WUJUD, SIFAT DAN KEGUNAANNYA

BENDA

Benda = Materi = bahan

Wujud benda :

1) Padat

2) Cair

3) Gas

1. Mekanis kuat (tegar), sukar berubah bentuk, keras2. Titik leleh tinggi3. Sebagian konduktor listrik yang baik (logam),

sebagian isolator yang baik4. Sebagian penghantar panas yang baik (logam),

sebagian isolator yang baik5. Sebagian memiliki sifat optik baik, sebagian tidak

baik6. Sebagian berstruktur kristal, ada yang amorf

Benda Padat

1. Mudah berubah bentuk mengikuti bentuk wadahnya2. Mudah dicerai beraikan molekul-molekul

pembentuknya3. Mudah berubah wujud (titik didih rendah)4. Merupakan zat alir (fluida)5. Tidak terjadi ekspansi volum6. Tidak membentuk stuktur kristal

Benda Cair

1. Mudah berubah bentuk mengikuti bentuk wadahnya2. Mudah dicerai beraikan molekul-molekul

pembentuknya3. Mudah berubah wujud (titik didih rendah)4. Merupakan zat alir (fluida)5. Terjadi ekspansi volume6. Tidak membentuk struktur kristal

Benda Gas

Mengapa Benda-Benda memiliki sifat-sifat yang berbeda ???

Unsur terkecil penyusun benda adalah unsur-unsurbisa berupa atom maupun molekul. Unsur-unsurtersebut satu sama lain saling berikatanmembentuk suatu struktur benda. Jenis unsur yangberikatan, jenis ikatan yang terjadi, dan strukturikatan yang terbentuk akan menentukan sifat-sifatbenda. Wujud zat (padat, cair, dan gas) jugaditentukan oleh jenis (proses) ikatan yang terjadidan struktur yang dihasilkan dari proses ikatantersebut

Apa atom ???

Atom dimodelkan sebagai suatu inti yang dikelilingi olehelektron. Pada inti terdapat proton (bermuatan positif) dannetron (tidak bermuatan). Elektron bermuatan negatif(- 1,602 x 10-19 C).Jumlah proton dan elektron dalam sebuah atom adalahsama, sehingga secara kelistrikan atom itu netral. Setiapatom memiliki jumlah proton (elektron) berbeda. Jumlahproton (elektron) dalam suatu atom dinyatakan oleh nomoratom, sedangkan massanya dinyatakan dalam satuan massaatom.

inti

elektron

ZA

M

Si14

086.28

Atom Silikon memiliki nomor atom 14, artinya jumlahproton atau elektron pada atom Silikon adalah 14.

Disini Z adalah nama atom, A adalah nomor atom, dan Madalah massa atom.

Contoh

Elektron mengelilingi inti (mengorbit) pada tingkat-tingkatenergi tertentu. Jumlah elektron yang menempati tingkat-tingkat energi tertentu diatur oleh Azas Pauli dan aturanHund.

Tingkat energi pertama (kulit pertama) maksimumditempati oleh 2 elektron.Tingkat energi kedua (kulit kedua) maksimum ditempatioleh 8 elektron.Tingkat energi ketiga (kulit ketiga) maksimum ditempatioleh 18 elektron.Tingkat energi keempat (kulit keempat) maksimumditempati oleh 18 elektron.Tingkat energi kelima (kulit kelima) maksimum ditempatioleh 32 elektron.

Dan seterusnya.

Elektron yang menempati kulit terluar (tingkat energitertinggi) yang ditempati elektron disebut elektron valensi.Jadi atom Silikon memiliki 4 elektron valensi, sedangkantembaga memiliki 2 elektron valensi.

Elektron-elektron yang terdapat dalam suatu atom akantersebar menempati tingkat-tingkat energi tertentu denganmengikuti aturan tersebut.

Contoh.Atom Silikon (Si) memiliki jumlah elektron 14, jadielektron-elekton akan tersebar seperti berikut : 2 padakulit ke-1, 8 pada kulit ke-2, dan 4 pada kulit ke-3.Atom Tembaga (Cu) memiliki jumlah elektron 30, jadielektron-elekton akan tersebar seperti berikut : 2 padakulit ke-1, 8 pada kulit ke-2, 18 pada kulit ke-3, dan 2pada kulit ke-4.

Elektron-elektron pada suatu atom dapat tereksitasi(meninggalkan tempat kedudukan semula ke kedudukanlain) ketika menerima energi. Atau bahkan loncat ketingkat bebas (tingkat energi dimana elektron sudahtidak dibawah pangaruh inti induknya lagi yang dicirikanbila elektron tersebut tidak lagi mengitari inti asalnya).Energi terkecil yang diperlukan untuk melepaskanelektron dari keadaan terikat pada inti ke keadaan bebasdisebut energi ionisasi.

Energi ionisasi adalah ukuran kestabilan konfigurasielektron pada kulit terluar dari suatu atom.

Golongan gas Mulia (golongan VIII) pada tabel periodikseperti atom : 2He, 10Ne, 18Ar, Kr, Xe, Rn, memilikienergi ionisasi yang besar, hal ini dikarenakan pada subkulit terluarnya diisi penuh oleh elektron. Sehinggakonfigurasinya sangat stabil. Diperlukan energi yang cukupbesar untuk melepaskan elektron dari sub kulit terluarnya(atom-atom ini dikatakan kurang atau tidak reaktif).Sedangkan golongan logam alkali (golongan I) pada tabelperiodik seperti atom : 3Li. 11Na, 19K, dst, pada kulitterluarnya hanya diisi oleh 1 elektron, sehingga untukmelepaskan elektron dari kulit terluarnya diperlukan energiyang tidak terlalu besar. Dengan kata lain elektron terluarini mudah dilepaskan. Sehingga atom-atom golongan inimemiliki energi ionisasi yang kecil. Golongan alkali inimudah bereaksi dengan atom-atom sesamanya maupunatom-atom lain (secara kimiawi dikatan sangat reaktif).

Bagaimana kecenderungan atom-atom melepaskan ataumenangkap elektron ???

Secara umum atom-atom dengan banyak elektron valensikurang dari 4 (atom-atom golongan I sampai golongan III)cenderung melepaskan elektron dan membentuk ion positif.(ion adalah atom yang kehilangan atau mendapatkantambahan elektron sehingga kelistrikannya tidak netral.Atom yang kehilangan sebagian elektron akan menjadibermuatan positif dan disebut ion positif, sedangkan atomyang mendapat tambahan elektron akan bermuatan negatifdan disebut ion negatif).

Contoh golongan I : Na Na+ + eContoh golongan II : Ca Ca++ + 2eContoh golongan III : Al Al+++ + 3e

Sedangakan atom-atom dengan banyak elektron valensilebih dari 4 (atom-atom golongan V sampai dengangolongan VII) cenderung menerima elektron membentuk ionnegatif.

Contoh golongan VII : Cl + e Cl-

Contoh golongan V : N + 3e N3-

Ketika jarak antar atom besar ( r >>>) terjadi gaya tarikyang lebih dominan, yaitu tarik menarik antara inti yangbermuatan positif dengan elektron yang bermuatannegatif.

Ketika jarak antar atom kecil ( r <<<) terjadi gaya tolakyang lebih dominan, yaitu tolak menolak antara inti atomyang satu dengan inti atom yang lainnya yang sama-samabermuatan positif.

Tarik menarik

Tolak menolak

Atom-atom satu sama lain dapat berikatan karena ada gayaikat.

Hasil ikatan atom-atom membentuk struktur benda.Struktur dengan keteraturan berjangkauan panjangdisebut kristal.Struktur dengan keteraturan berjangkauan pendek(teratur pada daerah-daerah tertentu saja) disebutamorf.

Ada jarak tertentu (r0) yang menunjukkan gaya interaksiadalah nol (gaya tarik = gaya tolak). Pada keadaan inienergi potensial sistem menjadi minimum. Energipotensial minimum ini yang disebut sebagai energi ikat.Jarak kesetimbangan antara atom-atom yang berikatandisebut jarak ikatan.

Ikatan IonikIkatan KovalenIkatan LogamIkatan Van der WalsIkatan Hidrogen

Ikatan ionik, kovalen dan logam tergolong jenis ikatan kuat,Jenis-jenis ikatan ini memiliki energi ikat antara 1 – 10 eV(baca elektronvolt) dimana 1 eV = 1,602 x 10-19 Joule. Ketigajenis ikatan ini pada umumnya menghasilkan zat atau bahanpadat dalam struktur kristal yang keras dan memiliki titikleleh yang tinggi. Sedangkan ikatan Van der Waals dan ikatanHidrogen tergolong jenis ikatan lemah dengan energi ikatkurang dari 0,5 eV. Produk dari ikatan lemah ini biasanyaberwujud cair (seperti air) atau gas (seperti gas argon).Tetapi dapat dihasilkan juga dalam wujud padat seperti es.

JENIS-JENIS IKATAN KIMIA DALAM PEMBENTUKAN BENDA

Ikatan Ionik

Sesuai dengan namanya, maka unsur-unsur yang berikatandengan jenis ikatan ini adalah ion-ion (ionik). Ion adalahatom yang melepaskan atau menerima elektron. Padadasarnya atom adalah netral secara kelistrikan, artinyajumlah muatan positif sama dengan jumlah muatan negatif.Muatan positif dimiliki oleh proton yang terletak pada intiatom, sedangkan muatan negatif dimiliki oleh elektron-elektron yang bergerak mengelilingi atom. Karena jumlahproton dan elektron pada suatu atom adalah sama, makajumlah muatan positif dan negatif juga sama, sehinggaatom bersifat netral. Atom yang melepaskan elektrondisebut ion positip, karena ketika melepaskan elektron atomakan kehilangan sebagian muatan negatif (ingat elektronbermuatan listrik negatif) sehingga menjadi lebih positif dandisebut ion positif. Sebaliknya atom yang menerima elektrondisebut ion negatif.

Ikatan Ionik

2

21

r

qqkF

F adalah gaya Coulomb, q1 dan q2 adalah muatan partikel-partikel, dan r adalah jarak pisah antara partikel yangberinteraksi

Ion positif dan negatif dapat saling tarik menarikmembentuk suatu ikatan. Gaya pengikatnya adalah gayaCoulomb. Gaya Coulomb adalah gaya tarik menarik atautolak menolak antara dua partikel bermuatan listrik. Gayatarik menarik terajadi antara dua partikel atau lebih yangmuatan listrik tidak sejenis (positif dan negatif), sedangkangaya tolak menolak terajadi antara dua partikel atau lebihyang muatannya sejenis (negatif dengan negatif atau positifdengan positif. Besarnya gaya Coulomb dirumuskan sebagiberikut :

Ikatan Ionik

Na

11

Contoh kristal hasil ikatn ionik adalah garam dapur (NaCl).Kristal NaCl dibentuk oleh atom Natrium (Na) dan atomClorida (Cl) melalui proses seperti berikut :Atom Na memiliki nomor atom 11, artinya memiliki 11elektron, 10 elektron merupakan elektron inti dan 1elektron valensi.

Cl

17

Ikatan Ionik

Gambar konfigurasi elektron pada : a) suatu atom b) padaatom natriumAtom Clorida (Cl) memiliki nomor atom 17, artinya memilikielektron 17, 10 elektron merupakan elektron inti dan 7elektron valensi. Untuk membentuk ikatan ionik, makaketika atom Na dan atom Cl didekatkan satu sama lain akanterjadi transfer elektron (1 elektron) dari atom Na ke atomCl. Akibatnya atom Na yang kehilangan 1 elektron akanmenjadi ion Na+ karena melepas 1 elektron sedangkanatom Cl akan menjadi ion Cl- karena menerima 1 elektron.Menurut Coulomb, selanjutnya kedua ion Na+ dan Cl- iniakan saling tarik menarik membentuk kristal NaCl.

Ikatan Ionik

ClNae

Cl -Na+

NaCl

Sesama molekul NaCl kemudian tarik menarik dengan gaya Coulomb membentuk suatu ikatanmenghasilkan kristal NaCl (garam dapur)

Ikatan Ionik

Kristal-kristal ionik memiliki sifat-sifat umum sepertiberikut :

Termasuk kristal padat yang keras karena ikatan antaraion-ion penyusunnya tergolong ikatan kuat.

Tergolong konduktor listrik dan panas yang jelek karenadari proses ikatan tersebut tidak menghasilkan elektronbebas.Memiliki titik leleh tinggi.

Biasanya terlarut dalam zat cair polar, seperti air, tetapitidak larut dalam zat cair koavalen seperti bensin.Molekul air (H2O) yang memiliki momen dipol listrikpermanen dapat mengerjakan gaya tarik terhadap ion-ion bermuatan listrik yang dapat memutuskan ikatanionik sehingga kristal ionik tersebut dikatan terlarutdalam air.

Ikatan Ionik

Garam Dapur

Ikatan Kovalen

Ne

10

Sesuai dengan namanya, maka ikatan ini dibentuk atas dasarpenggunaan elektron valensi masing-masing secara bersama,sehingga seolah-olah kulit terluar dari lintasan elektronnyaterisi oleh 8 elektron seperti halnya konfigurasi unsur-unsurgas mulia (golongan VIII, argon, neon, kripton, dll) sepertiditunjukkan pada gambar berikut.

Ikatan Kovalen

Si

14

Si

14

Ikatan kovalen dapat terjadi antara atom-atom golongan IVdengan golongan IV (seperti Si-Si, C-C, dll) atau atom-atomgolongan V dengan golongan III (seperti GaAs, InSb, AlN, dll) atauatom-atom golongan II dengan golongan VI (seperti ZnO, ZnS,CuO, dll).

Ikatan Kovalen

Sifat-sifat kristal hasil ikatan kovalen :

Semua kristal kovalen sangat keras karena memiliki energiikat yang besar (lebih besar dari kristal ionik).Memiliki titik leleh yang sangat tinggi. Contoh kristalkovalen yang paling keras adalah kristal Intan, memilikititik leleh 4000 K.Tidak larut dalam zat cair biasa.Merupakan isolator yang baik.Sebagian bersifat Transparan (tembus terhadap cahaya)

Logam (Zat Padat)

Mengapa transmisi jaringan listrik menggunakan bahan logam seperti tembaga (Cu) ???

Ikatan Logam

Ikatan logam disusun oleh unsur-unsur golongan logam.Unsur-unsur dari golongan ini sangat reaktif secara kimia.Unsur-unsur golongan logam menempati golongan I, II,atau III. Karena unsur-unsur goloangan ini reaktif dancenderung melepaskan elektron (golongannya di bawahgolongan IV), maka ketika terjadi ikatan antar sesamaunsur logam, masing-masing unsur akan melepaskanelektron yang akan menjadi elektron bebas (elektronkonduksi) yang menjadi milik kristal logam. Itulahsebabnya mengapa pada logam banyak terkandungelektron bebas. Elektron-elektron bebas ini membentuk”awan elektron” atau ”gas elektron”. Banyaknya kandunganelektron bebas pada logam seperti besi, tembaga, dll,menyebabkan bahan logam menjadi konduktor listrik yangbaik. Dan banyak digunakan sebagai bahan untuk transmisiarus listrik (kabel).

Ikatan Logam

Misalnya Tembaga (Cu) merupakan atom golongan II, makaketika atom-atom Cu saling berikatan satu sama lain, setiapatom Cu akan melepaskan 2 elektron valensinya menjadielektron bebas. Sehingga jika ada 1023 atom Cu yangberikatan, maka jumlah elektron bebas yang terbentukadalah 2 x 1023. Atom-atom Cu yang elektronnya lepasberubah menjadi ion-ion Cu++ (ion positif). Ion-ion positif inimenempati lokasi tetap pada kisi kristal. Jadi, sebuah kristallogam dapt digambarkan sebagai sederetan ion-ion positifyang menempati kedudukan teratur dalam kisi-kisi kristal,dengan elektron-elektron valensi yang membentuk ”gaselektron” bebas bergerak diantara ion-ion positif ini, sepertiditunjukkan pada gambar berikut.

Ikatan Logam

Ion-ion positif

Elektron bebas

Gas elektron

Ikatan Logam

Gaya ikat pada pada logam bernilai antara 1 sampaidengan 3 eV, sedikit lebih lemah dari pada ikatan ionik dankovalen (5 sampai dengan 10 eV).

Sifat-sifat kristal hasil ikatan kovalen :Semua kristal logam tergolong zat padat yang cukup keraskarena memiliki energi ikat yang tergolong kuat (lebih kecildari kristal ionik), kecuali logam raksa (Hg) dalam wujudcair.Memiliki titik leleh yang tinggi. Contoh kristal Tungstenmemiliki titik leleh 3380 C, kecuali logam raksa (titik leleh– 39 C)Tidak larut dalam zat cair biasa.Merupakan konduktor listrik dan panas yang baik.Tidak transparan (tidak tembus terhadap cahaya)

Kekerasan zat padat

Mengapa intan dan arang yang dibentuk oleh unsur (atom) yangsama, yaitu atom karbon (C) memiliki kekerasan yang berbeda?Intan berwarna bening dan sangat keras, sementara arangberwarna hitam dan cenderung rapuh. Seperti telahdiungkapkan bahwa sifat-sifat zat padat tidak hanya ditentukanoleh atom-atom pembentuknya, tetapi juga ditentukan olehstruktur kristal yang terbentuk dari proses ikatannya. Atom-atom dalam kristal intan membentuk ikatan-ikatan dalm polatertutup ke berbagai arah (secara kovalen). Tiap atom diikatdengan gaya ikat yang kuat oleh atom-atom tetanggaterdekatnya. Itulah sebabnya kristal intan sangat keras. Dalamkristal arang atom-atom tersusun dalam bidang yangmenyerupai lembaran-lembaran. Ikatan antar atom hanya cukupkuat pada atom-atom yang berada pada lembarn yang sama.Atom-atom antar lembaran yang berdekatn hanya diikat olehgaya tarik-menarik yang relatif lemah. Ini menyebabkan atom-atom pada lembaran yang satu dapat dengan mudah meluncurdi atas lembaran yang lain. Karena itu kristal arang mudahpatah.

Ikatan Van der Waals

Karena atom-atom dan molekul-molekul dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif, maka kita berpikir jika duabuah molekul saling berdekatan akan tolak menolak. Tetapi padakenyataannya hadir gaya elektrostatik tarik-menarik antaramolekul-molekul, yang dinamai gaya Van der Waals. Gaya Vander Waals disebabkan oleh terjadinya polarisasi (pengkutuban =pemisahan) muatan listrik secara permanen pada suatu molekul.Sebagai contoh molekul air (H2O) yang konsentrasi elektronnyaterdapat di sekitar atom oksigen, membuat molekul H2O lebihnegatif pada bagian oksigen dan lebih positif pada bagian atomhidrogennya (H). Molekul air (H2O) disebut molekul polar. Jikasuatu molekul H2O berada di dekat molekul H2O ayang lainnyasehingga bagian yang muatan listriknya berlawanan salingberdekatan, seperti pada gambar di bawah, maka akan terajadigaya tarik menarik membentuk suatu ikatan yang tergolongikatan Van der Waals

Molekul Air (H2O)

H

H

O

Ikatan Van der Waals

Polarisasi muatan listrik pada moleku air

Ikatan Van der Waals

Gambaran ikatan Van der Waals antara molekul-molekul air(H2O) yang membentuk zat cair diperlihatkan pada gambarberikut.

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

H

H

O

HH

O

H H

O

H H

O

H

H

O

HH

Ikatan Van der Waals

Karena ikatan Van der Waals initergolong ikatan lemah, makasangat mudah untuk menceraiberaikan molekul-molekul H2Oyang telah berikatan. Titik didikair pun relatif rendah yaitu hanya100oC. Beberapa wujud gas dariunsur gas mulia seperti gas neondan argon juga terbentuk dariikatan Van der Waals antaramolekul-molekul gas neon atauargon.

Gambaran ikatan Van der Waals antara molekul-molekulair (H2O) yang membentuk zat cair diperlihatkan padagambar berikut.

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

H

H

O

HH

O

H H

O

H H

O

H

H

O

HH

Ikatan Hidrogen

Dalam wujud cair, molekul-molekul air terutama terikat olehgaya Van der Waals membentuk ikatn Van der Waals.Dalam wujud padat (es), ikatan-ikatan antar molekul H2Oterutama disebabkan oleh gaya tarik atom hidrogen padasuatu molekul air yang sedikit bermuatan lebih positifterhadap satu pasang elektron valensi dari oksigen padamolekul H2O yang lain yang berdekatan. Gaya tarik inimembentuk ikatan hidrogen. Jadi ikatan hidrogen adalahsuatu ikatan yang terbentuk dari gaya tarik menarikelektrostatika antara sebuah atom hidrogen (H) yangterikat pada sebuah atom O dalam suatu molekul, dengansatu pasangan elektron valensi dari atom O dari molekullain yang berdekatan.

Ikatan Hidrogen

Dengan struktur kristal volume es makin membesar,sehingga rapat massanya (massa per satuan volum) lebihkecil dari air

OHH

OHH

O

HH

O

HHO

HH

OHH

OHH

Es mengapung di atas air

Ikatan Hidrogen

Ikatan ini juga tergolong ikatan lemah, buktinya es segeraakan mencair ketika dibiarkan di udara terbuka dengantemperatur sedikit diatas 0oC. Es mencair menandakn ikatanhidrogen telah rusak dan kembali domianan ikatan Van derWaals.

Struktur Gas

Molekul-molekul gas satu sama lain tidak berikatan,sehingga mereka mudah saling menjauh, bahkan ceraiberai

N N

Struktur Gas