Bilangan kuantum (bahasa inggris: Quantum number) adalah bilangan yang menyatakan kedudukan atau posisi elektron dalam atom yang diwakili oleh suatu nilai yang menjelaskan kuantitas kekal dalam sistem dinamis. Bilangan kuantum menggambarkan sifat elektron dalam orbital. Bilangan kuantum menentukan tingkat energi utama atau jarak dari inti, bentuk orbital, orientasi orbital, dan spin elektron. Setiap sistem kuantum dapat memiliki satu atau lebih bilangan kuantum.

Bilangan kuantum merupakan salah satu ciri khas dari model atom mekanika kuantum atau model atom modern yang dicetuskan oleh Erwin Schrodinger. Dalam mekanika kuantum, bilangan kuantum diperlukan untuk menggambarkan distribusi elektron dalam atom hidrogen dan atom-atom lain. Bilangan-bilangan ini diturunkan dari penyelesaian matematis persamaan schordinger untuk atom hidrogen.: (wikipedia)

Macam- Macam Bilangan Kuantum :

1. Utama (n)

Bilangan kuantum utama (lambang n) sesuai dengan bilangan n yang digunakan oleh Bohr untuk menentukan energi total elektron. Energi total elektron bertanda negatif, yang berarti bahwa untuk mengeluarkan elektron sehingga bebas dari grbitnya diperlukan energi. Energi total elektron terkuantisasi artinya hanya dapat memiliki harga tertentu/diskret. Perhatikan, energi total elektron hanya bergantung pada n dan tidak pada bilangan-bilangan kuantum lainnya. Untuk atom hidrogen, energi total elektron dinyatakan oleh:(pelajaran, 2016)

Nilai-nilai bilangan kuantum utama adalah bilangan bulat mulai dari 1 sampai tak hingga.(pelajaran, 2016)

2. Azimut ( l )

Bilangan kuantum azimut adalah bilangan yang menggambarkan subkulit atau subtingkat energi utama yang dinotasikan dengan l. Bilangan kuantum azimut menentukan bentuk orbital dari elektron.

Notasi huruf digunakan untuk menunjukkan berbagai nilai l. (nafiun, Pengertian Bilangan Kuantum Utama, Azimut, Magnetik, Spin, Contoh Soal, Kunci Jawaban, 2013)

Bentuk orbital dengan bilangan kuantum azimut sama dinamakan subkulit. Jadi, bilangan kuantum azimut dapat juga menunjukkan jumlah subkulit dalam setiap kulit. Masing-masing subkulit diberi lambang dengan s, p, d, f, …, dan seterusnya. Hubungan subkulit dengan lambangnya adalah sebagai berikut.(pelajaran, 2016)

3. Magnetik (m)

Bilangan kuantum magnetik adalah bilangan yang menyatakan orientasi orbital dalam subkulit yang dinotasikan dengan m. Dengan demikian, setiap orbital dalam subkulit tertentu dapat dibedakan orientasi orbitalnya dengan bilangan magnetik. (onlline, 2013)

Hubungan Bilangan Kuantum Azimut dengan Bilangan Kuantum Magnetik

4. Spin ( s)

Bilangan kuantum spin menggambarkan arah rotasi atau putaran elektron dalam satu orbital yang dinotasikan dengan s. Karena hanya ada 2 arah putaran yang mungkin yaitu searah jarum jam (clockwise) dan berlawanan arah jarum jam (anticlockwise), maka setiap orbital memuat 2 elektron dengan arah rotasi yang berlawanan. Oleh karena itu diberi nilai ± ½.

Arah rotasi pertama ditunjukkan ke atas dengan notasi s = +½ atau rotasi searah dengan arah putaran jarum jam dengan simbol ↑. Sedangkan arah ke bawah menunjukkan notasi s = -½ atau berlawanan dengan arah putaran jarum jam dengan simbol ↓.(nafiun, Pengertian Bilangan Kuantum Utama, Azimut, Magnetik, Spin, Contoh Soal, Kunci Jawaban, 2013)

Konfigurasi elektron

Konfigurasi elektron dalah konfigurasi yang menggambarkan susunan elektron dalam orbital-orbital atom. Dengan mengetahui konfigurasi elektron, jumlah elektron pada kulit terluar dapat ditentukan.(nafiun, Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan Larangan Pauli, Asas, Kaidah, Konfigurasi Elektron, Kimia, 2013)

1. Asas Aufbau

pengisian elektron dimulai dari tingkat energi terendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi. Prinsip ini dikenal dengan prinsip Aufbau. Keadaan ketika elektron mengisi kulit dengan energi terendah disebut keadaan dasar (ground state).(nafiun, Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan Larangan Pauli, Asas, Kaidah, Konfigurasi Elektron, Kimia, 2013)

Urutan tingkat energi pada orbital

Arah anak panah menyatakan urutan pengisian orbital. [1] Urutan orbital berdasarkan tingkat energi mengacu pada urutan arah panah, yaitu 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, dan seterusnya. Dari urutan tersebut terlihat bahwa tingkat energi 3d lebih besar dibandingkan tingkat energi 4s. Jadi, setelah 3p penuh, elektron akan mengisi subkulit 4s terlebih dahulu sebelum subkulit 3d.(nafiun, Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan Larangan Pauli, Asas, Kaidah, Konfigurasi Elektron, Kimia, 2013)

Contoh 1

Tentukan konfigurasi elektron unsur-unsur berikut berdasarkan prinsip Aufbau.

a. ₁₅P

b. ₂₆Fe

Jawaban :

a. ₁₅P : 1s¹ 2s² 2p⁶ 3s² 3p³

b. ₂₆Fe : 1s¹ 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3p⁶

^{2, Aturan Hund}

Frederick Hund, 1927 (dikenal Hund) menyatakan bahwa elektron yang mengisi subkulit dengan jumlah orbital lebih dari satu akan tersebar pada orbital yang mempunyai kesamaan energi (equal-energy orbital) dengan arah putaran (spin) yang sama. (nafiun, Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan Larangan Pauli, Asas, Kaidah, Konfigurasi Elektron, Kimia, 2013)

Contoh pengisian yang benar.

Subkulit yang mengandung orbital lebih dari 1 adalah p, d, dan f. Pengisian elektron menurut aturan hund dimulai dengan mengisi satu elektron pada tiap-tiap orbital dengan arah putaran (spin) yang sama. Setelah semua orbital terisi satu elektron, elektron sisanya akan mengisi orbital dengan arah putaran (spin) yang berlawanan, sehingga orbital terisi pasangan elektron. (nafiun, Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan Larangan Pauli, Asas, Kaidah, Konfigurasi Elektron, Kimia, 2013)

Contoh:

Tentukan diagram orbital untuk unsur-unsur berikut.

1. ₇N

2. ₉F

Jawaban :

1. ₇N = 1s² 2s² 2p³ diagram orbitalnya yaitu:

2. ₉F = 1s² 2s² 2p⁵

3. Asas Larangan Pauli

Pauli mengemukakan hipotesisnya yang menyatakan bahwa dalam satu atom tidak mungkin dua elektron mempunyai keempat bilangan kuantum sama. Misal, 2 elektron akan menempati subkulit 1s. Tiga bilangan kuantum pertama akan mempunyai nilai yang sama (n = 1, l = 0, m = 0). Untuk itu bilangan kuantum yang terakhir, yaitu bilangan kuantum spin(s) harus mempunyai nilai berbeda (+1/2 atau -1/2).

Dengan kata lain, setiap orbital maksimal hanya dapat terisi 2 elektron dengan arah spin berlawanan. Sebagai contoh, pengisian elektron pada orbital 1s digambarkan sebagai berikut. (nafiun, Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan Larangan Pauli, Asas, Kaidah, Konfigurasi Elektron, Kimia, 2013)

Jumlah elektron maksimal untuk tiap subkulit sama dengan dua kali dari jumlah orbitalnya.
(nafiun, Prinsip Aufbau, Aturan Hund dan Larangan Pauli, Asas, Kaidah, Konfigurasi Elektron, Kimia, 2013)

orbital s maksimal 2 elektron

orbital p maksimal 6 elektron

orbital d maksimal 10 elektron, dan

orbital f maksimal 14 elektron.

Contoh :

Tentukan bilangan kuantum dan diagram orbital yang dimiliki oleh atom-atom berikut.

a. ₂₀Ca

Jawaban :

a. ₂₀Ca= (Ar) 4s²

n = 4, l = 0, m = 0, dan s = - ½