Bilangan Kuantum: Pengertian, Jenis-Jenis, dan Contoh Soal

Ilustrasi bilangan kuantum. Foto: unsplash.com/Terry Vlisidis

Bilangan kuantum adalah salah satu materi pelajaran Kimia SMA yang menjelaskan tentang kedudukan sebuah elektron dalam model atom mekanika kuantum. Model atom mekanika kuantum dicetuskan oleh Erwin Schrodinger.

Untuk pembahasan lebih lengkapnya tentang bilangan kuantum sebuah elektron, simak artikel ini hingga habis.

Apa Itu Bilangan Kuantum?

Ilustrasi bilangan kuantum. Foto: Pexels/Tara Winstead

Mengutip buku General Chemistry, 5 edition, terbitan John Wiley, bilangan kuantum adalah bilangan yang menyatakan posisi atau kedudukan elektron dalam atom. Bilangan kuantum diwakili sebuah nilai yang menjelaskan kuantitas kekal dalam sistem dinamis.

Bilangan kuantum menggambarkan sifat elektron dalam orbital. Selain itu, bilangan kuantum menyatakan tingkat energi utama, jarak dari inti, bentuk orbital, orientasi orbital, dan spin elektron. Satu sistem kuantum bisa memiliki satu atau lebih bilangan kuantum.

Bilangan kuantum sendiri adalah ciri dari teori atom Erwin Schrodinger yang disebut mekanika kuantum. Dalam mekanika kuantum Schrodinger, bilangan kuantum digunakan untuk menggambarkan distribusi elektron pada atom hidrogen dan lainnya.

Baca Juga: Rumus Energi Kinetik, Potensial, dan Mekanik

Jenis-Jenis Bilangan Kuantum

Ilustrasi bilangan kuantum. Foto: Pexels/._.studio

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

Bilangan kuantum utama, azimut, dan magnetik menentukan posisi atau kedudukan elektron dalam atom. Sementara itu, bilangan kuantum spin menyatakan arah putaran elektron dalam atom.

Merangkum dari buku Keteraturan dalam Kimia terbitan Kemdikbud pada 2017, berikut ini penjelasan jenis-jenis bilangan kuantum.

1. Bilangan Kuantum Utama

Bilangan kuantum utama (n) menyatakan ukuran, bentuk, dan tingkat energi kulit serta memiliki harga bilangan bulat dan positif, tak termasuk nol. Bilangan kuantum utama dimulai dari 1, 2, 3, dan seterusnya.

Kulit yang paling dekat dengan inti atom memiliki tingkat energi paling rendah, yaitu n = 1, disebut kulit K. Kemudian, kulit kedua dari inti atom disebut kulit L dengan nilai n = 2.

Lalu, kulit ketiga dari inti atom disebut kulit M dengan nilai n = 3. Selanjutnya, kulit keempat dari inti atom disebut kulit N dengan nilai n = 4, dan sebagainya.

Semakin jauh kulit atom dari inti, ukuran kulit semakin besar, sesuai dengan makin besarnya bilangan kuantum utama. Menentukan jumlah elektron maksimum pada sebuah kulit bisa menggunakan rumus 2(n^2).

Perhatikan uraian di bawah ini tentang jumlah elektron maksimal pada kulit:

2. Bilangan Kuantum Azimut

Bilangan kuantum azimut (l) menentukan bentuk ruang orbital sebuah elektron dalam atom. Teori mekanika kuantum dari bilangan kuantum azimut menyebutkan bahwa setiap kulit terdiri dari satu atau lebih subkulit atau subtingkat energi elektron.

Bilangan kuantum azimut menyatakan subtingkat energi atau subkulit pada sebuah tingkat energi (kulit elektron). Nilai bilangan azimut dimulai dari 0, 1, 2, 3 ..., (n-1).

Nilai azimut tak mungkin negatif dan tak boleh lebih besar dari (n-1). Sementara, untuk hubungan bilangan kuantum utama (n) dan azimut (l) bisa dilihat dari uraian di bawah:

Setiap nilai bilangan azimut melambangkan sub kulit tertentu yang ditandai dengan huruf s, p, d, f, dan seterusnya. Huruf-huruf tersebut berasal dari istilah sharp (tajam), principal (utama), diffuse (kabur), dan fundamental (pokok). Istilah tersebut dipakai untuk notasi spektroskopi deret-deret spektrum unsur alkali.

Hubungan nilai l dan simbol subkulit bisa dilihat dari uraian di bawah ini:

Kesimpulan dari uraian di atas adalah untuk l = 0, hanya ada 1 subkulit, yaitu 1s. Kemudian, untuk n = 2, nilai l = 0 dan l = 1, berarti ada dua subkulit, yaitu 2s dan 2p.

Untuk lebih jelasnya, perhatikan uraian di bawah ini:

Sehingga, bisa disimpulkan bahwa setiap kulit memiliki jumlah orbital dan simbol orbital tertentu. Misalnya, kulit M (n = 3), memiliki 3 subkulit, yaitu 3s, 3p, 3d, angka 3 merupakan tingkat energi utama ke-3 atau kulit M, sedangkan s, p, d adalah subkulit atau orbitalnya.

Kemudian, setiap kulit mengandung jenis subkulit yang sama. Misalnya, kulit K, L, dan M sama-sama mengandung subkulit s.

Untuk membedakannya, setiap subkulit disertakan bilangan kuantumnya. Contohnya kulit K, subkulit s diberi tanda 1s, berbeda dengan kulit L yang subkulit s-nya diberi tanda 2s.

3. Bilangan Kuantum Magnetik

Bilangan kuantum magnetik (m) menunjukan jumlah orbital yang terdapat pada subkulit. Selain itu, bilangan kuantum magnetik berfungsi untuk menentukan arah atau orientasi orbital dalam ruang.

Nilai bilangan kuantum magnetik bergantung pada harga bilangan kuantum azimutnya, yaitu setiap bilangan bulat mulai dari -l sampai +l, termasuk 0. Misalnya, untuk l = 0 ada 1 nilai bilangan kuantum, yaitu m = 0, sehingga orbitalnya ada 1, yaitu s.

Berikut ini uraian hubungan nilai bilangan azimut (l) dan magnetik (m), serta jenis orbitalnya.

Setiap orbital hanya bisa diisi paling banyak 2 elektron, sehingga jumlah maksimum elektron dalam subkulit adalah:

4. Bilangan Kuantum Spin

Elektron tak hanya mengelilingi atom, tetapi juga berputar atau berotasi pada porosnya. Ada dua kemungkinan arah perputaran elektron, yaitu searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam.

Perbedaan arah rotasi elektron ditunjukkan oleh bilangan kuantum spin (s). Nilai s = +1/2, dengan tanda panah ke atas, menunjukkan bahwa elektron berotasi searah dengan putaran jarum jam.

Kemudian, nilai s = -1/2, dengan tanda panah ke bawah, menunjukkan bahwa elektron berotasi berlawanan arah jarum jam.

Setiap orbital diisi maksimum 2 elektron yang memiliki arah spin berlawanan, yaitu elektron pertama dengan spin = +1/2 dan elektron kedua memiliki spin = -1/2.

Apabila bilangan kuantum utama, azimut, dan magnetik saling berhubungan, bilangan kuantum spin tak bergantung pada ketiga bilangan kuantum tersebut.

Contoh Soal Bilangan Kuantum

Ilustrasi bilangan kuantum. Foto: Unsplash/Vedrana Filipović

Agar lebih paham tentang materi bilangan kuantum pada pelajaran Kimia, bisa menyimak contoh soal dan pembahasannya yang dirangkum dari buku Contekan Rumus Kimia ala Bimbel: Paling Lengkap untuk SMA karya Joko Susilo.

Contoh Soal 1

Sebuah elektron memiliki nilai bilangan kuantum utama n = 5, tentukan bilangan kuantum lainnya!

Pembahasan

Nilai n = 5

Nilai l = 0, 1, 2, dan 3

Nilai m = antara -1 dan +1

Untuk nilai l = 3 maka nilai m = – 3, -2, -1, 0, +1, +2, +3

Contoh Soal 2

Tentukan bilangan kuantum unsur 16s, 28Ni, dan 35Br!

Pembahasan:

a. 16S = 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p4

3p4 artinya n = 3; l = 1; m = -1; s = – ½.

b. 28Ni = [Ar] 4s2 3d8

3d8 artinya n = 3; l = 2; m = 0; s = – ½

c. 35Br = [Ar] 3d10 4s2 4p5

4p5 artinya n = 4; l = 1; m = 0; s = – ½

(NSF)