BAB I

PENDAHULUAN

I.1 PENGANTAR ILMU KIMIA DAN APLIKASI TEKNIK

Ilmu kimia memepelajari bangun (struktur) materi dan perubahan-

perubahan yang dialami materi ini dalam proses-proses alamiah maupun dalam

eksperimen yang direncanakan. Akan tetapi secara garis besarnya dapat dikatakan

bahwa ilmu kimia mempelajari segala sesuatu tentang materi, meliputi susunan,

struktur, sifat, dan perubahannya, serta energi yang menyertai perubahan tersebut.

Pertama, apa yang yang dimaksud dengan susunan materi? Dalam ilmu

kimia, air dan alkohol digolongkan sebagai senyawa, yaitu perpaduan dari dua

jenis unsur atau lebih dengan komposisi tertentu. Unsur adalah zat yang paling

dasar dan penyusun segala macam senyawa. Air adalah senyawa dari jenis unsur,

yaitu hidrogen (H) dan oksigen (O) dengan rumus H2O, sedangkan alk75

ohol adalah senyawa dari tiga jenis unsur, yaitu karbon, hidrogen, dan

oksigen dengan rumus kimia C2H5OH. Rumus kimia menyatakan susunan dan

hakikat zat. Setiap zat mempunyai susunan tertentu yang berbeda dari zat lainnya.

Para ahli kimia menentukan susunan setiap zat melalui percobaan, dari zat yang

sederhana seperti air hingga zat yang sangat kompleks, misalnya protein dan

DNA. Pengetahuan tentang susunan zat membantu pemahaman tentang sifatnya.

Alkohol dapat terbakar karena mengandung karbon (C) dan hidrogen yang dapat

bergabung atau bereaksi dengan oksigen dari udara. Sedangkan air adalah

senyawa hidrogen dengan oksigen, tidak dapat mengikat oksigen lebih banyak

lagi.

Kemudian, apa yang dimaksud dengan struktur materi? Materi terdiri dari

butiran kecil (partikel) yang disebut atom. Atom sejenis atau berlainan dapat

bergabung membentuk molekul. Selain itu atom juga dapat memiliki muatan

listrik yang disebut ion. Yang dimaksud dengan struktur materi adalah gambaran

tentang bagaimana atom-atom saling terikat. Selain susunan, struktur juga

menetukan sifat-sifat materi. Intan dan grafit (arang) keduanya adalah karbon (C).

tetapi keduanya sangat berbeda. Perbedaan tersebut terjadi karena perbedaan

1

struktur. Struktur zat ditentukan melalui percobaan. Dewasa ini telah

dikembangkan berbagai jenis spektrometer dan difraktometer sinar X.

Ilmu kimia juga mempelajari sifat materi. Para ahli telah mengidentifikasi

dan mencatat sifat dari jutaan jenis zat. Setiap zat mempunyai sifat khas (spesifik)

yang membedakannya dari zat lain. Selain itu, antara berbagai zat juga terdapat

kemiripan sifat. Berdasarkan kemiripan sifatnya, zat kimia dapat diklasifikasikan

dan hal ini sangat memudahkan orang mempelajari ilmu kimia. Pengetahuan yang

diperoleh dari pengamatan tentang sifat zat disebut pengetahuan deskriptif.

Ilmu kimia tidak hanya mempelajari sifat zat tetapi berusaha mencari

prinsip yang mengatur sifat-sifat materi tersebut serta merumuskan teori untuk

menerangkan mengapa hal itu terjadi. Misalnya, salah satu sifat kimia alkohol

adalah dapat terbakar. Seperti telah disebutkan di atas, sifat dapat terbakar alkohol

terjadi karena zat tersebut dapat bereaksi dengan oksigen. Bagian ilmu kimia yang

mencoba memberi penjelasan tentang sifat materi disebut kimia teoritis.

Penjelasan ini berfokus ada sifat partikel dasar penyusun materi.

Bagian paling menarik dari ilmu kimia adalah tentang perubahan materi.

Para ahli menggunakan perubahan kimia untuk membuat bahan baru dari bahan

alam yang relatif murah. Hal ini sangat nyata dalam bidang farmasi, dan

penciptaan barang baru speerti obat-obatan, plastik, nilon, dan lain-lain.

Perubahan materi sering disertai perubahan energi dalam jumlah yang cukup

besar. Misalnya adalah reaksi pembakaran. Energi yang dibebaskan pada reaksi

pembakaran kita gunakan untuk memasak, menggerakkan kendaraan, industri, dan

sebagainya.

Manfaat yang segera kita dapat ketika mempelajari ilmu kimia adalah

pemahaman yang lebih baik terhadap alam sekitar dan berbagai proses yang

berlangsung di dalamnya. Manfaat yang lebuh jauh dari ilmu kimia adalah untuk

mengubah bahan alam menjadi produk yang lebih berguna untuk memenuhi

kebutuhan kita. Dunia modern sekarang ini adalah dunia di mana seseorang

menjadi terbiasa dengan kemudahan yang diperoleh dari ilmu kimia. Hampir

semua bahan keperluan kita, sedikit banyak, baik langsung maupun tidak

langsung, mengalami sentuhan kimia. Bukan hanya keperluan sehari-hari, ilmu

kimia juga punya andil besar dalam berbagai jenis produk teknologi seperti

2

pesawat televisi, mesin pendingin, dan pesawat terbang. Material yang digunakan

untuk berbagai produk tersebut memerlukan komposisi dan sifat khusus yang

dihasilkan oleh para ahli kimia. Sebagai contoh adalah industri mobil, mulai dari

logam untuk kerangka dan mesinnya, cat, ban, plastik, serta kaca untuk komponen

lainnya, semuanya memerlukan pengetahuan kimia. Disinilah kita dapat

meletakkan kimia sebagai sebuah aplikasi dalam bidang teknik.

I.2 DEFINISI DAN HUBUNGAN DASAR DALAM ILMU KIMIA

1.2.1 Massa atom

Massa atom adalah massa dari satu atom suatu unsur. Massa satu atom

unsur sangat kecil, untuk menyatakan massa suatu atom digunakan massa atom

relatif yang penulisannya dengan lambang Ar. Massa atom relatif menyatakan

perbandingan massa rata-rata satu atom suatu unsur terhadap 1/12 massa satu atom

C-12. Pengukuran massa atom tidak dapat ditentukan secara langsung dengan cara

menimbang, melainkan dengan membandingkan atom tersebut dengan standar

massa atom.

Para ahli mula-mula memilih atom hidrogen sebagai standar karena atom

hidrogen berukuran paling kecil. Massa atom hidrogen ditetapkan sebesar 1 (satu)

dan massa atom relatif atom unsur lainnya dibandingkan terhadap massa atom

relatif hidrogen. Selanjutnya para ahli menetapkan atom unsur oksigen sebagai

standar dengan massa atom relatif 16 (enam belas). Namun, sejak 1961 oleh

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ditetapkan atom

pembanding adalah isotop karbon-12 sebagai standar ditulis dengan lambang 12C

atau C-12. Massa atom relatif biasanya dinyatakan dengan pembulatan.

Secara umum massa atom relatif (Ar) unsur dapat ditulis sebagai berikut:

3

Ar unsur x = massa rata-rata 1 atom unsur x 1/12 massa 1 atom C-12

1.2.2 Massa Molekul

Massa molekul adalah massa dari satu molekul suatu senyawa. Untuk

menyatakannya digunakanlah massa atom relatif. Yang dimaksud massa atom

relatif (Mr) adalah bilangan yang menyatakan harga perbandingan massa molekul

suatu senyawa dengan 1/12 massa 1 atom karbon-12.

Secara umum massa molekul relatif (Mr) unsur dapat ditulis sebagai berikut:

Contoh:

Mr senyawa AB = Ar A + Ar B

Dari contoh diatas kita dapat menyimpulkan bahwa Mr itu adalah jumlah massa

atom relatif dari unsur-unsur senyawanya.

1.3 RUMUS EMPIRIS DAN RUMUS MOLEKUL

Rumus kimia merupakan kumpulan lambang atom dengan komposisi

tertentu. Rumus kimia zat menyatakan jenis dan jumlah relatif atom yang

menyusun zat tersebut. Rumus kimia berbentuk kumpulan lambang atom dengan

komposisi tertentu. Rumus kimia suatu zat dapat berupa rumus molekul atau

rumus empiris. Kita akan membahas perbedaan kedua rumus kimia tersebut.

1.3.1. Rumus Empiris (RE)

Rumus empiris atau rumus perbandingan adalah rumus perbandingan mol

atom unsur-unsur di dalam suatu senyawa, RE menyatakan jenis atom dan

perbandingan paling sederhana dari atom-atom dalam senyawa yang

bersangkutan. Apabila komposisi unsur-unsur dalam senyawa serta massa atom

relatif (Ar) diketahui maka dapat ditentukan rumus empiris dari senyawa itu.

Banyak senyawa mempunya rumus empiris yang sama dengan rumus molekulnya

(mengapa?). Perhatikanlah kaitan antara rumus molekul dan rumus empiris

beberapa zat berikut ini.

4

Mr senyawa x = massa 1 molekul senyawa x 1/12 massa 1 atom C-12

Mr = Jumlah Ar

Rumus kimia senyawa ion adalah rumus empiris, bukan rumus molekul,

karena senyawa ion tidak terdiri atas molekul, melainkan terdiri atas ion.

Misalnya suatu senyawa ion natrium klorida (NaCl), bukan terdiri atas “molekul”

NaCl melainkan terdiri atas ion Na+ dan Cl- dengan perbandingan 1 : 1.

1.3.2. Rumus Molekul (RM)

Rumus molekul zat menyatakan jenis atom dan jumlah atom dalam tiap

molekul zat. Rumus molekul merupakan kelipatan bulat (kelipatan dua, tiga,

empat, dan seterusnya) dari rumus empirisnya. Jadi, ada senyawa yang

mempunyai rumus empiris sama dengan rumus molekulnya. Apabila rumus

empiris serta massa molekul relatif (Mr) diketahui maka rumus molekul suatu

senyawa dapat ditentukan. Hanya zat (unsur atau senyawa) yang partikelnya

berupa molekul yang mempunyai rumus molekul.

Contoh :Tiap molekul air terdiri dari 2 atom hidrogen (H) dan 1 atom oksigen (O).

Oleh karena itu RM air adalah H2O.

Rumus kimia beberapa senyawa diberikan pada tabel 1.1, sedangkan

rumus kimia beberapa unsur telah diberikan pada tabel 1.2 dan dapat

diringkaskan sebagai berikut:

a. Umumnya unsur adalah monoatomik (ditulis sebagai atom

yang berdiri sendiri)

b. Ada tujuh unsur yang membentuk molekul diatomik (tiap

molekul terdiri dari dua atom), yaitu H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, dan I2.

c. Fosforus dan belerang membentuk molekul poliatomik, yaitu P4

dan S8.

Nama zat Rumus molekul Rumus empiris

Etuna

Benzena

C2H2

C6H6

CH

CH

5

Etana

Etena

Air

Hidrogen peroksida

Butana

C2H6

C2H4

H2O

H2O2

C4H10

CH3

CH2

H2O

HO

C2H5

Tabel 1.1

Nama senyawa Rumus kimia Nama senyawa Rumus kimia

Air

Ammonia

Metana

Sukrosa

Glukosa

Natrium klorida

H2O

NH3

CH4

C12H22O11

C6H12O6

NaCl

Asam cuka

Alkohol

Asam Sulfat

Asam klorida

Urea

Soda

CH3COOH

C2H5OH

H2SO4

HCl

CO(NH2)2

Na2CO3

Tabel 1.2

Suatu senyawa dengan rumus empiris AxByCz artinya:

x : y : z =

Sehingga dapat dikatakan:

x : y : z merupakan perbandingan mol A : mol B : mol C

PENENTUAN RUMUS EMPIRIS DAN RUMUS MOLEKUL

Rumus kimia menunjukkan jenis atom unsur dan jumlah relatif

masing-masing unsur yang terdapat dalam zat. Banyaknya unsur yang

terdapat dalam zat ditunjukkan dengan angka indeks.

Rumus kimia dapat berupa rumus empiris dan molekul.

“Rumus empiris, rumus yang menyatakan perbandingan

terkecil atom-atom dari unsur-unsur yang menyusun senyawa”

6

massa A : massa B : massa C Ar A Ar B Ar C

Rumus molekul, rumus yang menyatakan jumlah atom-atom dari

unsur-unsur yang menyusun satu molekul senyawa.

Rumus Molekul = ( Rumus Empiris ) n

Mr Rumus Molekul = n x ( Mr Rumus Empiris )

. n = bilangan bulat

Untuk menentukan rumus empiris dan rumus molekul suatu senyawa,

dapat ditempuh dengan langkah berikut :

a. Cari massa (persentase) tiap unsur penyusun senyawa

b. Ubah ke satuan mol

c. Perbandingan mol tiap unsur merupakan rumus empiris

d. Untuk mencari rumus molekul dengan cara :

( Rumus Empiris ) n = Mr n dapat dihitung

e. Kemudian kalikan n yang diperoleh dari hitungan, dengan rumus empiris.

Contoh :

1. Suatu senyawa terdiri dari 43,7% P dan 56,3% O. Tentukan rumus

empirisnya! (Ar P = 3 dan O = 16)

Jawab :

...Misal massa senyawa = 100 gram

...Maka massa P dan O masing-masing 43,7 g dan 56,3 g

...Perbandingan mol P : mol O = :

........................................= 1,41 : 3,52

........................................= 1 : 2,5

........................................= 2 : 5

Jadi rumus empirisnya P2O5

2. Suatu senyawa terdiri dari 60% Karbon, 5% Hidrogen, dan sisanya

Nitrogen. Jika Mr senyawa itu = 80 (Ar C = 12 ; H = 1 ; N = 14). Tentukan

rumus empiris dan rumus molekul senyawa itu!

7

Jawab :

Persentase Nitrogen = 100% - ( 60% + 5% ) = 35%

Misal massa senyawa = 100 gram

Maka massa C : N : H = 60 : 35 : 5

Perbandingan mol C : mol H : mol N = 5 : 5 : 2,5 = 2 : 2 :1

Maka rumus empiris = C2H2N

( C2H2N ) n = 80

( 24 + 2 + 14 ) n = 80

( 40 ) n = 80 n = = 2

Jadi rumus molekul senyawa tersebut = ( C2H2N )2

= C4H4N2

Pahamkah Anda? Coba kerjakan latihan berikut.

LATIHAN

1. Stirena adalah komponen penyusun Polistirena, mempunyai massa molekul

relatif (Mr) sebesar 104. Jika diketahui rumus empirisnya (CH), maka

tentukan rumus molekul Stirena! (Ar C = 12 ; H = 1)

2. Massa molekul relatif suatu senyawa yang dianalisis 58. Jika senyawa itu

terdiri dari 82,8% Karbon dan 17,2% Hidrogen, tentukan rumus

molekulnya!

Jika Anda telah menyelesaikan soal tersebut, cocokkan jawaban Anda

dengan kunci berikut!

KUNCI LATIHAN

1. Jawab :

 

Rumus Stirena = ( Rumus empiris Stirena ) n

.....Mr Stirena = n x (Mr CH)

..............104 = n x {( 1 x 12 ) + ( 1 x 1 )}

..............104 = n x 13

.................n = 8

Jadi rumus molekul Stirena adalah ( CH )8 atau C8H8

8

2. Jawab :

 

Dalam 100 gram senyawa

Perbandingan massa C : massa H = 82,8 g : 17,2 g

Perbandingan mol C : mol H = :

.....................................= 6,9 : 17,2

.....................................= 1 : 2,5

.....................................= 2 : 5

Rumus empiris adalah C2H5

.........( C2H5 ) n = 58

.........( 24 + 5 ) n = 58 n = = 2

Jadi rumus molekul senyawa ( C2H5 )2 atau C4H10

I.4 KONSEP MOL DAN BILANGAN OKSIDASI

I.4.1 MOL

Bobot atom karbon dengan 4 angka ialah 12,01 sma. Berapa banyak atom

karbon dalam 12.01 g karbon? Metode eksperimen modern membuktikan bahwa

banyaknya atom yaitu ialah 6,022 X 1023. bilangan raksasa ini disebut bilangan

Avogadro. Bobot 6,022 X 1023 atom oksigen adalah 16,00 gram; bobot 6,022 X

1023 molekul karbon monoksida ialah 28,01 gram; dan bobot molekul karbon

dioksida ilah 44,01 gram. Mol suatu zat ialah banyak zat itu yang mengandung

6,022 X 1023 satuan. Bobot satu mol suatu zat disebit bobot molar. Bobot molar

dalam suatu zat secara numeris sama dengan bobot molekul dalam satuan massa

atom.

I.4.2 Bilangan Oksidasi

Bilangan oksidasi untuk senyawa kovalen dan untuk senyawa ion untuk

ikatan kovalen dalam satu ionnya atau lebih, pencantuman bilangan oksidasi

bergantung pada aturan-aturan sebarang yang didasarkan pada keelektronegatifan

unsur-unsur yang membangun senyawa itu.

9

Tiga aturan diantaranya :

1. bilangan oksidasi suatu unsur tidak bersenyawa adalah nol

2. unsur dengan suatu bilangan positif biasanya ditulis lebih dulu dalam

rumus. Amonia adalah suatu kekecualian terhadap aturan ini

3. dalam rumus suatu senyawa, jumlah bilangan oksidasi positif dan bilangan

oksidasi negatif sama dengan nol

I.5 CARA PENULISAN PERSAMAAN-PERSAMAAN KIMIA DAN

PERSAMAAN REAKSI OKSIDASI -REDUKSI

I.5.1 Aturan Penulisan Persamaan Reaksi

Persamaan reaksi adalah persamaan yang menunjukan zat-zat yang

bereaksi sama dengan zat hasil reaksi. Zat-zat yang bereaksi itu disebut pereaksi (

reaktan ) ditulis di sebelah kiri, sedangkan zat hasil reaksi ditulis di sebelah kanan.

Perubahan zat dari pereaksi ke hasil reaksi ditulis dengan arah panah ke kanan.

Contoh:

1. Besi dreaksikan dengan belerang menghasilkan besi belerang.

Besi + Belerang → Besi Belerang

Fe + S → FeS

2. Hidrogen direaksikan dengan oksigen menghasilkan air.

Hidrogen + Oksigen → Air

H2 + O2 → H2O

Dalam reaksi kimia berlaku Hukum Kekekalan Massa ( Hukum Lavoisier

) yang menyatakan:

“ Jumlah massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama.”

Massa suatu zat berbandung lurus dengan jumlah partikel ( atom-atom ) maka

hukum tersebut dapat diartikan :

“Jumlah atom yang bereaksi ( pereaksi ) akan sama dengan jumlah atom-

atom zat hasil reaksi.”

10

Perhatikan contoh reaksi berikut:

1. Fe + S → FeS

Terlihat bahwa disebelah kiri jumlah atom Fe dan S masing-masing adalah satu

yang jika dijumlahkan menjadi dua. Begitu juga disebelah kiri, reaksi tersebut

membentuk unsur yang memiliki atom berjumlah dua ( FeS ) dan berarti reaksi

sudah setara.

2. H2 + O2 → H2O

4 atom 3 atom

(Reaksi ini belum setara)

Cara menyetarakan reaksi No.2 adalah:

- Jumlah atom H di kiri dan di kanan sudah sama, yaitu 2.

- Jumlah atom O di kiri ada 2, sedangkan di kana ada satu. Untuk itu di sebelah

kiri dikalikan setengah, maka:

H2 + ½ O2 → H2O

Agar tidak ada pecahan maka semuanya dikalikan dua, sehingga:

2H2 + O2 → 2H2O

6 atom 6 atom

Dalam persamaan reaksi, bilangan-bilangan di depan zat disebut koefisien reaksi.

I.5.2 Reaksi Redoks

5.2.1 Pengertian Oksidasi dan Reduksi (Redoks)

Pengertian oksidasi dan reduksi disini lebih melihat dari segi transfer oksigen,

11

hidrogen dan elektron. Disini akan juga dijelaskan mengenai zat pengoksidasi

(oksidator) dan zat pereduksi (reduktor).

A. Oksidasi dan reduksi dalam hal transfer oksigen

Dalam hal transfer oksigen, Oksidasi berarti mendapat oksigen, sedang Reduksi

adalah kehilangan oksigen.

Sebagai contoh, reaksi dalam ekstraksi besi dari biji besi:

Karena reduksi dan oksidasi terjadi pada saat yang bersamaan, reaksi diatas

disebut reaksi REDOKS.

Zat pengoksidasi dan zat pereduksi

Oksidator atau zat pengoksidasi adalah zat yang mengoksidasi zat lain. Pada

contoh reaksi diatas, besi(III)oksida merupakan oksidator.

Reduktor atau zat pereduksi adalah zat yang mereduksi zat lain. Dari reaksi di

atas, yang merupakan reduktor adalah karbon monooksida.

Jadi dapat disimpulkan:

oksidator adalah yang memberi oksigen kepada zat lain,

reduktor adalah yang mengambil oksigen dari zat lain

B. Oksidasi dan reduksi dalam hal transfer hidrogen

Definisi oksidasi dan reduksi dalam hal transfer hidrogen ini sudah lama dan kini

tidak banyak digunakan.

12

Oksidasi berarti kehilangan hidrogen, reduksi berarti mendapat hidrogen.

Perhatikan bahwa yang terjadi adalah kebalikan dari definisi pada transfer

oksigen.

Sebagai contoh, etanol dapat dioksidasi menjadi etanal:

Untuk memindahkan atau mengeluarkan hidrogen dari etanol diperlukan zat

pengoksidasi (oksidator). Oksidator yang umum digunakan adalah larutan kalium

dikromat(IV) yang diasamkan dengan asam sulfat encer.

Etanal juga dapat direduksi menjadi etanol kembali dengan menambahkan

hidrogen. Reduktor yang bisa digunakan untuk reaksi reduksi ini adalah natrium

tetrahidroborat, NaBH4. Secara sederhana, reaksi tersebut dapat digambarkan

sebagai berikut:

Zat pengoksidasi (oksidator) dan zat pereduksi (reduktor)

Zat pengoksidasi (oksidator) memberi oksigen kepada zat lain, atau

memindahkan hidrogen dari zat lain.

13

Zat pereduksi (reduktor) memindahkan oksigen dari zat lain, atau memberi

hidrogen kepada zat lain.

C. Oksidasi dan reduksi dalam hal transfer elektron

Oksidasi berarti kehilangan elektron, dan reduksi berarti mendapat elektron.

Definisi ini sangat penting untuk diingat. Ada cara yang mudah untuk membantu

anda mengingat definisi ini. Dalam hal transfer elektron:

Contoh sederhana

Reaksi redoks dalam hal transfer elektron:

Tembaga(II)oksida dan magnesium oksida keduanya bersifat ion. Sedang dalam

bentuk logamnya tidak bersifat ion. Jika reaksi ini ditulis ulang sebagai persamaan

reaksi ion, ternyata ion oksida merupakan ion spektator (ion penonton).

Jika anda perhatikan persamaan reaksi di atas, magnesium mereduksi ion

tembaga(II) dengan memberi elektron untuk menetralkan muatan tembaga(II).

Dapat dikatakan: magnesium adalah zat pereduksi (reduktor).

Sebaliknya, ion tembaga(II) memindahkan elektron dari magnesium untuk

14

menghasilkan ion magnesium. Jadi, ion tembaga(II) beraksi sebagai zat

pengoksidasi (oksidator).

Memang agak sulit untuk mempelajari oksidasi dan reduksi dalam hal transfer

elektron, sekaligus mempelajari definisi zat pengoksidasi dan pereduksi dalam hal

transfer elektron.

Dapat disimpulkan sebagai berikut, apa peran pengoksidasi dalam transfer

elektron:

Zat pengoksidasi mengoksidasi zat lain.

Oksidasi berarti kehilangan elektron (OIL RIG).

Itu berarti zat pengoksidasi mengambil elektron dari zat lain.

Jadi suatu zat pengoksidasi harus mendapat elektron

Atau dapat disimpulkan sebagai berikut:

Suatu zat pengoksidasi mengoksidasi zat lain.

Itu berarti zat pengoksidasi harus direduksi.

Reduksi berarti mendapat elektron (OIL RIG).

Jadi suatu zat pengoksidasi harus mendapat elektron.

5.2.2 Menulis Persamaan Ion Untuk Reaksi REDOKS

Berikut akan dijelaskan bagaimana mengerjakan setengah-reaksi elektron untuk

proses oksidasi dan reduksi, kemudian bagaimana menggabungkan setengah-

reaksi tersebut untuk mendapat persamaan ion untuk reaksi redoks secara utuh. Ini

merupakan pelajaran yang penting dalam kimia anorganik.

A. Setengah-Reaksi Elektron

Ketika magnesium mereduksi tembaga(II)oksida dalam suhu panas menjadi

tembaga, persamaan ion untuk reaksi itu adalah:

15

Kita dapat membagi persamaan ion ini menjadi dua bagian, dengan melihat dari

sisi magnesium dan dari sisi ion tembaga(II) secara terpisah. Dari sini terlihat jelas

bahwa magnesium kehilangan dua elektron, dan ion tembaga(II) yang mendapat

dua elektron tadi.

Kedua persamaan di atas disebut "setengah-reaksi elektron" atau "setengah-

persamaan" atau "setengah-persamaan ionik" atau "setengah-reaksi", banyak

sebutan tetapi mempunyai arti hal yang sama.

Setiap reaksi redoks terdiri dari dua setengah-reaksi. Pada salah satu reaksi terjadi

kehilangan elektron (proses oksidasi), dan di reaksi lainnya terjadi penerimaan

elektron (proses reduksi).

B. Mengerjakan setengah-reaksi elektron dan menggunakannya untuk

membuat persamaan ion

Pada contoh di atas, kita mendapat setengah-reaksi elektron dengan memulai

dari persamaan ion kemudian mengeluarkan masing-masing setengah-reaksi dari

persamaan tersebut. Itu merupakan proses yang tidak benar.

Pada kenyataannya, kita hampir selalu memulai dari setengah-reaksi elektron dan

menggunakannya untuk membuat persamaan ion.

Contoh 1: Reaksi antara klorin dan ion besi(II)

Gas klorin mengoksidasi ion besi(II) menjadi ion besi(III). Pada proses ini, klorin

16

direduksi menjadi ion klorida. Sebagai permulaan kita buat dahulu masing-masing

setengah-reaksi.

Untuk klorin, seperti kita ketahui klorin (sebagai molekul) berubah menjadi ion

klorida dengan reaksi sebagai berikut:

Pertama, kita harus menyamakan jumlah atom di kedua sisi:

Penting untuk diingat, jumlah atom harus selalu disamakan dahulu sebelum

melakukan proses selanjutnya. Jika terlupa, maka proses selanjutnya akan menjadi

kacau dan sia-sia.

Kemudian untuk menyempurnakan setengah-reaksi ini kita harus menambahkan

sesuatu. Yang bisa ditambah untuk setengah-reaksi adalah:

Elektron

Air

Ion hidrogen (H+) (kecuali jika reaksi terjadi dalam suasana basa, jika

demikian yang bisa ditambahkan adalah ion hidroksida (OH-)

Dalam kasus contoh di atas, hal yang salah pada persamaan reaksi yang kita telah

buat adalah muatannya tidak sama. Pada sisi kiri persamaan tidak ada muatan,

sedang pada sisi kanannya ada muatan negatif 2 (untuk selanjutnya disingkat

dengan simbol : 2-).

Hal itu dapat dengan mudah diperbaiki dengan menambah dua elektron pada sisi

kiri persamaan reaksi. Akhirnya didapat bentuk akhir setengah-reaksi ini:

17

Proses yang sama juga berlaku untuk ion besi(II). Seperti telah diketatahui, ion

besi(II) dioksidasi menjadi ion besi(III).

Jumlah atom dikedua sisi telah sama, tetapi muatannya berbeda. Pada sisi kanan,

terdapat muatan 3+, dan pada sisi kiri hanya 2+.

Untuk menyamakan muatan kita harus mengurangi muatan positif yang ada pada

sisi kanan, yaitu dengan menambah elektron pada sisi tersebut:

C. Mengabungkan setengah reaksi untuk mendapat persamaan ion untuk

reaksi redoks

Sekarang kita telah mendapatkan persamaan dibawah ini:

Terlihat jelas bahwa reaksi dari besi harus terjadi dua kali untuk setiap molekul

klorin. Setelah itu, kedua setengah-reaksi dapat digabungkan.

18

Tapi jangan berhenti disitu! Kita harus memeriksa kembali bahwa semua dalam

keadaan sama atau setara, baik jumlah atom dan muatannya. Sangat mudah sekali

terjadi kesalahan kecil (tapi bisa menjadi fatal!) terutama jika yang dikerjakan

adalah persamaan yang lebih rumit.

Pada persamaan terakhir, terlihat bahwa tidak ada elektron yang diikutsertakan.

Pada persamaan terakhir ini, di kedua sisi sebenarnya terdapat elektron dalam

jumlah yang sama, jadi saling meniadakan, dapat dicoret, dan tidak perlu ditulis

dalam persamaan akhir yang dihasilkan.

Contoh 2: Reaksi antara hidrogen peroksida dan ion manganat(VII)

Persamaan reaksi pada contoh 1 merupakan contoh yang sederhana dan

cukup mudah. Tetapi teknik atau cara pengerjaannya berlaku juga untuk reaksi

yang lebih rumit dan bahkan reaksi yang belum dikenal.

Ion manganat(VII), MnO4-, mengoksidasi hidrogen peroksida, H2O2,

menjadi gas oksigen. Reaksi seperti ini terjadi pada larutan kalium manganat(VII)

dan larutan hidrogen peroksida dalam suasana asam dengan penambahan asam

sulfat.

Selama reaksi berlangsung, ion manganat(VII) direduksi menjadi ion mangan(II).

Kita akan mulai dari setengah-reaksi dari hidrogen peroksida.

Jumlah atom oksigen telah sama/ setara, tetapi bagaimana dengan hidrogen?

Yang bisa ditambahkan pada persamaan ini hanyalah air, ion hidrogen dan

19

elektron. Jika kita menambahkan air untuk menyamakan jumlah hidrogen, jumlah

atom oksigen akan berubah, ini sama sekali salah.

Yang harus dilakukan adalah menambahkan dua ion hidrogen pada sisi kanan

reaksi:

Selanjutnya, kita perlu menyamakan muatannya. Kita perlu menambah dua

elektron pada sisi kanan untuk menjadikan jumlah muatan di kedua sisi 0.

Sekarang untuk setengah-reaksi manganat(VII):

Ion manganat(VII) berubah menjadi ion mangan(II).

Jumlah ion mangan sudah setara, tetapi diperlukan 4 atom oksigen pada sisi kanan

reaksi. Satu-satunya sumber oksigen yang boleh ditambahkan pada reaksi suasana

asam ini adalah air.

Dari situ ternyata ada tambahan hidrogen, yang juga harus disetarakan. Untuk itu,

kita perlu tambahan 8 ion hidrogen pada sisi kiri reaksi.

Setelah semua atom setara, selanjutnya kita harus menyetarakan muatannya. Pada

tahapan reaksi diatas, total muatan disisi kiri adalah 7+ (1- dan 8+), tetapi pada

20

sisi kanan hanya 2+. Jadi perlu ditambahkan 5 elektron pada sisi kiri untuk

mengurangi muatan dari 7+ menjadi 2+.

Dapat disimpulkan, urutan pengerjaan setengah reaksi ini adalah:

Menyetarakan jumlah atom selain oksegen dan hidrogen.

Menyetarakan jumlah oksigen dengan menambah molekul air (H2O).

Menyetarakan jumlah hidrogen dengan menambah ion hidrogen (H+).

Menyetarakan muatan dengan menambah elektron.

D.Menggabungkan setengah-reaksi untuk membuat persamaan reaksi

Kedua setengah-reaksi yang sudah kita dapat adalah:

Supaya dapat digabungkan, jumlah elektron dikedua setengah-reaksi sama

banyak. Untuk itu setengah-reaksi harus dikali dengan faktor yang sesuai

sehingga menghasilkan jumlah elektron yang setara. Untuk reaksi ini, masing-

masing setengah reaksi dikalikan sehingga jumlah elektron menjadi 10 elektron.

21

Tapi kali ini tahapan reaksi belum selesai. Dalam hasil persamaan reaksi, terdapat

ion hidrogen pada kedua sisi reaksi.

Persamaan ini dapat disederhanakan dengan mengurangi 10 ion hidrogen dari

kedua sisi sehingga menghasilkan bentuk akhir dari persamaan ion ini. Tapi

jangan lupa untuk tetap memeriksa kesetaraan jumlah atom dan muatan!

Sering terjadi molekul air dan ion hidrogen muncul di kedua sisi persamaan

reaksi, jadi harus selalu diperiksa dan kemudian disederhanakan.

Contoh 3: Oksidasi etanol dengan kalium dikromat(VI) suasana asam

Teknik yang telah dijelaskan tadi dapat juga digunakan pada reaksi yang

melibatkan zat organik. Larutan kalium dikromat(VI) yang diasamkan dengan

asam sulfat encer dapat digunakan untuk mengoksidasi etanol, CH3CH2OH,

menjadi asam etanoat, CH3COOH.

Sebagai oksidator adalah ion dikromat(VI), Cr2O72-, yang kemudian tereduksi

menjadi ion kromium (III), Cr3+.

Pertama kita akan kerjakan setengah-reaksi etanol menjadi asam etanoat.

- Tahapan reaksi seperti contoh sebelumnya, dimulai dengan menulis reaksi utama

yang terjadi, yang diketahui dari soal.

22

- Setarakan jumlah oksigen dengan menambah molekul air pada sisi kiri:

- Tambahkan ion hidrogen pada sisi kanan untuk menyetarakan jumlah hidrogen:

- Selanjutnya, setarakan muatan dengan menambah 4 elektron pada sisi kanan

sehingga menghasilkan total muatan nol pada tiap sisi:

Setengah reaksi untuk dikromat(VI) agak rumit dan jika tidak teliti dapat

menjebak:

- Buat persamaan reaksi utama:

- Setarakan jumlah kromium. Hal ini sering dilupakan, dan jika ini terjadi akan

fatal, karena hasil reaksi selanjutnya akan salah. Jumlah muatan akan salah, faktor

pengali yang digunakan juga akan salah. Sehingga keseluruhan persamaan reaksi

akan salah.

- Kemudian setarakan oksigen dengan menambah molekul air:

- Setarakan jumlah hidrogen dengan menambah ion hidrogen:

23

- Selanjutnya setarakan muatannya. Tambah 6 elektron pada sisi kiri sehingga

jumlah muatan menjadi 6+ pada tiap sisi.

E. Menggabungkan setengah-reaksi untuk mendapat persamaan reaksi

Sejauh ini setengah reaksi yang telah kita dapat adalah:

Untuk menyelesaikan persamaan ini kita harus mengubah jumlah elektron, dengan

jumlah terkecil yang dapat habis dibagi 4 dan 6, yaitu 12. Jadi faktor pengali

untuk persamaan ini adalah 3 dan 2.

Dapat dilihat ada molekul air dan ion hidrogen pada kedua sisi persamaan. Ini

dapat disederhanakan menjadi bentuk akhir persamaan reaksi:

BAB II

Struktur Elektron dan Atom, Struktur Molekul

24

II.1 Struktur Atom Hidrogen Sebagai Model

II.1.1 Model atom Dalton

Apabila kita membagi-bagi suatu zat menjadi bagian yang kecil, aka nada

batas pembagian. Bagian yang terkecil itu tidak kehilangan sifat zatnya semula.

Bagian zat yang terkecil dan tidak dapat dibagi-bagi lagi dinamakan atom. Konsep

atom mula-mula diajukan oleh Demokritus (460-370 SM). Ia mengatakan bahwa

atom (atomos) adalah bagian yang terkecil suatu partikel/atau zat yang tidak dapat

dibagi lagi.

Konsep atom yang dikemukakan oleh Demokritus murni hasil pemikiran

dan bukan hasil eksperimen. John Dalton (1766-1844) adalah seorang ilmuan

berkebangsaan Inggris yang membuktikan konsep atom Demokritus secara

empirik. Berdasarkan hasil-hasil eksperimen yang dilakukannya, Dalton

mengemukakan suatu model atom yang cukup berhasil untuk menjelaskan

berbagai reaksi kimia. Model atom yang dikemukakan oleh Dalton adalah

sebagai berikut :

1. atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibagi lagi.

2. atom-atom suatu unsur semuanya serupa dan tidak dapat berubah menjadi

atom unsur lain. Misalnya atom perak tidak dapat berubah menjadi atom

besi.

3. dua atom atau lebih dari unsur-unsur berlainan dapat membentuk suatu

molekul. Misalnya atom hidrogen dan atom oksigen bersenyawa

membentuk molekul air (H2O).

4. pada suatu reaksi kimia, atom-atom berpisah kemudian bergabung lagi

dengan susunan yang berbeda dari semula, tetapi massa keseluruhannya

tetap. Gagasan ini sesuai dengan hukum Lavoisier yang berbunyi: massa

zat sebelum reaksi sama dengan massa zat sesudah reaksi.

5. pada reaksi kimia, atom-atom bergabung menurut perbandingan tertentu

yang sederhana. Gagasan ini sesuai dengan hukum Proust yang berbunyi:

Perbandingan berat unsur-unsur yang menyusun suatu senyawa

selalu tetap.

25

II.1.2 Model atom Thomson

Thomson berhasil menghitung perbandingan antara muatan listrik dan

massa sebuah elektron dengan menggunakan tabung sinar katoda. Tetapi,

Thomson tidak dapat membuktikan apakah masssa sebuah elektron lebih kecil

atau lebih besar daripada massa sebuah atom. Ia menganggap bahwa massa

elektron harus jauh lebih kecil daripada massa sebuah atom. Oleh karena itu, ia

menyatakan bahwa atom harus disusun oleh banyak partikel dasar yang berukuran

lebih kecil. Dengan kata lain, ia menyimpulkan bahwa atom bukanlah bagaian

terkecil suatu unsur yang tidak dapat dibagi lagi.

Atom adalah netral. Oleh karena itu, elektron dihasilkan dari atom-atom netral.

Berdasarkan fakta ini, Thomson mengemukakan model atom yang berbunyi

sebagai berikut. Atom berbentuk bulat padat, dan memiliki muatan listri positif

yang tersebar merata di seluruh bagian atom. Muatan listrik positif ini dinetralkan

oleh elektron-elektron yang yang tersebar di antara muatan-muatan listrik positif,

seperti biji-biji dalam buah semangka. Model atom Thomson diterima secara luas

pada tahun 1897.

II.1.3 Model atom Rutherford

Konsep model atom Thomson diuji oleh Lenard pada tahun 1903. ia

menembakkan berkas elektron ke lempeng logam yang sangat tipis, dan

mengamati kelakuan elektron yang menembus lempeng. Jika model atom

Thomson dipenuhi, maka Lenard mengharapkan berkas elektron akan kehilangan

banyak energinya ketika melalui lempeng logam, sehingga berkas elektron akan

dibelokkan. Pengamatan yang dilakukannya menunjukkan hasil yang berbeda.

Lenard mengamati bahwa sebagian besar berkas-berkas elektron yang melalui

lempeng logam tidak dibelokkan. Walaupun percobaan yang dilakukannya agak

kasar, tetap hasil percobaannya menunjukkan bahwa model atom Thomson yang

pada prinsipnya menyatakan bahwa massa atom tersebar merata si seluruh isis

atom tidak dapat diterima.

26

Ide Lenard dilanjutkan oleh E. Rutherford beserta dua orang asistennya,

Geiger dan Marsden, yang melakukan percobaan pada tahun 1911. seberkas

partikel alfa (α) ditembakkan melalui celah pelat timbal dan akhirnya menumbuk

lempeng emas. Untuk mendeteksi partikel a yang keluar dari lempeng emas,

dipasang lempeng yang berlapis seng sulfida. Bila partikel α menumbuk lempeng

ini, maka akan tampak suatu nyala sekilas yang dapat diamati secara visual. Hasil

pengamatan Rutherford adalah sebagian besar partikel α lewat tanpa mengalami

pembelokkan/hambatan, sebagian kecil dibelokkan, dan sedikit sekali yang

dipantulkan kembali. Kemudian Rutherford menyatakan tiga kesimpulan sebagai

berikut:

a. sebagian besar partikel α menembus lempeng logam tanpa dibelokkan.

Peristiwa ini menunjukkan bahwa sebagian besar ruang dalam atom-atom

emas adalah ruang kosong.

b. Sedikit sekali partikel α yang dipantulkan kembali. Peristiwa ini

menunjukkan bahwa partikel α telah menumbuk bagian yang sangat keras

dari atom, yang disebut inti atom. Bagian ini mempunyai ukuran yang sangat

kecil dibandingkan dengan ukuran atomnya.

c. Sebagian kecil partikel α dibelokkan. Peristiwa inin menunjukkan bahwa

muatan inti atom adalah sejenis dengan muatan partikela (positif). Partikel α

yang lewat dekat inti atom dibelokkan oleh gaya tolak-menolak muatan-

muatan listrik yang sejenis.

Dari hasil percobaan Rutherford tamapk bahwa model atom Thomson

yang menyatakan bahwa atom tesebar merata dalam seluruh atom tidak dapat

diterima lagi. Berdasarkan tiga kesimpulan yang telah didapat dari percobaannya,

Rutherford mengajukan model atom baru, yang disebut model atom Rutherford,

yang berbunyi sebagai berikut:

1. semua muatan positif dan sebagian besar massa atom berkumpul pada sebuah

titik di tengah-tengah atom, yang disebut inti atom.

2. inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron pada jarak yang relatif jauh.

Elektron-elektron berputar pada lintasan-lintasannya, seperti planet-planet

yang bergerak mengelilingi matahari.

27

Untuk atom hidrogen perbandingan antara garis tengah lintasan elektron

dengan garis tengah inti kira-kira 10.000 : 1. Bila jari-jari lintasan mempunyai

orde 10-10 m, maka jari-jari inti mempunyai orde ukuran 10-14 m. Bila inti kita

besarkan sampai sebesar kelereng dan ditaruh di tengah lapangan sepak bola,

maka elektron bergerak di pinggir lapangan. Jadi, sebagian besar atom merpakan

ruang kosong.

Atom secara keseluruhan bersifat netral, sehingga jumlah muatan positif

inti harus sama dengan jumlah muatan negatif elektron seluruhnya. Bila elektron

mempunyai muatan sebesar satu muatan elementer, maka muatan inti adalah

kelipatan muatan elementer. Nomor atom Z menunjukkan jumlah muatan positf

inti ( Σp ) atau jumlah elektron ( Σe ) yang mengitari inti.

Karena jumlah muatan inti sama dengan jumlah elektron-elektron yang

mengitarinya, maka muatan inti sama dengan nomor atom Z dikalikan dengan

muatan elementer e (e = 1,6 X 10-19 coulomb)

Dalam suatu reaksi kimia, hanya elektron-elektron di bagian luar sajalah

yang mengalami perubahan, sedangkan inti atom tidak berubah. Atom yang

kehilangan atau kelebihan elektron disebut ion. Ion hidrogen bermuatan positif

karena kehilangan elektron terluarnya (H+), sedangakn ion klor bermuatan negatif

karena mendapatkan tambahan elektron(Cl-).Karena inti bermuatan positif dan

elektron bermuatan negatif, maka secara listrik inti dan elektron salng tarik-

menarik. Gaya ini menghasilkan suatu gaya sentripetal yang menahan elektron

agar tetap pada lintasannya masing-masing, seperti halnya dengan gaya gravitasi

di dalam tata surya.

Elektron bermuatan negatif. Inti atom bermuatan positif. Dengan demikian

akan timbul gaya coulomb pada elektron. Gaya ini berfungsi sebagai gaya

sentripetal yang menjaga gerak elektron tetap pada lintasannya. Gaya sentripetal

ini menyebabkan elektron dipercepat (percepatan sentripetal). Dari teori

elektromagnetik Maxwell, muatan (elektron) yang dipercepat akan memancarkan

gelombang elektromagnetik. Karena memancarkan gelombang elektromagnetik

(energi), maka energi elektron akan berkurang. Akibatnya, jari-jari lintasannya

akan mengecil. Lintasan tidak lagi merupakan lingkaran dengan jari-jari tetap,

28

tetapi merupakan putaran yang berpilin (spiral) mendekati inti. Akhirnya elektron

bersatu dengan inti. Tetapi, tentu saja hal ini tidak pernah terjadi. Planet-planet

beredar mengitari matahari, tetapi planet-planet tidak pernah mendekati dan

masuk bergabung dengan matahari. Demikian juga halnya dengan elektron yang

bergerak mengitari matahari.

Mengapa elektron yang dipercepat sehingga memancarkan gelombang

elektromagnetik tidak mendekati dan bersatu dengan inti atom? Fakta inilah yang

tidak dapat dijelaskan oleh model atom Rutherford. Dengan kata lain, model atom

Rutherford tidak dapat menjelaskan kestabilan atom. Inilah kelemahan pertama

dari model atom Rutherford.

Karena lintasan elektron makin mengecil, maka periodenya juga makin

mengecil. Oleh karena itu frekuensi gelombang yang dipancarakan atom

bermacam-macam. Dengan kata lain, spektrum atom hidrogen akan menunjukkan

spektrum kontinu dan bukan spektrum garis. Tetapi hasil pengamatan spektrum

atom hidrogen melalui spektrometer menunjukkan hasil yang bertentangan, yaitu

memiliki spektrum garis yang khas, yang dikenal sebagai deret Balmer. Model

atom Rutherford tidak dapat menjelaskan spektrum garis atom hidrogen. Inilah

kelemahn kedua dari model atom Rutherford.

II.1.4Model Atom Bohr

Model atom Rutherford gagal menerangkan kemantapan atom dan

spektrum garis atom hidrogen. Dalam bagain ini kita akn mengemukakan model

atom yang lebih baik yang ditemukan oleh Niels Bohr dan dinamakan model atom

Niels Bohr. Persoalan pertama dalam model atom Rutherford ialah kemantapan

atom. Bila model ini diikuti, maka elektron yang bergerak mengelilingi inti atom

menempuh lintasan yang jari-jarinya makin mengecil dan akhirnya jatuh ke inti

atom. Bohr mengatasi masalah ini dengan mengemukakan postulatnya yang

pertama, yang berbunyi sebagai berikut :

29

Elektron tidak dapat berputar sekitar inti melalui setiap lintasan, tetapi

hanya melalui lintasan-lintasan tertentu tanpa membebaskan energi.

Lintasan ini disebut lintasan stasioner dan memiliki energi tertentu.

Postulat ini tidak menjelaskan mengapa sebuah atom stabil (mantap). Dia

hanya menegasakan bahwa secara fakta atom memang stabil. Untuk menerangkan

spektrum garis hidrogen, Bohr mengemukakan postlatnya yang kedua, yang

berbunyi sebagai berikut :

Elektron dapat pindah dari satu orbit ke orbit lainnya. Jika elektron pindah

dari orbit (lintasan) yang lebih luar ke orbit yang lebih dalam maka elektron

akan melepaskan energi sebesar hf. Jika elektron pindah dari orbit yang

lebih dalam ke orbit yang lebih luar maka elektron akan menyerap energi

sebesar hf.

Model atom Bohr sukses menjelaskan kestabilan atom dan spektrum gas

atom hidrogen. Walaupun demikian, model atom yang diterima saat ini bukanlah

model atom Bohr. Ini karena model atom Bohr masih memiliki keemahan-

kelemahn sebagai berikut :

1. anggapan bahwa elektron berputar dalam orbit melingkar tidak

sepenuhnya dapat dibenarkan. Orbit-orbit berbentuk elips juga

mungkin.

2. didapatkan bahwa beberapa garis spektrum hidrogen bukanlah garis-

garis tunggal tetapi sesungguhya terdiri dari beberapa garis titpis

dengan panjang gelombang atau frekuensi yang berbeda satu dengan

lainnya (ini disebut efek Zeeman). Model atom Bohr tidak dapat

menjelaskan efek ini.

3. elektron-elektron mepertunjukkan fenomena gelombang sehingga

orbit pasti tidak didefinisikan secara tepat melainkan hanya

kebolehjadian.

Model atom yang mampu menjelaskan ketiga kelemahan model atom Bohr ini

adalah model atom yang saat ini diterima, yaitu model atom mekanika kuantum.

30

II.2 STRUKTUR ATOM

II.2.1 Pengertian Dasar

1 Partikel dasar : partikel-partikel pembentuk atom yang terdiri dari elektron,

proton den neutron.

1. Proton: partikel pembentuk atom yang mempunyai massa sama dengan

satu sma (amu) dan bermuatan +1.

2. Neutron: partikel pembentuk atom yang bermassa satu sma (amu) dan

netral.

3. Elektron: partikel pembentuk atom yang tidak mempunyai massa dan

bermuatan -1.

2 Nukleus : Inti atom yang bermuatan positif, terdiri dari proton den neutron.

3 Notasi unsur : zA A dengan X : tanda atom (unsur)

Z : nomor atom = jumlah elektron (e) = jumlah proton (p)

A : bilangan massa = jumlah proton + neutron

Pada atom netral, berlaku: jumlah elektron = jumlah proton.

Contoh :

1. Tentukan jumlah elektron, proton den neutron dari unsur 2656 Fe !

Jawab :

Jumlah elektron = jumlah proton = nomor atom = 26

Jumlah neutron = bilangan massa - nomor atom = 56 - 26 = 30

2. Berikan notasi unsur X, jika diketahui jumlah neutron = 14 dan

jumlah elektron = 13 !

Jawab :

Nomor atom = jumlah elektron = 13

Bilangan massa = jumlah proton + neutron = 13 + 14 = 27

Jadi notasi unsurnya: 13 27 X

31

4. Atom tak netral : atom yang bermuatan listrik karena kelebihan atau

kekurangan elektron bila dibandingkan dengan atom netralnya. Atom

bermuatan positif bila kekurangan elektron, disebut kation. Sedangkan atom

bermuatan negatif bila kelebihan elektron, disebut anion.

Contoh:

Na+ : kation dengan kekurangan 1 elektron

Mg2- : kation dengan kekurangan 2 elektron

Cl-    : anion dengan kelebihan 1 elektron

O2     : anion dengan kelebihan 2 elektron

5. Isotop : unsur yang nomor atomnya sama, tetapi berbeda bilangan massanya.

Contoh: Isotop oksigen: 816 O ; 8

17 O ; 818 O

6. Isobar : unsur yang bilangan massanya sama, tetapi berbeda nomor

atomnya.

Contoh: 2759 CO dengan 28

59 Ni

a. Isoton : unsur dengan jumlah neutron yang sama.

Contoh: 613 C dengan 7

14 N

b. Iso elektron: atom/ion dengan jumlah elektron yang sama.

Contoh:

Na+ dengan Mg2+

II.2.2 Model Atom

a. Model Atom John Dalton

Atom adalah bagian terkecil suatu unsure

Atom tidak dapat diciptakan, dimusnahkan, terbagi lagi, atau diubah

menjadi zat lain

Atom-atom suatu unsur adalah sama dalam segala hal, tetapi berbeda

dengan atom-atom dari unsur lain

32

Reaksi kimia merupakan proses penggabungan atau pemisahan atom

dari unsur-unsur yang terlihat

Kelemahan teori atom Dalton: tidak dapat membedakan pengertian atom

den molekul. Dan atom ternyata bukan partikel yang terkecil.

b. Model Atom J.J. Thompson

Atom merupakan suatu bola bermuatan positif dan di dalamnya tersebar

elektron-elektron seperti kismis

Jumlah muatan positif sama dengan muatan negatif, sehingga atom

bersifat netral

c. Model Atom Rutherford

Atom terdiri dari inti atom yang sangat kecil dengan muatan positif yang

massanya merupakan massa atom tersebut

Elektron-elektron dalam atom bergerak mengelilingi inti tersebut

Banyaknya elektron dalam atom sama dengan banyaknya proton dalam

inti dan ini sesuai dengan nomor atomnya

d. Model Atom Bohr

Elektron-elektron dalam mengelilingi inti berada pada tingkat-tingkat

energi (kulit) tertentu tanpa menyerap atau memancarkan energi

Elektron dapat berpindah dari kulit luar ke kulit yang lebih dalam dengan

memancarkan energi, atau sebaliknya

II.2.3 Bilangan-Bilangan Kuantum

Untuk menentukan kedudukan suatu elektron dalam atom, digunakan 4

bilangan kuantum.

a. Bilangan kuantum utama (n): mewujudkan lintasan elektron dalam

atom.

n mempunyai harga 1, 2, 3, .....

n = 1 sesuai dengan kulit K

n = 2 sesuai dengan kulit L

33

n = 3 sesuai dengan kulit M

dan seterusnya

Tiap kulit atau setiap tingkat energi ditempati oleh sejumlah elektron.

Jumlah elektron maksimum yang dapat menempati tingkat energi itu

harus memenuhi rumus Pauli = 2n2

Contoh:

Kulit ke-4 (n=4) dapat ditempati maksimum= 2 x 42 elektron = 32

elektron

b. Bilangan kuantum azimuth (l) : menunjukkan sub kulit dimana elektron

itu bergerak sekaligus menunjukkan sub kulit yang merupakan penyusun

suatu kulit. Bilangan kuantum azimuth mempunyai harga dari 0 sampai

dengan (n-1).

n = 1 ; l = 0 ; sesuai kulit K

n = 2 ; l = 0, 1 ; sesuai kulit L

n = 3 ; l = 0, 1, 2 ; sesuai kulit M

n = 4 ; l = 0, 1, 2, 3 ; sesuai kulit N

dan seterusnya

Sub kulit yang harganya berbeda-beda ini diberi nama khusus:

l = 0 ; sesuai sub kulit s (s = sharp)

l = 1 ; sesuai sub kulit p (p = principle)

l = 2 ; sesuai sub kulit d (d = diffuse)

l = 3 ; sesuai sub kulit f  (f = fundamental)

c. Bilangan kuantum magnetik (m): mewujudkan adanya satu atau

beberapa tingkatan energi di dalam satu sub kulit. Bilangan kuantum

magnetik (m) mempunyai harga (-l) sampai harga (+ l).

Untuk: l = 0 (sub kulit s), harga m =   0 (mempunyai 1 orbital)

l = 1 (sub kulit p), harga m = -1, O, +1 (mempunyai 3 orbital)

l = 2 (sub kulit d), harga m = -2, -1, O, +1, +2 (mempunyai 5 orbital)

l = 3 (sub kwit f) , harga m = -3, -2, O, +1, +2, +3 (mempunyai 7

orbital)

34

d. Bilangan kuantum spin (s): menunjukkan arah perputaran elektron pada

sumbunya. 

Dalam satu orbital, maksimum dapat beredar 2 elektron dan kedua

elektron ini berputar melalui sumbu dengan arah yang berlawanan, dan

masing-masing diberi harga spin +1/2 atau -1/2.

Contoh:

Bagaimana menyatakan keempat bilangan kuantum dari elektron 3s1 ?

Jawab:

Keempat bilangan kuantum dari kedudukan elektron 3s1 dapat dinyatakan

sebagai,

n= 3 ; l = 0 ; m = 0 ; s = +1/2 ; atau -1/2

II.2.4 Konfigurasi Elektron

Dalam setiap atom telah tersedia orbital-orbital, akan tetapi belum tentu

semua orbital ini terisi penuh. Bagaimanakah pengisian elektron dalam orbital-

orbital tersebut ? Pengisian elektron dalam orbital-orbital memenuhi beberapa

peraturan. antara lain:

a. Prinsip Aufbau : elektron-elektron mulai mengisi orbital dengan

tingkat energi terendah dan seterusnya.

Orbital yang memenuhi tingkat energi yang paling rendah adalah 1s

dilanjutkan dengan 2s, 2p, 3s, 3p, dan seterusnya dan untuk

mempermudah dibuat diagram sebagai berikut:

35

Contoh pengisian elektron-elektron dalam orbital beberapa unsur:

Atom H : mempunyai  1 elektron, konfigurasinya 1s1

Atom C : mempunyai  6 elektron, konfigurasinya 1s2 2s2 2p2

Atom K : mempunyai 19 elektron, konfigurasinya 1s2 2s2 2p6 3S2 3p6

4s1

b. Prinsip Pauli : tidak mungkin di dalam atom terdapat 2 elektron

dengan keempat bilangan kuantum yang sama.

Hal ini berarti, bila ada dua elektron yang mempunyai bilangan

kuantum utama, azimuth dan magnetik yang sama, maka bilangan

kuantum spinnya harus berlawanan.

c. Prinsip Hund : cara pengisian elektron dalam orbital pada suatu

sub kulit ialah bahwa elektron-elektron tidak membentuk pasangan

elektron sebelum masing-masing orbital terisi dengan sebuah elektron.

Contoh:

Atom C dengan nomor atom 6, berarti memiliki 6 elektron dan cara

Pengisian orbitalnya adalah:

36

Berdasarkan prinsip Hund, maka 1 elektron dari lintasan 2s akan

berpindah ke lintasan 2pz, sehingga sekarang ada 4 elektron yang tidak

berpasangan. Oleh karena itu agar semua orbitalnya penuh, maka atom

karbon berikatan dengan unsur yang dapat memberikan 4 elektron.

Sehingga di alam terdapat senyawa CH4 atau CCl4, tetapi tidak terdapat

senyawa CCl3 atau CCl5.

II.3 TEORI ATOM MEKANIKA KUANTUM

Model atom Niels Bohr dapat menjelaskan inti atom yang

bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif di dalam

suatu lintasan. Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke yang lain dengan

menyerap atau memancarkan energi sehingga energi elektron atom itu tidak

berkurang.Model atom Bohr ini merupakan model atom yang mudah dipahami,

namun Bohr hanya dapat menjelaskan untuk atom berelektron sedikit dan tidak

dapat menjelaskan bagaimana adanya sub lintasan-lintasan yang terbentuk

diantara lintasan-lintasan elektron. Karena itu dalam perkembangan selanjutnya,

teori atom dikaji dengan menggambarkan pendekatan teori atom mekanika

kuantum

Perkembangan muktahir di bidang mekanika kuantum dimulai dari teori

Max Planck yang mengemukakan kuanta-kuanta energi dilanjutkan oleh Louis de

Broglie tentang dualisme partikel, kemudian oleh Werner Heisenberg tentang

prinsip ketidakpastian dan yang terakhir saat ini adalah Erwin Schrodinger tentang

persamaan gelombang. Mekanika kuantum ini dapat menerangkan kelamahan

teori atom Bohr tentang garis-garis terpisah yang sedikit berbeda panjang

gelombangnya dan memperbaiki model atom Bohr dalam hal bentuk lintasan

37

elektron dari yang berupa lingkaran dengan jari-jari tertentu menjadi orbital

dengan bentuk ruang tiga dimensi yang tertentu.

1. Teori Kuantum

Teori kuantum dari Max Planck mencoba menerangkan radiasi

karakteristik yang dipancarkan oleh benda mampat. Radiasi inilah yang

menunjukan sifat partikel dari gelombang. Radiasi yang dipancarkan setiap

benda terjadi secara tidak kontinyu (discontinue) dipancarkan dalam satuan

kecil yang disebut kuanta (energi kuantum).

a. Max Planck berpendapat bahwa kuanta yang berbanding lurus dengan

frekuensi tertentu dari cahaya, semuanya harus berenergi sama dan

energi ini E berbanding lurus dengan

Jadi :

E = Energi kuantum

h = Tetapan Planck = 6,626 x 10-34 J.s

f = Frekuensi

Planck menganggap hawa energi elektromagnetik yang

diradiasikan oleh benda, timbul secara terputus-putus walaupun

penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang

elektromagnetik yang kontinyu.

b. Einstein mengusulkan bukan saja cahaya yang dipancarkan menurut

suatu kuantum pada saat tertentu tetapi juga menjalar menurut kuanta

individual. Hipotesis ini menerangkan efek fotolistrik, yaitu elektron

yang terpancar bila frekuensi cahaya cukup tinggi, terjadi dalam

daerah cahaya tampak dan ultraungu.

Hipotesa dari Max Planck dan Einstein menghasilkan rumusan

empiris tentang efek fotolistrik yaitu :

38

E = h.f

hf = Kmaks + hVo

hf = Isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang

Kmaks= Energi fotoelektron maksimum

hVo= Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah

elektron dari permukaan logam yang disinari

Tidak semua fotoelektron mempunyai energi yang sama sekalipun

frekuensi cahaya yang digunakan sama. Tidak semua energi foton (hv) bisa

diberikan pada sebuah elektron. Suatu elektron mungkin akan hilang dari

energi awalnya dalam interaksinya dengan elektron lainnya di dalam logam

sebelum ia lenyap dari permukaan. Untuk melepaskan elektron dari

permukaan logam biasanya memerlukan separuh dari energi yang diperlukan

untuk melepaskan elektron dari atom bebas dari logam yang bersangkutan.

Penafsiran Einstein mengenai fotolistrik dikuatkan dengan emisi

termionik. Dalam emisi foto listrik, foton cahaya menyediakan energi yang

diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedangkan dalam emisi termionik

kalorlah yang menyediakannya. Usul Planck bahwa benda memancarkan

cahaya dalam bentuk kuanta tidak bertentangan dengan penjalaran cahaya

sebagai gelombang. Sementara Einstein menyatakan cahaya bergerak melalui

ruang dalam bentuk foton. Kedua hal ini baru dapat diterima setelah

eksperimen Compton. Eksperimen ini menunjukan adanya perubahan panjang

gelombang dari foton yang terhambur dengan sudut (f) tertentu oleh partikel

bermassa diam (mo). Perubahan ini tidak bergantungdari panjang gelombang

foton datang (l).

Hasil pergeseran compton sangat kecil dan tidak terdeteksi. Hal ini terjadi

karena sebagian elektron dalam materi terikat lemah pada atom induknya dan

sebagian lainnya terikat kuat. Jika elektron d timbulkan oleh foton, seluruh

atom bergerak, bukan hanya elektron tunggalnya. Untuk lebih memahami

tinjauan teori kuantum dan teori gelombang yang saling melengkapi, marilah

kita amati riak yang menyebar dari permukaan air jika kita menjatuhkan batu

ke permukaan air.

39

Untuk lebih memahami tinjauan teori kuantum dan teori gelombang yang

saling melengkapi, marilah kita amati riak yang menyebar dari permukaan air

jika kita menjatuhkan batu ke permukaan air.

Perhatikan hal ini?

Riak yang menyebar pada permukaan air akan hilang dengan masuknya batu

ke dasar.

Analogi ini dapat menjelaskan energi yang dibawa cahaya terdistribusi

secara kontinyu ke seluruh pola gelombang. Hal ini menurut tinjauan teori

gelombang sedangkan menurut teori kuantum, cahaya menyebar dari

sumbernya sebagai sederetan konsentrasi energi yang teralokalisasi masing-

masing cukup kecil sehingga dapat diserap oleh sebuah elektron. Teori

gelombang cahaya menjelaskan difraksi dan interferensi yang tidak dapat

dijelaskan oleh teori kuantum. Sedangkan teori kuantum menjelaskan efek

fotolistrik yang tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang.

Perhatikan gambar berikut :

40

(a) (b)

Gambar 1 (a) Teori gelombang cahaya menjelaskan difraksidan interferensi

yang tidak dapat dijelaskan oleh teori kuantum.(b) Teori kuantum menjelaskan

efek fotolistrik yang tidak dapat di jelaskan oleh teori gelombang.

Bila cahaya melalui celah-celah, cahaya berlalu

sebagai gelombang, ketika tiba di layar cahaya berlalu sebagai partikel.

Berdasarkan data tersebut, dilakukan eksperimen lanjutan yang meneliti sifat

dualisme gelombang dan partikel.

2. Dualisme Gelombang dan Partikel

Louis de Broglie meneliti keberadaan gelombang melalui eksperimen

difraksi berkas elektron. Dari hasil penelitiannya inilah diusulkan “materi

mempunyai sifat gelombang di samping partikel”, yang dikenal dengan

prinsip dualitas. Sifat partikel dan gelombang suatu materi

tidak tampak sekaligus, sifat yang tampak jelas tergantung pada perbandingan

panjang gelombang de Broglie dengan dimensinya serta dimensi sesuatu yang

berinteraksi dengannya. Pertikel yang bergerak memiliki sifat gelombang.

Fakta yang mendukung teori ini adalah petir dan kilat. Pernahkan Anda

mendengar bunyi petir dan melihat kilat ketika hujan turun? Manakah yang

lebih dulu terjadi, kilat atau petir?

Kilat akan lebih dulu terjadi daripada petir. Kilat menunjukan sifat

gelombang berbentuk cahaya, sedangkan petir menunjukan sifat pertikel

berbentuk suara. Hipotesis de Broglie dibuktikan oleh C. Davidson an LH

Giermer (Amerika Serikat) dan GP Thomas (Inggris). Prinsip dualitas inilah

menjadi titik pangkal berkembangnya mekanika kuantum oleh Erwin

Schrodinger.

41

3. ErwinSchrodinger

Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg

mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip

ketidakpastian yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan

momentum suatu benda secara seksama pada saat bersamaan, yang dapat

ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari

inti atom”. Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk

mendapatkan elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital

dirumuskan oleh Erwin Schrodinger. Erwin

Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi

gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron

dalam tiga dimensi.

Persamaan Schrodinger:

x,y dan z

∂

m

E

V

= Posisi dalam tiga dimensi

= Fungsi gelombang

= massa

= h/2 π, dimana h = konstanta plank dan π = 3,14

= Energi total

= Energi potensial

Persamaan gelombang dari Schrodinger ini cukup rumit sehingga akan

dipelajari dalam fisika kuantum pada tingkat perguruan tinggi. Model atom

dengan orbital lintasan elektron ini disebut model atom modern atau model

atom mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, seperti terlihat pada

gambar berikut ini.

42

Model atom mutakhir atau model

atom mekanika gelombang

Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron.

Orbital menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan

tingkat energi yang sama atau hampir sama akan membentuk sub kulit.

Beberapa sub kulit bergabung membentuk kulit. Dengan demikian kulit terdiri

dari beberapa sub kulit dan subkulit terdiri dari beberapa orbital. Walaupun

posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya belum tentu sama.

II.4 Bentuk Molekul

Bentuk Molekul adalah suatu gambaran geometris yang dihasilkan jika inti

atom-atom terikat dihubungkan oleh garis lurus. Oleh karena dua titik

membentuk satu garis lurus maka semua molekul ”diatomic” (beratom dua)

berbentuk linear. Tiga titik membentuk bidang,jadi, semua molekul triatomik

berbentuk datar (planar). Untuk molekul yang terdiri lebih dari tiga atom

(poliatomik), bentuk datar dan kadang-kadang linear ditemui. Tetapi biasanya

jumlah atom menentukan gambaran tiga marta. Bentuk molekul tidak dapat

diramalkan dari rumus empiris, jadi harus ditentukan secara percobaan.

Teori Tolakan Pasangan Elektron Valensi (VSEPR)

43

Teori pembentukan ikatan ini menyatakan bahwa baik pasangan elektron

dalam ikatan maupun pasangan elektron yang tidak dipakai bersama (yaitu

pasangan elektron mandiri) saling tolak. Pasangan elektron cenderung berjauhan

satu sama lain. Atau menurut asas larangan pauli, jika sepasang elektron

menempati sebuah orbital, maka elektron lain bagaimanapun rotasinya, tidak

dapat berdekatan, tidak dapat berdekatan dengan pasangan tersebut.

Dalam molekul NH3 dan H2O, atom pusatnya dikelilingi oleh empat

pasang elektron, tetapi kedua molekul itu tidak berbentuk tetrahedral. Teori

VSEPR memang hanya meramalkan sebaran pasangan elektron, tetapi bentuk

geometris molekul ditentukan oleh gambar geometris yang dihasilkan dengan

menghubungkan inti-inti atom dengan garis lurus.

Dalam molekul NH3 hanya tiga pasang elektron yang merupakan pasangan

pembentuk ikatan dan pasangan elektron keempat adalah pasangan bukan ikatan

atau pasangan mandiri. Gambar geometris yang diperoleh dengan menghubungka

inti atom H dengan inti atom N tidak merupakan tetrahedron, tetapi sebuah

piramida (disebut piramida trigonal). Piramida tersebut mempunyai atom-atom H

pada bidang dasar dan sebuah atom N diatasnya.

Dalam molekul H2O, dua dari empat pasang elektron di sekeliling atom O

adalah pasangan pembentuk ikatan dan dua pasang lagi pasangan mandiri.

Gambar geometris yang diperoleh dengan menghubungkan inti dari dua atom H

dengan inti atom O merupakan sebuah bidang datar (planar). Dapat dikatakan

bahwa molekul tersbut membentuk huruf V.

Sudut ikatan yang dibentuk oleh sebaran tetrahedral dari pasangan

elektron adalah 109,50. sudut ikatan dalam NH3 dan H2O sedikit lebih kecil, yaitu

1070 untuk ikatan H-N-H dan 104.50 untuk H-O-H. perbedaan sudut ini dapat

diterangkan dengan menganggap bahwa awan muatan dari pasangan elektron

mandiri menempati ruang lebih besar, sehingga pasangan elektron ikatan menjadi

lebih dekat satu sama lain, akibatnya sudut ikatan menjadi lebih kecil. Dalam

molekul H2O, dengan dua pasang elektron mandiri, pengaruhnya lebih besar lagi.

II.5 Aturan Oktet/Lewis

44

Terdapat kecenderungan untuk atom-atom dengan nomor atom yang

selisihnya dengan nomor atom suatu gas mulia 3 satuan atau kurang, untuk

membuang atau menarik elektron sedemikian rupa yng membentuk ion yang

isoelektronik dengan gas mulia tersebut. Ion semacam itu mempunyai delapan

elektron dalam tingkat energi utamanya yang tertinggi. Kecenderungan ini disebut

aturan oktet atau aturan delapan.

Aturan Oktet : kecenderungan atom untuk memperoleh struktur elektronik

yang isoelektronik dengan gas mulia.

Aturan Duplet : kecenderungan atom untuk memperoleh struktur

elektronik yang isoelektronik dengan helium.

Teori duplet dan oktet ini merupakan dasar ikatan kimia, berasal dari G.N.

Lewis.

Lewis mengemukakan bahwa suatu atom berikatan dengan cara menggunakan

bersama dua elektron atau lebih untuk mencapai konfigurasi elektron gas mulia

(ns2np6)

Teori ini mendapat beberapa kesulitan, yakni :

1. Pada senyawa BCl3 dan PCl5, atom boron dikelilingi 6 elektron,

sedangkan atom fosfor dikelilingi 10 elektron.

2. Menurut teori ini, jumlah ikatan kovalen yang dapat dibentuk suatu

unsur tergantung jumlah elektron tak berpasangan dalam unsur

tersebut.

Contoh : 8O : 1s2 2s2 2px2 2py

1 2pz1

Ada 2 elektron tunggal. sehingga oksigen dapat membentuk 2 ikatan

(H-O-H;O=O). Akan tetapi:

                5B : 1s2 2s2 2px1

Sebenarnya hal ini dapat diterangkan bila kita ingat pada prinsip

Hund, dimana cara pengisian elektron dalam orbital suatu sub kulit

ialah bahwa elektron-elektron tidak membentuk pasangan elektron

sebelum masing-masing orbital terisi dengan sebuah elektron.

45

Contoh : 5B : 1s2 2s2 2px1    (hibridisasi) 1s2 2s1 2px

1 2py1

Tampak setelah terjadi hibridisasi untuk berikatan dengan atom B

memerlukan tiga buah elektron, seperti BCl3

3. Menurut teori di atas, unsur gas mulia tidak dapat membentuk ikatan

karena di sekelilingnya telah terdapat 8 elektron. Tetapi saat ini sudah

diketahui bahwa Xe dapat membentuk senyawa, misalnya XeF2 den

XeO2.

II.6 TEORI DOMAIN ELEKTRON

Domain elektron adalah Daerah keberadaan elektron dalam suatu

senyawa yang menentukan bentuk molekul. Dimana bentuk molekul itu

dipengaruhi oleh pasangan atom-atom yang berikatan dan pasangan elektron

bebas.

Bentuk molekul.

Dalam penentuan bentuk molekul, terdapat beberapa peraturan yang harus di

ikuti, antara lain:

a. hitung jumlah elektron valensi (elektron kulit terluar dari pusat atom) dari

pusat atom.

b. Tambahkan dengan besarnya muatan jika spesi bermuatan negatif, dan

kurangi dengan besarnya muatan jika spesi bermuatan positif.

c. Tambahkan dengan jumlah atom yang terikat.

d. Bagi dengan dua sehingga menghasilkan jumlah pasangan elektron.

e. Tempatkan pasangan elektron sehingga mengelilingi atom pusat.

f. Jumlah pasangan elektron(d) dikurangi jumlah atom yang terikat adalah

sama dengan pasangan elektron bebas.

Contoh :

Bentuk geometri dari CH4 adalah:

46

a. elektron valensi C : 4

b. CH4 : 0

c. Elektron dari 4H : 4 + ----------------

Jumlah elektron : 8

d. jumlah pasangan elektron : 8 / 2 = 4

jadi, susunan elektron yang dipakai berdasarkan jumlah pasangan elektron yang

dihasilkan adalah tetrahedral. Jadi Bentuk geometri CH4 adalah tetrahedral.

Bentuk pasangan elektron :

Bentuk molekul di atas dipengaruhi oleh pasangan electron ikatan dan pasangan

elektron bebas.

47

II.7 Parameter struktur molekul

Perlunya mengetahui struktur molekul sangat penting karena kita dapat

mengetahui sifat-sifat senyawa tersebut. Dari struktur molekul kita dapat

mengetahui sudut ikatan yang satu terhadap ikatan yang lain dalam tiga

dimensi(ruang). Akibatnya, cukup sulit untuk menggambarkan struktur tersebut.

Struktur suatu molekul ditentukan oleh atom pusat dan substituennya(atom

yang dapat diganti dengan atom yang lain), karena pergantian substituen dapat

menimbulkan sedikit perubahan. Oleh karena itu, struktur molekul dipengaruhi

oleh bentuk orbital kulit terluar atom pusat. Sebagai contoh: sesuai dengan orbital

atom pusatnya, seharusnya molekul BeF2BF3, dan NH3 mempunyai sudut ikatan

FBeF = FBe = HNH = 90o. Akan tetapi setelah di buat orbital-orbitalnya, ternyata

sudut FBeF = 90o, FBe = 120, HNH = 109.5o dengan panjang semua ikatan

masing-masing sama. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa struktur molekul

tidak selalu sama dengan bentuk orbital atom pusat.

Dalam struktur molekul dikenal adanya teori ikatan valensi. Teori ini

menyatakan bahwa ikatan antar atom terjadi dengan cara saling bertindihan dari

orbital-orbital atom. Elektron dalam orbital yang tumpang tindih harus

mempunyai bilangan kuantum spin yang berlawanan. Pertindihan antara dua sub

kulit s tidak kuat, oleh karena distribusi muatan yang berbentuk bola, oleh sebab

itu pada umumnya ikatan s - s relatif lemah.

Sub kulit "p" dapat bertindih dengan sub kulit "s" atau sub kulit "p"

lainnya, ikatannya relatif lebih kuat, hal ini dikarenakan sub kulit "p"

terkonsentrasi pada arah tertentu.

Parameter di dalam menentukan struktur molekul menggunakan proses

hibridasi yaitu proses penggabungan beberapa orbital suatu atom dan kemudian di

tata ulang sehingga menghasilkan orbital baru yang ekuivalen dalam molekul.

BAB III

Sistem Periodik / Tabel Berkala

48

III.1 Struktur, Pengaturan Elektron Valensi

Elektron valensi ialah elektron terluar dari sebuah konfigurasi elektron

suatu atom yang menpunyai peran dalam pembentukan suatu ikatan kimia.

contoh: 11Na

konfigurasi elektron= 1s2 2s2 2p6 3s1

3s1 merupakan elektron valensi

Elektron valensi menentukan golongan suatu unsur, sehingga unsur-unsur

yang memiliki elektron valensi yang sama akan terletak dalam golongan yang

sama dalam sistem periodik unsur. Penentuan jenis golongan berdasarkan elektron

valensinya akan disajikan secara sederhana dalam tabel di bawah ini.

Golongan Utama Elekron Valensi Golongan

Tambahan

Elekron Valensi

IA ns1 IIIB ( n-1 )d1 ns2

IIA ns2 IVB ( n-1 )d2 ns2

IIIA ns2 np1 VB ( n-1 )d3 ns2

IVA ns2 np2 VIB ( n-1 )d5 ns1

VA ns2 np3 VIIB ( n-1 )d5 ns2

VIA ns2 np4 VIIIB ( n-1 )d6,7,8 ns2

VIIA ns2 np5 IB ( n-1 )d10 ns1

VIIIA ns2 np6 IIB ( n-1 )d10 ns2

Khusus untuk konfigurasi elektron;

4f = golongan lantanida

5f = golongan aktinida

III.2 Kecenderungan Berkala yang Penting dan Sifat-Sifat

Berkala Dalam Golongan dan Periode

49

III.2.1 Energi Ionisasi

Energi ionisasi adalah besarnya energi yang diperlukan oleh suatu atom /

ion untuk melepaskan sebuah elektron yang terikat paling luar. Secara periodik

ternyata energi ionisasi bagi unsur-unsur yang segolongan, makin ke bawah

(semakin besar nomor atom) energi ionisasinya makin kecil. Hal ini karena

makin ke bawah jari-jari atom makin besar sehingga kulit elektron terluar makin

besar. Akibatnya, elektron yang terikat paling luar makin lemah, atau mudah

untuk melepaskan elektron, atau untuk melepaskan elektronnya memerlukan

energi yang kecil.

Dalam suatu golongan sifat energi ionisasi:

Makin ke atas makin besar ↑

Makin ke bawah makin kecil ↓

Dalam suatu periode makin besar nomor atom (makin ke kanan) maka

energi energi ionisasi makin besar. Hal ini terjadi karena dalam kulit yang sama,

nomor atom makin besar, berarti jumlah elektron valensi makin banyak. Begitu

juga jumlah proton dalam intinya makin banyak, sehingga terjadi tarik-menarik

gaya elektrostatik yang makin kuat. Akibatnya, untuk melepaskan elektron

diperlukan energi yang besar. Jadi, dalam satu periode energi ionisasi makin ke

kanan makin besar.

Sifat energi ionisasi dalam satu periode:

Makin ke kanan makin besar →

Makin ke kiri makin kecil ←

Sedangkan untuk energi ionisasi kedua ialah energi yang dibutuhkan

untuk melepaskan satu buah elektron setelah satu elektron sebelumnya telah

dilepas dengan energi ionisasi pertama. Energi ionisasi kedua ini kemudian

dijumlahkan dengan energi ionisasi pertama sehingga menjadi energi ionisasi

total.

III.2.2 Afinitas Elektron

50

Afinitas elektron adalah besarnya energi yang dibebaskan oleh suatu atom

pada saat menerima sebuah elektron. Jika energi ionisasi dapat ditentukan secara

teliti dengan eksperimen, maka afinitas elektron tidak dapat dilakukan secara

langsung karena hasilnya kurang teliti. Secara periodik ternyata afinitas elektron

bagi unsur-unsur segolongan makin ke bawah makin kecil. Hal ini disebabkan

makin ke bawah jari-jari atom makin besar, sehingga tarikan elektron keluar ke

inti makin lemah dan makin sulit menerima elektron.

Afinitas elektron dalam satu golongan: makin ke bawah makin kecil,

makin ke atas makin besar.

Untuk unsur-unsur satu periode, makin ke kanan afinitas elektron makin

besar. Hal ini karena makin ke kanan elektron valensi makin mendekati

konfigurasi elektron yang stabil (gas mulia), sehingga makin mudah menerima

elektron. Atau karena jari-jari atom makin kecil sehingga tarikan elektron terluar

ke inti makin kuat dan makin mudah menerima elektron. Afinitas elektron dalam

satu periode: makin ke kanan makin besar, makin ke kiri makin kecil.

III.2.3 Keelektronegatifan

Keelektronegatifan adalah besaran tendensi( besaran kecenderungan/

besaran kemampuan) suatu atom untuk menerima sebuah elektron dalam

pembentukan molekul. Harga keelekrtonegatifan tidak mempunyai satuan karena

hanya merupakan besaran perbandingan atom yang satu dengan atom yang lain.

Harga perbandingan tersebut digunakan dalam pembentukan suatu molekul untuk

menentukan tanda bilangan oksidasi. Jadi, atom yang mempunyai

keelektronegatifan besar berarti mempunyai kemampuan besar untuk menerima

elektron( cenderung menerima elektron) maka biloksnya negatif. Sebaliknya,

atom yang mempunyai keelektronegatifan kecil maka biloksnya positif.

III.3 Jari-jari kovalen atom-atom dan ion-ion berdasarkan

nomor atom

51

Perbedaan inti dan jumlah elektron akan mengakibatkan ukuran atom

suatu unsur berbeda dari atom lain. Ukuran itu dinyatakan dengan jari-jari atom

atau jari-jari kovalen. Menentukan jari-jari atom bebas tidak mungkin karena

orbital terluar suatu atom tidak mempunyai jarak tertentu, dan juga orbital adalah

daerah keboleh-jadian dan tidak mempunyai batas yang pasti. Oleh sebab itu

harus ditetapkan suatu definisi tentang jari-jari atom.

Jari-jari atom adalah setengah jarak antara dua atom sejenis yang terikat

dalam ikatan tunggal. Jari-jari atom unsur logam diukur dari jarak dua atom

kristal padatnya, sedangkan unsur non logam dari panjang ikatan kovalen tunggal.

Sebagai contoh klor, jari-jari dihitung dari panjang ikatan molekul Cl2 (Cl – Cl).

Panjangnya 19,8 Ǻ, maka jari-jari atom klor adalah setengahnya, yaitu 0,99 Ǻ.

Unsur dalam satu periode, mempunyai kulit yang sama, tetapi nomor atom

bertambah dari kiri ke kanan. Berarti jumlah protonnya juga bertambah, sehingga

daya tarik inti pada kulit terluar makin besar dari kiri ke kanan. Menurut hukum

coulomb, daya tarik listrik berbanding lurus dengan muatan, maka

F muatan inti x muatan eˉ

Contohnya Na dan Mg mempunyai muatan inti masing-masing 11 dan 12. Daya

tarik inti Na lebih kecil daripada inti Mg terhadap elektron kulit terluarnya.

Akibatnya, jari-jari atom Na (1,90) lebih besar dari Mg (1,6). Demikian juga

untuk unsur seperiode lainnya, yang terletak di kiri selalu lebih besar dari yang di

kanan

Dalam suatu golongan, unsur mempunyai elektron valensi sama, tetapi

jumlah kulitnya bertambah dari atas ke bawah. Akibatnya, jari jari atom

bertambah dari atas ke bawah. Contohnya Na (1,90) dan K(2,35).Dengan

demikian dapat disimpulkan secara umum bahwa

- dalam suatu periode, jari jari makin kecil dari kiri ke kanan

- dalam suatu golongan, jari-jari bertambah dari atas ke bawah

Sesuai dengan sifatnya, atom dapat menjadi ion positif atau negatif. Ion

positif terjadi apabila atom kehilangan elektron, maka jari jari ion positif lebih

kecil dari atomnya. Sedangkan Ion negatif terbentuk setelah atom menerima

52

elektron, maka jari-jari ion negatif lebih besar dari atomnya. Unsur utama (A)

umumnya mempunyai satu jenis ion yang stabil, sedangkan golongan transisi

mempunyai dua atau lebih ion yang stabil.

Jari jari atom dan ion beberapa unsur dapat dilihat pada tabel dibawah ini.

nomor simbol nama

jari-jari (pm)

Muatan ion

Jari-jari ion

kovalen

3 Li lithium 1 60 1344 Be beryllium 2 31 907 N nitrogen -3 171 758 O oxygen -2 140 739 F fluorine -1 136 7111 Na sodium 1 95 15412 Mg magnesium 2 65 13013 Al aluminium 3 50 11815 P phosphorus -3 212 10616 S sulfur -2 184 10217 Cl chlorine -1 181 9919 K potassium 1 133 19620 Ca calcium 2 99 174

26 Fe iron2 76

1263 64   

27 Co cobalt2 78

1253 63

29 Cu copper1 96

1382 69

31 Ga gallium 3 62 12634 Se selenium -2 198 11635 Br bromine -1 195 11437 Rb rubidium 1 148 21138 Sr strontium 2 -113 19249 In indium 3 81 14452 Te tellurium -2 221 13553 I iodine -1 216 13355 Cs caesium 1 169 22556 Ba barium 2 135 198

53

BAB IV

Ikatan Kimia

IV.1 Ikatan Ion dan Ikatan Kovalen

1. Ikatan ion Ikatan ion adalah ikatan kimia yang terjadi karena adanya gaya elektrostatik

antara dua buah muatan yang berlawanan jenis, biasanya terjadi antara atom-atom

logam dengan atom non logam.

Ciri-ciri ikatan ion

1. Dalam keadaan gas senyawa ion tersususn dari pasangan ion

sederhana atau kelompok kecil ion.

2. Ikatan ion terbentuk karena adanya perpindahan elektron antara

sebuah atom logam dan sebuah atom bukan logam.

3. Atom bukan logam memperoleh sejumlah elektron yang cukup

untuk menghasilkan anion dengan konfigurasi elektron gas mulia

4. Satuan rumus senyawa ion adalah sekelompok terkecil ion-ion

yang bermuatan listrik.

Contoh dalam pembentukan ikatan ion adalah ikatan antara atom Na+ dengan Cl-,

pada kasus ini electron terluar dari tom Na lepas disertai dengan mengecilnya

ukuran ion tersebut. Bila atom klor yang terisolasi menerima sebuah electron tidak

akan terjadi perubahan ukuran.

2. Ikatan kovalen

Ikatan kovalen adalah ikatan yang dihasilkan dari penggunaan bersama

sepasang elektron antara atom-atom yang elektron valensinya tidak stabil.

Jenis-jenis ikatan kovalen adalah:

1. Ikatan kovalen tunggal

Ikatan kovalen ini adalah ikatan yang satu pasang elektronnya bekerjasama

membentuk suatu molekul contohnya adalah H2. Atom H hanya

mempunyai 1 elektron pada kulit terluarnya sehingga untuk mencapai

keadaan yang stabil atom H cenderung berikatan lagi dengan atom H yang

lain sehingga terbentuklah molekul H2.

54

2. Ikatan kovalen rangkap dua

Dalam ikatan ini terjadi pengguanaan bersma dua pasamg electron untuk

mencapai keadaan stabil. Contohnya adalah molekul O2 untuk membentuk

suatu molekul yang stabil atom O yang punya 6 elektron pada kulit terluar

akan mengikat sesame atom O untuk memperoleh keadaan yang stabil.

3. Ikatan kovalen rangkap tiga

Terjadi penggunaan tiga pasang electron secara bersama.

Contohnya adalah N2.

4. Ikatan kovalen koordinat

IV.2 Struktur Titik Lewis

1. Simbol atau lambang Lewis

Biasanya sangat berguna untuk menempatkan label pada kulit valensi elektron

dari atom, bila atom-atom ini bergabung membentuk ikatan kimia. Sistim untuk

melengkapinya diperkenalkan oleh Gilbert N. Lewis (1875-1946), seorang ahli

kimia Amerika yang sangat terkenal. Sistim yang menggunakan tanda khusus ini

disebut Simbol Lewis.

Untuk menyusun simbol Lewis pada suatu unsur, kita tulis simbol atomnya

dengan memberi sejumlah titik mengelilingi atomnya (atau X atau lingkaran dan

sebagainya), setiap titik mewakili satu elektron yang ada pada kulit valensi atom

tersebut. Misalnya hidrogen, yang mempunyai satu elektron dalam kulit

valensinya, simbol Lewisnya menjadi Ho. Dengan demikian, setiap atom yang

mempunyai satu elektron pada kulit terluarnya mempunyai simbol Lewis yang

sama. Kesamaan simbol ini termasuk setiap unsur yang ada pada Golongan IA

dari susunan berkala, jadi unsur H, Li, Na, K, Rb, Cs, dan Fr mempunyai simbol

Lewis yang dapat ditulis secara umum Xo(dimana X=Li, Na, dan seterusnya).

Pada umumnya simbol Lewis untuk menggambarkan unsur dapat dilihat pada

55

Tabel di bawah ini.

Simbol Lewis untuk unsur Golongan A

Golongan IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA O

Simbol

Pada umumnya jumlah elektron valensi suatu atom dari unsur tertentu sama

dengan nomor golongan. Oleh sebab itu, dapat kita lihat bahwa nomor golongan

juga sama dengan jumlah titik pada simbol Lewis. Hal ini berguna untuk

mengingatnya, karena menuliskan simbol Lewis untuk suatu unsure sangat

sederhana. perhatikan tabel di atas, jumlah elektron yang tidak berpasangan untuk

atom-atom dalam golongan IIA, IIIA, dan IVA tidak mengikuti perkiraan yang

akan kita tulis untuk konfigurasi elektronnya. Simbol Lewis ditulis dengan cara

seperti ini, hanya untuk atom-atom yang membentuk ikatan, atom- atom ini

berlaku seolah-olah mempunyai sejumlah elektron yang tidak berpasangan yang

dapat dilihat pada simbol Lewis.

Contoh:

Bagaimana simbol untuk unsur oksigen, flour, dan natrium?

Jawab:

Oksigen berada pada Golongan VIA dan mempunyai enam elektron valensi.

Fluor berada pada Golongan VIIA dan mempunyai tujuh elektron valensi.

Natrium berada pada Golongan IA dan mempunyai satu elektron valensi.

56

Lihat gambar di bawah ini!

2. Struktur Lewis

Simbol Lewis digunakan untuk menggambarkan ikatan kimia antara atom.

Rumus kimia / formula yang kita tulis menggunakan simbol Lewis disebut

struktur Lewis atau formula titik elektron. Formula ini sangat berguna unutk

memperlihatkan ikatan kovalen, tetapi formula ini juga dapat digunakan pada

diagram untuk memperlihatkan apa yang terjadi bila atom bergabung membentuk

senyawa ion. Misalnya reaksi antara atom litium dengan fluor dapat dilihat

sebagai berikut:

Tanda kurung pada flour di sebelah kanan digunakan untuk menunjukan

keempat pasang elektronnya merupakan sifat khusus ion flourida. Perhatikan

dengan memindahkan satu elektron dari litium ke fluor, kulit valensi litium

57

kosong dan ion fluoride diakhiri dengan simbol Lewis yang sama dengan gas

mulia. Dengan cara yang sama kita dapat juga membuat diagram reaksi

pembentukan CaCl2.

Menggambar Struktur Lewis

Struktur Lewis untuk molekul yang mempunyai ikatan kovalen dan ion

poliatom (yang menjadi satu oleh ikatan kovalen juga) sangat berguna. Alasannya

adalah struktur ini memudahkan kita menduga bentuk molekul dan ion poliatom.

Oleh sebab itu kita sebaiknya mempelajari bagaimana menggambarkannya.

Langkah pertama untuk menggambarkan struktur Lewis adalah menentukan

atom yang mana yang saling melekat. Misalnya dalam CO2, kita harus tahu bahwa

ada dua atom O yang terikat dalam atom C dan molekul tersebut tidak mempunyai

struktur seperti O-O-C. satu-satunya cara agar yakin, tentunya adalah dengan cara

memperoleh informasi mengenai struktur dengan eksperimen dan hal inilah yang

dikerjakan ahli kimia bila senyawa baru ditemukan.

Meskipun tidak ada data struktur yang konkrit, penyusunan atom kadang-

kadang tidak dapat mengambil kesimpulan dari jenis formula. Dalam molekul

biner yang sederhana dan ion poliatom, misalnya CO2 atau CO32-, atom pusat

biasanya muncul mula-mula dalam formula. Misalnya karbon adalah atom pusat

baik dalam CO2 maupun CO32-. Secara umum hal ini juga berlaku untuk NH3,

NO2, NO3-, SO3, SO4

2-. Tetapi sayangnya, hal ini tidak berlaku untuk H2O dan

H2S (dimana kenyataanya atom H terikat kepada O dan S). Tetapi hal ini benar

untuk molekul seperti HClO (dimana O adalah atom pusat) atau ion seperti SCN-

(dimana C adalah atom pusat). Oleh sebab itu struktur tidak selalu jelas. Jika kita

harus menerka, maka penyusunan atom yang paling simetris merupakan hal yang

paling besar kemunkinan benar. Sekali kita mengetahui susunan atom dalam

molekul, maka dengan demikian kita dapat mendistribusikan elektron valensi.

58

Prosedur untuk mengerjakannya dapat diringkas menurut langkah-

langkah berikut:

(1) Hitung elektron valensi atom. Jika zat ini adalah ion, tambahkan

elektron ke setiap muatan negatif atau kurangi elektron dari setiap

muatan positif.

(2) Tempatkan satu pasang elektron dalam setiap ikatan.

(3) Lengkapi bentuk oktet dari ikatan atom ke atom pusat. (Meskipun

demikian, perhatikan bahwa kulit valensi setiap atom hidrogen

sempurna dengan hanya dua elektron).

(4) Tempatkan setiap penambahan elektron pada atom pusat dalam

pasangan.

(5) Bila atom pusat masih belum dalam bentuk oktet, maka kita harus

membentuk ikatan yang berlipat ganda agar setiap atom

mempunyai satu oktet.

Contoh-contoh:

(1) Bagaimana struktur Lewis untuk CCl4 (karbon tetraklorida)?

Penyelesaian:

Mula-mula kita butuhkan susunan atom. Rancangan rumus

bangunnya adalah

Sekarang kita hitung elektron valensinya

Karbon (golongan IVA) memberi 4e-

4e-

Klor (golongan VIIA) tiap atom memberi 7e- 28e-

Jumlah 32e-

Kita mulai mendistribusikan elektron ini dengan

menempatkan sepasang elektron pada setiap ikatan.

Hasilnya

59

Kita telah menggunakan 8e-, jadi sisa elektron yang belum

digunakan adalah 32e- - 8e- = 24e-. Sekarang kita selesaikan

kulit valensi atom Cl

Semua sudah digunakan, tidak ada sisa. Setiap atom sudah

mempunyai oktet dan oleh sebab itu kita dapat berhenti

mengerjakannya. Bentuk ini adalah struktur Lewis untuk

CCl4.

(2) Gambarkan rumus bangun titik elektron untuk gas hidrogen sianida

yang beracun, HCN (C merupakan atom pusat).

Penyelesaian:

Ada 10 elektron valensi yang dapat didistribusikan (1 dari

H, 4 dari C, 5 dari N). Mula-mula kita tempatkan sepasang

pada setiap ikatan.

Jumlahnya 4 elektron. Setelah kita kurangi sisanya 6

elektron, kita hanya ingat bahwa kulit valensi H hanya

dapat memegang 2 elektron. Tidak ada elektron lagi yang

dapat ditempatkan disekeliling H, karena sudah punya 2.

Dengan menyelesaikan bentuk oktet nitrogen, hasilnya

menjadi

60

Sekali lagi atom pusat tidak mempunyai oktet. Jadi struktur

ini dapat dikoreksi menjadi senagai berikut

Molekul HCN mengandung ikatan rangkap tiga.

IV.3 Ikatan Ganda

Sebelum membahas ikatan ganda, akan disinggung terlebih dahulu

mengenai ikatan kovalen. Ikatan kovalen adalah ikatan yang dihasilkan dengan

dipersekutukannya satu, dua atau lebih pasang elektron valensi oleh dan antara

dua atom. Ikatan kovalen terjadi karena adanya pemakaian bersama elektron dari

atom-atom yang membentuk ikatan. Pada umumnya ikatan kovalen terjadi antara

atom-atom bukan logam yang mempunyai perbedaan elektronegativitas rendah

atau nol. Seperti misalnya : H2, CH4, Cl2, N2, C6H6, HCl dan sebagainya. Jika

dilihat dari jumlah elektron yang berpasangan, ikatan kovalen ini dapat

digolongkan menjadi dua, yaitu, ikatan tunggal dan ikatan ganda atau ikatan

61

rangkap. Perlu diketahui ikatan tunggal adalah ikatan kovalen yang terdiri dari

sepasang elektron saja.

Ikatan ganda

Di bidang kimia, ikatan ganda atau ikatan rangkap merupakan ikatan

kovalen antara dua atom yang melibatkan dua atau lebih pasang elektron.

Akibatnya, kedua atom terikat sangat kuat. Di samping ikatan tunggal antara

atom-atom lazim dijumpai ikatan ganda. Misalnya dalam beberapa senyawa

terdapat ikatan rangkap, dimana dua atom menggunakan secara bersama-sama dua

pasang elektron.

Ikatan ganda pada senyawa-senyawa organik memiliki peran penting

dalam menentukan karakteristik kimiawinya. Kehadiran ikatan ganda antara dua

atom karbon penyusun suatu hidrokarbon menyebabkan molekul kehilangan

kemampuan "berpilin" dan memunculkan dua alternatif susunan molekul.

Karakteristik kimiawi dua alternatif ini dapat berbeda.

Contoh ikatan ganda

a. Ikatan rangkap dua (Ganda-dua)

Yaitu ikatan kovalen dimana dua atom menggunakan bersama-sama dua

pasang elektron. Beberapa molekul yang cukup dikenal memiliki ikatan rangkap

dua yaitu O2, CO2, dan etilena (C2H4).

Struktur Lewis

O2 : O = O

CO2 : O = C = O

CH4 : H2 – C = C – H2

b. Ikatan Ganda-tiga

Yaitu ikatan kovalen dimana dua atom menggunakan bersama-sama tiga

pasang elektron. Beberapa molekul yang cukup dikenal memiliki ikatan ganda

tiga adalah N2 dan asetilena (C2H2).

Struktur Lewis

N2 : N ≡ N

C2H2 : H – C ≡ C – H

62

IV.4 Pengecualian Aturan Oktet

Spesies Elektron ganjil. Jika jumlah elektron valensi di dalam struktur

Lewis adalah ganjil. Maka ada 2 kesimpulan tentang strukturnya :

1. paling sedikit ada satu elektron yang tidak berpasangan.

2. paling sedikit ada satu atom yang tidak mempunyai konfigurasi elektron

oktet.

Ambil contoh molekul NO2. jumlah elektron valensi NO2 adalah 17. struktur

elektron harus disemaikan dengan jumlah electron tersebut.

Karena ada sebuah elektron yang tidak berpasangan, maka spesies berelektron

ganjil bersifat paramagnetik. NO2 bersifat paramagnetik, demikian pula NO.

Dengan demikian, dalam molekul dengan jumlah elektron genap, diharapkan

semua elektronnya berpasangan dan bersifat diamagnetik. Tetapi molekul O2

dengan 12 elektron valensi bersifat paramagnetik. Molekul O2 harus mempunyai

elektron yang tidak berpasangan. Inilah sebabnya kenapa struktur yang

kelihatannya memenuhi kriteria struktur Lewis O2 dikatakan tidak benar. Dalam

struktur tersebut, semua elektron berpasangan. Percobaan menunjukkan bahwa

ikatan dalam O2 mempunyai beberapa ikatan ganda. Tidak ada struktur Lewis

yang dapat di tulis untuk O2.

Oktet Tak Lengkap. Kita telah membahas struktur Lewis yang satu atau

lebih atomnya tidak mempunyai konfigurasi elektron oktet pada kulit terluarnya,

dan ini digunakan sebagai dasar untuk menolak suatu struktur. Tetapi ada kalanya

suatu struktur yang konfigurasi oktetnya tidak lengkap tetapi dibenarkan .

Oktet berkembang. Fosfor dapat membentuk dua senyawa klorida, PCl3

dan PCl5. pembentukan ikatan kovalen dalam PCl3 memenuhi kriteria dasar

63

struktur Lewis, yaitu semua atom memperoleh konfigurasi oktet pada kulit terluar.

Dalam PCl5, karena lima atom Cl terikat langsung pada atom pusat P. Oktet telah

“berkembang” menjadi 10 elektron. Dalam molekul SF6 oktet berkembang

menjadi 12. keadaannya dapat digambarkan sebagai berikut.

64

Di atas dapat terlihat bahwa bila sebuah atom memperoleh konfigurasi

elektron oktet, maka subkulit s dan p dari kulit elektron terluar akan terisi.

Perkembangan menjadi 10 atau 12 elektron memerlukan orbital tambahan.

IV.5 Struktur-struktur Resonansi

Seperti yang telah kita pelajari dalam tata cara penggambaran struktur

Lewis, untuk ion NO2- akan diperoleh gambar struktur ion tersebut seperti gambar

di bawah ini.

Jika kita meninjau struktur ikatan ini berdasarkan sifatnya, ikatan tunggal

dan ikatan rangkap mempunyai sifat yang berbeda dalam panjang ikatan, energi

ikatan, dan frekuensi getaran rata-rata (dalam struktur Lewis dikatakan bahwa

suatu ikatan yang lebih pendek mempunyai frekuensi getaran yang lebih kuat).

Tetapi anehnya, semua penelitian membuktikan bahwa kedua ikatan nitrogen-

oksigen dalam struktur Lewis di atas mempunyai sifat yang sama. Hal ini

disebabkan karena kedua ikatan tersebut mempunyai sifat ditengah antara apa

yang diharapkan untuk ikatan N-O yang tunggal dan ikatan N-O yang rangkap.

Jadi sepertinya ada kesalahan dalam pembuatan struktur Lewis ion NO2- tersebut.

Jika seandainya kita mencoba memperbaiki srtukur Lewis Ion tersebut

dengan membagi salah satu pasangan elektron dalam ikatan rangkap, satu elektron

pada setiap ikatan, namun hal ini tidak berhasil karena dalam ketentuan elektron

65

yang tidak berpasangan dalam ion tidak ada. Menurut penelitian juga dibuktikan

bahwa ion NO2- bersifat diamagnetik yang berarti semua ikatan berpasangan.

Cara kita menangani masalah ini adalah sebagi berikut. Bila kita

menggambarkan struktur Lewis untuk ion NO2- , kita akan mendapatkan keadaan

ini berdasarkan struktur Lewis.

Namun kita mengetahui bahwa nitrogen mempunyai elektron kurang dari

satu oktet, jadi perlu disusun ikatan rangkap pada strukturnya. Sehingga kita

mempunyai dua pilihan gambaran struktur yang bisa digambarkan secara

sekaligus seperti gambar dibawah ini.

Walaupun para ahli menemukan bahwa tidak ada yang memuaskan dari

kedua struktur tersebut, namun mereka sepakat menggunakan kedua struktur

tersebut secara bersamaan untuk menunjukkan struktur yang sebenarnya dari ion.

Pemecahan masalah inilah yang disebut dengan resonansi. Meskipun struktur dari

ion yang sebenarnya bukanlah seperti struktur yang tergambar, namun strukur ion

yang sebenarnya berada diantara kedua struktur tersebut dan memiliki sifat

struktur itu. Struktur yang sebenarnya ini, yang tidak dapat digambarkan dengan

tepat menurut ketentuan Lewis inilah yang disebut dengan ”hibrida resonansi”

dan kedua struktur yang dapat digambarkan disebut denagn struktur resonansi

(constribution structure).

Sifat ikatan hibrida resonansi berada diantara sifat ikatan struktur

konstribusi. Dalam NO2- misalnya, panjang ikatan sebenarnya dan energi ikatan

terletak antara ikatan tunggal dan ikatan rangkap. Sifat ini bisa ditentukan dengan

menghitung orde ikatan N-O rata-rata, yaitu dengan cara menghitung jumlah total

ikatan diantara nitrogen dari salah satu dari oksigen dalam semua struktur

66

resonansi dan kemudian jumlah total ini dibagi dengan jumlah total struktur

resonansi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Penggunaan struktur resonansi ini merupakan kekurangmampuan dalam

menggambarkan sifat ”diantara” dari ion NO2- dalam struktur Lewis, karena pada

kenyataan nya tidak mungkin ion NO2- mempunyai dua struktur sekaligus dalam

satu ion. Kadang dibutuhkan tiga atau lebih struktur resonansi dalam

menerangkan molekul dan ion. Misalnya dalam menggambarkan struktur Lewis

ion NO3- , kita punya tiga pilihan penggambaran struktur resonansi.

Dalam struktur yang sebenarnya, kita dapatkan orde ikatan rata-rata = 4/3

yang setiap strukturnya mempunyai ikatan N-O.

Modifikasi Struktur Lewis Untuk Hibrida Resonansi

Dalam hibrida resonansi telah dibahas bahwa resonansi mendistribusikan

kepadatan elektron tambahan kesetiap ikatan dalam molekul tersebut. Dalam ion

NO2- misalnya, setengah ikatan yang sama ditambahkan kesetiap ikatan tunggal N-

O. Begitu juga dalam ion NO3-, sepertiga dari ikatan ditambahkan kesetiap ikatan

tunggal N-O. Dalam penggambaran struktur tunggal untuk molekul ini, pecahan

67

ikatan kadang-kadang digambarkan dalam bentuk garis-garis patah. Jadi untuk ion

NO2- dan NO3

- didapatkan gambar seperti ini.

Salah satu konsekuensi dari resonansi ialah molekul resonansi lebih stabil

dan lebih kuat dari pada molekul struktur Lewis. Misalnya, telah dihitung panas

baku (secara teoritis) pembentukan salah satu struktur resonansi C6H6 adalah +230

kJ/mol. Meskipun demikian panas baku yang diukur pada pembentukan benzen

(C6H6) adalah +84 kJ/mol, yang berarti molekul sebenarnya lebih stabil dari setiap

struktur konstribusi yang besarnya +146 kJ/mol. Energi yang ekstra rendah dari

molekul ini disebut dengan energi resonansi.

IV.6 Muatan Formal

Konsep muatan formal membantu kita memilih struktur mana yang lebih

baik apabila terdapat lebih dari satu struktur yang memenuhi kaidah oktet.

Muatan farmal dihitung untuk setiap atom dalam molekul meskipun tidak tidak

menyatakn muatan yang sesungguhnya pada atom tersebut. Muatan formal

dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Σ elektron terluar - Σ elektron bebas atom – ½ (Σ elektron yang berikatan dengan

atom)

Contoh: H

| .. .. H― N ― O : H―N― O― H

| ¨ | ¨ H H Struktur 1 Struktur 2 H = 1 - 0 - ½ ( 2 ) = 0 H = 1 - 0 - ½ ( 2 ) = 0

N = 5 - 0 - ½ ( 8 ) = +1 N = 5 – 2 - ½ (6 ) = 0O = 6 - 6 - ½ ( 2 ) = -1 O = 6 – 4 - ½ ( 4 ) = 0

68

Oleh karena struktur ( 2 ) memiliki muatan formal nol pada setiap

atomnya, maka diramalkan bahwa strukur ( 2 ) adalah struktur terbaik, sesuai

dengan struktur hidroksilamina yang sesungguhnya. Rumus kimia hidroksilamina

biasanya ditulis sebagai NH2OH. Ditinjau dari prinsip muatan formal dimana

struktur sedapat mungkin menghindari muatan formal yang besar. Khususnya,

struktur yang harus dihindari ialah muatan formal besar yang tandanya sama yang

terletak pada dua atom yang berdampingan.

IV.7 Geometri VSEPR

Teori VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) menyatakan bahwa

baik pasangan elektron dalam ikatan maupun pasangan elektron yang tidak

dipakai bersama (yaitu pasangan elektron mandiri) saling tolak. Pasangan elektron

cenderung berjauhan satu sama lain. Atau menurut asas larangan pauli, jika

sepasang elektron menempati sebuah orbital, maka elektron lain bagaimanapun

rotasinya, tidak dapat berdekatan, tidak dapat berdekatan dengan pasangan

tersebut.

Dalam molekul NH3 dan H2O, atom pusatnya dikelilingi oleh empat

pasang elektron, tetapi kedua molekul itu tidak berbentuk tetrahedral. Teori

VSEPR memang hanya meramalkan sebaran pasangan elektron, tetapi bentuk

geometris molekul ditentukan oleh gambar geometris yang dihasilkan dengan

menghubungkan inti-inti atom dengan garis lurus.

Dalam molekul NH3 hanya tiga pasang elektron yang merupakan pasangan

pembentuk ikatan dan pasangan elektron keempat adalah pasangan bukan ikatan

atau pasangan mandiri. Gambar geometris yang diperoleh dengan menghubungka

inti atom H dengan inti atom N tidak merupakan tetrahedron, tetapi sebuah

piramida (disebut piramida trigonal). Piramida tersebut mempunyai atom-atom H

pada bidang dasar dan sebuah atom N diatasnya.

Dalam molekul H2O, dua dari empat pasang elektron di sekeliling atom O

adalah pasangan pembentuk ikatan dan dua pasang lagi pasangan mandiri.

69

Gambar geometris yang diperoleh dengan menghubungkan inti dari dua atom H

dengan inti atom O merupakan sebuah bidang datar (planar). Dapat dikatakan

bahwa molekul tersbut membentuk huruf V.

Sudut ikatan yang dibentuk oleh sebaran tetrahedral dari pasangan

elektron adalah 109,50. sudut ikatan dalam NH3 dan H2O sedikit lebih kecil, yaitu

1070 untuk ikatan H-N-H dan 104.50 untuk H-O-H. perbedaan sudut ini dapat

diterangkan dengan menganggap bahwa awan muatan dari pasangan elektron

mandiri menempati ruang lebih besar, sehingga pasangan elektron ikatan menjadi

lebih dekat satu sama lain, akibatnya sudut ikatan menjadi lebih kecil. Dalam

molekul H2O, dengan dua pasang elektron mandiri, pengaruhnya lebih besar lagi.

Ramalan struktur didasarkan pada pengandaian berikut:

1. Bila tak ada pasangan menyendiri dalam kulit valensi (dari) atom pusat

penataan geometrik pasangan elektron kulit valensi akan identik dengan

geometri molekul.

2. Bila terdapat pasangan menyendiri, umumnya mungkin untuk meramalkan

bentuk yang benar (dari) sebuah molekul dengan memperhitungkan selisih

energi tolakan antaa pasangan ikatan dan pasangan menyenndiri.

3. Bila terdapat lebih dari delapan elektron dalam kulit valensi atom sentral,

dan terdapat satu pasangan menyendiri atau lebih, maka pasangan-

pasangan menyendiri itu selalu mengambil posisi yang akan

meminimalkan antaraksi 900.

IV.8 Ikatan-ikatan Kovalen Polar dan Momen Dipol

Distribusi elektron dalam molekul (H2) dan hidrogen klorida (HCl)

diberikan pada gambar di bawah. Dalam molekul H2, awan elektron tersebar

merata, pasangan elektron ikatan ditarik sama kuat oleh kedua atom H yang

berikatan. Dalam molekul HCl, awan elektron lebih terkonsentrasi di sekitar atom

Cl, pasangan elektron ikatan ditarik lebih kuat oleh atom Cl. Hal itu terjadi karena

Cl mempunyai keelektronegatifan (daya tarik elektron) yang lebih besar daripada

H (keeelktronegatifan H=2,1; Cl=3,0). Jadi, perbedaan keelektronegatifan

menyebabkan molekul mengalami polarisasi (pengkutuban), atom yang yang

lebih elektronegatif menjadi relatif negatif (pol negatif) sedangkan atom yang

70

kurang elektronegatif menjadi relatif positif (pol positif). Dalam molekul HCl, pol

negatif terletak pada atom Cl, sedangakan pol positif pada atom H. Molekul

seperti itu kita sebut bersifat polar (dwi kutub). Sementara itu, molekul yang awan

elektronnya tersebar hohmogen bersifat nonpolar.

Selain perbedaan keelektronegatifan, kepolaran bagi molekul-molekul

poliatom juga ditentukan oleh geometri molekul (susunan ruang atom-atom dalam

molekul). Walupun ikatan bersifat polar (ada perbedaaan keelektronegatifan di

antara atom-atom penyusun molekul), jika molekul bersifat simetris maka secara

keseluruhan molekul bersifat nonpolar. Perhatikan beberapa molekul berikut.

H2O (bengkok) BeCl2 (linear) NH3 (piramida) BCl3 (segitiga

planar).

Molekul H2O dan NH3 bersifat polar karena ikatan O-H maupun H-H

bersifat polar (ada perbedaaan keelektronegatifan) dan bentuk molekul tidak

simetris. Awan elektron tidak tersebar merata. Dalam molekul H2O, pusat muatan

(pol) negatif terletak pada atom O, sedangkan pol positif terletak di antara kedua

atom H. Dalam molekul NH3, pol negatif terletak pada atom N (puncak piramida),

sedangkan pol positif terletak pada bidang alasnya. Bagaimana halnya dengan

molekul BeCl2 dan BCl3? Walaupun ada perbedaan keelektronegatifan antara Be

dan B dengan Cl tetapi molekul BeCl2 dan BCl3 bersifat nonpolar karena

molekulnya simetris, awan elektron tersebar merata. Kita tidak dapat mengatakan

71

sisi sebelah mana lebih positif dan sisi sebelah mana lebih negatif dari kedua

molekul (BeCl2 atau BCl3) itu bukan?

Kepolaran dinyatakan dengan momen dipol (µ), yang nilainya merupakan

hasil kali antara selisih muatan (Q) dengan jarak (r) antar dipolnya:

Satuan momen dipol adalah debye (D)

1 D = 3,33 X 10-30

Momen dipol dari senyawa hidrogen halida diberikan pada tebel di bawah ini.

SENYAWA PERBEDAAN

KEELEKTRONEGATIFAN

MOMEN DIPOL (D)

HF 1,8 1,91

HCl 1,0 1,03

HBr 0,8 0,79

HI 0,5 0,38

Polar atau tidaknya suatu senyawa dapat ditunjukkan melalui percobaan.

Senyawa yang bersifat polar dipengaruhi oleh medan magnet sedangkan senyawa

yang non polar tidak.

72

µ = Q X r

Bab V

Keadaan Zat Gas dan Cair

V. 1 Teori Kinetik Molekul Gas Ideal

Gas ideal adalah gas yang memenuhi persamaan umum pA = nRT. Bila

ditunjukkan dengan menggunakan grafik pV/nT terhadap p dari beberapa gas

nyata, yang diperoleh dari hasil percobaan tampak bahwa pada tekanan yang

cukup rendah (<5 atm), gas nyata hanya berbeda sedikit dari gas ideal. Jadi

persamaan pV = nRT (yang akan dijelaskan kemudian) cukup berguna untuk

mengambarkan sifat-sifat gas nyata untuk tekanan yang cukup rendah. Dari

eksperimen memperlihatkan bahwa, pada kerapatan yang cukup rendah, R

mempunyai nilai yang sama untuk semua gas, yakni: R = 8,314 J / mol atau R =

1,986 kal / mol K. R dinamakan konstanta gas universal (universal gas constant).

Maka kita dapat menuliskan persamaan pV = nRT. Pada tekanan yang lebih tinggi

diperlukan koreksi pada persamaan tersebut jika akan diterapkan untuk gas nyata.

Dari segi pandang mikroskopik maka kita mendefinisikan suatu gas ideal

dengan membuat anggapan-anggapan berikut, dan tugas kita adalah memakaikan

hukum-hukum mekanika klasik secara statistik kepada atom-atom gas dan

memperlihatkan bahwa definisi mikroskopik kita adalah sesuai (konsisten) dengan

definisi makroskopik.

1. Suatu gas terdiri dari partikel-partikel , yang dinamakan molekul-molekul.

Bergantung pada gas tersebut, maka setiap molekul a terdiri dari sebuah

73

atom atau sekelompok atom. Jika gas tersebut adalah sebuah elemen atau

suatu persenyawaan dan berada di dalam suatu keadaaan stabil, maka kita

akan meninjau semua molekulnya sebagai molekul-molekul yang identik.

2. Molekul-molekul bergerak secara serampangan dan menuruti hukum-

hukum gerak Newton. Molekul-molekul bergerak di dalam semua arah dan

dengan berbagai laju. Di dalam menghitung sifat-sifat gerakan, maka kita

menganggap bahwa mekenika Newton dapat dipakai pada tingkat

mikroskopik. Seperti anggapan kita, maka anggapan yang satu ini akan

dapat bertahan atau gagal bergantung pada apakah hasil-hasil

eksperimental yang diramalkan oleh anggapan ini benar atau tidak.

3. Jumlah seluruh molekul adalah besar. Arah dan laju gerakan dari setiap

molekul dapat berubah secara tiba-tiba karena tumbukan dengan dinding

atau dengan molekul lain. Setiap molekul khas akan menuruti sebuah jalan

yang berliku-liku karena tumbukan-tumbukan ini. Akan tetapi, karena

banyaknya molekul maka kita menganggap bahwa jumlah besar tumbukan

yang dihasilkan akan mempertahankan distribusi kecepatan molekular

secara keseluruhan dan keserampangan gerakan.

4. Volume molekul-molekul adalah pecahan kecil yang dapat diabaikan dari

volume yang ditempati oleh gas tersebut. Walupun jumlahnya molekul

sangat banyak, namun molekul-molekul tersebut sangat kecil sekali. Kita

ketahui bahwa volume yang ditempati oleh suatu gas dapat berubah

melalui suatu jangkauan nilai yang besar dengan kesukaran yang kecil, dan

bila suatu gas mengembun maka volume yang ditempati oleh cairan

tersebut dapat beribu-ribu kali lebih kecil daripada volume yang ditempati

oleh gas. Maka, anggapan yang kita buat adalah masuk akal.

5. Tidak ada gaya-gaya yang cukup besar (appreciable forces) yang bereaksi

pada molekul-molekul kecuali selama tumbukan. Sampai taraf di mana

anggapan ini benar maka sebuah molekul akan bergerak dengan kecepatan

uniform di antara tumbukan-tumbukan. Karena kita telah menganggap

bahwa molekul-molekul mempunyai ukuran kecil, maka jarak- rata-rata di

antara molekul-molekul adalah besar dibandingkan terhadap ukuran

sebuah molekul. Maka, kita menganggap bahwa jangkauan pengaruh

74

gaya-gaya molekular tersebut dapat disamakan (dapat dibandingkan)

dengan ukuran molekular.

6. Tumbukan-tumbukan adalah elastik dan tumbukan-tumbukan yang terjadi

di dalam waktu yang sangat singkat. Tumbukan-tumbukan antara

molekul-molekul dan di antara molekul dengan dinding-dinding wadah

akan mempertahankan kekekalan momentum dan juga (kita menganggap)

akan mempertahankan kekekalan energi kinetik karena waktu tumbukan

(collision time) dapat diabaikan dibandingkan terhadap waktu yang

dihabiskan oleh sebuah molekul di antara tumbukan-tumbukan, maka

tenaga kinetik yang diubah menjadi tenaga potensial selama tumbukan

tersebut akan tersedia sekali lagi sebagai tenaga kinetik setelah waktu yang

begitu singkat sehingga kita dapat mengabaikan pertukaran tenaga ini

seluruhnya.

Teori kinetik menggunakan ide bahwa gerak molekul-molekul dalam gas

adalah penyebab timbulnya tekanan gas. Beberapa anggapan dasar yang dibuat

untuk gas ideal dan juga merupakan dari penjelasan sebelumnya adalah sebagai

berikut :

1. Gas terdiri dari molekul-molekul yang sangat banyak dan jarak pisah

antarmolekul jauh lebih besar daripada ukurannya. Ini berarti bahwa

molekul-molekul yang menempati volum dapat diabaikan dalam

wadahnya.

2. Molekul-molekul memenuhi hukum gerak Newton, tetapi secara

keseluruhan mereka bergerak lurus secara acak. Gerak secara acak

maksudnya bahwa tiap molekul dapat bergerak sama dalam setiap arah.

3. Molekul-molekul mengalami tumbukan lenting sempurna satu sama lain

dan dengan dinding wadahnya. Jadi, dalam tumbukan, energi kinetik

adalah konstan.

4. Gaya-gaya antarmolekul dapat diabaikan kecuali selama satu tumbukan

yang berlangsung sangat singkat.

5. Gas yang dipertimbangkan adalah suatu zat tunggal, sehingga semua

molekul adalah identik.

75

V. 2 Persamaan-persamaan Gas Ideal

a. Sifat Gas Umum

1. Gas mudah berubah bentuk dan volumenya.

2. Gas dapat digolongkan sebagai fluida, hanya kerapatannya jauh

lebih kecil.

b. Sifat Gas Ideal

1. Gas terdiri atas partikel-partikel dalam jumlah yang besar sekali,

yang senantiasa bergerak dengan arah sembarang dan tersebar

merata dalam ruang yang kecil.

2. Jarak antara partikel gas jauh lebih besar daripada ukuran partikel,

sehingga ukuran partikel gas dapat diabaikan.

3. Tumbukan antara partikel-partikel gas dan antara partikel dengan

dinding tempatnya adalah elastis sempurna.

4. Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku.

c. Persamaan Gas Ideal Dan Tekanan (P) Gas Ideal

Untuk gas ideal berlaku persamaan :

dimana:

P = tekanan gas (atmosfir)

V = volume gas (liter)

n = mol gas = N/No

N = jumlah pertikel

No = bilangan Avogadro = 6,023 x 1023/mol

R = tetapan gas universal = 0.082 lt.atm/mol Kelvin

K = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 J/ºK

T = suhu mutlak (Kelvin)

76

P V = n R T = N K T

Perubahan-perubahan dari P, V dan T dari keadaan 1 ke keadaan 2

dengan kondisi-kondisi tertentu dicerminkan dengan hukum-hukum

berikut:

1. Hukum BOYLE

”Jika suatu kuantitas dari sesuatu gas ideal (yakni kuantitas

menurut beratnya) mempunyai temperatur yang konstan, maka

hasilkali volume dan tekanannya merupakan bilangan konstan".

P 1/V ; T tetap

PV = konstan

Hukum ini diturunkan dari persamaan keadaan gas ideal dengan n1

= n2 dan T1 = T2 ; sehingga diperoleh : P1 V1 = P2 V2

Contoh:

Berapa tekanan dari 0 5 mol O2 dengan volume 10 liter jika pada

temperatur tersebut 0.5 mol NH3 mempunyai volume 5 liter dengan

tekanan 2 atmosfir ?

Jawab:

P1 V1 = P2 V2

2.5 = P2 . 10    P2 = 1 atmosfir

2. Hukum GAY-LUSSAC

"Volume gas-gas yang bereaksi dan volume gas-gas hasil reaksi

bila diukur pada suhu dan tekanan yang sama, akan berbanding

sebagai bilangan bulat den sederhana".

P T ; V tetap

Jadi untuk: P1 = P2 dan T1 = T2 berlaku : V1 / V2 = n1 / n2

Contoh:

Hitunglah massa dari 10 liter gas nitrogen (N2) jika pada kondisi

77

KonstanT

P

tersebut 1 liter gas hidrogen (H2) massanya 0.1 g.

Diketahui: Ar untuk H = 1 dan N = 14

Jawab:

V1/V2 = n1/n2 10/1 = (x/28) / (0.1/2)    x = 14 gram

Jadi massa gas nitrogen = 14 gram.

3. Hukum BOYLE-GAY LUSSAC

Hukum ini merupakan perluasan hukum terdahulu den diturukan

dengan keadaan harga n1 = n2 sehingga diperoleh persamaan:

4. Hukum AVOGADRO

"Pada suhu dan tekanan yang sama, gas-gas yang volumenya

sama mengandung jumlah mol yang sama. Dari pernyataan ini

ditentukan bahwa pada keadaan STP (0o C 1 atm) 1 mol setiap gas

volumenya 22.4 liter volume ini disebut sebagai volume molar gas.

Contoh:

Berapa volume 8.5 gram amoniak (NH3) pada suhu 27o C dan tekanan 1

atm ?

(Ar: H = 1 ; N = 14)

Jawab:

85 g amoniak = 17 mol = 0.5 mol

Volume amoniak (STP) = 0.5 x 22.4 = 11.2 liter

Berdasarkan persamaan Boyle-Gay Lussac:

P1 . V1 / T1 = P2 . V2 / T2

1 x 112.1 / 273 = 1 x V2 / (273 + 27)   V2 = 12.31 liter

P = (2N / 3V) . Ek T = 2Ek/3K

V = volume (m3)

n = jumlah molekul gas

78

P1 . V1 / T1 = P2 . V2 / T2

K = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 J/ºK

No = bilangan Avogadro = 6,023 x 1023/mol

5. Hukum CHARLES

”Jika tekanan tetap (tak berubah), volume gas dengan massa tertentu,

berbanding lurus dengan temperatur mutlak”

V T ; P tetap

Energi Total (U) Dan Kecepatan (v) Gas Ideal

dengan:

Ek = energi kinetik rata-rata tiap partikel gas ideal

U = energi dalam gas ideal = energi total gas ideal

v = kecepatan rata-rata partikel gas ideal

m = massa satu mol gas

p = massa jenis gas ideal

Jadi dari persamaan gas ideal dapat diambil kesimpulan:

1. Makin tinggi temperatur gas ideal makin besar pula kecepatan

partikelnya.

2. Tekanan merupakan ukuran energi kinetik persatuan volume yang

dimiliki gas.

79

konstanT

V

Ek = 3KT/2

U = N Ek = 3NKT/2

v = (3 K T/m)

3. Temperatur merupakan ukuran rata-rata dari energi kinetik tiap

partikel gas.

4. Persamaan gas ideal (P V = nRT) berdimensi energi/usaha .

5. Energi dalam gas ideal merupakan jumlah energi kinetik seluruh

partikelnya.

V. 3 Hukum Graham untuk Efusi

3.1 DEFINISI EFUSI

Apabila suatu gas dalam satu bekas dibiarkan keluar melalui satu liang

kecil ke kawasan yang lebih rendah tekanannya, gas akan terus mengalir

sehingga tekanan di kedua kawasan sama. Proses ini dikenali sebagai

efusi.

3.1.1 Syarat:

Garis pusat molekul < daripada .

Tekanan gas mesti cukup rendah

Liang mesti cukup sempit supaya molekul-molekul

melaluinya secara individu, bukan kolektif.

3.1.2 Kadar efusi

= kadar pelanggaran molekul dengan liang

= bila molekul yang melalui liang per unit

masa

Kadar efusi = Zw A

di mana A = luas liang dan Zw = bil. molekul yang keluar m-2 s-1.

80

Dari persamaan (1) , Zw =

Kadar efusi =

Kadar efusi = = (7)

Kesimpulan: Kadar efusi berkadar songsang dengan M½ .

3.2 Hukum Graham Efusi

3.2.1 Sejarah Singkat Thomas Graham

Kadar penyebaran (defusi) gas tergantung pada kepadatan gas-gas

itu sendiri. Gas-gas ringan biasanya menyerap lebih cepat ketimbang gas-

gas padat. Teori memisahkan beberapa jenis gas itu dengan efusi itu

kemudian dikenal sebagai Hukum Graham (1833), sesuai nama

pencetusnya Thomas Graham. Pakar kimia Skotlandia kelahiran

Glasgow itu lantas menggelar penelitian lanjutan dengan mendefusi suatu

cairan ke cairan lain. Riset itu mengantarnya pada kristaloid, seperti garam

dan gula, serta koloid seperti getah Arab. Sejak itulah era baru ilmu kimia

koloida dibuka.

Graham pun dijuluki Bapak Ilmu Kimia Koloida. Ia lalu

mengembangkan teknik dialisis larutan koloid bebas pada elektrolit.

Graham juga meneliti tingkah laku senyawa-senyawa yang telah

dikristalisasi saat melalui membran. Metoda itu lalu ia gunakan untuk

memisahkan molekul-molekul berukuran besar pada senyawa yang sama.

Hingga kini metoda itu masih digunakan di banyak rumah sakit di dunia

untuk membersihkan darah pasien penyakit gagal ginjal.

Graham adalah peneliti yang brilian dan tekun di laboratorium. Sebagian

besar penelitiannya berkaitan dengan difusi gas. Pada 1868 ia menemukan

formula kimia untuk ozon (O3).

81

3.2.2 Hukum Efusi Graham

Efusi adalah proses dimana gas di bawah tekanan, berpindah

daripada satu kebuk suatu bekas kepada kebuk yang lain melalui

pembukaan yang amat kecil. Kadar efusi akan bergantung kepada

ketumpatan gas-gas yang terlibat. Gas-gas yang kurang tumpat (gas-gas

ringan) biasanya menyerap lebih cepat berbanding gas yang lebih tumpat.

Perhubungan kadar efusi dapat diungkapkan sebagai perkadaran songsang

terhadap punca kuasa dua ketumpatan gas. Kenyataan ini dikenali sebagai

Hukum Graham dan boleh disebut secara matematik,

                        Kadar efusi a                                                       

Kadar efusi 2 gas (A dan B) boleh dibandingkan dengan

membagikan kadar satu dengan yang satu lagi,

                                                                     

Dengan menggunakan persamaan keadaan gas unggul, kadar efusi

dapat dihubungkan dengan jisim molekul suatu gas. Diketahui bahawa

                        Bil mol (n) =                                        

Gantikan ke dalam persamaan gas unggul, maka

                                                                                  

Ubah suaikan persamaan dengan menyelesaikan untuk M,

                                                                                    

82

Ketumpatan (d) bersamaan dengan jisim/isipadu, . Maka

persamaan di atas boleh ditulis sebagai,

                                                                                        

Persamaan ini menerangkan bahwa pada sembarang suhu dan

tekanan, berat molekul gas berkadar terus terhadap ketumpatannya.

Dengan itu Hukum Graham boleh ditulis sebagai,

                                                       

dimana MA dan MB adalah jisim molekul (JMR) gas A dan B masing-

masing.

Atau bisa dibilang pada T dan P yang tetap, kadar efusi berbagai-bagai

gas adalah berkadar songsang dengan punca kuasa dua ketumpatan

masing-masing.

3.2.3 Kadar efusi relatif

Pada P dan T yang tetap, M ( = PM/RT)

V. 4 Penyimpangan Gas Nyata dari Hukum Gas Ideal

83

Sejauh kita membahas tentang hukum gas, kita tidak mejumpai tanda-

tanda bahwa berbagai hukum itu tidak berlaku sama baik untuk semua jenis gas.

Sebenarnya, hukum-hukum gas hanya eksak bila diterapkan pada gas yang

disebut gas ideal. Molekul-molekul gas semacam ini tidak saling menarik,

molekul itu pun tidak memerlukan ruang dalam wadah itu (suatu situasi yang

tidak mungkin). Namun gas nyata tidak bertindak ideal sepenuhnya, artinya

adalah molekul-molekul mereka saling menarik dan memerlukan ruang. Suatu gas

tertentu makin kurang ideal bila tekanan ditingkatkan dan/atau temperatur di

turunkan.

1. JIka tekanan di perbesar, molekul suatu gas dipaksa lebih berdekatan dan

juga proporsi volume yang di tempati moekul-molekul itu sendiri menjadi

lebih besar (karena volume total mengecil).

2. JIka temperatur di turunkan, energi kinetik molekul-molekul itu

berkurang, sehingga gaya tarik-menarik menjadi lebih efektif.

Besarnya simpangan dari perilaku gas ideal bergantung juga pada macam

gas tersebut. Gas seperti hydrogen, helium, nitrogen, dan oksigen, yang

molekulnya tidak terlalu tarik menarik satu sama lain, bertindak lebih ideal pada

tekanan dan temperatur biasa, di bandingkan dengan gas seperti klor dan amonia.

Makin lebih ideal suatu gas, makin berperilaku mendekati apa yang di ramalkan

oleh hukum Boyle, hukum Charles dan hukum-hukum gas lainnya.

V. 5 Hukum Dalton

Dalam suatu campuran gas yang berlainan tiap gas melakukan sebagian

dari tekanan . Tekanan ini sama dengan tekanan yang akan dilakukan oleh gas itu,

seandainya gas itu menghuni sendirian volume campuran gas itu. Hubungan ini

dirumuskan oleh Dalton kira-kira pada tahun 1803 dan dikenal sebagai hukum

Dalton.

Tekanan total bagi satu campuran gas-gas unggul adalah jumlah tekanan

separa komponen-komponennya (dengan syarat tiada interaksi sesama gas).

84

P = PA + PB + PC + …… =

di mana P tekanan total, Pi tekanan separa, i = A, B, C, ….

Tekanan separa tekanan yang dikenakan oleh setiap gas sekiranya ia

menempati isi padu yang sama secara sendirian pada suhu yang sama.

Pi = (ni = bil. mol gas i)

Pecahan mol gas i = Xi = (nT = bil. mol total)

Contoh:

Suatu contoh hidrogen dikumpulkan dalam sebuah botol di atas air. Dengan hati-

hati, tinggi permukaan air di dalam botol diatur agar sama dengan di luar botol.

Pengukuran berikut dilakukan : volume gas 425 cm³ ; tekanan udara luar 753

mmHg ; temperatur air (dan juga gas), 34°C . Hitunglah volume hidrogen

seandainya hidrogen ini kering dan bertekanan 760 mmHg dan temperator 0°C.

Analisis : Hidrogen tercampur dalam uap air.oleh karena itu tidak seluruh 753

mmHg merupakan tekanan yang dilakukan oleh hidrogen ; sebagian kecil tekanan

itu disebabkan oleh uap air. Tekanan uap air berubah menurut temperatur.

Diketahui bahwa pada 34°C tekanan itu adalah 40 mmHg. Tekanan yang

disebabkan oleh hidrogen dapatlah sekarang digitung dengan bantuan hukum

Dalton.

P total = PH2 + PH2O atau PH2 = P total – PH2O

= 753 mmHg - 40 mmHg

= 713 mmHg

Tekanan terakhir ini merupakan tekanan yang dilakukan oleh hidrogen

sendiri, yakni tekanan yang dianggap tekanan asli untuk menghitung volume

hidrogen kering pada 0°C dan 760 mmHg :

n V T P

asli k 425 cm³ 307 K 713 mmHg

85

di ubah ke k V2 273 K 760 mmHg

Karena n konstan dapatlah digunakan persamaan

P 1 V 1 = P 2 V 2

T1 T2

Jawaban

V2 = V1 X P1/P2 X T2/P2

= 425 X 713/760 X 273/ 307

= 355 cm³

V. 6 Gaya-gaya Antarmolekul

Gaya antar molekul dapat terjadi antara molekul sejenis maupun tak

sejenis. Berdasarkan perbedaan kekuatan gaya antar molekul ini, dapat terbentuk

campuran heterogen dan homogen.

Sampel yang mempunyai komposisi dan sifat seragam secara keseluruhan

disebut satu fase. Contohnya, air pada 250C dan 1 atm terdapat dalam bentuk fase

cair tunggal. Semua sifat molekul air di dalam fase ini seragam. Bila ditambahkan

sedikit garam dapur, garam ini akan melarut dan hasilnya suatu fase cair baru

yang seragam. Komposisi dan sifat cairan yang baru ini berbeda dengan air murni.

Larutan ini merupakan suatu campuran yang homogen, karena terdiri atas dua

macam zat yang tercampur seragam. Campuran homogen ini disebut campuran.

Bila sedikit pasir (SiO2) ditambahkan ke dalam air, pasir akan mengendap

ke dasar cairan, tetap sebagai padatan yang tak larut. Campuran air-pasir ini

disebut campuran dua fase (cairan + padatan) atau campuran tidak sama, yaitu

tetap terdapat sifat air pada fase cair dan sifat pasir pada fase padatnya.

Gaya antarmolekul dalam campuran

86

Pada kasus-kasus (1) dan (2) dibawah ini, efek kalor yang terjadi dalam

pembentukan larutannya dapat dijelaskan berdasarkan proses hipotetis sebagai

berikut. Pertama, partikel-partikel pelarut dan zat terlarut masih dipisah. Pada

keadaan ini diperlukan energi. Kemudian, partikel zat pelarut dan pelarut saling

mendekat, ini berarti keduanya bercampur. Pada peristiwa pertama dibutuhkan

energi, sedangkan pada proses berikutnya energi dilepaskan. Perubahan bersih

energinya, ΔH, akan tergantung pada besarnya perubahan energi pada setiap

langkahnya.

Kasus 1

Bila gaya antarmolekul yang sejenis maupun tak sejenis kurang lebih sama

kuat, molekul-molekul dalam campuran akan berpasangan-pasangan secara acak.

Dengan demikian terbentuklah suatu campuran homogen (larutan. Kebanyakan

campuran hidrokarbon cair ternasuk kelompok ini (misalnya benzene-toluena).

Sifat larutannya dapat diramalkan dari sifat-sifat komponen pembentuknya,

dengan demikian karutan ini disebut larutan ideal.

Volume larutan ideal yang terbentuk merupakan jumlah volume

komponennya. Energi interaksi antara molekul-molekul yang serupa maupun

yang berbeda akan bernilai sama. Tidak terdapat perubahan entalpi atau efek kalor

aklibat pencampuran komponen-komponen ini (Δ H = 0). Dengan kata lain,

sewaktu larutan Ideal terbentuk, suhu tidak berubah.

Kasus 2

Bila gaya antarmolekul-molekul yang berbeda lebih besar daripada

antarmolekul yang sejenis, dapat juga terbentuk larutan. Tetapi sifat larutannya

tidak dapat diramalkan berdasarkan sifat-sifat pembentuknya. Larutan ini bersifat

non ideal. Energi yang dilepas akibat interaksi molekul yang berbeda lebih besar

dibandingkan energi yang diperlukan untuk memisahkan molekul yang sejenis.

Pada peristiwa ini energi dilepas ke sekeliling dan proses pelarutan ini bersifat

eksoterm (Δ H < O.)

Kasus 3

Bila gaya antarmolekul pada molekul yang tak sejenis jauh lebih kecil

daripada antarmolekul yang sejenis, pelarutan tidak terjadi. Kedua zat tetap

87

terpisah sebagai suatu campuran heterogen. Contohnya adalah air dan oktana

(salah satu komponen bensin). Ikatan hidrogen antarmolekul air yang polar akan

mempertahankan agar molekul-molekul air tetap berkumpul dengan sesamanya.

Sedangkan molekul oktana yang nonpolar tidak dapat menggantikan gaya tarik-

menarik antar molekul polar yang kuat, sehingga kedua jenis molekul tidak dapat

bercampur.

Bila gaya antara ion dengan dwikutub (bipolar) ini cukup kuat untuk

mengalahkan gaya tarik-menarik antara ion dalam kristal, pelarutan pun terjadi.

Lebih jauh lagi, gaya ion-dwikutub ini terdapat pula dalam larutan. Ion yang

dikelilingi oleh molekul-molekul air ini dikatakan sebagai terhidrasi. Sewaktu ion

terhidrasi, energi akan dilepaskan. Makin besar energi hidrasi yang diperlukan

agar dapat memisahkan ion-ion dari kristalnya, maka makin mudahlah peristiwa

pelarutan terjadi.

Ikatan Hidrogen

Contoh paling populer dari adanya ikatan Hidrogen adalah dalam air.

Berhubung atom oksigen lebih elektronegatif dibandingkan 2 atom hidrogen,

atom oksigen menarik elektron menjauhi atom hidrogen. Seperti telah kita

ketahui, ikatannya termasuk ikatan kovalen polar dan hasilnya adalah sebuah

dwikutub. Atom oksigen memiliki muatan negatif parsial δ- dan setiap atom

hidrogen muatan positif parsial δ+. Atom hidrogen, dengan muatan parsial

positifnya, tertarik ke pasangan elektron non-ikatan pada atom oksigen dari

molekul air tetangganya (Gambar 3.16). gaya tarik elektrostatik di antara atom

hidrogen dan atom elektronegatif disebut ikatan hidrogen. Ikatan ini jauh lebih

lemah dibandingkan ikatan kovalen. Meskipun demikian, hal ini menimbulkan

sifat air yang tidak normal.

Ikatan hidrogen sangat lazim terjadi dengan atom seperti oksigen, fluorin

dan nitrogenketiga jenis atom itu tidak saja memiliki elektronegativitas yang

tinggi tetapi juga berukuran kecil. Ikatan hidrogen tidak terjadi secara bermakna

dengan atom yang lebih besar seperti klorin dan sulfur meskipun

elektronegativitas unsur-unsur itu sebanding dengan nitrogen.

88

V. 7 Interaksi Dipol

Molekul yang mempunyai momen dipol permanen dikatakan sebagai polar.

Seperti gambar 6.

Gambar 6. Molekul diatom kovalen polar

Perhatikan bahwa anak panah yang menyatakan kepolaran digambar dari

muatan positif parsial ke muatan negatif parsial.

Perhatikan pada gambar.

Gambar 7. Molekul tri atom polar dan non polar

Arah vektor menuju ke atom yang lebih elektronegatif ujung plus

menunjukkan ke atom yang kurang elektronegatif. Gaya tarik antar dua molekul

polar disebut Gaya tarik dipol-dipol. Tarikan ini lebih kuat dari pada tarikan

antara molekul-molekul non polar. Penyusunan molekul dengan adanya interaksi

dipol-dipol ini dapat menyebabkan suatu zat berbentuk padat atau cair pada suhu

yang lebih tinggi dan yang diharapakan. Sebagai contoh, bandingkanlah normal

butana, , C4H10 dan aseton (CH3)2CO yang sama-sama mempunyai massa

89

molekul realtif =58. Normal butana yang bersifat nonpolar mempunyai titik didih

0.5 o C dan titik cair -138,3 o C o C sedangkan aseton bersifat polar mempuyai titik

didih 56.5o C dan titik cair -94.8 o C

V. 8 Gaya Dispersi London

Seorang ahli fisika dari Jerman Fritz London, tahun 1930

menguraikan terjadinya tarikan yang lemah disebabkan oleh dipol imbasan

sekejap atau sesaat yang kemudian dikenal Gaya London.Terjadinya tarikan antar

elektron satu molekul dan inti molekul yang lain dapat dibayangkan sebagai

akibat menggesernya posisi atau getaran (vibrasi) elektron dan inti-inti itu. Suatu

getaran dalam sebuah molekul mengimbas (menginduksi) suatu geseran elektron-

elektron suatu molekul yang disebelahnya seperti gambar di bawah ini.

Gambar 1. Diagram getaran elektron terhadap inti-inti dalam dua atom dari suatu gas

mulia.

Atom simetris (tengah bersifat non polar) punya getaran yang

mengimbas gaya tarik dipol sesaat antara atom-atom sebelahnya. Perhatikan

bahwa posisi inti tidak berubah. Bila beberapa molekul berkumpul bersama-sama

seperti dalam cair, geseran-geseran disingkronkan, sehingga terdapat suatu tarikan

90

total antara banyak molekul yang bersebelahan. Dipol-dipol ini dikatakan bersifat

sesaat, karena getaran itu milyaran kali dalam suatu detik. Pada saat berikutnya

dipol itu hilang, atau mungkin arah polaritas telah dibalik.

Gaya London ini yang menyebabkan adanya tarikan antara molekul-

molekul senyawa non polar. Molekul-molekul polar besar lebih efektif ditarik

satu sama lain daripada molekul kecil. Marilah kita bandingkan molekul metana

(CH4) dengan propana (C3H8) melalui gambar dibawah ini.

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa struktur molekul propana lebih

besar dari metana sehingga tarikan yang terjadi antar dua molekul Propana lebih

kuat dari padaduan molekul metana. Contoh lain yang dapat antara iod (I2) dan

flour (F2). Molekul iod dengan distribusi / penyebaran elektron yang besar dan

baur ke segala arah saling menarik lebih kuat dari pada molekul – molekul flour

yang elektronnya lebih kuat terikat.

Mudah tidaknya suatu molekul membentuk dipol sesaat disebut

polarisabilitas. Hal ini berkaitan dengan masa molekul relatif (Mr) dan bentuk

molekul. Masa molekul relatif berkaitan dengan jumlah elektron dalam molekul

maka makin mudah mengalami polarisasi sehingga makin kuat gaya Londonnya.

Molekul yang bentuknya panjang lebih mudah mengalami polarisasi

dibandingkan molekul yang kecil, padat dan simetris sehingga gaya London

Pentana lebih kuat dari pada 2 – Metil Butana (Neo Petana).

91

Bab VI

Kesetimbangan Fase

VI.1 Tinjauan singkat zat padat (Amorf dan Kristal)

Tiap bahan disusun oleh atom-atom. Atom-atom bergabung menjadi

molekul supaya memiliki konfigurasi elektron yang lebih stabil. Pertanyaan

selanjutnya adalah bagaimana molekul membentuk material zat padat, zat cair,

atau gas. Kita batasi pembahasan kita hanya tentang material zat padat.

Dalam keseharian dapat kita lihat bermacam-macam zat padat (buku,

kayu, logam, plastik, kain karet, beton, dan lain-lain). Setiap zat padat mempunyai

sifat mekanik yang berbeda-beda (misal: kekuatan, kekerasan, kerapatan); sifat

termal (misal: titik lebur); sifat optic (misal: spectrum emisi, atau absorpsi di

daerah spectrum elektromagnetik). Pada umumnya sifat-sifat zat padat bergantung

pada:

1. Macam atom-atom atau molekul-molekul yang menyusun meteri tersebut

2. Struktur materialnya, yaitu cara penyusunan atom-atom tersebut di dalam

material.

Berdasarkan struktur penyusunan atom-atom dalam zat padat dikenal pula

dua macam zat padat, yaitu zat padat kristal dan zat padat amorf. Molekul-

molekul dalam zat padat dapat terikat satu sama lain oleh lima jenis ikatan, yaitu

ikatan ionic, ikatan kovalen, ikatan logam, ikatan Van der Waals, atau ikatan

hydrogen. Perbedaan kelima ikatan ini terletak pada cara penyebaran elektron

valensi (electron terluar) dari atom-atom pembangun zat padat.

92

Struktur atom zat padat kristal

Struktur zat padat amorf

Sifat zat padat bergantung pada cara penyusunan atom-atom dalam zat

padat tersebut. Apabila susunan atom-atom atau molekul memiliki keteraturan

pada jarak panjang dan periode (berulang), maka zat padat tersebut disebut zat

padat kristal. Apabila susunan atom-atom atau molekul-molekul tidak teratur atau

hanya memiliki keteraturan pada jarak pendek, maka zat padat disebut zat padat

amorf.

Berdasarkan keteraturan jarak panjang susunan atom-atom atau molekul-

molekul, zat padat kristal dibagi atas :

1. zat padat kristal tunggal atau monokristal atau kristal sempurna. Jika

keteraturan jarak panjang susunan atom-atom atau molekul molekul

terdapat di seluruh zat padat. Zat padat kuarsa dan pirit (FeS2), dan zat

padat kalsit termasuk monokristal.

2. zat padat polikristal. Jika keteratuan jarak panjang susunan atom-atom atau

molekul-molekul terbatas pada daerah-daerah di dalam kristal zat padat.

Daerah-daerah dengan keteraturan jarak panjang ini disebut butiran.

Sedangkan batas-batas butiran disebut batas butiran.

Intan dan arang disusun oleh atom-atom yang sama, yaitu atom karbon,

tetapi memiliki kekerasan yang berbeda. Intan berwarna bening, sangat keras, dan

93

merupakan batu perhiasan yang mahal, sementara arang berwarna hitam, tidak

keras, mudah dibuat dan murah. Seperti yang telah diketahui bahwa sifat zat padat

bukan hanya ditentukan oleh atom-atom pembentuknya, tetapi juga ditentukan

oleh struktur kristalnya. Melalui penelitian difraksi sinar X jelas terlihat bahwa

struktur kristal intan berbeda dengan struktur kristal arang.

Atom-atom dalam kristal intan membentuk ikatan-ikatan dalam pola

tertutup ke berbagai arah. Tiap atom diikat dengan gaya ikat yang kuat oleh atom-

atom tetangga terdekatnya. Itulah sebabnya kristal intan sangat keras. Dalam

kristal arang, atom-atom disusun dalam bidang yang menyerupai lembaran-

lembaran. Ikatan antar atomnya hanya cukup kuat pada atom-atom yang berada

pada lembaran yang sama. Atom-atom antar lembaran yang berdekatan hanya

diikat oleh gaya tarik-menarik yang relatif lebih lemah. Ini menyebabkan atom-

atom pada lembaran yang satu dapat dengan mudah meluncur di atas lembaran

lainnya. Karena itu kristal arang mudah patah.

Kristal-kristal sering memiliki berbagai permukaan yang berpotongan

pada suatu bidang irisan. Bidang irisan ini dinamai muka kristal. Jadi, suatu muka

kristal adalah bidang-bidang simetri yang terdapat dalam struktur kristal itu

sendiri. Atom-atom yang terletak pada muka kristal biasanya tidak diikat dengan

kuat oleh atom-atom yang terletak pada bidang lainnya. Oleh karena itu, kristal-

kristal besar dapat dipotong dengan rapi dengan hanya memberi gaya yang relatif

kecil sepanjang arah yang sejajar dengan muka-muka kristal. Sebagai contoh,

hanya dengan satu kali ketukan dari alat pemotong intan pada muka-muka kristal

ini, maka kristal intan yang merupakan material paling keras di dunia dapat

terpotong dengan rapi (tanpa retak).

Dalam zat pada amorf, misal kaca, tidak terdapat bidang-bidang simetri

(muka-muka kristal). Oleh karena itu, kaca yang pecah akan retak dalam berbagai

arah (tidak rapi). Zat padat kristal pun dapat mengalami retakan seperti ini jika

gaya besar yang diberikan untuk memotong kristal tidak sejajar dengan muka-

muka kristal. Oleh karena itu, ahli intan harus memotong intan secara cermat agar

intan yang dipotongnya tidak retak.

94

VI.2 Perubahan Fase

VI.2.1 Karakteristik Umum Perubahan Fase

Untuk banyak zat, perubahan zat padat-cairan-padat tidak

melibatkan perubahan sifat dasar (dari) molekul-molekul yang ada.

Misalnya, dalam brom padat, molekul Br2 saling bertarikan dengan agak

efektif; dalam keadaan cair, molekul Br2 dengan bebas bergerak melewati

molekul yang lain; dan dalam keadaan gas, molekul Br2 berupa partikel

yang terpisah jauh satu sama lain, yang melenting kian kemari dengan

kecepatan tinggi dan arah acak. Gambaran ini umumnya dapat diterapkan

kepada zat-zat kovalen, meskipun terdapat banyak keruwetan. Misalnya,

dalam hal aluminium bromide, bentuk molekul yang mula-mula lepas

sebagai gas ialah Al2Br6. Pada temperatur yang lebih tinggi, molekul ini

pecah menjadi dua molekul AlBr3.

Pada temperatur yang sangat tinggi, zat padat ion dan logam

memang terurai untuk membentuk molekul sederhana, tetapi ini

merupakan keadaan yang tak lazim untuk zat-zat semacam itu. Untuk

senyawa ion dan logam, bentuk molekul yang ada dalam keadaan gas tidak

terdapat dalam fase-fase mampat. Misalnya, bila cukup dipanasi agar

menjadi gas, natriunm klorida membentuk molekul sederhana seperti

Na2Cl2 atau NaCl. Tetapi dalam zat padat NaCl, sebuah ion tertarik sama

kuat ke semua tetangga terdekatnya yang muatannya berlawanan, dengan

tak terbentuknya struktur-struktur molekul. Serupa pula, dalam bentuk gas,

molekul logam dapat terdiri dari atom-atom tunggal, ataupun beberapa

atom yang saling terikat. Tetapi dalam logam padat, tak terdapat molekul

yang terpastikan.

95

Meskipun dapat terjadi perubahan ikatan dan perubahan bentuk

molekul, bila terjadi perubahan keadaan, lazimnya suatu perubahan

keadaan dirujuk sebagai suatu perubahan fisika, bukan perubahan kimia.

Gambar 1.1 meringkaskan pelbagai perubahan fase dan nama proses itu.

Gambar 1.1 Nama perubahan fase pada air.

( Panah biru berarti perubahan endoterm,

panah merah perubahan eksoterm)

Terdapat dua konsep dasar yang harus diingat untuk memulai

mempelajari energi yang dilibatkan dalam berbagai perubahan itu.

Pertama, banyaknya energi yang dibutuhkan untuk suatu perubahan

endoterm sama dengan energi yang dibebaskan dalam perubahan eksoterm

kebalikannya. Kedua, energi total untuk suatu perubahan dari kondisi satu

ke kondisi dua, yang keduanya tertentu akan tetap sama, tak peduli jalan

yang ditempuh untuk mencapai perubahan ini. Sebagai contoh perhatikan

perubahan 1 gram es pada -20 °C menjadi 1 gram uap air pada 150 °C.

Energi yang dibutuhkan akan tetap sama apakah es itu langsung

disublimasi menjadi uap air dan kemudian uap itu dipanasi hingga

mencapai temperatur akhir, atau kah es itu dipanasi hingga melumer jadi

air, kemudian air dipanasi agar menguap menjadi kukus, yang mencapai

temperatur akhir.

VI.2.2 Kapasitas panas

Bila kalor ditambahkan kepada zat padat, cairan atau gas pada

temperatur di luar titik leleh atau titik didih, maka temperatur zat itu akan

naik.

Untuk membandingkan efek kalor pada temperatur berbagai zat,

maka dapatlah kapasitas panas zat itu diukur, yakni banyaknya kalor yang

diperlukan zat itu, dengan bobot tetentu untuk menaikkan temperatur

96

sebesar 1 °C. Makin tinggi bobot suatu benda, akan makin besar kapasitas

panasnya. Jika zat itu tepat 1 gram, maka kuantitas energi panas itu disebut

kapasitas panas per gram, kuantitas ini juga disebut kalor jenis. Misalnya,

kalor jenis( kapasitas panas per gram) es ialah 2,00 J/(g. °C). Banyaknya

kalor yang diperlukan untuk mengubah temperatur 1 mol suatu zat setinggi

1 °C disebut kapasitas molar zat.

Kapasitas molar es adalah

[2,00 J/(g. °C)].(18,0 g/mol) = 36,0 J/mol.°C

VI.2.3 Kalor Pelelehan

Jika 1 mol es pada -10 °C dipanasi dengan hati-hati, maka untuk

menaikkan temperaturnya menjadi 0 °C, akan membutuhkan kalor

sebanyak

(1 mol).(10 °C).(36,0 J/mol.°C) = 360 J

Jika ditambahkan lebih banyak kalor, maka es akan mulai mencair,

temperaturnya tidak berubah. Memang 6010 J, diperlukan untuk

mengubah 1 mol es pada 0 °C menjadi air pada 0 °C. Energi panas ini

digunakan untuk melawan sebagian gaya tari antar molekul. Banyaknya

kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 mol suatu zat padat pada titik

lelehnya menjadi cairan pada temperatur yang sama disebut kalor

pelelehan molar. Kalor pelelehan molar sejumlah zat dipaparkan dalm

tabel 1.1.

Tabel 1.1 Kalor Pelelehan dan Penguapan Molar

ZatKalor Pelelehan Molar

(kJ/mol)Kalor Pelnguapan Molar

(kJ/mol)Amonia 5.76 23.26Benzena 9.84 30.82Brom 10.54 30Karbon dioksida 7.95 16.23aHidrogen 0.12 0.904Hidrogen Klorida 2.11 16.15Merkurium 2.3 59.15Oksigen 0.44 6.82Air 6.01 40.66

97

Banyaknya energi panas yang dibebaskan bila satu mol suatu zat

memadat, disebut kalor pembekuan molar, yang besarnya sama dengan

banyaknya kalor yang dibutuhkan bila satu mol zat padat meleleh.

Misalnya, 6,10 kJ dibebaskan ke sekitarnya bila 1 mol air membeku.

VI.2.4 Kalor Penguapan

Panas atau kalor penguapan, atau lengkapnya perubahan entalpi

penguapan standar, ΔvHo, adalah energi yang dibutuhkan untuk mengubah

suatu kuantitas zat menjadi gas. Energi ini diukur pada titik didih zat dan

walaupun nilainya biasanya dikoreksi ke 298 K, koreksi ini kecil dan

sering lebih kecil dari pada deviasi standar nilai terukur. Nilainya biasanya

dinyatakan dalam kJ/mol, walaupun bisa juga dalam kJ/kg, kkal/mol, kal/g

dan Btu/lb.

Panas penguapan dapat dipandang sebagai energi yang dibutuhkan untuk

mengatasi interaksi antarmolekul di dalam cairan (atau padatan pada

sublimasi). Karenanya, helium memiliki nilai yang sangat rendah, 0,0845

kJ/mol, karena lemahnya gaya van der Waals antar atomnya. Di sisi lain,

molekul air cair diikat oleh ikatan hidrogen yang relatif kuat, sehingga

panas penguapannya, 40,8 kJ/mol, lebih dari lima kali energi yang

dibutuhkan untuk memanaskan air dari 0 °C hingga 100 °C (cp = 75,3

J/K/mol).

Harus diperhatikan, jika menggunakan panas penguapan untuk

mengukur kekuatan gaya antarmolekul, bahwa gaya-gaya tersebut

mungkin tetap ada dalam fase gas (seperti pada kasus air), sehingga nilai

perhitungan kekuatan ikatan akan menjadi terlalu rendah. Hal ini terutama

ditemukan pada logam, yang sering membentuk molekul ikatan kovalen

dalam fase gas. Dalam kasus ini, perubahan entalpi standar atomisasi harus

digunakan untuk menemukan nilai energi ikatan yang sebenarnya.

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 mol suatu zat

cair menjadi gas pada temperatur yang sama disebut kalor penguaapn

molar. Kemudian, banyaknya energi panas yang dibebaskan bila satu mol

98

suatu zat mengembun, yang disebut kalor pengembunan molar, yang

besarnya sama dengan banyaknya kalor yang dibutuhkan bila satu mol zat

(cair) menguap. Misalnya, 40,66 kJ dibebaskan ke sekitarnya, bila 1 mol

kukus mengembun pada 100 °C.

VI.2.5 Perubahan Temperatur dan Perubahan Fase

Menurut teori molekul kinetik, dengan ditambahkan energi kalor

ke suatu zat, energi itu digunakan untuk mengalahkan gaya-gaya tarik

yang mengikat partikel-partikel. Makin tinggi temperaturnya, makin besar

energi kinetik partikel-partikel. Pada titik-titik perubahan keadaan, banyak

energi terlibat meskipun temperaturnya tetap konstan. Juga, jika perubahan

keadaan disertai dengan penambahan volume, diperlukan energi untuk

mendorong udara.

VI.2.6 Gaya Tarik dan Perubahan Fase

Gaya tarik yang mempengaruhi pelelehan dan penguapan sangat

beraneka-ragam untuk kelompok zat yang berlainan. Tiga

pengelompokkan besar zat adalah kovalen, ion dan logam. Kebanyakan

zat kovalen terdiri dari molekul-molekul yang saling berkaitan dengan

gaya yang agak lemah. Ion-ion dalam zat ion dan atom dalam logam

biasanya saling berkaitan dengan gaya yang kuat.

Karena perbedaan-perbedaan ini, zat kovalen yang membentuk

molekul-molekul tertentu cenderung memiliki titik leleh dan titik didih

rendah. Senyawa ion mempunyai titik leleh dan titik didih tinggi. Jangka

temperatur untuk logam serupa dengan untuk senyawa ion, meskipun

terdapat sejumlah pengecualian, seperti merkurium, galium, dan logam-

logam grup 1 A tabel berkala, yang mudah dilelehkan.

Sampai beberapa ratus derajat di atas temperatur kamar,

kebanyakan senyawa ion dan logam berbentuk zat padat. Dekat temperatur

kamar, senyawa kovalen dapat berbentuk padat, cairan ataupun gas,

bergantung pada kuat gaya antar molekul. Semua zat yang cair di dekat

99

temperatur kamar adalah senyawa kovalen, misalnya, air, alkoho-alkohol,

dan hasil-hasil minyak bumi.

VI.3 Diagram Fase

Hubungan antara keadaan-keadaan atau fase-fase suatu zat padat

diringkaskan dalam suatu diagram fase yang menunjukkan fase-fase apa saja yang

ada pada temperatur dan tekanan yang berlainan. Gambar 1.2.a dan 1.2.b adalah

diagram fase untuk H2O dalam suatu jangka terbatas temperatur dan tekanan.

Gambar 1.2.a

100

Gambar 1.2.b

Titik Gandatiga (Triple Point)

Titik Gandatiga merupakan titik dimana ketiga fase dapat berada dalam

kesetimbangan.

Titik Gandatiga Air

Keanekaan tekanan udara hanya sedikit sekali pengaruhnya terhadap titik

beku air maupun larutan air, baik karena perubahan larutan udara dalam air

maupun karena pengaruh tekanan pada suatu perubahan keadaan. Karena air

memuai bila membeku, maka bertambahnya tekanan cenderung menghindarkan

pembekuan. Artinya, titik beku menurun dengan bertambahnya tekanan (azas Le

Chatelier). Udara yang larut juga menurunkan titik beku. Jika hanya terdapat air

murni, kesetimbangan antara ketiga fase, padat, cair dan uap terjadi pada titik

gandatiga air, suatu titik tertentu dasar, yang dalam skala temperatur internasional

didefinisikan sebagai 273,16 K. Dengan kehadiran udara pada 1 atm, kenaikan

tekanan dari 4,58 mm (yakni tekanan uap air saja) ke 760mm menyebabkan titik

beku turun sebanyak 0,0075 °C, dan udara yang terlarut menyebabkan penurunan

tambahan sebanyak 0,0025 °C (0,0024 disebabkan oleh oksigen dan nitrogen yang

terlarut). Karena itu yang disebut titik beku normal air adalah 273,16 – (0,0075 +

0.0025) = 273,15 K = 0 °C.

Air merupakan salah satu zat murni (Zat murni adalah zat yang

mempunyai komposisi kimia yang tetap pada semua bagiannya). Air mengalami

101

perubahan fasa menjadi gas pada temperatur sekitar 100oC apabila tekanannya 1

atm, tetapi pada tekanan lebih tinggi maka temperatur perubahan fasanya lebih

tinggi pula. Gambar 2.1. menunjukkan diagram perubahan fasa cair-gas pada

suatu zat murni, dengan koordinat tekanan dan temperatur.

Dari temperatur dapat digambarkan diagram perubahan fasa dari suatu zat

murni secara lengkap, yaitu pada semua lingkup keadaan untuk zat murni tersebut.

Contoh diagram perubahan fasa lengkap tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.2

(a) dengan koordinat T-v dan Gambar 2.2 (b) untuk koordinat P-v.

(a). Koordinat P-v (b). Koordinat T – v

Gambar 2.2.

Garis fasa berbentuk lengkungan tajam pada bagian atasnya, garis

disebelah kiri adalah garis liquid jenuh dan garis disebelah kanan adalah garis uap

jenuh. Titik puncaknya merupakan titik kritis, dimana diatas titik tersebut kondisi

fasa P kondisi liquid dan gas bersamaan. Keadaan titik kritis untuk zat murni air

terjadi pada tekanan Pcr = 22,09 MPa, dan temperatur Tcr = 374,14oC. Daerah

diantara garis liquid jenuh dengan garis uap jenuh adalah daerah terjadinya

campuran antara fasa cair dan fasa gas. Garis putus-putus pada diagram Gambar

102

2.2 (a) menunjukkan lintasan proses penguapan zat murni pada tekanan konstan

P1 dan P2 (dengan P2 > P1), dan terlihat bahwa lintasan proses penguapan pada

tekanan P2 terjadi pada temperatur lebih tinggi daripada lintasan pada temperatur

P1. Garis a-b menunjukkan pemanasan pada fasa liquid sampai mencapai titik cair

jenuh di b. Sedang pada garis b-c terjadi proses penguapan yang terjadi pada

temperatur konstan dan tekanan konstan, dengan fasa diantara titik b dan titik c

adalah kondisi campuran antara liquid dan gas. Pada titik b adalah 100% liquid,

sedang pada titik d adalah 100% fasa gas. Selanjutnya garis c-d menunjukkan

pemanasan lanjutan dari uap, sehingga kondisi uapnya disebut uap panas lanjut

(superheated steam). Panas yang dibutuhkan untuk pemanasan air pada garis a-b

dan pemanasan uap pada garis c-d disebut panas sensibel, sedang panas yang

diperlukan untuk proses penguapan pada garis b-c disebut panas laten. Terlihat

pada Gambar 2.2 bahwa semakin tinggi tekanan fluida (juga temperaturnya),

semakin pendek garis penguapan (garis b-c untuk tekanan P1) sehingga semakin

kecil panas laten yang dibutuhkan. Garis putus-putus pada Gambar 2.2 (b) adalah

garis isothermis pada diagram penguapan dengan koordinat P-v.

103

Bab VIIKimia Larutan dan Sistem Asam-Basa

VII.1. Larutan

1. Definisi Larutan.

Larutan adalah campuran homogen dari molekul, atom, ataupun ion

dari dua macam zat atau lebih. Suatu larutan disebut campuran karena

susunannya dapat berubah-ubah. Disebut homogen karena susunannya

begitu seragam sehingga susah untuk mengamati bagian-bagian yang

berlainan. Sedangkan dalam campuran heterogen dapat dideteksi antara

bagian atau fase-fase yang terpisah.

Larutan juga didapat dilihat dan dibagi sesuai dengan tingkat

kejenuhannya, yaitu:

a. Larutan jenuh.

Larutan jenuh adalah larutan yang mengandung zat telarut

dalam jumlah yang diperlukan untuk adanya kesetimbangan

antara zat terlarut yang larut dan yang tak larut. Banyaknya zat

terlarut yang melarut dalam pelarut yang banyaknya tertentu,

untuk menghasilkan suatu larutan jenuh disebut kelarutan zat

terlarut.

b. Larutan tak jenuh dan lewat jenuh.

Suatu larutan tak jenuh adalah larutan yang kalah pekat

(lebih encer) daripada suatu larutan jenuh, dan suatu larutan

104

lewat jenuh adalah larutan yang lebih pekat dibandingkan suatu

larutan jenuh.

2. Klasifikasi larutan.

a. Larutan elektrolit.

Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan arus

listrik. Elektrolit dapat dikatakan sebagai elektrolit kuat apabila

seluruh atau hampir seluruh larutan tersebut larut bereaksi dengan air

dan membentuk ion. Sedangkan zat-zat yang hanya sebagian kecil

molekulnya yang larut bereaksi dengan air dan membentuk ion disebut

elektrolit lemah.

Contoh: natrium klorida, hidrogen klorida, natrium hidroksida,

hidrogen nitrat.

b. Larutan non elektrolit.

Larutan non elektrolit adalah larutan yang tidak dapat

menghantarkan arus listrik.

Contoh: air murni, gula, etil alkohol, gliserin.

3. Cara-cara menyatakan konsentrasi.

Konsentrasi adalah bobot atau volume zat terlarut yang berada didalam

pelarut ataupun larutan yang banyaknya ditentukan.

a. Persen bobot.

Bila menyatakan persen bobot, persentase yang diberikan merujuk

kepada zat terlarut. Misalnya, suatu larutan NaCl dalam air 5%

mengandung 5% bobot natrium klorida, dengan 95% sisanya adalah

air.

b. Persen volume.

Persen volume adalah konsentrasi suatu larutan dari dua cairan.

Misalnya, suatu anggur mengandung 12% alkohol, berarti anggur

tersebut mempunyai 12 ml alkohol per 100 ml anggur.

c. Fraksi mol.

105

Fraksi mol adalah bagian pecahan dari jumlah total mol yang

bersangkutan dengan zat terlarut atau pelarut.

d. Molalitas.

Cara lain untuk menyatakan konsentrasi sehingga dapat diketahui

banyaknya partikel zat terlarut dalam sejumlah tertentu partikel pelarut

adalah dalam satuan molalitas. Molalitas (m) dari suatu larutan adalah

jumlah mol zat terlarut per kilogram pelarut.

e. Molaritas

Molaritas (M) dari suatu larutan adalah banyaknya mol zat terlarut

per liter larutan.

f. Normalitas.

Normalitas adalah banyaknya ekuivalen zat terlarut dalam tiap liter

larutan. Konsentrasi larutan yang dinyatakan dalam normalitas

digunakan dalam reaksi oksidasi-reduksi dan dalam reaksi asam-basa.

Normalitas, N = ekuiv. zat terlarut =

L larutan L larutan

VII.2. Sifat Koligatif Larutan

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).

106

Sifat koligatif meliputi:

1) Penurunan tekanan uap jenuh

2) Kenaikan titik didih

3) Penurunan titik beku

4) Tekanan osmotik

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.

VII.2.1 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.

HUKUM RAOULT:

P = Po . XB

dimana:

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

Po - P = Po . XA

107

sehingga:

ΔP = Po . XA

dimana:

ΔP = penurunan 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.

Jawab:

mol glukosa = 45/180 = 0.25 mol

mol air = 90/18 = 5 mol

fraksi mol glukosa = 0.25/(0.25 + 5) = 0.048

Penurunan tekanan uap jenuh air:

ΔP = Po. XA = 18 x 0.048 = 0.864 mmHg

VII.2.2 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:

ΔTb = m . Kb

dimana:

ΔTb = kenaikan titik didih (oC)

m = molalitas larutan

Kb = tetapan kenaikan titik didih molal

108

Karena : m = (W/Mr) . (1000/p) ; (W menyatakan massa zat terlarut).

Maka kenaikan titik didih larutan dapat dinyatakan sebagai:

ΔTb = (W/Mr) . (1000/p) . Kb

VII.2.3 Penurunan Titik Beku

Untuk penurunan titik beku persamaannya dinyatakan sebagai :

ΔTf = m . Kf = (W/Mr). (1000/p) . Kf

dimana:

ΔTf = 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 - ΔTf)oC

 

VII.2.4 Tekanan Osmotik

Tekanan osmotik adalah tekanan yang diberikan pada larutan yang

dapat menghentikan perpindahan molekul-molekul pelarut ke dalam

larutan melalui membran semi permeabel (proses osmosis). Menurut

VAN'T HOFF tekanan osmotik mengikuti hukum gas ideal:

P.V = n.R.T

Karena tekanan osmotik = π , maka :

π = n/V.R.T = M.R.T

109

dimana :

π = tekanan osmotik (atmosfir)

M = konsentrasi larutan (mol/liter= M)

R = tetapan gas universal = 0,082 liter.atm/moloK

T = suhu mutlak (oK)

Larutan yang mempunyai tekanan osmotik lebih rendah dari yang

lain disebut larutan Hipotonis.

Larutan yang mempunyai tekanan osmotik lebih tinggi dari yang lain

disebut larutan Hipertonis.

Larutan-larutan yang mempunyai tekanan osmotik sama disebut

Isotonis.

Sifat Koligatif Larutan Elektrolit

Seperti yang telah diketahui 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.

Untuk larutan glukosa dalam air jumlah partikel (konsentrasinya)

tetap, yaitu 0,5 molal.

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.

110

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. Kita harus

mengalikannya dengan faktor koreksi van Hoff (i).

Elektrolit kuat : i = n

Elektrolit lemah : i = 1+ α(n-1)

1) Untuk Kenaikan Titik Didih dinyatakan sebagai:

ΔTb = m.Kb.i = (W/Mr) . (1000/p) . Kb . i

2) Untuk Penurunan Titik Beku dinyatakan sebagai:

ΔTf = m.Kf .i = (W/Mr) . (1000/p) . Kf . i

3) Untuk Tekanan Osmotik dinyatakan sebagai:

π = M.R.T.i

dimana:

n = jumlah ion dari larutan elektrolitnya.

111

α = jumlah mol zat yang terionisasi/jumlah mol zat mula-mula.

i = faktor koreksi van Hoff Elektrolit kuat :

i = nElektrolit lemah : i = 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 !

(bagi air, Kb= 0.52 dan Kf= 1.86)

Jawab:

Larutan garam dapur,

Jumlah ion = n = 2.

ΔTb = 5.85/58.5 x 1000/250 x 0.52 [1+1(2-1)] = 0.208 x 2 =

0.416oC

ΔTf = 5.85/58.5 x 1000/250 x 0.86 [1+1(2-1)] = 0.744 x 2 =

1.488oC

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.

Apabila pelarutnya air dan tekanan udara 1 atm, maka titik didih

larutan dinyatakan sebagai: Tb = (100 + ΔTb)oC

VII.3 Efek ion senama

Gejala yang berdasarkan pergeseran kesetimbangan akibat perubahan

konsentrasi sering kita jumpai dalam peristiwa kimia. Contoh yang gambling ialah

bila ke dalam larutan asam asetat 0,1 M yang diberi indikator jingga metil,

112

ditambahkan natrium asetat, maka warna berubah dari merah ke kuning. Hal

tersebut menunjukkan bahwa keasaman larutan berkurang, yang berarti (H+)

berkurang. Kejadian tersebut dapat dijelaskan sbb :

(1) CH3COOH CH3COO- + H+

(2) NaCH3COO CH3COO- + Na+

CH3COO- dari NaCH3COO akan menambah jumlah CH3COO- dari CH3COOH

sehingga konsentrasinya berubah menjadi besar. Dengan demikian :

Nilai Q = > K

Untuk mencapai kesetimbangan, sesuai dengan pengaruh perubahan

konsentrasi, maka reaksi (1) lebih bergeser ke kiri, yang berarti jumlah ion

CH3COO- dan juga ion H+ berkurang. Efek ion CH3COO- dari NaCH3COO tersebut

dinamakan efek ion senama.

Tetapan Hasil Kali Kelarutan (Ksp)

Bila dilarutkan dalam air, garam akan terurai dengan sendirinya membentuk

ion logam sebagai kation dan ion sisa asam sebagai anion. Contohnya :

NaCl Na+ + Cl-

AgCl Ag+ + Cl-

Secara umum dapat dituliskan

MmAa (p) mMa+ (l) + aAm- (l)

K =

Kesetimbangan pengionan garam tersebut tercapai bila laju penguraiannya

sama dengan laju pembentukan kembali dari ion-ionnya. Dalam keadaan

kesetimbangan tersebut, konsentrasi ion-ionnya tetap (larutan jenuh).

dalam larutan jenuh tetap, maka :

K. = ( Ma+)m (Am-)a

113

Tetapan baru tersebut dinamakan tetapan hasil kali kelarutan (Ksp).

Nilai Ksp diperoleh dari kelarutan zat yang bersangkutan dalam air. Dan

sebaliknya, dari Ksp dapat dihitung kelarutan zat tersebut dalam air atau dalam

pelarut lain.

Ksp, Kelarutan, dan ion senama

Bila larutan jenuh dari suatu zat diberi zat lain yang mempunyai satu ion yang

sama dengan zat pertama, maka kelarutan zat pertama akan menurun. Contohnya,

bila larutan jenuh AgCl (Ksp = 1.7 x 10-10) diberi NaCl sampai (Cl-) = 0.1 M,

maka kelarutannya yang asalnya = 1.3 x 10-5 berkurang, dengan perhitungan sbb :

Ksp AgCl = [AgCl+] [Cl-] = tetap

Cl- berasal dari NaCl dan AgCl, jadi [Cl-] = 0.1 M

Ag+ hanya berasal dari AgCl, maka kelarutan AgCl = [Ag+]

[Ag+]

[Ag+] = = 1.7 x 10-9

Kelarutan AgCl = 1.7 x 10-9 (lebih kecil daripada kelarutan semula)

Dapat dilihat bahwa efek ion senama mengurangi kelarutan suatu zat atau

menyempurnakan pengendapan zat tersebut. Sifat tersebut penting dan sangat

berguna dalam analisis kimia secara gravimetri, yakni untuk mengendapkan dan

mencuci endapan tersebut. Untuk mencuci endapan, sebaiknya dipakai larutan

yang mengandung ion senama dengan endapan. Tetapi perlu diperhatikan bahwa

ion senama tersebut bukan ion yang dianalisis. Misalnya, bila yang dianalisa oleh

Ba dan diendapkan sebagai BaSO4 untuk mencuci endapan BaSO4 dipakai larutan

garam sulfat agar kelarutan BaSO4 tertekan.

VII.4 Sistem asam basa

114

Pengertian tentang asam dan basa berubah dengan seiringnya waktu, hal ini

bertujuan untuk mempermudah penerapan konsep dalam masalah kimia yang

khusus.

a. Asam basa Arrhenius

Di tahun 1884, Arrhenius mendefinisikan asam adalah zat yang menghasilkan

H+ dan basa adalah zat yang menghasilkan OH-. Bila asam adalah HA, dan basa

BOH, maka [ HA → H+ + A- ] dan [ BOH → B+ + OH- ]. Bila asam dan basa

bereaksi akan dihasilkan air.

b Asam basa Bronsted Lowry

Dalam teori baru yang diusulkan tahun 1923 secara independen oleh Bronsted

dan Lowry, asam didefinisikan sebagai molekul atau ion yang menghasilkan H+

dan molekul atau ion yang menerima H+ merupakan partner asam yakni basa.

Basa tidak hanya molekul atau ion yang menghasilkan OH-, tetapi yang menerima

H+. Karena asam HA menghasilkan H+ ke air dalam larutan dalam air dan

menghasilkan ion oksonium, H3O+, air juga merupakan basa menurut definisi ini.

HA (asam) + H2O (basa) → H3O+ (asam konjugat) + A- (basa konjugat)

Di sini H3O+ disebut asam konjugat dan A- adalah basa konjugat. Namun,

karena air juga memberikan H+ ke amonia dan menghasilkan NH4+, air juga

merupakan asam, seperti diperlihatkan persamaan berikut:

H2O (asam) + NH3 (basa) → NH4+ (asam konjugat) + OH -

(basa konjugat)

Jadi air dapat berupa asam atau basa bergantung ko-reaktannya. Walaupun

definisi Bronsted Lowry tidak terlalu berbeda dengan definisi Arrhenius, definisi

ini lebih luas manfaatnya karena dapat digunakan ke sistem asam-basa dalam

pelarut non-air.

Kekuatan asam

Suatu asam protonik akan memberikan H+ ke air dan menghasilkan ion H3O+.

Kekuatan asam di larutan encer dalam pelarut air diperkirakan dari konstanta

kesetimbangan Ka.

115

Untuk kesetimbangan disosiasi: HA + H2O → H3O+ + A-

Namun biasanya lebih mudah untuk menggunakan:

pKa = -log Ka, mirip dengan pH = -log [H3O+]

Asam dengan pKa < 0 diklasifikasikan asam kuat, dan asam dengan pKa > 0

diklasifikasikan asam lemah. Basa konjugasi dari asam kuat adalah basa lemah.

Nilai pKa beberapa jenis asam diberikan di Tabel 3.2.

Tabel 3.2 pKa beberapa asam dalam larutan berpelarut air pada 25 °C.

Karena pelarut dapat juga menjadi asam atau basa, keasaman dan rentangnya

bergantung pada pelarut yang melarutkan asamnya. Disosiasi sempurna asam

yang lebih kuat dari H3O+ akan memberikan H+ ke air, membentuk H3O+ dalam

larutan berpelarut air. Misalnya, baik HBr dan HI terdisosiasi sempurna menjadi

H3O+, dan keasamannya mirip. Fenomena seperti ini disebut dengan efek

penyamarataan, dan semua keasaman menjadi sama dengan H3O+. Dalam

pengukuran keasaman relatif asam kuat, diperlukan pelarut yang keaktifan H+

lebih kecil dari keaktifan air, misalnya asam asetat dan etanol.

116

Asam biner halo HX, kecuali HF, adalah asam kuat. Walaupun konsentrasi

H3O+ juga tinggi di larutan HF, ikatan hidrogen yang kuat antara F - dibandingkan

ikatan hidrogen yang sama di anion halida lain menurunkan keaktifan

termodinamika H3O+.

Keasaman asam okso, seperti asam fosfat, asam sulfat, asam nitrat, dan asam

perkhlorat berkaitan dengan bilangan oksidasi P, S, N, dan Cl. Bila, asam okso

HnXOm dinyatakan sebagai (HO)XOm-n, muatan positif di X menjadi (2m-n),

dan keasaman akan menjadi lebih besar dengan meningkatnya bilangan ini.

Besarnya bilangan ini sebanding dengan kemudahan disosiasi OH untuk

menghasilkan proton. Keasaman asam okso tersebut adalah asam perkhlorat

(HO)ClO3 > asam sulfat (HO)2SO2 > asam nitrat (HO)NO2 > asam fosfat

(HO)3PO. Walaupun asam fosfat dapat ditulis (HO)3PO, tapi asam fosfit bukan

(HO)3P tetapi (HO)2HPO, dan kekuatan asamnya mirip dengan asam sulfat.

Fungsi keasaman Hammett

Konsentrasi ion hidrogen dan pH bermakna hanya dalam larutan encer asam

dalam pelarut air. Keasaman dalam larutan pekat dan pelarut non-air diukur

dengan menggunakan fungsi keasaman Hammett. Fungsi ini memungkinkan

pengukuran keasaman berbagai asam dalam pelarut non-air. Fungsi Keasaman

Hammett dalam kesetimbangan didefinisikan dengan B + H+ → BH+

dalam larutan encer :

Asam dengan -H0 lebih dari 6 disebut superasam. Asam ini 106 kali lebih kuat

dari larutan asam kuat 1 molar. -H0 untuk asam sulfat murni adalah 12.1, 21.1

untuk larutan HF dalam SbF5, dan 26.5 untuk kombinasi HSO3F dan SbF5.

Superasam mempunyai kemampuan untuk mengambil H- dari hidrokarbon dan

melakukan pertukaran H-D dan pemotongan ikatan C-C, dsb.

117

Asam basa Lewis

Sementara konsep asam basa Bronsted terbatas pada transfer proton, asam

Lewis A biasanya didefinisikan sebagai akseptor pasangan elektron dan basa

Lewis B sebagai donor, pasangan elektron. Asam A dan basa B terikat

membentuk aduk A:B. Misalnya, asam Lewis BF3 dan basa Lewis OEt2

(dietileter) membentuk aduk F3B:OEt2. Kestabilannya meningkat dengan

terbentuknya oktet di sekitar boron ketika terbentuk aduk. Kestabilan aduk

diungkapkan dalam konstanta kesetimbangan reaksi :

A + :B = A:B dengan Kf

Oleh karena itu, keasaman Lewis diukur dengan membandingkan Kf terhadap

basa yang sama B. Karena proton juga merupakan akseptor elektron, asam

Brønsted adalah kasus spesial definisi asam yang lebih umum yakni Lewis.

Menurut definisi ini, ikatan koordinat antara logam transisi (asam Lewis) dan

ligan (basa Lewis) juga merupakan reaksi asam basa.

V. Gutmann mengusulkan negatif entalpi pembentukan (dalam satuan

kkal.mol-1) dari aduk (Cl5Sb-Sol) dari suatu pelarut Sol (solvent) dengan asam

standar (SbCl5) dalam dikhloroetana sebagai ukuran kebasaan Lewis pelarut.

Bilangan ini disebut bilangan donor (donor number (D.N.)) pelarut. Di pihak lain,

pergeseran kimia 31P NMR dari Et3P dalam pelarut didefinisikan sebagai ukuran

keasaman Lewis pelarut dan disebut dengan bilangan akseptor (acceptor number

(A.N.)). Klasifikasi asam basa keras lunak R. G. Pearson mengklasifikasikan

asam basa Lewis sesuai dengan kekerasan dan kelunakannya.

Klasifikasi ini merupakan perluasan dari teori yang awalnya dikembangkan

oleh S. Ahrland, J. Chatt, dan N. R. Davies, yang mengusulkan agar kation logam

diklasifikasikan dalam urutan konstanta kestabilan pembentukan kompleksnya

dengan anion halida Kf. Urutannya adalah I < Br < Cl < f untuk ion logam yang

masuk klas a , dan urutannya mengikuti f < Cl < Br < I pada logam klas b. Jenis a

adalah kation asam keras, dan kelas b adalah jenis asam lunak. Kation logam yang

tidak terlalu bergantung pada jenis halogen adalah yang masuk kelas perbatasan.

118

Yang harus diperhatikan adalah Kf cenderung bernilai besar dengan bergabungnya

asam keras dan basa keras, atau asam lunak dan basa lunak. Bila konsep ini

diperluas dari kation sederhana dan anion halida ke asam dan basa Lewis umum,

asam basa tadi dapat diklasifikasikan dengan afinitas asam basa keras lunak.

Asam basa keras lunak yang khas ditunjukkan di Tabel 3.3.

Ungkapan kualitatif “kelunakan” adalah bentuk pengungkapan dengan bahasa

lain “kemudahan polarisasi” dan “semakin besarnya kontribusi kovalensi dari

ikatan ion dalam ikatan”. Kation alkali dan alkali tanah serta aluminum adalah

asam keras dan kation merkuri, tembaga, perak, dan emas, dsb. termasuk kelas

lunak. Sementara oksida adalah anion keras, sulfida dan senyawa fosfor adalah

anion lunak. Dalam mineral di kerak bumi, aluminum yang keras dan oksofilik

(suka pada oksigen) didapatkan sebagai oksida, dan kadmium, yang lunak dan

kalkofilik ditemukan sebagai sulfida.

VII.5 Konstanta Ionisasi

Tetapan Ionisasi Asam ( Ka)

Asam kuat mengion sempurna, dan reaksi ionisasinya merupakan

reaksi berkesudahan.

Contoh :

119

HCl (aq) H+ (aq) + Cl- (aq)

Dilain pihak, asam lemah terion sebagian, dan reaksi ionisasinya

merupakan reaksi kesetimbangan.

Contoh :

Secara umum, ionisasi asam lemah valensi satu dapat dirumuskan sebagai

berikut:

Tetapan kesetimbangan untuk ionisasi asam disebut tetapan ionisasi

asam dan diberi lambang Ka. Untuk asam lemah HA, ungkapan tetapan

ionisasinya adalah sebagai berikut :

Semakin kuat suatu asam maka reaksi kesetimbangan asam semakin

condong ke kanan. Akibatnya harga Ka bertambah besar. Oleh karena itu, harga

Ka mencerminkan kekuatan asam, makin besar Ka, makin kuat asam. Harga Ka

dari beberapa asam diberikan pada tabel berikut ini. Di antara asam yang terdapat

dalam tabel, asam yang terkuat adalah asam fluorida dan yang terlemah adalah

fenol.

Daftar tetapan ionisasi (ka) beberapa asam

No Nama asam Rumus kimia Ka

1 Asam asetat CH3COOH 1,8 x 10-5

2 Asam Benzoat C6H5COOH 6,5 x 10-5

3 Asam format HCOOH 1,8 x 10-4

4 Fenol C6H5OH 1,3 x 10-10

5 Asam sianida HCN 4,9 x 10-10

6 Asam Fluorida HF 6,8 x 10-4

120

CH3COOH(aq) CH3COO- (aq) + H+ (aq)

HA(aq) H+ (aq) + A- (aq)

Ka = [H+][A-]

[HA]

VII.6 Diagram Titrasi dan Hubungan Asam dan Basa

Reaksi penetralan asam-basa dapat di gunakan untuk menentukan kadar

(kosentrasi) larutan asam atau basa. Dalam hal ini sejumlah tertentu larutan asam

ditetesi dengan larutan basa atu, sebaliknya sampai mencapai titik ekivalen (asam-

basa tepat habis bereaksi). Jika kemolaran salah satu larutan diketahui, maka

larutan kemolaran yang satu lagi dapat diketahui. Proses penetapan kadar suatu

larutan dengan cara ini disebut titrasi asam-basa.

Untuk mengetahui titik ekivalen dapat digunakan suatu indikator.

Indikator ini haruslah berubah warna sekitar titik ekivalen. Titrasi (penetesan)

dihentikan tepat pada saat indikator menunjukan perubahan warna. Oleh karena

itu saat perubahan warna indikator ini sering di sebut titik akhir titrasi

Perubahan pH pada reaksi penetralan

Jika larutan ditetesi dengan larutan basa maka pH larutan akan naik dan

sebaliknya jika ditetesi larutan asam. Grafik yang menyatakan perubahan pH

pada penetesan asam dengan basa (atau sebaliknya) di sebut kurva titrasi.

Kurva titrasi berbentuk huruf S, yang pada titik tengahnya merupakan titik

ekivalen.

1. penetralan asam kuat oleh basa kuat

perubahan pH pada penetralan asam kuat oleh basa kuat, sebagai contoh

50 mL larutan HCl 0.1 M yang di tetesi laruutan NaOH 0.1 M sedikit demi

sedikit hingga mencapai 60 mL

Kesimpulan yang dapat diambil adalah:

- mula-mula pH larutan naik sedikit demi sedikit, tetapi perubahan yang

cukup drastis terjadi sekitar titik ekivalen

- Titik ekivalen, pH laruta pada saat asam dan basa tepat habis adalah 7

121

- Untuk menunjukan titik ekivalen daoat menggunakan indikator metil

merah, bromtimol biru atau fenolftalein

2. Penetralan asam lemah oleh basa kuat.

Perubahan pH pada penetralan asam lemah oleh basa kuat, dalam hal ini

kita ambil contoh CH3COOH 0.1 M yang ditetesi dengan larutan NaOH 0.1 M

sedikit demi sedikit hingga mensapai 100 mL

Dapat disimpulkan;

- titik ekivalen berada diatas 7, yaitu sekitar 8-10

- lonjakan perubahan pH pada sekitar titik ekivalen lebih sempit, hanya

sekitar 3 satuan.

- Untuk menunjukan titik ekivalen dapat digunakan fenolftalein.

3. Penetralan basa lemah oleh asam kuat

122

Perunbahan pH pada penetralan basa lemah oleh asam kuat, misalnya 25

cm3 larutan NH3 0.1 M yang ditetesi dengan larutan HCl 0.1M sedikit demi

sedikit hingga mencapai 25 cm3

Dapat disimpulkan:

- titik ekivalen, pH larutan pada penetralan basa lemah oleh asam kuat

berada di bawah 7

- lonjakan pH sekitar titik ekivalen juga lebih sempit, hanya sekitar 3 satuan

dari Ph 7 hingga pH 4

- Untuk menunjukan titik ekivalen daat digunakan indikator metil merah.

123

Bab VIII

Termokimia dan Kinetika Kimia

VIII.1 Reaksi Eksoterm dan Reaksi Endoterm

Telah diketahui bahwa perubahan entalpi bertanda positif jika reaksi

membutuhkan atau menyerap kalor, dan bertanda negatif jika reaksi melepaskan

kalor. Perubahan entalpi yang bertanda positif menyatakan bahwa terdapat

penambahan entalpi materi. Sebaliknya, perubahan entalpi yang bertanda negatif

menyatakan bahwa terdapat pengurangan entalpi materi tersebut.

Pada dasarnya, perubahan entalpi terjadi karena adanya perpindahan

energi antara sistem dan lingkungan. Sistem adalah sesuatu yang menjadi pusat

perhatian atau pusat pengamatan. Lingkungan adalah daerah diluar sistem.

Misalnya, dalam proses es mencair, es dan air dipandang sebagai sistem,

sedangkan udara luar sebagai lingkungan.

Berdasarkan adanya pemindahan energi antara sistem dan lingkungan,

reaksi dikelompokan menjadi reaksi eksoterm dan reaksi endoterm.

1. Reaksi Eksoterm

Reaksi Eksoterm adalah reaksi yang mengeluarkan energi atau menghasilkan

energi ketika reaksi terjadi. Pada reaksi eksoterm ini reaksi yang berlangsung

disertai dengan perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan.

Reaksi eksoterm membebaskan energi sehingga entalpi sistem berkurang dan

perubahan entalpi bertanda negatif. Pada reaksi eksoterm, lingkungan menerima

kalor sehingga terasa panas. Contoh reaksi eksoterm adalah pembakaran.

Contoh lain reaksi eksoterm adalah reaksi antara kapur bakar (CaO) dan air,

menghasilkan kapur mati (Ca(OH2)).

CaO + H2O Ca(OH)2 + panas

124

CaO + H2O

Panas dilepas oleh

entalpi Sistem ke lingkungan

Ca(OH)2

2. Reaksi Endoterm

Reaksi endoterm adalah reaksi yang memerlukan energi atau menyerap energi

dari lingkungan ketika reaksi terjadi. Pada reaksi ini terjadi perpindahan kalor dari

lingkungan ke sistem.

Pada reaksi endoterm diserap sejumlah energi sehingga entalpi bertambah dan

perubahan entalpi bertanda positif. Pada reaksi endoterm, lingkungan mengalami

pengurangan kalor sehingga suhu lingkungan turun dan terasa dingin.

Contoh reaksi endoterm adalah reaksi barium hidroksida (Ba(OH)2 dan kristal

amonium klorida (NH4Cl) dengan beberapa tetes air.

Ba(OH)2 (s) + 2NH4Cl (s) BaCl2 (aq) + 2NH4OH (aq)

Jika reaksi dilakukan pada tabung reaksi, tangan dapat merasakan dinginnya

tabung karena sistem menyerap kalor dari tangan (lingkungan).

3. Diagram Reaksi

125

+H2O

BaCl2 + NH4Cl + air

Ba(OH)2 + NH4Cl + air

Panas diserap oleh

Sistem dari lingkungan

entalpi

Pada reaksi eksoterm, entalpi hasil reaksi (produk) lebih kecil daripada

entalpi pereaksi (reaktan). Sedangkan pada reaksi endoterm, entalpi hasil reaksi

lebih besar daripada entalpi pereaksi. Perhatikan contoh reaksi umum berikut :

A B

H = Hhasil - Hpereaksi

H = HB - HA

Untuk reaksi eksoterm, HB < HA, H bertanda negatif

Untuk reaksi endoterm, HB > HA, H bertanda positif

Diagram reaksi eksoterm Diagram Reaksi endoterm

H H

y H = HB - HA y H = HB - HA

= (x – y); x < y = (x – y); x > y

Maka H < 0 Maka H > 0

x x

VIII.2 Energi Pemecahan Ikatan dan Pembentukan Kalor

1. Pengertian dari energi ikatan

Kita telah mengetahui bahwa reaksi kimia ada yang membebaskan

kalor namun ada pula yang menyerap kalor. Hal ini berhubungan dengan

energi ikatan kimia dalam zat pereaksi dan energi dalam produknya.

Atom dalam molekul dipersatukan oleh suatu gaya yang kita sebut gaya

kovalen. Untuk memutuskan ikatan antar atom itu diperlukan energi.

Makin kuat ikatan atom makin besar energi yang dibutuhkan untuk

melepaskannya.

126

A

B

pereaksi Hasil reaksi

B

A

Energi ikatan di definisikan sebagai energi yang diperlukan untuk

memutuskan 1 mol ikatan dari suatu molekul dalam wujud gas. Energi

ikatan dinyatakan dalam satuan kilojoule per mol dengan lambang D

Energi ikatan dalam suatu molekul dwi atom (XY), DX-Y sama dengan

entalpi standar reaksi endoterm, yang mengubah molekul tersebut menjadi

atom gasnya

XY(g) X(g) + Y(g) DX-Y = ∆Hº

Contoh :

H(g) 2H(g) ∆Hº = +436 kJ

Jadi DH-H = 436 kJ

Untuk molekul yang terdiri dari tiga atau lebih atom digunakan pengertian

energi ikatan rata-rata. Molekul tersebut mempunyai dua atau lebih ikatan.

Jumlah ikatan dalam molakul seperti itu sama dengan entalpi standar

(∆Hº) reaksi endoterm yang memutuskan semua iktan dalam molekulnya,

sehingga molekul itu berubah menjadi atom-atom gasnya.

Energi ikatan antara dua atom bertambah besar jika jumlah pasangan

elektron milik bersama bertambah banyak. Artinya, ikatan rangkap tiga

lebih kuat dibandingkan dengan ikatan rangkap dua.

Energi ikatan dalam suatu molekul berwujud gas dapat ditentukan dari

data pembentukan standar (∆Hfº) dan energi ikatan dalam unsur-unsurnya.

Proses melalui dua tahap berikut:

menguraikan senyawa menjadi unsurnya

mengubah unsur menjadi atom gasnya

2. Menghitung ∆H reaksi berdasarkan energi ikatan

Reaksi kimia antar molekul dapat berlangsung dalam dua tahap, yaitu:

- pemutusan ikatan pada pereaksi

- pembentukan ikatan pada produk

contohnya adalah reaksi antara gas klorin dengan gas hydrogen

membentuk gas hydrogen klorida.

H2 (g) + Cl2 (g) ------------ 2 HCl(g)

127

Sesuai dengan hokum hess, ∆H reaksi total adalah ∆H tahap I + ∆H tahap

II. ∆H tahap I adalah ∑ energi ikatan pada pereaksi( yang putus),

sedangkan ∆H tahap II adalah ∑ energi ikatan pada produk( reaksi yang

terbentuk), jadi ∆H total = ∑ energi ikatan pada pereaksi( yang putus)

dikurangi dengan ∑ energi ikatan pada produk( reaksi yang terbentuk).

∆Hº= ∑ energi ikatan pereaksi yang putus - ∑ energi ikatan produk yang terbentuk

untuk contoh diatas, perubahan entaalpinya dihitung sebagai berikut

ikatan yang putus: 1 mol H-H = 436 kJ

1 mol Cl-Cl = 242 kJ

jumlah energi ikatan yang putus = 678 kJ

ikatan yang terbentuk : 2 mol H-Cl = 2 x 431 kJ

= 862 kJ

∆H = 678 – 862

= - 148 kJ

VIII.4 Entropi

Entropi merupakan inti pembicaraan dari hukum kedua termodinamika,

dan proses ini berlangsung di alam. Semua proses dari proses mekanik, listrik dan

lainnya mengikuti hukum ini. Entropi ini lebih disebut dengan perubahan entropi.

Kita tinjau suatu system dari lintasan reversible yang menghubungkannya. Faktor

lintasan ini harus reversible tidak disyaratkan dalam hal perubahan energi dakhil.

Walaupun panas pada system berbeda pada tiap lintasan, dapat dibuktikan bahwa

jika panas yang diberikan di tiap titik lintasan dibagi dengan suhu mutlak system

di titik itu, lalu perbandingan hasil pembagian ini untuk seluruh lintasan

dijumlahkan, maka jumlah ini untuk semua lintasan (reversibel) antara titik-titik

ujung yang sama, mempunyai harga yang sama. Secara matematis dituliskan.

1∫2dQ/T = konstan unutuk tiap lintasan reversible antara keadaan 1 dan 2.

Salah satu sifat entropi diantaranya adalah tidak adanya asas kekekalan entropi

sehingga entropi dapat diciptakan dan pada tiap proses alam akan terjadi

128

penambahan entropi, jika semua sistem yang mengambil bagian dalam proses

diperhitungkan.

VIII.5 Energi Bebas dan Perubahan Spontan

Kespontanan suatu proses dengan demikian dapat diukur dengan satu

kriteria yitu perubahan energi bebas Gibbs(ΔG). Ketetapannya adalah untuk suatu

proses yang terjadi pada proses yang terjadi pada suhu dan tekanan konstan di

dalam suatu sistem tertutup, perubahan secara spontan akan disertai oleh

penurunan energi bebas.

Bila kita memperhatikan persamaan energi bebas Gibbs, ada dua unit

energi yang menentukan perubahan energi bebas, yang pertama adalah ΔH dan

yang kedua adalah TΔS. ΔH kita kenal sebagai kalor reaksi pada tekanan konstan

atau entalpi, sedangkan TΔS adalah perkalian antara suhu(K) dengan nilai entropi

sistemnya( K x J/K ), sehingga TAS pun merupakan ukuran energi yang disebut

sebagai energi pengorganisasian sistem atau organizational energy of a system.

Penggunaan kriteria baru ini dalam menentukan perubahan yang bersifat spontan

dapat ditentukan dengan melihat tanda ΔH dan ΔS, yang kemungkinan prosesnya

dapat dilihat dalam tabel dibawah:

TABEL

kasus ΔH ΔS ΔG Hasil Contoh reaksi

129

1 - + - Spontan pada seluruh

kisaran suhu

2H2O (g) → 2H (g) + O (g)

2 - - -

+

Spontan pada suhu

rendah

Nonspontan pada suhu

tinggi

H2O (l) → H2O (p)

3 + + +

-

Nonspontan pada suhu

rendah

Spontan pada suhu

tinggi

2NH (3) → N2 (g) + 3H (2)

4 + - + Nonspontan pada

seluruh suhu

3O2 (g) → 2O3 (g)

Contoh:

Apakah reaksi disosiasi AB(g) → A (g) + B (g), cenderung berjalan spontan pada

suhu tinggi atau suhu rendah?

Penyelesaian:

Reaksi ini melibatkan pemecahan ikatan antara A dan B. maka enregi harus

diabsoprsi oleh system jadi ΔH > 0. karena 2 mol gas dihasilkan dari 1 mol gas,

maka terdapat kenaikan ketidakteraturan dari reaksi tersebut sehingga ΔS > 0.

Rumus : ΔG = ΔH – TΔS = ?

( + ) ( + ) ( + atau -)

(-) = spontan

(+) = tak spontan

Spontanitas reaksi pada suhu tertentu akan tergantung pada nilai relatif ΔH

terhadap TΔS. Kita dapat meramalkan bahwa semakin tinggi suhu reaksi nilai

TΔS akan makin besar ( sementara ΔH tidak terlalu dipengaruhi suhu ), sehingga

130

operasi dan persamaan tersebut akan menghasilkan nilai ΔG < 0. dengan

demikian, reaksi-reaksi disosiasi dari tipe ini akan cenderung spontan pada suhu

tinggi, misalnya reaksi:

I2 (g)→ I (g)+ I (g)

Perubahan energi bebas standard, ΔG

Seperti halnya ΔH,ΔU,dan ΔS, energi bebas dari bahan kimia tergantung

pada keadaannya. Untuk dapat mengubah kaidah ini dalam suatu perhitungan

diperlukan konversi untuk menetapkan keadaan standard bagi energi bebas suatu

zat.

Konvensi keadaan standard untuk suatu zat adalah:

Padatan : senyawa/bahan murni pada tekanan 1 atm

Cairan : senyawa/ bahan murni pada tekanan 1 atm

Gas : gas ideal pada tekanan parsial 1 atm

Telarut : larutan ideal pada konsentrasi 1 M

Perubahan energi yang dihasilkan bila pereaksi dan produk berada pada

keadaan standard disebut sebagai perubahan energi bebas standard, ΔG o. Untuk

reaksi suatu senyawa yang dibentuk dari unsur-unsurnya, maka ΔG orx

mencerminkan nilai energi bebas pembentukan standard dari senyawa tersebut

disimbolkan oleh nilai ΔGf o

. Bila senyawa yang dibentuk jumlahnya satu mol

( yang biasanya ditampilkan pada data tabel termodinamika), biasanya digunakan

tanda garis pada bagian atas simbol ( overbar) ΔGf o.

Berdasarkan konvensi, energi bebas pembentukan standard unsur pada keadaan

bentuknya yang paling stabil pada tekanan 1 atm didefinisikan besarnya = nol

pada suhu tertentu. Beberapa contoh dituliskan pada tabel di bawah ini.

TABEL

ΔH f o,KJ/mol ΔG f

o ,kJ/mol ΔS o ,kJ/mol

Br2(g) 30,71 3,14 245,35

Br2(l) 0 0 152,30

131

C ( berlian ) 1,88 2,85 2,43

C ( grafit ) 0 0 5,69

I2(g) 62,26 19,37 260,58

I2(p) 0 0 116,7

Beberapa sifat ΔG yang harus diperhatikan adalah:

1. ΔG adalah suatu besaran yang ekstensif

2. ΔG akan berubah tanda bila proses berjalan sebaliknya

3. ΔG untuk seluruh proses bersih dapat diperoleh dengan menjumlahkan nilai-

nilai ΔG dari tahap masing-masing.

VIII.6 Laju Reaksi

Laju reaksi adalah perubahan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi dalam

satu satuan waktu. Ada beberapa cara untuk mengukur laju dari suatu reaksi.

Sebagai contoh, jika gas dilepaskan dalam suatu reaksi, kita dapat mengukurnya

dengan menghitung volume gas yang dilepaskan per menit pada waktu tertentu

selama reaksi berlangsung. Definisi Laju ini dapat diukur dengan satuan cm3s-1.

Bagaimanapun, untuk lebih formal dan matematis dalam menentukan laju

suatu reaksi, laju biasanya diukur dengan melihat berapa cepat konsentrasi suatu

reaktan berkurang pada waktu tertentu. Sebagai contoh, andaikan kita memiliki

suatu reaksi antara dua senyawa A dan B. Misalkan setidaknya salah satu mereka

merupakan zat yang bisa diukur konsentrasinya-misalnya, larutan atau dalam

bentuk gas.

Untuk reaksi ini kita dapat mengukur laju reaksi dengan menyelidiki

berapa cepat konsentrasi, katakan A, berkurang per detik. Kita mendapatkan,

sebagai contoh, pada awal reaksi, konsentrasi berkurang dengan laju 0.0040 mol

dm-3 s-1. Hal ini berarti tiap detik konsentrasi A berkurang 0.0040 mol per

desimeter kubik. Laju ini akan meningkat seiring reaksi dari A berlangsung.

132

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi laju reaksi antara lain adalah luas

permukaan zat, konsentrasi larutan, tekanan, suhu, dan katalis.

A. Efek dari Luas Permukaan pada Laju Reaksi

Bagian ini menjelaskan efek dari perubahaan dari luas permukaan zat

padat pada laju reaksi. Hal ini berlaku untuk reaksi yang melibatkan zat padat dan

gas, atau zat padat dan zat cair. Juga termasuk kasus dimana zat padat berlaku

sebagai katalis. Semakin zat padat terbagi menjadi bagian kecil-kecil, semakin

cepat reaksi berlangsung. Bubuk zat padat biasanya menghasilkan reaksi yang

lebih cepat dibandingkan sebuah bungkah zat padat dengan massa yang sama.

Bubuk padat memiliki luas permukaan yang lebih besar daripada sebuah bungkah

zat padat. Contohnya adalah

Kalsium karbonat dan asam hidroklorida

Di labotarium, bubuk kalsium karbonat bereaksi lebih cepat dengan

larutan asam hidroklorida dibandingkan dengan massa yang sama dalam bentuk

pualam atau batu gamping.

Katalis perubah

Katalis perubah berupa logam seperti platina, palladium, dan rhodium

digunakan untuk merubah zat-zat beracun buangan kendaraan bermotor menjadi

zat yang relatif aman. Sebagai contoh, reaksi pengubahaan karbon monoksida dan

oksida nitrogen adalah:

Karena gas-gas buangan hanya berinteraksi dengan katalis dalam waktu

yang sangat singkat, reaksi harus berlangsung cepat. Logam yang luar biasa mahal

digunakan sebagai katalis dengan melapiskan struktur keramik 'honeycomb' suatu

lapisan yang sangat tipis untuk memaksimalkan luas permukaan.

133

Kita hanya dapat melangsungkan reaksi jika partikel dalam gas maupun

cair bertumbukan dengan partikel padat. Peningkatan luas permukaan dari zat

padat meningkatkan kemungkinan tumbukan bertambah besar.

Bayangkan suatu reaksi antara logam magnesium dengan larutan asam seperti

asam hidroklorida. Reaksi melibatkan tumbukan antara atom magnesium dengan

ion hidrogen.

Kita dapat menyimpulkan bahwa peningkatan jumlah tumbukan per detik

meningkatkan laju reaksi.

B. Efek dari Konsentrasi pada Laju Reaksi

Bagian ini menjelaskan efek dari perubahaan dari konsentrasi larutan pada

laju reaksi. Untuk berbagai reaksi yang melibatkan zat cair dan gas, peningkatan

134

konsentrasi dari pereaksi meningkatkan laju reaksi. Dalam beberapa kasus

tertentu, peningkatan salah satu pereaksi memungkinkan terjadinya sedikit efek

pada laju reaksi. Kasus-kasus ini akan dibahas di halaman ini lebih lanjut.

Jangan beranggapan apabila kita melipatgandakan konsentrasi dari satu

pereaksi Anda akan melipatgandakan laju reaksi. Hal itu mungkin saja terjadi,

tetapi hubungannya akan jauh lebih rumit.

Contohnya adalah

Seng dan asam hidroklorida

Di labotarium, butiran seng beraksi cukup lambat dengan larutan asam

hidroklorida, tetapi akan lebih cepat apabila konsentrasi dari asam

ditingkatkan.

Dekomposisi katalis pada hidrogen peroxide

Mangan(IV) oksida padat biasa digunakan sebagai katalis dalam reaksi ini.

Oksigen dihasilkan jauh lebih cepat apabila hidrogen peroxide dalam konsentrasi

pekat daripada dalam konsentrasi encer.

Reaksi antara larutan natrium thiosulfat dan asam hidroklorida

Reaksi ini sering digunakan untuk menyelidiki relasi antara konsentrasi

dan laju reaksi. Ketika larutan asam ditambahkan ke dalam larutan natrium

thiosulfat, endapan berwarna kuning pucat dari belerang dihasilkan.

135

Semakin banyak larutan natrium thiosulfate menjadi encer, semakin lama juga

endapan terbentuk.

Argumen yang sama berlaku ketika dua reaksi melibatkan tumbukan

antara dua partikel yang berbeda atau dua partikel yang sama.

Supaya suatu reaksi dapat berlangsung, partikel-partikel tersebut pertama-tama

haruslah bertumbukan. Hal ini berlaku ketika dua partikel itu larutan atau salah

satu larutan dan satunya lagi benda padat. Jika konsentrasinya tinggi,

kemungkinan untuk bertumbukan pun semakin besar.

Jika reaksi hanya melibatkan satu partikel tersebar ke berbagai arah, maka

tumbukan-tumbukan tidak saling berhubungan. Yang menjadi masalah sekarang

adalah bagaimana berbagai partikel memiliki energi yang cukup untuk bereaksi

pada waktu yang bersamaan. Andaikan dalam satu waktu 1 per satu juta partikel

memiliki energi yang cukup atau melebihi energi aktivasi. Jika Anda memiliki

100 juta partikel, 100 diantaranya akan bereaksi. Jika Anda memilki 200 juta

136

partikel pada volume yang sama, maka 200 diantaranya akan bereaksi. Laju reaksi

akan berlipat ganda dengan menggandakan konsentrasi.

Andaikan kita menggunakan sedikit jumlah dari katalis padat dalam

reaksi, dan direaksikan dengan reaktan dengan larutan konsentrasi yang cukup

tinggi, maka permukaan katalis akan seluruhnya diliputi oleh partikel yang

bereaksi yang menghalangi terjadinya reaksi yang lebih cepat. Peningkatan

konsentrasi dari larutan terkadang tidak memberikan efek apa-apa karena katalis

telah bekerja pada kapasitas maksimumnya.

Andaikan kita memiliki suatu reaksi yang berlangsung sebagai suatu

rentetan dari tahap-tahap kecil. Tahap-tahap ini memilki perbedaan laju yang

cukup besar - beberapa cepat, beberapa lambat.

Sebagai contoh, andaikan dua reaksi A dan B bereaksi bersama dalam dua tahap :

Laju total dari seluruh reaksi akan ditentukan dari berapa cepatnya A terpecah

membentuk X dan Y. Ini dapat dideskripsikan sebagai rate determining step dari

reaksi.

Jika kita meningkatkan konsentrasi dari A, Anda akan mendapatkan

peningkatan laju reaksi pada tahap pertama maupun laju reaksi keseluruhan. Jika

kita meningkatkan konsentrasi dari B, kita akan mendapatkan peningkatan laju

reaksi pada tahap kedua, namun akan sulit mendapatkan peningkatan laju

keseluruhan. Anda dapat membayangkan reaksi tahap kedua akan berlangsung

segera setelah X terbentuk sehingga reaksi tahap kedua sebagai 'reaksi yang

menunggu' yang berlangsung setelah reaksi pertama berlangsung. Contoh yang

paling tepat untuk reaksi ini berada dalam kimia organik. Reaksi yang melibatkan

tertier halogenalkana (alkil halida) dan beberapa senyawa yang memungkinkan -

termasuk hidroksi ion. Contoh dari reaksi ini adalah subtitusi nukleofil dengan

mekanisme SN1.

137

C. Efek dari Tekanan pada Laju Reaksi

Peningkatan tekanan pada reaksi yang melibatkan gas pereaksi akan

meningkatan laju reaksi. Perubahaan tekanan pada suatu reaksi yang melibatkan

hanya zat padat maupun zat cair tidak memberikan perubahaan apapun pada laju

reaksi

Beberapa contohnya adalah dalam proses pembuatan amonia dengan proses

Haber, laju reaksi antara hidrogen dan nitrogen ditingkatkan dengan

menggunakan tekanan yang sangat tinggi.

Sesungguhnya, alasan utama menggunakan tekanan tinggi adalah untuk

meningkatkan persentase amonia didalam kesetimbangan campuran, namun hal

ini juga memberikan perubahaan yang berarti pada laju reaksi juga.

Hubungan antara tekanan dan konsentrasi

Peningkatan tekanan dari gas adalah sama dengan peningkatan pada konsentrasi.

Jika Anda memilki gas dalam massa tertentu, semakin Anda meningkatkan

tekanan semakin kecil juga volumenya. Jika Anda memiliki massa yang sama

dengan volume yang lebih kecil, maka semakin tinggi konsentrasinya.

Kita juga dapat menggambarkan relasi matematis apabila keadaan berlangsung

dalam keadaan gas ideal :

138

Karena "RT" merupakan tetapan selama suhu tetap, menunjukkan bahwa

tekanan berbanding lurus dengan konsentrasi. Jika Anda melipat gandakannya,

Anda juga menggandakan konsentrasinya.

Pengaruh peningkatan tekanan terhadap laju reaksi

Tumbukan yang melibatkan dua partikel

Argumen yang sama berlaku ketika dua reaksi melibatkan tumbukan antara dua

partikel yang berbeda atau dua partikel yang sama. Supaya suatu reaksi dapat

berlangsung, partikel-partikel tersebut pertama-tama haruslah bertumbukan. Hal

ini berlaku ketika dua partikel itu gas atau salah satu gas dan satunya lagi benda

padat. Jika tekanan tinggi, kemungkinan untuk bertumbukan pun semakin besar.

Reaksi yang melibatkan hanya satu partikel

Jika reaksi hanya melibatkan satu partikel tersebar ke berbagai arah, maka

tumbukan-tumbukan tidak saling berhubungan. Yang menjadi masalah sekarang

139

adalah bagaimana berbagai partikel memiliki energi yang cukup untuk bereaksi

pada waktu yang bersamaan. Andaikan dalam satu waktu 1 per satu juta partikel

memiliki energi yang cukup atau melebihi energi aktivasi. Jika Anda memiliki

100 juta partikel, 100 diantaranya akan bereaksi. Jika Anda memilki 200 juta

partikel pada volume yang sama, maka 200 diantaranya akan bereaksi. Laju reaksi

akan berlipat ganda dengan menggandakan tekanan.

D. Efek dari Suhu pada Laju Reaksi

Ketika kita meningkatkan temperatur laju reaksi akan meningkat. Sebagai

perkiraan kasar, sebagian reaksi berlangsung dalam temperatur ruangan, laju

reaksi akan berlipatganda setiap kenaikan 10oC suhu.

Perkiraan ini bukan keadaan yang mutlak dan tidak bisa diterapkan pada

seluruh reaksi. Bahkan mendekati benar, laju reaksi akan berlipat ganda tiap 9oC

atau 11oC atau tiap suhu tertentu. Angka dari derajat suhu yang diperlukan untuk

melipatgandakan laju reaksi akan berubah secara bertahap seiring dengan

meningkatnya temperatur.

Beberapa reaksi pada hakekatnya sangat cepat - sebagai contoh, reaksi

pernafasan melibatkan ion yang terlarut menjadi zat padat yang tidak larut, atau

reaksi antara ion hidrogen dengan asam dan ion hidroksi dari alkali di dalam

larutan. Sehingga memanaskan salah satu dari contoh ini tidak memperoleh

perbedaan laju reaksi yang cukup bereaksi. Hampir sebagian besar reaksi yang

terjadi baik di labotarium maupun industri akan berlangsung lebih cepat apabila

kita memanaskannya.

Peningkatan frekuensi tumbukan

Partikel hanya dapat bereaksi ketika mereka bertumbukan. Jika Anda

memanaskan suatu benda, maka partikel-partikelnya akan bergerak lebih cepat

sehingga frekuensi tumbukan akan semakin besar. Hal ini mempercepat laju dari

reaksi. Mari kita lihat lebih jauh secara matematis. Frekuensi dari tumbukan dua

partikel gas berbanding lurus dengan akar dari temperatur kelvin. Jika kita

meningkatkan suhu dari 293 K ke 303 K (20oC ke 30oK)

140

Kita akan memperoleh 1.7 % peningkatan dari tiap kenaikan 10oC. Laju

reaksi akan meningkat kurang lebih dua kali pada tiap kenaikan suhu - dengan

kata lain peningkatan sekitar 100%. Efek dari peningkatan frekuensi tumbukan

pada laju reaksi sangatlah kecil. Namun efek yang dihasilkannya sangat berbeda.

Untuk mempercepat reaksi, kita perlu untuk meningkatkan jumlah dari partikel-

partikel energik - partikel-partikel yang memiliki energi sama atau lebih besar dari

aktivasi energi. Peningkatan suhu memberi pengaruh yang tepat - merubah bentuk

dari diagram. Diagram berikut, grafik yang berlabel T merupakan suhu awal.

Grafik yang berlabelkan T+t adalah suhu yang lebih tinggi.

Jika kita memperhatikan posisi dari aktivasi energi, kita dapat melihat

walaupun kurva tidak bergeser terlalu banyak, ada peningkatan yang cukup berarti

pada pertikel-partikel energik untuk bertumbukkan dengan energi yang cukup

untuk bereaksi.

141

Ingat bahwa luas dibawah kurva merupakan jumlah dari partikel-partikel.

Diagram diatas menggambarkan luas dibawah kurva pada sebelah kanan energi

aktivasi menjadi kurang lebih dua kali lipat lebih luas, oleh karena itu laju reaksi

pun berlipatganda. Jadi, peningkatan suhu meningkatkan laju reaksi karena

bertambahnya jumlah energi tumbukan aktif

E. Efek dari Katalis pada Laju Reaksi

Halaman ini menjelaskan bahwa penambahan katalis mempengaruhi laju

reaksi. Halaman ini mengansumsikan bahwa Anda telah mengerti prinsip dasar

dari teori tumbukan dan distribusi energi molekular Maxwell-Boltzmann pada

gas. Katalis adalah suatu zat yang mempercepat suatu laju reaksi, namun ia

sendiri, secara kimiawi, tidak berubah pada akhir reaksi. Ketika reaksi selesai, kita

akan mendapatkan massa katalasis yang sama seperti pada awal kita tambahkan.

Beberapa katalis umum yang digunakan :

reaksi katalis

Dekomposisi hidrogen peroxidemangan(IV)oksida,

MnO2

Nitrasi benzena asam sulfur pekat

142

Produksi amonia dengan proses Haber besi

Konversi dari SO2 ke SO3 melalui proses

Kontak untuk memproduksi asam sulfurvanadium(V)oxida,V2O5

Hidrogenasi C=C ikatan rangkap @

Pentingnya aktivasi energi

Tumbukan-tumbukan akan menghasilkan reaksi jika partikel-partikel

bertumbukan dengan energi yang cukup untuk memulai suatu reaksi. Energi

minimum yang diperlukan disebut dengan reaksi aktivasi energi. Kita dapat

menggambarkan keadaan dari energi aktivasi pada distribusi Maxwell-Boltzmann

seperti ini:

Hanya partikel-partikel yang berada pada area di sebelah kanan dari

aktivasi energi yang akan bereaksi ketika mereka bertumbukan. Sebagian besar

dari partikel tidak memiliki energi yang cukup dan tidak menghasilkan reaksi.

Katalis dan aktivasi energi

143

Untuk meningkatkan laju reaksi kita perlu untuk meningkatkan jumlah

tumbukan-tumbukan yang berhasil. Salah satu cara alternatif untuk

mewujudkannya adalah dengan menurunkan energi aktivasi. Dengan kata lain,

menggeser energi aktivasi seperti diagram dibawah ini :

Menambahkan katalis memberikan perubahaan yang berarti pada energi

aktivasi. Katalis menyediakan satu rute alternatif bagi reaksi. Rute alternatif ini

memiliki energi aktivasi yang rendah. Diagram dibawah ini merupakan gambaran

keadaan energi.

144

Ingat, katalis hanya mempengaruhi laju pencapaian kesetimbangan, bukan

posisi keseimbangan (misalnya : membalikkan reaksi). Katalis tidak menggangu

gugat hasil suatu reaksi kesetimbangan dan konsentrasi atau massanya setelah

reaksi selesai sama dengan konsentrasi atau massa reaksi sebelum reaksi

dilangsungkan.

VIII.7 Orde Reaksi

Orde reaksi adalah banyaknya faktor konsentrasi zat reaktan yang

mempengaruhi kecepatan reaksi. Penentuan orde reaksi tidak dapat diturunkan

dari persamaan reaksi tetapi hanya dapat ditentukan berdasarkan percobaan. Suatu

reaksi yang diturunkan secara eksperimen dinyatakan dengan rumus kecepatan

reaksi :

v = k (A) (B) 2

persamaan tersebut mengandung pengertian reaksi orde 1 terhadap zat A dan

merupakan reaksi orde 2 terhadap zat B. Secara keselurahan reaksi tersebut adalah

reaksi orde 3.

Order reaksi selalu ditemukan melalui percobaan. Kita tidak dapat

menentukan apapun tentang order reaksi dengan hanya mengamati persamaan dari

suatu reaksi. Jadi andaikan kita telah melakukan beberapa percobaan untuk

menyelidiki apa yang terjadi dengan laju reaksi dimana konsentrasi dari satu

reaktan, A, berubah, Beberapa hal-hal sederhana yang akan kita temui adalah

Kemungkinan pertama : laju reaksi berbanding lurus dengan konsentrasi A

Hal ini berarti jika kita melipatgandakan konsentrasi A, laju reaksi akan

berlipat ganda pula. Jika kita meningkatkan konsentrasi A dengan faktor 4, laju

reaksi pun akan menjadi 4 kali lipat. Kita dapat mengekspresikan persamaan ini

dengan simbol :

145

Adalah cara yang umum menulis rumus dengan tanda kurung persegi untuk

menunjukkan konsentrasi yang diukur dalam mol per desimeter kubik (liter). Kita

juga dapat menulis tanda berbanding lurus dengan menuliskan konstanta

(tetapan), k.

Kemungkinan lainnya : Laju reaksi berbanding terbalik dengan kuadrat

konsentrasi A

Hal ini berarti jika kita melipatgandakan konsentrasi dari A, laju reaksi

akan bertambah 4 kali lipat (22). Jika konsentras dari A ditingkatkan tiga kali lipat,

laju reaksi akan bertambah menjadi 9 kali lipat (32). Dengan simbol dapat

dilambangkan dengan:

Secara umum, dengan melakukan percobaan yang melibatkan reaksi antara

A dan B, kita akan mendapatkan bahwa laju reaksi berhubungan dengan

konsentrasi A dan B dengan cara :

146

Hubungan ini disebut dengan persamaan laju reaksi.

Kita dapat melihat dari persamaan laju reaksi bahwa laju reaksi

dipengaruhi oleh pangkat dari konsentrasi dari A dan B. Pangkat-pangkat ini

disebut dengan orde reaksi terhadap A dan B. Jika orde reaksi terhadap A adalah 0

(nol), berarti konsentrasi dari A tidak mempengaruhi laju reaksi. Order reaksi total

(keseluruhan), didapat dengan menjumlahkan tiap-tiap order. Sebagai contoh, di

dalam reaksi order satu terhadap kedua A dan B (a = 1 dan b = 1), order reaksi

total adalah 2. Kita menyebutkan order reaksi total dua.

Tiap contoh yang melibatkan reaksi antara A dan B, dan tiap persamaan

laju didapat dari ekperimen untuk menentukan bagaimana konsentrasi dari A dan

B mempengaruhi laju reaksi.

Contoh 1:

Dalam kasus ini, orde reaksi terhadap A dan B adalah 1. Orde reaksi total adalah

2, didapat dengan menjumlahkan tiap-tiap orde.

Contoh 2:

Pada reaksi ini, A berorder nol karena konsentrasi A tidak mempengaruhi laju dari

reaksi. B berorde 2 , sehingga orde reaksi total adalah dua.

147

Contoh 3:

Pada reaksi ini, A berorde satu dan B berode nol, karena konsentrasi B tidak

mempengaruhi laju reaksi. Orde reaksi total adalah satu.

Bagaimana bila kita memiliki reaktan-reaktan lebih dari dua lainnya?

Tidak menjadi masalah berapa banyak reaktan yang ada. Konsentasi dari tiap

reaktan akan berlangsung pada laju reaksi dengan kenaikan beberapa pangkat.

Pangkat-pangkat ini merupakan order tersendiri dari setiap reaksi. Order total

(keseluruhan) dari reaksi didapat dengan menjumlahkan tiap-tiap order tersebut.

VIII.8 Konstanta Kesetimbangan

Tetapan kesetimbangan menunjukkan perbandingan komposisi pereaksi

dan hasil reaksi dalam keadaan setimbang pada suhu tertentu.

1. Hukum Kesetimbangan

Hukum kesetimbangan dikenal juga dengan nama hukum aksi massa yang

berbunyi:

Hasil kali konsentrasi setimbang zat diruas kanan dibagi dengan

hasil kali konsentrasi setimbang zat diruas kiri, masing-masing

dipangkatkan dengan koofisien zat reaksinya, mempunyai harga

tetap pada suhu tetap.

2. Persamaan Tetapan Kesetimbangan

Untuk kesetimbangan homogen, persamaan tetapan kesetimbangan sesuai

dengan stokiometri reaksi. Secara umum, untuk reaksi

mA + nB pC+ qD

148

Persamaan tetapan kesetimbangan adalah:

3. Hubungan Antara Kc dengan Persamaan Kimia yang Setara

Pada sebuah persamaan reaksi berlaku:

1) Jika persamaan reaksi kesetimbangan dibalik, maka harga Kc juga

dibalik

2) Jika koofisien reaksi kesetimbangan dibagi dengan faktor n maka

harga tetapan kesetimbangan yang baru adalah akar pangkat n dari

harga tetapan kesetimbangan yang lama

3) Jika koofisien reaksi kesetimbangan dikalikan dengan faktor n

maka harga tetapan kesetimbangan yang baru adalah harga tetapan

kesetimbangan yang lama dipangkatkan dengan n

4. Penggabungan Persamaan Tetapan Kesetimbangan

Tetapan kesetimbangan untuk suatu reaksi total adalah hasil kali dari

tetapan kesetimbangan dari reaksi pembentuknya yang digabungkan.

5. Tetapan Kesetimbangan Tekanan Parsial

Tetapan kesetimbangan untuk sistem kesetimbangan gas juga dapat

dinyatakan berdasarkan tekanan parsial gas, disamping tetapan

kesetimbangan yang berdasarkan konsentrasi. Tetapan kesetimbangan

yang berdasarkan tekanan parsial disebut tetapan kesetimbangan tekanan

parsial dan dinyatakan dengan Kp.

Contoh :

N2(g) + 3H2(g) 2NH3 (g) maka

149

6. Hubungan Kp dengan Kc.

Kp = Kc (RT)∆n

R = tetapan 0.082

T = suhu

∆n = selisih koofisien kanan hasil dengan produk

7. Tetapan Kesetimbangan untuk Kesetimbangan Heterogen

Persamaan tetapan kesetimbangan hanya mengandung komponen yang

konsentrasi atau tekanannya berubah selama reaksi berlansung. Hal seperti

itu tidak terjadi pada zat padat murni atau zat cair murni. Oleh karena itu,

zat padat murni maupun zat cair murni tidak disertakan dalam persamaan

tetapan kesetimbangan.

8. Arti Tetapan Kesetimbangan

a) Memberi informasi tentang posisi kesetimbangan

Harga Kp atau Kc yang sangat besar menunjukkan bahwa reaksi ke

kanan berlangsung sempurna atau hampir sempurna. Sebaliknya, harga

Kc atau Kp yang sangat kecil menunjukkan bahwa reaksi kekanan tidak

berlangsung besar.

b) Meramalkan arah reaksi apabila zat pada ruas kiri dan ruas kanan dari

suatu reaksi kesetimbangan dicampurkan dalam suatu wadah reaksi

maka sangat mungkin bahwa campuran tidak setimbang. Reaksi harus

berlansung ke kanan atau kekiri sampai mencapai kesetimbangan.

Dalam hal seperti ini, arah reaksi dapat ditentukan dengan memeriksa

nilai kuotion reaksi (Qc). Kuotion reaksi adalah nisbah konsentrasi

yang bentuknya sama dengan persamaan Kc.

Jika Qc < Kc berarti reaksi bersih berlansung kekanan sampai Qc = Kc

Jika Qc > Kc berarti reaksi bersih berlansung kekiri samapi Qc = Kc

Jika Qc = Kc berarti campuran setimbang.

150

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

Apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan

kecepatan reaksi ke kiri maka, reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. Secara

umum reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai:

A  +  B     C  +  D

 

ADA DUA 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) + SO4

2- (aq)

c. Kesetimbangan dalam sistem larutan padat gas

Contoh: Ca(HCO3)2(aq)      CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

Hukum Guldberg dan

Wange:

Dalam keadaan kesetimbangan pada suhu tetap, maka

hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi dibagi dengan

hasil kali konsentrasi pereaksi yang sisa dimana

masing-masing konsentrasi itu dipangkatkan dengan

koefisien reaksinya adalah tetap.

Pernyataan tersebut juga dikenal sebagai hukum kesetimbangan.

Untuk reaksi kesetimbangan: a A + b B     c C + d D maka:

151

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

Kc adalah konstanta kesetimbangan yang harganya tetap selama suhu tetap.

BEBERAPA HAL YANG HARUS DIPERHATIKAN

- Jika zat-zat terdapat dalam kesetimbangan berbentuk padat dan gas 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) + Cu2+(aq)     Zn2+(aq) + Cu(s)

Kc = (Zn2+) / (CO2+)

- Untuk kesetimbangan antara zat-zat dalam larutan jika pelarutnya tergolong

salah satu reaktan atau hasil reaksinya maka konsentrasi dari pelarut itu

tidak dimasukkan dalam perhitungan Kc.

Contoh: CH3COO-(aq) + H2O(l)     CH3COOH(aq) + OH-(aq)

Kc = (CH3COOH) x (OH-) / (CH3COO-)

Contoh soal:

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

152

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) = 3/4 mol/l

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

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

2. Jika tetapan kesetimbangan untuk reaksi:

A(g) + 2B(g)     4C(g)

sama dengan 0.25, maka berapakah besarnya tetapan kesetimbangan bagi reaksi:

2C(g)     1/2A(g) + B(g)

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

 Azas Le Chatelier menyatakan: Bila pada sistem kesetimbangan diadakan aksi,

maka sistem akan mengadakan reaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi itu

menjadi sekecil-kecilnya.

153

Perubahan dari keadaan kesetimbangan semula ke keadaan kesetimbangan yang

baru akibat adanya aksi atau pengaruh dari luar itu dikenal dengan pergeseran

kesetimbangan.

Bagi reaksi: 

A  +  B       C  +  D

 

KEMUNGKINAN TERJADINYA PERGESERAN

1.  Dari kiri ke kanan, berarti A bereaksi dengan B membentuk C dan D,

sehingga jumlah mol A dan B berkurang, 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.

 

FAKTOR-FAKTOR YANG DAPAT MENGGESER LETAK

KESETIMBANGAN ADALAH :

a. Perubahan konsentrasi salah satu zat

b. Perubahan volume atau tekanan

c. Perubahan suhu

A. PERUBAHAN KONSENTRASI SALAH SATU ZAT

Apabila dalam sistem kesetimbangan homogen, konsentrasi salah satu zat

diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan dari zat

154

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.

B. PERUBAHAN VOLUME ATAU TEKANAN

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)

155

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.

 

C. PERUBAHAN SUHU

Menurut 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.

PENGARUH KATALISATOR TERHADAP KESETIMBANGAN

Fungsi katalisator dalam reaksi kesetimbangan adalah mempercepat

tercapainya kesetimbangan dan tidak merubah letak kesetimbangan (harga tetapan

156

kesetimbangan Kc tetap), hal ini disebabkan katalisator mempercepat reaksi ke

kanan dan ke kiri sama besar.

 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 PD

d) / (PAa x PB

b)

dimana: PA, PB, PC dan PD merupakan tekanan parsial masing-masing gas A, B. C

dan D.

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:

157

Misalkan tekanan parsial gas CO = x atm, maka tekanan parsial gas CO2 = (5 - x)

atm.

Kp = (PCO)2 / PCO2 = x2 / (5 - x) = 16     x = 4

Jadi tekanan parsial gas CO2 = (5 - 4) = 1 atm

Disosiasi adalah penguraian suatu zat menjadi beberapa zat lain yang lebih

sederhana.

Derajat disosiasi adalah perbandingan antara jumlah mol yang terurai dengan

jumlah mol mula-mula.

Contoh:

2NH3(g)     N2(g) + 3H2(g)

besarnya nilai derajat disosiasi ():

= 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 < < 1 berarti disosiasi pada reaksi setimbang (disosiasi sebagian).

Bab IX

Elektrokimia

158

IX.1 Reaksi Setengah Sel

  Notasi sel memberikan informasi yang lengkap dari sel galvani.

Informasi tersebut meliputi jenis elektroda, jenis elektrolit yang kontak

dengan elektroda tersebut termasuk konsentrasi ion-ionnya, anoda dan

katodanya serta pereaksi dan hasil reaksi setiap setengah-sel.

Setengah sel anoda dituliskan terlebih dahulu, diikuti dengan

setengah sel katoda. Satu garis vertikal menggambarkan batas fasa. Garis

vertikal putus-putus sering digunakan untuk menyatakan batas antara dua

cairan yang misibel. Dua spesi yang ada dalam fasa yang sama dipisahkan

dengan tanda koma. Garis vertikal rangkap dua digunakan untuk

menyatakan adanya jembatan garam. Untuk larutan, konsentrasinya

dinyatakan di dalam tanda kurung setelah penulisan rumus kimianya.

Sebagai contoh:

 

Zn(s)½Zn2+(1,00 m) ½½ Cu2+(1,00 m) ½Cu(s)

 

Zn(s)½Zn2+(1,00 m) Cu2+(1,00 m) ½Cu(s)

 

Pt½Fe2+, Fe3+½½ H+½H2½Pt

 

Karena yang dituliskan terlebih dulu (elektroda sebelah kiri) dalam

notasi tersebut adalah anoda, maka reaksi yang terjadi pada elektroda

sebelah kiri adalah oksidasi dan elektroda yang ditulis berikutnya

(elektroda kanan) adalah katoda maka reaksi yang terjadi pada elektroda

kanan adalah reaksi reduksi. Untuk sel dengan notasi :

 

Zn(s)½Zn2+(1,00 m) ½½ Cu2+(1,00 m) ½Cu(s) reaksinya adalah:

 

159

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- (reaksi oksidasi)

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) + (reaksi reduksi)

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) (reaksi keseluruhan)

IX.2 Persamaan Nernst

Persamaan Nernst adalah persamaan yang menunjukkan

hubungan antara potensial sel dengan suhu dan konsentrasi

larutan pada elektroda sel Galvanik.

Secara umum untuk reaksi :

        (Persamaan 1)

Keterangan :

E : Potensial sel eksperimen

E0 : Potensial sel standar

Dalam persamaan ini, R adalah tetapan gas yang dikenal sebesar

9,314 J per mol per derajat, T adalah temperatur mutlak, n adalah

banyaknya mol elektron yang dinyatakan dalam persamaan berimbang

untuk reaksi sel, F ialah 96500 coulomb per mol, dan Q suatu suku yang

serupa dengan tetapan kesetimbangan. Pada 25 0C (298 K), dan dengan

melipatkan 2,303 untuk mengubah ke bentuk log, persamaan itu menjadi

E = E – 0,0591/n . log Q (Persamaan 2)

160

Untuk reaksi umum,

Q = [Y] y [Z] z [A]a [B]b

Untuk perhitungan Q yang cermat, hal-hal berikut haruslah

diperhatikan:

1. Dalam larutan encer, perhitungan kasar yang baik dapat dibuat

dengan menggunakan konsentrasi molar ataupun molal.

2. Seperti dalam rumus tetapan kesetimbangan, faktor-faktor zat

padat dihilangkan.

3. Jika terlibat gas-gas, tekanan mereka dinyatakan dalam atmosfer.

4. Jika air muncul dalam reaksi, konsentrasinya tidak muncul dalam

perhitungan Q. Konsentrasi air ditangani sebagai suatu tetapan

yang secara otomatis dimasukkan dalam semua reaksi dalam

larutan encer.

Dari bentuk Q jelas bahwa voltase suatu sel akan diperbesar baik

oleh (1) kenaikan konsentrasi pereaksi, ataupun (2) berkurangnya

konsentrasi produk . Bentuk Q dan penggunaan persamaan 2 untuk

menghitung E dilukiskan dalam contoh 1.

Contoh 1

Berapakah voltase sel Pb; Pb2+││Ag+; Ag, jika konsentrasi ion timbal

2,00 M dan ion perak 0,0030 M ?

Jawab

Reaksi sel adalah Pb + 2 Ag+ → Pb2+ + 2 Ag

161

E = E – 0,0591/n . log Q

= E – {0,0591/n . log ([Pb2+]/[ Ag+] }

= [ -(-0,13) + 0,80 ] V – { 0,0591/2 . log (2.0 /0,00302)}

= 0,93 – 0,16

= 0,77 V

Dalam contoh 1, potensial sel berkurang dengan 0,16 V dengan

berkurangnya konsentrasi ion pereaksi dan bertambahnya konsentrasi ion

produk. Jelas dari contoh ini bahwa jika nilai mutlak E cukup kecil,

perubahan dalam Q dapat cukup besar untuk membalikkan arah reaksi.

Perahatikan reaksi sel :

2Hg + 2 Ag+ → Hg2 2+ + 2Ag E = +0,01 V

Dari reaksi tersebut akan terlihat bahwa reaksi hanya sedikit

berkecendungan untuk berjalan ke kanan pada kondisi standar. Tetapi

andaikan [Hg2 2+] dibuat 2,0 M dan [Ag+] dibuat 0,0030 M ( bandingkan

contoh 1 ), maka

E = 0,01 – 0,16 = -0,15 V

Tanda negatif menunjukkan bahwa reaksi sel itu tidak berjalan

menurut apa yang ditulis. Reaksi itu sertamerta ke arah yang sebaliknya :

Hg2 2+ + 2Ag → 2Hg + 2 Ag+ E = +0,15 V

Tabel 1 menunjukkan harga ∆E untuk berbagai harga Q untuk

M + N+ → M+ + N dengan persamaan Nernst.

162

IX.3 Sel Elektrolisis

Selama ini kita hanya mendengar bahwa metode elektrokimia

selalu didayagunakan atau berkonotasi dengan kata pemurnian logam dan

proses penyepuhan/elektroplating (melindungi logam dari korosi). Ini

termasuk juga dengan pandangan penulis dan mungkin rekan-rekan

lainnya selama ini. Sebuah pandangan yang tidak sepenuhnya salah karena

memang aplikasi utama dari metode elektrokimia adalah untuk pemurnian

logam dan elektroplating. Selain itu di laboratorium pun, memang kita

paling sering melakukan percobaan elektrokimia terutama percobaan sel

elektrolisis, sehingga memang klop rasanya jika kita menyandarkan kata

elektrokimia dengan elektroplating dan pemurnian logam.

Sesuai dengan namanya, metode elektrokimia adalah metode yang

didasarkan pada reaksi redoks, yakni gabungan dari reaksi reduksi dan

oksidasi, yang berlangsung pada elektroda yang sama/berbeda dalam suatu

sistem elektrokimia. Sistem elektrokimia meliputi sel elektrokimia dan

reaksi elektrokimia. Sel elektrokimia yang menghasilkan listrik karena

terjadinya reaksi spontan di dalamnya disebut sel galvani. Sedangkan sel

elektrokimia di mana reaksi tak-spontan terjadi di dalamnya disebut sel

elektrolisis. Peralatan dasar dari sel elektrokimia adalah dua elektroda -

umumnya konduktor logam- yang dicelupkan ke dalam elektrolit

konduktor ion (yang dapat berupa larutan maupun cairan) dan sumber

arus. Karena didasarkan pada reaksi redoks, pereaksi utama yang berperan

dalam metode ini adalah elektron yang di pasok dari suatu sumber listrik.

Q ∆E10000 -0.2361000 -0.177100 -0.11810 -0.05910 00.1 0.05910.01 0.1180.001 0.1770.0001 0.236

163

Sesuai dengan reaksi yang berlangsung, elektroda dalam suatu sistem

elektrokimia dapat dibedakan menjadi katoda, yakni elektroda di mana

reaksi reduksi (reaksi katodik) berlangsung dan anoda di mana reaksi

oksidasi (reaksi anodik) berlangsung.

Aplikasi metode elektrokimia untuk lingkungan dan laboratorium

pada umumnya didasarkan pada proses elektrolisis, yakni terjadinya reaksi

kimia dalam suatu sistem elektrokimia akibat pemberian arus listrik dari

suatu sumber luar. Proses ini merupakan kebalikan dari proses Galvani, di

mana reaksi kimia yang berlangsung dalam suatu sistem elektrokimia

dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik, misalnya dalam sel bahan

bakar (fuel-cell). Aplikasi lainnya dari metode elektrokimia selain

pemurnian logam dan elektroplating adalah elektroanalitik,

elektrokoagulasi, elektrokatalis, elektrodialisis dan elektrorefining.

Sedangkan aplikasi lain yang tidak kalah pentingnya dari metode

elektrokimia dan sekarang sedang marak dikembangkan oleh para peneliti

adalah elektrosintesis. Teknik/metode elektrosintesis adalah suatu cara

untuk mensintesis/membuat dan atau memproduksi suatu bahan yang

didasarkan pada teknik elektrokimia. Pada metode ini terjadi perubahan

unsur/senyawa kimia menjadi senyawa yang sesuai dengan yang

diinginkan. Penggunaan metode ini oleh para peneliti dalam mensintesis

bahan didasarkan oleh berbagai keuntungan yang ditawarkan seperti

peralatan yang diperlukan sangat sederhana, yakni terdiri dari dua/tiga

batang elektroda yang dihubungkan dengan sumber arus listrik, potensial

elektroda dan rapat arusnya dapat diatur sehingga selektivitas dan

kecepatan reaksinya dapat ditempatkan pada batas-batas yang diinginkan

melalui pengaturan besarnya potensial listrik serta tingkat polusi sangat

rendah dan mudah dikontrol. Dari keuntungan yang ditawarkan

menyebabkan teknik elektrosintesis lebih menguntungkan dibandingkan

metode sintesis secara konvensional, yang sangat dipengaruhi oleh

tekanan, suhu, katalis dan konsentrasi. Selain itu proses elektrosintesis

juga dimungkinkan untuk dilakukan pada tekanan atmosfer dan pada suhu

164

antara 100-900oC terutama untuk sintesis senyawa organik, sehingga

memungkinkan penggunaan materi yang murah.

Prinsip Elektrosintesis

Prinsip dari metode elektrosintesis didasarkan pada penerapan

teori-teori elektrokimia biasa sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya.

Baik teknik elektrosintesis maupun metode sintesis secara konvensional,

mempunyai variabel-variabel yang sama seperti suhu, pelarut, pH,

konsentrasi reaktan, metode pencampuran dan waktu. Akan tetapi

perbedaannya, jika di elektrosintesis mempunyai variabel tambahan yakni

variabel listrik dan fisik seperti elektroda, jenis elektrolit, lapisan listrik

ganda, materi/jenis elektroda, jenis sel elektrolisis yang digunakan, media

elektrolisis dan derajat pengadukan. Pada dasarnya semua

jenis sel elektrolisis termasuk elektrosintesis selalu berlaku hukum

Faraday yakni:

Jumlah perubahan kimia yang terjadi dalam sel elektrolisis,

sebanding dengan muatan listrik yang dilewatkan di dalam

sel tersebut

Jumlah muatan listrik sebanyak 96.500 coulomb akan

menyebabkan perubahan suatu senyawa sebanyak 1,0

gramekivalen (grek)

Sebelum melaksanakan elektrosintesis, sangatlah penting untuk

memahami reaksi yang terjadi pada elektroda. Di dalam sel elektrolisis

akan terjadi perubahan kimia pada daerah sekitar elektroda, karena adanya

aliran listrik. Jika tidak terjadi reaksi kimia, maka elektroda hanya akan

terpolarisasi, akibat potensial listrik yang diberikan. Reaksi kimia hanya

akan terjadi apabila ada perpindahan elektron dari larutan menuju ke

elektroda (proses oksidasi), sedangkan pada katoda akan terjadi aliran

elektron dari katoda menuju ke larutan (proses reduksi). Proses

perpindahan elektron dibedakan atas perpindahan elektron primer, artinya

materi pokok bereaksi secara langsung pada permukaan elektroda,

165

sedangkan pada perpindahan elektron secara sekunder, elektron akan

bereaksi dengan elektrolit penunjang, sehingga akan dihasilkan suatu

reaktan antara (intermediate reactan), yang akan bereaksi lebih lanjut

dengan materi pokok di dalam larutan. Reaktan antara ini dapat dihasilkan

secara internal maupun eksternal:

Perpindahan elektron secara primer : O + ne → P

Perpindahan elektron secara sekunder : X + ne → I, O + I → P

Perlu diketahui juga dalam mengelektrosintesis terutama sintesis

senyawa organik bahwa reaksi pada elektroda dapat saja berubah bila

kondisi berubah. Salah satu parameter yang penting untuk memahami

reaksi yang terjadi adalah dengan mengetahui potensial elektrolisis untuk

reaksi oksidasi dan reduksi. Tabel 1 dan 2 berikut ini memperlihatkan

potensial reduksi dan oksidasi beberapa senyawa organik:

Tabel . 1 Potensial reduksi Tabel. 2 Potensial oksidasi

senyawa organik senyawa organik

SenyawaE1/2 (Volt)

Phenacyl Bromide - 0.16

Kloroform - 1.67

Methylen Klorida - 2.33

Benzoquinon + 0.44

Benzoquinon - 0.40

Mesityl oxide - 1.6

Camphor Anil - 2.6

Benzalanin - 1.83

Anthracene - 1.94

Phenantherene - 2.46

Senyawa E1/2

(Volt)

Anthracene 1.20

Phenantherene 1.68

Napthalene 1.72

Phenol 1.35

Anisol 1.67

Thioanisol 1.82

Bitropyl 1.29

Tropylidiine 1.39

Thiopene 1.91

166

Napthalene - 2.47

Pengaturan potensial juga amat penting dilakukan terutama bila

reaksi melibatkan molekul bergugus fungsi banyak (kompleks

polyfunctional molecule). Sebagai contoh reaksi reduksi kromida aromatik

pada kondisi katon dan alkil klorida tidak aktif dan alpha-kromoketon

yang lebih mudah tereduksi dari pada arilkromida. Reaksi reduksi selektif

ini dapat diramalkan berjalan sesuai dengan arah yang diinginkan melalui

pengaturan potensial. Pengaturan potensial juga berguna untuk suatu

reaksi transformasi pembuatan suatu senyawa organik yang melibatkan

iodikal, karbanion ataupun korbonium, yang secara kimia biasa tidak dapat

dilakukan ternyata dapat dilaksanakan secara elektrokimia.

Dari berbagai penelitian yang telah dilakukan diketahui bahwa sebenarnya

dasar dari terjadinya reaksi elektrosintesis adalah :

1. Pemutusan ikatan tunggal

Beberapa jenis ikatan tunggal yang elektroaktif antara lain : alkil

halida, ikatan karbon-oksigen, ikatan karbon-nitrogen, ikatan karbon-

belerang, ikatan karbon-fosfor dan ikatan oksigen-oksigen.

2. Reduksi Ikatan rangkap (rangkap dua dan rangkap tiga)

Beberapa kelompok ikatan rangkap yang elektroaktif, antara lain

gugusan karbonil (aldehida, keton, karboksilat dan turunannya),

ikatan ganda karbon nitrogen (Irium, turunan karbonil lainnya),

gugus nitro (senyawa nitro aromatik, nitro alifatik), ikatan rangkap

lainnya (senyawa azo dan nitrozo, diazo dan diazinum).

Aplikasi Metode Elektrosintesis

Dari beberapa contoh hasil penelitian yang penulis peroleh, metode

elektrosintesis telah banyak dimanfaatkan oleh para peneliti dalam

mensintesis senyawa organik (elektrosintesis organik) dan elektrosintesis

bahan konduktor organik serta yang tak kalah bergengsinya dan sedang

167

dikembangkan saat ini adalah pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang

bermanfaat melalui metode elektrosintesis. Aplikasi di luar yang penulis

ketahui sebagaimana tersebut di atas mungkin telah sangat jauh

berkembang karena memang sifat ilmu pengetahuan yang dinamis dan

selalu berkembang seiring waktu. Untuk

sintesis bahan organik, didasarkan pada reaksi penggabungan, substitusi,

siklisasi dan reaksi eliminasi yang diikuti pengaturan kembali secara

elektrokimia. Ini berbeda dengan metode secara konvensional yang

memakai dasar reduksi aldehid, oksidasi alkohol, reduksi senyawa nitro

dan oksidasi senyawa sulfur. Kesulitan yang timbul selama elektrosintesis

organik yakni apabila zat antara yang diinginkan memiliki kestabilan yang

rendah, cara mengatasinya adalah dengan menyediakan zat perangkap

(trapping agent) di dalam larutan dengan syarat zat perangkap ini tidak

bereaksi dengan zat elektroaktif dan tidak mengalami elektrolisis.

Berikut adalah contoh gambar rangkaian sel elektrolisis dengan

menggunakan dua buah elektroda untuk sintesis senyawa organik:

Sumber : Suwarso., et al (2003)

Beberapa contoh dari elektrosintesis organik adalah pembuatan

chiral drug untuk industri farmasi (Weinberg, 1997), sintesis p-aminofenol

melalui reduksi nitrobenzena secara elektrolisis (Suwarso., et al, 2003),

pembuatan soda (NaOH) dan asam sulfat (H2SO4) dari Na2SO4 melalui

proses splitting electrochemistry (Genders., et al, 1995), reduksi senyawa

168

Triphenylbiomoethylene menjadi Triphenilethylene dan Triphenylethane

(Miller, 1968) serta ratusan senyawa organik lainnya yang telah berhasil

dibuat untuk keperluan bahan baku obat (Buchari, 2003). Untuk skala

perusahaan/pabrik telah dilakukan oleh Perusahan Monsanto (Kanada)

dengan memproduksi adiponitril (bahan dasar nylon 6,6) dan produksi

fluorokarbon oleh Perusahaan Philips (Belanda).

Sedangkan metode elektrosintesis bahan konduktor organik telah

dilakukan oleh para peneliti di Pusat Penelitian dan Pengembangan Bahan

(P3IB) Batan Indonesia yakni polipirol dan polialanin, pembuatan lapisan

tipis superkonduktor YBCO-123 dan Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O serta pengkajian

pembuatan prekursor superkonduktor YBCO-123.Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Ti-

Sr-Ca-Cu-O dan lain-lain yang didasarkan pada elektrodeposisi unsur-

unsur penyusun superkonduktor tersebut.

Penanggulangan masalah polutan dalam arti pemisahan polutan

dari lingkungan mungkin telah sering kita dengar, tetapi metode atau

aspek lain pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat

mungkin hal baru bagi sebagian orang (terutama non kimia). Untuk tujuan

ini, elektrosintesis merupakan metode yang paling banyak mendapat

perhatian dan sedang giat dikembangkan oleh para ahli lingkungan dewasa

ini. Polutan yang paling banyak diteliti dalam perspektif elektrosintesis

adalah karbondioksida. Karbon dioksida mendapat perhatian khusus

karena polutan ini merupakan gas buangan paling banyak yang ditemukan

dan dampaknya yang sudah dikenal secara luas terhadap atmosfir bumi,

terutama terjadinya efek rumah kaca. Penelitian untuk pemanfaatan

karbondioksida yang sedang dilakukan dewasa ini adalah pengubahan

polutan ini menjadi metana, yang telah dikenal luas sebagai bahan bakar

ramah lingkungan. Meskipun baru dalam tahap pengembangan, hasil

percobaan oleh Kaneco., et al (2002) telah menunjukkan tingkat konversi

karbon dioksida menjadi metana hingga sekitar 45%. Di samping metana,

hasil lain dari elektrosintesis dengan bahan baku karbondioksida yang

telah diidentifikasi adalah asetilena dan metanol, yang juga mempunyai

nilai ekonomis yang tinggi. Meskipun jumlah polutan yang diteliti masih

169

terbatas, hasil yang dicapai dengan elektrosintesis ini mempunyai makna

lain, yakni tidak tertutup kemungkinan bahwa polutan lain baik yang

terdapat dalam limbah cair, padat dan gas untuk dapat dimanfaatkan

menjadi senyawa yang bermanfaat dengan penggunaan metode yang sama.

Hasil-hasil penelitian tentang aplikasi teknik/metode

elektrosintesis seperti disajikan dalam tulisan ini hanya sebagian kecil dari

penelitian yang telah dilakukan di berbagai negara termasuk Indonesia.

Cakupan aplikasi yang sangat luas merupakan keuntungan yang membuat

elektrosintesis oleh para peneliti dianggap sebagai salah satu teknologi

masa depan bagi sintesis organik dan penanggulangan permasalahan

lingkungan yang berkaitan dengan polutan. Dalam konteks ini yang

dimaksud dengan para peneliti, tidak hanya dosen ataupun peneliti di

institusi penelitian yang telah memiliki gelar S.Si, MSc, Dr, Ph.D ataupun

Profesor tetapi juga para mahasiswa yang belum bergelar yang tertarik

menjadikan elektrosintesis sebagai bahan skripsi ataupun studi riset biasa

semisal untuk bahan karya tulis.

Rajah 1

1. Isikan sebuah tiub-U dengan larutan kalium hidrogen sulfat tepu sehingga hampir

penuh.

2. Masukkan tiub-U ini ke dalam sebuah bikar yang mengandungi ketulan ais dan

susunkan radas seperti dalam di dalam Rajah 1.

170

3. Hidupkan suis dan selaraskan reostat supaya arus 2 A yang tetap dialirkan selama

10 minit.

4. Perhatikan perubahan yang belaku di setiap elektrod.

5. Selepas 10 minit, kumpulkan sedikit larutan dari sekeliling anod ke dalam sebuah

tabung uji. Campurkan sedikit larutan kalium iodida dan goncangkan. Kemudian

masukkan sedikit larutan kanji. Catatkan perubahan yang berlaku.

Soalan untuk perbincangan

1. Apakah yang diperhatikan di katod dan anod semasa elektrolisis?

2. Apakah yang diperhatikan apabila larutan daripada sekeliling anod dicampurkan

dengan larutan kalium iodida dan kemudian digoncang? Apakah pula yang

diperhatikan apabila larutan kanji ditambahkan kepada larutan yang terhasil itu?

3. (a) i. Apakah bahan yang dihasilkan di katod?

    ii. Tuliskan persamaan setengah bagi tindak balas yang berlaku.

  (b) Berdasarkan kepada jawapan anda, apakah jenis perubahan redoks yang

berlaku di katod?

4. (a) i. Namakan hasil yang terbentuk di anod.

    ii. Tuliskan persamaan setengah bagi tindak balas yang berlaku.

  (b) Apakah jenis tindak balas redoks yang berlaku di anod? Terangkan jawapan

anda.

5. Apabila larutan daripada anod digoncang dengan larutan kalium iodida, suatu

tindak balas redoks berlaku.

  (a) Apakah peranan yang dimainkan oleh hasil yang terbentuk di anod di dalam

tindak balas ini?

  (b) Tuliskan persamaan ion bagi tindak redoks yang berlaku di antara hasil yang

terbentuk di anod dengan larutan kalium iodida.

  (c) i. Bahan yang manakah telah dioksidakan dalam tindak balas ini?

    ii. Tuliskan persamaan setengah bagi tindak balas ini.

Jawaban soalan untuk perbincangan : Eksperimen A

1. Di katod : Gelembung gas dibebaskan

171

Di anod : Larutan tidak berwarna

2. Larutan perang terhasil dan membentuk warna biru tua dengan larutan kanji

3. (a) i. Gas hidrogen

    ii. 2H+ + 2e à H2 (g)

  (b)   Penurunan

4. (a) i. ion peroksodisulfat

    ii. 2SO42- à S2O8

2- + 2e

  (b)   Pengoksidaan. Ion sulfat kehilangan elektron dan membentuk ion

peroksodisulfat.

5. (a)   Agen pengoksidaan

  (b)   2I- + S2O82- à I2 + 2SO4

2-

  (c) i. Ion iodida

    ii. 2I- à I2 + 2e

 

NOTA

A. Tindak Balas Redoks dalam Elektrolisis

Persamaan proses elektrolisis dengan Sel Elektrokimia

1. Kedua-dua proses elektrolisis dan Sel Elektrokimia melibatkan tindak balas

redoks.

2. Kedua-dua proses elektrolisis dan sel elektrokimia melibatkan pemindahan

elektron pada satu jarak.

Perbedaan proses elektrolisis dengan Sel Elektrokimia

Elektrolisis Sel Elektrokimia

Perubahan tenaga yang berlaku:

Tenaga elektrik à Tenaga kimia

Perubahan tenaga yang berlaku:

Tenaga kimia à Tenaga elektrik

172

Pengoksidaan berlaku di terminal positif Pengoksidaan berlaku di terminal negatif

Penurunan berlaku di terminal negatif Penurunan berlaku di terminal positif

Elektron mengalir dari terminal positif ke

terminal negatif melalui litar luar.

Elektron mengalir dari terminal negatif

ke terminal positif melalui litar luar.

 

B. Kakisan Logam

1. Suatu logam terkakis melalui proses pengoksidaan apabila atom logam itu

melepaskan elektron.

  Contoh:

  Na à Na+ + e

Ca à Ca2+ + 2e

Al à Al3+ + 3e

2. Logam yang terletak di bahagian atas siri elektrokimia adalah logam yang

sangat elektropositif dan sangat mudah terkakis.

3. Kakisan logam berlaku dengan lebih cepat dalam kehadiran asid atau larutan

garam. Oleh kerana asid dan garam adalah elektrolit maka perpindahan elektron

akan berlaku dengan lebih cepat.

4. Kakisan logam juga berlaku dengan lebih cepat di dalam kawasan perindustrian.

Gas-gas berasid yang dibebaskan seperti nitrogen dioksida, karbon dioksida dan

sulfur dioksida akan membantu menghasilkan hujan asid.

173

 

C. Pengaratan Besi

1. Besi akan terkakis jika atom besi melepaskan elektronnya:

Fe à Fe2+ + 2e (PENGOKSIDAAN)

2. Oleh itu besi hanya akan terkakis jika oksigen dan air yang bertindak sebagai agen

pengoksidaan bersentuhan dengan besi.

174

3. Oleh kerana kepekatan oksigen terlarut di bahagian tengah titisan air adalah lebih

rendah daripada bahagian pinggirnya, maka atom besi di bahagian tengah titisan

air mengalami proses pengoksidaan:

  Fe → Fe 2+ + 2e ( Pengoksidaan )

  Elektron yang dilepaskan oleh atom besi bergerak ke pinggir titisan air.

molekul oksigen dan molekul air mengalami proses penurunan:

  O2+ 2H2O + 4e → 4OH- ( Penurunan )

  Ion ferum(II) yang terhasil akan berpadu dengan ion hidroksida untuk membentuk

mendakan ferum(II) hidroksida.

  Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2 (p)

  Ferum(II) hidroksida akan dioksidakan oleh oksigen di udara kepada ferum(III)

oksida terhidrat yang berwarna perang yang dipanggil karat besi.

  2Fe(OH)2 (p) → Fe2O3.x H2O (p)

karat besi

 

 

LATIHAN

1 Antara berikut,yang manakah paling mudah dioksidakan dalam satu tindak balas

redoks?

  A Ion bromida

  B Ion klorida

  C Ion iodida

  D Ion fluorida

2 Y ialah agen pengoksidaan.Antara berikut,yang manakah mungkin konfigurasi

elektron bagi Y?

  A 2.8.7

  B 2.8.1

175

  C 2.8.4

  D 2.8.2

3 Antara penyataan berikut, yang manakah benar tentang elektrolisis larutan Kalium

Hidrogen Sulfat?

  I Gelembung-gelembung gas terbentuk di katod

  II Proses penurunan berlaku di anod

  III Antara ion-ion yang hadir dalam larutan Kalium Hidrogen Sulfat ialah ion

hidrogen dan ion hidroksida

  IV Ion sulfat dioksidakan kepada ion peroksodisulfat di anod

     

  A I dan II sahaja

  B II dan III sahaja

  C I dan IV sahaja

  D I, II, III dan IV

4 Penyataan berikut adalah benar tentang pengaratan besi kecuali

  A Filem air di permukaan besi akan melarutkan oksigen dari udara dan bertindak

sebagai suatu elektrolit.

  B Pada peringkat awal pengaratan,atom-atom besi kehilangan elektron dan

membentuk ion-ion Ferum (III) yang larut dalam air.

  C Dua faktor yang diperlukan untuk berlakunya pengaratan besi ialah air dan

udara.

  D Elektrolit seperti asid dan larutan garam mempercepatkan proses pengaratan

besi.

5 Antara penyataan berikut, yang manakah tidak benar tentang kakisan logam?

  A Logam yang mudah terkakis ialah logam yang lebih elektropositif

  B Magnesium lebih mudah terkakis berbanding kuprum

  C Kakisan logam melibatkan proses kehilangan elektron

  D Logam yang lebih tinggi dalam siri elektrokimia, lebih susah untuk terkakis

176

Jawaban:

1. C

2. A

3. C

4. B

5. D

Anoda dan Katoda

Logam seng dicelupkan pada larutan yang mengandung ion Zn2+(larutan

garam seng) sementara sepotong logam tembaga dicelupkan pada larutan ion Cu2+

(larutan garam tembaga II). Logam seng akan larut sambil melepas 2 elektron.

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e

Elektron yang dibebaskan tidak memasuki larutan tetapi tertinggal pada

logam seng itu. Elektron tersebut selanjutnya akan mengalir ke logam tembaga

melalui kawat pengantar. Ion Cu2+ akan mengambil elektron dari logam tembaga

kemudian mengendap.

Cu2+ (aq) + 2e Cc (s)

Dengan demikian, rangkaian tersebut dapat menghasilkan aliran elektron

(listrik). Akan tetapi bersamaan dengan melarutnya logam seng, larutan dalam

labu A menjadi bermuatan positif. Hal ini akan menghambat pelarutan logam seng

selanjutnya. Sementara itu, larutan dalam labu B akan bermutan negatif seiring

dengan mengendapnya ion Cu2+. Hal ini akan menahan pengendapan ion Cu2+.

Jadi, aliran elektron yang disebutkan di atas tidak akan berkelanjutan. Untuk

menetralkan muatan listriknya, kedua labu A dan B dihubungkan dengan sebuah

jembatan garam, yaitu larutan garam (seperti NaCl atau KNO3) dalam agar-agar.

Ion-ion negatif dari jembatan garam akan bergerak ke labu A untuk menetralkan

kelebihan ion Zn2+. Sedangakn ion=ion positif akan bergerak ke labu B untuk

177

menetralkan kelebihan ion SO42-. Pada kenyataannya tidak ada arus listrik yang

dapat diukur tanapa kehadiran jembatan garam tersebut. Jembatan garam

melengkapi rangkaian tersebut sehingga menjadi suatu rangkaian tertutup. Seperti

diketahui, listrik hanya dapat mengalir pada rangkaian tertutup.

Logam seng dan tembaga yang menjadi kutub-kutub listrik pada rangkaian

sel elektrokimia di atas disebut elektrode. Elektrode tempat terjadinya oksidasi

disebut anode, sedangkan elektrode tempat terjadinya reduksi disebut katode.

Oleh karena oksidasi adalah pelepasan elektron, maka anode adalah kutub negatif

sedangkan katode merupakan kutub positif. Pada sel elektrokimia di atas, anode

adalah logam seng dan katode adalah tembaga.

Selanjutnya, telah disepakati suatu cara menyatakan sel elektrokimia.

Anode selalu digambarkan di sebelah kiri, sedangkan katode di sebelah kanan.

Notasi atau diagram sel elektrokimia di atas adalah sebagai berikut :

Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu

Notasi tersebut menyatakan bahwa di anode terjadi oksidasi Zn menjadi

Zn2+, sedangkan di katode terjadi reduksi ion Cu2+ menjadi Cu. Dua garis sejajar

(II) yang memisahkan anode dan katode menyatakan jembatan garam.

Hukum Faraday

1. Hukum Faraday I

"Massa zat yang terbentuk pada masing-masing elektroda sebanding dengan

kuat arus/arus listrik yang mengalir pada elektrolisis tersebut".

Rumus:

m = e . i . t / 96.500

q = i . t

m = massa zat yang dihasilkan (gram)

178

e = berat ekivalen = Ar/ Valens i= Mr/Valensi

i = kuat arus listrik (amper)

t = waktu (detik)

q = muatan listrik (coulomb)

 2. Hukum Faraday II

"Massa dari macam-macam zat yang diendapkan pada masing-masing

elektroda (terbentuk pada masing-masing elektroda) oleh sejumlah arus

listrik yang sama banyaknya akan sebanding dengan berat ekivalen masing-

masing zat tersebut."

Rumus:

m1 : m2 = e1 : e2

m = massa zat (garam)

e = beret ekivalen = Ar/Valensi = Mr/Valensi

Contoh:

Pada elektrolisis larutan CuSO4 dengan elektroda inert, dialirkan listrik 10 amper

selama 965 detik.

Hitunglah massa tembaga yang diendapkan pada katoda dan volume gas oksigen

yang terbentuk di anoda pada (O°C, 1 atm), (Ar: Cu = 63.5 ; O = 16).

Jawab:

CuSO4 (aq) → Cu2+(aq) + SO42-(aq)

Katoda [elektroda - : reduksi] : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

Anoda [elektroda + : oksidasi]: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-

179

a. massa tembaga:

m = e . i . t/96.500 = (Ar/Valensi) x (10.965/96.500) = 63.5/2 x 9.650/96.500

= 31.25 x 0,1 = 3,125 gram

 

b. m1 : m2 = e1 : e2

mCu : mO2 = eCu : eO2

3,125 : mO2 = 6.32/2 : 32/4

3,125 : mO2 = 31,25 : 8

mO2 = (3.125 x 8)/31.25 = 0.8 gram

mol O2 = 0.8/32 = 8/320 = 1/4 mol

volume O2 (0°C, 1 atm) = 1/40 x 22.4 = 0.56 liter

Jika hukum faraday I dan II digabungkan maka diperoleh hubungan

sebagai berikut. Reaksi reduksi pada katode: Cu 2+ + 2e- → Cu. Pada

pembentukan 1 mol Cu diperoleh jumlah elektron yang berperan e = 2. Jumlah

listrik yang dialirkan ke dalam sel elektrolisis untuk mendapatkan 1 mol elektron

dinamakan 1 Faraday (1F). Dari hasil percobaan diperoleh bahwa satu faraday

setara dengan 96.487 coulomb atau sering dibulatkan menjadi 96.500 coulomb.

Hukum Faraday I: m ≈ Q atau m ≈ F

Hukum Faraday II: m ≈

Dari kedua hukum Faraday tersebut hubungannya adalah sebagai beikut:

180

1F = 96.500 coulomb

m = x F atau m =

Bab X

Metal dan Material Padat

X.1 Biji logam dan alloys

X.1.1 Biji logam

X.1.1 Pengerjaan Dan Pengolahan Bijih Logam

Logam‐logam  yang  banyak  ditemukan  dalam  kehidupan  kita  sehari‐hari,

secara  umum  mempunyai  sifat‐sifat  dapat  mengkilat,  dapat  menghantar

kalor  dan  listrik,  berwarna  putih  seperti  perak  (kecuali  tembaga  yang

berwarna  kemerah‐merahan  dan  emas  berwarna  kuning).  Logam  tersebut

mempunyai  kekerasan  yang  berbeda‐beda,  mulai  dari  yang  lunak  sekali

(natrium  dan  kalium)  sampai  yang  keras  sekali  (krom  dan  nikel),

sementara  raksa  berbentuk  cair.

X.1.1.1Pembagian Jenis Logam

Menurut  massa  jenisnya  logam  dikelompokkan  menjadi  :

(1) logam  berat,  yang  massa  jenisnya  diatas  5,  

(2) logam  ringan  yang  massa  jenisnya  dibawah  5.  

Ditinjau  dari  sifat  kimianya  logam  mempunyai  oksida

pembentuk  basa,  dan  berdasarkan  sifat  logam  terhadap  oksida

ini  logam  digolongkan  menjadi  :

(1) Logam  mulia,  yaitu  logam  yang  tidak  dapat  mengalami

oksidasi,  seperti  Au,  Pt,  Ag  dan  Hg.  

(2) Logam  setengah  mulia  ,  yaitu  logam  yang  sukar

teroksidasi,  seperti  Cu.  

(3) Logam  tidak  mulia,  yaitu  logam‐logam  yang  dalam

keadaan  biasa  dan  pada  perubahan  temperatur  mudah

181

teroksidasi,  seperti  K,  Na,  Mg,  Ca,  Al,  Zn,  Fe,  Sn,  Pb,

dan  lain‐lain.  

Bijih  logam  secara  umum  adalah  bahan‐bahan  yang

diperoleh  dari  hasil  penambangan  yang  biasanya  masih

berbentuk  butiran‐butiran  atau  gumpalan‐gumpalan.  Bijih‐bijih

logam  tersebut  biasanya  masih  bercampur  dengan  bahan‐bahan

ikutan  lainnya.  Persentase  berat  dari  unsur‐unsur  yang

terkandung  didalam  bijih‐bijih  ini  tergantung  pada  kedalaman

lapisan  tanah  darimana  bijih  tersebut  diperoleh.  Misalnya

untuk  lapisan  tanah  dengan  kedalaman  16  km  akan  diperoleh

bijih‐bijih  dengan  46,59  %  oksigen,  27,72  %  silikon  dan

selebihnya  unsur  lain  termasuk  logam.    

Logam  yang  terdapat  pada  bijih‐bijih  ini  biasanya

masih  dalam  keadaan  terikat  dengan  unsur‐unsur  lain  (berupa

senyawa).  Senyawa  tersebut  bisa  berupa  oksida  (untuk  bijih‐

bijih  Fe,  Mn,  Cr,  Sn),  karbonat  (untuk  bijih‐bijih  Zn,  Cu,

Fe),  sulfida  (untuk  bijih‐bijih  Pb,  Zn,  Cu).  

X.1.1.2Pengerjaan  Bijih Bijih  Logam  (Metal  Ores  Preparation)  

Sebelum  bijih  logam  diproses  lebih  lanjut  menjadi

logam,  terlebih  dahulu  dilakukan  preparasi  terhadadap  bijih‐

bijih  tersebut.  Proses  preparasi  itu  meliputi  pemecahan

(breaking),  pengayakan  (sizing)  dan  pembenahan  (dressing).  

a. Pemecahan.  

 Bijih‐bijih  yang  diperoleh  dari  penambangan

biasanya mempunyai  ukuran  melintang  1200‐1500  mm.

Dalam  pengerjaan metalurgi  umumnya  dibutuhkan  bijih‐

bijih  yang  cukup  halus (kadang  sampai  0,1  mm),  sehingga

182

bijih‐bijih  yang  diperoleh  dari penambangan  harus

diperkecil  atau  dipecah  terlebih  dahulu.

Berdasarkan  ukuran  feed  dan  ukuran  produk  dari

pemecahan,  maka  proses  pemecahan  dikelompokkan

menjadi  :  (1)  Breaking,  yaitu  pemecahan  dengan  ukuran

feed  300‐1500  mm  dan  ukuran  produk  100‐300  mm,  (2)

Crushing,  yaitu  pemecahan  dengan  ukuran  feed  100‐300

mm  dan  ukuran  produk  10‐50  mm,  (3)  Fine  Crushing,

yaitu  pemecahan  dengan  ukuran  feed  10‐50  mm  dan

ukuran  produk  2‐10  mm,  (4)  Grinding,  yaitu  pemecahan

dengan  ukuran  feed  2‐20  mm  dan  ukuran  produk  0,05  mm.

Breaking  dilakukan  dengan  memakai  pemecah  Beater  Mill,

crushing  dan  fine  crushing  menggunakan  Gyratory  Crusher

dan  grinding  menggunakan  Ball  Mill.    

b. Pengayakan  (sizing).  

Bijih‐bijih  yang  sudah  dipecah  kemudian  dipisah‐

pisahkan  menurut  besar  atau  ukuran  butirannya.  Proses

pemisahan  ini  dinamakan  pengayakan  atau  sizing.

Pengayajan  ini  dilakukan  untuk  menghindari

terdapatnya  ukuran  yang  terlalu  besar  atau  kecil  dari

ukuran  yang  diinginkan  untuk  roses  selanjutnya.

Pengayakan  biasanya  dilakukan  menggunakan  ayakan

berupa  batang‐batang  baja  yang  berbentuk  kisi‐kisi  (bar

sreen),  jaring‐jaring  kawat  (vibrating  screen)  atau  berbentuk

silinder  (revolving/cylinder  screen).  Proses  pengayakan

bijih‐bijih  dan  ukuran  produknya  diperlihatkan  pada  gambar

1.  

c. Pembenahan  (dressing).

Pembenahan  bijih‐bijih  adalah  proses  pemisahan

bijih  dari  unsur  ikutan  atau  kotoran  tanpa  merubah  sifat

kimia  atau  sifat  fisik  dari  bijih‐bijih.  Dengan  demikian

183

bijih‐bijih  akan  memiliki  persentase  bahan  tambang  atau

concentrate  yang  lebih  tinggi.  Pembenahan  atau  pemisahan

bahan  tambang  dari  unsur  ikutannya  dilakukan  dengan

beberapa  metoda,  yaitu  :  

1) Pemisahan  dengan  cara  disortir  atau  dipilih,  berdasarkan

warna  atau  bentuk  bijihnya.  Pemilihan  biasanya

dilakukan  pada  permukaan  yang  datar  atau

menggunakan  konveyor  sortir.  

2) Pemisahan  berdasarkan  perbedaan  kekerasan  atau

kerapuhan  bijih.  

3) Pemisahan  berdasarkan  sifat  gesekan  bijih.  Dalam  hal

ini  bijih‐bijih  diluncurkan  pada  bidang  miring,  sehingga

bahan  yang  lebih  ringan  akan  meluncur  lebih  cepat.

4) Pemisahan  secara  elektrostatik,  yaitu  pemisahan  bijih

berdasarkan  konduktivitas  listrik  dan  sifat‐sifat

kelistrikannya.

5) Pemisahan  secara  magnetis,  dimana  bahan  tambang

dipisahkan  berdasarkan  sifat  magnetiknya.  

6) Pemisahan  berdasarkan  gravitasi  bijih‐bijih  tambang.

Dalam  hal  ini  bijih‐bijih  dibedakan  berdasarkan

kecepatan  tenggelam  atau  jatuhnya  bijih‐bijih  tersebut

dalam  suatu  cairan  atau  udara.  

7) Pemisahan  dengan  menggunakan  suatu  medium  berat,

dalam  hal  ini  akan  terdapat  bijih‐bijih  yang  mengapung

dan  tenggelam,  tergantung  pada  massa  jenis  bijih  dan

medium  yang  digunakan  (cairan  organik  atau  larutan).  

8) Flotasi  atau  pengapungan  bijih‐bijih  yang  sudah

berbentuk  bubuk  dengan  bentuan  peniupan  udara  pada

bijih‐bijih  tersebut.  

184

Gambar  1.  Proses  pengayakan  bijih-bijih

X.1.1.3Pengolahan  Bijih-Bijih  Logam  (Metal  Ores  Processing)

Pengolahan  atau  pemrosesan  bijih‐bijih  logam  bertujuan  untuk

memisahkan  logam  murni  atau  senyawanya  dari  bijih‐bijihnya.  Proses

pemisahan  ini  secara  umum  dapat  dibagi  menjadi  dua,  yaitu  proses

pyrometallurgy  dan  proses  hydrometallurgy.  

a. Pyrometallurgy

185

Pada  proses  pyrometallurgy  pemisahan  logam  dilakukan

dengan  cara  menaikkan  temperatur  bijih‐bijih  tersebut.  Proses

dasar  dari  pyrometallurgy  ini  adalah  peleburan,  pemanggangan

dan  destilasi.  

Pada  peleburan,  bijih‐bijih  dipanaskan  sampai  temperatur

tertentu  sehingga  cukup  untuk  mencairkan  logam  yang

dikehendaki  dari  bijih‐bijih  tersebut.  Dengan  demikian  bahan

yang  sudah  melebur  tersebut  akan  terpisah  dengan  sendirinya

dengan  bahan‐bahan  lainnya.  Hal  ini  dimungkinkan  oleh

perbedaan  berat  jenis  dari  bahan‐bahan  yang  terdapat  pada  bijih‐

bijih  tersebut.   

Pada  proses  peleburan  ini  akan  terjadi  proses  reduksi

atau  oksidasi,  bergantung  pada  jenis  bijih‐bijih  yang  diolah.

Misalnya  untuk  bijih‐bijih  yang  bersifat  oksida  (bijih  Fe,  Mn,

Cr,  Sn),  dipidahkan  dengan  cara  reduksi.  Sedangkan  untuk  bijih‐

bijih  yang  bersifat  karbonat  dan  sulfida  (bijih  Zn,  Cu,  Fe)

dilakukan  dengan  cara  oksidasi  kemudian  diikuti  dengan  reduksi.

Dalam  proses  persiapan,  logam  yang  akan  diproses

terlebih  dahulu  dipanggang.  Pemanggangan  dilakukan  pada

temperatur  tertentu  sehingga  tidak  sampai  melebur  logam  yang

diproses.  Tujuan  pemanggangan  adalah  untuk  menghilangkan

gas‐gas  atau  kelembaban  dari  bijih  yang  akan  diproses.  Pada

pemanggangan  dapat  terjadi  oksidasi,  reduksi,  sulfatisasi  dan

reaksi  lain  tergantung  pada  jenis  logam  yang  dipanggang.  

Keadaan  bijih‐bijih  diantara  temperatur  pemanggangan

dan  temperatur  peleburan  disebut  sintering.  Dalam  hal  ini

sebagian  logam  sudah  mencair,  kemudian  jika  didinginkan

kembali,  bagian‐bagian  yang  sudah  mencair  tersebut  akan

memadat  atau  menyatu  kembali  dengan  partikel‐partikel  yang

belum  mencair.  Tujuan  sintering  ini  adalah  untuk  merubah  bijih‐

bijih  yang  dipecah  terlalu  kecil/halus  menjadi  gumpalan  yang

lebih  besar.  

186

Pada  destilasi,  logam  atau  senyawa  diuapkan  dari  bahan

tambang  yang  sukar  menguap  yang  terdapat  didalam  bijih‐bijih

tersebut.  

b.  Hydrometallurgy

Prinsip  dasar  hydrometallurgy  adalah  pelarutan  bijih‐bijih

dengan  asam  atau  basa  yang  sesuai  dengan  jenis  logam  yang

terdapat  pada  bijih‐bijih  yang  dikejakan.  Kemudian  dari  larutan

tersebut  logam  atau  senyawanya  dipidahkan  dari  larutan  dengan

cara  elektrolisa  atau  dengan  cara  pengendaan.  Proses  pemisahan

seperti  ini  biasanya  dilakukan  untuk  logam‐logam  ringan,  seperti

:  Al,  Mg,  Na,  K,  Ca  dan  sebagainya.  

X.1.2 Alloys

Baja paduan (alloy steel):

Tujuan dilakukan penambahan unsur yaitu:

1. Untuk menaikkan sifat mekanik baja (kekerasan, keliatan, kekuatan

tarik dan sebagainya)

2. Untuk menaikkan sifat mekanik pada temperatur rendah

3. Untuk meningkatkan daya tahan terhadap reaksi kimia (oksidasi

dan reduksi)

4. Untuk membuat sifat-sifat spesial

Baja paduan yang diklasifikasikan menurut kadar karbonnya dibagi

menjadi:

1. Low alloy steel, jika elemen paduannya ≤ 2,5 %

2. Medium alloy steel, jika elemen paduannya 2,5 – 10 %

3. High alloy steel, jika elemen paduannya > 10 %

Selain itu baja paduan dibagi menjadi dua golongan yaitu baja

campuran khusus (special alloy steel) dan high speed steel.

Baja Paduan Khusus (special alloy steel)

Baja jenis ini mengandung satu atau lebih logam-logam

seperti nikel, chromium, manganese, molybdenum, tungsten dan

187

vanadium. Dengan menambahkan logam tersebut ke dalam baja

maka baja paduan tersebut akan merubah sifat-sifat mekanik dan

kimianya seperti menjadi lebih keras, kuat dan ulet bila

dibandingkan terhadap baja karbon (carbon steel).

High Speed Steel (HSS) Self Hardening Steel

Kandungan karbon : 0,70 % - 1,50 %. Penggunaan

membuat alat-alat potong seperti drills, reamers, countersinks,

lathe tool bits dan milling cutters. Disebut High Speed Steel karena

alat potong yang dibuat dengan material tersebut dapat

dioperasikan dua kali lebih cepat dibanding dengan carbon steel.

Sedangkan harga dari HSS besarnya dua sampai empat kali

daripada carbon steel.

Baja Paduan dengan Sifat Khusus

1. Baja Tahan Karat (Stainless Steel)

Sifatnya antara lain:

Memiliki daya tahan yang baik terhadap panas, karat dan

goresan/gesekan

Tahan temperatur rendah maupun tinggi

Memiliki kekuatan besar dengan massa yang kecil

Keras, liat, densitasnya besar dan permukaannya tahan aus

Tahan terhadap oksidasi

Kuat dan dapat ditempa

Mudah dibersihkan

Mengkilat dan tampak menarik

2. High Strength Low Alloy Steel (HSLS)

Sifat dari HSLA adalah memiliki tensile strength yang tinggi,

anti bocor, tahan terhadap abrasi, mudah dibentuk, tahan terhadap

korosi, ulet, sifat mampu mesin yang baik dan sifat mampu las yang

tinggi (weldability). Untuk mendapatkan sifat-sifat di atas maka baja

188

ini diproses secara khusus dengan menambahkan unsur-unsur seperti:

tembaga (Cu), nikel (Ni), Chromium (Cr), Molybdenum (Mo),

Vanadium (Va) dan Columbium.

3. Baja Perkakas (Tool Steel)

Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh baja perkakas adalah tahan pakai,

tajam atau mudah diasah, tahan panas, kuat dan ulet.

Kelompok dari tool steel berdasarkan unsur paduan dan proses

pengerjaan panas yang diberikan antara lain:

a. Later hardening atau carbon tool steel (ditandai dengan tipe W

oleh AISI), Shock resisting (Tipe S), memiliki sifat kuat dan ulet

dan tahan terhadap beban kejut dan repeat loading. Banyak dipakai

untuk pahat, palu dan pisau.

b. Cool work tool steel, diperoleh dengan proses hardening dengan

pendinginan yang berbeda-beda. Tipe O dijelaskan dengan

mendinginkan pada minyak sedangkan tipe A dan D didinginkan di

udara.

c. Hot Work Steel (tipe H), mula-mula dipanaskan hingga (300 – 500)

ºC dan didinginkan perlahan-lahan, karena baja ini banyak

mengandung tungsten dan molybdenum sehingga sifatnya keras.

d. High speed steel (tipe T dan M), merupakan hasil paduan baja

dengan tungsten dan molybdenum tanpa dilunakkan. Dengan

sifatnya yang tidak mudah tumpul dan tahan panas tetapi tidak

tahan kejut.

e. Campuran carbon-tungsten (tipe F), sifatnya adalah keras tapi tidak

tahan aus dan tidak cocok untuk beban dinamis serta untuk

pemakaian pada temperatur tinggi.

Klasifikasi lain antara lain :

a. Menurut penggunaannya:

Baja konstruksi (structural steel), mengandung

karbon kurang dari 0,7 % C.

189

Baja perkakas (tool steel), mengandung karbon lebih

dari 0,7 % C.

b. Baja dengan sifat fisik dan kimia khusus:

Baja tahan garam (acid-resisting steel)

Baja tahan panas (heat resistant steel)

Baja tanpa sisik (non scaling steel)

Electric steel

Magnetic steel

Non magnetic steel

Baja tahan pakai (wear resisting steel)

Baja tahan karat/korosi

Dengan mengkombinasikan dua klasifikasi baja menurut

kegunaan dan komposisi kimia maka diperoleh lima kelompok baja

yaitu:

1. Baja karbon konstruksi (carbon structural steel)

2. Baja karbon perkakas (carbon tool steel)

3. Baja paduan konstruksi (Alloyed structural steel)

4. Baja paduan perkakas (Alloyed tool steel)

5. Baja konstruksi paduan tinggi (Highly alloy structural

steel)

Selain itu baja juga diklasifikasikan menurut kualitas:

1. Baja kualitas biasa

2. Baja kualitas baik

3. Baja kualitas tinggi

Kekerasan didefinisikan sebagai ketahanan sebuah benda

(benda kerja) terhadap penetrasi/daya tembus dari bahan lain yang

kebih keras penetrator). Kekerasan meru-pakan suatu sifat dari bahan

190

yang sebagian besar dipengaruhi oleh unsur-unsur paduannya dan

kekerasan suatu bahan tersebut dapat berubah bila dikerjakan dengan

cold worked seperti pengerolan, penarikan, pemakanan dan lain-lain

serta kekerasan dapat dicapai sesuai kebutuhan dengan perlakuan

panas.

Faktor-faktor yang mempengaruhi hasil kekerasan dalam

perlakuan panas antara lain; Komposisi kimia, Langkah Perlakuan

Panas, Cairan Pendinginan, Temperatur Pemanasan, dan lain-lain

Proses hardening cukup banyak dipakai di Industri logam atau

bengkel-bengkel logam lainnya.Alat-alat permesinan atau komponen

mesin banyak yang harus dikeraskan supaya tahan terhadap tusukan

atau tekanan dan gesekan dari logam lain, misalnya roda gigi, poros-

poros dan lain-lain yang banyak dipakai pada benda bergerak. Dalam

kegiatan produksi, waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan suatu

produksi adalah merupakan masalah yang sangat sering

dipertimbangkan dalam Industri dan selalu dicari upaya-upaya untuk

mengoptimalkannya. Pengoptimalan ini dilakukan mengingat bahwa

waktu (lamanya) menyelesaikan suatu produk adalah berpengaruh

besar terhadap biaya produksi.

Hardening dilakukan untuk memperoleh sifat tahan aus yang

tinggi, kekuatan dan fatigue limit/ strength yang lebih baik. Kekerasan

yang dapat dicapai tergantung pada kadar karbon dalam baja dan

kekerasan yang terjadi akan tergantung pada temperatur pemanasan

(temperatur autenitising), holding time dan laju pendinginan yang

dilakukan serta seberapa tebal bagian penampang yang menjadi keras

banyak tergantung pada hardenability.

Langkah-langkah proses hardening adalah sebagai berikut :

1. Melakukan pemanasan (heating) untuk baja karbon tinggi 200-300

diatas Ac-1 pada diagram Fe-Fe3C, misalnya pemanasan sampai

suhu 8500, tujuanya adalah untuk mendapatkan struktur Austenite,

yang salah sifat Austenite adalah tidak stabil pada suhu di bawah

191

Ac-1,sehingga dapat ditentukan struktur yang diinginkan. Dibawah

ini diagram Fe-Fe3C dibawah ini :

Gambar : diagram keseimbangan Fe-Fe3C

2. Penahanan suhu (holding), Holding time dilakukan untuk

mendapatkan kekerasan maksimum dari suatu bahan pada proses

hardening dengan menahan pada temperatur pengerasan untuk

memperoleh pemanasan yang homogen sehingga struktur

austenitnya homogen atau terjadi kelarutan karbida ke dalam

austenit dan diffusi karbon dan unsur paduannya. Pedoman untuk

menentukan holding time dari berbagai jenis baja:

Baja Konstruksi dari Baja Karbon dan Baja Paduan Rendah

Yang mengandung karbida yang mudah larut, diperlukan

holding time yang singkat, 5 - 15 menit setelah mencapai

temperatur pemanasannya dianggap sudah memadai.

192

Baja Konstruksi dari Baja Paduan Menengah Dianjurkan

menggunakan holding time 15 -25 menit, tidak tergantung

ukuran benda kerja.

Low Alloy Tool Steel Memerlukan holding time yang tepat,

agar kekerasan yang diinginkan dapat tercapai. Dianjurkan

menggunakan 0,5 menit per milimeter tebal benda, atau 10

sampai 30 menit.

High Alloy Chrome Steel Membutuhkan holding time yang

paling panjang di antara semua baja perkakas, juga tergantung

pada temperatur pema-nasannya. Juga diperlukan kom-binasi

temperatur dan holding time yang tepat. Biasanya dianjurkan

menggunakan 0,5 menit permilimeter tebal benda dengan

minimum 10 menit, maksimum 1 jam.

Hot-Work Tool Steel Mengandung karbida yang sulit larut,

baru akan larut pada 10000 C. Pada temperatur ini

kemungkinan terjadinya pertumbuhan butir sangat besar,

karena itu holding time harus dibatasi, 15-30 menit. High

Speed Steel Memerlukan temperatur pemanasan yang sangat

tinggi, 1200-13000C.Untuk mencegah terjadinya pertumbuhan

butir holding time diambil hanya beberapa menit saja.

Misalkan kita ambil waktu holding adalah selama 15 menit

pada suhu 8500 .

3. Pendinginan. Untuk proses Hardening kita melakukan pendinginan

secara cepat dengan menggunakan media air. Tujuanya adalah

untuk mendapatkan struktur martensite, semakin banyak unsur

karbon,maka struktur martensite yang terbentuk juga akan semakin

banyak. Karena martensite terbentuk dari fase Austenite yang

didinginkan secara cepat. Hal ini disebabkan karena atom karbon

tidak sempat berdifusi keluar dan terjebak dalam struktur kristal

dan membentuk struktur tetragonal yang ruang kosong antar

atomnya kecil,sehingga kekerasanya meningkat.

193

Gambar : kurva pendinginan pada diagram TTT (time-temperature-

transformation)

Dari diagram pendinginan diatas dapat dilihat bahwa dengan

pendinginan cepat (kurva 6) akan menghasilkan struktur martensite

karena garis pendinginan lebih cepat daripada kurva 7 yang

merupakan laju pendinginan kritis (critical cooling rate) yang

nantinya akan tetap terbentuk fase austenite (unstable). Sedangkan

pada kurva 6 lebih cepat daripada kurva 7,sehingga terbentuk

struktur martensite yang kekerasanya berkisar antara 600 BHN-750

BHN, tetapi bersifat rapuh karena tegangan dalam yang besar.

194

Jadi dapat disimpulkan bahwa dengan proses hardening pada

baja karbon tinggi akan meningkatkan kekerasanya. Dengan

meningkatnya kekerasan, maka efeknya terhadap kekuatan adalah

sebagai berikut :

Kekuatan impact (impact strength) akan turun karena dengan

meningkatnya kekerasan, maka tegangan dalamnya akan

meningkat. Karena pada pengujian impact beban yang bekerja

adalah beban geser dalam satu arah , maka tegangan dalam

akan mengurangi kekuatan impact.

Kekuatan tarik (tensile sterngth) akan meningkat. Hal ini

disebabkan karena pada pengujian tarik beban yang bekerja

adalah secara aksial yang berlawanan dengan arah dari

tegangan dalam, sehingga dengan naiknya kekerasan akan

meningkatkan kekuatan tarik dari suatu material.

X.2 Besi dan Baja

Besi dan baja paling banyak dipakai sebagai bahan industri yang

merupakan sumber sangat besar, dimana sebagian ditentukan oleh nilai

ekonomisnya, tetapi yang paling penting karena sifat-sifatnya yang bervariasi.

Yaitu bahwa bahan tersebut mempunyai berbagai sifat dari yang paling luank dan

mudah dibuat sampai yang paling kerasdan tajampun untuk pisau pemotong dapat

dibuat, atau apa saja dengan bentuk apapun dapat dibuat dengan pengecoran. Dari

195

unsur besi berbagai bentuk struktur logam dapat dibuat, itulah sebabnya mengapa

besi dan baja disebut bahan yang kaya dengan sifat-sifat.

Berikut merupakan diagram fasa Fe – Fe3C. Dari diagaram ini kita dapat

mengetahui bahwa fase yang terjadi apabila besi (Fe) dipadukan dengan sekian

persen karbon dan pada temperatur tertentu. Digram fasa ini landasan untuk laku

panas kebanyakan jenis baja yang kita kenal.

Bila bagian 0% - 1% karbon pada diagram fasa ditutupi, kita mendapatkan

diagram yang mirip dengan diagram fasa sebelumnya. Komposisi eutektik

terdapat pada 4,3% (berat) karbon (17% atom) dan suhu eutektik adalah 11480C.

Besi cor berada di daerah eutektik ini karena rata-rata mengandung 2,5% - 4%

karbon. Titik cair relatif rendah dan besi cor mempunyai karakteristik coran dan

proses yang baik.

γ yang kaya besi dapat menampung 2,1% (berat) [atau 9% (atom)] karbon.

Atom-atom karbon ini larut secara interstisi dalam besi kps. Baja berlandaskan

fasa larutan padat ini. Karena baja mengandung kurang dari 1,2% karbon, baja

dapat mempunyai fasa tunggalpada proses penempaan atau pengerjaan panas

lainnya, yaitu di daerah sekitar 1100 sampai 1250oC. Pada daerah yantg kaya besi

(>99% Fe dan < 1% C), diagram Fe-Fe3C berbeda dengan diagram lainya yang

telah pernah dibahas. Perbedaaan ini timbul karena besi adalah polomorf dengan

fasa kpr dan kps.

196

Kemudian kekerasan suatu logam tergantung pada susunan kimia dan

perlakuan panas yang diberikan kepada logam tersebut. Proses perlakuan panas

yang disebut pencelupan (quenching) memegang peranan penting dalam proses

pengerasan logam. Logam yang didinginkan secara cepat menghasilkan strukur

yang berbeda dengan logam yang didinginkan secara lambat. Pada baja,

pendinginan yang cepat dari fasa austenit menghasilkan fasa martensit yang tinggi

kekerasannya. Untuk pendinginan yang lambat, akan didapatkan struktur bainit

bawah, bainit atas, perlit halus dan perlit kasar. Makin lambat laju pendinginan

logam, makin banyak matriks perlit yang dihasilkan. Sehingga kekerasannya

makin turun.

Semakin lama laju pendinginan logam tersebut, makin banyak matriks

perlit yang ditampilkan dan makin menurun kekerasan logam/baja tersebut. Ada

dua faktor yang dapat mengubah posisi grafik, yaitu komposisi kimia dan ukuran

butir austenit yang dicapai. Dengan beberapa pengecualian, penambahan kadar

karbon atau paduan ini ataupun penambahn ukuran butir austenit, akan

menyebabkan grafik tersebut bergeser ke kanan sehingga memudahakan

pembentukan sifat kemampukerasan logam tersebut.

197

Prinsip dasar pemurnian besi adalah dengan menghilangkan kandungan

oksigen dalam bijih besi. Cara tradisionalnya adalah dengan blomery. Pada proses

ini bijih besi dibakar dengan charcoal, dimana banyak mengandung carbon

sehingga terjadi pengikatan oksigen. Pembakaran tersebut menghasilkan

karbondiokasida dan karbon monoksida yang terlepas ke udara, sehingga besi

murni didapat dan dikeluarkan dari dapur. Kekurangnya tidak semua besi dapat

melebur sehingga terbentuk spoge, spoge berisi besi dan silica. Proses lebih

modern adalah dengan blas furnace. Blast furnace diisi oleh bijih besi, charcoal

atau coke (coke adalah charcoal yang terbuat dari coal) dan limestone (CaCO3).

Angin secara kencang dan kontinu ditiupkan dari bawah dapur. Hasil peluburan

besi akan berada di bawah, cairan besi yang keluar ditampung dan disebut dengan

pig iron. Bijih besi antara lain :

Hematite - Fe2O3 - 70 % iron

Magnetite - Fe3O4 - 72 % iron

Limonite - Fe2O3 + H2O - 50 % to 66 % iron

Siderite - FeCO3 - 48 % iron

PROSES PEMBUATAN BAJA

198

Baja diproduksi didalam dapur pengolahan baja dari besi kasar baik padat maupun

cair, besi bekas ( Skrap ) dan beberapa paduan logam. Ada beberapa proses

pembuatan baja antara lain :

1. Proses konvertor

terdiri dari satu tabung yang berbentuk bulat lonjong dengan menghadap

kesamping.

Sistem kerja

Dipanaskan dengan kokas sampai ± 1500 0C,

Dimiringkan untuk memasukkan bahan baku baja. (± 1/8 dari volume

konvertor)

Kembali ditegakkan.

Udara dengan tekanan 1,5 – 2 atm dihembuskan dari kompresor.

Setelah 20-25 menit konvertor dijungkirkan untuk mengelaurkan hasilnya.

Proses Bassemer (asam)

Lapisan bagian dalam terbuat dari batu tahan api yang mengandung

kwarsa asam atau aksid asam (SiO2), Bahan yang diolah besi kasar kelabu

cair, CaO tidak ditambahkan sebab dapat bereaksi dengan SiO2, SiO2 +

CaO CaSiO3

Proses Thomas (basa)

Lapisan dinding bagian dalam terbuat dari batu tahan api bisa atau

dolomit [ kalsium karbonat dan magnesium (CaCO3 + MgCO3)], besi

yang diolah besi kasar putih yang mengandung P antara 1,7 – 2 %, Mn 1 –

2 % dan Si 0,6-0,8 %. Setelah unsur Mn dan Si terbakar, P membentuk

oksida phospor (P2O5), untuk mengeluarkan besi cair ditambahkan zat

kapur (CaO),

3 CaO + P2O5 Ca3(PO4)2 (terak cair)

2. Proses Siemens Martin

menggunakan sistem regenerator (± 3000 0C.) fungsi dari regenerator

adalah :

a. Memanaskan gas dan udara atau menambah temperatur dapur

b. Sebagai Fundamen/ landasan dapur

c. Menghemat pemakaian tempat

199

Bisa digunakan baik besi kelabu maupun putih,

Besi kelabu dinding dalamnya dilapisi batu silika (SiO2),

Besi putih dilapisi dengan batu dolomit (40 % MgCO3 + 60 % CaCO3)

3. Proses Basic Oxygen Furnace

logam cair dimasukkan ke ruang baker (dimiringkan lalu ditegakkan)

Oksigen (± 1000) ditiupkan lewat Oxygen Lance ke ruang bakar

dengan kecepatan tinggi. (55 m3 (99,5 %O2) tiap satu ton muatan)

dengan tekanan 1400 kN/m2.

ditambahkan bubuk kapur (CaO) untuk menurunkan kadar P dan S.

Keuntungan dari BOF adalah:

BOF menggunakan O2 murni tanpa Nitrogen

Proses hanya lebih-kurang 50 menit.

Tidak perlu tuyer di bagian bawah

Phosphor dan Sulfur dapat terusir dulu daripada karbon

Biaya operasi murah

4. Proses dapur listrik

Temperatur tinggi dengan menggunkan busur cahaya electrode dan

induksi listrik.

Keuntungan :

Mudah mencapai temperatur tinggi dalam waktu singkat

Temperatur dapat diatur

Efisiensi termis dapur tinggi

Cairan besi terlindungi dari kotoran dan pengaruh lingkungan

sehingga kualitasnya baik

Kerugian akibat penguapan sangat kecil

5. Proses dapur kopel

Mengolah besi kasar kelabu dan besi bekas menjadi baja atau besi tuang.

200

Proses

Pemanasan pendahuluan agar bebas dari uap cair.

Bahan bakar(arang kayu dan kokas) dinyalakan selama ± 15 jam.

Kokas dan udara dihembuskan dengan kecepatan rendah hingga kokas

mencapai 700 – 800 mm dari dasar tungku.

Besi kasar dan baja bekas kira-kira 10 – 15 % ton/jam dimasukkan.

15 menit baja cair dikeluarkan dari lubang pengeluaran.

Untuk membentuk terak dan menurunkan kadar P dan S ditambahkan batu

kapur (CaCO3) dan akan terurai menjadi:

akan bereaksi dengan karbon:

Gas CO yang dikeluarkan melalui cerobong, panasnya dapat dimanfaatkan

untuk pembangkit mesin-mesin lain.

6. Proses dapur Cawan

Proses kerja dapur cawan dimulai dengan memasukkan baja bekas dan

besi kasar dalam cawan,

kemudian dapur ditutup rapat.

Kemudian dimasukkan gas-gas panas yang memanaskan sekeliling

cawan dan muatan dalam cawan akan mencair.

Baja cair tersebut siap dituang untuk dijadikan baja-baja istimewa

dengan menambahkan unsur-unsur paduan yang diperlukan

Klasifikasi baja menurut komposisi kimianya yaitu

Baja karbon (carbon steel), dibagi menjadi tiga yaitu;

Baja karbon rendah (low carbon steel) machine, machinery dan

mild steel

- 0,05 % - 0,30% C.

Sifatnya mudah ditempa dan mudah di mesin. Penggunaannya:

201

- 0,05 % - 0,20 % C : automobile bodies, buildings,

pipes, chains, rivets, screws, nails.

- 0,20 % - 0,30 % C : gears, shafts, bolts, forgings,

bridges, buildings.

Baja karbon menengah (medium carbon steel)

- Kekuatan lebih tinggi daripada baja karbon rendah.

- Sifatnya sulit untuk dibengkokkan, dilas, dipotong.

Penggunaan:

- 0,30 % - 0,40 % C : connecting rods, crank pins,

axles.

- 0,40 % - 0,50 % C : car axles, crankshafts, rails,

boilers, auger bits, screwdrivers.

- 0,50 % - 0,60 % C : hammers dan sledges.

Baja karbon tinggi (high carbon steel) tool steel

- Sifatnya sulit dibengkokkan, dilas dan dipotong.

Kandungan 0,60 % - 1,50 % C

Penggunaan

- screw drivers, blacksmiths hummers, tables knives,

screws, hammers, vise jaws, knives, drills. tools for turning brass

and wood, reamers, tools for turning hard metals, saws for cutting

steel, wire drawing dies, fine cutters.

X.3 Semikunduktor dan Superkonduktor

X.3.1 Semikonduktor

202

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang

berada di antara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai

insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan

besifat sebagai konduktor. Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah

silikon, germanium, dan gallium arsenide.

Contoh-contoh bahan semikonduktor:

SILIKON

Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Si

dan nomor atom 14. Merupakan unsur terbanyak kedua di bumi. Senyawa yang

dibentuk bersifat paramagnetik. Unsur kimia ini dtemukan oleh Jöns Jakob

Berzelius.

Silikon hampir 25.7% mengikut berat. Biasanya dalam bentuk silikon dioksida

(silika) dan silikat.

Golongan   →

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Periode   ↓

203

11H

2He

23Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

311Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

419K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

537Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

655Cs

56Ba

* 71Lu

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

787 Fr 

88Ra

** 10

3Lr

104Rf

105

Db

106

Sg

107

Bh

108

Hs

109

Mt

110

Ds

111Uuu

112Uub

113

Uut

114Uuq

115Uup

116Uuh

117

Uus

118Uuo

* Lantanida57La

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

** Aktinida89Ac

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

Seri Kimia dari Tabel PeriodikLogam alkali Alkali tanah Lantanida Aktinida Logam transisiLogam Metaloid Non-logam Halogen Gas mulia

GERMANIUM

32galium ← germanium →

arsenik

Si↑

Ge↓

Sn Tabel periodik

Keterangan Umum Unsur

Nama, Lambang, Nomor atom germanium, Ge, 32

Seri kimia metalloids

Golongan, Periode, Blok 14, 4, p

Penampilan

grayish white

Massa atom 72.64 (1) g/mol

Konfigurasi elektron [Ar] 3d10 4s2 4p2

Jumlah elektron tiap kulit 2, 8, 18, 4

Ciri-ciri fisik

Fase solid

Massa jenis (sekitar suhu kamar) 5.323 g/cm³

Massa jenis cair pada titik lebur 5.60 g/cm³

Titik lebur1211.40 K

(938.25 °C, 1720.85 °F)

Titik didih3106 K

(2833 °C, 5131 °F)

Kalor peleburan 36.94 kJ/mol

204

Kegunaan Semikonduktor

Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah

sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan

menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut

dopant.Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan

konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu

modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan

sebagai pengganti logam.

205

X.3.2 Superkonduktor

Superkonduktor adalah bahan yang dapat mengkonduksi elektrik tanpa

rintangan. Bahan ini tidak memiliki hambatan di bawah suatu nilai temperatur

tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor

ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Pada temperatur yang sangat rendah,

yaitu pada temperatur beberapa derajat di atas temperatur nol absolut, tertentu

akan kehilangan sifat hambatan listriknya. Sehingga jika sebuah arus listrik yang

mengalir pada sebuah cincin superkonduktor maka arus tadi akan berputar pada

cincin itu selamanya, asal saja cincin itu dipertahankan dalam temperatur yang

sangat rendah tadi. Temperatur dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas

menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).

Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda,

Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal

10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan

hingga 4 K atau 269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari

sifat-sifat listrik dari logam pada temperatur yang sangat dingin. Pada waktu itu

telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan di

bawah temperatur ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa

batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau

nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin

memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti

ketika temperatur mencapai nol mutlak. Di lain pihak, ilmuwan yang lain

termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan

tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian

mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur

hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada temperatur 4,2 K, Onnes terkejut

ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir

melalui kawat merkuri terus menerus. Dengan tidak adanya hambatan, maka arus

dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan

arus pada suatu kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan

kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya. Satu tahun kemudian

206

ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi

nama superkondutivitas.

Superkondutivitas

Superkonduktivias adalah sebuah fenomena yang terjadi dalam beberapa

material pada temperatur rendah, dicirikan dengan ketiadaan hambatan listrik.

Superkonduktivitas adalah sebuah fenomena mekanika-kuantum yang berbeda

dari konduktivitas sempurna.

Superkonduktivitas terjadi di berbagai macam material, termasuk unsur

sederhana seperti "tin" dan aluminum, beberapa logam alloy, beberapa

semikonduktor di-dop-berat, dan beberapa "compound" keramik berisi bidang

atom tembaga dan oksigen. Kelas compound yang terakhir, dikenal sebagai

kuprat, adalah superkonduktor suhu-tinggi (superkonduktor suhu-tinggi adalah

superkonduktor pada temperatur yang jauh lebih tinggi dari yang dimungkinkan

menurut teori konvensional, meskipun masih jauh di bawah temperatur ruangan).

Superkonduktivitas tidak terjadi dalam logam mulia seperti emas dan perak, atau

di banyak logam ferromagnetik, meskipun ada beberapa material menampilkan

baik.

Aplikasi Superkonduktor

Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang.

Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang

menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang

pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor di bidang transportasi

memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor.

Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The

Yamanashi MLX01 MagLev train. Kereta api ini melayang diatas magnet

superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat

dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph

atau sekitar 550 km/jam.

Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja di bidang listrik.

Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 an

207

ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan

kawat tembaga. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp.

diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama

Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu

unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat

digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk

transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk

menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk

menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan

menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh

meningkat.

Di bidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu

superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer,

HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut.

Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga

5000 tenaga kuda.

X.4 Keramik dan Komposit

Keramik

Material keramik memiliki sifat-sifat yang sesuai untuk dijadikan sebagai

bahan membran untuk pemisahan pada kondisi relatif keras, hal ini dikarenakan

material ini tahan terhadap asarn dan temperatur yang tinggi. Salah satu material

keramik yang dapat digunakan sebagai bahan membran adalah y-alumina karena

mempunyai kestabilan thermal yang tinggi, kekuatan mekanik yang balk dan luas

permukaan yang besar.

Penelitian ini diarahkan pada upaya rekayasa membran keramik dari bahan

lempung dan y-alumina melalui jalur proses dip-coating dan sol-gel. Proses

percobaan meliputi pembuatan penyangga membran melalui proses pressing,

pembuatan boehmite sebagai bahan dasar membran y-Al203 dari

Al2(SO4)3,pelapisan melalui metode dip-coating dan sol-gel, dan karakterisasi

208

membran yang telah dibuat. Variabel yang digunakan pads penelitian ini adalah

temperatur pencelupan pada 70 °C dan temperatur kamar, serta temperatur

kalsinasi membran y-alumina pada 500 °C dan 750 °C.

Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa tawas atau Al2(SO4)3 dapat

digunakan sebagai precursor bahan membran alumina. Temperatur pelapisan

terbaik pada 70 C, temperature kalsinasi terbaik untuk proses sol-gel adalah 750

°C sedangkan untuk proses dip-coating 500 °C. Kedua jalur yang diteliti

menunjukan bahwa proses dip-coating akan menghasilkan ukuran pori membran,

lugs permukaan specifik, dan volume total pori yang lebih besar dibanding proses

sal-gel. Selain itu dapat disimpulkan pula bahwa membran basil proses dip-

coating memiliki homogenitas morfologi dan adhesi dengan penyangga yang

lebih rendah dibanding membran basil proses sol-gel.

Komposit

Perisai Chobham (lihat perisai komposit) Bahan komposit (atau komposit)

merupakan bahan yang dibuat melalui gabungan dua atau lebih bahan. Salah satu

bahan biasanya campuran yag kukuh seperti campuran kaca, kevlar atau

campuran karbon yang memberikan bahan tersebut kekuatan tensil, sementara

bahan lain (dinamakan matriks) biasanya sejenis bahan berdamar seperti polyester

atau epoxy yang memegang campuran dan menjadikan bahan tersebut keras dan

kukuh. Ada bahan komposit yang menggunakan aggregrat selain daripada, atau

bersama-sama campuran.

Contoh-contoh bahan komposit :

1. Plastik diperkukuhkan dengan kaca atau GRP

2. Komposit matriks logam

3. Komposit matriks seramik

4. Papan lapis

209