Empat Hukum Dasar Kimia
Sebelum orang mengenal teori yang benar terkait reaksi pembakaran saat ini ternyata ada teori yang dipercayai oleh para ilmuwan pada masaitu selama lebih dari 100 tahun. Teori yang dimaksud adalah teori flogiston. Bagaimana selanjutnya? Mari analisis bacaan pada bagian intisari berikut untuk memahami sejarah perkembangan teori terkait reaksi pembakaran.
Sejarah awal Teori Flogiston
Pada tahun 1669, Johann Joachim Becher seorang ilmuwan kimia Jerman mencetuskan idenya tentang pembakaran logam. Hal ini menjadi dasar munculnya teori flogiston. Becher beralasan bahwa bahan yang terbakar harus mengandung komponen yang mudah terbakar yaitu elemen api (terra pinguis). Pandangan Becher ini memperbaharui prinsip kimia sebelumnya yang menyatakan bahwa bahan terdiri dari proporsi yang berbeda dari empat elemen baik tanah, udara, api, dan air. Dalam teori Becher disebutkan bahwa benda mudah terbakar karena hanya terdapat elemen api (terra pinguis).
Selama pembakaran, komponen ini dilepaskan ke udara ditandai dengan timbulnya nyala api. Selain itu dinyatakan bahwa tedapat residu misalnya abu kayu yang memiliki massa lebih ringan dari bahan aslinya. Demikian pula saat memanaskan logam di udara akan dihasilkan calx yang lebih ringan dari logam. Hal ini adalah bukti bahwa ada sesuatu yang hilang.
Pada pertengahan abad ke-18, masalah paling penting dalam ilmu kimia dan fisika adalah menentukan apa yang sebenarnya terjadi ketika sesuatu terbakar. Saat itu gas Oksigen belum ditemukan. Tepatnya pada tahun 1703, Georg Ernst Stahl, seorang ilmuwan kimia Jerman, mengembangkan teori Becher. Ia mengemukakan istilah flogiston yang sebelumnya dikenal dengan nama terra pinguis. Dalam bahasa Yunani flogiston berarti terbakar. Adapun teori Stahl mencakup ide-ide berikut:
1) Semua zat yang mudah terbakar mengandung flogiston.
2) Semakin banyak flogiston yang dikandung suatu zat, semakin baik dan lebih sempurna ia terbakar.
3) Pembakaran melepaskan flogiston dari zat ke udara.
4) Nyala api menunjukkan lepasnya flogiston dengan cepat.
5) Udara diperlukan untuk pembakaran karena menyerap flogiston yang keluar.
6) Pembakaran dalam wadah tertutup segera terhenti, karena udara di dalamnya menjadi jenuh dengan flogiston.
7) Udara diperlukan untuk bernapas. Makhluk yang ditempatkan dalam wadah tertutup mati karena udara tidak dapat lagi menyerap flogiston, sehingga tidak dapat lagi menopang kehidupan.
8) Residu atau abu yang tertinggal setelah pembakaran disebut calx.
9) Massa calx lebih ringan dari bahan sebelum dibakar. Teori flogiston memang menjelaskan banyak karakteristik terkait pembakaran namun ternyata saat melakukan pembakaran logam justru hal yang sebaliknya terjadi. Akhirnya teori ini dipatahkan karena ternyata jika logam dibakar massanya justru bertambah.
Sumber: https://edu.rsc.org/feature/the-logic-of-phlogiston/2000126.article
Pada tahun 1774, Joseph Priestley seorang ilmuwan berusaha membuktikan kebenaran teori flogiston dengan cara membakar logam merkuri. Hasil pembakaran berupa senyawa merkuri oksida yang kemudian dipanaskan lagi. Hasil pembakarannya adalah gas yang dinamai oleh Priestley yaitu deplogisticated gas yang sifatnya berbeda dari senyawa sebelumnya. Kendati demikian Priestly belum berhasil memahami hasil temuannya.
Hukum Kekekalan Massa (Hukum Lavoisier)
Pada tahun 1780-an, seorang ilmuwan Prancis Antoine Laviosier yangdikenal sebagai bapak kimia modern menyangkal keberadaan flogiston. Ia melakukan eksperimen dengan cara menggunakan deplogisticated gas hasil temuan Joseph Priestley. Antoine Lavoisier menamai deplogisticated gas sebagai gas oksigen. Laviosier menunjukkan bahwa proses pembakaran membutuhkan oksigen yaitu gas dengan massa tertentu yang dapat diukur dengan menimbang wadah tertutup. Oksigen terlibat dalam reaksi pembakaran. Kesimpulan dari eksperimennya menyatakan bahwa zat bernama flogiston dalam proses pembakaran itu tidak pernah ada. Mengapa? karena terbakarnya sebuah benda itu terjadi apabila oksigen bertemu dengan bahan yang terbakar.
Terkait perhitungan pada eksperimen Lavoisier ternyata gabungan massa merkuri dan oksigen sama dengan massa merkuri oksida. Berkat temuannya ini Lavoisier menjadi orang pertama yang mencetuskan prinsip kekekalan massa dalam reaksi kimia. Menurutnya reaksi kimia dapat menyusun ulang unsur-unsur yang ada dalam zat-zat yang bereaksi, tetapi tidak menghancurkan massa yang terlibat dalam reaksi tersebut. Jadi massa zat tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan. Hasil akhir reaksi menyatakan bahwa dalam ruang tertutup maka zat-zat akan memilik massa yang sama dengan zat-zat penyusunnya. Inilah yang disebut Hukum kekekalan massa. Bagaimana perhitungannya? Ayo perhatikan contoh berikut.
Penemuan Lavoisier terhadap hukum kekekalan massa membawa revolusi kimia tentang pentingnya suatu pengukuran. Setelah Lavoisier mengemukakan hukum kekekalan massa yang ditulis dalam bukunya Traite Elementaire de Chimie maka ahli-ahli kimia mulai terinspirasi untuk menyelidiki spek kuantitatif dari reaksi kimia. Dengan demikian lahirlah hukum kimia berikutnya yaitu hukum perbandingan tetap.
Telah kita ketahui bahwa nomor massa suatu atom merupakan jumlah proton dan neutron dalam inti atom. Lalu bagaimana dengan jumlah elektron? Dalam hal ini jumlah elektron diabaikan karena memiliki massa yang jauh lebih kecil dari proton dan neutron. Dengan demikian nomor massa merupakan massa atom yaitu partikel proton dan neutron. Massa partikel ini dinyatakan dalam satuan massa atom (sma) atau Dalton (Da). Lalu bagaimana sebenarnya menentukan massa atom? Apakah atom-atom itu ditimbang? Mari kita cermati ulasan berikut.
Massa atom relatif dan Massa Molekul Relatif
Atom berukuran sangat kecil sehingga kita tidak bisa menimbang sebuah atom. Meski demikian kita bisa menentukan massa atom suatu unsur dengan cara membandingkannya dengan atom unsur yang lain. Oleh karena itu diperlukan unsur yang dapat dijadikan pembanding.
Dengan demikian massa atom suatu unsur mempunyai istilah massa atom relatif yang diberi notasi Ar. Massa atom relatif merupakan massa atom rata-rata unsur tersebut terhadap 1/12 massa atom C dengan nomor atom 12. Jadi Ar merupakan perbandingan. Dalam bentuk persamaan matematis ditulis sebagai berikut.
Ingatlah bahwa Ar di sini sudah tidak memiliki satuan. Mengapa? Tuliskan jawabannya pada buku catatan Kalian.Menurut Dalton, baik atom-atom sejenis maupun yang berbeda jenis dapat bergabung membentuk molekul. Nah jika demikian maka bagaimana caranya menentukan masa molekul? Dalam hal ini yang dihitung adalah massa molekul relatif yang diberi notasi Mr. Perhatikan molekul air (H2O) yang disusun dari 2 atom H dan 1 atom O. Atom H memiliki Ar 1 sedangkan atom O mempunyai Ar 16 sehingga jika Kalian gabungkan diperoleh perhitungan berikut.
Hubungan massa satu mol zat terhadap massa molekul rata-rata relatif
Terkait hubungan massa satu mol zat terhadap massa molekul relatif rata-rata zat tersebut mari kita pelajari sifat lain dari bilangan Avogadro yang sudah diulas pada bagian terdahulu. Perhatikan contoh berikut.
Hukum Perbandingan Tetap (Hukum Proust)
Setelah mengingat kembali massa atom mari kita mempelajari hukum dasar kimia selanjutnya yaitu Hukum perbandingan tetap yang dikemukakan oleh Joseph Proust. Hukum ini lahir dari eksperimen terhadap air yang massa atom hidrogen dan massa atom oksigennya diubah-ubah. Jika 9 gram air terurai maka akan diperoleh 1 gram hidrogen dan 8 gram oksigen. Jika 18 gram air diuraikan maka akan dihasilkan 2 gram hidrogen dan 16 gram oksigen. Demikian juga jika 2 gram hidrogen dicampur dengan 8 gram oksigen lalu campuran dibakar maka didapatkan 9 gram air dan sisa hidrogen yang tidak bereaksi sebesar 1 gram. Hasil eksperimen Proust menyatakan bahwa pada berbagai massa hidrogen dan massa oksigen yang bereaksi maka perbandingan massa atom H terhadap massa atom O selalu 1 : 8.
Apakah Kalian sudah memahami konsep perhitungannya? Mari berlatih sejenak. Lebih jauh lagi ayo perhatikan contoh perhitungan berikut.
Hukum Perbandingan Berganda (Hukum Dalton)
Hukum perbandingan tetap didukung oleh teori atom Dalton. Teori yang dikemukakan oleh John Dalton ini menyatakan atom-atom sejenis membentuk unsur kimia. Unsur tidak dapat diuraikan melalui reaksi kimia. Sedangkan senyawa kimia disusun dari unsur-unsur yang berbeda. Adapun unsur-unsur yang sama dapat menyusun lebih dari satu senyawa yang berbeda. Pada aspek kuantitatif hukum perbandingan berganda merupakan pengembangan hukum perbandingan tetap. Hukum ini dikemukakan oleh Dalton sehingga dikenal sebagai Hukum Dalton.
Bagaimana membuktikan hukum Dalton? Ayo perhatikan contoh ini. Unsur karbon dan unsur oksigen dapat membentuk dua jenis senyawa.Senyawa pertama adalah CO dan senyawa kedua adalah CO2. Manakah di antara unsur-unsur tersebut yang memiliki perbandingan sama? Berapa perbandingannya? Ayo diskusikan bersama dalam kelompok. Nah sekarang unsur manakah yang memiliki perbandingan berbeda? Berapakah perbandingannya? Tulislah pada catatan Kalian dan diskusikan. Selanjutnya lihatlah contoh berikut.
Hukum Perbandingan Volume (Hukum Gay Lussac)
Perkembangan hukum dasar kimia berikutnya dikemukakan oleh Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850) ahli kimia dari Perancis. Dalam eksperimennya ia menemukan bahwa 199,89 bagian volume hidrogen dikonsumsi untuk setiap 100 bagian volume oksigen. Oleh karena itu perbandingan volume gas hidrogen terhadap gas oksigen saat membentuk uap air adalah 2 : 1 sesuai persamaan berikut.
Hukum Dasar Kimia untuk Menyelesaikan Kasus dalam Kehidupan Sehari-Hari
Berkat hukum dasar kimia yang dikemukakan para ilmuwan maka kita bisa menghitung kadar zat-zat dalam suatu reaksi kimia di sekitar kita.
Lahan rawa memiliki tingkat keasaman tanah yang rendah sehingga tanaman sulit tumbuh di atasnya. Oleh karena itu keasaman tanah harus dinetralkan oleh kapur, contohnya dolomit. Kebutuhan kapur per hektar lahan dapat dihitung dengan cara menentukan terlebih dahulu tingkat keasaman tanah pada keadaan awal. Tingkat keasaman ini dinyatakan dalam pH. Apakah pH itu? Sebelum mengerjakan penyelesaian kasus tersebut ayo pelajari dan analisis informasi terkait pH atau tingkat keasaman pada bagian intisari berikut.
pH adalah ukuran untuk menyatakan tingkat keasaman dalam suatu larutan. Pada kasus ini air rawa adalah larutan. Hal-hal yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut.
Alat ukur untuk menentukan pH pada air rawa adalah pHmeter digital. Cara penulisan pH adalah p ditulis sebagai huruf kecil sedangkan H ditulis sebagai huruf kapital. H singkatan dari ion Hidrogen (H+ ). Ion H adalah atom H yang melepaskan 1 elektron p singkatan dari Bahasa Jerman yaitu potenz yang artinya power atau kekuatan.
Skala pH dari angka 0 hingga 14 pada nilai Kair = 10–14. Skala pH tanpa satuan.
Nilai pH 7 merupakan keadaan netral sehingga pH di bawah 7 adalah kondisi asam sementara pH di atas 7 bersifat basa.
Tingkat keasaman dihitung berdasarkan jumlah ion hidrogen (H+ ) dalam larutan. Dalam hal ini pH mengukur jumlah ion hidrogen dari suatu molekul asam yang larut di dalamnya. Pada kasus ini molekul asam dalam air rawa dianggap asam humat yang diberi notasi umum misalnya HA. Asam humat melarutkan ion hidrogen (H+ ) ke dalam air rawa.
Jumlah ion hidrogen dinyatakan dalam satuan M (molar). Molar merupakan konsentrasi larutan yang menyatakan jumlah mol zat yang terlarut dalam 1 liter larutan. Dalam hal ini larutan adalah air rawa. Sedangkan asam humat adalah zat yang terlarut dalam air rawa tersebut.
Untuk memudahkan penulisan maka tingkat keasaman dinyatakan dalam bentuk logaritma basis 10 dengan persamaan berikut.
Nah sekarang Kalian bekerja dalam kelompok untuk mendiskusikan penyelesaian kasus kondisi tanah rawa sebagai berikut.
Air rawa bersifat asam. Sifat asam disebabkan oleh molekul asam yaitu asam humat (HA). Salah satu gugus aktif dalam asam humat adalah asam karboksilat. Asam humat memiliki struktur molekul kompleks dengan massa molekul relatif tinggi yaitu 17.000. Dalam air rawa asam humat melepaskan ion hidrogennya sehingga ketika diukur pH-nya adalah 2.
Untuk menetralkan asam humat dalam air rawa maka perlu ditambahkan kapur sebab kapur bersifat basa. Diharapkan bahwa setelah penambahan kapur maka pH air rawa menjadi 6. Senyawa CaCO3 adalah kapur yang bereaksi dengan asam humat menurut persamaan reaksi kimia sebagai berikut. Persamaan reaksi ini belum setara.
Analisislah kasus soal berikut.
Jika pH tanah pada lahan rawa pasang surut diketahui sebesar 2 maka untuk menetralkan kondisi asam pada tanah rawa berair berapa kebutuhan kapur untuk lahan seluas 1 hektar dengan kedalaman 1 meter? Untuk menjawab pertanyaan ini hitunglah tiap tahapan berikut:
Ayo Refleksi
Setelah mempelajari bab ini ayo Kalian melakukan refleksi. Kerjakanlah evaluasi diri berupa pertanyaan terbuka berikut. Jawablah dengan jujur dan bertanggung jawab pada buku catatan Kalian.
Setelah mempelajari bab ini apakah Kalian sudah bisa mengidentifikasi ciri, jenis, dan persamaan reaksi kimia yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari? Berikan alasannya.
Setelah mempelajari bab ini apakah Kalian sudah bisa menganalisis konsep Hukum Dasar Kimia beserta uraian perhitungannya? Berikan alasannya.
(a) Bagian apakah yang paling menarik pada bab ini? Deskripsikan jawaban Kalian beserta alasannya.
(b) Kendala apakah yang Kalian jumpai saat mempelajari bab ini? Tuliskan juga alasannya.
Hal-hal apa yang dapat Kalian terapkan dalam kehidupan sehari-hari terkait materi dalam bab ini? Deskripsikan jawaban Kalian.
Ayo Cek Pemahaman
Logam besi murni (Fe) dihasilkan dari pengolahan tambang bijih besi yang mengandung senyawa Fe2O3. Dalam proses pengolahannya dibutuhkan zat reduktor salah satunya adalah gas CO (karbon monoksida). Sebagian besar pabrik menghasilkan gas CO dari pengolahan gas alam. Haruskah selalu bergantung pada gas alam sementara cadangan batubara Indonesia sangat melimpah. Oleh karena itu teknologi pembuatan gas CO beralih ke proses gasifikasi yang ramah lingkungan karena bahan bakunya adalah batubara dengan kandungan sulfurnya tinggi namun tidak meninggalkan zat pencemar. Ingat prinsip kimia hijau.
Seorang ilmuwan melakukan eksperimen pada skala laboratorium. Ia mereaksikan sejumlah padatan karbon (C) yang dibakar dengan 40 gram gas oksigen (O2) lalu menghasilkan 64 gram gas karbon monoksida (CO). Ternyata pada akhir reaksi masih terdapat 14 gram padatan karbon (C).
Jawablah pertanyaan berikut dengan menelaah lebih dahulu tabel tersebut.
1) Tulislah persamaan reaksi kimia setaranya.
2) Uraikan hitungan Kalian untuk mencari berapakah massa mula-mula padatan karbon (C).
3) Hukum dasar kimia apakah yang berlaku untuk kasus soal ini? Jelaskan alasannya.
Pengayaan
Pada bagian ini mari kita meninjau kimia lebih luas yaitu dengan mempelajari potensi dalam air laut karena kandungan zat kimianya. Mengapa laut?
Laut dan Potensinya dalam Ulasan Hukum Dasar Kimia
Air laut menyimpan potensi yang menarik dari aspek kimianya. Apakah itu? Senyawa garam. Garam telah memainkan peran utama dalam sejarah.Produksi garam sudah dilakukan manusia pada sekitar 800 tahun SM. Bangsa Cina telah mengambil garam dari air laut sejak 6000 tahun SM. Tubuh manusia rata-rata mengandung 56 gram garam. Garam bisa berkurang dari tubuh karena dikeluarkan lewat air seni, keringat, dan ekskresi lainnya. Garam adalah bagian dari konsumsi manusia sehari-hari.
Kekurangan garam dapat menyebabkan pusing kepala, kram, kehilangan selera makan, bahkan kematian. Rasa asin adalah sensasi rasa yang paling mendasar. Rasa air laut mengungkapkan rasa asin. Bagaimana air laut menjadi asin? dan mengapa ion klorida adalah ion terbanyak dalam air laut? Interaksi CO2 di atmosfer dan air menghasilkan ion hidronium dan ion bikarbonat menurut persamaan reaksi kimia berikut:
Ion hidronium ini (H3O+ ) bersifat asam sehingga air hujan umumnya juga bersifat asam yang bisa perlahan-lahan melarutkan batuan gamping dan koral menghasilkan ion kalsium dan menambah ion-ion bikarbonat (HCO3 – ) menurut persamaan reaksi kimia berikut:
Bagaimana ion natrium bisa berada dalam air laut? Persamaan reaksi kimia yang terjadi hampir sama dengan larutnya batuan gamping dan koral tersebut. Dalam hal ini batuan mineral albit (NaAlSi3O6) terekstrak oleh air hujan asam kemudian ion-ion natriumnya terbawa ke sungai menuju laut. Sementara itu jumlah rerata ion klorida dari batuan di kerak bumi hanya 0,01%. Jadi hanya sebagian kecil dari ion klorida di lautan yang berasal dari pelapukan batuan dan mineral. Kalau begitu dari manakah ion klorida dalam air laut? Jawabannya adalah dari gunung berapi. Gas HCl adalah komponen utama gas dari gunung berapi.
Berdasarkan sejarah terbentuknya bumi, mula-mula bumi lebih panas dan gunung berapi tersebar di mana-mana. Gas HCl yang diemisikan dari gunung berapi bersifat sangat larut dalam air sehingga mudah berubah fasa menjadi larutan HCl. Sementara ion-ion Na dari batuan yang melapuk adalah sumber garam-garaman di laut. Seandainya Kalian adalah seorang oseanografer yang ingin menentukan kadar ion klorida dalam sampel air laut, bagaimana Kalian dapat melakukan hal ini dan hasil apakah yang akan Kalian peroleh?
Ada banyak cara untuk menganalisis kandungan ion klorida dalam suatu larutan. Salah satu cara yang sudah sejak dulu dilakukan adalah metode Mohr. Larutan yang mengandung ion klorida dititrasi dengan larutan perak nitrat (AgNO3) yang telah diketahui kadarnya. Persamaan reaksi kimia yang terlibat adalah:
AgCl adalah perak klorida yang merupakan endapan putih hasil reaksi antara ion klorida dalam air laut dan larutan perak nitrat. Berdasarkan penjelasan ini maka Kalian bisa membuktikan keberadaan garam dapur dalam sampel air laut atau bahkan sampel larutan lainnya yang diduga mengandung garam NaCl dengan membuat rancangan hitungan sesuai dengan konsep Hukum Dasar Kimia. Ayo lakukan Aktivitas kerja ilmiah berikut.
Diketahui:
- Sampel air laut sebanyak 500 ml.
- Massa jenis air laut pada suhu 20o C adalah 1,02 g/cm3 .
- Kadar garam NaCl dalam air laut tersebut adalah 3,5%.
- Ternyata setelah bereaksi dengan larutan perak nitrat (AgNO3) maka diperoleh cairan yang mengandung endapan putih pada bagian bawah tabung sebanyak 69,70 gram
