Kenalan dulu, yuk!

Lima janji Chemipedia

Cara belajar di Chemipedia

Setiap bab mengikuti alur yang sama. Kamu akan memahami, mengaplikasikan, lalu merefleksikan, sesuai semangat Pembelajaran Mendalam yang berkesadaran, bermakna, dan menggembirakan.

Pilih jalur belajarmu

Tangga 6 level soal

Peta isi buku

Selaras dengan kurikulum

Rujukan: Capaian Pembelajaran 2025 (Keputusan Kepala BSKAP No. 046/H/KR/2025). Label "gaya IGCSE/IB/olimpiade" menunjukkan tingkat dan format soal, bukan soal resmi.

1.1Kimia: ilmu tentang materi dan perubahannya

Coba lihat sekelilingmu: meja, udara, air di gelas, bahkan kulitmu sendiri. Semuanya adalah materi. Kimia bertanya tiga hal tentang materi: terbuat dari apa, bagaimana sifatnya, dan bagaimana ia bisa berubah menjadi zat lain.

Bayangkan kimia sebagai ilmu memasak alam semesta. Bahan-bahannya adalah atom, resepnya adalah reaksi, dan dapurnya ada di mana-mana: di kompor, di dalam tanah, di daun, dan di perutmu. Waktu kamu menggoreng tempe, menyalakan kompor, atau melihat besi berkarat, kamu sedang menyaksikan kimia bekerja.

Semua materi tersusun atas partikel yang sangat kecil: atom, molekul, dan ion. Air tersusun atas atom H dan O; garam dapur tersusun atas ion Na dan Cl; gas LPG tersusun atas atom C dan H. Ketuk lambangnya untuk berkenalan. Mari kita pakai "kacamata kimia" untuk melihat apa yang sebenarnya terjadi di panci mi Bima.

Persamaan reaksi pada langkah 2 tadi adalah bahasa simbolik kimia. Jumlah setiap jenis atom di kiri dan kanan panah harus sama, karena atom tidak bisa muncul atau lenyap begitu saja. Kamu akan belajar menuliskannya di Bab 16, tetapi tidak ada salahnya mengintip sekarang:

1.2Cabang kimia dan profesi kimiawan

Kimia sangat luas, sehingga para ilmuwan membaginya menjadi beberapa cabang. Setiap cabang punya "pertanyaan favorit" sendiri. Dalam praktik, cabang-cabang ini saling meminjam alat dan ide.

Ada juga cabang yang lebih muda, seperti kimia lingkungan (kabut asap, sampah plastik, kualitas air sungai), kimia material (baterai, semikonduktor, bioplastik), dan kimia inti (radioaktivitas untuk kedokteran dan pembangkit listrik).

Siapa saja yang bekerja dengan kimia?

1.3Metode ilmiah: berpikir seperti detektif

Kimiawan tidak menebak lalu berhenti. Mereka bekerja seperti detektif: mengumpulkan petunjuk, menduga, lalu menguji dugaan itu dengan percobaan. Rangkaian langkah ini disebut metode ilmiah. Ikuti kisah Laras dan segelas es teh.

Metode ilmiah itu sederhana: lihat baik-baik, ajukan pertanyaan, tebak jawabannya, lalu buktikan dengan percobaan. Kalau tebakanmu salah, tidak apa-apa. Itu justru membuatmu belajar sesuatu yang baru!

Data percobaan biasanya disajikan dalam grafik. Grafik di bawah ini berasal dari data kelarutan nyata: berapa gram zat paling banyak yang dapat larut dalam 100 g air pada setiap suhu.

1.4Alat laboratorium dan dua hitungan pertama

Dapurmu punya panci, gelas takar, dan timbangan. Laboratorium punya "saudara-saudaranya" yang dibuat dari kaca tahan panas dan diberi skala yang jauh lebih teliti. Kenali wajah-wajah mereka:

Hitungan pertama: massa jenis

Neraca mengukur massa, gelas ukur mengukur volume. Gabungkan keduanya dan kamu mendapat besaran baru yang bisa mengenali zat: massa jenis (\(\rho\), dibaca "rho"), yaitu massa setiap satu satuan volume. Benda yang massa jenisnya lebih kecil daripada air (1 g/cm³) mengapung; yang lebih besar tenggelam.

Hitungan kedua: persentase massa

Label produk sering menulis kadar dalam persen: "pemutih mengandung natrium hipoklorit 5%", "susu berlemak 3,5%". Artinya, dalam setiap 100 g campuran ada 5 g atau 3,5 g zat itu. Inilah persentase massa.

1.5Keselamatan kerja dan piktogram bahaya

Kimiawan yang hebat bukan yang paling berani, tetapi yang paling teliti menjaga keselamatan. Hampir semua kecelakaan di laboratorium sekolah bisa dicegah dengan kebiasaan sederhana.

Di laboratorium, ada aturan seperti di jalan raya. Kita memakai kacamata pelindung seperti pengendara memakai helm. Kita tidak makan dan minum di lab, tidak mencicipi apa pun, dan selalu bertanya kepada guru kalau ragu.

Bagaimana kita tahu sebuah bahan berbahaya? Lihat labelnya! Dunia memakai satu sistem lambang bahaya, yaitu GHS (Globally Harmonized System) buatan Perserikatan Bangsa-Bangsa, yang juga diterapkan di Indonesia. Setiap piktogram berbentuk belah ketupat berbingkai merah. Label juga memuat kata sinyal "Bahaya" (lebih serius) atau "Peringatan".

Di rumah pun ada banyak produk berlabel bahaya: pemutih pakaian, pembersih lantai dan porselen, obat nyamuk, spiritus, tiner, pupuk, dan pestisida. Simpan di wadah aslinya, jauh dari jangkauan adik kecil, jauh dari kompor, dan jangan pernah memindahkannya ke botol bekas minuman.

1.6Kimia untuk Indonesia

Jauh sebelum ada laboratorium modern, nenek moyang kita sudah menjadi kimiawan yang ulung. Mereka belum mengenal rumus, tetapi mereka menguasai peragian, pewarnaan, dan ekstraksi zat dari tumbuhan.

Tempe adalah karya bioteknologi Indonesia: jamur Rhizopus menghasilkan enzim yang memecah protein dan lemak kedelai menjadi molekul lebih kecil yang lebih mudah dicerna. Hari ini, kimia membantu Indonesia di bidang yang lebih besar lagi:

• Pangan. Pabrik pupuk mengubah nitrogen udara menjadi amonia, lalu amonia dan karbon dioksida menjadi urea, pupuk nitrogen untuk sawah: \(\ce{2NH3 + CO2 -> CO(NH2)2 + H2O}\).
• Energi. Indonesia memiliki cadangan nikel terbesar di dunia, terutama di Sulawesi dan Maluku Utara. Nikel, bersama litium dan kobalt, adalah bahan baterai kendaraan listrik. Biodiesel dari minyak sawit sudah dicampurkan ke solar.
• Kesehatan. Obat dari tumbuhan hutan tropis, vaksin, dan pengawasan mutu pangan semuanya membutuhkan kimiawan.

Namun industri juga bisa mencemari sungai dan udara. Karena itu, kimiawan masa kini memegang prinsip kimia hijau: merancang proses yang sejak awal mencegah limbah, memakai bahan terbarukan, menghemat energi, dan menghasilkan produk yang aman. Lebih baik mencegah limbah daripada membersihkannya!

Kimia di sekitarmu

2.1Materi tersusun atas partikel yang tak pernah diam

Lihat sekelilingmu: sepiring nasi, segelas es teh, udara yang kamu hirup, bahkan tubuhmu sendiri. Semuanya adalah materi, yaitu segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Udara juga materi: balon mengembang karena terisi udara, dan balon yang ditiup sedikit lebih berat daripada balon kempis.

Bagaimana dengan cahaya, bunyi, panas, dan rasa senang? Semuanya bukan materi karena tidak bermassa dan tidak menempati ruang. Cahaya dan kalor adalah bentuk energi.

Bayangkan kamu bisa mengecilkan diri sampai sejuta kali lebih kecil daripada seekor semut. Kamu akan melihat bahwa air, garam, dan udara tersusun atas butiran super mungil yang terus bergoyang dan berlarian. Butiran itu disebut partikel. Partikel air di es batu, air minum, dan uap air sama persis. Yang berbeda hanya cara mereka berbaris dan bergerak.

Kak Tirta suka membandingkannya dengan upacara bendera hari Senin. Saat upacara, siswa berbaris rapi dan hanya bergoyang di tempat: itulah padat. Saat bubar, siswa berjalan berdesakan menuju kelas, tetap berdekatan tetapi bisa berpindah tempat: itulah cair. Saat jam istirahat, siswa berlarian ke seluruh halaman: itulah gas.

2.2Perubahan wujud dan kurva pemanasan

Satu zat bisa tampil dengan tiga wajah. Air muncul sebagai es (padat), air (cair), dan uap air (gas). Perubahan dari satu wujud ke wujud lain disebut perubahan wujud. Perubahan ini terjadi bila zat menyerap atau melepas kalor. Zatnya tetap sama: es, air, dan uap sama-sama tersusun atas molekul \(\ce{H2O}\).

Suhu yang "macet" saat berubah wujud

Suhu ketika padatan mencair disebut titik leleh; untuk zat murni nilainya sama dengan titik beku. Suhu ketika cairan mendidih disebut titik didih. Pada tekanan 1 atm, titik leleh es 0 °C dan titik didih air 100 °C. Ikuti apa yang terjadi pada partikel air ketika sebongkah es dipanaskan terus-menerus:

Ada dua jenis hitungan kalor. Pada bagian yang naik, suhu berubah dan kalornya bergantung pada kalor jenis (\(c\)), yaitu kalor untuk menaikkan suhu 1 g zat sebesar 1 °C. Pada bagian yang datar, suhu tetap dan kalornya bergantung pada kalor laten (\(L\)).

Semua data di atas diukur pada tekanan 1 atm. Untuk setiap zat, kalor uap jauh lebih besar daripada kalor lebur: saat mencair partikel masih berdekatan, tetapi saat menguap partikel harus dipisahkan sepenuhnya.

2.3Difusi dan gerak Brown: bukti partikel tak pernah diam

Ibu memasak rendang di dapur. Beberapa menit kemudian aromanya tercium sampai ruang tamu, padahal tidak ada yang mengipasinya. Partikel aroma dari wajan menyebar dengan sendirinya karena partikel gas selalu bergerak acak dan saling bertumbukan dengan partikel udara.

Di dalam air, difusi lebih lambat karena partikelnya berdesakan. Di laboratorium, guru sering menjatuhkan sebutir kristal ungu kalium permanganat, \(\ce{KMnO4}\), ke dasar segelas air. Tanpa diaduk, warna ungunya perlahan menjalar ke seluruh gelas. Di dalam padatan, difusi sangat lambat sehingga hampir tidak teramati.

Laju difusi dipengaruhi oleh:

• Suhu: makin panas, partikel makin cepat sehingga difusi makin cepat. Air panas juga lebih encer.
• Massa partikel: pada suhu yang sama, partikel yang lebih ringan bergerak lebih cepat.
• Wujud mediumnya: difusi di gas paling cepat, di cairan lebih lambat, di padatan sangat lambat.
• Selisih konsentrasi: makin besar selisihnya, makin cepat penyebaran awalnya.

Bagaimana kita tahu bahwa partikel air bergerak, padahal molekulnya terlalu kecil untuk dilihat? Amati butir serbuk sari atau partikel debu yang melayang di air dengan mikroskop: butir itu bergoyang zig-zag tanpa henti. Itulah gerak Brown. Butir itu ditabrak molekul air dari segala arah, dan tabrakannya tidak pernah seimbang sempurna.

2.4Unsur, senyawa, dan campuran

Kalau semua materi tersusun atas partikel, apakah partikelnya selalu sama? Tentu tidak. Berdasarkan jenis partikelnya, materi dibagi menjadi zat murni (unsur dan senyawa) dan campuran.

Bayangkan tiga kotak manik-manik. Kotak pertama berisi manik merah saja: seperti unsur. Kotak kedua berisi gantungan kunci yang semuanya dirangkai dari dua manik merah dan satu manik biru: seperti senyawa. Kotak ketiga berisi manik merah, manik biru, dan gantungan kunci yang campur aduk: seperti campuran.

Contoh paling dramatis perbedaan sifat senyawa dan unsurnya: natrium (Na) adalah logam lunak yang bereaksi hebat bila terkena air, dan klorin (Cl) adalah gas kuning kehijauan yang beracun. Namun keduanya bergabung membentuk garam dapur, \(\ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}\), yang kita taburkan di atas nasi setiap hari.

Unsur mana yang berwujud cair pada suhu kamar? Hanya dua: raksa (Hg) dan bromin (Br). Namun pada hari yang panas di Jakarta, galium (Ga, titik leleh 29,8 °C) dan sesium (Cs, 28,5 °C) pun ikut mencair. Galium bahkan bisa meleleh di genggaman tangan!

2.5Perubahan fisika dan perubahan kimia

Setiap zat punya sifat fisika, yaitu sifat yang bisa diamati tanpa mengubah zatnya: warna, bau, wujud, titik leleh, titik didih, massa jenis, kelarutan, dan daya hantar listrik. Zat juga punya sifat kimia, yaitu kemampuannya berubah menjadi zat lain: mudah terbakar, mudah berkarat, bereaksi dengan asam, atau mudah membusuk.

Apa bedanya di tingkat partikel? Saat air mendidih, molekul \(\ce{H2O}\) tetap utuh; hanya jaraknya yang berubah. Saat gas metana terbakar di kompor biogas, molekul-molekulnya dibongkar lalu dirakit menjadi molekul baru:

Kita tidak bisa melihat atom berganti pasangan. Untungnya, perubahan kimia biasanya meninggalkan tanda-tanda yang bisa diamati:

2.6Lanjut: diagram fasa, titik tripel, dan fluida superkritis

Bagian ini untuk penjelajah yang berani. Intinya sederhana: wujud air tidak hanya bergantung pada suhu, tetapi juga pada tekanan. Di puncak gunung, air sudah mendidih sebelum 100 °C!

Wujud zat ditentukan oleh suhu dan tekanan sekaligus. Peta yang menunjukkan wujud yang stabil pada setiap pasangan suhu–tekanan disebut diagram fasa. Di setiap titik pada garis batas, dua wujud dapat hidup berdampingan.

Tabel itu menjawab misteri es kering. Tekanan titik tripel \(\ce{CO2}\) adalah 5,1 atm. Pada tekanan udara biasa (1 atm), wujud cair \(\ce{CO2}\) tidak pernah stabil, sehingga padatannya langsung menyublim. \(\ce{CO2}\) cair baru bisa ada di dalam tabung bertekanan tinggi, misalnya tabung pemadam api jenis \(\ce{CO2}\).

Fluida superkritis bersifat unik: dapat menembus pori seperti gas, tetapi melarutkan zat seperti cairan. Sejak tahun 1970-an, \(\ce{CO2}\) superkritis (di atas 31 °C dan 73,8 bar) dipakai untuk melarutkan kafein dari biji kopi mentah. Hasilnya kopi dekafeinasi tanpa sisa pelarut berbahaya: begitu tekanan diturunkan, \(\ce{CO2}\) kembali menjadi gas dan lepas sendiri. Cara serupa dipakai untuk mengekstrak minyak atsiri dan zat aktif dari rempah.

Kimia di sekitarmu

3.1Prinsip pemisahan: cari perbedaannya!

Coba lihat sekelilingmu. Udara, air laut, tanah, santan, kopi, darah, minyak bumi, bahkan es teh manis: semuanya campuran. Zat yang benar-benar murni justru jarang kita temui. Itulah sebabnya teknik pemisahan menjadi keterampilan pertama seorang kimiawan, sebelum ia bisa meneliti apa pun.

Pernahkah kamu melihat nenek menampi beras di atas tampah? Beras dilempar-lempar ke udara. Sekam yang ringan terbang terbawa angin, sedangkan butir beras yang berat jatuh kembali ke tampah. Nenek sedang memisahkan campuran! Ia tidak memakai zat kimia apa pun. Ia hanya memanfaatkan satu perbedaan: sekam lebih ringan daripada beras. Semua teknik pemisahan di bab ini bekerja dengan cara yang sama.

Karena komponen campuran tidak terikat secara kimia, kita dapat memisahkannya dengan cara fisika: tanpa reaksi, hanya dengan memanfaatkan perbedaan sifat. Butir pasir lebih besar daripada molekul air. Air mendidih pada 100 °C, sedangkan garam baru mendidih pada 1.465 °C. Besi ditarik magnet, pasir tidak. Setiap perbedaan adalah "pintu keluar" bagi satu komponen.

3.2Menyaring, menuang, memutar, dan menarik

Penyaringan (filtrasi) memisahkan zat padat yang tidak larut dari cairan. Campuran dituang ke kertas saring di dalam corong. Cairan dan semua yang terlarut di dalamnya lolos lewat pori kertas, sedangkan butir padat yang lebih besar dari pori tertahan.

Dekantasi adalah cara yang lebih sederhana: campuran didiamkan sampai padatannya mengendap, lalu cairan di atasnya dituang perlahan. Orang tua kita dulu mengendapkan air sungai yang keruh di gentong semalaman, lalu menciduk bagian atasnya. Unit pengolahan air minum (PDAM) melakukan hal yang sama dalam bak pengendap raksasa.

Kalau partikelnya terlalu halus atau terlalu lama mengendap, campuran diputar sangat cepat dalam alat sentrifugasi (sentrifus). Putaran ribuan kali per menit membuat partikel yang lebih rapat terlempar ke dasar tabung dalam hitungan menit. Laboratorium klinik memisahkan darah menjadi plasma (kekuningan, di atas) dan sel darah (merah, di bawah) dengan cara ini.

Pemisahan dengan magnet hanya bekerja bila salah satu komponen bersifat magnetis, misalnya besi, nikel, kobalt, dan beberapa oksida besi. Pasir hitam di pantai selatan Jawa kaya akan magnetit, \(\ce{Fe3O4}\), yang dipisahkan dari pasir biasa dengan magnet besar sebelum diolah menjadi bijih besi.

Seberapa cermat pemisahanmu? Bandingkan massa yang berhasil diperoleh dengan massa komponen itu di campuran awal.

3.3Penguapan dan kristalisasi: dari tambak garam sampai pabrik gula

Penguapan (evaporasi) memisahkan zat padat yang terlarut dari pelarutnya. Larutan dipanaskan atau dijemur sampai pelarutnya menguap, dan zat terlarut tertinggal. Cara ini bekerja karena titik didih pelarut (air, 100 °C) jauh lebih rendah daripada titik didih zat terlarut (garam, 1.465 °C). Kekurangannya, pelarutnya hilang ke udara.

Kalau yang kita inginkan adalah kristal yang murni dan rapi, ada cara yang lebih cerdik: kristalisasi. Zat dilarutkan dalam pelarut panas sampai jenuh, lalu larutan didinginkan perlahan. Karena kelarutannya turun saat dingin, kelebihan zat keluar dari larutan sebagai kristal. Pengotor yang jumlahnya sedikit tetap tinggal di larutan (larutan induk), sehingga kristalnya lebih murni.

Pabrik gula tebu di Jawa Timur memakai keduanya. Nira tebu dijernihkan dengan kapur, lalu diuapkan dalam evaporator sampai kental. Nira kental "dimasak" dalam panci vakum: tekanan rendah membuat air mendidih jauh di bawah 100 °C, sehingga gula tidak gosong. Kristal gula yang tumbuh kemudian dipisahkan dari cairan cokelat kental (tetes tebu atau molase) dengan sentrifugasi. Satu pabrik, empat teknik pemisahan!

3.4Distilasi: menguap, lalu mengembun lagi

Teka-teki dari Bab 2 bertanya: bisakah kita mengambil air tawarnya dari air laut, bukan hanya garamnya? Bisa, asalkan uap air tidak dibiarkan kabur ke udara. Uap itu ditangkap, didinginkan, dan diembunkan kembali menjadi air cair. Itulah distilasi atau penyulingan.

Pernahkah kamu membuka tutup panci yang sedang merebus air? Di bagian dalam tutup ada tetesan air bening. Air itu tadinya uap yang naik dari panci, lalu mengembun karena tutupnya lebih dingin. Kalau kamu merebus air garam, tetesan di tutup panci itu tidak asin! Alat distilasi adalah "tutup panci" yang dibuat sangat cermat.

Distilasi sederhana cukup untuk memisahkan pelarut dari zat padat terlarut, atau dua cairan yang titik didihnya berjauhan, misalnya aseton (56 °C) dan air (100 °C). Bagaimana kalau titik didihnya berdekatan, seperti etanol (78 °C) dan air (100 °C)? Uap yang keluar dari labu tetap mengandung kedua zat, hanya lebih kaya komponen yang lebih mudah menguap. Solusinya adalah distilasi bertingkat: di atas labu dipasang kolom fraksionasi berisi manik-manik kaca. Di permukaan manik, uap berkali-kali mengembun dan menguap lagi. Setiap "naik kelas" membuat uap makin kaya komponen yang lebih mudah menguap, sehingga yang sampai di puncak kolom hampir murni.

Di kilang minyak seperti di Cilacap, Balikpapan, dan Dumai, prinsip yang sama bekerja dalam skala raksasa. Minyak mentah dipanaskan sampai ±350–400 °C lalu dialirkan ke menara fraksionasi setinggi puluhan meter. Menara itu panas di bawah dan makin dingin ke atas. Setiap fraksi mengembun pada ketinggian yang suhunya sesuai dengan titik didihnya, lalu dialirkan keluar.

3.5Kromatografi kertas: lomba lari para pewarna

Kromatografi memisahkan komponen campuran berdasarkan perbedaan "kesetiaan" mereka pada dua fase. Fase diam adalah bahan yang tidak bergerak (pada kromatografi kertas: serat selulosa kertas beserta air yang terikat padanya). Fase gerak (eluen) adalah pelarut yang merambat naik melewati fase diam. Komponen yang lebih mudah larut dalam fase gerak dan kurang tertarik pada fase diam berlari lebih jauh.

Bayangkan lomba lari di jalan yang ramai pedagang jajanan. Pelari A tidak tertarik jajan, jadi ia terus berlari bersama rombongan. Pelari B sering berhenti di setiap gerobak bakso. Setelah lima menit, A sudah jauh di depan dan B tertinggal. Pewarna yang "suka berhenti" di serat kertas tertinggal di bawah, sedangkan pewarna yang "suka ikut arus" pelarut melaju ke atas.

3.6Corong pisah, ekstraksi, sublimasi, dan uji kemurnian

Minyak goreng dan air tidak bercampur. Keduanya membentuk dua lapisan karena massa jenisnya berbeda: minyak (±0,9 g/mL) mengapung di atas air (1,0 g/mL). Alat untuk memisahkan dua cairan seperti ini adalah corong pisah: keran di bagian bawah dibuka perlahan sampai seluruh lapisan bawah mengalir keluar, lalu keran ditutup tepat ketika batas lapisan mencapainya.

Ekstraksi adalah pemindahan suatu zat dari satu fase ke pelarut lain yang lebih "disukainya". Kamu melakukannya setiap pagi! Menyeduh teh atau kopi adalah ekstraksi padat–cair: air panas melarutkan kafein, zat warna, dan zat aroma dari daun teh atau bubuk kopi, sedangkan ampasnya tertinggal. Membuat jamu kunyit juga ekstraksi: kurkumin yang kuning lebih mudah larut dalam etanol atau minyak daripada dalam air. Pabrik kopi tanpa kafein memakai \(\ce{CO2}\) superkritis (Bab 2) untuk mengekstraksi kafein tanpa meninggalkan sisa pelarut.

Sublimasi memisahkan zat yang dapat berubah langsung dari padat menjadi gas (dan sebaliknya) dari zat yang tidak menyublim. Campuran dipanaskan perlahan, uap zat yang menyublim naik lalu mengkristal kembali (deposisi) di permukaan yang dingin. Iodin (I, uapnya ungu) dan naftalena dapat dipisahkan dari garam atau pasir dengan cara ini. Kamu juga sudah bertemu sublimasi di Bab 2: kapur barus di lemari yang makin mengecil tanpa meninggalkan genangan.

Setelah dipisahkan, bagaimana kita tahu zatnya sudah murni? Zat murni memiliki titik leleh dan titik didih yang tajam dan tertentu. Pengotor menurunkan titik leleh dan membuatnya meleleh dalam rentang suhu yang lebar. Pengotor yang tidak menguap menaikkan titik didih. Kromatografi juga dapat dipakai: zat murni memberi satu noda saja, bahkan bila diuji dengan beberapa pelarut berbeda.

Kimia di sekitarmu

4.1Mengukur: angka, satuan, dan Sistem Internasional

Kimia adalah ilmu yang suka menimbang, menakar, dan mencatat. Resep obat, kadar gula darah, kandungan yodium dalam garam, dan mutu bensin semuanya bergantung pada pengukuran yang baik. Mengukur berarti membandingkan sesuatu dengan satuan yang sudah disepakati.

Bayangkan kamu mengukur panjang meja dengan jengkal: hasilnya 5 jengkal. Temanmu yang tangannya lebih besar mendapat 4 jengkal. Siapa yang benar? Supaya semua orang di dunia mendapat angka yang sama, ilmuwan sepakat memakai "jengkal" yang sama untuk semua orang, yaitu meter, kilogram, dan detik. Kesepakatan itu disebut satuan SI.

Hasil pengukuran selalu terdiri atas angka dan satuan. "Tambahkan garam 2" tidak bermakna: 2 gram? 2 sendok? 2 kilogram? Angka tanpa satuan bisa membuat masakan keasinan, atau lebih buruk lagi, obat yang salah dosis.

Kimiawan juga memakai beberapa satuan yang bukan SI tetapi diterima luas: liter (L) untuk volume, gram untuk massa kecil, dan derajat Celsius (°C) untuk suhu sehari-hari. Besaran jumlah zat diukur dalam mol: satu mol berisi \(6{,}022 \times 10^{23}\) partikel. Kita akan berkenalan akrab dengan mol di Bab 17.

Suhu: Celsius dan kelvin

Apa yang sebenarnya diukur termometer? Partikel zat selalu bergerak: bergetar, berputar, dan berpindah tempat. Suhu menunjukkan rata-rata energi gerak partikel itu. Makin panas, makin "gelisah" partikelnya. Pada suhu terendah yang mungkin, nol mutlak, gerak partikel paling kecil dan energinya tidak bisa diturunkan lagi. Skala kelvin dimulai dari titik itu.

4.2Awalan dan konversi satuan

Kimiawan bekerja dari dunia yang sangat kecil (molekul berukuran nanometer) sampai yang sangat besar (pabrik pupuk berkapasitas jutaan ton). Supaya angkanya tidak kepanjangan, satuan diberi awalan, yaitu "kata pengali". Kilo berarti seribu, mili berarti seperseribu.

Anak SD di Indonesia sudah mengenal tangga satuan. Ternyata tangga itu adalah awalan SI yang disusun rapi. Ikuti kelereng jingga turun dan naik tangga:

Cara yang paling aman untuk mengonversi adalah faktor konversi: pecahan yang pembilang dan penyebutnya sama besar, sehingga nilainya 1. Mengalikan dengan 1 tidak mengubah besaran, hanya mengganti satuannya.

ppm: untuk zat yang sangat sedikit

Kadar zat yang sangat kecil, misalnya fluorida dalam air minum atau yodium dalam garam dapur, dinyatakan dalam ppm (parts per million, bagian per sejuta). 1 ppm berarti 1 gram zat dalam 1.000.000 gram campuran, atau 1 mg zat dalam 1 kg campuran. Untuk larutan encer dalam air, 1 ppm ≈ 1 mg per liter, karena 1 L air bermassa ±1 kg.

4.3Notasi ilmiah: menjinakkan angka raksasa dan angka mungil

Satu atom hidrogen bermassa 0,00000000000000000000000167 gram. Satu sendok teh air berisi sekitar 170.000.000.000.000.000.000.000 molekul. Menulis nol sebanyak itu melelahkan dan mudah salah hitung. Ilmuwan meringkasnya dengan notasi ilmiah.

Caranya: geser koma sampai tersisa satu angka bukan nol di depannya. Banyaknya lompatan menjadi pangkat \(n\). Geser ke kiri (bilangan besar) membuat \(n\) positif; geser ke kanan (bilangan kurang dari 1) membuat \(n\) negatif.

4.4Angka penting: angka yang boleh dipercaya

Coba ukur panjang pensil dengan penggaris berskala milimeter. Ujung pensil jatuh di antara 12,3 cm dan 12,4 cm, kira-kira di tengahnya. Kamu yakin pada angka 1, 2, dan 3, lalu menaksir angka terakhir: 12,35 cm. Semua angka yang pasti ditambah satu angka taksiran disebut angka penting (AP). Angka terakhir itu disebut angka taksiran.

Angka penting adalah angka yang benar-benar kita ukur. Kalau timbanganmu hanya bisa menunjukkan gram bulat, menulis "5,2836 gram" sama saja dengan mengarang. Tulislah hanya angka yang memang ditunjukkan alatmu.

Angka penting dalam perhitungan

Kalkulator tidak tahu dari alat apa angkamu berasal. Ia dengan senang hati memberi sepuluh digit, padahal sebagian besar hanyalah "sampah digit". Dua aturan berikut menjaga hasil perhitungan tetap jujur:

4.5Ketepatan, ketelitian, galat, dan ketidakpastian

Bayangkan empat pemain melempar panah ke papan sasaran. Ada yang panahnya rapat bergerombol di tengah, ada yang rapat tetapi semuanya di pojok, ada yang berserakan di sekitar tengah, dan ada yang berserakan di mana-mana. Pengukuran di laboratorium persis seperti itu: setiap hasil ukur adalah satu panah, dan pusat sasaran adalah nilai sebenarnya.

Penyimpangan hasil ukur dari nilai sebenarnya disebut galat (error). Ada dua jenis yang wataknya sangat berbeda:

• Galat sistematik menggeser semua hasil ke arah yang sama. Contoh: neraca belum ditara (massa kertas ikut tertimbang), termometer yang angkanya selalu 1 °C terlalu tinggi, atau selalu membaca meniskus dari atas. Galat ini merusak ketepatan dan tidak hilang walau pengukuran diulang seribu kali. Obatnya: kalibrasi alat dan perbaiki cara kerja.
• Galat acak membuat hasil berserakan ke dua arah secara tidak terduga. Contoh: getaran meja, angin dari kipas, taksiran digit terakhir. Galat ini merusak ketelitian dan bisa dikurangi dengan mengulang pengukuran lalu merata-ratakan.

Karena galat tidak pernah nol, setiap hasil ukur ditulis bersama ketidakpastiannya: \(x \pm \Delta x\). Untuk alat berskala (analog) seperti gelas ukur, ketidakpastian biasanya setengah skala terkecil. Untuk alat digital, ketidakpastiannya satu digit terakhir.

Membaca meniskus tanpa tertipu

Permukaan cairan di dalam tabung sempit tidak datar, tetapi melengkung. Lengkungan ini disebut meniskus. Di tingkat partikel, molekul air lebih tertarik ke kaca (adhesi) daripada ke sesamanya, sehingga air "memanjat" dinding dan permukaannya cekung. Atom raksa lebih tertarik ke sesamanya (kohesi), sehingga permukaannya cembung. Mata yang tidak sejajar membuat bacaan bergeser; galat ini disebut paralaks.

4.6Massa jenis: mengapa sesuatu mengapung atau tenggelam

Mana yang lebih berat, 1 kg kapas atau 1 kg besi? Tentu sama-sama 1 kg! Bedanya, kapas butuh tempat yang jauh lebih luas. Besaran yang membandingkan massa dengan ruang yang ditempati disebut massa jenis (densitas).

Di tingkat partikel, massa jenis bergantung pada dua hal: seberapa berat partikelnya dan seberapa rapat susunannya. Atom emas jauh lebih berat daripada atom aluminium dan tersusun rapat, sehingga emas tujuh kali lebih rapat daripada aluminium. Contoh yang paling ajaib adalah es: molekulnya sama dengan air, tetapi susunannya lebih renggang.

Aturan mengapung sangat sederhana: benda mengapung bila massa jenisnya lebih kecil daripada cairan, dan tenggelam bila lebih besar. Minyak goreng (±0,92 g/mL) mengapung di atas kuah sayur, es (0,92 g/cm³) mengapung di air, sedangkan paku besi (7,87 g/cm³) langsung tenggelam.

Kimia di sekitarmu

5.1Dari Demokritos ke Dalton: atom sebagai bola pejal

Sekitar 2.400 tahun lalu di Yunani, Leukippos dan muridnya, Demokritos, bertanya seperti Kimo. Jawaban mereka: pembelahan harus berhenti pada butiran yang tak bisa dibelah lagi, yaitu atomos. Mereka bahkan membayangkan atom besi punya kait-kait sehingga besi keras, sedangkan atom air licin dan bulat sehingga air mudah mengalir.

Coba bayangkan kamu memotong sepotong kue lapis terus-menerus. Potongannya makin kecil, makin kecil, sampai pisaumu tidak bisa memotong lagi. Potongan terkecil yang masih berupa "kue lapis" itulah yang dibayangkan Demokritos sebagai atom. Bedanya, atom jauh lebih kecil: sebutir garam saja berisi miliaran miliar atom!

Sayangnya, gagasan itu hanya hasil berpikir, tanpa percobaan. Filsuf terkenal Aristoteles menolaknya dan lebih percaya bahwa segala sesuatu tersusun atas empat unsur: tanah, air, udara, dan api. Pendapat Aristoteles bertahan hampir 2.000 tahun.

Kimiawan mulai menimbang

Pada akhir abad ke-18, kimiawan mulai menimbang zat sebelum dan sesudah reaksi dengan neraca yang teliti. Dua aturan penting pun ditemukan:

• Hukum kekekalan massa (Antoine Lavoisier, 1789): dalam wadah tertutup, massa zat sebelum dan sesudah reaksi selalu sama.
• Hukum perbandingan tetap (Joseph Proust, ±1799): suatu senyawa selalu tersusun atas unsur-unsur dengan perbandingan massa yang tetap. Air dari sumur, hujan, atau es kutub selalu berisi hidrogen dan oksigen dengan perbandingan massa 1 : 8.

Seorang guru sekolah dari Manchester, Inggris, bernama John Dalton, mencari penjelasan untuk kedua hukum itu. Jawabannya kembali ke gagasan lama Demokritos, tetapi kali ini didukung data timbangan.

Teori Dalton menjelaskan kedua hukum tadi dengan indah. Massa kekal karena atom-atomnya tetap ada, hanya berganti pasangan. Perbandingan massa tetap karena setiap molekul air selalu tersusun atas atom-atom yang sama dengan jumlah yang sama. Dalton lalu meramalkan hukum perbandingan berganda: bila dua unsur dapat membentuk lebih dari satu senyawa, massa unsur kedua yang bergabung dengan massa tetap unsur pertama berbanding sebagai bilangan bulat sederhana.

5.2Thomson dan sinar katode: menemukan elektron

Menjelang tahun 1900, para fisikawan gemar bermain dengan tabung sinar katode: tabung kaca yang udaranya hampir habis dipompa keluar, dengan dua lempeng logam (elektrode) yang diberi tegangan sangat tinggi. Dari elektrode negatif (katode) memancar sinar tak kasatmata yang membuat dinding kaca atau layar di ujung tabung berpendar. Televisi tabung zaman dulu bekerja dengan prinsip yang sama.

Pada 1897, Joseph John (J.J.) Thomson di Cambridge, Inggris, menguji sinar itu dengan medan listrik dan medan magnet. Ikuti percobaannya langkah demi langkah:

Atom bersifat netral, padahal di dalamnya ada elektron negatif. Jadi pasti ada pula bagian bermuatan positif. Pada 1904 Thomson mengusulkan model roti kismis (plum pudding): atom berupa bola bermuatan positif yang merata, dengan elektron-elektron tersebar di dalamnya seperti kismis di dalam roti. Jumlah muatan positif dan negatifnya sama, sehingga atom netral.

Model Thomson berhasil menjelaskan bahwa atom mengandung elektron dan tetap netral. Namun, model ini akan runtuh oleh sebuah percobaan dengan lembaran emas.

5.3Rutherford dan lembaran emas: inti yang mungil

Pada 1909 di Manchester, Hans Geiger dan mahasiswanya yang baru berusia 20 tahun, Ernest Marsden, bekerja di bawah bimbingan Ernest Rutherford. Mereka menembakkan partikel alfa (α), yaitu inti atom helium \((\ce{He^2+})\) yang dipancarkan unsur radioaktif radium dengan kecepatan ±15.000 km per detik, ke lembaran emas setipis kurang dari seperseribu milimeter. Setiap partikel α yang menabrak layar seng sulfida menimbulkan kilatan cahaya kecil, yang mereka hitung satu per satu di ruang gelap dengan mikroskop.

Rutherford lalu mengusulkan model atom inti (1911), sering disebut model tata surya: inti mungil di tengah seperti Matahari, dan elektron-elektron beredar mengelilinginya seperti planet. Kelak (1917–1919) Rutherford juga menemukan bahwa muatan positif inti dibawa oleh partikel yang ia namai proton.

Bayangkan kamu melempar bola kasti ke arah jaring nyamuk. Hampir semua bola lolos lewat lubang-lubangnya. Tetapi kalau di jaring itu tersembunyi beberapa kelereng besi yang sangat kecil, sesekali bolamu memantul balik saat tepat mengenainya. Begitulah cara Rutherford "melihat" inti atom tanpa pernah melihatnya!

Mengapa hanya sedikit partikel yang memantul? Partikel α baru dibelokkan tajam bila lewat sangat dekat dengan inti. Jarak tegak lurus antara arah datang partikel dan inti disebut jarak bidik \(b\). Geser titik oranye pada grafik ini:

5.4Bohr: tangga energi dan spektrum garis

Cahaya punya sidik jari

Cahaya Matahari yang dilewatkan prisma terurai menjadi pelangi utuh: spektrum kontinu. Tetapi gas hidrogen yang dialiri listrik dalam tabung berpendar ungu kemerahan, dan bila dilihat lewat prisma, cahayanya hanya berupa empat garis berwarna yang terpisah. Setiap unsur memiliki pola garis sendiri, seperti sidik jari atau kode batang (barcode) di kemasan belanjaan.

Model atom Bohr (1913)

Fisikawan muda Denmark, Niels Bohr, yang pernah belajar bersama Rutherford, menggabungkan model inti dengan gagasan baru Max Planck dan Albert Einstein bahwa cahaya datang dalam paket energi bernama foton. Energi satu foton sebanding dengan frekuensinya: \(E = hf = \dfrac{hc}{\lambda}\).

Bayangkan tangga rumah panggung. Kamu bisa berdiri di anak tangga pertama, kedua, atau ketiga, tetapi tidak bisa melayang di antara dua anak tangga. Elektron juga begitu: ia hanya boleh "berdiri" di tingkat energi tertentu. Saat melompat turun, kelebihan energinya keluar sebagai cahaya.

Untuk atom hidrogen, Bohr menghitung energi setiap tingkat dengan rumus yang sangat sederhana. Tanda negatif berarti elektron terikat pada inti; energi nol berarti elektron baru saja lepas dari atom.

Selisih energi menentukan warna. Lompatan kecil menghasilkan foton berenergi rendah (merah atau inframerah), sedangkan lompatan besar menghasilkan foton berenergi tinggi (ungu atau ultraviolet).

Uji nyala: warna rahasia logam

Kalau Bohr benar, setiap unsur punya tangga energi yang berbeda, sehingga warna cahayanya juga berbeda. Inilah dasar uji nyala: sedikit garam logam pada kawat nikrom atau platina yang bersih dimasukkan ke nyala pembakar. Panas nyala mengeksitasi elektron ion logam, lalu elektron itu turun sambil memancarkan warna khas.

Model Bohr sukses besar untuk hidrogen: ramalannya cocok dengan garis spektrum sampai beberapa angka penting. Namun model ini gagal meramalkan spektrum atom berelektron banyak, bahkan helium yang hanya punya dua elektron. Model Bohr juga tidak menjelaskan mengapa elektron hanya boleh berada di tingkat tertentu. Jawabannya datang dari sifat elektron yang paling aneh: ia juga sebuah gelombang.

5.5Model mekanika kuantum: awan elektron

Tiga gagasan besar pada 1920-an mengubah cara kita membayangkan elektron:

• Louis de Broglie (1924): setiap partikel yang bergerak juga bersifat gelombang, dengan panjang gelombang \(\lambda = \dfrac{h}{mv}\). Untuk elektron, panjang gelombang ini seukuran atom!
• Erwin Schrödinger (1926): menulis persamaan gelombang untuk elektron dalam atom. Penyelesaiannya disebut orbital dan otomatis menghasilkan tingkat-tingkat energi Bohr untuk hidrogen.
• Werner Heisenberg (1927): prinsip ketidakpastian. Posisi dan kecepatan elektron tidak dapat diketahui tepat sekaligus. Jadi, lintasan elektron yang pasti seperti orbit planet tidak bisa digambar.

Pernah memotret kipas angin yang sedang berputar? Bilahnya tampak seperti cakram kabur. Kamu tahu bilahnya ada di suatu tempat di dalam cakram itu, tetapi tidak tahu tepatnya di mana pada saat tertentu. Awan elektron mirip cakram kabur itu: kita hanya tahu di mana elektron kemungkinan besar berada.

Mari rangkum seluruh perjalanan. Perhatikan bahwa setiap model baru tidak membuang semua model lama; model baru memperbaiki bagian yang gagal menjelaskan hasil percobaan.

5.6Seberapa kecil atom itu?

Diameter atom berkisar antara 0,1 dan 0,5 nanometer (\(1\ \text{nm} = 10^{-9}\) m). Atom hidrogen berdiameter ±0,1 nm dan atom emas ±0,29 nm. Inti atomnya jauh lebih kecil lagi: hanya beberapa femtometer (\(1\ \text{fm} = 10^{-15}\) m). Diameter atom kira-kira 10.000 sampai 100.000 kali diameter intinya.

Sehelai rambutmu tebalnya ±0,08 mm. Kalau atom emas dijajarkan melintang di atas rambut itu, dibutuhkan sekitar 280 ribu atom! Padahal hampir seluruh isi setiap atom itu adalah ruang kosong.

Bisakah atom dilihat? Mikroskop cahaya tidak bisa, karena gelombang cahaya tampak (400–700 nm) ribuan kali lebih panjang daripada atom. Namun sejak 1981, mikroskop penerowongan (scanning tunneling microscope) dapat "meraba" permukaan logam dengan jarum setajam satu atom dan menampilkan atom-atomnya sebagai bukit-bukit kecil. Ilmuwan bahkan pernah menyusun puluhan atom satu per satu membentuk tulisan. Setelah dua ribu tahun, tebakan Demokritos akhirnya bisa "dipotret".

Kimia di sekitarmu

6.1Tiga partikel penyusun atom

Di Bab 5 kamu sudah mengikuti para ilmuwan membongkar atom. Hasilnya, setiap atom tersusun atas tiga jenis partikel subatom. Dua di antaranya, proton dan neutron, berdesakan di inti atom yang sangat mungil. Partikel ketiga, elektron, bergerak di ruang luas di sekeliling inti.

Bayangkan atom seperti sebuah desa. Di tengahnya ada balai desa yang sangat padat, yaitu inti. Di balai itu tinggal warga bermuatan positif (proton) dan warga netral (neutron). Di sekelilingnya, warga yang sangat ringan dan bermuatan negatif (elektron) berlarian ke sana kemari. Desa ini hampir seluruhnya berupa lapangan kosong!

Dua hal penting dari tabel itu:

• Muatan proton dan elektron sama besar (\(1{,}602 \times 10^{-19}\) coulomb) tetapi berlawanan tanda. Jadi atom yang punya jumlah proton dan elektron sama bersifat netral.
• Proton dan neutron hampir sama berat, elektron sangat ringan. Kalau satu proton seberat sekarung beras 50 kg, satu neutron kira-kira 50,07 kg, sedangkan satu elektron hanya ±27 gram, kira-kira dua sendok makan gula pasir.

Akibatnya, lebih dari 99,9% massa atom terkumpul di inti. Pada atom karbon, keenam elektronnya hanya menyumbang ±0,03% massa. Saat menimbang atom, elektron hampir boleh diabaikan.

6.2Nomor atom, nomor massa, dan ion

Setiap warga Indonesia punya NIK di KTP-nya. Atom juga punya "KTP", yaitu jumlah protonnya. Semua atom dengan 6 proton pasti karbon. Semua atom dengan 8 proton pasti oksigen. Tambah satu proton saja, unsurnya berubah!

Keduanya ditulis dalam notasi nuklida. Nomor massa di kiri atas, nomor atom di kiri bawah, dan muatan (bila ada) di kanan atas:

Atom bisa melepas atau menerima elektron. Hasilnya adalah ion, partikel bermuatan listrik. Proton dan neutronnya tidak berubah sedikit pun.

6.3Isotop: kembar yang beda berat

Kembali ke kelereng Bima. Dua kelereng bisa tampak kembar dari luar tetapi berbeda isinya. Atom juga begitu. Semua atom hidrogen punya 1 proton, tetapi ada yang intinya hanya berisi proton, ada yang ditemani 1 neutron, dan ada yang ditemani 2 neutron.

Isotop itu seperti saudara kembar yang memakai baju sama (elektron sama) dan punya nama keluarga sama (proton sama), tetapi berat badannya berbeda (neutron berbeda). Karena bajunya sama, cara mereka bergaul dengan atom lain juga sama.

Mengapa sifat kimia isotop sama? Reaksi kimia hanya melibatkan elektron, terutama elektron terluar. Isotop-isotop satu unsur punya jumlah dan susunan elektron yang sama, jadi bereaksi dengan cara yang sama. Garam dari Cl-35 dan garam dari Cl-37 sama asinnya. Yang berbeda adalah sifat fisika yang bergantung pada massa: massa jenis, titik didih, dan kecepatan berdifusi.

Coba ikuti animasi ini. Perhatikan kapan unsurnya tetap, dan kapan unsurnya berganti.

Ada isotop yang intinya stabil, tidak berubah selamanya. Ada pula yang intinya tidak stabil sehingga meluruh sambil memancarkan radiasi. Isotop seperti ini disebut isotop radioaktif atau radioisotop. Dari ±3.000 nuklida yang sudah dikenal, hanya sekitar 250 yang stabil. Inti stabil berkumpul di sebuah "pita" yang sempit.

Isotop radioaktif meluruh dengan laju yang tetap, diukur dengan waktu paruh (\(t_{1/2}\)): waktu yang dibutuhkan sampai separuh atomnya meluruh. Inilah dasar "jam atom" untuk menanggali benda purba. Karbon-14 terus terbentuk di udara atas saat neutron dari sinar kosmik menabrak nitrogen. Tumbuhan menyerapnya lewat \(\ce{CO2}\), dan hewan memakan tumbuhan. Setelah makhluk hidup mati, pasokan karbon-14 berhenti dan yang tersisa meluruh dengan waktu paruh 5.730 tahun.

6.4Menimbang atom: satuan massa atom dan Ar

Satu atom karbon-12 bermassa \(1{,}993 \times 10^{-23}\) gram. Menuliskan angka sekecil itu setiap hari sangat merepotkan. Kimiawan memakai cara yang lebih cerdik: membandingkan massa atom dengan sebuah anak timbangan standar, sama seperti pedagang membandingkan barang dengan anak timbangan di pasar.

Bayangkan kamu menimbang semua benda dengan "satuan kelereng". Kalau sebuah bola beratnya sama dengan 12 kelereng, kita sebut beratnya 12. Atom juga ditimbang dengan "kelereng atom", yaitu seperdua belas atom karbon-12. Atom besi kira-kira seberat 56 kelereng atom, jadi \(A_r\) besi ±56.

Tetapi hampir setiap unsur di alam adalah campuran isotop. Klorin di garam Madura, air laut, maupun air PDAM selalu berisi ±75,8% atom Cl-35 dan ±24,2% atom Cl-37. Maka \(A_r\) yang tertulis di tabel periodik adalah rata-rata berbobot: setiap isotop "bersuara" sebanyak kelimpahannya.

6.5Spektrometer massa: timbangan atom

Dari mana kita tahu klorin berisi 75,8% Cl-35? Jawabannya dari alat bernama spektrometer massa. Alat ini memisahkan partikel bermuatan menurut perbandingan massa terhadap muatannya, \(m/z\), lalu menghitung berapa banyak partikel untuk setiap \(m/z\). Prinsipnya mirip melempar bola pingpong dan bola tenis yang sama cepat ke arah angin samping: bola ringan lebih mudah dibelokkan.

Dengan Lab Mini berikut, kamu menjadi operator spektrometer massa. Pilih unsur, amati berkas ionnya berbelok, lalu "curangi" kelimpahannya untuk melihat \(A_r\) berubah.

Membaca spektrum massa itu seperti membaca grafik nilai ulangan: posisi puncak memberi tahu massa isotop, tinggi puncak memberi tahu banyaknya.

6.6Lanjut: defek massa dan energi ikat inti

Ada satu keanehan kecil. Massa isotop klorin-35 adalah 34,969, bukan 35. Padahal ia tersusun atas 17 proton, 18 neutron, dan 17 elektron yang masing-masing bermassa sedikit lebih dari 1 u (kecuali elektron). Ke mana perginya massa itu?

Kurva ini menjelaskan dua sumber energi terbesar di alam semesta. Inti ringan seperti hidrogen bergabung (fusi) menjadi helium di Matahari, sedangkan inti berat seperti uranium-235 membelah (fisi) di reaktor nuklir. Keduanya bergerak menuju puncak kurva di sekitar besi dan melepaskan energi. Ceritanya berlanjut di Bab 37.

Kimia di sekitarmu

7.1Lantai-lantai hotel: kulit K, L, M, N

Di Bab 5 kita berkenalan dengan model atom Bohr: elektron bergerak di sekitar inti pada tingkat-tingkat energi tertentu. Sekarang mari kita lihat atom sebagai sebuah hotel. Inti yang bermuatan positif adalah lobinya. Elektron yang bermuatan negatif tertarik ke lobi, tetapi tidak bisa semuanya berdesakan di sana. Mereka menginap di kulit elektron, yaitu "lantai-lantai" energi di sekeliling inti.

Bayangkan gedung bertingkat dengan lobi di tengah. Lantai 1 paling dekat lobi tetapi kamarnya hanya sedikit, cukup untuk 2 tamu. Lantai 2 lebih luas, muat 8 tamu. Lantai 3 muat 18, lantai 4 muat 32. Tamu selalu mengisi lantai bawah dulu karena paling dekat dengan lobi dan "paling murah" energinya. Tamu di lantai teratas paling jauh dari lobi, jadi paling mudah pergi. Merekalah yang ikut bereaksi!

Kulit pertama diberi huruf K, lalu L, M, N, dan seterusnya. Nomor kulit disebut \(n\). Semakin besar \(n\), semakin jauh elektron dari inti, semakin tinggi energinya, dan semakin lemah tarikan inti padanya.

Untuk 20 unsur pertama (hidrogen sampai kalsium) ada cara cepat yang diajarkan di SMP: isi kulit K sampai 2, kulit L sampai 8, lalu kulit M sampai 8, dan sisanya ke kulit N. Kulit terluar tidak pernah berisi lebih dari 8 elektron. Coba ketuk chip unsur ini untuk melihat model atomnya: Na Cl K Ca.

7.2Sayap dan kamar: subkulit s, p, d, f dan bentuk orbital

Model kulit menjelaskan banyak hal, tetapi tidak bisa menjawab teka-teki kalium tadi. Para ilmuwan menemukan bahwa setiap lantai hotel ternyata terbagi lagi menjadi beberapa sayap yang harganya berbeda. Sayap itu disebut subkulit, diberi huruf s, p, d, dan f. Setiap sayap berisi beberapa kamar yang disebut orbital.

• Kulit ke-\(n\) punya \(n\) subkulit: kulit K hanya punya 1s; kulit L punya 2s dan 2p; kulit M punya 3s, 3p, dan 3d; kulit N punya 4s, 4p, 4d, dan 4f.
• Subkulit s punya 1 orbital, p punya 3, d punya 5, dan f punya 7.
• Setiap orbital menampung paling banyak 2 elektron.

Sekarang angka \(2n^2\) dari 7.1 jadi masuk akal. Kulit M (\(n = 3\)) punya subkulit 3s, 3p, dan 3d, berarti \(1 + 3 + 5 = 9 = 3^2\) orbital. Setiap orbital memuat 2 elektron, jadi kulit M memuat \(2 \times 9 = 18\) elektron.

7.3Aturan check-in: Aufbau, Pauli, dan Hund

Resepsionis Hotel Elektron sangat disiplin. Setiap tamu baru diantar ke kamar menurut tiga aturan. Susunan elektron yang mematuhi ketiganya disebut konfigurasi elektron keadaan dasar, yaitu susunan dengan energi serendah mungkin.

Dari mana urutan Aufbau yang "melompat-lompat" itu? Ada cara mudah: tulis subkulit dalam baris-baris menurut kulitnya, lalu tarik panah diagonal. Ikuti animasinya.

Konfigurasi elektron ditulis dengan lambang subkulit dan jumlah elektronnya sebagai pangkat. Contoh: natrium (11 elektron) = 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹, atau singkatnya [Ne] 3s¹. Untuk melihat letak setiap elektron, kita memakai diagram orbital: satu kotak = satu orbital, satu panah = satu elektron, arah panah = arah spin.

Lihat nitrogen: tiga elektron 2p tidak berdesakan di satu kamar, tetapi menyebar ke tiga kamar dengan spin searah, seperti penumpang angkot yang memilih bangku kosong dulu. Baru pada oksigen, elektron ke-8 terpaksa berbagi kamar. Elektron yang sendirian di kamarnya disebut elektron tak berpasangan.

7.4Bilangan kuantum: alamat lengkap setiap elektron

Setiap tamu hotel punya alamat lengkap: lantai berapa, sayap mana, kamar nomor berapa. Elektron juga punya alamat yang terdiri atas empat bilangan, yaitu bilangan kuantum. Tiga bilangan pertama muncul dari persamaan Schrödinger, sedangkan yang keempat menyatakan spin elektron.

Contoh: kulit \(n = 2\) boleh punya \(l = 0\) (2s) dan \(l = 1\) (2p), tetapi tidak boleh \(l = 2\). Itulah sebabnya tidak ada "2d" atau "1p". Untuk \(l = 1\), nilai \(m_l\) boleh −1, 0, atau +1: tiga kamar p.

Untuk soal "bilangan kuantum elektron terakhir", buku-buku di Indonesia memakai kesepakatan berikut: kotak orbital diberi nilai \(m_l\) dari \(-l\) (kiri) sampai \(+l\) (kanan), dan elektron pertama di setiap kamar ber-spin \(m_s = +\tfrac12\) (↑).

7.5Elektron valensi, golongan, pengecualian, dan konfigurasi ion

Kimia sebuah unsur terutama ditentukan oleh elektron di kulit terluar atau subkulit yang sedang terisi: elektron valensi. Hebatnya, konfigurasi elektron langsung memberi tahu alamat unsur di tabel periodik.

• Periode = nomor kulit terbesar (\(n\) terbesar) yang berisi elektron.
• Blok = subkulit yang terakhir diisi menurut Aufbau (s, p, d, atau f).
• Golongan dihitung dari elektron valensi, seperti pada tabel di bawah.

Helium (1s²) adalah pengecualian kecil: secara konfigurasi ia blok s, tetapi diletakkan di golongan 18 karena kulitnya penuh dan sifatnya mirip gas mulia lain.

Pengecualian: kromium dan tembaga

Aturan Aufbau meramalkan kromium 4s² 3d⁴ dan tembaga 4s² 3d⁹. Hasil pengukuran (spektroskopi dan sifat magnet) berkata lain:

Energi 4s dan 3d sangat berdekatan. Memindahkan satu elektron dari 4s ke 3d hanya "rugi" sedikit, tetapi subkulit d yang setengah penuh (d⁵) atau penuh (d¹⁰) memberi keuntungan stabilitas yang lebih besar. Pola yang sama terjadi pada tetangga di bawahnya: molibdenum [Kr] 4d⁵ 5s¹, perak [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, dan emas [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹.

Konfigurasi ion: tamu yang check-out

Anion terbentuk ketika atom menerima elektron: tambahkan elektron menurut Aufbau. Klorin [Ne] 3s² 3p⁵ menjadi Cl⁻ [Ne] 3s² 3p⁶ = [Ar]. Kation terbentuk ketika atom melepas elektron: lepaskan dari kulit terluar (\(n\) terbesar) dulu. Natrium [Ne] 3s¹ menjadi Na⁺ [Ne].

Ion dan atom yang jumlah elektronnya sama disebut isoelektronik. Contoh: O²⁻, F⁻, Ne, Na⁺, Mg²⁺, dan Al³⁺ semuanya punya 10 elektron, 1s² 2s² 2p⁶. Walaupun elektronnya sama, ukurannya berbeda karena jumlah protonnya berbeda (Bab 8).

7.6Bukti dari laboratorium: energi ionisasi berturutan dan sifat magnet

Bagaimana kita tahu bahwa kulit-kulit itu benar-benar ada? Salah satu bukti terkuat datang dari energi ionisasi: energi yang dibutuhkan untuk melepas satu mol elektron dari satu mol atom (atau ion) dalam wujud gas. Elektron bisa dilepas satu per satu, sehingga ada energi ionisasi pertama (\(IE_1\)), kedua (\(IE_2\)), dan seterusnya.

Energi ionisasi berturutan selalu naik, karena elektron yang tersisa ditarik oleh muatan positif yang makin besar. Namun kenaikannya tidak rata. Bila elektron berikutnya harus dicabut dari kulit yang lebih dalam, energinya melonjak tajam. Lonjakan itulah "jejak kaki" kulit elektron.

Elektron tak berpasangan dan magnet

Setiap elektron berperilaku seperti magnet kecil karena spinnya. Dua elektron sekamar (↑↓) saling meniadakan. Zat yang punya elektron tak berpasangan bersifat paramagnetik: tertarik ke medan magnet. Zat yang semua elektronnya berpasangan bersifat diamagnetik: sedikit ditolak medan magnet. Ion Zn²⁺ ([Ar] 3d¹⁰) diamagnetik, sedangkan Fe³⁺ ([Ar] 3d⁵) sangat paramagnetik. Besarnya dapat diperkirakan dari jumlah elektron tak berpasangan.

Kimia di sekitarmu

8.1Mencari irama para unsur: dari triade sampai nomor atom

Pada pertengahan abad ke-19, kimiawan sudah mengenal sekitar 60 unsur. Ada logam lunak yang mendesis di air (natrium, kalium), gas kuning-hijau yang menyesakkan (klorin), dan cairan merah-cokelat berbau tajam (brom). Daftar itu mirip gudang yang berantakan. Adakah aturan yang menata semuanya?

Bayangkan kamu merapikan rak sepatu keluarga. Mula-mula kamu mengurutkannya menurut ukuran. Lalu kamu menaruh sepatu yang mirip (sandal, sepatu sekolah, sepatu bola) di lajur yang sama. Para kimiawan melakukan hal yang serupa pada unsur: mengurutkan, lalu mencari yang mirip supaya bisa dikelompokkan. Hasil akhirnya adalah tabel periodik.

Langkah pertama datang dari Johann Wolfgang Döbereiner (Jerman). Antara 1817 dan 1829 ia melihat bahwa unsur yang sifatnya mirip sering datang bertiga. Ia menyebutnya triade. Dalam satu triade, massa atom unsur tengah kira-kira sama dengan rata-rata massa dua unsur lainnya.

Sayangnya, kebanyakan unsur tidak bisa dimasukkan ke triade mana pun. Pada 1864–1865, John Newlands (Inggris) mencoba cara lain: mengurutkan semua unsur menurut massa atomnya. Ia melihat bahwa unsur kedelapan mirip unsur pertama, seperti tangga nada do, re, mi, fa, sol, la, si, lalu do lagi. Ia menamainya hukum oktaf. Pola ini cocok untuk unsur ringan sampai kalsium, tetapi kacau sesudahnya. Seorang anggota Chemical Society di London bahkan menyindir dengan bertanya apakah Newlands sudah mencoba mengurutkan unsur menurut abjad. Dua puluh tahun kemudian, Newlands justru menerima medali atas penemuannya.

Pada 1869, Dmitri Mendeleev (Rusia) menulis 63 unsur yang dikenal saat itu pada kartu-kartu: lambang, massa atom, rumus oksida, dan sifat lainnya. Ia mengurutkan kartu menurut massa atom yang naik dan memulai baris baru setiap kali sifat mulai berulang. Hampir bersamaan, Lothar Meyer (Jerman) menemukan pola serupa dari grafik volume atom. Kejeniusan Mendeleev terletak pada tiga keputusan berani:

1. Mengosongkan kotak. Bila unsur berikutnya tidak cocok dengan keluarganya, ia meninggalkan kotak kosong untuk unsur yang belum ditemukan.
2. Meramal sifat. Dari tetangga-tetangganya ia meramal sifat unsur yang hilang: eka-aluminium (galium, ditemukan 1875), eka-boron (skandium, 1879), dan eka-silikon (germanium, 1886). Kata eka berarti "satu" dalam bahasa Sanskerta: satu tempat di bawah.
3. Menukar urutan. Telurium (Ar 127,6) ia taruh sebelum iodin (Ar 126,9), karena sifat iodin jelas mirip klorin dan brom. Baginya, kemiripan sifat lebih penting daripada urutan massa.

Sekarang giliranmu menjadi Mendeleev. Di Lab Mini berikut, unsur di tengah disembunyikan. Kamu hanya melihat empat tetangganya.

Tabel Mendeleev masih menyimpan teka-teki. Mengapa argon (Ar 39,95) harus diletakkan sebelum kalium (Ar 39,10), dan kobalt (58,93) sebelum nikel (58,69)? Jawabannya datang pada 1913 dari Henry Moseley (Inggris). Ia menembakkan elektron berenergi tinggi ke berbagai logam dan mengukur frekuensi sinar-X yang dipancarkan. Ternyata akar frekuensinya naik selangkah demi selangkah, tepat satu langkah per unsur. "Langkah" itu adalah nomor atom \(Z\), yaitu jumlah proton di inti.

8.2Alamat setiap unsur: golongan, periode, dan blok

Setiap unsur di tabel periodik punya "alamat", seperti rumahmu punya nama jalan dan nomor rumah. Begitu tahu alamatnya, kamu bisa menebak banyak hal tentang unsur itu.

Di Bab 7 kamu sudah bisa menulis konfigurasi elektron. Sekarang konfigurasi itu bisa langsung diterjemahkan menjadi alamat:

• Periode = nomor kulit terluar (\(n\) terbesar). Natrium \(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\) → periode 3.
• Blok = subkulit yang terakhir diisi: blok s (golongan 1–2 dan helium), blok p (golongan 13–18), blok d (golongan 3–12, logam transisi), dan blok f (lantanida dan aktinida).
• Golongan: blok s → jumlah elektron valensi (1 atau 2); blok p → 10 + jumlah elektron \(ns\) dan \(np\); blok d → jumlah elektron \(ns\) dan \((n-1)d\).

Selain alamat, letak unsur juga memberi tahu jenisnya. Garis "tangga" dari boron sampai astatin memisahkan logam (di kiri, sekitar 80% unsur) dan nonlogam (di kanan atas).

Di sepanjang tangga itu tinggal metaloid: B, Si, Ge, As, Sb, Te. Sifatnya setengah logam, setengah nonlogam. Silikon, misalnya, mengilap seperti logam tetapi rapuh, dan daya hantar listriknya justru naik bila dipanaskan. Itulah bahan semikonduktor di dalam cip HP dan panel surya.

8.3Jari-jari atom dan ion: tarikan inti melawan perisai

Atom tidak punya kulit keras seperti bola pingpong. Awan elektronnya makin tipis ke arah luar tanpa batas yang tegas. Jadi, bagaimana mengukur "besar" atom? Kimiawan mengukur jarak antara inti atom-atom yang berikatan atau bersentuhan, lalu membaginya dua. Ada beberapa jenis jari-jari:

• Jari-jari kovalen: setengah jarak inti dua atom sejenis yang berikatan kovalen. Panjang ikatan Cl–Cl dalam \(\ce{Cl2}\) ±199 pm, jadi jari-jari kovalen klorin ±100 pm.
• Jari-jari logam: setengah jarak inti dua atom bertetangga dalam kristal logam.
• Jari-jari van der Waals: setengah jarak inti dua atom yang hanya bersentuhan tanpa berikatan. Nilainya lebih besar daripada jari-jari kovalen.
• Jari-jari ion: ukuran ion di dalam kristal ion.

Satuannya pikometer: 1 pm = \(10^{-12}\) m. Kecil sekali! Bila atom klorin diperbesar seukuran bola pingpong, bola pingpong yang diperbesar dengan skala yang sama akan berdiameter ±8.000 km, lebih dari separuh diameter Bumi.

Ukuran atom ditentukan oleh tarik-menarik. Inti yang bermuatan positif menarik elektron. Tetapi elektron terluar tidak merasakan seluruh tarikan inti, karena elektron-elektron di kulit dalam menghalangi sebagian tarikan itu. Inilah efek perisai (shielding). Kak Tirta suka mengibaratkannya begini: penjual martabak (inti) memanggil pembeli di ujung antrean. Makin banyak orang berdiri di depan pembeli itu (elektron kulit dalam), makin lemah suara yang sampai kepadanya. Orang yang berdiri sejajar di sebelahnya (elektron sekulit) hampir tidak menghalangi.

Bayangkan inti atom sebagai magnet kecil yang menarik butiran besi (elektron). Bila magnetnya makin kuat sementara butirannya tetap di "lantai" yang sama, butiran ditarik makin dekat dan atom menjadi makin kecil. Bila ada lantai baru di luar, atom menjadi lebih besar.