Atom dan Molekul

MODUL 2

Atom dan Molekul

Oleh : Ir. Nanang Ruhyat MT,

Dalam Modul 1 telah diperkenalkan kepada beberapa konsep dasar yang penting dari Ilmu kimia seperti Zat, Elemen dan Senyawa. Anda belajar sedikit mengenai rumus kimia dan persamaan reaksi, juga me­ngenai pentingnya ukuran laboratorium, dimana ilmuwan-ilmuwan da­hulu belum mengenalnya. Kemajuan yang nyata dalam Ilmu kimia dimulai ketika ilmuwan mulai menyelidiki jumlah zat kimia yang ikut dalam suatu reaksi kimia secara kuantitatif.

Dalam Bab ini dan bab selanjutnya kita akan mengupas beberapa Hukum kimia dasar dan dengan cara bagaimana kita dapat memper­ cayai adanya atom-atom. Anda akan mempelajari bagaimana berpikir secara kimia mengenai jumlah zat yang bergabung dalam reaksi kimia dan akan dipelajari bagaimana suatu rumus kimia ditentukan. Kemam­ puan untuk membuat perfiltungan kimia akan diterangkan dalam Bab ini, sedangkan bab berik-i.itnya adalah bagian yang penting sekali untuk mempelajari kimia. Biasanya bila mahasiswa mendapat kesukaran pada pelajaran lanjut, disebabkan karena mereka kurang memahami Bab-bab permulaan ini. Sebab itu bila Anda mempelajari bahan-bahan yang ter­cakup di sini, pusatkan perhatian untuk mengerti konsepnya. Bila sudah mengerti kita akan dapat memecahkan soal-soalnya. Tetapi bila hanya belajar memecahkan coal tanpa mengerti apa yang kita lakukan, pada akhirnya kita akan menemui kesukaran.

HUKUM KIMIA

Pada mulanya, hanya sedikit diketahui mengenai sifat-sifat dari zat dan re aksi kimia, sehingga tak mengherankan bila timbul teori yang salah mengenai teori dari zat (matter) misalnya : telah lama diketahui bahwa bila sepotong kayu dibaka, rabu yang terbentuk beratnya berkurang dari berat kayu asal.Teorinya adalah karena ada sesuatu yang disebut phlogiston akan menguap waktu pembakaran.

Teori phlogiston ini hidup terus untuk beberapa lama sampai seorang ahli kimia Perancis yang bernama Antoine Lavoisier mendlemonstrasi­ kan dengan suatu percobaan dimana pengukuran berat dari zat kimia dibu uat secara teliti bahwa pembakaran adalah suatu reaksi antara zat dengan oksigen. Dia juga menunjukkan dengan cara pengukuran teliti yang membuktikan bahwa bila pembakaran dilakukan dalam wadah yang tertu­tup pada waktu reaksi tak ada perubahan massa. Penelitian dan percobaan vang dilakukan pada suasana yang terkontrol menjadi dasar bagi hukum kekekalan massa yang berbunyi: Dalam suatu reaksi, massa zat belum dan sesudah reaksi adalah sama. (Bila kita menyatakan suatu zat diawetkan, ini berarti zat tersebut tak hilang atau bertambah). Hukum kekekalan massa adalah Hukum kimia yang penting yang berhuhungan dengan reaksi kimia dan digunakan sebagai penyebab mengapa diadakan kesetimbangan persamaaan reaksi kimia.

Percobaab Lavoisier menyebabkan peneliti-peneliti lain melakukan pengukuran kuantitatif secani teliti terhadap zat-zat kimia dan hasilnya didapat suatu hukum yang penting yang disebut hukum perbandingan tetap (Disebut juga hukum komposisi tetap). Hukum ini menyatakan bahwa dalam suatu zat kimia yang murni, perbandingan massa unsur dalam tiap-tiap senyawa adalah tetap, misalnya: pada setiap sampel air murni, dari manapun sumbernya, kita selalu mendapatkan. perbandingan elemen Hidrogen dan Oksigen adalah 1gram H: 8 gram O Sehingga bila kita mengambil sampel air dengan 2,00 g H, akan ada 16 gram 0, jadi perbandingannya tetap.

Selanjutnya bila kita membuat air dari hidrogen dan oksigen, elemen­-elemen tersebut tersebut bergabung dalam perbandingan yang tepat sama, berapapun jumlah zat yang tersedia. Bila 2,00 g hidrogen dicampur dengan 8 gram oksigen dan dibiarkan untuk bereaksi, semua oksigen akan terpakai, tetapi hanya 1,00 g hidrogen yang bereaksi, jadi masih ada hidrogen tersisa. Untuk air, tak mungkin akan terbentuk, bila perbandingankedua elemen herubah. Untuk semua senyawa ada perbandingan massa yang tetap dari elemen-elemennya.

TEORI ATOM DALTON DAN MASSA ATOM

Seperti telah kita ketahui, hukum kekekalan massa dan hukum perban­ dingan tetap adalah berdasarkan percobaan pengukuran massa dan reaksi dari senyawa kimia. Para ahli kimia dari akhir abad ke-18 masih meraba-raba bagaimana bentuknya zat agar memefitihi hukum-hukum di atas dan pada tahun 1803 seoraing guru dan ilmuwan Inggris yang bernama John Dalton mengemukakan teorinya yang disebut teori atom Dalton yang telah mengubah arah Ilmu kimia.

Konsep dari suatu atom bukanlah hal yang benar. Ahli-ahli filsafat Yunani pada tahun 500 SM telah mengemukakan kemungkinan bahwa zat terdiri dari partikel-partikel kecil yang tak kelihatan. Tetapi prang Yunani kuno tak mempunyai data untuk menjelaskannya, sehingga usul­an mereka hanyalah berupa sedikit latihan pemikiran. Tetapi teori Dalton sedikit berbeda, sebab teorinya telah menjelaskan pengamatan hukum kekekalan massa dan perbandingan.

Teori atom Dalton dapat dikemukakan dalam postulat berikut ini:

1) Zat terdiri dari partikel-partikel kecil yang tak- kelihatan yang disebut atom.

2) Semua atom dari suatu elemen adalah sama, tetapi berbeda dari atom elemen lainnya (Berarti semua atom dari suatu elemen mempunyai massa yang sama, tetapi berbeda dari massa atom elemen lainnya).

3) Senyawa kimia dibentuk oleh atom-atom elemennya dalam suatu perbandingan yang tetap.

Suatu reaksi kimia hanyalah berupa penggeseran atom dari suatu senyawa ke yang lain. Sedangkan atom masing-masing masih tetap berfungsi dan tak berubah .Tes dari teori ini adalah kemampuannya untuk menerangkan fakta. Pertama, kita lihat hukum kekekalan massa. Bila suatu reaksi kimia hanya mengambil atom-atom dari reaktan Ialu membagikannya pada hasil reaksi, maka jumlah atom dari masing-masing elemen harus tetap sama (tentunya kita anggap tak ado atom yang dapat keluar masuk tabung reaksi). Karena atom selama reaksi tak mengalami perubahan massa,berarti jurnlah massa atom harus tetap sama. Dengan perkataan lain, selama reaksi massanya harus tetap konstan dan memang ini yang dikatakan oleh Ilukum Kekekalan Massa.

Hokum Perbandingan Tetap pun mudah diterangkan. Untuk melihat HE, kita bayangkan dua elemen A dan B yang membentuk suatu senyawa dimana tiap molekul dari zat tersebut terdiri dari sebuah atom A dan sebuah atom B (Ingat bahwa sebuah molekul dapat dianggap sebagai suatu kumpulan atom yang terikat satu sama lain cukup kuat sehingga berperan dan dikenal sebagai sebuah partikel). Misalkan atom A dua kali lebih berat dari atom B, sehingga bila atom B mempunyai massa 1 unit, maka massa atom A adalah 2 unit. Berikut ini terlihat bagaimana massa dari A dan B berubah sesuai dengan jumlah molekul.

Jumlah Molekul	Jumlah Atom A	Massa A	Jumlah Atom B	Massa B	Perbandingan Massa A/B
1	1	2 unit	1	1	2/1
2	2	4 unit	2	2	4/2 = 2/1
10	10	20 unit	10	10	20/10 = 2/1
500	500	1000 unit	500	500	1000/500 = 2/1

Perhatikan bahwa berapapun molekul yang ada masing-masing dengan perbandingan atomnya yang sama yaitu 1, maka perbandingan massanya juga sama.

Massa atom

Kunci suksenya teori atom Dalton adalah pernyataan bahwa tiap elemen mempunyai atom dengan massa atom yang khusus. Hal ini telah dijelaskan Hukum-hukum kimia, sehingga ahli-ahli kimia segera mencari bagaimana cara untuk mengukur massa atom. Tetapi bagaimana hal ini dapat dikerjakan? Atom terlalu kecil untuk dilihat dan diukur secara sendiri-sendiri dalam timbangan di laboratoritun.

Pada pembicaraan di atas kita merneriksa suatu tu hipotesa dimana senyawa dibentuk dari dua atom, sebuah atom A dan sebuah atom B. Kita lihat bahwa perbandingan massa dari tiap sampel adalah 2:1, karena perbandingan dari massa atom-atormnya harus selalu 2 : 1. Sebab itu dengan menentukan perbandingan massa dari elemen-elemennya dalam sampel yang besar, kita dapat menentukan perbandingan massa atom dari senyawa tersebut. Sekarang kita lihat pada elemen-elemen dan senyawa yang sebenarnya.

Hidrogen dan Fluor membentuk senyawa yang disebui hidrogen fluorida Rumusnya adalah HF, sehingga sebuah molekul HF mengandung sebuah atom Hidrogen dan sebuah atom Fluor. Dalam sampel senyawa ini, selalu ditemukan bahwa massa fluor adalah 19 x massa hidrogen. Karena atom-atomnya berada dalam jumlah yang sama dapat disimpulkan bahwa tiap atom fluor harus 19 x lebih berat dari atom hidrogen. Karena itu kita telah menemukan massa relatif dari atom-atom hidrogen dan fluor

Dalam dua contoh yang kita periksa ini, kita lihat bahwa dengan mengukur perbandingan massa dari elemen-elemennya dapat diten­tukan massa dari atom-atomnya. Syaratnya adalah kita harus mengeta­hui rumus dari senyawanya. Hambatan yang besar dalam penentuan massa dari atom-atom ialah perlunya diketahui rumus dari senyawanya, tapi kemudian ditemukan cara untuk mendapatkan rumus tersebut, se­hingga beberapa massa relatif dari atom-atoni elemen ditemukan. Tetapi ini hanyalah massa relatif yang menyatakan berapa kali suatu atom lebih berat dari atom lainnya. Kami ingin memberi harga dalam angka pada massa atom-atom ini dan ini baru dapat dilak-itkan bila massa dari salah satu atom elemennya diketahui, sehingga massa dari elemen-elemen lain dapat dihitung berdasarkan angka perbandingannya.

Karena atom terlalu kecil untuk dilihat dan ditimbang dalam satuan gram pada suatu timbangan, suatu skala massa atom dibuat dimana massa diukur dalam satuan massa atom (Simbol SI adalah u). Pemilih­an untuk skala standar ini sangat sukar, karena konsep Dalton tak se­luruhnya benar, hampir semua elemen dalam alam berada dalam cam­puran atom (disebut isotop) dengan massa sedikit berbeda, untungnya hal ini tak mempengaruhi hasil akhir dari teori Dalton, karena elemen dalam tiap sampel cukup besar untuk dapat dilihat sehingga massa rata-rata dari demikian banyak atom same, sehingga elemen akan ber­peran sebagai atom tunggalnya yang mempunyai massa rata-rata. Tetapi karena secara relatif jumlah yang besar dari berbagai isotop dari satu elemen masih dapat berubah dalam waktu yang lama, diputuskan untuk memilih sebuah isotop dari sebuah elemen untuk menentukan besarnya satuan massa atom Isotop tersebut adalah salah satu dari karbon dan dinamakan. Karbon-12. la diberi tanda massa tepat 12 u, sehingga satuan massa atom didefenisikan sebagai 1/12 dari massa atom isotop ini. Dengan memilih bahwa satuan massa atom ulcurannya sebesar di etas, massa atom dari berbagai elemen harganya akan mendekati bilang­an bulat.

Suatu daftar yang lengkap dari massa atom berada pada sampel dalam dari buku ini dan diberikan juga simbul dari elemen-elemen pada susunan berkala. Angka dalam daftar ini adalah harga rata-rata dari massa atom relatif, berarti is adalah massa rata-rata yang dinyatakan dalam satuan massa atom dari campuran isotop-isotop yang ditemukan

Hukum Perbandingan Berganda

Hal lain vang menarik dari teori atom Dalton adalah ditemukannya Hukum Campuran Kimia lain yang dinamakan: Hukum Perbanding­ an Berganda yang dapat dinyatakan sebagai berikut: Misalkan kita mempun_.vai dua sampel senyawa yang dibentuk oleh dua elemen yang sama. Bila massa dari salah satu elemen dalam kedua sampel itu sama, maka massa dari elemen yang lain berada dalam perbandingan angka yang kecil dan bulat. Hukum ini yang terutama penting untuk sejarah, lebih mudah dimengerti bila diberi contoh. Seperti diketahui karbon dapat membentuk dua macam senyawa dengan oksigen yaitu karbon monoksida dan karbondioksida. Dalam 2,33 g karboamonoksida, ditemukan 1,33 g oksigen yang bergabung dengan 1,00 g karbon. Se­dangkan dalam 3,66 g karbondioksida, ditemukan 2,66 g oksigen yang bergabung dengan 1,00 g karbon. Perhatikan bahwa massa karbon yang sama (1,00 gram) berada dalam perbandingan 2 : 1 (perbandingan dengan angka yang kecil dan bulat.

2,66 gram : 1,33 gram = 2 : 1 1

Hal ini sejalan dengan teori atom yaitu bila sebuah molekul karbon monoksida (CO) mengandung satu atom C dan satu atom 0 dan sebuah molekul karbondioksida (CO2) mengandung 1 atom C dan 2 atom 0, berarti kita mempunyai molekul karbon yang jumlahnya sama, kita mempunyai jumlah karbon atom dan massa yang sama.

KONSEP MOL

Teori atom dalton dan perkembangan dari daftar massa atom elemen elemen membuka jalan untuk perhitungan stokiometri, tetapi sebelum ini diterima, kita harus membicarakan terlebih dahulu konsep yang terpenting dalam stokiometri yaitu mol.

Dalam duma sekarang ini, pelajaran dari zat dan reaksi kinlia memerlu­kan kemampuan untuk mencoba menentukan sifat dari hasil reaksi kimia. Kita harus dapat menemukan rumus dan menentukan seberapa banyak berbagai zat kimia diperlukan bila kita akan melakukan reaksi kimia. Dengan perkataan lain, kita harus dapat bekerja secara kuantitatif dengan elemen, senyawa dan reaksi kimia. Stoikhiometri (berasal dari bahasa Yunani Stoicheion = elemen dan metron = mengukur) adalah istilah yang dipakai dalam menggambarkan bentuk kuantitatif dari reaksi clan senyawa kimia.

Teori atom Dalton dan perkembangan dari daftar Massa Atom ele­men-elemen membuka jalan untuk perhitungan Stoikhiometri, tetapi sebelum ini diterima, kita harus membicarakan terlebih dahulu konsep yang terpenting dalam Stoikhiometri yaitu: Mol.

Seperti telah dipelajari, atom bereaksi untuk membentuk molekul dalam perbandingan angka yang mudah dan bulat. Misalnya atom hidrogen dan oksigen, bergabung dalam perbandingan 2:1 untuk mem­bentuk air (H20), atom karbon dan oksiger, bergabung dalam. perban­dingan 1:1 membentuk karbonmonoksida (CO). Setelah mengetahui hal ini, misalkan kita ingin mernbuat karbonmonoksida dari atom karbon dan atom oksigen sedemikian rupa sehingga tak ada atom dari kedua elemen ini yang tersisa. Bila kita hanya memerlukan satu molekul, kita dapat membayangkan akan menggabungkan bersama-sama 1 atom C dan I atom O. Bila dua molekul yang dibutuhkan, diperlukan 2 atom C dan 2 atom 0 dan seterusnya untuk berbagai jumlah yang kita inginkan. Tetapi kita tak dapat bekerja dengan atom-atom, karena mereka sangat kecil. Sebab itu dalam keadaan sebenarnya di Laboratorium kita harus memperbesar ukuran dari sampel sedemikian rupa, sehingga ia dapat dilihat dan dipergunakan, tetapi harus dibuat dengan cara sedemikian rupa, agar dipertahankan perbandingan atom yang sesuai.

Salah satu jalan untuk memperbesar jumlah dalam reaksi kimia adalah bekerja dengan lusinan atom, bukan dengan satuan atom.

1 atom C + I atom 0 à 1 molekul CO

1 lusin atom C + 1 lusin atom 0 à 1 lusin molekul CO

(12 atom C) (12 atom 0) (12 molekul CO)

Perhatikan bahwa perbandingan 1:1 lusinan atom tepat sama perbandingan 1:1 satuan atonyaa sendiri. Jika kita mengambll 2 lusin atom karbon dan 2 lusin atom oksigen (perbandingan 1:1 dari lusinan), dapat dipastikan akan jumlah atom yang sama dari karbon dan oksigen (perbandingan 1:1 atom). Sehingga tidak menjadi masalah jumlah lusinan dari tiap atom yang kita ambil asal jumlah lusinannya sama sehingga perbandingan 1:1 secara lusin dan atom tetap dipertahankan.

Konsep ini sangat penting sekali, sehingga perlu ditinjau dalam kasus lain. Perhatikan zat air (H20). Bila kita ambil atom-atomnya sendiri persamaannya adalah sebagai berikut:

2 atom H + 1 atom à 1 molekul H20

Kemudian kita dapat tingkatkan ukuran reaksi dengan bekerja lusinan atom hidrogen dan oksigen

2 lusin atom H + 1 lusin atom 0 à 1 lusin molekul H20 atau

4 lusin atom H + 2 lusin atom O à 2 lusin molekul H20 atau

6 lusin atom H + 3 lusin atom 0 à 3 lusin molekul H20

Dalam setiap persamaan, tetap dipertahankan perbandingan 2 : 1 antara atom H dan 0 dengan mempertahankan perbandingan 2 : 1 lusinan atom-atom ini.

Sekarang menjadi jelas bahwa bila ada suatu cara untuk menghitung atom secara lusinan, kita dapat mengambilnya berlusin-lusin dalam perbandingan yang tepat sesuai yang diinginkan perbandingan atomnya dan dengan cara ini pasti akan didapat perbandingan atom yang sesuai. Sayangnya selusin atom atau molekul masih terlalu kecil untuk diker­jakan, sebab itu kita harus mengambil satuan yang lebih besar. "Lusin­annya ahli kimia" disebut mole (disingkat mol). Mol ini terdiri dah 6,022 x 10 ²³ partikel (akan dibicarakan lagi nanti mmgenai asal usul angka lusin dan mol ini, yang disebut bilangan Avogadro)

1 lusin = 12 objek

1 mol = 6,022 x 10²³ partikel

Keterangan yang sama untuk lusinan dapat diterapkan juga pada mol. Mol hanyalah suatu jumlah yang lebih besar.

1 mol atom C + 1 mol atom 0 à 1 mol molekul CO atau

1 mol C + 1 mol O à 1 mol CO

(6,022 x 10²³atom C) (6,022 x 10²³ atom 0) (6,022 x 10²³ molekul CO)

Terlihat bahwa bila kita mengambil 1 mol atom karbon dan 1 mol atom oksigen, kita akan mempunyai jumlah atom karbon dan oksigen yang sama dan akan membentuk tepat 1 mol melekul CO, tak ada sisa apa-apa.

PENGUKURAN MOL ATOM ATOM

Dalam suatu reaksi kimia, atom-atom atau molekul akan bergabung dalam perbandingan angka yang bulat dan kita juga telah melihat bahwa mol dari zat juga akan bereaksi dengan perbandingan angka yang bulat. Berdasarkan ini maka mol dapat disebut satuan kimia. Ukurannya cukup besar sehingga sebuah mol atom atau molekul akan mewakili suatu jumlah yang dengan mudah dapat dikerjakan di laboratorium. tetapi sayang tak ada alat yang dapat menolong kita untuk menghitung langsung atom-atom dalam perkalian bilangan Avogadro. Oleh sebab itu kita harus mempunyai cara untuk mengubah satuan kimia ini ke unit laboratorium-sesuatu yang dapat diukur di laboratorium.

Telah dikatakan bahwa satu mol terdiri dari 6,022 x 10²³ partikel (objek). Angka yang aneh ini tidaklah dipilih secara sembarangan. melainkan merupakan jumlah atom dalam suatu sampel dari tiap elemen yang mempunyai massa dalam gram yang jumlah angkanya sama dengan massa atom elemen tersebut , misalnya massa atom dari karbon adalah 12,011, maka 1 mol atom karbon mempunyai massa 12,011 g.

Demikian juga massa atom dari oksigen adalah 15,9994, jadi 1 mol atom oksigen mempunyai massa 15,9994 g

1 mol C = 12,011 g C, 1 mol 0 = 15,9994 g 0

Maka keseimbanganlah yang menjadi alat kita untuk mengukur mol. Untuk mendapat satu mol dari tiap elemen, yang kita perlukan adalah melihat massa atom dari elemen tersebut. Angka yang didapat adalah jumlah dari gram elemen tersebut yang harus kita ambil untuk menda­patkan 1 mol elemen tersebut.

PENGUKURAN MOL DARI SENYAWA: MASSA MOLEKUL DAN MASSA RUMUS

Seperti pada elemen, secara tak langsung persamaan di atas juga dapat dipakai untuk menghitung mol dari senyawa. Jalan yang termudah ada­ lah dengan menambahkan semua massa atom yang ada dalam elemen. Bila zat terdiri dari molekul-molekul (misalnya CO2_, H₂0 atau NH3), maka jumlah dari massa atom disebut massa molekul atau-Berat mole­ kul. Kedua istilah ini dⁱpakai berganti-ganti). Sehingga massa molekul dari CO2 adalah:

C I x 12.0 u = 12.0 u

20 2x 16.0 u = 32.0 u

CO 2 total = 44.0 u

Demikian juga massa molekul dari H₂0 = 18,0 u dan dari NH₃ = 17 u. Berat dari I mole zat didapat hanya dengan menuliskan massa molekulnya dengan satuan gram. Jadi,

I mol CO2 = 44,0 g

1 mol H₂0 = 18,0 g

I mol NH₃ = 18,0 g

KOMPISISI