Atom paling sederhana adalah atom hidrogen, yang mempunyai proton tunggal sebagai intinya, dan karena itu hanya sebuah elektron yang dapat mengitarinya supaya atom itu tetap netral. Bila atom hydrogen ini bebas, yaitu dalam keadaan energi paling rendah, elektronnya akan berada dalam keadaan 1s. Untuk helium, yang intinya terdiri atas dua proton dan dua neutron, massa atomnya akan empat kali lebih besar dari hidrogen, tetapi karena muatan inti (nuclear charge) sematamata hanya ditentukan oleh banyaknya proton, maka hanya dua elektron yang berkitar di orbitnya. Kedua elektron ini kakn mempunyai energi paling rendah bila masing-masing menempati keadaan 1s. atom berikutnya, lithium, yang mempunyai tiga muatan inti, hanya dapat menempatkan dua elektronnya dalam keadaan 1s, sedangkan elektron ketiga harus masuk ke keadaan 2s yang energinya sedikit lebih tinggi. Begitu seperangkat keadaan untuk kuantum utama tertentu terisi, elektronelektron dalam keadaan demikian disebut membentuk selapis kulit yang rapat, dan dalam mekanika kuantum
33 begitu suatu kulit terisi, energi dari kulit tersebut turun ke harga yang demikian rendahnya sehingga elektron-elektron bias berada dalam keadaan mantap sekali. Oleh sebab itu, lithium mempunyai dua elektron yang terikatsekali ke intinya dan sebuah electron di keadaan 2s yang sangat kurang terikat. Elektron ini, yang sering disebut electron valensi, dapat dilepaskan dengan mudah, dan karena itu lithium dapat membentuk ion dengan muatan positif satu, dan bervalensi satu. Elektron 2s yang terletek disebelah luar ini denga demikian tergolong bebas.
Berilium mempunyai muatan inti empat, karena itu elektron-elektronnya akan menempati keadaan-keadaan 1s dan 2s, sementara keenam keadaan 2p dengan energi lebih tinggi tetap kosong. Dalam enam atom berikutnya, yang bermuatan inti dari lima hingga sepuluh, keadaan 2p ini akan cepat terisi, dan pada usur dengan muatan sepuluh (neon) semua keadaan tersedia yang memiliki bilangan kuantum utam 1 dan 2 terisi sehingga atom itu memiliki dua lapis kulit yang rapat. Seperti dalam kasus helium, elektron-elektron berada dalam keadaan energi rendah dan dari sini tidak dapat dipindahkan dengan mudah. Akibatnya, seperti helium, neon tidak mudah membentuk ion dan karena itu tidak dapat berperan serta dalam reaksi-reaksi kimia.
Dalam susunan berkala unsur-unsur, tiap kali sebuah atom mendapatka cukup elektron untuk merapatkan kulitnya, unsur yang terbentuk bersifat nonreaktif, dan unsur-unsur ini disebut gas mulia (inert gases).
Tabel 2.2 Tabel Periodik Unsur
Dengan mekanisme yang sama, atom-atom dengan muatan inti atau nomor atom antara sebelas dan delapan belas akan membentuk kulit ketiga yang memiliki n = 3 dengan mengisi keadaan-keadaan 3s dahulu, kemudian 3p. bukan tidak mungkin orang berpikir bahwa sesudah argon yang bernomor atom Z = 18, atom-atom akan mempunyai electron keadaan 3d. ternyata yang terjadi bukan demikian karena kebetulan saja energi elektron di keadaan 4s lebih endah dibandingkan keadaan 3d. akibatnya, pada kalium (potassium) yang
34 mempunyai Z = 19 elektron-elektron berenergi tinggi keadaan s, dan unsure ini memiliki sifat kimia lebih menyerupai natrium(sodium) dan litium yang juga mempunyai elektron-elektron tunggal di keadaan s. Kalsium dengan Z = 20 memiliki dua elektron di keadaan 4s yang dengan demikian terisi penuh, sehingga scandium yang mungkin diharapkan memiliki elektron berenergi paling tinggi di keadaan 4p, ternyata menemukan bahwa energi elektron lebih rendah bila ditempatkan di keadaan 3d yang sampai kini dibiarkan kosong karena energinya lebih tinggi dibandingkan keadaan 4s. Sesudah skandium, unsur-unsur berikutnya meneruskan proses pengisian keadaan 3d, yang menjadi penuh pada unsur seng (Zn).
Bagaimanapun, proses pengisian keadaan 3d ini ternyata tidak sederhana. Dalam atom-tom bebas, diketahui bahwa ketika keadaan 3d diisi, elektron-elektron mula-mula menempati lima keadaan yang sesuai dengan kelima harga bilangan kuantum dalam m dan elektron-elektron tadi semuanya mempunyai bilangan spin sama (kaidah Hund). Apabila kelima keadaan itu telah terisi, energi elektron-elektron turun sehingga dari segi energi bagi khrom lebih menguntungkan andaikata sebuah elektron yang seharusnya menempati keadaan 4s digunakan untuk melengkapi kelima keadaan 3d. Itu sebabnya khrom hanya mempunyai sebuah elektron 4s dan lima elektron 3d. Proses serupa terjadi pada pada tembaga. Di sini sebuah dari elektron-elektron 4s digunakan untuk melengkapi kesepuluh keadaan 3d, yang dengan demikian merapatkan kulit ketiga dan mendapatkan reduksi energi elektron yang lumayan untuk kulit ini. Unsur-unsur dari scandium hinga tembaga, yang keadaan-keadaan 3d-nya terisi dengan cepat, doikenal sebagai unsur-unsur trnsisi. Pada tujuh unsur sesudah tembaga proses pengisian keadaan 4s dan 4p tidak begitu lancar, dan kripton, yang keadaan-keadaan 4s serta 4p-nya terisi penuh, termasuk kelompok gas mulia.
Pada kelompok unsur berikutnya, dari rubidium hingga xenon, terjadi proses
pengisian seperti terdahulu, yaitu 5s dahulu, baru kemudian 4d dan akhirnya 5p. Keadaan 4f untuk sementara belum terisi karena mempersyaratkan energi lebih tinggi ketimbang
keadaan-keadaan 5s, 4d, 5p dan 6s. Baru sesudah lanthanium, dari segi energi sudah pada tempatnya mengisi keempat belas keadaan 4f. Kelompok unsur yang dalam tabel periodik terletak antara lanthanium dan hafnium ini dikenal sebagai unsur tanah jarang. Setelah keadaan-keadaan 4f terisi, unsur-unsur berikutnya hingga gas mulia radon, mulai mengisi keadaan 5d dan akhirnya 6p. Unsur-unsur yang tersisa, lagilagi mengisi keadan s terlebih dahulu, yaitu keadaan-keadaan 7s dan proses selanjutnya sama dengan pada kelompok logam sebelumnya. Bagaimanapun, dari Material Teknik
unsur-unsur diatas untuk saat ini hanya enam unsur yang betul-betul terdapat di alam, yang lainnya belum ditetapkan apakah termasuk kelompok unsur tanah jarang atau tidak.
35 Dengan cara ini kita dapat membuat skema untuk menjelaskan unsur-unsur seperti tampak pada tabel 2.2. Di sini angka dibawah simbol kimia tiap unsur menyatakan nomor atom. Baris horizontal menyatakan periode, sementara kolom vertikal menyatakan kelompok atau grup. Di sini jelas bahwa tiap periode diakhiri dengan sebuah unsur gas mulia, yang semua keadaan elektronya untuk harga bilangan kuantum utama tertentu telah terisi, dan bahwa unsur-unsur di suatu kelompok mana pun memiliki elektron di kulit luar dalam konfigirasi yang sama.