e-Learning Sekolah Menengah Kejuruan

KIMIA
Untuk
SEKOLAH MENENGAH KEJURUAN
Ratna Ediati
Didik Prasetyoko
Lukman Atmaja
Irmina Kris Murwani
Hendro Juwono
Ratna Ediati
Didik Prasetyoko
Lukman Atmaja
Irmina Kris Murwani
Hendro Juwono
KIMIA
Untuk SMK
Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan
i Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah
Direktorat Jenderal
Departemen Pendidikan Nasional
Hak Cipta pada Departemen Pendidikan Nasional
Dilindungi Undang-undang
KIMIA
Untuk SMK
Penulis
Ilustrasi, Tata Letak
Perancang Kulit
: Ratna Ediati
Didik Prasetyoko
Lukman Atmaja
Irmina Kris Murwani
Hendro Juwono
:
:
Ukuran Buku
:
410
EDI
k
EDIATI,Ratna, Didik Prasetyo, Lukman Atmaja,Irmina Kris
Murwani, Hendro Juwono.
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
ii
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 sebaikbaiknya. 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
iv
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
6.3
6.4
6.5
6.6
7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
7.10
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
8.10
8.11
9
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
10
10.1
10.2
10.3
10.4
Pengelompokan Koloid ............................................... 109
Sifat-Sifat Koloid ......................................................... 110
Koloid Liofil dan Koloid Liofob ................................. 112
Pemisahan Koloid ........................................................ 115
Pembuatan Kolid ......................................................... 117
KESETIMBANGAN ................................................... 121
Definisi .......................................................................... 122
Karakteristik keadaan kesetimbangan ...................... 123
Macam-macam Sistem Kesetimbangan..................... 124
Konstanta Kesetimbangan .......................................... 124
Hukum Guldberg dab Wange .................................... 125
Beberapa Hal yang Harus Diperhatikan ................... 126
Azas Le Chatelier......................................................... 128
Faktor-faktor yang Dapat Menggeser Letak
Kesetimbangan............................................................. 130
Hubungan Antara Harga Kc Dengan Kp.................. 133
Dissosialisasi ................................................................. 136
TERMOKIMIA ........................................................... 141
Definisi .......................................................................... 141
Pengukuran Energi dalam Reaksi Kimia .................. 143
Panas Reaksi dan Termokimia ................................... 144
Entalpi (H) dan Perubahan Entalpi (∆H).................. 146
Istilah yang Digunakan pada Perubahan Entalpi .... 147
Hukum Hess mengenai jumlah panas ....................... 148
Panas Pembentukan .................................................... 153
Keadaan Standard ....................................................... 154
Kapasitas panas dan panas spesifik ........................... 157
Kalorimetri ................................................................... 157
Energi Ikatan Dan Entalphi Reaksi ........................... 158
ELEKTROKIMIA....................................................... 167
Reaksi Redoks .............................................................. 168
Harga Bilangan Oksidasi ............................................ 170
Langkah-langkah penyetaraan reaksi redoks .......... 170
Penyetaraan persamaan reaksi redoks ...................... 171
Perbedaan Oksidasi Reduksi ...................................... 172
Sel Elektrokimia .......................................................... 173
KINETIK KIMIA ........................................................ 193
Definisi Laju Reaksi .................................................... 194
Hukum Laju ................................................................. 196
Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi
....................................................................................... 196
Teori Tumbukan .......................................................... 202
ii
10.5
11
11.1
11.2
11.3
12
12.1
13
13.1
13.2
13.3
14
14.1
14.2
14.3
14.4
15
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
16
16.1
16.2
16.3
17
17.1
17.2
17.3
17.4
17.5
18
18.1
18.2
19
19.1
19.2
19.3
19.4
Orde Reaksi .................................................................. 204
KIMIA RADIASI ........................................................ 209
Penemuan Keradioaktifan .......................................... 210
Sinar-sinar Radio Aktif ............................................... 211
Penggunaan Radioisotop ............................................. 212
SENYAWA KARBON ................................................ 221
Dasar-dasar Kimia Organik ....................................... 221
ASAM, BASA DAN BUFFER .................................... 249
Definisi-definisi Asam dan Basa ................................. 253
Kekuatan Asam dan Basa ........................................... 257
Larutan Buffer ............................................................. 259
BATUBARA ................................................................. 267
Klasifikasi Batubara .................................................... 277
Tambang Batubara dan Lingkungan Hidup ............ 280
Kegunaan Batubara .................................................... 281
Evomium....................................................................... 283
POLIMER .................................................................... 287
Definisi .......................................................................... 287
Klasifikasi ..................................................................... 288
Reaksi Polimerisasi ...................................................... 288
Pengolahan Polimer ..................................................... 292
Sifat Polimer ................................................................. 293
Kegunaan dan Dampak Polimer Terhadap Lingkungan
....................................................................................... 294
PLASTIK ...................................................................... 297
Definisi .......................................................................... 297
Jenis-jenis Utama Plastik ............................................ 298
Cara Pembuatan Plastik ............................................. 304
DETERGEN ................................................................. 307
Definisi .......................................................................... 307
Sifat Fisi dan Kimia Detergen .................................... 309
Pembuatan .................................................................... 309
Komposisi Detergen ..................................................... 310
Bahan Tambahan dalam Detergen ............................ 310
CAT ............................................................................... 315
Klasifikasi Cat .............................................................. 315
Kegunaan Cat .............................................................. 318
MINYAK BUMI .......................................................... 319
Pendahuluan................................................................. 319
Komposisi Minyak Bumi............................................. 319
Fraksi Minyak Bumi ................................................... 322
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
iv
1 MATERI DAN WUJUDNYA
Standar Kompetensi
Kompetensi Dasar
Mengelompokkan sifat materi
Memahami konsep materi dan
perubahannya
Mengelompokkan perubahan
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
1.1
Materi
berhubungan
dengan massa dan
ruang
Gambar 1.1 Tabung LPG
Materi
Materi adalah material fisik yang menyusun alam, yang bisa diartikan
sebagai segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang.
Materi dapat berbentuk gas, cair, dan padat.
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.
1
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
Unsur
Senyawa
Disusun oleh
satu jenis
atom
Disusun oleh
lebih dari satu
jenis atom
oksigen,
nitrogen
Karbon dioksida,
air, gula, garam
Campuran
Mempunyai komposisi yang
dapat dipisahkan secara fisika
(dipanaskan, diayak)
Homogen
Heterogen
Mempunyai
komposisi dan
sifat yang
seragam pada
setiap bagian
campuran
Mempunyai
komposisi dan
sifat yang
bervariasi pada
setiap bagian
campuran
Gula dan air,
aseton dan air,
udara, dll
Gula dan pasir,
pasir dan semen,
nasi campur
(nasi, lauk, dll)
Gambar 1.2 Skema klasifikasi materi
Substansi murni :
materi yang mempunyai sifat dan komposisi tertentu.
Sifat fisika dan
kimia untuk
klasifikasi materi
Unsur :
substansi murni yang tidak dapat dipisahkan menjadi sesuatu yang
lebih sederhana, baik secara fisika maupun kimia, mengandung satu
jenis atom.
Contoh: hidrogen, oksigen.
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.
2
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
¾
1.2
Terdiri dari unsur apakah penyusun kursi yang Anda duduki?
Cari benda di sekitar Anda, dan perkirakan unsur penyusunnya!
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
Sifat fisika
Perubahan fisika
™ Suhu
™ Massa
™ Warna
™ Bau
™ Titik didih
™ Kelarutan
™ Berat jenis
™ Kekerasan
™ Kelistrikan
Contoh
Air untuk mandi 40°C
5 gram Nikel
Belerang kuning
H2S busuk
Air pada 100°C
NaCl larut dalam air
Air 1 gram/mililiter
Intan sangat keras
Besi menghantar listrik
Substansi
™ Besi (Fe)
Sifat kimia
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
¾
¾
Hujan asam
Besi meleleh oleh panas
Gas alam dibakar
Gambar 1.5 Pelelehan besi
Gambar 1.6 Pembakaran gas alam
1.3
Padat, cair dan gas
merupakan wujud
dari materi
Wujud materi
Setiap saat, kita berinteraksi dengan benda-benda di sekitar
kita seperti udara, air, dan bangunan. Benda-benda tersebut
mempunyai wujud yang berbeda-beda, dan dikelompokkan sebagai
gas, cair dan padat. Setiap kelompok mempunyai ciri-ciri dan sifatsifat 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
Nitrogen
Oksigen
Argon
Karbon Dioksida
Neon
Helium
Metana
Kripton
Hidrogen
Dinitrogen oksida
Xenon
N2
O2
Ar
CO2
Ne
He
CH4
Kr
H2
N2O
Xe
Fraksi Volume
0.78110
0.20953
0.00934
0.00034
1.82 x 10-5
5.2 x 10-6
1.5 x 10-6
1.1 x 10-6
5 x 10-7
3 x 10-7
8.7 x 10-8
Hukum-hukum Gas
Gas merupakan
salah satu wujud
dari materi yang
mempunyai sifatsifat tertentu
™ Empat variabel yang menggambarkan keadaan gas:
o Tekanan (P)
o Volume (V)
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 :
V ≈
1
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 :
(1,02atm)(1131cm3)=P2(517cm3)
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

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
10
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
T2 = -200°C
→ T1 = 298,15 K
→ T2 = 73,15 K
V1 V2
=
T1 T2
V2 =
V1T2
T1
2,5L × 73,15 K
298,15 K
V2 = 0,613L
V2 =
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
hidrogen
oksigen
Æ Dua volume
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.
V ≈n
T
P
T
P
atau
V = Rn
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)(22,414 L )R
(0,082056L × 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:
R=
(101,325 Nm )(22,414 x10
−2
(1mol )(273,15K )
−3
m3
)
= 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:
P1V1 P2V2
=
T1
T2
14
V2 =
V2 =
V1 (P1T2 )
P2T1
1,0 x10 4 L(1,00atm × 253K )
(0,6atm × 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).
15
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=mxa
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 :
P=
F m.g
=
A
A
Karena volume merkuri dalam tabung adalah
V = Ah,
P=
F m.g m.g .h
,
=
=
A V /h
V
ρ=
m
;
V
di mana ρ = massa jenis, sehingga
P = ρ.g.h
16
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
PA =
n A RT
V
Tekanan total:
Ptot = PA + PB + PC + …..
Mol total:
ntot = nA + nB + nC + …..
Gambar 1.19 John Dalton
17
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 partikellingkungan. 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
18
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.
ii.
iii.
iv.
v.
Mempunyai kerapatan yang lebih tinggi bila dibanding dengan
gas, namun lebih rendah bila dibandingkan dengan padatan
Jarak antar partikel lebih dekat dekat
Merupakan fase yang terkondensasi
Merupakan fase yang bisa dikatakan tidak terkompresi
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Apa yang disebut materi?
Jelaskan perbedaan unsur dan senyawa serta sebutkan contohnya.
Jelaskan perbedaan campuran homogen dan heterogen serta
sebutkan contohnya.
Jelaskan ciri-ciri sifat fisika dan kimia, dan sebutkan contohnya.
Jelaskan masing-masing wujud materi serta berikan contohnya.
Jelaskan perbedaan wujud materi.
Sebutkan faktor yang mempengaruhi perubahan wujud suatu
materi.
Jelaskan hubungan antara tekanan, volume dan suhu pada suatu
materi.
21
22
2 Struktur Atom
Standar Kompetensi
Mengidentifikasi struktur atom
dan sifat-sifat periodik pada
tabel periodik unsur
Kompetensi Dasar
Mendiskripsikan perkembangan
teori atom
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
dari atom-atom
Atom terdiri atas inti atom dan elektron yang berada diluar
inti atom. Inti atom tersusun atas proton dan netron.
Tabel 2.1 Partikel Dasar Penyusun Atom
Partikel
Elektron
Netron
Proton
2.1.1
Penemu
(Tahun)
J. J. Thomson
(1897)
J. Chadwick
(1932)
E. Goldstein
(1886)
Massa
Kg
Sma
9,1095x10-31
5,4859x10-4
1,6749x10-27
1,0087
1,6726x10-27
1,0073
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
25
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
26
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(-1,6.1019
), 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
1,6 x10−19 C
massa 1 elektron = me =
= 9,11x10− 28 C
8
1,76 x10 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
− 3,2 x10 −19 C
= 2 elektron
− 1,6 x10 −19 C
27
2.1.2
Inti atom terdiri
dari proton
bermuatan positif
Inti atom
Ernest Rutherford pada tahun 1911 menemukan inti atom. W.
C. Rontgen yang menemukan sinar x pada tahun 1895 dan penemuan
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 (α), sinar beta (β) dan
sinar gama (γ).
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.
28
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
7
N + 24 α 
→168 O + 11P
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
Be+ 24 α 
→126 C + 01n
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
32
Gambar 2.11 Wilhelm Conrad Rontgen
2.2.1
Nomor atom Z
sama dengan
jumlah proton
dalam atom
Nomor atom dan nomor massa
Inti atom mengandung proton dan netron. Nomor atom sama
dengan jumlah proton didalam inti atom sedangkan nomor massa
sama dengan jumlah proton dan netron didalam inti atom. Notasi
untuk menyatakan susunan inti atom yaitu proton dan netron dialam
inti atom dapat dinyatakan sebagai berikut:
A
XZ
Keterangan:
X = lambang atom unsur
A = nomor massa
= 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
Maka, untuk
12
6
C jumlah proton 6, elektron 6 dan netron 6.
33
Contoh soal
Tentukan jumlah proton dan elektron dalam atom
30
15
P4+ .
Jawab
Mengingat,
Nomor atom=jumlah proton dan elektron
Nomor massa=jumlah proton + netron
Maka, untuk
30
15
P 4 + jumlah proton 15 dan elektron 15 - 4 = 11.
2.2.2 Isotop
Isotop mempunyai
nomor atom sama
tetapi nomor
massa berbeda
Isotop adalah atom unsur sama dengan nomor massa berbeda.
Isotop dapat juga dikatakan sebagai atom unsur yang mempunyai
nomor atom sama tetapi mempunyai nomor massa berbeda karena
setiap unsur mempunyai nomor atom yang berbeda. Karbon
merupakan contoh adanya isotop.
12
13
C6
p=6
e=6
n=6
C6
p=6
e=6
n=7
14
C6
p=6
e=6
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
20
Ca dengan
2.3
39
19
K yang sama-sama memiliki jumlah netron 20.
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.
35
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 = nhν
Keterangan:
n = bilangan bulat positif
h = tetapan Planck
(6,6,3.10-34 J.s)
ν = 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
2π
h
sudut sebesar n
dengan n=1, 2, 3,... yang merupakan
2π
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
1
2
3
4
K
L
M
N
Bilangan kuantum
(n)
n=1
n=2
n=3
n=4
37
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
ion-ion berelektron tunggal seperti 2He+ dan 3Li2+. 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.
39
elektron tereksitasi
foton teremisi
elektron
sebelum
sesudah
foton terabsorpsi
sebelum
sesudah
Gambar 2.19 Proses eksitasi dan emisi
Contoh soal
780nm.
Berapakah energi sinar laser dengan panjang gelombang
780 nm x
1m
= 7,8 x10 −7 m
9
1x10 nm
Jawab
E=
hc
2.3.3
Konfigurasi
elektron atom
menjelaskan
jumlah elektron
dalam tingkat
utama
λ
=
6,626 x10−34 Js x 2,998 x 10 8 ms −1
= 2,547 x10−19 J
−7
7,8 x10 m
Konfigurasi elektron
Susunan elektron dalam atom dapat dijelaskan menggunakan
konfigurasi elektron. Penyusunan elektron dalam atom didasarkan
pada teori-teori berikut:
- Teori dualisme gelombang partikel yang dikemukakan oleh de
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 partikelapertikel 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
K
L
M
N
Bilangan kuantum (n)
1
2
3
4
...
...
...
n
Daya tampung elektron maksimal
2 x 12 = 2
2 x 22 = 8
2 x 23 = 18
2 x 24 = 32
...
...
...
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
Litium
VIA
VIIA
Oksigen
Florin
VIIIA
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
menempati kulit O (n=5)?
elektron
maksiumum
yang
Jawab
Jumlah elektron di kulit O (n=5) = 2(2)5 = 64 elektron
42
dapat
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.
43
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.
45
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
46
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
Triad
Massa atom relatif
Kalsium
Stronsium
Barium
40
88
137
Rata-rata
massa atom relatif
Unsur pertama dan ketiga
(40 + 137 ) = 88,5
2
Gambar 2.27 Johann Wolfgang Dobereiner
Litium
(Li)
Natrium
(Na)
Kalium
(K)
Kalsium
(Ca)
Stronsium
(Sr)
Barium
(Ba)
Klorin
(Cl)
Bromin
(Br)
Iodin
(I)
Belerang
(S)
Selenium
(Se)
Telurium
(Te)
Mangan
(Mn)
Kromium
(Cr)
Besi (Fe)
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.
48
Gambar 2.29 John Newlands
1H
19F
35Cl
7Li
23Na
39K
9Be
24Mg
40Ca
11B
27Al
52Cr
12C
14N
16O
48Ti
55Mn
56Fe
28Si
31P
32S
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 unsurunsur 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:
49
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.
51
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
X
Y
Z
2.6
Periode
2
3
3
Golongan
IIIA
IVA
VIIA
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)
radius atomik
fluorin (F2)
oksigen (O2)
klorin (Cl2)
nitrogen (N2)
bromin (Br2)
iodin (I2)
Gambar 2.34 Penentuan jari-jari atom
jari-jari atom (pm)
Jari-jari atom versus nomor 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.
53
Kecenderungan ukuran atom
ukuran atom naik
ukuran atom turun
Gambar 2.36 Jari-jari atom unsur
Energi ionisasi
pertama menurun
dalam golongan I
dan II karena
elektron terluar
sangat terperisai
dari tarikan inti
Unsur-unsur dalam satu periode (dari kiri ke kanan) berjumlah kulit
sama tetapi jumlah proton bertambah sehingga jari-jari atom juga
berubah. Karena jumlah proton bertambah maka muatan inti juga
bertambah yang mengakibatkan gaya tarik menarik antara inti dengan
elektron pada kulit terluar semakin kuat. Kekuatan gaya tarik yang
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.
Energi turun
Kecenderungan energi ionisasi pertama
Energi naik
Gambar 2.38 Energi ionisasi
Enenrgi ionisasi pertama (kJ/mol)
Energi ionisasi pertama versus nomor atom
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 (kJ/mol)
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.
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
57
H
2,1
Li
0,97
Na
1,0
K
0,90
Rb
0,89
Cs
0,86
Be
1,5
Mg
1,2
Ca
1,0
Sr
1,0
Ba
0,97
B
2,0
Al
1,5
Ga
1,8
In
1,5
Tl
1,4
C
2,5
Si
1,7
Ge
2,0
Sn
1,72
Pb
1,5
N
3,1
P
2.1
As
2,2
Sb
1,82
Bi
1,7
O
3,5
S
2,4
Se
2,5
Te
2,0
Po
1,8
F
4,1
Cl
2,8
Br
2,7
I
2,2
At
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
Netron
Muatan relatif
Massa relatif
1
-1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
60
Hitunglah jumlah proton, elektron dan netron dalam 6Li dan 7Li,
S dan 32S2-, 39K+ dan 40Ca2+. Jelaskan perbedaan dalam masingmasing pasangan tersebut.
Tulislah simbol, termasuk nomor massa dan nomor atom, isotop
dengan nomor massa 34 dan mempunyai 18 netron.
Jelaskan apa yang dimaksud dengan nomor massa sebuah isotop.
Oksigen mempunyai 3 isotop yaitu 16O, 17O dan 18O. Tuliskan
jumlah proton, elektron dan netron dalam 16O dan 17O.
Tuliskan konfigurasi elektron Cl dan Cl-, O2- dan Ca2+
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).
Unsur dengan nomor atom 23 mengion dengan muatan 3+,
tuliskan konfigurasi elektron ion ini termasuk simbolnya.
Jelaskan perbedaan spektra kontinyu dan non-kontinyu
Tuliskan konfigurasi elektron kalsium, Ca (Z = 20)
Dengan menggunakan tabel periodik, tentukan lambang unsur
dengan nomor atom 35
32
69
Tentukan jumlah proton, elektron dan netron atom unsur 29 Cu
Tentukan jumlah proton dan elektron atom unsur 24-Cr6+
Ion Z3+ mempunyai 20 elektron dan 22 netron, tentukan nomor
massa ion Z3+
Jelaskan perbedaan dua isotop klorin 35-Cl dan 37-Cl
Tentukan jumlah proton, elektron dan netron serta buatlah
konfigurasi elektron 20-Ca2+
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
Berapakah jumlah kulit yang dimiliki unsur 17-Y.
1. Tabel periodik dibagi menjadi golongan s, p, d dan f.
Tuliskan konfigurasi elektron dari kalsium, silikon, selenium dan
nikel
Berikan blok tabel periodik dimana masing-masing unsur
kemungki-nan ditemukan
Jelaskan, berdasarkan konfigurasi elektron, sifat-sifat umum
unsur golongan p
Jelaskan energi ionisasi pertama dari natrium, magnesium dan
aluminium berdasarkan konfigurasi elektronnya
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
Jelaskan energi ionisasi pertama dari silikon, fosfor dan
belerang berdasarkan konfigurasi elektronnya
Helium merupakan unsur dengan energi ionisasi pertama paling
tinggi dalam tabel periodik. Prediksikan unsur yang mempunyai
energi ionisasi pertama paling rendah dan jelaskan kenapa
Hal apakah yang membedakan penelitian Mendeleev dengan
penelitian sebelumnya sehingga ilmuwan menerima konsep yang
diusulkan
Bagaimanakah tabel periodik dapat memudahkan pembelaja-ran
ilmu kimia
Bagaimanakah
senyawa
biner
dan
hidrogen
dapat
mengilustrasikan konsep periodisitas
Jelaskan kenapa klorin an natrium berada dalam satu periode
Jari-jari atom unsur golongan alkali dan alkali tanah berturutturut adalah (dalam angstrom) 2,01; 1,23; 157; 0,80 dan 0,89.
manakah yang merupakan jari-jari atom litium, jelaskan
Diantara unsur golongan alkali dan alkali tanah, manakah yang
mempunyai energi ionisasi tertinggi, jelaskan
Pada tabel periodik bagian manakah yang menyatakan unsur
dengan kestabilan tinggi dan unsur golongan transisi
Jelaskan sifat yang mencrminkan kecenderungan unsur untuk
melepas elektronnya dan membentuk ion positif satu (+1)
Apakah yang dimaksud metaloid dan unsur manakah dalam tabel
periodik yang sering disebut unsur metaloid
Sifat-sifat apakah yang membedakan unsur logam dan non logam
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
61
62
3 Stoikhiometri
Standar Kompetensi
Memahami konsep mol
Kompetensi Dasar
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
adalah massa
rata-rata atom
sebuah unsur
dibandingkan
dengan 1/12 massa
atom karbon 12
Kuantitas atom, molekul dan ion dalam suatu zat dinyatakan
dalam satuan mol. Misalnya, untuk mendapatkan 18 gram air maka 2
gram gas hidrogen direaksikan dengan 16 gram gas oksigen.
2H2O + O2 → 2H2O
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
jumlah mol besi =
0,001 gram
= 0,00001786 mol
56 g / mol
Jumlah atom besi = 0,00001786 mol x 6,02x1023 = 1,07x1019
3.1.3 Massa molar
Massa molekul
relatif merupakan
penjumlahan
massa atom relatif
dalam sebuah
molekul
Telah diketahui bahwa 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). Sehingga terlihat bahwa massa 1 mol C-12 adalah 12 gram.
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
H2O
N
(CO(NH2)2), Urea
Fe2(SO3)3
Jumlah mol
1
1
1
1
Mr/Ar (g/mol)
18
13
60
300
Massa
18
13
60
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
g/mol
Berapa mol besi seberat 20 gram jika diketahui Ar Fe = 56
Jawab
Besi tersusun oleh atom-atom besi, maka jumlah mol besi
mol besi =
20 gram
= 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,
mol gas oksigen =
1,4286 gram
32 gram / mol
Karena volume gas oksigen (O2) = 1 liter,
1 mol gas oksigen =
32 gram / mol
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,
(T , P)
V 1 n
=
V2
n
1
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.
M =
n (mol )
1000
1000
g
= 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:
= volume sebelum pengenceran
V1
= molaritas sebelum pengenceran
M1
= volume sesudah pengenceran
V2
= molaritas sesudah pengenceran
M2
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
Σ
Mr H 2O
18
Untuk senyawa AmBn secara umum dapat dinyatakan,
massa A =
m Ar A
x massa AmBn
Mr AmBn
massa B =
m Ar 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
69
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
memberikan
perbandingaan
masing-masing
atom atau
kelompok atom
dalam sebuah
molekul
Perbandingan sederhana atom unsur-unsur dalam senyawa
disebut rumus empiris. Rumus empiris dapat ditentukan dengan cara
- Menentukan jenis unsur penyusun senyawa
- Menentukan massa atau komposisi unsur dalam senyawa
- Mengubah massa atau komposisi dalam mol
- Menentukan massa atom relatif unsur penyusun senyawa
Contoh soal
Tentukan rumus empiris natrium sulfida yang didapatkan dari
reaksi 1,15 gram natrium dan 0,8 gram sulfur.
Jawab
Perbandingan
Massa
Mol
Perbandingan
sederhana
Natrium, Na (Ar = 23
g/mol)
1,15 gram
Sulfur, S (Ar = 32 g/mol)
1,15 gram
= 0,05 mol
23 g / mol
0,8 gram
= 0,025 mol
32 g / mol
0,05/0,025 = 2
0,025/0,025 = 1
0,8 gram
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
Perbandingan
Massa
Mol
Perbandingan
sederhana
Karbon, C
(Ar = 12 g/mol)
23,23
Hidrogen, H
(Ar = 1 g/mol)
3,03
Klorin, Cl
(Ar = 35,5 g/mol)
71,72
24,24 gram
= 2,02 mol
12 g / mol
4,04 gram
= 4,04 mol
1 g / mol
71,72 gram
= 2,02 mol
35,5 g / mol
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 masingmasing 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
cm3 oksigen. Reaksi menghasilkan 10 cm3 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.
29. Berapa volume O2 yang dibutuhkan untuk mengoksidasi 20 dm3
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
Memahami terjadinya ikatan kimia
Kompetensi Dasar
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
1
2
3
4
4
6
Unsur
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
Nomor atom
2
10
18
36
44
86
K
2
2
2
2
2
2
L
M
N
O
P
8
8
8
8
8
8
18
18
18
8
18
32
8
18
8
Reaksi natrium dengan klorin membentuk natrium klorida merupakan
contoh pencapaian konfigurasi oktet dengan cara serah-terima
elektron.
:2 8
10Ne
: 2 8 1, pelepasan 1 elektron akan menjadikan
11Na
konfigurasi menyeru-pai unsur gas mulia neon
: 2
8
7, penerimaan 1 elektron menjadi-kan
17Cl
konfigurasi menyerupai unsur gas mulia argon
:2 8 8
18Ar
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.
77
4.2.1
Ikatan ionik
melibatkan
transfer elektron
sehingga terbentuk
pasangan ion,
positif dan negatif
Pembentukan ikatan ion
Telah diketahui sebelumnya bahwa ikatan antara natrium dan
klorin dalam narium klorida terjadi karena adanya serah terima
elektron. Natrium merupakan logam dengan reaktivitas tinggi karena
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
melibatkan
pemakaian
elektron secara
bersama
Ikatan kovalen dapat terjadi karena adanya penggunaan
elektron secara bersama. Apabila ikatan kovalen terjadi maka kedua
atom yang berikatan tertarik pada pasangan elektron yang sama.
Molekul hidrogen H2 merupakan contoh pembentukan ikatan kovalen.
Atom-atom hidrogen
Molekul hidrogen
Pasangan
elektron
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
Cl
:1
: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
1. Titik leleh dan titik diddih
tinggi
2. Lelehan dan larutannya
menghantarkan listrik
3.
Berwujud
padat
pada
temperatur
Kamar
Senyawa kovalen
1. Titik leleh dan titik didih
rendah
2. Lelehannya tidak menghantarkan listrik
3. Berwujud padat, cair dan gas
pada temperatur kamar
4.6 Ikatan Kovalen Koordinat
Ikatan koordinasi
merupakan ikatan
kovalen dengan
pasangan elektron
berasal dari atom
yang sama
Ikatan kovalen koordinat terjadi apabila pasangan elektron
yang dipakai bersama berasal dari penyumbangan saah satu atom yang
berikatan. Ikatan kovalen koordinat dikenal juga sebagai ikatan dativ
atau ikatan semipolar. Amonia (NH3) dapat bereaksi dengan boron
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
-
4.9 Ikatan logam
Kulit terluar unsur logam relatif kosong karena 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
Ikatan logam
melibatkan ion-ion
positif yang
dikelilingi lautan
elektron
Ikatan rangkap atau rangkap tiga juga dapat terbentuk, umumnya
untuk unsur-unsur karbon, nitrogen, oksigen, fosfor dan sulfur.
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
86
Jelaskan apakah yang dimaksud dengan ikatan ionik dan
bagaimanakah proses terjadinya.
Jelaskan proses pembentukan ikatan dalam NaCl dengan
pendekatan konfigurasi elektron.
Jelaskan kenapa NaCl lebih cenderung bersifat ionik dari pada
kovalen.
Bandingkanlah titik leleh dan konduktivitas listrik berilium
fluorida dan berilium klorida.
Jelaskan apakah yang dimaksud dengan ikatan kovalen dan ikatan
kovalen koordinasi dan bagaimanakah proses terjadinya.
Jelaskan proses pembentukan ikatan dalam CH4.
Jelaskan kenapa AlCl3 lebih cenderung bersifat kovalen dari pada
ionik.
Jelaskan apakah yang dimaksud elektronegativi-tas.
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.
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.
Jelaskan bagaimana anion terpolarisasi berbeda dengan anion tak
terpolarisasi.
Jelaskan kenapa terjadi polarisasi ikatan pada hidrogen klorida
sedangkan pada hidrogen tidak terjadi.
Gambarkan bentuk molekul air dan perkirakan sudut ikatan yang
terjadi.
Gambarkan bentuk molekul BeCl2, NCl3 dan SF6. Perkirakan sudut
ikatan yang terjadi.
Jelaskan perbedaan senyawa polar dan non polar apabila ditinjau
dari bentuk dan sudut ikatan dan resultan vektor yang dihasilkan.
Iodin dapat menyublim apabila dipanaskan hingga mencapai
114°C. Jelaskan perubahan yang terjadi dalam struktur iodin
ketika menyublim.
Karbon dengan bentuk intan menyublim pada temperatur yang
lebih tinggi dari pada iodin. Jelaskan kenapa dibutuhkan
temperatur yang lebih tinggi untuk proses ini.
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.
Jelaskan perbedaan ikatan kovalen dan ikatan ionik
Jelaskan perbedaan ikatan kovalen dengan ikatan kovalen
koordinat
Gambarkan struktur Lewis untuk SOF2, PCl4 da XeF4
Tentukan rumus molekul senyawa yang terbentuk dan jenis ikatan
hasil reaksi 12X dengan 8Y
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
87
88
5 Larutan
Standar Kompetensi
Memahami konsep larutan
elektrolit dan elektrokimia
Kompetensi Dasar
Membedakan larutan elektrolit
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.
89
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 (α = 1). Yang tergolong elektrolit
kuat adalah :
• Asam kuat, antara lain: HCl, HClO3, HClO4, H2SO4, HNO3 dan lainlain.
• 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.
• 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 < α < 1). Yang
tergolong elektrolit lemah adalah:
• Asam lemah, antara lain: CH3COOH, HCN, H2CO3, H2S dan lainlain.
• Basa lemah, antara lain: NH4OH, Ni(OH)2 dan lain-lain.
• 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 :
• Larutan urea
• Larutan sukrosa
• Larutan glukosa
• Larutan alkohol dan lain-lain
91
Aktivitas siswa :
• Susunlah alat penguji elektrolit di laboratoriummu sehingga
berfungsi dengan baik.
• Tuangkan 100 mL air destilasi ke dalam beker glass, kemudian uji
daya hantar listriknya. Amati apakah lampu menyala atau timbul
gelembung pada elektroda.
• 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 :
per kilogram
pelarut bukan
kilogram larutan
Konsetrasi larutan merupakan cara untuk menyatakan
hubungan kuantitatif antara zat terlarut dan pelarut.
o Konsentrasi : jumlah zat tiap satuan volum (besaran intensif)
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 :
M =
(0,4 / 40)mol
0,25 L
= 0.4 M
92
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;
Fe+3 1 M = Fe+3 3 N atau Fe2O3 6 N
Massa pelarut yang
tepat berarti juga
jumlah mol yang
tepat, jadi
molalitas dapat
menunjukkan
perbandingan
secara tidak
langsung mol zat
telarut terhadap
mol pelarut
5.3.3 Molalitas (m)
Molalitas adalah jumlah mol zat terlarut dalam 1000 gram
pelarut.
Rumus Molalitas adalah :
1000
m = mol terlarut x
Gram 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
X A + X B + 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 :
• (5/100) x 100 gram gula
= 5 gram gula
• (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)
94
MgCl2(aq) + H2(g)
g
Ar
Mol Mg =
=
2,4 g
24 g / 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
M
0,2
=
=4L
0,05
Volume HCl
=
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 2 = V1
M1
V2
= 10mL
= 0,5M
5M
100mL
3. Berapa konsentrasi larutan NaCl akhir yang dibuat dengan
melarutkan dua larutan NaCl, yaitu 200 mL NaCl 2M dan 200 mL
NaCl 4M.
Jawab :
M=
(V1 . M1 + V2 . M2)
(V1 + V2).
M=
200mL.2 M + 200mL.4 M
400mmol + 800mmol
M =
200mL + 200mL
400mL
=3M
95
5.5 Sifat Koligatif Larutan
Tekanan uap
Cair
Padat
Pelarut cair
murni
Titik triple
pelarut
Larutan
Pelarut
padat murni
Gas
Titik triple
larutan
Titik beku
larutan
Titik beku
pelarut
Titik didih
larutan
Titik didih
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).
96
Pelarut
Larutan
Gambar 5.3 Gambaran penurunan tekanan uap
Menurut Roult :
p = po . XB
PA dan PB adalah
tekanan parsial
yang dihitung
dengan hukum
Raoult’s
keterangan:
p : tekanan uap jenuh larutan
po : tekanan uap jenuh pelarut murni
XB : fraksi mol pelarut
Karena XA + XB = 1, maka persamaan di atas dapat diperluas menjadi :
P = Po (1 - XA)
P = Po - Po . XA
o
P - P = P o . 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 :
mol glukosa =
mol air =
45
= 0,25 mol
180
90
= 5 mol
18
fraksi mol glukosa =
0,25
0,25 + 5
= 0.048
Penurunan tekanan uap jenuh air :
∆P = Po. 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:
∆Tb = kenaikan titik didih (oC)
m = molalitas larutan
Kb = tetapan kenaikan titik didih
molal
Karena
 W  1000 
 ;
m=

 Mr  p 
(W menyatakan massa zat terlarut), maka kenaikan titik didih larutan
dapat dinyatakan sebagai :
 W  1000 
 K b
∆Tb = 

 Mr  p 
Apabila pelarutnya air dan tekanan udara 1 atm, maka titik didih
larutan dinyatakan sebagai :
Tb = (100 + ∆Tb) oC
98
5.5.3
Penurunan Titik Beku
Untuk
sebagai:
penurunan
titik
beku
persamaannya
dinyatakan
∆Tf = m . Kf
 W  1000 
 K f

 Mr  p 
= 
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:
Tf = (O - ∆Tf)oC
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 = π , maka :
π =
n
=CRT
VRT
keterangan:
π = tekanan osmosis (atmosfir)
C = konsentrasi larutan (M)
R = tetapan gas universal
= 0,082 L.atm/mol K
T = suhu mutlak (K)
99
Larutan
encer
Larutan pekat
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) → 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 :
α = 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 < α < 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 + α(n-1)]
=
W 1000
K b [1 + α (n − 1)]
Mr p
n menyatakan jumlah ion dari larutan elektrolitnya.
2. Untuk Penurunan Titik Beku dinyatakan sebagai :
∆Tf = m . Kf [1 + α(n-1)]
=
W 1000
K f [1 + α (n − 1)]
Mr p
3. Untuk Tekanan Osmosis dinyatakan sebagai :
π = C R T [1+ α(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) → NaF+ (aq) + Cl-(aq)
jumlah ion = n = 2.
∆Tb = 5,85 × 1000 × 0,52[1 + 1(2 − 1)]
58,5 250
= 0,208 x 2
= 0,416 oC
∆Tf = 5,85 × 1000 × 0,86[1 + 1(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
o
o
Garam AB larut semua lalu jika ditambah garam AB lagi masih
dapat larut → larutan tak jenuh.
Garam AB larut semua lalu jika ditambah garam AB lagi tidak
dapat larut → larutan jenuh.
Garam AB larut sebagian → 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) → Ag+(aq) + Cl-(aq)
K=
[Ag ][Cl ]
+
−
[AgCl ]
K [AgCl] = [Ag+][Cl-]
Ksp AgCl = [Ag+] [Cl-]
Bila Ksp AgCl = 10-10 , maka berarti larutan jenuh AgCl dalam air pada
suhu 25 oC, Mempunyai nilai [Ag+] [Cl-] = 10-10
102
5.7 Kelarutan
1.
Kelarutan
zat
AnB(s) → nA+(aq) + Bn-(aq)
s →
n.s
s
AB
dalam
pelarut
murni
(air).
Ksp AnB = (n.s)n.s
Ksp AnB = nn.sn+1
s = n+i Ksp AnB/nn
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)
s →
Larutan
AX(aq)
b
→
A+
→
n.s
s
→
b
b
(aq)
AX
A+(aq)
B-
+
+
(aq)
:
X-(aq)
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:
→
Ag+(aq)
+
Cl-(aq)
AgCl(s)
s
→
s
s
NaCl(aq) → 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) → 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) → KAlO2(aq) + 2 H2O(l)
larut
c. Pembentukan senyawa kompleks
Contoh:
kelarutan AgCl(s) dalam NH4OH > daripada AgCl dalam air.
AgCl(s) + NH4OH(aq) → Ag(NH3)2Cl(aq) + H2O(l)
larut
Untuk suatu garam AB yang sukar larut berlaku ketentuan, jika:
- [A+] x [B-] < Ksp →
larutan tak jenuh; tidak terjadi pengendapan
- [A+] x [B-] = Ksp →
larutan tepat jenuh; larutan tepat mengendap
- [A+] x [B-] > Ksp →
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
untuk CaCO3 adalah 10-6.
Jawab :
Na2CO3(aq) → 2 Na+(aq) + CO3[CO32-] =
1 × 0,05
1+1
= 0.025 M
= 2.5 x 10-2 M
CaCl2(aq) → Ca2+(aq) + 2Cl-(aq)
[Ca2+]
=
1 × 0,02
1+1
= 0.01
= 10-2 M
104
(aq)
maka :
[Ca2+] x [CO32-] = 2.5 x 10-2 x 10-2
= 2.5 x 10-4
karena :
[Ca2+] x [CO32-] > 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.
e.
f.
g.
h.
i.
j.
O2F2
KO2
CaH2
BaO2
SnO
Cu2O
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
Memahami koloid, suspensi dan
larutan
Kompetensi Dasar
Mengidentifikasi koloid, suspensi
dan 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
(larutan)
Susu
(koloid)
Kopi
(suspensi)
Gambar 6.1 Contoh larutan, koloid, dan suspensi
Koloid melibatkan
zat terdispersi dan
zat pendispersi
Pendahuluan
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
suspensi dapat
dibedakan dari
sifat-sifatnya
Larutan
(Dispersi
Molekuler)
Koloid
(Dispersi Koloid)
Suspensi
(Dispersi Kasar)
Contoh : Larutan
gula dalam air,
larutan alkohol
Contoh : Campuran
susu dengan air
Contoh : Campuran
tepung dengan air,
kopi dalam air
1) Homogen,
tak
dapat dibedakan
walaupun
menggunakan
mikroskop ultra
2) Semua partikel
berdimensi
(panjang, lebar,
atau tebal) <1
nm
3) Satu fase
4) Stabil
5) Tidak
dapat
disaring
1) Secara
makroskopis
bersifat
homogen, tetapi
heterogen jika
diamati dengan
mikroskop ultra
2) Partikel
berdimensi
antara 1 nm 100 nm
3) Dua fase
4) Pada umumnya
stabil
5) Dapat
disaring
dengan
penyaring ultra
1) Heterogen
2) Salah satu
atau semua
dimensi
partikelnya
>100 nm
3) Dua fase
4) Tidak stabil
5) Dapat
disaring
dengan
kertas saring
biasa
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
Terdispersi
Fase
Pendispersi
Jenis
Koloid
Contoh
Padat
Gas
Aerosol
Padat
Asap (smoke), debu di
udara
Padat
Cair
Padat
Padat
Sol
Sol emas, tinta, cat
Sol Padat
Kaca
berwarna,
gabungan logam, intan
hitam
Cair
Gas
Cair
Cair
Cair
Padat
Gas
Cair
Gas
Padat
Aerosol
Cair
Kabut (fog),
spray serangga
awan,
Emulsi
Susu, es krim, santan,
minyak ikan, kecap
Emulsi
Padat
Jelly,
mayones,
mutiara, mentega
Buih sabun, krim kocok
Buih
Karet busa, batu apung
Buih Padat
Gambar 6.2 Contoh koloid
109
Macam-macam Koloid
• Aerosol
: suatu sistem koloid, jika partikel padat atau cair
terdispersi dalam gas.
Contoh : debu, kabut, dan awan.
• Sol
: suatu sistem koloid, jika partikel padat terdispersi
dalam zat cair.
• Emulsi
: suatu sistem koloid, jika partikel cair terdispersi dalam
zat cair.
• Emulgator : zat yang dapat menstabilkan emulsi.
¾ Sabun adalah emulgator campuran air dan minyak.
¾ Kasein adalah emulgator lemak dalam air.
• 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
Sifat-sifat koloid
dapat diaplikasikan
pada kehidupan
sehari-hari
Efek Tyndall merupakan satu bentuk sifat optik yang dimiliki
oleh sistem koloid. Pada tahun 1869, Tyndall (Gambar 6.3)
menemukan bahwa apabila suatu berkas
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
110
Larutan
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,
lampu mobil terlihat
jelas.
¾
sorot
lebih
Gambar 6.6 Hamburan
cahaya oleh asap
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
Menghamburkan
Larut/tidak tabil/tidak
cahaya/tid
Campuran
ak
Ya Tidak Ya Tidak Ya
Tidak
Air + pasir
Air Gula
Air Sabun
Koloid
Fe2O3
Sol
Fe(OH)3
Susu
Tinta
N
o
1
2
3
4
5
6
7
Meninggalkan
residu/tidak
Ya
Tidak
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
bermuatan positif karena
meng-adsorbsi ion H+
Sistem koloid As2S3 bermuatan
positif karena meng-adsorbsi
ion S2-
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
Pembuatan
Sol Liofil
Dapat dibuat langsung
dengan mencampurkan
fase terdispersi dengan
medium pendispersi
Muatan Partikel
Mempunyai
muatan
yang kecil atau tidak
bermuatan
Partikel-partikel
sol
liofil
mengadsorpi
medium
pendispersi.
Terdapat
proses
solvasi/hidrasi,
yaitu
terbentuknya
lapisan
medium
pendispersi
yang
teradsorpsi
disekeliling
partikel
sehingga menyebabkan
partikel sol liofil tidak
saling bergabung
Viskositas sol liofil >
viskositas
medium
pendispersi
Adsorpsi
Medium
Pendispersi
Viskositas
(kekentalan)
Penggumpalan
Sifat reversibel
Efek Tyndall
Migrasi
dalam
medan listrik
Tidak
mudah
menggumpal
dengan
penambahan elektrolit
Reversibel, artinya fase
terdispersi sol liofil
dapat
dipisahkan
dengan
koagulasi,
kemudian dapat diubah
kembali menjadi sol
dengan
penambahan
medium pendispersinya
Memberikan
efek
Tyndall yang lemah
Dapat bermigrasi ke
anode, katode, atau
tidak bermigrasi sama
sekali
Sol Liofob
Tidak
dapat
dibuat
hanya
dengan
mencampur
fase
terdispersi
dengan
medium pendispersi
Memiliki muatan positif
atau negatif
Partikel-partikel
sol
liofob
tidak
mengadsorpsi
medium
pendispersi.
Muatan
partikel diperoleh dari
adsorpsi partikel-partikel
ion
yang
bermuatan
listrik
Viskositas
sol
liofob
hampir sama dengan
viskositas
medium
pendispersi
Mudah menggumpal oleh
penambahan elektrolit
Irreversibel, artinya sol
liofob
yang
sudah
menggumpal tidak dapat
diubah lagi menjadi sol
Memberikan efek Tyndall
yang jelas
Akan bergerak ke anode,
katode tergantung jenis
muatan partikel
Pemisahan Koloid
•
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.
•
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.
•
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Jelaskan definisi koloid?
Jelaskan perbedaan koloid, larutan dan suspensi?
Sebutkan macam-macam koloid.
Jelaskan sifat-sifat koloid.
jelaskan apa yang dimaksud dengan elektroforesis?
sebutkan aplikasi koloid dalam kehidupan sehari-hari.
119
120
7 Kesetimbangan
Standar Kompetensi
Memahami konsep kesetimbangan
reaksi
Kompetensi Dasar
Menguasai reaksi kesetimbangan
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
9
Uap mengembun dengan laju yang sama dengan air menguap.
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) ↔ 2SO3(g)
b. Kesetimbangan dalam sistem larutan-larutan
Contoh : NH4OH(aq) ↔ NH4+(aq) + OH- (aq)
2. Kesetimbangan dalam sistem heterogen
a. Kesetimbangan dalam sistem padat gas
Contoh : CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)
b. Kesetimbangan sistem padat larutan
Contoh : BaSO4(s) ↔Ba2+(aq) + SO42- (aq)
c. Kesetimbangan dalam sistem larutan padat gas
Contoh : Ca(HCO3)2(aq) ↔ 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)
↔
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)
↔ 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 :
aA+bB ↔ cC+dD
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) ↔ CH4(g) + H2O(g)
Kc =
[CH 4 ][H 2 O]
[CO ][H 2 ]3
2N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)
Kc =
[NH 3 ]2
[N 2 ]2 [H 2 ]3
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 :
Σ mol mula-mula
Σ mol yang berubah
+ 3H2(g)
↔ 2NH3(g)
2N2(g)
0,7
1
½ x 0,4
2/3 x 0,4
~
0,4
0,2
0,6
--0,5 mol
0,4 mol
0,4 mol
Σ mol dalam keadaan
setimbang
[N 2 ] = 0,5 mol / L
[H 2 ] = 0,4 mol / L
= 0,25 M
= 0,2 M
2
Kc =
-
[NH 3 ] = 0,4 mol / L
2
2
= 0,2 M
[NH 3 ]2 = [0,2]2 = 20 M
[N 2 ]2 [H 2 ]3 [0,25][0,2]3
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) ↔ 2CO(g)
Kc = (CO)2 / (CO2)
Jika kesetimbangan antara zat padat dan larutan yang dimasukkan
dalam perhitungan Kc hanya konsentrasi zat-zat yang larut saja.
Contoh
:
Zn(s)
Kc = (Zn2+) / (CO2+)
126
+
Cu2+(aq)
↔
Zn2+(aq)
+
Cu(s)
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) +
↔
CH3COOH(aq)
H2O(l)
Kc = (CH3COOH) x (OH-) / (CH3COO-)
+
OH-(aq)
Contoh soal:
1. Satu mol AB direaksikan dengan satu mol CD menurut persamaan
reaksi :
AB(g) + CD(g) ↔
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)
=
(AB) sisa = (CD) sisa = 1 - 3/4 = 1/4 n mol/l
3/4
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) ↔ 4C(g)
sama dengan 0.25, maka
kesetimbangan
2C(g)
↔ 1/2A(g) + B(g)
berapakah
bagi
besarnya
tetapan
reaksi:
Jawab:
- Untuk reaksi pertama:
K1 = (C)4/[(A) x (B)2]
= 0.25
- Untuk reaksi kedua :
K2 = [(A)1/2 x (B)]/(C)2
- Hubungan antara K1 dan K2 dapat dinyatakan sebagai :
K1 = 1 / (K2)2 & 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 ↔ C + D
128
Kemungkinan terjadinya pergeseran
Reaksi bergeser ke
arah zat yang
ditambahkan atau
diganti dengan zat
yang dihilangkan
1. Dari kiri ke kanan, berarti A bereaksi dengan B memhentuk C
dan D, sehingga jumlah mol A dan Bherkurang, sedangkan C
dan D bertambah.
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.
b.
c.
Perubahan konsentrasi salah satu zat
Perubahan volume atau tekanan
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) ↔ 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) ↔ 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) ↔ 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) ↔ c C(g) + d D(g)
Harga tetapan kesetimbangan:
Kc = [(C)c . (D)d] / [(A)a . (B)b]
Kp = (PCc x PDd) / (PAa x PBb)
Dimana : PA, PB, PC dan PD merupakan tekanan parsial masingmasing gas A, B, C dan D.
Untuk gas ideal berlaku :
pV = nRt
C = p/RT
CA = pA/RT
CB = pA/RT dan seterusnya.
C cDd
Aa B b
( pC / RT ) c ( pD / RT ) d
=
( pA / RT ) a ( pB / RT ) b
Kc =
Kc =
pC c pD d
(1 / RT ) c + d − a −b
pA a pB b
133
Kc = Kp(1/RT)∆n
Secara matematis, hubungan antara Kc dan Kp dapat diturunkan
sebagai:
Kp = Kc (RT) ∆n
dimana ∆n adalah selisih (jumlah koefisien gas kanan) dan (jumlah
koefisien gas kiri).
Contoh:
Jika diketahui reaksi kesetimbangan:
CO2(g) + C(s) ↔ 2CO(g)
Pada suhu 300o 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.
Kp = (PCO)2 / PCO2 = x2 / (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) ↔ 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
Kp = Kc . RT∆n
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 = a 2
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) ↔ N2(g) + 3H2(g)
besarnya nilai derajat disosiasi (α):
136
α = mol NH3 yang terurai /
mol NH3 mula-mula
Harga derajat disosiasi terletak antara 0 dan 1, jika:
a = 0 berarti tidak terjadi penguraian
a = 1 berarti terjadi penguraian sempurna
0 < α < 1 berarti disosiasi pada reaksi setimbang (disosiasi sebagian).
Contoh:
Dalam reaksi disosiasi N2O4 berdasarkan persamaan
N2O4(g) ↔ 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 α mol Æ mol N2O4 sisa = a (1 - α) mol
mol NO2 yang terbentuk = 2 x mol N2O4 yang terurai = 2 a α mol
Pada keadaan setimbang:
mol N2O4 sisa = mol NO2 yang terbentuk
a(1 - α ) = 2a α Æ 1 - α = 2 α Æ α = 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
1. Pada suhu 21,50C 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) ↔
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) ↔ NH4Cl(g)
B.N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3Cl(g)
C.N2O4(g) ↔ 2NO2(g)
D.H2(g) + I2(g)↔ 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)↔2SO3(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)↔2HI(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)↔CO(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) ↔ 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 :
Kecepatan (v)
1. Perhatikan grafik berikut ini :
v1
v1 = v2
setimbang
v2
t1
Waktu (t)
Jelaskan grafik hubungan perubahan laju reaksi terhadap
waktu pada reaksi kesetimbangan, seperti yang digambarkan
pada grafik diatas
2. Tetapan kesetimbangan 2HI ↔ H2 + I2 adalah ¼ . Dari ½ mol
HI pada volume 1 dm3, berapa mol H2 yang dihasilkan ?
3. Contoh aplikasi reaksi kesetimbangan dalam industri adalah
pembuatan ammonia yang reaksinya sebagai berikut :
N2(g) + 3H2(g) ↔ 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
Menentukan perubahan entalpi
berdasarkan konsep termokimia
Kompetensi Dasar
Menjelaskan
entalpi
dan
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 molekulmolekul 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
H = atom hidrogen
H = entalpi
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.
Panas reaksi pada tekanan tetap disebut perubahan 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 unsurunsurnya yang diukur pada 298 K dan tekanan 1 atm.
Contoh : H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O (l) ; ∆Hf = -285.85 kJ
147
2.
3.
4.
5.
6.
PA dan PB adalah
tekanan parsial
yang dihitung
dengan hukum
Raoult’s
Entalpi
Penguraian:
∆H dari penguraian 1 mol persenyawaan langsung menjadi
unsur-unsurnya
(= Kebalikan dari ∆H pembentukan).
Contoh : H2O(l) → H2(g) + 1/2 O2(g) ; ∆H = +285.85 kJ.
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) → CO2(g) + 2H2O(l) ; ∆Hc = -802 kJ.
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 → Al2(SO4)3 + 3H2 ; ∆H = -1468 kJ
Entalpi
Netralisasi:
∆H yang dihasilkan (selalu eksoterm) pada reaksi penetralan
asam atau basa. Contoh: NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)
;
∆H = -890.4 kJ/mol
Hukum
Lavoisier-Laplace
"Jumlah kalor yang dilepaskan pada pembentukan 1 mol zat dari
unsur-unsurnya sama dengan jumlah kalor yang diperlukan untuk
menguraikan zat tersebut menjadi unsur-unsur pembentuknya."
Artinya : Apabila reaksi dibalik maka tanda kalor yang terbentuk
juga dibalik dari positif menjadi negatif atau sebaliknya.
Contoh:
+
3H2 → 2NH3
∆H
N2(g)
2NH3(g) → N2(g) + 3H2(g) ; ∆H = + 112 kJ
8.6 Hukum Hess mengenai jumlah panas
Gambar 8. 8 Hess
148
=
-
112
kJ
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 :
2 S ( s ) + 2O2( g ) → 2 SO2( g ) ; ∆H 1
2 SO2 ( g ) + O2( g ) → 2 SO3( g ) ; ∆H 2
2S ( s ) + 3O2 ( g ) → 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
berupa gas, H2O(g) pada 1000C dan tekanan 1 atm. Proses ini akan
149
mengabsorbsi 41 kJ, maka ∆H = +41 kJ. Perubahan keseluruhan dapat
ditulis dengan persamaan :
H 2 O( l ) → H 2 O( 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
kita membalik
persamaan dengan
merubah reaktan
dan produk. hal ini
berarti reaksi
berjalan dari kiri
ke kanan.
1. Keadaan awal
2. Keadaan transisi-1
3. Keadaan transisi-2
→
→
→
Keadaan transisi-1, ∆H2
Keadaan transisi-2, ∆H3
Keadaan akhir, ∆H4(+)
4. Keadaan awal
→
Keadaan akhir, ∆H1
Jadi, ∆H1
=
∆H2 + ∆H3 + ∆H4
Keadaan transisi mungkin saja lebih dari dua
Persamaan termokimia berlaku sabagai alat alat yang penting
untuk menggunakan hukum Hess. Misalnya persamaan termokimia
yang berhubungan dengan cara tak langsung yang baru saja
diperlihatkan untuk menguapkan air pada 1000C
1
H 2 O(l ) → H 2 O( g ) + O2 ( g ) ∆H = +283kJ
2
1
H 2 O( g ) + O2 ( g ) → H 2 O( g ) ∆H = −242kJ
2
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
O2 ( g ) →
2
1
+ O2 ( g )
2
H 2 O( l ) + H 2 ( g ) +
H 2 O( g ) + H 2 ( g )
Atau
H 2 O( l ) → H 2 O ( 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 unsurunsurnya. 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 2 ( l ) → H 2 O( g ) + O 2 ( l )
2
∆H = +283kJ
1
H 2 ( g ) + O2 ( g ) → H 2 O( g ) ∆H = −242kJ
2
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 2 ( g ) + O2 ( g ) → H 2 O( l ) ∆H = ∆H f = −283kJ
2
b. Endoterm
1
H 2 O( l ) → H 2 ( g ) + O2 ( g ) ∆H = − ∆H f = +283kJ
2
Bila kita jumlahkan persamaan (1) dan (2), kita dapat
H 2 O( l ) → H 2 O( g )
153
Dan panas reaksinya =
∆H = ∆H fH 2O ( g ) − ∆H fH 2O ( l )
∆H = −242 kJ − ( −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 f   jumlah∆H f 
∆H reaksi = 
−

 hasilreaksi   pereaksi

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
dengan ∆H f . Misalnya panas pembentukan dalam keadaan standar
0
untuk cairan cair
∆H 0f H O (l ) = −286kJ / mol
2
adalah panas yang dilepaskan ketika H2 dan O2 dalam bentuk
murninya pada temperatur 250C dan 1 atm bereaksi untuk
menghasilkan H2O(l) pada 250C dan 1 atm
154
Tabel 8.1 Entalpi pembentukan Standard
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Zat
Al(s)
AlCl2(s)
Al2O3(s)
Ba(s)
BaCO3(s)
BaCl2(s)
Ba(OH)2
BaSO4(s)
Ca(s)
CaCO3(s)
CaCl2(s)
CaO(s)
Ca(OH)2(s)
Ca3(PO4)2(s)
CaSO3(s)
CaSO4(s)
C(s, grafit)
C(s, diamond)
CCl4(l)
CO(g)
CO2(g)
CO2(aq)
H2CO3(aq)
CS2(g)
CH4(g)
∆Hf (kj/mol)
0
-704
-1676
0
-1219
-860,2
-998,22
-2465
0
-1207
-795,8
-635,5
-986,6
-4119
-1156
-1433
0
+1,88
-134
-110
-394
-413,8
-699,65
+117
-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 , untuk berbagai
perubahan kimia. Dalam mengerjakan perhitungan ini, kita anggap
0
∆H 0f untuk setiap unsur pada keadaan murninya paling stabil pada
suhu 250C dan 1 atm = 0. Harga panas pembentukan standar untuk
tiap elemen, ∆H f =0.
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
pemakaian ∆H f dalam perhitungan.
0
155
Contoh : menghitung ∆H 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 :
0
2 NaHCO3 ( s ) → Na2 CO3( s ) + H 2 O( g ) + CO2 ( g )
Hitung ∆H
reaksi ini dalam kilojoule bila diketahui panas
pembentukan standar dari pereaksi dan hasil reaksinya.
ANALISIS: Kita gunakan persamaan (2) yang menyatakan
0
∆H 0 = ( jumlah ∆H 0f dari hasil reaksi ) – (jumlah ∆H 0f pereaksi)
Berarti kita harus menjumlahkan semua panas yang diberikan
atau yang diterima selama pembentukan hasil reaksi dari unsurunsurnya 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 :
 − 1131 kJ 
1molNa 2 CO 3( s ) x 
 = −1131 kJ
1molNa 2 CO 3 
 − 242kJ 
1molH 2 O( g ) x 
 = 242kJ
1molH 2 O( g ) 
 − 394kJ 
1molCO2( g ) x 
 = −394kJ
1molCO2 ( g ) 
Jumlah ∆H f dari hasil reaksi = -1767 kJ. Untuk pereaksinya (yang
0
tunggal) :
 − 947,7kJ 
2molNaHCO3( s ) x 
 = −1895kJ
1molNaHCO3( s ) 
Harga-harga ini kita masukkan ke dalam persamaan
∆H 0 = (−1767kJ ) − (−1895kJ )
156
= +128kJ
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 ) → 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 ) → CH 3( g ) + H ( g ) ∆H = +438 kJ
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 2 ( g ) + O2 ( g ) → H 2 O ( g )
2
∆H = −242kJ
Persamaan di atas dapat diubah sebagai berikut :
1
H 2 ( g ) + O2 ( g ) → H 2 O ( g ) ∆H = +242kJ
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 2 ( g ) + O2 ( g ) → H 2O ( g ) + 242 kJ
2
Pada pembentukan 2 mol H2O (g), ∆H = -484 kJ.
159
1
H 2 O ( g ) → H 2 ( g ) + O2 ( g )
2
∆H = +242kJ
Hukum Hess :
C ( s) + O2 ( g ) → CO2 ( g )
2 H 2 ( g ) + O2 ( g ) → 2 H 2 O(l )
4C ( s) + 4 H 2 ( g ) + O2 ( g ) → C3 H 7 COOH (aq)
∆H = −94kJ
∆H = −136kJ
∆H = −125kJ
Maka ∆H reaksinya sebagai berikut
C 3 H 7 COOH (aq ) + 5O2 ( g ) → 4CO 2 ( g ) + 4 H 2 O (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 :
C 3 H 7 COOH ( aq ) → 4C ( s ) + 4 H 2 ( g ) + O2 ( g )
4C ( s ) + 4O2 ( g ) → 4CO2 ( g )
4 H 2 ( g ) + 2O2 ( g ) → 4 H 2 O (l )
∆H = +125kkal
∆H = −376kkal
∆H = −272kkal
∆H = −523kkal
C3 H 7 COOH (aq) + 5O2 ( g ) → 4CO2 ( g ) + 4 H 2 O(l )
Contoh entalpi pembentukan :
1. 2 H 2 O(l ) → 2 H 2 ( g ) + O2 ( g )
Maka ∆H pembentukan H2O
= − 572
2
= -286 kJ
(Lihat arah reaksi dan kosfisien reaksi dari H2O)
2.∆H reaksi dari
3V2 O3 → V2 O5 + 4VO
Jika diketahui :
∆Hf V2O3
= -290 kkal
= -370 kkal
∆Hf V2O5
= -100 kkal
∆Hf VO
∆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 2 + H 2 → NH 3
2
2
∆H = −46kJ
N 2 + 3H 2 → 2 NH 3
∆H = −92kJ
N ≡ N + 3H 2 → 2 NH 3
∆Hreaksi={(energiIkatan
ikatan N-H)}- 92 kJ
= {(energi ikatan N ≡
N ≡ N ) + 3 (energi ikatan H-H))-{2(3 energi
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 2 H 2 + O2 → 2CO2 + H 2 O ∆H = −1300kJ
2
Contoh Soal :
1.1 / 2 H 2( g ) + 1 / 2 F2( g ) → HF( g ) ; ∆H 1 = −268,61kj / mol
C ( s ) + 2 F2( g ) → CF4 ( g ) ; ∆H 2 = −679,9kj / mol
2C ( s ) + 2 H 2( g ) → C 2 H 4 ( g ) ; ∆H 3 = 52,3kj / mol
Tentukan ∆H reaksi (∆H4)
C 2 H 4 ( g ) + 6 F2( g ) → 2CF4 ( g ) + 4 HF( 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) → 2HF(g) ; ∆H1 x 2
2. C(s) + 2F2(g) → CF4(g) ; ∆H2 x 2
3. C2H4(g) + 2C(s) → 2H2(g) ; ∆H3 x -1
4.C2H4(g) + 2C(s) → 2CF4(g) + 4HF(g) ; ∆H4
Gambar 8.18 Diagram siklus
Gambar 8.19 Diagram tingkat energi
2. Diketahui :
Zn(s) + S(g) → ZnS(s) ; ∆H1 = -48 kkal
Entalpi pembentukan (∆H3) ZnSO4(s) = -238 kkal
Tentukan ∆H2 ZnS(s) + O2(g) → ZnSO4(s) dalam kkal
162
Zn(s) + S(g) → ZnS(s) ; ∆H1 = -48 kkal
ZnS(s) + O2(g) → ZnSO4 ; ∆H2 = ? kkal
Zn(s) + S(g) + 2O2(g) → ZnSO4 ; ∆H3 = -238 kkal
∆H3
= ∆H1 + ∆H2
∆H2
= ∆H3 - ∆H1
= -238-(-48)
= -190 kkal
3. Diketahui tahap reaksi berikut :
2NO2 + H2 → N2O3 + H2O ; ∆H1 = 20 kkal
N2O5 + 3H2 → 2NO + 3H2O ; ∆H2 = 60 kkal
N2O3 + H2 → 2NO + H2O ; ∆H3 = 10 kkal
Tentukan ∆H4 N2O5 + H2 → 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 → MgCl 2 + H 2 ; ∆H 1
Mg + 1 O2 → MgO; ∆H 2
2
Mg (OH ) 2 + 2 HCl → MgCl 2 + 2 H 2 O; ∆H 3
Maka ∆H4 reaksi :
a.
b.
c.
d.
e.
MgO + 2 H 2 O → Mg (OH ) 2 + H 2 + 1 O2 adalah...
2
∆H3 + ∆H1
∆H3 - ∆H1
∆H1 - ∆H3
∆H3 + ∆H1
∆H3 + ∆H1
+ ∆H2
+ ∆H2
- ∆H2
+ ∆H2
+ ∆H2
2. Diketahui reaksi-reaksi :
CO( g ) + SiO2 ( s ) → SiO( g ) + CO2( g ) ; ∆H = +520,90kj
8CO 2 ( g ) + Si3 N 4 ( s ) → 3SiO 2 ( s ) + 2 N 2 O( g ) − 8CO ( g ) ; ∆H = +461,05kj
Maka ∆H untuk reaksi :
5CO2 ( g ) + Si3 N 4 ( s ) → 3SiO( g ) + 2 N 2 O( g ) + 5CO( g ) adalah...
a.
b.
c.
d.
e.
58,95 kj
981,95 kj
1101,65 kj
1904,05 kj
2023,75kj
3. Perubahan entalpi yang diukur pada pembakaran keton,
CH 2 CO( g ) + 2O2 ( g ) → 2CO2( g ) + H 2 O( g ) ; ∆H 1 = −981,1kj
Perubahan entalpi pada pembakaran metana,
CH 4 ( g ) + 2O2 ( g ) → CO2( g ) + 2 H 2 O( g ) ; ∆H 2 = −802,3kj
Perubahan entalpi untuk reaksi :
2CH 4 ( g ) + 2O2 ( g ) → CH 2 CO( g ) + 3H 2 O( g ) ; ∆H 3 adalah.
a.
b.
c.
d.
e.
-623,5 kj
-178,8 kj
-2585,7 kj
-1783,4 kj
+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) → 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 ) → H 3 O( l ) ; ∆H = −285,8kj
C ( s ) + O2 ( g ) → CO2 ( g ) ; ∆H = −393,5kj
C 2 H 5 Cl ( g ) → C 2 H 4( g ) + HCl ( g ) ; ∆H = +71,3kj
2CO2 ( g ) + 2 H 2 O( l ) → C 2 H 4( g ) + 3O2( g ) ; ∆H = +1410,8kj
H 2 ( g ) + Cl 2 ( g ) → 2 HCl ( 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.
b.
c.
d.
e.
∆H2 - ∆H1 = ∆H5
∆H1 + ∆H2 = ∆H5
∆H3 + ∆H4 = ∆H5
∆H1 + ∆H4 = ∆H2 + ∆H3
∆H1 + ∆H3 = ∆H2 + ∆H4
7. Dua unsur gas A dan B dapat bereaksi membentuk senyawa AB
sebagai berikut :
A( g ) + B( g ) → AB( g ) ; ∆H = + X
A( g ) + B( g ) → AB(l ) ; ∆H = +Y
A( g ) + B( g ) → AB( s ) ; ∆H = + Z
165
Maka kalor penghabluran AB, adalah ...
a.
b.
c.
d.
e.
Z
X-Y-Z
Z-X
X-Z
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
b. 2CrO42- + 2H+ Æ Cr2O72- + 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
pilihan b biloks pada Cr2O42- sebesar +6 dan pada Cr2O72sebesar +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 :
Zn Î Zn2+ + 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 dipisah- kan 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:
MnO4- + Fe2+ Æ Mn2+ + Fe3+ (suasana asam)
-5
1. MnO4- + Fe2+ Æ Mn2+ + Fe3+
+7
+2
+2
+3
+1
2. Angka penyerta = 5
MnO4- + 5 Fe2+ Æ Mn2+ + 5Fe3+
3. MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ Æ Mn2+ + 5Fe3+
4. MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ Æ Mn2+ + 5Fe3+ + 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
Klasik
Modern
172
Oksidasi: reaksi antara suatu zat dengan oksigen
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
Reduktor
- Mengalami oksidasi
- Mengalami kenaikan Bilangan Oksidasi
- Mampu mereduksi
- Dapat memberikan elektron
Auto Redoks
- Reaksi redoks di mana sebuah zat
mengalami reduksi sekaligus oksidasi
9.6 Sel elektrokimia
Gambar 9.3. Sel elektrokimia
Elektrokimia : Hubungan Reaksi kimia dengan daya gerak listrik (aliran
elektron)
• Reaksi kimia menghasil- kan 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
Zn(s) Æ Zn2+(aq) + 2eReaksi 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 memben- tuk ion
Zn(NH3)42+.
2. Sel Aki
Katoda: PbO2
Anoda : Pb
Elektrolit: Larutan H2SO4
Reaksinya adalah :
PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) Æ PbSO4(s) + 2H2O (katoda)
Pb (s) + SO42-(aq) Æ PbSO4(s) + 2e- (anoda)
PbO2(s) + Pb (s) + 4H+(aq) + 2SO42-(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 :
2PbSO4(s) + 2H2O Æ PbO2(s) + Pb (s) + 4H+(aq) + 2SO42-(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) + 2e2e- + 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 potensialpotensial 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
•
Cu2+ (aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn2+ (aq)
Reaksi ½ sel dapat ditulis:
Cu2+ (aq) + 2 e- → Cu (s) Q = 1/ [Cu2+]
Zn2+ (aq) + 2 e- → Zn (s) Q = 1/ [Zn2+]
Secara umum ⇒ Qcell = [Zn2+] / [Cu2+]
e. Penentuan potensial reduksi dengan elektroda standar
Potensial Zn/Cu :
Zn/Zn+2//Cu+2/Cu:
0
0
0
= E oks (Zn) + E red (H+); + 0.76
E sel
= - E0red (Zn) + 0
E0red (Zn) = -0.76 V (tanda negatif menunjukkan bahwa Zn lebih sulit
direduksi dibandingkan dengan H2)
Reaksi yang terjadi adalah :
• Cu2+ (aq) + 2 e- → Cu (s) E01 = + 0. 34 V
E02 = - 0. 76 V
Zn2+ (aq) + 2 e- → Zn (s)
0
0
• E 2 < E 1, maka didalam sistem, Cu+2 akan mengalami reduksi
dan Zn akan teroksidasi :
•
Cu2+ (aq) + 2 e- → Cu (s) E01 = + 0. 34 V
E02 = + 0. 76 V
Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 e2+
2+
Cu (aq) + Zn (s) → Cu (s) + Zn (aq)
E0sel = + 1.10 V
f. Spontanitas reaksi dan potensial sel
•
•
Reaksi spontan: ∆G < 0
∆G = - n F Esel
Dimana : ∆G0 = - n F E0sel ; n = jumlah elektron (mol); F =
muatan 1 mol elektron; 1 F = 96500 C; Esel = potensial sel; E0sel
= potensial sel standar
∆G < 0, maka Esel > 0
Contoh
Æ
Cr(s)
E0Cr = - 0.74 V
Cr+3 (aq) + 3e
+2
Zn(s)
E0Zn = - 0.76 V
Zn (aq) + 2e Æ
Karena E0Zn < E0Cr , Zn akan mengalami oksidasi. Reaksi sel
yang akan terjadi
Cr+3(aq) + 3e Æ Cr(s) } x 2 E0Cr = - 0.74 V
Zn(s) Æ Zn+2(aq) + 2e } x 3 E0Zn = + 0.76 V
2Cr+3(aq) + 3 Zn(s) Æ Zn+2 + 2 Cr(s)
E0sel = 0.02 V > 0
Reaksi spontan
177
Tabel 9.1. Potensial reduksi standar
g. Fenomena umum sel dengan reaksi spontan (galvani)
•
•
178
Makin besar perbedaan harga
E°red, makin besar harga
E°cell.
Dalam sel galvani dengan
reaksi spontan E°red (katoda)
lebih positif dari E°red
(anoda).
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
: Cu2+ + 2e Æ Cu
: 2Cl¯ Æ Cl2 + 2e
: Cu2+ + 2Cl¯ Æ Cu + Cl2
CuCl2 Æ Cu + Cl2
Dengan demikian reaksi elektrolisisnya adalah CuCl2 Æ Cu + Cl2
Katoda
Anoda
Reaksi total
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 :
PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- →
PbSO4(s) + 2H2O(l).
- Anode: Pb :
Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2eGambar 9.7. Aki mobil
179
b. Baterai alkalin
Baterai bervariasi
dalam ukuran dan
bahan kimianya,
seperti aki mobil,
sel alkalin dan sel
kering.
„ Anoda: Zn cap:
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e„ katoda: MnO2, NH4Cl dan pasta
karbon :
2 NH4+(aq) + 2 MnO2(s) + 2e- →
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
•
•
•
180
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
Katoda bermuatan negatif
atau disebut elektroda –
Terjadi reaksi reduksi
Jenis logam tidak diper- hatikan, 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 :
(katoda)
Al3+ + 3 e- Æ Al(l)
(anoda)
2 O2- Æ O2(g) + 4 e4 Al3+ +6 O2- 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.
Fe2+, Zn2+, Cu2+, SO42Gambar 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
W =
e.i.t
F
W = massa zat yang dihasilkan
e=
Ar
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
e=
Ar
sehingga rumusan Hukum Farady 1 menjadi :
n
W=
Ar .i.t
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 :
•
Besi dioksidasi oleh H2O atau ion hydrogen
Fe(s) Æ Fe2+(aq) + 2e- (oksidasi)
2 H+(aq)Æ 2 H(aq) ( reduksi )
•
Atom-atom H bergabung menghasilkan H2
2 H(aq)Æ H2(g)
•
Atom-atom H bergabung dengan oksigen
2 H(aq) + ½ O2(aq) Æ H2 O(l)
•
Jika konsentrasi H+ cukup tinggi (pH rendah), maka reaksi
Fe + 2H+(aq) Æ 2H(aq) + Fe2+(aq)
2 H(aq) Æ H2(g)
•
Ion Fe2+ juga bereaksi dengan oksigen dan membentuk karat
(coklat keerah-merahan ) dengan menghasilkan ion H+ yang
selanjutnya direduksi menjadi H24 Fe2+(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.
2.
3.
4.
5.
6.
Kelembaban udara
Elektrolit
Zat terlarut pembentuk asam (CO2, SO2)
Adanya O2
Lapisan pada permukaan logam
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
b. SO42c. 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 :
a. BrO3- + Fe2+ Æ Br- + Fe3+
b. Cu + HNO3 Æ Cu(NO3)2 + NO2 + H2O
c. Cl2 + Br- Æ Br2 + Cl7. Dengan manggunakan potensial standart reduksi dari tabel,
tentukan harga potensial sel dan apakah reaksi berlangsung atau
tidak?
a. 2Ag+ + Zn(s) Æ 2Ag(s) + Zn2+
b. 3Cd2+ + 2Al(s) Æ 3Cd(s) + 2Al3+
c. Cu2+ | Cu(s) ║ Pb(s) | Pb2+
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?
24. Mengapa Eo 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
Mengidentifikasi
faktor-faktor
yang mempengaruhi laju reaksi
Kompetensi Dasar
Menentukan laju reaksi dan orde
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, berbulanbulan 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 :
Kecepatan rerata =
jarakyangditempuh perubahanlokasi
=
waktutempuh
perubahanwaktu
Dengan cara yang sama, laju reaksi rerata diperoleh dengan
membagi perubahan konsentrasi reaktan atau produk dengan interval
waktu terjadinya reaksi :
Lajureaksirerata =
194
perubahankonsentrasi
perubahanwaktu
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
NO 2 ( g ) + CO ( g ) → NO ( g ) + CO 2 ( 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:
lajurerata =
∆ [NO ] [NO ] f − [NO ]i
=
t f − ti
∆t
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 → cC + dD
Lajunya ialah
Laju = −
1 d [ A]
1 d [B ] 1 d [C ] 1 d [D ]
=−
=
=
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 :
2 NO2 → 2 NO + 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
−
∆[NO2 ]
∆t
Laju rata-rata bertambahnya konsentrasi NO dan O2 dinyatakan
sebagai:
∆[NO]
∆t
dan
∆[O2 ]
∆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
:
−
∆[NO2 ] ∆[NO]
= 4 x10 −13 molL−1 s −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:
Ca2+(aq) + CO32+(aq) → 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) → 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 molekulmolekul 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
k = Ae − E a / RT
kita menggunakan
symbol ∆ yang
berarti perubahan
dimana:
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
V = 2 10 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
V = 2 10 V 0 = 4V 0 → 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 reaktanreaktan 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 :
• 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).
• 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 →T* → 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)+ O 2 (g) → 2 H 2 O(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 → HOOBr (lambat)
2
Tahap 2: HBr + HOOBr → 2HOBr (cepat)
Tahap
3:
(HBr + HOBr → H2O + Br2 ) x 2 (cepat) 4 HBr + O 2 - - > 2H 2 O + 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.
Nilai dari k
bergantung pada
reaksi particular
yang diketahui
sebagai
temperature pada
saat reaksi terjadi
10.5 Orde Reaksi
Orde suatu reaksi ialah jumlah semua eksponen (dari
konsentrasi dalam persamaan laju. Orde reaksi juga menyatakan
besarnya pengaruh konsentrasi reaktan (pereaksi) terhadap laju reaksi
Jika laju suatu reaksi berbanding lurus dengan pangkat satu
konsentrasi dari hanya satu pereaksi
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 + B 2 → 2 AB
dan data eksperimen berikut :
Tabel 10.1 Data hasil eksperimen
Eksperimen
1
2
3
[A]
0,50
0,50
1,00
[B]
0,50
1,00
1,00
Laju ml.L-1s-1
1,6x10-4
3,2x10-4
3,2x10-4
Tulislah persamaan laju yang paling mungkin untuk reaksi ini:
Satuan konstanta
laju umumnya
adalah mol L-1s-1.
Jawaban :
Dengan membandingkan data dalam eksperimen 2 dengan
data eksperimen 1, orang akan melihat bahwa bila konsentrasi B2
diduakalikan, maka laju diduakalikan. Jadi reaksi itu berorde pertama
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
Laju = k [A] [B2 ]
0
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 + O 2 → 2 H 2 O + 2 Br2
Berlangsung dalam tahapan sebagai berikut :
1.HBr+O2 →HBrO
2
(lamba)
(cepat
)
2.HBr+ HBrO
2 →2HBrO
)
3.2HBr+ 2HBrO→2H2O+ 2Br2 (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 → 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 → m = 1
- Orde reaksi terhadap Q, lihat konsentrasi [P] dan [R] yang tetap
yakni sebagai berikut.
Data (4) dan (5) → 1,5 kali lebih cepat
Data (1) dan (4) → 2 kali lebih cepat
Data (1) dan (5) → 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
perubahan pada inti
disebut reaksi inti
atau reaksi nuklir
(nukleus=inti).
Kita telah mengetahui bahwa atom terdiri atas inti atom dan
elektron-elektron yang beredar mengitarinya. Reaksi kimia biasa
(seperti reaksi pembakaran dan penggaraman) hanya menyangkut
perubahan pada kulit atom, terutama elektron pada kulit terluar,
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
suatu radiasi
elektromagnetik
yang timbul karena
benturan
berkecepatan tinggi
(yaitu sinar katoda
dengan suatu materi
(anoda)
Pada tahun 1895, W.C. Rontgen menemukan bahwa tabung sinar
katoda menghasilkan suatu radiasi berdaya tembus tinggi yang dapat
menghitamkan film potret, walupun film tersebut terbungkus kertas
hitam. Karena belum mengenal hakekatnya, sinar ini dinamai sinar X.
Ternyata sinar X adalah suatu radiasi elektromagnetik yang timbul
karena benturan berkecepatan tinggi (yaitu sinar katoda dengan suatu
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 radio- isotop,
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.
Sinar alfa
merupakan radiasi
partikel yang
bermuatan positif
a. Sinar alfa ( α )
Sinar alfa merupakan radiasi partikel yang bermuatan positif.
Partikel sinar alfa sama dengan inti helium -4, bermuatan +2e dan
bermassa 4 sma. Partikel alfa adalah partikel terberat yang dihasilkan
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
H 24 .
211
Sinar beta
merupakan radiasi
partikel bermuatan
negatif
Sinar gamma
adalah radiasi
elektromagnetek
berenergi tinggi,
tidak bermuatan
dan tidak bermassa
b. Sinar beta (β)
Sinar beta merupakan radiasi partikel bermuatan negatif. Sinar beta
merupakan berkas elektron yang berasal dari inti atom. Partikel beta
yang bemuatan -1e dan bermassa 1/836 sma. Karena sangat kecil,
partikel beta dianggap tidak bermassa sehingga dinyatakan dengan
0
notasi -1e. Energi sinar beta sangat bervariasi, mempunyai daya
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 ( γ )
Sinar gamma adalah radiasi elektromagnetek berenergi tinggi,
tidak bermuatan dan tidak bermassa. Sinar γ dinyatakan dengan
0
notasi 0γ. Sinar gamma mempunyai daya tembus. Selain sinar alfa,
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 bagianbagian 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 alat216
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 disteril- kan 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 mengaki- batkan 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)
218
Pemeriksaan tanpa merusak.
Radiasi sinar gamma dapat digunakan untuk memeriksa
cacat pada logam atau sambungan las, yaitu dengan meronsen
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 (α), sinar beta (β) dan sinar
gamma ( γ ).
Latihan Soal
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Perubahan energi dalam reaksi nuklir berupa apa?
Apa yang dimaksud fluoresensi?
Apa yang dimaksud sinar X? Apa nama lain dan kegunaan sinar X?
Mengapa daya tembus sinar α paling lemah?
Sebutkan dan jelaskan 3 macam sinar radioaktif!
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
Mengkomunikasikan
senyawa
hidrokarbon dan kegunaanya
Kompetensi Dasar
Mendiskripsikan kekhasan atom
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
Atom karbon dapat
membentuk empat
ikatan kovalen
a. Kekhasan Atom karbon
Atom karbon (C) dengan nomor atom 6 mempunyai susunan
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- → 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
• membentuk ikatan kovalen
• dapat
membentuk
rantai
karbon
• non elektrolit
• reaksi berlangsung lambat
• titik didih dan titik lebur
rendah
• larut dalam pelarut organik
rumus umum
senyawa alkana
CnH2n+2
Senyawa anorganik
• membentuk ikatan ion
• tidak
dapat
membentuk
rantai karbon
• elektrolit
• reaksi berlangsung cepat
• titik didih dan titik lebur
tinggi
• larut dalam pelarut pengion
1. Alkana
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
Suku ke Rumus Molekul
Titik Didih
(°C/1 atm)
-161
Massa 1 mol
dalam g
16
1
CH4
metana
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
dekana
174
142
14 C14H22
224
Nama
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, heptuntuk 7, okt- untuk 8, non- untuk 9, dan dek- untuk 14. Hasil
penamaan sudah dapat dilihat pada tabel di atas. Kita harus betulbetul 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
Nama
Formula
(rumus)
metana
CH4
etana
C2H6
propana
C3H8
butana
C4H14
Formula struktural
H
|
H
C
H
|
H
H H
| |
H - C - C - H
| |
H H
H H H
| | |
H-C-C-C-H
| | |
H H H
H H H
H
| |
| |
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
• Merupakan hidrokarbon jenuh (alkana rantai lurus dan
siklo/cincin alkana)
• Disebut golongan parafin : affinitas kecil (=sedikit gaya
gabung)
• Sukar bereaksi
• C1 – C4 : pada Tdan P normal adalah gas
• C4 – C17 : pada T dan P normal adalah cair
• > C18 : pada T dan P normal adalah padat
• Titik didih makin tinggi : terhadap penambahan unsur C
• Jumlah atom C sama : yang bercabang mempunyai TD rendah
• Kelarutan : mudah larut dalam pelarut non polar
• BJ naik dengan penambahan jumlah unsur C
• Sumber utama gas alam dan petrolium
Pembuatan alkana
• Hidrogenasi senyawa Alkena
• Reduksi Alkil Halida
• Reduksi metal dan asam
Penggunaan alkana
• Metana : zat bakar, sintesis, dan carbon black (tinta, cat,
semir, ban)
• Propana, Butana, Isobutana : zat bakar LPG (Liquified
Petrolium Gases)
• 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 - C 3 - C2 - C1 - H
|
|
|
|
H
H
H H-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.
H
H
H
H
|
|
|
|
H- 1C - 2C - 3C - 4C - H
|
|
|
|
H H-C-H H-C-H H
|
|
H
H
2,3-dimetilbutana
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-CH-CH3
diganti
dengan
-CH3
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
Senyawa alkena
CnH2n
2. Alkena
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
|
|
H H
230
Kedua atom H di bawah harus dibebaskan supaya elektronelektron 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
1
2
3
4
5
3
4
5
6
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
rumus struktur
=
CH2
=
CH
CH3
= CH - CH2 - CH3
= CH - CH2 - CH2 - CH3
= CH - CH2 - CH2 -CH2 - CH3
nama
etena
propena
1-butena
1-pentena
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
|
|
|
|
1
C = C2 - C3 - C4 - H
|
|
|
H
H
CH3
H
H
3-metil-1-butena (bukan 2-metil-3-butena)
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
• Hidrokarbon tak jenuh ikatan rangkap dua
• Alkena = olefin (pembentuk minyak)
•
Sifat fisiologis lebih aktif (sbg obat tidur) : 2-metil-2butena
• Sifat sama dengan Alkana, tapi lebih reaktif
• Sifat-sifat : gas tak berwarna, dapat dibakar, bau yang
khas, eksplosif dalam udara (pada konsentrasi 3 – 34%)
• Terdapat dalam gas batu bara biasa pada proses
“cracking”
231
•
Pembuatan : pengawahidratan etanol
Penggunaan etena
• Dapat digunakan sebagai obat bius (dicampur dengan
O2)
• Untuk memasakkan buah-buahan
• Sintesis zat lain (gas alam, minyak bumi, etanol)
Pembuatan alkena :
• Dehidrohalogenasi alkil halida
• Dehidrasi alkohol
• Dehalogenasi dihalida
• Reduksi alkuna
Rumus umum
senyawa alkuna :
CnH2n-2
3. Alkuna
Alkuna merupakan deret senyawa hidrokarbon tidak jenuh yang
dalam tiap molekulnya mengandung satu ikatan rangkap 3 diantara
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. Sukusuku 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
2-butena
CH2=CH-CH2-CH3
CH3-CH=CH-CH3
CH2=C-CH3
|
CH3
2-metil-1-propena
Tabel 12 .7 Isomer pada butuna
1-butuna
2-butuna
CH 3 ≡ C − CH 2 − CH 3
CH 3 − C ≡ C − CH 3
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
• Hidrokarbon tak jenuh mempunyai ikatan rangkap tiga
• Sifat-sifatnya menyerupai alkena, tetapi lebih reaktif
• Pembuatan : CaC2 + H2O Æ C2H2 + Ca(OH)2
• Sifat-sifat :
► Suatu senyawaan endoterm, maka mudah
meledak
► Suatu gas, tak berwarna, baunya khas
• Penggunaan etuna :
► Pada pengelasan : dibakar dengan O2 memberi
suhu yang tinggi (± 3000oC), dipakai untuk
mengelas besi dan baja
► Untuk penerangan
► Untuk sintesis senyawa lain
Pembuatan alkuna
• Dehidrohalogenasi alkil halida
• 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
H2C = C - CH = CH2
|
pentuna
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 :
• TD alkohol > TD alkena dengan jumlah unsur C yang sama
(etanol = 78oC, etena = -88,6oC)
• Umumnya membentuk ikatan hidrogen
• Berat jenis alkohol > BJ alkena
• Alkohol rantai pendek (metanol, etanol) larut dalam
air(=polar)
Struktur Alkohol : R - OH
(R)2CH-OH
R-CH2-OH
Primer
sekunder
Pembuatan alkohol :
• Oksi mercurasi – demercurasi
234
(R)3C-OH
tersier
•
•
•
Hidroborasi – oksidasi
Sintesis Grignard
Hidrolisis alkil halida
Penggunaan alkohol :
• Metanol : pelarut, antifreeze radiator mobil, sintesis
formaldehid, metilamina, metilklorida, metilsalisilat,
dll
• 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 contohcontoh penggunaan kaidah IUPAC (Nama umum dinyatakan
dalam tanda kurung).
CH3OH
Methanol
(metal alkohol)
CH3CH2CH2OH
Propanol
(n-propil alkohol)
CH3CH2OH
Ethanol
(etil alkohol)
CH3CHCH3
|
OH
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 :
• Senyawa eter rantai C pendek berupa cair pada suhu
kamar dan TD nya naik dengan penambahan unsur C.
235
• Eter rantai C pendek medah larut dalam air, eter
dengan rantai panjang sulit larut dalam air dan larut
dalam pelarut organik.
• Mudah terbakar
• Unsur C yang sama TD eter > TD alkana dan < TD
alkohol (metil, n-pentil eter 140oC, n-heptana 98oC,
heksil alkohol 157oC).
Pembuatan eter :
• Sintesis Williamson
• Alkoksi mercurasi – demercurasi
Penggunaan eter :
• Dietil eter : sbg obat bius umum, pelarut dari minyak,
dsb.
• 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
Etil metal eter
O
CH3CH2-O-
CH2CH3
dietil eter
CH3
Siklopentil metil eter
O
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.
OH
CH3CHCH2CH2CH3
|
OCH
2-metoksi pentana 3
OCH3
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
║
- C – H atau – CHO
Gugus aldehid
O
║
O
║
O
║
H-C–H
R-C–H
Ar - C – H
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 :
• Sifat-sifat kimia aldehid dan keton umumnya serupa,
hanya berbeda dalam derajatnya. Unsur C kecil larut
dalam air (berkurang + C).
• Merupakan senyawa polar, TD aldehid > senyawa non
polar
• Sifat fisika formaldehid : suatu gas yang baunya sangat
merangsang
• Akrolein = propanal = CH2=CH-CHO : cairan, baunya
tajam, sangat reaktif.
Contoh : Formaldehid = metanal = H-CHO
• Sifat-sifat : satu-satunya aldehid yang berbentuk gas
pada suhu kamar, tak berwarna, baunya tajam,
larutanya dalam H2O dari 40 % disebut formalin.
• Penggunaan : sebagai desinfektans, mengeraskan
protein (mengawetkan contoh-contoh biologik),
membuat damar buatan.
Pembuatan aldehid :
• Oksidasi dari alkohol primer
• Oksidasi dari metilbenzen
• 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
•
Sifat : cairan tak berwarna, mudah menguap, pelarut
yang baik.
•
Penggunaan : sebagai pelarut.
Contoh lain : asetofenon = metil fenil keton
•
Sifat : berhablur, tak berwarna
•
Penggunaan : sebagai hipnotik, sebagai fenasil klorida
(kloroasetofenon) dipakai sebagai gas air mata.
Pembuatan keton
• Oksidasi dari alkohol sekunder
• Asilasi Friedel-Craft
• 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
H
O
O
H
C
CH3
Metanal
(formaldehid)
C
H
CH3CH2CH2
Etanal
(asetaldehid)
C
butanal
(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
C H 3C H 2C H
2
CH3
3-metil butanal
C
H
CH2
OH
CH2
C
H
OH
2,3-dihidroksipropanal
(gliseraldehida)
Untuk aldehida siklik,digunakan awalan-karbaldehida. Aldehida
aromatik sering mempunyai nama umum.
238
H
CHO
O
OH
H
C
Siklopentana karbaldehida
(formilsiklopentana)
salisilaldehida
(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
C H 3C H 2
CH3
C
C
CH3
2-butanon
(etil metal keton)
O
CH3
C
O
benzofenon
(difenil keton)
2-metilsiklopentanon
O
O
CH3
C
Asetofenon
(metal fenil keton)
sikloheksanon
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
R
C
OH
C
atau RCO2H
OH
atau RCOOH
239
Gambar 12.10 Gugus karboksil
Ciri-ciri asam karboksilat
• Mengandung gugus COOH yang terikat pada gugus alkil
(R-COOH) maupun gugus aril (Ar-COOH)
• Kelarutan sama dengan alkohol
• Asam dengan jumlah C 1 – 4 : larut dalam air
• Asam dengan jumlah C = 5 : sukar larut dalam air
• Asam dengan jumlah C > 6 : tidak larut dalam air
• Larut dalam pelarut organik seperti eter, alkohol, dan
benzen
• TD asam karboksilat > TD alkohol dengan jumlah C
sama.
Contoh : asam format = HCOOH
• Sifat fisika : cairan, tak berwarna, merusak kulit,
berbau tajam, larut dalam H2O dengan sempurna.
• Penggunaan : untuk koagulasi lateks, penyamakkan
kulit, industri tekstil, dan fungisida.
Contoh lain :asam asetat = CH3-COOH
• Sifat : cair, TL 17oC, TD 118oC, larut dalam H2O
dengan sempurna
• Penggunaan : sintesis anhidrat asam asetat, ester,
garam, zat warna, zat wangi, bahan farmasi, plastik,
serat buatan, selulosa dan sebagai penambah
makanan.
Pembuatan asam karboksilat
• Oksidasi alkohol primer
• Oksidasi alkil benzen
• Carbonasi Reagen Grignard
• 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. Namanama 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 α.
Tabel 12.8 Asam-asam Karboksilat alifatik
Atom
Karbon
Rumus
1
HCOOH
2
CH3COOH
3
CH3CH2COOH
4
CH3(CH2)2COOH
5
CH3(CH2)3COOH
6
CH3(CH2)4COOH
7
CH3(CH2)5COOH
8
CH3(CH2)6COOH
CH3
Sumber
Semut(Latin,f
ormika)
Cuka(Latin,ac
etum)
Susu(Yunani,
protos
pion=lemak
pertama)
Mentega(Lati
n,butyrum)
Akar valerian
(Latin,valere
=kuat)
Domba(latin,
caper)
Bunga anggur
(Yunani,oena
nthe)
Domba(latin,
caper)
9
CH3(CH2)7COOH
Pelargonium
(Yunani,pelar
gos)
14
CH3(CH2)8COOH
Domba(latin,
caper)
CH
COOH
Nama
biasa
Nama
IUPAC
Asam
format
Asam
asetat
Asam
metanoat
Asam
etanoat
Asam
propino
at
Asam
propanoat
Asam
valerat
Asam
pentanoat
Asam
kaproat
Asam
heksanoat
Asam
enentat
Asam
heptanoat
Asam
kaprilat
Asam
oktanoat
Asam
pelargo
nat
Asan
nonanoat
Asam
kaprat
Asam
dekanoat
HO – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – COOH
Br
IUPAC asam 2-bromopropanoat
Umum asam α-bromopropionat
asam 5-hidroksipentanoat
asam δ-hidroksivalerat
(δ = delta)
Jika gugus karboksilat dihubungkan dengan cincin, akhiran karboksilat
ditambahkan pada nama induk sikloalkana.
COOH
Asam siklopentana karboksilat
241
Asam-asam aromatic juga diberi tambahan –at pada turunan
hidrokarbon aromatiknya. Beberapa contoh diantaranya :
CH3
COOH
COOH
Asam benzoate
(asam benzanal karboksilat)
Asam o-toluat
(asam 2-metil benzena karboksilat)
COOH
Cl
COOH
Asam p-klorobenzoat
(asam 4-kloro benzena karboksilat)
Asam 1-naftoat
(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
CH 3 C
OCH 3
CH 3C
Etil
O
CH 3 C
OCH 2CH 3
CH 2CH 2 CH 3 C
OCH 3
Metil butanoat
O
O
C
OCH 3
242
Fenil asetat
Metil benzoat
Perhatikan bahwa bagian R dari gugus OR disebutkan dahulu,
diikuti dengan nama asam yang berakhiran –at.
O
R
C
O
OH + HO
R'
R
C
OR' + H2O
Pembuatan ester :
• Reaksi alkohol dan asam karboksilat
• Reaksi asam klorida atau anhidrida.
Penggunaan ester :
• Sebagai pelarut, butil asetat (pelarut dalam industri cat).
• 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, OHdan 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
C≡ 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) + 3H 2 →
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
dari brom tetap.
tidak bereaksi, warna merah coklat
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–CÆC=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”).
H
Br
CH2 + OH
CH3CH
CH3
CH3
C
CH3
CH2 + H2O + Br-
CH3CH
CH2
Cl
+ OH
CH3
C
+ H 2O + Cl
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:
•
Hidrokarbon aromatik, mempunyai setidaknya satu cincin
aromatik
•
Hidrokarbon jenuh, juga disebut alkana, yang tidak memiliki
ikatan rangkap atau aromatik.
•
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.
•
Alkana: CnH2n+2
•
Alkena: CnH2n
•
Alkuna: CnH2n-2
•
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
Mengkomunikasikan senyawa
hidrokarbon dan kegunaanya
Kompetensi Dasar
Mendiskripsikan kekhasan atom
karbon yang membentuk
senyawa hidrokarbon
Menggolongkan senyawa
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
Berasa masam dan tajam
Berasa pedih bila terkena luka
Merubah lakmus merah menjadi
biru
Merubah phenolphthalein
menjadi tak berwarna
Basa
Berasa pahit, berbusa
Licin
Merubah lakmus biru menjadi
merah
Merubah phenolphthalein
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
Air kapur
Air distilasi
Air jeruk
Pembersih lantai
Air tanah
Pasta gigi
Air asam
Larutan unkown
Indikator universal
Lakmus merah
Lakmus biru
Phenolphtalein
Air bunga
Air kunyit
Beker glass
Cawan petri
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
LARUTAN
Peruba
h-an
pH IU
warna
IU
Perubahan warna indikator lain
LM
LB
PP
AB
AK
Sifat
larutan
...
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
LM
LB
252
....
...
....
...
....
...
....
...
....
...
....
...
....
...
....
...
: Indikator Universal
: Lakmus Merah
: Lakmus Biru
....
....
....
....
..........
...
...
....
...
..........
....
....
....
....
..........
...
...
....
...
..........
....
....
....
....
.........
...
...
.
...
..........
....
....
....
....
..........
...
...
...
...
..........
....
....
....
....
..........
...
...
...
...
..........
....
....
....
....
..........
...
...
...
...
..........
....
....
....
....
..........
...
...
...
...
..........
....
....
....
....
..........
...
...
...
...
..........
....
....
....
....
..........
PP
AB
AK
: Phenophtalein
: Air Bunga
: Air Kunyit
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- + NH4+ + OH- ⇔ NH4+ + Cl- + H2O
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 BronstedLowry. Contohnya, pada temperatur leleh suatu senyawa anorganik
yang cukup tinggi reaksinya sebagai berikut:
CaO + SiO2 → CaSiO3
basa
254
asam
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.
Ca2+ + O2- + H2O → Ca2+ + 2OHSedangkan asam Lux-Flood adalah suatu anhidrida asam.
SiO2 + H2O → 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 :
2SO2 ⇔ SO2+ + SO32H2O ⇔ H3O+ + OH2BrF3 ⇔ BrF2+ + BrF42NH3 ⇔ NH4+ + NH2-
AB ⇔ A+ + BH2SO4 + H2O ⇔ H3O+ + HOSO4Asam sulfat meningkatkan konsentrasi ion hidronium dan merupakan
asamnya. Konsep asam-basa sistem pelarut adalah kebalikan dari
reaksi autodisosiasi.
H3O+ + OH- ⇔ 2H2O
BrF2+ + BrF4- ⇔ 2BrF3
255
Contoh :
Secara umum :
asam + basa ⇔ solvent
Perbandingan reaksi netralisasi asam-basa
Bronsted-Lowry dan sistem pelarut :
Arrhenius
Bronsted-Lowry
Sistem Pelarut
menurut
Arrhenius,
: asam + basa → garam + air
: asam + basa → basa konjugat + asam konjugat
: asam + basa → 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:NH3 ⇔ [H3N:Ag:NH3]
asam
F
F
basa
H
B + :
N
F
asam
H
basa
F H
H
F
B: N H
F H
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 :
13.2
Asam : Cl2 + e- → ClBasa : Fe2+ → Fe3+ + e-
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 :
• Jika pH = 7, maka larutan
bersifat netral
• Jika pH < 7, maka larutan
bersifat asam
• Jika pH > 7, maka larutan
bersifat basa
• 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 (α = 1). Untuk menyatakan derajat
keasamannya, dapat ditentukan langsung dari konsentrasi asamnya
dengan melihat valensinya.
Contoh :
• Hitung pH larutan dari 100 ml larutan 0.01 M HCl!
Jawab :
257
HCl(aq) → H+(aq) + OH-(aq)
[H+] = [HCl] = 0.01= 10-2
pH = - log 10-2 = 2
•
Hitung pH larutan dari 2 liter larutan 0.1 mol asam sulfat!
Jawab :
Molaritas =
0,1mol
= 0.05 M
2L
H2SO4(aq) → 2H+(aq) + SO42-(aq)
[H+] = 2 [H2SO4] = 2 x 0.05 M = 10-1
pH = - log 10-1 = 1
13.2.3 Asam lemah
Disebut asam lemah karena zat terlarut dalam larutan ini tidak
mengion seluruhnya, α ≠ 1, (0 < α < 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+] =
C a .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
Ka = 10-5!
Jawab :
Ca =
0,025mol
0,25L
-1
= 10 M
[H+] =
(C a .K a )
= 10-1.10-5
= 10-3 M
pH = - log 10-3 = 3
13.2.4 Basa kuat
Disebut basa kuat karena zat terlarut dalam larutan ini mengion
seluruhnya (α = 1). Pada penentuan derajat keasaman dari larutan
basa terlebih dulu dihitung nilai pOH dari konsentrasi basanya.
258
Contoh :
• Hitung pH dari 100 mL larutan KOH 0,1 M !
Jawab :
KOH(aq) → K+(aq) + OH-(aq)
[OH-] = [KOH] = 10-1 M
pOH = - log 10-1 = 1
pH = 14 – pOH = 14 – 1 = 13
•
Hitung pH dari 500 mL larutan Ca(OH)2 0,01 M !
Jawab :
Ca(OH)2(aq)→Ca2+(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, α ≠ 1, (0 < α < 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-] =
C b .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
3
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 :
• Campuran asam lemah dengan garamnya
Contoh : CH3COOH dengan CH3COONa ; H2CO3 dengan NaHCO3 ;
dan NaHCO3 dengan Na2CO3
• 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-] =
(C b .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
Ka =
[CH3COO-] [H3O+]
[CH3COOH]
[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 :
ƒ 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
ƒ Hitunglah pH larutan yang terdiri atas campuran 1 mol HCOOH
dan 0.5 mol NaHCOO dalam 1 liter larutan!
Ka HCOOH = 1.77 x 10-4
Jawab :
ƒ
Ca =
10 −2 mol
= 10 − 2 M
1L
Cg =
0,1mol
= 10 −1 M
1L
pH = pK a + log
Cg
Ca
= − log 10 −5 + log
=5+1
=6
10 −1 M
10 − 2 M
261
ƒ
HCOOH(aq) + H2O(l)
→
HCOO-(aq)
H3O+(aq)
+
Konsentrasi awal (M)
1.00
Konsentrasi akhir (M)
-y
Konsentrasi setimbang (M) 1.00 – y
0.500
+y
0.500 + y
≈0
+y
y
Persamaan setimbang
Ka =
[HCOO ][. H O ]
−
+
3
[HCOOH ]
(0,500 + y ) y
1,77.10 −4 =
1,00 − y
Karena y relatif lebih kecil dibanding 1 dan 0.500, bentuk persamaan
akan menjadi
1,77.10 − 4 =
(0,500 ) y
1,00
y = 3.54.10-4 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)
→
NH4+(aq) + OH-(aq)
Ket. : fase liquid (l) tidak berpengaruh
Kb =
[NH4+] [OH-]
[NH3]
[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
L. Kb NH4+ = 5.6 x 10-5
Jawab :
NH3(aq) + H2O(l)
262
→
NH4+(aq)
+ OH-(aq)
Konsentrasi awal (M)
0
Konsentrasi akhir (M)
+y
Konsentrasi setimbang (M)
y
0,200
0.100
-y
+y
0,200 – y
≈
0.100 + y
Persamaan kesetimbangan
Kb =
5,6.10 −5 =
Karena y
kecil dibanding
0.200, bentuk
akan menjadi
5,6.10 −5 =
[NH ][. OH ]
+
4
−
[NH 3 ]
(0,100 + y ) y
0,200 − y
Larutan
yang
Warna lakmus
Merah biru
relatif lebih
0.100 dan
persamaan
(0,100) y
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
2
3
4
5
X
Y
Z
U
V
Merah
Merah
Biru
Merah
Biru
Biru
Merah
Biru
Biru
biru
4. Tuliskan
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
rumus
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
c. CO32d. HSO49. Tuliskan rumus basa konjugasi dari spesi berikut:
b. H2O
c. NH3
d. HSO4e. NH4+
10. Dalam reaksi berikut ini,
CN-(aq) + H2O(l) → 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)
13. Suatu larutan mengandung asam asetat (CH3COOH; Ka = 1 x 10-5)
0.1 M dan asam benzoat (C6H5COOH; Ka = 6 x 10-5) 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
pH = 4, Ka CH3COOH = 1 x 10-5.
(petunjuk : kemolaran larutan dapat dihitung dengan
rumus:M=(ρx10x %)/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 ‘subbitumen’. Perubahan kimiawi dan fisika terus berlangsung hingga subbitumen 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 cadangancadangan 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-andpillar 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 berkilokilo 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 pertamatama 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
• Penyerapan gas SO2 dari hasil pembakaran briket bio batubara
dengan unggulan zeolit.
281
• Pengembangan model fisik tungku pembakaran briket biocoal
untuk industri rumah tangga, pembakaran bata/genteng, boiler
rotan dan pengering bawang.
• Tungku hemat energi untuk industri rumah tangga dengan bahan
bakar batubara/briket bio batubara.
• Pembakaran kapur dalam tungku tegak system terus menerus
skala komersial dengan batubara halus menggunakan pembakar
siklon.
• Tungku pembuatan gula merah dengan bahan bakar batubara.
• Pembakaran kapur dalam tungku system berkala dengan
kombinasi bahan bakar batubara - kayu.
• Pembakaran bata-genteng dengan batubara.
Non Bahan Bakar
• Pengkajian pemanfaatan batubara Kalimantan Selatan untuk
pembuatan karbon aktif.
• 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
• Menghemat uang
• Menghemat bahan bakar
• Menambah jarak tempuh
• Meningkatkan performa/tenaga mesin
• Menambah tarikan mesin
• Mengurangi pencemaran udara
• Umur mesin lebih lama
• Mengawetkan mesin
• Suara mesin lebih halus
• Mengurangi asap
• Minyak pelumas lebih tahan lama
• Mengurangi biaya / memudahkan perawatan mesin. Mesin bersih
284
• (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)
Poli(kloroetena)
Selulosa
CH2 = CH2
CH2 = CHCl
C6H12O6
-(CH2 – CH2)-(CH2 – CHCl)-(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
Polimer Alam, Berupa Getah Karet
Gambar 15.2
Polimer Sintetis, Berupa Plastik
15.3. Reaksi Polimerisasi
Reaksi polimerisasi adalah reaksi penggabungan molekulmolekul 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'
C
C
R
+
H
H
R
R'
C
C
H
+ ..........
H
R' R R'
C-C-C-C
H H H H
Atau dapat dituliskan :
n
C = C
C - C
n
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 H H
etena
H H
etena
H H
etena
Polietena (plastik)
289
Gambar 14.51 Polietene/polietylena
b. Pembentukan Poli-isoprena (alami)
Poli-isoprena merupakan karet alam dengan monomer 2metil-1,3 butadiena. Reaksi yang terjadi dengan membuka salah
satu ikatan rangkap dan ikatan rangkap yang lainnya berpindah
menurut reaksi adisi :
H2C
CH2
C
C
CH3
H2C
CH2
+
H
C
C
+ ..........
CH3
H
2-metil-1,3-butadiena
CH2
H2C
C
CH2
H2C
C
CH3
C
C
CH3
H
H
Poli-isoprena (karet alam)
H
H
H
C
C
C
CH3
H
C
H
cis-1,4-polyisoprene
Gambar 15.3 Polyisoprena / Karet Alam
290
n
2. Polimerisasi Kondensasi
Pada polimerisasi kondensasi ini, disamping menghasilkan
senyawa polimer juga menghasilkan zat lain yang struktur molekulnya
sederhana (kecil).
Monomer + monomer +..... → 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 α 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
H2N
C
C
O
+
OH
Asam
Asamααamino
amino
H2N
C
+ ..........
C
OH
Asam α amino
291
R
R'
C-C-C-C-C
H
O
H
+ H2O
O
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 + ....
Monomer
→
-[M-M-M-M]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
terbentuk secara bergantian.
yang
-[A – B – A – B – A – B – A – B – A – B – A – B] d. Kopolimer bercabang
merupakan cabang.
:
susunan
monomer
yang
-[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
Atau
struktur tiga dimensinya adalah :
Gambar 16.1 Struktur Tiga Dimensi Polyethylene
298
CH2 ]n
Reaksi :
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
300
H
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
Cl
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 jenisjenis 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
RCH
CHCH2R'
Friedel-Crafts
CHR' +
H2SO4 atau SO3
R
CHCH2R'
R
CHCH2R'
Na+OH-
SO3-Na+
17.2. Sifat fisis dan kimia detergen
a. Fisis
Ujung
non
polar
:
R
- Ujung polar : SO3Na (hidrofil)
b. Kimia
Dapat
melarutkan
- Tak dipengaruhi kesadahan air
SO3H
O
(hidrofob)
lemak
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
pewarna
dan
Pakaian lebih berseri
Enzim
Mencuci
kotoran
makanan dan darah
Natrium silikat
Bahan pengontang detergen
Natrium tripolifosfat
Penstabil
daripada
Melembutkan
air
dan
mengapungkan kotoran
Mengurangkan pembentukan buih
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
A
B
C
D
Keberkesanan Bahan Pencuci
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
• Berfungsi menyediakan warna
• Contoh : Pigment Putih (Titanium Dioxide) dan Pigment
Kuning (Zinc Oxide)
Pigment extender / filler
• Digunakan untuk membantu pigment utama dan meningkatkan
daya rekat Contoh : Calcium Carbonat, Kaolin Clay, dan Talc
Powder.
315
Liquid
• sebagai pembawa elemen-elemen solid dimana dalam cat
tembok yang digunakan adalah air.
Binder
• Digunakan untuk mengikat Pigment, merekatkan Cat Pada
Bidang dan membentuk Lapisan Film.
• Contoh : Acrylic, Vinyl Acrylic, dan Styrene Acrylic
Additive
• Digunakan sebagai :
• Thickener ; Menghasilkan kekentalan tertentu, Menjaga
kestabilan emulsi agar filler dan liquid tidak memisah
• antifoam; mencegah timbulnya busa ada saat cat diaduk di
pabrik, pada saat cat diaduk dalam kemasannya dan pada saat
cat diaplikasikan di permukaan
• Biocide
;
mencegah
timbulnya
jamur
di
dalam
kaleng/kemasan dan di permukaan (tembok)
Tahap pembuatan cat
• Pembuatan Pigment Pasta
• Pencampuran Pigmen Pasta dan Latex
• Penambahan Additive
• Mesin Produksi
• High speed disperser
• Homogeniser
• Planetary mixer
• 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 menawarkan 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 1800C2500C.Proses destilasi dikerjakan dengan menggunakan kolom atau
menara destilasi (Gambar 19.5).
Tabel 19.` Hasil destilasi bertingkat minyak bumi
Range Titik
Didih (0C)
Banyaknya
atom
karbon
Dibawah 30
30-180
1-4
5-10
180-230
11-12
230-305
13-17
Minyak gas
Bahan bakar diesel,
pemanas
305-405
18-25
Minyak
berat
Bahan bakar pemanas
Nama
Fraksi gas
Bensin
Minyak
tanah
Penggunaan
Bahan bakar pemanas
Bahan bakar mobil
Bahan bakar jet
gas
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 bersamasama 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 kadangkadang 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 gelembunggelembung gas didalam karburator dari sebuah motor yang
disebabkan oleh adanya kadar yang terlalu tinggi dari fraksifraksi 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 + 4C 2 H 5 CI → Pb(C 2 H 5 ) 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 bahanbahan 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 tumbuhtumbuhan. 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 paraxylene. 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 :
C 6 H12 O 6 (gula) + 6O 2 → Energi + 6CO 2 (udara yang dikeluarkan) + 6H 2 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
340
Gambar 20.6 Tanah liat (clay)
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
kapur menjadi lebih gelap karena adanya
pengotor
Gambar 20.19 Impregnasi besi pada batu
kapur
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 :
• 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
• 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
• 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
• 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
terhadap erosi ini lebih lemah
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
Taman Nasional Ha Long Bay
350
(Vietnam) yang ditunjukkan pada
Gambar 20.30 di bawah ini.
Gambar 20.30 Limestone Tower di Taman
Nasional Ha Long Bay - Vietnam
Gambar 20.31 Galian batu kapur di Pulau Robben
20.1.7 Kegunaan batu kapur
Batu kapur yang dihancurkan
Gambar 20.32 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.
Bisa juga disebarkan di lahan pertanian
untuk mengurangi keasaman tanah.
Batu untuk bangunan dan ornamen
Gambar 20.33 Balok dari
batu kapur untuk ornamen
bangunan
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
disebut ‘Limestone City’. Keuntungannya
adalah tersedia secara melimpah dan
351
Gambar 20.34 Gedung di
Manhattan-Kansas, dibangun
dari batu kapur
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
besar menghasilkan polusi udara karena
melepaskan bahan kimia seperti sulfur ke
atmosfer. Sulfur bereaksi dengan H2 dan O2
di udara16-36.
membentuk asam sulfur.
Gambar
Bangunan dari
batu kapur di
Oamaru-OtagoNew Zealand
Gambar 20.35. Jembatan di
Oamaru-Otago-New Zealand
dibangun dari batu kapur
Gambar 16-37.
Lempengan batu
kapur bermotif
peta Moosburg
di Bavaria,
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)
Gambar 20.40 Quicklime
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,
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 nonhidrolik.
™ 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 :
• Sistem hidrolik akan lebih memperkuat bangunan ketika hujan.
• Mortar hidrolik diperlukan untuk konstruksi bangunan di pantai
yang selalu kontak dengan air laut.
• 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 ke19. 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
362
Gambar 20.61 Tambang batuan Portland
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
diklasifikasikan menjadi tiga bagian sebagai berikut :
1.
Semen Portland
2.
Campuran Semen Portland
3.
Semen Hidrolik Non-Portland
ini
dapat
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 :
• 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.
• 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.
• 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 negaranegara yang mempunyai banyak abu vulkanik, misalnya Italia, Chili,
Meksiko, dan Filipina, semen ini banyak diproduksi dan digunakan.
• 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.
• 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.
• Expansive Cements
Selain clinker Portland, jenis semen ini juga mengandung clinkerclinker 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.
• White blended cements
Semen ini dibuat dari clinker putih dan material tambahan lain yang
juga berwarna putih, seperti metakaolin yang sangat murni.
• 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
diuraikan sebagai berikut :
hidrolik
non-Portland
antara
lain
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• “Natural” Cements
Natural cements tidak bisa dipisahkan dari produk semen pada era
sebelum Portland. Pembuatan dan komposisinya hampir sama.
• 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 µm.
369
Batuan
(limestone)
Mineral
Penggilingan
campuran bahan
baku
Penyimpanan
campuran
bahan baku
Tungku putar
Penyimpanan
clinker
Penambahan
material (fly
ash, kerak
blast furnace,
dll.)
Penggilingan
semen
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 µm.
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 → 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 → 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 → 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 → 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 → 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 poriporinya terisi, sehingga terbentuklah kekuatan semen.
Pembuatan semen Portland dan jenis-jenis semen lain secara
umum dapat digambarkan dalam skema berikut :
Penyim
-panan
bahan
baku
Pemanas
Gips
Pozzolan
batu kapur
Tungku
1450 °C
Penyimpanan
clinker
- Batu karang
- Batuan
- Bauksit
- Bijih besi
PENGGALIAN
Penggilingan
bahan
baku
Penggilingan
semen
Penyimpanan
semen
Distribusi
PENCAMPURAN PEMECAHAN PEMBAKARAN PENGGILINGAN
Gambar 20.75 Proses pembuatan semen secara umum
375
20.2.5 Kegunaan semen
Semen diaplikasikan secara
luas, terutama dalam konstruksi
bangunan, pembuatan mortar,
beton,
jalan,
jembatan,
bendungan, pelapisan bangunan,
langit-langit, patung, dekorasi,
dan lain-lain.
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.
2.
3.
4.
5.
Memiki ukuran partikel yang halus.
Sifat plastis yang tinggi.
Memiliki kekuatan kering yang tinggi.
Penyusutan pada saat pengeringan dan pembakaran tinggi.
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.
50 SM – 50 M
Pembuatan glass optik (lensa
dan cermin), kaca jendela, teknik
peniupan kaca mulai berkembang di
Roma dan tersebar ke seluruh dunia
melalui kekaisaran Romawi.
6.000 SM
Teknik pembakaran keramik
dimulai pada masa Yunani kuno.
Gerabah Yunani, Pithai,
dikembangkan dan dimanfaatkan
sebagai tempat penyimpanan, upacara
pemakaman, dan seni.
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 hightech oleh Thomas Edison. Edison
menguji resistivitas keramik untuk
digunakan dalam penemuan
terbarunya, mikrofon karbon.
… lanjutan
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
dalam komputer high-speed.
1992
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 sifatsifat 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 pecahbelah, 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
Struktur kristal
Banyak elektron bebas
Ikatan logam
Konduktivitas listrik tinggi
Atom-atomnya uniform
Tensile strength tinggi
Shear strength rendah
Ductile
Impact strength bagus
Relatif berat
Kekerasan sedang
Non-porous
Densitas tinggi
386
KERAMIK
Struktur kristal
Elektron tidak bebas
Ikatan ionik / kovalen
Konduktivitas listrik rendah
Atom-atom berbeda ukuran
Tensile strength rendah
Shear strength tinggi
Brittle
Impact strength jelek
Relatif ringan
Sangat keras
Porositas tinggi
Densitas rendah
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
•
•
Densitas
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.
Misalnya : ZrO2 (4.65 g/cm3) dan ZrSiO3 (5.8 g/cm3)
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
•
•
•
Kapasitas panas
Konduktivitas thermal
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
α=
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.
ƒ
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.
ƒ
Superkonduktivitas
Pada temperatur yang sangat rendah, keramik menunjukkan
sifat superkonduktivitas.
ƒ
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 :
1. Al2O3 yang didoping dengan Cr3+ (laser ruby)
2. Y3Al5O12 didoping dengan Nd3+ (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
Material
k
Sifat
Derajat
i
Lebih kecil daripda sub mikro,
b k
Material hasil sintesis sangat murni
Mekanik
Kekuatan (strength) dan non-abrasi
Pemanasan
Tahan pada suhu tinggi (>1700°C)
Listrik
Transmisi, insulatif, semiconductif
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.
• 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).
ƒ
Oksida : alumina, zirconia
Gambar 20.91 Zirconia
ƒ
Non-oksida : karbida, borida, nitrida, silisida
Gambar 20.93 Silikon karbida
ƒ
Gambar 20.92 Alumina
Gambar 20.94 Silikon nitrida
Komposit : kombinasi oksida dan non-oksida, partikulat reinforced
Gambar 20.95 Komposit
394
glass lunak dimasukkan
cetakan
glass lunak menempati
bagian bawah cetakan
penekanan menjadi
produk akhir
bentuk
yang diinginkan
Gambar
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 keramikglass.
Gambar 20.98 Glass
• 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
•
•
•
Pembuatan powder
Pembentukan keramik
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)
Gambar 20.101
Cetakan slip casting
Gambar 20.102
Cetakan disatukan,
siap untuk proses
penuangan
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 20.103 Komponen slip cast yang
telah disintering menunjukkan penyusutan
dari dimensi cetakan awalnya
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 drypressing
„ 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 pecahbelah 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
elektronik
Gambar 20.115 Komponen alat
elektronik dari keramik
Gambar 20.116 Televisi dan monitor dari
keramik
Gambar 20.117 Keramik sebagai
komponen komputer
20.3.8 Kemajuan aplikasi keramik
Material keramik advanced
telah
dikembangkan
selama
setengah abad terakhir ini.
Aplikasi material ini antara lain :
• 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
• Keramik seperti
dan
boron
digunakan untuk
kokpit pesawat
karena material
ringan.
alumina
karbida
melapisi
militer,
tersebut
Gambar 20.119 Body pesawat militer
dari keramik
• 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
• Aplikasi pada mesin, meliputi silicon nitride (Si3N4), silikon karbida
(SiC), zirconia (ZrO2) dan alumina (Al2O3).
• Pembuatan keramik
dikembangkan.
untuk
mesin
turbin
gas
juga
sedang
405
Gambar 20.121 Silikon karbida
untuk komponen otomotif
Gambar 20.123 Gear (alumina)
Gambar 20.122 Rotor (alumina)
• 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
• 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
• Zeromik, merupakan sistem coating (pelapisan) material dengan
keramik. Aplikasinya untuk lapisan panahan panas, melindungi
permukaan logam, dan sebagainya.
(+)
Fine Ceramics
ZEROMIC
Liquid Fine Ceramics
Tahan suhu tinggi dan zat
kimia, non-abrasi, cocok utk
aplikasi elektrik dan optik
Bereaksi dengan material dalam
larutan, dibuat sebagai keramik
liquid
¾
¾
(-)
¾
¾
¾
¾
¾
Proses
™
Rapuh
Sulit bertahan pada
temperatur tinggi
Permukaan tidak uniform
Pengerjaannya harus
pada ruang terbatas
Aplikasi terbatas
Harga mahal
Sulit memproduksi
dalam skala besar
Melelehkan powder
pada temperatur tinggi
¾Mungkin membuat permukaan
keramik apapun materialnya
¾Bertahan pada
temperatur
rendah - ekonomis
¾Permukaannya uniform
¾Memungkinkan pengerjaan di
lapangan, aplikasi tak terbatas
¾Aplikasi lebih luas dengan
menambah bahan fungsional
¾Lebih murah dan ekonomis
¾Mudah diproduksi skala besar
™ Menggunakan metode sol-gel
407
SOAL LATIHAN
1. Bagaimana
cara
kita
mengenali batu kapur ?
2. Batu kapur terbentuk dari
calcite yang berwarna putih
kekuningan. Tetapi kadang
kita melihat batu kapur
berwarna
hitam
atau
kemerahan.
Jelaskan
alasannya !
3. Apa yang menyebabkan batu
kapur banyak terdeposit di
laut atau di daerah sekitar
pantai ?
4. Sebutkan lima kegunaan batu
kapur dan terangkan !
5. Apa yang kamu ketahui
tentang :
a. mortar
b. concrete
c. pozzolan
d. stucco
e. clinker
6. Jelaskan perbedaan antara
semen hidrolik dan nonhidrolik !
7. Uraikan
dengan
jelas
langkah-langkah pembuatan
semen
hidrolik
sampai
diperoleh semen yang siap
dipasarkan !
8. Bagaimana reaksi kimia yang
terjadi dalam semen hidrolik
selama proses penggunaanya
untuk bangunan ?
9. Terangkan pendapat Anda
tentang kontradiksi industri
pembuatan semen, yaitu
antara
kegunaanya
yang
sangat penting dan luas serta
pengaruhnya
terhadap
lingkungan yang buruk !
Solusi apa yang dapat Anda
usulkan untuk memecahkan
masalah tersebut ?
10. Material apa saja yang
terkandung dalam keramik
dan bagaimana pengaruh
penggunaannya
terhadap
sifat keramik ?
11. Keramik memiliki sifat yang
unik
bila
dibandingkan
dengan
logam.
Jelaskan
perbedaan
sifat-sifat
tersebut terutama sifat fisik,
mekanik, thermal, listrik,
magnetik, dan optik !
12. Sebut dan uraikan secara
singkat klasifikasi keramik
yang Anda ketahui !
13. Teknik
apa
saja
yang
digunakan
untuk
pembentukan
keramik
?
Terangkan !
14. Pada masa ini, kemajuan
keramik
telah
mencapai
keramik advanced. Jelaskan
yang Anda ketahui tentang
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.
Logam dan jaman
21.1 LOGAM DAN PERADABAN
Lebih dari tiga perempat unsur-unsur adalah logam. Dalam
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 logamlogam 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 paduanpaduannya 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
Logam alkali dan
alkali tanah
21.2 LOGAM ALKALI DAN ALKALI TANAH
Logam-logam Golongan 1 dan 2 dalam Susunan Berkala
berturut-turut disebut logam-logam alkali dan alkali tanah karena
logam-logam tersebut membentuk oksida dan hidroksida yang larut
dalam air menghasilkan larutan basa.
Logam-logam alkali dan alkali tanah disebut juga logamlogam 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
• Logam Alkali sangat reaktif, karena itu harus disimpan dalam
minyak
• Sifat yang umum dimiliki oleh logam alkali adalah sebagai
konduktorpanas yang baik, titik didih tinggi, permukaan
berwarbna abu-abu keperakan.
• Atom logam alkali bereaksi dengan melepaskan 1 elektron
membentuk ion bermuatan +1. Na → Na+ + 1 e-. Sususnan
elektron dari 2.8.1 → 2.8, yang merupakan konfigurasi elektron
gas mulia.
• Sifat lain lain logam alkali, memiliki titik leleh rendah, densitas
rendah, sangat lunak.
• 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
• Jika dipanaskan diatas nyala api memberikan warna yang
spesifik. Litium – merah, natrium – kuning, Kalium – lila/ungu,
Cesium – biru.
413
Tabel data logam alkali
Sifat\Z simbol,
nama
Titik leleh/oC
3Li
11Na
19K
37Rb
Litium Sodium Potasium Rubidium
55Cs
Cesium
87Fr
Francium
181
98
64
39
29
27
1347
883
774
688
679
677
Densitas/gcm
0.53
0.97
0.86
1.48
1.87
>1.87
IE
pertama/kJmol-1
513
496
419
403
376
400
IE
kedua/kJmol-1
7298
4562
3051
2632
2420
2100
Jari-jari atom /pm
152
186
231
244
262
270
Jari-jari ionik
M+/pm
78
98
133
149
165
180
Electronegativitas
0.98
0.93
0.82
0.82
0.79
0.70
Konfigurasi
elektron
2,1
2,8,1
o
Titik didih/ C
-3
Konfigurasi
elektron
[He]2s1 [Ne]3s1 [Ar]4s1
potensial
-3.04V -2.71V
Electroda M/M+
Simbol – warna
nyala
2,8,8,1 2,8,18,8,1 2,8,18,18,8,1 2,8,18,32,18,8,1
-2.92V
Li Na K - ungu
merah kuning
[Kr]5s1
[Xe]6s1
[Rn]7s1
-2.92V
-2.92V
-2.92V
Rb merah
Cs - biru
Fr – .
Logam Alkali Tanah
Dibandingkan dengan logam alkali pada periode yang sama :
• 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.
• 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
• 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]
Pada umumnya makin ke bawah dalam satu golongan nomer
atom cenderung makin meningkat.
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.
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.
Pada umumnya (tidak selalu) tistik didih dan titik leleh menurun
o Disebabkan peningkatan jari-jari ion dan meningkatnya
muatan .
Lebih reaktif karena makin ke bawah makin mudah membentuk
ion.
Electronegativity cenderung menurun:
Pola rumus molekul:
o Rumus umum dapat ditulis M2O atau rumus ionik (M+)2O2dimana 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 :
• 4M(s) + O2(g) → 2M2O(s) (perubahan redoks)
o Perubahan tingkat Oksidasi: M adalah 0 ke +1, Oxygen is 0 ke
-2 dalam ion okside O2-.
• 4M(s) + O2(g) → 2(M+)2O2-(s)
o logam dioksidasi (0 ke +1), kehilangan electron , tingkat
oksidasi meningkat
o Molekul oksigen direduksi (0 ke -2), tingkat oxidasi menurun.
• Oksidanya dilarutkan dalam air membentuk alkali hidroksida.
M2O(s) + H2O(l) → 2MOH(aq)
415
Tabel data logam alkali tanah
Sifat\ simbol,
nama
Titik leleh/oC
4Be
12Mg
20Ca
38Sr
Berilium Magnesium Calcium Stronsium
56Ba
Barium
88Ra
Radium
1278
649
839
769
729
700
2970
1090
1484
1384
1637
1140
Densitas/gcm
1.85
1.74
1.55
2.54
3.51
5.0
IE
pertama/kJmol-1
900
738
590
550
503
509?
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
M2+/pm
34
78
106
127
143
152
Electronegativitas
1.57
1.31
1.00
0.95
0.89
0.89
Konfigurasi
elektron
2,2
2,8,2
Konfigurasi
elektron
[He]2s2
[Ne]3s2
[Ar]4s2
[Kr]5s2
[Xe]6s2
[Rn]7s2
potensial
Electroda M/M2+
-1.97V
-2.36V
-2.84V
-2.89V
-2.92V
-2.92V
Simbol – warna
nyala
Be -
Mg -
Ca –
merah
bata
Sr -
Ba – hijau
apel
Ra -
o
Titik didih/ C
-3
2,8,8,2 2,8,18,8,2 2,8,18,18,8,2 2,8,18,32,18,8,2
(M+)2O2-(s) + H2O(l) → 2M+(aq) + 2OH-(aq) (bukan perubahan
redoks)
• Kecuali Litium (anomali) oksida yang lebih tinggi dapat
terbentuk misalnya :
o 2M(s) + O2(g) → M2O2(s) [perubahan redoks, M (0 ke +1), O (0
ke -1)]
• Menunjukkan pembentukan peroksida yang berwarnya oranye
kekuningan oleh Na, K, Rb dan Cs
• Mudah terhidrolisis dengan air membentuk hirogen peroksida
M2O2(s) + 2H2O(l) → 2MOH(aq) + H2O2(aq) (bukan perubahan
redoks) Masing-masing oksigen dalam tingkat oksidasi -1 dalam
ion peroksida O22• M(s) + O2(g) → MO2(s) menunjukkan pembentukan superoksida
oleh K, Rb dan Cs. Perubahan bilangan oksidasi M adalah dari 0
ke +1
• 2MO2(s) + 2H2O(l) → 2MOH(aq) + H2O2(aq) + O2(g) (perubahan
redoks)
416
o Perubahan tingkat oksidasi: M dan H tidak berubah (+1),
empat O berubah dari -1/2 dalam ion superokside ke dua -1
dalam molekul peroksida dan dua pada nol dalam molekul
oksigen.
• Oksida dilarutkan dalam asam membentuk garam netral.
o M2O(s) + 2HCl(aq) → 2MCl(aq) + H2O(l) memberikan garam
klorida yang larut
o (M+)2O2-(s) + 2H+(aq) → 2M+(aq) + H2O(l) (bukan perubahan
redoks)
o M2O(s) + 2HNO3(aq) → 2MNO3(aq) + H2O(l) memberikan garam
nitrat yang mudah larut
o M2O(s) + H2SO4(aq) → M2SO4(aq) + H2O(l) memberikan garam
sulfat yang mudah larut
o M2O(s) + 2CH3COOH(aq) → 2CH3COOM(aq) + H2O(l) memberikan
garam etanoat yang mudah larut
Logam Golongan 2 :
• 2M(s) + O2(g) → 2MO(s) (perubahan redoks)
o Perubahan tingkat oksidasi M dari 0 ke +2, dan oksigen dari 0
ke -2.
• 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) → M(OH)2(s=>aq) (bukan perubahan redoks)
o iM2+O2-(s) + H2O(l) → M(OH)2(s or aq)
• Semua oksida basa mudah ternetralisir oleh asam.
o MO(s) + 2HCl(aq) → MCl2(aq) + H2O(l) memberikan garam
klorida yang mudah larut.
o M2+O2-(s) + 2H+(aq) → M2+(aq) + H2O(l)
o MO(s) + 2HNO3(aq) → M(NO3)2(aq) + H2O(l) memberikan garam
nitrat yang mudah larut.
o MO(s) + H2SO4(aq) → MSO4(aq or s) or s) + H2O(l)
memberikan
garam sulfat yang sukar larut.
+
2CH3COOH(aq)
→
(CH3COO)2M(aq)
+
o MO(s)
H2O(l) memberikan garam etanoat
• Beryllium oksida BeO bersifat amfotir dan larut dalam basa
kuat seperti NaOH membentuk ion kompleks hydroxo beryllat
o BeO(s) + 2NaOH(aq) + H2O(l) → Na2[Be(OH)4](aq) ( garam
beryllat)
o Be2+O2-(s) + 2OH-(aq) + H2O(l) → → [Be(OH)4]2-(aq) ±
Reaksi logam-logam blok s dan air & sifat kimia hidroksidanya
• Reaksi logam golongan s dengan air
• Oksida atau hidroksidanya merupakan padatan putih ionik.
417
Hidroksida Logam Golongan 1: 2M(s) + 2H2O(l) → 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) → 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) → MCl(aq) + H2O(l) memberikan garam klorida
yang mudah larut
OH-(aq) + H+(aq) → H2O(l)
MOH(aq) + HNO3(aq) → MNO3(aq) + H2O(l)
yang mudah larut
memberikan garam nitrat
2MOH(aq) + H2SO4(aq) → M2SO4(aq) + 2H2O(l)
sulfat yang mudah larut
memberikan garam
MOH(aq) + CH3COOH(aq) → CH3COOM(aq) + H2O(l)
garam etanoat yang mudah larut
memberikan
Hidroksida Logam Golongan 2: M(s) + 2H2O(l) → M(OH)2(aq
H2(g) (reaksi redoks)
or s)
+
o Menunjukkan perubahan hidroksida dan hidrogen dengan air
dingin.
o M(s) + 2H2O(l) → M2+(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 magne- sium
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) →MgO(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) → 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) → MCl2(aq) + 2H2O(l) memberikan garam
klorida yang mudah larut*
Semua reaksi basa (OH-) – asam (H+) : OH-(aq) + H+(aq) → H2O(l)
M2+(OH-)2(s) + 2H+(aq) → M2+(aq) + 2H2O(l)
M(OH)2(aq or s) + 2HNO3(aq) → M(NO3)2(aq) + 2H2O(l)
Memberikan gram nitrat yang mudah larut
M(OH)2(aq or s) + H2SO4(aq) → M2SO4(aq or s) + 2H2O(l)
Memberikan garam sulfat yang mudah larut
M(OH)2(aq or s) + 2CH3COOH(aq) → (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) → 2NaCl(aq) + Ca(OH)2(s)
MgSO4(aq) + 2KOH(aq) → K2SO4(aq) + Mg(OH)2(s)
Ba(NO3)2(aq) + 2NaOH(aq) → 2NaNO3(aq) + Ba(OH)2(s)
M2+(aq) + 2OH-(aq) → 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) → Na2[Be(OH)4](aq) (tidak ada perubahan
redoks)
Secara ionik : Be(OH)2(s) + 2OH-(aq) → [Be(OH)4]2-(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) → MCl2(aq) + H2(g) (reaksi redoks) ke bentuk garam
klorida yang mudah larut
420
M(s) + 2H+(aq) → M2+(aq) + H2(g)
perubahan tingkat oksidasi : satu M pada (0) dan dua H pada (+1)
→ 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) → 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) → MSO4(aq or s) + H2(g) ke bentuk larut
yang tidak mudah larut
garam sulfat
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) → (CH3COO)2M(aq) + H2(g) ke bentuk garam
etanoat
M(s) + 2CH3COOH(aq) → (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.
[M(H2O)6]n+(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) ± 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
halida(ion X-)
-1 oksidasi pada senyawa
Logam golongan 2 (kecuali Be) mudah bereaksi dengan halogen
panas.
M(s) + Cl2(g) → MCl2(s)
Produk garam, M2+(X-)2, sama dengan sifat sama dengan senyawa
Golongan 1 M+XSifat kimia karbonat
Karbonat dan hidrogen- karbonat merupakan padatan putih
Karbonat golongan 1 M2CO3: terbentuk pembentukan CO2 dalam
larutan hidroksida berlebih
2MOH(aq) + CO2(g) → M2CO3(aq) + H2O(l)
2OH-(aq) + CO2(g) → CO32-(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) → 2MHCO3(aq)
CO32-(aq) + H2O(l) + CO2(g) → 2HCO3-(aq)
Padatan putih yang sedikit larut dalam air
contoh 270oC: 2NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
422
sodium hydrogencarbonat ('sodium bicarbonate' atau 'baking
soda') digunakan untuk pembuatan kue.
Karbonat dan hydrogenternetralisasi oleh asam:
carbonat
Golongan
1
mudah
M2CO3(aq) + 2HCl(aq) → 2MCl(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam
klorida yang larut
CO32-(aq) + 2H+(aq) → H2O(l) + CO2(g)
M2CO3(aq) + 2HNO3(aq) → 2MNO3(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan
garam nitrat yang larut
M2CO3(aq) + H2SO4(aq) → M2SO4(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan
garam sulfat yang larut
M2CO3(aq) + 2CH3COOH(aq) → CH3COOM(aq) + H2O(l) + CO2(g)
memberikan garam etanoat yang larut
MHCO3(aq) + HCl(aq) → MCl(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam
klorida yang larut
HCO3-(aq) + H+(aq) → H2O(l) + CO2(g)
MHCO3(aq) + HNO3(aq) → MNO3(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan
garam nitrat yang larut
2MHCO3(aq) + H2SO4(aq) → M2SO4(aq) + 2H2O(l) + CO2(g) memberikan
garam sulfat yang larut
MHCO3(aq) + CH3COOH(aq) → 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) → 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) → M(HCO3)2(aq)
423
Karbonat Golongan 2 MCO3 mudah ternetralisir dengan asam
membentuk garam, air CO2
MCO3(s) + 2HCl(aq) → MCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam
klorida yang larut
M2+CO32-(s) + 2H+(aq) → M2+(aq) + H2O(l) + CO2(g)
MCO3(s) + 2HNO3(aq) → M(NO3)2(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan
garam nitrat yang larut
MCO3(s) + H2SO4(aq) → M2SO4(aq) + H2O(l) + CO2(g) memberikan garam
sulfat yang larut
MCO3(s) + 2CH3COOH(aq) → (CH3COO)2M(aq) + H2O(l) + CO2(g)
memberikan garam etanoat yang larut
kation\
anion
oksida
hidroksida karbonat
-
hidrogenkarbonat
OH
CO32-
HCO3-
Rumus
M2O
turunan
dari kasi (M+)2O2gol. 1 M+
MOH
M2CO3
MHCO3
M+OH-
(M+)2CO32-
M+HCO3-
Rumus
MO
turunan
dari
M2+O2kation
gol. 2 M2+
M(OH)2
MCO3
M(HCO3)2
M2+(OH-)2
M2+CO32-
M2+(HCO3-)2
kation\
anion
2-
O
halida
-
X
Rumus
MX
turunan dari
kation gol. 1 M+XM+
nitrata(V)
sulfate(VI)
etanoat
NO3-
SO42-
CH3COO-
MNO3
M2SO42-
CH3COOM
M+NO3-
(M+)2SO42-
CH3COO-M+
Rumus
M(NO3)2
MSO4
MX2
turunan dari
kation gol. 2 M2+(X-)2 M2+(NO3-)2 M2+SO42M2+
424
(CH3COO)2M
(CH3COO-)2M2+
21.3 BIJIH LOGAM
Bijih logam dan
Mineral
Kulit bumi mengandung banyak batu-batuan yang berbeda. Batuan
adalah campuran mineral dimana dari beberapa batuan tersebut
dapat dibuat senyawa-senyawa yang bermanfaat.
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.
•
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.
ƒ
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
ƒ
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.
ƒ
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.
ƒ
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’.
ƒ
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.
ƒ
Kadang-kadang elektrolisis digunakan untuk memurnikan
logam yang kurang reaktif yang awalnya telah diekstrak
menggunakan karbon atau hidrogen (misal tembaga an seng).
ƒ
Kebutuhan untuk material mentah mempunyai impikasi
sosial, ekonomi dan lingkungan misal konservasi sumber mineral
dengan mendaur ulang logam, mengurangi polusi, dsb.
ƒ
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 besi dan
ekstraksi besi
ƒ
Bijih oksida besi ditambang di berbagai bagian dunia.
Contohnya haematite Fe2O3 dan magnetite Fe3O4.
ƒ
Campuran padatan bijih haematite, coke dan limestone
secara kontinu dimasukkan ke dalam blast furnace.
426
ƒ
Coke dibakar di dasar dan udara panas ditiupkan
membakar coke (karbon) untuk membentuk karbon dioksida
reaksi oksidasi (C menerima O).
ƒ
Energi panas dibutuhkan dalam reaksi eksotermik
meningkatkan suhu blast furnace hingga di atas 1000 oC
mempengaruhi reduksi bijih logam.
untuk
dalam
untuk
untuk
o karbon + oksigen → karbon dioksida
o C(s) + O2(g) → CO2(g)
ƒ
Pada suhu tinggi terbentuk karbon dioksida, bereaksi
dengan coke (karbon) lain untuk membentuk karbon monoksida
o karbon dioksida + karbon → karbon monoksida
o CO2(g) + C(s) → 2CO(g)
o (catatan: CO2 tereduksi dengan kehilangan O, C teroksidasi
dengan menerima O)
ƒ
Karbon monoksida adalah molekul yang benar-benar
mengusir oksigen dari bijih besi oksida. Ini adalah reaksi reduksi
(Fe2O3 kehilangan O, atau Fe3+ menerima tiga elektron untuk
membentuk Fe) dan CO dikenal sebagai agen pereduksi (pengusir
O dan teroksidasi dalam proses).
ƒ
Logam besi dilelehkan pada suhu blast furnace tinggi dan
menetes ke dasar blast furnace. Reaksi reduksi utama adalah ...
o Besi (III) oksida + karbon monoksida → besi + karbon
dioksida
o Fe2O3(s) + 3CO(g) → 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 → besi + karbon monoksida
Fe2O3(s) + 3C(g) → 2Fe(l) + 3CO(g)
atau
besi (III) oksida + karbon → besi + karbon dioksida
2Fe2O3(s) + 3C(g) → 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 → kalsium silikat + karbon dioksida
o CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2
o Kadang-kadang ditunjukkan dalam dua langkah:
ƒ
CaCO3 → CaO + CO2
ƒ
CaO + SiO2 → CaSiO3
ƒ
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.
ƒ
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 → karbon dioksida
2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g)
ƒ
ƒ
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.
ƒ
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
428
bijih besi misal bijih haematite [besi (III) oksida, Fe2O3]
coke (karbon, C)
udara panas (untuk O2 di dalamnya)
limestone (kalsium karbonat, CaCO3)
21.3.2 Ekstraksi Aluminium
Bijih aluminium
dan ekstraksi
aluminium
ƒ
Aluminium diperoleh dari mineral bauksit
ƒ
Pemurnian bijih bauksit dari aluminium oksida dilakukan
secara kontinyu. Cryolite ditambahkan dalam titik leleh yang lebih
rendah dan melarutkan bijih.
ƒ
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 O2ƒ
Ketika arus DC dilewatkan melalui plat aluminium pada
katoda (logam) maka aluminium akan diendapkan di bagian bawah
tangki.
ƒ
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.
ƒ
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.
ƒ
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
ƒ
Bijih bauksit dari aluminium oksida tidak murni (Al2O3
terbentuk dari ion Al3+ dan ion O2-).
ƒ
Karbon (grafit) digunakan sebagai elektroda.
ƒ
Cryolite menurunkan titik leleh bijih dan menyimpan
energi, karena ion-ion harus bergerak bebas untuk membawa arus.
ƒ
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.
ƒ
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 :
ƒ
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
ƒ
aluminium dalam keadaan netral.
Al3+ 3e- → Al
ƒ
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-
→
O2 + 4e-
Atau 2O2- - 4e- → O2
ƒ
Catatan : reaksi oksidasi maupun reduksi terjadi secara
bersama-sama.
ƒ
Reaksi dekomposisi secara keseluruhan adalah :
430
Aluminium oksida → aluminium + oksigen
2 Al2O3 → 4Al + 3O2
Dan reaksi diatas merupakan reaksi yang sangat endotermis,
banyak energi listrik yang masuk.
21.3.3 Ekstraksi dan Pemurnian Seng
Bijih seng dan
ekstraksi seng
ƒ
Seng diekstraksi dari seng blende/sphalerite (seng sulfide)
atau calamine/Smithsonite (seng karbonat).
ƒ
(1) Seng sulfide dibakar di udara untuk menghasilkan seng
oksida.
ƒ
2ZnS(s) + 3O2(g) → 2ZnO(s) + 2SO2(g)
ƒ
Catatan: calamine dapat digunakan secara langsung dalam
lelehan seng karena dalam pemanasannya akan menghasilkan seng
oksida.
ZnCO3(s) → ZnO(s) + CO2(g) (dekomposisi termal endotermik)
ƒ
(2) Seng oksida tidak murni dapat dihilangkan dalam dua
cara untuk mengekstrak seng :
ƒ
(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) → CO2(g) (sangat oksidasi eksotermik,
meningkatkan temperature)
o C(s) + CO2(g) → 2CO(g) (C dioksidasi, CO2 direduksi)
o ZnO(s) + CO(g) → Zn(l) + CO2(g) (seng oksida direduksi oleh CO,
Zn kehilangan O)
o Atau reduksi langsung oleh karbon : ZnO(s) + C(s) → 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
ƒ
o (i) Dilarutkan dan dinetralisasi dengan larutan asam sulfat
untuk menghasilkan larutan tidak murni seng sulfat.
o ZnO(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(aq) + H2O(l)
o Atau menggunakan calamine/seng karbonat:
ZnCO3(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(aq) + H2O(l)+ CO2(g)
ƒ
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.
ƒ
Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
ƒ
Proses reduksi, electron terbentuk, sebagai logam seng
yang terendapkan pada elektroda (-).
ƒ
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.
ƒ
Lebih jelasnya sistem elektrolisis digunakan, lihat
pemurnian tembaga (hanya menukar Zn untuk Cu pada
metoda/diagrktif)
ƒ
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
Ekstraksi Natrium
Natrium, sama seperti banyak logam reaktif lainnya, dapat
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- → Na
432
Ion negative klorida berpindah menuju elektrona anoda positif dan
dioksidasi dengan kehilangan electron membentuk molekul gas
klorida.
2Cl- → Cl2 + 2e-
RINGKASAN
•
•
•
•
•
Logam dapat diambil dari mineralnya melalui
elektrolisis, reduksi mineral Karbon dengan pemanasan,
penggantian logam yang lebih elektronegatif atau
dekomposisi dengan pemanasan.
Pemilihan metode ekstraksi tergantung pada kebutuhan
energi selama proses, biaya dan kebutuhan logam lain
sebelum digunakan.
Hematite Fe2O3, magnetite Fe3O4 dan besi sulfida FeS
merupakan mineral-mineral besi.
Bijih Aluminium mengandung bauksit Al2O3.2H2O.
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