ATOM, ION, DAN MOLEKUL

Pada zaman dahulu, banyak para ilmuwan yang kebingungan dengan partikel materi. Apakah yang menjadi bagian terkecil dari suatu materi? Itulah pertanyaan yang pada saat itu menjadi misteri para ilmuwan. Akhirnya, berkat kecerdasan dan keingintahuan para ilmuwan, misteri itu pun perlahan-lahan terjawab. Materi ternyata mengandung partikel-partikel kecil, penyusunnya dapat berupa atom, ion, dan molekul.

Bagaimanakah sistem periodik unsur mendeskripsikan unsur yang terdapat di alam? Apakah perbedaan antara atom, ion, dan molekul? Kamu akan mengetahuinya setelah mempelajari bab ini.

Seperti yang sudah kamu pelajari di kelas VII, materi meliputi zat murni dan campuran. Dua atau lebih zat murni dapat bercampur di antara satu dan lainnya membentuk suatu campuran tanpa kehilangan masing-masing sifatnya. Dengan demikian, komponen-komponen yang terdapat dalam suatu campuran dapat dipisahkan kembali satu sama lainnya dengan menggunakan cara-cara fisika, seperti penyaringan, distilasi, kristalisasi, sublimasi, dan kromatografi.

Berbeda dengan campuran, zat murni tidak dapat dipisahkan menjadi materi yang lebih sederhana dengan menggunakan cara-cara fisika. Zat murni selanjutnya dapat dikelompokkan menjadi unsur dan senyawa. Senyawa merupakan gabungan dari dua atau lebih unsur yang terbentuk melalui reaksi kimia. Dengan demikian, hasil gabungan tersebut merupakan zat baru.

Seperti sudah dibahas di kelas VII, setiap zat mengandung partikel-partikel terkecil yang menyusun zat tersebut. Misalnya, butiran-butiran gula pasir yang terlihat oleh mata kita bukanlah partikel-partikel terkecil dari gula pasir tersebut.

Partikel terkecil dari gula pasir tak dapat kita amati secara langsung dengan mata bahkan dengan bantuan mikroskop paling canggih sekalipun. Jadi, seperti apakah bentuk partikel terkecil suatu zat itu? Sampai saat ini, para ahli ilmu pengetahuan alam belum ada yang mengetahuinya. Namun, mereka telah berupaya mengembangkan beragam model dari bentuk partikel terkecil suatu zat berdasarkan data yang mereka kumpulkan.

Setiap zat yang berbeda mengandung komposisi partikel terkecil yang berbeda pula. Misalnya, logam besi disusun oleh partikel-partikel terkecil yang berbeda dengan partikel-partikel terkecil yang menyusun kalsium. Contoh lainnya, air mengandung partikel-partikel terkecil yang berbeda dengan partikel-partikel terkecil yang menyusun garam dapur. Begitu banyak ragam partikel-partikel terkecil yang ada di alam sesuai dengan beragamnya zat yang ada di alam. Untuk mempermudah mempelajarinya, para ahli telah mengelompokkan partikel-partikel terkecil yang menyusun berbagai macam zat ke dalam tiga golongan, yaitu atom, molekul, dan ion. Tahukah kamu perbedaan di antara ketiganya?

A. Atom
Keberadaan partikel terkecil yang menyusun materi, diajukan kali pertama oleh dua orang ahli filsafat Yunani, yaitu Leucippus dan Democritus sekitar 450 tahun sebelum Masehi. Kedua orang tersebut menyatakan bahwa semua materi disusun oleh partikel-partikel yang sangat kecil sekali dan tak dapat dibagi-bagi lagi yang disebut atom. Atom berasal dari bahasa Yunani, yakni atomos (a berarti tidak dan tomos berarti terbagi). Telah disinggung sebelumnya bahwa hingga saat ini manusia belum ada yang mampu melihat partikel terkecil dari zat secara langsung maupun dengan bantuan alat mikroskop tercanggih sekalipun. Dengan demikian, bentuk atom itu belum pernah ada yang mengetahuinya.

Berdasarkan berbagai fenomena yang ada, John Dalton (1766–1844) yang merupakan seorang guru kimia dari Inggris, pada 1808 mengajukan pemikiran tentang partikel terkecil yang menyusun materi tersebut. Adapun intisari dari pemikiran John Dalton mengenai atom tersebut, yaitu:

a. Setiap unsur terdiri atas partikel-partikel terkecil yang tak dapat dibagi-bagi lagi, disebut atom.
b. Semua atom dari unsur yang sama memiliki ukuran dan massa yang sama. Atom-atom dari unsur yang berbeda memiliki massa yang berbeda pula. Dengan demikian, banyaknya macam atom sama dengan banyaknya macam unsur.
c. Atom-atom tidak dapat dirusak. Atom-atom tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan melalui reaksi kimia.
d. Melalui reaksi kimia, atom-atom dari pereaksi akan memiliki susunan yang baru dan akan saling terikat satu sama lain dengan rasio atau perbandingan bilangan tertentu.

Pemikiran dari Dalton mengenai atom di atas dikenal dengan istilah model atom Dalton. Dengan pemikiran Dalton mengenai atom tersebut maka dapat dikatakan bahwa beragam (ribuan bahkan sampai jutaan) zat-zat yang ada di alam sebenarnya berasal dari partikel-partikel terkecil unsur (atom) yang jumlahnya relatif sangat sedikit (lihat jumlah macam unsur yang terdapat dalam sistem periodik unsur).

Harus diingat bahwa atom-atom dalam keadaan menyendiri atau tunggal tidak memiliki sifat-sifat tertentu, seperti warna, wujud, massa jenis, daya hantar listrik, titik didih, titik leleh, dan sebagainya. Sifat-sifat itu baru muncul jika atom-atom dalam jumlah besar bergabung membentuk kumpulan atom dengan cara-cara tertentu, contohnya adalah grafit dan intan. Kedua zat tersebut memiliki sifat yang berbeda, intan sangat keras dan tembus pandang, sedangkan grafit bersifat lunak, hitam, dan tidak tembus pandang. Kedua zat tersebut memiliki sifat yang berbeda, namun keduanya dibentuk oleh atom dari unsur yang sama, tetapi dengan cara-cara berikatan yang berbeda. Atom yang dimaksud di sini adalah atom karbon. Jika keduanya dibakar maka kedua zat tersebut akan menghasilkan zat yang sama, yaitu karbon dioksida (CO2).

Secara umum, dapat dikatakan bahwa cara atom-atom berikatan ikut menentukan sifat dari zat yang dibentuk. Dalam grafit, atom-atom karbon membentuk lapisan-lapisan tersendiri. Dalam setiap lapisan, satu atom karbon memiliki tiga atom yang berdekatan (bertetangga). Sementara dalam intan, atom-atom tersusun lebih rapat, satu atom karbon dikelilingi oleh empat atom karbon.

Unsur-unsur logam seperti natrium, kalsium, tembaga, emas, dan besi dalam keadaan bebasnya atau tidak bersenyawa dengan unsur lain, tersusun atas partikel terkecil materi yang termasuk ke dalam golongan atom. Jadi, sepotong logam besi disusun oleh atom-atom besi yang memiliki struktur atau pola tertentu. Ingatkah kamu pembahasan di kelas VII mengenai perbedaan susunan antarpartikel dalam wujud padat, cair, dan gas?

Selain unsur logam, ada juga unsur-unsur bukan logam yang dalam keadaan bebasnya (dalam keadaan tidak bersenyawa dengan unsur lain) tersusun atas atom-atom. Misalnya, unsur-unsur dari golongan gas mulia helium (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe), dan radon (Rn). Carilah informasi tentang unsur-unsur yang kamu kenal yang dalam keadaan bebasnya tersusun atas atom-atom.

Untuk mempermudah mempelajari tentang sifat-sifat unsur dan senyawanya, para ahli kimia menyusun unsurunsur dalam suatu sistem periodik unsur. Sistem periodik unsur merupakan suatu tabel yang berisi daftar semua unsure yang sudah dikenal atau diketahui keberadaannya. Pada tabel sistem periodik unsur, tercantum 118 macam unsure yang sudah berhasil diidentifikasi keberadaannya oleh para ahli. Unsur-unsur tersebut berada dalam keadaan bebas ataupun senyawanya di alam bahkan juga unsur-unsur yang hanya ada di laboratorium saja.

Setiap kolom dalam sistem periodik unsur diberi istilah golongan. Dalam setiap golongan hanya terdapat satu golongan unsur. Dalam satu golongan, unsur-unsur akan disusun sesuai dengan kenaikan nomor massa. Unsur-unsur golongan utama diberi tambahan simbol A di belakang nomor golongannya, misalnya IA, IIA, IIIA, dan seterusnya Beberapa golongan utama mendapat sebutan khusus.

Unsur-unsur yang terdapat dalam golongan utama pertama (IA), seperti litium (Li) dan natrium (Na) disebut unsure-unsur golongan logam alkali (hidrogen bukan logam sehingga tidak termasuk logam alkali). Golongan utama kedua (IIA), seperti berilium (Be) dan magnesium (Mg) disebut unsurunsur logam alkali tanah. Unsur-unsur yang terdapat dalam golongan utama ketujuh (VIIA), seperti fluor (F) dan klor (Cl) disebut unsur-unsur golongan halogen. Adapun unsur-unsur yang terdapat dalam golongan utama kedelapan (VIIIA), seperti helium (He) dan neon (Ne) disebut unsur-unsur golongan gas mulia.

Setiap baris sistem periodik dimulai dengan unsur logam alkali dan berakhir dengan unsur gas mulia. Unsur-unsur yang merupakan satu golongan akan ditemukan kembali sifat atomnya secara periodik dalam setiap baris. Oleh karena itu, baris dalam sistem periodik unsur disebut periode. Periode pertama hanya terdiri atas dua macam unsur, yaitu hydrogen dan helium. Berbeda dengan cara penulisan golongan yang memakai huruf Romawi, nomor periode ditulis dengan angka 1, 2, 3, 4, 5, 6, dan 7.

Dalam sistem periodik unsur, setiap unsur ditulis dalam bentuk lambang unsur disertai dengan identitas yang dimiliki unsur tersebut, yaitu berupa nomor atom dan nomor massa.

B. Molekul
Banyak partikel terkecil dari suatu zat di alam yang bukan atom, melainkan gabungan dari dua atau lebih atom unsur, baik dari unsur yang sama maupun berbeda. Gabungan dua atom atau lebih yang berasal dari unsur yang sama atau berbeda disebut molekul. Jika atomnya berasal dari unsur
yang sama maka molekul tersebut disebut molekul unsur. Jika suatu molekul tersusun atas dua atau lebih atom dari unsure yang berbeda maka disebut molekul senyawa. Tidak seperti unsur logam yang partikel-partikel terkecilnya tersusun atas atom, partikel-partikel terkecil dari unsur-unsur bukan logam dapat berupa atom maupun molekul. Unsur-unsur golongan gas mulia (VIIIA) tersusun atas partikel terkecil kelompok atom. Adapun unsur-unsur golongan halogen (VIIA) tersusun atas molekul unsur. Untuk memantapkan pemahaman kamu tentang perbedaan antara molekul unsur dan molekul senyawa, kita ambil contoh gas oksigen dan gas karbon dioksida.

Molekul gas oksigen tersusun atas dua atom unsur yang sama, yaitu atom oksigen sehingga molekul oksigen termasuk molekul unsur (rumus O2), sedangkan molekul-molekul gas karbon dioksida termasuk molekul senyawa karena tersusun atas atom-atom dari unsur yang berbeda, yaitu satu atom karbon dan dua atom oksigen (rumus CO2). Contoh lain dari molekul unsur adalah molekul yang dibentuk oleh atom unsur hidrogen. Dua atom unsure hidrogen membentuk molekul unsur diatomik (disusun oleh dua atom) dengan rumus kimia H2. Selain unsur-unsur golongan halogen, unsur oksigen, dan unsur hidrogen, unsure nitrogen juga tersusun atas molekul diatomik dengan rumus molekul N2.

Selain mampu membentuk molekul diatomik, beberapa unsur bukan logam juga mampu membentuk molekul poliatomik (molekul unsur yang tersusun atas tiga buah atau lebih atom). Misalnya, ozon (O3) merupakan molekul yang tersusun atas tiga buah atom unsur oksigen. Adapun belerang mampu membentuk molekul unsur yang tersusun atas 8 atom belerang (S8).

Contoh zat yang partikel terkecilnya merupakan molekul senyawa adalah air. Air yang biasa kita minum mengandung partikel-partikel terkecil yang disebut molekul air. Molekul air ini tersusun atas dua atom unsur hidrogen dan satu atom unsur oksigen (rumus H2O). Karena molekul air tersusun dari atom-atom unsur yang berbeda maka molekul air termasuk molekul senyawa. Molekul air dapat dihasilkan dari reaksi antara molekul unsur hidrogen dan molekul unsur oksigen. Molekul unsur hydrogen bereaksi dengan molekul unsur oksigen membentuk molekul senyawa air. Tiap molekul unsur oksigen akan bereaksi dengan dua molekul unsur hidrogen membentuk 2 molekul senyawa air. Jika satu molekul oksigen memerlukan dua molekul unsur hidrogen agar bereaksi sempurna membentuk 2 molekul senyawa air maka 2 molekul unsur oksigen memerlukan 4 molekul unsur hidrogen agar bereaksi sempurna membentuk 4 molekul air.

Pada reaksi tersebut terlihat bahwa dalam reaksi kimia tidak ada kehilangan atom-atom. Jumlah atom H dan O di sebelah kanan sama dengan jumlah atom H dan O di sebelah kiri. Perbedaannya, yaitu masing-masing atom yang di sebelah kiri berikatan dengan atom dari unsur yang sama, sedangkan di sebelah kanan sudah berikatan dengan atom dari unsur lain membentuk molekul senyawa. Jumlah atom pada suatu reaksi akan tetap sehingga fenomena adanya Hukum Kekekalan Massa (jumlah massa zat-zat yang bereaksi sama dengan jumlah massa zat-zat hasil reaksi) dapat dipahami. Selain zat-zat yang telah disebutkan di atas, masih banyak zat-zat di sekitar kita yang partikel terkecilnya berupa molekul. Contohnya adalah gula putih (C12H22O11) yaitu zat yang biasa menjadi campuran untuk membuat kopi. Contoh lainnya adalah gas karbon monoksida (CO) dan etanol (C2H5OH).

Karbon monoksida adalah gas yang dapat meracuni darah kita sehingga menimbulkan kematian. Adapun etanol yaitu zat yang bisa dipakai untuk berbagai keperluan, seperti sterilisasi, campuran minuman keras, dan bahan bakar. Semua zat tersebut tersusun atas partikel-partikel terkecil materi yang disebut molekul.

C. Ion
Pada awal abad ke-19, Dalton mengungkapkan bahwa partikel terkecil dari materi adalah atom. Pada pertengahan abad ke-19, banyak hasil penelitian yang menunjukkan bahwa banyak zat tidak disusun oleh atom melainkan oleh partikel-partikel bermuatan yang disebut ion. Ukuran partikel ini adalah sekitar ukuran atom dan molekul. Contoh: orang sudah mengenal bahwa lelehan garam dan larutan garam dalam air dapat menghantarkan listrik. Dalam peristiwa tersebut, muatan listrik mengalir dengan cara yang berbeda dibandingkan dalam logam. Dalam logam, muatan listrik dibawa oleh elektron. Sebaliknya, dalam lelehan garam atau larutan garam dalam air, muatan listrik dibawa oleh ion-ion (ion positif dan negatif).

Dengan demikian, partikel terkecil dari materi tidak hanya berbentuk atom dan molekul, tetapi juga dapat berbentuk ion. Muatan elektron merupakan jumlah muatan terkecil yang disebut sebagai muatan dasar (e). Muatan ion adalah satu kali atau beberapa kali muatan dasar tersebut. Karena itu, muatan ion hanya dituliskan dengan angka satu atau kelipatan dari muatan tersebut. Logam-logam membentuk ion-ion bermuatan positif (kation). Ion-ion unsure bukan logam sebagian besar membentuk ion bermuatan negatif (anion).

Atom-atom dalam keadaan netral mengandung muatan positif dan negatif yang sama jumlahnya. Atom-atom tersebut berubah menjadi ion saat menerima atau melepaskan elektron. Apakah suatu ion bermuatan satu atau beberapa kali dari muatan dasar dapat diperkirakan dari letak unsur yang bersangkutan dalam sistem periodic unsur? Ion-ion logam alkali (IA) selalu membentuk ion-ion bermuatan positif satu, misalnya ion litium (Li+), ion natrium (Na+), dan ion kalium (K+). Ion-ion logam alkali tanah (IIA) memiliki muatan positif dua, misalnya ion kalsium (Ca2+) dan magnesium (Mg2+).

Seperti halnya ion-ion dari unsur logam, ion-ion dari unsure bukan logam dapat diperkirakan muatannya berdasarkan letak unsur tersebut dalam sistem periodik unsur. Ion-ion dari unsur golongan halogen (VIIA) selalu bermuatan negative satu, yaitu ion fluorida (F–), ion klorida (Cl–), ion bromide (Br–), dan ion iodida (I–). Ion-ion dari golongan VIA, seperti oksigen membentuk ion bermuatan negatif dua, oksida (O2–) atau belerang yang juga membentuk ion bermuatan negative dua, sulfida (S2–). Dari unsur golongan VA, orang mengenal unsur nitrogen yang mampu membentuk ion bermuatan negatif tiga, nitrida (N3–). Adapun unsur-unsur golongan gas mulia VIIIA tidak membentuk ion.

Di samping ion yang berasal dari satu buah atom unsure (monoatom), terdapat pula ion yang berasal dari gabungan dua atau lebih atom unsur yang berbeda (poliatom). Misalnya, ion sulfat bermuatan negatif dua (SO4 2–), ion nitrate bermuatan negatif satu (NO3 –), ion asetat bermuatan negative satu (CH3COO–), ion amonium yang bermuatan positif satu (NH4 +), dan ion hidroksil yang bermuatan negatif satu (OH–).

Zat-zat yang tersusun atas ion memiliki muatan listrik netral. Hal ini disebabkan oleh jumlah muatan positif dan negatif yang sama. Contoh: natrium klorida (NaCl) tersusun atas ion natrium yang bermuatan positif satu dan ion klor yang bermuatan negatif satu dalam perbandingan 1 : 1, magnesium klorida (MgCl2) tersusun atas ion magnesium yang bermuatan positif dua dan dua ion klor yang bermuatan negatif satu dalam perbandingan jumlah ion magnesium dan jumlah ion klor = 1 : 2. Dengan demikian, jumlah muatan positif yang berasal dari ion magnesium sama dengan jumlah muatan negatif yang berasal dari ion-ion klor.

Dalam aluminium klorida (AlCl3), satu ion aluminium yang bermuatan positif tiga dinetralkan oleh tiga ion klor yang bermuatan negatif satu. Antara ion-ion positif dan negatif yang menyusun suatu garam saling tarik-menarik satu dengan lainnya membentuk kisi kristal. Kisi kristal ini beragam jenisnya, bergantung pada macam perbandingan ukuran ion positif dan negative yang berikatan. Berikut ini digambarkan salah satu model kisi kristal dari senyawa garam dapur atau natrium klorida (NaCl).

Satu ion natrium dikelilingi oleh enam ion klor. Sebaliknya, satu ion klor dikelilingi oleh enam ion natrium. Keteraturan ini dimiliki oleh setiap ion natrium dan ion klor. Dengan demikian, kedua ion tersebut tidak membentuk molekul melainkan membentuk suatu kisi kristal. Tiap-tiap ion tetap berada pada tempatnya. Ini bisa menjelaskan mengapa padatan garam dapur tidak dapat menghantarkan arus listrik, sedangkan lelehannya dapat menghantarkan arus listrik. Ketika natrium klorida (NaCl) dilarutkan dalam air maka kisi kristal NaCl akan terurai membentuk ion natrium dan ion klor. Kedua ion tersebut akan berinteraksi dengan molekul air. Ion-ion yang bermuatan berlawanan ini memiliki gaya tarik listrik yang kuat. Ikatan kimia yang terjadi karena gaya tarik listrik ini disebut ikatan ion. Senyawa yang terbentuk karena adanya ikatan ion disebut senyawa ion. Adanya gaya tarik yang kuat ini bisa menjelaskan mengapa garam-garam atau senyawa ion umumnya memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi, jauh lebih tinggi dari zat-zat yang tersusun atas molekul-molekul. Setelah mempelajari ion, sudahkah kamu memahaminya? Kerjakanlah soal-soal berikut untuk menguji pemahamanmu.