Untuk Sekolah Menengah Kejuruan

Tcvpc"Gf k cvk " m ."f m 0 "MK

Ratna Ediati, dkk. OK "wpvwm C"

untuk Sekolah Menengah Kejuruan

Fktgmvq t c v"R g o d kpccp"Ugmqncj "Ogpgpi cj "Mglwtwcp

UOM O "U Fktgmvq t c v" L g p f g t c n"Ocpclgo gp"Rgpf kfkmcp"Fcuct"f cp"Ogpgpi cj Fgr ctvgogp"Rgpf kfkmcp"Pcukqpcn Ratna Ediati Didik Prasetyoko Lukman Atmaja Irmina Kris Murwani Hendro Juwono

KIMIA

Untuk SMK

Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan Direktorat Jenderali Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah Departemen Pendidikan Nasional Hak Cipta pada Departemen Pendidikan Nasional Dilindungi Undang-undang

KIMIA Untuk SMK

Penulis : Ratna Ediati Didik Prasetyoko Lukman Atmaja Irmina Kris Murwani Hendro Juwono Ilustrasi, Tata Letak : Perancang Kulit :

Ukuran Buku :

410 EDI EDIATI,Ratna, Didik Prasetyo, Lukman Atmaja,Irmina Kris Murwani, Hendro Juwono. k Kimia: Untuk SMK/oleh Ratna Ediati, Didik Prasetyo, Lukman Atmaja,Irmina Kris Murwani, Hendro Juwono. ---- Jakarta:Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, 2008.

Diterbitkan oleh Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan Departemen Pendidikan Nasional Tahun 2008

KATA SAMBUTAN

Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, berkat rahmat dan karunia Nya, Pemerintah, dalam hal ini, Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah Departemen Pendidikan Nasional, pada tahun 2008, telah melaksanakan penulisan pembelian hak cipta buku teks pelajaran ini dari penulis untuk disebarluaskan kepada masyarakat melalui website bagi siswa SMK.

Buku teks pelajaran ini telah melalui proses penilaian oleh Badan Standar Nasional Pendidikan sebagai buku teks pelajaran untuk SMK yang memenuhi syarat kelayakan untuk digunakan dalam proses pembelajaran melalui Peraturan Menteri Pendidikan Nasional Nomor 12 tahun 2008.

Kami menyampaikan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada seluruh penulis yang telah berkenan mengalihkan hak cipta karyanya kepada Departemen Pendidikan Nasional untuk digunakan secara luas oleh para pendidik dan peserta didik SMK di seluruh Indonesia.

Buku teks pelajaran yang telah dialihkan hak ciptanya kepada Departemen Pendidikan Nasional tersebut, dapat diunduh (download), digandakan, dicetak, dialihmediakan, atau difotokopi oleh masyarakat. Namun untuk penggandaan yang bersifat komersial harga penjualannya harus memenuhi ketentuan yang ditetapkan oleh Pemerintah. Dengan ditayangkannya soft copy ini akan lebih memudahkan bagi masyarakat untuk mengaksesnya sehingga peserta didik dan pendidik di seluruh Indonesia maupun sekolah Indonesia yang berada di luar negeri dapat memanfaatkan sumber belajar ini.

Kami berharap, semua pihak dapat mendukung kebijakan ini. Selanjutnya, kepada para peserta didik kami ucapkan selamat belajar dan semoga dapat memanfaatkan buku ini sebaik- baiknya. Kami menyadari bahwa buku ini masih perlu ditingkatkan mutunya. Oleh karena itu, saran dan kritik sangat kami harapkan.

Jakarta, Direktur Pembinaan SMK

iii

KATA PENGANTAR

Buku Kimia ini disusun untuk memenuhi kebutuhan buku ajar di Sekolah Menengah Kejuruan yang isinya didasarkan pada KTSP untuk Sekolah Menengah Kejuruan dan terdiri dari teori, contoh soal serta latihan. Adapun urutan penyajian setiap materi didasarkan pada instrumen penyusunan buku kimia yang dikeluarkan oleh BNSP. Untuk memperkaya pengetahuan para siswa Sekolah Menengah Kejuruan, dalam buku ini juga disajikan topik yang seyogyanya dimiliki oleh para siswa tersebut, seperti polimer, cat, logam dan sebagainya.

Sebagai bahan acuan penyusunan buku ini, digunakan buku teks Kimia yang digunakan oleh para siswa Sekolah Menengah Atas di Inggris, Sekolah Menengah Kejuruan di Jerman serta beberapa buku teks Kimia Dasar yang lain.

Kami berharap, kehadiran buku ini dapat membantu siswa maupun guru dalam pembelajaran Kimia di Sekolah Menegah Kejuruan. Tidak lupa, ucapan terimakasih kami sampaikan pada Direktur Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan atas kepercayaan yang telah diberikan.

Tim Penyusun

DAFTAR ISI

KATA SAMBUTAN ...... iii KATA PENGANTAR ...... iv DAFTAR ISI ...... v 1 MATERI DAN WUJUDNYA ...... 1 1.1 Materi ...... 1 1.2 Perubahan Fisika dan Kimia ...... 3 1.3 Wujud Materi ...... 5 1.4 Hukum Keadaan Standar ...... 13 1.5 Hukum Gas Ideal ...... 13 2 STRUKTUR ATOM ...... 23 2.1 Partikel-Partikel Dasar Atom ...... 24 2.2 Nomor atom, nomor massa, isotop, isobar dan isoton ...... 32 2.3 Elektron Dalam Atom ...... 34 2.4 Perkembangan Model Atom ...... 43 2.5 Perkembangan pengelompokan unsure ...... 46 2.6 Sifat periodik unsure ...... 52 3 STOIKHIOMETRI ...... 63 3.1 Konsep mol ...... 63 3.2 Penerapan Hukum Proust ...... 68 4 IKATAN KIMIA ...... 75 4.1 Elektron dan Ikatan Aturan Oktet ...... 76 4.2 Ikatan Ion ...... 77 4.3 Ikatan Kovalen ...... 79 4.4 Polaritas Ikatan Kovalen ...... 81 4.5 Sifat senyawa ion dan senyawa kovalen ...... 83 4.6 Ikatan Kovalen Koordinat ...... 83 4.7 Penyimpangan Aturan Oktet ...... 84 4.8 Struktur Lewis ...... 84 4.9 Ikatan Logam ...... 85 5 LARUTAN ...... 89 5.1 Pendahuluan ...... 90 5.2 Larutan Elektrolit ...... 91 5.3 Konsentrasi Larutan ...... 92 5.4 Stoikiometri Larutan ...... 94 5.5 Sifat Koligatif Larutan ...... 96 5.6 Hasil Kali Kelarutan ...... 102 5.7 Kelarutan ...... 103 6 KOLOID ...... 107 6.1 Pendahuluan ...... 107 i

6.2 Pengelompokan Koloid ...... 109 6.3 Sifat-Sifat Koloid ...... 110 6.4 Koloid Liofil dan Koloid Liofob ...... 112 6.5 Pemisahan Koloid ...... 115 6.6 Pembuatan Kolid ...... 117 7 KESETIMBANGAN ...... 121 7.1 Definisi ...... 122 7.2 Karakteristik keadaan kesetimbangan ...... 123 7.3 Macam-macam Sistem Kesetimbangan ...... 124 7.4 Konstanta Kesetimbangan ...... 124 7.5 Hukum Guldberg dab Wange ...... 125 7.6 Beberapa Hal yang Harus Diperhatikan ...... 126 7.7 Azas Le Chatelier ...... 128 7.8 Faktor-faktor yang Dapat Menggeser Letak Kesetimbangan ...... 130 7.9 Hubungan Antara Harga Kc Dengan Kp ...... 133 7.10 Dissosialisasi ...... 136 8 TERMOKIMIA ...... 141 8.1 Definisi ...... 141 8.2 Pengukuran Energi dalam Reaksi Kimia ...... 143 8.3 Panas Reaksi dan Termokimia ...... 144 8.4 Entalpi (H) dan Perubahan Entalpi (¨H) ...... 146 8.5 Istilah yang Digunakan pada Perubahan Entalpi .... 147 8.6 Hukum Hess mengenai jumlah panas ...... 148 8.7 Panas Pembentukan ...... 153 8.8 Keadaan Standard ...... 154 8.9 Kapasitas panas dan panas spesifik ...... 157 8.10 Kalorimetri ...... 157 8.11 Energi Ikatan Dan Entalphi Reaksi ...... 158 9 ELEKTROKIMIA ...... 167 9.1 Reaksi Redoks ...... 168 9.2 Harga Bilangan Oksidasi ...... 170 9.3 Langkah-langkah penyetaraan reaksi redoks ...... 170 9.4 Penyetaraan persamaan reaksi redoks ...... 171 9.5 Perbedaan Oksidasi Reduksi ...... 172 9.6 Sel Elektrokimia ...... 173 10 KINETIK KIMIA ...... 193 10.1 Definisi Laju Reaksi ...... 194 10.2 Hukum Laju ...... 196 10.3 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi ...... 196 10.4 Teori Tumbukan ...... 202 ii

10.5 Orde Reaksi ...... 204 11 KIMIA RADIASI ...... 209 11.1 Penemuan Keradioaktifan ...... 210 11.2 Sinar-sinar Radio Aktif ...... 211 11.3 Penggunaan Radioisotop ...... 212 12 SENYAWA KARBON ...... 221 12.1 Dasar-dasar Kimia Organik ...... 221 13 ASAM, BASA DAN BUFFER ...... 249 13.1 Definisi-definisi Asam dan Basa ...... 253 13.2 Kekuatan Asam dan Basa ...... 257 13.3 Larutan Buffer ...... 259 14 BATUBARA ...... 267 14.1 Klasifikasi Batubara ...... 277 14.2 Tambang Batubara dan Lingkungan Hidup ...... 280 14.3 Kegunaan Batubara ...... 281 14.4 Evomium ...... 283 15 POLIMER ...... 287 15.1 Definisi ...... 287 15.2 Klasifikasi ...... 288 15.3 Reaksi Polimerisasi ...... 288 15.4 Pengolahan Polimer ...... 292 15.5 Sifat Polimer ...... 293 15.6 Kegunaan dan Dampak Polimer Terhadap Lingkungan ...... 294 16 PLASTIK ...... 297 16.1 Definisi ...... 297 16.2 Jenis-jenis Utama Plastik ...... 298 16.3 Cara Pembuatan Plastik ...... 304 17 DETERGEN ...... 307 17.1 Definisi ...... 307 17.2 Sifat Fisi dan Kimia Detergen ...... 309 17.3 Pembuatan ...... 309 17.4 Komposisi Detergen ...... 310 17.5 Bahan Tambahan dalam Detergen ...... 310 18 CAT ...... 315 18.1 Klasifikasi Cat ...... 315 18.2 Kegunaan Cat ...... 318 19 MINYAK BUMI ...... 319 19.1 Pendahuluan ...... 319 19.2 Komposisi Minyak Bumi ...... 319 19.3 Fraksi Minyak Bumi ...... 322 19.4 Kegunaan Minyak Bumi ...... 334 iii

20 BATU KAPUR, SEMEN DAN KERAMIK ...... 339 20.1 Batu Kapur ...... 339 20.2 Semen ...... 355 20.3 Keramik ...... 380 21 LOGAM ...... 409 21.1 Logam dan Peradaban ...... 409 21.2 Logam Alkali dan Alkali Tanah ...... 413 21.3 Bijih Logam ...... 425 DAFTAR PUSTAKA ...... 434

1 MATERI DAN WUJUDNYA

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Mengelompokkan sifat materi Memahami konsep materi dan Mengelompokkan perubahan perubahannya materi Mengklasifikasikan materi Tujuan pembelajaran mengenal sifat berbagai jenis materi dan wujudnya memahami perubahan materi dengan cara mengamati mampu menerapkan hukum-hukum gas pada beberapa contoh kasus

Tersusun dari materi apakah tabung gas LPG di gambar 1.1, dan bagaimana wujudnya? ¾ Apa materi penyusun tabung? ¾ Apa materi penyusun LPG? ¾ Perubahan wujud apa yang terjadi pada LPG? ¾ Pembakaran, reaksi fisika atau kimia?

Pada bab ini kita akan mempelajari tentang materi, istilah-istilah yang berhubungan dengannya dan perubahan wujudnya. ¾ Materi ¾ Perubahan fisika kimia ¾ Wujud materi Gambar 1.1 Tabung LPG

1.1 Materi

Materi Materi adalah material fisik yang menyusun alam, yang bisa diartikan berhubungan sebagai segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. dengan massa dan Materi dapat berbentuk gas, cair, dan padat. ruang Contoh: udara, kapur, meja. Kimia mempelajari komposisi, struktur dan sifat dari materi, serta perubahan kimia yang terjadi dari materi satu ke yang lainnya. Contoh: kayu terbakar menjadi arang.

Penyusun materi. Materi dapat tersusun dari substansi murni atau tunggal yang terdiri dari satu unsur atau beberapa unsur yang membentuk suatu senyawa. Materi juga dapat tersusun dari senyawa campuran, yang tercampur secara homogen atau heterogen (Gambar 1.2).

MATERI

Substansi murni Campuran Mempunyai komposisi yang dapat dipisahkan secara fisika (dipanaskan, diayak) Unsur Senyawa Disusun oleh Disusun oleh satu jenis lebih dari satu atom jenis atom Homogen Heterogen oksigen, Karbon dioksida, Mempunyai Mempunyai nitrogen air, gula, garam komposisi dan komposisi dan sifat yang sifat yang seragam pada bervariasi pada setiap bagian setiap bagian campuran campuran Gula dan air, Gula dan pasir, aseton dan air, pasir dan semen, udara, dll nasi campur (nasi, lauk, dll)

Gambar 1.2 Skema klasifikasi materi

Substansi murni : materi yang mempunyai sifat dan komposisi tertentu.

Unsur : substansi murni yang tidak dapat dipisahkan menjadi sesuatu yang lebih sederhana, baik secara fisika maupun kimia, mengandung satu Sifat fisika dan jenis atom. kimia untuk Contoh: hidrogen, oksigen. klasifikasi materi

Senyawa : terbentuk dari ikatan antara atom penyusunnya, dan dapat dipisahkan secara kimia menjadi unsur penyusunnya. Contoh: air (H2O), gula, CaCO3.

Campuran : materi yang tersusun dari beberapa substansi murni, sehingga mempunyai sifat dan komposisi yang bervariasi. Contoh: gula + air menghasilkan larutan gula, mempunyai sifat manis yang tergantung pada komposisinya.

Campuran homogen : mempunyai sifat dan komposisi yang seragam pada setiap bagian campuran, tidak dapat dibedakan dengan melihat langsung. Contoh: garam dapur dan air.

Campuran heterogen : mempunyai sifat dan komposisi yang bervariasi pada setiap bagian campuran, dapat dibedakan dengan melihat langsung (secara fisik terpisah). Contoh: gula dan pasir.

Gambar 1.3 menunjukkan sebagian permukaan bumi. Unsur aluminium, besi, oksigen, dan silikon merupakan 88% penyusun permukaan bumi dalam bentuk padatan. Air pada permukaan bumi dan dalam bentuk gas tersusun dari hidrogen dan oksigen. 99% udara tersusun dari nitrogen dan oksigen. Hidrogen, oksigen, dan karbon adalah 97% penyusun tubuh manusia.

Gambar 1.3 Permukaan bumi dan udara

Aktivitas siswa :

¾ Terdiri dari unsur apakah penyusun kursi yang Anda duduki? ¾ Cari benda di sekitar Anda, dan perkirakan unsur penyusunnya!

1.2 Perubahan fisika dan kimia

Perubahan yang melibatkan sifat fisika atau kimia.

Sifat fisika : sifat yang tidak mengubah sifat kimia suatu materi. • Karakteristik fisika bau, kekerasan, titik didih, wujud materi.

Sifat kimia : sifat yang mengubah sifat kimia suatu materi. • Menerangkan bagaimana suatu materi bereaksi dengan materi yang lain membentuk suatu materi baru.

3 Perubahan fisika Sifat fisika Contoh

Suhu Air untuk mandi 40°C Massa 5 gram Nikel Warna Belerang kuning Bau H2S busuk Titik didih Air pada 100°C Kelarutan NaCl larut dalam air Berat jenis Air 1 gram/mililiter Kekerasan Intan sangat keras Kelistrikan Besi menghantar listrik

Substansi Sifat kimia Besi (Fe) Korosi Æ Fe2O3

Karbon (C) Terbakar Æ CO2

Natrium Dengan air Æ NaOH + H2

TNT Meledak (terurai) Æ gas

Ciri-ciri yang mengindikasikan adanya perubahan kimia : ¾ Perubahan warna ¾ Perubahan bau ¾ Pembentukan gas ¾ Timbulnya cahaya ¾ Pembentukan endapan baru ¾ Perubahan pH.

Contoh :

Gula adalah senyawa yang mudah terurai (dekomposisi) dengan pemanasan menjadi senyawa yang lebih sederhana, misalnya karbon hitam (arang), yang tidak dapat terurai lagi baik secara fisika maupun kimia, tetapi dapat berubah struktur dan sifatnya menjadi grafit dan intan (Gambar 1.4 - 1.6).

Gambar 1.4 Dekomposisi gula oleh panas

4 Aktivitas siswa :

Perubahan kimia atau fisika?

¾ Hujan asam ¾ Besi meleleh oleh panas ¾ Gas alam dibakar

Gambar 1.5 Pelelehan besi

Gambar 1.6 Pembakaran gas alam

1.3 Wujud materi

Padat, cair dan gas Setiap saat, kita berinteraksi dengan benda-benda di sekitar merupakan wujud kita seperti udara, air, dan bangunan. Benda-benda tersebut dari materi mempunyai wujud yang berbeda-beda, dan dikelompokkan sebagai gas, cair dan padat. Setiap kelompok mempunyai ciri-ciri dan sifat- sifat yang akan dipelajari dalam bab ini. Diantaranya adalah susunan

5 dan gerakan molekul penyusun zat (Gambar 1.7). Molekul-molekul wujud gas mempunyai susunan yang berjauhan dan setiap molekul bebas bergerak. Cairan dan padatan mempunyai susunan molekul yang berdekatan, dimana pada cairan, molekul masih bisa bergerak dengan bebas, sementara molekul pada padatan tidak bebas bergerak atau tetap pada posisinya.

Contoh :

Air mempunyai wujud cair pada suhu ruang, akan berubah wujudnya menjadi padat apabila didinginkan, dan menjadi gas apabila dipanaskan. Ini merupakan perubahan fisika karena tidak menghasilkan materi dengan sifat yang baru

Wujud dari materi tergantung pada keadaan sekitarnya

(a) (b) (c)

Gambar 1.7 Susunan molekul: (a) gas, (b) cair, dan (c) padat, serta perubahan wujudnya

1.3.1 Keadaan gas

Ciri-ciri gas : ¾ Gas mempunyai susunan molekul yang berjauhan, kerapatan rendah/tidak memiliki volume dan bentuk tetap/selalu bergerak dengan kecepatan tinggi ¾ Campuran gas selalu uniform (serba sama) ¾ Gaya tarik-menarik antarpartikel dapat diabaikan. ¾ Laju suatu partikel selalu berubah-ubah tapi laju rata-rata partikel-partikel gas pada suhu tertentu adalah konstan ¾ Gas dapat dimampatkan

6 ¾ Gas dapat dalam bentuk atom tunggal seperti golongan gas mulia (He, Ar, Xe), diatomic (H2, O2, F2), dan senyawa (NO, CO2, H2S) (Gambar 1.8).

Atom tunggal

Molekul diatomik

Senyawa

Gambar 1.8 Bentuk gas: tunggal, diatomik, dan senyawa

Udara Susunan udara baru diketahui pada akhir abad ke-18 sewaktu Lavoisier, Priestly, dan lainnya menunjukkan bahwa udara terutama terdiri atas dua zat : oksigen dan nitrogen. Oksigen dicirikan oleh kemampuannya mendukung kehidupan. Hal ini dikenali jika suatu volume oksigen habis (dengan membakar lilin pada tempat tertutup, misalnya), dan nitrogen yang tersisa tidak lagi dapat mempertahankan hewan hidup. Lebih dari 100 tahun berlalu sebelum udara direanalisis secara cermat, yang menunjukkan bahwa oksigen dan nitrogen hanya menyusun 99% dari volume total, dan sebagian besar dari 1% sisanya adalah gas baru yang disebut “argon”. Gas mulia lainnya (helium, neon, krypton, dan xenon) ada di udara dalam jumlah yang jauh lebih kecil. Tabel 1.1 merupakan komposisi udara. Ada beberapa jenis gas lain yang dijumpai pada permukaan bumi. Metana (CH4) dihasilkan lewat proses bakteri, terutama di daerah rawa. Metana merupakan penyusun penting dalam deposit gas alam yang terbentuk selama jutaan tahun lewat pelapukan materi tumbuhan di bawah permukaan bumi. Gas dapat juga terbentuk dari reaksi kimia.

Gambar 1.9 Antoine Laurent Lavoisier

7 Tabel 1.1 Komposisi Udara

Penyusun Rumus Fraksi Volume

Nitrogen N2 0.78110

Oksigen O2 0.20953 Argon Ar 0.00934 Karbon Dioksida CO 0.00034 2 Neon Ne 1.82 x 10-5

Helium He 5.2 x 10-6 -6 Metana CH4 1.5 x 10 -6 Kripton Kr 1.1 x 10 -7 Hidrogen H2 5 x 10 -7 Dinitrogen oksida N2O 3 x 10 Xenon Xe 8.7 x 10-8

Hukum-hukum Gas

Gas merupakan Empat variabel yang menggambarkan keadaan gas: salah satu wujud o Tekanan (P) dari materi yang mempunyai sifat- o Volume (V) sifat tertentu o Temperatur (T) o Jumlah mol gas, mol (n)

Hukum-hukum Gas : Boyle, Charles dan Gay-Lussac, Amonton, Avogadro, Dalton, Gas ideal, Kinetika, Gas Nyata.

1) Hukum Boyle

Robert Boyle (Gambar 1.10) pada tahun 1622 melakukan percobaan dengan menggunakan udara. Ia menyatakan bahwa volume sejumlah tertentu gas pada suhu yang konstan berbanding terbalik dengan tekanan yang dialami gas tersebut (Gambar 1.11).

Gambar 1.10 Robert Boyle

8 Hubungan tersebut dikenal sebagai Hukum Boyle, secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut : 1 V | P (atau PV = konstan) V = volume P = tekanan

Persamaan diatas berlaku untuk gas-gas yang bersifat ideal.

Contoh :

Silinder panjang pada pompa sepeda mempunyai volume 1131 cm3 dan diisi dengan udara pada tekanan 1,02 atm. Katup keluar ditutup dan tangkai pompa didorong sampai volume udara 517 cm3. Hitunglah tekanan di dalam pompa.

Gambar 1.11 Kurva hubungan antara P – V dan 1/P – V Penyelesaian :

Perhatikan bahwa suhu dan jumlah gas tidak dinyatakan pada soal ini, jadi nilainya 22,414 L atm tidak dapat digunakan untuk tetapan C. bagaimanapun, yang diperlukan adalah pengandaian bahwa suhu tidak berubah sewaktu tangkai pompa didorong. Jika P1 dan P2 merupakan tekanan awal dan akhir, dan V1 dan V2 adalah volume awal dan akhir, maka:

P1.V1 = P2.V2

9 Sebab suhu dan jumlah udara dalam pompa tidak berubah. Substitusi menghasilkan :

3 3 (1,02atm)(1131cm )=P2(517cm )

Sehingga P2 dapat diselesaikan:

P2 = 2,23 atm

2) Hukum Charles

Pada tekanan konstan, volume sejumlah tertentu gas sebanding dengan suhu absolutnya (Gambar 5.13). Hukum di atas dapat dituliskan sebagai berikut:

V § T §V · ¨ kons tan ¸ © T ¹ Hubungan di atas ditemukan oleh Charles (Gambar 1.12) pada tahun 1787 dan dikenal sebagai Hukum Charles. Secara grafik, hukum Charles dapat digambarkan seperti pada gambar di bawah. Terlihat bahwa apabila garis-garis grafik diekstrapolasikan hingga memotong sumbu X (suhu), maka garis-garis grafik tersebut akan memotong di satu titik yang sama yaitu – 273,15 °C. Titik ini dikenal sebagai suhu nol absolute yang nantinya dijadikan sebagai skala Kelvin. Hubungan antara Celcius dengan skala Kelvin adalah:

K = °C + 273,15

K = suhu absolut °C = suhu dalam derajat Celcius

Gambar 1.12 Jacques Charles

Gambar 1.13 Volume suatu gas sebanding dengan suhunya

Sama hal-nya dengan hukum Boyle, hukum Charles juga berlaku untuk gas ideal.

Contoh :

Seorang ilmuan yang mempelajari sifat hidrogen pada suhu rendah mengambil volume 2,50 liter hidrogen pada tekanan atmosfer dan suhu 25,00 °C dan mendinginkan gas itu pada tekanan tetap sampai – 200,00 °C. Perkirakan besar volume hidrogen!

Penyelesaian :

Langkah pertama untuk mengkonversikan suhu ke Kelvin:

T1 = 25°C ĺ T1 = 298,15 K T2 = -200°C ĺ T2 = 73,15 K

V V 1 2 T1 T2

V1T2 V2 T1 2,5L u 73,15K V 2 298,15K

V2 0,613L

11 3) Hukum Avogadro

Pada tahun 1811, Avogadro (Gambar 1.14) mengemukakan hukum yang penting mengenai sifat-sifat gas. Dia menemukan bahwa pada suhu yang sama, sejumlah volume yang sama dari berbagai gas akan mempunyai jumlah partikel yang sama pula banyaknya (Gambar 5.15).

Hukum Avogadro dapat dinyatakan sebagai berikut: V § n (V/n = konstan) n = jumlah mol gas

Satu mol didefinisikan sebagai massa dari suatu senyawa/zat yang mengandung atom atau molekul sebanyak atom yang terdapat pada dua belas gram karbon (12C). Satu mol dari suatu zat mengandung 6,023 x 1023 molekul. Bilangan ini dikenal sebagai Bilangan Avogadro.

Gambar 1.14 Avogadro

Dua volume + satu volume Æ Dua volume hidrogen oksigen air

Gb. 1.15 Gambaran hukum Avogadro

12 4) Hukum Keadaan Standar

Untuk melakukan pengukuran terhadap volume gas, diperlukan suatu keadaan standar untuk digunakan sebagai titik acuan. Keadaan ini yang juga dikenal sebagai STP (Standart Temperature and Pressure) yaitu keadaan dimana gas mempunyai tekanan sebesar 1 atm (760 mmHg) dan suhu °C (273,15 K). Satu mol gas ideal, yaitu gas yang memenuhi ketentuan semua hukum-hukum gas akan mempunyai volume sebanyak 22,414 liter pada keadaan standar ini (Gambar 1.16).

5) Hukum Gas Ideal

Definisi mikroskopik gas ideal, antara lain: a. Suatu gas yang terdiri dari partikel-partikel yang dinamakan molekul. b. Molekul-molekul bergerak secara serampangan dan memenuhi hukum-hukum gerak Newton. c. Jumlah seluruh molekul adalah besar d. Volume molekul adalah pecahan kecil yang diabaikan dari volume yang ditempati oleh gas tersebut. e. Tidak ada gaya yang cukup besar yang beraksi pada molekul tersebut kecuali selama tumbukan. f. Tumbukannya elastik (sempurna) dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat.

Gambar 1.16 Gambaran gas ideal

Apabila jumlah gas dinyatakan dalam mol (n), maka suatu bentuk persamaan umum mengenai sifat-sifat gas dapat diformasikan. Sebenarnya hukum Avogadro menyatakan bahwa 1 mol gas ideal mempunyai volume yang sama apabila suhu dan tekanannya sama. Dengan menggabungkan persamaan Boyle, Charles dan persamaan

13 Avogadro akan didapat sebuah persamaan umum yang dikenal sebagai persamaan gas ideal.

T V | n P T atau V Rn P atau PV = nRT

R adalah konstanta kesebandingan dan mempunyai suatu nilai tunggal yang berlaku untuk semua gas yang bersifat ideal. Persamaan di atas akan sangat berguna dalam perhitungan-perhitungan volume gas. Nilai numerik dari konstanta gas dapat diperoleh dengan mengasumsikan gas berada pada keadaan STP, maka:

1atm 22,414L R

(0,082056L u atmK 1mol 1) 1mol 273,15K

Dalam satuan SI, satuan tekanan harus dinyatakan dalam Nm-2 dan karena 1 atm ekivalen dengan 101,325 Nm-2, maka dengan menggunakan persamaan diatas dapat diperoleh harga R dalam satuan SI, sebagai berikut:

101,325Nm 2 22,414x103 m3 R 1mol 273,15K = 8,314 Nm K-1 mol-1 = 8,314 J K-1 mol-1

Contoh :

Balon cuaca yang diisi dengan helium mempunyai volume 1,0 x 104 L pada 1,00 atm dan 30 °C. Balon ini sampai ketinggian yang tekanannya turun menjadi 0,6 atm dan suhunya –20°C. Berapa volume balon sekarang? Andaikan balon melentur sedemikian sehingga tekanan di dalam tetap mendekati tekanan di luar.

Penyelesaian:

Karena jumlah helium tidak berubah, kita dapat menentukan n1 sama dengan n2 dan menghapusnya dari persamaan gas ideal menjadi:

PV P V 1 1 2 2 T1 T2

14 V1 P1T2 V2 P2T1 1,0x104 L 1,00atm u 253K V 2 (0,6atm u 303K)

V2 = 14.000 L

Tekanan dan suhu

Tekanan

Gambar 1.17 Torricelli

Tekanan gas adalah gaya yang diberikan oleh gas pada satu satuan luas dinding wadah. Torricelli (Gambar 1.17), ilmuan dari Italia yang menjadi asisten Galileo adalah orang pertama yang melakukan penelitian tentang tekanan gas ia menutup tabung kaca panjang di satu ujungnya dan mengisi dengan merkuri. Kemudian ia menutup ujung yang terbuka dengan ibu jarinya, membalikkan tabung itu dan mencelupkannya dalam mangkuk berisi merkuri, dengan hati-hati agar tidak ada udara yang masuk. Merkuri dalam tabung turun, meninggalkan ruang yang nyaris hampa pada ujung yang tertutup, tetapi tidak semuanya turun dari tabung. Merkuri ini berhenti jika mencapai 76 cm di atas aras merkuri dalam mangkuk (seperti pada gambar dibawah). Toricelli menunjukkan bahwa tinggi aras yang tepat sedikit beragam dari hari ke hari dan dari satu tempat ke tempat yang lain, hal ini terjadi karena dipengaruhi oleh atmosfer bergantung pada cuaca ditempat tersebut. Peralatan sederhana ini yang disebut Barometer (Gambar 1.18).

Tekanan atmosfer

Gambar 1.18 Barometer

Hubungan antara temuan Toricelli dan tekanan atmosfer dapat dimengerti berdasarkan hokum kedua Newton mengenai gerakan, yang menyatakan bahwa: Gaya = massa x percepatan F = m x a

Dengan percepatan benda (a) adalah laju yang mengubah kecepatan. Semua benda saling tarik-menarik karena gravitasi, dan gaya tarik mempengaruhi percepatan setiap benda. Percepatan baku akibat medan gravitasi bumi (biasanya dilambangkan dengan g, bukannya a) ialah g = 9,80665 m s-2. Telah disebutkan di atas bahwa tekanan adalah gaya persatuan luas, sehingga :

F m.g P A A

Karena volume merkuri dalam tabung adalah

V = Ah,

F m.g m.g.h P , A V / h V

m U ; V di mana Ŭ = massa jenis, sehingga

P = ŭ.g.h

Suhu

Dalam kehidupan sehari-hari kita dapat merasakan panas atau dingin. Kita bisa mendeskripsikan bahwa kutub utara mempunyai suhu yang sangat dingin atau mendeskripsikan bahwa Surabaya atau Jakarta mempunyai suhu yang panas pada siang hari. Ilustrasi diatas merupakan dua ekspresi dari suhu, akan tetapi apakah kita tau definisi dari suhu itu sendiri? Definisi suhu merupakan hal yang sepele tapi sulit untuk disampaikan tetapi lebih mudah untuk dideskripsikan. Penelitian pertama mengenai suhu dilakukan oleh ilmuan Perancis yang bernama Jacques Charles.

Campuran Gas

Pengamatan pertama mengenai perilaku campuran gas dalam sebuah wadah dilakukan oleh Dalton (Gambar 1.19), ia menyatakan bahwa tekanan total, Ptol, adalah jumlah tekanan parsial setiap gas. Pernyataan ini selanjutnya disebut sebagai Hukum Dalton, hukum ini berlaku untuk gas dalam keadaan ideal. Tekanan parsial setiap komponen dalam campuran gas ideal ialah tekanan total dikalikan dengan fraksi mol komponen tersebut (Gambar 1.20).

PA = XA . PTot

n RT P A A V

Tekanan total:

Ptot = PA + PB + PC + …..

Mol total:

ntot = nA + nB + nC + …..

Gambar 1.19 John Dalton

Gambar 1.20 Tekanan total dan parsial

Contoh :

Berapa tekanan total dalam wadah (container) yang mengandung: • Metana dengan tekanan parsial 0.75 atm, • Hidrogen dengan tekanan parsial 0.40 atm • Propana dengan tekanan parsial 0.50 atm?

Ptot = Pmetana + Phidrogen + Ppropana Ptot = 0.75 atm + 0.40 atm + 0.50 atm Ptot = 1.65 atm

1.3.2 Padatan, cairan

Gas, cairan, dan padatan dibedakan, yang pertama atas dasar struktur fisik dan sifat kimianya(Gambar 1.21 – 1.23). Struktur fisik mempengaruhi interaksi antara partikel-partikel dan partikel- lingkungan. Gambaran mengenai fase gas telah diilustrasikan pada sub-bab sebelumnya. Pada sub-bab ini, pembahasan akan dititikberatkan pada fase cairan dan padatan.

Gambar 1.21 Padatan

Gambar 1.22 Cairan

Gambar 1.23 Gas mengisi balon

A. Cairan

Secara umum ciri-ciri fase cairan berada diantara fase gas dan fase padat, antara lain :

i. Mempunyai kerapatan yang lebih tinggi bila dibanding dengan gas, namun lebih rendah bila dibandingkan dengan padatan ii. Jarak antar partikel lebih dekat dekat iii. Merupakan fase yang terkondensasi iv. Merupakan fase yang bisa dikatakan tidak terkompresi v. Bentuk cairan akan menyesuaikan dengan wadahnya

Pengamatan fisik dari fase cair dapat dilihat pada gambar struktur molekul dalam sub-bab sebelumnya, dengan contoh pada Gambar 1.24.

Gambar 1.24 Contoh cairan

19 B. Padatan

Sedangkan ciri-ciri fase padat, antara lain : a. Kerapatannya sangat tinggi, jauh lebih tinggi daripada gas dan cairan b. Jarak antar partikel sangat dekat c. Merupakan fase yang terkondensasi d. Merupakan fase yang bisa dikatakan tidak terkompresi e. Mampu mempertahankan bentuknya

Berikut ini adalah gambar beberapa contoh padatan (Gambar 1.25:

Gambar 1.25 Gambar padatan

20 Ringkasan

Materi adalah sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Materi dapat diklasifikasikan berdasarkan sifat fisika dan kimia. Materi dapat mengalami perubahan wujud dari gas menjadi cair dan menjadi padat tergantung pada kondisi lingkungan. Perubahan tekanan, suhu, dan volume terhadap suatu materi dapat mengakibatkan perubahan dari wujud satu ke wujud lainnya.

Latihan

1. Apa yang disebut materi? 2. Jelaskan perbedaan unsur dan senyawa serta sebutkan contohnya. 3. Jelaskan perbedaan campuran homogen dan heterogen serta sebutkan contohnya. 4. Jelaskan ciri-ciri sifat fisika dan kimia, dan sebutkan contohnya. 5. Jelaskan masing-masing wujud materi serta berikan contohnya. 6. Jelaskan perbedaan wujud materi. 7. Sebutkan faktor yang mempengaruhi perubahan wujud suatu materi. 8. Jelaskan hubungan antara tekanan, volume dan suhu pada suatu materi.

22 2 Struktur Atom

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Mengidentifikasi struktur atom Mendiskripsikan perkembangan dan sifat-sifat periodik pada teori atom tabel periodik unsur Menginterpretasikan data dalam tabel periodik Tujuan pembelajaran 1. Siswa mengerti dan mampu mendeskripsikan proton, netron dan elektron berdasarkan muatan relatif dan massa relatifnya 2. Siswa mampu mendeskripsikan massa dan muatan dalam atom 3. Siswa mampu mendeskripaikan kontribusi proton dan netron pada inti atom berdasarkan nomor atom dan nomor massa 4. Siswa mampu mendeduksikan jumlah proton, netron dan elektron yang terdapat dalam atom dan ion dari nomor atom dan nomor massa yang diberikan 5. Siswa mampu membedakan isotop berdasarkan jumlah netron berbeda yang ada 7. Siswa mampu mendeskripsikan jumlah dan energi relatif orbital s, p dan d dari bilangan kuantum utama 8. Ssiwa mampu mendeduksi konfigurasi elektronik atom 9. Siswa mampu mendeskripsikan tabel periodik berdasarkan susunan unsur dengan meningkatnya nomor atom, pengulangan sifat fisik dan sifat kimia dalam satu periode dan sifat fisik dan sifat kimia yang sama dalam satu golongan 10. Siswa mampu mendeskripskan unsur periode ketiga, variasi konfigurasi elektronik, radius atom, konduktivitas listrik, titik leleh dan titik didih, dan menjelaskan variasinya berdasarkan struktur dan ikatan dalam unsur 11. Siswa mampu mendeskripsikan dan menjelaskan variasi energi ionisasi pertama unsur yang meningkat dalam satu periode berdasarkan peningkatan muatan inti 12. Siswa mampu mendeskripsikan dan menjelaskan variasi energi ionisasi pertama unsur yang menurun dalam satu golongan berdasarkan peningkatan radius atom 13. Siswa mampu menginterpretasikan data berdasarkan konfigurasi elektronik, radius atom, konduktivitas listrik, titik leleh dan titik didih untuk menjelaskan periodisitas

23 2.1 Partikel-partikel Dasar Atom

Materi tersusun Atom terdiri atas inti atom dan elektron yang berada diluar dari atom-atom inti atom. Inti atom tersusun atas proton dan netron.

Tabel 2.1 Partikel Dasar Penyusun Atom

Penemu Massa Partikel (Tahun) Kg Sma J. J. Thomson Elektron 9,1095x10-31 5,4859x10-4 (1897) J. Chadwick Netron 1,6749x10-27 1,0087 (1932) E. Goldstein Proton 1,6726x10-27 1,0073 (1886)

2.1.1 Elektron

Elektron merupakan partikel dasar penyusun atom yang pertama kali ditemukan. Elektron ditemukan oleh Joseph John Thompson pada tahun 1897.

Gambar 2.1 Joseph John Thompson

Elektron ditemukan dengan menggunakan tabung kaca yang bertekanan sangat rendah yang tersusun oleh: - Plat logam sebagai elektroda pada bagian ujung tabung - Katoda, elektroda dengan kutub negatif dan anoda, elektroda dengan kutub positif.

Listrik bertekanan tinggi yang dialirkan melalui plat logam mengakibatkan adanya sinar yang mengalir dari katoda menuju anoda yang disebut sinar katoda. Tabung kaca bertekanan rendah ini selanjutnya disebut tabung sinar katoda. Adanya sinar katoda membuat tabung menjadi gelap. Sinar katoda tidak terlihat oleh mata

24 akan tetapi keberadaannya terdeteksi melalui gelas tabung yang berpendar akibat adanya benturan sinar katoda dengan gelas tabung kaca.

Sifat-sifat sinar katoda: - Sinar katoda dihasilkan akibat adanya aliran listrik bertekanan tinggi yang melewati plat logam - Sinar katoda berjalan lurus menuju anoda - Sinar katoda menimbulkan efek fluoresensi (pendar) sehingga keberadaannya terdeteksi - Sinar katoda bermuatan negatif sehingga dapat dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet - Sinar katoda yang dihasilkan tidak tergantung dari bahan pembuat plat logam.

Sifat-sifat yang mendukung yang dihasilkan oleh sinar katoda menyebabkan sinar katoda digolongkan sebagai partikel dasar atom dan disebut sebagai elektron.

Gambar 2.2 Tabung sinar katoda

Gambar 2.3 Peralatan Thomson untuk menentukan harga e/m

Joseph John Thomson selanjutnya melakukan penelitian untuk menentukan perbandingan harga muatan elektron dan massanya (e/m). Hasil penelitian menunjukkan bahwa sinar katoda dapat dibelokkan oleh medan listrik dn medan magnet. Pembelokan memungkinkan pengukuran jari-jari kelengkungan secara tepat sehingga perbandingan harga muatan elektron dan massanya dapat ditentukan sebesar 1,76x108 coulomb/gram. Robert Millikan pada tahun 1909 melakukan penelitian penentuan muatan elektron menggunakan tetes minyak.

Gambar 2.4 Robert Millikan

Gambar 2.5 Peralatan tetes minyak Millikan

Penelitian membuktikan bahwa tetes minyak dapat menangkap elektron sebanyak satu atau lebih. Millikan selanjutnya menemukan bahwa muatan tetes minyak berturut-turut 1x(-1,6.10-19), 2x(-1,6.10- 19), 3x(-1,6.10-19) dan seterusnya. Karena muatan tiap tetes minyak adalah kelipatan 1,6.10-19C maka Millikan menyimpulkan bahwa muatan satu elektron sebesar -1,6.10-19C. Hasil penelitian yang dilakukan Joseph John Thompson dan Robert Millikan memungkinkan untuk menghitung massa elektron secara tepat. e/m=1,76.108C/g

1,6x1019 C massa 1 elektron me 9,11x1028 C 1,76x108 C / g

Contoh soal

Tentukan berapa elektron yang tertangkap oleh 1 tetes minyak dalam percobaan yang dilakukan oleh Millikan apabila 1 tetes minyak tersebut bermuatan -3,2 x 10-19 C.

Jawab

Telah diketahui dari percobaan yang dilakukan oleh Millikan bahwa muatan 1 elektron sebesar -1,6 x 10-19 C. Maka jumlah elektron yang ditangkap oleh 1 tetes minyak dengan muatan -3,2 x 10-19 C adalah

3,2x1019 C 2 elektron 1,6x1019 C

27 2.1.2 Inti atom

Inti atom terdiri Ernest Rutherford pada tahun 1911 menemukan inti atom. W. dari proton C. Rontgen yang menemukan sinar x pada tahun 1895 dan penemuan bermuatan positif zat radioaktif oleh Henry Becquerel mendasari penemuan Rutherford. Zat radioaktif merupakan zat yang dapat memancarkan radiasi spontan, misalnya uranium, radium dan polonium. Radiasi atau sinar yang dipancarkan oleh zat radioaktif disebut sinar radioaktif. Sinar radioaktif yang umum dikenal adalah sinar alfa (Ş), sinar beta (ş) dan sinar gama (Š).

Gambar 2.6 Ernest Rutherford

Gambar 2.7 Sinar alfa, beta dan gama

Ernest Rutherford melakukan penelitian dengan menggunakan sinar alfa untuk menembak plat tipis emas (0,01 sampai 0,001mm). Detektor yang digunakan berupa plat seng sulfida (ZnS) yang berpendar apabila sinar alfa mengenainya.

Gambar 2.8 Hamburan sinar alfa

Hasil yang diperoleh adalah bahwa sebagian besar sinar alfa diteruskan atau dapat menembus plat tipis emas. Sinar alfa dalam jumlah yang sedikit juga dibelokkan dan dipantulkan. Hasil penelitian yang menunjukkan bahwa sebagian besar sinar alfa diteruskan memberikan kesimpulan bahwa sebagian besar atom merupakan ruang kosong. Sedangkan sebagian kecil sinar alfa yang dipantulkan juga memberikan kesimpulan bahwa dalam atom terdapat benda pejal dan bermuatan besar. Adanya benda pejal yang bermuatan besar didasarkan pada kenyataan bahwa sinar alfa yang bermuatan 4 sma dapat dipantulkan apabila mengenai plat tipis emas. Hal ini berarti massa benda pejal dalam atom emas jauh lebih besar daripada massa sinar alfa. Selanjutnya Rutherford menyebut benda pejal tersebut sebagai inti atom yang merupakan pusat massa atom. Penelitian juga menunjukkan bahwa sinar alfa dibelokkan ke arah kutub negatif apabila dimasukkan kedalam medan listrik. Hal ini berarti sinar alfa menolak sesuatu yang bermuatan positif dalam atom emas dan lebih mendekati sesuatu dengan muatan yang berlawanan. Rutherford selanjutnya menyimpulkan bahwa inti atom bermuatan positif. Hasil penelitian membuat Rutherford secara umum mengemukakan bahwa: - atom terdiri atas inti atom yang bermuatan positif yang merupakan pusat massa atom - elektron diluar inti atom mengelilingi inti atom dan berjumlah sama dengan muatan inti atom sehingga suatu atom bersifat netral.

29 2.1.3 Proton

Eugene Goldstein pada tahun 1886 melakukan percobaan dan menemukan partikel baru yang disebut sebagai sinar kanal atau sinar positif. Peralatan Goldstein tersusun atas: - elektroda negatif (katoda) yang menutup rapat tabung sinar katoda sehingga ruang dibelakang katoda gelap - tabung katoda dilubangi dan diisi dengan gas hidrogen bertekanan rendah - radiasi yang keluar dari lubang tabung katoda akibat aliran listrik bertegangan tinggi menyebabkan gas yang berada dibelakang katoda berpijar - radiasi tersebut disebut radiasi/sinar kanal atau sinar positif

Gambar 2.9 Gambar sinar positif/sinar kanal

30 Sinar kanal secara mendetail dihasilkan dari tahapan berikut yakni ketika sinar katoda menjala dari katoda ke anoda maka sinar katoda ini menumbuk gas hidrogen yang berada didalam tabung sehingga elektron gas hidrogen terlepas dan membentuk ion positif. Ion hidrogen yang bermuatan positif selanjutnya bergerak menuju kutub negatif (katoda) dengan sebagian ion hidrogen lolos dari lubang katoda. Berkas sinar yang bermuatan positif disebut sinar kanal atau sinar positif. Penelitian selanjutnya mendapatkan hasil bahwa gas hidrogen menghasilkan sinar kanal dengan muatan dan massa terkecil. Ion hidogen ini selanjutnya disebut sebagai proton. Beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah bahwa sinar kanal merupakan parikel dasar yang bermuatan positif dan berada dalam inti atom dan massa proton sama dengan massa ion hidrogen dan berharga 1 sma. Rutherford berikutnya menembak gas nitrogen dengan sinar alfa untuk membuktikan bahwa proton berada didalam atom dan ternyata proton juga dihasilkan dari proses tersebut. Reaksi yang terjadi adalah

14 4 16 1 7 N 2 D o 8 O1P

Beberapa sifat sinar kanal/sinar positif adalah - sinar kanal merupakan radiasi partikel - sinar kanal dibelokkan ke arah kutub negatif apabila dimasukkan kedalam medan listrik atau medan magnet - sinar kanal bermuatan positif - sinar kanal mempunyai perbandingan harga muatan elektron dan massa (e/m) lebih kecil dari perbandingan harga muatan elektron dan massa (e/m) elektron - sinar kanal mempunyai perbandingan harga muatan elektron dan massa (e/m) yang tergantung pada jenis gas dalam tabung

Contoh soal

Tentukan muatan oksigen apabila kedalam tabung sinar kanal dimasukkan gas oksigen dengan massa 1 atomnya sebesar 16 sma dan akibat adanya tumbukan dengan sinar katoda yang dihasilkan, 2 elektron lepas dari atom oksigen.

Jawab

Karena terjadi pelepasan 2 elektron, maka muatan 1 atom oksigen = 2.

2.1.4 Netron

Penelitian yang dilakukan Rutherford selain sukses mendapatkan beberapa hasil yang memuaskan juga mendapatkan kejanggalan yaitu massa inti atom unsur selalu lebih besar daripada massa proton didalam inti atom. Rutherford menduga bahwa terdapat

31 partikel lain didalam inti atom yang tidak bermuatan karena atom bermuatan positif disebabkan adanya proton yang bermuatan positif. Adanya partikel lain didalam inti atom yang tidak bermuatan dibuktikan oleh James Chadwick pada tahun 1932. Chadwick melakukan penelitian dengan menembak logam berilium menggunakan sinar alfa. Hasil penelitian menunjukkan bahwa suatu partikel yang tak bermuatan dilepaskan ketikan logam berilium ditembak dengan sinar alfa dan partikel ini disebut sebagai netron. Reaksi yang terjadi ketika logam berilium ditembak dengan sinar alfa adalah 9 4 12 1 4 Be 2 D o 6 C 0 n

Netron tak bermuatan dan bermassa 1 sma (pembulatan).

2.2 Nomor atom, nomor massa, isotop, isobar dan isoton

Telah diketahui bahwa penemu sinar x adalah Rontgen. Sinar x terjadi ketika sinar katoda yang berupa elektron berkecepatan tinggi menumbuk elektroda tembaga. Akibat tumbukan tersebut, tembaga melepaskan elektron terluarnya dan tempat elektron yang kosong ini selanjutnya diisi oleh elektron tembaga dari tingkat energi lain yang lebih tinggi. Pengisian tempat kosong oleh elektron tembaga dari tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan terjadinya pemancaran radiasi. Radiasi ini oleh Rontgen disebut sebagai sinar x. Pemahaman mengenai inti atom selanjutnya dijelaskan oleh percobaan Moseley. Moseley melakukan penelitian untuk mengukur panjang gelombang sinar x berbagai unsur. Hasil penelitian menunjukkan bahwa setiap unsur memancarkan radiasi sinar x dengan panjang gelombang yang khas. Panjang gelombang yang dihasilkan tergantung pada jumlah ion positif didalam inti atom. Penelitian juga menunjukkan bahwa inti atom mempunyai muatan yang berharga kelipatan dari +1,6x10-9C. Moseley selanjutnya menyebut jumlah proton dalam atom adalah nomor atom.

Gambar 2.10 Tabung sinar X

Gambar 2.11 Wilhelm Conrad Rontgen

2.2.1 Nomor atom dan nomor massa

Nomor atom Z Inti atom mengandung proton dan netron. Nomor atom sama sama dengan dengan jumlah proton didalam inti atom sedangkan nomor massa jumlah proton sama dengan jumlah proton dan netron didalam inti atom. Notasi dalam atom untuk menyatakan susunan inti atom yaitu proton dan netron dialam inti atom dapat dinyatakan sebagai berikut:

Keterangan: X = lambang atom unsur A A = nomor massa XZ = proton+netron Z = nomor atom = jumlah proton

Contoh soal

Tentukan jumlah proton, elektron dan netron dalam atom 12 6 C .

Jawab

Mengingat, Nomor atom=jumlah proton dan elektron Nomor massa=jumlah proton + netron 12 Maka, untuk 6 C jumlah proton 6, elektron 6 dan netron 6.

33 Contoh soal

30 4 Tentukan jumlah proton dan elektron dalam atom 15 P . Jawab

Mengingat, Nomor atom=jumlah proton dan elektron Nomor massa=jumlah proton + netron 30 4 Maka, untuk 15 P jumlah proton 15 dan elektron 15 - 4 = 11.

2.2.2 Isotop

Isotop mempunyai Isotop adalah atom unsur sama dengan nomor massa berbeda. nomor atom sama Isotop dapat juga dikatakan sebagai atom unsur yang mempunyai tetapi nomor nomor atom sama tetapi mempunyai nomor massa berbeda karena massa berbeda setiap unsur mempunyai nomor atom yang berbeda. Karbon merupakan contoh adanya isotop.

12 13 14 C6 C6 C6

p=6 p=6 p=6 e=6 e=6 e=6 n=6 n=7 n=8

Setiap karbon mempunyai nomor atom 6 tetapi nomor massanya berbeda-beda. Dari contoh tersebut dapat dikatakan bahwa walaupun unsurnya sama belum tentu nomor massanya sama.

2.2.3 Isobar dan isoton

Isobar adalah atom unsur yang berbeda tetapi mempunyai nomor massa sama. Isobar dapat dimengerti dengan melihat contoh 24 24 berupa 11 Na dengan 12 Mg yang memiliki nomor massa sama sebesar 24. Sedangkan isoton adalahatom unsur yang berbeda tetapi mempunyai jumlah netron yang sama. Contoh isoton adalah 40 39 20 Ca dengan 19 K yang sama-sama memiliki jumlah netron 20.

2.3 Elektron dalam atom

Model atom yang dikemukakan oleh Joseph John Thompson mempunyai banyak kelemahan, demikian pula dengan model atom yang dikemukakan oleh Ernest Rutherford. Model atom Rutherford tidak dapat menjelaskan alasan mengapa elektron tidak dapat jatuh kedalam inti. Fisika klasik menyatakan bahwa apabila terdapat suatu partikel bermuatan yang bergerak menurut lintsan lengkung maka energinya akan hilang dalam bentuk radiasi. Pernyataan fisika klasik ini menjadi persoalan bagi model atom yang dikemukakan oleh

34 Rutherford karena jika elektron bergerak mengelilingi inti, maka elektron akan kehilangan energinya dan energi kinetik elektron akan terus berkurang. Gaya tarik inti atom terhadap elektron akan menjadi lebih besar daripada gaya sentrifugal lintasan elektron dan menyebabkan lintasan menjadi spiral dan akhirnya elektron jatuh kedalam inti atom. Apabila elektron jatuh kedalam inti atom, maka atom menjadi tak stabil. Hal ini bententangan dengan pernyataan umum bahwa atom stabil.

elektron

Gambar 2.12 Lintasan spiral elektron

2.3.1 Spektrum garis

Menurut Max Planck radiasi elektromagnetik bersifat diskontinyu atau dalam bentuk kuanta. Diskontinyuitas radiasi elektromagnetik dikuatkan oleh efek fotolistrik yang dikembangkan oleh Albert Einstein. Sedangkan kuantisasi/kuanta energi digunakan oleh Niels Bohr dalam momentum sudut elektron untuk pengembangan teorinya tentang atom hidrogen. Apabila berkas cahaya polikromatis seperti lampu listrik dan sinar matahari dilewatkan melalui prisma maka akan diperoleh spektrum kontinyu yang terdiri dari berbagai warna penyusunnya. Spektrum garis dihasilkan apabila sumber cahaya polikromatik seperti lampu listrik dan sinar matahari diganti oleh busur listrik berisi gas hidrogen maka akan dihasilkan spektrum yang tidak kontinyu. Spektrum yang tidak kontinyu berupa sederetan garis berwarna yang disebut spektrum garis tak kontinyu. spektrum garis didapat dengan cara sebagai berikut: - zat yang diselidiki spektrumnya diuapkan pada temperatur tinggi - uap yang terbentuk diletakkan diantara dua elektroda grafit - listrik bertegangan tinggi dialirkan melalui elektroda grafit Spektrum garis yang paling sederhana adalah spektrum garis atom hidrogen. Balmer melakukan penelitian sehingga didapatkan deret Balmer untuk atom hidrogen.

Gambar 2.13 Spektrum cahaya polikromatik

Gambar 2.14 Spektrum garis

Kontinyu

seri Balmer

seri Lyman

Gambar 2.15 Deret Balmer untuk atom hidrogen

36 2.3.2 Teori Bohr

Seperti telah diketahui bahwa menurut Max Planck radiasi elektromagnetik bersifat diskontinyu atau dalam bentuk kuanta. Max Planck menurunkan persamaan untuk pernyataan tersebut sebagai berikut:

E nhȞ

Keterangan: n = bilangan bulat positif h = tetapan Planck (6,6,3.10-34 J.s) ũ = frekuensi

Pernyataan tersebut bertentangan dengan pandangan fisika klasik yang mengemukakan bahwa energi bersifat kontinyu. Untuk mengatasi perbedaan tersebut, Niels Bohr melakukan penelitian dan mencoba menjelaskan dengan pendekatan pemecahan spektrum garis hidrogen. Bohr menggunakan pendekatan Max Planck untuk menjelaskan spektrum garis hidrogen.

Beberapa hasil penelitian Bohr diantara adalah - Elektron mengorbit pada lintasan tertentu dan dengan tingkat energi tertentu - Lintasan orbit elektron berbentuk lingkaran dan disebut kulit - Momentum sudut elektron yang mengorbit berharga kelipatan h . Setiap elektron yang mengorbit mempunyai momentum 2S h sudut sebesar n dengan n=1, 2, 3,... yang merupakan 2S bilangan bulat positif dan disebut sebagai bilangan kuantum utama

Bilangan kuantum utama menyatakan kulit

Tabel 2.2 Hubungan Lintasan, Kulit dan Bilangan Kuantum

Lintasan Kulit Bilangan kuantum (n) 1 K n = 1 2 L n = 2 3 M n = 3 4 N n = 4

Gambar 2.16 Pendekatan energi oleh Max Planck dan fisika klasik

Gambar 2.17 Niels Bohr

38 - Energi elektron berbanding terbalik dengan lintasan (kulit) - Keadaan paling stabil adalah pada saat n = 1 yakni ketika elektron memiliki energi paling minimal - Elektron berada dalam keadaan stasioner, tidak memancarkan dan menyerap energi, ketika elektron megorbit mengelilingi inti atom.

Apabila elektron berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap untuk melakukan proses tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan elektron tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini tidak stabil sehingga elektron kembali dari tingkta energi tinggi menuju tingkat energi rendah yang disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi.

Gambar 2.18 Model atom Bohr

Teori Bohr berhasil menjelaskan spektrum garis atom hidrogen dan + 2+ ion-ion berelektron tunggal seperti 2He dan 3Li . Akan tetapi teori Bohr juga masih menunjukkan kelemahan yaitu tidak mampu menjelaskan spektrum garis atom berelektron banyak dan sifat spektrum garis dalam medan magnet serta tidak dapa menjelaskan garis-garis halus spektrum garis atom hidrogen.

elektron tereksitasi foton teremisi

elektron

sebelum sesudah

foton terabsorpsi sebelum sesudah

Gambar 2.19 Proses eksitasi dan emisi

Contoh soal

Berapakah energi sinar laser dengan panjang gelombang 780nm. 1 m 780 nm x 7,8x107 m 1x109 nm

Jawab

hc 6,626x1034 Js x 2,998 x 10 8 ms1 E 2,547x1019 J O 7,8x107 m

2.3.3 Konfigurasi elektron

Konfigurasi Susunan elektron dalam atom dapat dijelaskan menggunakan elektron atom menjelaskan konfigurasi elektron. Penyusunan elektron dalam atom didasarkan jumlah elektron pada teori-teori berikut: dalam tingkat - Teori dualisme gelombang partikel yang dikemukakan oleh de utama Broglie pada tahun 1924. Teori ini menyatakan bahwa elektron dalam atom bersifat gelombang dan partikel - Azas ketidakpastian yang dikemukakan oleh Heisenberg pada tahun 1927. Teori ini menyatakan bahwa posisi dan momentum partikel tidak dapat ditentukan secara pasti dalam waktu

40 bersamaan. Teori ini menyiratkan bahwa lintasan elektron tidak berbentuk lingkaran - Teori persamaan gelombang yang dikemukakan oleh Erwin Schrodinger. Teori ini dapat menerangkan pergerakan partikel- apertikel mikroskopik termasuk elektron.

Azas ketidakpastian Heisenberg menyebabkan posisi elektron tidak dapat ditentukan dengan pasti demikian pula dengan orbit elektron dalam atom menurut mekanika kuantum. Walaupun orbit elektron tidak dapat ditentukan dengan pasti tetapi peluang untuk menemukan elektron pada posisi tertentu di sekitar inti masih mungkin untuk ditentukan. Obital merupakan daerah disekiar inti dengan peluang terbesar untuk menemukan elektron. Kapasitas maksimal orbital untuk ditempati elektron sebesar 2 elektron. Orbital juga mempunyai energi yang khas bagi tiap-tiap elektron untuk menempatinya. Energi khas untuk tiap elektron ini sering disebut tingkat energi. Hanya elektron dengan energi yang cocok dapat menempati orbital tersebut. Sistem susunan elektron dalam atom dapat dilihat pada gambar 2.21 berikut.

Tabel 2.3 Susunan Bilangan Kuantum

Kulit Bilangan kuantum (n) Daya tampung elektron maksimal K 1 2 x 12 = 2 L 2 2 x 22 = 8 M 3 2 x 23 = 18 N 4 2 x 24 = 32 ...... n 2n2

Jumlah maksimum elektron dalam kulit tertentu sebesar 2n2 dengan n adalah nomor kulit. Pengisian elektron dimulai pada kulit dengan tingkat energi terendah yaitu kulit pertama atau kulit K yang dilanjutkan dengan kulit L, M, N dan seterusnya. Pengisian dilakukan dengan pengisian maksimum terlebih dahulu untuk tiap kulit. Apabila terdapat 18 elektron maka elektron akan mengisi kulit K sebanyak 2 yang dilanjutkan dengan pengisian kulit L sebanyak 8 elektron dan diakhiri dengan pengisian kulit L sebanyak 8 elektron. Elektron valensi merupakan jumlah elektron yang terdapat pada kulit terluar suatu atom unsur. Ikatan kimia dapat terbentuk dengan memanfaatkan atau menggunakan elektron valensi sehingga elektron valensi dapat dikatakan merupakan penentu sifat kimia atom unsur.

41 Golongan

IA VIA VIIA VIIIA

Litium Oksigen Florin Neon

Natrium

Gambar 2.20 Elektron valensi beberapa unsur periode 2 dan periode 3

Contoh soal

Tuliskan konfigurasi elektron C (Z=6).

Jawab

Konfigurasi elektron C = [K = 2, L = 6]

Contoh soal

Berapakah jumlah elektron maksiumum yang dapat menempati kulit O (n=5)?

Jawab

Jumlah elektron di kulit O (n=5) = 2(2)5 = 64 elektron

42 2.4 Perkembangan model atom

Penelitian-penelitian terbaru menyebabkan teori dan model atom semakin berkembang dan kebenarannya semakin nyata. Teori dan model atom dimulai dengan penelitian yang dilakukan oleh John Dalton yang selanjutnya dikembangkan oleh Joseph John Thompson, Ernest Rutherford, Niels Bohr dan teori atom menggunakan mekanika gelombang.

2.4.1 Model atom John Dalton

Hukum kekekalan massa yang disampaikan oleh Lavoisier dan hukum perbandingan tetap yang dijelaskan oleh Proust mendasari John Dalton untuk mengemukakan teori dan model atomnya pada tahun 1803. John Dalton menjelaskan bahwa atom merupakan partikel terkecil unsur yang tidak dapat dibagi lagi, kekal dan tidak dapat dimusnahkan demikian juga tidak dapat diciptakan. Atom-atom dari unsur yang sama mempunyai bentuk yang sama dan tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain.

Gambar 2.21 Model atom Dalton

2.4.2 Model atom Joseph John Thompson

Joseph John Thompson merupakan penemu elektron. Thompson mencoba menjelaskan keberadaan elektron mengguna-kan teori dan model atomnya. Menurut Thompson, elektron tersebar secara merata di dalam atom yang dianggap sebagai suatu bola yang bermuatan positif. Model atom yang dikemukakan oleh Thompson sering disebut sebagai model roti kismis dengan roti sebagai atom yang bermuatan positif dan kismis sebagai elektron yang tersebar merata di seluruh bagian roti. Atom secara keseluruhan bersifat netral.

Gambar 2.22 Model atom Thompson

2.4.3 Model atom Ernest Rutherford

Penelitian penembakan sinar alfa pada plat tipis emas membuat Rutherford dapat mengusulkan teori dan model atom untuk memperbaiki teori dan model atom Thompson. Menurut Rutherford, atom mempunyai inti yang bermuatan positif dan merupakan pusat massa atom dan elektron-elektron mengelilinginya.

Gambar 2.23 Model atom Rutherford

Rutherford berhasil menemukan bahwa inti atom bermuatan positif dan elektron berada diluar inti atom. Akan tetapi teori dan model atom yang dikemukakan oleh Rutherford juga masih mempunyai kelemahan yaitu teori ini tidak dapat menjelaskan fenomena kenapa elektron tidak dapat jatuh ke inti atom. Padahal menurut fisika klasik, partikel termasuk elektron yang mengorbit pada lintasannya akan melepas energi dalam bentuk radiasi sehingga elektron akan mengorbit secara spiral dan akhirnya jatuh ke iti atom.

44 2.4.4 Model atom Niels Bohr

Niels Bohr selanjutnya menyempurnakan model atom yang dikemukakan oeh Rutherford. Penjelasan Bohr didasarkan pada penelitiannya tentang spektrum garis atom hidrogen. Beberapa hal yang dijelaskan oleh Bohr adalah - Elektron mengorbit pada tingkat energi tertentu yang disebut kulit - Tiap elektron mempunyai energi tertentu yang cocok dengan tingkat energi kulit - Dalam keadaan stasioner, elektron tidak melepas dan menyerap energi - Elektron dapat berpindah posisi dari tingkat energi tinggi menuju tingkat energi rendah dan sebaliknya dengan menyerap dan melepas energi

Gambar 2.24 Model atom Bohr

2.4.5 Model atom mekanika gelombang

Perkembangan model atom terbaru dikemukakan oleh model atom berdasarkan mekanika kuantum. Penjelasan ini berdasarkan tiga teori yaitu - Teori dualisme gelombang partikel elektron yang dikemukakan oleh de Broglie pada tahun 1924 - Azas ketidakpastian yang dikemukakan oeh Heisenberg pada tahun 1927 - Teori persamaan gelombang oleh Erwin Schrodinger pada tahun 1926 Menurut model atom ini, elektron tidak mengorbit pada lintasan tertentu sehingga lintasan yang dikemukakan oleh Bohr bukan suatu kebenaran. Model atom ini menjelaskan bahwa elektron-elektron berada dalam orbita-orbital dengan tingkat energi tertentu. Orbital merupakan daerah dengan kemungkinan terbesar untuk menemukan elektron disekitar inti atom.

Gambar 2.25 Model atom mekanika kuantum

2.5 Perkembangan pengelompokan unsur

Pada awalnya, unsur hanya digolongkan menjadi logam dan nonlogam. Dua puluh unsur yang dikenal pada masa itu mempunyai sifat yang berbeda satu dengan yang lainnya. Setelah John Dalton mengemukakan teori atom maka terdapat perkembangan yang cukup berarti dalam pengelompokan unsur-unsur. Penelitian Dalton tentang atom menjelaskan bahwa setiap unsur mempunyai atom-atom dengan sifat tertentu yang berbeda dari atom unsur lain. Hal yang membedakan diantara unsur adalah massanya. Pada awalnya massa atom individu belum bisa ditentukan karena atom mempunyai massa yang amat kecil sehingga digunakan massa atom relatif yaitu perbandingan massa antar-atom. Berzelius pada tahun 1814 dan P. Dulong dan A. Petit pada tahun 1819 melakukan penentuan massa atom relatif berdasarkan kalor jenis unsur. Massa atom relatif termasuk sifat khas atom karena setiap unsur mempunyai massa atom relatif tertentu yang berbeda dari unsur lainnya. Penelitian selanjutnya melibatkan Dobereiner, Newlands, mendeleev dan Lothar Meyer yang mengelompokkan unsur berdasarkan massa atom relatif.

Klorin Bromin Iodin

Gambar 2.26 Unsur klorin, bromin dan iodin

2.5.1 Triad Dobereiner

Johann Wolfgang Dobereiner pada tahun 1829 menjelaskan hasil penelitiannya yang menemukan kenyataan bahwa massa atom relatif stronsium berdekatan dengan massa rata-rata dua unsur lain yang mirip dengan stronsium yaitu kalsium dan barium. Hasil penelitiannya juga menunjukkan bahwa beberapa unsur yang lain menunjukkan kecenderungan yang sama. Berdasarkan hasil penelitiannya, Dobereiner selanjutnya mengelompokkan unsur-unsur dalam kelompok-kelompok tiga unsur yang lebih dikenal sebagai triad. Triad yang ditunjukkan oleh Dobereiner tidak begitu banyak sehingga berpengaruh terhadap penggunaannya.

47 Tabel 2.4 Massa Atom Relatif Unsur Triad Dobereiner

Rata-rata Triad Massa atom relatif massa atom relatif Unsur pertama dan ketiga Kalsium 40 40 137 Stronsium 88 88,5 Barium 137 2

Gambar 2.27 Johann Wolfgang Dobereiner

Litium Kalsium Klorin Belerang Mangan (Li) (Ca) (Cl) (S) (Mn) Natrium Stronsium Bromin Selenium Kromium (Na) (Sr) (Br) (Se) (Cr) Kalium Barium Iodin Telurium Besi (Fe) (K) (Ba) (I) (Te)

Gambar 2. 28 Triad Dobereiner

2.5.2 Hukum oktaf Newlands

Hukum oktaf ditemukan oleh A. R. Newlands pada tahun 1864. Newlands mengelompok-kan unsur berdasarkan kenaikan massa atom relatif unsur. Kemiripan sifat ditunjukkan oleh unsur yang berseliih satu oktaf yakni unsur ke-1 dan unsur ke-8 serta unsur ke-2 dan unsur ke-9. Daftar unsur yang berhasil dikelompokkan berdasarkan hukum oktaf oleh Newlands ditunjukkan pada tabel berikut.

Gambar 2.29 John Newlands

1H 7Li 9Be 11B 12C 14N 16O 19F 23Na 24Mg 27Al 28Si 31P 32S 35Cl 39K 40Ca 52Cr 48Ti 55Mn 56Fe

Gambar 2.5 Tabel oktaf Newlands

Hukum oktaf Newlands ternyata hanya berlaku untuk unsur-unsur dengan massa atom relatif sampai 20 (kalsium). Kemiripan sifat terlalu dipaksakan apabila pengelompokan dilanjutkan.

2.5.3 Sistem periodik Mendeleev

Dmitri Ivanovich Mendeleev pada tahun 1869 melakukan pengamatan terhadap 63 unsur yang sudah dikenal dan mendapatkan hasil bahwa sifat unsur merupakan fungsi periodik dari massa atom relatifnya. Sifat tertentu akan berulang secara periodik apabila unsur- unsur disusun berdasarkan kenaikan massa atom relatifnya. Mendeleev selanjutnya menempatkan unsur-unsur dengan kemiripan sifat pada satu lajur vertikal yang disebut golongan. Unsur-unsur juga disusun berdasarkan kenaikan massa atom relatifnya dan ditempatkan dalam satu lajur yang disebut periode. Sistem periodik yang disusun Mendeleev dapat dilihat pada tabel berikut:

Gambar 2.30 Dmitri Ivanovich Mendeleev

Gambar 2.31 Sistem periodik Mendeleev

Mendeleev sengaja mengosong-kan beberapa tempat untuk menetapkan kemiripan sifat dalam golongan. Beberapa kotak juga sengaja dikosongkan karena Mendeleev yakin masih ada unsur yang belum dikenal karena belum ditemukan. Salah satu unsur baru yang sesuai dengan ramalan Mendeleev adalah germanium yang sebelumnya diberi nama ekasilikon oleh Mendeleev.

50 2.5.4 Sistem periodik Moseley

Perkembangan terbaru mengenai atom menjelaskan bahwa atom dapat terbagi menjadi partikel dasar atau partikel subatom. Atom selanjutnya diketahui tersusun oleh proton, elektron dan netron. Jumlah proton merupakan sifat khas unsur. Setiap unsur mempunyai jumlah proton tertentu yang berbeda dari unsur lain. Jumlah proton suatu unsur dinyatakan sebagai nomor atom. Henry G. Moseley yang merupakan penemu cara menentukan nomor atom pada tahun 1914 kembali menemukan bahwa sifat-sifat unsur merupakan fungsi periodik nomor atomnya. Pengelompokan yang disusun oleh Mendeleev merupakan susunan yang berdasarkan kenaikan nomor atomnya. Penyusunan telurium dan iodin yang tidak sesuai dengan kenaikan massa atom relatifnya ternyata sesuai dengan kenaikan nomor atomnya.

Gambar 2.32 Henry G. Moseley

2.5.5 Periode dan golongan

Sistem periodik modern tersusun berdasarkan kenaikan nomor atom dan kemiripan sifat. Lajur horisontal yang disebut periode, tersusun berdasarkan kenaikan nomor atom sedangkan lajur vertikal yang disebut golongan tersusun berdasarkan kemiripan sifat. Unsur golongan A disebut golongan utama sedangkan golongan B disebut golongan transisi. Golongan dapat dieri tanda nomor 1 sampai 18 berurutan dari kiri ke kanan. Berdasarkan penomoran ini, golongan transisi mempunyai nomor 3 sampai 12. Sistem periodik modern tersusun atas 7 periode dan 18 golongan yang terbagi menjadi 8 golongan utama atau golongan A dan 8 golongan transisi atau golongan B.

Gambar 2.33 Sistem periodik modern

Contoh soal

Tentukan periode dan golongan unsur X, Y dan Z apabila diketahui konfigurasi elektronnya adalah X = 2, 3 Y = 2, 8, 4 Z = 2, 8, 7

Jawab

Unsur Periode Golongan X 2 IIIA Y 3 IVA Z 3 VIIA

2.6 Sifat periodik unsur

Sifat yang berubah secara beraturan menurut kenaikan nomor atom dari kiri ke kanan dalam satu periode dan dari atas ke bawah dalam satu golongan disebut sifat periodik. Sifat periodik meliputi jari-jari atom, energi ionisasi, afinitas elektron dan keelektronegatifan.

2.6.1 Jari-jari atom

Jari-jari atom adalah jarak elektron di kulit terluar dari inti atom. Jari-jari atom sulit untuk ditentukan apabila unsur berdiri sendiri tanpa bersenyawa dengan unsur lain. Jari-jari atom secara lazim ditentukan dengan mengukur jarak dua inti atom yang identik yang terikat secara kovalen. Pada penentuan jari-jari atom ini, jari-

52 jari kovalen adalah setengah jarak antara inti dua atom identik yang terikat secara kovalen.

jarak antar

hidrogen (H2) oksigen (O2) nitrogen (N2)

radius atomik fluorin (F2) klorin (Cl2) bromin (Br2) iodin (I2)

Gambar 2.34 Penentuan jari-jari atom

Jari-jari atom versus nomor atom jari-jari atom (pm) jari-jari atom

nomor atom

Gambar 2.35 Hubungan jari-jari atom gengan nomor atom

Kurva hubungan jari-jari atom dengan nomor atom memperlihatkan bahwa jari-jari atom dalam satu golongan akan semakin besar dari atas ke bawah. Hal ini terjadi karena dari atas ke bawah jumlah kulit bertambah sehingga jari-jari atom juga bertambah.

Kecenderungan ukuran atom ukuran atom turun

k ukuran atom nai ukuran atom

Gambar 2.36 Jari-jari atom unsur

Energi ionisasi Unsur-unsur dalam satu periode (dari kiri ke kanan) berjumlah kulit pertama menurun sama tetapi jumlah proton bertambah sehingga jari-jari atom juga dalam golongan I dan II karena berubah. Karena jumlah proton bertambah maka muatan inti juga elektron terluar bertambah yang mengakibatkan gaya tarik menarik antara inti dengan sangat terperisai elektron pada kulit terluar semakin kuat. Kekuatan gaya tarik yang dari tarikan inti semakin meningkat menyebabkan jari-jari atom semakin kecil. Sehingga untuk unsur dalam satu periode, jari-jari atom semakin kecil dari kiri ke kanan. Jari-jari ion digambarkan sebagai berikut:

Golongan 1A Golongan 7A

Gambar 2.37 Perbandingan jari-jari atom dengan jari-jari ion

54 2.6.2 Energi ionisasi

Energi minimum yang dibutuhkan untuk melepas elektron atom netral dalam wujud gas pada kulit terluar dan terikat paling lemah disebut energi ionisasi. Nomor atom dan jari-jari atom mempengaruhi besarnya energi ionisasi. Semakin besar jari-jari atom maka gaya tarik antara inti dengan elektron pada kulit terluar semakin lemah. Hal ini berarti elektron pada kulit terluar semakin mudah lepas dan energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron tersebut semakin kecil. Akibatnya, dalam satu golongan, energi ionisasi semakin kecil dari atas ke bawah. Sedagkan dalam satu periode, energi ionisasi semakin besar dari kiri ke kanan. Hal ini disebabkan dari kiri ke kanan muatan iti semakin besar yang mengakibatkan gaya tarik antara inti dengan elektron terluar semakin besar sehingga dibutuhkan energi yang besar pula untuk melepaskan elektron pada kulit terluar.

Kecenderungan energi ionisasi pertama Energi naik Energi turun

Gambar 2.38 Energi ionisasi

Energi ionisasi pertama versus nomor atom Enenrgi ionisasi pertama (kJ/mol) (kJ/mol) Enenrgi ionisasi pertama nomor atom

Gambar 2.39 Hubungan energi ionisasi dengan nomor atom

55 Kurva tersebut menunjukkan unsur golongan 8A berada di puncak grafik yang mengindikasikan bahwa energi ionisasinya besar. Hal sebaliknya terjadi untuk unsur golongan 1A yang berada di dasar kurva yang menunjukkan bahwa energi ionisasinya kecil. Atom suatu unsur dapat melepaskan elektronnya lebih dari satu buah. Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron keua disebut energi ionisasi kedua dan tentu saja diperlukan energi yang lebih besar. Energi ionisasi semakin besar apabila makin banyak elektron yang dilepaskan oleh suatu atom.

2.6.3 Afinitas elektron

Afinitas elektron merupakan enegi yang dilepaskan atau diserap oleh atom netral dalam bentuk gas apabila terjadi penangkapan satu elektron yang ditempatkan pada kulit terluarnya dan atom menjadi ion negatif. Afinitas elektron dapat berharga positif dan negatif. Afinitas elektron berharga negatif apabila dalam proses penangkapan satu elektron, energi dilepaskan. Ion negatif yang trebrntuk akibat proses tersebut bersifat stabil. Hal sebaliknya terjadi apabila dalam proses penangkapan satu elektron, energi diserap. Penyerapan energi menyebabkan ion yang terbentuk bersifat tidak stabil. Semakin negatif harga afinitas lektron suatu atom unsur maka ion yang ter bentuk semakin stabil.

Afinitas elektron (kJ/mol) Afinitas elektron

Golongan

Gambar 2.40 Afinitas elektron golongan 1, 2, 3, 4, 5, 6 dan 7

56 Gambar menunjukkan bahwa atom unsur golongan 2A dan 8A mempunyai afinitas elektron yang berharga positif. Hal ini mengindikasikan bahwa unsur golongan 2A dan 8A sulit menerima elektron. Afinitas elektron terbesar dimiliki oleh unsur golongan halogen karena unsur golongan ini paling mudah menangkap elektron. Jadi secara umum dapat dikatakan bahwa afinitas elektron, dalam satu periode, dari kiri ke kanan semakin negatif dan dalam satu golongan dari atas ke bawah, semakin positif.

2.6.4 Keelektronegatifan

Keelektronegatifan ada-lah skala yang dapat menjelaskan kecenderungan atom suatu unsur untuk menarik elektron menuju kepadanya dalam suatu ikatan. Keelektronegatifan secara umum, dalam satu periode, dari kiri ke kanan semakin bertambah dan dalam satu golongan, dari atas ke bawah keelekrnegatifan semakin berkurang. Hal ini dapat dimengerti karena dalam satu periode, dari kiri ke kanan, muatan inti atom semakin bertambah yang mengakibatkan gaya tarik antara inti atom dengan elektron terluar juga semakin bertambah. Fenomena ini menyebabkan jari-jari atom semakin kecil, energi ionisasi semakin besar, afinitas elektron makin besar dan makin negatif dan akibatnya kecenderungan untuk menarik elektron semakin besar.

Kecenderungan Elektronegatifitas alam Tabel Periodik

Lantanida Aktinida Elektronegatifitas naik dari bawah ke atas dalam satu golongan Elektronegatifitas naik dari kiri ke kanan dalam satu periode

Gambar 2.41 Elektronegatifitas

H 2,1 Li Be B C N O F 0,97 1,5 2,0 2,5 3,1 3,5 4,1 Na Mg Al Si P S Cl 1,0 1,2 1,5 1,7 2.1 2,4 2,8 K Ca Ga Ge As Se Br 0,90 1,0 1,8 2,0 2,2 2,5 2,7 Rb Sr In Sn Sb Te I 0,89 1,0 1,5 1,72 1,82 2,0 2,2 Cs Ba Tl Pb Bi Po At 0,86 0,97 1,4 1,5 1,7 1,8 1,9

Gambar 2.42 Keelektronegatifan skala Pauling

Terlihat dari gambar bahwa untuk unsur gas mulia tidak mempunyai harga keelektronegatifan karena konfigurasi elektronnya yang stabil. Stabilitas gas mulia menyebabkan gas mulia sukar untuk menarik dan melepas elektron. Keelektronegatifan skala pauling memberikan nilai keelektronegatifan untuk gas mulia sebesar nol.

Lebih berkarakter nonlogam

Afinitas elektron lebih negatif

Energi ionisasi meningkat

Tabel periodik

Jari-jari atom meningkat

Lebih berkarakter logam

Gambar 2.43 Sifat periodik unsur

58 Ringkasan

Atom merupakan model paling penting dalam ilmu kimia. Sebuah model sederhana yang dapat digunakan untuk menggambarkan sitem yang lebih komplek. Jadi, dengan memikirkan atom sebagai sebuah bola sederhana maka sifat-sifat padatan, cairan dan gas dapat dijelaskan dengan mudah. Dalam tabel periodik modern, unsur-unsur disusun dalam baris-baris yang disebut sebagai periode dengan kenaikan nomor atom. Baris-baris tersebut menjadikan unsur-unsur dapat tersusun dalam satu baris yang sama yang disebut golongan yang mempunyai kesamaan sifat fisika dan sifat kimia.

59 Latihan

1. Lengkapilah tabel berikut:

Partikel Muatan relatif Massa relatif Netron 1 -1

3 Hitunglah jumlah proton, elektron dan netron dalam 6Li dan 7Li, 32S dan 32S2-, 39K+ dan 40Ca2+. Jelaskan perbedaan dalam masing- masing pasangan tersebut. 4 Tulislah simbol, termasuk nomor massa dan nomor atom, isotop dengan nomor massa 34 dan mempunyai 18 netron. 5 Jelaskan apa yang dimaksud dengan nomor massa sebuah isotop. 6 Oksigen mempunyai 3 isotop yaitu 16O, 17O dan 18O. Tuliskan jumlah proton, elektron dan netron dalam 16O dan 17O. 7 Tuliskan konfigurasi elektron Cl dan Cl-, O2- dan Ca2+ 8 Asam fluorida dapat bereaksi dengan air membentuk asam hidrofluorat. Hasil reaksi bersifat korosif dan karena dapat bereaksi dengan glass maka disimpan dalam wadah nikel. Asam hidrofluorat dapat bereaksi dengan nikel membentuk lapisan pelindung nikel(II)fluorida. Tuliskan konfigurasi elektron nikel dan ion nikel (II). 9 Unsur dengan nomor atom 23 mengion dengan muatan 3+, tuliskan konfigurasi elektron ion ini termasuk simbolnya. 10 Jelaskan perbedaan spektra kontinyu dan non-kontinyu 11 Tuliskan konfigurasi elektron kalsium, Ca (Z = 20) 12 Dengan menggunakan tabel periodik, tentukan lambang unsur dengan nomor atom 35 69 13 Tentukan jumlah proton, elektron dan netron atom unsur 29 Cu 14 Tentukan jumlah proton dan elektron atom unsur 24-Cr6+ 15 Ion Z3+ mempunyai 20 elektron dan 22 netron, tentukan nomor massa ion Z3+ 16 Jelaskan perbedaan dua isotop klorin 35-Cl dan 37-Cl 17 Tentukan jumlah proton, elektron dan netron serta buatlah konfigurasi elektron 20-Ca2+ 18 Suatu unsur berwujud gas mempunyai massa 1 gram dan volume 560 liter (STP), tentukan nomor atom dan konfigurasi elektron apabila jumlah netron dalam inti adalah 22 19 Berapakah jumlah kulit yang dimiliki unsur 17-Y. 20 1. Tabel periodik dibagi menjadi golongan s, p, d dan f. 21 Tuliskan konfigurasi elektron dari kalsium, silikon, selenium dan nikel 22 Berikan blok tabel periodik dimana masing-masing unsur kemungki-nan ditemukan 23 Jelaskan, berdasarkan konfigurasi elektron, sifat-sifat umum unsur golongan p 24 Jelaskan energi ionisasi pertama dari natrium, magnesium dan aluminium berdasarkan konfigurasi elektronnya

60 25 Jelaskan energi ionisasi pertama dari silikon, fosfor dan belerang berdasarkan konfigurasi elektronnya 26 Helium merupakan unsur dengan energi ionisasi pertama paling tinggi dalam tabel periodik. Prediksikan unsur yang mempunyai energi ionisasi pertama paling rendah dan jelaskan kenapa 27 Hal apakah yang membedakan penelitian Mendeleev dengan penelitian sebelumnya sehingga ilmuwan menerima konsep yang diusulkan 28 Bagaimanakah tabel periodik dapat memudahkan pembelaja-ran ilmu kimia 29 Bagaimanakah senyawa biner dan hidrogen dapat mengilustrasikan konsep periodisitas 30 Jelaskan kenapa klorin an natrium berada dalam satu periode 31 Jari-jari atom unsur golongan alkali dan alkali tanah berturut- turut adalah (dalam angstrom) 2,01; 1,23; 157; 0,80 dan 0,89. manakah yang merupakan jari-jari atom litium, jelaskan 32 Diantara unsur golongan alkali dan alkali tanah, manakah yang mempunyai energi ionisasi tertinggi, jelaskan 33 Pada tabel periodik bagian manakah yang menyatakan unsur dengan kestabilan tinggi dan unsur golongan transisi 34 Jelaskan sifat yang mencrminkan kecenderungan unsur untuk melepas elektronnya dan membentuk ion positif satu (+1) 35 Apakah yang dimaksud metaloid dan unsur manakah dalam tabel periodik yang sering disebut unsur metaloid 36 Sifat-sifat apakah yang membedakan unsur logam dan non logam 37 Tabel berikut memberikan data titik leleh unsur-unsur periode 3. Na Mg Al Si P S Cl Ar 371 922 933 1683 317 386 172 84 a. Jelaskan terjadinya peningkatan titik leleh antara natrium dan magnesium b. Jelaskan kenapa silikon mempunyai titik leleh tertinggi c. Jelaskan kenapa terjadi peningkatan konduktivitas listrik dari golongan I sampai golongan III

62 3 Stoikhiometri

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Memahami konsep mol Menjelaskan konsep mol Menerapkan Hukum Gay Lussac dan Hukum Avogadro Tujuan pembelajaran 1 Siswa mengerti dan mampu mendeskripsikan proton, netron dan elektron berdasarkan muatan relatif dan massa relatifnya 2 Siswa mampu mendeskripsikan massa dan muatan dalam atom 3 Siswa mampu mendeskripaikan kontribusi proton dan netron pada inti atom berdasarkan nomor atom dan nomor massa 3 Siswa mampu mendeduksikan jumlah proton, netron dan elektron yang terdapat dalam atom dan ion dari nomor atom dan nomor massa yang diberikan 5 Siswa mampu membedakan isotop berdasarkan jumlah netron berbeda yang ada 6 Siswa mampu mendeduksi konfigurasi elektronik atom

3.1 Konsep mol

Saat kita membeli apel atau daging kita selalu mengatakan kepada penjual berapa kilogram yang ingin kita beli, demikian pula berapa liter saat kita ingin membeli minyak tanah. Jarak dinyatakan dalam satuan meter atau kilometer. Ilmu kimia menggunakan satuan mol untuk menyatakan satuan jumlah atau banyaknya materi.

Gambar 3.1 Unsur dengan jumlah mol berbeda

63 3.1.1 Hubungan mol dengan tetapan Avogadro

Massa atom relatif Kuantitas atom, molekul dan ion dalam suatu zat dinyatakan adalah massa dalam satuan mol. Misalnya, untuk mendapatkan 18 gram air maka 2 rata-rata atom gram gas hidrogen direaksikan dengan 16 gram gas oksigen. sebuah unsur dibandingkan dengan 1/12 massa 2H2O + O2 ĺ 2H2O atom karbon 12 Dalam 18 gram air terdapat 6,023x1023 molekul air. Karena jumlah partikel ini sangat besar maka tidak praktis untuk memakai angka dalam jumlah yang besar. Sehingga iistilah mol diperkenalkan untuk menyatakan kuantitas ini. Satu mol adalah jumlah zat yang mangandung partikel (atom, molekul, ion) sebanyak atom yang terdapat dalam 12 gram karbon dengan nomor massa 12 (karbon-12, C-12). Jumlah atom yang terdapat dalam 12 gram karbon-12 sebanyak 6,02x1023 atom C-12. tetapan ini disebut tetapan Avogadro.

Tetapan Avogadro (L) = 6,02x1023 partikel/mol

Lambang L menyatakan huruf pertama dari Loschmidt, seorang ilmuwan austria yang pada tahun 1865 dapat menentukan besarnya tetapan Avogadro dengan tepat. Sehingga, 1 mol emas = 6,02x1023 atom emas 1 mol air = 6,02x1023 atom air 1 mol gula = 6,02x1023 molekul gula

1 mol zat X = L buah partikel zat X

3.1.2 Hubungan mol dengan jumlah partikel

Telah diketahui bahwa 1mol zat X = l buah partikel zat X, maka 2 mol zat X = 2 x L partikel zat X 5 mol zat X = 5 x L partikel zat X n mol zat X = n x L partikel zat X

Jumlah partikel = n x L

Contoh soal Berapa mol atom timbal dan oksigen yang dibutuhkan untuk membuat 5 mol timbal dioksida (PbO2).

64 Jawab

1 mol timbal dioksida tersusun oleh 1 mol timbal dan 2 mol atom oksigen (atau 1 mol molekul oksigen, O2). Sehingga terdapat Atom timbal = 1 x 5 mol = 5 mol Atom oksigen = 2 x 5 mol = 10 mol (atau 5 mol molekul oksigen, O2)

Contoh soal Berapa jumlah atom besi (Ar Fe = 56 g/mol) dalam besi seberat 0,001 gram.

Jawab 0,001 gram jumlah mol besi 0,00001786 mol 56 g / mol

Jumlah atom besi = 0,00001786 mol x 6,02x1023 = 1,07x1019

3.1.3 Massa molar

Massa molekul Telah diketahui bahwa satu mol adalah jumlah zat yang relatif merupakan mangandung partikel (atom, molekul, ion) sebanyak atom yang penjumlahan terdapat dalam 12 gram karbon dengan nomor massa 12 (karbon-12, massa atom relatif dalam sebuah C-12). Sehingga terlihat bahwa massa 1 mol C-12 adalah 12 gram. molekul Massa 1 mol zat disebut massa molar. Massa molar sama dengan massa molekul relatif (Mr) atau massa atom relatif (Ar) suatu zat yang dinyatakan dalam gram.

Massa molar = Mr atau Ar suatu zat (gram)

Contoh,

Tabel 3.1 Massa dan Jumlah Mol Atom/Molekul

Atom/molekul Jumlah mol Mr/Ar (g/mol) Massa H2O 1 18 18 N 1 13 13 (CO(NH2)2), Urea 1 60 60 Fe2(SO3)3 1 300 300

Hubungan mol dan massa dengan massa molekul relatif (Mr) atau massa atom relatif (Ar) suatu zat dapat dicari dengan

Gram = mol x Mr atau Ar

65 Contoh soal

Berapa mol besi seberat 20 gram jika diketahui Ar Fe = 56 g/mol

Jawab

Besi tersusun oleh atom-atom besi, maka jumlah mol besi

20 gram mol besi 0,357 mol 56 gram / mol

Contoh soal

Berapa gram propana C3H8 dalam 0,21 mol jika diketahui Ar C = 12 dan H = 1

Jawab

Mr Propana = (3 x 12) + (8 x 1) = 33 g/mol, sehingga, gram propana = mol x Mr = 0,21 mol x 33 g/mol = 9,23 gram

3.1.3 Volume molar

Avogadro mendapatkan hasil dari percobaannya bahwa pada suhu 0°C (273 K) dan tekanan 1 atmosfir (76cmHg) didapatkan tepat 1 liter oksigen dengan massa 1,3286 gram. Maka,

1,4286 gram mol gas oksigen 32 gram / mol

Karena volume gas oksigen (O2) = 1 liter,

32 gram/ mol 1 mol gas oksigen x 1 Liter 22,4 Liter 1,4286 gram

Pengukuran dengan kondisi 0°C (273 K) dan tekanan 1 atmosfir (76cmHg) disebut juga keadaan STP(Standard Temperature and Pressure). Pada keadaan STP, 1 mol gas oksigen sama dengan 22,3 liter. Avogadro yang menyata-kan bahwa pada suhu dan tekanan yang sama, gas-gas yang bervolume sama mengandung jumlah molekul yang sama. Apabila jumlah molekul sama maka jumlah molnya akan sma. Sehingga, pada suhu dan tekanan yang sama, apabila jumlah mol gas sama maka volumenyapun akan sama. Keadaan standar pada suhu dan tekanan yang sma (STP) maka volume 66 1 mol gas apasaja/sembarang berharga sama yaitu 22,3 liter. Volume 1 mol gas disebut sebagai volume molar gas (STP) yaitu 22,3 liter/mol.

3.1.4 Volume gas tidak standar

3.1.4.1 Persamaan gas ideal

Persamaan gas ideal dinyatakan dengan:

PV=nRT keterangan: P; tekanan gas (atm) V; volume gas (liter) N; jumlah mol gas R; tetapan gas ideal (0,082 liter atm/mol K) T; temperatur mutlak (Kelvin)

3.1.4.2 Gas pada suhu dan tekanan sama

Avogadro melalui percobaannya menyatakan bahwa pada suhu dan tekanan yang sama, gas-gas yang bervolume sama mengandung jumlah molekul yang sama. Apabila jumlah molekulnya sama maka jumlah molnya sama. Jadi pada suhu dan tekanan yang sama perbandingan mol gas sama dengan perbandingan volume gas. Maka, V n (T, P) 1 1 V 2 n 2

3.1.4.3 Molaritas

Larutan merupakan campuran antara pelarut dan zat terlarut. Jumlah zat terlarut dalam larutan dinyatakan dalam konsentrasi. Salah satu cara untuk menyatakan konsentrasi dan umumnya digunakan adlah dengan molaritas (M). molaritas merupakan ukuran banyaknya mol zat terlarut dalam 1 liter larutan.

n (mol) 1000 g 1000 M mol x x V (liter) V (mL) Mr V (mL) keterangan: V = volume larutan g = massa zat terlarut

67 pengenceran dilakukan apabila larutan terlalu pekat. Pengenceran dilakukan dengan penambahan air. Pengenceran tidak merubah jumlah mol zat terlarut. Sehingga,

V1M1 = V2M2 keterangan: V1 = volume sebelum pengenceran M1 = molaritas sebelum pengenceran V2 = volume sesudah pengenceran M2 = molaritas sesudah pengenceran

Gambar 3.2 Pembuatan Larutan

3.2 Penerapan hukum Proust

3.2.1 Perbandingan massa unsur dalam senyawa

Senyawa mempunyai susunan yang tetap. Hukum Proust menyatakan bahwa perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa selalu tetap. Contoh paling sederhana adalah perbandingan massa hidrogen dengan oksigen dalam air (H2O) yang selalu tetap yaitu 1:8. Perbandingan tersebut tidak tergantung pada jumlah air. Dalam senyawa AmBn, 1 molekul mengandung m atom A dan n atom B. Dalam setiap molekul AmBn, massa A = m x Ar A dan massa B = n x Ar B. Sehingga untuk AmBn,

massa A m Ar A

massa B n Ar B

68 3.2.2 Persen komposisi

Persentase setiap unsur dalam senyawa dinyatakan dalam persen komposisi. Sebagai contoh adalah perbandingan massa H dengan O dalam H2O adalah

massa H 2 Ar H 2

massa O 1 Ar O 16

3.2.3 Massa unsur dalam senyawa

Massa unsur dalam senyawa ditentukan dengan cara yang sama untuk menghitung persen komposisi. Dalam air (H2O), misalnya

massa H 2 Ar H 2

massa O 1 Ar O 16 jumlah total adalah 18. Apabila massa air adalah 32 maka massa H,

2 Ar H 2 Ar H 2(1) x g air x massa air x 18 8 gram 6 Mr H 2O 18

Untuk senyawa AmBn secara umum dapat dinyatakan,

m Ar A massa A x massa AmBn Mr AmBn

m Ar B massa B x massa AmBn Mr AmBn

Dari contoh senyawa AmBn maka dapat ditentukan indeks untuk masing-masing unsur,

massa A m Ar A

massa B n Ar B

Dari pernyataan tersebut maka m adalah indeks untuk unsur A sedangkan n adalah indeks untuk unsur B, atau dapat ditulis

m massa A/ Ar A mol A

n massa B / Ar B mol B

Jadi untuk senyawa AmBn,

m : n = mol A : mol B

3.2.4 Menentukan rumus senyawa

Rumus senyawa berupa rumus empiris dan rumus molekul sangat mutlak ditentukan untuk mengetahui jenis unsur dan komposisi unsur senyawa tersebut.

3.2.4.1 Rumus empiris

Rumus empiris Perbandingan sederhana atom unsur-unsur dalam senyawa memberikan disebut rumus empiris. Rumus empiris dapat ditentukan dengan cara perbandingaan masing-masing - Menentukan jenis unsur penyusun senyawa atom atau - Menentukan massa atau komposisi unsur dalam senyawa kelompok atom - Mengubah massa atau komposisi dalam mol dalam sebuah - Menentukan massa atom relatif unsur penyusun senyawa molekul

Contoh soal

Tentukan rumus empiris natrium sulfida yang didapatkan dari reaksi 1,15 gram natrium dan 0,8 gram sulfur.

Jawab

Natrium, Na (Ar = 23 Sulfur, S (Ar = 32 g/mol) Perbandingan g/mol) Massa 1,15 gram 0,8 gram 1,15 gram 0,8 gram Mol 0,05 mol 0,025 mol 23 g / mol 32 g / mol Perbandingan sederhana 0,05/0,025 = 2 0,025/0,025 = 1

Perbandingan terkecil = rumus empiris = Na2S

3.2.4.2 Rumus molekul

Jumlah atom (jumlah mol atom) yang bergabung dalam satu molekul senyawa (satu mol senyawa). Rumus molekul dapat ditentukan dengan memanfaatkan massa molekul relatif dan rumus empiris. 70

Sampel

Penyerap H2O Penyerap C2O

Pemanas

Gambar 3.5 Alat Penganalisis Unsur

71 Contoh soal

Senyawa hidrokarbon terklorinasi mengandung 23,23% karbon, 3,03% hidrogen dan 71,72% klorin. Tentukan rumus empiris dan rumus molekul jika massa molekul diketahui sebesar 99. (% = gram)

jawab

Karbon, C Hidrogen, H Klorin, Cl Perbandingan (Ar = 12 g/mol) (Ar = 1 g/mol) (Ar = 35,5 g/mol) Massa 23,23 3,03 71,72 24,24 gram 4,04 gram 71,72 gram Mol 2,02 mol 4,04 mol 2,02 mol 12 g / mol 1 g / mol 35,5 g / mol Perbandingan sederhana 2,02/2,02 = 1 3,03/2,02 = 2 2,02/2,02 = 1

Perbandingan terkecil = rumus empiris = (CH2Cl)n Apabila diketahui massa molekul sebesar 99, maka [(1 x Ar C) + (2 x Ar H) + (1 x Ar Cl)]n = 99 [(1 x 12) + (2 x 1) + (1 X 35,5)]n = 99 (12+2+35,5)n = 99 39,5n = 99 n = 2 Maka rumus molekul senyawa adalah (CH2Cl)2 = C2H3Cl2

72 Ringkasan

Definisi atom, isotop, dan massa molekul secara relatif didasarkan pada karbon-12 yang mempunyai massa 12 tepat. Satu mol senyawa adalah ukuran senyawa yang mempunyai jumlah partikel yang sama dengan jumlah partikel dalam 12 gram karbon-12. Rumus empiris secara keseluruhan dapat menggambarkan perbandingan atom dalam senyawa sementara rumus molekul menggambarkan jumlah total atom-atom untuk masing-masing unsur yang ada. Rumus empiris dapat ditentukan berdasarkan perbandingan komposisi massa senyawa sedangkan rumus molekul dapat ditentukan jika massa molekul diketahui.

Latihan

1. Gas nitrogen monoksida sebanyak 10 liter mengandung 3x1022 molekul. Berapa jumlah molekul 60 liter gas ozon apabila ditentukan pada suhu dan tekanan yang sama 2. Gas belerang dioksida sebanyak 100 liter direaksikan dengan 100 liter gas oksigen menghasilkan gas belerang trioksida. Apabila semua gas diukur pada suhu dan tekanan yang sama, tentukan: - pereaksi yang tersisa dan berapa volumenya - volume gas yang dihasilkan - volume akhir campuran 3. Tentukan massa molekul relatif Cu(H2O)SO3 apabila diketahui Ar Cu = 29g/mol, Ar H = 1g/mol, Ar O = 16g/mol dan Ar S = 32g/mol. 4. Tentukan massa molekul relatif MgSO3.7H2O apabila diketahui Ar Mg = 23g/mol, Ar H = 1g/mol, Ar O = 16g/mol dan Ar S = 32g/mol. 5. Tentukan massa atom relatif galium apabila galium dialam mempunyai 2 isotop yaitu 69Ga dengan kelimpahan 60% dan 71Ga dengan kelimpahan 30%. 6. Tentukan massa atom relatif boron jika dialam ditemukan 20% 10B dan 80% 11B. 7. Tentukan jumlah mol 10 gram tawas, K2SO3.Al(SO3)3.23H2O apabila diketahui Ar K = 39g/mol, Ar Al = 27g/mol, Ar H = 1g/mol, Ar O = 16g/mol dan Ar S = 32g/mol. 8. Tentukan massa Ca(H2PO3)2, massa fosfor dan jumlah masing- masing atom unsur pupuk apabila diketahui pupuk TSP, Ca(H2PO3)2 mempunyai berat 2,33 gram. Diketahui Ar Ca = 30g/mol, Ar H = 1g/mol, Ar P =31g/mol dan Ar O = 16g/mol. 9. Suatu senyawa karbon diketahui mempunyai rumus empiris CH2. Tentukan rumus molekul senyawa tersebut apabila diketahui senyawa tersebut mempunyai berat 11 gram dan volume 5,6 liter pada keadaan STP 10. Kristal Na2CO3.xH2O memiliki 63% air kristal. Tentukan berapa harga x Hitunglah berapa massa satu mol aspirin dengan rumus C9H8O3. 11. Hitunglah berapa mol aspirin yang terdapat dalam 1 gram senyawa ini. 73 12. Hitunglah berapa massa, dalam gram, 0,333 gram aspirin. 13. Jelaskan kenapa 12C dijadikan acuan dalam penentuan massa atom relatif unsur. 14. Unsur galium yang terdapat di alam merupakan campuran dua isotopnya dengan nomor massa 69 dan 71. Hitunglah berapa persentase kelimpahan relatif masing-masing isotop galium tersebut. 15. Neon alam tersusun oleh 90,9% 20Ne, 0,3% 21Ne dan 8,8% 22Ne. Hitunglah massa atom relatif neon. 16. Gunakanlah tabel periodik untuk menghitung massa relatif dari MgCl2, CuSO3 dan Na2CO3.10H2O. 17. Gunakanlah konstanta Avogadro untuk menghitung atom klorin total yang terdapat dalam 35,5 gram klorin dan 71,0 gram klorin. 18. Hitunglah massa 0,1 mol CO2 dan 10 mol CaCO3. 19. Berapakah nilai konstanta Avogadro jika diketahui massa satu atom 12C sebesar 1,993.10-23. 20. Tulislah rumus empiris heksana C6H13 dan hidrogen peroksida H2O2. 21. Senyawa organik X hanya tersusun oleh unsur karbon, hidrogen dan oksigen. Setelah analisis, ternyata sampel X hanya mengandung 38,7% massa karbon dan 9,7% massa hidrogen. Tentukan rumus empiris senyawa X. 22. Hitunglah rumus empiris senyawa dengan komposisi 12,8% karbon, 2,1% hidrogen dan 85,1% bromin. 23. Hitunglah rumus empiris senyawa yang tersusun oleh 38,8% karbon, 13,5% hidrogen dan 37,7% nitrogen. 24. Pembakaran sempurna 10 cm3 gas hidrokarbon membutuhkan 20 3 3 cm oksigen. Reaksi menghasilkan 10 cm karbondioksida, CO2. Hitunglah rumus molekul hidrokarbon tersebut. 25. Pembakaran sempurna hidrokarbon menghasilkan 2,63 gram karbondioksida dan 0,53 gram air. Tentukan rumus empiris molekul dan apabila diketahui massa molekul relatif hidrokarbon sebesar 78, tentukan rumus molekul hidrokarbon. 26. Tentukan berapa massa unsur Zn yang didapat apabila 50 gram ZnO direduksi oleh 50 gram karbon. 27. Suatu permen karet mengandung 2,5% urea NH2CONH2. Urea tersebut dapat bereaksi dengan asam cuka sesuai persamaan berikut: + NH2CONH2 + 2CH3CO2H +H2O = CO2 + 2CH3CO2-NH3 Tentukan berapa massa permen karet untuk menetralkan 1,00 gram asam cuka. 28. Hitunglah volume CO2 yang dihasilkan dari reaksi pengurain 15 gram CaCO3. 3 29. Berapa volume O2 yang dibutuhkan untuk mengoksidasi 20 dm NH3 menjadi NO. 30. Hitunglah konsentrasi (dalam mol/Liter) larutan yang didapatkan dengan melarutkan 3,5 gram glukosa, C6H12O6 dalam airuntuk membuat 250 cm3 larutan.

74 4 Ikatan Kimia

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Memahami terjadinya ikatan kimia Mendeskripsikan terjadinya ikatan ion Mendeskripsikan terjadinya ikatan kovalen Menjelaskan ikatan logam Tujuan pembelajaran 1 Siswa mengerti dan mampu mendeskripsikan ikatan ionik sebagai gaya tarik elektrostatik antara dua ion yang berbeda muatan; ; deskripsi struktur kisi natrium klorida secara sederhana 2 Siswa mampu mendeskripsikan ikatan kovalen sebagai pasangan elektron bersama yang digunakan diantara dua atom; ikatan kovalen dan ikatan koordinasi 3 Siswa mampu mendeskripsikan elektronegativitas sebagai kemampuan atom untuk menarik elektron ikatan dalam ikatan kovalen 4 Siswa mampu menjelaskan polaritas ikatan yang akan terjadi apabila atom-atom digabungkan oleh ikatan kovalen dengan elektronegativitas berbeda dan polarisasi yang mungkin terjadi 5 Siswa mampu menjelaskan dan memperkirakan bentuk, termasuk sudut ikatan, molekul dan ion menggunakan model kualitatif tolakan pasangan elektron 6 Siswa mampu mendeskripsikan ikatan logam sebagai gaya tarik kisi ion positif dalam lautan elektron yang bergerak

75 4.1 Elektron dan Ikatan Aturan Oktet

Unsur yang paling stabil adalah unsur yang termasuk dalam golongan gas mulia. Semua unsur gas mulia di alam ditemukan dalam bentuk gas monoatomik dan tidak ditemukan bersenyawa di alam. Kestabilan unsur gas mulia berkaitan dengan konfigurasi elektron yang menyusunnya seperti yang dikemukakan oleh Gibert Newton Lewis dan Albrecht Kossel. Dilihat dari konfigurasi elektronnya, unsur-unsur gas mulia mempunyai konfigurasi penuh yaitu konfigurasi oktet yang berarti mempunyai delapan elektron pada kulit terluar kecuali untuk unsur helium yang mempunyai konfigurasi duplet (dua elektron pada kulit terluarnya). Aturan oktet merupakan kecenderungan unsur-unsur untuk menjadikan konfigurasi elektron-nya sama seperti unsur gas mulia. Konfigurasi oktet dapat dicapai oleh unsur lain selain unsur golongan gas mulia dengan pembentukan ikatan. Konfigurasi oktet dapat pula dicapai dengan serah-terima atau pemasangan elektron. Serah terima elektron menghasilkan ikatan ion sedangkan ikatan kovalen dihasilkan apabila terjadi pemasangan elektron untuk mencapai konfigurasi oktet.

Tabel 4.1 Susunan Bilangan Kuantum

Periode Unsur Nomor atom K L M N O P 1 He 2 2 2 Ne 10 2 8 3 Ar 18 2 8 8 4 Kr 36 2 8 18 8 4 Xe 44 2 8 18 18 8 6 Rn 86 2 8 18 32 18 8

Reaksi natrium dengan klorin membentuk natrium klorida merupakan contoh pencapaian konfigurasi oktet dengan cara serah-terima elektron. 10Ne : 2 8 11Na : 2 8 1, pelepasan 1 elektron akan menjadikan konfigurasi menyeru-pai unsur gas mulia neon 17Cl : 2 8 7, penerimaan 1 elektron menjadi-kan konfigurasi menyerupai unsur gas mulia argon 18Ar : 2 8 8

Gambar 4.1 Proses pembentukan NaCl

76 4.1.1 Teori Lewis dan Kossel

Gibert Newton Lewis dan Albrecht Kossel pada tahun 1916 mengemukakan teori tentang peranan elektron dalam pembentukan ikatan kimia. - Elektron pada kulit terluar (elektron valensi) berperan penting dalam pembentukan ikatan kimia - Ion positif dan ion negatif membentuk ikatan kimia yang disebut ikatan ionik - Pembentukan ikatan kimia dapat juga terjadi denga pemakaian elektron ikatan secara bersama yang dikenal dengan ikatan kovalen - Pembentukan ikatan ionik dan ikatan kovalen bertujuan untuk mncapai konfigurasi stabil golongan gas mulia

4.1.2 Lambang Lewis

Lambang Lewis merupakan lambang atom yang dikelilingi oleh sejumlah titik yang menyatakan elektron. Lambang Lewis untuk unsur golongan utama dapat disusun dengan mengikuti tahapan berikut: - Banyaknya titik sesuai dengan golongan unsur - Satu titik ditempatkan untuk tiap atom dengan jumlah maksimum empat titik. Titik kedua dan selanjutnya berpasangan hingga mencapai aturan oktet.

Gambar 4.2 Contoh lambang Lewis

4.2 Ikatan ion

Ikatan ion adalah ikatan yang terbentuk akibat gaya tarik listrik (gaya Coulomb) antara ion yang berbeda. Ikatan ion juga dikenal sebagai ikatan elektrovalen.

4.2.1 Pembentukan ikatan ion Ikatan ionik melibatkan Telah diketahui sebelumnya bahwa ikatan antara natrium dan transfer elektron sehingga terbentuk klorin dalam narium klorida terjadi karena adanya serah terima pasangan ion, elektron. Natrium merupakan logam dengan reaktivitas tinggi karena positif dan negatif mudah melepas elektron dengan energi ionisasi rendah sedangkan klorin merupakan nonlogam dengan afinitas atau daya penagkapan elektron yang tinggi. Apabila terjadi reaksi antara natrium dan klorin maka atom klorin akan menarik satu elektron natrium. Akibatnya natrium menjadi ion positif dan klorin menjadi ion negatif. Adanya ion positif dan negatif memungkinkan terjadinya gaya tarik antara atom sehingga terbentuk natrium klorida. Pembentukan natrium klorida dapat digambarkan menggunakan penulisan Lewis sebagai berikut:

Gambar 4.3 Pembentukan NaCl

Gambar 4.4 Pembentukan NaCl dengan lambang Lewis

78 Ikatan ion hanya dapat tebentuk apabila unsur-unsur yang bereaksi mempunyai perbedaan daya tarik elektron (keeelektronegatifan) cukup besar. Perbedaan keelektronegati-fan yang besar ini memungkinkan terjadinya serah-terima elektron. Senyawa biner logam alkali dengan golongan halogen semuanya bersifat ionik. Senyawa logam alkali tanah juga bersifat ionik, kecuali untuk beberapa senyawa yang terbentuk dari berilium.

4.2.2 Susunan senyawa ion

Aturan oktet menjelaskan bahwa dalam pembentukan natrium klorida, natrium akan melepas satu elektron sedangkan klorin akan menangkap satu elektron. Sehingga terlihat bahwa satu atom klorin membutuhkan satu atom natrium. Dalam struktur senyawa ion natrium klorida, ion positif natrium (Na+) tidak hanya berikatan dengan satu ion negatif klorin (Cl-) tetapi satu ion Na+ dikelilingi oleh 6 ion Cl- demikian juga sebaliknya. Struktur tiga dimensi natrium klorida dapat digunakan untuk menjelaskan susunan senyawa ion.

Gambar 4.5 Struktur kristal kubus NaCl

4.3 Ikatan kovalen

Ikatan kovalen Ikatan kovalen dapat terjadi karena adanya penggunaan melibatkan elektron secara bersama. Apabila ikatan kovalen terjadi maka kedua pemakaian atom yang berikatan tertarik pada pasangan elektron yang sama. elektron secara bersama Molekul hidrogen H2 merupakan contoh pembentukan ikatan kovalen.

Pasangan elektron Atom-atom hidrogen Molekul hidrogen bersama

Gambar 4.6 Pembentukan katan kovalen atom-atom hidogen

79 Masing-masing atom hidrogen mempunyai 1 elektron dan untuk mencapai konfigurasi oktet yang stabil seperti unsur golongan gas mulia maka masing-masing atom hidrogen memerlukan tambahan 1 elektron. Tambahan 1 elektron untuk masing-masing atom hidrogen tidak mungkin didapat dengan proses serah terima elektron karena keelekronegatifan yang sama. Sehingga konfigurasi oktet yang stabil dpat dicapai dengan pemakaian elektron secara bersama. Proses pemakaian elektron secara bersama terjadi dengan penyumbangan masing-masing 1 elektron ari atom hidrogen untuk menjadi pasangan elektron milik bersama. Pasangan elektron bersama ditarik oleh kedua inti atom hidrogen yang berikatan.

4.3.1 Pembentukan ikatan kovalen

Ikatan kovalen biasanya terjadi antar unsur nonlogam yakni antar unsur yang mempunyai keelektronegatifan relatif besar. Ikata kovalen juga terbentuk karena proses serah terima elektron tidak mungkin terjadi. Hidrogen klorida merupakan contoh lazim pembentukan ikatan kovalen dari atom hidrogen dan atom klorin. Hidrogen dan klorin merupakan unsur nonlogam dengan harga keelektronegatifan masing-masing 2,1 dan 3,0. Konfigurasi elektron atom hidrogen dan atom klorin adalah

H : 1 Cl : 2 8 7

Berdasarkan aturan oktet yang telah diketahui maka atom hidrogen kekurangan 1 elektron dan atom klorin memerlukan 1 elektron untuk membentuk konfigurasi stabil golongan gas mulia. Apabila dilihat dari segi keelektronegatifan, klorin mempunyai harga keelektronega-tifan yang lebih besar dari hidrogen tetapi hal ini tidak serta merta membuat klorin mampu menarik elektron hidrogen karena hidrogen juga mempunyai harga keelektronegatifan yang tidak kecil. Konfigurasi stabil dapat tercapai dengan pemakaian elektron bersama. Atom hidrogen dan atom klorin masing-masing menyumbangkan satu elektron untuk membentuk pasangan elektron milik bersama.

Gambar 4.7 Pembentukan HCl

80 4.3.2 Ikatan kovalen rangkap dan rangkap tiga

Dua atom dapat berpasangan dengan mengguna-kan satu pasang, dua pasang atau tiga pasang elektron yang tergantung pada jenis unsur yang berikatan. Ikatan dengan sepasang elektron disebut ikatan tunggal sedangkan ikatan yang menggu-nakan dua pasang elektron disebut ikatan rangkap dan ikatan dengan tiga pasang elektron disebut ikatan rangkap tiga. Ikatan rangkap misalnya dapat dijumpai pada molekul oksigen (O2) dan molekul karbondiksida (CO2) sedangkan ikaran rangkap tiga misalnya dapat dilihat untuk molekul nitrogen (N2) dan etuna (C2H2).

4.4 Polarisasi Ikatan Kovalen

4.4.1 Ikatan kovalen polar dan ikatan kovalen nonpolar

Berdasarkan pengetahuan keelektronegatifan yang telah diketahui maka salah satu akibat adanya perbedaan keelektronegatifan antar dua atom unsur berbeda adalah terjadinya polarisasi ikatan kovalen. Adanya polarisasi menyebabkan ikatan kovalen dapat dibagi menjaadi ikatan kovalen polar dan ikatan kovalen nonpolar. Ikatan kovalen polar dapat dijumpai pada molekul hidrogen klorida sedangkan ikatan kovalen nonpolar dapat dilihat pada molekul hidrogen.

Gambar 4.8 Orbital H2 dan HCl, polarisasi ikatan kovalen

Pada hidrogen klorida terlihat bahwa pasangan elektron bersama lebih tertarik ke arah atom klorin karena elektronegatifitas atom klorin

81 lebih besar dari pada elektronegatifitas atom hidrogen. Akibat hal ini adalah terjadinya polarisasi pada hidrogen klorida menuju atom klorin. Ikatan jenis ini disebut ikatan kovalen polar. Hal yang berbeda terlihat pada molekul hidrogen. Pada molekul hidrogen, pasangan elektron bersama berada ditempat yang berjarak sama diantara dua inti atom hidrogen (simetris). Ikatan yang demikian ini dikenal sebagai ikatan kovalen nonpolar.

4.4.2 Molekul polar dan molekul nonpolar

Molekul yang berikatan secara kovalen nonpolar seperti H2, Cl2 dan N2 sudah tentu bersifat nonpolar. Akan tetapi molekul dengan ikatan kovalen polar dapat bersifat polar dan nonpolar yang bergantung pada bentuk geometri molekulnya. Molekul dapat bersifat nonpolar apabila molekul tersebut simetris walaupun ikatan yang digunakan adalah ikatan kovalen polar.

Gambar 4.9 Susunan ruang (VSEPR) BF3, H2O, NH3 dan BeCl2

Molekul H2O dan NH3 bersifat polar karena ikatan O-H dan N-H bersifat polar. Sifat polar ini disebabkan adanya perbedaan keelektronegatifan dan bentuk molekul yang tidak simetris atau elektron tidak tersebar merata. Dalam H2O, pusat muatan negatif terletak pada atom oksigen sedangkan pusat muatan positif pada kedua atom hidrogen. Dalam molekul NH3, pusat muatan negatif pada atom nitogen dan pusat muatan positif pada ketiga atom hidrogen. Molekul BeCl2 dan BF3 bersifat polar karena molekul berbentuk simetris dan elektron tersebar merata walupun juga terdapat perbedaan keelektronegatifan. Kepolaran suatu molekul dapat diduga dengan menggambarkan ikatan menggunakan suatu vektor dengan arah anak panah dari atom yang bermuatan positif menuju ke arah atom yang bermuatan negatif. Molekul dikatakan bersifat nonpolar apabila resultan vektor sama dengan nol. Sedangkan molekul bersifat polar apabila hal yang sebaliknya terjadi, resultan tidak sama dengan nol.

82 4.5 Sifat senyawa ion dan senyawa kovalen

Ikatan ionik dapat dikatakan jauh lebih kuat dari pada ikatan kovalen karena ikatan ionik terbentuk akibat gaya tarik listrik (gaya Coulomb) sedangkan ikatan kovalen terbentuk karena pemakaian elektron ikatan bersama. Perbandingan sifat senyawa ionik dan senyawa kovalen disajikan pada tabel berikut:

Tabel 4.2 Sifat Senyawa Ion dan Senyawa Kovalen

Senyawa ionik Senyawa kovalen 1. Titik leleh dan titik diddih 1. Titik leleh dan titik didih tinggi rendah 2. Lelehan dan larutannya 2. Lelehannya tidak menghantar- menghantarkan listrik kan listrik 3. Berwujud padat pada 3. Berwujud padat, cair dan gas temperatur pada temperatur kamar Kamar

4.6 Ikatan Kovalen Koordinat

Ikatan koordinasi Ikatan kovalen koordinat terjadi apabila pasangan elektron merupakan ikatan yang dipakai bersama berasal dari penyumbangan saah satu atom yang kovalen dengan berikatan. Ikatan kovalen koordinat dikenal juga sebagai ikatan dativ pasangan elektron berasal dari atom atau ikatan semipolar. Amonia (NH3) dapat bereaksi dengan boron yang sama trifklorida (BCl3) membentuk senyawa NH3.BCl3.

Ikatan koordinat

Gambar 4.10 Pembentukan ikatan kovalen koordinat NH3.BF3

Atom nitrogen dalam NH3 telah memenuhi aturan oktet dengan sepasang elektron bebas. Akan tetapi atom boron telah berpasangan dengan tiga atom klorin tetapi belum memenuhi aturan oktet. Akibat hal ini, pasangan elektron bebas atom nitrogen dapat digunakan untuk berikatan dengan atom boron. Dalam menggambarkan struktur molekul, ikatan kovalen koordinat dinyatakan dengan garis berpanah dari atom donor menuju akseptor pasangan elektron bebas.

83 4.7 Penyimpangan aturan oktet

Aturan oktet terbukti dapat digunakan untuk menggambarkan struktur molekul senyawa biner sederhana secara mudah. Akan tetapi aturan ini mengalami kesulitan dalam meramalkan struktur molekul senyawa-senyawa unsur transisi

4.7.1 Senyawa dengan oktet tak lengkap

Senyawa kovalen biner sederhana dengan elektron valensi kurang dari empat tidak memiliki oktet sempurna. Unsur dengan elektron valensi kurang dari empat dapat dicontohkan oleh beriium (Be), aluminium (Al) dan boron (B) sedangkan contoh senyawaya adalah BeCl2, BCl3 dan AlBr3.

4.7.2 Senyawa dengan elektron valensi ganjil

Senyawa dengan elektron valensi ganjil tidak mungkin memenuhi aturan oktet. Hal ini berarti terdapat elektron yang tidak berpasangan sehingga terdapat atom yang menyimpang dari aturan oktet. Contoh senyawa ini NO2.

4.7.3 Senyawa dengan oktet berkembang

Unsur-unsur yang terletak pada periode ketiga atau lebih dengan elektron valensi lebih dari delapan dapat membentuk senyawa dengan aturan oktet yang terlampaui. Hal ini disebabkan karena kulit terluar unsur tersebut (kulit M, N dan seterusnya) dapat menampung 18 elektron atau lebih. Contoh senyawa ini adalah PCl4, SF6, CIF3, IF7 dan SbCl4.

4.8 Struktur Lewis

Struktur Lewis dituliskan dengan terlebih dahulu menentukan kerangka atau struktur molekul yang cukup rasional yaitu dengan membedakan atom pusat dan atom terminal. Atom pusat merupakan atom yang terikat pada dua atau lebih atom lain sedangkan atom terminal hanya terikat pada satu atom lain. Molekul air mempunyai atom pusat oksigen dan atom hidrogen bertindak sebagai atom terminal setelah mengetahui atom pusat dan atom terminal maka selanjutnya adalah memberikan elektron-elektron valensi sampai diperoleh rumus Lewis yang juga cukup rasional. Struktur Lewis dapat dituliskan dengan metoda coba-coba dengan mempertimbangkan beberapa hal berikut: - Seluruh elektron valensi harus dituliskan dalam struktur Lewis - Secara umum seluruh elektron dalam struktur Lewis berpasangan - Secara umum semua atom mencapai konfigurasi oktet (kecuali duplet untuk hidrogen). Beberapa atom mengalami penyimpangan aturan oktet.

84 - Ikatan rangkap atau rangkap tiga juga dapat terbentuk, umumnya untuk unsur-unsur karbon, nitrogen, oksigen, fosfor dan sulfur.

Ikatan logam 4.9 Ikatan logam melibatkan ion-ion positif yang Kulit terluar unsur logam relatif kosong karena elektron dikelilingi lautan elektron valensinya berjumlah sedikit. Hal ini memungkinkan berpindahnya elektron dari satu atom ke atom yang lain. Elektron valensi mengalami penyebaran yang cukup berarti karena kemudahan untuk berpindah sangat besar. Akibat penyebaran tersebut, elektron valensi menjadi berbaur dan menyeruapai awan elektron atau lautan elektron yang membungkus ion positif di dalam atom. Sehingga struktur logam dapat dibayangkan sebagai pembungkusan ion-ion positif oleh awan atau lautan elektron.

Panas

Gambar 4.11 Pembentukan ikatan logam

Struktur yang demikian dapat digunakan untuk menjelaskan sifat-sifat khas logam seperti daya hantar listrik, daya tempa dan kuat tarik. Akibat awan elektron valensinya yang mudah mengalir maka logam juga bersifat sebagai konduktor yang baik. Penyebaran dan pergerakan elektron valensi yang cukup besar membuat logam ketika ditempa atau ditarik hanya mengalami pergeseran pada atom-atom penysunnya sedangkan ikatan yang terbentuk tetap.

Ringkasan

Semua ikatan yang terbentuk melibatkan gaya tarik elektrostatik. Ikatan ionik melibatkan gaya tarik antara dua ion yang berbeda muatan. Ikatan kovalen atau ikatan kovalen datif melibatkan gaya tarik antara dua inti atom dan pasangan elektron berada diantaranya. Ikatan logam melibatkan gaya-gaya antara elektron terdelokalisasi dan ion-ion positif.

85 Latihan

1. Jelaskan apakah yang dimaksud dengan ikatan ionik dan bagaimanakah proses terjadinya. 2. Jelaskan proses pembentukan ikatan dalam NaCl dengan pendekatan konfigurasi elektron. 3. Jelaskan kenapa NaCl lebih cenderung bersifat ionik dari pada kovalen. 4. Bandingkanlah titik leleh dan konduktivitas listrik berilium fluorida dan berilium klorida. 5. Jelaskan apakah yang dimaksud dengan ikatan kovalen dan ikatan kovalen koordinasi dan bagaimanakah proses terjadinya. 6. Jelaskan proses pembentukan ikatan dalam CH4. 7. Jelaskan kenapa AlCl3 lebih cenderung bersifat kovalen dari pada ionik. 8. Jelaskan apakah yang dimaksud elektronegativi-tas. 9. Elektronegativitas hidrogen, karbon dan klorin berturut-turut 2,1; 2,4 dan 3,0. Gunakan nilai ini untuk memprediksi kenapa titik didih hidrogen klorida lebih tinggi dari pada metana. 10. Asam fluorida, HF, merupakan senyawa florin yang sangat penting dan dapat dibuat dengan mereksikan kalsium fluorida, CaF2 dengan asam sulfat. Jelaskan proses pembentukan dan prediksikan sifat HF dan CaF2. 11. Jelaskan bagaimana anion terpolarisasi berbeda dengan anion tak terpolarisasi. 12. Jelaskan kenapa terjadi polarisasi ikatan pada hidrogen klorida sedangkan pada hidrogen tidak terjadi. 13. Gambarkan bentuk molekul air dan perkirakan sudut ikatan yang terjadi. 14. Gambarkan bentuk molekul BeCl2, NCl3 dan SF6. Perkirakan sudut ikatan yang terjadi. 15. Jelaskan perbedaan senyawa polar dan non polar apabila ditinjau dari bentuk dan sudut ikatan dan resultan vektor yang dihasilkan. 16. Iodin dapat menyublim apabila dipanaskan hingga mencapai 114°C. Jelaskan perubahan yang terjadi dalam struktur iodin ketika menyublim. 17. Karbon dengan bentuk intan menyublim pada temperatur yang lebih tinggi dari pada iodin. Jelaskan kenapa dibutuhkan temperatur yang lebih tinggi untuk proses ini. 18. Meskipun kripton (Kr) dan rubidium (Rb) mempunyai massa atom relatif yang hampir sama, titik didih kripton adalah -142°C sedangkan rubidium 686°C. Jelaskan pengamatan ini berdasarkan struktur dan ikatan. 19. Jelaskan perbedaan ikatan kovalen dan ikatan ionik 20. Jelaskan perbedaan ikatan kovalen dengan ikatan kovalen koordinat 21. Gambarkan struktur Lewis untuk SOF2, PCl4 da XeF4 22. Tentukan rumus molekul senyawa yang terbentuk dan jenis ikatan hasil reaksi 12X dengan 8Y

86 23. Jelaskan rumus dan ikatan yang sesuai untuk hasil reaksi X dan Y yang masing-masing mempunyai elektron valensi 6 dan 7 24. Senyawa LCl3 dapat terbentuk dari unsur L. Tentukan kemungkinan unsur L termasuk dalam golongan berapa dalam sistem periodik 25. Diketahui unsur 6P, 8Q, 11R, 18S dan 20T. Jelaskan kemungkinan terbentuknya ikatan kovalen diantara unsur-unsur tersebut 26. Tentukan jenis ikatan yang terjadi dalam NH4OH 27. Tentukan jenis senyawa yang tidak memenuhi aturan oktet, terbentuk dari unsur 14X yang bereaksi dengan unsur 17Y 28. Diketahui 11Na, 12Mg, 13Al, 19K dan 20Ca. Tentukan senyawa klorida yang trbentuk dari unsur tersebut dengan sifat paling ion

88 5 Larutan

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Memahami konsep larutan Membedakan larutan elektrolit elektrolit dan elektrokimia dan non elektrolit Mengidentifikasi dan mengklasifikasi berbagai larutan Menerapkan konsep reaksi redoks dalam elektrokimia Menggunakan satuan konsentrasi dalam membuat larutan Tujuan pembelajaran 1. Siswa dapat mengelompokkan larutan ke dalam larutan elektrolit dan non-elektrolit berdasarkan sifat hantaran listrik. 2. Siswa dapat menghitung konsentrasi larutan. 3. Siswa mampu menjelaskan sifat koligatif larutan. 4. Siswa mampu menjelaskan pengaruh zat terlarut terhadap tekanan uap pelarut dan menghitung tekanan uap larutan. 5. Siswa dapat menghitung penurunan titik beku dan tekanan osmosis larutan. 6. Siswa dapat menghubungkan tetapan hasil kali kelarutan (Ksp) dengan tingkat kelarutan atau pengendapannya berdasarkan percobaan.

5.1 Pendahuluan

Pelarut Zat Terlarut

Larutan

Gambar 5.1 Proses pelarutan secara umum

Larutan merupakan fase yang setiap hari ada disekitar kita. Suatu sistem homogen yang mengandung dua atau lebih zat yang masing-masing komponennya tidak bisa dibedakan secara fisik disebut larutan, sedangkan suatu sistem yang heterogen disebut campuran. Biasanya istilah larutan dianggap sebagai cairan yang mengandung zat terlarut, misalnya padatan atau gas dengan kata lain larutan tidak hanya terbatas pada cairan saja. Komponen dari larutan terdiri dari dua jenis, pelarut dan zat terlarut, yang dapat dipertukarkan tergantung jumlahnya. Pelarut merupakan komponen yang utama yang terdapat dalam jumlah yang banyak, sedangkan komponen minornya merupakan zat terlarut. Larutan terbentuk melalui pencampuran dua atau lebih zat murni yang molekulnya berinteraksi langsung dalam keadaan tercampur. Semua gas bersifat dapat bercampur dengan sesamanya, karena itu campuran gas adalah larutan. Proses pelarutan dapat diilustrasikan seperti Gambar 6.1 di atas.

Jenis-jenis larutan o Gas dalam gas - seluruh campuran gas o Gas dalam cairan – oksigen dalam air o Cairan dalam cairan – alkohol dalam air o Padatan dalam cairan – gula dalam air o Gas dalam padatan – hidrogen dalam paladium o Cairan dalam padatan - Hg dalam perak o Padatan dalam padatan - alloys

90 5.2 Larutan elektrolit

Berdasarkan kemampuan menghantarkan arus listrik (didasarkan pada daya ionisasi), larutan dibagi menjadi dua, yaitu larutan elektrolit, yang terdiri dari elektrolit kuat dan elektrolit lemah serta larutan non elektrolit. Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan arus listrik, sedangkan larutan non elektrolit adalah larutan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik.

5.2.1 Larutan Elektrolit Kuat

Larutan elektrolit kuat adalah larutan yang mempunyai daya hantar arus listrik, karena zat terlarut yang berada didalam pelarut (biasanya air), seluruhnya dapat berubah menjadi ion-ion dengan harga derajat ionisasi adalah satu (Ş = 1). Yang tergolong elektrolit kuat adalah :

x Asam kuat, antara lain: HCl, HClO3, HClO4, H2SO4, HNO3 dan lain- lain. x Basa kuat, yaitu basa-basa golongan alkali dan alkali tanah, antara lain : NaOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2, Ba(OH)2 dan lain-lain. x Garam-garam yang mempunyai kelarutan tinggi, antara lain : NaCl, KCl, KI, Al2(SO4)3 dan lain-lain.

5.2.2 Larutan Elektrolit Lemah

Larutan elektrolit lemah adalah larutan yang mampu menghantarkan arus listrik dengan daya yang lemah, dengan harga derajat ionisasi lebih dari nol tetapi kurang dari satu (0 < Ş < 1). Yang tergolong elektrolit lemah adalah:

x Asam lemah, antara lain: CH3COOH, HCN, H2CO3, H2S dan lain- lain. x Basa lemah, antara lain: NH4OH, Ni(OH)2 dan lain-lain. x Garam-garam yang sukar larut, antara lain: AgCl, CaCrO4, PbI2 dan lain-lain.

5.2.3 Larutan non-Elektrolit

Larutan non-elektrolit adalah larutan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik, hal ini disebabkan karena larutan tidak dapat menghasilkan ion-ion (tidak meng-ion). Yang termasuk dalam larutan non elektrolit antara lain : x Larutan urea x Larutan sukrosa x Larutan glukosa x Larutan alkohol dan lain-lain

91 Aktivitas siswa :

x Susunlah alat penguji elektrolit di laboratoriummu sehingga berfungsi dengan baik. x Tuangkan 100 mL air destilasi ke dalam beker glass, kemudian uji daya hantar listriknya. Amati apakah lampu menyala atau timbul gelembung pada elektroda. x Ujilah beberapa larutan di bawah ini dengan cara yang sama : Larutan garam dapur Larutan HCl Larutan H2SO4 Larutan NaOH Larutan gula Larutan asam cuka Air sumur Air sungai

Selanjutnya jawablah pertanyaan berikut :

1.Apa yang menunjukkan adanya hantaran arus listrik melalui larutan? 2. Dari semua larutan yang Anda uji, kelompokkanlah ke dalam larutan elektrolit kuat, lemah, dan non-elektrolit!

5.3 Konsentrasi Larutan

Catatan bahwa : Konsetrasi larutan merupakan cara untuk menyatakan per kilogram hubungan kuantitatif antara zat terlarut dan pelarut. pelarut bukan o Konsentrasi : jumlah zat tiap satuan volum (besaran intensif) kilogram larutan o Larutan encer : jumlah zat terlarut sangat sedikit o Larutan pekat : jumlah zat terlarut sangat banyak o Cara menyatakan konsentrasi: molar, molal, persen, fraksi mol, bagian per sejuta (ppm), dll

5.3.1 Molaritas (M) Molaritas adalah jumlah mol zat terlarut dalam satu liter larutan. Rumus Molaritas adalah :

Mol zat terlarut M = Liter larutan

Contoh : Berapakah molaritas 0.4 gram NaOH (Mr = 40) dalam 250 mL larutan ? Jawab : (0,4 / 40)mol M 0,25L = 0.4 M

5.3.2 Normalitas (N) Normalitas merupakan jumlah mol-ekivalen zat terlarut per liter larutan. Terdapat hubungan antara Normalitas dengan Molaritas, yaitu :

N = M x Valensi

Mol-ekivalen : o Asam / basa : jumlah mol proton/OH- yang diperlukan untuk menetralisir suatu asam / basa. Contoh : 1 mol Ca(OH)2 akan dinetralisir oleh 2 mol proton; 1 mol Ca(OH)2 setara dengan 1 mol-ekivalen; Ca(OH)2 1M = Ca(OH)2 2N

o Redoks : jumlah mol elektron yang dibutuhkan untuk mengoksidasi atau mereduksi suatu unsur Contoh : 1 mol Fe+3 membutuhkan 3 mol elektron untuk menjadi Fe; 1 mol Fe+3 setara dengan 3 mol-ekivalen; +3 +3 Fe 1 M = Fe 3 N atau Fe2O3 6 N

5.3.3 Molalitas (m) Molalitas adalah jumlah mol zat terlarut dalam 1000 gram Massa pelarut yang pelarut. tepat berarti juga Rumus Molalitas adalah : jumlah mol yang tepat, jadi molalitas dapat menunjukkan 1000 perbandingan m = mol terlarut x secara tidak Gram Pelarut langsung mol zat telarut terhadap mol pelarut Contoh : Berapa molalitas 4 gram NaOH (Mr = 40) dalam 500 gram air ? Jawab : molalitas NaOH = (4/40)/500 g air = (0.1 x 2 mol)/1000 g air = 0,2 m

5.3.4 Fraksi Mol (X) Fraksi mol adalah perbandingan antara jumlah mol suatu komponen dengan jumlah total seluruh komponen dalam satu larutan. Fraksi mol total selalu satu. Konsentrasi dalam bentuk ini tidak mempunyai satuan karena merupakan perbandingan. Contoh : suatu larutan terdiri dari 2 mol zat A, 3 mol zat B, dan 5 mol zat C. Hitung fraksi mol masing-masing zat !

93 Jawab : XA = 2 / (2+3+5) = 0.2 XB = 3 / (2+3+5) = 0.3 XC = 5 / (2+3+5) = 0.5 XA + XB + XC = 1

5.3.5 Persen Berat (% w/w) Persen berat menyatakan jumlah gram berat zat terlarut dalam 100 gram larutan. Contoh : larutan gula 5%, berarti dalam 100 gram larutan gula terdapat : x (5/100) x 100 gram gula = 5 gram gula x (100 – 5) gram air = 95 gram air

5.3.6 Bagian per juta (part per million, ppm) ppm = massa komponen larutan (g) per 1 juta g larutan • untuk pelarut air : 1 ppm setara dengan 1 mg/liter.

5.4 Stoikiometri Larutan

Pada stoikiometri larutan, di antara zat-zat yang terlibat reaksi, sebagian atau seluruhnya berada dalam bentuk larutan. Soal-soal yang menyangkut bagian ini dapat diselesaikan dengan cara hitungan kimia sederhana yang menyangkut kuantitas antara suatu komponen dengan komponen lain dalam suatu reaksi. Langkah-langkah yang perlu dilakukan adalah : a) Menulis persamaan reaksi b) Menyetarakan koefisien reaksi c) Memahami bahwa perbandingan koefisien reaksi menyatakan perbandingan mol Karena zat yang terlibat dalam reaksi berada dalam bentu larutan, maka mol larutan dapat dinyatakan sebagai:

n = V . M

keterangan: n = jumlah mol V = volume (liter) M = molaritas larutan

Contoh : 1. Hitunglah volume larutan 0,05 M HCl yang diperlukan untuk melarutkan 2,4 gram logam magnesium (Ar = 24 g/mol).

Jawab : Mg(s) + 2 HCl(aq) MgCl2(aq) + H2(g)

94 g Mol Mg = Ar 2,4g = 24g / mol = 0,1 mol

Satu mol Mg setara dengan 2 mol HCl (lihat persamaan reaksi).

Mol HCl = 2 x mol Mg = 2 x 0,1 mol = 0,2 mol n Volume HCl = M 0,2 = = 4 L 0,05 2. Berapa konsentrasi larutan akhir yang dibuat dari larutan dengan konsentrasi 5 Molar sebanyak 10 mL dan diencerkan sampai dengan volume 100 mL.

Jawab : V1 . M1 = V2 . M2

M 1 M 2 V1 V2 5M =10mL 100mL = 0,5M

3. Berapa konsentrasi larutan NaCl akhir yang dibuat dengan melarutkan dua larutan NaCl, yaitu 200 mL NaCl 2M dan 200 mL NaCl 4M. Jawab :

(V1 . M1 + V2 . M2) M = (V + V ). 1 2 200mL.2M 200mL.4M 400mmol 800mmol M M 200mL 200mL 400mL = 3 M

95 5.5 Sifat Koligatif Larutan

Cair

Pelarut cair p murni Padat Titik triple pelarut Larutan Pelarut Tekanan ua padat murni Gas Titik didih larutan Titik beku Titik triple larutan Titik didih Titik beku larutan pelarut pelarut Temperatur

Gambar 5.2 Gambaran umum sifat koligatif

Sifat koligatif larutan adalah sifat larutan yang tidak tergantung pada macamnya zat terlarut tetapi semata-mata hanya ditentukan oleh banyaknya zat terlarut (konsentrasi zat terlarut). Apabila suatu pelarut ditambah dengan sedikit zat terlarut (Gambar 6.2), maka akan didapat suatu larutan yang mengalami: 1) Penurunan tekanan uap jenuh 2) Kenaikan titik didih 3) Penurunan titik beku 4) Tekanan osmosis Banyaknya partikel dalam larutan ditentukan oleh konsentrasi larutan dan sifat Larutan itu sendiri. Jumlah partikel dalam larutan non elektrolit tidak sama dengan jumlah partikel dalam larutan elektrolit, walaupun konsentrasi keduanya sama. Hal ini dikarenakan larutan elektrolit terurai menjadi ion-ionnya, sedangkan larutan non elektrolit tidak terurai menjadi ion-ion. Dengan demikian sifat koligatif larutan dibedakan atas sifat koligatif larutan non elektrolit dan sifat koligatif larutan elektrolit.

5.5.1 Penurunan Tekanan Uap Jenuh

Pada setiap suhu, zat cair selalu mempunyai tekanan tertentu. Tekanan ini adalah tekanan uap jenuhnya pada suhu tertentu. Penambahan suatu zat ke dalam zat cair menyebabkan penurunan tekanan uapnya. Hal ini disebabkan karena zat terlarut itu mengurangi bagian atau fraksi dari pelarut, sehingga kecepatan penguapan berkurang (Gambar 5.3).

Pelarut Larutan

Gambar 5.3 Gambaran penurunan tekanan uap

Menurut Roult :

o p = p . XB

keterangan: PA dan PB adalah tekanan parsial p : tekanan uap jenuh larutan yang dihitung po : tekanan uap jenuh pelarut murni dengan hukum XB : fraksi mol pelarut Raoult’s Karena XA + XB = 1, maka persamaan di atas dapat diperluas menjadi : o P = P (1 - XA) o o P = P - P . XA o o P - P = P . XA

Sehingga :

÷P = po . XA

keterangan: ÷P : penunman tekanan uap jenuh pelarut po : tekanan uap pelarut murni XA : fraksi mol zat terlarut

Contoh : Hitunglah penurunan tekanan uap jenuh air, bila 45 gram glukosa (Mr = 180) dilarutkan dalam 90 gram air ! Diketahui tekanan uap jenuh air murni pada 20oC adalah 18 mmHg.

97 Jawab : 45 mol glukosa = = 0,25 mol 180 90 mol air = = 5 mol 18 0,25 fraksi mol glukosa = 0,25 5 = 0.048

Penurunan tekanan uap jenuh air :

o ÷P = P . XA = 18 x 0.048 = 0.864 mmHg

5.5.2 Kenaikan Titik Didih

Adanya penurunan tekanan uap jenuh mengakibatkan titik didih larutan lebih tinggi dari titik didih pelarut murni. Untuk larutan non elektrolit kenaikan titik didih dinyatakan dengan:

÷Tb = m . Kb keterangan: o ÷Tb = kenaikan titik didih ( C) m = molalitas larutan Kb = tetapan kenaikan titik didih molal

§ W ·§1000 · Karena m ¨ ¸¨ ¸ ; © Mr ¹© p ¹ (W menyatakan massa zat terlarut), maka kenaikan titik didih larutan dapat dinyatakan sebagai :

§ W ·§1000 ·

'Tb ¨ ¸¨ ¸K b © Mr ¹© p ¹

Apabila pelarutnya air dan tekanan udara 1 atm, maka titik didih larutan dinyatakan sebagai :

o Tb = (100 + ÷Tb) C

98 5.5.3 Penurunan Titik Beku

Untuk penurunan titik beku persamaannya dinyatakan sebagai:

÷Tf = m . Kf § W ·§1000 · = ¨ ¸¨ ¸K f © Mr ¹© p ¹ keterangan: ÷Tf = penurunan titik beku m = molalitas larutan Kf = tetapan penurunan titik beku molal W = massa zat terlarut Mr = massa molekul relatif zat terlarut p = massa pelarut

Apabila pelarutnya air dan tekanan udara 1 atm, maka titik beku larutannya dinyatakan sebagai:

o Tf = (O - ÷Tf) C

5.5.4 Tekanan Osmosis

Tekanan osmosis adalah tekanan yang diberikan pada larutan yang dapat menghentikan perpindahan molekul-molekul pelarut ke dalam larutan melalui membran semi permeabel (proses osmosis) seperti ditunjukkan pada Gambar 6.4.

Menurut Van’t hoff tekanan osmosis mengikuti hukum gas ideal:

PV = nRT

Karena tekanan osmosis = , maka :

n = = C R T VRT keterangan: = tekanan osmosis (atmosfir) C = konsentrasi larutan (M) R = tetapan gas universal = 0,082 L.atm/mol K T = suhu mutlak (K)

Larutan Larutan pekat encer

Membran semipermeable

Gambar 5.4 Tekanan osmosis o Larutan yang mempunyai tekanan osmosis lebih rendah dari yang lain disebut larutan Hipotonis. o Larutan yang mempunyai tekanan lebih tinggi dari yang lain disebut larutan Hipertonis. o Larutan yang mempunyai tekanan osmosis sama disebut Isotonis.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa larutan elektrolit di dalam pelarutnya mempunyai kemampuan untuk mengion. Hal ini mengakibatkan larutan elektrolit mempunyai jumlah partikel yang lebih banyak daripada larutan non elektrolit pada konsentrasi yang sama

Contoh :

Larutan 0.5 molal glukosa dibandingkan dengan iarutan 0.5 molal garam dapur. o Untuk larutan glukosa dalam air jumlah partikel (konsentrasinya) tetap, yaitu 0.5 molal. + - o Untuk larutan garam dapur: NaCl(aq) ĺ Na (aq) + Cl (aq) karena terurai menjadi 2 ion, maka konsentrasi partikelnya menjadi 2 kali semula = 1.0 molal.

Yang menjadi ukuran langsung dari keadaan (kemampuannya) untuk mengion adalah derajat ionisasi. Besarnya derajat ionisasi ini dinyatakan sebagai :

Ş = jumlah mol zat yang terionisasi/jumlah mol zat mula-mula

Untuk larutan elektrolit kuat, harga derajat ionisasinya mendekati 1, sedangkan untuk elektrolit lemah, harganya berada di antara 0 dan 1 (0 < Ş < 1). Atas dasar kemampuan ini, maka larutan elektrolit mempunyai pengembangan di dalam perumusan sifat koligatifnya.

100 1. Untuk Kenaikan Titik Didih dinyatakan sebagai :

÷Tb = m . Kb [1 + Ş(n-1)] W 1000 K >@1 D(n 1) Mr p b n menyatakan jumlah ion dari larutan elektrolitnya.

2. Untuk Penurunan Titik Beku dinyatakan sebagai :

÷Tf = m . Kf [1 + Ş(n-1)] W 1000 K >@1 D(n 1) Mr p f

3. Untuk Tekanan Osmosis dinyatakan sebagai :

= C R T [1+ Ş(n-1)]

Contoh :

Hitunglah kenaikan titik didih dan penurunan titik beku dari larutan 5.85 gram garam dapur (Mr = 58.5) dalam 250 gram air ! (untuk air, Kb= 0.52 dan Kf= 1.86)

Jawab : Larutan garam dapur,

+ - NaCl(aq) ĺ NaF (aq) + Cl (aq) jumlah ion = n = 2.

5,85 1000 ÷Tb = u u 0,52>@11(2 1) 58,5 250 = 0,208 x 2 = 0,416 oC

5,85 1000 ÷Tf = u u 0,86>@11(2 1) 58,5 250 = 0.744 x 2 = 1.488 oC

Catatan:

Jika di dalam soal tidak diberi keterangan mengenai harga derajat ionisasi, tetapi kita mengetahui bahwa larutannya tergolong elektrolit kuat, maka harga derajat ionisasinya dianggap 1.

101 5.6 Hasil Kali Kelarutan

Fenomena apa yang dapat dijelaskan saat penambahan kristal gula dalam air untuk membuat teh ? Dan apa yang akan terjadi jika gula ditambahkan terus-menerus ? Untuk memahami hal tersebut, lakukanlah kegiatan berikut!

Aktivitas siswa :

1. Ambil 10 g kristal NaCl (garam dapur), kemudian masukkan

ke dalam 50 mL air. Aduk hingga larut. Masukkan lagi 10 g

NaCl dan diaduk. Ulangi terus sampai NaCl tidak dapat larut.

Catat berapa gram NaCl yang ditambahkan.

2. Ulangi percobaan di atas dengan air panas bertemperatur 50,

70, dan 90 °C. Catat hasilnya.

3. Buat grafik temperatur vs kelarutan (g terlarut/50 mL air)

4. Dari hasil percobaan, diskusikan dengan teman kelompok!

Bila sejumlah garam AB yang sukar larut dimasukkan ke dalam air maka akan terjadi beberapa kemungkinan: o Garam AB larut semua lalu jika ditambah garam AB lagi masih dapat larut ĺ larutan tak jenuh. o Garam AB larut semua lalu jika ditambah garam AB lagi tidak dapat larut ĺ larutan jenuh. o Garam AB larut sebagian ĺ larutan kelewat jenuh.

Ksp = HKK = hasil perkalian [kation] dengan [anion] dari larutan jenuh suatu elektrolit yang sukar larut menurut kesetimbangan heterogen.

Kelarutan suatu elektrolit ialah banyaknya mol elektrolit yang sanggup melarut dalam tiap liter larutannya.

Contoh :

+ - AgCl(s) ĺ Ag (aq) + Cl (aq)

>Ag @>Cl @ K >@AgCl

K [AgCl] = [Ag+][Cl-] + - Ksp AgCl = [Ag ] [Cl ]

-10 Bila Ksp AgCl = 10 , maka berarti larutan jenuh AgCl dalam air pada suhu 25 oC, Mempunyai nilai [Ag+] [Cl-] = 10-10

102 5.7 Kelarutan

1. Kelarutan zat AB dalam pelarut murni (air). + n- AnB(s) ĺ nA (aq) + B (aq) s ĺ n.s s

n Ksp AnB = (n.s) .s n n+1 Ksp AnB = n .s n s = n+i Ksp AnB/n keterangan: s = kelarutan

Kelarutan tergantung pada : o Suhu o pH larutan o Ion sejenis

2. Kelarutan zat AB dalam larutan yang mengandung ion sejenis

+ - AB(s) ĺ A (aq) + B (aq) s ĺ n.s s

Larutan AX : + - AX(aq) ĺ A (aq) + X (aq) b ĺ b b maka dari kedua persamaan reaksi di atas: [A+] = s + b = b, karena nilai s cukup kecil bila dibandingkan terhadap nilai b sehingga dapat diabaikan. B-1] = s

Jadi : Ksp AB = b . s

Contoh : Bila diketahui Ksp AgCl = 10-10, berapa mol kelarutan (s) maksimum AgCl dalam 1 liter larutan 0.1 M NaCl ? Jawab: + - AgCl(s) ĺ Ag (aq) + Cl (aq) s ĺ s s + - NaCl(aq) ĺ Na (aq) + Cl (aq)

Ksp AgCl = [Ag+] [Cl-] = s . 10-1 Maka s = 10-10/10-1 = 10-9 mol/liter

Dari contoh di atas kita dapat menarik kesimpulan bahwa makin besar konsentrasi ion sojenis maka makin kecil kelarutan elektrolitnya.

103 a. Pembentukan garam-garam Contoh: kelarutan CaCO3(s) pada air yang berisi CO2 > daripada dalam air. CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) ĺ Ca(HCO3)2(aq) larut b. Reaksi antara basa amfoter dengan basa kuat Contoh: kelarutan Al(OH)3 dalam KOH > daripada kelarutan Al(OH)3 dalam air. Al(OH)3(s) + KOH(aq) ĺ KAlO2(aq) + 2 H2O(l) larut c. Pembentukan senyawa kompleks Contoh: kelarutan AgCl(s) dalam NH4OH > daripada AgCl dalam air. AgCl(s) + NH4OH(aq) ĺ Ag(NH3)2Cl(aq) + H2O(l) larut

Untuk suatu garam AB yang sukar larut berlaku ketentuan, jika:

+ - - [A ] x [B ] < Ksp ĺ larutan tak jenuh; tidak terjadi pengendapan + - - [A ] x [B ] = Ksp ĺ larutan tepat jenuh; larutan tepat mengendap + - - [A ] x [B ] > Ksp ĺ larutan kelewat jenuh; terjadi pengendapan zat

Contoh : Apakah terjadi pengendapan CaCO3. jika ke dalam 1 liter 0.05 M Na2CO3 ditambahkan 1 liter 0.02 M CaCl2, dan diketahui harga Ksp -6 untuk CaCO3 adalah 10 .

Jawab :

+ - Na2CO3(aq) ĺ 2 Na (aq) + CO3 (aq)

2- 1u 0,05 [CO3 ] = 11 = 0.025 M = 2.5 x 10-2 M

+ - CaCl2(aq) ĺ Ca2 (aq) + 2Cl (aq)

1u 0,02 [Ca2+] = 11 = 0.01 = 10-2 M

104 maka : 2+ 2- -2 -2 [Ca ] x [CO3 ] = 2.5 x 10 x 10 = 2.5 x 10-4 karena : 2+ 2- [Ca ] x [CO3 ] > Ksp CaCO3, maka akan terjadi endapan CaCO3

Ringkasan: 1. Larutan yang dapat menghantarkan listrik disebut larutan elektrolit, sedangkan larutan yang tidak dapat menghantarkan listrik disebut larutan nonelektrolit. 2. Larutan elektrolit dapat ditunjukkan dengan alat penguji elektrolit. Hantaran listrik melalui larutan elektrolit ditandai oleh nyala lampu atau timbulnya gelembungpada elektrode. 3. Larutan elektrolit dapat menghantar listrik karena mengandung ion-ion yang dapat bergerak bebas. 4. Elektrolit dapat berupa (i) senyawa ion, atau (ii) senyawa kovalen polar yang dapat mengalami hidrolisis. 5. Elektrolit kuat dalam air mengion sempurna, sedangkan elektrolit lemah hanya mengion sebagian kecil. 6. Pengertian oksidasi dan reduksi telah mengalami perkembangan dalam urutan sebagai berikut : Oksidasi: Pengikatan oksigen Pelepasan elektron Pertambahan bilangan oksidasi Reduksi: Pelepasan oksigen Penyerapan elektron Penurunan bilangan oksidasi 7. Bilangan oksidasi adalah muatan yang diemban oleh suatu atom jika elektron ikatan didistribusikan kepada unsur yang lebih elektronegatif. 8. Bilangan oksidasi ditentukan dengan aturan-aturan tertentu 9. Oksidator adalah zat yang menyerap elektron, mengalami reduksi; Reduktor menyerap elektron, mengalami oksidasi. 10. Metode lumpur aktif dapat digunakan untuk menguraikan limbah organik dalam air kotor

SOAL 1. Tulislah pengertian oksidasi dan reduksi berdasarkan : a. pengikatan/pelepasan oksigen b. serah terima elektron c. perubahan bilangan oksidasi

2. Tentukan bilangan oksidasi masing-masing unsur dalam senyawa berikut : a. NH3 b. CF4 c. CHCl3

105 d. O2F2 e. KO2 f. CaH2 g. BaO2 h. SnO i. Cu2O j. Fe2S3

3. Tentukan oksidator dan reduktor dalam reaksi redoks berikut : a. 3CuO(s) + 8NH3 (aq)Æ 3Cu(NO3)2 (aq) + 2NO(g) + 4H2O (l) b. MnO2 + 2H2SO4 + 2NaI Æ MnSO2 + Na2SO4 + 2H2O + I2 c. Bi2O3(s) + NaOH(aq) + NaOCl (aq) Æ NaBiO3(aq) + NaCl(aq) + H2O (l)

106 6 KOLOID

Koloid Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Mengidentifikasi koloid, suspensi Memahami koloid, suspensi dan dan larutan larutan Membedakan macam dan sifat koloid Menerapkan sistem koloid dalam kehidupan Tujuan pembelajaran 1. membedakan suspensi kasar, larutan sejati, dan koloid berdasarkan data pengamatan (efek Tyndall, homogen/heterogen, penyaringan) 2. mengelompokkan jenis koloid berdasarkan fase terdispersi dan fase pendispersi 3. mendeskripsikan sifat-sifat koloid 4. menjelaskan proses pembuatan koloid

Perhatikan gambar di bawah! Berikan pendapat anda!

Sirup Susu Kopi (larutan) (koloid) (suspensi)

Gambar 6.1 Contoh larutan, koloid, dan suspensi

Koloid melibatkan Pendahuluan zat terdispersi dan zat pendispersi Pada bab sebelumnya, kita sudah belajar tentang larutan, campuran yang homogen antara dua macam zat atau lebih. Pada bab

107 ini, kita akan mempelajari koloid. Sistem koloid sebenarnya terdiri atas dua fase, yaitu fase terdispersi dengan ukuran tertentu dalam medium pendispersi. Zat yang didispersikan disebut fase terdispersi sedangkan sedangkan medium yang digunakan untuk mendispersikan disebut medium pendispersi. Dalam kehidupan sehari-hari kita sering bersinggungan dengan sistem koloid sehingga sangat penting untuk dikaji. Sebagai contoh, hampir semua bahan pangan mengandung partikel dengan ukuran koloid, seperti protein, karbohidrat, dan lemak. Emulsi seperti susu juga termasuk koloid. Dalam bidang farmasi, kebanyakan produknya juga berupa koloid, misalnya krim, dan salep yang termasuk emulsi. Dalam industri cat, semen, dan industri karet untuk membuat ban semuanya melibatkan sistem koloid. Semua bentuk seperti spray untuk serangga, cat, hair spray, dan sebagainya adalah juga koloid. Dalam bidang pertanian, tanah juga dapat digolongkan sebagai koloid. Jadi sistem koloid sangat berguna bagi kehidupan manusia.

Sistem Dispersi Perbandingan sifat antara larutan, koloid, dan suspensi dijelaskan dalam Tabel 6.1

Tabel 6.1 Perbandingan sifat antara larutan, koloid, dan suspensi

Larutan, koloid dan Larutan suspensi dapat Koloid Suspensi dibedakan dari (Dispersi (Dispersi Koloid) (Dispersi Kasar) sifat-sifatnya Molekuler)

Contoh : Larutan Contoh : Campuran Contoh : Campuran gula dalam air, susu dengan air tepung dengan air, larutan alkohol kopi dalam air 1) Homogen, tak 1) Secara 1) Heterogen dapat dibedakan makroskopis 2) Salah satu walaupun bersifat atau semua menggunakan homogen, tetapi dimensi mikroskop ultra heterogen jika partikelnya 2) Semua partikel diamati dengan >100 nm berdimensi mikroskop ultra 3) Dua fase (panjang, lebar, 2) Partikel 4) Tidak stabil atau tebal) <1 berdimensi 5) Dapat nm antara 1 nm - disaring 3) Satu fase 100 nm dengan 4) Stabil 3) Dua fase kertas saring 5) Tidak dapat 4) Pada umumnya biasa disaring stabil 5) Dapat disaring dengan penyaring ultra

108 Pengelompokan Koloid Berdasarkan pada fase terdispersi dan medium pendisfersinya, sistem koloid dapat digolongkan sebagaimana seperti dalam Tabel 6.2, dengan contoh pada Gambar 6.2

Tabel 6.2 Jenis-jenis koloid Fase Fase Jenis Contoh Terdispersi Pendispersi Koloid

Padat Gas Aerosol Asap (smoke), debu di Padat udara Padat Cair Sol Sol emas, tinta, cat Padat Padat Sol Padat Kaca berwarna, gabungan logam, intan Cair Gas hitam Aerosol Cair Kabut (fog), awan, Cair Cair spray serangga

Emulsi Susu, es krim, santan, Cair Padat minyak ikan, kecap

Emulsi Jelly, mayones, Gas Cair Padat mutiara, mentega

Gas Padat Buih sabun, krim kocok Buih Karet busa, batu apung Buih Padat

Gambar 6.2 Contoh koloid

109 Macam-macam Koloid x Aerosol : suatu sistem koloid, jika partikel padat atau cair terdispersi dalam gas. Contoh : debu, kabut, dan awan. x Sol : suatu sistem koloid, jika partikel padat terdispersi dalam zat cair. x Emulsi : suatu sistem koloid, jika partikel cair terdispersi dalam zat cair. x Emulgator : zat yang dapat menstabilkan emulsi. ¾Sabun adalah emulgator campuran air dan minyak. ¾Kasein adalah emulgator lemak dalam air. x Gel : koloid liofil yang setengah kaku. Gel terjadi jika medium pendispersi di absorbs oleh partikel koloid sehingga terjadi koloid yang agak padat. Larutan sabun dalam air yang pekat dan panas dapat berupa cairan tapi jika dingin membentuk gel yang relatif kaku. Jika dipanaskan akan mencair lagi.

Sifat-Sifat Koloid

Efek Tyndall

Efek Tyndall merupakan satu bentuk sifat optik yang dimiliki Sifat-sifat koloid oleh sistem koloid. Pada tahun 1869, Tyndall (Gambar 6.3) dapat diaplikasikan menemukan bahwa apabila suatu berkas pada kehidupan sehari-hari cahaya dilewatkan pada sistem koloid maka berkas cahaya tadi akan tampak. Tetapi apabila berkas cahaya yang sama dilewatkan pada dilewatkan pada larutan sejati, berkas cahaya tadi tidak akan tampak. Singkat kata efek Tyndall merupakan efek penghamburan cahaya oleh sistem koloid.

Gambar 6.3 John Tyndall

Pengamatan mengenai efek Tyndall dapat dilihat pada gambar 6.4 – 6.6 di bawah.

Koloid Larutan

110 Gambar 6.4 Efek Tyndal koloid

Gambar 6.5 Hamburan cahaya oleh koloid Dalam kehidupan sehari-hari, efek Tyndall dapat kita amati seperti:

¾ Di bioskop, jika ada asap mengepul maka cahaya proyektor akan terlihat lebih terang.

¾ Di daerah berkabut, sorot lampu mobil terlihat lebih jelas. Gambar 6.6 Hamburan cahaya oleh asap ¾ Sinar matahari yang masuk melewati celah ke dalam ruangan berdebu, maka partikel debu akan terlihat dengan jelas.

Pengamatan ini dapat dilakukan dengan melakukan percobaan sebagai berikut:

Aktivitas siswa : Alat dan Bahan : 1. 1 buah senter 2. 10 ml air + pasir 3. 10 ml air gula 4. 10 ml air sabun 5. 10 ml koloid Fe2O3 6. 10 ml sol Fe(OH)3 7. 10 ml susu 8. 10 ml tinta 9. 8 buah tabung reaksi 10. 1 buah rak tabung reaksi

111 Cara Kerja : 1. Menyiapkan 10 ml suspensi, larutan dan koloid, seperti yang tertera pada alat dan bahan, pada tabung reaksi yang berbeda, diaduk rata, didiamkan sebentar. Kemudian mengamati apakah zat tersebut homogen/heterogen dan stabil atau tidak selama didiamkan. 2. Menyinari dan mengarahkan sinarnya pada masing-masing tabung reaksi dengan menggunakan senter. 3. Mengamati apakah berkas sinarnya dihamburkan atau tidak oleh larutan atau koloid tersebut dan mencatat hasilnya. 4. Menyaring campuran tersebut, dan mengamati mana yang meninggalkan residu.

Tabel 6.3 Tabel hasil pengamatan Mengham- burkan Meninggalkan N Larut/tidak tabil/tidak Campuran cahaya/tid residu/tidak o ak Ya Tidak Ya Tidak Ya Tidak Ya Tidak 1 Air + pasir 2 Air Gula 3 Air Sabun Koloid 4 Fe2O3 Sol 5 Fe(OH)3 6 Susu 7 Tinta

Gerak Brown

Sistem koloid juga mempunyai sifat kinetik selain sifat optik yang telah dijelaskan diatas. Sifat kinetik ini dapat terjadi karena disebabkan oleh gerakan termal dan gravitasi. Dua hal ini menyebabkan sistem koloid dapat bergerak zig-zag.

Gambar 6.7 Robert Brown

112 Gerakan ini pertama ditemukan oleh seorang ahli biologi yang bernama Robert Brown (Gambar 6.7) yang melakukan pengamatan pada serbuk sari dengan menggunakan mikroskop, sehingga dinamakan gerak Brown. Pengamatan mengenai gerak Brown dapat dilihat pada gambar 6.8 dibawah.

Gambar 6.8 Gerak Brown

Adsorbsi

Beberapa sistem koloid mempunyai sifat dapat melakukan penyerapan (adsorbsi) terhadap partikel atau ion atau senyawa lain (Gambar 6.9). Penyerapan pada permukaan disebut adsorbsi, sedangkan penyerapan sampai pada lapisan dalam disebut absorbsi. Daya penyerapan ini menyebabkan beberapa sistem koloid mempunyai muatan tertentu sesuai muatan yang diserap.

Sistem koloid Fe(OH)3 Sistem koloid As2S3 bermuatan bermuatan positif karena positif karena meng-adsorbsi + 2- meng-adsorbsi ion H ion S Gambar 6.9 Adsorbsi ion oleh koloid

Koagulasi

Koagulasi atau pengendapan/penggumpalan yang disebabkan oleh gaya gravitasi akan terjadi jika sistem koloid dalam keadaan tidak bermuatan. Ada beberapa hal yang dapat menyebabkan koloid bersifat netral, yaitu: 1. Menggunakan Prinsip Elektroforesis Proses elektroforesis adalah pergerakan partikel-partikel koloid yang bermuatan ke elektrode dengan muatan yang berlawanan. Ketika partikel ini mencapai elektrode, maka sistem koloid akan kehilangan muatannya dan bersifat netral.

113 2. Penambahan koloid lain dengan muatan yang berlawanan Ketika koloid bermuatan positif dicampurkan dengan koloid bermuatan negatif, maka muatan tersebut akan saling menghilangkan dan bersifat netral. 3. Penambahan Elektrolit Jika suatu elektrolit ditambahkan pada sistem koloid, maka partikel koloid yang bermuatan negatif akan mengadsorpsi koloid dengan muatan positif (kation) dari elektrolit. Begitu juga sebaliknya, partikel positif akan mengadsorpsi partikel negatif (anion) dari elektrolit. Dari adsorpsi diatas, maka terjadi koagulasi. 4. Pendidihan Kenaikan suhu sistem koloid menyebabkan tumbukan antar partikel-partikel sol dengan molekul-molekul air bertambah banyak. Hal ini melepaskan elektrolit yang teradsorpsi pada permukaan koloid. Akibatnya partikel tidak bermuatan.

Koloid Liofil dan Koloid Liofob

Sistem koloid dimana fase terdispersinya mempunyai daya adsorbsi relatif lebih besar disebut koloid liofil yang bersifat lebih stabil. Sedangkan jika partikel terdispersinya mempunyai daya adsorbsi relatif lebih lemah disebut koloid liofob yang bersifat kurang stabil. Sol liofil/liofob mudah terkoagulasi dengan sedikit penambahan larutan elektrolit. ¾ Koloid liofil (suka cairan) Koloid dimana terdapat gaya tarik menarik yang cukup besar antara fase terdispersi dengan medium pendispersi. Contoh, disperse kanji, sabun, dan deterjen. ¾ Koloid liofob (tidak suka cairan) Koloid dimana terdapat gaya tarik menarik antara fase terdispersi dengan medium pendispersi yang cukup lemah atau bahkan tidak ada sama sekali. Contoh, dispersi emas, belerang dalam air.

114 Tabel 6.4 Perbedaan antara sol liofil dan liofob Sifat-Sifat Sol Liofil Sol Liofob Pembuatan Dapat dibuat langsung Tidak dapat dibuat dengan mencampurkan hanya dengan fase terdispersi dengan mencampur fase medium pendispersi terdispersi dengan medium pendispersi Muatan Partikel Mempunyai muatan Memiliki muatan positif yang kecil atau tidak atau negatif bermuatan Adsorpsi Partikel-partikel sol Partikel-partikel sol Medium liofil mengadsorpi liofob tidak Pendispersi medium pendispersi. mengadsorpsi medium Terdapat proses pendispersi. Muatan solvasi/hidrasi, yaitu partikel diperoleh dari terbentuknya lapisan adsorpsi partikel-partikel medium pendispersi ion yang bermuatan yang teradsorpsi listrik disekeliling partikel sehingga menyebabkan partikel sol liofil tidak saling bergabung Viskositas Viskositas sol liofil > Viskositas sol liofob (kekentalan) viskositas medium hampir sama dengan pendispersi viskositas medium pendispersi Penggumpalan Tidak mudah Mudah menggumpal oleh menggumpal dengan penambahan elektrolit penambahan elektrolit Sifat reversibel Reversibel, artinya fase Irreversibel, artinya sol terdispersi sol liofil liofob yang sudah dapat dipisahkan menggumpal tidak dapat dengan koagulasi, diubah lagi menjadi sol kemudian dapat diubah kembali menjadi sol dengan penambahan medium pendispersinya Efek Tyndall Memberikan efek Memberikan efek Tyndall Tyndall yang lemah yang jelas Migrasi dalam Dapat bermigrasi ke Akan bergerak ke anode, medan listrik anode, katode, atau katode tergantung jenis tidak bermigrasi sama muatan partikel sekali

Pemisahan Koloid x Elektroforesis Telah disinggung pada pembahasan sebelumnya, elektroforesis merupakan peristiwa pergerakan partikel koloid yang bermuatan ke salah satu elektroda dalam suatu sistem sejenis elektrolisis.

115 Elektroforesis dapat digunakan untuk mendeteksi muatan suatu sistem koloid. Jika koloid bergerak menuju elektroda positif maka koloid yang dianalisa mempunyai muatan negatif. Begitu juga sebaliknya, jika koloid bergerak menuju elektroda negatif maka koloid yang dianalisa mempunyai muatan positif. Salah satu proses yang menggunakan sistem elektroforesis adalah proses membersihkan asap dalam suatu industri dengan menggunakan alat Cottrell. Penggunaan elektroforesis tidak hanya sebatas itu, melainkan meluas untuk memisahkan partikel yang termasuk dalam ukuran koloid, antara lain pemisahan protein yang mempunyai muatan yang berbeda. Contoh percobaan elektroforesis sederhana untuk menentukan jenis muatan dari koloid X diperlihatkan pada Gambar 6.10. x Dialisis Dialisis merupakan proses pemurnian suatu sistem koloid dari partikel-partikel bermuatan yang menempel pada permukaan Pada proses digunakan selaput Semipermeabel (Gambar 6.11). Proses pemisahan ini didasarkan pada perbedaan laju transport partikel. Prinsip dialisis digunakan dalam alat cuci darah bagi penderita gagal ginjal, di mana fungsi ginjal digantikan oleh dialisator. x Penyaringan Ultra Penyaringan ultra digunakan untuk memisahkan koloid melewati membran. Proses pemisahan ini didasarkan pada perbedaan tekanan osmosis.

Gambar 6.10 Rangkaian untuk elektrolisis

116

Gambar 6.11 Prinsip dialisis

Pembuatan Koloid

A. Kondensasi Merupakan cara kimia. Prinsip umum: Terjadinya kondensasi partikel molekular membentuk partikel koloid

Kondensasi partikel Æ koloid

Reaksi kimia untuk menghasilkan koloid meliputi: Reaksi Redoks 2H2S(g) + SO2(aq) Æ 3S(s) + 2H2O(l)

Reaksi Hidrolisis FeCl3(aq) + 3 H2O(l) Æ Fe(OH)3(s) + 3 HCl(aq)

Reaksi Substitusi/Agregasi Ionik 2H3AsO3(aq) + 3H2S(g) Æ As2S3(s) + 6 H2O(l)

Reaksi Penggaraman

B. Dispersi Dapat dilakukan dengan cara mekanik maupun dengan cara kimia.

Prinsip umum :

Partikel Besar Æ Partikel Koloid

Yang termasuk cara dispersi: Cara Mekanik

117 Cara ini dilakukan dari gumpalan partikel yang besar kemudian dihaluskan dengan cara penggerusan atau penggilingan. Cara Busur Bredig Digunakan untuk membuat sol-sol logam dengan loncatan bunga listrik. Instrument Busur Bredig dapat dilihat pada Gambar 6.12. Cara Peptisasi Cara peptisasi adalah pembutan koloid dari butir-butir kasar atau dari suatu endapan dengan bantuan pemeptisasi (pemecah).

Contoh : i. Agar-agar dipeptisasi oleh air ; Karet oleh bensin. ii. Endapan NiS dipeptisasi oleh H2S, Endapan Al(OH)3 oleh AlCl3.

Gambar 6.12 Busur Bredig

118 Ringkasan

Sistem koloid sebenarnya terdiri atas dua fase, yaitu fase terdispersi dengan ukuran tertentu dalam medium pendispersi. Zat yang didispersikan disebut fase terdispersi sedangkan sedangkan medium yang digunakan untuk mendispersikan disebut medium pendispersi. Sistem koloid dapat digolongkan berdasarkan pada fase terdispersi dan medium pendisfersinya. Koloid mempunyai sifat-sifat seperti gerak Brown, efek Tyndal, adsorpsi, koagolasi. Koloid dapat dipisahkan dengan dialisis, elektroforesis dan penyaringan ultra. Koloid dapat dibuat dengan kondensasi dan dispersi.

Latihan

1. Jelaskan definisi koloid? 2. Jelaskan perbedaan koloid, larutan dan suspensi? 3. Sebutkan macam-macam koloid. 4. Jelaskan sifat-sifat koloid. 5. jelaskan apa yang dimaksud dengan elektroforesis? 6. sebutkan aplikasi koloid dalam kehidupan sehari-hari.

119

120 7 Kesetimbangan

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Memahami konsep kesetimbangan Menguasai reaksi kesetimbangan reaksi Menguasai faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan Menentukan hubungan kuantitatif antara pereaksi dan hasil reaksi dari suatu reaksi kesetimbangan Menggunakan satuan konsentrasi dalam membuat larutan Tujuan pembelajaran 1. menjelaskan pengertian reaksi kesetimbangan serta tetapan kesetimbangan. 2. menentukan hubungan kuantitatif antara pereaksi dan hasil reaksi dalam menghitung Kc dan Kp dari suatu reaksi kesetimbangan. 3. menentukan pengaruh faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan dalam suatu reaksi kesetimbangan.

121 7.1. Definisi

Kesetimbangan dinamis adalah keadaan dimana dua proses yang berlawanan terjadi dengan laju yang sama, akibatnya tidak terjadi perubahan bersih dalam sistem pada kesetimbangan.

Contoh :

Fe(s) + HCl(aq) Æ FeCl2(aq) + H2(g)

Reaksi dapat berlangsung tuntas, yaitu zat yang direaksikan habis dan terbentuk zat baru.

Gambar 9.1 Reaksi Tuntas

9 Uap mengembun dengan laju yang sama dengan air menguap. 9 Pelarutan padatan, sampai pada titik laju padatan yang terlarut sama dengan padatan yang mengendap saat konsentrasi larutan jenuh (tidak ada perubahan konsentrasi)

Reaksi yang dapat berlangsung dalam dua arah disebut reaksi dapat balik.

Gambar 9.2 Reaksi Bolak-Balik

122 Reaksi dapat berlangsung bolak balik, zat semula (reaktan) direaksikan akan habis dan terbentuk zat baru (produk). Zat baru yang terbentuk dapat dapat direaksikan dengan zat lain menghasilkan zat semula. Reaksi ini disebut reaksi bolak-balik. Hal ini juga bisa digambarkan dengan hal sebagai berikut, yaitu apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri maka, reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. Secara umum reaksii kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai :

A + B C + D

Mula-mula zat A dan zat B sebagai reaktan (tidak harus dalam jumlah yang sama) dicampur dalam suatu tabung reaksi. Konsentrasi A dan B kemudian diukur pada selang waktu tertentu. Bila hasil pengukuran itu digambarkan dalam sebuah grafik konsentrasi sebagai fungsi dari waktu maka akan tampak gambar sebagai berikut:

Konsentrasi

Waktu

Gambar 9.3 Perubahan konsentrasi terhadap waktu

Penurunan konsentrasi A dan B mula-mula terjadi dengan cepat, makin lama semakin lambat sampai pada akhirnya konstan. Sebaliknya yang terjadi pada produk zat C dan D. Pada awal reaksi konsentrasinya = 0, kemudian bertambah dengan cepat tapi makin lama semakin lambat sampai akhirnya menjadi konstan. Pada waktu t = t~ konsentrasi masing-masing zat A, B, C, dan D menjadi konstan, yang berarti bahwa laju reaksi kekiri = laju reaksi kekanan.

7.2 Karakteristik keadaan kesetimbangan

Ada empat aspek dasar keadaan kesetimbangan, yaitu : 1. Keadaan kesetimbangan tidak menunjukkan perubahan makroskopik yang nyata 2. Keadaan kesetimbangan dicapai melalui proses yang berlangsung spontan 3. Keadaan kesetimbangan menunjukkan keseimbangan dinamik antara proses maju atau balik 4. Keadaan kesetimbangan adalah sama walaupun arah pendekatannya berbeda

123 7.3 Macam - macam sistem kesetimbangan, yaitu :

1. Kesetimbangan dalam sistem homogen a. Kesetimbangan dalam sistem gas-gas Contoh : 2SO2(g) + O2(g) ļ 2SO3(g)

b. Kesetimbangan dalam sistem larutan-larutan 4+ - Contoh : NH4OH(aq) ļ NH (aq) + OH (aq)

2. Kesetimbangan dalam sistem heterogen a. Kesetimbangan dalam sistem padat gas Contoh : CaCO3(s) ļ CaO(s) + CO2(g)

b. Kesetimbangan sistem padat larutan 2+ 2- Contoh : BaSO4(s) ļBa (aq) + SO4 (aq)

c. Kesetimbangan dalam sistem larutan padat gas Contoh : Ca(HCO3)2(aq) ļ CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

7.4 Konstanta kesetimbangan

Konstanta ksetimbangan yang dinyatakan dengan term konsentrasi (Kc) dapat mempunyai harga yang sangat besar atau sangat kecil. Bila konstanta kesetimbangan (Kc) kecil (Kc < 1), berarti bahwa pada keadaan kesetimbangan konsentrasi dari produk adalah kecil, sehingga konstanta kesetimbangan yang kecil menunjukkan reaksi bolak-balik tidak berlangsung dengan baik. Misalnya jika reaksi :

A(g) + B(g) ļ C(g) + D(g)

Dengan Kc = 10-5 berarti bahwa campuran A dan B tidak banyak menghasilkan C dan D pada kesetimbangan. Bila konstanta kesetimbangan besar (Kc > 1) berarti bahwa konsentrasi reaktan yang tinggal pada kesetimbangan adalah kecil, sehingga harga konstanta kesetimbangan yang besar menunjukkan bahwa reaksi berlangsung ke kanan dengan baik. Misalnya untuk reaksi :

E(g) + F(g) ļ G(g) + H(g)

Dengan harga Kc = 105 berarti campuran E dan F akan berubah hampir sempurna menjadi G dan H. Harga konstanta kesetimbangan dapat ditentukan berdasarkan data eksperimen.

124 7.5 Hukum Guldberg dan Wange :

Gambar 9.4 Guldberg

Dalam keadaan kesetimbangan pada suhu tetap, maka hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi dibagi dengan hasil kali konsentrasi pereaksi yang sisa dimana masing-masing konsentrasi itu dipangkatkan dengan koefisien reaksinya adalah tetap. Pernyataan tersebut juga dikenal sebagai hukum kesetimbangan. Untuk reaksi kesetimbangan : a A + b B ļ c C + d D maka:

Kc = (C)c x (D)d / (A)a x (B)b

Kc adalah konstanta kesetimbangan yang harganya tetap selama suhu tetap.

Berikut adalah contoh soal tentang pergeseran kimia.

Contoh 1 :

CO(g) + 3H2(g) ļ CH4(g) + H2O(g)

>@>@CH H O Kc = 4 2 3 >@>@CO H 2

2N2(g) + 3H2(g) ļ 2NH3(g)

>@NH 2 Kc = 3 2 3 >@>@N 2 H 2

125 Contoh 2 :

Dalam ruang 2 L pada suhu t ºC direaksikan 0,7 mol gas N2 dan 1 mol gas H2. pada saat kesetimbangan dalam ruang terdapat 0,4 mol gasNH3. tentukan harga Kc pada suhu tersebut !!!

Jawaban : Reaksinya adalah : 2N2(g) + 3H2(g) ļ 2NH3(g) ő mol mula-mula 0,7 1 ő mol yang berubah ½ x 0,4 2/3 x 0,4 ~ 0,4 0,2 0,6 --- - ő mol dalam keadaan 0,5 mol 0,4 mol 0,4 mol setimbang 0,5 0,4 0,4 >@N mol / L >@H mol / L >@NH mol / L 2 2 2 2 3 2 = 0,25 M = 0,2 M = 0,2 M

2 2 >@NH 3 >@0,2 Kc = 2 3 = 3 = 20 M >@>@N 2 H 2 >@>@0,25 0,2

7.6 beberapa hal yang harus diperhatikan

Gambar 9.5 kesetimbangan gas

Jika zat-zat terdapat dalam kesetimbangan berbentuk padat dan gas, maka yang dimasukkan dalam persamaan kesetimbangan hanya zat-zat yang berbentuk gas saja sebab konsentrasi zat padat adalah tetap dan nilainya telah terhitung dalam harga Kc itu.

Contoh : C(s) + CO2(g) ļ 2CO(g) 2 Kc = (CO) / (CO2)

Jika kesetimbangan antara zat padat dan larutan yang dimasukkan dalam perhitungan Kc hanya konsentrasi zat-zat yang larut saja.

2+ 2+ Contoh : Zn(s) + Cu (aq) ļ Zn (aq) + Cu(s) 2+ 2+ Kc = (Zn ) / (CO )

126 Untuk kesetimbangan antara zat-zat dalam larutan jika pelarutnya tergolong salah satu reaktan atau hasil reaksinya maka konsentrasi dari pelarut itu tidak dimasukkan dalam perhitungan Kc.

- Contoh : CH3COO (aq) + - H2O(l) ļ CH3COOH(aq) + OH (aq) - - Kc = (CH3COOH) x (OH ) / (CH3COO )

Contoh soal:

1. Satu mol AB direaksikan dengan satu mol CD menurut persamaan reaksi :

AB(g) + CD(g) ļ AD(g) + BC(g)

Setelah kesetimbangan tercapai ternyata 3/4 mol senyawa CD berubah menjadi AD dan BC. Kalau volume ruangan 1 liter, tentukan tetapan kesetimbangan untuk reaksi ini !

Jawab:

Perhatikan reaksi kesetimbangan di atas jika ternyata CD berubah (bereaksi) sebanyak 3/4 mol maka AB yang bereaksi juga 3/4 mol (karena koefsiennya sama). Dalam keadaan kesetimbangan:

(AD) = (BC) = 3/4 mol/l (AB) sisa = (CD) sisa = 1 - 3/4 = 1/4 n mol/l

Kc = [(AD) x (BC)]/[(AB) x (CD)] = [(3/4) x (3/4)]/[(1/4) x (1/4)] = 9

2. Jika tetapan kesetimbangan untuk reaksi : A(g) + 2B(g) ļ 4C(g)

sama dengan 0.25, maka berapakah besarnya tetapan kesetimbangan bagi reaksi: 2C(g) ļ 1/2A(g) + B(g)

Jawab: - Untuk reaksi pertama: 4 2 K1 = (C) /[(A) x (B) ] = 0.25 - Untuk reaksi kedua : 1/2 2 K2 = [(A) x (B)]/(C) - Hubungan antara K1 dan K2 dapat dinyatakan sebagai : 2 K1 = 1 / (K2) & K2 = 2

127 7.7 Azas Le Chatelier

Pengaruh dari luar sering dikatakan dengan memasukkan gangguan pada kesetimbangan. sistem akan mengatur untuk mengurangi gangguan.

Gambar 9.6 Le Chatelier

Bila pada sistem kesetimbangan diadakan aksi, maka sistem akan mengadakan reaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi itu menjadi sekecil-kecilnya. Perubahan dari keadaan kesetimbangan semula ke keadaan kesetimbangan yang baru akibat adanya aksi atau pengaruh dari luar itu dikenal dengan pergeseran kesetimbangan.

Gambar 9.7 Pergeseran kesetimbangan

Bagi reaksi: A + B ļ C + D

128

Kemungkinan terjadinya pergeseran

Reaksi bergeser ke 1. Dari kiri ke kanan, berarti A bereaksi dengan B memhentuk C arah zat yang ditambahkan atau dan D, sehingga jumlah mol A dan Bherkurang, sedangkan C diganti dengan zat dan D bertambah. yang dihilangkan 2. Dari kanan ke kiri, berarti C dan D bereaksi membentuk A dan B. sehingga jumlah mol C dan D berkurang, sedangkan A dan B bertambah.

129 7.8 Faktor-faktor yang dapat menggeser letak kesetimbangan

a. Perubahan konsentrasi salah satu zat b. Perubahan volume atau tekanan c. Perubahan suhu

7.8.1. Perubahan Konsentrasi Salah Satu Zat

Gambar 7.8 Pengaruh Konsentrasi dalam Pergeseran Kimia

Apabila dalam sistem kesetimbangan homogen, konsentrasi salah satu zat diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan dari zat tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu zat diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak zat tersebut.

Contoh : 2SO2(g) + O2(g) ļ 2SO3(g)

Bila pada sistem kesetimbangan ini ditambahkan gas SO2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi gas O2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

130 7.8.2. Perubahan volume atau tekanan

Gambar 7.9 Pengaruh Volume / Tekanan dalam Pegeseran kesetimbangan

Jika dalam suatu sistem kesetimbangan dilakukan aksi yang menyebabkan perubahan volume (bersamaan dengan perubahan tekanan), maka dalam sistem akan mengadakan berupa pergeseran kesetimbangan.

Jika tekanan diperbesar = volume diperkecil, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah Koefisien Reaksi Kecil.

Jika tekanan diperkecil = volume diperbesar, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah Koefisien reaksi besar.

Pada sistem kesetimbangan dimana jumlah koefisien reaksi sebelah kiri = jumlah koefisien sebelah kanan, maka perubahan tekanan/volume tidak menggeser letak kesetimbangan.

Contoh : N2(g)+3H2(g) ļ 2NH3(g)

Koefisien reaksi di kanan = 2

Koefisien reaksi di kiri = 4

Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperbesar (=volume diperkecil), maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan. Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperkecil (=volume diperbesar), maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

131 7.8.3. Perubahan suhu

Gambar 7.10 Pengaruh suhu dalam pergeseran kimia.

Menurut Van't Hoff:

Gambar 7.11 Van’t Hoff

Bila pada sistem kesetimbangan subu dinaikkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membutuhkan kalor (ke arah reaksi endoterm).

Bila pada sistem kesetimbangan suhu diturunkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membebaskan kalor (ke arah reaksi eksoterm). Contoh: 2NO(g) + O2(g) ļ 2NO2(g) ; ¨H = -216 kJ Jika suhu dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

132 7.8.4. Pengaruh Katalisator Terhadap Kesetimbangan

Gambar 7.12 pengaruh katalisator

Fungsi katalisator dalam reaksi kesetimbangan adalah mempercepat tercapainya kesetimbangan dan tidak merubah letak kesetimbangan (harga tetapan kesetimbangan Kc tetap), hal ini disebabkan katalisator mempercepat reaksi ke kanan dan ke kiri sama besar.

7.9 Hubungan Antara Harga Kc Dengan Kp

Untuk reaksi umum: a A(g) + b B(g) ļ c C(g) + d D(g)

Harga tetapan kesetimbangan:

c d a b Kc = [(C) . (D) ] / [(A) .(B) ] c d a b Kp = (PC x PD ) / (PA x PB )

Dimana : PA, PB, PC dan PD merupakan tekanan parsial masing- masing gas A, B, C dan D. Untuk gas ideal berlaku : pV = nRt C = p/RT CA = pA/RT CB = pA/RT dan seterusnya.

C c D d K c Aa B b

( pC / RT )c ( pD / RT) d

( pA/ RT) a ( pB / RT)b pC c pD d K (1/ RT)cd ab c pAa pB b

133 ¨n Kc = Kp(1/RT) Secara matematis, hubungan antara Kc dan Kp dapat diturunkan sebagai:

¨n Kp = Kc (RT) dimana ¨n adalah selisih (jumlah koefisien gas kanan) dan (jumlah koefisien gas kiri). Contoh: Jika diketahui reaksi kesetimbangan: CO2(g) + C(s) ļ 2CO(g) o Pada suhu 300 C, harga Kp= 16. Hitunglah tekanan parsial CO2, jika tekanan total dalaun ruang 5 atm!

Jawab: Misalkan tekanan parsial gas CO = x atm, maka tekanan parsial gas CO2 = (5 - x) atm. 2 2 Kp = (PCO) / PCO2 = x / (5 - x) = 16 Æ x = 4 Jadi tekanan parsial gas CO2 = (5 - 4) = 1 atm

7.9.1. Kesetimbangan Heterogen

Gambar 7.13 kesetimbangan heterogen

Perhatikan reaksi dekomposisi berikut : CaCO3(p) ļ CaO(p) + CO2(g) Campuran dua zat padat yang tidak membentuk larutan padat terdiri dari dua fasa, masing-masing adalah senyawa yang murni dan mempunyai komposisi yang konstan. Kc = CO2 Kp = PCO2 ¨n Kp = Kc . RT

134 7.9.2. Kesetimbangan Donnan

Gambar 7.14 Frederick G. donnan

Teori kesetimbangan Donnan (1911) adalah mengenai kesetimbangan antara dua elektrolit yang terpisah oleh suatu selaput ataupun jel, bilamana sekurang-kurangnya satu dari kedua elektrolit itu mengandung suatu ion misalnya ion koloid yang tidak dapat mendifusi melalui selaput itu. Kesetimbanagn Donnan berperan pada berbagai gejala biologi dan bukan biologi.

Gambar 7.15 Kesetimbangan donan dalam membran

Sebagai contoh elektrolit NaCl dengan konsentrasi awal c1 dan NaR dengan konsentrasi awal c2, terpisah oleh suatu membran MM yang tak dapat dilalui oleh ion besar R-.ion R- misalnya ion protein, ion kongo merah, atau suatu zat pewarna koloid. NaCl dengan aktivitas a1 diruang I akan berdifusi keruang II menjadi aktivitas a2 dengan perubahan energi bebas Gibbs :

G = RT ln a1/a2

Pada akhirnya terjadi kesetimbanagn jika :

135 ¨G = 0 a1 = a2

Dengan kesetimbangan Donnan dapat dipahami secara kualitatif terjadinya potensial biolistrik dalam sel-sel dan badan hewan namun potensial itu kerap lebih besar dari yang dapat dihitung dengan menggunakan rumus diatas. Belut listrik mempunyai potensial listrik ampai 100 Volt yang digunakannya sebagai senjata.

7.10 Dissosiasi

Disosiasi adalah penguraian suatu zat menjadi beberapa zat lain yang lebih sederhana.

Gambar 7.16 dissosiasi

Derajat disosiasi adalah perbandingan antara jumlah mol yang terurai dengan jumlah mol mula-mula.

Gambar 7.17 Dissosiasi Unimolecular

Contoh: 2NH3(g) ļ N2(g) + 3H2(g) besarnya nilai derajat disosiasi (Ş):

136

Į = mol NH3 yang terurai / mol NH mula-mula 3

Harga derajat disosiasi terletak antara 0 dan 1, jika: a = 0 berarti tidak terjadi penguraian a = 1 berarti terjadi penguraian sempurna 0 < Ş < 1 berarti disosiasi pada reaksi setimbang (disosiasi sebagian).

Contoh: Dalam reaksi disosiasi N2O4 berdasarkan persamaan N2O4(g) ļ 2NO2(g) banyaknya mol N2O4 dan NO2 pada keadaan setimbang adalah sama. Pada keadaan ini berapakah harga derajat disosiasinya ?

Jawab: Misalkan mol N2O4 mula-mula = a mol mol N2O4 yang terurai = a Ş mol Æ mol N2O4 sisa = a (1 - Ş) mol mol NO2 yang terbentuk = 2 x mol N2O4 yang terurai = 2 a Ş mol

Pada keadaan setimbang: mol N2O4 sisa = mol NO2 yang terbentuk a(1 - Ş ) = 2a Ş Æ 1 - Ş = 2 Ş Æ Ş = 1/3

KESIMPULAN

Kesetimbangan dinamik. ketika dua zat kimia yang berbeda bereakasi pada laju yang sama, maka sistem tersebut berada dalam keadaan kesetimbangan dinamik dan konsentrasi dari reaktan dan produk konstan.

Prinsip Le Chatelier’s. Prinsip ini adalah suatu keadaan dimana ketika kesetimbangan terganggu, perubahan kimia terjadi pada arah yang berlawanan dengan gangguan yang mempengaruhi dan membawa sistem ke keadaan kesetimbangan lagi.

SOAL-SOAL

0 1. Pada suhu 21,5 C dan total tekanan 0,0787 atm N2O4 terdisosias sebanyak 48,3% menjadi NO2. tentukan harga Kc. Pada tekanan berapa disosiasi menjadi 10%?

2. Tetapan kesetimbangan pada 350 K untuk reaksi :

Br2(g) + I2(g) ļ 2 IBr(g)

137

Adalah 322. Brom ini dengan tekanan parsial awal 0,05 atm dicampur dengan iodin dengan tekanan parsial 0,04 atm dan dijaga keadaanya pada suhu 350 K sampai kesetimbangan tercapai. Hitung tekanan parsial kesetimbanagn untuk tiap-tiap gas.

3. Sebuah kotak bejana yang berisi CO, Cl2, dan COCl2 ada dalam kesetimbangan pada suhu 1000 K. Tunjukkan secara kualitatif bagaimana pengaruh a. Konsentrasi b. Jumlah mol masing-masing komponen bila kedalam bejana : - dimasukkan CO - diberi tambahan tekanan - CO dihilangkan

4. Diketahui reaksi kesetimbangan : A.NH3(g) + HCl(g) ļ NH4Cl(g) B.N2(g) + 3H2(g) ļ 2NH3Cl(g) C.N2O4(g) ļ 2NO2(g) D.H2(g) + I2(g)ļ 2Hl2(g) a. A dan B b. A dan D c. A dan C d. C e. D f. 5. Pada kesetimbangan 2SO2(g) + O2(g)ļ2SO3(g) +189,64 kj Konsentrasi SO3 dalam ruang akan bertambah jika...... a. Volume ruang diperbesar b. Konsentrasi gas O2 dikurangi c. Tekanan ruang dikurangi d. Suhu diturunkan e. Konsentrasi gas SO2 dikurangi

6. Reaksi kesetimbangan H2(g) + I2(g)ļ2HI(g) Tekanan dalam sistem diperbesar, maka kesetimbangan .... a.Bergeser ke kanan b. Bergeser ke kiri c.Tidak bergeser d. Berhenti sementara e. Berhenti selamanya

7. Reaksi kesetimbangan NH3(g) + CO2(g)ļCO(NH2)2(s) Pada suhu dan volume tetap, ditambahkan katalis, maka ... a. Kesetimbangan tidak bergeser b. Kesetimbangan bergeser ke kiri c. Kesetimbangan bergeser ke kanan

138 d. Kesetimbangan terhenti e. Terjadi perubahan katalis

8. Reaksi kesetimbangan N2(g) + 3H2(g) ļ 2NH3(g) Pada 27 ºC mempunyai harga Kp = 2,5 x 10-3 atm-2, maka harga Kc-nya adalah...... a. 1,26 mol-2 L2 b. 4,10 mol-2 L2 c. 16,81 mol-2 L2 d. 250 mol-2 L2 e. 400 mol-2 L2

SOAL :

1. Perhatikan grafik berikut ini :

v1 v = v 1 2

setimbang v2

Kecepatan (v)

t1 Waktu (t)

Jelaskan grafik hubungan perubahan laju reaksi terhadap waktu pada reaksi kesetimbangan, seperti yang digambarkan pada grafik diatas 2. Tetapan kesetimbangan 2HI ļ H2 + I2 adalah ¼ . Dari ½ mol 3 HI pada volume 1 dm , berapa mol H2 yang dihasilkan ? 3. Contoh aplikasi reaksi kesetimbangan dalam industri adalah pembuatan ammonia yang reaksinya sebagai berikut :

N2(g) + 3H2(g) ļ 2NH3(g) 'H = -92 kJ Menurut proses Haber-Bosch, pembuatan ammonia tersebut harus dilakukan pada tekanan dan suhu yang tinggi. Jelaskan mengapa!

139 140 8 Termokimia

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Menentukan perubahan entalpi Menjelaskan entalpi dan berdasarkan konsep termokimia perubahan entalpi Menentukan perubahan entalpi reaksi Menentukan kalor pembakaran berbagai bahan bakar Tujuan pembelajaran 1. Siswa mampu mendefinisikan pengertian istilah-istilah dalam reaksi termokimia beserta contohnya 1. 2. Siswa mampu menjelaskan pengertian entalpi suatu zat dan perubahannnya.

3. Siswa mampu menentukan 'H reaksi berdasarkan hukum Hess, data perubahan entalpi pembentukan standar, eksperimen dan data energi ikatan

8.1 Definisi Termokimia dapat didefinisikan sebagai bagian ilmu kimia yang mempelajari dinamika atau perubahan reaksi kimia dengan mengamati panas/termal nya saja. Salah satu terapan ilmu ini dalam kehidupan sehari-hari ialah reaksi kimia dalam tubuh kita dimana produksi dari energi-energi yang dibutuhkan atau dikeluarkan untuk semua tugas yang kita lakukan. Pembakaran dari bahan bakar seperti minyak dan batu bara dipakai untuk pembangkit listrik. Bensin yang dibakar dalam mesin mobil akan menghasilkan kekuatan yang menyebabkan mobil berjalan. Bila kita mempunyai kompor gas berarti kita membakar gas metan (komponen utama dari gas alam) yang menghasilkan panas untuk memasak. Dan melalui urutan reaksi yang

141 disebut metabolisme, makanan yang dimakan akan menghasilkan energi yang kita perlukan untuk tubuh agar berfungsi. Hampir semua reaksi kimia selalu ada energi yang diambil atau dikeluarkan. Mari kita periksa terjadinya hal ini dan bagaimana kita mengetahui adanya perubahan energi.

Gambar 8.1 peristiwa termokimia

Misalkan kita akan melakukan reaksi kimia dalam suatu tempat tertutup sehingga tak ada panas yang dapat keluar atau masuk kedalam campuran reaksi tersebut. Atau reaksi dilakukan sedemikian rupa sehingga energi total tetap sama. Juga misalkan energi potensial dari hasil reaksi lebih rendah dari energi potensial pereaksi sehingga waktu reaksi terjadi ada penurunan energi potensial. Tetapi energi ini tak dapat hilang begitu saja karena energi total (kinetik dan potensial) harus tetap konstan. Sebab itu, bila energi potensialnya turun, maka energi kinetiknya harus naik berarti energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Penambahan jumlah energi kinetik akan menyebabkan harga rata-rata energi kinetik dari molekul- molekul naik, yang kita lihat sebagai kenaikan temperatur dari campuran reaksi. Campuran reaksi menjadi panas. Kebanyakan reaksi kimia tidaklah tertutup dari dunia luar. Bila campuran reaksi menjadi panas seperti digambarkan dibawah, panas dapat mengalir ke sekelilingnya. Setiap perubahan yang dapat melepaskan energi ke sekelilingnya seperti ini disebut perubahan eksoterm. Perhatikan bahwa bila terjadi reaksi eksoterm, temperatur dari campuran reaksi akan naik dan energi potensial dari zat-zat kimia yang bersangkutan akan turun. Kadang-kadang perubahan kimia terjadi dimana ada kenaikan energi potensial dari zat-zat bersangkutan. Bila hal ini terjadi, maka energi kinetiknya akan turun sehingga temperaturnya juga turun. Bila sistem tidak tertutup di sekelilingnya, panas dapat mengalir ke campuran reaksi dan perubahannya disebut perubahan endoterm. Perhatikan bahwa bila terjadi suatu reaksi endoterm, temperatur dari campuran reaksi akan turun dan energi potensial dari zat-zat yang ikut dalam reaksi akan naik.

142

Gambar 8.2 Peristiwa kebakaran menghasilkan panas

8.2 Pengukuran energi dalam reaksi kimia Satuan internasional standar untuk energi yaitu Joule (J) diturunkan dari energi kinetik. Satu joule = 1 kgm2/s2. Setara dengan jumlah energi yang dipunyai suatu benda dengan massa 2 kg dan kecepatan 1 m/detik (bila dalam satuan Inggris, benda dengan massa 4,4 lb dan kecepatan 197 ft/menit atau 2,2 mile/jam).

1 J = 1 kg m2/s2

Satuan energi yang lebih kecil yang dipakai dalam fisika disebut erg yang harganya = 1x10-7 J. Dalam mengacu pada energi yang terlibat dalam reaksi antara pereaksi dengan ukuran molekul biasanya digantikan satuan yang lebih besar yaitu kilojoule (kJ). Satu kilojoule = 1000 joule (1 kJ = 1000J). Semua bentuk energi dapat diubah keseluruhannya ke panas dan bila seorang ahli kimia mengukur energi, biasanya dalam bentuk kalor. Cara yang biasa digunakan untuk menyatakan panas disebut kalori (singkatan kal). Definisinya berasal dari pengaruh panas pada suhu benda. Mula-mula kalori didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram air dengan suhu asal 150C sebesar 10C. Kilokalori (kkal) seperti juga kilojoule merupakan satuan yang lebih sesuai untuk menyatakan perubahan energi dalam reaksi kimia. Satuan kilokalori juga digunakan untuk menyatakan energi yang terdapat dalam makanan. Dengan diterimanya SI, sekarang juga joule (atau kilojoule) lebih disukai dan kalori didefinisi ulang dalam satuan SI. Sekarang kalori dan kilokalori didefinisikan secara eksak sebagai berikut :

1 kal = 4,184 J 1 kkal = 4,184 kJ

143 8.3 Panas reaksi dan termokimia

Gambar 8.3 Hubungan sistem dengan lingkungan

Pelajaran mengenai panas reaksi dinamakan termokimia yang merupakan bagian dari cabang ilmu pengetahuan yang lebih besar yaitu termodinamika. Sebelum pembicaraan mengenai prisip termokimia ini kita lanjutkan, akan dibuat dulu definisi dari beberapa istilah. Salah satu dari istilah yang akan dipakai adalah sistim. Sistim adalah sebagian dari alam semesta yang sedang kita pelajari. Mungkin saja misalnya suatu reaksi kimia yang terjadi dalam suatu gelas kimia. Di luar sistim adalah lingkungan. Dalam menerangkan suatu sistim, kita harus memperinci sifat-sifatnya secara tepat. Diberikan suhunya, tekanan, jumlah mol dari tiap zat dan berupa cairan, padat atau gas. Setelah semua variabel ini ditentukan berarti semua sifat-sifat sistim sudah pasti, berarti kita telah menggambarkan keadaan dari sistim. Bila perubahan terjadi pada sebuah sistim maka dikatakan bahwa sistim bergerak dari keadaan satu ke keadaan yang lain. Bila sistim diisolasi dari lingkungan sehingga tak ada panas yang dapat mengalir maka perubahan yang terjadi di dalam sistim adalah perubahan adiabatik. Selama ada perubahan adiabatik, maka suhu dari sistim akan menggeser, bila reaksinya eksotermik akan naik sedangkan bila reaksinya endotermik akan turun. Bila sistim tak diisolasi dari lingkungannya, maka panas akan mengalir antara keduanya, maka bila terjadi reaksi, suhu dari sistim dapat dibuat tetap. Perubahan yang terjadi pada temperatur tetap dinamakan perubahan isotermik. Telah dikatakan, bila terjadi reaksi eksotermik atau endotermik maka pada zat-zat kimia yang terlibat akan terjadi perubahan energi potensial. Panas reaksi yang kita ukur akan sama dengan perubahan energi potensial ini. Mulai sekarang kita akan menggunakan perubahan ini dalam beberapa kuantitas sehingga perlu

144 ditegakkan beberapa peraturan untuk menyatakan perubahan secara umum. Simbol ÷ (huruf Yunani untuk delta) umumnya dipakai untuk menyatakan perubahan kuantitas. Misalnya perubahan suhu dapat ditulis dengan ÷T, dimana T menunjukkan temperatur. Dalam praktek biasanya dalam menunjukkan perubahan adalah dengan cara mengurangi temperatur akhir dengan temperatur mula-mula.

÷T = Takhir – Tmula-mula

Demikian juga, perubahan energi potensial (Ep)

÷(E.P) = EPakhir – EPawal

Dari definisi ini didapat suatu kesepakatan dalam tanda aljabar untuk perubahan eksoterm dan endoterm. Dalam perubahan eksotermik, energi potensial dari hasil reaksi lebih rendah dari energi potensial pereaksi berarti EPakhir lebih rendah dari EPmula-mula. Sehingga harga ÷EP mempunyai harga negatif. Kebalikannya dengan reaksi endoterm, dimana harga ÷EP adalah positif.

8.3.1 Reaksi eksoterm dan endoterm

Gambar 8.4 Peristiwa endoterm (kanan) dan eksoterm (kiri)

a. Reaksi Eksoterm

Pada reaksi eksoterm terjadi perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan atau pada reaksi tersebut dikeluarkan panas. Pada reaksi eksoterm harga ÷H = negatif ( - ) Contoh : C(s) + O2(g) Æ CO2(g) + 393.5 kJ ; ÷H = -393.5 kJ b. Reaksi endoterm

Pada reaksi terjadi perpindahan kalor dari lingkungan ke sistem atau pada reaksi tersebut dibutuhkan panas. Pada reaksi endoterm harga ÷H = positif ( + )

145 Contoh :

CaCO3(s) Æ CaO(s) + CO2(g)- 178.5 kJ ; ÷H = +178.5 kJ

Gambar 8.5 Proses eksoterm dan proses endoterm

8.4 Entalpi (H) dan perubahan entalpi (÷H) Nama lain dari entakpi adalah panas.

Gambar 8.6 Kalorimeter Bomb

Reaksi yang terjadi dalam ”kalorimeter bomb” berada pada volume yang tetap karena bejana bomb tak dapat membesar atau mengecil. Berarti bila gas terbentuk pada reaksi di sini, tekanan akan membesar maka tekanan pada sistim dapat berubah. Karena pada keadaan volume yang tetap maka panas reaksi yang diukur dengan kalorimeter bomb disebut panas reaksi pada volume tetap. Kalorimeter cangkir kopi berhubungan dengan udara dan bila ada

146 reaksi yang menghasilkan gas, gasnya dapat menguap ke udara dan tekanan pada sistim dapat tetap konstan. Maka perubahan energi diukur dengan kalorimeter cangkir kopi adalah panas reaksi pada tekanan tetap. Pengukuran panas reaksi pada reaksi pada volume tetap dan tekanan tetap tak banyak berbeda tapi tidak sama. Karena kebanyakan reaksi yang ada kepentingannya bagi kita dilakukan dalam wadah terbuka jadi berhubungan dengan tekanan udara yang tetap dari atmosfir, maka akan dibicarakan hanya panas reaksi pada tekanan tetap. H = atom hidrogen Panas reaksi pada tekanan tetap disebut perubahan entalpi H = entalpi dan reaksi dan diberikan dengan simbol ÷H. Definisinya :

÷H = Hakhir – Hmula-mula

Walaupun ini merupakan definisi yang biasa dari ÷H, keadaan entalpi H, mula-mula dan akhir (yang sebenarnya berhubungan dengan jumlah energi yang ada pada keadaan ini) tak dapat diukur. Ini disebabkan karena jumlah energi dari sistem termasuk jumlah dari semua energi kinetik dan energi potensialnya. Jumlah energi total ini tidak dapat diketahui karena kita tidak mengetahui secara pasti berapa kecepatan pergerakan molekul-molekul dari sistim dan juga berapa gaya tarik menarik dan tolak menolak antara molekul dalam sistim tersebut. Bagaimanapun definisi yang diberikan oleh persamaan yang diatas sangat penting karena telah menegakkan tanda aljabar ÷H untuk perubahan eksoterm dan endotermik. Perubahan eksotermik Hakhir lebih kecil dari Hmula-mula. Sehingga harga ÷H adalah negatif. Dengan analisis yang sama kita mendapatkan harga ÷H untuk perubahan endotermik harganya positif.

8.5 Istilah yang digunakan pada perubahan entalpi :

Gambar 8.7 Perubahan Entalphi

1. Entalpi Pembentakan Standar ( ÷Hf ): ÷H untuk membentuk 1 mol persenyawaan langsung dari unsur- unsurnya yang diukur pada 298 K dan tekanan 1 atm.

Contoh : H2(g) + 1/2 O2(g) o H2O (l) ; ÷Hf = -285.85 kJ

147 2. Entalpi Penguraian: ÷H dari penguraian 1 mol persenyawaan langsung menjadi unsur-unsurnya (= Kebalikan dari ÷H pembentukan).

Contoh : H2O(l) o H2(g) + 1/2 O2(g) ; ÷H = +285.85 kJ.

3. Entalpi Pembakaran Standar ( ÷Hc ): ÷H untuk membakar 1 mol persenyawaan dengan O2 dari udara yang diukur pada 298 K dan tekanan 1 atm.

Contoh: CH4(g) + 2O2(g) o CO2(g) + 2H2O(l) ; ÷Hc = -802 kJ. 4. Entalpi Reaksi: ÷H dari suatu persamaan reaksi di mana zat-zat yang terdapat dalam persamaan reaksi dinyatakan dalam satuan mol dan koefisien-koefisien persamaan reaksi bulat sederhana.

Contoh: 2Al + 3H2SO4 o Al2(SO4)3 + 3H2 ; ÷H = -1468 kJ 5. Entalpi Netralisasi: ÷H yang dihasilkan (selalu eksoterm) pada reaksi penetralan asam atau basa. Contoh: NaOH(aq) + HCl(aq) o NaCl(aq) + H2O(l) ; ÷H = -890.4 kJ/mol 6. Hukum Lavoisier-Laplace "Jumlah kalor yang dilepaskan pada pembentukan 1 mol zat dari

PA dan PB adalah unsur-unsurnya sama dengan jumlah kalor yang diperlukan untuk tekanan parsial menguraikan zat tersebut menjadi unsur-unsur pembentuknya." yang dihitung Artinya : Apabila reaksi dibalik maka tanda kalor yang terbentuk dengan hukum Raoult’s juga dibalik dari positif menjadi negatif atau sebaliknya.

Contoh: N2(g) + 3H2 o 2NH3 ÷H = - 112 kJ 2NH3(g) o N2(g) + 3H2(g) ; ÷H = + 112 kJ

8.6 Hukum Hess mengenai jumlah panas

Gambar 8. 8 Hess

148 Contoh Soal : Diketahui diagram siklus sebagai berikut :

nilai dari ¨H0 di ambil dari sumber referensi yang tersedia

Gambar 8.9 Diagram siklus panas reaksi

Maka reaksinya bisa digambarkan sebagai berikut :

2S(s) 2O2( g ) o 2SO2( g ) ;'H1

2SO2( g ) O2( g ) o 2SO3(g ) ;'H 2

2S(s) 3O2(g ) o 2SO3(g ) ;'H 3

Jadi ÷H3 = ÷H1 + ÷H2

Gambar 8.10 Siklus Hess

Karena entalpi adalah fungsi keadaan, maka besaran ÷H dari reaksi kimia tak tergantung dari lintasan yang dijalani pereaksi untuk membentuk hasil reaksi. Untuk melihat pentingnya pelajaran mengenai panas dari reaksi ini, kita lihat perubahan yang sudah dikenal yaitu penguapan dari air pada titik didihnya. Khususnya, kita perhatikan perubahan 1 mol cairan air, H2O(l) menjadi 1 mol air 0 berupa gas, H2O(g) pada 100 C dan tekanan 1 atm. Proses ini akan

149 mengabsorbsi 41 kJ, maka ÷H = +41 kJ. Perubahan keseluruhan dapat ditulis dengan persamaan :

H 2O(l) o H 2O( g ) 'H 41kJ

Persamaan yang ditulis diatas, dimana perubahan energi juga diperlihatkan, dinamakan persamaan termokimia. Dalam persamaan termokimia koefisiennya diambil sebagai jumlah mol dari pereaksi dan hasil reaksi. Persamaan termokimia di atas ini menyatakan bahwa 1 mol cairan air telah berubah manjadi 1 mol air berbentuk uap dengan mengabsorbsi 41 kJ kalori. Perubahan 1 mol cairan air menjadi 1 mol uap air selalu akan mengabsorbsi jumlah energi yang sama ini, tentunya bila keadaan mula-mula dan akhirnya sama tak menjadi soal bagaimana kita melakukan perubahan itu. Caranya dapat juga sedemikian jauh yaitu dengan cara menguraikan air tersebut menjadi uap H2 dan O2 lalu menggabungkan kedua unsur ini kembali menjadi uap air. Keseluruhan perubahan entalpinya tetap sama yaitu +41 kJ. Sehingga kita dapat melihat keseluruhan perubahan sebagai hasil urutan langkah-langkah dan harga ÷H untuk keseluruhan proses adalah jumlah dari perubahan entalpi yang terjadi selama perjalanan ini. Pernyataan terakhir ini merupakan bagian dari Hukum Hess mengenai jumlah panas.

8.6.1 Tahap-tahap reaksi

1. Keadaan awal o Keadaan transisi-1, ÷H2 2. Keadaan transisi-1 o Keadaan transisi-2, ÷H3 3. Keadaan transisi-2 o Keadaan akhir, ÷H4(+)

4. Keadaan awal o Keadaan akhir, ÷H1

Jadi, ÷H1 = ÷H2 + ÷H3 + ÷H4 kita membalik persamaan dengan Keadaan transisi mungkin saja lebih dari dua merubah reaktan dan produk. hal ini berarti reaksi Persamaan termokimia berlaku sabagai alat alat yang penting berjalan dari kiri untuk menggunakan hukum Hess. Misalnya persamaan termokimia ke kanan. yang berhubungan dengan cara tak langsung yang baru saja diperlihatkan untuk menguapkan air pada 1000C

1 H O o H O O 'H 283kJ 2 (l) 2 ( g) 2 2 (g ) 1 H O O o H O 'H 242kJ 2 ( g ) 2 2( g ) 2 ( g )

Perhatikan bahwa koefisien pecahan dapat digunakan dalam persamaan termokimia. Ini disebabkan karena koefisien ½ berarti ½ mol (dalam persamaan kimia biasa, koefisien ½ biasanya dihindarkan

150 karena untuk tingkat molekuler tak ada artinya ; setengah atom atau molekul tak ada artinya dalam suatu zat kimia). Kedua persamaan di atas menunjukkan bahwa diperlukan 283 kJ untuk menguraikan 1 mol H2O(l) menjadi unsur-unsurnya dan 242 kJ dikeluarkan ketika unsur-unsur tersebut bergabung lagi membentuk 1 mol H2O(g). Hasil akhir perubahan (penguapan dari satu mol air) didapat dengan menjumlahkan kedua persamaan reaksi dan menghilangkan zat-zat yang ada di kedua belah pihak.

1 H O H O o 2 (l ) 2( g ) 2 2( g ) 1 H O H O 2 ( g ) 2( g ) 2 2( g )

Atau

H 2O(l) o H 2O(g )

Kita dapat juga mengatakan bahwa panas dari keseluruhan reaksi sama dengan jumlah aljabar dari panas reaksi untuk kedua langkah reaksi tersebut.

'H 283kJ (242kJ ) 'H 41kJ

Jadi bila kita menjumlahkan persamaan kimia untuk mendapatkan hasil akhir perubahan harus juga menjumlahkan panas reaksi yang berhubungan.

Gambar 8.11 Diagram Endoterm dan Eksoterm

Untuk menerangkan perubahan termokimia, dapat juga digambarkan secara grafik. Gambar semacam ini biasa disebut diagram entalpi. Perhatikan bahwa titik 0,0 nya adalah entalpi dari unsur-unsur bebasnya. Pemilihan ini hanya secara kesepakatan sebab

151 yang penting adalah menentukan perbedaan dari H. Harga yang pasti dari entalpi absolut tak bisa diketahui. Hanya perbedaan entalpi (÷H) yang bisa diukur.

Gambar 8.12 Diagram tingkat energi Hess

Dimana ÷H1 = ÷H2 + ÷H3 + ÷H4 Keadaan transisi mungkin saja lebih dari dua

Diagram Siklus

Gambar 8.13 Diagram siklus Hess

Dimana ÷H1 = ÷H2 + ÷H3 + ÷H4 Keadaan transisi mungkin saja lebih dari dua

152 8.7 Panas pembentukan Ada suatu macam persamaan termokimia yang penting yang berhubungan dengan pembentukan satu mol senyawa dari unsur- unsurnya. Perubahan entalpi yang berhubungan dengan reaksi ini disebut panas pembentukan atau entalpi pembentukan yang diberi simbol ÷Hf. Misalnya persamaan termokimia untuk pembentukan air dan uap air pada 1000C dan 1 atm masing-masing.

1 H o H O O 2 (l) 2 (g ) 2 2 (l) 'H 283kJ

1 H O o H O 'H 242kJ 2 (g ) 2 2( g ) 2 (g )

Bagaimana dapat kita gunakan persamaan ini untuk mendapatkan panas penguapan dari air? Yang jelas persamaan (1) harus kita balik, lalu dijumlahkan dengan persamaan (2). Jangan lupa untuk mengubah tanda ÷H. (Jika pembentukan H2O (l) eksoterm, seperti dicerminkan oleh ÷Hf yang negatif, proses kebalikannya haruslah endoterm) yang berarti eksoterm menjadi positif yang berarti menjadi endoterm. a. Eksoterm

Gambar 8.14 Eksoterm (menghasilkan panas)

1 H O o H O 'H 'H f 283kJ 2(g) 2 2(g) 2 (l) b. Endoterm 1 H O o H O 'H 'H 283kJ 2 (l) 2 (g ) 2 2 (g ) f

Bila kita jumlahkan persamaan (1) dan (2), kita dapat

H 2O(l) o H 2O(g )

153 Dan panas reaksinya = 'H 'H 'H fH 2O( g ) fH 2O(l)

'H 242kJ (283kJ ) 41kJ

Perhatikan bahwa panas reaksi untuk seluruh perubahan sama dengan panas pembentukan hasil reaksi dikurangi panas pembentukan dari pereaksi. Secara umum dapat ditulis :

§ jumlah'H · § jumlah'H · 'H ¨ f ¸ ¨ f ¸ reaksi ©hasilreaksi ¹ © pereaksi ¹

8.8 Keadaan standard Besarnya ÷Hf tergantung dari keadaan suhu, tekanan dan bentuk fisik (gas, padat, cair, bentuk kristal) dari pereaksi dan hasil reaksi. Misalnya pada temperatur 1000C dan tekanan 1 atm, panas pembentukan cairan air =-283 kJ/mol. Sedangkan pada 250C dan tekanan 1 atm, ÷Hf untuk H2O(l) adalah -286 kJ/mol. Untuk menghindarkan pengulangan menyebutkan keadaan dimana ÷Hf diukur, juga agar dapat dibandingkan harga ÷Hf bermacam-macam senyawa dibuat keadaan standard pada 250C dan tekanan 1 atm. Pada keadaan ini dikatakan suatu zat berada dalam keadaan standar. Panas pembentukan untuk zat-zat pada keadaan standar dinyatakan 0 dengan 'H f . Misalnya panas pembentukan dalam keadaan standar untuk cairan cair

0 'H f 286kJ / mol H 2O(l) adalah panas yang dilepaskan ketika H2 dan O2 dalam bentuk murninya pada temperatur 250C dan 1 atm bereaksi untuk 0 menghasilkan H2O(l) pada 25 C dan 1 atm

154

Tabel 8.1 Entalpi pembentukan Standard

No Zat ¨Hf (kj/mol) 1 Al(s) 0 2 AlCl2(s) -704 3 Al2O3(s) -1676 4 Ba(s) 0 5 BaCO3(s) -1219 6 BaCl2(s) -860,2 7 Ba(OH)2 -998,22 8 BaSO4(s) -2465 9 Ca(s) 0 10 CaCO3(s) -1207 11 CaCl2(s) -795,8 12 CaO(s) -635,5 13 Ca(OH)2(s) -986,6 14 Ca3(PO4)2(s) -4119 15 CaSO3(s) -1156 16 CaSO4(s) -1433 17 C(s, grafit) 0 18 C(s, diamond) +1,88 19 CCl4(l) -134 20 CO(g) -110 21 CO2(g) -394 22 CO2(aq) -413,8 23 H2CO3(aq) -699,65 24 CS2(g) +117 25 CH4(g) -74,9

Tabel Entalpi pembentukan standard tersebut mengandung panas pembentukan standar untuk berbagai macam zat. Tabel semacam ini sangat berguna agar persamaan (2) dapat digunakan untuk menghitung panas reaksi standar, 'H 0 , untuk berbagai perubahan kimia. Dalam mengerjakan perhitungan ini, kita anggap 0 'H f untuk setiap unsur pada keadaan murninya paling stabil pada suhu 250C dan 1 atm = 0. Harga panas pembentukan standar untuk 0 tiap elemen, 'H f =0. Hal ini dapat dimengerti, karena tidak aada perubahan bila kita membentuk bentuk stabil dari unsurnya sendiri. Maka unsur dipakai sebagai titik rujukan dan untuk sampai pada titik rujukan dari titik rujukan tidak memerlukan energi. Berikut adalah contoh-contoh 0 pemakaian 'H f dalam perhitungan.

155 Contoh : menghitung 'H 0 suatu reaksi dari panas pembentukan keadaan standar Soal : Tukang masak yang pandai selalu menyimpan natrium bikarbonat (soda kue) karena dapat dipakai untuk mematikan api yang berasal dari lemak. Hasil urainya dapat menolong mematikan api. Reaksi penguraiannya adalah :

2NaHCO3(s) o Na2CO3(s) H 2O(g) CO2(g) Hitung 'H 0 reaksi ini dalam kilojoule bila diketahui panas pembentukan standar dari pereaksi dan hasil reaksinya. ANALISIS: Kita gunakan persamaan (2) yang menyatakan

0 0 0 'H = ( jumlah 'H f dari hasil reaksi ) – (jumlah 'H f pereaksi)

Berarti kita harus menjumlahkan semua panas yang diberikan atau yang diterima selama pembentukan hasil reaksi dari unsur- unsurnya lalu dikurangi dengan panas yang diberikan atau diterima oleh pereaksi selama pembentukan dari unsur-unsurnya. Tapi harus diingat satuannya. Panas pembentukan adalah energi yag berhubungan dengan pembentukan satu mol suatu senyawa yang mempunyai satuan kJ/mol. Koefisien dari persamaan menunjukkan jumlah mol dari tiap pereaksi sehingga untuk mendapatkan jumlah energi yang diberikan oleh tiap senyawa, kita kalikan panas pembentukan dengan koefisiennya seperti diperlihatkan sebagai berikut ini :

Penyelesaian : Dengan Memakai data pada tabel kita dapat :

ª 1131kJ º 1molNa 2CO3(s) x« » 1131kJ ¬1molNa 2CO3 ¼ ª 242kJ º 1molH 2O( g ) x« » 242kJ ¬«1molH 2O(g ) ¼»

ª 394kJ º 1molCO2( g) x« » 394kJ ¬«1molCO2(g) ¼»

0 Jumlah 'H f dari hasil reaksi = -1767 kJ. Untuk pereaksinya (yang tunggal) :

ª 947,7kJ º 2molNaHCO3(s) x« » 1895kJ ¬«1molNaHCO3(s) ¼»

Harga-harga ini kita masukkan ke dalam persamaan

'H 0 (1767kJ) (1895kJ) 128kJ

156

8.9 Kapasitas panas dan panas spesifik Sifat-sifat air yang memberikan definisi asal dari kalori adalah banyaknya perubahan temperatur yang dialami air waktu mengambil atau melepaskan sejumlah panas. Istilah umum untuk sifat ini disebut kapasitas panas yang didefinisikan sebagai ”jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah temperatur suatu benda sebesar 10C. Kapasitas panas bersifat ekstensif yang berarti bahwa jumlahnya tergantung dari besar sampel. Misalnya untuk menaikkan suhu 1 g air sebesar 10C diperlukan 4,18 J (1 kal), tapi untuk menaikkan suhu 100 g air sebesar 10C diperlukan energi 100 kali lebih banyak yaitu 418 J. Sehingga 1 g sampel mempunyai kapasitas panas sebesar 4,18 J/0C sedangkan 100 g sampel 418J/0C. Sifat intensif berhubungan dengan kapasitas panas adalah kalor jenis (panas spesifik) yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g zat sebesar 10C. Untuk air, panas spesifiknya adalah 4,18 Jg-1C-1. Kebanyakan zat mempunyai panas spesifik yang lebih kecil dari air. Misalnya besi, panas spesifiknya hanya 0,452 J g-1 0C-1. Berarti lebih sedikit panas diperlukan untuk memanaskan besi 1 g sebesar 10C daripada air atau juga dapat diartikan bahwa jumlah panas yang akan menaikkan suhu 1 g besi lebih besar dari pada menaikkan suhu 1 g air. Besarnya panas spesifik untuk air disebabkan karena adanya sedikit pengaruh dari laut terhadap cuaca. Pada musim dingin air laut lebih lambat menjadi dingin dari daratan sehingga udara yang bergerak dari laut ke darat lebih panas daripada udara dari darat ke laut. Demikian juga dalam musim panas, air laut lebih lambat menjadi panas daripada daratan.

Rumus : q = m.c. 't

Keterangan : q = jumlah kalor (Joule) m = massa zat (gram) ÷t = perubahan suhu takhir - tawal) c = kalor jenis

8.10 Kalorimetri

Gambar 8.15 Kalorimetri

157

a. Pengukuran perubahan energi dalam reaksi kimia

Perubahan energi dalam reaksi kimia selalu dapat dibuat sebagai panas, sebab itu lebih tepat bila istilahnya disebut panas reaksi. Alat yang dipakai untuk mengukur panas reaksi disebut kalorimeter (sebetulnya kalori meter, walaupun diketahui sekarang panas lebih sering dinyatakan dalam joule daripada kalori). Ada beberapa macam bentuk dari alat ini, salah satu dinamakan Kalorimeter Bomb yang diperlihatkan pada gambar diatas. Kalorimeter semacam ini biasanya dipakai untuk mempelajari reaksi eksotermik, yang tak akan berjalan bila tidak dipanaskan, misalnya reaksi pembakaran dari CH4 dengan O2 atau reaksi antara H2 dan O2. Alatnya terdiri dari wadah yang terbuat dari baja yang kuat (bombnya) dimana pereaksi ditempatkan. Bomb tersebut dimasukkan pada bak yang berisolasi dan diberi pengaduk serta termometer. Suhu mula-mula dari bak diukur kemudian reaksi dijalankan dengan cara menyalakan pemanas kawat kecil yang berada di dalam bomb. Panas yang dikeluarkan oleh reaksi diabsorpsi oleh bomb dan bak menyebabkan temperatur alat naik. Dari perubahan suhu dan kapasitas panas alat yang telah diukur maka jumlah panas yang diberikan oleh reaksi dapat dihitung.

8.11 Energi Ikatan Dan Entalphi Reaksi

Gambar 8.16 Ikatan persahabatan

Gambar 8.17 Ikatan atom

158 Reaksi kimia antara molekul-molekul memerlukan pemecahan ikatan yang ada dan pembentukan ikatan baru dengan atom-atom yang tersusun secara berbeda. Para kimiawan telah mengembangkan metode untuk mempelajari spesies antara yang sangat reaktif, yaitu yaitu spesies yang ikatannya telah pecah dan belum tersusun kembali. Sebagai contoh, atom hidrogen dapat diambil dari molekul metana,

CH 4 (g) o CH 3 (g) H (g)

Dengan meninggalkan dua fragmen, yang keduanya tidak mempunyai struktur elektron valensi yang stabil dalam gambaran elektron-titik Lewis. Keduanya akan terus bereaksi secara tepat dengan molekul atau fragmen lainnya, lalu mebentuk hasil reaksi yang stabil. Namun demikian, selama keberadaan singkat spesies reaktif tersebut, banyak sifatnya dapat diukur. Suatu kuantitas penting yang diukur adalah perubahan entalpi ketika suatu ikatan pecah dalam fasa gas yang disebut entalpi ikatan. Entalpi ini selalu positif sebab kalor harus diberikan ke dalam kumpulan moleku-molekul yang stabil untuk memecahkan ikatannya. Sebagai contoh, entalpi ikatan untuk C-H dalam metana adalah 438 kJmol-1, perubahan entalpi standar yang diukur untuk reaksi :

0 CH 4 (g) o CH 3(g) H (g) 'H 438kJ

Dimana satu mol ikatan C-H dipecah, satu untuk setiap molekul metana. Entalpi ikatan agak berbeda sari satu senyawa senyawa lainnya.

Contoh soal reaksi endoterm dan eksoterm:

1 H (g) O (g) o H O(g) 'H 242kJ 2 2 2 2

Persamaan di atas dapat diubah sebagai berikut :

1 H (g) O (g) o H O(g) 'H 242kJ 2 2 2 2

Jika ÷H = - , reaksi yang terjadi adalah reaksi ekroterm (melepas kalori) Pada pembentukan 1 mol H2O(g), terjadi pelepasan panas sebesar 242 kJ.

1 H (g) O (g) o H O(g) 242kJ 2 2 2 2

Pada pembentukan 2 mol H2O (g), ÷H = -484 kJ.

159 1 H O(g) o H (g) O (g) 'H 242kJ 2 2 2 2 Hukum Hess :

C(s) O2 (g) o CO2 (g) 2H 2 (g) O2 (g) o 2H 2O(l) 4C(s) 4H 2 (g) O2 (g) o C3 H 7COOH(aq) 'H 94kJ 'H 136kJ 'H 125kJ

Maka ÷H reaksinya sebagai berikut

C3 H 7COOH (aq) 5O2 (g) o 4CO2 (g) 4H 2O(l)

Tips : Posisi Unsur-unsur harus bersesuaian (arah reaksi dibalik jika tidak sesuai sehingga ÷H berubah tanda) Koefisien reaksi harus sebanding dengan besar ÷H Hasil akhir harus sesuai dengan reaksi yang terjadi Sehingga : Reaksi ke-1 dikalikan 4 (4CO2(g)) Reaksi ke-2 dikalikan 2 (4H2O(l))

Arah reaksi ke-3 dibalik :

C3 H 7COOH (aq) o 4C(s) 4H 2 (g) O2 (g) 4C(s) 4O2 (g) o 4CO2 (g) 4H 2 (g) 2O2 (g) o 4H 2O(l) 'H 125kkal 'H 376kkal 'H 272kkal

'H 523kkal C3 H 7COOH(aq) 5O2 (g) o 4CO2 (g) 4H 2O(l)

Contoh entalpi pembentukan :

1. 2H 2O(l) o 2H 2 (g) O2 (g) 572 Maka ÷H pembentukan H2O = 2 = -286 kJ (Lihat arah reaksi dan kosfisien reaksi dari H2O)

2.÷H reaksi dari

3V2O3 o V2O5 4VO Jika diketahui : ÷Hf V2O3 = -290 kkal ÷Hf V2O5 = -370 kkal ÷Hf VO = -100 kkal ÷H reaksi = {(-370 kkal) + 4(-100 kkal)}-{3(-290 kkal)} = -770 kkal + 870 kkal = 100 kkal

160

Contoh energi ikatan : Entalpi pembentukan NH3 adalah -46 kJ. Jika energi ikatan H-H = 436 kJ, energi ikatan N-H = 390 kJ, berapakah energi ikatan N { N ? Penyelesaian : 1 3 N H o NH 2 2 2 2 3 'H 46kJ

N2 3H 2 o 2NH3 'H 92kJ

N { N 3H 2 o 2NH 3

÷Hreaksi={(energiIkatan N { N) 3 (energi ikatan H-H))-{2(3 energi ikatan N-H)}- 92 kJ = {(energi ikatan N { N) +3(436))-{2(3x390)}- 92 kJ = {(energi ikatan N { N) +1308)-{2340}

Jadi energi ikatan N { N sebagai berikut = - 92 + 2340 – 1308 kJ = 940 kJ. Contoh Entalpi pembakaran : Entalpi pembakaran C2H2 adalah -1300 kJ dapat dituliskan sebagai berikut :

5 C H O o 2CO H O 'H 1300kJ 2 2 2 2 2 2

Contoh Soal :

1.1/ 2H 2(g ) 1/ 2F2(g ) o HF(g ) ;'H1 268,61kj / mol

C(s) 2F2( g ) o CF4(g ) ;'H 2 679,9kj / mol

2C(s) 2H 2( g ) o C2 H 4( g) ;'H 3 52,3kj / mol

Tentukan ÷H reaksi (÷H4)

C2 H 4( g) 6F2( g ) o 2CF4( g ) 4HF(g ) Buatlah diagram siklus dan diagram tingkat energinya!

Jawab : Ada 4 tahapan reaksi Keadaan awal : C2H4(g) + 6 F2(g) Keadaan akhir : 2CF4(g)+ 4 HF(g)

Tahap reaksi 1,2 dan 3 diatur letaknya (kiri/kanan) dan koefisiennya dicocokkan (dikalikan dengan suatu bilangan) agar jika dijumlahkan hasilnya menjadi tahap reaksi 4.

÷H4 = 2H1 + 2÷H2 - ÷H3

161 = {2(-268,61) + 2(-679,9) – 52,3} kj/mol = -1949,32 kj/mol Tahap-tahap reaksi : 1. H2(g) + F2(g) o 2HF(g) ; ÷H1 x 2 2. C(s) + 2F2(g) o CF4(g) ; ÷H2 x 2 3. C2H4(g) + 2C(s) o 2H2(g) ; ÷H3 x -1

4.C2H4(g) + 2C(s) o 2CF4(g) + 4HF(g) ; ÷H4

Gambar 8.18 Diagram siklus

Gambar 8.19 Diagram tingkat energi

2. Diketahui :

Zn(s) + S(g) o ZnS(s) ; ÷H1 = -48 kkal Entalpi pembentukan (÷H3) ZnSO4(s) = -238 kkal Tentukan ÷H2 ZnS(s) + O2(g) o ZnSO4(s) dalam kkal

162 Zn(s) + S(g) o ZnS(s) ; ÷H1 = -48 kkal ZnS(s) + O2(g) o ZnSO4 ; ÷H2 = ? kkal

Zn(s) + S(g) + 2O2(g) o ZnSO4 ; ÷H3 = -238 kkal ÷H3 = ÷H1 + ÷H2 ÷H2 = ÷H3 - ÷H1 = -238-(-48) = -190 kkal

3. Diketahui tahap reaksi berikut : 2NO2 + H2 o N2O3 + H2O ; ÷H1 = 20 kkal N2O5 + 3H2 o 2NO + 3H2O ; ÷H2 = 60 kkal N2O3 + H2 o 2NO + H2O ; ÷H3 = 10 kkal Tentukan ÷H4 N2O5 + H2 o 2NO2 + H2O!!! Buatlah diagram siklus dan diagram tingkat energinya!!!

KESIMPULAN

Panas spesifik dan kapasitas panas. dua sifat termal pada semua zat adalah Panas spesifik dan kapasitas panas. kapasitas panas seperti massa, yaitu fungsi dari ukuran sampel. kapasitas panas adalah jumlah Joule yang dibutuhkan untuk merubah suhu dari sampel yang masuk oleh 1 derajat celcius. panas spesifik adalah kapasitas panas per gram.

163 Termokimia. panas rekasi, q, dapat dihitung dari perubahan suhu ketika diketahui jumlah reaktan menuju reaksi pada sistem yang diketahui sebagai kapasitas panas.

Latihan Soal : 1. Diketahui reaksi-reaksi :

Mg HCl o MgCl2 H 2 ;'H1 Mg 1 O o MgO;'H 2 2 2

Mg(OH ) 2 2HCl o MgCl2 2H 2O;'H 3

Maka ÷H4 reaksi : MgO 2H O o Mg(OH) H 1 O adalah... 2 2 2 2 2 a. ÷H3 + ÷H1 + ÷H2 b. ÷H3 - ÷H1 + ÷H2 c. ÷H1 - ÷H3 - ÷H2 d. ÷H3 + ÷H1 + ÷H2 e. ÷H3 + ÷H1 + ÷H2

2. Diketahui reaksi-reaksi :

CO(g ) SiO2(s) o SiO(g ) CO2(g ) ;'H 520,90kj

8CO2(g ) Si3 N 4(s) o 3SiO2(s) 2N 2O( g ) 8CO(g ) ;'H 461,05kj Maka ÷H untuk reaksi :

5CO2(g ) Si3 N 4(s) o 3SiO(g ) 2N 2O(g ) 5CO(g ) adalah... a. 58,95 kj b. 981,95 kj c. 1101,65 kj d. 1904,05 kj e. 2023,75kj

3. Perubahan entalpi yang diukur pada pembakaran keton,

CH 2CO(g ) 2O2(g ) o 2CO2(g ) H 2O(g ) ;'H1 981,1kj Perubahan entalpi pada pembakaran metana,

CH 4(g ) 2O2(g ) o CO2( g ) 2H 2O( g ) ;'H 2 802,3kj Perubahan entalpi untuk reaksi :

2CH 4(g ) 2O2(g ) o CH 2CO(g ) 3H 2O( g ) ;'H 3 adalah. a. -623,5 kj b. -178,8 kj c. -2585,7 kj d. -1783,4 kj e. +178,8 kj

4. Perubahan entalpi pembakaran belerang monoklin menjadi SO2(g) adalah -9,376 kj/g, dalam kondisi yang sama

164 pembakaran belerang berbentuk rombik menjadi SO2(g) adalah -9,293 kj/g. Maka ÷H/g untuk perubahan S(monoklin) o S(rombik) adalah... a. -0,083 kj b. -0,991 kj c. -1,009 kj d. -18,669 kj e. -87,132 kj

5. Diketahui :

H 2(g ) O2( g ) o H 3O(l) ;'H 285,8kj

C(s) O2( g ) o CO2(g ) ;'H 393,5kj

C2 H 5Cl(g ) o C2 H 4(g ) HCl(g ) ;'H 71,3kj

2CO2(g ) 2H 2O(l) o C2 H 4(g ) 3O2(g ) ;'H 1410,8kj

H 2(g ) Cl2(g ) o 2HCl(g ) ;'H 184,9kj Berdasarkan data ini, maka entalpi pembentukan kloroetana, C2H5Cl(g) dalam kj/mol adalah ... a. -112,3 b. -164,4 c. -252,3 d. -566,9 e. -2429,2

6. Perhitungan ÷H berikut ini yang benar adalah ...

a. ÷H2 - ÷H1 = ÷H5 b. ÷H1 + ÷H2 = ÷H5 c. ÷H3 + ÷H4 = ÷H5 d. ÷H1 + ÷H4 = ÷H2 + ÷H3 e. ÷H1 + ÷H3 = ÷H2 + ÷H4

7. Dua unsur gas A dan B dapat bereaksi membentuk senyawa AB sebagai berikut :

A(g ) B(g ) o AB(g ) ;'H X

A(g ) B(g ) o AB(l) ;'H Y

A(g ) B(g ) o AB(s) ;'H Z

165 Maka kalor penghabluran AB, adalah ...

a. Z b. X-Y-Z c. Z-X d. X-Z e. X+Y+Z

8. Jika gas A dan gas B dapat bersenyawa membentuk AB(g), AB(l), AB(s) dengan ÷H berturut adalah +X,+Y, +Z maka diagram siklus yang ÷Hnya tidak tepat adalah ...

166 9 Elektrokimia

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Menjelaskan perbedaan reaksi oksidasi dan reduksi Menjelasakan cara penyetaraan reaksi redoks Menentukan potensial sel elektrokimia Tujuan pembelajaran 1. Mempelajari dan memahami peristiwa reaksi reduksi dan oksidasi. 2. Mempelajari dan menghafal harga bilangan oksidasi unsur-unsur kimia berdasarkan golongannya.

3. Mempelajari dan memahami langkah-langkah penyetaraan reaksi redoks. 4. Mempelajari dan memahami penyetaraan persamaan redoks. 5. Mempelajari dan memahami perbedaan oksidasi dan reduksi. 6. Mengamati dan mempelajari reaksi-reaksi yang terjadi pada sel elektrokimia, komponen-komponen yang terlibat dan aplikasinya.

167 7. Mempelajari dan mengamati potensial elektroda yang melibatkan reaksi, penghitungan dan aplikasi. 8. Mempelajari hukum Faraday pada reaksi elektrolisis dan aplikasinya dalam penghitungan. 9. Mempelajari dan memahami fenomena korosi, reaksi yang terjadi, faktor-faktor yang mempengaruhi dan cara menghambat reaksi korosi.

9.1 Reaksi redoks

Gambar 9.1 Peristiwa redoks

Reaksi reduksi adalah reaksi penangkapan elektron atau reaksi terjadinya penurunan bilangan oksidasi. Sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron atau reaksi terjadinya kenaikan bilangan oksidasi. Jadi, reaksi redoks adalah (reduksi dan oksidasi) adalah reaksi penerimaan dan pelepasan elektron atau reaksi terjadinya penurunan dan kenaikan bilangan oksidasi.

Contoh soal : 1. Manakah yang termasuk reaksi redoks? a. NaOH + HCl Æ NaCl + H2O + -( b. Ag (Aq) + Cl Aq) Æ AgCl(s) c. CaCO3 Æ CaO + CO2 d. CuO + CO Æ Cu + CO2 e. O2 + O Æ O3 Jawab : d Perhatikan atom Cu dari biloks +2 (pada CuO) berubah menjadi 0 (pada Cu). Jika satu atom mengalami perubahan, termasuk redoks karena pasti akan diikuti oleh perubahan lainnya.

2. Manakah reaksi berikut yang bukan termasuk reaksi redoks? a. Zn + 2H2SO4 Æ ZnSO4 + H2 2- + 2- b. 2CrO4 + 2H Æ Cr2O7 + H2O c. Cu2+ + Ni Æ Cu + Ni2+ d. C3H8 + 5O2 Æ 3CO2 + 4H2O e. Cl2 + 2KOH Æ KCl + KClO + H2O

168 Jawab : Perhatikan pilihan semua jawaban. semuanya ada atomik (biloks 0) membentuk senyawanya. Berarti biloks ada yang positif ada yang negatif. Dari 0 ke positif atau negatif berarti ada perubahan dan ini berarti reaksi redoks. Sedangkan 2- 2- pilihan b biloks pada Cr2O4 sebesar +6 dan pada Cr2O7 sebesar +6 jadi tidak ada perubahan biloks

Pengertian Bilangan Oksidasi : Muatan listrik yang seakan-akan dimiliki oleh unsur dalam suatu senyawa atau ion. Dasar : reaksi redoks (reduksi oksidasi) Contoh: Dalam reaksi Fe dan Cu+2, Fe mengalami kenaikan bilangan oksidasi (oksidasi); Cu+2 mengalami penurunan bilangan oksidasi (reduksi)

Gambar an molekular reaksi redoks :

Zn + Cu2+ Î Cu + Zn2+

Setengah reaksi oksidasi : 2+ Zn Î Zn + 2e

Setengan reaksi reduksi : Cu2+ + 2e Î Cu

Gambar 9.2 Gambaran molekular reaksi redoks

169 9.2 Harga bilangan oksidasi 1. Unsur bebas bilangan Oksidasi = 0 2. Oksigen Dalam Senyawa Bilangan Oksidasi = -2 Kecuali : a. Dalam peroksida, Bilangan Oksidasi = -1 b. Dalam superoksida, Bilangan Oksida = -1/2 c. Dalam OF2, Bilangan Oksidasi = +2 3. Hidrogen dalam senyawa, Bilangan Oksidasi = +1, kecuali dalam hibrida = -1 4. Unsur-unsur Golongan IA dalam senyawa, Bilangan Oksidasi = +1 5. Unsur-unsur Golongan IIA dalam senyawa, Bilangan Oksidasi = +2 6. Bilangan Oksidasi molekul = 0 7. Bilangan Oksidasi ion = muatan ion 8. Unsur halogen F : 0, -1 Cl : 0, -1, +1, +3, +5, +7 Br : 0, -1, +1, +5, +7 I : 0, -1, +1, +5, +7

9.3 Langkah-langkah penyetaraan reaksi redoks 1. Cara bilangan oksidasi a. Tentukan mana reaksi oksidasi dan reduksinya. b. Tentukan penurunan Bilangan Oksidasi dari oksidator dan kenaikan Bilangan Oksidasi dari reduktor. c. Jumlah elektron yang diterima dan yang dilepaskan perlu disamakan dengan mengalikan terhadap suatu faktor. d. Samakan jumlah atom oksigen di kanan dan kiri reaksi terakhir jumlah atom hidrogen di sebelah kanan dan kiri reaksi. 2. Cara setengah reaksi a. Tentukan mana reaksi oksidasi dan reduksi. b. Reaksi oksidasi dipisahkan dari reaksi reduksi c. Setarakan ruas kanan dan kiri untuk jumlah atom yang mengalami perubahan Bilangan Oksidasi untuk reaksi yang jumlah atom-atom kanan dan kiri sudah sama, setarakan muatan listriknya dengan menambahkan elektron. d. Untuk reaksi yang jumlah atom oksigen di kanan dan kiri belum sama setarakan kekurangan oksigen dengan menambahkan sejumlah H2O sesuai dengan jumlah kekurangannya. e. Setarakan atom H dengan menambah sejumlah ion H+ sebanyak kekurangannya. f. Setarakan muatan, listrik sebelah kanan dan kiri dengan menambahkan elektron pada ruas yang kekurangan muatan negatif atau kelebihan muatan positif.

170 g. Samakan jumlah elektron kedua reaksi dengan mengalikan masing-masing dengan sebuah faktor.

9.4 Penyetaraan persamaan reaksi redoks Tahapan: 1. Tentukan perubahan bilangan oksidasi. 2. Setarakan perubahan bilangan oksidasi. 3. Setarakan jumlah listrik ruas kiri dan kanan dengan : H+ pada larutan bersifat asam OH- pada larutan bersifat basa 4. Tambahkan H2O untuk menyetarakan jumlah atom H.

Contoh: - 2+ 2+ 3+ MnO4 + Fe Æ Mn + Fe (suasana asam) -5 - 2+ 2+ 3+ 1. MnO4 + Fe Æ Mn + Fe +7 +2 +2 +3

2. Angka penyerta = 5 - 2+ 2+ 3+ MnO4 + 5 Fe Æ Mn + 5Fe

- 2+ + 2+ 3+ 3. MnO4 + 5 Fe + 8 H Æ Mn + 5Fe

- 2+ + 2+ 3+ 4. MnO4 + 5 Fe + 8 H Æ Mn + 5Fe + 4 H2O

Contoh Soal:

1. Setarakan persamaan reaksi redoks dengan cara bilangan oksidasi dan nayatkan unsur yang mengalami perubahan bilangan oksidasi. Jawab :

171 2. Setarakan persamaan reaksi redoks dengan cara setengah reaksi !!! Jawab :

9.5 Perbedaan oksidasi reduksi Perbedaan oksidasi reduksi lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 9.1

Tabel 9.1 Perbedaan oksidasi dan reduksi

Oksidasi: reaksi antara suatu zat dengan oksigen Klasik Reduksi : reaksi antara suatu zat dengan hidrogen

Oksidasi - Kenaikan Bilangan Oksidasi - Pelepasan Elektron Reduksi - Penurunan Bilangan Oksidasi - Penangkapan Elektron Oksidator - Mengalami Reduksi - Mengalami Penurunan Bilangan Oksidasi - Mampu mengoksidasi - Dapat menangkap elektron Modern Reduktor - Mengalami oksidasi - Mengalami kenaikan Bilangan Oksidasi - Mampu mereduksi - Dapat memberikan elektron Auto Redoks - Reaksi redoks di mana sebuah zat mengalami reduksi sekaligus oksidasi

172 9.6 Sel elektrokimia

Gambar 9.3. Sel elektrokimia

Elektrokimia : Hubungan Reaksi kimia dengan daya gerak listrik (aliran elektron) • Reaksi kimia menghasilkan daya gerak listrik (sel galvani) • Daya gerak listrik menghasilkan reaksi kimia (sel elektrolisa) Sel elektrokimia : sistem yang terdiri dari elektroda yang tercelup pada larutan elektrolit.

1. Sel Volta/Galvani sebuah anoda logam tembaga bereaksi memberikan larutan biru yang mengandung ion tembaga (II) bersamaan dengan ion perak yang melapisi katoda perak dalam sebuah sel Galvani.

Gambar 9.4. Contoh sel galvani

a. Prinsip-prinsip sel volta atau sel galvani : • Gerakan elektron dalam sirkuit eksternal akibat adanya reaksi redoks.

173 • Aturan sel Volta: - Terjadi perubahan : energi kimiaÆ energi listrik - Pada anoda, elektron adalah produk dari reaksi oksidasi; anoda kutub negatif - Pada katoda, elektron adalah reaktan dari reaksi reduksi; katoda = kutub positif - Elektron mengalir dari anoda ke katoda b. Konsep - konsep sel volta: Sel Volta 1. Deret Volta/Nerst a. Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn Fe Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au b. Makin ke kanan, mudah direduksi dan sukar dioksidasi. Makin ke kiri, mudah dioksidasi, makin aktif, dan sukar direduksi. Prinsip: 2. Anoda terjadi reaksi oksidasi ; katoda terjadi reaksi reduksi 3. Arus elektron : anoda Æ katoda ; arus listrik : katoda Æ anoda 4. Jembatan garam : menyetimbangkan ion-ion dalam larutan Contoh dari sel galvani :

Gambar 9.5. Sel Volta

Notasi sel : Zn/Zn+2//Cu+2/Cu / = potensial ½ sel // = potensial sambungan Sel (cell junction potential; jembatan garam)

174 c. Macam-macam sel volta

Gambar 9.6 Alessandro G. Volta

1. Sel Kering atau Sel Leclance Sel ini sering dipakai untuk radio, tape, senter, mainan anak-anak, dll. Katodanya sebagai terminal positif terdiri atas karbon (dalam bentuk grafit) yang terlindungi oleh pasta karbon, MnO2 dan NH4Cl2 Anodanya adalah lapisan luar yang terbuat dari seng dan muncul dibagian bawah baterai sebagai terminal negatif. Elektrolit : Campuran berupa pasta : MnO2 + NH4Cl + sedikit Air Reaksi anoda adalah oksidasi dari seng 2+ - Zn(s) Æ Zn (aq) + 2e Reaksi katodanya berlangsung lebih rumit dan suatu campuran hasil akan terbentuk. Salah satu reaksi yang paling penting adalah : + - 2MnO2(s) + 2NH4 (aq) + 2e Æ Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O Amonia yang terjadi pada katoda akan bereaksi dengan Zn2+ yang dihasilkan pada anoda dan membentuk ion 2+ Zn(NH3)4 .

2. Sel Aki Katoda: PbO2 Anoda : Pb Elektrolit: Larutan H2SO4 Reaksinya adalah : + 2- PbO2(s) + 4H (aq) + SO4 (aq) Æ PbSO4(s) + 2H2O (katoda) 2- - Pb (s) + SO4 (aq) Æ PbSO4(s) + 2e (anoda) + 2- PbO2(s) + Pb (s) + 4H (aq) + 2SO4 (aq) Æ 2PbSO4(s) + 2H2O (total) Pada saat selnya berfungsi, konsentrasi asam sulfat akan berkurang karena ia terlibat dalam reaksi tersebut.

175 Keuntungan dari baterai jenis ini adalah bahwa ia dapat diisi ulang (recharge) dengan memberinya tegangan dari sumber luar melalui proses elektrolisis, dengan reaksi : + 2- 2PbSO4(s) + 2H2O Æ PbO2(s) + Pb (s) + 4H (aq) + 2SO4 (aq) (total) Kerugian dari baterai jenis ini adalah, secara bentuk, ia terlalu berat dan lagi ia mengandung asam sulfat yang dapat saja tercecer ketika dipindah-pindahkan.

3. Sel Bahan Bakar Elektroda : Ni Elektrolit : Larutan KOH Bahan Bakar : H2 dan O2

4. Baterai Ni - Cd Disebut juga baterai ni-cad yang dapat diisi ulang muatannya dan yang umum dipakai pada alat-alat elektronik peka. Potensialnya adalah 1,4 Volt. Katoda : NiO2 dengan sedikit air Anoda : Cd Reaksinya : - - Cd(s) + 2OH (aq) Æ Cd(OH)2(s) + 2e - - 2e + NiO2(s) + 2H2O Æ Ni(OH)2(s) + 2OH (aq) Baterai ini lebih mahal dari baterai biasa. c. Potensial sel : - Gaya yang dibutuhkan untuk mendorong elektron melalui sirkuit eksternal

Notasi potensial sel = Ecell;

satuan Volt = Joule/Coulomb

• Potensial sel dihasilkan dari sel Galvani • Potensial sel tergantung pada suhu, konsentrasi ion dan tekanan parsial gas dalam sel; Potensial sel standar E0 sel : potensial pada 250C, konsentrasi ion 1 M dan tekanan parsial 1 atm • Potensial sel standar dihitung dengan menggunakan potensial- potensial standar zat-zat yang mengalami redoks E0sel = E0oks + E0red ; E0oks = potensial standar zat yang mengalami oksidasi E0red = potensial standar zat yang mengalami reduksi • Dalam tabel potensial standar selalu dicantumkan potensial reduksi standar, sehingga E0oks = - E0red • Potensial reduksi standar ditentukan dengan elektroda standar d. Reaksi sel • Reaksi sel = jumlah reaksi ½ sel • Reaksi redoks sel galvani sistem Zn/Zn+2//Cu+2/Cu:

176 2+ 2+ Cu (aq) + Zn (s) o Cu (s) + Zn (aq) • Reaksi ½ sel dapat ditulis: 2+ - 2+ Cu (aq) + 2 e o Cu (s) Q = 1/ [Cu ] 2+ - 2+ Zn (aq) + 2 e o Zn (s) Q = 1/ [Zn ] 2+ 2+ Secara umum Qcell = [Zn ] / [Cu ] e. Penentuan potensial reduksi dengan elektroda standar

Potensial Zn/Cu : Zn/Zn+2//Cu+2/Cu: 0 0 0 E sel = E oks (Zn) + E red (H+); + 0.76 = - E0red (Zn) + 0

0 E red (Zn) = -0.76 V (tanda negatif menunjukkan bahwa Zn lebih sulit direduksi dibandingkan dengan H2)

Reaksi yang terjadi adalah : 2+ - 0 • Cu (aq) + 2 e o Cu (s) E 1 = + 0. 34 V 2+ - 0 Zn (aq) + 2 e o Zn (s) E2 = - 0. 76 V 0 0 +2 • E 2 < E 1, maka didalam sistem, Cu akan mengalami reduksi dan Zn akan teroksidasi :

2+ - 0 • Cu (aq) + 2 e o Cu (s) E 1 = + 0. 34 V 2+ - 0 Zn (s) o Zn (aq) + 2 e E 2 = + 0. 76 V 2+ 2+ Cu (aq) + Zn (s) o Cu (s) + Zn (aq) 0 E sel = + 1.10 V f. Spontanitas reaksi dan potensial sel

• Reaksi spontan: ¨G < 0 ¨G = - n F Esel 0 0 Dimana : ¨G = - n F E sel ; n = jumlah elektron (mol); F = 0 muatan 1 mol elektron; 1 F = 96500 C; Esel = potensial sel; E sel = potensial sel standar ¨G < 0, maka Esel > 0 • Contoh +3 0 Cr (aq) + 3e Æ Cr(s) ECr = - 0.74 V +2 0 Zn (aq) + 2e Æ Zn(s) EZn = - 0.76 V

0 0 Karena E Zn < E Cr , Zn akan mengalami oksidasi. Reaksi sel yang akan terjadi +3 0 Cr (aq) + 3e Æ Cr(s) } x 2 E Cr = - 0.74 V +2 0 Zn(s) Æ Zn (aq) + 2e } x 3 E Zn = + 0.76 V +3 +2 2Cr (aq) + 3 Zn(s) Æ Zn + 2 Cr(s) 0 E sel = 0.02 V > 0 Reaksi spontan

177 Tabel 9.1. Potensial reduksi standar

g. Fenomena umum sel dengan reaksi spontan (galvani)

• Makin besar perbedaan harga Eqred, makin besar harga Eqcell. • Dalam sel galvani dengan reaksi spontan Eqred (katoda) lebih positif dari Eqred

(anoda).

178 Contoh Soal : Tuliskan reaksi elektrolisis larutan CuCl2 dengan elektroda Pt.

Jawab : Karena bukan termasuk logam golongan IA dan IIA, maka pada katoda yang direduksi adalah kation logam Cu. Cu2+ + 2e Æ Cu

Anoda dengan elektroda inert (tidak bereaksi) jika anionnya tidak mengandung O, maka yang dioksidasi adalah anion tersebut. ¯ 2Cl Æ Cl2 + 2e

Katoda : Cu2+ + 2e Æ Cu ¯ Anoda : 2Cl Æ Cl2 + 2e 2+ ¯ Reaksi total : Cu + 2Cl Æ Cu + Cl2 CuCl2 Æ Cu + Cl2 Dengan demikian reaksi elektrolisisnya adalah CuCl2 Æ Cu + Cl2

Aplikasi sel galvani a. aki mobil b. baterai alkalin c. Proteksi besi oleh Zn terhadap korosi a. Aki mobil

- Baterai mobil 12 V dengan 6 pasang

katoda/anoda yang masing-masing

menghasilkan 2 V.

- Katoda : PbO2 pada jaringan logam

dalam asam sulfat : 2- + - PbO2(s) + SO4 (aq) + 4H (aq) + 2e o

PbSO4(s) + 2H2O(l).

- Anode: Pb : 2- - Pb(s) + SO4 (aq) o PbSO4(s) + 2e

Gambar 9.7. Aki mobil

179 b. Baterai alkalin

Baterai bervariasi dalam ukuran dan Anoda: Zn cap: bahan kimianya, 2+ - seperti aki mobil, Zn(s) o Zn (aq) + 2e sel alkalin dan sel kering. katoda: MnO2, NH4Cl dan pasta karbon :

+ - 2 NH4 (aq) + 2 MnO2(s) + 2e o

Mn2O3(s) +

2NH3(aq) + 2H2O(l)

batang grafit didalam katoda inert

dipusat.

Baterai alkalin NH4Cl dapat

Gambar 9.8. Baterai alkalin

c. Proteksi besi oleh Zn terhadap korosi

Gambar 9.9. Proteksi Fe oleh Zn terhadap korosi

2. Sel Elektrolisis

• Terjadi perubahan : energi listrik Æ energi kimia • Elektrolisa adalah reaksi non-spontan yang berjalan akibat adanya arus (aliran elektron) eksternal yang dihasilkan oleh suatu pembangkit listrik.. • Pada sel elektrolitik

180 – Katoda bermuatan negatif atau disebut elektroda – Terjadi reaksi reduksi Jenis logam tidak diperhatikan, kecuali logam Alkali (IA) dengan Alkali tanah(IIA), Al dan Mn - Reaksi : + - 2 H (aq) + 2e Æ H2(g) ion golongan IA/IIA tidak direduksi; dan penggantinya air - 2 H2O(l) + 2 e Æ basa + H2(g) ion-ion lain direduksi – Anoda bermuatan positif (+) atau disebut elektroda + - Terjadi reaksi oksidasi - Jenis logam diperhatikan a. Anoda : Pt atau C (elektroda inert) reaksi : - - # 4OH (aq) Æ 2H2O(l) + O2(g) + 4e # gugus asam beroksigen tidak teroksidasi, diganti oleh 2 H2O(l) Æ asam + O2(g) # golongan VIIA (halogen) Æ gas b. Anoda bukan : Pt atau C reaksi : bereaksi dengan anoda membentuk garam atau senyawa lain.

Gambar 9.10. Elektrolisa cairan NaCl

181 a. Aplikasi elektrolisis

1. Elektroplatting

Gambar 9.11. Elektroplatting

Elektroplatting adalah aplikasi elektrolisis pada pelapisan suatu logam atas logam yang lain. Teknik ini bisa dipakai untuk memperbaiki penampakan dan daya tahan suatu logam. Contohnya, suatu lapisan tipis logam chromium pada bemper baja mobil untuk membuatnya menarik dan melindunginya dari karat. Pelapisan emas dan perak dilakukan pada barang-barang perhiasan yang berasal dari bahan-bahan logam yang murah. Berbagai lapisan-lapisan tipis logam tersebut ketebalannya berkisar antara 0,03 s/d 0,05 mm.

2. Pembuatan Aluminium - Bauksit adalah biji aluminium yang mengandung Al2O3 . Untuk mendapatkan aluminium, bijih tersebut dimurnikan dan Al2O3 nya dilarutkan dan didisosiasikan dalam larutan elektrolit ‚eryolite’. Pada katoda, ion-ion aluminium direduksi menghasilkan logam yang terbentuk sebagai lapisan tipis dibagian bawah wadah elektrolit. Pada anoda yang terbuat dari karbon, ion oksida teroksidasi menghasilkan O2 bebas. Reaksinya adalah : 3+ - Al + 3 e Æ Al(l) (katoda) 2- - 2 O Æ O2(g) + 4 e (anoda)

3+ 2- 4 Al +6 O Æ 4Al(l) + 3 O2(g) (total)

3. Pembuatan Magnesium Sumber utama magnesium adalah air laut. Mg2+ mempunyai kelimpahan terbesar ketiga dalam laut, kalahannya oleh ion natrium dan ion klorida. Untuk

182 memperoleh magnesium, Mg(OH)2 diendapkan dari air laut. Pemisahan itu dilakukan dengan cara filtrasi dan lalu dilarutkan dalam asam hidroklorit.

Mg(OH)2 + 2HCl Æ MgCl2 + 2H2O

Larutan MgCl2 diuapkan dan menghasilkan MgCl2 padat yang lalu dilelehkan dan akhirnya dielektrolisa. Magnesium bebas akan diendapkan pada katoda dan gas klorin dihasilkan pada anoda.

MgCl2(l) Æ Mg(l) + Cl2(g)

4. Penyulingan Tembaga Salah satu elektrolisis yang paling menarik adalah pemurnian atau penyulingan logam tembaga. Tembaga dapat dimbil dari bijinya, edngan cara ini sampai ke tingkat kemurnian 99%. Pengotornya sebagian besar adalah perak, emas, platina, besi dan seng menurunkan konduktivitas listrik tembaga secara drastis sehingga harus disuling ulang sebelum dipakai sebagai kawat atau kabel.

2+ 2+ 2+ 2- Fe , Zn , Cu , SO4

Gambar 9.12. Sel penyulingan tembaga

Tembaga tidak murni dipakai sebagai elektroda sebagai anoda pada sel elektrolisis yang mengandung larutan tembaga sulfat dan asam sulfat (sebagai elektrolit). Katoda pada sistem ini adalah tembaga dengan kemurnian tinggi. Jika selnya dijalankan pada tegangan yang diperlukan, hanay tembaga dan pengotornya yang lebih mudah teroksidasi daripada tembaga, seng dan besi yang larut disekitar anoda. Logam-logam yang kurang aktif akan runtuh dan mengendap dibagian dasar wadah. Pada katoda, ion tembaga direduksi tetapi ion seng dan ion besi tertinggal dilarutan karena lebih sukar tereduksi dari pada tembaga. Secara pelan-pelan

183 tembaga anoda terlarut dan tembaga katoda makin tumbuh. Suatu saat tembaga akan mempunyai kemurnian 99,95%! Kotoran yang terkumpul dibagian bawah biasanya disebut sebgai anoda, dapat dipindahkan secara periodik dan nilai perak, emas dan platina dapat pula dihitung untuk memperoleh total efisiensi pelaksanaan proses penyulingan.

5. Elektrolisis Brine Brine (=’air asin’) adalah larutan natrium klorida jenuh. Pada katoda, air lebih mudah direduksi daripada ion natrium dan gas H2 akan terbentuk. Reaksi : - - 2e + 2H2O Æ H2(g) + 2OH (aq)

Walaupun air lebih mudah teroksidasi daripada ion klorida, namun seperti telah disebut bahwa ada faktor-faktor yang kompleks yang mempengaruhi sehingga yang teroksidasi adalah ion klorida.

9.7 Potensial elektroda

Gambar 9.13. Potensial elektroda

1. Pengertian Merupakan ukuran terhadap besarnya kecenderungan suatu unsur untuk melepaskan atau mempertahankan elektron 2. Elektroda Hidrogen + - E° H2 diukur pada 25° C, 1 atm dan {H } = 1 molar - E° H2 = 0.00 volt 3. Elektroda Logam - E° logam diukur terhadap E° H2 - Logam sebelah kiri H : E° elektroda < 0 - Logam sebelah kanan H : E° elektroda > 0 4. Cara Menghitung Potensial Elektroda Sel 1. E° sel = E° red - E° oks 2. E sel = E°sel - RT/nF lnC Pada 25° C : E sel = E°sel - 0.059/n log C

184 Elektroda tergantung pada : • Jenis Elektroda • Suhu • Konsentrasi ionnya

Catatan : E° = potensial reduksi standar (volt) R = tetapan gas- volt.coulomb/mol.°K] = 8.314 T = suhu mutlak (°K) n = jumlah elektron F = 96.500 coulomb C = [bentuk oksidasi]/[bentuk reduksi]

9.8 Hukum faraday

Gambar 9.14. Michael faraday

Banyaknya zat yang dihasilkan dari reaksi elektrolisis sebanding dengan banyaknya arus listrik yang dialirkan kedalam larutan.hal ini dapat diGambar kan dengan hukum faraday 1

Gambar 9.15. Hukum Faraday

185 e.i.t W F

W = massa zat yang dihasilkan A e r n i = arus dalam ampere t = waktu dalam satuan detik F = tetapan Farady, 1 F = 96500 C i.t = Q = arus dalam satuan C i.t arus dalam satuan Farady F W mol elektron e

Mol elektron dari suatu reaksi sama dengan perubahan biloks 1 mol zat. Dari rumusan diatas diperoleh :

Jumlah Farady = mol elektron =perubahan bil.oksidasi 1 mol zat

Dalam penentuan massa zat yang dihasilkan dalam reaksi elektrolisis, biasanya data yang diketahui adalah Ar bukan e, sedangkan A e r sehingga rumusan Hukum Farady 1 menjadi : n

A .i.t W r n.F n = valensi atau banyaknya mol elektron untuk setiap mol zat.

186 9.9 KOROSI

Gambar 9.16. Peristiwa korosi

Korosi adalah peristiwa perusakan logam akibat terjadinya reaksi kimia dengan lingkungan yang menghasilkan produk yang tidak diinginkan. Lingkungan dapat berupa asam, basa, oksigen dari udara, oksigen didalam air atau zat kimia lain. Perkaratan besi adalah peristiwa elektrokimia sebagai berikut : x Besi dioksidasi oleh H2O atau ion hydrogen 2+ - Fe(s) Æ Fe (aq) + 2e (oksidasi) + 2 H (aq)Æ 2 H(aq) ( reduksi ) x Atom-atom H bergabung menghasilkan H2 2 H(aq)Æ H2(g) x Atom-atom H bergabung dengan oksigen 2 H(aq) + ½ O2(aq) Æ H2 O(l) x Jika konsentrasi H+ cukup tinggi (pH rendah), maka reaksi + 2+ Fe + 2H (aq) Æ 2H(aq) + Fe (aq) 2 H(aq) Æ H2(g) x Ion Fe2+ juga bereaksi dengan oksigen dan membentuk karat (coklat keerah-merahan ) dengan menghasilkan ion H+ yang selanjutnya direduksi menjadi H2-

2+ + 4 Fe (aq) + O2(aq) + 4 H2 O(l) + 2x H2 O(l) Æ 2 Fe2O3H2O)x(s) + 8H

Reaksi totalnya menjadi 4 Fe(s) + 3 O2(aq) + 2x H2 O(l)

Æ 2 Fe2O3H2O)x(s)

187 9.9.1 Korosi dapat dihambat dengan beberapa cara, misalnya :

10. Pemakaian logam alloy dengan cara a. Pembentukan lapisan pelindung b. Menaikkan tegangan elektrode

11. Pemakaian lapisan pelindung dengan cara : a. Pengecatan b. Pelapisan senyawa organik (pelumas) c. Pelapisan dengan gelas d. Pelapisan dengan logam e. Dilapisi logam yang lebih mulia f. Dilapisi logam yang lebih mudah teroksidasi g. Menanam batang-batang logam yang lebih aktif dekat logam besi dan dihubungkan h. Dicampur dengan logam lain 12. Elektrokimiawi dengan cara eliminasi perbedaan tegangan : a. Menaikkan kemurnian logam b. Mencegah kontak 2 logam c. Memakai inhibitor d. Isolasi logam dari larutan, dan lain-lain.

9.9.2 Faktor yang berpengaruh terhadap korosi

1. Kelembaban udara 2. Elektrolit 3. Zat terlarut pembentuk asam (CO2, SO2) 4. Adanya O2 5. Lapisan pada permukaan logam 6. Letak logam dalam deret potensial reduksi

KESIMPULAN

Elektrolisis. pada sel elektrolisis, aliran listrik menyebabkan reduksi pada muatan negatif di katoda dan oksidasi pada muatan positif di anoda. Aplikasi elektrolisis. Elektroplatting, produksi Aluminium dan Magnesium, pemurnian tembaga, dan elektrolisis dari pelelehan NaCl.

Korosi logam adalah salah satu masalah yang paling penting yang dihadapi oleh kelompok industri maju. pengaruh korosi dapat terlihat (pembentukan karat pada permukaan besi) dan tidak terlihat (keretakan serta terjadinya pengurangan kekuatan logam di bawah permukaan).

188 Latihan soal 1. Berapa Faraday arus yang diperlukan untuk mereduksi 40 gram ion kalsium menjadi logam kalsium (Ar Ca = 40) a. 1 b. 1,5 c. 2 d. 2,5 e. 3

2. Pada reaksi elektrolisis larutan CuSO4 dengan elektroda Cu, dianoda yang dioksidasi adalah.... a. Cu 2- b. SO4 c. Cu2+ d. H2O e. H2

3. Diketahui : Pb2+ + 2e Æ Pb Eº = - 0,13 V Zn2+ + 2e Æ Zn Eº = - 0,76 V Potensial sel untuk reaksi Zn | Zn2+ || Pb2+ | Pb adalah.... a. - 1,20 V b. + 1,20 V c. - 0,32 V d. – 0,76 V e. + 0,32 V

4. Diketahui :

maka,

5. Pada elektrolisis PbCl2 dengan menggunakan elektroda Pt, di katoda akan dihasilkan….. a. Cl2 b. Cl¯ c. Pb d. Pb2+ e. PbCl2

189 6. Setarakan reaksi redoks berikut : - 2+ - 3+ a. BrO3 + Fe Æ Br + Fe b. Cu + HNO3 Æ Cu(NO3)2 + NO2 + H2O - - c. Cl2 + Br Æ Br2 + Cl

7. Dengan manggunakan potensial standart reduksi dari tabel, tentukan harga potensial sel dan apakah reaksi berlangsung atau tidak?

+ 2+ a. 2Ag + Zn(s) Æ 2Ag(s) + Zn

2+ 3+ b. 3Cd + 2Al(s) Æ 3Cd(s) + 2Al

2+ 2+ c. Cu | Cu(s) Œ Pb(s) | Pb

8. Tuliskan reaksi elektrolisis berikut : a. Larutan KCl dengan katoda baja dan anoda platina b.Larutan K2SO4 dengan elektrodeaCu. c.Larutan CdSO4 dengan elektroda besi

9. Pada elektrolisis larutan ZnSO4, diperoleh 26 gram endapan logam Zn (Ar = 65) selama 2,5 jam. Jika 1 F = 96500 Coulomb, tentukan berapa ampere arus yang dihasilkan?

10. Dua larutan AgNO3 dan larutan LSO4 yang disusun secara seri dialiri arus listrik sehingga menghasilkan 5,4 gram logam Ag dan 7,2 gram logam L. Jika Ar . Ag = 108, maka tentukan massa atom relatif (Ar) L.

11. Apa yang dimaksud reaksi reduksi dan oksidasi?

12. Berikan contoh peristiwa redoks! 13. Sebutkan berapa saja bilangan oksidasi untuk unsur-unsur halogen!

14. Sebutkan langkah-langkah untuk menyetarakan reaksi redoks!

15. Sebutkan tahapan untuk menyetarakan persamaan redoks!

16. Berikan contoh reaksi redoks dalam suasana asam!

17. Jelaskan perbedaan oksidasi dan reduksi klasik dan modern!

18. Apa beda elektrokimia dan sel elektrokimia, berikan contoh reaksinya?

19. Sebutkan maam dan prinsip sel volta/galvani!

190 20. Apa yang dimaksud reaksi spontan?

21. Berikan contoh reaksi setengah sel dan tentukan Q!

22. Sebutkan dan jelaskan aplikasi sel galvani!

23. Apa pengertian potensial elektroda?

o 24. Mengapa E H2 dijadikan energi potensial standar?

25. Bagaimana cara menghitung potensial elektroda sel?

26. Sebutkan 3 hal yang mempengaruhi elektroda!

27. Apa yang dimaksud peristiwa korosi, berikan contoh reaksi korosi pada logam Fe?

191 192 10. Kinetika Kimia

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Mengidentifikasi faktor-faktor Menentukan laju reaksi dan orde yang mempengaruhi laju reaksi reaksi Menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi Menentukan kalor pembakaran berbagai bahan bakar Tujuan pembelajaran 1. Mengetahui dan memahami definisi laju reaksi dan menentukan perubahan konsentrasi per satuan waktu dalam bentuk persamaan laju reaksi. 2. Mengetahui dan memahami prinsip-prinsip reaksi dalam hukum laju. 3. Mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi, yaitu: konsentrasi, sifat zat yang bereaksi, suhu dan katalisator. 4. Mengetahui dan memahami teori dan peristiwa tumbukan, serta prinsip-prinsip dan faktor-faktor yang mempengaruhi tumbukan. 5. Mengetahui dan memahami definisi orde reaksi dan ungkapan orde reaksi pada persamaan laju reaksi, serta cara menentukan orde reaksi.

193 Mengapa beberapa reaksi kimia berlangsung secepat kilat sementara yang lainnya memerlukan waktu berhari-hari, berbulan- bulan bahkan tahunan untuk menghasilkan produk yang cukup banyak? Bagaimana katalis bisa meningkatkan laju reaksi kimia? Mengapa perubahan suhu yang sedikit saja sering memberikan efek besar pada laju memasak? Bagaimana kajian mengenai laju reaksi kimia memberikan informasi tentang bagaimana cara molekul bergabung membentuk produk? Semua pertanyaan ini menyangkut kinetika kimia belum selengkap seperti termodinamika. Masih banyak reaksi yang tetapan kesetimbangannya telah diketahui dengan cermat, tetapi perincian lintasan reaksinya masih belum dipahami. Ini terutama berlaku untuk reaksi yang melibatkan banyak unsur reaktan yang membentuk produknya. Kinetika kimia adalah bagian dari ilmu kimia yang mempelajari laju dan mekanisme reaksi kimia. Besi lebih cepat berkarat dalam udara lembab daripada dalam udara kering; makanan lebih cepat membusuk bila tidak didinginkan; kulit bule lebih cepat menjadi gelap dalam musim panas daripada dalam musim dingin. Ini merupakan tiga contoh yang lazim dari perubahan kimia yang kompleks dengan laju yang beraneka menurut kondisi reaksi.

10. 1 Definisi Laju Reaksi

Gambar 10.1 Mobil yang sedang melaju

Laju reaksi rerata analog dengan kecepatan rerata mobil. Jika posisi rerata mobil dicatat pada dua waktu yang berbeda, maka :

jarakyangditempuh perubahanlokasi Kecepatanrerata waktutempuh perubahanwaktu

Dengan cara yang sama, laju reaksi rerata diperoleh dengan membagi perubahan konsentrasi reaktan atau produk dengan interval waktu terjadinya reaksi :

perubahankonsentrasi Lajureaksirerata perubahanwaktu

194 Jika konsentrasi diukur dalam mol L-1 dan waktu dalam detik, maka laju reaksi mempunyai satuan mol L-1s-1. Kita ambil contoh khusus. Dalam reaksi fasa gas

NO2( g ) CO( g ) o NO( g ) CO2( g )

NO2 dan CO dikonsumsi pada saat pembentukan NO dan CO2. Jika sebuah kuar dapat mengukur konsentrasi NO, laju reaksi rerata dapat diperkirakan dari nisbah perubahan konsentrasi NO, ÷[NO] terhadap interval waktu, ÷t:

'>@NO >@>@NO f NO i lajurerata 't t f ti

Jadi laju reaksi adalah besarnya perubahan konsentrasi reaktan atau produk dalam satu satuan waktu. Perubahan laju konsentrasi setiap unsur dibagi dengan koefisiennya dalam persamaan yang seimbang/stoikiometri. Laju perubahan reaktan muncul dengan tanda negatif dan laju perubahan produk dengan tanda positif.

Untuk reaksi yang umum: aA bB o cC dD

Lajunya ialah

1 d>@A 1 d>@B 1 d>@C 1 d>@D Laju a dt b dt c dt d dt

Hubungan ini benar selama tidak ada unsur antara atau jika konsentrasinya bergantung pada waktu di sepanjang waktu reaksi.

Menentukan Laju Reaksi : Perhatikan penguraian nitrogen dioksida, NO2 menjadi nitrogen oksida, NO dan oksigen, O2 : 2NO2 o 2NO O2

b. Tulislah pernyataan untuk laju rata-rata berkurangnya konsentrasi NO2 dan laju rata-rata bertambahnya konsentrasi NO dan O2. c. Jika laju rata-rata berkurangnya konsentrasi NO2 ditetapkan dan dijumpai sebesar 4x10-13 mol L-1 s-1, berapakah laju rata-rata padanannya (dari) bertambahnya konsentrasi No dan O2

Jawaban :

a.Laju rata-rata berkurangnya konsentrasi NO2 dinyatakan sebagai :

195 '>@NO 2 't

Laju rata-rata bertambahnya konsentrasi NO dan O2 dinyatakan sebagai:

'>@NO ' O dan >@2 't 't

b. Untuk tiap dua molekul NO2 yang bereaksi terbentuk dua molekul NO. Jadi berkurangnya konsentrasi NO2 dan bertambahnya konsentrasi NO berlangsung dengan laju yang sama :

'>@NO '>@NO 2 4x1013 molL1s 1 't 't

10.2 Hukum Laju

Dalam membahas reaksi kesetimbangan kimia telah ditekankan bahwa reaksi ke kanan maupun ke kiri dapat terjadi begitu produk terbentuk, produk ini dapat bereaksi kembali menghasilkan reaktan semula. Laju bersih ialah:

Laju bersih = laju ke kanan – laju ke kiri

Dapat dikatakan, pengukuran konsentrasi memberikan laju bersih, bukannya sekedar laju ke kanan. Bagaimanapun, sesaat sebelum reaksi yang dimulai dari reaktan murni, konsentrasi reaktan jauh lebih tinggi dibandingkan produknya sehingga laju ke kiri dapat diabaikan. Selain itu, banyak reaksi berlangsung sempurna (K>>1) sehingga laju yang terukur hanyalah reaksi ke kanan atau eksperimen dapat diatur agar produknya dapat dialihkan jika terbentuk. Dalam subbab ini, persamaan diberikan pada laju ke kanan saja.

10.3 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi

Beberapa faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi antara lain konsentrasi, sifat zat yang bereaksi, suhu dan katalisator.

196 A. Konsentrasi

Gambar 10.2 Pengaruh Konsentrasi

Dari berbagai percobaan menunjukkan bahwa makin besar konsentrasi zat-zat yang bereaksi makin cepat reaksinya berlangsung. Makin besar konsentrasi makin banyak zat-zat yang bereaksi sehingga makin besar kemungkinan terjadinya tumbukan dengan demikian makin besar pula kemungkinan terjadinya reaksi.

B. Sifat Zat Yang Bereaksi

Sifat zat yang mudah atau sukar bereaksi akan menentukan kecepatan berlangsungnya suatu reaksi.

Secara umum dinyatakan bahwa: ”Reaksi antara senyawa ion umumnya berlangsung cepat.”

Hal ini disebabkan oleh adanya gaya tarik menarik antara ion-ion yang muatannya berlawanan. Contoh:

2+ 2+ Ca (aq) + CO3 (aq) o CaCO3(s)

Reaksi ini berlangsung dengan cepat.

Reaksi antara senyawa kovalen umumnya berlangsung lambat.

Hal ini disebabkan oleh reaksi yang berlangsung tersebut membutuhkan energi untuk memutuskan ikatan-ikatan kovalen yang terdapat dalam molekul zat yang bereaksi. Contoh:

197 CH4(g)+Cl2(g) o CH3Cl(g)+HCl(g)

Reaksi ini berjalan lambat reaksinya dapat dipercepat apabila diberi energi, misalnya; cahaya matahari.

C. Suhu

Gambar 10.3 Pengaruh suhu

Pada umumnya reaksi akan berlangsung lebih cepat bila suhu dinaikkan. Dengan menaikkan suhu maka energi kinetik molekul- molekul zat yang bereaksi akan bertambah sehingga akan lebih banyak molekul yang memiliki energi sama atau lebih besar dari Ea. Dengan demikian lebih banyak molekul yang dapat mencapai keadaan transisi atau dengan kata lain kecepatan reaksi menjadi lebih besar. Secara matematis hubungan antara nilai tetapan laju reaksi (k) terhadap suhu dinyatakan oleh formulasi ARRHENIUS:

Gambar 10.4 Svante August Arrhenius

198

E / RT k Ae a kita menggunakan symbol ' yang dimana: berarti perubahan k : tetapan laju reaksi A : tetapan Arrhenius yang harganya khas untuk setiap reaksi Ea : energi pengaktifan R : tetapan gas universal = 0,0821.atm/moloK atau 8,314 Joule/moloK T : suhu reaksi (oK) Setiap suhu naik 100C, laju reaksi menjadi dua kali lipatnya. 't 10 V 2 V 0

÷t = kenaikan suhu

Contoh : Suatu reaksi berlangsung selama 2 jam pada suhu 250C. Berapa kalikah laju reaksi akan meningkat jika suhu diubah menjadi 450C ? Penyelesaian : Kenaikan suhu (÷t) = 45 – 25 = 200C 20 10 V 2 V0 4V0 o Laju reaksi menjadi 4X atau lama reaksi menjadi 2/4 jam. Laju reaksi meningkat, reaksi akan semakin cepat berlangsung).

D. Katalisator

Gambar 10.5 Mekanisme Reaksi Tanpa Atau Dengan Katalis

Katalisator adalah zat yang ditambahkan ke dalam suatu reaksi yang mempunyai tujuan memperbesar kecepatan reaksi. Katalis terkadang ikut terlibat dalam reaksi tetapi tidak mengalami perubahan kimiawi yang permanen, dengan kata lain pada akhir reaksi

199 katalis akan dijumpai kembali dalam bentuk dan jumlah yang sama seperti sebelum reaksi. Fungsi katalis adalah memperbesar kecepatan reaksinya (mempercepat reaksi) dengan jalan memperkecil energi pengaktifan suatu reaksi dan dibentuknya tahap-tahap reaksi yang baru. Dengan menurunnya energi pengaktifan maka pada suhu yang sama reaksi dapat berlangsung lebih cepat. Halaman ini menitik- beratkan pada perbedaan tipe-tipe katalis (heterogen dan homogen) beserta dengan contoh-contoh dari tiap tipe, dan penjelasan bagaimana mereka bekerja. Anda juga akan mendapatkan deskripsi dari satu contoh autokatalis reaksi dimana hasil produk juga turut mengkatalis.

Gambar 10.6 Fungsi katalis

E. Tipe-tipe dari reaksi katalis

Katalis dapat dibagi berdasarkan dua tipe dasar, yaitu heteregon dan homogen. Didalam reaksi heterogen, katalis berada dalam fase yang berbeda dengan reaktan. Dalam reaksi homogen, katalis berada dalam fase yang sama dengan reaktan. Apa itu fase? Jika kita melihat suatu campuran dan dapat melihat suatu batas antara dua komponen, dua komponen itu berada dalam fase yang berbeda. Campuran antara padat dan cair terdiri dari dua fase. Campuran antara beberapa senyawa kimia dalam satu larutan terdiri hanya dari satu fase, karena kita tidak dapat melihat batas antara senyawa-senyawa kimia tersebut.

200

Gambar 10.7 Campuran 2 fase dan 1 fase

Kita mungkin bertanya mengapa fase berbeda dengan istilah keadaan fisik (padat, cair dan gas). Fase juga meliputi padat, cair dan gas, tetapi lebih sedikit luas. Fase juga dapat diterapkan dalam dua zat cair (sebagai contoh, minyak dan air) dimana keduanya tidak saling melarutkan. Kita dapat melihat batas diantara kedua zat cair tersebut.

Gambar 10.8 Campuran 2 fase

Jika Anda lebih cermat, sebenarnya diagram diatas menggambarkan lebih dari fase yang diterakan. Masing-masing, sebagai contoh, beaker kaca merupakan fase zat padat. Sebagian besar gas yang berada diatas zat cair juga merupakan salah satu fase lainnya. Kita tidak perlu memperhitungkan fase-fase tambahan ini karena mereka tidak mengambil bagian dalam proses reaksi.

F.Katalis Homogen

Bagian ini meliputi penggunaan katalis dalam fase berbeda dari reaktan. Contoh-contoh meliputi katalis padat dengan reaktan- reaktan dalam fase cair maupun gas.

201 10.4 Teori Tumbukan

Teori tentang tumbukan didasarkan atas teori kinetik gas yang mengamati tentang bagaimana suatu reaksi kimia dapat terjadi. Menurut teori tersebut kecepatan reaksi antara dua jenis molekul A dan B sama dengan jumlah tumbukan yang terjadi per satuan waktu antara kedua jenis molekul tersebut. Jumlah tumbukan yang terjadi persatuan waktu sebanding dengan konsentrasi A dan konsentrasi B. Jadi makin besar konsentrasi A dan konsentrasi B akan semakin besar pula jumlah tumbukan yang terjadi.

Gambar 10.9 Tumbukan Molekul

Teori tumbukan ini ternyata memiliki beberapa kelemahan, antara lain : x Tidak semua tumbukan menghasilkan reaksi sebab ada energi tertentu yang harus dilewati (disebut energi aktivasi = energi pengaktifan) untak dapat menghasilkan reaksi. Reaksi hanya akan terjadi bila energi tumbukannya lebih besar atau sama dengan energi pengaktifan (Ea). x Molekul yang lebih rumit struktur ruangnya akan menghasilkan tumbukan yang tidak sama jumlahnya jika dibandingkan dengan molekul yang sederhana struktur ruangnya. Teori tumbukan di atas diperbaiki oleh teori keadaan transisi atau teori laju reaksi absolut. Dalam teori ini diandaikan bahwa ada suatu keadaan yang harus dilewati oleh molekul-molekul yang bereaksi dalam tujuannya menuju ke keadaan akhir (produk). Keadaan tersebut dinamakan keadaan transisi. Mekanisme reaksi keadaan transisi dapat ditulis sebagai berikut: Dimana: - A dan B adalah molekul-molekul pereaksi - T* adalah molekul dalam keadaan transisi -C dan D adalah molekul-molekul hasil reaksi.

202 Secara diagram keadaan transisi ini dapat dinyatakan sesuai kurva berikut:

A B o T * o C D

Gambar 10.10 Kurva Hubungan Energi Reaksi Dengan Koordinat Reaksi

Dari diagram terlibat bahwa energi pengaktifan (Ea) merupakan energi keadaan awal sampai dengan energi keadaan transisi. Hal itu berarti bahwa molekul-molekul pereaksi harus memiliki energi paling sedikit sebesar energi pengaktifan (Ea) agar dapat mencapai keadaan transisi (T*) dan kemudian menjadi hasil reaksi (C + D). Catatan : Energi pengaktifan (= energi aktivasi) adalah jumlah energi minimum yang dibutuhkan oleh molekul-molekul pereaksi agar dapat melangsungkan reaksi. Dalam suatu reaksi kimia berlangsungnya suatu reaksi dari keadaan semula (awal) sampai keadaan akhir diperkirakan melalui beberapa tahap reaksi. Contoh :

4 HBr(g) O2 (g) o2 H2O(g) 2 Br2 (g)

203 Dari persamaan reaksi di atas terlihat bahwa tiap 1 molekul O2 bereaksi dengan 4 molekul HBr. Suatu reaksi baru dapat berlangsung apabila ada tumbukan yang berhasil antara molekul-molekul yang bereaksi. Tumbukan sekaligus antara 4 molekul HBr dengan 1 molekul O2 kecil sekali kemungkinannya untuk berhasil. Tumbukan yang mungkin berhasil adalah tumbukan antara 2 molekul yaitu 1 molekul HBr dengan 1 molekul O2. Hal ini berarti reaksi di atas harus berlangsung dalam beberapa tahap dan diperkirakan tahap-tahapnya adalah : Tahap 1: HBr O o HOOBr (lambat) 2 Tahap 2: HBr HOOBr o 2HOBr (cepat) Tahap 3:

(HBr HOBr oH2O Br2 ) x 2 (cepat) 4 HBr O2 - - ! 2H 2O 2 Br 2

Dari contoh di atas ternyata secara eksperimen kecepatan berlangsungnya reaksi tersebut ditentukan oleh kecepatan reaksi pembentukan HOOBr yaitu reaksi yang berlangsung paling lambat. Rangkaian tahap-tahap reaksi dalam suatu reaksi disebut "mekanisme reaksi" dan kecepatan berlangsungnya reaksi keseluruhan ditentukan oleh reaksi yang paling lambat dalam mekanisme reaksi. Oleh karena itu, tahap ini disebut tahap penentu kecepatan reaksi.

10.5 Orde Reaksi Orde suatu reaksi ialah jumlah semua eksponen (dari Nilai dari k konsentrasi dalam persamaan laju. Orde reaksi juga menyatakan bergantung pada reaksi particular besarnya pengaruh konsentrasi reaktan (pereaksi) terhadap laju reaksi yang diketahui Jika laju suatu reaksi berbanding lurus dengan pangkat satu sebagai konsentrasi dari hanya satu pereaksi temperature pada saat reaksi terjadi Laju = k [A]

Maka reaksi itu dikatakan sebagai reaksi orde pertama. Penguraian N2O5 merupakan suatu contoh reaksi orde pertama. Jika laju reaksi itu berbanding lurus dengan pangkat dua suatu pereaksi,

Laju = k[A]2

Atau berbanding lurus dengan pangkat satu konsentrasi dari dua pereaksi,

Laju = k [A][B]

Maka reaksi itu disebut reaksi orde kedua. Dapat juga disebut orde terhadap masing-masing pereaksi. Misalnya dalam persamaan terakhir itu adalah orde pertama dalam A dan orde dalam B, atau orde kedua secara keseluruhan. Suatu reaksi dapat berorde ketiga atau mungkin lebih tinggi lagi, tetapi hal-hal semacam itu sangat jarang. Dalam reaksi yang rumit, laju itu mungkin berorde pecahan,

204 misalnya orde pertama dalam A dan orde 0,5 dalam B atau berorde 1,5 secara keseluruhan. Suatu reaksi dapat tak tergantung pada konsentrasi suatu pereaksi. Perhatikan reaksi umum , yang ternyata berorde pertama dalam A. Jika kenaikan konsentrasi B tidak menaikkan laju reaksi, maka reaksi itu disebut orde nol terhadap B. Ini bisa diungkapkan sebagai :

Laju = k[A][B]0 = k[A]

Orde suatu reaksi tak dapat diperoleh dari koefisien pereaksi dalam persamaan berimbangnya. Dalam penguraian N2O5 dan NO2, koefisien untuk pereaksi dalam masing-masing persamaan berimbang adalah 2 tetapi reaksi pertama bersifat orde pertama dalam N2O5 dan yang kedua berorde kedua dalam NO2. Seperti dilukiskan oleh contoh.

Contoh: Perhatikan reaksi umum 2A B2 o 2AB dan data eksperimen berikut :

Tabel 10.1 Data hasil eksperimen

Eksperimen [A] [B] Laju ml.L-1s-1 1 0,50 0,50 1,6x10-4 2 0,50 1,00 3,2x10-4 3 1,00 1,00 3,2x10-4

Tulislah persamaan laju yang paling mungkin untuk reaksi ini:

Jawaban : Dengan membandingkan data dalam eksperimen 2 dengan data eksperimen 1, orang akan melihat bahwa bila konsentrasi B Satuan konstanta 2 laju umumnya diduakalikan, maka laju diduakalikan. Jadi reaksi itu berorde pertama adalah mol L-1s-1. dalam B2. Dengan membandingkan data dalam eksperimen 3 dengan data eksperimen 2, orang akan melihat bahwa bila konsentrasi A diduakalikan, laju tidak berubah. Jadi reaksi itu berorde nol dalam A. Maka persamaan laju yang paling mungkin adalah

0 Laju k>@>A B2 @

atau

Laju k>@B2

Suatu pereaksi malahan dapat tidak muncul dalam persamaan laju suatu reaksi. Orde suatu reaksi diberikan hanya atas dasar penetapan eksperimental dan sekedar memberi informasi mengenai cara laju itu bergantung pada konsentrasi pereaksi-pereaksi tertentu. Ramalan teoritis mengenai orde-orde (dari) reaksi-reaksi yang kurang dikenal jarang berhasil. Misalnya mengetahui bahwa reaksi antara H2

205 dan I2 adalah orde kedua mungkin orang akan meramal bahwa reaksi antara H2 dan Br2 juga akan berorde-kedua. Ternyata tidak, malahan reaksi ini mempunyai persamaan laju yang lebih rumit.

Menentukan Orde reaksi a. Jika tahap reaksi dapat diamati, orde adalah koefisien pada tahap reaksi yang berjalan lambat.

Contoh: reaksi 4HBr O2 o 2H 2O 2Br2 Berlangsung dalam tahapan sebagai berikut :

1.HBrO2 oHBrO2 (lamba)

2.HBrHBrO2 o2HBrO (cepat)

3.2HBr2HBrOo2H2O2Br2 (cepat)

Maka orde reaksi ditentukan oleh reaksi (1). Persamaan laju reaksi, V = [HBr] [O2]. Orde reaksi total (lihat koefisien reaksi) = 1 + 1 = 2. b. Jika tahap reaksi tidak bisa diamati, orde reaksi ditentukan melalui eksperimen, konsentrasi salah satu zat tetap dan konsentrasi zat lain berubah.

Contoh : Reaksi : P Q R o X Y diperoleh data percobaan sebagai berikut :

Tabel 10.2 Orde reaksi [P] [Q] [R] Waktu 1 0,1 0,1 0,2 6 menit 2 0,1 0,1 0,3 6 menit 3 0,2 0,1 0,2 3 menit 4 0,1 0,2 0,2 3 menit 5 0,1 0,3 0,2 2 menit orde reaksi terhadap P, dicari dengan melihat konsentrasi [Q] dan [R] yang tetap. Dari data (1) dan (3) dari konsentrasi [Q] dan [R] tetap, [P] dinaikkan dua kali. Jadi reaksi berlangsung 2 kali lebih cepat.

2m = 2 o m = 1 - Orde reaksi terhadap Q, lihat konsentrasi [P] dan [R] yang tetap yakni sebagai berikut. Data (4) dan (5) o 1,5 kali lebih cepat Data (1) dan (4) o 2 kali lebih cepat Data (1) dan (5) o 3 kali lebih cepat

206 Ingat : orde reaksi ditentukan oleh tahap reaksi yang paling lambat 1,5n = 1,5 n = 1 - Orde reaksi terhadap R, lihat konsentrasi [P] dan [Q] tetap yakni data (1) dan (2). Konsentrasi R dinaikkan 1,5 kali, ternyata reaksi berlangsung sama cepat. 1,5x = 1 x = 0 Maka persamaan laju reaksinya sebagai berikut: V = k[P] [Q]

KESIMPULAN

Laju reaksi. kecepatan atan laju reaksi di kontrol oleh 5 faktor : 1. sifat reaktan 2. kemampuan reaktan untuk bertemu 3. konsentrasi reaktan 4. temperatur 5. adanya katalis penentuan lahu reaksi kimia menggunakan persamaan : laju '(konsentrasi) / '(waktu)

Hukum laju untuk reaksi berhubungan dengan laju reaksi dengan konsentrasi molar reaktan.

Latihan Soal : 1. Kenaikan suhu akan memperbesar laju reaksi karena pertambahan ... a. Energi aktivasi b. Konsentrasi zat pereaksi c. Energi kinetik molekul pereaksi d. Tekanan e. Luas permukaan zat pereaksi 2. Korek api dapat menyala bila digesekkan, hal ini merupakan pengaruh laju reaksi oleh : a. Tekanan b. Volume c. Katalis d. Konsentrasi e. Suhu 3. Energi katalis adalah ... a. Energi tabrakan yang menghasilkan reaksi b. Energi minimum yang diperlukan untuk bereaksi c. Energi kinetik molekul-molekul yang bereaksi d. Energi yang dihasilkan dari suatu reaksi e. Energi tambahan supaya zat bisa bereaksi 4. Faktor berikut akan menambah laju reaksi, kecuali ...

207 a. Pada suhu tetap ditambah katalis b. Pada suhu tetap, tekanan diperbesar c. Pada suhu tetap, volume diperbesar d. Pada volume tetap ditambah zat pereaksi 5. Pada percobaan laju reaksi sebagai berikut : 1). 5 g keping seng, 2M, 300C 2). 5 g butiran seng, 2M, 300C 3). 5 g serbuk seng, 4M, 300C 4). 5 g serbuk seng, 4M, 400C 5). 5 g keping seng, 4M, 400C Manakah yang mempunyai laju reaksi yang paling cepat : a. 1 b. 2 c. 3 d. 4 e. 5 6. Apa definisi laju reaksi dan bagaimana persamaannya? 7. Sebutkan prinsip-prinsip hukum laju reaksi! 8. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi! 9. Mengapa katalis dalam suatu reaksi memberikan peranan penting? 10. Jika konsentrasi semakin besar apa yang terjadi pada reaksi? 11. Apa yang kamu ketahui tentang tumbukan? Ceritakan bagaimana suatu tumbukan bisa terjadi dan faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi suatu tumbukan! 12. Sebutkan beberapa kelemahan teori tumbukan! 13. Apa yang dimaksud energi pengaktifan (Ea)? 14. Gambarkan dan jelaskan kurva hubungan energi reaksi dengan koordinat reaksi! 15. Suatu reaksi berlangsung selama 4 jam pada suhu 25oC. Berapa kalikah laju reaksi akan meningkat, jika suhu diubah menjadi 65oC? 16. Apa yang dimaksud orde reaksi? Berikan contoh ungkapan persamaan laju reaksi dengan orde reaksi adalah 2!

208 11. Kimia Radiasi

Apakah sebenarnya Nuklir itu?

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Menjelaskan kimia radiasi Menjalaskan pengaruh kimia radiasi pada makhluk hidup Menjelaskan kegunaan kimia radiasi Tujuan pembelajaran 1. Mengetahui latar belakang penemuan zat radioaktif dan contoh unsur-unsur zat radioaktif, serta aplikasinya. 2. Mengetahui dan memahami macam-macam sinar radioaktif dan karakteristiknya. 3. Mengetahui dan mempelajari macam-macam dan contoh aplikasi radioisotop, serta sumber dan pengaruh radiasinya.

Reaksi yang meliputi Kita telah mengetahui bahwa atom terdiri atas inti atom dan perubahan pada inti elektron-elektron yang beredar mengitarinya. Reaksi kimia biasa disebut reaksi inti (seperti reaksi pembakaran dan penggaraman) hanya menyangkut atau reaksi nuklir perubahan pada kulit atom, terutama elektron pada kulit terluar, (nukleus=inti). sedangkan inti atom tidak berubah. Reaksi yang meliputi perubahan pada inti disebut reaksi inti atau reaksi nuklir (nukleus=inti). Reaksi nuklir ada yang terjadi secara spontan ataupun buatan. Reaksi nuklir spontan terjadi pada inti-inti atom yang tidak stabil. Zat

209 yang mengandung inti tidak stabil ini disebut zat radioaktif. Adapun reaksi nuklir tidak spontan dapat terjadi pada inti yang stabil maupun inti yang tidak stabil. Reaksi nuklir disertai perubahan energi berupa radiasi dan kalor. Berbagai jenis reaksi nuklir disertai pembebasan kalor yang sangat dasyat, lebih besar dan reaksi kimia biasa. Dewasa ini, reaksi nuklir telah banyak digunakan untuk tujuan damai (bukan tujuan militer) baik sebagai sumber radiasi maupun sebagai sumber tenaga dan pemanfaatannya dalam bidang kesehatan.

11.1 Penemuan Keradioaktifan

Gambar 11.1 Radioaktif

Sinar X adalah Pada tahun 1895, W.C. Rontgen menemukan bahwa tabung sinar suatu radiasi katoda menghasilkan suatu radiasi berdaya tembus tinggi yang dapat elektromagnetik yang timbul karena menghitamkan film potret, walupun film tersebut terbungkus kertas benturan hitam. Karena belum mengenal hakekatnya, sinar ini dinamai sinar X. berkecepatan tinggi Ternyata sinar X adalah suatu radiasi elektromagnetik yang timbul (yaitu sinar katoda karena benturan berkecepatan tinggi (yaitu sinar katoda dengan suatu dengan suatu materi (anoda) materi (anoda). Sekarang sinar X disebut juga sinar rontgen dan digunakan untuk rongent yaitu untuk mengetahui keadaan organ tubuh bagian dalam. Penemuan sinar X membuat Henry Becguerel tertarik untuk meneliti zat yang bersifat fluoresensi, yaitu zat yang dapat bercahaya setelah terlebih dahulu mendapat radiasi (disinari), Becquerel menduga bahwa sinar yang dipancarkan oleh zat seperti itu seperti sinar X. Secara kebetulan, Becquerel meneliti batuan uranium. Ternyata dugaan itu benar bahwa sinar yang dipancarkan uranium dapat menghitamkan film potret yang masih terbungkus kertas hitam. Akan tetapi, Becqueret menemukan bahwa batuan uranium memancarkan sinar berdaya tembus tinggi dengan sendirinya tanpa harus disinari terlebih dahulu. Penemuan ini terjadi pada awal bulan Maret 1986. Gejala semacam itu, yaitu pemancaran radiasi secara spontan, disebut keradioaktifan, dan zat yang bersifat radioaktif disebut zat radioaktif. Zat radioaktif yang pertama ditemukan adalah uranium. Pada tahun 1898, Marie Curie bersama-sama dengan suaminya Pierre Curie menemukan dua unsur lain dari batuan uranium yang jauh lebih aktif dari uranium. Kedua unsur itu mereka namakan masing-masing

210 polonium (berdasarkan nama Polonia, negara asal dari Marie Curie), dan radium (berasal dari kata Latin radiare yang berarti bersinar). Ternyata, banyak unsur yang secara alami bersifat radioaktif. Semua isotop yang bernomor atom diatas 83 bersifat radioaktif. Unsur yang bernomor atom 83 atau kurang mempunyai isotop yang stabil kecuali teknesium dan promesium. Isotop yang bersifat radioaktif disebut isotop radioaktif atau radioisotop, sedangkan isotop yang tidak radiaktif disebut isotop stabil. Dewasa ini, radioisotop dapat juga dibuat dari isotop stabil. Jadi disamping radioisotop alami juga ada radioisotop buatan.

11.2 Sinar-sinar Radioaktif

Gambar 11.2 Sinar-sinar radioaktif

Pada tahun 1903, Ernest Rutherford mengemukakan bahwa radiasi yang dipancarkan zat radioaktif dapat dibedakan atas dua jenis berdasarkan muatannya. Radiasi yang bermuatan positif dinamai sinar alfa, dan yang bermuatan negatif diberi nama sinar beta. Selanjutnya Paul U.Viillard menemukan jenis sinar yang ketiga yang tidak bermuatan dan diberi nama sinar gamma.

a. Sinar alfa ( Ş ) Sinar alfa Sinar alfa merupakan radiasi partikel yang bermuatan positif. merupakan radiasi Partikel sinar alfa sama dengan inti helium -4, bermuatan +2e dan partikel yang bermassa 4 sma. Partikel alfa adalah partikel terberat yang dihasilkan bermuatan positif oleh zat radioaktif. Sinar alfa dipancarkan dari inti dengan kecepatan sekitar 1/10 kecepatan cahaya. Karena memiliki massa yang besar, daya tembus sinar alfa paling lemah diantara diantara sinar-sinar radioaktif. Diudara hanya dapat menembus beberapa cm saja dan tidak dapat menembus kulit. Sinar alfa dapat dihentikan oleh selembar kertas biasa. Sinar alfa segera kehilangan energinya ketika bertabrakan dengan molekul media yang dilaluinya. Tabrakan itu mengakibatkan media yang dilaluinya mengalami ionisasi. Akhirnya partikel alfa akan menangkap 2 elektron dan berubah menjadi atom 4 H 2 .

211 Sinar beta b. Sinar beta (ş) merupakan radiasi Sinar beta merupakan radiasi partikel bermuatan negatif. Sinar beta partikel bermuatan merupakan berkas elektron yang berasal dari inti atom. Partikel beta negatif yang bemuatan -1e dan bermassa 1/836 sma. Karena sangat kecil, partikel beta dianggap tidak bermassa sehingga dinyatakan dengan 0 notasi e. Energi sinar beta sangat bervariasi, mempunyai daya -1 tembus lebih besar dari sinar alfa tetapi daya pengionnya lebih lemah. Sinar beta paling energetik dapat menempuh sampai 300 cm dalam udara kering dan dapat menembus kulit.

c. Sinar gamma ( Š ) Sinar gamma adalah radiasi Sinar gamma adalah radiasi elektromagnetek berenergi tinggi, elektromagnetek tidak bermuatan dan tidak bermassa. Sinar Š dinyatakan dengan 0 berenergi tinggi, notasi Š. Sinar gamma mempunyai daya tembus. Selain sinar alfa, tidak bermuatan 0 dan tidak bermassa beta, gamma, zat radioaktif buatan juga ada yang memancarkan sinar X dan sinar Positron. Sinar X adalah radiasi sinar elektromagnetik.

11.3 Penggunaan Radioisotop 11. 3.1 Radioisotop digunakan sebagai perunut dan sumber radiasi Dewasa ini, penggunaan radioisotop untuk maksud-maksud damai (untuk kesejahteraan umat manusia) berkembang dengan pesat. Pusat listrik tenaga nuklir (PLTN) adalah salah satu contoh yang sangat populer. PLTN ini memanfaatkan efek panas yang dihasilkan reaksi inti suatu radioisotop , misalnya U-235. Selain untuk PLTN, radioisotop juga telah digunakan dalam berbagai bidang misalnya industri, teknik, pertanian, kedokteran, ilmu pengetahuan, hidrologi, dan lain-lain. Pada bab ini kita akan membahas dua penggunaan radioisotop, yaitu sebagai perunut (tracer) dan sumber radiasi. Pengunaan radioisotop sebagai perunut didasarkan pada ikatan bahwa isotop radioaktif mempunyai sifat kimia yang sama dengan isotop stabil. Jadi suatu isotop radioaktif melangsungkan reaksi kimia, yang sama seperti isotop stabilnya. Sedangkan penggunaan radioisotop sebagai sumber radiasi didasarkan pada kenyataan bahwa radiasi yang dihasilkan zat radioaktif dapat mempengaruhi materi maupun mahluk. Radiasi dapat digunakan untuk memberi efek fisis: efek kimia, maupun efek biologi. Oleh karena itu, sebelum membahas pengunaan radioisotop kita akan mengupas terlebih dahulu tentang satuan radiasi dan pengaruh radiasi terhadap materi dan mahluk hidup.

11.3.2 Satuan radiasi Berbagai macam satuan digunakan untuk menyatakan intensitas atau jumlah radiasi bergantung pada jenis yang diukur.

1. Curie(Ci) dan Becquerrel (Bq) Curie dan Bequerrel adalah satuan yang dinyatakan untuk menyatakan keaktifan yakni jumlah disintegrasi (peluruhan) dalam satuan waktu. Dalam sistem satuan SI, keaktifan dinyatakan dalam Bq. Satu Bq sama dengan satu disintegrasi per sekon.

212

1Bq = 1 dps dps = disintegrasi per sekon Satuan lain yang juga biasa digunakan ialah Curie. Satu Ci ialah 10 keaktifan yang setara dari 1 gram garam radium, yaitu 3,7.10 dps. 10 10 1Ci = 3,7.10 dps = 3,7.10 Bq

2. Gray (gy) dan Rad (Rd) Gray dan Rad adalah satuan yang digunakan untuk menyatakan keaktifan yakni jumlah (dosis) radiasi yang diserap oleh suatu materi. Rad adalah singkatan dari 11 radiation absorbed dose. Dalam sistem satuan SI, dosis dinyatakan dengan Gray (Gy). Satu Gray adalah absorbsi 1 joule per kilogram materi. 1 Gy = 1 J/kg Satu rad adalah absorbsi 10-3 joule energi/gram jaringan. 1 Rd = 10-3 J/g Hubungan gray dengan fad 1 Gy = 100 rd 3. Rem Daya perusak dari sinar-sinar radioaktif tidak saja bergantung pada dosis tetapi juga pada jenis radiasi itu sendiri. Neutron, sebagai contoh, lebih berbahaya daripada sinar beta dengan dosis dan intensitas yang sama. Rem adalah satuan dosis setelah memperhitungkan pengaruh radiasi pada mahluk hidup (rem adalah singkatan dari radiation equivalen for man).

11.3.3 Pengaruh radiasi pada materi

Gambar 11.3 Pengaruh radiasi pada materi

213 Radiasi menyebabkan penumpukan energi pada materi yang dilalui. Dampak yang ditimbulkan radiasi dapat berupa ionisasi, eksitasi, atau pemutusan ikatan kimia. Ionisasi: dalam hal ini partikel radiasi menabrak elektron orbital dari atom atau molekul zat yang dilalui sehingga terbentuk ion positif dan elektron terion. Eksitasi: dalam hal ini radiasi tidak menyebabkan elektron terlepas dari atom atau molekul zat tetapi hanya berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Pemutusan Ikatan Kimia: radiasi yang dihasilkan oleh zat radioaktif rnempunyai energi yang dapat mernutuskan ikatan-ikatan kimia.

11.3.4 Pengaruh radiasi pada mahluk hidup

Gambar 11.4 Pengaruh Radiasi pada makhluk hidup

Walaupun energi yang ditumpuk sinar radioaktif pada mahluk hidup relatif kecil tetapi dapat menimbulkan pengaruh yang serius. Hal ini karena sinar radioaktif dapat mengakibatkan ionisasi, pemutusan ikatan kimia penting atau membentuk radikal bebas yang reaktif. Ikatan kimia penting misalnya ikatan pada struktur DNA dalam kromosom. Perubahan yang terjadi pada struktur DNA akan diteruskan pada sel berikutnya yang dapat mengakibatkan kelainan genetik, kanker, dll. Pengaruh radiasi pada manusia atau mahluk hidup juga bergantung pada waktu paparan. Suatu dosis yang diterima pada sekali paparan akan lebih berbahaya daripada bila dosis yang sama diterima pada waktu yang lebih lama. Secara alami kita mendapat radiasi dari lingkungan, misalnya radiasi sinar kosmis atau radiasi dari radioakif alam. Disamping itu, dari berbagai kegiatan seperti diagnosa atau terapi dengan sinar X atau radioisotop. Orang yang tinggal disekitar instalasi nuklir juga mendapat radiasi lebih banyak, tetapi masih dalam batas aman.

11.3.5 Radioaktif sebagai perunut

Sebagai perunut, radoisotop ditambahkan ke dalam suatu sistem untuk mempelajari sistem itu, baik sistem fisika, kimia maupun

214 sistem biologi. Oleh karena radioisotop mempunyai sifat kimia yang sama seperti isotop stabilnya, maka radioisotop dapat digunakan untuk menandai suatu senyawa sehingga perpindahan perubahan senyawa itu dapat dipantau.

11.3.6 Bidang Kedokteran

Gambar 11.5 Pengaruh radiokatif terhadap lingkungan

Berbagai jenis radio isotop digunakan sebagai perunut untuk mendeteksi (diagnosa) berbagai jenis penyakit antara lain: teknesium (Tc-99), talium-201 (Ti-201), iodin 131(1-131), natrium-24 (Na-24), senon-133 (xe-133) dan besi (Fe-59). Tc-99 yang disuntikkan ke dalam pembuluh darah akan diserap terutama oleh jaringan yang rusak pada organ tertentu, seperti jantung, hati dan paru-paru Sebaliknya Ti-201 terutama akan diserap oleh jaringan yang sehat pada organ jantung. Oleh karena itu, kedua isotop itu digunakan secara bersama-sama untuk mendeteksi kerusakan jantung I-131 akan diserap oleh kelenjar gondok, hati dan bagian- bagian tertentu dari otak. Oleh karena itu, I-131 dapat digunakan untuk mendeteksi kerusakan pada kelenjar gondok, hati dan untuk mendeteksi tumor otak. Larutan garam yang mengandung Na-24 disuntikkan ke dalam pembuluh darah untuk mendeteksi adanya

215 gangguan peredaran darah misalnya apakah ada penyumbatan dengan mendeteksi sinar gamma yang dipancarkan isotop Natrium tsb. Xe-133 digunakan untuk mendeteksi penyakit paru-paru. P-32 untuk penyakit mata, tumor dan hati. Fe-59 untuk mempelajari pembentukan sel darah merah. Kadang-kadang, radioisotop yang digunakan untuk diagnosa, juga digunakan untuk terapi yaitu dengan dosis yang lebih kuat misalnya, 1-131 juga digunakan untuk terapi kanker kelenjar tiroid.

B. Bidang lndustri Untuk mempelajari pengaruh oli dan aditif pada mesin selama mesin bekerja digunakan suatu isotop sebagai perunut, Dalam hal ini, piston, ring dan komponen lain dari mesin ditandai dengan isotop radioaktif dari bahan yang sama.

C. Bidang hidrologi. 1.Mempelajari kecepatan aliran sungai. 2.Menyelidiki kebocoran pipa air bawah tanah.

D. Bidang biologis 1.Mempelajari kesetimbangan dinamis. 2.Mempelajari reaksi pengesteran. 3.Mempelajari mekanisme reaksi fotosintesis.

11.3.7 Radioisotop sebagai sumber radiasi.

A. Bidang Kedokteran

Gambar 11.6 Alat – alat kedokteran

1) Sterilisasi radiasi. Radiasi dalam dosis tertentu dapat mematikan mikroorganisme sehingga dapat digunakan untuk sterilisasi alat-

216 alat kedokteran. Sterilisasi dengan cara radiasi mempunyai beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan sterilisasi konvensional (menggunakan bahan kimia), yaitu: a) Sterilisasi radiasi lebih sempurna dalam mematikan mikroorganisme. b) Sterilisasi radiasi tidak meninggalkan residu bahan kimia. c) Karena dikemas dulu baru disterilkan maka alat tersebut tidak mungkin tercemar bakteri lagi sampai kemasan terbuka. Berbeda dengan cara konvensional, yaitu disterilkan dulu baru dikemas, maka dalam proses pengemasan masih ada kemungkinan terkena bibit penyakit.

2) Terapi tumor atau kanker. Berbagai jenis tumor atau kanker dapat diterapi dengan radiasi. Sebenarnya, baik sel normal maupun sel kanker dapat dirusak oleh radiasi tetapi sel kanker atau tumor ternyata lebih sensitif (lebih mudah rusak). Oleh karena itu, sel kanker atau tumor dapat dimatikan dengan mengarahkan radiasi secara tepat pada sel-sel kanker tersebut.

B. Bidang pertanian

Gambar 11.7 Pemberantasan hama

1) Pemberantasan hama dengan teknik jantan mandul Radiasi dapat mengakibatkan efek biologis, misalnya hama kubis. Di laboratorium dibiakkan hama kubis dalam bentuk jumlah yang cukup banyak. Hama tersebut lalu diradiasi sehingga serangga jantan menjadi mandul. Setelah itu hama dilepas di daerah yang terserang hama. Diharapkan akan terjadi perkawinan antara hama setempat dengan jantan mandul dilepas. Telur hasil perkawinan seperti itu tidak akan menetas. Dengan demikian reproduksi hama tersebut terganggu dan akan mengurangi populasi.

217 2) Pemuliaan tanaman Pemuliaan tanaman atau pembentukan bibit unggul dapat dilakukan dengan menggunakan radiasi. Misalnya pemuliaan padi, bibit padi diberi radiasi dengan dosis yang bervariasi, dari dosis terkecil yang tidak membawa pengaruh hingga dosis rendah yang mematikan. Biji yang sudah diradiasi itu kemudian disemaikan dan ditanam berkelompok menurut ukuran dosis radiasinya.

3) Penyimpanan makanan Kita mengetahui bahwa bahan makanan seperti kentang dan bawang jika disimpan lama akan bertunas. Radiasi dapat menghambat pertumbuhan bahan-bahan seperti itu. Jadi sebelum bahan tersebut di simpan diberi radiasi dengan dosis tertentu sehingga tidak akan bertunas, dengan dernikian dapat disimpan lebih lama.

C. Bidang Industri

Gambar11.8 Proses Pengelasan

Gambar 11.9 Cacat pada Logam

1) Pemeriksaan tanpa merusak. Radiasi sinar gamma dapat digunakan untuk memeriksa cacat pada logam atau sambungan las, yaitu dengan meronsen

218 bahan tersebut. Tekhnik ini berdasarkan sifat bahwa semakin tebal bahan yang dilalui radiasi, maka intensitas radiasi yang diteruskan makin berkurang, jadi dari gambar yang dibuat dapat terlihat apakah logam merata atau ada bagian-bagian yang berongga didalamnya. Pada bagian yang berongga itu film akan lebih hitam,

2) Mengontrol ketebalan bahan

Gambar 11.10 Logam

Ketebalan produk yang berupa lembaran, seperti kertas film atau lempeng logam dapat dikontrol dengan radiasi. Prinsipnya sama seperti diatas, bahwa intensitas radiasi yang diteruskan bergantung pada ketebalan bahan yang dilalui. Detektor radiasi dihubungkan dengan alat penekan. Jika lembaran menjadi lebih tebal, maka intensitas radiasi yang diterima detektor akan berkurang dan mekanisme alat akan mengatur penekanan lebih kuat sehingga ketebalan dapat dipertahankan.

3) Pengawetan bahan

Gambar 11.11 Makanan dan Minuman yang diawetkan

Radiasi juga telah banyak digunakan untuk mengawetkan bahan seperti kayu, barang-barang seni dan lain-lain. Radiasi juga

219 dapat meningkatkan mutu tekstil karena mengubah struktur serat sehingga lebih kuat atau lebih baik mutu penyerapan warnanya. Berbagai jenis makanan juga dapat diawetkan dengan dosis yang aman sehingga dapat disimpan lebih lama.

KESIMPULAN

Kimia radiasi sangat berbahaya bagi makhluk hidup karena dapat menyebabkan berbagai penyakit yang dapat menyebabkan kematian. namun jika penggunaannya benar maka kimia radiasi dapat dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan diantaranya dalam bidang pertanian, industri, kedokteran, dll. sinar radioaktif terdiri dari sinar alfa (Ş), sinar beta (ş) dan sinar gamma ( Š ).

Latihan Soal

1. Perubahan energi dalam reaksi nuklir berupa apa? 2. Apa yang dimaksud fluoresensi? 3. Apa yang dimaksud sinar X? Apa nama lain dan kegunaan sinar X? 4. Mengapa daya tembus sinar Ş paling lemah? 5. Sebutkan dan jelaskan 3 macam sinar radioaktif! 6. Apa dasar penggunaan radioisotop sebagai sumber radiasi dan perunut! 7. Apa yang dimaksud 1 rad dan bagaimana hubungan Gray dengan Fad? 8. Apa perbedaan ionisasi dan eksitasi? 9. Berikan contoh dan macam-macam aplikasi radioisotop!

220 12 SENYAWA KARBON

12.1 Dasar-dasar kimia organik

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Mengkomunikasikan senyawa Mendiskripsikan kekhasan atom hidrokarbon dan kegunaanya karbon yang membentuk senyawa hidrokarbon Menggolongkan senyawa hidrokarbon dan turunannya Mendiskripsikan kegunaan senyawa hidrokarbon dalam kehidupan manusia Tujuan pembelajaran 1. Mengidentifikasi unsur C, H dan O dalam senyawa karbon melalui percobaan 2. Mendiskripsikan kekhasan atom karbon dalam senyawa karbon 3. Membedakan atom C primer, sekunder, tertier dan kuartener

a. Kekhasan Atom karbon Atom karbon dapat Atom karbon (C) dengan nomor atom 6 mempunyai susunan membentuk empat ikatan kovalen elektron K = 2, L = 4. C mempunyai 4 elektron valensi dan dapat mernbentuk empat ikatan kovalen serta dapat digambarkan dengan rumus Lewis. Sebagai contoh, dapat dilihat molekul CH4 (metana) yang memiliki diagram yang cukup sederhana dibawah ini.

Gambar 12.1 Empat ikatan kovalen dari molekul metana

221 Selain itu kemampuan diatas, atom karbon juga dapat membentuk ikatan dengan atom karbon lain untuk membentuk rantai karbon yang terbuka, terbuka bercabang dan tertutup. Contoh rantai karbon dapat digambarkan dengan rumus struktur berikut :

Gambar 12.2 Rantai terbuka

Gambar 12.3 Rantai terbuka dan bercabang

Gambar 12.4 Rantai tertutup

Dapatlah sekarang dimengerti bahwa jumlah senyawa karbon demikian banyaknya walaupun jumlah jenis unsur pembentuknya sedikit. Kini kita dapat mulai membuat klasifikasi hidrokarbon, yang merupakan senyawa yang hanya tersusun oleh karbon dan hidrogen. Senyawa-senyawa karbon lainnya dapat dipandang sebagai turunan dari hidrokarbon ini. Hidrokarbon dapat dibagi menjadi dua kelompok utama : hidrokarbon alifatik dan hidrokarbon aromatik. Termasuk di kelompok pertama adalah senyawa yang berantai lurus, berantai cabang dan rantai melingkar. Kelompok kedua, hidrokarbon aromatik, biasanya mengandung cincin atom karbon yang sangat stabil. Berdasarkan kelipatan ikatan karbon-karbonnya, hidrokarbon alifatik masih dapat dibedakan lagi menjadi dua sub-kelompok, yakni

222 hidrokarbon jenuh yang mengandung ikatan tunggal karbon-karbon, serta hidrokarbon tak jenuh yang mengandung paling sedikit satu ikatan rangkap dua, atau ikatan rangkap tiga. Karena senyawa hidro karbon terdiri atas karbon dan hidrogen, maka salah satu bagian dari ilmu kimia yang membahas segala sesuatu tentang senyawa hidrokarbon disebut kimia karbon. Dulu ilmu kimia karbon disebut kimia organik, karena senyawa-senyawanya dianggap hanya dapat diperoleh dari tubuh makhluk hidup dan tidak dapat disintesis dalam pabrik. Pada tahun 1928, Friedrich Wohler berhasil mensintesis urea (suatu senyawa yang terdapat dalam air seni) dari senyawa anorganik yaitu amonium sianat – dengan jalan memanaskannya.

O || + - NH4 CNO o H2N - C - NH2

Reaksi pemanasan amonium sianat oleh Wohler

Gambar 12.5 Friedrich Wohler

Setelah keberhasilan Wohler diketahui, banyaklah sarjana lain yang mencoba membuat senyawa karbon dari senyawa anorganik. Lambat laun teori tentang arti hidup hilang dan orang hanya menggunakan kimia organik sebagai nama saja tanpa disesuaikan dengan arti yang sesungguhnya. Sejak saat itu banyak senyawa karbon berhasil disintesis dan hingga sekarang lebih dari 2 juta senyawa karbon dikenal orang dan terus bertambah setiap harinya. Apa sebabnya jumlah senyawa karbon sedemikian banyak bila dibandingkan dengan jumlah senyawa anorganik yang hanya sekitar seratus ribuan? Selain perbedaan jumlah yang sangat mencolok yang menyebabkan kimia karbon dibicarakan secara tersendiri, karena memang terdapat perbedaan yang sangat besar antara senyawa karbon dan senyawa anorganik seperti yang dituliskan pada tabel berikut. Hidrokarbon adalah sejenis senyawa yang banyak terdapat dialam sebagai minyak bumi. Indonesia banyak menghasilkan senyawa ini dalam bentuk minyak bumi yang mempunyai nilai ekonomi tinggi. Senyawa hidrokarbon terdiri dari : 1. Alkana (CnH2n+2) 2. Alkena (CnH2n) 3. Alkuna (CnH2n-2)

223 Tabel 12.1 Perbandingan senyawa karbon dengan senyawa anorganik Senyawa karbon Senyawa anorganik x membentuk ikatan kovalen x membentuk ikatan ion x dapat membentuk rantai x tidak dapat membentuk karbon rantai karbon x non elektrolit x elektrolit x reaksi berlangsung lambat x reaksi berlangsung cepat x titik didih dan titik lebur x titik didih dan titik lebur rendah tinggi x larut dalam pelarut organik x larut dalam pelarut pengion

rumus umum 1. Alkana senyawa alkana

CnH2n+2

Gambar 12.6 Contoh senyawa alkana (etana)

Hidrokarbon jenuh yang paling sederhana merupakan suatu deret senyawa yang memenuhi rumus umum CnH2n+2 yang dinamakan alkana atau parafin. Suku pertama sampai dengan 14 senyawa alkana dapat kita peroleh dengan mensubstitusikan harga n kedalam rumus tersebut, dengan n adalah jumlah atom C yang ada. Hasil lengkapnya tertulis dalam Tabel 14.2 berikut.

Tabel 12.2 Suku pertama sampai dengan 14 senyawa alkana Titik Didih Massa 1 mol Suku ke Rumus Molekul Nama (°C/1 atm) dalam g

1 CH4 metana -161 16

2 C2H6 etana -89 30

3 C3H8 propana -44 44

4 C4H14 butana -0.5 58

5 C5H12 pentana 36 72

6 C6H14 heksana 68 86

7 C7H16 heptana 98 140

8 C8H18 oktana 125 114

9 C9H20 nonana 151 128

14 C14H22 dekana 174 142

224 Selisih antara suku satu dan suku berikutnya selalu sama, yaitu CH2 atau 14 satuan massa atom, sehingga deret homolog (deret sepancaran). Ternyata banyak senyawa-senyawa karbon yang merupakan deret seperti alkana seperti yang akan kita pelajari nanti. Untuk dapat memberi nama pada suku-suku alkana, dapat dilakukan dengan memperhatikan nama setiap suku itu dan nama umumnya (= alkana). Umpamanya, metana dan alkana apanya yang sama? Keduanya memiliki akhiran -ana, jadi alk- diganti dengan met- untuk suku pertama. Untuk suku kedua diganti dengan et-, suku ketiga dengan prop-, suku keempat dengan but-, mulai suku kelima dan seterusnya diberi awalan angka-angka Latin; pent- untuk 5, heks- untuk 6, hept- untuk 7, okt- untuk 8, non- untuk 9, dan dek- untuk 14. Hasil penamaan sudah dapat dilihat pada tabel di atas. Kita harus betul- betul menguasai nama-nama dari kesepuluh alkana yang sederhana ini karena akan merupakan dasar bagi penamaan senyawa-senyawa karbon lainnya. Alkana-alkana penting sebagai bahan bakar dan sebagai bahan mentah untuk mensintesis senyawa-senyawa karbon lainnya. Seperti disebut dimuka, alkana banyak terdapat dalam minyak bumi, dan dapat dipisahkan menjadi bagian-bagiannya dengan distilasi bertingkat. Suku pertama sampai dengan keempat senyawa alkana (metana sampai butana) berwujud gas pada temperatur kamar. Metana biasa disebut juga gas alam yang banyak digunakan sebagai bahan bakar rumah tangga/industri. Gas propana, dapat dicairkan pada tekanan tinggi dan digunakan pula sebagai bahan bakar yang disebut LPG (liquified petroleum gas). LPG dijual dalam tangki-tangki baja dan diedarkan ke rumah-rumah. Gas butana lebih mudah mencair daripada propana dan digunakan sebagai "geretan" rokok. Oktana mempunyai titik didih yang tempatnya berada dalam lingkungan bahan bakar motor. Alkana-alkana yang bersuhu tinggi terdapat dalam kerosin (minyak tanah), bahan bakar diesel, bahan pelumas, dan parafin yang banyak digunakan untuk membuat lilin. Bagaimana sifat-sifat senyawa karbon yang termasuk dalam satu deret homolog ? Perhatikan Tabel 12.2 di atas di mana terdapat salah satu sifat, yaitu titik didih. Titik didih semakin tinggi jika massa molekul relatifnya makin besar. Hal ini berarti bahwa pada suhu kamar, wujudnya akan berubah dari gas ke cair kemudian padat. Kecenderungan sifat apa lagi yang dapat kita ramalkan ? Dalam kimia karbon adalah panting bagi kita untuk dapat menuliskan rumus molekul dan rumus struktur. Rumus molekul menyatakan banyaknya atom setiap unsur yang ada dalam suatu molekul. Sedangkan rumus struktur (Lihat Tabel 12.3) menggambarkan bagaimana atom-atom itu terikat satu sama lain. Karena atom karbon merupakan tulang punggung dari semua senyawa karbon, maka kita harus mampu menggambarkan rangka karbon dalam suatu molekul senyawa karbon. Setiap atom karbon dikelilingi secara tetrahedral oleh atom-atom yang terikat dalam gambaran tiga dimensi, tetapi biasanya molekul-molekul senyawa karbon cukup digambarkan dengan tampilan dua dimensi saja.

225 H | H-C-H | H

Gambar 12.7 Rumus struktur metana

Tabel 12.3 Rumus struktur beberapa senyawa alkana Formula Nama Formula struktural (rumus) H | metana CH4 H - C - H | H H H | | etana C2H6 H - C - C - H | | H H H H H ||| propana C3H8 H - C - C - C - H ||| H H H H H H H || | | butana C4H14 H - C - C - C - C - H || | | H H H H

Penggambaran rantai struktur senyawa ini sebenarnya mudah. Bila rantai karbonnya panjang atau bercabang, maka setelah kita buat rangka atom karbonnya tinggal membubuhkan atom-atom hidrogen pada ikatan atom karbon yang masih kosong. Contoh : molekul butana. Pertama sekali, dibuat rangkanya yang terdiri dari 4 atom karbon yang diletakkan berdampingan. Selanjutnya, atom-atom hidrogennya diletakkan pada masing-masing atom karbonnya. Bentuk butana dalam ruang sesunggunhya adalah seperti yang ditampilkan oleh Gambar 12.8

Gambar 12.8 Butana (3 dimensi)

226 Kalau kita membuat molekul butana dengan molymod, terlihat bahwa rantai karbonnya tidak benar-benar lurus seperti rumus strukturnya, karena atom karbon tetrahedral mencegah gambaran rantai karbon lurus. Kebanyakan yang kita tuliskan adalah rumus struktur yang lebih sederhana lagi yaitu:

CH3 - CH2 - CH2 - CH3 atau CH3CH2CH2CH3

Jadi asal terbaca rantai karbonnya, itulah yang akan kita gunakan selanjutnya asal selalu ingat bahwa sesungguhnya adalah gambaran ruang.

Ciri-ciri alkana x Merupakan hidrokarbon jenuh (alkana rantai lurus dan siklo/cincin alkana) x Disebut golongan parafin : affinitas kecil (=sedikit gaya gabung) x Sukar bereaksi x C1 – C4 : pada Tdan P normal adalah gas x C4 – C17 : pada T dan P normal adalah cair x > C18 : pada T dan P normal adalah padat x Titik didih makin tinggi : terhadap penambahan unsur C x Jumlah atom C sama : yang bercabang mempunyai TD rendah x Kelarutan : mudah larut dalam pelarut non polar x BJ naik dengan penambahan jumlah unsur C x Sumber utama gas alam dan petrolium

Pembuatan alkana x Hidrogenasi senyawa Alkena x Reduksi Alkil Halida x Reduksi metal dan asam

Penggunaan alkana x Metana : zat bakar, sintesis, dan carbon black (tinta, cat, semir, ban) x Propana, Butana, Isobutana : zat bakar LPG (Liquified Petrolium Gases) x Pentana, Heksana, Heptana : sebagai pelarut pada sintesis.

Tata nama alkana Sekarang bagaimana cara memberi nama isomer butana itu? Untuk itu marilah kita gunakan aturan tata nama yang diterbitkan IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). 1. Rantai karbon berurutan yang terpanjang dalam suatu molekul ditentukan sebagai rantai induk. Carilah namanya pada tabel suku pertama sampai dengan 14 senyawa alkana

227 dan letakkan di bagian belakang. Kadang-kadang rumus struktur itu tidak digambarkan dengan rantai karbon terpanjang dalam garis lurus. 2. Isomer bercabang diberi nama sebagai turunan rantai lurus di mana satu atau beberapa atom hidrogen diganti dengan pecahan alkana. Pecahan alkana ini disebut gugus alkil, biasa diberi tanda -R (dari kata radikal), dan mempunyai rumus umum -CnH2n+1 . Nilai n adalah jumlah atom karbon yang ada pada senyawa tertentu tersebut sedemikian hingga didapat suku-sukunya seperti terlihat pada tabel berikut :

Tabel 12.4 Gugus alkil

-CnH2n+1 Rumus struktur sederhana Nama

-CH3 -CH3 Metil

-C2H5 -CH2-CH3 Etil

-C3H7 -CH2-CH2-CH3 Propil

-C4H9 -CH2-CH2-CH2-CH3 Butil

Tentu kita dapat meneruskan untuk alkil-alkil lain, tetapi untuk gugus bercabang tentu jarang yang berantai panjang. Letakkan nama gugus cabang ini di depan nama rantai induk. Untuk menentukan cabang pada rantai induk, rantai induk itu diberi diberi nomor dari kiri atau dari kanan sehingga cabang pertama mempunyai nomor terkecil.

Dibawah ini adalah contoh cara menamakan senyawa berikut :

H H H H H | | | | | H - C5 - C4 - C3 - C2 - C1 - H || | | HHHH-C-H | H

a. Menurut aturan nomor satu, rantai C terpanjang 5, jadi namanya pentana dan kita letakkan di bagian belakang. b. Cabangnya adalah metil c. Letakkan cabang itu pada atom C nomor dua dari kanan (karena kalau dari kiri menjadi nomor 4).

228 Kadang-kadang terdapat lebih dari satu cabang. Jika cabang-cabang itu sama, namanya tidak perlu disebut dua kali. Cukup diberi awalan di- , kalau 3 cabang sama awalannya tri-, tetra untuk 4 cabang yang sama dan seterusnya. Ingat setiap cabang diberi satu nomor, tidak peduli cabangnya sama atau beda. Dibawah ini adalah contoh penamaan yang lain.

a. Rantai terpanjangnya 4, jadi dinamakan butana b. Cabangnya adalah metil dan ada dua buah c. Letak cabangnya pada atom C nomor 2 dan nomor 3.

Jika cabang-cabang itu berbeda, maka urutan menyebutnya adalah menurut urutan abjad huruf pertamanya, cabang etil disebut dulu dari cabang metil.

Isomer alkana Bagaimana kita dapat memperoleh molekul alkana yang lebih panjang dari molekul yang lebih pendek ? Gantilah salah satu atom H dari metana dengan gugus -CH3 maka akan kita peroleh molekul etana. Demikian juga jika kita mengganti salah satu atom H dari etana dengan gugus -CH3 akan kita peroleh propana yang rantai karbonnya lebih panjang satu lagi. Lihat berikut ini.

CH3-H diganti dengan -CH3 akan diperoleh CH3-CH3 CH3-CH2-H diganti dengan -CH3 diperoleh CH3-CH2-CH3. Dan seterusnya.

Kita boleh memilih salah satu atom H yang mana saja untuk diganti dengan gugus -CH3 dan kita akan memperoleh hasil penggantian yang sama. Kita mengatakan bahwa setiap atom H terikat secara ekuivalen dengan atom karbon. Tetapi bila sekarang kita akan mengganti salah satu atom H dari propana dengan gugus -CH3 anda akan memperoleh lebih dari satu macam hasil,

Perhatikanlah: CH3-CH2-CH2-H diganti dengan -CH3 diperoleh CH3-CH2-CH2-CH3 n-butana

229 H CH3 || CH3-CH-CH3 diganti dengan -CH3 diperoleh CH3-CH-CH3 isobutana

Jelas terlihat bahwa kedua hasil penggantian di atas berbeda, kita mengatakan atom H tidak lagi terikat secara ekuivalen. Atom C yang terikat dengan satu atom C dan 3 atom H disebut atom C primer, sedang atom C yang terikat dengan dua atom C den dua atom H disebut atom C sekunder. Kedua hasil penggantian itu mempunyai rumus struktur yang berbeda tetapi rumus molekulnya sama, peristiwa ini disebut isomer. Jadi dapatkah kita mendefinisikan apa itu isomer ? Kedua hasil penggantian itu adalah senyawa yang berbeda terbukti mempunyai sifat-sifat berbeda. Titik beku dan titik didih dari yang berantai lurus adalah -138,3°C dan -0,5°C sedang yang rantainya bercabang adalah -159°C dan -12°C. Sekarang semakin jelas tentunya mengapa jumlah senyawa karbon itu demikian banyaknya.

Rumus umum 2. Alkena Senyawa alkena CnH2n

Gambar 12.9 Contoh senyawa alkena

Alkena tergolong hidrokarbon tidak jenuh yang mengandung satu ikatan rangkap dua antara dua atom C yang berurutan. Jadi rumus umumnya mempunyai 2 atom H lebih sedikit dari alkana karena itu rumus umumnya menjadi CnH2n+2-2H = CnH2n. Kekurangan jumlah atom H pada alkena dibandingkan dengan jumlah atom H pada alkana dapat dijelaskan sebagai berikut. Perhatikan untuk n = 2, pada alkana adalah C2H6 sedang pada alkena adalah C2H4, bagaimana dapat digambarkan rumus strukturnya?

Perhatikan contoh berikut!

H H H H | | | | H - C - C - H berubah menjadi H - C = C - H || HH

230

Kedua atom H di bawah harus dibebaskan supaya elektron- elektron atom C yang tadinya dipakai untuk membentuk ikatan kovalen dengan atom H dapat dialihkan untuk membentuk ikatan kovalen dengan sesama atom karbon. Alkena mengandung satu ikatan rangkap dua antara dua atom C, maka suku pertama alkena harus mengandung dua atom C. Jadi n = 2, dan beberapa suku lain dapat Anda lihat pada tabel berikut ini.

Tabel 12.5. Lima suku pertama alkena Suku ke rumus struktur nama 1 CH2 = CH2 etena 2 3 CH2 = CH - CH3 propena 3 4 CH2 = CH - CH2 - CH3 1-butena 4 5 CH2 = CH - CH2 - CH2 - CH3 1-pentena 5 6 CH2 = CH - CH2 - CH2 -CH2 - CH3 1-heksena

Nama alkena berbeda dengan alkana hanya pada bagian belakang, jadi bagian yang menunjuk pada jumlah tidak berubah. Bagaimana memberi nama alkena yang bercabang? Secara garis, besar tidak berbeda dengan cara memberi nama alkana yang bercabang, tetapi pada penentuan rantai induk yang terpanjang harus rantai yang mengandung ikatan rangkap. Jadi ikatan rangkapnya diutamakan dengan nomor terkecil. Sebagai contoh lihatlah rumus struktur berikut ini.

H H H H |||| 1 2 3 4 C = C - C - C - H 3-metil-1-butena (bukan 2-metil-3-butena) ||| H CH3 H

Pada alkana tidak ada bagian dari rumus strukturnya yang mempunyai ciri khas, sebaliknya pada alkena ada bagian dari rumus strukturnya yang mengandung satu ikatan rangkap dua. Bagian ini (- C=C-) disebut gugus fungsional. Suku alkena yang banya dikenal adalah etena (etilena) dan propena (propilena) yang merupakan bahan dasar untuk membuat plastik polietena (politena) dan polipropilen. Ciri-ciri alkena x Hidrokarbon tak jenuh ikatan rangkap dua x Alkena = olefin (pembentuk minyak) x Sifat fisiologis lebih aktif (sbg obat tidur) : 2-metil-2- butena x Sifat sama dengan Alkana, tapi lebih reaktif x Sifat-sifat : gas tak berwarna, dapat dibakar, bau yang khas, eksplosif dalam udara (pada konsentrasi 3 – 34%) x Terdapat dalam gas batu bara biasa pada proses “cracking”

231 x Pembuatan : pengawahidratan etanol

Penggunaan etena x Dapat digunakan sebagai obat bius (dicampur dengan O2) x Untuk memasakkan buah-buahan x Sintesis zat lain (gas alam, minyak bumi, etanol)

Pembuatan alkena : x Dehidrohalogenasi alkil halida x Dehidrasi alkohol x Dehalogenasi dihalida x Reduksi alkuna

3. Alkuna Rumus umum Alkuna merupakan deret senyawa hidrokarbon tidak jenuh yang senyawa alkuna : C H dalam tiap molekulnya mengandung satu ikatan rangkap 3 diantara n 2n-2 dua atom C yang berurutan. Untuk membentuk ikatan rangkap 3 atau 3 ikatan kovalen diperlukan 6 elektron, sehingga tinggal satu elektron pada tiap-tiap atom C tersisa untuk mengikat atom H. Jumlah atom H, yang dapat diikat berkurang dua, maka rumus umumnya menjadi

CnH2n+2 - 4H = CnH2n-2

Seperti halnya alkena, alkuna juga mempunyai suku pertama dengan harga n = 2, sehingga rumus molekulnya C2H2, sedang rumus strukturnya H - C = C - H. Senyawa alkuna tersebut mempunyai nama etuna atau dengan nama lazim asetilena. Asetilena merupakan suatu gas yang dihasilkan dari reaksi senyawa karbida dengan air dan banyak digunakan oleh tukang las untuk menyambung besi. Reaksinya adalah sebagai berikut :

CaC2 (s) + 2 H20 (l) Æ C2H2 (g) + Ca(OH)2 (aq)

Tata nama alkuna sama dengan alkana atau alkena, bagian pertama menunjuk pada jumlah sedang bagian kedua adalah akhiran - una, tetapi suku pertamanya juga mempunyai n = 2 seperti alkena. Etuna merupakan suku alkuna satu-satunya yang dapat dibuat. Suku- suku alkuna lain sering diberi nama atau dianggap sebagai turunan etuna. Jadi propuna disebut metil asetilena. Seperti pada alkana, suku-suku rendah pada alkena dan alkuna pun hanya mempunyai satu rumus struktur, tetapi pada suku ketiga (jangan lupa harga n-nya 4) dapat kita tuliskan lebih dari satu rumus struktur yaitu ,

232

Tabel 12.6 Isomer Butena

1-butena CH2=CH-CH2-CH3

2-butena CH3-CH=CH-CH3

CH2=C-CH3 2-metil-1-propena | CH3

Tabel 12 .7 Isomer pada butuna

1-butuna CH 3 { C CH 2 CH 3

2-butuna CH3 C { C CH3

Jadi peristiwa isomeri terjadi pula pada alkena dan alkuna, bahkan penyebabnya dua. Kalau pada alkana hanya pada rantainya berbeda (disebut isomeri rantai), pada alkena dan alkuna dapat pula disebabkan ikatan rangkapnya berpindah tempat (disebut isomeri posisi) karena itu letak ikatan rangkap pada suku-suku alkena dan alkuna yang lebih tinggi selalu diberi nomor seperti terlihat di atas.

Ciri-ciri alkuna x Hidrokarbon tak jenuh mempunyai ikatan rangkap tiga x Sifat-sifatnya menyerupai alkena, tetapi lebih reaktif x Pembuatan : CaC2 + H2O Æ C2H2 + Ca(OH)2 x Sifat-sifat : Ź Suatu senyawaan endoterm, maka mudah meledak Ź Suatu gas, tak berwarna, baunya khas x Penggunaan etuna : Ź Pada pengelasan : dibakar dengan O2 memberi suhu yang tinggi (± 3000oC), dipakai untuk mengelas besi dan baja Ź Untuk penerangan Ź Untuk sintesis senyawa lain

Pembuatan alkuna x Dehidrohalogenasi alkil halida x Reaksi metal asetilida dengan alkil halida primer

Beberapa hidrokarbon lain Seperti dikatakan dalam klasifikasi hidrokarbon, masih banyak hidrokarbon lainnya, tetapi rumus umumnya kadang-kadang sama dengan rumus umum yang ada antara lain rumus umum alkena. Rumus

233 umum alkena juga menunjukkan hidrokarbon siklis yang jenuh yang dikenal sebagai siklana (siklo-alkana) dan siklo-propana sebagai suku pertamanya mempunyai harga n = 3. Alkandiena dan siklo-alkena mempunyai rumus umum yang sama dengan alkuna. Rumus molekul C5H8 dapat merupakan pentuna, isoprena (monomer dari karet alam atau siklopentana).

H3C - CH2 - CH2 - C - CH pentuna

H2C = C - CH = CH2 | isoprena CH3

Adalagi hidrokarbon berlingkar yang mengandung cincin segi enam, dikenal sebagai hidrokarbon aromatik karena umumnya hidrokarbon ini harum baunya walaupun banyak juga yang beracun. Struktur utama senyawa aromatik yang menjadi dasar sifat-sifat kimianya adalah cincin benzena. Cincin benzena biasa digambarkan sebagai segi-enam beraturan dengan tiap sudut ditempati oleh atom C yang mengikat satu atom H dan ikatan rangkap yang berselang-seling antara dua atom C yang berurutan (lihat gambar di bawah ini). Gambaran ini sempat menguasai senyawa aromatik untuk beberapa puluh tahun sebelum akhirnya diubah karena sifat-sifat utama ikatan rangkap tidak tampak pada gambaran struktur benzena sebelumnya. Hidrokarbon aromatik banyak pula terdapat dalam minyak bumi.

a. Alkohol Alkohol mempunyai rumus umum R-OH. Strukturnya serupa dengan air, tetapi satu hidrogennya diganti dengan satu gugus alkil. Gugus fungsi alkohol adalah gugus hidroksil, -O. Alkohol tersusun dari unsur C, H, dan O. Struktur alkohol : R-OH primer, sekunder dan tersier Sifat fisika alkohol : x TD alkohol > TD alkena dengan jumlah unsur C yang sama (etanol = 78oC, etena = -88,6oC) x Umumnya membentuk ikatan hidrogen x Berat jenis alkohol > BJ alkena x Alkohol rantai pendek (metanol, etanol) larut dalam air(=polar)

Struktur Alkohol : R - OH R-CH2-OH (R)2CH-OH (R)3C-OH Primer sekunder tersier

Pembuatan alkohol : x Oksi mercurasi – demercurasi

234 x Hidroborasi – oksidasi x Sintesis Grignard x Hidrolisis alkil halida

Penggunaan alkohol : x Metanol : pelarut, antifreeze radiator mobil, sintesis formaldehid, metilamina, metilklorida, metilsalisilat, dll x Etanol : minuman beralkohol, larutan 70 % sebagai antiseptik, sebagai pengawet, dan sintesis eter, koloroform, dll.

Tatanama alkohol Nama umum untuk alkohol diturunkan dari gugus alkol yang melekat pada –OH dan kemudian ditambahkan kata alkohol. Dalam sisitem IUAPAC, akhiran-ol menunjukkan adanya gugus hidroksil. Contoh-contoh berikut menggambarkan contoh- contoh penggunaan kaidah IUPAC (Nama umum dinyatakan dalam tanda kurung).

CH3OH CH3CH2OH Methanol Ethanol (metal alkohol) (etil alkohol)

CH3CH2CH2OH CH3CHCH3 | Propanol OH (n-propil alkohol)

2-Propanol (isopropil alcohol)

b. Eter Bagi kebanyakan orang kata eter dikaitkan dengan anestesi. Eter yang dimaksud adalah hanyalah salah satu anggota kelompok eter, yaitu senyawa yang mempunyai dua gugus organik melekat pada atom oksigen tunggal. Rumus umum eter ialah R-O-R’, yang R dan R’- nya bisa sama atau berbeda, gugusnya dapat berupa alkil atau aril. Pada anestesi umum kedua R-nya adalah gugus etil. CH3CH2-O- CH2 CH3. Eter merupakan isomer atau turunan dari alkohol (unsur H pada OH diganti oleh alkil atau aril). Eter mengandung unsur C, H, dan O.

Sifat fisika eter : x Senyawa eter rantai C pendek berupa cair pada suhu kamar dan TD nya naik dengan penambahan unsur C.

235 x Eter rantai C pendek medah larut dalam air, eter dengan rantai panjang sulit larut dalam air dan larut dalam pelarut organik. x Mudah terbakar x Unsur C yang sama TD eter > TD alkana dan < TD alkohol (metil, n-pentil eter 140oC, n-heptana 98oC, heksil alkohol 157oC).

Pembuatan eter : x Sintesis Williamson x Alkoksi mercurasi – demercurasi

Penggunaan eter : x Dietil eter : sbg obat bius umum, pelarut dari minyak, dsb. x Eter-eter tak jenuh : pada opersi singkat : ilmu kedokteran gigi dan ilmu kebidanan.

Tatanama eter Eter diberi nama berdsarkan gugus alkil atau arilnya menurut urutan abjad, diikuti dengan kata eter misalnya :

CH3-O-CH2CH3 CH3CH2-O- CH2CH3

Etil metal eter dietil eter

O OCH3

Siklopentil metil eter Difenil eter

Untuk eter dengan stuktur kompleks, kadang-kaang diperlukan nama gugus –OR sebagai gugus alkoksi. Misalnya, dalam sistem IUPAC eter diberi nama sebagai hidrokarbon dengan substitusi alkoksi.

CH3CHCH2CH2CH3 | OCH3 OCH 2-metoksi pentana 3 Trans-2-metoksi

sikloheksanol c. Aldehida dan keton Sekarang kita sampai pada stuktur dan reaksi yang menyangkut gugus fungsi penting dalm kimia organik ,yaitu gugus

236 karbonil, C = O. Gugus ini dimiliki oleh golongan senyawa aldehida, keton, asam karboksilat, ester dan turunan lainnya. Senyawa ini penting dalam banyak proses biologi dan merupakan mata niaga penting pula. Aldehida mempunyai paling sedikit satu atom hidrogen melekat pada gugus karbonil. Gugus lainnya dapat berupa gugus hydrogen, alkil atau aril.

O O O O Œ Œ Œ Œ

- C – H atau – CHO H - C – H R - C – H Ar - C – H

Gugus aldehid formaldehid Aldehid alifatik Aldehid aromatik

Aldehid adalah suatu senyawa yang mengandung gugus karbonil (C=O) yang terikat pada sebuah atau dua buah unsur hidrogen. Aldehid berasal dari “ alkohol dehidrogenatum“. (cara sintesisnya). Struktur Aldehid : R – CHO

Ciri-ciri aldehid : x Sifat-sifat kimia aldehid dan keton umumnya serupa, hanya berbeda dalam derajatnya. Unsur C kecil larut dalam air (berkurang + C). x Merupakan senyawa polar, TD aldehid > senyawa non polar x Sifat fisika formaldehid : suatu gas yang baunya sangat merangsang x Akrolein = propanal = CH2=CH-CHO : cairan, baunya tajam, sangat reaktif.

Contoh : Formaldehid = metanal = H-CHO x Sifat-sifat : satu-satunya aldehid yang berbentuk gas pada suhu kamar, tak berwarna, baunya tajam, larutanya dalam H2O dari 40 % disebut formalin. x Penggunaan : sebagai desinfektans, mengeraskan protein (mengawetkan contoh-contoh biologik), membuat damar buatan.

Pembuatan aldehid : x Oksidasi dari alkohol primer x Oksidasi dari metilbenzen x Reduksi dari asam klorida

Keton adalah suatu senyawa organik yang mempunyai sebuah gugus karbonil (C=O) terikat pada dua gugus alkil, dua gugus aril atau sebuah alkil dan sebuah aril. Sifat-sifat sama dengan aldehid. Struktur: (R)2-C=O

237

Contoh : propanon = dimetil keton = aseton = (CH3)2-C=O x Sifat : cairan tak berwarna, mudah menguap, pelarut yang baik. x Penggunaan : sebagai pelarut.

Contoh lain : asetofenon = metil fenil keton x Sifat : berhablur, tak berwarna x Penggunaan : sebagai hipnotik, sebagai fenasil klorida (kloroasetofenon) dipakai sebagai gas air mata.

Pembuatan keton x Oksidasi dari alkohol sekunder x Asilasi Friedel-Craft x Reaksi asam klorida dengan organologam

Tatanama aldehida dan keton Dalam sistem IUPAC, aldehida diberi akhiran –al (berasal dari suku pertama aldehida). Contoh-contohnya adalah sebagai berikut :

O O O

CH CH CH H H C H CH3 C H 3 2 2 C

Metanal Etanal butanal (formaldehid) (asetaldehid) (n-butiraldehid)

Karena aldehida telah lama dikenal, nama-nama umum masih sering digunakan. Nama-nama tersebut dicantumkan dibawah nama IUPAC-nya. Karena nama ini sering digunakan, anda perlu juga mempelajarinya juga. Untuk aldehida yang mempunyai subtituen, penomoran rantai dimulai dari karbon aldehida sebagai mana contoh berikut :

O O

CH3 CH 2 CH2 C H CH2 CH2 C H

OH OH CH3

2,3-dihidroksipropanal 3-metil butanal (gliseraldehida)

Untuk aldehida siklik,digunakan awalan-karbaldehida. Aldehida aromatik sering mempunyai nama umum.

238

CHO O

OH C H

Siklopentana karbaldehida salisilaldehida (formilsiklopentana) (2-hidroksibenzenakarbaldehida))

Dalam sistem IUPAC, keton diberi akhiran-on (dari suku kata terakhir keton). Penomoran dilakukan sehingga gugus karbonil mendapat nomor kecil. Biasanya keton diberi nama dengan menambahkan kata keton setelah nama-nama gugus alkil atau arilyang melekat pada gugus karbonil. Sama halnya dengan aldehida nama umum sering digunakan. Contohnya adalah sebagai berikut :

O O

CH3 CH2 CCH CH 3 C CH3 3 2-butanon (etil metal keton) O CH3

C O

benzofenon (difenil keton) 2-metilsiklopentanon O O

C CH3

Asetofenon sikloheksanon (metal fenil keton)

d. Asam karboksilat dan turunannya Asam organik yang paing penting adalah asam-asam karboksilat. Gugus fungsinya adalah gugus karboksil, kependekan dari dua bagian yaitu gugus karbonil dan hidroksil. Rumus asam karboksilat dapat dipanjangdan atau dipendekkan seperti :

O O

C R C atau RCO2H atau RCOOH

OH OH 239

Gambar 12.10 Gugus karboksil

Ciri-ciri asam karboksilat x Mengandung gugus COOH yang terikat pada gugus alkil (R-COOH) maupun gugus aril (Ar-COOH) x Kelarutan sama dengan alkohol x Asam dengan jumlah C 1 – 4 : larut dalam air x Asam dengan jumlah C = 5 : sukar larut dalam air x Asam dengan jumlah C > 6 : tidak larut dalam air x Larut dalam pelarut organik seperti eter, alkohol, dan benzen x TD asam karboksilat > TD alkohol dengan jumlah C sama.

Contoh : asam format = HCOOH x Sifat fisika : cairan, tak berwarna, merusak kulit, berbau tajam, larut dalam H2O dengan sempurna. x Penggunaan : untuk koagulasi lateks, penyamakkan kulit, industri tekstil, dan fungisida. Contoh lain :asam asetat = CH3-COOH o o x Sifat : cair, TL 17 C, TD 118 C, larut dalam H2O dengan sempurna x Penggunaan : sintesis anhidrat asam asetat, ester, garam, zat warna, zat wangi, bahan farmasi, plastik, serat buatan, selulosa dan sebagai penambah makanan.

Pembuatan asam karboksilat x Oksidasi alkohol primer x Oksidasi alkil benzen x Carbonasi Reagen Grignard x Hidrolisin nitril

Tatanama Asam karboksilat Karena banyak terdapat dialam, asam-asam karboksilat adalah golongan senyawa yang paling dulu dipelajari oleh kimiawan organik. Karena tidak mengherankan jika banyak senyawa-senyawa asam mempunyai nama-nama biasa. Nama- nama ini biasanya diturunkan dari bahasa Latin yang menunjukkan asalnya. Tabel 12.8 memuat nama-nama asam berantai lurus beserta nama IUPAC-nya. Banyak dari asam ini mula-mula dipisahkan dari lemak sehingga sering dinamakan sebagai asam-asam lemak (struktur lemak secara terinci dibahas dalam bab berikutnya). Untuk memperoleh nama IUPAC suatu asam karboksilat (Tabel 12.8 kolom terakhir) diperlukan awalan kata asam da akhiran at.

240 Asam-asam bersubstitusi diberi nama menurut dua cara. Dalam sisitem IUPAC, nomor rantai dimulai dari asam karbon pembawa gugus karboksil dan substituen diberi nomor lokasi. Jika nama umum yang digunakan lokasi substituen dilambangkan dengan huruf latin, dimulai dengan atom karbon Ş.

Tabel 12.8 Asam-asam Karboksilat alifatik

Atom Nama Nama Rumus Sumber Karbon biasa IUPAC

Semut(Latin,f Asam Asam 1 HCOOH ormika) format metanoat Cuka(Latin,ac Asam Asam 2 CH COOH 3 etum) asetat etanoat Susu(Yunani, Asam protos Asam 3 CH CH COOH propino 3 2 pion=lemak propanoat at pertama) Mentega(Lati Asam Asam 4 CH (CH ) COOH 3 2 2 n,butyrum) valerat pentanoat Akar valerian Asam Asam 5 CH (CH ) COOH (Latin,valere 3 2 3 kaproat heksanoat =kuat) Domba(latin, Asam Asam 6 CH (CH ) COOH 3 2 4 caper) enentat heptanoat Bunga anggur Asam Asam 7 CH (CH ) COOH (Yunani,oena 3 2 5 kaprilat oktanoat nthe) Domba(latin, 8 CH (CH ) COOH 3 2 6 caper) Asam Pelargonium Asan pelargo 9 CH (CH ) COOH (Yunani,pelar nonanoat 3 2 7 nat gos)

Domba(latin, Asam Asam 14 CH (CH ) COOH 3 2 8 caper) kaprat dekanoat

CH3 CH COOH HO – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – COOH

IUPAC asam 2-bromopropanoat asam 5-hidroksipentanoat Umum asam Ş-bromopropionat asam š-hidroksivalerat (š = delta) Jika gugus karboksilat dihubungkan dengan cincin, akhiran karboksilat ditambahkan pada nama induk sikloalkana.

COOH 241

Asam siklopentana karboksilat

Asam-asam aromatic juga diberi tambahan –at pada turunan hidrokarbon aromatiknya. Beberapa contoh diantaranya :

CH 3 COOH COOH

Asam benzoate Asam o-toluat (asam benzanal karboksilat) (asam 2-metil benzena karboksilat)

COOH Cl

COOH

Asam p-klorobenzoat Asam 1-naftoat (asam 4-kloro benzena karboksilat) (asam 1-naftalena karboksilat)

Ester Ester diturunkan dari asam dengan mengganti gugus OH dengan gugus OR. Sifat fisika : berbentuk cair atau padat, tak berwarna, sedikit larut dalm H2O, kebanyakan mempunyai bau yang khas dan banyak terdapat di alam. Struktut ester : R – COOR. Ester diberi nama seperti penamaan pada garam.

O O O

CH3C OCH CH3C OCH CH CH2CH2CH3C OCH 3 2 3 3 Etil Metil butanoat

O O

CH C O 3 C OCH3 242

Fenil asetat Metil benzoat

Perhatikan bahwa bagian R dari gugus OR disebutkan dahulu, diikuti dengan nama asam yang berakhiran –at.

O O

R COH+ HO R' R COR'+ H2O

Pembuatan ester : x Reaksi alkohol dan asam karboksilat x Reaksi asam klorida atau anhidrida.

Penggunaan ester : x Sebagai pelarut, butil asetat (pelarut dalam industri cat). x Sebagai zat wangi dan sari wangi.

Pembuatan ester, estrerifikasi Fischer Jika asam karboksilat dan alkohol dan katalis asam (biasanya HCl atau H2SO4) dipanaskan terdapat kesetimbangan dengan ester dan air. Proses ini dinamakan esterifikasi fischer, yaitu berdasarkan nama Emil Fischer kimiawan organik abad 19 yang mengembangkan metode ini. Walaupun reaksi ini adalah reaksi kesetimbangan, dapat juga digunakan untuk membuat ester dengan hasil yang tinggi dengan menggeser kesetimbangan kekanan. Hal ini dapat dicapai dengan beberapa teknik. Jika alkohol atau asam harganya lebih murah, dapat digunakan jumlah berlebihan. Cara lain ialah dengan memisahkan ester dan/atau air yang terbentuk (dengan penyulingan) sehingga menggeser reaksi kekanan.

Reaksi-reaksi senyawa karbon Reaksi senyawa karbon dapat dapat terjadi dengan berbagai cara, seperti reaksi substitusi, reaksi adisi dan reaksi eliminasi.

1. Reaksi substitusi Reaksi substitusi atau disebut reaksi pertukaran gugus fungsi terjadi saat atom atau gugus atom dari suatu senyawa karbon

243 digantikan oleh atom atau gugus atom lain dari senyawa yang lain. Secara umum mekanismenya :

R – X + R’ – Y Æ R – Y + R’ - X

Atom karbon ujung suatu alkil halida mempunyai muatan positif parsial. Karbon ini bisa rentan terhadap (susceptible; mudah diserang oleh) serangan oleh anion dan spesi lain apa saja yang mempunyai sepasang elektron menyendiri (unshared) dalam kulit luarnya. Dihasilkan reaksi subtitusi –suatu reasi dalam mana satu atom,ion atau gugus disubstitusikan untuk (menggantikan) atom, atau gugus lain.

- - HO + CH3CH2 – Br Î CH3CH2 – OH + Br

- CH3O + CH3CH2CH2 – Cl Î CH3CH2CH2 – OCH3 + Cl-

Dalam suatu reaksi substitusi alkil halida, halida itu disebut gugus pergi (leaving group) suatu istilah yang berarti gugus apa saja yang dapat digeser dari ikatannya dengan suatu atom karbon. Ion Halida merupakan gugus peri yang baik, karena ion-ion ini merupakan basa yang sangat lemah. Basa kuat seperti misalnya OH-, bukan gugus pergi yang baik. Spesi (spesies) yang menyerang suatu alkil halida dalam suatu reaksi substitusi disebut nukleofil (nucleophile, “pecinta nukleus”), sering dilambangkan dengan Nu-. Dalam persamaan reaksi diatas, OH- dan CH3O-, adalah nukleofil. Umumnya, sebuah nukleofil aialah spesi apasaja yang tertarik ke suatu pusat positif ; jadi sebuah nukleofil adalah suatu basa Lewis. Kebanyakan nukleofil adalah anion, namun beberapa molekul polar yang netral, seperti H2O, CH3OH dan CH3NH2 dapat juga bertindak sebagai nukleofil. Molekul netral ini memiliki pasangan elektron menyendiri, yang dapat digunakan untuk membentuk ikatan sigma. Lawan nukleofil ialah elektrofil (“pecinta elektron”) sering dilambangkan dengan E+. Suatu elektrofil ialah spesi apa saja yang tertarik ke suatu pusat negatif, jadi suatu elektrofil ialah suatu asam + Lewis seperti H atau ZnCl2.

Beberapa reaksi substitusi a. Reaksi alkila halida dengan basa kuat b. Reaksi alkohol dengan PCl3 c. Reaksi alkohol dengan logam Natrium d. Reaksi klorinasi e. Reaksi esterifikasi (pembentukan ester) f. Reaksi saponifikasi (penyabunan)

2. Reaksi Adisi Reaksi adisi terjadi jika senyawa karbon yang mempunyai ikatan rangkap menerima atom atau gugus atom lain sehungga ikatan

244 rangkap berubah menjadi ikatan tunggal. Ikatan rangkap merupakan ikatan tak jenuh, sedangkan ikatan tunggal merupakan ikatan jenuh. Jadi, reaksi adisi terjadi dari ikatan tak jenuh menjadi ikatan jenuh. Mekanismenya reaksi adisi : C = C Æ C- C CŁ C Æ C = C Æ C – C Beberapa reaksi adisi a. Reaksi hidrogenasi alkana R – CH = CH – R’ + H – H Æ R – CH2 – CH2 – R’ Contoh : C2H5 – CH = CH – CH3 + H – H Æ C2H5 – CH - CH – CH3 2-pentena n-pentana

Reaksi hidrogenasi ini digunakan untuk membuat margarin (mentega tiruan) dari minyak yang mengandung asam lemak tak jenuh (C = C). Minyak cair dihidrogenasi dengan bantuan katalis Ni menghasilkan lemak padat.

Ni Triolein(cair) 3H2 o tristearin (padat)

a. Reaksi adisi dengan halogen

R – CH = CH – R’ + X2 Æ R – CH – CH – R’ | | X X

Reaksi adisi dengan brom digunakan untuk membedakan senyaw alkena (C = C) dengan sikloalkana. Hal ini karena kedua senyawa mempunyai isomer fungsional (rumus molekul sama, tetapi gugus fungsi berbeda). Pengamatan reaksinya dengan membedakan warna dari brom yaitu merah coklat. Alkena dapat bereaksi dengan brom sehingga warna merah coklat dari brom hilang menjadi tidak berwarna. Akan tetapi, sikloalkana tidak bereaksi dan warna merah coklat dari brom tetap.

Alkena + brom Æ bereaksi, warna merah coklat dari brom hilang Sikloalkana + brom tidak bereaksi, warna merah coklat dari brom tetap.

a. Adisi dengan asam halida (HX)

R – CH = CH – R’ + H – X Æ R – CH – CH – R’ | | H X Dalam adisi ini atom X terikat pada C rangkap dikiri atau dikanan akan menghasilkan senyawa yang berbeda, kecuali kalau R dengan R’ sama. Untuk itu, ada aturan yang

245 menetapkan hasil utama dari treaksi adisi tersebut yang dikemukankan oleh Vlademir Markovnikov. Aturan Markovnikov : a. ikatan rangkap merupakan kumpulan elektron b. gugus alkil merupakan gugus pendorong elektron. Alkil makin besar, daya dorong makin kuat. Urutan kekuatan alkil : - CH3 < - C2H5 < - C3H7 c. gugus elektrongatif merupakan gugus penarik elektron. Makin elektronegatif, daya tarik elektron makin kuat.

3. Reaksi eliminasi Reaksi eliminasi kebalikan dari reaksi adisi. Pada reaksi ini molekul senyawa yang berikatan tunggal (ikatan jenuh) berubah menjadi senyawa berikatan rangkap (ikatan tak jenuh) dengan melepaskan molekul yang kecil. Mekanismenya : C – C Æ C = C + X – Y | | X Y

Bila suatu alkil halida diolah dengan suatu basa kuat, dapat terjadi suatu reaksi eliminasi. Dalam reaksi ini sebuah molekul kehilangan atom-atom atau ion-ion dari struktur-strukturnya. Produk organik suatu reaksi eliminasi suatu alkil halida adalah suatu alkena. Dalam suatu tipe reaksi eliminasi ini, unsur H dan X keluar dari dalam alkil halida ; oleh karena itu reaksi ini disebut reaksi dehidrohalogenasi. (awalan de- berarti “minus” atau “hilangnya”).

Br H

- CH H O - CH3CH CH2 + OH CH3CH 2 + 2 + Br CH 3 CH2

- - Cl + OH + H O + Cl CH3 C CH3 C 2

CH3 CH3

Beberapa reaksi eliminasi a. Reaksi dehidrogenasi (pelepasan Hidrogen) b. Reaksi dehidrasi (pelepasan air)

246 c. Reaksi dehidrohalogenasi

RANGKUMAN Atom karbon dengan nomor atom 6 mempunyai susunan elektron K = 2, L = 4, jadi mempunyai 4 elektron valensi dan dapat mernbentuk empat ikatan kovalen, serta dapat digambarkan dengan rumus Lewis sebagai berikut, umpamanya untuk CH4. Dalam bidang kimia, hidrokarbon adalah sebuah senyawa yang terdiri dari unsur karbon (C) dan hidrogen (H). Seluruh hidrokarbon memiliki rantai karbon dan atom-atom hidrogen yang berikatan dengan rantai tersebut. Istilah tersebut digunakan juga sebagai pengertian dari hidrokarbon alifatik. Bagian dari ilmu kimia yang membahas senyawa hidrokarbon disebut kimia karbon. Pada dasarnya terdapat tiga jenis hidrokarbon: x Hidrokarbon aromatik, mempunyai setidaknya satu cincin aromatik x Hidrokarbon jenuh, juga disebut alkana, yang tidak memiliki ikatan rangkap atau aromatik. x Hidrokarbon tak jenuh, yang memiliki satu atau lebih ikatan rangkap antara atom-atom karbon, yang dibagi menjadi: ¾ Alkena ¾ Alkuna Tiap-tiap atom karbon tersebut dapat mengikat empat atom lain atau maksimum hanya 4 buah atom hidrogen. Jumlah atom hidrogen dapat ditentukan dari jenis hidrokarbonnya.

x Alkana: CnH2n+2

x Alkena: CnH2n

x Alkuna: CnH2n-2

x Hidrokarbon siklis: CnH2n

Latihan Soal 1. Buatlah struktur dari senyawa berikut :

247 a. 2,3-dimetil butana b. 2,2,3-trimetil pentana c. 3-etil-2,2,4,6-tetrametil oktana 2. Buatlah struktur senyawa dari 3-etil-2,2,4-trimetil heptana, kemudian tetntukan dan tunjukkan atom karbon primer, skunder, tersier dan kuartener dari senyawa tersebut. 3. Buatlah struktur dari senyawa berikut : a. 2-pentena b. 3,4,4-trimetil-1-pentena c. 3-isopropil-1-pentena 4. Tuliskan struktur dari senyawa : a. 3-metil-1-butuna b. 4,5-dimetil-2-heksuna c. 3-metil-1-butuna 5. Jelaskan bagaimana terjadinya : a. Reaksi substitusi b. Reaksi adisi c. Reaksi eliminasi 6. Jelaskan cara membedakan alkena dengan sikloalkana 7. Ada suatu senyawa mempunyai rumus molekul sama, yaitu

C4H14O. Tentukan kedua senyawa tersebut! Bagaimana cara membedakannya?

248 13 ASAM, BASA DAN BUFFER

Standar Kompetensi Kompetensi Dasar Mendiskripsikan kekhasan atom karbon yang membentuk senyawa hidrokarbon Mengkomunikasikan senyawa Menggolongkan senyawa hidrokarbon dan kegunaanya hidrokarbon dan turunannya Mendiskripsikan kegunaan senyawa hidrokarbon dalam kehidupan manusia Tujuan pembelajaran membedakan senyawa asam, basa, dan netral mengidentifikasi sifat asam dan basa dengan berbagai indikator memperkirakan pH suatu larutan yang tidak dikenal berdasarkan hasil pengamatan trayek perubahan warna berbagai indikator asam dan basa menghitung pH larutan asam-basa kuat dan lemah memahami dan dapat menghitung pH larutan buffer

Sifat asam dan basa termasuk pokok bahasan yang penting dalam ilmu kimia. Dalam kehidupan sehari-hari, sifat ini dapat kita jumpai misalnya rasa asam dari buah jeruk dan cuka. Rasa asam tersebut berasal dari asam yang terkandung dalam buah jeruk dan cuka, yaitu asam sitrat dan asam cuka. Asam askorbat dalam vitamin C adalah zat penting dalam makanan kita.

Gambar.13.1 Buah Gambar.13.3 Baterai

Gambar.13.2 Gambar.13.4 Pembersih

249 Asam sulfat adalah contoh senyawa yang bersifat asam yang terkandung dalam baterai mobil yang produksinya berada pada tingkat atas dalam produksi tahunan dari industri kimia. Senyawa yang bersifat basa yang penting diantaranya adalah amonia, terdapat dalam bahan pembersih rumah tangga. Contoh lainnya yaitu natrium hidroksida, dipasaran bernama lye, terdapat pada pembersih dan zat buangan. Demikian juga ”milk of magnesia” yang dipakai sebagai obat penyakit lambung juga bersifat basa. Definisi-definisi berdasarkan pengamatan mengenai asam dan basa dapat dilihat pada tabel 13.1.

Tabel 13.1 Hasil pengamatan asam dan basa Asam Basa Berasa masam dan tajam Berasa pahit, berbusa Berasa pedih bila terkena luka Licin Merubah lakmus merah menjadi Merubah lakmus biru menjadi biru merah Merubah phenolphthalein Merubah phenolphthalein menjadi tak berwarna menjadi merah muda

Untuk mengetahui sifat suatu senyawa apakah asam, basa, atau netral, cara yang digunakan adalah mengujinya dengan indikator asam-basa. Beberapa indikator asam-basa yaitu : a.Lakmus merah dan lakmus biru Asam mengubah kertas lakmus biru menjadi merah. Sedangkan basa mengubah kertas lakmus merah menjadi biru. Senyawa netral tidak mengubah warna kedua kertas lakmus. b. Indikator universal Dengan indikator universal, kita bisa langsung mengetahui berapa pH (kekuatan asam / basa) dari suatu senyawa dengan membandingkan warna indikator yang terkena senyawa dengan warna standar. Biasanya range pH indikator universal adalah 1-14. Asam : pH < 7 Netral : pH = 7 Basa : pH > 7 c.pH meter pH larutan juga bisa diukur dengan pH meter. Alat digital ini memberikan nilai pH yang lebih akurat daripada indikator universal.

Pembahasan pH larutan lebih lanjut di sub bab berikutnya.

Sebenarnya, beberapa senyawa di alam bisa digunakan sebagai indikator asam-basa, seperti kunyit, air bunga, dan sebagainya. Untuk lebih memahami sifat asam-basa dan cara mengenalinya, lakukanlah kegiatan berikut!

250

Aktivitas siswa

Petunjuk : a. Lakukan percobaan berikut dalam kerjasama kelompok di laboratorium ! b. Catatlah data hasil percobaanmu ! c. Jawablah soal-soal di bawahnya dengan jelas!

BAHAN DAN ALAT

Asam cuka Indikator universal Air kapur Lakmus merah Air distilasi Lakmus biru Air jeruk Phenolphtalein Pembersih lantai Air bunga Air tanah Air kunyit Pasta gigi Beker glass Air asam Cawan petri Larutan unkown Pipet tetes

PROSEDUR KERJA

1. Ambil sedikit larutan – larutan yang akan diukur, kemudian tempatkan pada cawan petri ! 2. Ukurlah pH larutan tersebut dengan indikator universal ! 3. Kemudian isilah tabel hasil pengamatan (Tabel 13.2) di bawah dengan jujur dan kerjakan soal latihan berikut dengan benar !

HASIL PERCOBAAN

1. Berdasarkan pengamatanmu, bagaimana perbedaan warna indikator universal setelah ditetesi larutan asam, larutan basa, dan larutan netral? 2. Setelah ditetesi larutan asam cuka dan air asam, perbedaan apa yang terjadi pada indikator universal? Jelaskan! 3. Apa yang dapat kamu simpulkan tentang pH larutan asam, basa, dan netral?

251 Tabel 13.2 Hasil pengamatan pH

KETERANGAN

Peruba Perubahan warna indikator lain h-an Sifat LARUTAN pH IU warna LM LB PP AB AK larutan IU ... Asam cuka ...... Air kapur ...... Air distilasi ...... Air jeruk ...... Pembersih ...... lantai ...... Air tanah ...... Pasta gigi ...... Air asam ...... Larutan A ...... Larutan B ...... Larutan C ...... Larutan D ...... Larutan E ...... Larutan F ...... Larutan G ...... Larutan H ......

IU : Indikator Universal PP : Phenophtalein LM : Lakmus Merah AB : Air Bunga LB : Lakmus Biru AK : Air Kunyit

252

13.1 Definisi-definisi asam dan basa

Gambar.13.5 Penemu teori asam-basa

Menurut sejarahnya, awalnya Lavoisier mengemukakan bahwa asam merupakan senyawa yang mengandung oksigen (oksida dari nitrogen, fosfor, sulfur dan halogen yang membentuk asam dalam air). Namun sekitar awal abad 19, beberapa asam yang tidak mengandung oksigen telah ditemukan, sehingga akhirnya pada tahun 1838 Liebig mendefinisikan asam sebagai senyawa yang mengandung hidrogen, dimana hidrogen tersebut dapat digantikan oleh logam. Pada abad berikutnya, dikembangkan definisi-definisi asam-basa yang memperbaiki definisi sebelumnya.

13.1.1 Definisi asam-basa menurut Arrhenius

Menurut Arrhenius pada tahun 1903, asam adalah zat yang dalam air dapat menghasilkan ion hidrogen + (atau ion hidronium, H3O ) sehingga dapat meningkatkan konsentrasi + ion hidronium (H3O ) contoh :

basa adalah zat yang dalam air dapat menghasilkan ion hidroksida sehingga dapat meningkatkan konsentrasi ion hidroksida contoh :

253

Reaksi keseluruhannya :

H+ + Cl- + NH + + OH- NH + + Cl- + H O 4 4 2 Secara umum :

asam + basa garam + air

Konsep asam basa Arrhenius terbatas hanya pada larutan air, sehingga tidak dapat diterapkan pada larutan non-air, fasa gas dan fasa padatan dimana tidak ada H+ dan OH-.

13.1.2 Definisi asam-basa menurut Bronsted-Lowry

Pada tahun 1923, Bronsted dan Lowry mendefinisikan : Asam adalah suatu senyawa yang dapat memberikan proton (H+) Basa adalah suatu senyawa yang dapat berperan sebagai menerima proton (H+)

asam basa

Gambar 13.6 asam memberikan proton pada basa

Pada kedua contoh reaksi di atas, air dapat bertindak sebagai basa dalam larutan HCl dan sebagai asam dalam larutan amonia. Senyawa yang dapat bertindak sebagai asam dan basa disebut sebagai senyawa amfoter. Contoh lain senyawa yang bersifat amfoter yaitu Al2O3. Reaksi di atas menunjukkan pasangan asam-basa konjugasi. Pada reaksi kebalikannya, ion Cl- menerima proton dari ion oksonium + - + (H3O ). Ion Cl disebut sebagai basa dan ion oksonium (H3O ) disebut sebagai asam, sehingga HCl merupakan pasangan asam-basa konjugasi - dari Cl dan H2O merupakan pasangan asam-basa konjugasi dari ion + oksonium (H3O ).

13.1.3 Definisi asam-basa menurut Lux-Flood

Sistem asam-basa Lux-Flood merupakan sistem asam-basa dalam larutan nonprotik yang tidak dapat menggunakan definisi Bronsted- Lowry. Contohnya, pada temperatur leleh suatu senyawa anorganik yang cukup tinggi reaksinya sebagai berikut:

CaO + SiO2 ĺ CaSiO3 basa asam

254 basa (CaO) adalah pemberi oksida asam (SiO2) adalah penerima oksida

Sistem Lux-Flood terbatas pada sistem lelehan oksida, namun merupakan aspek anhidrida asam-basa dari kimia asam- basa yang sering diabaikan. Basa Lux-flood adalah suatu anhidrida basa.

2+ 2- 2+ - Ca + O + H2O ĺ Ca + 2OH

Sedangkan asam Lux-Flood adalah suatu anhidrida asam.

SiO2 + H2O ĺ H2SiO3

Karakterisasi oksida logam dan non logam menggunakan sistem tersebut bermanfaat dalam industri pembuatan logam.

13.1.4 Definisi asam-basa menurut sistem pelarut (solvent)

Definisi ini diterapkan pada pelarut yang dapat terdisosiasi menjadi kation dan anion (autodisosiasi).

Asam adalah suatu kation yang berasal dari reaksi autodisosiasi pelarut yang dapat meningkatkan konsentrasi kation dalam pelarut. Basa adalah suatu anion yang berasal dari reaksi autodisosiasi pelarut yang dapat meningkatkan konsentrasi anion pelarut.

Secara umum, reaksi autodisosiasi dapat dituliskan :

solvent asam + basa

Contoh : 2+ - 2SO2 SO + SO3 + - 2H2O H3O + OH

+ - 2BrF3 BrF2 + BrF4 2NH NH + + NH - 3 4 2 AB A+ + B-

H SO + H O H O+ + HOSO - 2 4 2 3 4 Asam sulfat meningkatkan konsentrasi ion hidronium dan merupakan asamnya. Konsep asam-basa sistem pelarut adalah kebalikan dari reaksi autodisosiasi.

+ - H3O + OH 2H2O 255 + - BrF2 + BrF4 2BrF3 Contoh : Secara umum :

asam + basa solvent

Perbandingan reaksi netralisasi asam-basa menurut Arrhenius, Bronsted-Lowry dan sistem pelarut :

Arrhenius : asam + basa ĺ garam + air Bronsted-Lowry : asam + basa ĺ basa konjugat + asam konjugat Sistem Pelarut : asam + basa ĺ solvent

13.1.5 Definisi asam-basa menurut Lewis

Lewis mendefinisikan : Asam adalah senyawa kimia yang bertindak sebagai penerima pasangan elektron. Basa adalah senyawa kimia yang bertindak sebagai pemberi pasangan elektron.

Contoh : Ag+ + 2:NH [H N:Ag:NH ] 3 3 3 asam basa

F H F H

F B + : H F B : N H N F H F H

asam basa Dalam kulit valensi atom N dalam molekul NH3, terdapat 3 (tiga) pasang ikatan (N-H) dan 1 (satu) pasang elektron tidak berpasangan (:), sedangkan untuk atom B dalam molekul BF3, terdapat 3 (tiga) pasang elektron yang berikatan (B-F). Sepasang elektron tidak berikatan dapat disumbangkan kepada atom pusat B yang kemudian digunakan bersama-sama, sehingga terjadi ikatan kovalen koordinasi (B-N).

13.1.6 Definisi asam-basa menurut Usanovich

Definisi ini merupakan perkembangan dari definisi asam Lewis dan ditambah reaksi redoks.

Asam adalah senyawa kimia yang bereaksi dengan basa, membentuk kation atau menerima elektron. Basa adalah senyawa kimia yang bereaksi dengan asam, membentuk anion atau elektron.

256

Contoh : - - Asam : Cl2 + e ĺ Cl Basa : Fe2+ ĺ Fe3+ + e-

13.2 Kekuatan asam dan basa

13.2.1 Derajat keasaman (pH)

Konsentrasi ion H+ dalam larutan disebut derajat keasaman (pH). Rumus pH dituliskan sebagai berikut :

+ pH = - log [H ]

Untuk air murni pada temperatur 25 °C :

[H+] = [OH-] = 10-7 mol/L

Sehingga pH air murni = - log 10-7 = 7.

Atas dasar pengertian ini, maka : x Jika pH = 7, maka larutan bersifat netral x Jika pH < 7, maka larutan bersifat asam x Jika pH > 7, maka larutan bersifat basa x Pada temperatur kamar : pKw = pH + pOH = 14 Gambar 13.8 Warna indikator universal

Telah disinggung dalam pembahasan sebelumnya bahwa asam terbagi menjadi dua, yaitu asam kuat dan asam lemah. Begitu juga pada larutan basa terbagi menjadi dua, yaitu basa kuat dan basa lemah. Pembagian ini sangat membantu dalam penentuan derajat keasaman (pH).

13.2.2 Asam kuat

Disebut asam kuat karena zat terlarut dalam larutan ini mengion seluruhnya (Ş = 1). Untuk menyatakan derajat keasamannya, dapat ditentukan langsung dari konsentrasi asamnya dengan melihat valensinya.

Contoh : x Hitung pH larutan dari 100 ml larutan 0.01 M HCl!

Jawab :

257 + - HCl(aq) ĺ H (aq) + OH (aq)

[H+] = [HCl] = 0.01= 10-2 pH = - log 10-2 = 2 x Hitung pH larutan dari 2 liter larutan 0.1 mol asam sulfat!

Jawab : 0,1mol Molaritas = = 0.05 M 2L

+ 2- H2SO4(aq) ĺ 2H (aq) + SO4 (aq)

-1 [H+] = 2 [H2SO4] = 2 x 0.05 M = 10 pH = - log 10-1 = 1

13.2.3 Asam lemah

Disebut asam lemah karena zat terlarut dalam larutan ini tidak mengion seluruhnya, Ş 1, (0 < Ş < 1). Penentuan besarnya derajat keasaman tidak dapat ditentukan langsung dari konsentrasi asam lemahnya (seperti halnya asam kuat). Penghitungan derajat keasaman dilakukan dengan menghitung konsentrasi [H+] terlebih dahulu dengan rumus :

+ [H ] = Ca .K a

di mana, Ca = konsentrasi asam lemah Ka = tetapan ionisasi asam lemah

Contoh : Hitunglah pH dari 0,025 mol CH3COOH dalam 250 mL larutannya, jika -5 Ka = 10 !

Jawab : 0,025mol + [H ] = Ca .K a Ca = 0,25L = 10-1.10-5 = 10-1 M = 10-3 M pH = - log 10-3 = 3

13.2.4 Basa kuat

Disebut basa kuat karena zat terlarut dalam larutan ini mengion seluruhnya (Ş = 1). Pada penentuan derajat keasaman dari larutan basa terlebih dulu dihitung nilai pOH dari konsentrasi basanya.

258

Contoh : x Hitung pH dari 100 mL larutan KOH 0,1 M !

Jawab : + - KOH(aq) ĺ K (aq) + OH (aq)

[OH-] = [KOH] = 10-1 M pOH = - log 10-1 = 1 pH = 14 – pOH = 14 – 1 = 13

x Hitung pH dari 500 mL larutan Ca(OH)2 0,01 M !

Jawab : 2+ - Ca(OH)2(aq)ĺCa (aq)+2OH (aq)

- [OH ] = 2[Ca(OH)2] = 2 x 0,01 = 2x10-2 M pOH = - log 2 x 10-2 = 2 – log 2 pH = 14 – pOH = 14 – (2 – log 2) = 12 + log 2

13.2.5 Basa lemah

Disebut basa lemah karena zat terlarut dalam larutan ini tidak mengion seluruhnya, Ş 1, (0 < Ş < 1). Penentuan besarnya konsentrasi OH- tidak dapat ditentukan langsung dari konsentrasi basa lemahnya (seperti halnya basa kuat), akan tetapi harus dihitung dengan menggunakan rumus :

- [OH ] = Cb .K b di mana, Cb = konsentrasi basa lemah Kb = tetapan ionisasi basa lemah

13.3 Larutan buffer

Lakukan kegiatan berikut! Aktivitas siswa :

259 1 2

1. Ambil 10 mL larutan asam asetat 0,1 M (Larutan 1). Ukur pH larutan dengan indikator universal. Kemudian ambil juga 15 mL larutan NH3 0,2 M (Larutan 2). Ukur pH larutan dengan indikator universal. 2. Masukkan 5 mL larutan natrium asetat ke dalam larutan 1 dan 20 mL larutan NH4Cl 0,1 M ke dalam larutan 2. Ukur pH masing-masing larutan dengan indikator universal. 3. Apa yang bisa Anda simpulkan? ______

Semua larutan yang dapat mempertahankan pH disebut larutan buffer. Sifat larutan buffer antara lain : tidak berubah pH-nya meski diencerkan dan tidak berubah pH-nya meski ditambah sedikit asam atau basa. Pada gambar di atas, pH larutan A tidak berubah setelah ditambah dengan larutan asam sehingga larutan A merupakan larutan Buffer, sedangkan larutan B bukan merupakan larutan Buffer karena pHnya berubah setelah penambahan larutan asam.

Campuran buffer dapat dibuat dari : x Campuran asam lemah dengan garamnya Contoh : CH3COOH dengan CH3COONa ; H2CO3 dengan NaHCO3 ; dan NaHCO3 dengan Na2CO3 x Campuran basa lemah dengan garamnya Contoh : NH4OH dengan NH4Cl

Latihan : Hitunglah pH dari 100 mL 0.001 larutan NH4OH, jika diketahui tetapan ionisasinya = 10-5 !

260 Jawab : - [OH ] = (Cb .K b ) = 10-3.10-5 = 10-4 M pOH = - log 10-4 = 4 pH = 14 – 4 = 10

13.3.1 Cara perhitungan larutan buffer

Larutan buffer yang terdiri atas asam lemah dan garamnya (larutannya akan selalu mempunyai pH < 7) digunakan rumus :

- + CH3COOH(aq) + H2O(l) CH3COO (aq) + H3O (aq)

Ket. : fase liquid (l) tidak berpengaruh

- + [CH3COO ] [H3O ]

Ka = [CH COOH] 3 + [H3O ] = Ka . Ca/Cg

pH = pKa + log Cg/Ca di mana : Ca = [CH3COOH] konsentrasi asam lemah - Cg = [CH3COO ] konsentrasi ion garamnya Ka = tetapan ionisasi asam lemah

Contoh : Hitunglah pH larutan yang terdiri atas campuran 0.01 mol asam asetat dengan 0.1 mol natrium asetat dalam 1 liter larutan! Ka asam asetat = 10-5 Hitunglah pH larutan yang terdiri atas campuran 1 mol HCOOH dan 0.5 mol NaHCOO dalam 1 liter larutan! -4 Ka HCOOH = 1.77 x 10 Jawab : 102 mol C 102 M a 1L 0,1mol C 10 1 M g 1L C g pH pK a log Ca 1 5 10 M log10 log 102 M = 5 + 1 = 6

261 - + HCOOH(aq) + H2O(l) ĺ HCOO (aq) + H3O (aq)

Konsentrasi awal (M) 1.00 0.500 § 0 Konsentrasi akhir (M) - y + y + y Konsentrasi setimbang (M) 1.00 – y 0.500 + y y

Persamaan setimbang >HCOO @.>H O @ K 3 a >@HCOOH 0,500 y y 1,77.104 1,00 y

Karena y relatif lebih kecil dibanding 1 dan 0.500, bentuk persamaan akan menjadi

4 0,500 y 1,77.10 1,00 -4 + y = 3.54.10 M = [H3O ]

pH = - log [3.54.10-4] = 3.45

Larutan buffer yang terdiri atas basa lemah dan garamnya (larutannya akan selalu mempunyai pH > 7) digunakan rumus :

+ - NH3(aq) + H2O(l) ĺ NH4 (aq) + OH (aq)

Ket. : fase liquid (l) tidak berpengaruh

+ - [NH4 ] [OH ]

Kb = [NH ] 3 - [OH ] = Kb . Cb/Cg pH = pKa + log Cg/Ca di mana, Cb = [NH3] konsentrasi basa lemah + Cg = [NH4 ] konsentrasi ion garamnya Kb = tetapan ionisasi basa lemah Contoh : Hitung pH larutan yang dibuat dengan menambahkan 0.100 mol NH4Cl dan 0.200 mol NH3 ke dalam air dan mengencerkannya menjadi 1.000 + -5 L. Kb NH4 = 5.6 x 10

Jawab : + - NH3(aq) + H2O(l) ĺ NH4 (aq) + OH (aq)

262 Konsentrasi awal (M) 0,200 0.100 § 0 Konsentrasi akhir (M) - y + y + y Konsentrasi setimbang (M) 0,200 – y 0.100 + y y

Persamaan kesetimbangan >NH 4 @.>OH @ K b >@NH 3 0,100 y y 5,6.105 0,200 y Larutan Warna lakmus Karena y yang Merah biru relatif lebih kecil dibanding 0.100 dan 0.200, bentuk persamaan akan menjadi

0,100 y 5,6.105 0,200

Ringkasan Asam basa sebagai elektrolit. Definisi asam menurut Arhenius adalah + suatu substansi yang menghasilkan ion H3O apabila dilarutkan dalam air. Asam Bronsted adalah donor proton, sedangkan basa Bronsted adalah aseptor proton. Asam Lewis adalah setiap spesi yang menerima pasangan elektron bebas dalam membentuk ikatan kovalen.

Latihan : 1. a. Apakah penyebab sifat basa? Sebutkan beberapa sifat khas basa! b. Sebutkan berbagai zat dalam kehidupan sehari-hari yang bersifat basa! 2. Jelaskan mengapa larutan NH3 dapat mengubah kertas lakmus merah menjadi biru! 3. Dari pengujian larutan dengan kertas lakmus diperoleh data :

Larutan manakah yang mengandung konsentrasi ion OH- lebih besar daripada konsentrasi H+?

263 diuji No. 1 X Merah Biru 2 Y Merah Merah 3 Z Biru Biru 4 U Merah Biru 5 V Biru biru 4. Tuliskan rumus kimia dan reaksi ionisasi asam/basa berikut: a. asam sulfat b. asam asetat c. asam karbonat d. barium hidroksida e. kalium hidroksida f. magnesium hidroksida

5. Jelaskan definisi asam-basa menurut a. Arrhenius b. Bronsted-Lowry c. Lewis

6. Tentukan sifat zat yang dicetak tebal, apakah sebagai asam atau sebagai basa: - + a. HCO3 (aq) + NH4 (aq) H2CO3(aq) + NH3(aq) + - b. CH3COOH(aq) + H2SO4(aq) CH3COOH2 (aq) + HSO4 (aq) - + c. CH3COOH(aq) + H2O(l) CH3COO (aq) + H3O (aq) - - d. CH3COO (aq) + H2O(l) CH3COOH(aq) + OH (aq)

7. Tentukan pasangan asam-basa konjugasi dalam reaksi asam-basa berikut: - + a. HCO3 (aq) + NH4 (aq) H2CO3(aq) + NH3(aq) + - b. CH3COOH(aq) + H2SO4(aq) CH3COOH2 (aq)+ SO4 (aq) - + c. CH3COOH(aq) + H2O(l) CH3COO (aq) + H3O (aq) - - d. CH3COO (aq) + H2O(l) CH3COOH(aq) + OH (aq)

8. Tuliskan rumus asam konjugasi dari spesi berikut: a. H2O b. NH3 2- c. CO3 - d. HSO4

9. Tuliskan rumus basa konjugasi dari spesi berikut: b. H2O

c. NH3 - d. HSO4 + e. NH4

10. Dalam reaksi berikut ini,

- - CN (aq) + H2O(l) ĺ HCN(aq) + OH (aq)

264

CN- berlaku sebagai basa, sesuai dengan teori.....

11. Tentukan pH larutan jika diketahui konsentrasi ion H+ a. 0,5 M b. 0,002 M c. 6 x 10-4 M d. 0,0235 M

12. Tentukan pH larutan HCl dengan konsentrasi sebesar 1 x 10-8 M! (petunjuk : [H+] yang berasal dari ionisasi air tidak dapat diabaikan)

-5 13. Suatu larutan mengandung asam asetat (CH3COOH; Ka = 1 x 10 ) -5 0.1 M dan asam benzoat (C6H5COOH; Ka = 6 x 10 ) 0.2 M. Tentukan + - - [H ], [CH3COO ], dan [C6H5COO ] dalam larutan itu! + - - (petunjuk: [H ] = [CH3COO ] + [C6H5COO ])

14. Suatu larutan cuka mengandung 6% CH3COOH. Jika diketahui massa jenis cuka makan itu adalah 1 kg L-1, tentukan volume cuka itu yang harus diencerkan untuk membuat 100 mL larutan dengan -5 pH = 4, Ka CH3COOH = 1 x 10 . (petunjuk : kemolaran larutan dapat dihitung dengan

rumus:M=(Ux10x %)/Mt)

265

266 14. BATU BARA

Batu bara adalah sisa tumbuhan dari jaman prasejarah yang telah berubah bentuk yang awalnya berakumulasi di rawa dan lahan gambut. Batu bara adalah bahan bakar fosil yang dapat terbakar. Batu bara terbentuk dari tumbuhan yang telah terkonsolidasi antara strata batuan lainnya dan diubah oleh kombinasi pengaruh tekanan dan panas selama jutaan tahun sehingga membentuk endapan-endapan tanah. Penimbunan lanau dan sedimen lainnya, bersama dengan pergeseran kerak bumi (dikenal sebagai pergeseran tektonik) mengubur rawa dan gambut. Ini seringkali sampai ke kedalaman yang sangat dalam. Dengan penimbunan tersebut, material tumbuhan tersebut terkena suhu dan tekanan yang tinggi. Kondisi tersebut menyebabkan tumbuhan tersebut mengalami proses perubahan fisika dan kimiawi dan mengubah tumbuhan tersebut menjadi gambut dan pada gilirannya, batu bara. Pembentukan batubara dimulai sejak

267 Carboniferous Period (Periode Pembentukan Karbon atau Batu Bara) – dikenal sebagai zaman batu bara pertama – yang berlangsung antara 360 juta sampai 290 juta tahun yang lalu. Mutu dari setiap endapan batu bara ditentukan oleh suhu dan tekanan serta lama waktu pembentukan, yang disebut sebagai ‘maturitas organik’. Pada prosesnya yang paling awal, gambut berubah menjadi lignite (batu bara muda) atau ‘brown coal (batu bara coklat)’.

Gambar 14.1 Batu bara Muda(batu bara coklat)

Gambar 14.2 Batu bara atau karbon

Keduanya ini adalah batu bara dengan jenis maturitas organik rendah. Dibandingkan dengan batu bara jenis lainnya, batu bara muda agak lembut dan warnanya bervariasi dari hitam pekat sampai kecoklat-coklatan. Mendapat pengaruh suhu dan tekanan yang terus menerus selama jutaan tahun, batu bara muda selanjutnya mengalami perubahan yang secara bertahap menambah maturitas organiknya sampai tahap dimana bara muda berubah menjadi batu bara ‘sub- bitumen’. Perubahan kimiawi dan fisika terus berlangsung hingga sub- bitumen ini menjadi lebih keras dan warnanya lebih hitam dan

268 membentuk ‘bitumen’ atau ‘antrasit’. Antrasit adalah tahap akhir pembentukan batu bara.

a. Dimana Batu Bara Dapat Ditemukan?

Gambar 14.3 Tempat Batu Bara Didapatkan

Telah diperkirakan bahwa ada lebih dari 984 milyar ton cadangan batu bara di seluruh dunia. Hal ini berarti ada cadangan batu bara yang cukup untuk menghidupi kita selama lebih dari 190 tahun. Batu bara berada di seluruh dunia – ia dapat ditemukan di setiap daratan di lebih dari 70 negara, dengan cadangan terbanyak di AS, Rusia, China dan India. Sumber Daya Sumber daya adalah jumlah batu bara yang dapat ditemukan di statu endapan atau tambang batu bara. Ini tidak termasuk kelayakan penambangan batu bara secara ekonomis. Tidak semua sumber daya batu bara dapat ditambang dengan menggunakan teknologi yang ada saat ini. Cadangan Cadangan dapat ditentukan dalam hal cadangan yang telah terbukti (atau terukur) dan cadangan yang diperkirakan (atau yang terindikasi). Cadangan yang diperkirakan memiliki tingkat keyakinan yang lebih rendah daripada cadangan yang telah terbukti. Cadangan yang telah terbukti Cadangan-cadangan tidak hanya dipertimbangkan untuk sekedar dapat ditambang namun juga dapat ditambang secara ekonomis. Hal ini berarti bahwa mereka mempertimbangkan teknologi pertambangan saat ini yang dapat digunakan dan tingkat ekonomis dari penambangan batu bara. Dengan demikian cadangan-cadangan yang telah terbukti akan berubah sesuai dengan harga batu bara; jika harga batu bara turun, maka cadangan yang telah terbukti akan berkurang. Sementara ini diperkirakan bahwa ada cadangan batu bara yang cukup untuk menghidupi kita selama 190 tahun. Walaupun demikian kenyataan demikian masih dapat diperluas dengan melakukan sejumlah pengembangan, termasuk : penemuan cadangan- cadangan baru melalui kegiatan eksplorasi yang sudah berjalan; kemajuan-kemajuan dalam teknik-teknik penambangan, yang dapat memperoleh cadangan cadangan yang sebelumnya tidak bisa dicapai. Semua bahan bakar yang berasal dari fosil akhirnya akan habis, oleh karena itu penting sekali bagi manusia untuk

269 mengkonsumsinya secara efisien. Pengembangan-pengembangan penting terus dilakukan untuk penggunaan batu bara secara efisien sehingga dapat diperoleh energi yang lebih banyak dari setiap ton batu bara yang diproduksi.

Gambar 14.4 Negara Produsen Batu Bara

b. Menemukan Batu Bara Cadangan batu bara ditemukan melalui kegiatan eksplorasi. Proses tersebut biasanya mencakup pembuatan peta geologi dari daerah yang bersangkutan, kemudian melakukan survai geokimia dan geofisika, yang dilanjutkan dengan pengeboran eksplorasi. Proses demikian memungkinkan diperolehnya gambaran yang tepat dari daerah akan dikembangkan. Daerah tersebut hanya akan menjadi suatu tambang jika daerah tersebut memiliki cadangan batu bara yang cukup banyak dan mutu yang memadai sehingga batu bara dapat

270 diambil secara ekonomis. Setelah mendapat kepastian akan hal tersebut, maka dimulailah kegiatan penambangannya. Pemilihan metode penambangan sangat ditentukan oleh unsur geologi endapan batu bara. Saat ini, tambang bawah tanah menghasilkan sekitar 60% dari produksi batu bara dunia, walaupun beberapa negara penghasil batu bara yang besar lebih menggunakan tambang permukaan. Tambang terbuka menghasilkan sekitar 80% produksi batu bara di Australia, sementara di AS, hasil dari tambang permukaan sekitar 67%.

Gambar 14.5 Kandungan Kelembaman Batu Bara

c. Tambang Bawah Tanah Ada dua metode tambang bawah tanah : tambang room-and- pillar dan tambang longwall. Dalam tambang room-and-pillar, endapan batu bara ditambang dengan memotong jaringan ‘ruang’ ke dalam lapisan batu bara dan membiarkan ‘pilar’ batu bara untuk menyangga atap tambang. Pilar-pilar tersebut dapat memiliki kandungan batu bara lebih dari 40% – walaupun batu bara tersebut dapat ditambang pada tahapan selanjutnya. Penambangan batu bara tersebut dapat dilakukan dengan cara yang disebut retreat mining (penambangan mundur), dimana batu bara diambil dari pilar-pilar tersebut pada saat para penambang kembali ke atas. Atap tambang kemudian dibiarkan ambruk dan tambang tersebut ditinggalkan. Tambang longwall mencakup penambangan batu bara secara penuh dari suatu bagian lapisan atau ‘muka’ dengan menggunakan gunting-gunting mekanis. Tambang longwall harus dilakukan dengan membuat perencanaan yang hati-hati untuk memastikan adanya geologi yang mendukung sebelum dimulai kegiatan penambangan. Kedalaman permukaan batu bara bervariasi di

271 kedalaman 140-350m. Penyangga yang dapat bergerak maju secara otomatis dan digerakkan secara hidrolik diperlukan, dan ia menyangga atap tambang selama pengambilan batu bara. Setelah batu bara diambil dari daerah tersebut, atap tambang dibiarkan ambruk. Lebih dari 75% endapan batu bara dapat diambil dari panil batu bara yang dapat memanjang sejauh 3 km pada lapisan batu bara.

Gambar 14.6 Tambang Room dan Pillar

Keuntungan utama dari tambang room–and-pillar daripada tambang longwall adalah tambang roomand-pillar dapat mulai memproduksi batu bara jauh lebih cepat, dengan menggunakan peralatan bergerak dengan biaya kurang dari 5 juta dolar (peralatan tambang longwall dapat mencapai 50 juta dolar). Pemilihan teknik penambangan ditentukan oleh kondisi tapaknya namun selalu didasari oleh pertimbangan ekonomisnya; perbedaan-perbedaan yang ada bahkan dalam satu tambang dapat mengarah pada digunakannya kedua metode penambangan tersebut.

d. Tambang Terbuka

Gambar 14.7 Tambang permukaan

Tambang terbuka – juga disebut tambang permukaan – hanya memiliki nilai ekonomis apabila lapisan batu bara berada dekat

272 dengan permukaan tanah. Metode tambang terbuka memberikan proporsi endapan batu bara yang lebih banyak daripada tambang bawah tanah karena seluruh lapisan batu bara dapat dieksploitasi – 90% atau lebih dari batu bara dapat diambil. Tambang terbuka yang besar dapat meliputi daerah berkilo- kilo meter persegi dan menggunakan banyak alat yang besar, termasuk: dragline (katrol penarik) yang memindahkan batuan permukaan; power shovel (sekop hidrolik); truk-truk besar yang mengangkut batuan permukaan dan batu bara; bucket wheel excavator (mobil penggali serok); dan ban berjalan. Batuan permukaan yang terdiri dari tanah dan batuan dipisahkan pertama- tama dengan bahan peledak; batuan permukaan tersebut kemudian diangkut dengan menggunakan katrol penarik atau dengan sekop dan truk. Setelah lapisan batu bara terlihat, lapisan batu bara tersebut digali, dipecahkan kemudian ditambang secara sistematis dalam bentuk jalur-jalur. Kemudian batu bara dimuat ke dalam truk besar atau ban berjalan untuk diangkut ke pabrik pengolahan atau langsung ke tempat dimana batu bara tersebut akan digunakan.

e. Pengolahan Batu Bara Seperti disebutkan dimuka, batubara adalah mineral organik yang dapat terbakar, terbentuk dari sisa tumbuhan purba yang mengendap yang selanjutnya berubah bentuk akibat proses fisika dan kimia yang berlangsung selama jutaan tahun. Oleh karena itu, batubara termasuk dalam kategori bahan bakar fosil. Adapun proses yang mengubah tumbuhan menjadi batubara tadi disebut dengan pembatubaraan (coalification). Faktor tumbuhan purba yang jenisnya berbeda-beda sesuai dengan jaman geologi dan lokasi tempat tumbuh dan berkembangnya, ditambah dengan lokasi pengendapan (sedimentasi) tumbuhan, pengaruh tekanan batuan dan panas bumi serta perubahan geologi yang berlangsung kemudian, akan menyebabkan terbentuknya batubara yang jenisnya bermacam-macam. Oleh karena itu, karakteristik batubara berbeda-beda sesuai dengan lapangan batubara (coal field) dan lapisannya (coal seam). Dalam proses pembatubaraan, maturitas organik sebenarnya menggambarkan perubahan konsentrasi dari setiap unsur utama pembentuk batubara. Berikut ini ditunjukkan contoh analisis dari masing - masing unsur yang terdapat dalam setiap tahapan pembatubaraan.

273

Gambar 14.7 Proses Terbentuknya Batubara (Sumber: Kuri-n ni Riyou Sareru Sekitan, 2004)

Tabel 14.1 Contoh Analisis Batubara (daf based)

(Sumber: Sekitan no Kisou Chishiki)

274

Dari tabel di atas dapat diketahui bahwa semakin tinggi tingkat pembatubaraan, maka kadar karbon akan meningkat, sedangkan hidrogen dan oksigen akan berkurang. Karena tingkat pembatubaraan secara umum dapat diasosiasikan dengan mutu atau kualitas batubara, maka batubara dengan tingkat pembatubaraan rendah -disebut pula batubara bermutu rendah-- seperti lignite dan sub-bituminus biasanya lebih lembut dengan materi yang rapuh dan berwarna suram seperti tanah, memiliki tingkat kelembaban (moisture) yang tinggi dan kadar karbon yang rendah, sehingga kandungan energinya juga rendah. Semakin tinggi mutu batubara, umumnya akan semakin keras dan kompak, serta warnanya akan semakin hitam mengkilat. Selain itu, kelembabannya pun akan berkurang sedangkan kadar karbonnya akan meningkat, sehingga kandungan energinya juga semakin besar.

Gambar 14.8 Hubungan Tingkat Pembatubaraan - Kadar Unsur Utama

Batu bara yang langsung diambil dari bawah tanah, disebut batu bara tertambang run-of-mine (ROM), seringkali memiliki kandungan campuran yang tidak diinginkan seperti batu dan lumpur dan berbentuk pecahan dengan berbagai ukuran. Namun demikian pengguna batu bara membutuhkan batu bara dengan mutu yang konsisten. Pengolahan batu bara – juga disebut pencucian batu bara (“coal benification” atau “coal washing”) mengarah pada penanganan batu bara tertambang (ROM Coal) untuk menjamin mutu yang konsisten dan kesesuaian dengan kebutuhan pengguna akhir tertentu. Pengolahan tersebut tergantung pada kandungan batu bara dan tujuan penggunaannya. Batu bara tersebut mungkin hanya memerlukan pemecahan sederhana atau mungkin memerlukan proses

275 pengolahan yang kompleks untuk mengurangi kandungan campuran. Untuk menghilangkan kandungan campuran, batu bara terambang mentah dipecahkan dan kemudian dipisahkan ke dalam pecahan dalam berbagai ukuran. Pecahan-pecahan yang lebih besar biasanya diolah dengan menggunakan metode ‘pemisahan media padatan’. Dalam proses demikian, batu bara dipisahkan dari kandungan campuran lainnya dengan diapungkan dalam suatu tangki berisi cairan dengan gravitasi tertentu, biasanya suatu bahan berbentuk mangnetit tanah halus. Setelah batu bara menjadi ringan, batu bara tersebut akan mengapung dan dapat dipisahkan, sementara batuan dan kandungan campuran lainnya yang lebih berat akan tenggelam dan dibuang sebagai limbah. Pecahan yang lebih kecil diolah dengan melakukan sejumlah cara, biasanya berdasarkan perbedaan kepadatannya seperti dalam mesin sentrifugal. Mesin sentrifugal adalah mesin yang memutar suatu wadah dengan sangat cepat, sehingga memisahkan benda padat dan benda cair yang berada di dalam wadah tersebut. Metode alternatif menggunakan kandungan permukaan yang berbeda dari batu bara dan limbah. Dalam ‘pengapungan berbuih’, partikel-partikel batu.

Gambar 14.9 Proses Pengolahan Batu Bara

Namun demikian, penting untuk menjaga keseimbangan antara perhatian terhadap lingkungan dan prioritas pembangunan ekonomi dan sosial. ‘Pembangunan berkelanjutan’ menggabungkan tiga hal dan didefinisikan sebagai: “…pembangunan yang memenuhi kebutuhan saat ini tanpa mengkompromikan kemampuan dari generasi penerus untuk memenuhi kebutuhanmereka sendiri”. Sementara batu bara memberikan kontribusi yang penting bagi perkembangan ekonomi dan sosial di seluruh dunia, dampak terhadap lingkungan hidup merupakan suatu masalah.

276 KLASIFIKASI BATU BARA

Gambar 14.10 Pengelompokan batu bara

Klasifikasi batu bara berdasarkan tingkat pembatubaraan biasanya dimaksudkan untuk menentukan tujuan pemanfaatannya. Misalnya, batu bara bintuminus banyak digunakan untuk bahan bakar pembangkit listrik, pada industri baja atau genteng serta industri semen (batu bara termal atau steam coal). Adapun batu bara antrasit digunakan untuk proses sintering bijih mineral, proses pembuatan elektroda listrik, pembakaran batu gamping, dan untuk pembuatan briket tanpa asap (Raharjo, 2006b). Tipe batu bara berdasarkan tingkat pembatubaraan ini dapat dikelompokkan sebagai berikut : a. Lignite : Disebut juga batu bara muda. Merupakan tingkat terendah dari batu bara, berupa batu bara yang sangat lunak dan mengandung air 70% dari beratnya. Batu bara ini berwarna hitam, sangat rapuh, nilai kalor rendah dengan kandungan karbon yang sangat sedikit, kandungan abu dan sulfur yang banyak. Batu bara jenis ini dijual secara eksklusif sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga uap (PLTU).

Gambar 14.11 Lignite

b. Sub-Bituminous : Karakteristiknya berada di antara batu bara lignite dan bituminous, terutama digunakan sebagai bahan bakar untuk PLTU. Sub-bituminous coal mengandung sedikit carbon dan banyak air, dan oleh karenanya menjadi sumber panas yang tidak efisien.

277

Gambar 14.12 Sub-Bituminous

c. Bituminous : Batu bara yang tebal, biasanya berwarna hitam mengkilat, terkadang cokelat tua. Bituminous coal mengandung 86% karbon dari beratnya dengan kandungan abu dan sulfur yang sedikit. Umumnya dipakai untuk PLTU, tapi dalam jumlah besar juga dipakai untuk pemanas dan aplikasi sumber tenaga dalam industri dengan membentuknya menjadi kokas-residu karbon berbentuk padat.

Gambar 14.13 Bituminous

d. Anthracite : Peringkat teratas batu bara, biasanya dipakai untuk bahan pemanas ruangan di rumah dan perkantoran. Anthracite coal berbentuk padat (dense), batu-keras dengan warna jet-black

278 berkilauan (luster) metallic, mengandung antara 86% - 98% karbon dari beratnya, terbakar lambat, dengan batasan nyala api biru (pale blue flame) dengan sedikit sekali asap.

Gambar 14.14 Anthrcite

Berdasarkan cara terbentuknya, batu bara dibedakan menjadi: a. Batu bara paleogen, Merupakan batu bara yang terbentuk pada cekungan intranmontain, contohnya yang terdapat di Ombilin, Bayah, Kalimantan Tenggara serta Sulawesi Selatan.

Gambar 14.15 Batu bara Paleogenik b. Batu bara neogen, Yakni batu bara yang terbentuk pada cekungan foreland, contohnya terdapat di Tanjung Enim - Sumatera Selatan.

Gambar 14.16 Batu bara Neogen

279 c. Batu bara delta, Yakni endapan batu bara yang terdapat di hampir seluruh Kalimantan Timur.

Gambar 14.17 Batu bara Delta

Tambang Batu Bara & Lingkungan Hidup Tambang batu bara – terutama tambang terbuka –memerlukan lahan yang luas untuk diganggu sementara. Hal tersebut menimbulkan permasalahan lingkungan hidup, termasuk erosi tanah, polusi debu, suara dan air, serta dampat terhadap keanekaragaman hayati setempat. Tindakan-tindakan dilakukan dalam poerasi tambang modern untuk menekan dampak-dampak tersebut. Perencanaan dan pengelolaan lingkungan yang baik akan menekan dampak pertambangan terhadap lingkungan hidup dan membantu melestarikan keanekaragaman hayati.

Gangguan Lahan Dalam praktek yang terbaik, kajian-kajian lingkungan hidup sekitarnya dilaksanakan beberapa tahun sebelum suatu tambang batu bara dibuka untuk menentukan kondisi yang ada dan untuk mengidentifikasikan kepekaan dan masalahmasalah yang mungkin akan timbul. Kajian-kajian tersebut mempelajari dampak pertambangan terhadap air permukaan dan air tanah, tanah dan tata guna lahan setempat, tumbuhan alam serta populasi fauna (lihat kajian kasus koala pada halaman 30). Simulasi komputer dapat dilakukan untuk melihat dampak-dampak terhadap lingkungan hidup setempat. Temuan-temuan tersebut kemudian dikaji sebagai bagian dari proses yang mengarah kepada pemberian izin pertambangan oleh pihak yang berwenang.

Amblesan Tambang Masalah yang terkait dengan tambang batu bara bawah tanah adalah amblesan, dimana permukaan tanah ambles sebagai akibat dari ditambangnya batu bara di bawahnya. Setiap kegiatan tata guna lahan yang dapat menghadapkan harta benda pribadi atau harta milik sendiri atau bentang alam yang bernilai pada suatu risiko jelas merupakan suatu masalah.

280

Gambar 14.18 Peristiwa Lumpur Lapindo

Suatu pemahaman menyeluruh dari pola penghidupan di suatu daerah memungkinkan untuk mengukur pengaruh dari tambang bawah tanah terhadap permukaan tanah. Hal ini memastikan pengambilan sumber daya batu bara sebanyak-banyaknya secara aman sementara melindungi penggunaan lahan lainnya.

KEGUNAAN BATU BARA

Gambar 14.19 Pemanfaatan batu bara

Teknologi Pemanfaatan Batubara Bahan Bakar Langsung x Penyerapan gas SO2 dari hasil pembakaran briket bio batubara dengan unggulan zeolit.

281 x Pengembangan model fisik tungku pembakaran briket biocoal untuk industri rumah tangga, pembakaran bata/genteng, boiler rotan dan pengering bawang. x Tungku hemat energi untuk industri rumah tangga dengan bahan bakar batubara/briket bio batubara. x Pembakaran kapur dalam tungku tegak system terus menerus skala komersial dengan batubara halus menggunakan pembakar siklon. x Tungku pembuatan gula merah dengan bahan bakar batubara. x Pembakaran kapur dalam tungku system berkala dengan kombinasi bahan bakar batubara - kayu. x Pembakaran bata-genteng dengan batubara. Non Bahan Bakar x Pengkajian pemanfaatan batubara Kalimantan Selatan untuk pembuatan karbon aktif. x Daur ulang minyak pelumas bekas dengan menggunakan batubara peringkat rendah sebagai penyerap. Membuat Kompor Alkohol Murah Meriah

Gambar 14.20 Kompor alkohol generik.

Cerita bermula pada saat melakukan pencarian desain burner untuk biogas, kami cukup surprise karena ternyata inisiatif pembuatan dan desain kompor atau tungku dengan bahan bakar alternatif sudah banyak sekali dilakukan baik oleh para hobiis maupun LSM di luar negeri. Salah satu yang menarik perhatian adalah desain kompor berbahan bakar alkohol yang dibuat dari kaleng bekas minuman ringan (soft drink). Di sekitar kita banyak sekali limbah bekas kaleng minuman ringan ini , yang sebetulnya masih bisa kita manfaatkan untuk sesuatu yang cukup berguna (well, saingan dengan para pemulung, menurut informasi harga kaleng bekas ini di tingkat pemulung ternyata sekitar Rp. 14.000,- / kilogram!). Desain kompor alkohol ini (jenisnya disebut Top Burner Alcohol Stove) sama dengan yang digunakan kompor yang sering

282 dipakai oleh para pencinta alam dan pendaki gunung, Trangia. Keduanya mengambil prinsip dasar yang sama, hanya bedanya Trangia menggunakan bantuan semacam sumbu yang kemungkinan terbuat dari asbestos. Membuatnya sama sekali tidak sulit, hanya dibutuhkan sedikit kesabaran dan bahan serta alat yang tersedia di sekitar kita. Dan soal fungsional, dari percobaan kami dapat mendidihkan (98C) 0.5 liter air dalam waktu 18 menit dan hanya menghabiskan sekitar 20ml spirtus bakar. Kurang lebih sama bahkan cenderung lebih irit dalam bahan bakar daripada Trangia. Selain itu, kompor alkohol ini juga simple dan ringkas, dapat dikantongi bila anda sedang melakukan perjalanan alam bebas, alkohol nya selain berfungsi sebagai bahan bakar, dapat juga digunakan untuk antiseptic dan pencuci luka apabila mengalami kecelakaan ringan dalam perjalanan. Keunggulan lain, bahan bakar alkohol ini bersih, tidak mengeluarkan bau dan polusi serta termasuk bahan bakar yang renewable (terbarui). Kekurangannya ? storage dan handling dari bahan bakar cair yang kadang kadang ribet dan harga alkohol yang masih mahal (sekitar Rp. 6000 - 7000 / liter).

Evomium Bahan bakar (Bensin, diesel, gas) adalah senyawa kimia hdrokarbon yang membentuk molekul-molekul hydrogen dan karbon. Sebagian hidrokarbon membentuk kelompok-kelompok molekul yang padat, tidak sama dan menyatu antara keduanya serta sambung – menyambung menjadi rangkaian hidrokarbon. Keadaan ini menyebabkan bahan bakar tidak dapat terbakar sempurna disebabkan oksigen tidak dapat tercampur masuk dalam ruang molekul-molekul hydrogen dan karbon. Bahan bakar yang tidak terbakar sempurna tersebut dikenal sebagai pembakaran yang tidak lengkap dan kemudian akan menghasilkan karbondioksida, air, karbonmonoksida, karbon, hidrokarbon (sebagian bahan bakar yang tidak terbakar) serta kotoran lain yang dikeluarkan melalui pipa knalpot. Pembakaran yang tidak lengkap ini akan menyebabkan pemborosan bahan bakar, menjadikannya endapan kotoran dalam mesin, pencemaran udara dan seterusnya mengambat performa/tenaga mesin.

283

Gambar 14.21 Evomium

Evomium adalah alat penghemat bahan bakar yang mudah dalam pemasangannya. Evomium terdiri dari sepasang magnet baku ‘permanent magnet ‘ magnet tersebut dibuat sedemikian rupa dalam keadaan melengkung dengan ukuran tertentu yang menghasilkan tarikan magnet yang sangat kuat atau lebih dikenal dengan medan tenaga. Evomium dipasang pada saluran bahan bakar yang dekat kearah ‘Carburetor’ atau ‘Fuel Injection system’. Sepasang magnet tersebut akan membentuk tarikan magnet yang sangat kuat diantara kedua permukaan magnet tersebut. bagian magnet atas berfungsi sebagai penerima sedangkan bagian bawah magnet berfungsi sebagai penghantar dan menghasilkan serta mengarahkan tepat sudut medan magnet dengan saluran bahan bakar. Tarikan magnet yang dihasilkan dari kinerja evomium akan menembus saluran bahan bakar semisal getah atau gram menyebabkan hidrokarbon akan terurai dalam bentuk yang lebih beraturan dan tersusun, hasilnya akan menyebabkan setiap molekul akan lebih agresif dan memudahkan oksigen menembus ruang-ruang molekul hydrogen dan karbon untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna dan bersih. Hasilnya pula hal ini akan mampu menambah tenaga dengan jumlah pepenggunaan bahan bakar yang lebih sedikit.

Hasil yang didapat dari Evomium adalah x Menghemat uang x Menghemat bahan bakar x Menambah jarak tempuh x Meningkatkan performa/tenaga mesin x Menambah tarikan mesin x Mengurangi pencemaran udara x Umur mesin lebih lama x Mengawetkan mesin x Suara mesin lebih halus x Mengurangi asap x Minyak pelumas lebih tahan lama x Mengurangi biaya / memudahkan perawatan mesin. Mesin bersih

284 x (mengurangi endapan karbon)

Tabel 14.12 Mesin Bensin & BBG dibawah 600 CC = 1 unit evomium 600 – 3000 CC = 2 unit evomium 3000 CC – 6000 CC = 4 unit evomium > 6000 CC = 6 unit evomium

Tabel 14.13 Mesin Diesel/Solar dibawah 2000cc = 2 unit evomium 2000 – 6000 CC = 4 unit evomium > 6000 CC = 6 unit evomium

285

Latihan Soal 1. Apa kegunaan batu bara? 2. Bagaimana cara menemukan batu bara? 3. Apa perbedaan tambang bawah tanah dan tambang terbuka?Mana yang lebih menguntungkan? 4. Mengapa tambang room-and-pillar lebih menguntungkan daripada tambang longwall? 5. Apa akibatnya jika eksplorasi batu bara dilakukan tanpa memperhatikan kajian lingkungan? 6. Bagaimana cara menghilangkan campuran dari batu bara? 7. Jelaskan tipe-tipe batu bara berdasarkan tingkat coalification? 8. Mengapa anthracite merupakan batu bara kualitas teratas? 9. Mengapa bahan bakar yang sering digunakan adalah minyak bumi, bukan batu bara? 10. Mengapa industri-industri di Indonesia lebih banyak mengimpor batu bara daripada menggunakan batu bara dalam negeri.

286 15. POLIMER

15.1. Definisi Polimer atau kadang-kadang disebut sebagai makromolekul, adalah molekul besar yang dibangun oleh pengulangan kesatuan kimia yang kecil dan sederhana. Kesatuan-kesatuan berulang itu setara dengan monomer, yaitu bahan dasasr pembuat polimer (tabel 1). Akibatnya molekul-molekul polimer umumnya mempunyai massa molekul yang sangat besar. Sebagai contoh, polimer poli(feniletena) mempunyai harga rata-rata massa molekul mendekati 300.000. Hal ini yang menyebabkan polimer tinggi memperlihatkan sifat sangat berbeda dari polimer bermassa molekul rendah, sekalipun susunan kedua jenis polimer itu sama.

287 Tabel 15.1 Pembentukan polimer Polimer Monomer Kesatuan berulang

Poli(etena) CH2 = CH2 -(CH2 – CH2)- Poli(kloroetena) CH2 = CHCl -(CH2 – CHCl)- Selulosa C6H12O6 -(C6H14O5)-

15.2. Klasifikasi Senyawa-senyawa polimer didapatkan dengan dua cara, yaitu yang berasal dari alam (polimer alam) dan di polimer yang sengaja dibuat oleh manusia (polimer sintetis). Polimer yang sudah ada dialam (polimer alam), seperti : 1. Amilum dalam beras, jagung dan kentang 2. Selulosa dalam kayu 3. Protein terdapat dalam daging 4. Karet alam diperoleh dari getah atau lateks pohon karet Karet alam merupakan polimer dari senyawa hidrokarbon, yaitu 2-metil-1,3-butadiena (isoprena). Ada juga polimer yang dibuat dari bahan baku kimia disebut polimer sintetis seperti polyetena, polipropilena, poly vynil chlorida (PVC), dan nylon. Kebanyakan polimer ini sebagai plastik yang digunakan untuk berbagai keperluan baik untuk rumah tangga, industri, atau mainan anak-anak.

Gambar 15.1 Gambar 15.2 Polimer Alam, Berupa Getah Karet Polimer Sintetis, Berupa Plastik

15.3. Reaksi Polimerisasi Reaksi polimerisasi adalah reaksi penggabungan molekul- molekul kecil (monomer) yang membentuk molekul yang besar. Ada dua jenis reaksi polimerisasi, yaitu : polimerisasi adisi dan polimerisasi kondensasi

288

1. Polimerisasi Adisi Polimerisasi ini terjadi pada monomer yang mempunyai ikatan tak jenuh (ikatan rangkap dengan melakukan reaksi dengan cara membuka ikatan rangkap (reaksi adisi) dan menghasilkan senyawa polimer dengan ikatan jenuh. Mekanisme reaksi :

R R' R R' C C + C C ...... H + H H H

RRR' R'

C - C - C - C

HHHH

Atau dapat dituliskan :

nC = C C - C

Contoh : a. Pembentukan Polietena (sintesis) Polietena merupakan plastik yang dibuat secara sintesis dari monomer etena (C2H4) menurut reaksi adisi berikut :

H H H H H H H H H H H

+...... C - C - C - C - C C = C + C = C + C = C

H H H H H HH HH HH

etena etena etena Polietena (plastik) 289

Gambar 14.51 Polietene/polietylena

b. Pembentukan Poli-isoprena (alami) Poli-isoprena merupakan karet alam dengan monomer 2- metil-1,3 butadiena. Reaksi yang terjadi dengan membuka salah satu ikatan rangkap dan ikatan rangkap yang lainnya berpindah menurut reaksi adisi :

H2C CH2 H2C CH2

C C + C C + ...... CH3 H CH3 H

2-metil-1,3-butadiena

H2C CH2 H2C CH2

C C C C CH 3 H CH3 H

Poli-isoprena (karet alam)

H H H H

CH3 H n cis-1,4-polyisoprene

Gambar 15.3 Polyisoprena / Karet Alam

290 2. Polimerisasi Kondensasi Pada polimerisasi kondensasi ini, disamping menghasilkan senyawa polimer juga menghasilkan zat lain yang struktur molekulnya sederhana (kecil). Monomer + monomer +..... o polimer + zat lain a. Pembentukan Nylon (sintesis) Pembuatan nylon dari monomer asam heksanadionat (asam adipat) dengan 1,6-diamino heksana. Reaksi yang terjadi adalah gugus karboksilat (-COOH) bereaksi dengan gugus amino (-NH2) melalui ikatan peptida (HNCO) dan mengasilkan nylon serta molekul air. Contoh :

Gambar 15.4 Nylon b. Pembentukan protein (alami) Protein terbentuk dari asam D amino sebagai monomer. Pembentukannya seperti pada nylon yaitu reaksi dari gugus karboksilat (-COOH) dengan gugus amino (-NH2) melalui ikatan peptida (HNCO) dengan menghasilkan protein dan air.

R R O O

H2N C C + H2N C C + ...... OH OH Asam ĮĮ amino amino Asam Į amino

291

R R'

C - C - C - C - C + H2O

O O H H

Protein

15.4. Penggolongan Polimer Penggolongan polimer didasarkan kepada : 1. Jenis monomer, apakah monomernya sama atau berbeda 2. Susunan unit monomer, apakah teratur ataukah tidak 3. Struktur polimer, apakah lurus, bercabag atau network (crosslink).

Linier

Bercabang

Network

Gambar 15.5 Struktur polimer konvensional

Dari faktor tersebut polimer digolongkan menjadi : 1. Homopolimer Polimer ini terbenuk dari monomer-monomer yang sejenis.

292

M + M + .... o -[M-M-M-M]- Monomer polimer

2. Kopolimer Polimer ini terbentuk dari monomer-monomeryang jenisnya berbeda. Dar susunan monomer yan bergabung. Kopolimer dibagi lagi menjadi : a. Kopolimer statistik : kopolimer dengan susunan monomer yang terbentuk tidak beraturan.

-[A – B – B – A – A – A – B – A – A – B – B – B] –

b. Kopolimer blok : susunan monomer yang terbentuk secara teratur dengan jumlah tertentu.

-[A – A – B – B – A – A – B – B – A – A – B – B] -

c. Kopolimer bergantian : susunan monomer yang terbentuk secara bergantian.

-[A – B – A – B – A – B – A – B – A – B – A – B] -

d. Kopolimer bercabang : susunan monomer yang merupakan cabang.

-[A – A – A – A – A – A – A – A] – | | | B B B | | B B

15.5. Sifat polimer 1. Sifat Thermal Sifat polimer terhadap panas ada yang menjadi lunak jika dipanaskan dan keras jika didinginkan .polimer seperti ini disebut termoplas. Contohnya : plastik yang digunakan untuk kantong dan botol plastik. Sedangkan polimer yang menjadi keras jika dipanaskan disebut termoset,contohnya melamin

2. Sifat Kelenturan Polimer akan mempunyai kelenturan yang berbeda dengan polimer sintetisUmumnya polimer alam agak sukar untuk dicetak sesuai keinginan,sedangkan polimer sintetis lebih mudah dibuat cetakan untuk menghasilkan bentuk tertentu. Karet akan lebih mudah mengembangdan kehilangan kekenyalannya setelah terlalu lama kena bensin atau minyak.

293

3. Ketahanan terhadap Mikroorganisme Polimer alam seperti wool, sutra, atau selulosa tidak tahan terhadap mikroorganisme atau ulat (rayap).Sedangkan polimer sintetis lebih tahan terhadap mikroorganisme atau ulat.

4. Sifat Lainnya Sifat polimer yang lainnya bergantung pemakainnnya untuk kemasan atau alat-alat industri.Untuk tujuan pengemasan harus diperhatikan : a. Toksisitasnya b. Daya tahan terhadap air,mnyak atau panas c. Daya tembus udara (oksigen) d. Kelenturan e. Transparan

15.6. Kegunaan Dan Dampak Polimer Terhadap Lingkungan Dalam kehidupan sehari-hari banyak barang-barang yang digunakan merupakan polimer sintetis mulai dari kantong plastik untuk belanja, plastik pembungkus makanan dan minuman, kemasan plastik, alat-alat listrik, alat-alat rumah tangga, dan alat-alat elektronik. Setiap kita belanja dalam jumlah kecil, misalnya diwarung, selalu kita akan mendapatkan pembungkus plastik dan kantong plastik (keresek). Barang-barang tersebut merupakan polimer sintetis yang tidak dapat diuraikan oleh mikroorganisme. Akibatnya, barang-barang tersebut akan menumpuk dalam bentuk sampah yang tidak dapt membusuk. Atau menyumbat saluran air yang menyebabkan banjir. Sampah polimer sintetis jangan dibakar, karena akan menghasilkan senyawa dioksin. Dioksin adalah suatu senyawa gas yang sangat beracun dan bersifat karsinogenik (menyebabkan kanker). Plastik vinyl chloride tidak berbahaya, tetapi monomer vinyl chloride sangat beracun dan karsinogenik yang mengakibatkan cacat lahir. Plastik yang digunakan sebagai pembungkus makanan, jika terkena panas dikhawatirkan monomernya akan terurai dan akan mengontamiasi makanan. Untuk mengurangi pencemaran plastik : 1. Kurangi penggunaan plastik. 2. Sampah plastik harus dipisahkan dengan sampah organik, sehingga dapat didaur ulang. 3. Jangan membuang sampah plastik sembarangan. 4. Sampah plastik jangan dibakar.

Untuk menghindari bahaya keracunan akibat penggunaan plastik : 1. Gunakan kemasan makanan yang lebih aman, seperti gelas. 2. Gunakan penciuman, jika makanan/minumam bau plastik jangan digunakan.

294

LATIHAN SOAL 1. Jelaskan arti dari senyawa polimer! 2. Berikan contoh polimer alam dan polimer sintetis! 3. Sebutkan dan jelasakn masing-masing reaksi pembentukan polimer! 4. Sebutkan dan jelaskan sifat-sifat polimer! 5. Apa yang anda ketahui tentang homopolimer dan kopolimer?

295

296 16. PLASTIK

16.1. Definisi Plastik adalah bahan yang mempunyai derajat kekristalan lebih rendah daripada serat, dan dapat dilunakkan atau dicetak pada suhu tinggi (suhu peralihan kacanya diatas suhu ruang), jika tidak banyak bersambung silang. Plastik merupakan polimer bercabang atau linier yang dapat dilelehkan diatas panas penggunaannya. Plastik dapat dicetak (dan dicetak ulang) sesuai dengan bentuk yang diinginkan dan yang dibutuhkan dengan menggunakan proses injection molding dan ekstrusi. Istilah plastik mencakup produk polimerisasi sintetik atau semi-sintetik. Mereka terbentuk dari kondensasi organik atau penambahan polimer dan bisa juga terdir dari zat lain untuk meningkatkan performa atau ekonomi. Ada beberapa polimer alami yang termasuk plastik. Plastik dapt dibentuk menjadi film atau fiber sintetik. Nama ini berasal dari fakta bahwa banyak dari mereka "malleable", memiliki properti keplastikan. Plastik didesain dengan varias yang sangat banyak dalam properti yang dapat menoleransi panas, keras, "reliency" dan lain-lain. Digabungkan dengan kemampuan adaptasinya, komposisi yang umum dan beratnya yang ringan memastikan plastik digunakan hampir di seluruh bidang industri. Plastik dapat juga menuju ke setiap barang yang memiliki karakter yang deformasi atau gagal karena shear stress- lihat keplastikan (fisika) dan ductile. Plastik dapat dikategorisasikan dengan banyak cara tapi paling umum dengan melihat tulang-belakang polimernya (vinyl{chloride}, polyethylene, acrylic, silicone, urethane, dll.). Klasifikasi lainnya juga umum.

297 Plastik adalah polimer; rantai-panjang atom mengikat satu sama lain. Rantai ini membentuk banyak unit molekul berulang, atau "monomer". Plastik yang umum terdiri dari polimer karbon saja atau dengan oksigen, nitrogen, chlorine atau belerang di tulang belakang. (beberapa minat komersial juga berdasar silikon). Tulang-belakang adalah bagian dari rantai di jalur utama yang menghubungkan unit monomer menjadi kesatuan. Untuk mengeset properti plastik grup molekuler berlainan "bergantung" dari tulang-belakgan (biasanya "digantung" sebagai bagian dari monomer sebelum menyambungkan monomer bersama untuk membentuk rantai polimer). Pengesetan ini oleh grup "pendant" telah membuat plastik menjadi bagian tak terpisahkan di kehidupan abad 21 dengan memperbaiki properti dari polimer tersebut. Pengembangan plastik berasal dari penggunaan material alami (seperti: permen karet, "shellac") sampai ke material alami yang dimodifikasi secara kimia (seperti: karet alami, "nitrocellulose") dan akhirnya ke molekul buatan-manusia (seperti: epoxy, polyvinyl chloride, polyethylene).

16.2. Jenis-jenis Utama Plastik Jenis utama plastik diantaranya adalah PE (Poly Etylene), PP (Poly Propylene), PS (Poly Styrene), PET (Poly Etylene Therephtalate), PVC (Poly Vinyl Clhorida).

1. PE (Poly Etylene) Monomer : etena (CH2 = CH2) Unit ulang polimer : []CH2 CH2 n Reaksi :

Atau

struktur tiga dimensinya adalah :

Gambar 16.1 Struktur Tiga Dimensi Polyethylene

298

Polyetylene ada 2 jenis, yaitu linier dan bercabang dengan struktur sebagai berikut :

Gambar 16.2 Polyethylene Linier

Gambar 16.3 Polyethylene bercabang

Kegunaan dan sifat : - kantong plastik, botol plastik, film, cetakan - pembungkus kabel modern - tidak tahan panas - fleksibel, permukaannya licin - tidak tembus cahaya (buram) dan ada yang tembus cahaya - titik lelehnya 115ºC

299

Gambar 16.4 Contoh kegunaan PE

2. PP (Poly Propylene) Monomer : propena (CH3 – CH = CH2) Unit ulang polimer :

CH3H CH3 H CH3

C - C - C - C - C

H 300 H H H H

Kegunaan dan sifat : - kantong plastik, film, automotif - maianan mobil-mobilan, ember, botol - lebih tahan panas - keras, flexible, dapat tembus cahaya - ketahanan kimianya bagus - titik lelehnya 165ºC

Gambar 16.5 Contoh kegunaan PP

3. PS (Poly Styrene) Monomer : styrene

styrene

Kegunaan dan sifat : - tidak buram, seperti glass

301 - kaku, mudah patah - buram terhadap sentuhan - meleleh pada 95ºC - untuk penggaris, gantungan baju - tempat menyimpan dalam kulkas, pembungkus industri minuman - catridge printer

Reaksi :

Gambar 16.6 Contoh kegunaan PS

4. PET (Polyethylene Terephtalate) Monomer : ethyl terephtalate

HO O

O O ethyl Terephtalate

Kegunaan dan sifat : - jelas, keras, tahan terhadap pelarut - tititk lelehnya 85ºC

302 - botol minuman berkarbonasi - botol juice buah - tas bantal dan peralatan tidur - fiber tekstile

Unit ulang polimer :

Gambar 16.61 Unit Ulang PET

Gambar 16.7 Contoh kegunaan PET

5. PVC (Poly Vinyl Chlorida) Monomer : Vinyl Chlorida

vinyl chloride

Kegunaan dan sifat : - karpet, kayu imitasi - pipa air (paralon), alat-alat listrik, film - Jas hujan - Botol detergen - Keras dan kaku - dapat bersatu dengan pelarut - tititk lelehnya 70 – 140ºC

303

Gambar 16.8 Contoh kegunaan PVC

16.3. Cara Pembuatan Plastik Cara pembuatan plastik dapat dijelaskan dengan bagan berikut ini :

Gambar 16.9 Proses pembuatan plastik

304 Latihan Soal 1. Jelaskan arti dari plastik 2. apa perbedaan plastik dengan polimer 3. Jelaskann proses pembuatan plastik 4. Tuliskan struktur molekul monomer dan polimer dari jenis- jenis plastik utama. 5. Sebutkan dampak penggunaan plastik dan baaimana cara mengatasinya.

305

306 17. DETERGEN

17.1. Definisi Deterjen adalah campuran berbagai bahan, yang digunakan untuk membantu pembersihan dan terbuat dari bahan-bahan turunan minyak bumi. Dibanding dengan sabun, deterjen mempunyai keunggulan antara lain mempunyai daya cuci yang lebih baik serta tidak terpengaruh oleh kesadahan air. Detergen merupakan garam Natrium dari asam sulfonat.

307 Rantai hidrokarbon, R, di dalam molekul sabun di atas mungkin adalah rantai hidrokarbon yang lurus atau rantai hidrokarbon yang bercabang.

Molekul detergen berantai bercabang

Gambar 17.1 Molekul Detergen Berantai Lurus dan Bercabang

Detergen sudah sangat akrab di kehidupan kita, terutama bagi ibu rumah tangga. Detergen digunakan untuk mencuci pakaian. Untuk menyempurnakan kegunaannya, biasanya pabrik menambahkan Natrium Perborat, pewangi, pelembut, Naturium Silikat, penstabil, Enzim, dan zat lainnya agar fungsinya semakin beragam. Tapi diantara zat-zat tersebut ada yang tak bisa dihancurkan/dilarutkan oleh mikroorganisme sehingga otomatis menyebabkan pencemaran lingkungan. Apabila air yang mengandungi detergen dibuang ke dalam air, tercemarlah air dan pertumbuhan Alga yang sangat cepat. Hal ini akan menyebabkan kandungan oksigen dalam air berkurangan dan otomatis ikan, tumbuhan laut, dan kehidupan air lainnya mati. Selain itu limbah Detergen juga menyebabkan pencemaran tanah yang menurunkan kualitas kesuburan tanah yang mengakibatkan tanaman serta hidupan tanah termasuk cacing mati. Padahal cacing bisa menguraikan limbah organik, non organik & menyuburkan tanah. Bahan utamanya ialah garam natrium yaitu asam organik yang dinamakan asam sulfonik. Asam sulfonik yang digunakan dalam pembuatan detergen merupakan molekul berantai panjang yang mengandungi 12 hingga 18 atom karbon per molekul. Detergen pertama disintesis pada tahun 1940-an, yaitu garam natrium dari alkyl hydrogen sulfat. Alkohol berantai panjang dibuat dengan cara penghidrogenan lemak dan minyak. Alkohol berantai panjang ini direaksikan dengan asam sulfat menghasilkan alkil hydrogen sulfat yang kemudian dinetralkan dengan basa. Natrium lauril sulfat adalah detergen yang baik. Karena garamnya berasall dari asam kuat, larutannya hampir netral. Garam

308 kalsium dan magnesiumnya tidak mengendap dalam larutannya, sehingga dapat dipakai dengan air lunak atau air sadah. Pada masa kini, detergen yang umum digunakan adalah alkil benzenasulfonat berantai lurus. Pembuatannya melalui tiga tahap. Alkena rantai lurus dengan jumlah karbon 14-14 direaksikan dengan benzena dan katalis Friedel-Craft (AlCl3 atau HF) membentuk alkil benzena. Sulfonasi dan penetralan dengan basa melengkapi proses ini. Rantai alkil sebaiknya tidak bercabang. Alkil benzenasulfonat yang bercabang bersifat tidak dapat didegradasi oleh jasad renik (biodegradable). Detergen ini mengakibatkan masalah polusi berat pada tahun 1950-an, yauti berupa buih pada unit-unit penjernihan serta disungai dan danau-danau. Sejak tahun 1965, digunakan alkil benzenasulfonat yang tidak bercabang. Detergen jenis ini mudah didegradasi secara biologis oleh mikroorganisme dan tidak berakumulasi dilingkungan kita.

R CHCH2R' Friedel-Crafts RCH CHR' +

H2SO4 atau SO3

R CHCH2R' CHCH R' R 2 + - Na OH

- + SO3 Na SO3H

17.2. Sifat fisis dan kimia detergen a. Fisis - Ujung non polar : R - O (hidrofob) - Ujung polar : SO3Na (hidrofil) b. Kimia - Dapat melarutkan lemak - Tak dipengaruhi kesadahan air

17.3. Pembuatan ROH + H2SO4 Æ ROSO3H + H2O

ROSO3H + NaOH Æ ROSO3Na + H2O

309

17.4. Komposisi detergen Pada umumnya, getergen mengandung bahan-bahan berikut ini : 1. Surfaktan Surfaktan (surface active agent) merupakan zat aktif permukaan yang mempunyai ujung berbeda yaitu hidrofil (suka air) dan hidrofob (suka lemak). Bahan aktif ini berfungsi menurunkan tegangan permukaan air sehingga dapat melepaskan kotoran yang menempel pada permukaan bahan. Secara garis besar, terdapat empat kategori surfaktan yaitu: a. Anionik : - Alkyl Benzene Sulfonate (ABS) - Linier Alkyl Benzene Sulfonate (LAS) - Alpha Olein Sulfonate (AOS) b. Kationik : Garam Ammonium c. Non ionik : Nonyl phenol polyethoxyle d. Amphoterik : Acyl Ethylenediamines 2. Builder Builder (pembentuk) berfungsi meningkatkan efisiensi pencuci dari surfaktan dengan cara menon-aktifkan mineral penyebab kesadahan air. a. Fosfat : Sodium Tri Poly Phosphate (STPP) b. Asetat : - Nitril Tri Acetate (NTA) - Ethylene Diamine Tetra Acetate (EDTA) c. Silikat : Zeolit d. Sitrat : Asam Sitrat 3. Filler Filler (pengisi) adalah bahan tambahan deterjen yang tidak mempunyai kemampuan meningkatkan daya cuci, tetapi menambah kuantitas. Contoh Sodium sulfat. 4. Aditif Aditif adalah bahan suplemen / tambahan untuk membuat produk lebih menarik, misalnya pewangi, pelarut, pemutih, pewarna dst, tidak berhubungan langsung dengan daya cuci deterjen. Additives ditambahkan lebih untuk maksud komersialisasi produk. Contoh : Enzim, Boraks, Sodium klorida, Carboxy Methyl Cellulose (CMC).

17.5. Bahan Tambahan dalam Detergen 1. Berbagai jenis bahan kimia boleh ditambahkan kepada detergen tertentu untuk meningkatkan kualitas mencuci dan keberkesanannya. 2. Tabel di bawah ini menunjukkan jenis bahan tambahan detergen serta fungsinya.

310

Tabel 14.15 Jenis bahan tambahan detergen dan fungsinya

Bahan Tambahan Detergen Fungsi Natrium perborat Peluntur Bahan berpendarfluor dan Pakaian lebih berseri pewarna Mencuci kotoran daripada Enzim makanan dan darah Natrium silikat Bahan pengontang detergen Melembutkan air dan Natrium tripolifosfat mengapungkan kotoran Mengurangkan pembentukan buih Penstabil yang berlebihan Pewangi Memberi bau wangi pada pakaian Pelembut Melembutkan pakaian

Kebaikan Detergen Sebagai Pencuci 1. Detergen mencuci dengan lebih baik dalam air liat dibanding dengan sabun. 2. Detergen tidak membentuk kekat apabila dicampurkan dengan air liat yang mengandung ion magnesium atau ion kalsium yang terlarutkan.

Eksperimen: Membandingkan kebaikan mencuci antara detergen dengan sabun

Gambar 17.2 Percobaan perbandingan hasil Larutan sabun dan detergen

1. Masukkan 250 cm3 air suling ke dalam bikar berlabel A, B, C dan D.

311 2. Tambahkan dua spatula magnesium sulfat ke dalam bikar B dan bikar D dan kacau sehingga semua magnesium sulfat larut dan menghasilkan air liat. 3. Tambahkan 5 cm3 larutan sabun ke dalam bikar A dan bikar B dan lima titis larutan detergen ke dalam bikar C dan bikar D. Kacau larutan di dalam semua bikar dengan kuat. 4. Rendamkan empat potongan kecil kain kotor yang berminyak masing-masing ke dalam setiap bikar A, B, C dan D dan cuci kain itu. 5. Bandingkan keberkesanan bahan pencuci di dalam setiap bikar. 6. Catatkan pemerhatian dalam tabel seperti di bawah.

Tabel 14.16 Hasil Pengamatan Percobaan Bikar Keberkesanan Bahan Pencuci A B C D

Pencemaran Alam Sekitar oleh Detergen dan Bahan Tambahan dalam Detergen 1. Detergen yang berantai lurus tidak terbiodegradasikan, iaitu tidak terurai oleh bakteria atau mikroorganisma. 2. Apabila air cucian yang mengandungi detergen dibuang ke dalam talian air atau ke dalam sungai, pencemaran air berlaku dan hidupan akuatik akan mati. 3. Apabila sebatian fosfat yang ditambahkan kepada detergen dibuang ke dalam sungai atau tasik akan berlaku pertumbuhan rumpai air dan alga yang sangat cepat. Hal ini akan menyebabkan kandungan oksigen terlarut di dalam air sangat berkurangan dan hidupan akuatik akan mati.

Kegunaan : Pembersih pakaian adalah salah satu kegunaan dari detergen

Detergen Gambar 17.3

312

LATIHAN SOAL 1. Jelaskan arti dari detergen! 2. Jelaskan perbedaan antara sabun dan detergen! 3. Jelaskan reaksi pembentukan detergen! 4. bahan apa saja yang ditambahkan dalam detergen dan apa fungsinya? 5. Apa dampak dari penggunaan detergen?

313

314 18. CAT

Cat adalah istilah umum yang digunakan untuk keluarga produk yang digunakan untuk melindungi dan memberikan warna pada suatu objek atau permukaan dengan melapisinya dengan lapisan berpigmen. Cat dapat digunakan pada hampir semua jenis objek, antara lain untuk menghasilkan karya seni (oleh pelukis untuk membuat lukisan), salutan industri (industrial coating), bantuan pengemudi (marka jalan), atau pengawet (untuk mencegah korosi atau kerusakan oleh air).

Klasifikasi cat Cat dibedakan menjadi : 1. Water Based Meliputi Cat tembok dan cat air 2. Solvent Based Meliputi Cat mobil, cat besi, dan cat minyak Element penyusun cat Pigment x Berfungsi menyediakan warna x Contoh : Pigment Putih (Titanium Dioxide) dan Pigment Kuning (Zinc Oxide) Pigment extender / filler x Digunakan untuk membantu pigment utama dan meningkatkan daya rekat Contoh : Calcium Carbonat, Kaolin Clay, dan Talc Powder.

315 Liquid x sebagai pembawa elemen-elemen solid dimana dalam cat tembok yang digunakan adalah air. Binder x Digunakan untuk mengikat Pigment, merekatkan Cat Pada Bidang dan membentuk Lapisan Film. x Contoh : Acrylic, Vinyl Acrylic, dan Styrene Acrylic Additive x Digunakan sebagai : x Thickener ; Menghasilkan kekentalan tertentu, Menjaga kestabilan emulsi agar filler dan liquid tidak memisah x antifoam; mencegah timbulnya busa ada saat cat diaduk di pabrik, pada saat cat diaduk dalam kemasannya dan pada saat cat diaplikasikan di permukaan x Biocide ; mencegah timbulnya jamur di dalam kaleng/kemasan dan di permukaan (tembok)

Tahap pembuatan cat x Pembuatan Pigment Pasta x Pencampuran Pigmen Pasta dan Latex x Penambahan Additive x Mesin Produksi x High speed disperser x Homogeniser x Planetary mixer x Three roll mill

Gambar 18.1 High speed disperser

316

Gambar 18.2 Homogeniser

Gambar 18.67 Planetary mixer

Gambar 18.3 Three roll mill

317 Kegunaan cat Cat digunakan mulai dari cat rumah, perabot rumah, dan berbagai per-alatan sampai kepada mobil. Gunanya, selain untuk menambah keindahan barang yang dicat juga untuk melindungi bahan yang dicat dari karat, khususnya logam. Mulai dari pagar besi, tera-lis dan sampai kepada perut kapal laut ataupun tanker.

Pengetahuan : Cat nanoteknologi Untuk mengatasi kelemahan cat yang ada sekarang ini yang ukurannya masih dalam orde mikrometer, nanoteknologi menawar- kan teknologi pembuatan cat dengan meru-bah ukuran partikel cat dalam orde nanometer. Karena ukuran partikelnya kecil sekali maka debu atau kotoran serta molekul pengo-tor lainnya sulit masuk dan hanya bisa me-numpuk di permukaan dicat. Penyebabnya: debu ukuran lebih besar (mikrometer) diban-dingkan dengan partikel cat yang ukurannya (nanometer) 1/1400 kali dari debu. Keunggul-annya, kotoran atau debu yang hanya menum-puk di permukaan cat dapat dibersihkan dengan mudah. Uap air penyebab karat pun akan sulit menembus brikade partikel cat yang ukurannya di bawah 140 nanometer tersebut. Akibatnya cat nanopartikel menjadi lebih unggul dalam hal: mudah dibersihkan, tahan lama dan bahkan warna tetap cemerlang. Untuk memperbaiki ketahanannya terhadap jamur, sinar ultraviolet (UV) dan lain-lain, pada cat nanopartikel ini pun ditambahkan nanopartikel anti jamur atau anti UV lainnya. Nanoteknologi untuk cat nanopartikel ini dihasilkan dengan mendisain molekul-molekul partikel polimer sehingga mampu menghasilkan sifat yang unggul dibanding-kan cat yang ada sekarang ini. Dulux, misal-nya, telah mempatenkan sebuah proses yang menggunakan molekul penstabil (stabilizer) yang dirancang untuk berpartisipasi dalam reaksi kimia yang merangsang pembentukan nanopartikel. Hasilnya, partikel hiper-stabil yang dengan mudah mampu mengakomo-dasi stres yang diberikan oleh pewarna dera-jat tinggi (high level tinter) atau pun shear mekanis. Dengan cara ini cat berupa gloss coating (seperti pada furniture) dapat dibuat yang merupakan hasil disain nanopartikel untuk mendapatkan permukaan yang sangat halus sehingga diharapkan memiliki ketahanan terhadap goresan yang tinggi. Di samping Dulux masih terdapat Cabot dan lain-lain yang akan ikut meramaikan pasar cat nanopartikel berbasis polimer latex emulsi. Saat ini kedua industri ini sudah bergabung dalam ORICA PTY. Ltd dan menjalankan bisnis ini bersama-sama dari negara tetangga kita Australia. Konon ka-barnya, perusahaan ini telah meraup keuntungan penjualan lebih dari 600 juta US $ (sekitar 5,1 triliun rupiah). Lalu, perusahaan ini pun sudah berkonsentrasi pada otomotif dengan mengembangkan staf R&D-nya sebanyak 70 staf teknis dengan dana 8 juta US$ (68 miliar rupiah) per tahun.

318 19. MINYAK BUMI

1. Pendahuluan

Minyak bumi (bahasa Inggris: petroleum, dari bahasa Latin petrus – karang dan oleum – minyak), dijuluki juga sebagai emas hitam, adalah cairan kental, coklat gelap, atau kehijauan yang mudah terbakar, yang berada di lapisan atas dari beberapa area di kerak Bumi. Minyak bumi terdiri dari campuran kompleks dari berbagai hidrokarbon, sebagian besar seri alkana, tetapi bervariasi dalam penampilan, komposisi, dan kemurniannya. Minyak Bumi adalah campuran dari berbagai jenis hidrokarbon.

2. Komposisi minyak bumi Minyak mentah (petroleum) adalah campuran kompleks, terutama terdiri dari hidrokarbon bersama-sama dengan sejumlah kecil komponen yang mengandung sulfur, oksigen dan nitrogen dan sangat sedikit komponen yang mengandung logam. Struktur hidrokarbon yang ditemukan dalam minyak mentah: 1. Alkana. Fraksi ini merupakan yang terbesar di dalam minyak mentah. 2. Siklo alkana (napten) CnH2n Sikloalkana ada yang memiliki cincin 5 (lima) yaitu siklopentana ataupun cincin 6 (enam) yaitu sikloheksana. 3. Aromatik CnH2n -6 Aromatik memiliki cincin 6 (enam). Aromatik hanya terdapat dalam jumlah kecil, tetapi sangat diperlukan dalam bensin karena :

319 - Memiliki harga anti knock yang tinggi - Stabilitas penyimpanan yang baik - Dan kegunaannya yang lain sebagai bahan bakar (fuels) Proporsi dari ketiga tipe hidrokarbon sangat tergantung pada sumber dari minyak bumi. Pada umumnya alkana merupakan hidrokarbon yang terbanyak tetapi kadang kadang (disebut sebagai crude napthenic) mengandung sikloalkana sebagai komponen yang terbesar, sedangkan aromatik selalu merupakan komponen yang paling sedikit. Pengilangan/penyulingan (refining) adalah proses perubahan minyak mentah menjadi produk yang dapat dijual (marketeble product) melalui kombinasi proses fisika dan kimia. Produk yang dihasilkan dari proses pengilangan/penyulingan tersebut antara lain: 1. Light destilates adalah komponen dengan berat molekul terkecil. Ini ada beberapa buah : a. Bensin

Gambar 19.1 Bensin (gasoline)

Gasoline (Amerika Serikat) atau motor spirit (Inggris) atau bensin (Indonesia) memiliki titik didih terendah dan merupakan produk kunci dalam penyulingan yang digunakan sebagai bahan pembakar motor (45% dari minyak mentah diproses untuk menghasilkan gasolin).

b. Naphta

Gambar 19.2 Cairan naphta

Naphta adalah material yang memiliki titik didih antara gasolin dan kerosin. Beberapa naphta digunakan sebagai : - Pelarut karet - Bahan awal etilen - Dalam kemiliteran digunakan sebagai bahan bakar jet dan dikenal sebagai jP-4.

320

- Pelarut dry cleaning (pencuci)

Gambar 19.3 Alat pencuci (dry cleaning)

c. Kerosin

Gambar 19.4 Kerosin

Kerosin memiliki titik didih tertinggi dan biasanya digunakan sebagai : - Minyak tanah - Bahan bakar jet untuk air plane 2. Intermediate destilates merupakan minyak gas atau bahan bakar diesel yang penggunaannya sebagai bahan bakar transportasi truk-truk berat, kereta api, kapal kecil komersial, peralatan pertanian dan lain-lain. 3. Heavy destilates merupakan komponen dengan berat molekul tinggi. Fraksi ini biasanya dirubah menjadi minyak pelumas (lubricant oils), minyak dengan berat jenis tinggi dari bahan bakar, lilin dan stock cracking. 4. Residu termasuk aspal, residu bahan bakar minyak dan petrolatum. Residu memiliki prosentasi yang tidak besar.

321

3. Fraksi minyak bumi Minyak mentah (crude oil) sebagian besar tersusun dari senyawa-senyawa hidrokarbon jenuh (alkana). Adapun hidrokarbon tak jenuh (alkena, alkuna dan alkadiena) sangat sedikit dkandung oleh minyak bumi, sebab mudah mengalami adisi menjadi alkana. Oleh karena minyak bumi berasl dari fosil organisme, mak minyak bumi mengandung senyawa-senyawa belerang (0,1 samapai 7%), nitrogen (0,01 sampai 0,9%), oksigen (0,6-0,4%) dan senyawa logam dalam jumlah yang sanagt kecil. Minyak mentah dipisahkan menjadi sejumlah fraksi-fraksi melalui proses destilasi (pemyulingan).

Gambar 19.5 Skema hasil penyulingan minyak bumi

322

Pemisahan minyak mentah ke dalam komponen-komponen murni (senyawa tunggal) tidak mungkin dilakukan dan juga tidak prakstis sebab terlalu banyak senyawa yang ada dalam minyak tersebut dan senyawa hidrokarbon memiliki isomer-isomer dengan titik didih yang berdekatan. Fraksi-fraksi yang diperoleh dari destilasi minyak bumi adalah campuran hidrokarbon yang mendidih pada trayek suhu tertentu. Misalnya fraksi minyak tanah (kerosin) tersusun dari campuran senyawa-senyawa yang mendidih antar 1800C- 2500C.Proses destilasi dikerjakan dengan menggunakan kolom atau menara destilasi (Gambar 19.5).

Tabel 19.` Hasil destilasi bertingkat minyak bumi Banyaknya Range Titik atom Nama Penggunaan Didih (0C) karbon Dibawah 30 1-4 Fraksi gas Bahan bakar pemanas 30-180 5-10 Bensin Bahan bakar mobil Minyak 180-230 11-12 Bahan bakar jet tanah Bahan bakar diesel, 230-305 13-17 Minyak gas pemanas Minyak gas 305-405 18-25 Bahan bakar pemanas berat

Proses pertama dalam pemrosesan minyak bumi adalah fraksionasi dari minyak mentah dengan menggunakan proses destilasi bertingkat, adapun hasil yang diperoleh adalah sebagai berikut:

Sisa : 1 Minyak bisa menguap : minyak-minyak pelumas, lilin, parafin, dan vaselin. 2 Bahan yang tidak bisa menguap : aspal dan arang minyak bumi

a. Fraksi gas Gas alam dapat diperoleh secara terpisah maupun bersama- sama dengan minyak bumi. Gas alam sebagian besar terdiri dari alkana berantai karbon rendah yaitu antara lain metana, etana, propana, butana dan iso-butana. Gas alam dapat dipergunakan sebagai:

1. Bahan bakar rumah tangga atau pabrik Gas alam merupakan bahan bakar yang paling bersih dan praktis, tetapi gas alam mempunyai keburukan yaitu sifatnya yang tidak berbaun (bila dibandingkan dengan gas dari batubara) sehingga

323 sering terjadi kecelakaan karena bocor. Oleh karena itu kadang- kadang gas ini diberi "bau" yaitu sedikit zat yang berbau sekali. Propana yang merupakan salah satu fraksi gas pada perusahaan biasanya digunakan sebagai : - Mengelas paduan-paduan tembaga, alumunium dan magnesium. - Mengelas besi tuang. - Menyolder dan mengelas solder. - Menyemprot Jogam. - Memotong besi dengan gas karbit. - Penerangan pantai. Butana mempunyai batas meledak yang lebih kecil bila dibandingkan dengan propana.

2. Karbon hitam (Carbon Black)

Gambar 19.6 Carbon black (karbon hitam)

Karbon hitam (Carbon black) adalah arang harus yang dibuat oleh pembakaran yang tidak sempurna. Penggunaannya antara lain sebagai : - Bahan dalam pembuatan cat, tinta cetak dan tinta Gina. - Zat pengisi pada karet terutama dalam pembuatan ban-ban mobil dan sepeda. Karbon hitam dibuat dengan membawa nyala gas bumi ke sebuah bidang datar yang didinginkan, arang yang terbentuk kemudian dipisahkan dari bidang ini dan dibagi berdasarkan kehalusannya. Metana yang mengandung 75% karbon akan menghasilkan 4 atau 4,5% zat penghitam dan sisanya hilang sebagai asap, zat asam arang dan sebagainya.

3. Tujuan-tujuan Sintesis Hasil sintesis dibuat dengan oksidasi zat-zat hidrokarbon dari gas alami. Proses pembuatan lainnya, yaitu : - Pembuatan zat cair dari metana. - Pembuatan bensin-bensin untuk kapal terbang yang bernilai tinggi dengan cara menggandeng (alkylering) iso-butana dengan butena-butena.

324 b. Bensin Bensin dapat dibuat dengan beberapa cara, antara lain yaitu ; 1. Penyulingan langsung dari minyak bumi (bensin straight run), dimana kualitasnya tergantung pada susunan kimia dari bahan-bahan dasar. Bila mengandung banyak aromatik-aromatik dan napthen-naphten akan menghasilkan bensin yang tidak mengetok (anti knocking). 2. Merengkah (cracking) dari hasil-hasil minyak bumi berat, misalnya dari minyak gas dan residu. 3. Merengkah (retor ming) bensin berat dari kualitas yang kurang baik. 4. Sintesis dari zat-zat berkarbon rendah.

Bensin biasanya digunakan sebagai : 1. Bahan bakar motor Sebagai bahan bakar motor ada beberapa sifat yang diperhatikan untuk menentukan baik atau tidaknya bensin tersebut. * Keadaan terbang (titik embun) Gangguan yang disebabkan oleh adanya gelembung- gelembung gas didalam karburator dari sebuah motor yang disebabkan oleh adanya kadar yang terlalu tinggi dari fraksi- fraksi yang sangat ringan dalam bensin. Hal ini terutama disebabkan oleh terlalu banyaknya propana dan butana yang berasal dari bensin. Gelembung gelembung gas yang terdapat dalam keadaan tertentu dapat menutup lubang-lubang perecik yang sempit dan pengisian bensin akan terhenti.

Gambar 19.7 Bahan bakar motor

* Kecenderungan mengetok (knocking) Ketika rasio tekanan dari motor relatif tinggi, pembakaran bisa menyebabkan peletusan (peledakan) didalam sijinder, sehingga : - Timbulnya kebisingan knock - Kekuatan berkurang - Menyebabkan kerusakan mesin

325 Hidrokarbon rantai bercabang dan aromatik sangat mengurangi kecendrungan dari bahan bakar yang menyebabkan knocking, misalnya 2,2,4 -trimetil pentana (iso-oktan) adalah anti knock fuels. Harga yang tinggi dari bilangan oktan mengakibatkan makin baik melawan knocking. Mesin automibil modern memerlukan bahan bakar dengan bilangan oktan antara 90 dan 140, semakin tinggi rasio penekanan (compression) maka diperlukan bilangan oktan yang tinggi pula. Bilangan oktan dapat dinaikkan dengan menambahkan beberapa substansi, antara lain fefraefyl lead (TEL) dan feframefyl lead (l-MI) yang ditambahkan dalam bensin dengan kuantitas yang kecil karena dikuatirkan apabila ditambahkan terlalu banyak efek timah bagi lingkungan. TEL (Pb(C2Hs)4) dibuat dari campuran timah hitam dengan natrium dan eti!klorida,reaksinya :

Pb 4Na 4C2 H5CI o Pb(C2 H5 )4 4 NaCI

* Keadaan "damar" dan stabilitas penyimpanan Damar dapat terbentuk karena adanya alkena-alkena yang mempunyai satu ikatan ganda sehingga berpotensi untuk berpolirherisasi membentuk molekulmolekul yang lebih besar. Pembentukan damar ini dipercepat oleh adanya zat asam di udara, seperti peroksiden. Kerugian yang disebabkan oleh pembentukan damar ini antara lain; - Bahan ini dapat menempel pada beberapa tempat dalam motor, antara lain saluran- saluran gas dan pada kutub yang dapat mengakibatkan kerusakan pada motor. - Menurunkan bilangan oktan karena hilangnya alkena-alkena dari bensin. Pembentukan damar dapat dicegah dengan penambahan senyawa-senyawa dari tipe poliphenol dan aminophenol, seperti hidroquinon dan p-aminophen.

* Titik beku Jika dalam bensin terdapat prosentasi yang tinggi dari aromatik-aromatik tertentu maka pada waktu pendinginan, aromatik itu akan mengkristal dari mengakibatkan tertutupnya lubang-lubang alai penyemprotan dalam karburator. Titik beku ini terutama dipengaruhi oleh benzen (titik beku benzen murni ± 5ºC).

* Kadar belerang Kerugianyang disebabkan bila kadar belerang terlalu tinggi, adalah : - Memberikan bau yang tidak enak dari gas-gas yang dihasilkan. - Mengakibatkan korosi dari bagian-bagian logam, seperti rusaknya silinder-silinder yang disebabkan oleh asam yang mengembun pada didnding silinder. - Mempunyai pengaruh yang tidak baik terhadap bilangan oktan.

326 2. Bahan Ekstraksi, Pelarut dan Pembersih Sebelum digunakan sebaagi pengekstraksi bensin di fraksinasi dengan destilasi bertingkat menjadi fraksi yang lebih kecil. Bensin biasanya digunakan untuk mengekstraksi berbagai bahan, seperti minyak kedelai, minyak kacang tanah, minyak kelapa dan bahan- bahan alam lain. Sebagai bahan pelarut bagi karet digunakan fraksi dengan titik didih antara 80 -130°C dan 140 -130°C. Larutan karet ini biasanya digunakan untuk : - Mencelupkan kanvas pada pembuatan ban. - Melekatkan karet. - Perekat-perekat untuk industri sepatu. - Larutan untuk pasta-pasta karet untuk memadatkan dan melaburkan tenunan.

Bensin juga dapat digunakan sebagai bahan pembersih yaitu membersihkan secara kimia dengan cara diuapkan. Keuntungan menggunakan bensin sebagai bahan pembersih adalah: - Bensin memiliki titik didih rendah sehingga barang-barang yang dicuci lekas menjadi kering dan baunya cepat hilang. - Tidak mudah terbakar di ruang terbuka. - Kualitas dari bahan wol tahan terhadap ini.

3. Bahan bakar penerangan dan pemanasan Bensin digunakan pada lampu-lampu tambang dimana tidak terdapat tenaga listrik. Dan sebagai pemanas digunakan pada: - Lampu soldir dan lampu pembakar cat. - Penghangus yang dapat menghilangkan serat-serat yang menonjol dari tenunan dan rambut kulit.

C. Kerosin Pemakaian kerosin sebagai penerangan di negara-negara maju semakin berkurang, sekarang kerosin digunakan untuk pemanasan. Pemakaian terpenting dari kerosin antara lain:

1. Minyak Lampu Kerosin sebagai minyak lampu dihasilkan dengan jalan penyulingan langsung, sifat-sifat yang harus diperhatikan bila kerosin digunakan sebagai minyak lampu adalah : * Warna Kerosin dibagai dalam berbagai kelas warna: - Water spirit (tidak berwarna) - Prime spirit - Standar spirit Di India, pemakai di pedalaman tidak mau membeli kerosin putih karena mengira ini adalah air dan mengira hanya yang berwarna kuning atau sawo matang saja yang dapat membakar dengan baik. * Sifat bakar Nyala kerosin tergantung pada susunan kimia dari minyak tanah : - Jika mengandung banyak aromatik maka apinya tidak dapat dibesarkan karena apinya mulai berarang.

327 - Alkana-alkana memiliki nyala api yang paling baik. - Sifat bakar napthen terletak antara aromatik dan alkana.

* Viskositas Minyak dalam lampu kerosin mengalir ke sumbu karena adanya gaya kapiler dalam saluran-saluran sempit antara serat-serat sumbu. Aliran kerosin tergantung pada viskositas yaitu jika minyak cair kental dan lampu mempunyai tinggi-naik yang besar maka api akan tetap rendah dan sumbu menjadi arang (hangus) karena kekurangan minyak.

* Kadar belerang Sama seperti kadar belerang pada bensin.

2. Bahan bakar untuk pemanasan dan memasak Macam-macam alat pembakar kerosin: - Alat pembakar dengan sumbu gepeng: baunya tidak enak. - Alat pembakar dengan sumbu bulat: mempunyai pengisian hawa yang dipusatkan. - Alat pembakar dengan pengabutan tekan: merek dagang primus

3. Bahan bakar motor Motor-motor yang menggunakan kerosin sebagai bahan bakar adalah : - Alat-alat pertanian (traktor). - Kapal perikanan. - Pesawat penerangan listrik kecil. Motor ini selain memiliki sebuah karburator juga mempunyai alat penguap untuk kerosin. Motor ini jalannya dimulai dengan bensin dan dilanjutkan dengan kerosin kalau alat penguap sudah cukup panas. Motor ini akan berjalan dengan baik bila kadar aromatik didalam bensin tinggi.

4. Bahan pelarut untuk bitumen Kerosin jenis white spirit sering digunakan sebagai pelarut untuk bitumen aspal.

5. Bahan pelarut untuk insektisida Bubuk serangga dibuat dari bunga Chrysant (Pyerlhrum cinerarieotollum) yang telah dikeringkan dan dihaluskan, sebagai bahan pelarut digunakan kerosin. Untuk keperluan ini kerosin harus mempunyai bau yang enak atau biasanya obat semprot itu mengandung bahan pengharum.

d. Minyak gas Minyak gas pada awalnya banyak digunakan sebagai penerangan dalam gerbong kereta api, tetapi sekarang sebagian telah diganti oleh listrik karena lebih mudah dipakai dan sedikit bahaya kebakaran jika ada kecelakaan kereta api.

328 Minyak gas juga digunakan sebagai : - Bahan bakar untuk motor diesel. - Pesawat-pesawat pemanasan pusat otomatis dengan nama minyak bakar untuk keperluan rumah tangga, biasanya adalah minyak gas tanpa bagian-bagian residual. Seperti pada bensin untuk menaikkan bilangan oktan pada minyak gas maka perlu ditambahkan : - Persenyawaan yang mengandung banyak sekali zat asam, misalnya amilnitrit dan etilnitrit. Untuk memperoleh hasil yang nyata maka persentasenya harus besar yaitu kira-kira 5% sehingga pemakaian senyawa ini menjadi mahal. - Persenyawaan yang penggunaannya lebih sedikit peroksida (peroxyden) dan berbagai persenyawaan organik, dipakai 0,5% untuk menaikkan 14 atau 15 titik bilangan oktan.

e. Minyak bakar Walaupun setiap minyak yang dibakar dapat dinamakan minyak bakar tetapi nama ini biasanya hanya digunakan untuk bahan bakar residual dan untuk bahan bakar sulingan. Bahan bakar residua! biasanya diperoleh dengan cara mengentalkan minyak bumi atau merengkah minyak gas dan residu minyak tanah. Bahan bakar digunakan sebagai : - Motor diesel tipe besar. - Minyak yang dinyalakan dengan pembakar dalam tungku masak yang digunakan untuk : - Memproduksi uap - Pengerjaan panas dari logam - Mencairkan hasil perindustrian - Membakar batu, emaile, dan sebagainya.

Sifat-sifat yang harus ada pada minyak bakar adalah : * Memiliki batas viskositas tertentu. Viskositas minyak bakar terletak antara viskositas minyak gas yaitu kira-kira 4 cs = 1,30E pada 50°C dan kira-kira 550/650 cs = 75/850E pada 50°C. Minyak bakar yang lebih encer diperlukan untuk pesawat bakar yang lebih kecil, misalnya untuk alat pemanasan sentral otomatis dalam rumah.

* Banyaknya panas yang diberikan. Kalor pembakaran minyak bakar batasnya kira-kira 14.000 dan 14.550 cal/g.

* Kadar belerang Lebih penting pada minyak diesel daripada minyak bakar karena pada minyak disesi belerang dapat menyebabkan kerusakan silinder dan kerosi dari sistem buang.

* Titik beku - Mempunyai titik beku maksimal tertentu. - Biasanya titik beku tergantung pada perlakuan terlebih dahulu yang dikerjakan terhadap bahan. Misalnya minyak bakar sebagian terdiri dari residu cracking yang sesudah dipanaskan hingga 1400C

329 memiliki titik didih –214C, tetapi sesudah dibiarkan untuk waktu yang lama titik beku menjadi 1500C.

3. Proses pembentukan minyak bumi Membahas identifikasi minyak bumi tidak dapat lepas dari bahasan teori pembentukan minyak bumi dan kondisi pembentukannya yang membuat suatu minyak bumi menjadi spesifik dan tidak sama antara suatu minyak bumi dengan minyak bumi lainnya. Karena saya adalah seorang chemist, maka pendekatan yang saya lakukan lebih banyak kepada aspek kimianya daripada dari aspek geologi. Pemahaman tentang proses pembentukan minyak bumi akan diperlukan sebagai bahan pertimbangan untuk menginterpretasikan hasil identifikasi. Ada banyak hipotesa tentang terbentuknya minyak bumi yang dikemukakan oleh para ahli, beberapa diantaranya adalah :

a. Teori Biogenesis (Organik) Macqiur (Perancis, 1758) merupakan orang yang pertama kali mengemukakan pendapat bahwa minyak bumi berasal dari tumbuh- tumbuhan. Kemudian M.W. Lamanosow (Rusia, 1763) juga mengemukakan hal yang sama. Pendapat di atas juga didukung oleh sarjana lainnya seperti, New Beery (1859), Engler (1909), Bruk (1936), Bearl (1938) dan Hofer. Mereka menyatakan bahwa: “minyak dan gas bumi berasal dari organisme laut yang telah mati berjuta-juta tahun yang lalu dan membentuk sebuah lapisan dalam perut bumi.”

b. Teori Abiogenesis (Anorganik) Barthelot (1866) mengemukakan bahwa di dalam minyak bumi terdapat logam alkali, yang dalam keadaan bebas dengan temperatur tinggi akan bersentuhan dengan CO2 membentuk asitilena. Kemudian Mandeleyev (1877) mengemukakan bahwa minyak bumi terbentuk akibat adanya pengaruh kerja uap pada karbida-karbida logam dalam bumi. Yang lebih ekstrim lagi adalah pernyataan beberapa ahli yang mengemukakan bahwa minyak bumi mulai terbentuk sejak zaman prasejarah, jauh sebelum bumi terbentuk dan bersamaan dengan proses terbentuknya bumi. Pernyataan tersebut berdasarkan fakta ditemukannya material hidrokarbon dalam beberapa batuan meteor dan di atmosfir beberapa planet lain. Dari sekian banyak hipotesa tersebut yang sering dikemukakan adalah Teori Biogenesis, karena lebih bisa. Teori pembentukan minyak bumi terus berkembang seiring dengan berkembangnya teknologi dan teknik analisis minyak bumi, sampai kemudian pada tahun 1984 G. D. Hobson dalam tulisannya yang berjudul “The Occurrence and Origin of Oil and Gas”. Berdasarkan teori Biogenesis, minyak bumi terbentuk karena adanya kebocoran kecil yang permanen dalam siklus karbon. Siklus karbon ini terjadi antara atmosfir dengan permukaan bumi, yang digambarkan dengan dua panah dengan arah yang berlawanan, dimana karbon diangkut dalam bentuk karbon dioksida (CO2). Pada arah pertama, karbon dioksida di atmosfir berasimilasi, artinya CO2 diekstrak dari atmosfir oleh organisme fotosintetik darat dan laut.

330 Pada arah yang kedua CO2 dibebaskan kembali ke atmosfir melalui respirasi makhluk hidup (tumbuhan, hewan dan mikroorganisme). Dalam proses ini, terjadi kebocoran kecil yang memungkinkan satu bagian kecil karbon yang tidak dibebaskan kembali ke atmosfir dalam bentuk CO2, tetapi mengalami transformasi yang akhir-nya menjadi fosil yang dapat terbakar. Bahan bakar fosil ini jumlahnya hanya kecil sekali. Bahan organik yang mengalami oksidasi selama pemendaman. Akibatnya, bagian utama dari karbon organik dalam bentuk karbonat menjadi sangat kecil jumlahnya dalam batuan sedimen. Pada mulanya senyawa tersebut (seperti karbohidrat, protein dan lemak) diproduksi oleh makhluk hidup sesuai dengan kebutuhannya, seperti untuk mempertahankan diri, untuk berkembang biak atau sebagai komponen fisik dan makhluk hidup itu. Komponen yang dimaksud dapat berupa konstituen sel, membran, pigmen, lemak, gula atau protein dari tumbuh-tumbuhan, cendawan, jamur, protozoa, bakteri, invertebrata ataupun binatang berdarah dingin dan panas, sehingga dapat ditemukan di udara, pada permukaan, dalam air atau dalam tanah.

Gambar 19.8 Teori Abiogenesis

331

Apabila makhluk hidup tersebut mati, maka 99,9 % senyawa karbon dan makhluk hidup akan kembali mengalami siklus sebagal rantai makanan, sedangkan sisanya 0,1 % senyawa karbon terjebak dalam tanah dan dalam sedimen. Inilah yang merupakan cikal bakal senyawa-senyawa fosil atau dikenal juga sebagai embrio minyak bumi. Embrio ini mengalami perpindahan dan akan menumpuk di salah satu tempat yang kemungkinan menjadi reservoar dan ada yang hanyut bersama aliran air sehingga menumpuk di bawah dasar laut, dan ada juga karena perbedaan tekanan di bawah laut muncul ke permukaan lalu menumpuk di permukaan dan ada pula yang terendapkan di permukaan laut dalam yang arusnya kecil. Embrio kecil ini menumpuk dalam kondisi lingkungan lembab, gelap dan berbau tidak sedap di antara mineral-mineral dan sedimen, lalu membentuk molekul besar yang dikenal dengan geopolimer. Senyawa-senyawa organik yang terpendam ini akan tetap dengan karakter masing-masing yang spesifik sesuai dengan bahan dan lingkungan pembentukannya. Selanjutnya senyawa organik ini akan mengalami proses geologi dalam perut bumi. Pertama akan mengalami proses diagenesis, dimana senyawa organik dan makhluk hidup sudah merupakan senyawa mati dan terkubur sampai 600 meter saja di bawah permukaan dan lingkungan bersuhu di bawah 50°C.

Tabel 19.2 Fosil molekul dan prekursornya

Pada kondisi ini senyawa-senyawa organik yang berasal dan makhluk hidup mulai kehilangan gugus beroksigen akibat reaksi

332 dekarboksilasi dan dehidratasi. Semakin dalam pemendaman terjadi, semakin panas lingkungannya, penam-bahan kedalaman 30 - 40 m akan menaik-kan temperatur 1°C. Di kedalaman lebih dan 600 m sampai 3000 m, suhu pemendaman akan berkisar antara 50 - 150 °C, proses geologi kedua yang disebut katagenesis akan berlangsung, maka geopolimer yang terpendam mulal terurai akibat panas bumi.

Gambar 19.9 Komponen-komponen Minyak Bumi

Komponen-komponen minyak bumi pada proses ini mulai terbentuk dan senyawa–senyawa karakteristik yang berasal dan makhluk hidup tertentu kembali dibebaskan dari molekul. Bila kedalaman terus berlanjut ke arah pusat bumi, temperatur semakin naik, dan jika kedalaman melebihi 3000 m dan suhu di atas 150°C, maka bahan-bahan organik dapat terurai menjadi gas bermolekul kecil, dan proses ini disebut metagenesis. Setelah proses geologi ini dilewati, minyak bumi sudah terbentuk bersama-sama dengan bio-marka. Fosil molekul yang sudah terbentuk ini akan mengalami perpindahan (migrasi) karena kondisi lingkungan atau kerak bumi yang selalu bergerak rata-rata se-jauh 5 cm per tahun, sehingga akan ter-perangkap pada suatu batuan berpori, atau selanjutnya akan bermigrasi membentuk suatu sumur

333 minyak. Apabila dicuplik batuan yang memenjara minyak ini (batuan induk) atau minyak yang terperangkap dalam rongga bu-mi, akan ditemukan fosil senyawa-senyawa organik. Fosil-fosil senyawa inilah yang diten-tukan strukturnya menggunaan be-berapa metoda analisis, sehingga dapat menerangkan asal-usul fosil, bahan pembentuk, migrasi minyak bumi serta hubungan antara suatu minyak bumi dengan minyak bumi lain dan hubungan minyak bumi dengan batuan induk.

4. Kegunaan Minyak Bumi Sandang Dari bahan hidrokarbon yang bisa dimanfaatkan untuk sandang adalah PTA (purified terephthalic acid) yang dibuat dari para-xylene dimana bahan dasarnya adalah kerosin (minyak tanah). Dari Kerosin ini semua bahannya dibentuk menjadi senyawa aromat, yaitu para- xylene. Rumus kimianya tau kan ? Bentuknya senyawa benzen (C6H6), tetapi ada dua gugus metil pada atom C1 dan C3 dari molekul benzen tersebut.

Gambar 19.10 Peta proses petrokimia

Para-xylene ini kemudian dioksidasi menggunakan udara menjadi PTA (lihat peta proses petrokimia diatas). PTA yang berbentuk seperti tepung detergen ini kemudian direaksikan dengan metanol menjadi serat poliester. Serat poli ester inilah yang menjadi benang sintetis yang bentuknya seperti benang. Hampir semua pakaian seragam yang adik-adik pakai mungkin terbuat dari poliester. Untuk memudahkan pengenalannya bisa dilihat dari harganya. Harga

334 pakaian yang terbuat dari benang sintetis poliester biasanya relatif lebih murah dibandingkan pakaian yang terbuat dari bahan dasar katun, sutra atau serat alam lainnya.

Kehalusan bahan yang terbuat dari serat poliester dipengaruhi oleh zat penambah (aditif) dalam proses pembuatan benang (saat mereaksikan PTA dengan metanol). Salah satu produsen PTA di Indonesia adalah di Pertamina Unit Pengolahan III dengan jenis produk dan peruntukannya disini.

Gambar 19.11 Genteng

Papan Bahan bangunan yang berasal dari hidrokarbon pada umumnya berupa plastik. Bahan dasar plastik hampir sama dengan LPG, yaitu polimer dari propilena, yaitu senyawa olefin / alkena dari rantai karbon C3. Dari bahan plastik inilah kemudian jadi bermacam-macam produk mulai dari atap rumah (genteng plastik), furniture, peralatan interior rumah, bemper mobil, meja, kursi, piring, dll.

Seni Untuk urusan seni, terutama seni lukis, peranan utama hidrokarbon ada pada tinta /cat minyak dan pelarutnya. Mungkin adik-adik mengenal thinner yang biasa digunakan untuk

335 mengencerkan cat. Sementar untuk urusan seni patung banyak patung yang berbahan dasar dari plastik atau piala, dll.

Gambar 19.12 Cat

Hidrokarbon yang digunakan untuk pelarut cat terbuat dari Low Aromatic White Spirit atau LAWS mmerupakan pelarut yang dihasilkan dari Kilang PERTAMINA di Plaju dengan rentang titik didih antara 145o C — 195o C. Senyawa hidrokarbonyang membentuk pelarut LAWS merupakan campuran dari parafin, sikloparafin, dan hidrokarbon aromatik.

Estetika

Gambar 19.13 Lipstik (Alat kosmetik)

Sebetulnya seni juga sudah mencakup estetika. Tapi mungkin lebih luas lagi dengan penambahan kosmetika. Jadi bahan hidrokarbon yang juga digunakan untuk estetika kosmetik adalah lilin. Misal lipstik, waxing (pencabutan bulu kaki menggunakan lilin) atau bahan pencampur kosmetik lainnya, farmasi atau semir sepatu. Tentunya lilin untuk keperluan kosmetik spesifikasinya ketat sekali. Lilin parafin di Indonesia diproduksi oleh Kilang PERTAMINA UP- V Balikpapan melalui proses filtering press. Kualifikasi mutu lilin PERTAMINA berdasarkan kualitas yang berhubungan dengan titik leleh, warna dan kandungan minyaknya.

Pangan Karbohidrat atau sakarida adalah segolongan besar senyawa organik yang tersusun dari atom karbon, hidrogen, dan oksigen.

336

Gambar 19.14 Struktur molekul glukosa

Bentuk molekul karbohidrat paling sederhana terdiri dari satu molekul gula sederhana. Kalau atom karbon dinotasikan sebagai bola berwarna hitam, okeigen berwarna merah dan hidrogen berwarna putih maka bentuk molekul tiga dimensi dari glukosa akan seperti gambar disamping ini. Banyak karbohidrat yang merupakan polimer yang tersusun dari molekul gula yang terangkai menjadi rantai yang panjang serta bercabang-cabang. Karbohidrat merupakan bahan makanan penting dan sumber tenaga yang terdapat dalam tumbuhan dan daging hewan. Selain itu, karbohidrat juga menjadi komponen struktur penting pada makhluk hidup dalam bentuk serat (fiber), seperti selulosa, pektin, serta lignin. Karbohidrat menyediakan kebutuhan dasar yang diperlukan tubuh. Tubuh menggunakan karbohidrat seperti layaknya mesin mobil menggunakan bensin. Glukosa, karbohidrat yang paling sederhana mengalir dalam aliran darah sehingga tersedia bagi seluruh sel tubuh. Sel-sel tubuh tersebut menyerap glukosa. Gula ini kemudian oleh sel dioksidasi (dibakar) dengan bantuan oksigen yang kita hirup menjadi energi dan gas CO2 dalam bentuk respirasi / pernafasan. Energi yang dihasilkan dan tidak digunakan akan disimpan dibawah jaringan kulit dalam bentuk lemak. Reaksi pembakaran gula dalam tubuh :

C6H12O6 (gula) 6O2 o Energi 6CO2 (udara yangdikeluarkan) 6H2 O

337

Latihan Soal 1. Mengapa senyawa organik sering disebut sebagai senyawa karbon? 2. Apakah perbedaan yang palimg mendasar antara senyawa organik dengan senyawa anorganik? 3. Bagaimana cara Bagaimana cara pemurnian minyak bumi ? 4. Apa yang dimaksud dengan ketukan? Dan bagaimana hubungan antara mutu bahan bakar bensindengan jumlah ketukan dan nilai oktana? 5. Mengapa penggunaan zat aditif TEL dalam kendaraan bermotor akan segera ditinggalkan? 6. Bagaimana cara mendapatkan bensin dalam minyak bumi? 7. Fraksi hidrokarbon apakah yang bisa dimanfaatkan sebagai bahan bakar LPG dan bagaimana cara memperolehnya? 8. Sebtkan kegunaan minyak bumi dalam kehiduoan sehari-hari? 9. Bagaimana cara menghemat minyak bumi? 10. Apakah ada alternatif sebagai pengganti minyak bumi?Sebutkan dan Jelaskan!

338 20 BATU KAPUR, SEMEN DAN KERAMIK

Kompetensi yang diharapkan: mengetahui definisi, sifat, macam, kandungan dan kegunaan batu kapur, semen dan keramik, serta proses pembuatannya

20.1 Batu kapur

Pernahkah Anda menemui batuan berwarna putih seperti pada Gambar 20.1 di bawah ini ? Atau ketika berjalan-jalan di pantai, Anda menemukan pegunungan yang berwarna putih kecoklatan seperti terlihat pada Gambar 20.2 ? Batuan seperti inilah yang disebut dengan batu kapur.

Gambar 20.1 Batu kapur Gambar 20.2 Batuan kapur yang terdapat di pantai São Pedro de Moel , Marinha Grande, Portugal

20.1.1 Pengertian batu kapur

Batu kapur, atau yang disebut juga limestone, merupakan batuan sedimen. Kandungan terbesarnya adalah mineral calcite (calcium carbonate : CaCO3). Selain itu juga sering terkandung

339 senyawa silica, clay (tanah liat / lempung), silt, dan pasir dalam jumlah yang beragam. Gambar 20.3 sampai 20.8 di bawah ini memperlihatkan mineral calcite dan batuan penyusun batu kapur. Batu kapur menyusun sekitar 10% dari volume total batuan sedimen.

Gambar 20.3 CaCO3

Gambar 20.4 Silika

Gambar 20.5 Pasir Gambar 20.6 Tanah liat (clay)

340

Gambar 20.7 Silt Gambar 20.8 Permukaan Silt

20.1.2 Calcite (CaCO3)

Gambar 20.9 Mineral calcite

Mineral calcite murni (Gambar 20.9) terlihat berwarna abu-abu, kuning muda sampai coklat tua, atau putih sampai tak berwarna. Sumber utama calcite dalam batu kapur adalah organisme laut yang menghasilkan zat kapur (lime) atau cangkang, seperti plankton, alga, sponge, brachiopoda, echinoderma, bryozoa, dan sebagainya. Setelah mati, cangkang atau zat kapur dari organisme tersebut diendapkan sebagai pelagic ooze (lumpur di dasar laut) atau terkumpul dalam batu karang, kemudian tertimbun oleh sedimen-sedimen lain di bawah tekanan yang sangat besar. Terbentuklah batuan padat, yang disebut batu kapur. Proses inilah yang menyebabkan kita sering melihat terdapat banyak fosil dalam batu kapur (Gambar 20.10 sampai 20.12).

341

Gambar 20.10 Batu kapur dengan fosil terkandung di dalamnya dalam jumlah besar

Gambar 20.11 Fosil kerang terlihat jelas dalam batu kapur

Gambar 20.12 Fosil bintang laut yang terdapat pada batu kapur

342 Sedangkan calcite sekunder dihasilkan dari deposit air meteoric superjenuh (air tanah yang mengendapkan material dalam gua), sehingga terbentuk stalagmite dan stalagtite. Calcite dapat terlarut atau terendapkan oleh air tanah, tergantung pada temperatur, pH, dan konsentrasi ion terlarut dalam air. Sifat khas dari calcite adalah kelarutan retrograde (terbalik), yaitu kelarutannya dalam air berkurang jika temperatur meningkat.

20.1.3 Proses pembentukan batu kapur

Pada daerah tropis biasanya terjadi bio-erosi (erosi oleh makhluk hidup), dan peristiwa ini juga terjadi pada batu kapur. Organisme masuk ke dalam batuan batu kapur (dengan cara mengebor), sehingga mengerosi batuan tersebut. Hasilnya adalah batu kapur yang sering kita lihat di pesisir pantai (Gambar 20.13).

Gambar 20.13 Gua batu kapur

Sekarang coba lihat Gambar 20.14 di bawah ini ! Batu kapur terbentuk dalam lapisan-lapisan, yang disebut bedding planes (E). Pada bedding planes ini terjadi retakan-retakan vertikal, disebut joints (F). Adanya joints pada bedding planes menyebabkan batuan ini bersifat permeabel. Biasanya batu kapur terlarut oleh asam yang terkandung dalam air hujan yang melewatinya, sehingga mengerosi joints dan bedding planes dan membentuk tanah erosi yang disebut karst.

343

Gambar 20.14 Gambaran Karst : A. Lubang swallow, B. Stalactite, C. Stalagmite, D. Resurgen, E. Bedding plane, F. Joint, G. Permukaan batu kapur, H. Batuan impermeabel

Karst ini selanjtnya akan berkembang menjadi gua batu kapur. Karst bagian atas meliputi permukaan karst (G) dan lubang swallow (A), yaitu joint batu kapur yang terhubung dengan sungai. Sedangkan karst bagian bawah meliputi stalactite (B), yaitu air yang menetes dari atap gua dan menguap meninggalkan partikel kalsium karbonat mikroskopik yang membentuk tetesan es, serta stalagmite (C) yang terbentuk karena percikan air, yang mengandung kalsium karbonat, di lantai gua.

Gambar 20.15 Satalagmit dan stalagtit

Untuk lebih jelasnya, Gambar 20.16 berikut ini adalah ilustrasi pembentukan gua batu kapur. Proses pembentukan gua ini tidak berlangsung cepat, melainkan sampai berjuta-juta tahun lamanya.

344

Air merembes masuk ke dalam batu kapur melalui lubang swallow dan menggenangi bedding

plane paling atas

Terbentuk gua dan lubang swallow yang tergenang air menjadi runtuh

Air permukaan ikut turun dan

menjadi air tanah atau air terjun

Gambar 20.20 Skema proses pembentukan gua batu kapur

345 20.1.4 Karakteristik batu kapur

Gambar 20.17 Batu kapur murni

Gambar 20.18 Warna permukaan batu Gambar 20.19 Impregnasi besi pada batu kapur menjadi lebih gelap karena adanya kapur pengotor

Batu kapur memilki kekerasan yang tinggi. Batu kapur murni (Gambar 20.17) berwarna hampir putih. Adanya pengotor, seperti tanah liat, pasir, sisa-sisa material organik, dan material lain, menyebabkan warna batu kapur berubah (lihat Gambar 20.18 dan 20.19). Hal ini terutama terjadi pada permukaannya yang melapuk. Bentuk batu kapur bisa kristalin, klastik, granular, atau massive (pejal), tergantung metode pembentukannya.

346 20.1.5 Macam-macam batu kapur

Beberapa jenis batu kapur adalah sebagai berikut : x Travertine, jenis batu kapur yang terkumpul dan memadat, terbentuk di sepanjang arus air, terutama daerah air terjun dan mata air panas atau dingin. Larutan yang mengandung konstituen penyusun calcite akan menjadi superjenuh karena penguapan air, sehingga calcium carbonat terendapkan.

Gambar 20.20 Travertine

Gambar 20.21 Pegunungan yang tersusun atas travertine

Gambar 20.22 Ubin yang terbuat dari material travertine

347 x Tufa, jenis travertine yang berbentuk cellular dan berpori, biasanya ditemukan di sekitar air terjun.

Gambar 20.23 Tufa Gambar 20.24 Permukaan tufa

Gambar 20.25 Batuan tufa x Coquina, merupakan batu kapur yang tidak terlalu padat, terdiri dari serpihan batu karang atau cangkang. Umumnya batu kapur mengandung fosil di dalamnya, tetapi coquina merupakan batu kapur dengan kandungan fosil yang sangat banyak, bahkan hampir keseluruhan strukturnya adalah fosil.

348

Gambar 20.26 Coquina

Gambar 20.27 Bangunan yang terbuat dari coquina x Chalk, adalah bentuk lain dari batu kapur yang bersumber dari organisme bersel satu dan sangat kecil, yaitu coccolithophores (Gambar 20.28). Biasanya chalk

berwarna putih atau abu-abu, halus, dan berpori. Gambar 20.28 Coccolithophore

349

Gambar 20.29 Pembentukan chalk berbentuk seperti jarum di Pulau Wight, Inggris selatan

20.1.6 Deposit batu kapur

Resistensi batu kapur (Vietnam) yang ditunjukkan pada terhadap erosi ini lebih lemah Gambar 20.30 di bawah ini. dibandingkan dengan batuan beku (igneous rocks), tetapi masih lebih kuat daripada batuan sedimen yang lain. Hal ini menyebabkan batu kapur, bersama clay, biasanya ditemukan pada daerah perbukitan dan dataran tinggi. Kumpulan batu kapur muncul dari permukaan bumi dalam batuan karang dan pulau-pulau besar, misalnya di Burren (Irlandia), Verdon Gorge (Perancis), Malham Cove (North Yorkshire), Pulau Wight (Inggris), Faro (pulau Gotland, Swedia), batu karang Niagara (Kanada / USA), Notch Peak di Utah, dan Gambar 20.30 Limestone Tower di Taman Taman Nasional Ha Long Bay Nasional Ha Long Bay - Vietnam

350

Gambar 20.31 Galian batu kapur di Pulau Robben

20.1.7 Kegunaan batu kapur

Batu kapur yang dihancurkan

Concrete adalah campuran dari agregat, semen, dan air. Batu kapur sangat cocok digunakan dalam concrete karena sifatnya yang keras, kelimpahannya di alam besar, dan mampu terikat baik dengan semen. Batu kapur yang dihancurkan banyak digunakan untuk konstruksi jalan.

Gambar 20.32 Batu kapur Bisa juga disebarkan di lahan pertanian yang dihancurkan untuk mengurangi keasaman tanah.

Batu untuk bangunan dan ornamen

Sifatnya yang keras membuat batu kapur banyak digunakan dalam konstruksi bangunan dan bisa ditemukan di berbagai tempat, terutama Amerika Utara dan Eropa. Konstruksi bangunan di Kingston – Ontario – Kanada banyak memanfaatkan batu kapur (limestone) ini, sehingga

Gambar 20.33 Balok dari disebut ‘Limestone City’. Keuntungannya batu kapur untuk ornamen adalah tersedia secara melimpah dan bangunan

351 relatif mudah dibentuk dan dipotong. Selain itu, batu kapur tahan lama dan kokoh. Banyak sekali bangunan terkenal di London yang dibangun dari batu kapur Portland. Tetapi, batu kapur sangat berat sehingga kurang cocok untuk bangunan yang tinggi, dan cukup mahal. Batu kapur dan marmer sangat reaktif terhadap larutan asam, sehingga hujan asam dapat menyebabkan kerusakan serius pada permukaan berbagai bangunan dan patung berbahan dasar batu kapur. Hujan asam terjadi ketika perusahaan-perusahaan Gambar 20.34 Gedung di Manhattan-Kansas, dibangun besar menghasilkan polusi udara karena dari batu kapur melepaskan bahan kimia seperti sulfur ke atmosfer. Sulfur bereaksi dengan H2 dan O2 Gambardi udara 16-36. membentuk asam sulfur. Bangunan dari batu kapur di Oamaru-Otago- New Zealand

Gambar 16-37. Lempengan batu kapur bermotif peta Moosburg Gambar 20.35. Jembatan di Oamaru-Otago-New Zealand di Bavaria, dibangun dari batu kapur dibuat untuk cetakan lithografi

Batu kapur yang dihaluskan

Penggunaannya adalah dalam pasta gigi dan cat. Berbagai kosmetik, terutama bedak, banyak mengandung bubuk batu kapur. Selain itu, batu kapur juga dimanfaatkan sebagai pewarna putih dalam cat, plastik, dan karet.

Gambar 20.38 Batu kapur untuk bahan pasta gigi

352 Industri kimia

Kapur atau bubuk batu kapur digunakan untuk menghilangkan gas sulfur dioksida yang dihasilkan dari pembakaran batubara atau minyak pada pembangkit listrik.

Gambar 20.39 Industri kimia

Quicklime (CaO)

Penyusun utama batu kapur adalah kalsium karbonat. Batu kapur yang dibakar menghasilkan gas karbondioksida dan kalsium oksida. Kalsium oksida inilah yang disebut dengan quicklime (kapur tohor), yang dimanfaatkan untuk memurnikan baja dan logam lain dalam pembuatan glass,

Gambar 20.40 Quicklime dan untuk mengelola limbah industri makanan dan tekstil.

Nutrien

Semua hewan memerlukan kalsium dalam makanannya. Oleh karena itu, batu kapur ditambahkan dalam banyak makanan hewan dan juga roti.

Gambar 20.41 bahan makanan yang mengandung kalsium

Lime

Jika batu kapur dipanaskan, maka akan berubah menjadi lime dan karbondioksida. Kegunaan lime dalam industri sangat beragam, misalnya dalam pembuatan berbagai macam benda, dari gula sampai baja.

Gambar 20.42 Penggunaan lime

353 Semen

Semen umumnya dibuat dari 80 % batu kapur dan 20 % clay. Bahan-bahan tersebut dicampur dan bersama-sama digiling untuk memperoleh bubuk halus sebagai bahan baku pembuatan semen.

Gambar 20.43 Produksi semen

354 20.2 Semen

Pasti Anda pernah melihat pembangunan suatu rumah, gedung, atau jembatan. Apa yang selalu dapat kita temukan di sana? Ya, kita pasti melihat semen. Sebenarnya apakah semen itu dan bagaimana cara kerja serta kegunaannya? Dengan mempelajari sub-bab ini Anda akan mengetahui hal-hal tersebut.

20.2.1 Definisi semen

Gambar 20.44 Semen

Semen merupakan binder, yaitu senyawa yang dapat tergabung dan mengeras sendiri, juga dapat mengikat material lain dan mengeras bersama-sama. Nama semen berasal dari bangsa Romawi yang menggunakan kata "opus caementitium" untuk menamai tembok menyerupai beton yang dibangun dari batuan yang dihancurkan dan kapur yang dibakar sebagai binder. Penggunaan semen yang terpenting adalah untuk menghasilkan mortar dan concrete. Dalam hal ini, mortar (Gambar 20.45) dapat diartikan sebagai material atau adonan pengikat di antara batubata untuk memperkuat bangunan. Sedangkan concrete / beton (Gambar 20.46 dan 20.47) adalah material untuk bangunan yang terbuat dari campuran semen dan bahan tambahan lain, sifatnya sangat kuat.

355

Gambar 20.45 Mortar

Gambar 20.46 Pembuatan concrete Gambar 20.47 Concrete yang sudah dibentuk

Secara umum, semen yang digunakan dalam konstruksi bangunan ada dua macam, yaitu semen hidrolik dan semen non- hidrolik.

Semen hidrolik Semen hidrolik merupakan material yang tergabung dan mengeras setelah dicampur dengan air, karena adanya reaksi kimia dengan air yang ditambahkan. Setelah mengeras, semen ini akan tetap kuat dan stabil meskipun berada dalam lingkungan berair. Hidrat yang terbentuk pada saat reaksi tiba-tiba dengan air menjadi sangat tidak larut dalam air. Semen yang digunakan untuk konstruksi bangunan sekarang ini adalah semen hidrolik, dan umumnya didasarkan pada semen Portland yang dibuat dari batu kapur, mineral clay tertentu, dan gips melalui proses temperatur tinggi. Dalam proses tersebut karbondioksida dikeluarkan dan secara kimia komponen-komponen penyusunnya tergabung menjadi senyawa baru.

356

Gambar 20.48 Batu kapur Gambar 20.49 Clay

Gambar 20.50 Gips

Penggabungan dan pengerasan semen hidrolik disebabkan oleh terjadinya pembentukan senyawa yang mengandung air melalui reaksi antara komponen-komponen semen dengan air. Reaksi tersebut disebut reaksi hidrasi, sedangkan produk reaksinya merupakan hidrat atau fase hidrat.

Semen non-hidrolik Sesuai dengan namanya, semen non-hidrolik terdiri dari material non-hidrolik, seperti lime dan plaster gipsum yang harus dijaga tetap kering untuk mendapatkan strength (kekuatan), serta semen oksiklorida yang memiliki komponen cair. Sebagai contoh, mortar lime, tergabung ketika dikeringkan dan proses penguatannya sangat lambat melalui absorpsi karbondioksida (CO2) dari udara untuk membentuk kembali kalsium karbonat dengan reaksi karbonatasi.

357 20.2.2 Sejarah perkembangan semen

¾ Awal penggunaan semen

Penggunaan semen dimulai ketika manusia mulai mengenal konstruksi bangunan. Pada saat itu semen yang dipakai adalah semen non-hidrolik, yaitu slurry tanah liat sebagai lapisan tipis di antara susunan batubata. Kemudian pada fase berikutnya mulai ditambahkan kapur dalam campuran semen primitif ini. Dengan berkembang dan meluasnya pembuatan serta pemakaian batubata yang dibakar, maka manusia mulai melakukan penelitian untuk membuat mortar (adonan untuk mengikat batubata dalam bangunan) yang memiliki kekuatan lebih tinggi. Di Mesopotamia, mortar yang digunakan berbahan dasar bitumen (aspal), sedangkan orang Mesir menggunakan gips, dan yang paling banyak digunakan di seluruh dunia adalah kapur. Tidak diketahui di mana pertama kali ditemukan bahwa kombinasi antara kapur non-hidrolik terhidrasi dan pozzolan dapat menghasilkan campuran hidrolik. Akan tetapi, pembuatan concrete (beton) dari campuran ini pertama kali dilakukan oleh bangsa Romawi. Pozzolan (Gambar 20.51) merupakan material yang bersifat seperti semen ketika dicampur dengan kalsium hidroksida. Material pozzolan banyak mengandung silika, ketika bereaksi dengan kalsium hidroksida akan membentuk kalsium silikat.

Gambar 20.51 Pozzolan

Bangsa Romawi menggunakan pozzolan alami (batu apung atau campuran tanah dan semen) dan pozzolan buatan (batubata dan gerabah) dalam concrete ini. Beberapa contoh bangunan yang dibuat dari concrete ini masih berdiri tegak sampai sekarang, seperti monolithic dome Pantheon di Roma (Gambar 20.52 dan 20.53). Akan tetapi penggunaan concrete di Eropa sempat menghilang di abad pertengahan.

358

Gambar 20.52 Monolithic dome Pantheon di Roma

Gambar 20.53 Pantheon di Roma – Italia (dari depan)

¾ Semen modern

Semen modern, yaitu semen hidrolik, mulai dikembangkan di awal Revolusi Industri (sekitar tahun 1700). Pengembangannya didasari oleh tiga kebutuhan utama, yaitu : x Sistem hidrolik akan lebih memperkuat bangunan ketika hujan. x Mortar hidrolik diperlukan untuk konstruksi bangunan di pantai yang selalu kontak dengan air laut. x Perkembangan beton yang lebih kuat.

359 Di Inggris, beton untuk bangunan dengan kualitas yang bagus menjadi sangat mahal pada masa itu. Berbagai gedung dibangun dari batubata (beton) hasil industri, kemudian dilapisi dengan stucco (semacam semen untuk pelapisan dinding dan langit-langit bangunan). Lihat Gambar 20.54 ! Material yang biasanya digunakan sebagai stucco adalah kapur (lime) hidrolik.

Gambar 20.54 Dekorasi dari stucco

Tetapi karena waktu kering semen ini sangat lambat, maka dikembangkanlah jenis baru. Di antaranya, yang paling terkenal adalah “semen Romawi” Parker yang dikembangkan oleh James Parker pada tahun 1780-an dan dipatenkan pada tahun 1796.

Gambar 20.55 James Parker

Meskipun namanya adalah semen Romawi, ternyata semen ini tidak seperti material yang digunakan oleh bangsa Romawi, tetapi merupakan semen natural yang terbuat dari septaria yang dibakar, yaitu bongkahan-bongkahan yang ditemukan dalam deposit tanah liat dan mengandung mineral clay dan kalsium karbonat. Hasil pembakaran septaria ini digiling menjadi serbuk halus kemudian

360 dijadikan mortar dengan tambahan pasir. Keberhasilan semen Romawi ini menggugah para pengusaha untuk mengembangkan produk serupa dari campuran tanah liat dan kapur yang dibakar. John Smeaton memberikan kontribusi besar dalam pengembangan semen ketika merencanakan pembangunan Eddystone Lighthouse (1755-1759) di Selat Inggris (Gambar 20.57). Smeaton menyatakan bahwa sifat hidrolik dari kapur dipengaruhi langsung oleh kandungan clay dalam batu kapur yang digunakan.

Gambar 20.56 John Smeaton

Gambar 20.57 Eddystone Lighthouse

Prinsip yang sama digunakan oleh Louis Vicat di awal abad ke- 19. Vicat mengembangkan metode pembuatan semen artificial pada tahun 1817 dengan mengkombinasikan kapur dan clay menjadi campuran yang kemudian dibakar. Kemudian pada tahun 1822, James Frost berhasil membuat dan mematenkan “semen Inggris”. Sedangkan Joseph Aspdin berhasil mematenkan material serupa yang

361 disebut semen Portland, karena warnanya seperti batuan Portland (Gambar 20.60).

Gambar 20.58 Louis Vicat

Gambar 20.59 Joseph Aspdin

Gambar 20.60 Batu Portland Gambar 20.61 Tambang batuan Portland

362

Gambar 20.62 Batuan Portland di Mutton Cove – Portland

Semua produk-produk semen di atas tidak dapat dibandingkan dengan concrete pozzolan atau kapur, karena setelah dicampur dengan air maka harus segera dipakai. Kekuatannya pun rendah di awal terbentuk (perlu waktu berminggu-minggu sebelum material yang terbentuk dapat dipindahkan). Pembentukan kapur hidrolik, semen natural, dan semen buatan yang kuat tergantung pada kandungan belite (dicalcium silicate, Ca2SiO4), di mana kemampuan belite untuk memperkuat material sangat lambat. Material penyusun semen tersebut dibakar pada suhu 1250 °C, sehingga tidak ada kandungan alite (tricalcium silicate, Ca3O.SiO4) yang bertanggung jawab terhadap terbentuknya kekuatan awal dalam semen modern. Semen pertama yang mengandung alite dibuat oleh William Aspdin, putra dari Joseph Aspdin, di awal 1840-an. Inilah yang sekarang kita sebut sebagai semen Portland “modern”.

Gambar 20.63 Clinker belite

363

Gambar 20.64 William Aspdin

Inovasi William Aspdin ini ternyata kurang menguntungkan bagi pengusaha semen, karena membutuhkan lebih banyak kapur dalam campuran, temperatur pembakarannya lebih tinggi (sehingga bahan bakar yang digunakan juga lebih banyak), dan clinker yang dihasilkan sangat keras sehingga dengan cepat membuat millstone menjadi aus. Pada saat itu, millstone merupakan satu-satunya metode grinding (penghalusan) yang ada. Clinker adalah material padat yang terbentuk pada tahap pembakaran semen, berupa bongkahan-bongkahan dengan diameter 3 - 25 mm.

Gambar 20.65 Clinker semen

364 20.2.3 Klasifikasi semen

Semen modern yang digunakan sekarang ini dapat diklasifikasikan menjadi tiga bagian sebagai berikut : 1. Semen Portland 2. Campuran Semen Portland 3. Semen Hidrolik Non-Portland

Gambar 20.66 Produksi semen Blue Circle Southern di dekat Berrima, New South Wales, Australia

1 Semen Portland

Semen ini dibuat dengan memanaskan batu kapur dengan material lain dalam jumlah kecil, seperti clay, sampai 1450 °C dalam tungku pembakaran. Senyawa yang dihasilkan sangat keras, dan disebut ‘clinker’ (Gambar 20.65). Clinker ini kemudian digiling dengan sedikit penambahan gips untuk membuat Ordinary Portland Cement (OPC). Semen Portland ini merupakan komposisi dasar dari concrete dan mortar. Umumnya, semen Portland dimanfaatkan untuk pembuatan concrete (beton). Concrete ini merupakan gabungan material yang terdiri dari agregat (kerikil dan pasir), semen, dan air. Sebagai bahan bangunan, concrete dapat dicetak menjadi berbagai bentuk yang kita inginkan, dan begitu material ini mengeras maka akan mampu manahan beban berat. Semen Portland biasanya berwarna abu-abu atau putih. Keterangan lebih lanjut tentang semen Portland akan diuraikan pada subbab berikutnya.

365 2 Campuran Semen Portland

Ada beberapa macam campuran semen Portland, di antaranya : x Portland Blastfurnace Cement Jenis semen ini mengandung kerak (slag) blast furnace berbentuk granule sampai dengan 70 %. Sisanya adalah clinker Portland dan sedikit gips. Komposisi tersebut menghasilkan kuat ikat yang tinggi, tetapi dengan meningkatnya kandungan kerak akan menyebabkan kekuatan awal semen menurun. Peningkatan kandungan kerak ini juga meningkatkan resistensi semen terhadap sulfat. Portland Blastfurnace Cement ini sangat ekonomis dan digunakan sebagai alternatif untuk semen Portland yang tahan sulfat. x Portland Flyash Cement Semen ini mengandung fly ash sampai dengan 30 %. Fly ash merupakan abu sisa pembakaran batubara atau bahan bakar fosil lainnya. Fly ash ini bersifat pozzolanik sehingga dapat meningkatkan kekuatan ikat semen. Penambahan fly ash ini juga menyebabkan penambahan air yang diperlukan untuk membuat concrete menjadi lebih sedikit. Hasilnya, kekuatan awal semen makin tinggi. Dengan penggunaan fly ash yang murah dan berkualitas, maka semen ini menjadi alternatif yang ekonomis. x Portland Pozzolan Cement Portland Pozzolan Cement ini meliputi semen fly ash karena fly ash juga termasuk pozzolan. Selain itu, jenis semen ini meliputi semen yang terbuat dari pozzolan alami atau buatan yang lain. Di negara- negara yang mempunyai banyak abu vulkanik, misalnya Italia, Chili, Meksiko, dan Filipina, semen ini banyak diproduksi dan digunakan. x Portland Silica Fume Cement Penambahan fume silika dapat menghasilkan kekuatan yang sangat tinggi. Semen yang mengandung 5 – 20 % fume silika sangat jarang diproduksi. Akan tetapi, fume silika lebih sering ditambahkan ke dalam semen Portland dalam campuran concrete. x Masonry Cements Masonry cement digunakan untuk mortar dan stucco untuk melapisi batubata, dan tidak dapat digunakan dalam concrete (beton). Kandungannya sangat kompleks, yaitu clinker Portland, batu kapur, kapur terhidrasi, retarder, agen waterproofer dan pewarna. Tujuan penggunaan semen ini biasanya adalah untuk bangunan yang harus cepat kering dan menghasilkan ikatan antar batubata yang terkontrol. x Expansive Cements Selain clinker Portland, jenis semen ini juga mengandung clinker- clinker besar (biasanya clinker sulfoaluminat). Expansive cement didesain untuk menyeimbangkan pengaruh penyusutan karena proses pengeringan yang umum terjadi pada semen hidrolik. Sering

366 dimanfaatkan untuk membuat beton yang lebar (sampai 60 m2) tanpa retakan. x White blended cements Semen ini dibuat dari clinker putih dan material tambahan lain yang juga berwarna putih, seperti metakaolin yang sangat murni. x Colored cements Penggunaan colored cement (semen berwarna) ini adalah untuk dekorasi saja. Pembuatannya adalah dengan mencampurkan pigmen ke dalam semen Portland.

3 Semen Hidrolik Non-Portland

Macam-macam semen hidrolik non-Portland antara lain diuraikan sebagai berikut : x Pozzolan-lime cements Bangsa Romawi menggunakan semen dari campuran pozzolan yang telah dihancurkan dan kapur untuk membuat bangunan yang kokoh, bahkan masih tetap berdiri sampai sekarang. Misalnya, Patheon di Roma. Kekuatan semen seperti ini terbentuk secara lambat, tetapi kuat ikatannya sangat tinggi. Produk hidrasi yang menghasilkan kekuatan adalah sama dengan semen Portland. x Slag-lime cements Kerak blast furnace yang berbentuk granule tidak dengan sendirinya bersifat hidrolik, tetapi karena diaktivasi oleh alkali yang ditambahkan, biasanya adalah kapur. Sifat-sifat slag-lime cements ini sama seperti pozzolan-lime cements. Satu-satunya komponen semen yang efektif adalah kerak yang berbentuk granule. x Supersulfated cements Semen ini mengandung kira-kira 80% kerak blast furnace yang berbentuk granule, 15 % gips, dan sedikit clinker Portland atau kapur sebagai aktivator. Kekuatan semen dihasilkan dari pembentukan ettringite (hexacalcium aluminate trisulfate hydrate, (CaO)6 (Al2O3) (SO4)3. 32H2O, yang merupakan hasil reaksi calcium aluminate dengan calcium sulfat), dengan laju pembentukan kekuatan yang rendah seperti semen Portland. Semen ini menghasilkan bangunan yang tahan terhadap sulfat dan bahan-bahan reaktif lainnya. x Calcium aluminate cements Calcium aluminate cements merupakan semen hidrolik yang dibuat dari batu kapur dan bauksit sebagai komponen utamanya. Bahan aktifnya adalah monokalsium aluminat, (CaAl2O4), dan Mayenite, (Ca12Al14O33). Kekuatan semen terbentuk dari reaksi hidrasi bahan aktif ini menjadi hidrat kalsium aluminat. Semen ini sangat cocok digunakan dalam concrete untuk refractory (batu api atau lapisan

367 untuk furnace dan oven) karena sifatnya yang tahan terhadap suhu tinggi. x Calcium sulfoaluminate cements Jenis semen ini terbuat dari clinker yang mengandung ye’elimite, (Ca4(AlO2)6SO4), sebagai fase primer. Bahan ini biasanya digunakan dalam expansive cements, dalam semen dengan kekuatan awal yang sangat tinggi, dan dalam semen “rendah energi”. Reaksi hidrasi menghasilkan ettringite. Sifat fisik tertentu, seperti reaksi cepat dan ekspansi, diperoleh dengan menyesuaikan kandungan ion kalsium dan ion sulfat. Di Cina, semen ini dimanfaatkan sebagai alternatif untuk semen rendah energi. Hanya sedikit energi yang diperlukan untuk memproduksi calcium sulfoaluminate cements, karena temperatur tungku untuk reaksi juga rendah dan batu kapur yang diperlukan lebih sedikit. Meskipun emisi CO2 rendah, tetapi produksi semen ini kurang menguntungkan untuk lingkungan karena emisi SO2 yang tinggi dari bahan baku yang digunakan. x “Natural” Cements Natural cements tidak bisa dipisahkan dari produk semen pada era sebelum Portland. Pembuatan dan komposisinya hampir sama. x Geopolymer cements Geopolymer cements dibuat dari campuran silikat logam alkali yang dapat larut dalam air dan powder mineral aluminosilikat seperti fly ash dan metakaolin.

20.2.4 Semen Portland

Gambar 20.67 Concrete yang terbuat dari semen Portland

Semen Portland merupakan tipe semen yang paling sering digunakan untuk berbagai aplikasi. Komposisi dasarnya adalah serbuk halus dari clinker semen Portland yang telah dihancurkan (lebih dari

368 90 %), sedikit kalsium sulfat untuk mengontrol waktu kering, dan konstituen minor lainnya sampai 5 %. Semen Portland ini termasuk semen hidrolik. Setidaknya dua pertiga berat semen ini harus mengandung senyawa kalsium silikat (3CaO.SiO2 dan 2CaO.SiO2). Sisanya adalah clinker, yang mengandung aluminium dan besi, serta senyawa lain. Rasio CaO terhadap SiO2 tidak boleh kurang dari 2,0. Kandungan MgO-nya tidak boleh melebihi 5,0 % massa. Pembuatan clinker semen Portland adalah dengan pemanasan (dalam tungku) campuran homogen dari bahan baku sampai temperatur sintering, yaitu sekitar 1450 °C untuk semen modern. Bahan baku utama untuk pembuatan clinker adalah batu kapur (CaCO3), biasanya digunakan batu kapur tidak murni, yang mengandung SiO2. Bahan baku sekundernya adalah clay, batuan, pasir, bijih besi, bauksit, fly ash, dan kerak.

Proses Pembuatan Semen Portland

Gambar 20.68 Pabrik semen di Midlothian-Texas

Ada tiga tahap penting dalam produksi semen Portland :

1. Preparasi bahan baku 2. Pembuatan clinker 3. Pembuatan semen

(Lihat Gambar 20.69 untuk lebih jelasnya !)

¾ Preparasi Bahan Baku

Bahan baku untuk produksi semen Portland adalah campuran mineral yang terdiri dari kalsium oksida, silikon oksida, aluminium oksida, besi oksida, dan magnesium oksida. Dalam proses kering, bahan baku tersebut berupa serbuk halus, sedangkan untuk proses basah diperlukan bahan baku dalam bentuk slurry. Sebelum dicampur, bahan baku tersebut dihancurkan dulu hingga 50 mm dalam penggilingan (mill). Begitu pula setelah dicampur, maka campuran bahan baku digiling lagi sampai partikel-pertikelnya berukuran 90 õm.

369

Batuan (limestone) Mineral

Penggilingan campuran bahan baku

Penyimpanan campuran bahan baku

Tungku putar

Penyimpanan clinker Penambahan material (fly Penggilingan ash, kerak blast furnace, semen dll.)

Pengemasan dan transportasi semen ke konsumen

Gambar 20.69 Skema produksi semen Portland

Gambar 20.70 Timbunan campuran bahan baku semen Portland

370 ¾ Pembuatan Clinker

Gambar 20.71 Bagan produksi clinker

Campuran bahan baku kemudian dipanaskan dalam tungku semen dengan temperatur 1400 – 1450 °C. Temperatur ini diatur sehingga material tersintering, tetapi tidak melebur. Material yang dihasilkan dari proses ini disebut dengan clinker (Gambar 20.72).

Gambar 20.72 Butiran clinker semen Portland

371

Gambar 20.73 Tungku pembakaran semen

372 ¾ Pembuatan Semen

Untuk memperoleh produk semen dengan kualitas bagus, biasanya ditambahkan 5 % kalsium sulfat (gips) ke dalam clinker. Campuran ini kemudian di giling untuk menghasilkan serbuk semen akhir dalam alat penggilingan semen. Ukuran partikel akhir yang diinginkan biasanya kurang dari 5 õm.

Gambar 20.74 Penggilingan semen, mampu menghasilkan semen 270 ton/jam

Setting dan Hardening

Ketika air dicampurkan dengan semen Portland, hasilnya menjadi rigid (kaku) dalam beberapa jam dan mengeras dalam hitungan minggu. Proses ini sangat bervariasi, tetapi biasanya concrete menjadi rigid (kaku) dalam 6 jam, dengan kuat tekan sebesar 8 MPa dalam 24 jam. Kekuatan ini meningkat menjadi 15 MPa setelah 3 hari, 23 MPa dalam 1 minggu, 35 MPa dalam 4 minggu, dan 41 MPa setelah 3 bulan. Peningkatan kekuatan ini berjalan lambat selama air tersedia untuk reaksi hidrasi, tetapi biasanya setelah beberapa minggu saja concrete sudah dikeringkan. Hal ini menyebabkan pertumbuhan kekuatannya terhenti. Setting dan hardening semen Portland disebabkan oleh pembentukan senyawa yang mengandung air sebagai hasil reaksi komponen semen dengan air. Perubahan yang dapat diamati ketika reaksi terjadi adalah stiffening (pengerasan), meskipun sangat kecil di awal reaksi, yang kemudian meningkat seiring dengan waktu. Pada waktu tertentu setelah aplikasi semen, dicapai stiffening dengan level tertentu, inilah yang disebut awal setting. Penguatan selanjutnya disebut setting, baru kemudian dimulailah fase hardening. Stiffening, setting, dan hardening diakibatkan oleh pembentukan mikrostruktur produk hidrasi dengan tingkat kekakuan

373 yang bervariasi. Mikrostruktur ini mengisi kekosongan interstisi di antara partikel padat semen, mortar, dan concrete. Sifat stiffening, setting, dan hardening terhadap waktu tergantung pada ukuran kekosongan interstisi. Produk hidrasi yang berpengaruh besar terhadap kekuatan adalah hidrat kalsium silikat (fase C-S-H). Produk hidrasi lanjut adalah kalsium hidroksida, hidrat sulfatat (fase AFm dan AFt), dan beberapa senyawa lain. Kalsium silikat atau konstituen silikat membentuk lebih dari 70 % dari massa semen berbahan dasar silikat. Dalam clinker semen, hidrat kalsium silikat mengandung CaO lebih rendah daripada kalsium silikat, sehingga kalsium hidroksida terbentuk selama hidrasi semen Portland. Reaksi antara alite dengan air dapat disederhanakan menjadi :

2Ca3OSiO4 + 6H2O ĺ 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

Reaksi ini berlangsung cepat, menyebabkan terbentuknya setting dan kekuatan semen dalam minggu-minggu pertama aplikasinya. Sedangkan reaksi belite adalah :

2Ca2SiO4 + 4H2O ĺ 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

Reaksi ini relatif lambat, dan bertanggung jawab terhadap pertumbuhan kekuatan semen setelah satu minggu aplikasi. Hidrasi trikalsium aluminat dikontrol oleh penambahan kalsium sulfat, yang langsung membentuk larutan ketika ditambahkan air. Awalnya, terbentuk ettringite dengan cepat, sehingga hidrasi menjadi lambat.

Ca3(AlO3)2 + 3CaSO4 + 32H2O ĺ Ca6(AlO3)2(SO4)3.32H2O

Ettringite bereaksi lambat dengan trikalsium aluminat membentuk monosulfat (fase AFm). Reaksinya sebagai berikut :

Ca6(AlO3)2(SO4)3.32H2O + Ca3(AlO3)2 + 4H2O ĺ 3Ca4(AlO3)2(SO4).12H2O

Reaksi ini berlangsung sempurna setelah 1 – 2 hari. Kalsium aluminoferrite bereaksi secara lambat karena terjadinya pengendapan besi oksida terhidrasi selama reaksi :

2Ca2AlFeO5 + CaSO4 + 20H2O ĺ Ca4(AlO3)2(SO4).12H2O + Ca(OH)2 + 2Fe(OH)3

374

Begitu semen Portland dicampur dengan air, maka mulai terjadi reaksi hidrasi. Kalsium sulfat larut sempurna dan sulfat alkali larut sebagian. Reaksi ion kalsium dan sulfat ini dengan trikalsium silikat menghasilkan kristal ettringite (berbentuk seperti jarum) pada permukaan partikel clinker. Selanjutnya, akan terlihat hidrat kalsium silikat (C-S-H) dalam bentuk koloid. Karena pembentukan lapisan tipis produk hidrasi pada permukaan clinker, periode hidrasi pertama berhenti dan periode induksi dimulai. Produk hidrasi pertama terlalu kecil untuk menjembatani gap di antara partikel clinker dan tidak membentuk mikrostruktur yang kuat. Hal ini mengakibatkan mobilitas partikel semen hanya sedikit terpengaruh. Setting dimulai setelah kira-kira satu sampai tiga jam, ketika hidrat kalsium silikat pertama terbentuk pada permukaan partikel clinker yang pada awalnya berupa butiran sangat halus. Setelah periode induksi, terjadi hidrasi lanjut dari fase clinker. Periode ketiga ini dimulai kira-kira setelah 4 jam dan berakhir setelah 12 – 24 jam. Selama periode ini, terbentuk mikrostruktur dasar yang terdiri dari kristal C-S-H berbentuk jarum dan lembaran, kalsium hidroksida berbentuk lempengan, dan ettringite. Mikrostruktur ini tumbuh menjadi bentuk longitudinal. Karena pertumbuhan kristal, gap di antara partikel semen mulai terjembatani. Selama hidrasi selanjutnya, hardening meningkat tapi kecepatannya menurun. Densitas mikrostruktur meningkat dan pori- porinya terisi, sehingga terbentuklah kekuatan semen.

Pembuatan semen Portland dan jenis-jenis semen lain secara umum dapat digambarkan dalam skema berikut : Pozzolan batu kapur Gips Pemanas Penyim -panan bahan baku Tungku

1450 °C

Penyimpanan clinker Penyim- Penggi- panan lingan - Batu karang semen - Batuan bahan Penggilingan - Bauksit baku semen - Bijih besi Distribusi

PENGGALIAN PENCAMPURAN PEMECAHAN PEMBAKARAN PENGGILINGAN

Gambar 20.75 Proses pembuatan semen secara umum

375 20.2.5 Kegunaan semen

Semen diaplikasikan secara bendungan, pelapisan bangunan, luas, terutama dalam konstruksi langit-langit, patung, dekorasi, bangunan, pembuatan mortar, dan lain-lain. beton, jalan, jembatan,

Gambar 20.76 Jalan, jembatan, bendungan terbuat dari semen

Gambar 20.77 Permukaan semen yang diaplikasikan pada bangunan

376 20.2.6 Industri semen

Gambar 20.78 Kemasan semen

Produksi semen hidrolik pada tahun 2002 di seluruh dunia mencapai 1800 juta meter ton. Tiga negara penghasil semen terbesar adalah Cina (704 jutameter ton), India (100 juta meter ton), dan Amerika Serikat (91 juta meter ton).

Gambar 20.79 Produksi semen tahun 2004

Selama 18 tahun terakhir, Cina menjadi penghasil semen terbesar di dunia. Bahkan pada tahun 2006 diperkirakan Cina telah memproduksi 1,235 milyar meter ton semen, mencapai sebesar 44 % dari produksi semen di seluruh dunia.

377

Gambar 20.80 Semen yang sudah dipacking, siap didistribusikan

20.2.7 Pengaruh produksi semen terhadap lingkungan dan sosial

Semua tahap proses produksi semen menimbulkan masalah lingkungan. Polusi udara oleh emisi debu, gas, suara gaduh, dan getaran timbul ketika mengoperasikan mesin dan selama peleburan batuan. Selain itu, kerusakan terjadi pada lahan atau daerah yang digali untuk memperoleh bahan baku semen. Oleh karenanya, harus selalu menggunakan peralatan untuk mengurangi emisi debu selama penggalian dan proses produksi. Peralatan untuk menjebak dan memisahkan gas yang dikeluarkan juga banyak digunakan. Pengelolaan lingkungan juga dilakukan dengan menanami daerah galian yang telah ditutup.

Iklim Pembuatan semen menghasilkan gas rumah kaca secara langsung melalui pembentukan karbondioksida ketika kalsium karbonat dipanaskan untuk mendapatkan kapur, dan secara tidak langsung melalui penggunaan energi dari bahan bakar fosil. Industri semen telah menyumbangkan 5 % emisi di bumi.

Bahan baku dan bahan bakar Industri semen memerlukan 3000 – 6500 MJ bahan bakar untuk tiap ton clinker yang dihasilkan, tergantung pada bahan baku dan proses yang digunakan. Tungku semen sekarang ini banyak yang menggunakan batu bara dan petroleum sebagai bahan bakar utama, dan hanya sedikit menggunakan gas alam. Limbah dan produk samping yang mempunyai nilai kalori tertentu dapat digunakan sebagai bahan bakar dalam tungku semen, menggantikan bahan bakar fosil seperti batu bara. Di samping itu, limbah dan produk samping yang memiliki kandungan mineral kalsium, silika, alumina, dan besi dapat digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan semen, menggantikan bahan baku seperti clay, batu, dan batu kapur.

378 Pengaruh pada penduduk setempat Produksi semen membawa pengaruh positif dan negatif pada penduduk di mana produksi tersebut dilakukan. Pengaruh positifnya, industri semen dapat menciptakan lapangan kerja. Pengaruh negatifnya adalah gangguan terhadap alam, debu dan suara gaduh, dan perusakan keragaman tanaman karena penggalian batu kapur sebagai bahan baku semen.

379 20.3 Keramik

Pasti istilah keramik tidak asing lagi di telinga kita. Vas bunga di meja terbuat dari keramik, asbak terbuat dari keramik, guci dan hiasan gerabah lain juga terbuat dari keramik. Selain itu, ubin dan genteng rumah kita juga terbuat dari keramik.

20.3.1 Definisi keramik

Gambar 20.81 Gerabah dari keramik Keramik berasal dari bahasa Yunani, yaitu keramikos (bahan yang dibakar), yang berarti material anorganik non-logam yang dibentuk dalam panas. Kamus dan ensiklopedi tahun 1950-an mendefinisikan keramik sebagai suatu hasil seni dan teknologi untuk menghasilkan barang dari tanah liat yang dibakar. Tetapi saat ini tidak semua keramik berasal dari tanah liat. Definisi keramik terbaru

380 mencakup semua bahan bukan logam dan anorganik yang berbentuk padat. Sampai tahun 1950-an, material keramik yang terpenting adalah clay (tanah liat) yang dibuat menjadi barang pecah-belah (gerabah), genteng, batu bata, dan sebagainya, bersama dengan semen dan glass. Material gabungan antara keramik dan logam disebut dengan cermet. Material keramik umumnya keras, berpori, dan rapuh (brittle).

Gambar 20.82 Cermet

20.3.2 Kandungan keramik

Keramik pada umumnya terdiri dari tiga komponen : tanah liat (clay), kwarsa (flint), dan feldspar.

Gambar 20.83 Clay

Clay mempunyai kandungan silika alumina terhidrasi (Al2O3.SiO.H2O), fungsinya adalah mempermudah proses pembentukan keramik, mempunyai sifat plastis (mudah dibentuk), mempunyai daya ikat pada bahan baku non-plastis. Kaolin adalah tanah liat yang mengandung mineral kaolinit sebagai penyusun terbesar, termasuk jenis tanah liat primer. Sifat kaolin : berbutir kasar, rapuh dan tidak plastis jika dibandingkan dengan lempung sedimenter, karena itu sulit dibentuk, Penyusutan dan kekuatan keringnya pun lebih rendah. Sangat tahan api.

Ballclay, sejenis tanah liat yang bersifat plastis, mengandung kadar silika dan alumina yang tinggi. Ballclay biasanya berwarna abu-

381 abu tua karena adanya karbon. Semakin banyak karbon yang terkandung di dalamnya, maka akan semakin bersifat plastis. Ballclay digunakan hanya untuk membantu selama proses pembentukan, karena kuarsa dan feldspar tidak bersifat plastis. Sifat-sifat ballclay :

1. Memiki ukuran partikel yang halus. 2. Sifat plastis yang tinggi. 3. Memiliki kekuatan kering yang tinggi. 4. Penyusutan pada saat pengeringan dan pembakaran tinggi. 5. Warna setelah pembakaran abu-abu muda karena unsur besinya lebih tinggi dibandingkan kaolin.

Gambar 20.84 Ballclay

Kuarsa (flint) merupakan bentuk lain dari batuan silika (SiO2). Tujuan pemakaian kuarsa ini ialah : 1. Mengurangi susut kering, sehingga akan mengurangi retak-retak dalam pengeringan. 2. Mengurangi susut waktu dibakar dan mempertinggi kualitas. 3. Bertindak sebagai rangka selama pembakaran.

382

Gambar 20.85 Kuarsa (flint)

Komposisi dasar feldspar adalah K2O.Al2O3.6SiO2. Bahan ini merupakan kelompok mineral yang berasal dari batuan karang. Pada saat keramik dibakar, feldspar meleleh dan membentuk lelehan glass yang menyebabkan partikel-partikel clay bersatu bersama, sehingga memberikan kekuatan dan kekerasan pada keramik. Bahan ini sangat berguna karena banyak mengandung soda dan potash serta tidak larut dalam air. Feldspar mengandung semua bahan-bahan penting untuk membentuk glassure. Feldspar merupakan bahan non-plastis, sehingga dapat mengurangi susut kering dan kekuatan kering. Tujuan glassure adalah untuk memperhalus permukaan keramik, melindungi, memberikan dekorasi, dan memperindah dengan variasi warna. Glassure dapat dilakukan dengan beberapa cara seperti : kuas, sikat, celup dan semprot.

Gambar 20.86 Feldspar

383 20.3.3 Sejarah keramik

26.000 SM Manusia primitif menemukan bahwa lempung dari lemak mamoth dan tulang yang dicampur abu tulang, dapat dicetak dan dikeringkan dengan matahari menghasilkan material brittle/rapuh dan tahan panas. Maka dimulailah masa seni keramik. 6.000 SM Teknik pembakaran keramik dimulai pada masa Yunani kuno. Gerabah Yunani, Pithai, dikembangkan dan dimanfaatkan 50 SM – 50 M sebagai tempat penyimpanan, upacara Pembuatan glass optik (lensa pemakaman, dan seni. dan cermin), kaca jendela, teknik

peniupan kaca mulai berkembang di

Roma dan tersebar ke seluruh dunia

melalui kekaisaran Romawi.

4.000 SM Ditemukan glass pada masa Mesir kuno. Glass primitif terbuat dari kaca silikat pada permukaan quartz sintering, awalnya digunakan sebagai perhiasan. Coating keramik ini berlanjut sampai sekarang untuk berbagai benda, bak mandi, pipa, pesawat terbang, dll.

600 M

Porselin, keramik komposit

(gabungan) pertama, dibuat oleh

bangsa Cina. Material tahan lama ini

dibuat dari pembakaran clay bersama

dengan feldspar dan quartz. Porselin

digunakan dalam berbagai aplikasi,

insulator listrik sampai alat makan.

1870an Material refractory (tahan suhu tinggi) mulai dikenal selama Revolusi Industri. Material ini terbuat dari kapur dan MgO, dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, mulai batubata hingga lapisan furnace untuk baja.

berlanjut ke halaman

berikutnya …

384

1877 Contoh pertama riset material high- … lanjutan tech oleh Thomas Edison. Edison menguji resistivitas keramik untuk digunakan dalam penemuan terbarunya, mikrofon karbon. 1889 American Ceramic Society didirikan oleh Elmer E. Gorton, Samuel Geijsbeek, dan Colonel Edward Orton Jr. Tujuan utamanya untuk menguak misteri keramik high-tech.

American Ceramic Society 735 Ceramic Place Westerville, Ohio 43081-8720 614-890-4700 1960

Dengan penemuan laser dan

sinar yang dapat menembus glass,

berkembanglah ilmu baru tentang optic

fiber. Kabel optis fiber membuat sinar

pulsa mampu membawa informasi dalam

jumlah besar dan sedikit energi hilang.

1965 Perkembangan sel fotovoltaic yang mampu mengubah cahaya menjadi listrik membuka jalan baru untuk memanfaatkan energi matahari.

1987 Ilmuwan menemukan oksida keramik superkonduktor dengan temperatur kritis 92K. Potensial untuk superkonduktor sirkuit terintegrasi 1992 dalam komputer high-speed. Keramik yang disebut material “smart” mulai dipublikasikan. Bisa mendeteksi dan bereaksi terhadap perubahan kondisi permukaan dan makhluk hidup. Misal, kantong udara dalam mobil yang merespon sinyal tekanan ketika tabrakan.

385 20.3.4 Struktur dan sifat keramik

Sifat material keramik, seperti juga material lainnya, disebabkan oleh tipe atom penyusunnya, tipe ikatan atar atom, dan susunan atau packing atom. Keramik kebanyakan dibuat dari dua unsur atau lebih yang disebut senyawa. Ikatan kimia yang berperan dalam keramik umumnya adalah kovalen dan ionik, keduanya lebih kuat daripada ikatan logam. Hal inilah yang menyebabkan logam bersifat ductile (lentur), sedangkan keramik bersifat brittle (rapuh). Struktur lain yang berperan penting dalam sifat material adalah mikrostruktur. Untuk keramik, mikrostrukturnya bisa glassy, kristalin, atau kombinasi keduanya. Struktur atom berpengaruh terhadap sifat kimia, fisik, termal, listrik, magnetik, dan optik. Mikrostruktur juga mempengaruhi sifat- sifat ini, tetapi pengaruh terbesarnya adalah pada sifat mekanik dan pada laju reaksi kimia. Sifat keramik sangat bervariasi, tetapi yang umum dan mudah dilihat secara fisik pada kebanyakan jenis keramik adalah britle atau rapuh, dapat kita lihat pada keramik tradisional seperti barang pecah- belah, glass, kendi, gerabah dan sebagainya, coba jatuhkan piring yang terbuat dari keramik bandingkan dengan piring dari logam, pasti keramik mudah pecah, walaupun sifat ini tidak berlaku pada jenis keramik tertentu, terutama jenis keramik hasil sintering, dan campuran antara keramik dengan logam. Sifat lainnya adalah keras, insulator listrik dan panas karena keramik tahan pada suhu tinggi. Sebagai contoh keramik tradisional yang terdiri dari clay, flint dan feldspar tahan sampai dengan suhu 1200 °C, keramik engineering seperti keramik oksida mampu tahan sampai dengan suhu 2000 °C. Selain itu, keramik umumnya memiliki sifat non-magnetik, tahan terhadap oksidasi, cenderung mengalami thermal shock, stabil secara kimia, dan kekuatan tekannya tinggi. Perbandingan sifat antara logam dan keramik diberikan pada Tabel 20.1 berikut :

Tabel 20.1 Perbedaan sifat logam dan keramik

LOGAM KERAMIK

Struktur kristal Struktur kristal Banyak elektron bebas Elektron tidak bebas Ikatan logam Ikatan ionik / kovalen Konduktivitas listrik tinggi Konduktivitas listrik rendah Atom-atomnya uniform Atom-atom berbeda ukuran Tensile strength tinggi Tensile strength rendah Shear strength rendah Shear strength tinggi Ductile Brittle Impact strength bagus Impact strength jelek Relatif berat Relatif ringan Kekerasan sedang Sangat keras Non-porous Porositas tinggi Densitas tinggi Densitas rendah

386

Tentu saja ada pengecualian sifat untuk beberapa keramik. Misalnya, glass borosilikat dan keramik glass lainnya sangat tahan terhadap thermal shock, sehingga digunakan dalam oven, kompor, dan furniture. Beberapa keramik juga menunjukkan sifat konduktivitas listrik yang sangat bagus dan sifat magnetik. Sifat-sifat keramik tersebut merupakan salah satu faktor yang membuat penelitian tentang keramik terus berkembang. Berikut adalah uraian tentang sifat keramik.

1. Sifat Fisik

x Densitas x Temperatur leleh

Densitas

Densitas didefinisikan sebagai ukuran massa atau volume, dan memiliki satuan g/cm3 atau pounds/inch3. Densitas ditentukan oleh :

a. Ukuran dan berat unsur

Unsur dengan bilangan atomik dan berat atomik rendah menghasilkan material dengan densitas kristalografi rendah, contoh : H, Be, C, Si. Unsur dengan nomor atom dan berat atomik tinggi menghasilkan densitas kristalografi tinggi, contoh : W, Zr, Tb, U. Material organik mempunyai densitas rendah, karena umumnya strukturnya tersusun dari C, H, dan unsur-unsur dengan berat atomik rendah (Cl dan F). b. Kepadatan struktur terjejal (close-packing)

Keterjejalan atomik mempunyai efek yang kecil terhadap densitas dibanding dengan faktor-faktor yang tersebut sebelumnya Close-packing dalam logam dan keramik yang terikat secara ionik menghasilkan densitas relatif tinggi daripada struktur terbuka dari keramik yang terikat secara kovalen. 3 3 Misalnya : ZrO2 (4.65 g/cm ) dan ZrSiO3 (5.8 g/cm ) Sebenarnya diharapkan ZrSiO3 mempunyai densitas lebih tinggi daripada ZrO2, tetapi karena ZrSiO3 memiliki struktur sedikit terbuka mengarah pada ikatan kovalen Si-O, maka ZrSiO3 mempunyai densitas lebih rendah daripada ZrO2. Polimorf temperatur tinggi biasanya mempunyai densitas lebih rendah daripada polimorf temperatur lebih rendah Misalnya : glass mempunyai densitas lebih rendah daripada struktur kristal pada komposisi yang sama.

387 Temperature leleh

Kebanyakan keramik dihasilkan secara langsung dari bahan baku yang memiliki temperatur leleh tinggi. Temperatur leleh yang tinggi tersebut merupakan akibat dari kekuatan ikatan antar partikel yang tinggi. Logam transisi yang terikat kuat dan keramik ionik multivalen mempunyai temperatur lebih tinggi. Temperatur leleh rendah dimiliki oleh logam-logam alkali dengan ikatan yang lemah dan keramik ionik monovalen.

2. Sifat Thermal

x Kapasitas panas x Konduktivitas thermal x Ekspansi thermal

Kapasitas panas

Kapasitas panas adalah energi yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur material, satuannya cal/mol.°C. Kapasitas panas keramik meningkat terhadap peningkatan temperatur.

Konduktivitas thermal

Laju aliran panas melalui material disebut dengan konduktivitas thermal. Satuannya adalah Cal/sec.cm2.°C.cm. Jumlah transfer panas dikontrol oleh jumlah energi panas, sifat pembawa panas dalam bahan, dan jumlah dissipation (hamburan panas).

Ekspansi thermal

Secara matematis, data ekspansi thermal dirumuskan : 'l D

l0'T di mana, lo : panjang pada suhu ruang ÷l : perubahan panjang ÷T : perubahan temperatur

3. Sifat Mekanik

Material awal keramik biasanya merupakan material yang berikatan ionik atau kovalen, strukturnya bisa kristalin atau amorf. Ikatan antar material tersebut akan menyebabkan keramik cenderung bersifat fracture (patah) sebelum terjadi deformasi plastis. Sehingga

388 material keramik seperti ini menghasilkan sifat toughness (keliatan) yang rendah. Material seperti ini juga cenderung berpori, di mana pori-pori dan cacat mikroskopis lainnya akan lebih menurunkan sifat toughness, dan mengurangi tensile strength keramik. Material keramik juga mampu menunjukkan deformasi plastis. Akan tetapi karena struktur rigid dari material kristalin, deformasi menjadi sangat lambat. Sedangkan material non-kristalin (glassy), deformasi plastis juga terjadi sangat lambat, dikarenakan aliran viscous (kenatal) dari glass. Sehingga glass tidak digunakan dalam pembuatan keramik.

4. Sifat Listrik

Material keramik mempunyai sifat listrik yang cukup luas. Beberapa keramik tidak dapat menghantar arus listrik meskipun berada dalam medan listrik yang sangat kuat. Keramik seperti ini merupakan insulator yang cukup bagus. Material keramik lainnya dapat menghantarkan arus listrik pada kondisi tertentu atau ketika energi tresholdnya ditingkatkan. Material ini bermanfaat sebagai semikonduktor. Hanya sedikit material keramik yang dapat menghantarkan arus listrik, dani mempunyai aplikasi sebagai konduktor listrik. Beberapa material keramik tidak dapat menghantarkan listrik tetapi mengalami polarisasi muatan internal yang dapat digunakan untuk menyimpan muatan listrik dalam kapasitor.

Semikonduktor

Sejumlah keramik memiliki sifat semikonduktor, kebanyakan adalah keramik dari oksida logam transisi seperti zinc oksida, CoO, NiO, Cu2O dan Fe2O3. Material tersebut bersifat semikonduktor karena memiliki gap energi yang kecil antara pita elektron yang terisi penuh dengan pita kosong. Penambahan temperatur dapat menyediakan energi bagi elektron sehingga dapat melompat ke pita konduksi, menyebabkan terjadinya aliran listrik. Penggunaan keramik semikonduktor sangat luas, seperti LED, sensor gas, dan lain-lain. Contoh material keramik yang bersifat semikonduktor adalah SiC.

Superkonduktivitas

Pada temperatur yang sangat rendah, keramik menunjukkan sifat superkonduktivitas.

Ferroelektrisitas dan superset

Sifat piezoelektrisitas sering ditemui pada sejumlah besar material keramik. Piezolektrisitas berarti keramik tersebut mampu menghubungkan antara respon elektrik dan mekanik, menggunakan listrik untuk menghasilkan gerakan mekanik kemudian gerakan

389 mekanik ini diubah menjadi energi listrik untuk menghasilkan sinyal. Misalnya pada quartz untuk pengukuran waktu dalam arloji dan alat elektronik lainnya. Pengaruh piezoelektrik manjadi lebih besar dalam material yang juga bersifat pyroelektrik. Semua material pyroelektrik akan bersifat piezoelektrik. Material seperti ini dapat digunakan untuk mengubah energi termal, mekanik, dan atau elektrik. Setelah sintesis dalam furnace, kristal pyroelektrik yang dihasilkan didinginkan tanpa diberi tekanan. Material pyroelektrik ini biasanya digunakan dalam sensor gerak, di mana terjadi peningkatan temperatur sedikit saja akan menghasilkan voltage besar dalam kristal. Sifat pyroelektrisitas lebih kuat dalam material yang mempunyai sifat ferroelektrik.

Gambar 20.87 Keramik untuk aplikasi piezo

5. Sifat Magnetik

Material keramik yang mempunyai sifat magnetik biasanya disebut sebagai Ferrite. Sifat magnetik keramik ini dapat dikontrol melalui kontrol komposisi dan pemrosesannya.

6. Sifat Optik

Absorpsi dan Transparansi

Jika radiasi elektromagnetik yang datang menstimulasi elektron dalam material keramik untuk bergerak dari tingkat energi mula – mula ke tingkat energi yang berbeda, maka radiasi akan diserap. Hal ini membuat keramik mampu bersifat sebagai absorben energi. Keramik, terutama yang berbahan glass, bersifat transparan. Keramik seperti ini dapat dimabfaatkan sebagai lensa, kaca jendela, prisma, dan filter.

Warna

390 Material yang berwarna dihasilkan dari absorpsi radiasi panjang gelombang dengan range yang relatif sempit pada daerah spektrum cahaya tampak (visibel). Pewarna keramik biasanya digunakan untuk pigmen dalam cat dan bahan lain yang diproduksi dan digunakan pada temperatur rendah. Contoh : 1. enamel porselin yang dibakar pada suhu 750 – 850 °C memerlukan pewarna keramik 2. pewarna keramik yang mempunyai struktur doping ZrO2 dan ZrSiO4 digunakan pada temperatur 1000 – 1250 °C.

Fosforesensi

Peristiwa fosforesensi dihasilkan dari emisi cahaya karena eksitasi electron dalam material oleh sumber energi tertentu. Keramik yang bersifat fosforesensi digunakan dalam lampu fluoresensi, layer oscilloscope, layer TV, lampu mesin fotokopi.

LASER

LASER adalah akronim dari Light Amplification by The Stimulated Emission of Radiation. Bahan keramik yang biasa digunakan untuk LASER adalah :

3+ 1. Al2O3 yang didoping dengan Cr (laser ruby) 3+ 2. Y3Al5O12 didoping dengan Nd (laser YAG) 3. Glass didoping dengan Nd3+

20.3.5 Klasifikasi keramik

Pada prinsipnya keramik terbagi atas dua macam, yaitu keramik tradisional dan keramik modern (fine ceramics).

Keramik tradisional

Keramik tradisional yaitu keramik yang dibuat dengan menggunakan bahan alam, seperti kuarsa, kaolin, dll. Yang termasuk keramik ini adalah: barang pecah belah (dinnerware), keperluan rumah tangga (tile, bricks), dan untuk industri (refractory). Keramik modern (Fine ceramics)

Fine ceramics (keramik modern atau biasa disebut keramik teknik, advanced ceramic, engineering ceramic, techical ceramic) adalah keramik yang dibuat dengan menggunakan oksida-oksida logam atau logam. Contoh oksida logam : Al2O3, ZrO2, MgO, dan lain-lain. Penggunaannya adalah untuk elemen pemanas, semikonduktor, komponen turbin, dan aplikasi pada bidang medis.

391

Ukuran partikel Lebih kecil daripda sub mikro, Material bk

Derajat Material hasil sintesis sangat murni ki

Mekanik Kekuatan (strength) dan non-abrasi

Pemanasan Tahan pada suhu tinggi (>1700°C)

Listrik Transmisi, insulatif, semiconductif

Sifat Magnetik Ferromagnetik dan paramagnetik

Optik Mampu membedakan cahaya

Kimia Tahan korosi dan tahan zat kimia

Gambar 20.88 Keramik untuk aplikasi medis

Berdasarkan penggunaan, produk keramik biasanya dibagi menjadi empat, yaitu :

1. Structural, meliputi batu bata, pipa, ubin, dan genteng. 2. Refractory, yaitu batu api untuk furnace dan oven. Kandungan silicon dan aluminium oksidanya tinggi. Penggunaannya adalah dalam industri pembuatan besi dan baja, logam-logam selain besi, glass, semen, keramik, konversi energi, petroleum, dan industri kimia. 3. Whiteware, termasuk perabot makan, porselin, dekorasi bangunan, dan perabot kamar mandi. 4. Technical, disebut juga keramik teknik. Jenis sama dengan fine ceramics. Bahan baku yang digunakan tidak mengandung lempung.

392

Gambar 20.89 Refractory

Gambar 20.90 Whitewares – Perabot kamar mandi

Klasifikasi keramik yang lain didasarkan pada material penyusunnya. Klasifikasi ini membagi keramik menjadi tiga kategori, yaitu : keramik oksida, keramik non-oksida, dan komposit. Tiap jenis kategori tersebut dapat menghasilkan sifat material yang khas. Sedangkan klasifikasi keramik berdasarkan strukturnya ada dua macam, yaitu keramik non-kristalin dan kristalin. x Keramik Non-Kristalin

Keramik non-kristalin (amorf), misalnya glass, biasanya terbentuk dari lelehan. Kandungan utama glass adalah silika (SiO2). Glass kemudian dibentuk dengan pencetakan (casting) ketika benar-benar telah meleleh, atau dibentuk ketika viskositasnya sangat tinggi (glass lunak

393 menyerupai gula-gula) melalui metode seperti meniup ke dalam cetakan (blow molding).

Oksida : alumina, zirconia

Gambar 20.91 Zirconia Gambar 20.92 Alumina

Non-oksida : karbida, borida, nitrida, silisida

Gambar 20.93 Silikon karbida Gambar 20.94 Silikon nitrida

Komposit : kombinasi oksida dan non-oksida, partikulat reinforced

Gambar 20.95 Komposit

394

glass lunak dimasukkan glass lunak menempati cetakan bagian bawah cetakan

penekanan menjadi produk akhir bentukGambar yang diinginkan 20.96 Proses pencetakan glass

glass yang dilunakkan (gob)

Gambar 20.97 Blow molding

395 Jika treatment panas ini menyebabkan struktur glass menjadi kristalin sebagian, maka material yang dihasilkan disebut sebagai keramik- glass.

Gambar 20.98 Glass x Keramik Kristalin

Keramik kristalin merupakan insulator listrik dan refractory yang baik. Material yang digunakan di antaranya adalah magnesium oksida (insulator dalam elemen pemanas dan kabel), aluminium oksida, berilium oksida, boron karbida, tungsten karbida. Keramik tipe ini biasanya digunakan sebagai material abrasive (untuk menghaluskan, amplas) dan alat pemotong. Pemrosesan material keramik kristalin biasanya dilakukan dengan membentuk keramik melalui reaksi in-situ atau dengan cara membentuk powder sesuai keinginan kemudian disintering agar memadat.

20.3.6 Proses pembuatan keramik

x Pembuatan powder x Pembentukan keramik x Densifikasi

20.3.6.1 Pembuatan powder

Untuk mendapatkan keramik yang bagus, perlu dilakukan pemilihan bahan baku, yang biasanya berbentuk powder (serbuk). Kriteria pemilihan powder keramik tergantung pada sifat-sifat yang diinginkan dalam keramik yang akan dihasilkan. Kemurnian, distribusi ukuran partikel, kereaktifan, dan bentuk polimorfik powder harus dipertimbangkan dari awal.

20.3.6.2 Teknik pembentukan keramik

Keramik yang digunakan untuk aplikasi kebutuhan sehari-hari, seperti cangkir, sampai keramik modern, seperti bagian-bagian komputer, perlu suatu teknik untuk membentuknya sesuai kebutuhan.

396 Teknik pembentukan keramik meliputi: membentuk dengan tangan (kadang perlu proses pemutaran di atas roda yang disebut ”throwing”), slip casting, tape casting (untuk membuat kapasitor keramik yang sangat tipis, dan sebagainya), gel casting, injection molding, dry pressing, dan variasi lainnya.

Throwing

Proses ini merupakan pembentukan keramik di atas roda putar (Gambar 20.99). Biasanya dilakukan untuk pembentukan keramik tradisional. Beberapa teknik pembentukan keramik tradisional yang lain antara lain, handbuilding (misalnya pinching), soft slab, hard slab, dan konstruksi coil.

Gambar 20.99 Proses throwing

Slip Casting

Slip yaitu powder keramik yang dicampur air atau cairan lainnya sehingga membentuk slurry (bubur) seperti lempung cair. Slip dituangkan ke dalam cetakan. Air dikeluarkan dari slip, sehingga terbentuk lapisan keramik padat pada dinding dalam dari cetakan. Ketika padatan yang terbentuk tersebut telah cukup tebal, slip yang tersisa dikeluarkan dari cetakan. Setelah kering, keramik yang terbentuk juga dikeluarkan dari cetakan. Proses ini disebut juga drain casting.

397

Gambar 20.100 Proses slip casting (drain casting)

Pori-pori cetakan menyebabkan terjadinya aksi kapiler, sehingga menyerap cairan dari slip. Terbentuklah keramik dengan bentuk yang diinginkan dalam cetakan. Slip yang stabil dengan kandungan padatan dan viskositas tinggi dapat dibuat dengan menambahkan deflokulan pada slip. Gambar 20.101 Cetakan slip casting

Gambar 20.103 Komponen slip cast yang Gambar 20.102 telah disintering menunjukkan penyusutan Cetakan disatukan, dari dimensi cetakan awalnya siap untuk proses penuangan

Cetakan untuk slip casting juga dapat diputar pada roda selama proses (throwing). Keuntungan rotasi ini adalah keramik yang dihasilkan menjadi simetris, uniform, dan seimbang. Jika selama casting, slip tidak dikeluarkan sehingga dihasilkan keramik yang pejal, maka proses ini disebut solid casting.

398

Gambar 20.104 Drain casting dan solid casting

Tape Casting

Gambar 20.105 Doctor blade

Teknik ini umumnya digunakan ketika membuat material keramik berbentuk lembaran yang sangat tipis dan fleksibel. Slip dicampur dengan plasticiser dan binder polimer untuk meningkatkan kekuatan dan kelenturannya, kemudian dituang ke dalam cetakan tipis yang bergerak dan dilewatkan pada ”doctor blade” untuk menyesuaikan ketebalannya. Slip yang bergerak tersebut selanjutnya dikeringkan di udara.

Gambar 20.106 “Tape” keramik

”Tape” yang terbentuk dikeluarkan dan dipotong, siap untuk diproses lebih lanjut. Tape dapat ditumpuk sampai 100 lapis, disintering untuk menghilangkan polimer, kemudian gunakan sebagai sensor dan kapasitor multilayer, dan sebagainya.

399 Gel-Casting

Proses gel-casting dimulai dengan pencampuran powder keramik dengan larutan monomer membentuk slurry. Kemudian, ditambahkan binder dan katalis. Slurry di de-airasi agar tidak terbentuk gelembung dalam green body, selanjutnya dituang ke dalam cetakan dan dipanaskan dengan temperatur tinggi agar binder berikatan dan partikel-partikel keramik terpolimerisasi. Proses ini disebut gelasi. Gel dikeluarkan, dikeringkan, dan dibakar sampai binder hilang.

Gambar 20.107 Flowchart proses gel-casting

400 Keuntungan pemakaian metode gel-casting ini antara lain sebagai berikut : Densitas keramik yang dihasilkan lebih tinggi daripada slip-casting Kekuatan green body lebih tinggi daripada slip-casting dan dry- pressing Dapat digunakan untuk membuat bentuk-bentuk yang lebih rumit daripada metode lain Penggunaan additif organic lebih sedikit, sehingga tidak terlalu beracun Menurunkan biaya pembuatan.

Penggunaan metode gel-casting ini menimbulkan beberapa masalah, yaitu :

Proses gel-casting kurang teruji Prosesnya lama, terutama selama pengeringan Tidak boleh terjadi kesalahan selama proses, terutama selama pengeringan Dalam proses ini, keramik mengalami penyusutan dan terjadi warpage

Warpage adalah peristiwa yang terjadi ketika green body keramik dikeringkan, menyebabkan bentuk keramik tidak simetris (Gambar 20.108). Hal ini dikarenakan pengeringan yang tidak merata, yang dipengaruhi oleh kelembaban, temperatur, dan bentuk.

Gambar 20.108 Warpage

20.3.6.3 Densifikasi

Densifikasi adalah proses pemadatan keramik. Metode yang dilakukan ada dua macam, yaitu metode in-situ dan sintering.

Metode in-situ

Metode ini paling sering digunakan dalam pembuatan semen dan beton. Powder dicampur dengan air, terjadi reaksi hidrasi menghasilkan kristal yang terikat kuat pada agregat. Seiring dengan waktu, maka akan dihasilkan keramik padat.

401 Permasalahan yang terjadi ketika metode in-situ ini digunakan adalah reaksinya sangat cepat sehingga sulit untuk mendapatkan campuran yang sempurna. Hal ini menjadi masalah tersendiri ketika diaplikasikan pada konstruksi skala besar. Sedangkan untuk sistem skala kecil bisa dibuat dengan teknik deposisi, yaitu berbagai material ditempatkan di atas material kemudian direaksikan dan dihasilkan keramik di atas substrat.

Metode sintering

Keramik dibuat dengan pencampuran bahan baku, kemudian dibentuk. Senyawa penyusun keramik menjadi berikatan bersama, material ini yang disebut dengan green body. Proses selanjutnya adalah pembakaran dalam tungku. Pada proses ini terjadi difusi yang menyebabkan green body menyusut dan pori-porinya tertutup, sehingga menghasilkan produk keramik yang lebih kuat dan lebih padat. Pembakaran dilakukan pada temperatur di bawah titik leleh keramik. Keseluruhan proses ini merupakan prinsip dari metode sintering. Sintering didefinisikan sebagai pengeluaran pori-pori di antara partikel keramik yang disertai shrinkage (penyusutan komponen), kemudian dihasilkan pertumbuhan bersama partikel dan ikatan kuat antar partikel yang berdekatan.

Gambar 20.109 Furnace

Ada banyak cara yang dapat dilakukan dalam proses sintering agar hasil yang diperoleh lebih sempurna. Salah satunya melibatkan pressing pada green body untuk lebih memadatkannya sehingga akan mengurangi waktu sintering. Cara yang lain adalah dengan menambahkan binder, seperti polivinil alkohol, untuk mengikat green body. Binder akan hilang terbakar selama sintering (pada temperature 200 – 350 °C). Bisa juga selama pressing ditambahkan pelumas organik untuk meningkatkan densifikasi (pemadatan).

402 Selain powder, green body juga dapat dibentuk dari slurry, kemudian dicetak seperti bentuk yang diinginkan, dikeringkan, dan disintering. Metode ini dilakukan dalam pembuatan barang pecah- belah tradisional.

Jika keramik dibuat dari campuran beberapa material berbeda, temperatur sintering biasanya diset di atas titik leleh dari komponen minornya. Proses ini yang disebut dengan sintering fase cair. Waktu sintering yang diperlukan lebih cepat daripada sintering fase padat.

20.3.7 Kegunaan keramik

Penggunaan keramik sangat luas, mulai dari peralatan rumah tangga, hiasan, sampai peralatan elektronik.

Gambar 20.110 Keramik untuk gerabah Gambar 20.111 Ubin terbuat dari keramik

Gambar 20.112 Peralatan rumah tangga Gambar 20.113 Keramik untuk toaster

403

Gambar 20.114 Keramik untuk aplikasi Gambar 20.115 Komponen alat elektronik elektronik dari keramik

Gambar 20.116 Televisi dan monitor dari Gambar 20.117 Keramik sebagai keramik komponen komputer

20.3.8 Kemajuan aplikasi keramik

Material keramik advanced telah dikembangkan selama setengah abad terakhir ini. Aplikasi material ini antara lain :

x Keramik digunakan dalam pembuatan mata pisau. Ketajaman pisau keramik akan lebih tahan lama daripada pisau baja, meskipun pisau keramik ini lebih rapuh.

Gambar 20.118 Alat pemotong dari keramik

404 x Keramik seperti alumina dan boron karbida digunakan untuk melapisi kokpit pesawat militer, karena material tersebut ringan.

Gambar 20.119 Body pesawat militer dari keramik

x Mesin keramik digunakan dalam kendaraan bermotor, dapat bertahan pada temperature di atas 6000 F (3300 °C). Mesin keramik tidak memerlukan sistem pendingin, lebih ringan, dan memiliki efisiensi bahan bakar yang besar meskipun pada temperatur yang tinggi. Dalam mesin yang terbuat dari logam, sebagian energi yang dihasilkan oleh bahan bakar diubah menjadi panas. Akan tetapi karena pembuatan material keramik untuk mesin ini sangat sulit, maka mesin keramik tidak banyak diproduksi.

Gambar 20.120 Keramik untuk piringan rem x Aplikasi pada mesin, meliputi silicon nitride (Si3N4), silikon karbida (SiC), zirconia (ZrO2) dan alumina (Al2O3). x Pembuatan keramik untuk mesin turbin gas juga sedang dikembangkan.

405

Gambar 20.121 Silikon karbida Gambar 20.123 Gear (alumina) untuk komponen otomotif

Gambar 20.122 Rotor (alumina) x Sifat keramik sangat menguntungkan, tahan panas dan sebagainya, sehingga banyak dikembangkan metode untuk memperkuat material melalui reinforcement dengan fiber atau whisker. Tentu saja aplikasi keramik pun menjadi berkembang.

Gambar 20.124 Komponen peralatan industri hasil reinforcement keramik x Pengembangan material keramik juga meliputi bio-keramik, seperti implan gigi dan tulang sintetik. Hidroksiapatit, mineral alami penyusun tulang, telah berhasil disintesis dari sejumlah bahan kimia dan biologi menjadi material keramik. Implan ortopedi dari material

406 ini direkatkan pada tulang dan jaringan lain dalan tubuh tanpa diikuti reaksi peradangan atau penolakan.

Gambar 20.125 Material keramik untuk gigi x Zeromik, merupakan sistem coating (pelapisan) material dengan keramik. Aplikasinya untuk lapisan panahan panas, melindungi permukaan logam, dan sebagainya.

ZEROMIC

Fine Ceramics Liquid Fine Ceramics

Tahan suhu tinggi dan zat Bereaksi dengan material dalam kimia, non-abrasi, cocok utk larutan, dibuat sebagai keramik (+) aplikasi elektrik dan optik liquid

¾ Rapuh ¾Mungkin membuat permukaan keramik apapun materialnya Sulit bertahan pada ¾ temperatur tinggi ¾Bertahan pada temperatur (-) rendah - ekonomis ¾ Permukaan tidak uniform ¾Permukaannya uniform ¾ Pengerjaannya harus pada ruang terbatas ¾Memungkinkan pengerjaan di lapangan, aplikasi tak terbatas ¾ Aplikasi terbatas Aplikasi lebih luas dengan ¾ Harga mahal ¾ menambah bahan fungsional Sulit memproduksi ¾ Lebih murah dan ekonomis dalam skala besar ¾ ¾Mudah diproduksi skala besar

Melelehkan powder Menggunakan metode sol-gel Proses pada temperatur tinggi

407

SOAL LATIHAN

1. Bagaimana cara kita 9. Terangkan pendapat Anda mengenali batu kapur ? tentang kontradiksi industri 2. Batu kapur terbentuk dari pembuatan semen, yaitu calcite yang berwarna putih antara kegunaanya yang kekuningan. Tetapi kadang sangat penting dan luas serta kita melihat batu kapur pengaruhnya terhadap berwarna hitam atau lingkungan yang buruk ! kemerahan. Jelaskan Solusi apa yang dapat Anda alasannya ! usulkan untuk memecahkan 3. Apa yang menyebabkan batu masalah tersebut ? kapur banyak terdeposit di 10. Material apa saja yang laut atau di daerah sekitar terkandung dalam keramik pantai ? dan bagaimana pengaruh 4. Sebutkan lima kegunaan batu penggunaannya terhadap kapur dan terangkan ! sifat keramik ? 5. Apa yang kamu ketahui 11. Keramik memiliki sifat yang tentang : unik bila dibandingkan a. mortar dengan logam. Jelaskan b. concrete perbedaan sifat-sifat c. pozzolan tersebut terutama sifat fisik, d. stucco mekanik, thermal, listrik, e. clinker magnetik, dan optik ! 6. Jelaskan perbedaan antara 12. Sebut dan uraikan secara semen hidrolik dan non- singkat klasifikasi keramik hidrolik ! yang Anda ketahui ! 7. Uraikan dengan jelas 13. Teknik apa saja yang langkah-langkah pembuatan digunakan untuk semen hidrolik sampai pembentukan keramik ? diperoleh semen yang siap Terangkan ! dipasarkan ! 14. Pada masa ini, kemajuan 8. Bagaimana reaksi kimia yang keramik telah mencapai terjadi dalam semen hidrolik keramik advanced. Jelaskan selama proses penggunaanya yang Anda ketahui tentang untuk bangunan ? keramik advanced ini !

SELAMAT MENGERJAKAN !!

408 21. LOGAM

Kompetesi yang diharapkan : 1. Siswa mampu mengenal logam alkali, alkali tanah, sifat dan reaktivitasnya. 2. Siswa mengenal bijih logam dan cara estraksi logamnya.

21.1 LOGAM DAN PERADABAN Lebih dari tiga perempat unsur-unsur adalah logam. Dalam Logam dan jaman susunan berkala, logam terutama ditemukan pada kolom pertama dan kedua (Golongan 1 dan 2), pada bagian tengah (unsur-unsur transisi), serta beberapa unsur pada Golongan 3 dan Golongan 4. Logam-logam dari Golongan 1 dan 2 bukan merupakan logam yang dapat kita temukan dalam kehidupan sehari-hari karena logam- logam ini terlalu reaktif dan terlalu lunak untuk digunakan sebagai bahan. Aluminium, dari Golongan 3 serta timah dan timbal dari Golongan 4 adalah logam-logam yang dapat kita lihat digunakan sebagai obyek di sekitar kita, misalnya sebagai kerangka jendela aluminium, kaleng berlapis-timah dan baterei asam-timbal. Sebagian besar logam dalam Susunan Berkala terletak dalam blok-d dari logam transisi. Logam-logam ini keras dan kuat dan beberapa diantaranya sudah sangat kita kenal. Logam transisi seperti tembaga dan paduannya, perunggu, memainkan peranan penting dalam kemajuan peradaban yang disebut Jaman Perunggu. Logam transisi besi dan paduannya, baja, telah mengubah kehidupan yang disebut Jaman Besi. Perkembangan logam transisi dapat digambarkan dengan melihat apa yang terjadi di Jaman Batu, Jaman Perunggu dan Jaman Besi. Di Jaman Batu, kira-kira 5000 tahun SM, semua peralatan dan senjata yang dimiliki manusia terbuat dari batu. Kemudian secara tak sengaja mereka menemukan logam-logam murni - yaitu emas, perak dan tembaga - di antara bebatuan. Mereka menggunakan logam-logam tersebut untuk ornamen. Lambat laun, mereka mendapati bahwa di samping dapat digunakan untuk ornamen, tembaga ternyata juga berguna untuk membuat alat-alat tertentu, karena sifatnya yang lebih keras dari pada emas dan perak tetapi masih cukup lunak untuk dipukuli dengan palu dan dibentuk menjadi ujung anak panah, tombak dan pisau. Kemudian ternyata pula bahwa di samping ditemukan sebagai logam murni, tembaga juga ditemukan sebagai senyawa. Orang-orang kuno menemukan cara untuk memperoleh tembaga dengan memanasi bebatuan yang berisi tembaga dengan arang.

409 Gambar 21-2. Tembaga sudah digunakan sejak jaman pra sejarah.

Gambar 21-1. Sebagian besar logam ditemukan dalam bentuk bijih (gabungan logam dan bukan logam)

Tidak semua tembaga memiliki sifat yang sama. Sejumlah tembaga tertentu ternyata lebih keras dari yang lain dan memiliki kualitas yang lebih baik sebagai bahan untuk membuat peralatan dan senjata. Ini terjadi karena seringkali dalam bijih yang mengandung senyawa tembaga terdapat pula senyawa timah. Proses peleburan (smelting) dapat menghasilkan paduan antara tembaga dan timah yang disebut paduan perunggu. Perunggu bersifat lebih keras dari pada tembaga dan dapat diasah menjadi

410 sebuah sisi yang lebih tajam. Karena sifat-sifat ini, peralatan yang terbuat dari perunggu memiliki kualitas yang lebih baik dari pada yang terbuat dari tembaga. Sejak saat itu senjata yang terbuat dari perunggu menjadi alat perang yang sangat penting bagi manusia dan orang pun mulai hidup di Jaman Perunggu. Pada sekitar 3500 tahun SM beberapa bagian dunia telah mengenal peradaban dan pemicunya adalah proses peleburan (smelting) bijih tembaga.

Gambar 21-3. Matauang dari emas

Gambar 21-4. Ornamen dari emas

Jaman Perunggu diikuti oleh Jaman Besi. Besi memungkinkan untuk pembuatan sisi yang lebih tajam dari pada perunggu, sehingga merupakan bahan yang lebih baik untuk membuat peralatan dan senjata. Untuk waktu yang lama, orang belajar bagaimana meningkatkan kualitas besi dengan cara quenching (pendinginan secara cepat) yang menghasilkan logam yang keras dan rapuh, annealing (pendinginan secara lambat) yang menghasilkan logam yang lebih lunak dan mampu tempa serta penempaan/tampering (quenching diikuti oleh annealing). Besi tempa memiliki karakteristik paling baik, yaitu keras tetapi dapat dibentuk tanpa mengalami pecah. Di masa awal ditemukannya

411 proses peleburan, kualitas besi sangat beragam. Pedang yang terbuat dari besi kadang-kadang tidak dapat diandalkan ketajaman dan kekerasannya dan para tukang pelebur besi tidak tahu penyebabnya. Pada saat itu tidak ada penjelasan mengapa besi tertentu lebih kuat dari yang lain. Ketika secara kebetulan diperoleh sebatang besi yang bagus dan dibuat menjadi sebilah pedang yang hebat biasanya orang percaya bahwa itu terjadi karena kekuatan magis (ingat cerita tentang keris dan senjata sakti). Sebilah pedang yang baik harus cukup keras namun cukup lentur, dua sifat yang sulit diperoleh sekaligus. Ini dapat dilakukan dengan cara memanasi besi dan mendinginkannya secara cepat agar dapat dibentuk lapisan besi murni yang lentur dan lapisan paduan besi-karbon yang keras. Sementara para ahli metalurgi primitif menggunakan cara coba-coba (trial and error), para ahli metalurgi modern menggunakan mikroskop elektron untuk melakukan hal ini.

Gambar 21..5. Perunggu merupakan paduan tembaga dan timah

Besi memegang peranan yang sangat penting dalam Revolusi Industri yang terjadi di Inggris antara tahun 1780 dan 1860. Tanpa besi, tidak mungkin dapat dibuat mesin-mesin yang merupakan alat produksi masal untuk menghasilkan benda-benda yang semula dibuat dengan tangan. Besi juga merupakan bagian penting dalam revolusi transportasi di jaman itu dengan memungkinkan dibangunnya jaringan kereta api dan dibuatnya lokomotif serta gerbong-gerbong kereta api. Dewasa ini, besi dan paduan- paduannya tetap merupakan tulang-punggung teknologi kita. Hampir tak ada satupun produk teknologi kita yang tidak menggunakan unsur besi baik di dalam proses pembuatannya maupun sebagai bagian dari bahan produk itu sendiri.

412

21.2 LOGAM ALKALI DAN ALKALI TANAH Logam-logam Golongan 1 dan 2 dalam Susunan Berkala Logam alkali dan berturut-turut disebut logam-logam alkali dan alkali tanah karena alkali tanah logam-logam tersebut membentuk oksida dan hidroksida yang larut dalam air menghasilkan larutan basa. Logam-logam alkali dan alkali tanah disebut juga logam- logam blok-s karena hanya terdapat satu atau dua elektron pada kulit terluarnya. Elektron terluar ini menempati tipe orbital-s (sub kulit s) dan sifat logam-logam ini seperti energi ionisasi (IE) yang rendah, ditentukan oleh hilangnya elektron s ini membentuk kation. Golongan 1 Logam Alkali yang kehilangan satu elektron s1 terluarnya menghasilkan ion M+ dan Golongan 2 Logam Alkali Tanah yang kehilangan dua elektron s2 terluarnya menghasilkan ion M2+. Sebagai akibatnya, sebagian besar senyawa dari unsur-unsur Golongan 1 dan 2 cenderung bersifat ionik.

Logam Alkali

x Logam Alkali sangat reaktif, karena itu harus disimpan dalam minyak x Sifat yang umum dimiliki oleh logam alkali adalah sebagai konduktorpanas yang baik, titik didih tinggi, permukaan berwarbna abu-abu keperakan. x Atom logam alkali bereaksi dengan melepaskan 1 elektron membentuk ion bermuatan +1. Na o Na+ + 1 e-. Sususnan elektron dari 2.8.1 o 2.8, yang merupakan konfigurasi elektron gas mulia. x Sifat lain lain logam alkali, memiliki titik leleh rendah, densitas rendah, sangat lunak. x Kecenderungan golongan alkali dengan meningkatnya nomer atom adalah:

Titik leleh dan titik didih menurun Unsur lebih reaktif Ukuran Atom membesar (jari-jari makin besar) Densitas meningkat proportional dengan meningkatnya massa atom. Kekerasan menurun

x Jika dipanaskan diatas nyala api memberikan warna yang spesifik. Litium – merah, natrium – kuning, Kalium – lila/ungu, Cesium – biru.

413 Tabel data logam alkali Sifat\ simbol, Li Na K Rb Z 3 11 19 37 Cs Cesium Fr Francium nama Litium Sodium Potasium Rubidium 55 87 Titik leleh/oC 181 98 64 39 29 27 Titik didih/oC 1347 883 774 688 679 677 Densitas/gcm-3 0.53 0.97 0.86 1.48 1.87 >1.87 IE 513 496 419 403 376 400 pertama/kJmol-1 IE 7298 4562 3051 2632 2420 2100 kedua/kJmol-1 Jari-jari atom /pm 152 186 231 244 262 270 Jari-jari ionik 78 98 133 149 165 180 M+/pm Electronegativitas 0.98 0.93 0.82 0.82 0.79 0.70 Konfigurasi 2,1 2,8,1 2,8,8,1 2,8,18,8,1 2,8,18,18,8,1 2,8,18,32,18,8,1 elektron Konfigurasi [He]2s1 [Ne]3s1 [Ar]4s1 [Kr]5s1 [Xe]6s1 [Rn]7s1 elektron potensial -3.04V -2.71V -2.92V -2.92V -2.92V -2.92V Electroda M/M+ Simbol – warna Li - Na - Rb - K - ungu Cs - biru Fr – . nyala merah kuning merah

Logam Alkali Tanah

Dibandingkan dengan logam alkali pada periode yang sama :

x Titik leleh dan titik didih lebih tinggi, lebih keras, lebih kuat dan lebih padat. Hal ini disebabkan karena terdapat dua delokalisas elektron per ion dalam kristal yang memberikan gaya elektronik lebih besar dengan muatan ion . M2+ yang lebih tinggi. x Sifat kimia sangat mirip misalnya dalam pembentukan senyawa ionik tetapi berbeda dalam rumus dan reaktivitas lebih rendah karena energi ionisasi (IE) pertama lebih tinggi dan terdapatnya energi ionisasi kedua membentuk ion M2+ yang stabil x Bilangan oksidasi senyawa selalu +2 di dalam senyawa. o Dua elektron s terluar lepas. Sedangkan energi ionisasi ketiga sangat tinggi untuk membentu ion +3.

Golongan 2 yang stabil membentuk konfigurasi elektron gas mulia.

414 o Contoh : ion kalsium, Ca2+, is 2,8,8 or 1s22s22p63s23p6 atau [Ar] x Pada umumnya makin ke bawah dalam satu golongan nomer atom cenderung makin meningkat. x Energi Ionisasi pertama atau kedua menurun o Karena jari-jari atom makin besar akibat adanya ekstra kulit yang terisi. Elektron terluar sangat jauh dari inti sehinga tertarik lemah oleh inti sehingga lebih sedikit energi yang diperlukan untuk melepaskannya. o Potensial energi selalu meningkat dengan urutan . ... ke 3 > 2 > 1, karena muatan inti yang sama menarik sedikit elektron yang rata-rata lebih dekat dengan inti. TETAPI dengan catatan IE ke 2 untuk golongan 1, IE ke 3 untuk golongan 2 menunjukkan menunjukkan peningkatan yang luar biasa dibandingkan IE sebelumnya. x Jari-jari Atom atau ionik meningkat: o Disebabkan adanya kulit yang lebih banyak. o Jari-jari golongan 2 lebih kecil dari pada golongan 1.karena tarikan elektron dengan jumlah kulit yang sama. o Biasanya jari-jari ion holongan 2 M2+ lebih kecil dari pada golongan 1 M+ pada periode yang sama karena muatan inti meningkat. x Pada umumnya (tidak selalu) tistik didih dan titik leleh menurun o Disebabkan peningkatan jari-jari ion dan meningkatnya muatan . x Lebih reaktif karena makin ke bawah makin mudah membentuk ion. x Electronegativity cenderung menurun: x Pola rumus molekul: + 2- o Rumus umum dapat ditulis M2O atau rumus ionik (M )2O dimana M adalah Li sampai Fr atau Be samapai Ra.

Reaksi logam golongan s dengan oksigen

Oksida atau hidroksidanya merupakan padatan putih ionik.

Logam golongan 1 :

x 4M(s) + O2(g) o 2M2O(s) (perubahan redoks) o Perubahan tingkat Oksidasi: M adalah 0 ke +1, Oxygen is 0 ke -2 dalam ion okside O2-. + 2- x 4M(s) + O2(g) o 2(M )2O (s) o logam dioksidasi (0 ke +1), kehilangan electron , tingkat oksidasi meningkat o Molekul oksigen direduksi (0 ke -2), tingkat oxidasi menurun. x Oksidanya dilarutkan dalam air membentuk alkali hidroksida.

M2O(s) + H2O(l) o 2MOH(aq)

415 Tabel data logam alkali tanah Sifat\ simbol, Be Mg Ca Sr 4 12 20 38 Ba Barium Ra Radium nama Berilium Magnesium Calcium Stronsium 56 88 Titik leleh/oC 1278 649 839 769 729 700 Titik didih/oC 2970 1090 1484 1384 1637 1140 Densitas/gcm-3 1.85 1.74 1.55 2.54 3.51 5.0 IE 900 738 590 550 503 509? pertama/kJmol-1 IE kedua /kJmol-1 1757 1451 1145 1064 965 979 IE ketiga /kJmol-1 14848 7733 4910 4210 3600 3300 Jari-jari atom /pm 111 160 197 215 217 223 Jari-jari ionik 34 78 106 127 143 152 M2+/pm Electronegativitas 1.57 1.31 1.00 0.95 0.89 0.89 Konfigurasi 2,2 2,8,2 2,8,8,2 2,8,18,8,2 2,8,18,18,8,2 2,8,18,32,18,8,2 elektron Konfigurasi [He]2s2 [Ne]3s2 [Ar]4s2 [Kr]5s2 [Xe]6s2 [Rn]7s2 elektron potensial -1.97V -2.36V -2.84V -2.89V -2.92V -2.92V Electroda M/M2+ Ca – Simbol – warna Ba – hijau Be - Mg - merah Sr - Ra - nyala apel bata

+ 2- + - (M )2O (s) + H2O(l) o 2M (aq) + 2OH (aq) (bukan perubahan redoks)

x Kecuali Litium (anomali) oksida yang lebih tinggi dapat terbentuk misalnya : o 2M(s) + O2(g) o M2O2(s) [perubahan redoks, M (0 ke +1), O (0 ke -1)] x Menunjukkan pembentukan peroksida yang berwarnya oranye kekuningan oleh Na, K, Rb dan Cs x Mudah terhidrolisis dengan air membentuk hirogen peroksida

M2O2(s) + 2H2O(l) o 2MOH(aq) + H2O2(aq) (bukan perubahan redoks) Masing-masing oksigen dalam tingkat oksidasi -1 dalam 2- ion peroksida O2 x M(s) + O2(g) o MO2(s) menunjukkan pembentukan superoksida oleh K, Rb dan Cs. Perubahan bilangan oksidasi M adalah dari 0 ke +1

x 2MO2(s) + 2H2O(l) o 2MOH(aq) + H2O2(aq) + O2(g) (perubahan redoks)

416 o Perubahan tingkat oksidasi: M dan H tidak berubah (+1), 1 empat O berubah dari - /2 dalam ion superokside ke dua -1 dalam molekul peroksida dan dua pada nol dalam molekul oksigen. x Oksida dilarutkan dalam asam membentuk garam netral. o M2O(s) + 2HCl(aq) o 2MCl(aq) + H2O(l) memberikan garam klorida yang larut + 2- + + o (M )2O (s) + 2H (aq) o 2M (aq) + H2O(l) (bukan perubahan redoks) o M2O(s) + 2HNO3(aq) o 2MNO3(aq) + H2O(l) memberikan garam nitrat yang mudah larut o M2O(s) + H2SO4(aq) o M2SO4(aq) + H2O(l) memberikan garam sulfat yang mudah larut o M2O(s) + 2CH3COOH(aq) o 2CH3COOM(aq) + H2O(l) memberikan garam etanoat yang mudah larut

Logam Golongan 2 :

x 2M(s) + O2(g) o 2MO(s) (perubahan redoks) o Perubahan tingkat oksidasi M dari 0 ke +2, dan oksigen dari 0 ke -2. x Oksidanya, di luar Be, mudah larut dalam air membentuk hidroksida alakali yang meningkat kekuatan basanya dalam satu golongan ke bawah. o MO(s) + H2O(l) o M(OH)2(s=>aq) (bukan perubahan redoks) 2+ 2- o iM O (s) + H2O(l) o M(OH)2(s or aq) x Semua oksida basa mudah ternetralisir oleh asam. o MO(s) + 2HCl(aq) o MCl2(aq) + H2O(l) memberikan garam klorida yang mudah larut. 2+ 2- + 2+ o M O (s) + 2H (aq) o M (aq) + H2O(l) o MO(s) + 2HNO3(aq) o M(NO3)2(aq) + H2O(l) memberikan garam nitrat yang mudah larut. o MO(s) + H2SO4(aq) o MSO4(aq or s) or s) + H2O(l) memberikan garam sulfat yang sukar larut. o MO(s) + 2CH3COOH(aq) o (CH3COO)2M(aq) + H2O(l) memberikan garam etanoat x Beryllium oksida BeO bersifat amfotir dan larut dalam basa kuat seperti NaOH membentuk ion kompleks hydroxo beryllat o BeO(s) + 2NaOH(aq) + H2O(l) o Na2[Be(OH)4](aq) ( garam beryllat) 2+ 2- - 2- o Be O (s) + 2OH (aq) + H2O(l) o o [Be(OH)4] (aq) r

Reaksi logam-logam blok s dan air & sifat kimia hidroksidanya

x Reaksi logam golongan s dengan air x Oksida atau hidroksidanya merupakan padatan putih ionik.

417 + - Hidroksida Logam Golongan 1: 2M(s) + 2H2O(l) o 2M OH (aq) + H2(g) (perubahan redoks)

o Perubahan tingkat oksidasi: M dari 0 ke +1, satu H dalam air tetap, dan yang lain mengalami perubahan +1 ke 0 pada H2. o M = Li (lambat), Na (cepat), K (lebih cepat, menyala dengan hidrogen dengan warna lila) Rb, Cs, Fr (sangat eksplosif).

2H2(g) + O2(g) o 2H2O(l)

Hidroksida, MOH, adalah padatan ionik putih yang sangat larut (kecuali LiOH), basa kuat, semakin kuat dalam urutan menurun dalam golongan.

Hidroksida Golongan 1 larut dalam air memberikan larutan alkali, yang mudah ternetralisir dengan asam

MOH(aq) + HCl(aq) o MCl(aq) + H2O(l) memberikan garam klorida yang mudah larut

- + OH (aq) + H (aq) o H2O(l)

MOH(aq) + HNO3(aq) o MNO3(aq) + H2O(l) memberikan garam nitrat yang mudah larut

2MOH(aq) + H2SO4(aq) o M2SO4(aq) + 2H2O(l) memberikan garam sulfat yang mudah larut

MOH(aq) + CH3COOH(aq) o CH3COOM(aq) + H2O(l) memberikan garam etanoat yang mudah larut

Hidroksida Logam Golongan 2: M(s) + 2H2O(l) o M(OH)2(aq or s) + H2(g) (reaksi redoks)

o Menunjukkan perubahan hidroksida dan hidrogen dengan air dingin. 2+ - o M(s) + 2H2O(l) o M (aq) +2OH (aq) + H2(g) o Perubahan bilangan oksidasi, M adalah dari 0 ke +2, untuk H dalam air perubahans dari +1 ke 0 dalam H2. o M = Be (tidak bereaksi, anomali), Mg (reaksi sangat lambat), Ca, Sr, Ba (dari cepat ke sangat cepat). o Kecenderungan reaktivitas untuk Golongan 2, dan penjelasannya, adalah mirip dengan penjelasan di atas seperti untuk Golongan 1 Logam Alkali.

418 Magnesium hidroksida dan kalsium hidroksida (limewater) sedikit larut, tetapi kelarutannya meningkat dalam urutan menurun dalam satu golongan, jadi barium hidroksida cukup larut.

Seperti yang disebutkan sebelumnya, campuran magnesium oksida/hidroksida dan air kadang-kadang disebut susu magnesia (milk of magnesia) dan larutan jenuh aqueous kalsium hidroksida disebut air soda (limewater).

Jika logam dipanaskan dalam uap maka oksida akan terbentuk :

Misalnya Mg(s) + H2O(g) oMgO(s) + H2(g)

BUKAN percobaan yang akan kamu lakukan dengan Logam Alkali ! tetapi berilium memberikan sedikit reaksi.

Oksida terbentuk karena hidroksida tidak stabil secara thermal pada temperatur tinggi :

M(OH)2(s) o MO(s) + H2O(g)

Semua hidroksida adalah basa dengan meningkatnya kekuatan dalam urutan menurun dalam satu golongan dan dapat dinetralisasi dengan asam (bukan reaksi redoks). Magnesium hidroksida kurang larut dalam air, kelarutannya meningkat dalam urutan menurun dalam satu golongan.

M(OH)2(aq or s) + 2HCl(aq) o MCl2(aq) + 2H2O(l) memberikan garam klorida yang mudah larut*

- + - + Semua reaksi basa (OH ) – asam (H ) : OH (aq) + H (aq) o H2O(l)

2+ - + 2+ M (OH )2(s) + 2H (aq) o M (aq) + 2H2O(l)

M(OH)2(aq or s) + 2HNO3(aq) o M(NO3)2(aq) + 2H2O(l)

Memberikan gram nitrat yang mudah larut

M(OH)2(aq or s) + H2SO4(aq) o M2SO4(aq or s) + 2H2O(l)

Memberikan garam sulfat yang mudah larut

M(OH)2(aq or s) + 2CH3COOH(aq) o (CH3COO)2M(aq) + 2H2O(l)

Memberikan garam etanoat yang mudah larut

419 *Larutan kalsium hidroksida (limewater) dapat dititrasi dengan asam hidroklorida standard (burette, molaritas rendah) untuk menentukan kelarutannya. Normalnya menggunakan indikator phenolphthalein dan perubahan warna akhir dari pink ke tidak berwarna.

Golongan 2 hidroksida, M(OH)2, dalam satu golongan semakin ke bawah akan semakin larut :

Jika lebih atau kurang tidak larut, dapat dibuat dengan menambahkan larutan sodium/potassium hidroksida berlebih ke larutan garam yang mudah larut dari logam Golongan 2 logam misalnya :

CaCl2(aq) + 2NaOH(aq) o 2NaCl(aq) + Ca(OH)2(s)

MgSO4(aq) + 2KOH(aq) o K2SO4(aq) + Mg(OH)2(s)

Ba(NO3)2(aq) + 2NaOH(aq) o 2NaNO3(aq) + Ba(OH)2(s)

2+ - M (aq) + 2OH (aq) o M(OH)2(s) untuk semua Golongan 2 logam M

Semua hidroksida adalah serbuk putih atau endapan gelatin putih.

Beryllium hidroksida adalah amfoter (anomali golongan), karena sebagian dari reaksi di atas, jika dilarutkan dalam alkali kuat seperti sodium hidroksida ke bentuk garam ion kompleks-hidrokso disebut 'beryllat' misalnya :

Be(OH)2(s) + 2NaOH(aq) o Na2[Be(OH)4](aq) (tidak ada perubahan redoks)

- 2- Secara ionik : Be(OH)2(s) + 2OH (aq) o [Be(OH)4] (aq) menunjukkan bentuk ion kompleks

Reaksi logam blok s dengan asam

Logam Golongan 1 adalah sangat reaktif.

Logam Golongan 2, sebagian dari beryllium (yang lainnya anomali), dapat bereaksi dengan asam, dengan meningkatnya kekuatan dalam urutan menurun dalam satu golongan.

M(s) + 2HCl(aq) o MCl2(aq) + H2(g) (reaksi redoks) ke bentuk garam klorida yang mudah larut

420 + 2+ M(s) + 2H (aq) o M (aq) + H2(g)

perubahan tingkat oksidasi : satu M pada (0) dan dua H pada (+1) o satu M (+2) dan dua H pada (0)

logam teroksidasi, kehilangan elektron, keadaan oksidasinya meningkat, ion hidrogen tereduksi, elektron bertambah, keadaan oksidasinya berkurang berkurang

M(s) + 2HNO3(aq) o M(NO3)2(aq) + H2(g) ke bentuk garam nitrat yang mudah larut

Lihat pada prinsip, dan dengan Mg ini dan asam nitrat yang sangat larut, tetapi jarang hal ini mudah, ion nitrat dapat mudah direduksi ke gas nitrogen(IV) oksida coklat tua (nitrogen dioksida, - NO2) dan hasil lainnya, gas NO ? ion NO2 ?

M(s) + H2SO4(aq) o MSO4(aq or s) + H2(g) ke bentuk larut garam sulfat yang tidak mudah larut

Reaksi dari magnesium ke barium menjadi meningkat lebih pelan sedangkan sulfat menjadi kurang larut, hal ini akan melapisi logam, sehingga menghambat reaksi.

M(s) + 2CH3COOH(aq) o (CH3COO)2M(aq) + H2(g) ke bentuk garam etanoat

M(s) + 2CH3COOH(aq) o (CH3COO)2M(aq) + H2(g) memberikan garam etanoat yang larut

Reaksi ini lebih lambat dari pada sebelumnyakarena asam etanoat merupakan asam lemah(terisonisasi sekitar 2%).

Dalam larutan berair kation logam membentuk ion kompleks aquo.

n+ [M(H2O)6] (aq) jika n=1 untuk golongan 1 dan n=2 untuk golongan 2.

Sifat kimia garam klorida

Garam klorida merupakan padatan kristal putih atau tidak berwarna

Logam golongan 1 mudah bereaksi dengan halogen:

2M(s) + Cl2(g) r 2MCl(s) (reaksi redoks)

421 Produk garam , M+X-, padatan ionik kristal putih yang larut dalam air dan pH larutannya 7. Padatan kristal yang mempunyai titik leleh dan titik didih tinggi.

Padatannya bukan merupakan penghantar listrik tetapi lelehan atau larutannya dapat menghantar listrik.

Halogen mempunya bilangan oksidasi -1 oksidasi pada senyawa halida(ion X-)

Logam golongan 2 (kecuali Be) mudah bereaksi dengan halogen panas.

M(s) + Cl2(g) o MCl2(s)

2+ - Produk garam, M (X )2, sama dengan sifat sama dengan senyawa Golongan 1 M+X-

Sifat kimia karbonat

Karbonat dan hidrogenkarbonat merupakan padatan putih

Karbonat golongan 1 M2CO3: terbentuk pembentukan CO2 dalam larutan hidroksida berlebih

2MOH(aq) + CO2(g) o M2CO3(aq) + H2O(l)

- 2- 2OH (aq) + CO2(g) o CO3 (aq) + H2O(l)

Larut dalam air

Na2CO3.10H2O, dikenal sebagai soda pencuci. hydrogencarbonat Golongan 1 MHCO3: terbentuk pembentukan CO2 yang berlebihan dalam larutan hidroksida berlebih

Reaksi terjadi melalui tahap:

M2CO3(aq) + H2O(l) + CO2(g) o 2MHCO3(aq)

2- - CO3 (aq) + H2O(l) + CO2(g) o 2HCO3 (aq)

Padatan putih yang sedikit larut dalam air

o contoh 270 C: 2NaHCO3(s) o Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

422 sodium hydrogencarbonat ('sodium bicarbonate' atau 'baking soda') digunakan untuk pembuatan kue.

Karbonat dan hydrogencarbonat Golongan 1 mudah ternetralisasi oleh asam:

M2CO3(aq) + 2HCl(aq) o 2MCl(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam klorida yang larut

2- + CO3 (aq) + 2H (aq) o H2O(l) + CO2(g)

M2CO3(aq) + 2HNO3(aq) o 2MNO3(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam nitrat yang larut

M2CO3(aq) + H2SO4(aq) o M2SO4(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam sulfat yang larut

M2CO3(aq) + 2CH3COOH(aq) o CH3COOM(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam etanoat yang larut

MHCO3(aq) + HCl(aq) o MCl(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam klorida yang larut

- + HCO3 (aq) + H (aq) o H2O(l) + CO2(g)

MHCO3(aq) + HNO3(aq) o MNO3(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam nitrat yang larut

2MHCO3(aq) + H2SO4(aq) o M2SO4(aq) + 2H2O(l) + CO2(g) memberikan garam sulfat yang larut

MHCO3(aq) + CH3COOH(aq) o CH3COOM(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam etanoat yang larut

Karbonates Golongan 2 MCO3: terbentuk pembentukan CO2 dalam larutan hidroksida berlebih atau berupa bubur, tetapi berilium karbonat tidak stabil.

M(OH)2(aq) + CO2(g) o MCO3(s) + H2O(l)

Jika M = Ca, reaksi pada air kapur positif jika terdapat CO2 hydrogencarbonat M(HCO3)2 terbentuk jika Golongan 2 bereaksi dengan CO2 dalam larutan hidroksida berlebih atau berupa bubur

MCO3(s) + H2O(l) + CO2(g) o M(HCO3)2(aq)

423 Karbonat Golongan 2 MCO3 mudah ternetralisir dengan asam membentuk garam, air CO2

MCO3(s) + 2HCl(aq) o MCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam klorida yang larut

2+ 2- + 2+ M CO3 (s) + 2H (aq) o M (aq) + H2O(l) + CO2(g)

MCO3(s) + 2HNO3(aq) o M(NO3)2(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam nitrat yang larut

MCO3(s) + H2SO4(aq) o M2SO4(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam sulfat yang larut

MCO3(s) + 2CH3COOH(aq) o (CH3COO)2M(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam etanoat yang larut

kation\ oksida hidroksida karbonat hidrogenkarbonat 2- - 2- - anion O OH CO3 HCO3

Rumus M2O MOH M2CO3 MHCO3 turunan + 2- + - + 2- + - dari kasi (M )2O M OH (M )2CO3 M HCO3 gol. 1 M+

Rumus MO M(OH)2 MCO3 M(HCO3)2 turunan dari 2+ 2- 2+ - 2+ 2- 2+ - kation M O M (OH )2 M CO3 M (HCO3 )2 gol. 2 M2+

kation\ halida nitrata(V) sulfate(VI) etanoat - - 2- - anion X NO3 SO4 CH3COO 2- Rumus MX MNO3 M2SO4 CH3COOM turunan dari + - + - + 2- - + kation gol. 1 M X M NO3 (M )2SO4 CH3COO M M+

Rumus MX2 M(NO3)2 MSO4 (CH3COO)2M turunan dari 2+ - 2+ - 2+ 2- - 2+ kation gol. 2 M (X )2 M (NO3 )2 M SO4 (CH3COO )2M M2+

424 21.3 BIJIH LOGAM

Kulit bumi mengandung banyak batu-batuan yang berbeda. Batuan adalah campuran mineral dimana dari beberapa batuan tersebut Bijih logam dan dapat dibuat senyawa-senyawa yang bermanfaat. Mineral Mineral dapat berupa padatan logam atau nonlogam atau senyawa yang ditemukan secara alami di kulit bumi.

Bijih logam adalah mineral atau campuran mineral yang dapat diekstrak. Bijih logam biasanya berupa oksida, karbonat dan sulfida. Kesemuanya merupakan sumber daya yang terbatas jadi harus digunakan secara bijaksana.

Untuk mengekstrak logam, bijih atau senyawa logam harus mengalami proses reduksi (misalnya, ion logam positif menerima elektron negatif untuk membentuk atom logam netral, atau oksida yang kehilangan oksigen, untuk membentuk atom logam bebas).

Senyawa yang kehilangan oksigen dari oksidanya disebut agen pereduksi misalnya karbon,karbon monoksida atau kadang-kadang hidrogen.

Umumnya metode ekstraksi tergantung pada posisi logam dalam deret reaktivitas.

x Deret reaktivitas logam meliputi dua nonlogam, karbon dan hidrogen, untuk membantu memprediksi metode mana yang digunakan untuk mengekstrak logam.

Deret: rendah Pt Au Ag Cu (H) Pb Sn Fe Zn (C) Al Mg Ca Na K tinggi.

o Aturan: Unsur-unsur yang lebih tinggi dalam deretdapat menggantikan unsur-unsur lain yang lebih rendah.

Logam di atas seng dan karbon dalam deret reaktivitas biasanya tidak dapat diekstrak dengan karbon atau karbon monoksida. Logam tersebut biasanya diekstrak dengan elektrolisis lelehan bijih logam yang dimurnikan atau senyawa lain yang sesuai.

o Misalnya, aluminium dari lelehan oksida aluminium atau natrium dari lelehan natrium klorida. o Bijih logam atau senyawa harus dilelehkan atau dilarutkan dalam larutan dalam sel elektrolisis untuk mengalirkan ion (arus listrik).

425 Logam di bawah karbon dapat diekstrak dengan memanaskan oksida dengan karbon atau karbon monoksida. Unsur nonlogam karbon akan menggantikan logam yang kurang reaktif dalam smelter atau blast furnace misal besi atau seng dan logam yang lebih rendah dalam deret. Logam di bawah hidrogen tidak akan menggantikan hidrogen dari asam. Oksidanya mudah direduksi menjadi logam dengan pemanasan dalam aliran hidrogen, meskipun metode ekstraksi ini sangat jarang digunakan dalam industri. Faktanya hampir semua logam oksida di bawah karbon dapat direduksi ketika dipanaskan dalam hidrogen, meskipun logam direaksikan dengan asam. Beberapa logam sangat tidak reaktif sehingga tidak dapat dikombinasikan dengan oksigen di udara atau unsur lain yang ada di kulit bumi, dan ditemukan sebagai logam itu sendiri. Contohnya emas (dan kadang-kadang tembaga dan perak) dan tidak dibutuhkan pemisahan kimia atau ekstraksi. Faktanya semua logam di bawah hidrogen dapat ditemukan sebagai unsur ‘bebas’ atau ‘asli’. Metode-metode lain dibutuhkan dalam kasus khusus menggunakan aturan penempatan (displacement rules). Logam yang lebih reaktif dapat digunakan untuk menggantikan dan mengekstrak logam yang kurang reaktif. Kadang-kadang elektrolisis digunakan untuk memurnikan logam yang kurang reaktif yang awalnya telah diekstrak menggunakan karbon atau hidrogen (misal tembaga an seng). Kebutuhan untuk material mentah mempunyai impikasi sosial, ekonomi dan lingkungan misal konservasi sumber mineral dengan mendaur ulang logam, mengurangi polusi, dsb. Reaktivitas adalah ukuran mudahnya pembentukan senyawa dan stabilitas (misal lebih reaktif, lebih mudah membentuk senyawa stabil, lebih sulit untuk mereduksi logam).

o Logam yang paling tidak reaktif seperti emas, perak dan tembaga telah digunakan selama 10000 tahun yang lalu karena logam murni tersebut telah ditemukan secara alami. o Logam yang sedikit reaktif seperti besi dan timah telah diekstrak menggunakan karbon berbasis smelting selama 2000-3000 tahun yang lalu. o Tetapi dalam 200 tahun terakhir ini logam yang sangat reaktif seperti natrium atau aluminium telah diekstrak dengan elektrolisis.

21.3.1 Ekstraksi Besi

Bijih oksida besi ditambang di berbagai bagian dunia. Bijih besi dan Contohnya haematite Fe2O3 dan magnetite Fe3O4. ekstraksi besi Campuran padatan bijih haematite, coke dan limestone secara kontinu dimasukkan ke dalam blast furnace.

426 Coke dibakar di dasar dan udara panas ditiupkan untuk membakar coke (karbon) untuk membentuk karbon dioksida dalam reaksi oksidasi (C menerima O). Energi panas dibutuhkan dalam reaksi eksotermik untuk meningkatkan suhu blast furnace hingga di atas 1000 oC untuk mempengaruhi reduksi bijih logam.

o karbon + oksigen o karbon dioksida o C(s) + O2(g) o CO2(g)

Pada suhu tinggi terbentuk karbon dioksida, bereaksi dengan coke (karbon) lain untuk membentuk karbon monoksida

o karbon dioksida + karbon o karbon monoksida o CO2(g) + C(s) o 2CO(g) o (catatan: CO2 tereduksi dengan kehilangan O, C teroksidasi dengan menerima O)

Karbon monoksida adalah molekul yang benar-benar mengusir oksigen dari bijih besi oksida. Ini adalah reaksi reduksi 3+ (Fe2O3 kehilangan O, atau Fe menerima tiga elektron untuk membentuk Fe) dan CO dikenal sebagai agen pereduksi (pengusir O dan teroksidasi dalam proses). Logam besi dilelehkan pada suhu blast furnace tinggi dan menetes ke dasar blast furnace. Reaksi reduksi utama adalah ...

o Besi (III) oksida + karbon monoksida o besi + karbon dioksida o Fe2O3(s) + 3CO(g) o 2Fe(l) + 3CO2(g) o Catatan, dalam kedua reaksi di atas, oksidasi dan reduksi selalu terjadi bersamaan!

Reaksi reduksi bijih logam yang lain adalah …

Besi (III) oksida + karbon o besi + karbon monoksida

Fe2O3(s) + 3C(g) o 2Fe(l) + 3CO(g) atau besi (III) oksida + karbon o besi + karbon dioksida

2Fe2O3(s) + 3C(g) o 4Fe(l) + 3CO2(g)

Bijih logam asli mengandung acidic mineral impurities seperti silika (SiO2, silikon dioksida). Ini bereaksi dengan kalsium karbonat

427 (limestone) untuk membentuk molten slag missal dari kalium silikat.

o kalsium karbonat + silika o kalsium silikat + karbon dioksida o CaCO3 + SiO2 o CaSiO3 + CO2 o Kadang-kadang ditunjukkan dalam dua langkah:

CaCO3 o CaO + CO2 CaO + SiO2 o CaSiO3 Molten slag membentuk lapisan di atas lelehan besi yang lebih padat dan keduanya dapat dipisahkan, dan biasanya, disalurkan ke luar. Besi didinginkan dan dicetak ke dalam pig iron ingots atau ditransfer langsung ke furnace penghasil baja. Limbah gas dan debu dari blast furnace harus diperlakukan dengan baik untuk menghindari polusi lingkungan.

o karbon monoksida yang sangat beracun dapat dibakar untuk menghasilkan sumber energi panas, dan dalam reaksi eksoterm dikonversikan menjadi karbon dioksida yang tidak berbahaya.

karbon monoksida + oksigen o karbon dioksida

2CO(g) + O2(g) o 2CO2(g)

o Gas asam seperti sulfur dioksida dari bijih sulfida, dapat dihilangkan dengan bubbling melalui larutan alkali seperti kalsium hidroksida ('limewater') yang dinetralkan dan dioksidasi menjadi kalsium sulfat yang tidak berbahaya. Pembersihan gas dengan cara ini disebut 'gas scrubbing'. o Air yang terkontaminasi harus dibersihkan dari bahan kimia berbahaya sebelum dilepaskan ke sungai atau didaur ulang melalui water treatment plant. o waste slag digunakan untuk konstruksi jalan atau menimbun galian sehingga dapat ditanami.

Besi dari blast furnace baik untuk obyek cast iron yang sangat keras tetapi terlalu rapuh untuk aplikasi lainnya karena kandungan karbon dari coke-nya terlalu tinggi. Jadi dikonversikan menjadi steel alloy untuk range yang lebih luas.

Material mentah:

bijih besi misal bijih haematite [besi (III) oksida, Fe2O3] coke (karbon, C) udara panas (untuk O2 di dalamnya) limestone (kalsium karbonat, CaCO3)

428 21.3.2 Ekstraksi Aluminium

Aluminium diperoleh dari mineral bauksit Pemurnian bijih bauksit dari aluminium oksida dilakukan Bijih aluminium secara kontinyu. Cryolite ditambahkan dalam titik leleh yang lebih dan ekstraksi rendah dan melarutkan bijih. aluminium Ion-ion harus bebas bergerak menuju elektroda yang disebut katoda (elektroda negatif) yang menarik ion positif, misalnya Al3+ dan anoda (elektroda positif) yang menarik ion negatif, misalnya O2- Ketika arus DC dilewatkan melalui plat aluminium pada katoda (logam) maka aluminium akan diendapkan di bagian bawah tangki. Pada anoda, gas oksigen terbentuk (non-logam). Ini menimbulkan masalah. Pada suhu yang tinggi dalam sel elektrolit, gas oksigen akan membakar dan mengoksidasi elektroda karbon menjadi gas beracun karbon monoksida atau karbon dioksida. Sehingga elektrode harus diganti secara teratur dan gas buang dihilangkan. Hal tersebut merupakan proses yang memerlukan biaya relatif banyak (6x lebih banyak dari pada Fe) karena dalam proses ini membutuhkan energi listrik yang mahal dalam jumlah yang banyak. Dua aturan yang umum :

o logam dan hidrogen (dari ion positif), terbentuk pada elektroda negatif (katoda). o Non-logam (dari ion negatif), terbentuk pada elektroda positif (anoda).

429 Bijih bauksit dari aluminium oksida tidak murni (Al2O3 terbentuk dari ion Al3+ dan ion O2-). Karbon (grafit) digunakan sebagai elektroda. Cryolite menurunkan titik leleh bijih dan menyimpan energi, karena ion-ion harus bergerak bebas untuk membawa arus. Elektrolisis adalah penggunaan energi listrik DC yang megakibatkan adanya perubahan kimia, misalnya dekomposisi senyawa untuk membentuk endapan logam atau membebaskan gas. Adanya energi listrik menyebabkan suatu senyawa akan terbelah. Sebuah elektrolit menghubungkan antara anoda dan katoda. Sebuah elektrolit adalah lelehan atau larutan penghubung dari ion-ion yang bergerak bebas yang membawa muatan dari sumber arus listrik.

Proses reaksi redoks yang terjadi pada elektroda :

Pada elektroda negatif (katoda), terjadi proses reduksi (penagkapan elektron) dimana ion aluminiun yang bermuatan positif menarik elektron. Ion aluminuim tersebut menangkap tiga elektron untuk mengubah ion aluminuim menjadi atom aluminium dalam keadaan netral.

Al3+ 3e- o Al

Pada elektroda positif (anoda), terjadi proses oksidasi (pelepasan elektron) dimana ion oksida negatif melepaskannya. Ion oksida tersebut melepaskan dua elektron dan membentuk molekul oksigen yang netral.

- - 2O2 o O2 + 4e

2- - Atau 2O - 4e o O2

Catatan : reaksi oksidasi maupun reduksi terjadi secara bersama-sama. Reaksi dekomposisi secara keseluruhan adalah :

430 Aluminium oksida o aluminium + oksigen

2 Al2O3 o 4Al + 3O2

Dan reaksi diatas merupakan reaksi yang sangat endotermis, banyak energi listrik yang masuk.

21.3.3 Ekstraksi dan Pemurnian Seng

Seng diekstraksi dari seng blende/sphalerite (seng sulfide) Bijih seng dan atau calamine/Smithsonite (seng karbonat). ekstraksi seng (1) Seng sulfide dibakar di udara untuk menghasilkan seng oksida.

2ZnS(s) + 3O2(g) o 2ZnO(s) + 2SO2(g) Catatan: calamine dapat digunakan secara langsung dalam lelehan seng karena dalam pemanasannya akan menghasilkan seng oksida.

ZnCO3(s) o ZnO(s) + CO2(g) (dekomposisi termal endotermik)

(2) Seng oksida tidak murni dapat dihilangkan dalam dua cara untuk mengekstrak seng : (a) Seng oksida di baker dalam smelting furnace dengan karbon (batu karang, agent pereduksi) dan limestone (untuk menghilangkan pengotor asam). Reaksi kimia hampir sama dengan besi dari blast furnace.

o C(s) + O2(g) o CO2(g) (sangat oksidasi eksotermik, meningkatkan temperature) o C(s) + CO2(g) o 2CO(g) (C dioksidasi, CO2 direduksi) o ZnO(s) + CO(g) o Zn(l) + CO2(g) (seng oksida direduksi oleh CO, Zn kehilangan O) o Atau reduksi langsung oleh karbon : ZnO(s) + C(s) o Zn(l) + CO(g) (ZnO direduksi, C dioksidasi) o Karbon monoksida bertindak sebagai agent pereduksi yaitu menghilangkan oksigen dari oksida. o Seng tidak murni kemudian didistilasi frasional dari campuran ampas biji dan logam lainnya seperti timah dan cadmium yang keluar dari pembakaran tinggi pada atmosfer yang kaya akan karbon monoksida dimana menghentikan seng dioksidasi kembali menjadi seng oksida. o Ampas biji dan timah (dengan logam lainnya seperti cadmium) dari dua lapisan dapat ditahan pada dasar furnace. o Seng kemudian dapat dimurnikan lebih lanjut melalui distilasi fraksional ke 2 atau dengan dilarutkan ke dalam larutan asam sulfat dan dimurnikan secara elektrolit seperti yang digambarkan sebelumnya

431 (b) Tahapan yang ke dua

o (i) Dilarutkan dan dinetralisasi dengan larutan asam sulfat untuk menghasilkan larutan tidak murni seng sulfat. o ZnO(s) + H2SO4(aq) o ZnSO4(aq) + H2O(l) o Atau menggunakan calamine/seng karbonat:

ZnCO3(s) + H2SO4(aq) o ZnSO4(aq) + H2O(l)+ CO2(g)

o (ii) Seng murni dihasilkan dari larutan melalui elektrolisis. Seng akan dapat terendapkan pada seng murni elektroda negative (katoda) dengan jalan yang sama tembaga dapat dimurnikan. Elektroda lainnya, harus inert, untuk percobaan laboratorium, karbon (grafit) dapat digunakan dan oksigen terbentuk.

2+ - Zn (aq) + 2e o Zn(s) Proses reduksi, electron terbentuk, sebagai logam seng yang terendapkan pada elektroda (-). Padatan seng oksida tidak dapat digunakan secara langsung karena tidak larut dan ion harus bebas untuk membawa arus dan pindah ke elektroda pada bagian lain larutan. Lebih jelasnya sistem elektrolisis digunakan, lihat pemurnian tembaga (hanya menukar Zn untuk Cu pada metoda/diagrktif) Harap dicatat: Pada produksi industri seng dengan elektrolisis (disebut elektro-winning) katoda negative (-) dibuat dari aluminium (Al, dimana seng terendapkan) dan elektroda positif(+) dibuat dari campuran timah-perak (Pb-Ag, dimana oksigen terbentuk). Kenapa elektroda ini digunakan dalam proses eletrowinning saya tidak yakin, tetapi aluminium tidak reaktif sehingga efektif inert, timah dan perak juga memiliki keaktifan rendah, tetapi

21.3.4 Ekstraksi Elektrolit Natrium

Natrium, sama seperti banyak logam reaktif lainnya, dapat Ekstraksi Natrium diektrak dengan eletrolisis dari lelehan klorida. Hal ini dapat dilakukan pada ‘Sel Down’s’ terlihat dalam diagram.

Ion natrium positif berpindah menuju elektroda katoda negative dan direduksi dengan bertambahnya electron untuk membentuk larutan atom natrium.

Na+ + e- o Na

432 Ion negative klorida berpindah menuju elektrona anoda positif dan dioksidasi dengan kehilangan electron membentuk molekul gas klorida.

- - 2Cl o Cl2 + 2e

RINGKASAN

x Logam dapat diambil dari mineralnya melalui elektrolisis, reduksi mineral Karbon dengan pemanasan, penggantian logam yang lebih elektronegatif atau dekomposisi dengan pemanasan. x Pemilihan metode ekstraksi tergantung pada kebutuhan energi selama proses, biaya dan kebutuhan logam lain sebelum digunakan.

x Hematite Fe2O3, magnetite Fe3O4 dan besi sulfida FeS merupakan mineral-mineral besi.

x Bijih Aluminium mengandung bauksit Al2O3.2H2O. x Titanium diekstraksi dari rutil TiO2 dan ilmenit FeTiO3.

LATIHAN SOAL

Pilihan untuk mengisi titik : +1 1 14 7 Na2O NaCl NaOH alkali chlor dingin tid ak berwarna tidak berwarna densitas bawah ledakan lebih cepat berisik flame terapung terapung hijau hidrogen hidrogen hidroksida ionik litium rendah lebih rendah meleleh lebih ungu natrium lunak umum putih

Unsur-unsur dalam golongan………dalam tabel periodik dikenal sebagai logam ………..karena dapat membentuk oksida yang dilarutkan dengan air embentuk larutan alkali.

433 Unsur tersebut mempunyai titik …………rendah dan adatannya sangat...... Unsur golongan tersebut bereaksi dengan non logam seperti oksigen dan ……….membentuk senyawa yang mengandung ion logam yang bermuatan …….. Garam klorida ini merupakan padatan……yang dilarutkan dalam air membentuklarutan dengan pH …….. Oxidanya larut di dalam air membentuk larutan hidroksida dengan pH antara ……… dan …….. Logam alkali bereaksi eksotermis dengan air melepaskan ……… dan membentuk larutan alkali hidroksida.

Pilihan untuk mengisi titik : air aluminium aluminium bauksit dibakar karbon kimia jelaga pemekatan kriolit dekomposisi dioksida listrik elktrolisis eksotermis bebas emas hematit tinggi ion besi lebih kecil kapur lelehan monoksida lebih negatif oksidasi oksida oksigen posisi positif murni reaktif reactivity redoks reduksi pengambilan digantikan sulfat

Kerak bumi mengandung logam dan persenyawaannya yang selalu ditemukan bercampu dengan zat lain. Material padatan bahan baku yang digunakan dalam blast furnace adalah besi yang disebut ………….., bahan baker dan zat pereduksi ...... dan batu kapur. Ke 4 material baku adalah ………………….panas (supply oksigen) dialirkan ke daam furnace yang menyebabkan terbentuknya …………. Dan melepaskan energi (reaksi ………………….). Pada temperatur tinggi dalam furnace karbon dioksida bereaksi dengan coke atau jelaga membentuk ……………. Logam reaktif seperti aluminium diekstrak melalui elektrolisis. Dimana substansi yang dibust dari …………….dilarutkan dalam air atau………….yan dapat terpecah membentuk ……… melalui aliran arus. Bahan baku untuk memproduksi aluminium adalah ……………….. yang dimurnikan dari bijih aluminium yang disebut……………

Tembaga dapat dimurnikan melalui elektrolisis menggunakan elektoda positif yang terbuat dari tembaga …………….. dan elektroda negative tembaga ………….

434 DAFTAR PUSTAKA

Nicholls L., Ratcliffe, M., (2000), Chemistry, 1st Ed., Collins Advanced Modular Sciences, London.

Ratcliff, B., Eccles, H., Johnson D., Nicholson, J., Raffan, J. (2002), Chemistry 1, 2nd Ed., Cambridge Advances, Sciences, Cambridges University Press, Cambridge.

Ratcliff, B., Eccles, H., (2001), Chemistry 2, 1st Ed., Cambridge Advances, Sciences, Cambridges University Press, Cambridge.

Brown, L. S., Holme, T. A., (2006), Chemistry for Engineering Students, Thomson Books/Cole, Canada.

434 KUDP"ZZZ/ZZZ/ZZZ/Z

Dwmw"kpk"vgncj "f kpknck"qngj "Dcf cp"Uvcpf ct"Pcukqpcn"Rgpf kfkmcp"*DUPR+"f cp"vgncj " fkp{cvcmcp"nc{cm"ugdci ck"dwmw" vg mu" r gnclctcp"dgtf cuctmcp"Rgtcvwtcp"Ogpvgtk" Rgpf kfkmcp"Pcukqpcn"Pqo qt"68"Vcj wp"4229"vcpi i cn"7"Fgugo dgt"4229"vgpvcpi " Rgpgvcr cp"Dwmw" Vg mu"Rgnclctcp"{cpi "Ogo gpwjk"U{ ctcv"Mgnc{cmcp"wpvwm"Fkiw/ pcmcp"f cnco "Rtqugu"Rgo dgnclctcp0

J GV"*J cti c"Gegtcp"Vgtvkpiik+"T r 0"90:::.22