Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

—Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik.Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas/kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up awal.

—PLTU batu bara, bahan bakar yang digunakan adalah batu bara uap yang terdiri dari kelas sub bituminus dan bituminus. Lignit juga mulai  mendapat tempat sebagai bahan bakar pada PLTU belakangan ini, seiring dengan  perkembangan teknologi pembangkitan yang mampu mengakomodasi batu bara berkualitasr endah.

skema PLTU bahan bakar batubara

Pembakaran Lapisan Tetap

—Metode lapisan tetap menggunakan stoker boiler untuk proses pembakarannya. Sebagai bahan bakarnya adalah batubara dengan kadar abu yang tidak terlalu rendah dan berukuran maksimum sekitar 30mm. Selain itu, karena adanya pembatasan sebaran ukuran butiran batubara yang digunakan, maka perlu dilakukan pengurangan jumlah fine coal yang ikut tercampur ke dalam batubara tersebut. Alasan tidak digunakannya batubara dengan kadar abu yang terlalu rendah adalah karena pada metode pembakaran ini, batubara dibakar di atas lapisan abu tebal yang terbentuk di atas kisi api (traveling fire grate) pada stoker boiler.

Gambar  Stoker Boiler

Pembakaran Batubara Serbuk (Pulverized Coal Combustion/PCC)

—Pada PCC, batubara diremuk dulu dengan menggunakan coal pulverizer (coal mill) sampai berukuran 200 mesh (diameter 74μm), kemudian bersama – sama dengan udara pembakaran disemprotkan ke boiler untuk dibakar. Pembakaran metode ini sensitif terhadap kualitas batubara yang digunakan, terutama sifat ketergerusan (grindability), sifat slagging, sifat fauling, dan kadar air (moisture content). Batubara yang disukai untuk boiler PCC adalah yang memiliki sifat ketergerusan dengan HGI (Hardgrove Grindability Index) di atas 40 dan kadar air kurang dari 30%, serta rasio bahan bakar (fuel ratio) kurang dari 2. Pembakaran dengan metode PCC ini akan menghasilkan abu yang terdiri diri dari clinker ash sebanyak 15% dan sisanya berupa fly ash.

—Gambar  PCC Boiler

Pembakaran Lapisan Mengambang (Fluidized Bed Combustion/FBC)

Pada pembakaran dengan metode FBC, batubara diremuk terlebih dulu dengan menggunakan crusher sampai berukuran maksimum 25mm. Tidak seperti pembakaran menggunakan stoker yang menempatkan batubara di atas kisi api selama pembakaran atau metode PCC yang menyemprotkan campuran batubara dan udara pada saat pembakaran, butiran batubara dijaga agar dalam posisi mengambang, dengan cara melewatkan angin berkecepatan tertentu dari bagian bawah boiler.

Gambar Tipikal boiler FBC

PFBC

Pada PFBC, selain dihasilkan panas yang digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk memutar turbin uap, dihasilkan pula gas hasil pembakaran yang memiliki tekanan tinggi yang dapat memutar turbin gas, sehingga PLTU yang menggunakan PFBC memiliki efisiensi pembangkitan yang lebih baik dibandingkan dengan AFBC karena mekanisme kombinasi (combined cycle) ini. Nilai efisiensi bruto pembangkitan (gross efficiency) dapat mencapai 43%.

Gambar Prinsip kerja PFBC

Peningkatan efisiensi panas

—Untuk lebih meningkatkan efisiensi panas, unit gasifikasi sebagian (partial gasifier) yang menggunakan teknologi gasifikasi lapisan mengambang (fluidized bed gasification) kemudian ditambahkan pada unit PFBC. Dengan kombinasi teknologi gasifikasi ini maka upaya peningkatan suhu gas pada pintu masuk (inlet) turbin gas memungkinkan untuk dilakukan.

Pada proses gasifikasi di partial gasifier tersebut, konversi karbon yang dicapai adalah sekitar 85%. Nilai ini dapat ditingkatkan menjadi 100% melalui kombinasi dengan pengoksidasi (oxidizer). Pengembangan lebih lanjut dari PFBC ini dinamakan dengan Advanced PFBC (A-PFBC), yang prinsip kerjanya ditampilkan pada gambar 10 di bawah ini. Efisiensi netto pembangkitan (net efficiency) yang dihasilkan pada A-PFBC ini sangat tinggi, dapat mencapai 46%.

Gambar  Prinsip kerja A-PFBC

ICFBC

Ruang pembakaran utama (primary combustion chamber) dan ruang pengambilan panas (heat recovery chamber) dipisahkan oleh dinding penghalang yang terpasang miring. Kemudian, karena pipa pemanas (heat exchange tube) tidak terpasang langsung pada ruang pembakaran utama, maka tidak ada kekhawatiran terhadap keausan pipa sehingga pasir silika digunakan sebagai pengganti batu kapur untuk media FBC. Batu kapur masih tetap digunakan sebagai bahan pereduksi SOx, hanya jumlahnya ditekan sesuai dengan keperluan saja.

Gambar ICFBC

IGCC

pada sistem ini terdapat alat gasifikasi (gasifier) yang digunakan untuk menghasilkan gas, umumnya bertipe entrained flow. Yang tersedia di pasaran saat ini untuk tipe tersebut misalnya Chevron Texaco (lisensinya sekarang dimiliki GE Energy), E-Gas (lisensinya dulu dimiliki Dow, kemudian Destec, dan terakhir Conoco Phillips ), dan Shell. Prinsip kerja ketiga alat tersebut adalah sama, yaitu batubara dan oksigen berkadar tinggi dimasukkan kedalamnya kemudian dilakukan reaksi berupa oksidasi sebagian (partial oxidation) untuk menghasilkan gas sintetis (syngas), yang 85% lebih komposisinya terdiri dari H2 dan CO. Karena reaksi berlangsung pada suhu tinggi, abu pada batubara akan melebur dan membentuk slag dalam kondisi meleleh (glassy slag). Adapun panas yang ditimbulkan oleh proses gasifikasi dapat digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi, yang selanjutnya dialirkan ke turbin uap.

Gambar  Tipikal IGCC

Pembangkitan Kombinasi Dengan Gasifikasi Batubara

Peningkatan efisiensi pembangkitan dengan mekanisme kombinasi melalui pemanfaatan gas sintetis hasil proses gasifikasi seperti pada A-PFBC, selanjutnya mengarahkan teknologi pembangkitan untuk lebih mengintensifkan penggunaan teknologi gasifikasi batubara ke dalam sistem pembangkitan. Upaya ini akhirnya menghasilkan sistem pembangkitan yang disebut dengan Integrated Coal Gasification Combined Cycle (IGCC).

Struktur Atom

Struktur Atom, Partikel Penyusun, Model, Proton, Elektron, Neutron, Penemuan, Inti, Nomor Massa, Muatan, Contoh Soal, Pembahasan, Isotop, Isoton, Isobar - Untuk mengidentifikasi struktur atom, kita tidak dapat melakukan pengamatan secara langsung terhadap atom sebab atom terlalu kecil untuk diamati secara langsung. Saat ini, atom telah dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop STM (Scanning Tunneling Microscope) dan AFM (Atomic Force Microscope) sehingga sifat dan karakteristik dari bentuk atom dapat diamati dengan lebih jelas. Gejala yang ditimbulkan atom dapat dipelajari, seperti warna nyala, difraksi, sifat listrik, sifat magnet, dan gejala-gejala lainnya.

A. Partikel Penyusun Atom

Sebelum ilmu Kimia berkembang, para filsafat Yunani Kuno sudah mengenal istilah atom. Menurut pandangannya, atom adalah partikel terkecil yang membangun materi. Dengan teknologi modern, atom dapat diurai menjadi partikel-partikel yang lebih kecil, dinamakan partikel subatom, yaitu elektron, proton, dan neutron.

1.1. Penemuan Elektron

Keberadaan elektron dapat diketahui berdasarkan percobaan sinar katode (Sir William Crookes, 1879). Dalam percobaannya, Crookes menggunakan alat yang disebut tabung sinar katode atau disebut juga tabung Crookes (lihat Gambar 1).

Gambar 1. Tabung sinar katode (tabung Crookes)

Jika tabung Crookes dihubungkan dengan sumber arus searah tegangan tinggi maka katode akan memancarkan berkas sinar menuju anode. Sinar itu dinamakan sinar katode. Sinar katode memiliki massa. Hal ini dapat dilihat dengan memutarnya baling-baling yang dipasang pada jalannya berkas sinar katode (Gambar 1). Pengamatan lain menunjukkan, sinar katode dapat dibelokkan oleh medan listrik menuju kutub positif listrik. Hal ini membuktikan bahwa sinar katode memiliki muatan negatif (perhatikan Gambar 2).

Gambar 2. Sinar katode dibelokkan oleh medan listrik

Berdasarkan fakta tersebut, apa yang dapat Anda simpulkan? Stoney menamakan sinar katode dengan istilah elektron. Dengan demikian, elektron memiliki massa dan bermuatan negatif. Jika bahan katode diganti dengan logam lain selalu dihasilkan sinar katode yang sama. Hal ini membuktikan bahwa sinar katode atau elektron merupakan partikel dasar penyusun materi.

Contoh Soal Mengidentifikasi Sifat-Sifat Elektron (1) :

Elektron dapat dibelokkan menuju kutub positif listrik sehingga disimpulkan bahwa sinar katode bermuatan negatif. Apakah dasar hukumnya?

Penyelesaian :

Benda-benda yang muatannya berlawanan akan tarik-menarik. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa elektron bermuatan negatif.

1.2. Penemuan Proton

Keberadaan proton dibuktikan melalui percobaan tabung Crookes yang dimodifikasi (perhatikan Gambar 3). 

Gambar 3. Pada tabung sinar katode yang dimodifikasi, sinar katode mengionisasi gas dalam tabung yang mengakibatkan gas dalam tabung bermuatan positif. Gas yang bermuatan positif ini bergerak menuju katode, sebagian dapat melewati celah katode dan menumbuk dinding tabung.

Tabung Crookes diisi gas hidrogen dengan tekanan rendah. Percobaan ini dikembangkan oleh Eugen Goldstein. Jika tabung Crookes dihubungkan dengan sumber arus listrik di bagian belakang katode yang dilubangi maka akan terbentuk berkas sinar. Goldstein menamakan sinar itu sebagai sinar terusan. Oleh karena sinar terusan bergerak menuju katode maka disimpulkan bahwa sinar terusan bermuatan positif. Menurut Goldstein, sinar terusan tiada lain adalah ion hidrogen. Ion ini terbentuk akibat gas hidrogen bertumbukan dengan sinar katode.

Oleh karena ion hidrogen hanya mengandung satu proton maka disimpulkan bahwa sinar positif adalah proton. Penggantian gas hidrogen oleh gas lain selalu dihasilkan sinar yang sama dengan sinar terusan yang dihasilkan oleh gas hidrogen. Hal ini dapat membuktikan bahwa setiap materi mengandung proton sebagai salah satu partikel penyusunnya.

Contoh Soal Mengidentifikasi Sifat-Sifat Proton (2) :

Bagaimanakah terbentuknya ion hidrogen dalam tabung sinar katode? Jelaskan.

Pembahasan :

Ketika tabung Crookes dihubungkan dengan arus listrik, sinar katode akan terpancar menuju anode. Dalam perjalanannya menuju anode, sinar katode bertumbukan dengan gas hidrogen yang terdapat dalam tabung sehingga terbentuk ion hidrogen yang bermuatan positif.

1.3. Penemuan Neutron

Keberadaan neutron dalam atom ditemukan oleh J. Chadwick melalui percobaan penembakan unsur berilium oleh partikel alfa kecepatan tinggi. Dari percobaan tersebut, terbentuk partikel yang tidak dipengaruhi medan magnet dan dapat bertumbukan dengan parafin (Gambar 4). Partikel alfa adalah partikel bermuatan positif yang dipancarkan oleh unsur radio aktif.

Gambar 4. Diagram alir pelepasan partikel neutron

Data percobaan menunjukkan bahwa sinar yang keluar dari target berilium tidak dipengaruhi oleh medan magnet. Ketika sinar yang keluar dari target berilium menumbuk parafin, proton akan keluar dari parafin dengan kecepatan tinggi. Chadwick menyimpulkan bahwa partikel yang keluar dari unsur berilium tidak bermuatan dan memiliki massa hampir sama dengan massa proton. Partikel tersebut dinamakan neutron.

Catatan :

Partikel alfa adalah partikel yang dipancarkan oleh unsur radioaktif yang bermuatan positif.

1.4. Massa dan Muatan Partikel Sub Atom

Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh Sir Joseph J. Thomson (1897) dan Robert A. Millikan (1906), massa dan muatan partikel sub atom dapat ditentukan. Untuk menyatakan massa subatom, massa proton dan neutron ditetapkan sama dengan satu, sedangkan elektron  kali massa proton. Massa proton sesungguhnya adalah 1,67 × 10^–27 kg dan massa elektron sesungguhnya adalah 9,11 × 10^–31 kg.

Berapakah muatan elektron? Pertanyaan ini dijawab pada abad ke-20 oleh ahli fisika Amerika, Robert A. Millikan. Penelitiannya yang terkenal dinamakan percobaan Tetes Minyak Millikan. Pada 1906, Robert A. Millikian berhasil menentukan harga muatan elektron melalui percobaan tetes minyak. Minyak disemprotkan sampai tetesan minyak jatuh melalui celah yang terdapat pada pelat bagian atas dan tetesan minyak memasuki ruang di antara dua pelat yang dipasang sejajar. Jika gas Z di antara kedua pelat itu disinari dengan sinar-x maka gas Z akan melepaskan elektron dan elektron ini terikat oleh tetesan minyak : 

Z + sinar-x → Z⁺ + e^–.

Gambar 5. Percobaan tetes minyak Millikan untuk mengukur muatan elektron

Dengan mengatur potensial pada pelat P, gerak tetesan minyak dapat diatur naik turun, gerakan ini dapat diamati melalui teleskop (Gambar 5). Turunnya tetes minyak akibat gaya gravitasi (mg) dan naiknya tetes minyak diatur oleh potensial untuk mengimbangi gaya gravitasi yang besarnya sesuai dengan hukum Stokes (6πη rv), dengan r = jari-jari minyak, v= kecepatan jatuh minyak, dan η = viskositas minyak. Dari percobaan tetes minyak, Millikan menemukan bahwa muatan tetes minyak (q) selalu merupakan kelipatan bilangan bulat dari 1,6 × 10^–19 C, yakni:

q = n e, dengan n = 1, 2, 3, ..., i

Hal ini disebabkan satu tetes minyak dapat menangkap elektron sebanyak kelipatan dari bilangan bulat. Oleh karena itu, disimpulkan bahwa muatan sebuah elektron sama dengan 1,6 x 10^-19.

Dengan mengetahui besar muatan elektron, harga massa elektron dapat dihitung dengan cara memasukkan harga muatan tersebut ke dalam persamaan angka banding :



yang ditemukan oleh Thomson, yaitu:

Untuk menyatakan muatan partikel subatom, muatan proton sama dengan +1, elektron ditetapkan sama dengan –1, sedangkan neutron tidak bermuatan (netral). Muatan elektron dan proton sesungguhnya adalah : -1,67 × 10^–19 dan 1,67 x 10^-19.

Tabel 1. Muatan Partikel Sub Atom.

Partikel Subatom	Massa		Muatan
	Eksak (kg)	Relatif	Eksak (coulomb)	Relatif
Proton, p	1,67 × 10 –27	0	+1,60 × 10–19	+1
Neutron, n	1,67 × 10 –27	1	–	–
Elektron, e	9,11 × 10 –31		– 1,60 × 10–19	–1

Sekilas  Kimia

J.J Thomson (1856-1940)

Robert A. Millikan (1871-1937)

J. J. Thomson menemukan elektron sebagai unit penting dalam arus listrik (atas), Robert A. Millikan menemukan muatan elektron melalui percobaan minyak tetes (bawah).

B. Nomor Atom dan Nomor Massa

Apakah yang dimaksud dengan nomor atom dan nomor massa? Kedua besaran ini menyatakan identitas suatu atom untuk membedakan dengan atom-atom lain.

2.1. Nomor Atom

Jika suatu anode disinari dengan sinar katode akan dihasilkan sinar-X dengan panjang gelombang bergantung pada jumlah proton dalam atom logam yang dijadikan anode (Gambar 6). Panjang gelombang sinar-X menurun dengan bertambahnya jumlah proton dalam atom logam.

Gambar 6. Sinar-X dipancarkan oleh anode yang disinari dengan berkas sinar elektron berenergi tinggi

Pada percobaan lain, Moseley menemukan bahwa jumlah proton berbanding lurus dengan nomor atom. Jika jumlah proton bertambah satu satuan maka nomor atom unsur tersebut juga bertambah satu satuan. Apa yang dapat Anda simpulkan dari data di atas? Simak pernyataan berikut.

1. Setiap logam tersusun atas atom-atom logam dan atom logam disusun oleh proton, elektron, dan neutron. Oleh karena sinar-X bergantung pada proton maka jumlah proton merupakan sifat khas suatu atom.
2. Jumlah proton sebanding dengan nomor atom. Oleh karena itu, nomor atom menyatakan jumlah proton dalam atom dan bersifat khas untuk setiap atom. Nomor atom dilambangkan dengan Z.

Contoh Soal Hubungan Jumlah Proton, Elektron, dan Nomor Atom (3)

1. Berapakah nomor atom besi jika jumlah proton dalam inti atom besi = 26?
2. Berapakah jumlah elektron dalam atom natrium netral jika nomor atom natrium = 11?

Kunci Jawaban :

1. Nomor atom = jumlah proton

Oleh karena jumlah proton dalam atom besi = 26 maka nomor atom besi = 26

2. Nomor atom = jumlah proton

Dalam atom netral, jumlah proton = jumlah elektron Jadi, jumlah elektron dalam atom natrium = 11.

2.2. Nomor Massa

Berdasarkan hasil percobaan spektograf massa diketahui bahwa satu macam unsur terdiri atas atom-atom dengan massa berbeda.

Contoh :

Unsur karbon terdiri atas atom-atom dengan massa: 12, 13, 14. Ketiga bilangan ini dinamakan nomor massa dari atom karbon (nomor atomnya sama, yaitu 6). Di dalam atom hanya ada proton, elektron, dan neutron. Pada atom netral, jumlah proton sama dengan elektron. Oleh karena atom karbon hanya memiliki satu nomor atom maka yang membedakan massa atom adalah neutron.

Contoh Soal Hubungan Jumlah Proton, Elektron, dan Nomor Massa (4) :

1. Berapa nomor massa atom karbon yang memiliki jumah neutron = 7 dan jumlah elektron = 6?
2. Berapa jumlah neutron dalam atom neon yang memiliki nomor massa = 20 dan nomor atom = 10

Pembahasan :

1. Nomor massa = jumlah neutron + jumlah proton

Oleh karena atom netral maka jumlah proton = jumlah elektron

Sehingga dapat ditulis:

nomor massa = jumlah neutron + jumlah elektron = 7 + 6 = 13

Jadi, nomor massa atom karbon = 13

2. Nomor massa = jumlah neutron + jumlah proton

Oleh karena jumlah proton = nomor atom

maka dapat ditulis,
nomor massa = jumlah neutron + nomor atom

20 = n + 10, atau n = 10

Jadi, jumlah neutron dalam atom adalah 10.

C. Isotop, Isobar, dan Isoton

Oleh karena atom-atom suatu unsur dapat memiliki jumlah neutron yang berbeda maka diperlukan suatu istilah untuk menyatakan hubungan nomor atom dan nomor massa atom-atom.

3.1. Isotop

Pada pembahasan sebelumnya, dijelaskan bahwa atom karbon memiliki nomor massa berbeda, sedangkan nomor atomnya sama. Untuk ketiga atom karbon itu dinamakan isotop. Isotop suatu atom memiliki sifat dan fisika yang sama.

Nomor atom dinyatakan dengan Z dan A menyatakan nomor massa. Jadi, isotop karbon dapat ditulis sebagai  ;  ; dan  . Secara umum ditulis: . Contoh lainnya adalah oksigen yang memiliki 3 isotop dengan nomor massa 16, 17, dan 18 (Gambar 7)

Gambar 7. Oksigen memiliki 3 isotop dengan nomor massa 16, 17, dan 18

 3.2. Isobar

Isobar adalah atom-atom yang memiliki nomor massa sama, tetapi nomor atom berbeda. Jadi, isobar merupakan kebalikan dari isotop. Isobar suatu atom memiliki sifat kimia berbeda.

Contoh:

¹⁴N dan ¹⁴C memiliki nomor massa sama yakni 14, tetapi nomor atomnya berbeda. Atom N memiliki nomor atom 7, sedangkan atom C memiliki nomor atom 6. ⁴⁰K dan ⁴⁰Ca  adalah contoh isobar yang lain. Berapakah nomor atom dan nomor massa dari kedua atom tersebut?

3.3. Isoton

Isoton adalah atom-ataom yang memiliki jumlah neutron sama, tetapi jumlah protonnya berbeda. Isoton suatu atom memiliki sifat fisika dan kimia berbeda.

Contoh :

¹³C dan ¹⁴N. Kedua atom memiliki jumlah neutron sama, yakni 7 buah neutron, tetapi jumlah protonnya berbeda. Masing-masing C = 6 dan N = 7.

D. Massa Atom Relatif

Di laboratorium, pengukuran massa suatu zat menggunakan satuan gram. Bagaimanakah mengukur massa atom? Penentuan massa atom dilakukan dengan cara membandingkan massa atom yang akan ditentukan terhadap massa atom suatu unsur yang massanya ditetapkan (massa atom standar).

4.1. Standar Massa Atom

Standar massa atom yang kali pertama diberlakukan adalah atom hidrogen, massanya ditetapkan sebesar 1,0 sma (satuan massa atom). Pada perkembangan selanjutnya, standar massa atom adalah atom oksigen, yang massanya ditetapkan sebesar 16,0 sma.

Dengan berkembangnya teknologi dalam bidang instrumentasi, khususnya spektrometer massa, diketahui bahwa atom-atom suatu unsur dapat memiliki lebih dari satu macam isotop. Berdasarkan sifat-sifat isotop atom, ditetapkan bahwa standar massa atom adalah isotop karbon yang massanya 12 sma. Alasannya, isotop karbon-12 merupakan isotop paling stabil. Penetapan isotop karbon-12 sebagai standar massa atom dibakukan oleh IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) pada 1961 dan didefinisikan sebagai:

Penentuan massa isotop atom-atom lain didasarkan pada nilai perbandingan terhadap massa atom isotop karbon-12. Jadi, massa atom isotop suatu unsur, misalnya isotop atom X sama dengan:

Gambar 8. Isotop  memiliki berat 12 kali dari berat isotop atom 

4.2. Massa Atom Relatif

Dengan ditetapkannya massa isotop atom karbon-12 sebagai standar massa atom maka massa isotop atom unsur-unsur lain dapat ditentukan secara eksperimen menggunakan spektrometer massa. Spektrometer massa memberikan data akurat tentang jumlah isotop atom suatu unsur dan kelimpahannya di alam. Contoh :

Pengukuran secara kimia terhadap massa atom karbon adalah 12,0 sma. Oleh karena itu, pengukuran dengan spektrometer massa diharapkan memberikan satu puncak spektrum di daerah 12,0 e/m. Fakta menunjukkan bahwa karbon memberikan tiga puncak pada data runutan spektrometer massa, yaitu pada daerah massa 12, 13, dan 14 sma dengan tinggi puncak menunjukkan kelimpahan relatif masingmasing, yaitu 98,90%, 1,009% dan 0,001% seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. 

Gambar 9. Tinggi puncak menunjukkan persen kelimpahan isotop di alam.

Berdasarkan data runutan spektrometer massa, karbon merupakan campuran tiga macam isotop dengan sifat kimia yang sama, tetapi massa dan kelimpahannya di alam berbeda. Demikian pula unsur-unsur lain dapat memiliki isotop lebih dari satu dengan persen kelimpahan yang berbeda.

Permasalahan sekarang adalah isotop mana yang akan dijadikan rujukan untuk mengukur massa zat di laboratorium. Oleh karena isotop-isotop suatu unsur tidak dapat dipisahkan dalam suatu zat kimia juga kelimpahannya berbeda untuk setiap isotop maka perlu ditetapkan massa atom unsur untuk kepentingan pengukuran zat di laboratorium.

Menurut IUPAC, massa atom unsur ditentukan berdasarkan massa setiap isotop dan kelimpahannya. Penentuan dengan cara ini dinamakan massa atom relatif, disingkat A_r. Massa atom relatif (A_r) suatu unsur didefinisikan sebagai jumlah dari massa isotop dikalikan dengan kelimpahannya di alam.

Contoh:

Jika suatu unsur memiliki n isotop: isotop-1, massanya m1 dengan kelimpahan Z₁; isotop-2, massanya m2 dengan kelimpahan Z₂; dan seterusnya maka massa atom relatif unsur tersebut ditentukan dengan persamaan berikut:

Oleh karena massa atom relatif sudah mempertimbangkan isotop dan kelimpahannya di alam maka untuk perhitungan dan pengukuran massa zat didasarkan pada massa atom relatifnya. Tabel berikut menunjukkan massa atom relatif unsur-unsur.

Tabel 2. Massa Atom Relatif Unsur-Unsur

Unsur	Massa Atom Relatif
H	1,008
Li	6,975
C	12,011
N	14,006
O	15,999
F	18,998
Na	22,989
Mg	24,305
Al	26,981
P	30,974
Si	28,080
Cl	35,453
K	39,091
Ca	40,080
Br	79,904

Contoh Soal Menghitung Massa Atom Relatif Unsur (5) :

Hasil analisis spektrometer terhadap unsur boron menunjukkan bahwa unsur boron terdiri atas dus isotop, yaitu isotop ¹⁰B massanya 10,013 dengan kelimpahan 19,10% dan isotop ¹¹B massanya 11,01 sma dengan kelimpahan 80,90% sma. Berapakah massa atom relatif boron?

Penyelesaian :

Ar atom = Σ(massa isotop X % kelimpahan)

= 1,9125 + 8,9065 = 10,819

Jadi, massa atom relatif (A_r) unsur boron adalah 10,819.

E. Struktur Atom

Perkembangan pemahaman struktur atom sejalan dengan awal perkembangan ilmu Kimia modern. Ilmuwan pertama yang membangun model (struktur) atom adalah John Dalton, kemudian disempurnakan secara bertahap oleh J.J. Thomson, Rutherford, dan Niels Bohr.

5.1. Model Atom Dalton

Teori atom Dalton didasarkan pada pengukuran kuantitatif reaksireaksi kimia. Dalton menghasilkan beberapa postulat sebagai berikut.

1. Materi tersusun atas partikel-partikel sangat padat dan kecil yang tidak dapat dipecah-pecah lagi. Partikel itu dinamakan atom.
2. Atom-atom suatu unsur identik dalam segala hal, tetapi berbeda dengan atom-atom unsur lain.
3. Dalam reaksi kimia, terjadi penggabungan atau pemisahan dan penataan ulang atom-atom dari satu komposisi ke komposisi lain.
4. Atom dapat bergabung dengan atom lain membentuk suatu molekul dengan perbandingan sederhana.

Kesimpulan dari model atom Dalton, yaitu unsur terdiri atas atom-atom yang sama dalam segala hal, baik bentuk, ukuran, dan massanya, tetapi berbeda dengan atom-atom unsur lain. Dengan kata lain, atom adalah partikel terkecil suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur itu.

Gambar 10. Model atom dan molekul Dalton

5.2. Model Atom Thomson

Berdasarkan fakta bahwa elektron merupakan partikel dasar penyusun materi, mendorong Thomson membangun suatu model atom untuk menyempurnakan teori atom Dalton sebab model atom Dalton tidak menunjukkan adanya sifat-sifat listrik. Menurut Thomson, atom mengandung elektron yang bermuatan negatif dan elektron-elektron ini tersebar merata di dalam seluruh atom. Atomnya sendiri diasumsikan berupa bola pejal yang bermuatan positif.

Jika model atom Thomson ini digambarkan dalam bentuk tiga dimensi akan mirip kue onde, bijih wijen menyatakan elektron dan onde menyatakan bentuk atom. Gambar 11 menunjukkan model atom Thomson. Jika model atom Thomson dibelah dua maka elektron-elektron di dalam atom akan tampak seperti bijih jambu batu yang tersebar merata di dalam jambu.

Gambar 11. Model atom Thomson

5.3. Model Atom Rutherford

Rutherford melakukan percobaan penembakan lempeng emas yang sangat tipis dengan partikel alfa yang diemisikan oleh unsur radioaktif. Data hasil percobaan menunjukkan bahwa sebagian besar dari partikel alfa dapat melewati lempeng emas, tetapi hanya sebagian kecil partikel alfa yang dipantulkan kembali. Gambar 12 menunjukkan diagram hamburan partikel alfa.

Gambar 12. Partikel menumbuk tabir Zn, kilat cahaya diamati melalui mikroskop. Sebagian besar partikel alfa diteruskan oleh lempeng emas tanpa pembelokan, hanya beberapa partikel yang dipantulkan dengan sudut lebih besar dari 90°.

Berdasarkan data itu, Rutherford menyimpulkan bahwa volume atom sebagian besar berupa ruang kosong. Ini ditunjukkan oleh banyaknya partikel alfa yang dapat melewati lempeng emas. Adanya partikel alfa yang dipantulkan akibat bertumbukan dengan suatu partikel yang sangat keras dengan ukuran sangat kecil. Rutherford menamakan partikel itu sebagai inti atom. Oleh karena partikel alfa bermuatan positif maka inti atom harus bermuatan positif. Jika inti atom bermuatan negatif maka akan terjadi tarik menarik antara inti atom dan partikel alfa.

Gambar 13. Model atom Rutherford

Berdasarkan percobaan tersebut, Rutherford menyusun suatu model atom (perhatikan Gambar 13) untuk menyempurnakan model atom Thomson. Model yang dikembangkan oleh Rutherford adalah sebagai berikut.

1. Atom tersusun atas inti atom yang bermuatan positif dan elektron-elektron yang bermuatan negatif.
2. Sebagian besar volume atom merupakan ruang kosong yang massanya terpusat pada inti atom. 
3. Oleh karena atom bersifat netral maka jumlah muatan positif harus sama dengan jumlah muatan negatif.
4. Di dalam atom, elektron-elektron bermuatan negatif selalu bergerak mengelilingi inti atom.

Kelemahan Model Atom Rutherford

Seperti halnya model atom pendahulunya, teori atom Rutherford memiliki kelemahan. Kelemahan utama terletak pada pergerakan elektron dalam mengelilingi inti atom.

Menurut Hukum Fisika Klasik dari Maxwell, jika suatu partikel yang bermuatan listrik bergerak melingkar akan mengemisikan energinya dalam bentuk cahaya yang mengakibatkan percepatan partikel semakin berkurang dan akhirnya diam. Dengan demikian, jika elektron yang bermuatan negatif bergerak melingkar (mengelilingi inti bermuatan positif) maka akan kehilangan energinya sehingga gerakan elektron akan berkurang, yang akhirnya akan jatuh ke inti. Gambar 14 menunjukkan model atom Rutherford menurut teori Maxwell.

Gambar 14. Model atom Rutherford menurut teori Maxwell

Jadi, menurut Hukum Fisika Klasik, model atom Rutherford tidak stabil sebab elektron akan kehilangan energinya dan akan jatuh ke inti, pada akhirnya atom akan musnah. Akan tetapi, faktanya atom stabil.

Sekilas Kimia

Ernest Rutherford 

(1871-1937)

Rutherford menyimpulkan bahwa struktur atom terdiri atas elektron yang melingkar mengelilingi inti.

Contoh Soal Analisis Data Percobaan Rutherford (6) :

Fakta apakah yang dijadikan dasar kesimpulan oleh Rutherford bahwa inti atom berukuran sangat kecil?

Kunci Jawaban :

Kesimpulan Rutherford didasarkan pada fakta bahwa dari sejumlah besar partikel alfa, hanya sebagian kecil yang dipantulkan. Hal ini menunjukkan bahwa ukuran inti atom sangat kecil.

5.4. Model Atom Bohr

Pada 1913, pakar fisika Denmark, Niels Bohr menyatakan bahwa kegagalan model atom Rutherford dapat disempurnakan dengan menerapkan Teori Kuantum dari Planck.

1. Model atom Bohr dinyatakan dalam bentuk empat postulat berkaitan dengan pergerakan elektron, yaitu sebagai berikut.
2. Dalam mengelilingi inti atom, elektron berada pada kulit (lintasan) tertentu. Kulit ini merupakan gerakan stasioner (menetap) dari elektron dalam mengelilingi inti atom dengan jarak tertentu.
3. Selama elektron berada pada lintasan stasioner tertentu, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi yang diemisikan atau diserap.
4. Elektron dapat beralih dari satu kulit ke kulit lain. Pada peralihan ini, besarnya energi yang terlibat sama dengan persamaan Planck, ΔE = h.
5. Lintasan stasioner elektron memiliki momentum sudut. Besarnya momentum sudut adalah kelipatan dari nh/2π , dengan n adalah bilangan kuantum dan h adalah tetapan Planck.

Gambar 15. Model atom Bohr menyempurnakan model atom Rutherford dalam hal kedudukan elektron di sekeliling inti atom

Kulit atau lintasan elektron dalam mengelilingi inti atom dilambangkan dengan n = 1, n = 2, n = 3, dan seterusnya. Lambang ini dinamakan bilangan kuantum. Model atom Bohr ditunjukkan pada Gambar 15. Huruf K, L, M, dan seterusnya digunakan untuk menyatakan lintasan elektron dalam mengelilingi inti atom. Lintasan dengan n = 1 disebut kulit K, lintasan dengan n = 2 disebut kulit L, dan seterusnya.

Tabel 3. Lambang Kulit Elektron Atom Bohr

Kulit ke-	1	2	3	4
Lambang	K	L	M	N

Energi Keadaan Dasar dan Tereksitasi

Suatu atom dikatakan memiliki energi terendah atau stabil jika elektronnya berada pada keadaan dasar. Keadaan dasar untuk atom hidrogen adalah jika elektronnya berada pada kulit, n = 1. Keadaan di mana n > 1 bagi atom hidrogen dinyatakan tidak stabil, keadaan ini disebut keadaan tereksitasi. Keadaan ini terjadi apabila atom hidrogen menyerap energi sebesar ( Δn)hv. Pada keadaan tereksitasi, elektron yang kembali ke kulit semula disertai emisi energi sebesar ( Δn)hv. Ketika elektron kembali ke kulit yang lebih rendah akan terbentuk suatu spektrum. Perhatikan Gambar 16.

Gambar 16. Keadaan transisi elektron ketika elektron dari keadaan tereksitasi dan kembali ke keadaan dasar, disertai emisi energi dalam bentuk radiasi cahaya menghasilkan spektrum.

Gagasan Bohr tentang elektron mengelilingi inti atom dalam kulit-kulit tertentu serupa dengan sistem tata surya kita, mudah dipahami. Oleh karena itu, model atom Bohr dapat diterima pada waktu itu.

Sekilas Kimia

Matahari

Maha besar Tuhan yang telah menciptakan Matahari yang merupakan sumber energi bagi setiap makhluk hidup. Cahaya Matahari ini terdiri atas semua spektrum cahaya. Gas pada permukaan Matahari menghasilkan cahaya Matahari dengan temperatur kira-kira 5.500 °C (sekitar 10.000 °F). Pada bagian ini, elektron dalam atom didorong ke kulit yang lebih tinggi dan mengeluarkan cahaya begitu kembali ke keadaan dasar. (Sumber: Jendela IPTEK: Materi, 1997)

Contoh Soal Peralihan Tingkat Energi Elektron Menurut Model Atom Bohr (7) :

1. Gambarkan peralihan tingkat energi elektron atom hidrogen dari keadaan dasar ke tingkat energi n = 3. Berapakah energi yang diserap oleh atom hidrogen?
2. Gambarkan peralihan tingkat energi elektron atom hidrogen dari keadaan tereksitasi dengan n= 2 ke keadaan dasar. Berapakah energi yang dipancarkan oleh atom hidrogen?

Pembahasan :

1. Atom hidrogen pada keadaan dasar memiliki bilangan kuantum, n = 1. Jika beralih ke tingkat energi n = 3 maka atom hidrogen menyerap energi sebesar 2 hv.
2. Peralihan tingkat energi dari keadaan tereksitasi (n=2) ke keadaan dasar (n=1) akan diemisikan energi sebesar hv.

F. Konfigurasi Elektron

Atom tersusun atas proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron terdapat dalam inti atom, sedangkan elektron selalu bergerak mengelilingi inti atom. Menurut Bohr, dalam mengelilingi inti atom, elektron berada pada kulit-kulit(lintasan) tertentu.

Pertanyaannya, bagaimanakah keberadaan elektron-elektron (banyak) di dalam atom? Apakah semua elektron pada atom berelektron banyak berada dalam satu kulit tertentu atau tersebar merata pada setiap kulit atau ada aturannya? Pertanyaan ini semua akan dijawab dalam konfigurasi elektron.

6.1. Konfigurasi Elektron

Nomor atom suatu unsur menyatakan jumlah proton dalam inti atom. Jika atom unsur itu bersifat netral secara listrik maka jumlah proton sama dengan jumlah elektron. Dengan demikian, nomor atom menyatakan jumlah elektron pada atom netral.

Elektron-elektron dalam atom berelektron banyak akan menghuni kulit menurut aturan tertentu. Aturan ini dikembangkan berdasarkan hasil perhitungan secara kuantum. Berdasarkan hasil perhitungan, keberadaan elektron-elektron dalam atom menghuni kulit-kulit dengan aturan berikut.

1. Kulit pertama maksimum dihuni oleh 2 elektron.
2. Kulit kedua maksimum dihuni oleh 8 elektron.
3. Kulit ketiga maksimum dihuni oleh 18 elektron.
4. Kulit keempat maksimum dihuni oleh 32 elektron.

Tabel 4. Jumlah Elektron Maksimum Setiap Kulit

Kulit (n)	1	2	3	4	5
Maksimum Jumlah Elektron	2	8	18	32	50

Catatan :

Atom berelektron banyak adalah atom-atom yang mengandung dua elektron atau lebih, sedangkan atom hidrogen dikategorikan sebagai atom berelektron tunggal.

Contoh Soal Menentukan Konfigurasi Elektron Atom (8) :

1. Tuliskan konfigurasi elektron atom neon (Ne) yang memiliki nomor atom 10.
2. Tuliskan konfigurasi elektron atom X dengan nomor atom 15.

Kunci Jawaban :

1. Nomor atom menyatakan jumlah proton. Pada atom netral, jumlah proton sama dengan jumlah elektron. Jadi, jumlah elektron atom neon = 10. Konfigurasi elektronnya adalah ₁₀Ne = 2 8.

2. Jumlah elektron dari atom X sama dengan nomor atomnya, yaitu 15. Konfigurasi elektronnya adalah ₁₅X = 2 8 5.

Bagaimanakah konfigurasi elektron untuk atom kalsium (Ca) dengan nomor atom 20? Perhatikan beberapa kemungkinan berikut.

a. ₂₀Ca = 2 8 10
b. ₂₀Ca = 2 8 8 2
c. ₂₀Ca = 2 18
d. ₂₀Ca = 2 8 18

Manakah di antara konfigurasi itu yang benar? Jawabannya adalah b. Mengapa demikian?

Pada pengisian kulit M (untuk elektron ke-11 dan seterusnya), jika belum memenuhi jumlah maksimal (18 elektron) maka akan membentuk sub-sub kulit yang jumlahnya maksimal 8 elektron. Jadi, pada atom kalsium, setelah mengisi kulit ke-2 dengan 8 elektron akan tersisa 10 elektron. Ke-10 elektron ini akan membentuk konfigurasi dengan 8 elektron dan 2 elektron. Perhatikan konfigurasi elektron beberapa unsur berikut.

Tabel 5. Konfigurasi Elektron Unsur Sesuai dengan Nomor Atom

Z	Lambang Unsur	Konfigurasi Elektron
10	Ne	2 8
12	Mg	2 8 2
17	Cl	2 8 7
20	Ca	2 8 8 2

Contoh Soal Menentukan Konfigurasi Elektron Atom (9) :

1. Tuliskan konfigurasi elektron atom kalium dengan nomor atom 19.
2. Tuliskan konfigurasi elektron atom bromin dengan nomor atom 35.

Jawaban :

1. Kulit K dihuni 2 elektron; Kulit L dihuni 8 elektron.

Kulit M maksimal dihuni 18 elektron. Jika belum terisi penuh dengan 18 elektron maka kulit M akan membentuk sub-kulit maksimal dengan 8 elektron. Jadi, konfigurasi elektron atomnya adalah ₁₉K = 2 8 8 1.

2. Kulit K dihuni 2 elektron; Kulit L dihuni 8 elektron; Kulit M dihuni 18 elektron; dan Kulit N maksimal dihuni 32 elektron. Jika kulit N belum terisi penuh maka akan membentuk sub-kulit maksimal dengan 18 atau 8 elektron. Jadi, konfigurasi elektron atomnya adalah ₃₅Br = 2 8 18 7.

6.2. Elektron Valensi

Apakah yang dimaksud dengan elektron valensi? Elektron valensi adalah elektron-elektron yang menghuni kulit terluar dari suatu atom, yaitu kulit yang paling jauh dari inti atom. Gambar 7 menunjukkan elektron valensi suatu atom.

Gambar 17. Elektron-elektron valensi dari suatu atom

Contoh Soal (10) :

Berapakah elektron valensi dari natrium? Konfigurasi elektron atom, ₁₁Na= 2 8

Penyelesaian :

Kulit terluar dihuni 1 elektron. Jadi, elektron valensi dari natrium = 1.

Contoh Soal Menentukan Elektron Valensi Atom (11)

1. Berapakah jumlah elektron valensi atom ₈O ?
2. Berapakah jumlah elektron valensi atom ₁₇Cl ?

Kunci Jawaban :

1. Konfigurasi elektron atom ₈O = 2 6

Jadi, elektron valensi atom O = 6

2. Konfigurasi elektron atom ₁₇Cl = 2 8 7

Jadi, elektron valensi atom Cl = 7

Rangkuman :

1. Atom dibangun oleh partikel-partikel subatom, yaitu proton, elektron, dan neutron. Keberadaan elektron kali pertama dibuktikan oleh Crookes melalui percobaan tabung sinar katoda. Muatan elektron pada atom sebesar –1,67 × 10^–19 coulomb dan massa elektron sebesar 9,11 × 10^–31 Kg.
2. Proton kali pertama ditemukan oleh Goldstein melalui percobaan tabung sinar terusan. Muatan proton sama dengan muatan elektron, tetapi beda tanda, yaitu +1,67 × 10^–19 coulomb dan massanya jauh lebih besar dari massa elektron (1,67 × 10^–27 Kg).
3. Neutron ditemukan oleh J.J. Chadwick melalui percobaan kamar kabut, massanya lebih besar sedikit dari massa proton, tetapi tidak bermuatan.
4. Nomor atom (Z) suatu unsur menunjukkan jumlah proton dalam inti atom unsur itu. Nomor massa (A) suatu atom menunjukkan jumlah nukleon (proton dan neutron) yang terdapat dalam inti atom.
5. Isotop atom suatu unsur memiliki nomor atom sama, tetapi nomor massa berbeda. Isobar adalah isotop-isotop atom yang memiliki nomor massa sama, tetapi nomor atom berbeda. Isoton adalah isotop-isotop atom yang memiliki jumlah neutron sama, tetapi jumlah proton berbeda.
6. Standar satuan massa atom mengalami perubahan, mulai dari atom hidrogen sampai isotop atom karbon-12. Satuan massa isotop karbon karbon-12 sama dengan 12 sma.
7. Massa atom relatif suatu unsur (disingkat Ar) ditentukan berdasarkan pada jumlah perkalian antara massa atom isotop unsur dan kelimpahannya di alam.
8. Struktur atom mengalami perkembangan berdasarkan kemampuannya dalam menjelaskan fakta atau gejala yang ditemukan di alam. Model atom kali pertama diajukan oleh Dalton, kemudian Thomson, Rutherford, dan Bohr.
9. Berdasarkan model atom Rutherford dan Bohr, atom dibangun oleh inti atom dan elektron. Massa atom terpusat pada inti atom sebab dalam inti atom terdapat proton dan neutron, sedangkan elektron berputar mengelilingi inti atom dengan jarak tertentu dari inti. Lintasan-lintasan elektron dalam mengelilingi inti atom dinamakan kulit.
10. Elektron dalam atom berada dalam kulit-kulit dengan jarak tertentu dari inti atom. Jumlah maksimum elektron dalam suatu kulit dinyatakan dengan rumus 2n2, n adalah kulit ke-n dari inti.