Posts Tagged ‘Chemistry for Grade XII Students’

Efek Surfaktan Terhadap Hantaran Polimer dan Laju Polimerisasi Pada Film Polianilin (Pendahuluan)

6 Februari 2010

Polimer konduktor adalah material semikonduktor organik yang menjanjikan karena luasnya aplikasi teknologi yang dapat diterapkan padanya, meliputi penggunaannya sebagai baterai, peralatan elektrokromik, dioda emisi cahaya, dan berbagai sensor termasuk sensor kimia dan biosensor. Mempelajari dan memahami sifat-sifat alami dari polimer menjadi sangat penting dalam mengembangkan peralatan elektrokimia. Dari berbagai jenis polimer konduktor, polianilin telah dipelajari secara intensif. Polianilin menarik untuk dipelajari, sebab monomernya mudah diperoleh, kemudahannya untuk disintesis, sifat elektrokimia yang memuaskan, stabil terhadap lingkungan, konduktivitasnya tinggi, dan mempunyai berbagai tingkat bilangan oksidasi serta tingkat protonasi.

Polianilin (PANI) luas penggunaannya, karena kemampuannya untuk didoping dengan senyawa lain dan sifat konduktivitasnya yang khas. PANI sering dipakai pada alat elektrokimia. Film PANI mudah didegradasi dengan cara hidrolisis pada elektrolit asam Surfaktanatau dengan cara oksidasi.

Surfaktan merupakan salah satu produk yang luas penggunaannya dalam industri kimia. Surfaktan dapat dijumpai pada deterjen, flotating agent untuk mengekstrak bijih besi, dan lainnya. Surfaktan adalah akronim dari surface active agent, zat aktif permukaan, yaitu senyawa yang bila dalam konsentrasi rendah pada sistem, akan bertindak sebagai adsorben, mengadsorbsi permukaan (surface) atau batas antar muka (interface) dalam sistem, serta mengubah energi bebasnya.

Molekul surfaktan memberikan efek hidrofobik, dengan mengontrol katalisis elektrokimia, mempengaruhi orientasi dan kelarutan pada media misel dan akan menghasilkan film PANI yang bagus. Salah satu contoh, polypyrrole yang ditumbuhkan dengan adanya surfaktan anionik amphipathic, dapat menaikkan konduktivitas dan aktivitas.

Dari percobaan yang dilakukan oleh Heeger, dilaporkan bahwa konduktivitas PANI meningkat hingga 400Scm-1 pada larutan dengan anion CAS (Camphore Sulfonic Acid) dan 250Scm-1 dengan adanya DBSA sebagai dopant. Adanya dopant menghasilkan film dengan kualitas tinggi dan mengurangi ketidakteraturan. Dengan adanya surfaktan agent, terjadi penurunan energi bebas sistem, dimana terjadi interaksi antara surfaktan dengan polimer elektrokimia seperti PANI, akan mengubah sifat makro dan mikro.

Faktor yang mempengaruhi asosiasi PANI-surfaktan adalah gaya ikatan van der waals, elektrostatik dipolar dan efek hidrofobik surfaktan. SDS adalah anion surfaktan yang dapat mengubah konformasi rantai PANI sehingga meningkatkan konduktivitasnya.

Dalam proses polimerisasi, kehadiran dari anion surfaktan dapat mempengaruhi kecepatan polimerisasi dan keseragaman film yang dihasilkan. Misel anionik dari SDS dapat mengkatalisis proses elektropolimerisasi anilin dan meningkatkan elektroaktivitas serta keseragaman film.

Ada dua cara yang paling sering digunakan untuk mensintesis film polianilin, yaitu melalui polimerisasi anilin oksidatif yang menggunakan oksidator kimia (biasanya APS) dan elektropolimerisasi. Mekanisme yang dilalui oleh kedua cara tersebut berbeda satu sama lainnya. Tetapi, masing-masing akan mengalami tahapan reaksi yang sama. Langkah-langkah dalam proses polimerisasi terdiri dari inisiasi, propagasi, dan terminasi. Pada tahap inisiasi, terjadi pembentukan growing side yang baru. Sedangkan pada tahap propagasi, sulit terjadi pembentukan growing side yang baru, karena lebih dominan terjadi proses pertumbuhan inti yang sudah dihasilkan dari tahap inisiasi. Pertumbuhan inti akan menghasilkan rantai radikal polianilin. Reaksi dasar, dimana tempat radikal bergabung dan mengakhiri rantai, disebut tahap terminasi. Dari reaksi polimerisasi diatas, akan diperoleh polianilin dengan derajat polimerisasi tertentu. Derajat polimerisasi adalah jumlah monomer yang terlibat dalam pembentukan rantai. Dengan demikian, derajat polimerisasi menunjukkan panjang polimer yang dihasilkan.

Adanya doping anion surfaktan pada film PANI, akan meningkatkan penampilan dan kualitas film. Oleh sebab itu, akan dipelajari sifat elektrokimia, struktur, dan konduktivitas film PANI yang dideposisi dalam larutan yang mengandung SDS dan SDBS sebagai dopant. Akan dikaji efek surfaktan anionik terhadap kualitas film.

Abstrak Penelitian Saya Pada Prodi S1 Kimia UI dengan Judul “Sintesis dan Karakterisasi Organoclay dari Lempung Alam dan Lempung Sintesis yang Dimodifikasi Surfaktan HDTMABr melalui Metode Hidrotermal”

25 Januari 2010

Organoclay telah disintesis melalui penyisipan molekul surfaktan HDTMABr dalam interlayer lempung alam dan lempung sintesis melalui metode hidrotermal.  Hasil XRD menunjukkan bahwa fraksionasi sedimentasi dapat meningkatkan kemurnian mineral smektit, sedangkan perlakuan kimia (purifikasi) dapat menurunkan kandungan mineral smektit.  Kemurnian mineral smektit pada lempung alam meningkat dari 62,07% (raw) menjadi optimum sebesar 75,65% (F2) setelah settling selama 30 menit.  Perlakuan kimia dengan metode Tributh dan Lagaly menyebabkan destabilisasi kerangka mineral smektit yang signifikan pada lempung alam hasil sedimentasi (F2),  tetapi tidak pada lempung sintesis (raw bentonit sintesis atau BS).  Hasil XRD menunjukkan bahwa eliminasi karbonat menurunkan kandungan mineral smektit.  Eliminasi oksida besi diduga mendestabilisasi kerangka mineral smektit akibat distorsi lembaran oktahedral yang tidak terisi kation setelah Fe(III) struktural direduksi oleh sitrat-bikarbonat-ditionit (CBD).  Hasil XRD setelah eliminasi oksida besi tidak menunjukkan puncak mineral smektit pada dua tetha sekitar 4 sampai 6 derajat.  Dugaan destabilisasi kerangka mineral smektit diperkuat oleh hasil FTIR yang menunjukkan adanya penurunan pita serapan [Fe2+3-O-H uluran setelah perlakuan kimia dengan metode Tributh dan Lagaly.  Hasil AAS menunjukkan bahwa nilai Kapasitas Pertukaran Kation (KTK) F2 lebih tinggi dibandingkan dengan BS.  Nilai KTK F2 dan BS menurun setelah eliminasi karbonat.  Penambahan surfaktan HDTMABr menyebabkan F2 maupun BS sulit terdispersi dan mudah terdeposisi dalam suspensinya.  Hasil XRD dan FTIR mengindikasikan terjadinya penyisipan molekul surfaktan dalam interlayer lempung.  Pergeseran pita serapan CH2 uluran antisimetri dan pita serapan CH2 uluran simetri menuju bilangan gelombang yang lebih kecil mengindikasikan peningkatan jumlah surfaktan yang terisi dalam interlayer lempung.  Hasil XRD menunjukkan bahwa organoclay dapat disintesis setelah F2 dan BS bebas karbonat.  Perlakuan kimia dengan metode Tributh dan Lagaly menyebabkan surfaktan cenderung sukar mengisi interlayer lempung.  Surfaktan kemungkinan besar hanya teradsorpsi fisik pada permukaan eksternal lempung.  Hasil TGA-DTG menunjukkan bahwa pengurangan berat pada rentang suhu 50-100°C, 110-200°C, 240-330°C, serta 340-490°C mengindikasikan adanya surfaktan yang terinterkalasi dan teradsorpsi pada lempung alam.

Kimia Inti

13 Januari 2010

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari mengenai gejala radioaktivitas yang terjadi pada beberapa isotop, mempelajari radioaktivitas dan peluruhan radioaktif, mempelajari tentang partikel-partikel yang terlibat dalam peluruhan radioaktif, memahami konsep waktu paruh, mempelajari dasar-dasar reaksi fusi dan fisi isotop, serta mempelajari beberapa efek positif maupun negatif penggunaan zat radioaktif dalam kehidupan sehari-hari.

Untuk memahami kimia inti, kita perlu mengetahui struktur dasar atom (lihat : Perkembangan Teori Atom dan Konfigurasi Elektron). Inti merupakan padatan pada pusat atom yang berisi proton dan neutron.  Sementara itu, elektron berada di luar inti, yaitu pada tingkat-tingkat energi tertentu (kulit atom). Proton bermuatan positif, neutron tidak bermuatan, dan elektron bermuatan negatif. Atom yang bersifat netral mengandung jumlah proton dan elektron sama, tetapi jumlah neutron suatu atom pada unsur dapat bervariasi. Atom dari unsur-unsur yang sama dan memiliki jumlah neutron yang berbeda disebut sebagai isotop.

Radioaktivitas didefinisikan sebagai peluruhan spontan dari inti yang tidak stabil. Inti yang tidak stabil dapat terpecah menjadi dua partikel atau lebih lainnya dengan membebaskan sejumlah energi. Pemecahan ini dapat terjadi melalui beberapa cara , bergantung pada atom tertentu yang meluruh.

Kita dapat meramalkan suatu partikel radioaktif yang meluruh dengan mengetahui partikel lainnya. Ramalan ini melibatkan penyetaraan reaksi inti (reaksi inti adalah reaksi yang melibatkan perubahan pada struktur inti).

Penyetaraan reaksi inti merupakan suatu proses yang sangat sederhana. Dalam reaksi inti, kita mengenal istilah reaktan dan produk. Reaktan adalah senyawa yang digunakan, sedangkan produk merupakan senyawa baru yang terbentuk.

Untuk semua reaksi inti yang harus disetarakan, jumlah semua nomor atom pada sisi kiri tanda panah harus sama dengan jumlah semua nomor atom pada sisi kanan tanda panah. Hal yang sama juga berlaku untuk jumlah nomor massa.

Sebagai contoh, kita akan melakukan reaksi inti dengan menembakkan isotop klorin tertentu (Cl-35) dengan menggunakan neutron. Kita mengamati bahwa isotop Hidrogen (H-1) dihasilkan bersama-sama dengan isotop lainnya dan kita ingin mengetahui isotop apakah itu. Persamaan reaksi inti yang terjadi adalah sebagai berikut :

17Cl350n1 →  X1H1

Sekarang, untuk mengetahui isotop yang tidak diketahui (dinyatakan sebagai X), kita harus menyetarakan persamaan reaksi tersebut. Jumlah nomor atom di sisi kiri adalah 17 + 0 = 17. Jadi, kita juga harus mendapatkan jumlah nomor atom di sisi kanan sama, yaitu sama dengan 17. Sekarang, kita mempunyai nomor atom 1 di sisi kanan, sehingga nomor atom dari isotop yang tidak diketahui menjadi 17 – 1 = 16. Nomor atom ini diketahui sebagai unsur belerang (S).

Berikutnya, perhatikanlah nomor massa pada persamaan tersebut. Jumlah nomor massa di sisi kiri adalah 35 + 1 = 36. Kita menginginkan jumlah nomor massa yang sama di sisi kanan, yaitu 36. Sekarang, kita telah memiliki nomor massa 1 di sisi kanan. Dengan demikian, nomor massa dari isotop yang tidak diketahui menjadi 36 – 1 = 35. Ternyata X adalah isotop belerang (S-35).

Berikut ini adalah persamaan reaksi inti yang telah disetarakan :

17Cl350n1 →  16S351H1

Persamaan ini menyatakan transmutasi inti, yaitu perubahan suatu unsur menjadi unsur lainnya dan proses ini dapat dikendalikan oleh manusia. Reaksi perubahan inti unsur semacam ini lebih dikenal dengan istilah transmutasi buatan. Dari contoh di atas, S-35 adalah isotop belerang yang tidak terdapat secara alamiah. Isotop ini adalah isotop buatan manusia. Alkemiawan, yaitu kimiawan zaman dahulu, memimpikan perubahan suatu unsur menjadi unsur lainnya (umumnya plumbul/timbal menjadi emas). Akan tetapi, mereka tidak dapat pernah memulai prosesnya. Kini, para kimiawan, kadang-kadang dapat  mengubah satu unsur menjadi unsur lainnya.

Isotop tertentu bersifat tidak stabil, sehingga inti atom unsur mudah terpecah dengan mengalami peluruhan inti. Kadang-kadang, produk dari peluruhan inti bersifat tidak stabil, sehingga dapat mengalami pelruhan inti berikutnya. Sebagai contoh, bila U-238 (salah satu isotop radioaktif Uranium) pada awalnya mengalamu peluruhan, akan dihasilkan isotop Th-234. Isotop tersebut tidak stabil dan akan mengalami peluruhan kembali membentuk isotop Pa-234. Isotop tersebut pun tidak stabil. Akibatnya, akan terjadi peluruhan terus-menerus sampai akhirnya secara keseluruhan terdapat 14 tahapan untuk menghasilkan produk akhir berupa isotop Pb-206 yang bersifat stabil, sehingga peluruhan selanjutnya tidak akan terjadi.

Sebelum kita membahas bagaimana isotop radioaktif dapat meluruh, kita akan mempelajari mengapa isotop tertentu dapat meluruh. Inti memiliki semua proton yang bermuatan positif yang ada bersama-sama pada volum ruang yang sangat kecil. Semua proton ini akan saling tolak-menolak­ sehingga gaya yang biasanya menahan seluruh inti (perekat inti) kadang-kadang tidak dapat bekerja dengan baik. Akibatnya, inti akan terpecah atau mengalami peluruhan inti.

Semua unsur dengan 84 proton atau lebih bersifat tidak stabil, sehingga akhirnya mengalami peluruhan. Isotop lain yang intinya mengandung jumlah proton yang lebih juga dapat bersifat radioaktif. Radioaktivitas berhubungan dengan perbandingan neutron/proton di dalam inti atom. Jika perbandingan neutron/proton (n/p) terlalu tinggi (n/p > 1 ; terlalu banyak neutron ; terlalu sedikit proton), isotop dikatakan kaya neutron. Oleh karena itu, isotop bersifat tidak stabil. Sama halnya bila perbandingan neutron/proton (n/p) terlalu rendah (n/p < 1 ; terlalu sedikit neutron; terlalu banyak proton), isotop dikatakan kaya proton. Isotop semacam ini pun bersifat tidak stabil. Perbandingan neutron/proton (n/p) untuk unsur tertentu harus berada pada kisaran tertentu, sehingga unsur tersebut bersifat stabil. Itulah sebabnya isotop suatu unsur ada yang bersifat stabil dan ada pula yang bersifat radioaktif.

Terdapat tiga cara utama yang menyebabkan terjadinya peluruhan isotop radioaktif secara alami, antara lain :

  1. Pemancaran partikel alfa (α)
  2. Pemancaran partikel beta (β)
  3. Pemancaran radiasi gamma (γ)

Selain itu, terdapat pula dua cara peluruhan radioaktif yang kurang umum, yaitu :

  1. Pemancaran positron (β+)
  2. Penangkapan elektron (e-)

Pemancaran Partikel Alfa

Partikel alfa (α) didefinisikan sebagai partikel bermuatan positif pada inti helium. Partikel alfa tersusun atas dua proton dan dua neutron, sehingga dapat dinyatakan sebagai atom Helium-4 (He-4). Oleh karena partikel alfa terpecah dari inti atom radioaktif, partikel ini tidak memiliki elektron. Dengan demikian, partikel alfa memiliki muatan +2. Partikel alfa (α) merupakan partikel inti Helium yang bermuatan positif (kation dari unsur Helium, He2+). Akan tetapi, elektron pada dasarnya bebas, mudah untuk lepas dan muadh pula untuk didapat. Jadi, secara umum, partikel alfa (α) dapat dituliskan tanpa muatan karena akan dengan cepat mendapatkan 2 elektron dan menjadi atom Helium netral (bukan sebagai ion).

Unsur berat dan besar, seperti Uranium (U) dan Thorium (Th), cenderung melakukan pemancaran (emisi) partikel alfa. Peluruhan inti ini terjadi dengan cara membebaskan dua muatan positif (dua proton) dan empat satuan massa (dua proton + dua neutron). Suatu proses yang sangat hebat. Setiap kali partikel alfa dipancarkan (diemisikan), empat satuan massa hilang.

Sebagai contoh, isotop Radon-222 (Rn-222), dapat mengalami peluruhan dan memancarkan partikel alfa. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

86Rn222 →  84Po2182He4

Dalam hal ini, isotop Radon-222 mengalami peluruhan inti dengan membebaskan partikel alfa. Isotop baru yang terbentuk pada proses peluruhan ini adalah isotop baru dengan nomor massa 218 (yang diperoleh dari 222 –  4) dan nomor atom 84 (yang diperoleh dari 86 – 2). Isotop tersebut adalah Polonium (Po).

Pemancaran Partikel Beta

Partikel beta (β) pada dasarnya adalah elektron yang dipancarkan dari inti. Kita tentu akan bertanya, bukankah elektron tidak terdapat di dalam inti atom?Bagaimana elektron dapat dipancarkan dari inti atom yang tidak mengandung elektron?Marilah kita mengikuti penjelasan berikut secara seksama.

Sebagai contoh, saya ingin membahas peluruhan yang terjadi pada isotop Iodin. Isotop Iodin-131 (I-131) digunakan dalam bidang medis sebagai isotop untuk mendeteksi dan mengobati kanker kelenjar gondok (tyroid). Isotop tersebut mengalami peluruhan dan memancarkan partikel beta. Reaksi yang terjadi  adalah sebagai berikut :

53I131 →  54Xe131 -1e0

Pada proses ini, isotop Iodin-131 (I-131) melepaskan partikel beta (elektron). Isotop baru yang dihasilkan memiliki nomor atom 54 dan nomor massa 131. Isotop tersebut adalah Xenon (Xe).

Perhatikanlah bahwa nomor massa tidak berubah dari I-131 menjadi Xe-131. Akan tetapi, nomor atomnya naik satu (dari 53 menjadi 54). Peristiwa yang terjadi di dalam inti atom iodin adalah perubahan neutron menjadi proton dan elektron.

0n1 →  1p1-1e0

Perubahan sebuah neutron menjadi sebuah proton akan diikuti dengan terbentuknya sebuah elektron. Elektron yang terbentuk dipancarkan dari inti atom sebagai partikel beta (β). Isotop dengan perbandingan n/p tinggi sering mengalami pemancaran beta (β). Hal ini terjadi karena peluruhan ini menyebabkan jumlah neutron berkurang satu dan jumlah proton bertambah satu, sehingga menurunkan perbandingan n/p.

Pemancaran Radiasi Gamma

Partikel alfa (α) dan partikel beta (β) mempunyai karakteristik materi. Keduanya memiliki massa tertentu dan menempati ruang. Namun, karena tidak ada perubahan massa yang berhubungan dengan pemancaran sinar gamma (γ), kita dapat menyatakan bahwa pemancaran sinar gamma (γ) sebagai pemancaran radiasi gamma (γ). Radiasi gamma (γ) sangat menyerupai sinar X, yaitu radiasi dengan energi tinggi dan memiliki panjang gelombang pendek (short wavelength). Radiasi sinar gamma umumnya disertai dengan pemancaran partikel alfa dan partikel beta. Tetapi, biasanya tidak dinyatakan pada persamaan reaksi inti yang disetarakan. Beberapa isotop, seperti Cobalt-60 (Co-60), melepaskan sejumlah besar radiasi sinar gamma. Isotop ini sering digunakan untuk pengobatan kanker dengan metode radiasi. Paramedis akan mengarahkan sinar gamma ke tumor, sehingga sinar tersebut diharapkan dapat merusaknya.

Pemancaran Positron

Pemancaran positron tidak terjadi pada isotop radioaktif yang meluruh secara alami, tetapi hal ini terjadi secara alami pada isotop radioaktif buatan manusia. Positron pada dasarnya merupakan elektron yang memiliki muatan positif. Positron dapat terbentuk bila proton di dalam inti atom meluruh menjadi neutron. Positron yang terbentuk ini kemudian dipancarkan dari inti atom.

Proses ini terjadi pada beberapa isotop, seperti isotop Kalium-40 (K-40). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

19K40 →  18Ar40 +1e0

Isotop K-40 memancarkan positron, dan membentuk isotop baru dengan nomor massa 40 dan nomor atom 18. Isotop Argon-40 (Ar-40) telah terbentuk.

Perhatikanlah bahwa nomor massa tidak berubah dari K-40 menjadi Ar-40. Akan tetapi, nomor turun satu (dari 19 menjadi 18). Peristiwa yang terjadi di dalam inti atom kalium adalah perubahan proton menjadi neutron dan melepaskan positron.

1p1 →  0n1+1e0

Perubahan sebuah proton menjadi sebuah neutron akan diikuti dengan terbentuknya sebuah positron. Positron yang terbentuk dipancarkan dari inti atom sebagai partikel positron (β+). Isotop dengan perbandingan n/p rendah sering mengalami pemancaran positron (β+). Hal ini terjadi karena peluruhan ini menyebabkan jumlah proton berkurang satu dan jumlah neutron bertambah satu, sehingga menaikkan perbandingan n/p.

Penangkapan Elektron

Penangkapan elektron merupakan jenis peluruhan inti yang jarang terjadi. Dalam peluruhan ini, elektron dari tingkat energi yang lebih dalam (misalkan subkulit 1s) akan ditangkap oleh inti atom. Elektron tersebut akan bergabung  dengan proton pada inti atom membentuk neutron. Akibatnya, nomor atom berkurang satu dan nomor massanya tetap sama.

1p1 -1e0 →  0n1

Sebagai contoh, reaksi yang terjadi saat penangkapan elektron pada Polonium-204 (Po-204) sebagai berikut :

84Po204-1e0 →  83Bi204 +  sinar-X

Perubahan sebuah proton menjadi sebuah neutron dapat terjadi saat penangkapan sebuah elektron. Isotop dengan perbandingan n/p rendah dapat mengalami penangkapan elektron (e-). Hal ini terjadi karena reaksi ini menyebabkan jumlah proton berkurang satu dan jumlah neutron bertambah satu, sehingga menaikkan perbandingan n/p.

Penangkapan elektron pada subkulit 1s menyebabkan kekosongan pada subkulit 1s. Elektron yang berasal dari subkulit lain dengan level energi yang lebih tinggi akan “turun” untuk mengisi kekosongan ini disertai pembebasan sejumlah energi dalam bentuk sinar X yang tidak tampak.

Waktu Paruh dan Peluruhan Radioaktif

Jika kita dapat melihat sebuah atom isotop radioaktif, seperti U-238, kita tidak dapat meramalkan kapan atom tersebut akan meluruh. Peluruhan ini dapat terjadi dalam waktu beberapa milidetik atau mungkin membutuhkan waktu selama satu abad. Ternyata ada cara sederhana untuk mengetahuinya.

Dibutuhkan waktu tertentu bagi separuh dari atom radioaktif untuk meluruh dan tersisa setengah dari sebelumnya. Kemudian, dibutuhkan juga sejumlah waktu yang sama untuk separuh dari atom radioaktif yang sisa untuk meluruh dan sejumlah waktu yang sama untuk atom radioaktif sisa untuk meluruh dan seterusnya. Banyaknya waktu yang digunakan untuk separuh dari cuplikan meluruh disebut waktu paruh (t1/2).

Berikut ini adalah tabel hubungan waktu paruh (t1/2) dengan jumlah zat radioaktif yang masih tersisa setelah peluruhan :

Waktu Paruh (t1/2) Persentase Isotop Radioaktif yang Tersisa
0 100,00
1 50,00
2 25,00
3 12,50
4 6,25
5 3,125
6 1,5625
7 0,78 (hasil pembulatan)
8 0,39 (hasil pembulatan)
9 0,19 (hasil pembulatan)
10 0,09 (hasil pembulatan)

Perlu dipahami bahwa waktu paruh (t1/2) peluruhan isotop radioaktif tidak linear.  Peluruhan ini bersifat eksponensial. Jika kita ingin menentukan waktu atau jumlah yang tidak berhubungan dengan kelipatan sederhana pada waktu paruh, kita dapat menggunakan persamaan berikut :

ln (No/Nt) = (0,6963 t) / t1/2

Pada persamaan tersebut, ln adalah singkatan dari logaritma natural (logaritma dengan bilangan pokok e). No adalah jumlah isotop radioaktif mula-mula. Nt adalah jumlah radioisotop yang yang tertinggal pada waktu tertentu (t) dan t1/2 adalah waktu paruh radioisotop. Jika kita mengetahui waktu paruh (t1/2) dan jumlah isotop radioaktif mula-mula (No), kita dapat menggunakan persamaan ini untuk menghitung jumlah radioaktif sisa (Nt) setiap waktu.

Bentuk lain dari persamaan di atas adalah sebagai berikut :

Nt / No = (1/2)^ (t/t1/2)

Waktu paruh bisa menjadi sangat pendek atau sangat panjang. Tabel berikut menunjukkan waktu paruh (t1/2) dari beberapa jenis isotop radioaktif.

Radioisotop Radiasi yang Dipancarkan Waktu Paruh (t1/2)
Kr-94 β 1,4 detik
Rn-222 α 3,8 hari
I-131 β 8 hari
Co-60 γ 5,2 tahun
H-3 β 12,3 tahun
C-14 β 5730 tahun
U-235 α 4,5 miliar tahun
Re-187 β 70 miliar tahun

Cuplikan waktu paruh penting untuk diketahui, sebab dapat digunakan untuk menentukan kapan suatu bahan radioaktif aman untuk ditangani. Aturannya adalah suatu cuplikan dinyatakan aman bila radioaktivitasnya telah turun sampai di bawah batas pengamatan (ini terjadi setelah 10 kali waktu paruh). Jadi, jika radioaktif Iodin-131 (I-131) dengan waktu paruh (t1/2) = 8 hari dimasukkan ke dalam tubuh guna mengobati kanker thyroid, bahan ini akan hilang dalam 10 kali waktu paruh atau 80 hari. Hal ini penting untuk diketahui, sebab radioaktif yang digunakan sebagai pelacak medis yang dimasukkan ke dalam tubuh, digunakan oleh seorang dokter untuk melacak suatu saluran, menemukan suatu penghalang atau untuk pengobatan (terapi) kanker. Isotop radioaktif ini harus aktif dalam waktu yang cukup lama untuk pengobatan, tetapi juga harus cukup pendek, sehingga tidak merusak sel-sel atau organ-organ yang sehat.

Aplikasi waktu paruh yang sangat berguna adalah pada pelacakan radioaktif. Ini berhubungan dengan penentuan usia benda-benda kuno.

Karbon 14 (C-14) adalah isotop karbon radioaktif yang dihasilkan di atomosfer bagian atas oleh radiasi kosmis. Senyawa utama di atmosfer yang mengandung karbon adalah karbon dioksida (CO2). Sangat sedikit sekali jumlah karbon dioksida tang mengandung isotop C-14. Tumbuhan menyerap C-14 selama fotosintesis. Dengan demikian, C-14 terdapat dalam struktur sel tumbuhan. Tumbuhan kemudian dimakan oleh hewan, sehingga C-14 menjadi bagian dari struktur sel pada semua organisme.

Selama suatu organisme hidup, jumlah isotop C-14 dalam struktur selnya akan tetap konstan. Tetapi, bila organisme tersebut mati, jumlah C-14 mulai menurun. Para ilmuwan kimia telah mengetahui waktu paruh dari C-14, yaitu 5730 tahun. Dengan demikian, mereka dapat menentukan berapa lama organisme tersebut mati.

Pelacakan radioaktif dengan menggunakan isotop C-14 telah digunakan untuk menentukan usia kerangka yang ditemukan di situs-situs arkeologi. Belakangan ini, isotop C-14 digunakan untuk mengetahui usia Shroud of Turin (kain kafan dari Turin), yaitu sepotong kain linen pembungkus mayat manusia dengan gambaran seorang manusia tercetak diatasnya. Banyak yang berpikir bahwa itu adalah bahan pembungkus Nabi Isa. Tetapi, pada tahun 1988, pelacakan radiokarbon menemukan bahwa bahan tersebut berasal dari tahun 1200-1300 SM. Meskipun kita tidak mengetahui bagaimana bentuk orang itu tercetak pada kain kafan tersebut, pelacakan radioaktif C-14 membuktikan bahwa bahan tersebut bukan kain kafan Nabi Isa.

Pelacakan dengan isotop C-14 hanya dapat digunakan untuk menentukan usia sesuatu yang pernah hidup (organisme). Isotop ini tidak dapat digunakan untuk menentukan umur batuan bulan atau meteorit. Untuk benda-benda mati, para ilmuwan kimia menggunakan isotop lainnya, seperti Kalium 40 (K-40).

Pada tahun 1930-an, para ilmuwan menemukan bahwa beberapa reaksi inti dapat dimulai dan dikendalikan oleh manusia. Para ilmuwan biasanya menembakkan suatu isotop besar dengan isotop kedua yang lebih kecil (umumnya neutron). Tumbukan kedua isotop ini dapat menyebabkan isotop besar tersebut pecah menjadi dua unsur atau lebih. Dalam hal ini, isotop besar mengalami pemecahan inti (nuclear fission/fisi inti).

Sebagai contoh, pemecahan isotop U-235 menjadi dua isotop baru dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi transmutasi berikut :

92U2350n1 →  56Ba14236Kr91 +  3 1n0

Reaksi jenis ini juga membebaskan energi dalam jumlah besar. Berasal dari manakah energi tersebut? Apabila pengukuran dilakukan dengan tingkat ketelitian yang sangat tinggi pada semua massa atom dan partikel subatom mula-mula, kemudian semua massa atom dan partikel subatom akhir, lalu membandingkan keduanya. Kita akan memperoleh hasil bahwa terdapat sejumlah massa yang “hilang”. Materi “hilang” selama reaksi inti. Hilangnya materi ini disebut sebagai pengurangan massa atau defek massa. Materi yang “hilang” ini berubah menjadi energi.

Kita dapat menghitung besarnya energi yang dihasilkan dari reaksi fisi selama reaksi inti dengan persamaan yang sangat sederhana, yang telah dikembangkan oleh Albert Einstein (lihat : Kisah Para Ilmuwan ; Albert Einstein), yaitu E = mc2. Pada persamaan ini, E adalah energi yang dihasilkan; m adalah massa yang “hilang” (defek massa); dan c adalah kecepatan cahaya (3,00 x 108 m/s). Kecepatan cahaya dikuadratkan membuat bagian dari persamaan ini mempunyai bilangan yang sangat besar, sehingga bila dikalikan dengan jumlah massa yang kecil hasilnya tetap merupakan sejumlah energi yang besar.

Reaksi Berantai (Chain Reaction)

Pada persamaan fisi isotop U-235 (lihat reaksi di atas) digunakan sebuah neutron. Akan tetapi, reaksi kembali membentuk tiga neutron. Ketiga neutron tersebut, apabila semuanya bertemu dengan isotop U-235 lainnya, dapat memulai pemecahan (fisi) lainnya, yang akan menghasilkan lebih banyak neutron. Ini merupakan efek domino yang telah lama diketahui manusia. Dalam istilah kimia inti, serangkaian pemecahan inti ini disebut reaksi beranai (chain reaction).

Chain reaction ini bergantung pada banyaknya neutron yang dilepaskan, bukan pada banyaknya neutron yang digunakan selama reaksi inti. Saat kita menuliskan persamaan reaksi fisi isotop U-238 (isotop Uranium yang lebih melimpah di alam), kita hanya menggunakan satu neutron dan mendapatkan satu neutron pula. Reaksi berantai tidak dapat terjadi pada isotop U-238. Hanya isotop yang dapat menghasilkan neutron berlebihan pada pemecahannya yang dapat mengalami chain reaction. Jenis isotop ini dikatakan dapat pecah. Hanya ada dua isotop utama yang dapat dipecah selama reaksi inti, yaitu U-235 dan Pu-239.

Rahasia untuk mengendalikan reaksi berantai adalah dengan mengendalikan jumlah neutron. Apabila neutron dapat dikendalikan, energi yang dilepaskan dapat dikendalikan. Itulah yang dilakukan oleh para ilmuwan pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN).

Dalam beberapa hal, pembangkit listrik tenaga nuklir sama dengan pembangkit listrik konvensional yang menggunakan bahan bakar fosil . Pada jenis pembangkit listrik ini, bahan bakar fosil (batu bara, minyak bumi, gas alam) dibakar, dan panasnya digunakan untuk mendidihkan air yang digunakan untuk membuat uap air. Uap airnya kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin yang disambungkan ke generator yang menghasilakn listrik.

Perbedaan nyata antara pembangkit listrik konvensional dan nuklir adalah pembangkit listrik tenaga nuklir menghasilkan panasnya melalui reaksi berantai pemecahan inti isotop.

Di Amerika, terdapat kira-kira 100 reaktor nuklir yang menghasilakn sekitar 20 persen kebutuhan listrik negara. Di Perancis, hampir 80 persen listrik negara dihasilkan melalui chain reaction. Keuntungan penggunaan tenaga nuklir adalah tidak perlu membakar bahan bakar fosil (menghemat sumber bahan bakar fosil untuk menghasilkan plastik dan obat-obatan) dan tidak ada produk hasil pembakaran seperti CO2, SO2, dan lainnya yang dapat mencemari air dan udara. Akan tetapi, masih terdapat sejumlah masalah yang berhubungan dengan penggunaan tenaga nuklir.

Masalah pertama adalah biaya. Masalah berikutnya adalah ketersediaan isotop U-235 sangat terbatas. Dari semua Uranium yang terdapat di alam, hanya sekitar 0,75 persennya merupakan U-235. Sebagian besar merupakan isotop U-238 yang tidak dapat dipecah. Keterbatasan jumlah bahan bakar nuklir serupa dengan keterbatasan sumber daya bahan bakar fosil yang tersedia di alam. Akan tetapi, yang menjadi masalah utama (krusial) penggunaan tenaga nuklir adalah tingkat keamanan penggunaan nuklir dan pengelolaan limbah nuklir. Reaktor nuklir harus benar-benar aman dan tidak menghasilkan radiasi yang membahayakan kesehatan para petugas maupun penduduk di area reaktor nuklir berdiri. Sebagai tambahan, limbah yang dihasilkan harus diolah sedemikian rupa agar tetap aman dan tidak membahayakan kesehatan manusia.

Penggabungan Inti (Nuclear Fussion)

Segera setelah proses pemecahan (fisi) ditemukan, proses lainnya yang disebut fusi (penggabungan) ditemukan. Reaksi fusi pada dasarnya merupakan kebalikan dari reaksi fisi. Pada reaksi fisi, inti yang lebih berat dipecah menjadi inti yang lebih kecil. Sebaliknya, pada reaksi fusi, inti yang lebih ringan digabung menjadi inti yang lebih berat.

Proses penggabungan (fusi) adalah reaksi yang memberikan tenaga pada matahari. Di matahari, pada serangkaian reaksi inti, empat isotop H-1 digabung menjadi He-4 dengan membebaskan sejumlah besar energi. Di bumi, dua isotop hidrogen lainnya yang digunakan dalam reaksi fusi adalah Deuterium (H-2) dan Tritium (H-3). Deuterium adalah isotop hidrogen yang ada dalam jumlah kecil, tetapi masih tetap melimpah. Sedangkan Tritium tidak terjadi secara alami, tetapi dapat dengan mudah diproduksi dengan cara menembakkan Deuterium dengan neutron. Reaksi penggabungan antara Deuterium dan Tritium adalah sebagai berikut :

1H2 1H3 →  2He40n1

Aplikasi penggabungan inti yang pertama kali adalah pada penggunaan bom Hidrogen yang dilakukan oleh militer. Bom Hidrogen mempunyai tenaga 1000 kali lebih kuat dari bom atom biasa.

Tujuan penggunaan reaksi fusi adalah menghasilkan energi dalam jumlah melimpah. Permasalahan yang dihadapi sekarang adalah sulitnya mengendalikan reaksi fusi.  Jika energi dari reaksi ini dapat dikendalikan dan dilepaskan secara perlahan-lahan, maka dapat digunakan untuk menghasilkan listrik. Cara ini akan memberikan persediaan energi yang tidak terbatas sekaligus tidak menghasilkan polutan yang membahayakan atmosfer.

Efek Radiasi

Radiasi dapat menyebabkan dua efek utama pada tubuh, yaitu merusak sel dengan panas dan mengionisasi sekaligus memecahkan sel. Radiasi menghasilkan panas. Panas ini dapat merusak jaringan, sama seperti yang terjadi pada kulit yang terbakar matahari. Faktanya, istilah luka bakar radiasi umumnya digunakan untuk menjelaskan kerusakan kulit dan jaringan karena adanya panas.

Cara utama radiasi merusak tubuh organisme adalah melalui pemecahan sel dan ionisasi. Partikel radioaktif dan radiasi mempunyai energi kinetik yang besar. Saat partikel ini menyerang sel di dalam tubuh, partikel dapat memecah (merusak) sel ata mengionisasi sel, sehingga sel menjadi ion-ion (bermuatan listrik) dengan menghilangkan satu elektron.  Ionisasi ini akan melemahkan ikatan dan dapat menyebabkan kerusakan, pemusnahan, atau mutasi DNA pada sel.

Referensi:

Andy. 2009. Pre-College Chemistry.

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.

Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia: Pakar Raya.

Daftar Seratus Senyawa Kimia

11 Januari 2010

No.

Nama Senyawa

Rumus Kimia

No.

Nama Senyawa

Rumus Kimia

1.

Air

H2O

51.

Tembaga (II) Oksida

CuO

2.

Etanol

C2H5OH

52.

Etanal

C2H4O

3.

Glukosa

C6H12­O6

53.

Magnesium Oksalat

MgC2O4

4.

Perak Nitrat

AgNO3

54.

Kalium Iodida

KI

5.

Kalsium Nitrat

Ca(NO3)2

55.

Kalium Permanganat

KMnO4

6.

Kalium Sulfat

K2SO4

56.

Kromium (III) Klorida

CrCl3

7.

Magnesium Hidroksida

Mg(OH)2

57.

Natrium Kromat

Na2CrO4

8.

Kalsium Karbonat

CaCO3

58.

Kalium Dikromat

K2Cr2O7

9.

Perak Klorida

AgCl

59.

Besi (III) Oksida

Fe2O3

10.

Propanon

C3H6O

60.

Asam Etanoat

C2H4O2

11.

Tembaga (II) Sulfat

CuSO4

61.

Barium Hidroksida

Ba(OH)2

12.

Karbon Dioksida

CO2

62.

Amonium Klorida

NH4Cl

13.

Natrium Klorida

NaCl

63.

Seng (II) Sulfat

ZnSO4

14.

Asam Klorida

HCl

64.

Barium Sulfat

BaSO4

15.

Magnesium Oksida

MgO

65.

Magnesium Hidrogen Karbonat

Mg(HCO3)2

16.

Barium Klorida

BaCl2

66.

Raksa (I) Bromida

Hg2Br2

17.

Litium Fluorida

LiF

67.

Nikel (III) Fosfat

NiPO4

18.

Barium Sulfida

BaS

68.

Emas (III) Klorida

AuCl3

19.

Tembaga (I) Oksida

Cu2O

69.

Mangan (II) Oksida

MnO

20.

Besi (III) Klorida

FeCl3

70.

Aluminium Oksida

Al2O3

21.

Amonium Hidroksida

NH4OH

71.

Karbon Monoksida

CO

22.

Natrium Karbonat

Na2CO3

72.

Nitrogen (I) Oksida

N2O

23.

Amonium Nitrat

NH4NO3

73.

Titanium (III) Karbonat

Ti2(CO3)3

24.

Besi (II) Sulfida

FeS

74.

Perak Oksalat

Ag2C2O4

25.

Metana

CH4

75.

Besi (II) Sulfat

FeSO4

26.

Amonia

NH3

76.

Dimetil Eter

C2H6O

27.

Natrium Hidroksida

NaOH

77.

Benzena

C6H6

28.

Kalium Fosfat

K3PO4

78.

Anilina

C6H5NH2

29.

Rubidium Oksalat

Rb2C2O4

79.

Asam Nitrat

HNO3

30.

Sesium Bromida

CsBr

80.

Amonium Fosfat

(NH4)3PO4

31.

Timbal (II) Iodida

PbI2

81.

Difosfor Pentaoksida

P2O5

32.

Besi (III) Bromida

FeBr3

82.

Kriolit

Na3AlF6

33.

Hidrogen Sulfida

H2S

83.

Seng Oksida

ZnO

34.

Aluminium Bromida

AlBr3

84.

Asam Sulfat

H2SO4

35.

Barium Oksida

BaO

85.

Karbon Tetraklorida

CCl4

36.

Silika

SiO2

86.

Metanol

CH4O

37.

Etilena

C2H2

87.

Aluminium Hidroksida

Al(OH)3

38.

Butana

C4H10

88.

Nitrogen Dioksida

NO2

39.

Hidrogen Peroksida

H2O2

89.

Kalsium Sulfida

CaS

40.

Kalium Tiosulfat

K2S2O3

90.

Stronsium Fosfat

Sr3(PO4)2

41.

Timbal (II) Nitrat

Pb(NO3)2

91.

Litium Flourida

LiF

42.

Tembaga (II) Sulfida

CuS

92.

Belerang Heksaklorida

SCl6

43.

Asam Oksalat

H2C2O4

93.

Fosfin

PH3

44.

Besi (III) Sulfat

Fe2(SO4)3

94.

Etilen Glikol

C2H6O2

45.

Belerang Trioksida

SO3

95.

Barium Iodida

BaI2

46.

Asam Salisilat

C7H6O3

96.

Fosfor Pentaklorida

PCl5

47.

Aspirin

C9H8O4

97.

Oleum

H2S2O7

48.

Kalsium Klorida

CaCl2

98.

Fenol

C6H5OH

49.

Litium Bromida

LiBr

99.

Kalium Asetat

CH3COOK

50.

Natrium Sulfit

Na2SO3

100.

Ozon

O3

Kimia Unsur Golongan Transisi Periode Keempat

15 Oktober 2009

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari tentang sifat unsur transisi periode keempat, reaksi kimia dan pengolahan unsur transisi periode keempat, pemanfaatan unsur transisi periode keempat dalam kehidupan sehari-hari, sifat senyawa kompleks yang terbentuk dari berbagai unsur transisi periode keempat, serta penulisan nama senyawa kompleks yang terbentuk.

Unsur transisi periode keempat umumnya memiliki elektron valensi pada subkulit 3d yang belum terisi penuh (kecuali unsur Seng (Zn) pada Golongan IIB). Hal ini menyebabkan unsur transisi periode keempat memiliki beberapa sifat khas yang tidak dimiliki oleh unsur-unsur  golongan utama, seperti sifat magnetik, warna ion, aktivitas katalitik, serta kemampuan membentuk senyawa kompleks. Unsur transisi periode keempat terdiri dari sepuluh unsur, yaitu Skandium (Sc), Titanium (Ti), Vanadium (V), Kromium (Cr), Mangan (Mn), Besi (Fe), Kobalt (Co), Nikel (Ni), Tembaga (Cu), dan Seng (Zn). (klik di sini untuk melihat sifat Unsur Transisi Periode Keempat dalam Tabel Periodik)

Dalam satu periode dari kiri (Sc) ke kanan (Zn), keelektronegatifan unsur hampir sama, tidak meningkat maupun menurun secara signifikan. Selain itu, ukuran atom (jari-jari unsur) serta energi ionisasi juga tidak mengalami perubahan signifikan. Oleh sebab itu, dapat disimpulkan bahwa semua unsur transisi periode keempat memiliki sifat kimia dan sifat fisika yang serupa. Hal ini berbeda dengan unsur utama yang mengalami perubahan sifat yang sangat signifikan dalam satu periode (lihat materi Unsur –Unsur Periode Ketiga).

Unsur transisi periode keempat umumnya memiliki keelektronegatifan yang lebih besar dibandingkan unsur Alkali maupun Alkali tanah, sehingga kereaktifan unsur transisi tersebut lebih rendah bila dibandingkan Alkali maupun Alkali Tanah. Sebagian besar unsur transisi periode keempat mudah teroksidasi (memiliki E°red negatif), kecuali unsur Tembaga yang cenderung mudah tereduksi (E°Cu = + 0,34 V). Hal ini berarti bahwa secara teoritis, sebagian besar unsur transisi periode keempat dapat bereaksi dengan asam kuat (seperti HCl) menghasilkan gas hidrogen, kecuali unsur Tembaga. Akan tetapi, pada kenyataanya, kebanyakan unsur transisi periode keempat sulit atau bereaksi lambat dengan larutan asam akibat terbentuknya lapisan oksida yang dapat menghalangi reaksi lebih lanjut. Hal ini terlihat jelas pada unsur Kromium. Walaupun memiliki potensial standar reduksi negatif, unsur ini sulit bereaksi dengan asam akibat terbentuknya lapisan oksida (Cr2O3) yang inert. Sifat inilah yang dimanfaatkan dalam proses perlindungan logam dari korosi (perkaratan).

Dibandingkan unsur Alkali dan Alkali Tanah, unsur-unsur transisi periode keempat memiliki susunan atom yang lebih rapat (closed packing). Akibatnya, unsur transisi tersebut memiliki kerapatan (densitas) yang jauh lebih besar dibandingkan Alkali maupun Alkali Tanah. Dengan demikian, ikatan logam (metallic bonds) yang terjadi pada unsur transisi lebih kuat. Hal ini berdampak pada titik didih dan titik leleh unsur transisi yang jauh lebih tinggi dibandingkan unsur logam golongan utama. Selain itu, entalpi pelelehan dan entalpi penguapan unsur transisi juga jauh lebih tinggi dibandingkan unsur logam golongan utama.

Unsur transisi periode keempat memiliki tingkat oksidasi (bilangan oksidasi) yang bervariasi. Hal ini disebabkan oleh tingkat energi subkulit 3d dan 4s yang hampir sama. Oleh sebab itu, saat unsur transisi melepaskan elektron pada subkulit 4s membentuk ion positif (kation), sejumlah elektron pada subkulit 3d akan ikut dilepaskan. Bilangan oksidasi umum yang dijumpai pada tiap unsur transisi periode keempat adalah +2 dan +3. Sementara, bilangan oksidasi tertinggi pada unsur transisi periode keempat adalah +7 pada unsur Mangan (4s2 3d7). Bilangan oksidasi rendah umumnya ditemukan pada ion Cr3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Cu+, dan Cu2+, sedangkan bilangan oksidasi tinggi ditemukan pada anion oksida, seperti CrO42-, Cr2O72-, dan MnO4-.

Perubahan bilangan oksidasi ditunjukkan oleh perubahan warna larutan. Sebagai contoh, saat ion Cr+7 direduksi menjadi ion Cr3+, warna larutan berubah dari orange (jingga) menjadi hijau.

Cr­2O72-(aq) +  14 H+(aq) +  6 e- ——>  2 Cr3+(aq) +  7 H2O(l)

Besi (Fe) adalah unsur yang cukup melimpah di kerak bumi (sekitar 6,2% massa kerak bumi). Besi jarang ditemukan dalam keadaan bebas di alam. Besi umumnya ditemukan dalam bentuk mineral (bijih besi), seperti hematite (Fe2O3), siderite (FeCO3), dan magnetite (Fe3O4).

Logam Besi bereaksi dengan larutan asam klorida menghasilkan gas hidrogen. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Fe(s) +  2 H+(aq) ——>  Fe2+(aq) +  H2(g)

Larutan asam sulfat pekat dapat mengoksidasi logam Besi menjadi ion Fe3+. Sementara larutan asam nitrat pekat akan membentuk lapisan oksida Fe3O4 yang dapat menghambat reaksi lebih lanjut. Umumnya, Besi dijumpai dalam bentuk senyawa dengan tingkat oksidasi +2 dan +3. Beberapa contoh senyawa Besi (II) antara lain FeO (hitam), FeSO4. 7H2O (hijau), FeCl2 (kuning), dan FeS (hitam). Ion Fe2+ dapat dengan mudah teroksidasi menjadi ion Fe3+ bila terdapat gas oksigen yang cukup dalam larutan Fe2+. Sementara itu, senyawa yang mengandung ion Besi (III) adalah Fe2O3 (coklat-merah) dan FeCl3 (coklat).

Tembaga (Cu) merupakan unsur yang jarang ditemukan di alam (precious metal). Tembaga umumnya ditemukan dalam bentuk senyawanya, yaitu bijih mineral, seperti kalkopirit (CuFeS2) dan kalkosit (Cu2S). Logam Tembaga dapat diperoleh melalui pemanggangan kalkopirit, seperti yang dinyatakan dalam persamaan reaksi di bawah ini :

2 CuFeS2(s) +  4 O2(g) ——>  Cu2S(s) +  2 FeO(s) + 3 SO2(g)

Cu2S(s) +  O2(g) ——>  2Cu(l) +  SO2(g)

Logam Tembaga dapat dimurnikan melalui proses elektrolisis (lihat materi Elektrokimia II). Logam Tembaga memiliki koduktivitas elektrik yang tinggi. Dengan demikian, logam tembaga sering digunakan sebagai kawat penghantar listrik. Selain itu, Tembaga juga digunakan pada pembuatan alloy (sebagai contoh, kuningan, merupakan alloy dari Cu dan Zn),bahan pembuatan pipa, dan bahan dasar pembuatan koin (uang logam).

Logam Tembaga bereaksi hanya dengan campuran asam sulfat dan asam nitrat pekat panas (dikenal dengan istilah aqua regia). Bilangan oksidasi Tembaga adalah +1 dan +2. Ion Cu+ kurang stabil dan cenderung mengalami disproporsionasi dalam larutan. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

2 Cu+(aq) ——>  Cu(s) +  Cu2+(aq)

Semua senyawa Tembaga (I) bersifat diamagnetik dan tidak berwarna (kecuali Cu2O yang berwarna merah), sedangkan semua senyawa Tembaga (II) bersifat paramagnetik dan berwarna. Senyawa hidrat yang mengandung ion Cu2+ berwarna biru. Beberapa contoh senyawa yang mengandung Tembaga (II) adalah CuO (hitam), CuSO4.5H2O (biru), dan CuS (hitam).

Senyawa Koordinasi adalah senyawa yang terbentuk dari ion sederhana (kation maupun anion) serta ion kompleks. Unsur transisi periode keempat dapat membentuk berbagai jenis ion kompleks. Ion kompleks terdiri dari kation logam transisi dan ligan. Ligan adalah molekul atau ion yang terikat pada kation logam transisi. Interaksi antara kation logam transisi dengan ligan merupakan reaksi asam-basa Lewis. Menurut Lewis, ligan merupakan basa Lewis yang berperan sebagai spesi pendonor (donator) elektron. Sementara itu, kation logam transisi merupakan asam Lewis yang berperan sebagai spesi penerima (akseptor) elektron. Dengan demikian, terjadi ikatan kovalen koordinasi (datif) antara ligan dengan kation logam transisi pada proses pembentukan ion kompleks. Kation logam transisi kekurangan elektron, sedangkan ligan memiliki sekurangnya sepasang elektron bebas (PEB). Beberapa contoh molekul yang dapat berperan sebagai ligan adalah H2O, NH3, CO, dan ion Cl-.

Bilangan koordinasi adalah jumlah ligan yang terikat pada kation logam transisi. Sebagai contoh, bilangan koordinasi Ag+ pada ion [Ag(NH3)2]+ adalah dua, bilangan koordinasi Cu2+ pada ion [Cu(NH3)4]2+ adalah empat, dan bilangan koordinasi Fe3+ pada ion [Fe(CN)6]3- adalah enam. Bilangan koordinasi yang sering dijumpai adalah 4 dan 6.

Berdasarkan jumlah atom donor  yang memiliki pasangan elektron bebas (PEB) pada ligan, ligan dapat dibedakan menjadi monodentat, bidentat, dan polidentat. H2O dan NH3 merupakan ligan monodentat (mendonorkan satu pasang elektron). Sedangkan Etilendiamin (H2N-CH2-CH2-NH2, sering disebut dengan istilah en) merupakan contoh ligan bidentat (mendonorkan dua pasang elektron). Ligan bidentat dan polidentat sering disebut sebagai agen chelat (mampu mencengkram kation logam transisi dengan kuat).

Muatan ion kompleks adalah penjumlahan dari muatan kation logam transisi dengan ligan yang mengelilinginya. Sebagai contoh, pada ion [PtCl6]2-, bilangan oksidasi masing-masing ligan (ion Cl-) adalah -1. Dengan demikian, bilangan oksidasi Pt (kation logam transisi) adalah +4. Contoh lain, pada ion [Cu(NH3)4]2+, bilangan oksidasi masing-masing ligan (molekul NH3) adalah 0 (nol). Dengan demikian, bilangan oksidasi Cu (kation logam transisi) adalah +2.

Berikut ini adalah beberapa aturan yang berlaku dalam penamaan suatu ion kompleks maupun senyawa kompleks :

1. Penamaan kation mendahului anion; sama seperti penamaan senyawa ionik pada umumnya.

2. Dalam ion kompleks, nama ligan disusun menurut urutan abjad, kemudian dilanjutkan dengan nama kation logam transisi.

3. Nama ligan yang sering terlibat dalam pembentukan ion kompleks dapat dilihat pada Tabel Nama Ligan.

4. Ketika beberapa ligan sejenis terdapat dalam ion kompleks, digunakan awalan di-, tri-, tetra-, penta-, heksa-, dan sebagainya.

5. Bilangan oksidasi kation logam transisi dinyatakan dalam bilangan Romawi.

6. Ketika ion kompleks bermuatan negatif, nama kation logam transisi diberi akhiran –at. Nama kation logam transisi pada ion kompleks bermuatan negatif dapat dilihat pada Tabel Nama Kation pada Anion Kompleks.

Tabel Nama Ligan


Ligan

Nama Ligan

Bromida, Br-

Bromo

Klorida, Cl-

Kloro

Sianida, CN-

Siano

Hidroksida, OH-

Hidrokso

Oksida, O2-

Okso

Karbonat, CO32-

Karbonato

Nitrit, NO2-

Nitro

Oksalat, C2O42-

Oksalato

Amonia, NH3

Amina

Karbon Monoksida, CO

Karbonil

Air, H2O

Akuo

Etilendiamin

Etilendiamin (en)

Tabel Nama Kation pada Anion Kompleks


Kation

Nama Kation pada Anion Kompleks

Aluminium, Al

Aluminat

Kromium, Cr

Kromat

Kobalt, Co

Kobaltat

Cuprum, Cu

Cuprat

Aurum, Au

Aurat

Ferrum, Fe

Ferrat

Plumbum, Pb

Plumbat

Mangan, Mn

Manganat

Molibdenum, Mo

Molibdat

Nikel, Ni

Nikelat

Argentum, Ag

Argentat

Stannum, Sn

Stannat

Tungsten, W

Tungstat

Zink, Zn

Zinkat

Berikut ini adalah beberapa contoh penulisan nama maupun rumus kimia dari berbagai senyawa kompleks :

1. Ni(CO)4

Bilangan koordinasi = 4

Muatan ion kompleks = 0

Muatan ligan = 0

Muatan kation logam transisi = 0

Nama senyawa = tetrakarbonil nikel (0) atau nikel tetrakarbonil

2. NaAuF4

Terdiri dari kation sederhana (Na+) dan anion kompleks (AuF4-)

Bilangan koordinasi = 4

Muatan anion kompleks = -1

Muatan ligan = -1 x 4 = -4

Muatan kation logam transisi = +3

Nama senyawa = natrium tetrafluoro aurat (III)

3. K3[Fe(CN)6]

Terdiri dari kation sederhana (3 ion K+) dan anion kompleks ([Fe(CN)6]-3)

Bilangan koordinasi = 6

Muatan anion kompleks = -3

Muatan ligan = -1 x 6 = -6

Muatan kation logam transisi = +3

Nama senyawa = kalium heksasiano ferrat (III) atau kalium ferrisianida

4. [Cr(en)3]Cl3

Terdiri dari kation kompleks ([Cr(en)3]3+) dan anion sederhana (3 ion Cl-)

Bilangan koordinasi = 3 x 2 (bidentat) = 6

Muatan kation kompleks = +3

Muatan ligan = 3 x 0 = 0

Muatan kation logam transisi = +3

Nama senyawa = tris-(etilendiamin) kromium (III) klorida

5. Pentaamin kloro kobalt (III) klorida

Terdapat 5 NH3, satu Cl-, satu Co3+, dan ion Cl-

Muatan kation kompleks = (5 x 0) + (1 x -1) + (1 x +3) = +2

Untuk membentuk senyawa kompleks, dibutuhkan dua ion Cl-

Rumus senyawa kompleks = [Co(NH3)5Cl]Cl2

6. Dikloro bis-(etilendiamin) platinum (IV) nitrat

Terdapat 2 Cl-, 2 en, satu Pt4+, dan ion NO3-

Muatan kation kompleks = (2 x -1) + (2 x 0) + (1 x +4) = +2

Untuk membentuk senyawa kompleks, dibutuhkan dua ion NO3-

Rumus senyawa kompleks = [Pt(en)2Cl2](NO3)2

7. Natrium heksanitro kobaltat (III)

Terdapat 6 NO2-, satu Co3+, dan ion Na+

Muatan anion kompleks = (6 x -1) + (1 x +3) = -3

Untuk membentuk senyawa kompleks, dibutuhkan tiga ion Na+

Rumus senyawa kompleks = Na3[Co(NO2)6]

8. Tris-(etilendiamin) kobalt (III) sulfat

Terdapat 3 en, satu Co3+, dan ion SO42-

Muatan kation kompleks = (3 x 0) + (1 x +3) = +3

Untuk membentuk senyawa kompleks, dua kation kompleks membutuhkan tiga ion SO42-

Rumus senyawa kompleks = ([Co(en)3])2(SO4)3

Bentuk ion kompleks dipengaruhi oleh jumlah ligan, jenis ligan, dan jenis kation logam transisi. Secara umum, bentuk ion kompleks dapat ditentukan melalui bilangan koordinasi. Hubungan antara bilangan koordinasi terhadap bentuk ion kompleks dapat dilihat pada tabel berikut :

Bilangan Koordinasi

Bentuk Ion Kompleks

2

Linear

4

Tetrahedral atau Square Planar

6

Oktahedral

Referensi:

Andy. 2009. Pre-College Chemistry.

Cotton, F. Albert dan Geoffrey Wilkinson. 1989. Kimia Anorganik Dasar. Jakarta: Penerbit UI Press

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.

Ratcliff, Brian, dkk. 2006. AS Level and A Level Chemistry. Dubai: Oriental Press.

Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia: Pakar Raya.

Kimia Unsur Golongan Utama

15 Oktober 2009

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari mengenai sifat fisika dan sifat kimia unsur-unsur golongan utama, terutama Golongan Gas Mulia (VIIIA), Halogen (VIIA), Alkali (IA), Alkali Tanah (IIA), serta Unsur-Unsur Periode Ketiga. Selain itu, kita akan mempelajari reaksi kimia, cara pemurnian, serta kegunaan unsur-unsur tersebut dalam kehidupan sehari-hari.

Gas Mulia (Noble Gas)

Gas Mulia (Noble Gas) adalah bagian kecil dari atmosfer. Gas Mulia terletak pada Golongan VIIIA dalam sistem periodik. Gas mulia terdiri dari unsur Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Kripton (Kr), Xenon (Xe), dan Radon (Rn). Keistimewaan unsur-unsur gas mulia adalah memiliki konfigurasi elektron yang sempurna (lengkap), dimana setiap kulit dan subkulit terisi penuh elektron. Dengan demikian, elektron valensi unsur gas mulia adalah delapan (kecuali unsur Helium dengan dua elektron valensi). Konfigurasi demikian menyebabkan gas mulia cenderung stabil dalam bentuk monoatomik dan sulit bereaksi dengan unsur lainnya.

Keberadaan unsur-unsur Gas Mulia pertama kali ditemukan oleh Sir William Ramsey. Beliau adalah ilmuwan pertama yang berhasil mengisolasi gas Neon, Argon, Kripton, dan Xenon dari atmosfer. Beliau juga menemukan suatu gas yang diisolasi dari peluruhan mineral Uranium, yang mempunyai spektrum sama seperti unsur di matahari, yang disebut Helium. Helium terdapat dalam mineral radioaktif dan tercatat sebagai salah satu gas alam di Amerika Serikat. Gas Helium diperoleh dari peluruhan isotop Uranium dan Thorium yang memancarkan partikel α. Gas Radon, yang semua isotopnya radioaktif dengan waktu paruh pendek, juga diperoleh dari rangkaian peluruhan Uranium dan Thorium.

Saat mempelajari reaksi kimia dengan menggunakan gas PtF6 yang sangat reaktif, N. Bartlett menemukan bahwa dengan oksigen, akan terbentuk suatu padatan kristal [O­2]+[PtF6]-. Beliau mencatat bahwa entalpi pengionan Xenon sama dengan O2. Dengan demikian, suatu reaksi yang analog diharapkan dapat terjadi. Ternyata, hal tersebut benar. Pada tahun 1962, beliau melaporkan senyawa pertama yang berhasil disintesis menggunakan Gas Mulia, yaitu padatan kristal merah dengan formula kimia [Xe]+[PtF6]-. Selanjutnya, berbagai senyawa Gas Mulia juga berhasil disintesis, diantaranya XeF2, XeF4, XeF6, XeO4, dan XeOF­4.

Seluruh unsur Gas Mulia merupakan gas monoatomik. Dalam satu golongan, dari He sampai Rn, jari-jari atom meningkat. Dengan demikian,ukuran atom Gas Mulia meningkat, menyebabkan gaya tarik-menarik antar atom (Gaya London) semakin besar. Hal ini mengakibatkan kenaikan titik didih unsur dalam satu golongan. Sementara energi ionisasi dalam satu golongan menurun dari He sampai Rn. Hal ini menyebabkan unsur He, Ne, dan Ar tidak dapat membentuk senyawa (energi ionisasinya sangat tinggi), sementara unsur Kr dan Xe dapat membentuk senyawa (energi ionisasinya relatif rendah dibandingkan Gas Mulia lainnya). Gas Argon merupakan Gas Mulia yang paling melimpah di atmosfer (sekitar 0,934% volume udara), sedangkan Gas Helium paling melimpah di jagat raya (terlibat dalam reaksi termonuklir pada permukaan matahari). (klik di sini untuk melihat sifat Gas Mulia dalam Tabel Periodik)

Gas Neon, Argon, Kripton, dan Xenon diperoleh dengan fraksionasi udara cair. Gas-gas tersebut pada dasarnya bersifat inert (stabil/lembam), sebab kereaktifan kimianya yang rendah, sebagai konsekuensi dari konfigurasi elektron yang lengkap. Kegunaan utama gas Helium adalah sebagai cairan dalam krioskopi. Gas Argon digunakan untuk menyediakan lingkungan yang inert dalam peralatan laboratorium, dalam pengelasan, dan dalam lampu listrik yang diisi gas. Sementara gas Neon digunakan untuk tabung sinar pemutusan muatan.

Halogen (Halogen)

Unsur Halogen (Golongan VIIA) adalah unsur-unsur nonlogam yang reaktif. Halogen terdiri dari unsur Fluor (F), Klor (Cl), Brom (Br), Iod (I), dan Astatin (At). Astatin adalah unsur radioaktif dengan waktu hidup (life time) yang sangat singkat dan mudah meluruh menjadi unsur lain. Dalam pembahasan ini, kita hanya akan membicarakan empat unsur pertama Halogen. Secara umum, unsur Halogen bersifat toksik dan sangat reaktif. Toksisitas dan reaktivitas Halogen menurun dari Fluor sampai Iod. (klik di sini untuk melihat sifat Halogen dalam Tabel Periodik)

Dalam satu golongan, dari Fluor sampai Iod, jari-jari atom meningkat. Akibatnya, interaksi antar atom semakin kuat, sehingga titik didih dan titik leleh pun meningkat. Dalam keadaan standar (tekanan 1 atm dan temperatur 25°C), Fluor adalah gas berwarna kekuningan, Klor adalah gas berwarna hijau  pucat, Brom adalah cairan berwarna merah kecoklatan, dan Iod adalah padatan berwarna ungu-hitam. Energi ionisasi menurun dalam satu golongan , demikian halnya keelektronegatifan dan potensial standar reduksi (E°red). Ini berarti, Flour paling mudah tereduksi (oksidator kuat), sedangkan Iod paling sulit tereduksi (oksidator lemah).

Beberapa keistimewaan unsur Fluor yang tidak dimiliki unsur Halogen lainnya adalah sebagai berikut :

1. Fluor adalah unsur yang paling reaktif dalam Golongan Halogen. Hal ini terjadi akibat energi ikatan F-F yang relatif rendah (150,6 kJ/mol) dibandingkan energi ikatan Cl-Cl (242,7 kJ/mol) maupun Br-Br (192,5 kJ/mol). Sebagai tambahan, ukuran atom F yang kecil menyebabkan munculnya tolakan yang cukup kuat antar lone pair F-F, sehingga ikatan F-F tidak stabil dan mudah putus. Hal ini tidak terjadi pada ikatan Cl-Cl maupun Br-Br sehingga keduanya relatif stabil dibandingkan ikatan F-F.

2. Senyawa Hidrogen Fluorida (HF) memiliki titik didih tertinggi akibat adanya ikatan Hidrogen. Sementara senyawa halida lainnya (HCl, HBr, dan HI) memiliki titik didih yang relatif rendah.

3. Hidrogen Fluorida (HF) adalah asam lemah, sedangkan asam halida lainnya (HCl, HBr, dan HI) adalah asam kuat.

4. Gas Fluor dapat bereaksi dengan larutan natrium hidroksida (NaOH) membentuk oksigen difluorida yang dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi berikut :

2 F2(g) +  2 NaOH(aq) ——> 2 NaF(aq) +  H2O(l) + OF2(g)

Sementara itu, reaksi yang analog juga terjadi pada Klor dan Brom, dengan produk yang berbeda. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Cl2(g) +  2 NaOH(aq) ——> NaCl(aq) +  NaOCl(aq) +  H2O(l)

Br2(l) +  2 NaOH(aq) ——> NaBr(aq) +  NaOBr(aq) +  H2O(l)

Kedua reaksi di atas dikenal dengan istilah Reaksi Disproporsionasi (Autoredoks). Iod tidak dapat bereaksi dalam kondisi ini

5. Senyawa Perak Fluorida (AgF) mudah larut dalam air, sedangkan perak halida lainnya (AgCl, AgBr, dan AgI) sukar larut dalam air.

Unsur Halogen membentuk berbagai variasi senyawa. Dalam keadaan standar, unsur bebas Halogen membentuk molekul diatomik (F2, Cl2, Br2, I2). Oleh karena kereaktifannya yang besar, Halogen jarang ditemukan dalam keadaan bebas. Halogen umumnya ditemukan dalam bentuk senyawa. Halogen yang ditemukan dalam air laut berbentuk halida (Cl-, Br-, dan I-). Sementara di kerak bumi, halogen berikatan dalam mineral, seperti Fluorite (CaF2) dan kriolit (Na3AlF6).

Antar Halogen dapat mengalami reaksi kimia. Oleh karena kekuatan oksidator menurun dari Fluor sampai Iod, Halogen dapat mengoksidasi Ion Halida yang terletak di bawahnya (displacement reaction). Dengan demikian, reaksi yang terjadi antar Halogen dapat disimpulkan dalam beberapa pernyataan di bawah ini :

1. F2 dapat mengoksidasi Cl- menjadi Cl2, Br- menjadi Br2, serta I- menjadi I2.

2. Cl2 dapat mengoksidasi Br- menjadi Br2, serta I- menjadi I2. Cl2 tidak dapat mengoksidasi F- menjadi F2.

3. Br2 dapat mengoksidasi I- menjadi I2. Br2 tidak dapat mengoksidasi F- menjadi F2 maupun Cl- menjadi Cl2.

4. I2 tidak dapat mengokisdasi F- menjadi F2, Cl- menjadi Cl2, serta Br- menjadi Br2.

Gas F2 dapat diperoleh dari elektrolisis cairan (bukan larutan) Hidrogen Fluorida yang diberi sejumlah padatan Kalium Fluorida untuk meningkatkan konduktivitas pada temperatur di atas 70°C. Di katoda, ion H+ akan tereduksi menjadi gas H2, sedangkan di anoda, ion F akan teroksidasi menjadi gas F2.

Gas Cl2 dapat di peroleh melalui elektrolisis lelehan NaCl maupun elektrolisis larutan NaCl. Melalui kedua elektrolisis tersebut, ion Cl- akan teroksidasi membentuk gas Cl2 di anoda. Gas Cl2 juga dapat diperoleh melalui proses klor-alkali, yaitu elektrolisis larutan NaCl pekat (brine). Reaksi yang terjadi pada elektrolisis brine adalah sebagai berikut :

2 NaCl(aq) +  2 H2O(l) ——> 2 NaOH(aq) +  H2(g) +  Cl2(g)

Di laboratorium, unsur Klor, Brom, dan Iod dapat diperoleh melalui reaksi alkali halida (NaCl, NaBr, NaI) dengan asam sulfat pekat yang dipercepat dengan penambahan MnO2 sebagai katalis. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

MnO2(s) +  2 H2SO4(aq) +  2 NaCl(aq) ——> MnSO4(aq) +  Na2SO4(aq) +  2 H2O(l) +  Cl2(g)

MnO2(s) +  2 H2SO4(aq) +  2 NaBr(aq) ——> MnSO4(aq) +  Na2SO4(aq) +  2 H2O(l) +  Br2(l)

MnO2(s) +  2 H2SO4(aq) +  2 NaI(aq) ——> MnSO4(aq) +  Na2SO4(aq) +  2 H2O(l) +  I2(s)

Halida dibedakan menjadi dua kategori, yaitu halida ionik dan halida kovalen. Fluorida dan klorida dari unsur logam, terutama unsur Alkali dan Alkali Tanah (kecuali Berilium) merupakan halida ionik. Sementara, flurida dan klorida dari unsur nonlogam, seperti Belerang dan Fosfat merupakan halida kovalen. Bilangan oksidasi Halogen bervariasi dari -1 hingga +7 (kecuali Fluor). Unsur Fluor yang  merupakan unsur dengan keelektronegatifan terbesar di alam, hanya memiliki bilangan oksidasi 0 (F2) dan -1 (fluorida).

Halogen dapat bereaksi dengan Hidrogen menghasilkan Hidrogen Halida. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

X2(g) +  H2(g) ——> 2 HX(g)

X = F, Cl, Br, atau I

Reaksi ini (khususnya pada F2 dan Cl2)menimbulkan ledakan hebat (sangat eksotermis). Oleh karena itu, reaksi tersebut  jarang digunakan di industri. Sebagai pengganti, hidrogen halida dapat dihasilkan melalui reaksi klorinasi hidrokarbon. Sebagai contoh :

C2H6(g) +  Cl2(g) ——> C2H5Cl(g) +  HCl(g)

Di laboratorium, hidrogen halida dapat diperoleh melalui reaksi antara logam halida dengan asam sulfat pekat. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

CaF2(s) +  H2SO4{aq) ——> 2 HF(g) +  CaSO4(s)

2 NaCl(s) +  H2SO4(aq) ——-> 2 HCl(g) +  Na2SO4(aq)

Hidrogen Bromida dan Hidrogen Iodida tidak dapat dihasilkan melalui cara ini, sebab akan terjadi reaksi oksidasi (H2SO4 adalah oksidator kuat) yang menghasilkan Brom dan Iod. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

2 NaBr(s) +  2 H2SO4(aq) ——> Br2(l) +  SO2(g) +  Na2SO4(aq) +  2 H2O(l)

Hidrogen Bromida dapat dibuat melalui beberapa reaksi berikut :

P4(s) +  6 Br2(l) ——> 4 PBr3(l)

PBr3(l) +  3 H2O(l) ——> 3 HBr(g) +  H3PO3(aq)

Hidrogen Iodida dapat diperoleh dengan cara serupa.

Hidrogen Fluorida memiliki kereaktifan yang tinggi. Senyawa ini dapat bereaksi dengan silika melalui persamaan reaksi berikut :

6 HF(aq) +  SiO2(s) ——> H2SiF6(aq) +  2 H2O(l)

Hidrogen Fluorida juga digunakan dalam proses pembuatan gas Freon. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

CCl4(l) +  HF(g) ——> CCl3F(g) +  HCl(g)

CCl3F(g) +  HF(g) ——> CCl2F2(g) +  HCl(g)

Larutan Hidrogen Halida bersifat asam. Urutan kekuatan asam halida adalah HF << HCl < HBr < HI. Sedangkan urutan kekuatan asam oksi adalah HXO < HXO2 < HXO3 < HXO4 (X = Cl, Br, atau I).

Fluor (khususnya NaF) ditambahkan ke dalam air minum untuk mencegah terbentuknya karies (kerak atau plak) gigi. Senyawa lain, Uranium Fluorida, UF6, digunakan untuk memisahkan isotop radioaktif  Uranium (U-235 dan U-238). Di bidang industri, Fluor digunakan untuk menghasilkan poli tetra fluoro etilena (Teflon).

Klor (khusunya Klorida, Cl-) memegang peranan penting dalam sistem kesetimbangan cairan interseluler dan ekstraseluler dalam organisme. Di bidang industri, Klor digunakan sebagai bahan pemutih (bleaching agent) pada industri kertas dan tekstil. Bahan pembersih rumah tangga umumnya mengandung sejumlah Klor (khususnya NaClO) yang berperan sebagai bahan aktif pengangkat kotoran. Sementara, senyawa klor lainnya, HClO, berfungsi sebagai agen desinfektan pada proses pemurnian air. Reaksi yang terjadi saat gas Klor dilarutkan dalam air adalah sebagai berikut :

Cl2(g) +  H2O(l) ——> HCl(aq) +  HClO(aq)

Ion OCl- yang dihasilkan dari reaksi tersebut berperan sebagai agen desinfektan yang membunuh kuman dalam air.

Metana yang terklorinasi, seperti Karbon Tetraklorida (CCl4) dan Kloroform (CHCl3) digunakan sebagai pelarut senyawa organik. Klor juga digunakan dalam pembuatan insektisida, seperti DDT. Akan tetapi, penggunaan DDT dapat mencemari lingkungan, sehingga kini penggunaannya dilarang atau dibatasi sesuai dengan Undang-Undang Lingkungan. Klor juga digunakan sebagai bahan baku pembuatan poli vinil klorida (PVC).

Senyawa Bromida ditemukan di air laut (ion Br-). Brom digunakan sebagai bahan dasar pembuatan senyawa Etilena Dibromida (BrCH2CH2Br), suatu insektisida. Senyawa ini sangat karsinogenik. Di samping itu, Brom juga dapat bereaksi dengan Perak menghasilkan senyawa Perak Bromide (AgBr) yang digunakan dalam lembaran film fotografi.

Iod jarang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Larutan Iod dalam alkohol (50% massa) sering digunakan di dunia medis sebagai zat antiseptik. Iod juga merupakan salah satu komponen dari hormon tiroid. Defisiensi Iod dapat mengakibatkan pembengkakan kelenjar gondok.

Alkali (Alkali)

Logam Alkali (Golongan IA) adalah unsur yang sangat elektropositif (kurang elektronegatif). Umumnya, logam Alkali berupa padatan dalam suhu ruang. Unsur Alkali terdiri dari Litium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Sesium (Cs), dan Fransium (Fr). Fransium jarang dipelajari sebagai salah satu anggota unsur Golongan IA, sebab Fransium adalah unsur radioaktif yang tidak stabil dan cenderung meluruh membentuk unsur baru lainnya. Dari konfigurasi elektron unsur, masing-masing memiliki satu elektron valensi . Dengan demikian, unsur Alkali cenderung membentuk ion positif bermuatan satu (M+). (klik di sini untuk melihat sifat Alkali dalam Tabel Periodik)

Dalam satu golongan, dari Litium sampai Sesium, jari-jari unsur akan meningkat. Letak elektron valensi terhadap inti atom semakin jauh. Oleh sebab itu, kekuatan tarik-menarik antara inti atom dengan elektron valensi semakin lemah. Dengan demikian, energi ionisasi akan menurun dari Litium sampai Sesium. Hal yang serupa juga ditemukan pada sifat keelektronegatifan unsur .

Secara umum, unsur Alkali memiliki titik leleh yang cukup rendah dan lunak, sehingga logam Alkali dapat diiris dengan pisau. Unsur Alkali sangat reaktif, sebab mudah melepaskan elektron (teroksidasi) agar mencapai kestabilan (konfigurasi elektron ion Alkali menyerupai konfigurasi elektron Gas Mulia). Dengan demikian, unsur Alkali jarang ditemukan bebas di alam. Unsur Alkali sering dijumpai dalam bentuk senyawanya. Unsur Alkali umumnya bereaksi dengan unsur lain membentuk senyawa halida, sulfat, karbonat, dan silikat.

Natrium dan Kalium terdapat dalam jumlah yang melimpah di alam. Keduanya terdapat dalam mineral seperti albite (NaAlSi3O8) dan ortoklas (KAlSi3O8). Selain itu, mineral lain yang mengandung Natrium dan Kalium adalah halite (NaCl), Chile saltpeter (NaNO3), dan silvit (KCl).

Logam Natrium dapat diperoleh dari elektrolisis lelehan NaCl (proses Down). Titik leleh senyawa NaCl cukup tinggi (801°C), sehingga diperlukan jumlah energi yang besar untuk melelehkan padatan NaCl. Dengan menambahkan zat aditif CaCl2, titik leleh dapat diturunkan menjadi sekitar 600°C, sehingga proses elektrolisis dapat berlangsung lebih efektif tanpa pemborosan energi.

Sebaliknya, logam Kalium tidak dapat diperoleh melalui metode elektrolisis lelehan KCl. Logam Kalium hanya dapat diperoleh melalui reaksi antara lelehan KCl dengan uap logan Natrium pada suhu 892°C. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Na(g) +  KCl(l) <——>  NaCl(l) +  K(g)

Natrium dan Kalium adalah unsur logam yang sangat reaktif. Logam Kalium lebih reaktif dibandingkan logam Natrium. Kedua logam tersebut dapat berekasi dengan air membentuk hidroksida. Saat direaksikan dengan oksigen dalam jumlah terbatas, Natrium dapat membentuk oksidanya (Na2O). Namun, dalam jumlah oksigen berlebih, Natrium dapat membentuk senyawa peroksida (Na2O2).

2 Na(s) +  O2(g) ——> Na2O2(s)

Natrium peroksida bereaksi dengan air menghasilkan larutan hidroksida dan hidrogen peroksida. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Na2O2(s) +  2 H2O(l) ——> 2 NaOH(aq) +  H2O2(aq)

Sama seperti Natrium, logam Kalium dapat membentuk peroksida saat bereaksi dengan oksigen berlebih. Selain itu, logam Kalium juga membentuk superoksida saat dibakar di udara. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

K(s) +  O2(g) ——> KO2(s)

Saat Kalium Superoksida dilarutkan dalam air, akan dibentuk gas oksigen. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

2 KO2(s) +  2 H2O(l) ——> 2 KOH(aq) +  O2(g) +  H2O2(aq)

Unsur Natrium dan Kalium berperan penting dalam mengatur keseimbangan cairan dalam tubuh. Ion Natrium dan ion Kalium terdapat dalam cairan intraseluler dan ekstraseluler. Keduanya berperan penting dalam menjaga tekanan osmosis cairan tubuh serta mempertahankan fungsi enzim dalam mengkatalisis reaksi biokimia dalam tubuh.

Natrium Karbonat (soda abu) digunakan dalam industri pengolahan air dan industri pembuatan sabun, detergen, obat-obatan, dan zat aditif makanan. Selain itu, Natrium Karbonat digunakan juga pada industri gelas. Senyawa ini dibentuk melalui proses Solvay. Reaksi yang terjadi pada proses Solvay adalah sebagai berikut :

NH3(aq) +  NaCl(aq) +  H2CO3(aq) ——> NaHCO3(s) +  NH4Cl(aq)

2 NaHCO3(s) ——> Na2CO3(s) +  CO2(g) + H2O(g)

Sumber mineral lain yang mengandung senyawa Natrium Karbonat adalah trona, dengan formula kimia [Na5(CO3)2(HCO3).2H2O]. Mineral ini ditemukan dalam jumlah besar di Wyoming, Amerika Serikat. Ketika mineral trona dipanaskan, akan terjadi reaksi penguraian sebagai berikut :

2 Na5(CO3)2(HCO3).2H2O(s) ——> 5 Na2CO3(s) +  CO2(g) +  3 H2O(g)

Natrium Hidroksida dan Kalium Hidroksida masing-masing diperoleh melalui elektrolisis larutan NaCl dan KCl. Kedua hidroksida ini merupakan basa kuat dan mudah larut dalam air. Larutan NaOH digunakan dalam pembuatan sabun . Sementara itu, larutan KOH digunakan sebagai larutan elektrolit pada beberapa baterai (terutama baterai merkuri).

Chile saltpeter (Natrium Nitrat) terurai membentuk gas oksigen pada suhu 500°C. Reaksi penguraian yang terjadi adalah sebagai berikut :

2 NaNO3(s) ——> 2 NaNO2(s) +  O2(g)

Kalium Nitrat (saltpeter) dapat dibuat melalui reaksi berikut :

KCl(aq) +  NaNO3(aq) ——> KNO3(aq) +  NaCl(aq)

Alkali Tanah (Alkaline Earth)

Unsur Alkali Tanah mempunyai sifat yang menyerupai unsur Alkali. Unsur Alkali Tanah umumnya merupakan logam, cenderung membentuk ion positif, dan bersifat konduktif, baik termal maupun elektrik. Unsur Alkali Tanah kurang elektropositif (lebih elektronegatif) dan kurang reaktif bila dibandingkan unsur Alkali. Semua unsur Golongan IIA ini memiliki sifat kimia yang serupa, kecuali Berilium (Be). Yang termasuk unsur Golongan IIA adalah Berilium (Be), Magnesium (Mg), Kalsium (Ca), Stronsium (Sr), Barium (Ba), dan Radium (Ra). Radium jarang dipelajari sebagai salah satu anggota unsur Golongan IIA, sebab Radium adalah unsur radioaktif yang tidak stabil dan cenderung meluruh membentuk unsur baru lainnya. Konfigurasi elektron menunjukkan unsur-unsur Golongan IIA memiliki dua elektron valensi. Dengan demikian, untuk mencapai kestabilan, unsur Golongan IIA melepaskan dua elektron membentuk ion bermuatan positif dua (M2+). (klik di sini untuk melihat sifat Alkali Tanah dalam Tabel Periodik)

Dalam satu golongan, dari Berilium sampai Barium, jari-jari unsur meningkat. Peningkatan ukuran atom diikuti dengan peningkatan densitas unsur. Sebaliknya, energi ionisasi dan keelektronegatifan berkurang dari Berilium sampai Radium. Semakin besar jari-jari unsur, semakin mudah unsur melepaskan elektron valensinya. Potensial standar reduksi (E°red) menurun dalam satu golongan. Hal ini menunjukkan bahwa kekuatan reduktor meningkat dalam satu golongan dari Berilium sampai Barium.

Magnesium adalah unsur yang cukup melimpah di kerak bumi (urutan keenam, sekitar 2,5% massa kerak bumi). Beberapa bijih mineral yang mengandung logam Magnesium, antara lain brucite, Mg(OH)2, dolomite (CaCO3.MgCO3), dan epsomite (MgSO4.7H2O). Air laut merupakan sumber Magnesium yang melimpah (1,3 gram Magnesium per kilogram air laut). Magnesium diperoleh melalui elektrolisis lelehan MgCl2.

Magnesium tidak bereaksi dengan air dingin. Magnesium hanya bereaksi dengan air panas (uap air). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Mg(s) +  H2O(g) ——> MgO(s) +  H2(g)

Magnesium juga bereaksi dengan udara membentuk Magnesium Oksida dan Magnesium Nitrida. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

2 Mg(s) +  O2(g) ——> 2 MgO(s)

3 Mg(s) +  N2(g) ——> Mg3N2(s)

Magnesium Oksida bereaksi lambat dengan air menghasilkan Magnesium Hidroksida (milk of magnesia), yang digunakan sebagai zat aktif untuk menetralkan asam lambung berlebih. Reaksi pembentukan milk of magnesia adalah sebagai berikut :

MgO(s) +  H2O(l) ——> Mg(OH)2(s)

Hidroksida dari Magnesium merupakan basa kuat. Semua unsur Golongan IIA membentuk basa kuat, kecuali Be(OH)2 yang bersifat amfoter. Senyawa bikarbonat, MgHCO3 (maupun CaHCO3), menyebabkan kesadahan air sementara (dapat dihilangkan dengan cara pemanasan).

Logam Magnesium terutama digunakan dalam bidang konstruksi. Sifatnya yang ringan menjadikannya sebagai pilihan utama dalam pembentukan alloy (paduan logam). Logam Magnesium juga digunakan dalam proteksi katodik untuk mencegah logam besi dari korosi (perkaratan), reaksi kimia organik (reaksi Grignard), dan sebagai elektroda baterai . Sementara itu, dalam sistem kehidupan, ion Mg2+ ditemukan dalam klorofil (zat hijau daun) tumbuhan dan berbagai enzim pada organisme yang mengkatalisis reaksi biokimia penunjang kehidupan.

Kerak bumi mengandung 3,4 persen massa unsur Kalsium. Kalsium dapat ditemukan dalam berbagai senyawa di alam, seperti limestone, kalsit, dan batu gamping (CaCO3); dolomite (CaCO3.MgCO3); gypsum (CaSO4.2H2O); dan fluorite (CaF2). Logam Kalsium dapat diperoleh melalui elektrolisis lelehan CaCl2.

Kalsium (sama seperti Stronsium dan Barium) dapat bereaksi dengan air dingin membentuk hidroksida, Ca(OH)2. Senyawa Ca(OH)2 ini dikenal dengan istilah slaked lime atau hydrate lime. Reaksi tersebut jauh lebih lambat bila dibandingkan reaksi logam Alkali dengan air.

Ca(s) +  2 H2O(l) ——> Ca(OH)2(aq) +  H2(g)

Kapur (lime), CaO, atau sering disebut dengan istilah quicklime, adalah salah satu material tertua yang dikenal manusia sejak zaman purba. Quicklime dapat diperoleh melalui penguraian termal senyawa Kalsium Karbonat. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

CaCO3(s) ——> CaO(s) +  CO2(g)

Slaked lime juga dapat dihasilkan melalui reaksi antara quicklime dengan air. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

CaO(s) +  H2O(l) ——> Ca(OH)­2(aq)

Quicklime digunakan pada industri metalurgi sebagai zat aktif untuk menghilangkan SO2 pada bijih mineral. Sementara slaked lime digunakan dalam pengolahan air bersih. Logam Kalsium digunakan sebagai agen penarik air (dehydrating agent) pada pelarut organik. Unsur Kalsium merupakan komponen utama penyusun tulang dan gigi. Ion kalsium dalam tulang dan gigi terdapat dalam senyawa kompleks garam fosfat, yaitu hidroksiapatit (Ca5(PO4)3OH). Ion Kalsium juga berfungsi sebagai kofaktor berbagai enzim, faktor penting dalam proses pembekuan darah, kontraksi otot, dan transmisi sinyal sistem saraf pusat.

Untuk membedakan unsur-unsur Golongan IIA, dapat dilakukan pengujian kualitatif melalui tes nyala. Saat masing-masing unsur dibakar dengan pembakar Bunsen, akan dihasilkan warna nyala yang bervariasi. Magnesium menghasilkan nyala berwarna putih terang, Kalsium menghasilkan nyala berwarna merah bata, Stronsium menghasilkan nyala berwarna merah terang, sedangkan Barium menghasilkan nyala berwarna hijau.

Garam yang terbentuk dari unsur Golongan IIA merupakan senyawa kristalin ionik tidak berwarna. Garam tersebut dapat dibentuk melalui reaksi logam, oksida logam, atau senyawa karbonat dengan asam. Berikut ini adalah contoh beberapa reaksi pembentukan garam :

1. Mg(s) +  2 HCl(aq) ——> MgCl2(aq) +  H2(g)

2. MgO(s) +  2 HCl(aq) ——> MgCl2(aq) +  H2O(l)

3. MgCO3(s) +  2 HCl(aq) ——> MgCl2(aq) +  H2O(l) +  CO2(g)

Senyawa nitrat mengalami penguraian termal membentuk oksida logam, nitrogen dioksida, dan gas oksigen. Sebagai contoh :

2 Mg(NO3)2(s) ——> 2 MgO(s) +  4 NO2(g) +  O2(g)

Senyawa karbonat mengalami penguraian termal membentuk oksida logam dan gas karbon dioksida. Sebagai contoh :

BaCO3(s) ——> BaO(s) +  CO2(g)

Unsur-Unsur Periode Ketiga (Periode 3 Elements)

Unsur-unsur periode ketiga memiliki sifat kimia dan sifat fisika yang bervariasi. Unsur-unsur yang terdapat pada periode ketiga adalah Natrium (Na), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Silikon (Si), Fosfor (P), Belerang (S), Klor (Cl), dan Argon (Ar). Dari kiri (Natrium) sampai kanan (Argon), jari-jari unsur menyusut, sedangkan energi ionisasi, afinitas elektron, dan keelektronegatifan meningkat. Selain itu, terjadi perubahan sifat unsur dari logam (Na, Mg, Al) menjadi semilogam/metaloid (Si), nonlogam (P, S, Cl), dan gas mulia (Ar). Unsur logam umumnya membentuk struktur kristalin, sedangkan unsur semilogam/metaloid membentuk struktur molekul raksasa (makromolekul). Sementara, unsur nonlogam cenderung membentuk struktur molekul sederhana. Sebaliknya, unsur gas mulia cenderung dalam keadaan gas monoatomik. Variasi inilah yang menyebabkan unsur periode ketiga dapat membentuk berbagai senyawa dengan sifat yang berbeda. (klik di sini untuk melihat sifat Unsur Periode Ketiga dalam Tabel Periodik)

Unsur-unsur periode ketiga dapat membentuk oksida melalui reaksi pembakaran dengan gas oksigen. Reaksi yang terjadi pada masing-masing unsur adalah sebagai berikut :

1. Natrium Oksida

Natrium mengalami reaksi hebat dengan oksigen. Logam Natrium yang terpapar di udara dapat bereaksi spontan dengan gas oksigen membentuk oksida berwarna putih yang disertai nyala berwarna kuning.

4 Na(s) +  O2(g) ——> 2 Na2O(s)

2. Magnesium Oksida

Magnesium juga bereaksi hebat dengan udara (terutama gas oksigen) menghasilkan nyala berwarna putih terang yang disertai dengan pembentukan oksida berwarna putih.

2 Mg(s) +  O2(g) ——> 2 MgO(s)

3. Aluminium Oksida

Oksida ini berfungsi mencegah (melindungi) logam dari korosi. Oksida ini berwarna putih.

4 Al(s) +  3 O2(g) ——> 2 Al2O3(s)

4. Silikon Oksida (Silika)

Si(s) +  O2(g) ——> SiO2(s)

5. Fosfor (V) Oksida

Fosfor mudah terbakar di udara. Ketika terdapat gas oksigen dalam jumlah berlebih, oksida P4O10 yang berwarna putih akan dihasilkan.

P4(s) +  5 O2(g) ——> P4O10(s)

6. Belerang Dioksida dan Belerang Trioksida

Padatan Belerang mudah terbakar di udara saat dipanaskan dan akan menghasilkan gas Belerang Dioksida (SO2). Oksida ini dapat direaksikan lebih lanjut dengan gas oksigen berlebih yang dikatalisis oleh Vanadium Pentaoksida (V2O5) untuk menghasilkan gas Belerang Trioksida (SO3).

S(s) +  O2(g) ——>SO2(g)

2 SO2(g) +  O2(g) ——> 2SO3(g)

7. Klor (VII) Oksida

2 Cl2(g) +  7 O2(g) ——> 2 Cl2O7(g)

Selain dapat membentuk oksida, unsur-unsur periode ketiga juga dapat membentuk senyawa halida. Senyawa tersebut terbentuk saat unsur direaksikan dengan gas klor. Reaksi yang terjadi pada masing-masing unsur adalah sebagai berikut :

1. Natrium Klorida

Natrium direaksikan dengan gas klor akan menghasilkan endapan putih NaCl.

2 Na(s) +  Cl2(g) ——> 2 NaCl(s)

2. Magnesium Klorida

Sama seperti Natrium, logam Magnesium pun dapat bereaksi dengan gas klor membentuk endapan putih Magnesium Klorida.

Mg(s) +  Cl2(g) ——> MgCl2(s)

3. Aluminium Klorida

Ketika logam Aluminium direaksikan dengan gas klor, akan terbentuk endapan putih AlCl3.

2 Al(s) +  3 Cl2(g) ——> 2 AlCl3(s)

Dalam bentuk uap, senyawa ini akan membentuk dimer Al2Cl6.

4. Silikon (IV) Klorida

Senyawa ini merupakan cairan yang mudah menguap. Senyawa ini dihasilkan dari reaksi padatan Silikon dengan gas klor.

Si(s) +  2 Cl2(g) ——> SiCl4(l)

5. Fosfor (III) Klorida dan Fosfor (V) Klorida

Fosfor (III) Klorida merupakan cairan mudah menguap tidak berwarna yang dihasilkan saat Fosfor bereaksi dengan gas klor tanpa pemanasan. Saat jumlah gas klor yang digunakan berlebih, senyawa ini dapat bereaksi kembali dengan gas klor berlebih membentuk senyawa Fosfor (V) Klorida, suatu padatan berwarna kuning.

P4(s) +  6 Cl2(g) ——> 4 PCl3(l)

Saat jumlah gas klor yang digunakan berlebih, akan terjadi reaksi berikut :

PCl3(l) +  Cl2(g) ——> PCl5(s)

6. Belerang (II) Oksida

S(s) +  Cl2(g) ——> SCl2(s)

Reaksi antara logam Natrium dan Magnesium dengan air adalah reaksi redoks. Dalam reaksi ini, unsur logam mengalami oksidasi dan dihasilkan gas hidrogen. Larutan yang dihasilkan bersifat alkali (basa). Logam Natrium lebih reaktif dibandingkan logam Magnesium, sehingga larutan NaOH bersifat lebih basa dibandingkan larutan Mg(OH)2.Padatan NaOH lebih mudah larut dalam air dibandingkan padatan Mg(OH)2.

Oksida dari logam Natrium dan Magnesium merupakan senyawa ionik dengan struktur kristalin. Saat dilarutkan dalam air, masing-masing oksida akan menghasilkan larutan basa. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa oksida logam dalam air menghasilkan larutan basa.

Na2O(s) +  H2O(l) ——> 2 NaOH(aq)

MgO(s) +  H2O(l) ——> Mg(OH)2(aq)

Aluminium Oksida memiliki struktur kristalin dan memiliki sifat kovalen yang cukup signifikan. Dengan demikian, senyawa ini dapat membentuk ikatan antarmolekul (intermediate bonding). Senyawa ini sukar larut dalam air.

Fosfor (V) Oksida merupakan senyawa kovalen. Senyawa ini dapat bereaksi dengan air membentuk asam fosfat. Asam fosfat merupakan salah satu contoh larutan asam lemah dengan pH berkisar antara 2 hingga 4. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

P4O10(s) +  6 H2O(l) ——> 4 H3PO4(aq)

Belerang Dioksida dan Belerang Trioksida mempunyai struktur molekul kovalen sederhana. Masing-masing dapat bereaksi dengan air membentuk larutan asam.

SO2(g) +  H2O(l) ——> H2SO3(aq)

SO3(g) +  H2O(l) ——> H2SO4(aq)

Dengan demikian, senyawa oksida yang dihasilkan dari unsur periode ketiga dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori, yaitu :

1. Oksida Logam (di sebelah kiri Tabel Periodik) memiliki struktur ionik kristalin dan bereaksi dengan air menghasilkan larutan basa. Oksida Logam merupakan oksida basa, yang dapat bereaksi dengan asam membentuk garam.

MgO(s) +  H2SO4(aq) ——> MgSO4(aq) +  H2O(l)

2. Oksida Nonlogam (di sebelah kanan Tabel Periodik) memiliki struktur molekul kovelen sederhana dan bereaksi dengan air menghasilkan larutan asam. Oksida nonlogam merupakan oksida asam, yang dapat bereaksi dengan basa membentuk garam.

SO3(g) +  MgO(s) ——> MgSO4(s)

3. Oksida Amfoterik (di tengah Tabel Periodik) memiliki sifat asam dan basa sekaligus. Oksida tersebut dapat bereaksi dengan asam maupun basa.

Al2O3(s) +  6 HCl(aq) ——> 2 AlCl3(aq) +  3 H2O(l)

Al2O3(s) +  6 NaOH(aq) +  3 H2O(l) ——> 2 Na3Al(OH)6(aq)

Natrium Klorida dan Magnesium Klorida merupakan senyawa ionik dengan struktur kristalin yang teratur. Saat dilarutkan dalam air, kedua senyawa tersebut menghasilkan larutan netral (pH = 7). Sementara itu, Aluminium Klorida membentuk struktur dimernya, yaitu Al2Cl6 (untuk mencapai konfigurasi oktet). Senyawa dimer ini larut dalam air.

Al2Cl6(s) +  12 H2O(l) ——> 2 [Al(H2O)6]3+(aq) +  6 Cl-(aq)

Cairan Silikon (IV) Klorida dan gas PCl5 merupakan molekul kovalen sederhana. Masing-masing senyawa bereaksi hebat dengan air membentuk gas HCl. Reaksi ini dikenal dengan istilah hidrolisis. Larutan yang terbentuk bersifat asam. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

SiCl4(l) +  2 H2O(l) ——> SiO2(s) +  4 HCl(g)

PCl5(s) +  4 H2O(l) ——> H3PO4(aq) +  5 HCl(g)

Dengan demikian, senyawa halida yang dibentuk dari unsur periode ketiga dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu :

1. Logam Klorida ( di sebelah kiri Tabel Periodik) memiliki struktur kristalin ionikdan mudah bereaksi dengan air membentuk larutan netral. Logam Klorida bersifat netral.

2. Nonlogam Klorida (di sebelah kanan Tabel Periodik) memiliki struktur molekul kovalen sederhana dan bereaksi dengan air menghasilkan larutan asam. Nonlogam Klorida bersifat asam.

Referensi:

Andy. 2009. Pre-College Chemistry.

Cotton, F. Albert dan Geoffrey Wilkinson. 1989. Kimia Anorganik Dasar. Jakarta: Penerbit UI Press

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.

Ratcliff, Brian, dkk. 2006. AS Level and A Level Chemistry. Dubai: Oriental Press.

Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia: Pakar Raya.

Elektrokimia II : Sel Elektrolisis

10 September 2009

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari tentang reaksi-reaksi sel elektrolisis (aspek kualitatif). Kemudian kita akan menghitung massa endapan logam dan volume gas yang dihasilkan dari reaksi elektrolisis (aspek kuantitatif). Kita juga akan mempelajari pengaruh besarnya arus listrik terhadap kuantitas produk elektrolisis yang dihasilkan.

Sel Elektrolisis adalah sel yang menggunakan arus listrik untuk menghasilkan reaksi redoks yang diinginkan dan digunakan secara luas di dalam masyarakat kita. Baterai aki yang dapat diisi ulang merupakan salah satu contoh aplikasi sel elektrolisis dalam kehidupan sehari-hari (lihat Elektrokimia I : Penyetaraan Reaksi Redoks dan Sel Volta). Baterai aki yang sedang diisi kembali (recharge) mengubah energi listrik yang diberikan menjadi produk berupa bahan kimia yang diinginkan. Air, H2O, dapat diuraikan dengan menggunakan listrik dalam sel elektrolisis. Proses ini akan mengurai air menjadi unsur-unsur pembentuknya. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :     2 H2O(l) ——>  2 H2(g) + O2(g)

Rangkaian sel elektrolisis hampir menyerupai sel volta. Yang membedakan sel elektrolisis dari sel volta adalah, pada sel elektrolisis, komponen voltmeter diganti dengan sumber arus (umumnya baterai). Larutan atau lelehan yang ingin dielektrolisis, ditempatkan dalam suatu wadah. Selanjutnya, elektroda dicelupkan ke dalam larutan maupun lelehan elektrolit yang ingin dielektrolisis. Elektroda yang digunakan umumnya merupakan elektroda inert, seperti Grafit (C), Platina (Pt), dan Emas (Au). Elektroda berperan sebagai tempat berlangsungnya reaksi. Reaksi reduksi berlangsung di katoda, sedangkan reaksi oksidasi berlangsung di anoda. Kutub negatif sumber arus mengarah pada katoda (sebab memerlukan elektron) dan kutub positif sumber arus tentunya mengarah pada anoda. Akibatnya, katoda bermuatan negatif dan menarik kation-kation yang akan tereduksi menjadi endapan logam. Sebaliknya, anoda bermuatan positif dan menarik anion-anion yang akan teroksidasi menjadi gas. Terlihat jelas bahwa tujuan elektrolisis adalah untuk mendapatkan endapan logam di katoda dan gas di anoda.

Ada dua tipe elektrolisis, yaitu elektrolisis lelehan (leburan) dan elektrolisis larutan. Pada proses elektrolisis lelehan, kation pasti tereduksi di katoda dan anion pasti teroksidasi di anoda. Sebagai contoh, berikut ini adalah reaksi elektrolisis lelehan garam NaCl (yang dikenal dengan istilah sel Downs) :

Katoda (-)            :   2 Na+(l) + 2 e- ——>  2 Na(s) ……………….. (1)

Anoda (+)            :   2 Cl-(l) Cl2(g) +  2 e- ……………….. (2)

Reaksi sel            :   2 Na+(l) +  2 Cl-(l) ——>  2 Na(s) +  Cl2(g) ……………….. [(1) + (2)]

Reaksi elektrolisis lelehan garam NaCl menghasilkan endapan logam natrium di katoda dan gelembung gas Cl2 di anoda. Bagaimana halnya jika lelehan garam NaCl diganti dengan larutan garam NaCl? Apakah proses yang terjadi masih sama? Untuk mempelajari reaksi elektrolisis larutan garam NaCl, kita mengingat kembali Deret Volta (lihat Elektrokimia I : Penyetaraan Reaksi Redoks dan Sel Volta).

Pada katoda, terjadi persaingan antara air dengan ion Na+. Berdasarkan Tabel Potensial Standar Reduksi, air memiliki red yang lebih besar dibandingkan ion Na+. Ini berarti, air lebih mudah tereduksi dibandingkan ion Na+. Oleh sebab itu, spesi yang bereaksi di katoda adalah air. Sementara, berdasarkan Tabel Potensial Standar Reduksi, nilai red ion Cl- dan air hampir sama. Oleh karena oksidasi air memerlukan potensial tambahan (overvoltage), maka oksidasi ion Cl- lebih mudah dibandingkan oksidasi air. Oleh sebab itu, spesi yang bereaksi di anoda adalah ion Cl-. Dengan demikian, reaksi yang terjadi pada elektrolisis larutan garam NaCl adalah sebagai berikut :

Katoda (-)            :   2 H2O(l) +  2 e- ——>  H2(g) +  2 OH-(aq) ……………….. (1)

Anoda (+)            :   2 Cl-(aq) ——>  Cl2(g) +  2 e- ……………….. (2)

Reaksi sel            :   2 H2O(l) +  2 Cl-(aq) ——>  H2(g) +  Cl2(g) +  2 OH-(aq) ……………………. [(1) + (2)]

Reaksi elektrolisis larutan garam NaCl menghasilkan gelembung gas H2 dan ion OH­(basa) di katoda serta gelembung gas Cl2 di anoda. Terbentuknya ion OH- pada katoda dapat dibuktikan dengan perubahan warna larutan dari bening menjadi merah muda setelah diberi sejumlah indikator fenolftalein (pp). Dengan demikian, terlihat bahwa produk elektrolisis lelehan umumnya berbeda dengan produk elektrolisis larutan.

Selanjutnya kita mencoba mempelajari elektrolisis larutan Na2SO4. Pada katoda, terjadi persaingan antara air dan ion Na+. Berdasarakan nilai red, maka air yang akan tereduksi di katoda. Di lain sisi, terjadi persaingan antara ion SO42- dengan air di anoda. Oleh karena bilangan oksidasi S pada SO4-2 telah mencapai keadaan maksimumnya, yaitu +6, maka spesi SO42- tidak dapat mengalami oksidasi. Akibatnya, spesi air yang akan teroksidasi di anoda. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Katoda (-)            :   4 H2O(l) +  4 e- ——>  2 H2(g) +  4 OH-(aq) ……………….. (1)

Anoda (+)            :   2 H2O(l) ——>   O2(g) +  4 H+(aq) +  4 e- ……………….. (2)

Reaksi sel            :   6 H2O(l) ——>  2 H2(g) +  O2(g) +  4 H+(aq) +  4 OH-(aq) …………………….. [(1) + (2)]

6 H2O(l) ——>  2 H2(g) +  O2(g) +  4 H2O(l) …………………. [(1) + (2)]

2 H2O(l) ——>  2 H2(g) +  O2(g) …………………….. [(1) + (2)]

Dengan demikian, baik ion Na+ maupun SO42-, tidak bereaksi. Yang terjadi justru adalah peristiwa elektrolisis air menjadi unsur-unsur pembentuknya. Hal yang serupa juga ditemukan pada proses elektrolisis larutan Mg(NO3)2 dan K2SO4.

Bagaimana halnya jika elektrolisis lelehan maupun larutan menggunakan elektroda yang tidak inert, seperti Ni, Fe, dan Zn? Ternyata, elektroda yang tidak inert hanya dapat bereaksi di anoda, sehingga produk yang dihasilkan di anoda adalah ion elektroda yang larut (sebab logam yang tidak inert mudah teroksidasi). Sementara, jenis elektroda tidak mempengaruhi produk yang dihasilkan di katoda. Sebagai contoh, berikut adalah proses elektrolisis larutan garam NaCl dengan menggunakan elektroda Cu :

Katoda (-)            :   2 H2O(l) +  2 e- ——>  H2(g) +  2 OH-(aq) ……………………..  (1)

Anoda (+)            :   Cu(s) ——>  Cu2+(aq) +  2 e- ……………………..  (2)

Reaksi sel            :   Cu(s) +  2 H2O(l) ——>  Cu2+(aq) +  H2(g) +  2 OH-(aq) ……………………..  [(1) + (2)]

Dari pembahasan di atas, kita dapat menarik beberapa kesimpulan yang berkaitan dengan reaksi elektrolisis :

  1. Baik elektrolisis lelehan maupun larutan, elektroda inert tidak akan bereaksi; elektroda tidak inert hanya dapat bereaksi di anoda
  2. Pada elektrolisis lelehan, kation pasti bereaksi di katoda dan anion pasti bereaksi di anoda
  3. Pada elektrolisis larutan, bila larutan mengandung ion alkali, alkali tanah, ion aluminium, maupun ion mangan (II), maka air yang mengalami reduksi di katoda
  4. Pada elektrolisis larutan, bila larutan mengandung ion sulfat, nitrat, dan ion sisa asam oksi, maka air yang mengalami oksidasi di anoda

Salah satu aplikasi sel elektrolisis adalah pada proses yang disebut penyepuhan. Dalam proses penyepuhan, logam yang lebih mahal dilapiskan (diendapkan sebagai lapisan tipis) pada permukaan logam yang lebih murah dengan cara elektrolisis. Baterai umumnya digunakan sebagai sumber listrik selama proses penyepuhan berlangsung. Logam yang ingin disepuh berfungsi sebagai katoda dan lempeng perak (logam pelapis) yang merupakan logam penyepuh berfungsi sebagai anoda. Larutan elektrolit yang digunakan harus mengandung spesi ion logam yang sama dengan logam penyepuh (dalam hal ini, ion perak). Pada proses elektrolisis, lempeng perak di anoda akan teroksidasi dan larut menjadi ion perak. Ion perak tersebut kemudian akan diendapkan sebagai lapisan tipis pada permukaan katoda. Metode ini relatif mudah dan tanpa biaya yang mahal, sehingga banyak digunakan pada industri perabot rumah tangga dan peralatan dapur.

Setelah kita mempelajari aspek kualitatif reaksi elektrolisis, kini kita akan melanjutkan dengan aspek kuantitatif sel elektrolisis. Seperti yang telah disebutkan di awal, tujuan utama elektrolisis adalah untuk mengendapkan logam dan mengumpulkan gas dari larutan yang dielektrolisis. Kita dapat menentukan kuantitas produk yang terbentuk melalui konsep mol dan stoikiometri.

Satuan yang sering ditemukan dalam aspek kuantitatif sel elektrolisis adalah Faraday (F). Faraday didefinisikan sebagai muatan (dalam Coulomb) mol elektron. Satu Faraday equivalen dengan satu mol elektron. Demikian halnya, setengah Faraday equivalen dengan setengah mol elektron. Sebagaimana yang telah kita ketahui, setiap satu mol partikel mengandung 6,02 x 1023 partikel. Sementara setiap elektron mengemban muatan sebesar  1,6 x 10-19 C. Dengan demikian :

1 Faraday  =  1 mol elektron  =  6,02 x 1023 partikel elektron x 1,6 x 10-19 C/partikel elektron 1 Faraday  =  96320 C (sering dibulatkan menjadi 96500 C untuk mempermudah perhitungan)

Hubungan antara Faraday dan Coulomb dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

Faraday  =  Coulomb / 96500

Coulomb  =  Faraday x 96500

Coulomb adalah satuan muatan listrik. Coulomb dapat diperoleh melalui perkalian arus listrik (Ampere) dengan waktu (detik). Persamaan yang menunjukkan hubungan Coulomb, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :

Coulomb  =  Ampere  x  Detik

Q  =  I  x  t

Dengan demikian, hubungan antara Faraday, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :

Faraday  =  (Ampere  x  Detik)  /  96500

Faraday  =  (I  x  t)  /  96500

Dengan mengetahui besarnya Faraday pada reaksi elektrolisis, maka mol elektron yang dibutuhkan pada reaksi elektrolisis dapat ditentukan. Selanjutnya, dengan memanfaatkan koefisien reaksi pada masing-masing setengah reaksi di katoda dan anoda, kuantitas produk elektrolisis dapat ditemukan.

Berikut ini adalah beberapa contoh soal aspek kuantitatif sel elektrolisis :

1. Pada elektrolisis larutan AgNO3 dengan elektroda inert dihasilkan gas oksigen sebanyak 5,6 L pada STP. Berapakah jumlah listrik dalam Coulomb yang dialirkan pada proses tersebut?

Penyelesaian :

Reaksi elektrolisis larutan AgNO3 dengan elektroda inert adalah sebagai berikut :

Katoda (-)   :  Ag+ +  e- ——>  Ag

Anoda (+)   :  2 H2O(l) ——>  O2(g) +  4 H+(aq) +  4 e-

Gas O2 terbentuk di anoda. Mol gas O2 yang terbentuk sama dengan 5,6 L / 22,4 L = ¼ mol O2

Berdasarkan persamaan reaksi di anoda, untuk menghasilkan ¼ mol gas O2, maka jumlah mol elektron yang terlibat adalah sebesar  4 x ¼ = 1 mol elektron.

1 mol elektron = 1 Faraday = 96500 C

Jadi, jumlah listrik yang terlibat adalah sebesar 96500 C

2. Unsur Fluor dapat diperoleh dengan cara elektrolisis lelehan NaF. Berapakah waktu yang diperlukan untuk mendapatkan 15 L gas fluorin ( 1 mol gas mengandung 25 L gas) dengan arus sebesar 10 Ampere?

Penyeleasian :

Reaksi elektrolisis lelehan NaF adalah sebagai berikut :

K (-) : Na+(l) +  e- ——>  Na(s)

A (-) : 2 F-(l) ——>  F2(g) +  2 e-

Gas F2 terbentuk di anoda. Mol gas F2 yang terbentuk adalah sebesar 15 L / 25 L = 0,6 mol F2

Berdasarkan persamaan reaksi di anoda, untuk menghasilkan 0,6 mol gas F2, akan melibatkan mol elektron sebanyak 2 x 0,6 = 1,2 mol elektron

1,2 mol elektron = 1,2 Faraday

Waktu yang diperlukan dapat dihitung melalui persamaan berikut :

Faraday = (Ampere x Detik) / 96500

1,2  =  (10 x t)  / 96500

t  =  11850 detik  =  3,22 jam

Jadi, diperlukan waktu selama 3,22 jam untuk menghasilkan 15 L gas fluorin

3. Arus sebesar 0,452 A dilewatkan pada sel elektrolisis yang mengandung lelehan CaCl2 selama 1,5 jam. Berapakah jumlah produk yang dihasilkan pada masing-masing elektroda?

Penyelesaian :

Reaksi elektrolisis lelehan CaCl2 adalah sebagai berikut :

K (-) : Ca2+(l) +  2 e- ——>  Ca(s)

A (+) : 2 Cl-(l) ——>  Cl2(g) +  2 e-

Mol elektron yang terlibat dalam reaksi ini dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Faraday  =  (Ampere x Detik) / 96500

Faraday  =  (0,452 x  1,5  x  3600) / 96500  mol elektron

Berdasarkan persamaan reaksi di katoda, mol Ca yang dihasilkan adalah setengah dari mol elektron yang terlibat. Dengan demikian, massa Ca yang dihasilkan adalah :

Massa Ca = mol Ca x Ar Ca

Massa Ca  =  ½  x  (0,452 x  1,5  x  3600) / 96500  x  40  =  0,506 gram Ca

Berdasarkan persamaan reaksi di anoda, mol gas Cl2 yang dihasilkan adalah setengah dari mol elektron yang terlibat. Dengan demikian, volume gas Cl2 (STP) yang dihasilkan adalah :

Volume gas Cl2 = mol Cl2 x 22,4 L

Volume gas Cl2 =  ½  x  (0,452 x  1,5  x  3600) / 96500  x  22.4 L  =  0,283 L gas Cl2

Jadi, produk yang dihasilkan di katoda adalah 0,506 gram endapan Ca dan produk yang dihasilkan di anoda adalah 0,283 L gas Cl2 (STP)

4. Dalam sebuah percobaan elektrolisis, digunakan dua sel yang dirangkaikan secara seri. Masing-masing sel menerima arus listrik yang sama. Sel pertama berisi larutan AgNO3, sedangkan sel kedua berisi larutan XCl3. Jika setelah elektrolisis selesai, diperoleh 1,44 gram logam Ag pada sel pertama dan 0,12 gram logam X pada sel kedua, tentukanlah massa molar (Ar) logam X tersebut!

Penyelesaian :

Reaksi elektrolisis larutan AgNO3 :

K (-) :  Ag+(aq) +  e- ——>  Ag(s)

A (+) : 2 H2O(l) ——>  O2(g) +  4 H+(aq) +  4 e-

Logam Ag yang dihasilkan sebanyak 1,44 gram; dengan demikian, mol logam Ag yang dihasilkan sebesar  1,44 / 108 mol Ag

Berdasarkan persamaan reaksi di katoda, mol elektron yang dibutuhkan untuk menghasilkan logam Ag sama dengan mol logam Ag (koefisien reaksinya sama)

Sehingga, mol elektron yang digunakan dalam proses elektrolisis ini adalah sebesar   1,44 / 108 mol  elektron

Reaksi elektrolisis larutan XCl3 :

K (-) :  X3+(aq) +  3 e- ——>  X(s)

A (+) : 2 Cl-(l) ——>  Cl2(g) +  2 e-

Arus yang sama dialirkan pada sel kedua, sehingga, mol elektron yang digunakan dalam proses elektrolisis ini sama seperti sebelumya, yaitu sebesar 1,44 / 108 mol  elektron

Berdasarkan persamaan reaksi di katoda, mol logam X yang dihasilkan sama dengan  1 / 3 kali mol elektron, yaitu sebesar  1 / 3  x  1,44 / 108 mol X

Massa logam X  =  0,12 gram; dengan demikian, massa molar (Ar) logam X adalah sebagai berikut:

mol  =  massa / Ar

Ar  = massa / mol

Ar  =  0,12 / (1 / 3  x  1,44  / 108)  =  27

Jadi, Ar dari logam X adalah 27

Referensi:

Andy. 2009. Pre-College Chemistry.

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.

Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia:Pakar Raya.

Elektrokimia I : Penyetaraan Reaksi Redoks dan Sel Volta

9 September 2009

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari dasar-dasar reaksi redoks, mempelajari cara menyetarakan reaksi redoks dengan metode perubahan bilangan oksidasi dan metode setengah reaksi, serta mempelajari seluk-beluk tentang sel volta dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari.

Reaksi Redoks adalah reaksi yang didalamnya terjadi perpindahan elektron secara berurutan dari satu spesies kimia ke spesies kimia lainnya, yang sesungguhnya terdiri atas dua reaksi yang berbeda, yaitu oksidasi (kehilangan elektron) dan reduksi (memperoleh elektron). Reaksi ini merupakan pasangan, sebab elektron yang hilang pada reaksi oksidasi sama dengan elektron yang diperoleh pada reaksi reduksi. Masing-masing reaksi (oksidasi dan reduksi) disebut reaksi paruh (setengah reaksi), sebab diperlukan dua setengah reaksi ini untuk membentuk sebuah reaksi  dan reaksi keseluruhannya disebut reaksi redoks.

Ada tiga definisi yang dapat digunakan untuk oksidasi, yaitu kehilangan elektron, memperoleh oksigen, atau kehilangan hidrogen. Dalam pembahasan ini, kita menggunakan definisi kehilangan elektron. Sementara definisi lainnya berguna saat menjelaskan proses fotosintesis dan pembakaran.

Oksidasi adalah reaksi dimana suatu senyawa kimia kehilangan elektron selama perubahan dari reaktan menjadi produk. Sebagai contoh, ketika logam Kalium bereaksi dengan gas Klorin membentuk garam Kalium Klorida (KCl), logam Kalium kehilangan satu elektron yang kemudian akan digunakan oleh klorin. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

K  —–>    K+ + e-

Ketika Kalium kehilangan elektron, para kimiawan mengatakan bahwa logam Kalium itu telah teroksidasi menjadi kation Kalium.

Seperti halnya oksidasi, ada tiga definisi yang dapat digunakan untuk menjelaskan reduksi, yaitu memperoleh elektron, kehilangan oksigen, atau memperoleh hidrogen. Reduksi sering dilihat sebagai proses memperoleh elektron. Sebagai contoh, pada proses penyepuhan perak pada perabot rumah tangga, kation perak direduksi menjadi logam perak dengan cara memperoleh elektron. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Ag+ + e- ——>   Ag

Ketika mendapatkan elektron, para kimiawan mengatakan bahwa kation perak telah tereduksi menjadi logam perak.

Baik oksidasi maupun reduksi tidak dapat terjadi sendiri, harus keduanya. Ketika elektron tersebut hilang, sesuatu harus mendapatkannya.  Sebagai contoh, reaksi yang terjadi antara logam seng dengan larutan tembaga (II) sulfat dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi berikut :

Zn(s) + CuSO4(aq) ——>  ZnSO4(aq) + Cu(s)

Zn(s) + Cu2+(aq) ——>  Zn2+(aq) + Cu(s) (persamaan ion bersih)

Sebenarnya, reaksi keseluruhannya terdiri atas dua reaksi paruh :

Zn(s) ——>   Zn2+(aq) + 2e-

Cu2+(aq) + 2e- ——>  Cu(s)

Logam seng kehilangan dua elektron, sedangkan kation tembaga (II) mendapatkan dua elektron yang sama. Logam seng teroksidasi. Tetapi, tanpa adanya kation tembaga (II), tidak akan terjadi suatu apa pun. Kation tembaga (II) disebut zat pengoksidasi (oksidator). Oksidator menerima elektron yang berasal dari spesies kimia yang telah teroksidasi.

Sementara kation tembaga (II) tereduksi karena mendapatkan elektron. Spesies yang memberikan elektron disebut zat pereduksi (reduktor). Dalam hal ini, reduktornya adalah logam seng. Dengan demikian, oksidator adalah spesies yang tereduksi dan reduktor adalah spesies yang teroksidasi. Baik oksidator maupun reduktor berada di ruas kiri (reaktan) persamaan redoks.

Elektrokimia adalah salah satu dari cabang ilmu kimia yang mengkaji tentang perubahan bentuk energi listrik menjadi energi kimia dan sebaliknya. Proses elektrokimia melibatkan reaksi redoks. Proses transfer elektron akan menghasilkan sejumlah energi listrik. Aplikasi elektrokimia dapat diterapkan dalam dua jenis sel, yaitu sel volta dan sel elektrolisis. Sebelum membahas kedua jenis sel tersebut, kita terlebih dahulu akan mempelajari metode penyetaraan reaksi redoks.

Persamaan reaksi redoks biasanya sangat kompleks, sehingga metode penyeteraan reaksi kimia biasa tidak dapat diterapkan dengan baik. Dengan demikian, para kimiawan mengembangkan dua metode untuk menyetarakan persamaan redoks. Salah satu metode disebut metode perubahan bilangan oksidasi (PBO), yang berdasarkan pada perubahan bilangan oksidasi yang terjadi selama reaksi. Metode lain, disebut metode setengah reaksi (metode ion-elektron). Metode ini melibatkan dua buah reaksi paruh, yang kemudian digabungkan menjadi reaksi redoks keseluruhan.

Berikut ini penjelasan sekilas tentang metode setengah reaksi : persamaan redoks yang belum setara diubah menjadi persamaan ion dan kemudian dipecah menjadi dua reaksi paruh, yaitu reaksi oksidasi dan reaksi reduksi; setiap reaksi paruh ini disetarakan dengan terpisah dan kemudian digabungkan untuk menghasilkan ion yang telah disetarakan; akhirnya, ion-ion pengamat kembali dimasukkan ke persamaan ion yang telah disetarakan, mengubah reaksi menjadi bentuk molekulnya.

Sebagai contoh, saya akan menjelaskan langkah-langkah untuk menyetarakan persamaan redoks berikut :

Fe2+(aq) + Cr2O72-(aq) ——>  Fe3+(aq) + Cr3+(aq)

1. Menuliskan persamaan reaksi keseluruhan

Fe2+ +  Cr2O72- ——>  Fe3+ +  Cr3+

2. Membagi reaksi menjadi dua reaksi paruh

Fe2+ ——>  Fe3+

Cr2O72- ——>  Cr3+

3. Menyetarakan jenis atom dan jumlah atom dan muatan pada masing-masing setengah reaksi; dalam suasana asam, tambahkan H2O untuk menyetarakan atom O dan H+ untuk menyetarakan atom H

Fe2+ ——>  Fe3+ + e-

6 e- + 14 H+ + Cr2O72- ——>  2 Cr3+ +  7 H2O

4. Menjumlahkan kedua setengah reaksi; elektron pada kedua sisi harus saling meniadakan; jika oksidasi dan reduksi memiliki jumlah elektron yang berbeda, maka harus disamakan terlebih dahulu

6 Fe2+ ——>  6 Fe3+ + 6 e- ……………… (1)

6 e- + 14 H+ + Cr2O72- ——>  2 Cr3+ +  7 H2O ……………… (2)

6 Fe2+ +  14 H+ + Cr2O72- ——>  6 Fe3+ + 2 Cr3+ +  7 H2O ………………… [(1) + (2)]

5. Mengecek kembali dan yakin bahwa kedua ruas memiliki jenis atom dan jumlah atom yang sama, serta memiliki muatan yang sama pada kedua ruas persamaan reaksi

Untuk reaksi yang berlangsung dalam suasana basa, tambahkan ion OH- dalam jumlah yang sama dengan ion H+ pada masing-masing ruas untuk menghilangkan ion H+. Persamaan reaksi tersebut  berubah menjadi sebagai berikut :

6 Fe2+ +  14 H+ + 14 OH- + Cr2O72- ——>  6 Fe3+ + 2 Cr3+ +  7 H2O + 14 OH-

6 Fe2+ 14 H2O + Cr2O72- ——>  6 Fe3+ + 2 Cr3+ +  7 H2O + 14 OH-

6 Fe2+ 7 H2O + Cr2O72- ——>  6 Fe3+ + 2 Cr3+ + 14 OH-

Berikut ini adalah contoh lain penyelesaian penyetaraan persamaan reaksi redoks :

Cu(s) + HNO3(aq) ——>  Cu(NO3)2(aq) + NO(g) + H2O(l)

1. Mengubah reaksi redoks yang belum disetarakan menjadi bentuk ion

Cu +  H+ +  NO3- ——>  Cu2+ +  2 NO3- +  NO  +  H2O

2. Menentukan bilangan oksidasi dan menuliskan dua setengah reaksi (oksidasi dan reduksi) yang menunjukkan spesies kimia yang telah mengalami perubahan bilangan oksidasi

Cu  ——>   Cu2+

NO3- ——>  NO

3. Menyetarakan semua atom, dengan pengecualian untuk oksigen dan hidrogen

Cu  ——>   Cu2+

NO3- ——>  NO

4. Menyetarakan atom oksigen dengan menambahkan H2O pada ruas yang kekurangan oksigen

Cu  ——>  Cu2+

NO3- ——>  NO + 2 H2O

5. Menyetarakan atom hidrogen dengan menambahkan H+ pada ruas yang kekurangan hidrogen

Cu ——>  Cu2+

4 H+ + NO3- ——>  NO + 2 H2O

6. Menyetarakan muatan ion pada setiap ruas setengah reaksi dengan menambahkan elektron

Cu  ——>  Cu2+ + 2 e-

3 e- + 4 H+ + NO3- ——>  NO + 2 H2O

7. Menyetarakan kehilangan elektron dengan perolehan elektron antara kedua setengah reaksi

3 Cu  ——> 3 Cu2+ + 6 e-

6 e- + 8 H+ + 2 NO3- ——>  2 NO  +  4 H2O

8. Menggabungkan kedua reaksi paruh tersebut dan menghilangkan spesi yang sama di kedua sisi; elektron selalu harus dihilangkan (jumlah elektron di kedua sisi harus sama)

3 Cu   ——>  3 Cu2+ + 6 e- …………………….. (1)

6 e- + 8 H+ + 2 NO3 ——>   2 NO  +  4 H2O  …………………….. (2)

3 Cu  +  8 H+ +  2 NO3- ——>  3 Cu2+ +  2 NO  +  4 H2O  …………………………….. [(1) + (2)]

9. Mengubah persamaan reaksi kembali ke bentuk molekulnya dengan menambahkan ion pengamat

3 Cu +  8 H+ +  2 NO3- + 6 NO3- ——>  3 Cu2+ +  2 NO  +  4 H2O  + 6 NO3-

3 Cu +  8 HNO3 ——>  3 Cu(NO3)2 +  2 NO  +  4 H2O

10. Memeriksa kembali untuk meyakinkan bahwa semua atomnya telah setara, semua muatannya telah setara, dan semua koefisiennya ada dalam bentuk bilangan bulat terkecil

Metode lain yang digunakan dalam menyetarakan persamaan reaksi redoks adalah metode perubahan bilangan oksidasi (PBO). Saya akan menjelaskan langkah-langkah penyetaraan reaksi redoks dengan metode PBO melalu contoh berikut :

MnO4-(aq) + C2O42-(aq) ——>  Mn2+(aq) + CO2(g)

1. Menentukan bilangan oksidasi masing-masing unsur

MnO4-C2O42- ——> Mn2+ CO2

+7 -2      +3 -2            +2 +4 -2

2. Menentukan unsur yang mengalami perubahan bilangan oksidasi serta besarnya perubahan bilangan oksidasi

Mn mengalami perubahan bilangan oksidasi dari +7 menjadi +2; besarnya perubahan bilangan oksidasi (Δ) sebesar 5

C mengalami perubahan bilangan oksidasi dari +3 menjadi +4; besarnya perubahan bilangan okisdasi (Δ) sebesar 1

3. Mengalikan perubahan bilangan oksidasi (Δ) dengan jumlah atom yang mengalami perubahan bilangan oksidasi

Mn : Δ = 5 x 1 = 5

C     : Δ = 1 x 2 = 2

4. Menyamakan jumlah atom yang mengalami perubahan bilangan oksidasi pada masing-masing ruas

MnO4- +  C2O42- ——>  Mn2+ 2 CO2

5. Menyamakan perubahan bilangan oksidasi (Δ); bilangan pengali dijadikan sebagai koefisien reaksi baru

Mn dikalikan 2 dan C dikalikan 5, sehingga Δ kedua unsur sama, yaitu sebesar 10

2 MnO4-5 C2O42- ——>  2 Mn2+ + 10 CO2

6. Dalam tahap ini, reaksi hampir selesai disetarakan; selanjutnya atom O dapat disetarakan dengan menambahkan H2O pada ruas yang kekurangan atom O; sementara untuk menyetarakan atom H, gunakan H+

16 H+ + 2 MnO4-5 C2O42- ——>  2 Mn2+ 10 CO28 H2O

7. Memeriksa kembali untuk meyakinkan bahwa semua atomnya telah setara, semua muatannya telah setara, dan semua koefisiennya ada dalam bentuk bilangan bulat terkecil

Untuk reaksi yang berlangsung dalam suasana basa, tambahkan ion OH- dalam jumlah yang sama dengan ion H+ pada masing-masing ruas untuk menghilangkan ion H+. Persamaan reaksi tersebut  berubah menjadi sebagai berikut :

16 OH- + 16 H+ +  2 MnO4- +  5 C2O42- ——>  2 Mn2+ +  10 CO2 +  8 H2O + 16 OH-

16 H2O +  2 MnO4- +  5 C2O42- ——>  2 Mn2+ +  10 CO2 +  8 H2O + 16 OH-

8 H2O +  2 MnO4- +  5 C2O42- ——>  2 Mn2+ +  10 CO2 +  16 OH-

Selanjutnya, saya akan kembali memberikan sebuah contoh penyelesaian persamaan reaksi redoks dengan metode PBO :

MnO(s) + PbO2(s) + HNO3(aq) ——>  HMnO4(aq) + Pb(NO3)2(aq) + H2O(l)

1. Mengubah reaksi redoks yang belum disetarakan menjadi bentuk ion

MnO  + PbO2 + H+ + NO3 ——>  H+ + MnO4- + Pb2+ + 2 NO3- + H2O

2. Menentukan bilangan oksidasi masing-masing unsur

MnO  + PbO2 + H+ + NO3 ——>  H+ + MnO4- + Pb2+ + 2 NO3- + H2O

+2 -2   +4 -2  + 1    +5  -2         +1     +7 -2       +2 +5  -2     +1  -2

3. Menuliskan kembali semua unsur yang mengalami perubahan bilangan oksidasi; ion pengamat tidak disertakan

MnO  +  PbO2 ——>  MnO4- +  Pb2+

+2 -2     +4 -2         +7 -2       +2

4. Menentukan unsur yang mengalami perubahan bilangan oksidasi serta besarnya perubahan bilangan oksidasi

Mn mengalami perubahan bilangan oksidasi dari +2 menjadi +7; besarnya perubahan bilangan oksidasi (Δ) sebesar 5

Pb mengalami perubahan bilangan oksidasi dari +4 menjadi +2; besarnya perubahan bilangan okisdasi (Δ) sebesar 2

5. Mengalikan perubahan bilangan oksidasi (Δ) dengan jumlah atom yang mengalami perubahan bilangan oksidasi

Mn : Δ = 5 x 1 = 5

Pb   : Δ = 2 x 1 = 2

6. Menyamakan jumlah atom yang mengalami perubahan bilangan oksidasi pada masing-masing ruas

MnO  +  PbO2 ——>  MnO4- +  Pb2+

7. Menyamakan perubahan bilangan oksidasi (Δ); bilangan pengali dijadikan sebagai koefisien reaksi baru

Mn dikalikan 2 dan Pb dikalikan 5, sehingga Δ kedua unsur sama, yaitu sebesar 10

2 MnO  +  5 PbO2 ——>  2 MnO4- +  5 Pb2+

8. Dalam tahap ini, reaksi hampir selesai disetarakan; selanjutnya atom O dapat disetarakan dengan menambahkan H2O pada ruas yang kekurangan atom O; sementara untuk menyetarakan atom H, gunakan H+

8 H+ 2 MnO  +  5 PbO2 ——>  2 MnO4- +  5 Pb2+ 4 H2O

9. Mengubah persamaan reaksi kembali ke be ntuk molekulnya dengan menambahkan ion pengamat

10 NO3- 2 H+ +  8 H+ +  2 MnO  +  5 PbO2 ——>  2 MnO4- +  5 Pb2+ +  4 H2O  +  2 H+ 10 NO3-

2 MnO  +  5 PbO210 HNO3 ——>  2 HMnO4 5 Pb(NO3)2 +  4 H2O

10. Memeriksa kembali untuk meyakinkan bahwa semua atomnya telah setara, semua muatannya telah setara, dan semua koefisiennya ada dalam bentuk bilangan bulat terkecil

Pada pembahasan sebelumnya, kita telah mengetahui bahwa saat sepotong logam seng dicelupkan ke dalam larutan tembaga (II) sulfat, akan terjadi reaksi redoks. Logam seng akan teroksidasi menjadi ion Zn2+, sementara ion Cu2+ akan tereduksi menjadi logam tembaga yang menutupi permukaan logam seng. Persamaan untuk reaksi ini adalah sebagai berikut :

Zn(s) + Cu2+(aq) ——>  Zn2+(aq) + Cu(s)

Ini merupakan contoh perpindahan elektron langsung. Logam seng memberikan dua elektron (menjadi teroksidasi) ke ion Cu2+ yang menerima kedua elektron tersebut (mereduksinya menjadi logam tembaga). Logam tembaga akan melapisi permukaan logam seng.

Seandainya kedua reaksi paruh tersebut dapat dipisahkan, sehingga ketika logam seng teroksidasi, elektron akan dilepaskan dan dialirkan melalui kawat penghantar untuk mencapai ion Cu2+ (perpindahan elektron tidak langsung), kita akan mendapatkan sesuatu yang bermanfaat. Selama reaksi kimia berlangsung, akan terjadi aliran elektron yang menghasilkan energi listrik. Peralatan yang dapat mengubah energi kimia (reaksi redoks) menjadi arus listrik (aliran elektron = energi listrik) dikenal dengan Sel Volta atau Sel Galvani.

Salah satu contoh sel volta yang sering digunakan para kimiawan adalah Sel Daniell. Sel volta ini menggunakan reaksi antara logam Zn dan ion Cu2+ untuk menghasilkan listrik. Sel Daniell diberi nama menurut penemunya, John Frederic Daniell, seorang kimiawan Inggris yang menemukannya pada tahun 1836).

Pada Sel Daniell, sepotong logam seng dimasukkan ke dalam larutan seng (II) sulfat, ZnSO4(aq), pada satu wadah. Sementara, sepotong logam tembaga juga dimasukkan ke dalam larutan tembaga (II) sulfat, CuSO4(aq), pada wadah lainnya. Potongan logam tersebut disebut elektroda yang berfungsi sebagai ujung akhir atau penampung elektron. Kawat penghantar akan menghubungkan elektroda-elektrodanya. Selanjutnya, rangkaian sel dilengkapi pula dengan jembatan garam. Jembatan garam, biasanya berupa tabung berbentuk U yang terisi penuh dengan larutan garam pekat, memberikan jalan bagi ion untuk bergerak dari satu tempat ke tempat lainnya untuk menjaga larutan agar muatan listriknya tetap netral.

Sel Daniell bekerja atas dasar prinsip reaksi redoks. Logam seng teroksidasi dan membebaskan elektron yang mengalir melalui kawat menuju elektroda tembaga. Selanjutnya, elektron tersebut digunakan oleh  ion Cu2+ ­yang mengalami reduksi membentuk logam tembaga. Ion Cu2+ dari larutan tembaga (II) sulfat akan melapisi elektroda tembaga, sedangkan elektroda seng semakin berkurang (habis). Kation-kation di dalam jembatan garam berpindah ke wadah yang mengandung elektroda tembaga untuk menggantikan ion tembaga yang semakin habis. Sebaliknya, anion-anion pada jembatan garam berpindah ke sisi elektroda seng, yang menjaga agar larutan yang mengandung ion Zn2+ tetap bermuatan listrik netral.

Elektroda seng disebut anoda, yaitu elektroda yang menjadi tempat terjadinya reaksi oksidasi. Oleh karena anoda melepaskan elektron, maka anoda kaya akan elektron sehingga diberi tanda negatif (kutub negatif). Sementara, elektroda tembaga disebut katoda, yaitu elektroda yang menjadi tempat terjadinya reaksi reduksi. Oleh karena katoda menerima elektron, maka katoda kekurangan elektron sehingga diberi tanda positif (kutub positif).

Reaksi yang terjadi pada masing-masing elektroda (reaksi setengah sel) adalah sebagai berikut :

Anoda (-)    :     Zn(s) ——>  Zn2+(aq) + 2e- ……………………. (1)

Katoda (+)  :     Cu2+(aq) + 2e- ——>  Cu(s) ……………………. (2)

Reaksi Sel   :     Zn(s) + Cu2+(aq) ——>  Zn2+(aq) + Cu(s) …………………………… [(1) + (2)]

Munculnya arus listrik (aliran elektron) yang terjadi dari anoda menuju katoda disebabkan oleh perbedaan potensial elektrik antara kedua elektroda tersebut. Melalui percobaan, perbedaan potensial elektrik antara katoda dan anoda dapat diukur dengan voltmeter dan hasilnya berupa potensial standar sel (E°sel). Semakin besar perbedaan potensial elektrik, semakin besar pula arus listrik dan potensial standar sel yang dihasilkan.

Reaksi yang terjadi pada sel volta dapat dinyatakan dalam bentuk yang lebih ringkas, yaitu notasi sel. Sesuai dengan kesepakatan, reaksi oksidasi dinyatakan di sisi kiri, sementara reaksi reduksi dinyatakan di sisi kanan. Notasi sel untuk Sel Daniell adalah sebagai berikut :

Zn(s) /  Zn2+(aq) //  Cu2+(aq) /  Cu(s)

Saat konsentrasi ion Cu2+ dan Zn2+ masing-masing 1 M, terlihat pada voltmeter bahwa besarnya potensial standar sel (E°sel) bagi Sel Daniell adalah 1,10 V pada suhu 25°C. Oleh karena reaksi sel merupakan hasil penjumlahan dari dua reaksi setengah sel, maka potensial standar sel merupakan hasil penjumlahan dari dua potensial standar setengah sel. Pada Sel Daniell, potensial standar sel merupakan hasil penjumlahan potensial elektroda Cu dan Zn. Dengan mengetahui potensial standar dari masing-masing elektroda, kita dapat menentukan besarnya potensial standar sel lain yang terbentuk. Potensial yang digunakan dalam pemahasan ini adalah potensial standar reduksi.

Potensial standar reduksi masing-masing elektroda dapat ditentukan dengan membandingkannya terhadap elektroda standar (acuan), yaitu elektroda hidrogen standar (SHE = Standard Hydrogen Electrode). Keadaan standar yang dimaksud adalah saat tekanan gas H2 sebesar 1 atm, konsentrasi larutan ion H+ sebesar 1 M, dan dan pengukuran dilakukan pada suhu 25°C. Sesuai dengan kesepakatan, SHE memiliki potensial standar reduksi sebesar nol (E°red SHE = 0).

2 H+ (1 M)  +  2 e- ——>   H2 (1 atm)                        E°­red = 0 V

SHE dapat digunakan untuk menentukan besarnya potensial standar reduksi (E°red) elektroda lainnya.  Dengan demikian, kita dapat menyusun suatu daftar yang berisi urutan nilai E°­red elektroda-elektroda, dari yang terkecil (paling negatif) hingga yang terbesar (paling positif). Susunan elektroda-elektroda tersebut di kenal dengan istilah Deret Volta (deret kereaktifan logam).

Li – K – Ba – Sr – Ca – Na – Mg – Al – Mn – Zn – Cr – Fe – Cd – Co – Ni – Sn – Pb – H+ – Cu  – Ag – Hg – Pt – Au

Logam-logam yang terletak di sisi kiri H+ memiliki red bertanda negatif. Semakin ke kiri, nilai red semakin kecil (semakin negatif). Hal ini menandakan bahwa logam-logam tersebut semakin sulit mengalami reduksi dan cenderung mengalami oksidasi. Oleh sebab itu, kekuatan reduktor akan meningkat dari kanan ke kiri. Sebaliknya, logam-logam yang terletak di sisi kanan H+ memiliki red bertanda positif. Semakin ke kanan, nilai red semakin besar (semakin positif). Hal ini berarti bahwa logam-logam tersebut semakin mudah mengalami reduksi dan sulit mengalami oksidasi. Oleh sebab itu, kekuatan oksidator akan meningkat dari kiri ke kanan. Singkat kata, logam yang terletak disebelah kanan relatif terhadap logam lainnya, akan mengalami reduksi. Sementara, logam yang terletak di sebelah kiri relatif terhadap logam lainnya, akan mengalami oksidasi. Logam yang terletak disebelah kiri relatif terhadap logam lainnya mampu mereduksi ion logam menjadi logam (mendesak ion dari larutannya menjadi logam). Sebaliknya, logam yang terletak di sebelah kanan relatif terhadap logam lainnya mampu  mengoksidasi logam menjadi ion logam (melarutkan logam menjadi ion dalam larutannya).

Sebagai contoh, kita ingin merangkai sebuah sel volta dengan menggunakan elektroda Fe dan Ni. Berdasarkan susunan logam pada deret volta, logam Fe terletak di sebelah kiri relatif terhadap  logam Ni. Hal ini menandakan bahwa logam Ni lebih mudah tereduksi dibandingkan logam Fe. Akibatnya, dalam sel volta, elektroda Ni berfungsi sebagai katoda, sedangkan elektroda Fe berfungsi sebagai anoda. Reaksi yang terjadi pada sel volta adalah sebagai berikut :

Katoda (+)       :   Ni2+ +  2 e- ——>  Ni  ……………………. (1)

Anoda (-)         :   Fe  ——>  Fe2+ +  2 e- ……………………. (2)

Reaksi Sel        :   Fe  +  Ni2+ ——>  Fe2+ +  Ni   …………………………………… [(1) + (2)]

Notasi Sel        :   Fe / Fe2+ //  Ni2+ / Ni

Sesuai dengan kesepakatan, potensial sel (E°sel) merupakan kombinasi dari red katoda dan red anoda, yang ditunjukkan melalui persamaan berikut :

sel = katoda – E° anoda

Potensial reduksi standar (E°red) masing-masing elektroda dapat dilihat pada Tabel Potensial Standar Reduksi. Dari tabel, terlihat bahwa nilai red Fe adalah sebesar -0,44 V. Sementara nilai red Ni adalah sebesar -0,25 V. Dengan demikian, nilai sel Fe/Ni adalah sebagai berikut :

sel = -0,25 – (-0,44) = +0,19 V

Suatu reaksi redoks dapat berlangsung spontan apabila nilai sel positif. Reaksi tidak dapat berlangsung spontan apabila nilai sel negatif. Reaksi yang dapat berlangsung spontan justru adalah reaksi kebalikannya.

Apabila larutan tidak dalam keadaan standar, maka hubungan antara potensial sel (Esel) dengan potensial sel standar (E°sel) dapat dinyatakan dalam persamaan Nerst berikut ini :

E sel = sel – (RT/nF) ln Q

Pada suhu 298 K (25°C), persamaan Nerst berubah menjadi sebagai berikut :

E sel = sel – (0,0257/n) ln Q

E sel = sel – (0,0592/n) log Q

Esel = potensial sel pada keadaan tidak standar

sel = potensial sel pada keadaan standar

R = konstanta gas ideal =  8,314 J/mol.K

T = suhu mutlak (K) [dalam hal ini, kita menggunakan temperatur kamar, 25°C atau 298 K]

n = jumlah mol elektron yang terlibat dalam redoks

F = konstanta Faraday = 96500 C/F

Q = rasio konsentrasi ion produk terhadap konsentrasi ion reaktan

Selama proses reaksi redoks berlangsung, elektron akan mengalir dari anoda menuju katoda. Akibatnya, konsentrasi ion reaktan akan berkurang, sebaliknya konsentrasi ion produk akan bertambah. Nilai Q akan meningkat, yang menandakan bahwa nilai Esel akan menurun. Pada saat reaksi mencapai kesetimbangan, aliran elektron akan terhenti. Akibatnya, Esel = 0 dan Q = K (K= konstanta kesetimbangan kimia). Dengan demikian, konstanta kesetimbangan kimia (K) dapat ditentukan melalui sel volta.

Melalui pembahasan persamaan Nerst, dapat terlihat bahwa besarnya potensial sel dipengaruhi oleh konsentrasi. Dengan demikian, kita dapat merakit sel volta yang tersusun dari dua elektroda yang identik, tetapi masing-masing memiliki konsentrasi ion yang berbeda. Sel seperti ini dikenal dengan istilah Sel Konsentrasi.

Sebagai contoh, sel konsentrasi dengan elektroda Zn, masing-masing memiliki konsentrasi ion seng sebesar 1,0 M dan 0,1 M. Larutan yang relatif pekat akan mengalami reduksi, sementara larutan yang lebih encer mengalami oksidasi. Potensial standar sel (sel) untuk sel konsentrasi adalah nol (0). Reaksi yang terjadi pada sel konsentrasi Zn adalah sebagai berikut :

Katoda (+)       :   Zn2+ (1,0 M)  +  2 e- ——>  Zn …………………….. (1)

Anoda (-)         :   Zn   ——>  Zn2+ (0,1 M)  +  2 e …………………….. (2)

Reaksi Sel        :   Zn2+ (1,0 M) ——> Zn2+ (0,1 M) …………………………….. [(1) + (2)]

Notasi Sel        :   Zn / Zn2+ (0,1 M) // Zn2+ (1,0 M) / Zn

Potensial sel konsentrasi dapat diperoleh melalui persamaan Nerst berikut :

E sel = sel – (0,0257/2) ln ([Zn2+] encer /  [Zn2+] pekat)

E sel = 0 – (0,0257/2) ln [(0,1] / [1,0])

E sel = 0,0296 volt


Potensial sel konsentrasi umumnya relatif kecil dan semakin berkurang selama proses reaksi berlangsung. Reaksi akan terus berlangsung hingga kedua wadah mencapai keadaan konsentrasi ion sama. Apabila konsentrasi ion kedua wadah telah sama, Esel = 0 dan aliran elektron terhenti.

Aplikasi pengetahuan sel volta dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu contoh aplikasi sel volta adalah penggunaan batu baterai. Baterai adalah sel galvani, atau gabungan dari beberapa sel galvani , yang dapat digunakan sebagai sumber arus listrik. Beberapa jenis baterai yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari, antara lain :

1. The Dry Cell Battery

Dikenal dengan istilah sel Leclanche atau batu baterai kering. Pada batu baterai kering, logam seng berfungsi sebagai anoda. Katodanya berupa batang grafit yang berada di tengah sel. Terdapat satu lapis mangan dioksida dan karbon hitam mengelilingi batang grafit dan pasta kental yang terbuat dari amonium klorida dan seng (II) klorida yang berfungsi sebagai elektrolit. Potensial yang dihasilkan sekitar 1,5 volt.

Reaksi selnya adalah sebagai berikut :

Katoda (+)   :   2 NH4+(aq) + 2 MnO2(s) + 2 e- ——>  Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) + H2O(l)  ……………… (1)

Anoda (-)     :   Zn(s) ——>  Zn2+(aq) + 2 e- …………….. (2)

Reaksi Sel    :   2 NH4+(aq) + 2 MnO2(s) + Zn(s) ——>  Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) + H2O(l) + Zn2+(aq) …………….. [(1) + (2)]

Pada batu baterai kering alkalin (baterai alkalin), amonium klorida yang bersifat asam pada sel kering diganti dengan kalium hidroksida yang bersifat basa (alkalin). Dengan bahan kimia ini, korosi pada bungkus logam seng dapat dikurangi.

2. The Mercury Battery

Sering digunakan pada dunia kedokteran dan industri elektronik. Sel merkuri mempunyai struktur menyerupai sel kering. Dalam baterai ini, anodanya adalah logam seng (membentuk amalgama dengan merkuri), sementara katodanya adalah baja (stainless steel cylinder). Elektrolit yang digunakan dalam baterai ini adalah merkuri (II) Oksida, HgO.  Potensial yang dihasilkan sebesar 1,35 volt.

Reaksi selnya adalah sebagai berikut :

Katoda (+)   :   HgO(s) +  H2O(l) +  2 e- ——>  Hg(l) +  2 OH-(aq)      …………………… (1)

Anoda (-)     :   Zn(Hg)  +  2 OH-(aq) ——>  ZnO(s) +  H2O(l) +  2 e ………………….. (2)

Reaksi sel    :   Zn(Hg)  +  HgO(s) ——>   ZnO(s) +  Hg(l)               ………………………. [(1) + (2)]

3. The Lead Storage Battery

Dikenal dengan sebutan baterai mobil atau aki/accu. Baterai penyimpan plumbum (timbal) terdiri dari enam sel yang terhubung secara seri. Anoda pada setiap sel adalah plumbum (Pb), sedangkan katodanya adalah plumbum dioksida (PbO2). Elektroda dicelupkan ke dalam larutan asam sulfat (H2SO4).

Reaksi selnya pada saat pemakaian aki adalah sebagai berikut :

Katoda (+)   :   PbO2(s) +  4 H+(aq) +  SO42-(aq) +  2 e- ——>  PbSO4(s) +  2 H2O(l)    ………………… (1)

Anoda (-)     :   Pb(s) +  SO42-(aq) ——>  PbSO4(s) + 2 e- …………………………… (2)

Reaksi sel    :   PbO2(s) +  Pb(s) +  4 H+(aq) +  2 SO42-(aq) ——>  2 PbSO4(s) +  2 H2O(l)  ……………………. [(1) + (2)]

Pada kondisi normal, masing-masing sel menghasilkan potensial sebesar 2 volt. Dengan demikian, sebuah aki dapat menghasilkan potensial sebesar 12 volt. Ketika reaksi diatas terjadi, kedua elektroda menjadi terlapisi oleh padatan plumbum (II) sulfat, PbSO4, dan asam sulfatnya semakin habis.

Semua sel galvani menghasilkan listrik sampai semua reaktannya habis, kemudian harus dibuang. Hal ini terjadi pada sel kering dan sel merkuri. Namun, sel aki dapat diisi ulang (rechargeable), sebab reaksi redoksnya dapat dibalik untuk menghasilkan reaktan awalnya. Reaksi yang terjadi saat pengisian aki merupakan kebalikan dari reaksi yang terjadi saat pemakaian aki.

4. The Lithium-Ion Battery

Digunakan pada peralatan elektronik, seperti komputer, kamera digital, dan telepon seluler. Baterai ini memiliki massa yang ringan sehingga bersifat portable. Potensial yang dihasilkan cukup besar, yaitu sekitar 3,4 volt. Anodanya adalah Li dalam grafit, sementara katodanya adalah oksida logam transisi (seperti CoO2). Elektrolit yang digunakan adalah pelarut organik dan sejumlah garam organik.

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Katoda (+)   :   Li+(aq) +  CoO2(s) +  e- ——>  LiCoO2(s)  ………………. (1)

Anoda           :   Li(s) ——>   Li+ (aq) + e- ………………. (2)

Reaksi sel    :   Li(s) +  CoO2(s) ——>  LiCoO2(s)  ……………………. [(1) + (2)]

5. Fuel Cell

Dikenal pula dengan istilah sel bahan bakar. Sebuah sel bahan bakar hidrogen-oksigen yang sederhana tersusun atas dua elektroda inert dan larutan elektrolit, seperti kalium hidroksida. Gelembung gas hidrogen dan oksigen dialirkan pada masing-masing elektroda. Potensial yang dihasilkan adalah sebesar 1,23 volt.

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Katoda (+)   :   O2(g) +  2 H2O(l) +4 e- ——>  4 OH-(aq)   ………………..(1)

Anoda (-)     :   2 H2(g) + 4 OH-(aq) ——>  4 H2O(l) + 4 e- ……………………… (2)

Reaksi sel    :   O2(g) +  2 H2(g) ——>  2 H2O(l) ………………. [(1) + (2)]

Korosi adalah persitiwa teroksidasinya besi membentuk karat besi (Fe2O3.xH2O). Korosi besi disebabkan oleh beberapa faktor, seperti adanya air, gas oksigen, dan asam.  Karat besi dapat mengurangi kekuatan besi. Oleh karena itu, korosi besi harus dicegah.

Korosi merupakan salah satu reaksi redoks yang tidak diharapkan. Reaksi yang terjadi selama proses korosi adalah sebagai berikut :

Katoda (+)       :   O2(g) +  4 H+(aq) + 4 e- ——>  2 H2O(l) ……………………… (1)

Anoda (-)         :   2 Fe(s) ——>  2 Fe2+(aq) + 4 e- ………………. (2)

Reaksi sel        :   2 Fe(s) +  O2(g) +  4 H+(aq) ——>  2 Fe2+(aq) +  2 H2O(l) …………….. [(1) + (2)]

sel = +1,67 volt

Ion Fe2+ akan teroksidasi kembali oleh sejumlah gas oksigen menghasilkan ion Fe3+ (karat besi). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

4 Fe2+(aq) +  O2(g) + (4+2x) H2O(l) ——>  2 Fe2O3.xH2O(s) + 8 H+(aq)

Untuk melindung logam besi dari proses korosi, beberapa metode proteksi dapat diterapkan, antara lain :

1. Melapisi permukaan logam besi dengan lapisan cat

2. Melapisi permukaan logam besi dengan lapisan minyak (gemuk)

3. Melapisi permukaan logam besi dengan oksida inert (seperti Cr2O3 atau Al2O3)

4. Proteksi Katodik (Pengorbanan Anoda)

Suatu metode proteksi logam besi dengan menggunakan logam-logam yang lebih reaktif dibandingkan besi (logam-logam dengan red lebih kecil dari besi), seperti seng dan magnesium. Dengan metode ini, logam-logam yang lebih reaktif tersebut akan teroksidasi, sehingga logam besi terhindar dari peristiwa oksidasi. Oleh karena logam pelindung, dalam hal ini “mengorbankan diri” untuk melindungi besi, maka logam tersebut harus diganti secara berkala.

5. Melapisi permukaan logam besi dengan logam lain yang inert terhadap korosi

Metode ini menggunakan logam-logam yang kurang reaktif dibandingkan besi (logam-logam dengan red lebih besar dari besi), seperti timah dan tembaga. Pelapisan secara sempurna logam inert pada permukaan logam besi dapat mencegah kontak besi dengan agen penyebab korosi (air, asam, dan gas oksigen). Akan tetapi, apabila terdapat cacat atau terkelupas (tergores), akan terjadi percepatan korosi.

Referensi:

Andy. 2009. Pre-College Chemistry.

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.

Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia:Pakar Raya.

Larutan, Konsentrasi Larutan, dan Sifat Koligatif Larutan

12 Agustus 2009

Dalam tulisan ini, kita akan mempelajari tentang larutan dan daya hantar listrik larutan, menyatakan konsentrasi larutan dalam berbagai satuan, serta mempelajari tentang sifat koligatif larutan.

Larutan adalah campuran homogen antara dua atau lebih jenis zat. Homogen berarti bahwa campuran tersebut mempunyai komposisi yang sama di bagian mana pun. Sebagai contoh, jika sejumlah gula dilarutkan dalam air dan diaduk dengan baik, maka campuran tersebut pada dasarnya akan seragam (sama) di semua bagian.

Larutan terdiri dari pelarut dan satu atau lebih zat terlarut. Pelarut adalah senyawa yang ada dalam jumlah paling besar dan zat terlarut adalah senyawa yang ada dalam jumlah lebih sedikit. Larutan dapat berupa cairan, gas, bahkan padatan. Sebagai contoh, atmosfer adalah larutan; sebab, udara mengandung hampir 79% gas nitrogen, yang dianggap sebagai pelarut, dan gas oksigen, karbon dioksida, serta gas lainnya adalah zat terlarut. Sedangkan contoh larutan dalam bentuk padatan adalah alloy (paduan logam), seperti kuningan (alloy dari Cu dan Zn) dan solder (alloy dari Sn dan Pb).

Berdasarkan daya hantar listrik, larutan dapat dibedakan menjadi dua kategori, antara lain:

1. Larutan Elektrolit

Larutan yang dapat menghantarkan listrik dengan baik. Larutan elektrolit memiliki daya hantar listrik yang bervariasi. Larutan elektrolit kuat memiliki daya hantar listrik yang jauh lebih baik dibandingkan larutan elektrolit lemah.

Zat terlarut dalam elektrolit kuat akan terionisasi sempurna, sehingga menghasilkan ion-ion bebas dalam jumlah besar. Derajat ionisasi zat terlarut (α) sebesar 1. Yang termasuk kategori larutan elektrolit kuat adalah asam kuat (HCl), basa kuat (NaOH), dan garam yang mudah larut (NaCl).

Sebaliknya, zat terlarut dalam elektrolit lemah hanya terionisasi sebagian, sehingga menghasilkan ion-ion bebas dalam jumlah kecil. Derajat ionisasi zat terlarut (α) berkisar antara 0 hingga 1 (0<α<1). Yang termasuk kategori larutan elektrolit lemah adalah asam lemah (CH3COOH), basa lemah (NH3), dan garam yang sukar larut (AgCl).

2. Larutan Nonelektrolit

Larutan yang tidak dapat menghantarkan listrik, sebab zat terlarut tidak terionisasi menghasilkan ion-ion bebas. Derajat ionisasi zat terlarut (α) sebesar 0. Yang termasuk kategori larutan nonelektrolit adalah senyawa berbasis karbon (hidrokarbon dan senyawa organik).

Konsentrasi adalah jumlah zat terlarut di dalam sejumlah larutan tertentu. Berbagai macam satuan konsentrasi larutan dapat digunakan untuk menjelaskan secara kuantitatif jumlah relatif dari zat terlarut dan pelarut. Para ahli kimia menggunakan empat macam satuan konsentrasi, antara lain:

1. Persen Massa (w/w%)

Persen massa adalah perbandingan antara massa zat terlarut terhadap massa larutan, yang kemudian dikalikan dengan 100 persen.

persen massa = [massa zat terlarut / (massa zat terlarut + massa pelarut)] x 100%

persen massa = [massa zat terlarut / massa larutan] x 100%

2. Fraksi Mol (X)

Fraksi mol adalah perbandingan antara jumlah mol suatu komponen terhadap jumlah mol total semua komponen. Fraksi mol zat terlarut (Xt) adalah perbandingan antara jumlah mol zat terlarut terhadap jumlah mol total dalam larutan. Sedangkan fraksi mol pelarut (Xp) adalah perbandingan antara jumlah mol pelarut terhadap jumlah mol total dalam larutan.

Xt = mol zat terlarut / (mol zat terlarut + mol pelarut)

Xp = mol pelarut / (mol pelarut + mol terlarut)

Xp + Xt = 1

3. Molaritas (M)

Molaritas adalah jumlah mol zat terlarut per liter larutan.

M = mol zat terlarut / liter larutan

M = (gram zat terlarut / Mr zat terlarut) x (1000 / mL larutan)

4. Molalitas (m)

Molalitas didefinisikan sebagai jumlah mol zat terlarut per kilogram pelarut.

m = mol zat terlarut / kg pelarut

m = (gram zat terlarut / Mr zat terlarut) x (1000 / g pelarut)

Beberapa sifat larutan bergantung pada sifat khusus dari zat terlarutnya. Dengan kata lain, pengaruh yang dapat diamati tentang larutan tersebut bergantung pada sifat alamiah zat terlarutnya. Sebagai contoh, larutan garam berasa asin, sedangkan larutan gula berasa manis. Larutan garam menghantarkan listrik, sedangkan larutan gula tidak menghantarkan arus listrik. Larutan yang mengandung kation nikel berwarna hijau, sedangkan larutan yang mengandung kation tembaga berwarna biru.

Ada juga penggolongan larutan yang tidak bergantung pada jenis zat terlarut, khususnya hanya bergantung pada jumlah partikel zat terlarut. Sifat ini disebut sifat koligatif larutan, yaitu sifat yang bergantung pada jumlah partikel zat terlarut dan tidak bergantung pada sifat partikel zat terlarut. Perubahan yang dapat diamati pada larutan hanya bergantung pada jumlah zat terlarut yang ada. Yang termasuk sifat koligatif larutan antara lain:

  1. Penurunan tekanan uap (ΔP)
  2. Kenaikan titik didih (ΔTb)
  3. Penurunan titik beku (ΔTf)
  4. Tekanan osmosis (π)

Penurunan Tekanan Uap (ΔP)

Jika suatu cairan dimasukkan dalam wadah tertutup, cairan tersebut akhirnya akan menguap, dan molekul-molekul gas tersebut menyebabkan adanya tekanan di atas cairan. Tekanan yang disebabkan oleh adanya molekul-molekul gas dari cairan yang menguap disebut tekanan uap cairan.

Jika cairan yang sama digunakan sebagai pelarut dalam suatu larutan, maka tekanan uap cairan akan menurun. Hal ini disebabkan karena partikel-partikel zat terlarut di dalam cairan akan menempati ruang di permukaan, sehingga pelarut tidak dapat menguap dengan mudah. Sering kali, terdapat pula gaya tarik-menarik antara zat terlarut dengan pelarut, yang menyebabkan pelarut menjadi lebih sukar menguap. Semakin banyak jumlah zat terlarut, maka pelarut semakin sukar menguap. Dengan kata lain, adanya zat terlarut menyebabkan  penurunan tekanan uap cairan.

Jika zat terlarut bersifat nonvolatile (sukar menguap), maka tekanan uap larutan selalu lebih rendah dibandingkan tekanan uap pelarut murni. Hubungan antara tekanan uap larutan dengan tekanan uap pelarut murni bergantung pada konsentrasi zat terlarut di dalam larutan. Hal ini dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut:

ΔP = Xt . P°

P = Xp . P°

ΔP = P° – P

ΔP= penurunan tekanan uap larutan

P = tekanan uap larutan

P° = tekanan uap pelarut murni

Xt = fraksi mol zat terlarut

Xp = fraksi mol pelarut

Kenaikan Titik Didih (ΔTb)

Setiap cairan mempunyai suhu didih tertentu (pada tekanan atmosfer tertentu). Suhu ini disebut titik didih cairan. Jika cairan tersebut digunakan sebagai pelarut dalam suatu larutan, maka akan diamati bahwa titik didih larutannya akan selalu lebih tinggi dibandingkan cairan murninya (pelarut). Hal ini dikenal dengan istilah kenaikan titik didih.

Adanya zat terlarut yang sukar menguap menyebabkan pelarut tidak mudah menguap dengan mudah. Oleh karena itu, diperlukan energi yang lebih besar (konsekuensinya suhu menjadi semakin tinggi) untuk menguapkan pelarut. Besarnya kenaikan titik didih dapat dihitung melalui persamaan berikut:

ΔTb = Kb . m

ΔTb = Tb larutan – Tb pelarut

ΔTb = kenaikan titik didih

Kb = konstanta kenaikan titik didih molal

m = molalitas zat terlarut

Penurunan Titik Beku (ΔTf)

Setiap cairan mempunyai suhu beku tertentu. Jika suatu cairan digunakan sebagai pelarut, dapat diamati bahwa titik beku larutan tersebut ternyata selalu lebih rendah dibandingkan titik beku cairan murninya (pelarut). Hal ini disebut penurunan titik beku.

Adanya zat terlarut menyebabkan entropi (ketidakteraturan) pelarut semakin tinggi. Dengan demikian, untuk mengubah pelarut dari fasa cair menjadi fasa padat diperlukan usaha ekstra. Hal ini mengakibatkan titik beku larutan lebih rendah dibandingkan pelarutnya. Persamaan yang digunakan untuk menghitung besarnya penurunan titik beku adalah sebagai berikut:

ΔTf = Kf . m

ΔTf = Tf pelarut – Tf larutan

ΔTf = penurunan titik beku

Kf = konstanta penurunan titik beku molal

m = molalitas zat terlarut

Tekanan Osmosis (π)

Osmosis adalah peristiwa perpindahan pelarut melalui membran semipermeabel ke dalam larutan dengan konsentrasi zat terlarut yang lebih tinggi. Tekanan yang diberikan pada sisi yang lebih pekat untuk menghentikan proses ini disebut tekanan osmosis.

Pelarut selalu mengalir melalui membran semipermeabel dari sisi yang lebih encer ke sisi yang lebih pekat. Semakin pekat larutan , semakin tinggi tekanan yang dibutuhkan untuk menghentikan osmosis (semakin besar tekanan osmosisnya).

Persamaan yang digunakan untuk menghitung tekanan osmosis larutan adalah sebagai berikut:

π = M . R . T

π= tekanan osmosis larutan

M = molaritas larutan

R = konstanta gas (0,0821 L.atm/mol. K)

T = suhu mutlak (K)

Sama seperti sifat koligatif lainnya, besarnya tekanan osmosis berbanding lurus terhadap konsentrasi larutan. Dua larutan yang memiliki konsentrasi yang sama, akan memiliki tekanan osmosis yang sama, larutan dikatakan isotonis satu sama lainnya. Di sisi lain, bila dua larutan tidak memiliki konsentrasi yang sama, maka larutan yang lebih pekat dikatakan hipertonis; sementara larutan yang lebih encer dikatakan hipotonis.

Sifat koligatif larutan elektrolit  berbeda dibandingkan sifat koligatif larutan nonelektrolit. Hal ini terjadi karena zat elektrolit akan terionisasi menghasilkan ion-ion bebas dalam larutan, sehingga satu unit partikel zat elektrolit akan terurai menjadi dua atau lebih partikel ketika dilarutkan. Sebagai contoh, setiap partikel NaCl akan terurai menjadi dua ion, yaitu ion Na+ dan ion Cl-. Dengan demikian, sifat koligatif larutan NaCl 0,1 m adalah dua kali sifat koligatif larutan nonelektrolit 0,1 m. Tentu, diharapkan bahwa sifat koligatif larutan CaCl2 0,1 m adalah tiga kali sifat koligatif larutan larutan glukosa 0,1 m (nonelektrolit).

Dengan demikian, sifat koligatif larutan elektrolit harus dilengkapi dengan faktor ionisasi (faktor Van’t Hoff) dan dimodifikasi menjadi sebagai berikut:

ΔTb = Kb . m . i

ΔTf = Kf . m . i

π = M . R . T . i

i = faktor Van’t Hoff

i = 1 + (n-1)α

n = jumlah ion

α = derajat ionisasi zat elektrolit

Referensi:

Andy. 2009. Pre-College Chemistry.

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. New York: Mc Graw Hill.

Moore, John T. 2003. Kimia For Dummies. Indonesia:Pakar Raya.


Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

Bergabunglah dengan 41 pengikut lainnya.