p (khususnya 7p).

Jawaban: Subkulit tipe f (khususnya 5f).

Deret aktinida terletak pada blok f di bagian bawah tabel periodik, yang secara spesifik menampung pengisian elektron pada subkulit 5f. Opsi B salah karena blok s diisi pada awal periode (golongan 1 dan 2). Opsi C salah karena orbital tipe d merupakan karakteristik unsur transisi di bagian tengah (blok d). Opsi D salah karena orbital tipe p berada di blok p di sebelah kanan tabel periodik.

Elektron terakhir yang ditambahkan dari unsur deret aktinida masuk ke subkulit f.

Jalan Pintas Konfigurasi Gas Mulia

Menyederhanakan penulisan elektron $Z$ besar dapat menggunakan inti gas mulia terdekat sebelum nomor atom unsur tersebut.

Menuliskan konfigurasi elektron secara manual dari subkulit $1s$ untuk atom dengan nomor atom besar seperti Amerisium ($Z=95$) memakan waktu dan rentan keliru. Dalam analogi Hotel Energi, kita dapat memperlakukan konfigurasi gas mulia stabil sebelumnya sebagai "lobi hotel" yang seluruh kamarnya sudah penuh terisi dan terkunci rapi.

Diagram pengurangan nomor atom Amerisium Z=95 dengan Radon Z=86 menghasilkan sisa 9 elektron

Gas mulia terdekat yang mendahului Amerisium ($Z=95$) adalah Radon (Rn) dengan nomor atom $Z=86$, yang terletak di ujung periode 6. Pada konfigurasi Radon, subkulit $6p$ sudah terisi penuh ($6p^6$), sehingga Opsi B ($6p$) keliru karena kamar tersebut sudah selesai dihuni sejak di lobi. Jumlah elektron sisa yang belum ditempatkan dapat dihitung dengan pengurangan langsung:

$$\text{Sisa elektron} = 95 - 86 = 9 \text{ elektron}$$

Sembilan tamu elektron inilah yang tinggal kita distribusikan ke subkulit berikutnya di periode 7.

Tentukan Benar atau Salah untuk tiap pernyataan terkait penyingkatan konfigurasi elektron atom unsur X dengan nomor atom Z = 91!

  • Kita dapat menggunakan Kripton (Kr) dengan Z=36 sebagai inti gas mulia utama untuk menyingkat konfigurasi unsur X (Z=91). — Salah
  • Pemilihan inti gas mulia yang benar akan menyisakan 5 elektron yang harus didistribusikan ke subkulit terluar. — Benar

Pernyataan 1 Salah karena Kripton (Kr, Z=36) terletak terlalu jauh di periode 4; gas mulia terdekat sebelum Z=91 adalah Radon (Rn, Z=86). Pernyataan 2 Benar karena dengan memilih inti Radon (Z=86), sisa elektron yang harus didistribusikan ke subkulit terluar adalah 91 - 86 = 5 elektron.

Gas mulia yang tepat untuk menyingkat konfigurasi atom adalah gas mulia terdekat sebelum nomor atom unsur tersebut.