SPEKTRUM EMISI ATOM HIDROGEN
I.
Mengamati Spektrum Emisi
Hidrogen
Tabung sinar hidrogen
adalah suatu tabung tipis yang berisi gas hidrogen pada tekanan rendah dengan
elektroda pada tiap-tiap ujungnya. Jika anda melewatkan tegangan tinggi
(katakanlah, 5000 volt), tabung akan menghasilkan sinar berwarna merah muda
yang terang.
Jika sinar tersebut
dilewatkan pada prisma atau kisi difraksi, sinar akan terpecah menjadi beberapa
warna. Warna yang dapat anda lihat merupakan sebagian kecil dari spektrum emisi
hidrogen. Sebagian besar spektrum tak terlihat oleh mata karena berada pada
daerah infra-merah atau ultra-violet.
Pada foto berikut,
sebelah kiri menunjukkan bagian dari tabung sinar katoda, dan sebelah kanan
menunjukkan tiga garis yang paling mudah dilihat pada daerah tampak (visible)
dari spektrum. (mengabaikan "pengotor" − biasanya berada di sebelah
kiri garis merah, yang disebabkan oleh cacat pada saat foto diambil. Lihat
catatan di bawah)
II.
Memperlebar spektrum
emisi hidrogen hingga UV dan IR
Ada lebih banyak lagi spektrum hidrogen selain tiga garis yang dapat anda
lihat dengan mata telanjang. Hal ini memungkinan untuk mendeteksi pola
garis-garis pada daerah ultra-violet dan infra-merah spektrum dengan baik.
Hal ini memunculkan sejumlah "deret" garis yang dinamakan dengan
nama penemunya. Gambar di bawah menunjukkan tiga dari deret garis tersebut,
deret lainnya berada di daerah infra-merah, jika digambarkan terletak di
sebelah kiri deret Paschen.
Gambar tersebut cukup rumit, sehingga kita akan membahasnya sedikit saja.
Pertama lihat deret Lyman pada sebelah kanan gambar − deret ini paling lebar
dan paling mudah diamati.
Deret Lyman merupakan deret garis pada daerah ultra-violet. Perhatikan
bahwa garis makin merapat satu sama lain dengan naiknya frekuensi. Akhirnya,
garis-garis makin rapat dan tidak mungkin diamati satu per satu, terlihat
seperti spektrum kontinu. Hal itu tampak sedikit gelap pada ujung kanan tiap
spektrum.
Kemudian pada titik tertentu, disebut sebagai deret limit (limit
series), deret terhenti.
Jika anda melihat deret Balmer atau Paschen, anda akan melihat polanya
sama, tetapi deretnya menjadi makin dekat. Pada deret Balmer, perhatikan posisi
tiga garis yang tampak pada foto di bagian atas.
III.
sesuatu yang
mempersulit − frekuensi dan panjang gelombang
Anda akan sering mendapatkan spektrum hidrogen dinyatakan dengan panjang
gelombang sinar bukan frekuensi. Sayangnya, karena hubungan matematika antara
frekuensi sinar dan panjang gelombangnya, anda mendapatkan dua gambaran
spektrum yang sangat berbeda jika mengalurkannya terhadap frekuensi atau
panjang gelombang.
Hubungan antara frekuensi dan panjang gelombang
Hubungan matematisnya:
Pengaturan ulang persamaan tersebut akan menghasilkan persamaan baik untuk
panjang gelombang maupun frekuensi.
Apakah ini berarti ada hubungan kebalikan antara keduanya − frekuensi yang
tinggi berarti panjang gelombangnya rendah dan sebaliknya.< /p>
Menggambarkan spektrum hidrogen berdasarkan panjang gelombang
Seperti inilah spektrum yang terlihat jika anda mengalurkannya berdasarkan
panjang gelombang bukan frekuensi:
dan, hanya untuk mengingatkan anda bahwa spektrum berdasarkan frekuensi
akan tampak seperti ini:
IV.
Menjelaskan spektrum
emisi hidrogen
Persamaan Balmer dan Rydberg
Dengan sedikit pengetahuan matematika yang mengagumkan, pada 1885 Balmer
memberikan rumus sederhana untuk memperkirakan panjang gelombang dari beberapa garis
yang sekarang kita kenal dengan deret Balmer. Tiga tahun berikutnya, Rydberg
membuat rumus yang lebih umum sehingga dapat diterapkan untuk memperkirakan
panjang gelombang beberapa garis pada spektrum emisi hidrogen.
Rydberg memberikan rumus:
RH merupakan konstanta yang disebut dengan konstanta
Rydberg.
n1 dan n2 merupakan bilangan bulat (seluruh angka). n2
lebih besar daripada n1. Dengan kata lain, jika n1,
katakanlah 2, maka n2 dapat berupa seluruh angka antara 3 dan tak
hingga.
Berbagai kombinasi angka dapat anda masukkan ke dalam rumus, sehingga anda
dapat menghitung panjang gelombang dari suatu garis pada spektrum emisi
hidrogen − dan terdapat kesamaan antara panjang gelombang yang anda dapatkan
dengan menggunakan rumus ini dengan yang diperoleh dari hasil analisis spektrum
aslinya. dapat juga menggunakan versi yang dimodifikasi dari persamaan Rydberg
untuk menghitung frekuensi masing-masing garis. Persamaan yang dimodifikasi
dapat anda peroleh dari persamaan sebelumnya dan rumus panjang gelombang dan
frekuensi pada bagian sebelumnya.
V.
Asal usul spektrum
emisi hidrogen
Garis-garis pada spektrum emisi hidrogen membentuk pola yang umum dan dapat
ditunjukkan dengan persamaan yang (relatif) sederhana. Masing-masing garis
dapat dihitung dari kombinasi angka-angka sederhana.
hidrogen mengemisikan sinar ketika tereksitasi
Ketika tak ada yang mengeksitasi, elektron hidrogen berada pada tingkat
energi pertama atau tingkat yang paling dekat dengan inti. Tetapi jika anda
memberikan energi pada atom, elektron akan tereksitasi ke tingkat energi yang
lebih tinggi − atau bahkan dilepaskan dari atom.
Tegangan tinggi pada tabung sinar hidrogen menyediakan energi tersebut.
Molekul hidrogen awalnya pecah menjadi atom-atom hidrogen (oleh karena itu
disebut spektrum emisi atom hidrogen) dan elektron kemudian berpromosi ke
tingkat energi yang lebih tinggi.
Misalkan suatu elektron tereksitesi ke tingkat energi ketiga. Elektron akan
cenderung melepaskan energi lagi dengan kembali ke tingkat yang lebih rendah.
Hal ini dapat dilakukan dengan dua cara yang berbeda.
Elektron dapat turun, kembali lagi ke tingkat pertama, atau turun ke
tingkat kedua dan kemudian, pada lompatan kedua, turun ke tingkat pertama.
Mengikat suatu elektron untuk melompat ke garis tertentu pada spektrum
Jika suatu elektron turun dari tingkat-3 ke tingkat-2, akan melepaskan
energi yang sama dengan beda energi antara dua tingkat tersebut. Energi yang
diperoleh dari lepasnya elektron ini muncul sebagai sinar (dimana
"sinar" tersebut termasuk dalam daerah UV dan IR juga tampak
(visible)).
Masing-masing frekuensi sinar dihubungkan dengan energi melalui persamaan:
Dengan frekuensi yang lebih tinggi, energi sinar akan lebih tinggi.
Jika suatu elektron turun dari tingkat-3 ke tingkat-2, tampak sinar merah. Inilah
asal-usul garis merah pada spektrum hidrogen. Dengan menghitung frekuensi sinar
merah, anda dapat menghitung energinya. Energi itu harus sama dengan beda
energi antara tingkat-3 dan tingkat-2 pada atom hidrogen.
Persamaan terakhir dapat ditulis ulang sebagai beda energi antara dua
tingkat elektron.
Turunnya elektron yang menghasilkan energi terbesar akan memberikan garis
frekuensi tertinggi. Turunnya elektron dengan energi terbesar adalah dari
tingkat tak hingga ke tingkat-1 (tentang tingkat tak hingga akan dijelaskan
nanti)
Beberapa gambar berikut terdiri dari dua bagian − dengan tingkat energi
pada bagian atas dan spektrum pada bagian bawah.
Jika elektron turun dari tingkat 6, penurunannya lebih sedikit, sehingga
frekuensinya akan lebih kecil. (dikarenakan skala pada gambar, tidak mungkin
menggambarkan semua lompatan yang melibatkan semua tingkat antara 7 dan tak
hingga!)
dan jika anda mengamati lompatan ke tingkat-1 yang lain anda akan
mendapatkan seluruh deret Lyman. Jarak antar garis pada spektrum menggambarkan
jarak perubahan tingkat energi.
Jika melakukan hal yang sama untuk lompatan menurun ke tingkat 2, maka akan
mendapatkan garis dari deret Balmer. Perbedaan energinya lebih kecil dari deret
Lyman, sehingga frekuensi yang dihasilkan juga lebih rendah.
Deret Paschen diperoleh dari lompatan menurun ke tingkat-3, tetapi
gambarnya akan sangat kacau jika saya memasukkan semuanya – karena itu tidak
disebutkan deret lain untuk lompatan menurun ke tingkat-4, tingkat-5, dan
seterusnya.
Arti angka −angka pada persamaan Rydberg
n1 dan n2 pada persamaan Rydberg merupakan tingkat
energi sederhana pada setiap lompatan yang menghasilkan garis yang khas pada
spektrum. Sebagai contoh, pada deret Lyman, n1 selalu 1. Elektron
yang turun ke tingkat 1 menghasilkan garis pada deret Lyman. Untuk deret
Balmer, n1 selalu 2, karena elektron turun ke tingkat-2.
n2 merupakan tingkat asal lompatan. Kita telah menyebutkan bahwa
garis merah merupakan hasil dari turunnya elektron dari tingkat-3 ke tingkat-2.
Pada contoh ini, n2 sama dengan 3.
Arti tingkat tak hingga
Tingkat tak hingga menunjukkan energi tertinggi yang mungkin dari suatu
elektron atom hidrogen. Jadi, jika elektron melampaui energi maka elektron
bukan lagi bagian dari atom. Tingkat tak hingga menunjukkan titik dimana
ionisasi atom terjadi untuk membentuk ion bermuatan positif.
VI. Menggunakan spektrum untuk menentukan energi ionisasi
Ketika tak ada energi tambahan yang diberikan, elektron hidrogen berada
pada tingkat-1. Dikenal sebagai keadaan dasar (ground state). Jika anda
memberikan energi yang cukup untuk memindahkan elektron hingga ke tingkat tak
hingga, anda telah mengionkan hidrogen.
Energi ionisasi tiap elektron dihitung dari jarak antara tingkat-1
dan tingkat tak hingga. Jika anda melihat kembali beberapa gambar terakhir,
anda akan mendapatkan bahwa energi lompatannya menghasilkan limit deret dari
deret Lyman.
Jika anda dapat menentukan frekuensi dari limit deret Lyman, anda dapat
menggunakannya untuk menghitung energi yang dibutuhkan untuk memindahkan
elektron suatu atom dari tingkat-1 ke titik ionisasi. Dari hal tersebut, anda
dapat menghitung energi ionisasi per mol atom.
Masalahnya adalah frekuensi limit deret agak sulit ditentukan secara akurat
dari spektrum karena pada daerah limit garis-garisnya rapat sehingga spektrum
terlihat seperti kontinu.
VII. Menentukan frekuensi limit deret secara grafik
Berikut ini merupakan daftar frekuensi dari tujuh garis yang jarak garisnya
paling lebar pada deret Lyman, jika anda bergerak dari satu garis ke garis
berikutnya akan terjadi kenaikan frekuensi.
Dengan makin dekatnya garis, jelas peningkatan frekuensi berkurang. Pada
limit deret, beda antar garis akan mendeketi nol. Itu artinya jika anda
mengalurkan kenaikan frekuensi terhadap frekuensi aktual, anda dapat
mengekstrapolasikan (kontinu) kurva pada titik dimana kenaikannya menjadi nol.
Itu akan menjadi frekuensi limit deret.
Faktanya anda dapat mengalurkan grafik dari data pada tabel di atas.
Perbedaan frekuensi berhubungan dengan dua frekuensi. Sebagai contoh, angka
0,457 diperoleh dengan mengurangkan 2,467 dari 2,924. Sehingga yang manakah
dari dua nilai ini yang anda alurkan terhadap 0,457?
Hal ini tidak masalah, selama anda selalu konsisten − dengan kata lain,
anda selalu mengalurkan perbedaan frekuensi terhadap salah satu dari angka yang
lebih tinggi atau yang lebih rendah. Pada titik yang akan anda amati (dimana
perbedaannya nol), nilai kedua frekuensi sama.
Sebagaimana yang anda lihat pada grafik di bawah. Dengan mengalurkan kedua
kurva yang mungkin pada grafik yang sama, kurva akan lebih mudah
diekstrapolasikan. Kurva lebih sulit untuk diektrapolasikan dibandingkan dengan
garis lurus.
Kedua garis menunjukkan limit deret sekitar 3.28 x 1015 Hz.
Jadi sekarang kita akan menghitung energi yang diperlukan untuk melepaskan
elektron tunggal dari atom hidrogen. Ingat persamaan pada halaman di atas:
Kita dapat menentukan perbedaan energi antara keadaan dasar dan titik
dimana elektron meninggalkan atom melalui substitusi nilai frekuensi yang kita
dapatkan dan mencari nilai konstanta Planck dari buku.
Hasil ini memberikan pada anda energi ionisasi untuk atom tunggal. Untuk
menentukan energi ionisasi yang normal, kita perlu mengalikannya dengan
banyaknya atom pada satu mol atom hidrogen (konstanta Avogadro) dan kemudian
membaginya dengan 1000 untuk mengubahnya menjadi kilojoule.
0 Response to "spektrum emisi atom hidrogen"
Posting Komentar