Kimia Dasar

Bahan Ajar Minggu ke -1

KONSEP DASAR

Matakuliah:

KIMIA DASAR

diajukan oleh:

Widya Rosita, ST, MT

ROGRAM STUDI TEKNIK NUKLIR

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GADJAH MADA

November 2013

Konsep Dasar 1

Kimia Dasar

BAB I

KONSEP DASAR

Tujuan pembelajaran :

Setelah mempelajari bab ini , mahasiswa dapat

1. Dapat menjelaskan konsep dasar dan istilah yang sering digunakan dalam ilmu kimia, 2. Dapat menjelaskan prinsip-prinsip pemisahan, 3. Dapat menjelaskan system pengukuran serta error4. Dapat menjelaskan konsep atom berdasarkan hukum Dalton, Thomson, Rutherford5. Dapat menjelaskan tentang nomor atom dan nomor massa6. Dapat menjelaskan tentang molekul dan jenisnya, ion dan jenisnya serta penamaan senyawa ion dan

molekular

1.1. Apakah yang dimaksud dengan ilmu Kimia?

Kimia adalah ilmu yang mempelajari tentang sifat-sifat dan interaksi materi. Ilmu kimia berkembang sejak 200 tahun yang lalu. Bagaimana ilmu kimia dapat berkembang? Ilmu kimia berkembang melalui penelitian yang didorong oleh para peneliti yang memiliki sifat ingin tahu, kreativitas serta dedikasi tinggi terhadap pengembangan keilmuan. Penelitian ini dilakukan berdasarkan metode ilmiah. Seringkali karena keingintahuan yang tinggi dari peneliti, banyak penemuan yang didapatkan meskipun bidang penelitiannya berbeda degan yang selama ini dilakukan. Contohnya adalah penemuan warna ungu oleh Wiliam Perkin, seorang peneliti dari Inggris yang menemukan obat malaria.

Gambar 1.1 Penemuan warna ungu oleh Wiliam Perkin (Bodner and Pardue, 1995)

Pada ilmu kimia, terdapat beberapa istilah seperti materi, massa dan berat. Apakah perbedaan antara ketiga istilah tersebut?

a) Materi : sesuatu yang memiliki massa dan menempati ruang

b) Massa: jumlah materi sebuah obyek, sehingga massa benda selalu tetap

Konsep Dasar 2

Kimia Dasar

c) Berat: besarnya gaya tarik bumi yang bekerja pada sebuah benda. Besarnya berat pada sebuah benda tidak konstan.

Hubungan antara massa dan berat benda diilustrasikan oleh gambar 1.2 berikut ini. Karena berat menunjukkan besarnya gaya tarik bumi antara obyek dengan bumi maka panjangnya defleksi menunjukkan besarnya gaya tarik tersebut. Semakin jauh dari bumi maka gaya tariknya akan berkurang (gambar B). JIka berada pada lokasi yang sama maka massa suatu benda dapat dihitung secara akurat dengan membandingkan beratnya dengan berat massa standar karena gaya gravitasi pada lokasi tersebut sama besarnya (gambar C). Prinsip inilah yang digunakan pada sistem timbangan.

Gambar 1.2. Hubungan antara materi dan berat serta aplikasinya pada sistem timbangan

(Sisler, 1980)

1.2. Sifat Materi

Materi akan menunjukkan sifat yang berbeda, Sifat materi dapat dibedakan menjadi 2 yaitu Sifat fisis dan kimia

• Sifat fisis : sifat yang dapat diamati tanpa mengalami perubahan menjadi sesuatu yang baru

Contoh : kelarutan, titik didih, titik leleh, konduktivitas dll

• Sifat kimia : sifat yang hanya dapat diamati apabila sudah mengalami perubahan komposisi

Selain itu juga dikenal istilah Sifat intensif dan ekstensif

• Sifat ekstensif : tergantung pada ukuran sampel

Contoh : massa dan volume

Konsep Dasar 3

Kimia Dasar

Jika ukuran sampel makin besar maka massa dan volume sampel akan makin besar pula

• Sifat intensif : tidak tergantung pada ukurannya

Contoh: suhu, tekanan

Suhu udara di dalam ruangan terbuka sama dengan suhu yang ada di luar ruangan. Suhu tersebut tidak tergantung pada besar kecilnya ruangan.

Sifat intensif juga dapat diperoleh dari rasio pasangan sifat ekstensif . Contoh : densitas

Densitas adalah rasio dari massa dan volume. Massa serta volume adalah besaran ekstensif. Namun densitas adalah besaran intensif. 1 kg kapas berbeda volumenya dengan 5 kg kapas namun densitas 1 kg kapas tetap sama dengan densitas 5 kg kapas.

1.3. Unsur, senyawa dan campuran

Materi yang ada di alam ini baik itu materi hidup maupun mati tersusun atas banyak hal. Pada tahun 1961, Boyle menemukan sesuatu yang penting yang kemudian mendasari pemikiran ini. Boyle menemukan bahwa senyawa dapat terurai menjadi bagian yang lebih sederhana. Air akan terurai menjadi campuran hidrogen dan oksigen saat aliran listrik melewati liquid. Oleh karena itu kemudian ilmu kimia membedakan materi menjadi menjadi Unsur, Senyawa dan Campuran. Perbedaan dari ketiganya adalah:

Unsur: sesuatu yang yang tidak dapat diuraikan dengan reaksi kimia menjadi zat yang lebih sederhana

Contoh : hidrogen, sodium, mercury

Senyawa : gabungan dari unsur-unsur yang memiliki komposisi tetap

Contoh : air (H2O) selalu terdiri dari 1 H dan 8 O

Campuran : tidak memiliki komposisi tetap

Contoh : brass terdiri dari copper dan zinc dengan komposisi berbeda-beda.

Campuran bisa homogen dan juga bisa heterogen

1.4. Pemisahan Kimia

Materi yang ada dialam, biasanya dalam bentuk campuran sehingga butuh pemisahan agar didapatkan unsur ataupun senyawa yang diinginkan. Apabila campuran tersebut terdiri dari satu fasa maka disebut campuran homogen bila berupa campuran berapa fasa maka disebut campuran heterogen.

Konsep Dasar 4

Kimia Dasar

Ada beberapa jenis pemisahan yang umum dilakukan. Pemisahan selalu didasarkan pada perbedaan sifat senyawa/unsur yang akan dipisahkan. Misalnya :

a) Distilasi : berdasarkan perbedaan titik didih campuran.

Campuran harus memiliki perbedaan titik didih yang signifikan. Senyawa dengan titik didih rendah akan menguap lebih dahulu sehingga akan berada dalam fasa uap dan mengalir ke kondenser yang akan diembunkan agar menjadi liquid kembali. Sehingga akan terpisah antara senyawa bertitik didih tinggi dan bertitik didih rendah

Salah satu aplikasi distilasi adalah pada pemisahan minyak bumi

Gambar 1.3. Rangkaian peralatan distilasi (Sisler, 1980)

b) Chromatography : berdasarkan perbedaan daya serap oleh salah satu adsorber.

Salah satu aplikasi chromatography ini adalah pemisahan campuran menggunakan lapisan tipis silica gel pada permukaan plat gelas. Teknik ini dikenal sebagai thin layer chromatography. Campuran yang ingin dipisahkan diteteskan ke permukaan lapisan silica tipis tersebut. Kemudian plat dicelupkan kedalam solvent seperti pada gambar 1.4 sehingga solvent akan merambat naik melewati tetesan campuran. Unsur yang berbeda dalam campuran akan memisah dengan laju yang berbeda seiring dengan perambatan solvent. Perbedaan ini disebabkan oleh perbedaan daya serap unsur tersebut dalam silica gel. Pada akhirnya tetesan tersebut akan terpisah menjadi beberapa titik.

Gambar1.4.Thin layer chromatography (Sisler, 1980)

c) Kristalisasi : berdasarkan perbedaan kemampuan mengendap/membentuk kristal.

Konsep Dasar 5

Kimia Dasar

Proses pengkristalan melalui tahap pemanasan campuran sehingga air akan menguap dan terbentuk endapan. Salah satu aplikasinya adalah pembuatan garam

Gambar 1.5. Pemisahan dengan metode pengkristalan (Sisler, 1980)

d) Ekstraksi : merupakan proses pemisahan berdasarkan perbedaan daya larut. Proses ini meliputi beberapa tahap yaitu campuran ditetesi dengan pelarut yang bersifat memisahkan senyawa-senyawa sehingga terpisah menjadi 2 fasa, kemudian bila sudah menjadi 2 fasa dilanjutkan dengan memisahkan fasa tersebut. Salah satu aplikasinya adalah pemisahan bahan nuklir

Gambar 1.5. Proses ekstraksi (Sisler, 1980)

1.5. Sistem Pengukuran

Dalam kehidupan sehari-hari, kita tidak bisa dilepaskan dari sistem pengukuran. Ada 2 sistem pengukuran yaitu sistem SI dan sistem metrik. Bila kita gunakan sistem SI maka ada 7 unit dasar SI seperti dapat dilihat pada table 1.1 berikut dan turunan dari sistem SI seperti pada table 1.2

Konsep Dasar 6

Kimia Dasar

Table 1.1. Tujuh unit dasar sistem SI

Sumber : Chang, 2006

Tabel 1.2. Turunan sistem SI

Sumber : Bodner and Pardue, 1995

1.6. Ketidakpastian dalam pengukuran

Saat melakukan pengukuran, maka tidak dapat dilepaskan dari error. Error dapat disebabkan oleh batasan sensitivitas alat dan ketidaksempurnaan teknik pengukuran .

Ada 2 jenis error yaitu sistematic error dan random error. Jika error dianalogikan dengan papan Bull eye seperti gambar 1.6 berikut maka sistematic error dapat dilihat pada gambar 1.6 (a) sedang random error dapat dilihat pada gambar 1.6 (b). Penyebab masing-masing error ini adalah :

• Sistematic error : ketidaksempurnaan alat yang digunakan dan kesalahan individu saat melakukan pengukuran sehingga mengakibatkan ketidaktelitian yang berulang-ulang

• Random error : batasan sensitivitas alat atau teknik yang digunakan Gambar 1.6. Sistematic error (a) random error (b)(Bodner and Pardue, 1995)

Konsep Dasar 7

Kimia Dasar

Salah satu contoh random error adalah saat melakukan pengukuran 25 ml cairan menggunakan gelas beker, gelas ukur dan buret. Gelas beker berukuran 50 ml memiliki tingkat akurasi ± 5ml sehingga bila dilakukan pengukuran menggunanakan gelas beker maka dimungkinkan untuk terjadi kesalahan ukur yaitu 20 ml (5 ml lebih rendah) atau 30 ml (5 ml lebih banyak). Untuk mendapatkan volume yang lebih akurat maka dapat digunakan gelas ukur dengan tingkat ketelitian ± 1ml sehingga error dapat dikurangi. Error akan menjadi lebih rendah jika digunakan buret untuk melakukan pengukuran karena tingkat ketelitian buret sebesar ±0,05 ml.

Gambar 1.7. Ketelitian alat akan mempengaruhi error pengukuran (Bodner and Pardue, 1995)

Selain itu juga dikenal istilah akurasi dan presisi yaitu:

Akurat/valid : bila harga kuantitas yang diukur benar

Presisi / reliable: jika harga yang diperoleh tiap kali pengukuran itu sama sehingga ada perulangan

Hubungan antara error, akurat dan presisi adalah:

Systematic error mempengaruhi akurasi namun tidak mempengaruhi presisi suatu pengukuran. Sehingga dimungkinkan untuk mendapatkan hasil pengukuran yang konsisten tetapi salah secara sistematik. Systematic error dapat direduksi dengan:

- meningkatan kehati-hatian dan kesabaran individu yang melakukan pengukuran

- meningkatkan sensitivitas alat

Konsep Dasar 8

Kimia Dasar

Random error mempengaruhi akurasi dan presisi. Dapat di reduksi dengan merata-rata hasil banyak pengukuran karena presisi serangkaian pengukuran akan meningkat dengan meningkatnya akar jumlah pengukuran

Gambar 1.8. (a) systematic error mempengaruhi akurasi pengukuran dan (b) random error mempengaruhi akurasi dan presisi pengukuran (Bodner and Pardue, 1995)

1.7. Energi

Semua perubahan dan transformasi di alam berhubungan dengan perubahan energi. Ada banyak bentuk energi. Contohnya Energi potensial, kinetik dan kimia. Bentuk-bentuk energi ini dalam beberapa kondisi dapat diubah menjadi kerja. Panas pada boiler akan menghasilkan uap yang akan mendorong mesin, listrik dapat menyalakan motor dan lain-lain. Benda yang statis memiliki energi yang disebabkan posisinya, dinamakan energi potensial. Pegas yang ditekan juga memiliki energi potensial, seperti gambar 1.9.

Gambar 1.9 energi potensial pada pegas (Sisler, 1980)

Energi Kimia didefiniskan sebagai energi yang dimiliki oleh materi karena komposisinya. Ada 2 jenis yaitu exoenergetic/eksotermis jika materi melepaskan energi dan endoenergetic/endotermik jika materi menyerap energi. Perbedaan keduanya ditampilkan pada gambar 1.10.

Konsep Dasar 9

Kimia Dasar

Gambar 1.10. diagram level energi untuk reaksi exoenergetic (A) dan reaksi endoenergetic (B)

(Sisler, 1980)

1.8. Atom

Terdapat beberapa teori tentang atom, yaitu :

1.8.1.Teori atom Dalton, yang menyatakan bahwa 1. Unsur tersusun atas partikel yang sangat kecil, yang disebut atom. Semua atom unsur tertentu

adalah identik, yaitu mempunyai ukuran, masa dan sifat kimia yang sama. Atom satu unsur tertentu berbeda dari atom semua unsur yang lain.

2. Senyawa tersusun atas atom-atom dari dua unsur atau lebih. Dalam setiap senyawa perbandingan antara jumlah atom dari setiap dua unsur yang ada bisa merupakan bilangan bulat atau pecahan sederhana.

3. Yang terjadi dalam reaksi kimia hanyalah pemisahan, penggabungan, atau penyusunan ulang atom-atom; reaksi kimia tidak mengakibatkan penciptaan atau pemusnahan atom-atom

Penjelasan teori atam Dalton dapat dilihat dari gambar berikut

Konsep Dasar 10

Kimia Dasar

Gambar 1.11. Penjelasan tentang senyawa dalam teori atom Dalton (Chang, 2006)

1.8.2. Model Atom Thomson

Thomson menyadari konsekuensi dari penemuan elektron, yaitu karena materi bersifat netral secara elektrik maka harus ada muatan positif yang mengimbangi muatan negatif dalam atom. Selain itu, karena elektron sangat ringan dibanding atom maka partikel positif ini harus mengakomodir seluruh massa atom.

Oleh karena itu Thomson beranggapan bahwa atom berupa bola dengan muatan positif dimana elektron negatif akan ringan menempel padanya (seperti bola kismis)

Gambar 1.12. Model Atom Thomson (Chang, 1995)

Pada saat Thomson mengemukakan idenya, pembuktian adanya partikel muatan positif dilakukan melalui eksperimen tabung sinar katoda.

Konsep Dasar 11

Kimia Dasar

Gambar 1.13. Tabung sinar katoda pada penelitian Thomson (Chang, 1995)

Goldstein menemukan bahwa tabung memancarkan sinar dari ujung tabung, dekat katode.Goldstein menyimpulkan bahwa selain elektron yang mengalir dari katode negatif menuju anode positif maka ada sinar lain yang mengalir berlawanan arah. Karena sinar ini melewati kanal dalam katode maka goldstein menyebutnya canal rays.

1.8.3. Model Atom Rutherford

Rutherford bersama Geiger menemukan bahwa screen berlapis ZnS akan memancarkan letupan cahaya saat ditembak dengan partikel α. Mereka menghitung jumlah letupan yang dipancarkan oleh lapisan ZnS

Rutherford menemukan bahwa hamburan partikel α dapat dilebarkan saat melewati lapisan film mika atau metal tipis . Geiger menghitung sudut hamburannya saat dipantulkan oleh lapisan film tsb.Geiger mengamati saat melewati lapisan gold, hamburannya sekitar 1°. Hal ini sesuai dengan harapan Rutherford bahwa partikel α akan menembus foil logam meskipun sebagian diantaranya akan dipantulkan sedikit saat bertabrakkan dengan atom-atom yang dilaluinya

Konsep Dasar 12

Kimia Dasar

Gambar 1.14. Eksperimen Rutherford (Chang, 2006)

Marsden kemudian mengamati bahwa sebagian kecil partikel ternyata dipantulkan dengan sudut yang lebih besar

Kesimpulan Rutherford : muatan positif dan massa atom terkonsentrasi di dalam sebagian kecil fraksi volume

Kemudian ia menurunkan persamaan untuk pantulan. Persamaan ini memprediksi jumlah partikel α yang dipantulkan pada sudut tertentu akan proporsional dengan tebal foil dan kuadrat muatan nukleus, berbanding terbaik dengan kecepatan .

Rutherford mengajukan model atom :

a) Semua muatan positif dan massa atom berpusat pada fraksi yang sangat kecil daripada seluruh volume atom, yang disebutnya inti (nukleus)

b) Sebagian besar partikel α akan melewati foil gold tanpa menabrak sesuatu yang cukup besar sehingga dapat memantulkan geraknya. Sebagian kecil partikel α akan mendekati nukleus atom gold saat mereka menembus foil. Saat ini terjadi, gaya tolak antara partikel α positif dan inti akan menghamburkan partikel α pada sudut yang kecil. Sesekali partikel α akan bertabrakan langsung dengan nukleus, saat ini terjadi maka partikel α akan dipantulkan /dihamburkan dengan sudut yang lebih besar

1.9. Nomor Atom, Nomor massa

Konsep Dasar 13

Nomor Atom (Z) = jumlah proton dalam inti setiap atom dalam suatu unsur.

Nomor Massa (A) = jumlah total proton + neutron dalam inti atom suatu unsur.

= nomor atom (Z) + jumlah neutron.

Isotop adalah atom-atom yang memiliki nomor atom yang sama tetapi berbeda nomor massanya.

Kimia Dasar

Contoh

/Molekul adalah suatu agregat (kumpulan) yang terdiri dari sedikitnya dua atom dalam susunan tertentu yang terikat bersama oleh gaya-gaya kimia (disebut juga ikatan kimia).

Gambar 1.15. membentuk molekul-molekul (Chang, 2006)

Molekul dibagi jadi 2 jenis yaitu

Molekul diatomik mengandung hanya dua atom, contoh H2, N2, O2, Br2, HCl, CO

Molekul poliatomik mengandung lebih dari dua atom, contoh : O3, H2O, NH3, CH4

Ion adalah sebuah atom atau sekelompok atom yang mempunyai muatan total positif atau netto.

kation – ion dengan muatan total positif.

Atom netral yang kehilangan satu atau lebih elektronnya akan menghasilkan kation.

anion – ion dengan muatan total negatif.

Atom netral yang bertambah satu atau lebih elektronnya akan menghasilkan anion.

1.10.Penamaan Senyawa

• Senyawa Ionik

Konsep Dasar 14

U235

92

U238

92

H2 H2O NH3 CH4

Kimia Dasar

– biasanya logam + non-logam.

– anion (non-logam), menambahkan “ida” pada nama senyawa.

C0ntoh : BaO2 = barium klorida

KNO3 = potassium nitrat

Senyawa Ionik logam transisi

Menunjukkan kation-kation berbeda dari unsur yang sama dengan menggunakan angka Romawi

Contoh:

FeCl2 2 Cl- -2 so Fe adalah +2 Besi (II) florida

• Senyawa molecular

Bersifat non-logam atau non-logam + metaloid

• istilah umum

• H2O, NH3, CH4, C60

• unsur di tabel periodik yang berada lebih ke kiri ditempatkan di depan.

• unsur terdekat dengan golongan terbawah ditempatkan didepan.

• Jika lebih dari satu senyawa dapat dibentuk dari unsur yang sama, gunakan awalan untuk mengindikasikan nomor dari masing-masing atom.

unsur terakhir diakhiri dengan “ida”.

Tabel 1.3.Daftar singkatan untuk penamaan dalam molekul

Konsep Dasar 15

Kimia Dasar

/

Sumber: Chang, 2006

Daftar Pustaka

1. Sisler, H., 1980, Chemistry a systematic approve, Oxford University Press, USA2. Bodner, G.M., and Pardue., H.L., 1995,Chemistry and experimental Science., John Wiley and

Sons, New York3. Chang,R., , 2006, Kimia Dasar: konsep-konsep inti, edisi ke 3, jilid 2, Penerbit Erlangga

Materi Pengayaan :

1. https://www.khanacademy.org/science/chemistry/introduction-to-the-atom/v/elements-and- atoms

2. Animasi Prinsip dasar Distilasi bertingkat di industry : http://m.youtube.com/watch?v=BaBMXgVBQKk

Konsep Dasar 16

Kimia Dasar

Konsep Dasar 17