Tren Periodik: Jari-Jari Atom, Energi Ionisasi, Keelektronegatifan, dan Afinitas Elektron

Kekuatan besar tabel periodik adalah kemampuannya membuat kita menyimpulkan sifat suatu unsur dari tetangga-tetangganya. Dasar penyimpulan itu adalah sekumpulan tren periodik. Ukuran atom, energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron, dan tarikan atom terhadap elektron yang dipakai bersama semuanya berubah ke arah yang konsisten sepanjang baris dan menuruni kolom. Panduan ini membahas empat tren utama, alasan di baliknya, dan pengecualian yang menyimpang dari polanya.

Akar semua tren: muatan inti efektif dan efek perisai

Elektron terluar ditarik oleh inti yang bermuatan positif, tetapi elektron-elektron dalam di antara keduanya meniadakan sebagian tarikan itu. Karena itu muatan positif yang benar-benar dirasakan elektron terluar lebih kecil daripada muatan inti penuh. Inilah muatan inti efektif, Z_eff, yang dapat didekati dengan:

Z_eff ≈ Z − S

Di sini Z adalah nomor atom dan S adalah tetapan perisai. Elektron dalam kulit yang sama saling melindungi dengan buruk, sedangkan elektron di kulit dalam melindungi elektron terluar secara efektif.

Dengan aturan Slater, seperangkat perkiraan sederhana, elektron 2s litium merasakan Z_eff sekitar 1,3, sedangkan elektron 2p fluorin, dalam periode yang sama, merasakan sekitar 5,2. Bergerak ke kanan sepanjang periode menambah satu proton setiap kali, tetapi elektron tambahan masuk ke kulit yang sama dan hanya sedikit menambah perisai. Jadi muatan inti efektif meningkat dari kiri ke kanan sepanjang periode. Bergerak ke bawah dalam golongan, kulit baru ditambahkan setiap kali, dan elektron terluar berada makin jauh dari inti.

Kedua fakta itu, tarikan yang lebih kuat ke arah kanan dan elektron terluar yang lebih jauh ke arah bawah, menjelaskan hampir semua tren di bawah ini.

1. Jari-jari atom

• Sepanjang periode (kiri ke kanan): mengecil, karena Z_eff yang meningkat menarik awan elektron ke dalam.
• Ke bawah dalam golongan: membesar, karena kulit elektron bertambah.

Atom terbesar berada di kiri bawah (sesium, fransium) dan terkecil di kanan atas (helium, fluorin). Atom tidak memiliki tepi yang tajam, sehingga "jari-jari" bergantung pada cara pengukurannya: jari-jari kovalen, jari-jari logam, dan jari-jari van der Waals semuanya berbeda. Saat membandingkan angka dari sumber yang berbeda, pastikan angka-angka itu merujuk pada jenis jari-jari yang sama.

Ukuran ion berbeda dari atom induknya. Kation lebih kecil karena kehilangan elektron; anion lebih besar karena elektron tambahan saling tolak-menolak sehingga awannya mengembang. Di antara ion-ion isoelektronik, yang memiliki jumlah elektron sama, makin banyak proton berarti makin kecil ionnya. Dari ion-ion sepuluh elektron O²⁻, F⁻, Na⁺, dan Mg²⁺, O²⁻ yang terbesar dan Mg²⁺ yang terkecil.

Sepanjang blok d jari-jari hanya berubah perlahan, dan perisai elektron d yang buruk menimbulkan anomali seperti galium yang ukurannya hampir sama dengan aluminium. Pada periode 6, kontraksi lantanida membuat hafnium berukuran hampir sama dengan zirkonium.

2. Energi ionisasi

Energi ionisasi adalah energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan satu elektron dari atom berwujud gas. Makin erat elektron dipegang, makin besar nilainya.

• Sepanjang periode: umumnya meningkat.
• Ke bawah dalam golongan: menurun.

Energi ionisasi pertama unsur-unsur periode 2, dalam elektronvolt, memperlihatkan tren sekaligus pengecualiannya.

Kenaikan keseluruhan itu terputus dua kali.

• Berilium > boron: elektron yang dilepaskan dari boron adalah elektron 2p, yang energinya lebih tinggi daripada 2s dan sebagian terlindungi oleh pasangan 2s, sehingga lebih mudah lepas.
• Nitrogen > oksigen: nitrogen memiliki satu elektron di masing-masing dari ketiga orbital 2p-nya. Pada oksigen, elektron 2p keempat harus berpasangan di orbital yang sudah terisi, dan tolakan tambahan membuatnya lebih mudah dilepaskan.

Pola yang sama berulang pada periode 3, antara magnesium dan aluminium serta antara fosforus dan belerang.

Melepaskan elektron satu demi satu menghasilkan energi ionisasi kedua, ketiga, dan seterusnya. Untuk magnesium, yang pertama sekitar 7,6 eV dan yang kedua sekitar 15,0 eV, tetapi yang ketiga melonjak menjadi lebih dari 80 eV, karena elektron ketiga harus diambil dari kulit dalam yang stabil seperti neon. Lonjakan mendadak itu adalah tanda numerik kecenderungan magnesium membentuk Mg²⁺.

3. Keelektronegatifan

Keelektronegatifan menggambarkan seberapa kuat sebuah atom dalam ikatan kimia menarik pasangan elektron yang dipakai bersama ke arah dirinya. Tidak seperti energi ionisasi, keelektronegatifan tidak diukur secara langsung; nilainya adalah skala relatif yang diturunkan dari data lain. Yang paling banyak dipakai adalah skala Pauling, yang diusulkan Linus Pauling.

• Sepanjang periode: meningkat.
• Ke bawah dalam golongan: menurun.

Fluorin memiliki nilai tertinggi, 3,98, disusul oksigen (3,44), klorin (3,16), dan nitrogen (3,04). Di ujung lain terdapat sesium (0,79) dan fransium (0,7). Sebagian besar gas mulia hanya membentuk sedikit ikatan atau tidak sama sekali dan sering dibiarkan tanpa nilai.

Selisih keelektronegatifan antara dua atom memberi tahu Anda tentang ikatannya. Selisih kecil menghasilkan ikatan kovalen nonpolar dengan elektron yang dipakai bersama secara merata, selisih lebih besar menghasilkan ikatan kovalen polar, dan selisih yang sangat besar menghasilkan ikatan yang pada dasarnya ionik. Air bersifat polar, dan sangat baik melarutkan garam, karena selisih antara oksigen (3,44) dan hidrogen (2,20).

4. Afinitas elektron

Afinitas elektron adalah energi yang dilepaskan ketika atom berwujud gas menangkap satu elektron. Nilai yang lebih besar berarti atom lebih mudah menerima elektron.

• Sepanjang periode: umumnya meningkat, memuncak di golongan 17.
• Ke bawah dalam golongan: umumnya menurun, tetapi dengan banyak pengecualian.

Pengecualian yang paling terkenal adalah bahwa afinitas elektron klorin lebih tinggi daripada fluorin (sekitar 3,6 eV untuk klorin dibanding sekitar 3,4 eV untuk fluorin). Atom fluorin begitu kecil sehingga elektron yang datang berdesakan di subkulit 2p yang padat dan mengalami tolakan kuat. Fluorin tetap memiliki keelektronegatifan dan kereaktifan yang lebih tinggi karena faktor lain, seperti energi ikatan dan ukuran atom, juga berperan.

Unsur golongan 2 (subkulit s penuh), nitrogen di golongan 15 (subkulit p setengah penuh), dan gas mulia (kulit penuh) hanya melepaskan sedikit energi atau tidak sama sekali saat menangkap elektron, bahkan mungkin memerlukan energi. Afinitas elektronnya mendekati nol atau negatif, dan sebagian sumber data membiarkannya kosong.

Menghubungkan tren dengan sifat logam

Gabungkan keempat tren itu dan Anda mendapatkan tren sifat logam. Unsur dengan energi ionisasi dan keelektronegatifan rendah mudah melepaskan elektron dan sangat bersifat logam. Jadi sifat logam meningkat ke arah kiri bawah, dan sifat nonlogam ke arah kanan atas. Aliran diagonal itulah yang menghasilkan tangga metaloid yang melintasi blok p.

Ringkasan

Alih-alih menghafal tabel ini, berlatihlah menurunkan setiap tren dari dua kalimat: muatan inti efektif makin besar ke arah kanan, dan kulit bertambah ke arah bawah. Pengecualian-pengecualiannya pun lalu masuk akal. Bandingkan energi ionisasi dan keelektronegatifan unsur-unsur sepanjang satu periode atau menuruni satu golongan untuk melihat polanya sendiri.