Bisakah DNA mengalirkan arus listrik? Beberapa ahli fisika mengklaim bahwa DNA bisa berfungsi sebagai superkonduktor. Namun, beberapa yang lainnya meragukan kemampuan itu. Bahkan, para ahli biologi kabarnya cukup skeptis dengan kemungkinan DNA bisa berfungsi sedemikian rupa.
Hipotesis itu muncul karena molekul pada DNA bisa mentransportasikan elektron melalui beberapa pasang DNA.
Molekul-molekul tersebut bahkan melakukan proses respirasi yang bisa mengontrol perekayasaan gelombang nano.
Para periset dari Universitas California Los Angeles (UCLA) Amerika Serikat, telah meneliti serpihan kuku dari jenazah yang berisi DNA orang yang mati itu, bisa menghantarkan listrik. Tetapi ini semua tergantung pada kelembaban yang ada, juga variasi DNA yang mungkin ada dalam suatu rantai.
Lapisan DNA yang terpolarisasi oleh air, molekulnya bisa membungkus DNA. Hal ini menjadikan materi biologi itu bisa menjadi konduktor untuk menghantarkan listrik.
"DNA memiliki lapisan air yang ada di rantai DNA pada setiap kondisi. Kami memiliki sistem untuk mengubah lapisan air dan menunjukkan bahwa potensi menghantarkan listrik itu timbul dari molekul air tidak pada elektron DNA," kata ilmuwan George Gruner.
Sebelum hipotesis seperti itu, DNA memang menunjukkan kemampuan menghantarkan listrik dan panas, tetapi tidak secara langsung. Menanggapi hal ini para ilmuwan di UCLA cenderung menyebut kemampuan menghantarkan listrik itu lebih disebabkan karena faktor air.
Air merupakan molekul yang bila dialiri elektron dapat menghantarkan arus listrik. Tetapi air tidak bisa menghantarkan secara bebas dari molekul ke molekul untuk menghasilkan arus listrik langsung.
Jadi, dengan kesimpulan itu menurut ilmuwan Peter Armitage kepada New Scientist, DNA tidak bisa menghantarkan listrik.
Sementara itu, ilmuwan Phuan Ong dari Universitas Princeton New Jersey mengatakan, DNA memang insulator. Hal ini berdasarkan percobaan yang dilakukannya dengan memisahkan air dan garam yang ada pada DNA, kemudian mengikatkannya dengan elektrode.
Sebagian memang masih memperdebatkan kemungkinan DNA bisa berfungsi sebagai konduktor. Pendapat ini sebetulnya sudah muncul sekitar 10 tahun lalu, setelah ilmuwan melihat kenyataan yang mengelilingi rantai ganda DNA adalah air, garam, dan elektrode yang mungkin saja mampu memberikan efek lainnya.
DNA sebagai konduktor ini pernah diyakini karena rhenium atoms yang melapisi molekul DNA. Percobaan menunjukkan, DNA bisa menjadi konduktor hanya dalam waktu yang pendek, tidak dalam waktu yang lama.
Ini bergantung pada molekul yang bersifat konduktor itu yang bergerak antara pasangan DNA. Untuk melakukan percobaan itu, para ilmuwan menggabungkan energi melalui kuantum mekanik yang dikenal dengan sebutan tunnelling.
Kemungkinan DNA sebagai konduktor ini antara lain disimpulkan ahli kimia Bernd Giese dari Universitas Paris Prancis yang mengatakan, DNA adalah materi biologi semi konduktor.
"Jadi, mungkin DNA menghantarkan listrik," ujarnya.
Tampilkan postingan dengan label Kimia Fisika. Tampilkan semua postingan
Tampilkan postingan dengan label Kimia Fisika. Tampilkan semua postingan
Sabtu, 05 April 2008
Jumat, 04 April 2008
Elektrosintesis, Metode Elektrokimia untuk Memproduksi Senyawa Kimia
Selama ini kita hanya mendengar bahwa metode elektrokimia selalu didayagunakan atau berkonotasi dengan kata pemurnian logam dan proses penyepuhan/elektroplating (melindungi logam dari korosi). Ini termasuk juga dengan pandangan penulis dan mungkin rekan-rekan lainnya selama ini. Sebuah pandangan yang tidak sepenuhnya salah karena memang aplikasi utama dari metode elektrokimia adalah untuk pemurnian logam dan elektroplating. Selain itu di laboratorium pun, memang kita paling sering melakukan percobaan elektrokimia terutama percobaan sel elektrolisis, sehingga memang klop rasanya jika kita menyandarkan kata elektrokimia dengan elektroplating dan pemurnian logam.
Sesuai dengan namanya, metode elektrokimia adalah metode yang didasarkan pada reaksi redoks, yakni gabungan dari reaksi reduksi dan oksidasi, yang berlangsung pada elektroda yang sama/berbeda dalam suatu sistim elektrokimia. Sistem elektrokimia meliputi sel elektrokimia dan reaksi elektrokimia. Sel elektrokimia yang menghasilkan listrik karena terjadinya reaksi spontan di dalamnya di sebut sel galvani. Sedangkan sel elektrokimia di mana reaksi tak-spontan terjadi di dalamnya di sebut sel elektrolisis. Peralatan dasar dari sel elektrokimia adalah dua elektroda -umumnya konduktor logam- yang dicelupkan ke dalam elektrolit konduktor ion (yang dapat berupa larutan maupun cairan) dan sumber arus. Karena didasarkan pada reaksi redoks, pereaksi utama yang berperan dalam metode ini adalah elektron yang di pasok dari suatu sumber listrik. Sesuai dengan reaksi yang berlangsung, elektroda dalam suatu sistem elektrokimia dapat dibedakan menjadi katoda, yakni elektroda di mana reaksi reduksi (reaksi katodik) berlangsung dan anoda di mana reaksi oksidasi (reaksi anodik) berlangsung.
Aplikasi metode elektrokimia untuk lingkungan dan laboratorium pada umumnya didasarkan pada proses elektrolisis, yakni terjadinya reaksi kimia dalam suatu sistem elektrokimia akibat pemberian arus listrik dari suatu sumber luar. Proses ini merupakan kebalikan dari proses Galvani, di mana reaksi kimia yang berlangsung dalam suatu sistem elektrokimia dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik, misalnya dalam sel bahan bakar (fuel-cell). Aplikasi lainnya dari metode elektrokimia selain pemurnian logam dan elektroplating adalah elektroanalitik, elektrokoagulasi, elektrokatalis, elektrodialisis dan elektrorefining.
Sedangkan aplikasi lain yang tidak kalah pentingnya dari metode elektrokimia dan sekarang sedang marak dikembangkan oleh para peneliti adalah elektrosintesis. Teknik/metode elektrosintesis adalah suatu cara untuk mensintesis/membuat dan atau memproduksi suatu bahan yang didasarkan pada teknik elektrokimia. Pada metode ini terjadi perubahan unsur/senyawa kimia menjadi senyawa yang sesuai dengan yang diinginkan. Penggunaan metode ini oleh para peneliti dalam mensintesis bahan didasarkan oleh berbagai keuntungan yang ditawarkan seperti peralatan yang diperlukan sangat sederhana, yakni terdiri dari dua/tiga batang elektroda yang dihubungkan dengan sumber arus listrik, potensial elektroda dan rapat arusnya dapat diatur sehingga selektivitas dan kecepatan reaksinya dapat ditempatkan pada batas-batas yang diinginkan melalui pengaturan besarnya potensial listrik serta tingkat polusi sangat rendah dan mudah dikontrol. Dari keuntungan yang ditawarkan menyebabkan teknik elektrosintesis lebih menguntungkan dibandingkan metode sintesis secara konvensional, yang sangat dipengaruhi oleh tekanan, suhu, katalis dan konsentrasi. Selain itu proses elektrosintesis juga dimungkinkan untuk dilakukan pada tekanan atmosfer dan pada suhu antara 100-900oC terutama untuk sintesis senyawa organik, sehingga memungkinkan penggunaan materi yang murah.
Prinsip Elektrosintesis
Prinsip dari metode elektrosintesis didasarkan pada penerapan teori-teori elektrokimia biasa sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Baik teknik elektrosintesis maupun metode sintesis secara konvensional, mempunyai variabel-variabel yang sama seperti suhu, pelarut, pH, konsentrasi reaktan, metode pencampuran dan waktu. Akan tetapi perbedaannya, jika di elektrosintesis mempunyai variabel tambahan yakni variabel listrik dan fisik seperti elektroda, jenis elektrolit, lapisan listrik ganda, materi/jenis elektroda, jenis sel elektrolisis yang digunakan, media elektrolisis dan derajat pengadukan.
Pada dasarnya semua jenis sel elektrolisis termasuk elektrosintesis selalu berlaku hukum Faraday yakni:
Jumlah perubahan kimia yang terjadi dalam sel elektrolisis, sebanding dengan muatan listrik yang dilewatkan di dalam sel tersebut
Jumlah muatan listrik sebanyak 96.500 coulomb akan menyebabkan perubahan suatu senyawa sebanyak 1,0 gramekivalen (grek)
Sebelum melaksanakan elektrosintesis, sangatlah penting untuk memahami reaksi yang terjadi pada elektroda. Di dalam sel elektrolisis akan terjadi perubahan kimia pada daerah sekitar elektroda, karena adanya aliran listrik. Jika tidak terjadi reaksi kimia, maka elektroda hanya akan terpolarisasi, akibat potensial listrik yang diberikan. Reaksi kimia hanya akan terjadi apabila ada perpindahan elektron dari larutan menuju ke elektroda (proses oksidasi), sedangkan pada katoda akan terjadi aliran elektron dari katoda menuju ke larutan (proses reduksi). Proses perpindahan elektron dibedakan atas perpindahan elektron primer, artinya materi pokok bereaksi secara langsung pada permukaan elektroda, sedangkan pada perpindahan elektron secara sekunder, elektron akan bereaksi dengan elektrolit penunjang, sehingga akan dihasilkan suatu reaktan antara (intermediate reactan), yang akan bereaksi lebih lanjut dengan materi pokok di dalam larutan. Reaktan antara ini dapat dihasilkan secara internal maupun eksternal:
Perpindahan elektron secara primer : O + ne → P
Perpindahan elektron secara sekunder : X + ne → I, O + I → P
Perlu diketahui juga dalam mengelektrosintesis terutama sintesis senyawa organik bahwa reaksi pada elektroda dapat saja berubah bila kondisi berubah. Salah satu parameter yang penting untuk memahami reaksi yang terjadi adalah dengan mengetahui potensial elektrolisis untuk reaksi oksidasi dan reduksi
Pengaturan potensial juga amat penting dilakukan terutama bila reaksi melibatkan molekul bergugus fungsi banyak (kompleks polyfunctional molecule). Sebagai contoh reaksi reduksi kromida aromatik pada kondisi katon dan alkil klorida tidak aktif dan alpha-kromoketon yang lebih mudah tereduksi dari pada arilkromida. Reaksi reduksi selektif ini dapat diramalkan berjalan sesuai dengan arah yang diinginkan melalui pengaturan potensial. Pengaturan potensial juga berguna untuk suatu reaksi transformasi pembuatan suatu senyawa organik yang melibatkan iodikal, karbanion ataupun korbonium, yang secara kimia biasa tidak dapat dilakukan ternyata dapat dilaksanakan secara elektrokimia.
Dari berbagai penelitian yang telah dilakukan diketahui bahwa sebenarnya dasar dari terjadinya reaksi elektrosintesis adalah :
Pemutusan ikatan tunggal
Beberapa jenis ikatan tunggal yang elektroaktif antara lain : alkil halida, ikatan karbon-oksigen, ikatan karbon-nitrogen, ikatan karbon-belerang, ikatan karbon-fosfor dan ikatan oksigen-oksigen.
Reduksi Ikatan rangkap (rangkap dua dan rangkap tiga)
Beberapa kelompok ikatan rangkap yang elektroaktif, antara lain gugusan karbonil (aldehida, keton, karboksilat dan turunannya), ikatan ganda karbon nitrogen (Irium, turunan karbonil lainnya), gugus nitro (senyawa nitro aromatik, nitro alifatik), ikatan rangkap lainnya (senyawa azo dan nitrozo, diazo dan diazinum).
Aplikasi Metode Elektrosintesis
Dari beberapa contoh hasil penelitian yang penulis peroleh, metode elektrosintesis telah banyak dimanfaatkan oleh para peneliti dalam mensintesis senyawa organik (elektrosintesis organik) dan elektrosintesis bahan konduktor organik serta yang tak kalah bergengsinya dan sedang dikembangkan saat ini adalah pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat melalui metode elektrosintesis. Aplikasi di luar yang penulis ketahui sebagaimana tersebut di atas mungkin telah sangat jauh berkembang karena memang sifat ilmu pengetahuan yang dinamis dan selalu berkembang seiring waktu.
Untuk sintesis bahan organik, didasarkan pada reaksi penggabungan, substitusi, siklisasi dan reaksi eliminasi yang diikuti pengaturan kembali secara elektrokimia. Ini berbeda dengan metode secara konvensional yang memakai dasar reduksi aldehid, oksidasi alkohol, reduksi senyawa nitro dan oksidasi senyawa sulfur. Kesulitan yang timbul selama elektrosintesis organik yakni apabila zat antara yang diinginkan memiliki kestabilan yang rendah, cara mengatasinya adalah dengan menyediakan zat perangkap (trapping agent) di dalam larutan dengan syarat zat perangkap ini tidak bereaksi dengan zat elektroaktif dan tidak mengalami elektrolisis.
Berikut adalah contoh gambar rangkaian sel elektrolisis dengan menggunakan dua buah elektroda untuk sintesis senyawa organik:
Beberapa contoh dari elektrosintesis organik adalah pembuatan chiral drug untuk industri farmasi (Weinberg, 1997), sintesis p-aminofenol melalui reduksi nitrobenzena secara elektrolisis (Suwarso., et al, 2003), pembuatan soda (NaOH) dan asam sulfat (H2SO4) dari Na2SO4 melalui proses splitting electrochemistry (Genders., et al, 1995), reduksi senyawa Triphenylbiomoethylene menjadi Triphenilethylene dan Triphenylethane (Miller, 1968) serta ratusan senyawa organik lainnya yang telah berhasil dibuat untuk keperluan bahan baku obat (Buchari, 2003). Untuk skala perusahaan/pabrik telah dilakukan oleh Perusahan Monsanto (Kanada) dengan memproduksi adiponitril (bahan dasar nylon 6,6) dan produksi fluorokarbon oleh Perusahaan Philips (Belanda).
Sedangkan metode elektrosintesis bahan konduktor organik telah dilakukan oleh para peneliti di Pusat Penelitian dan Pengembangan Bahan (P3IB) Batan Indonesia yakni polipirol dan polialanin, pembuatan lapisan tipis superkonduktor YBCO-123 dan Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O serta pengkajian pembuatan prekursor superkonduktor YBCO-123.Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Ti-Sr-Ca-Cu-O dan lain-lain yang didasarkan pada elektrodeposisi unsur-unsur penyusun superkonduktor tersebut.
Penanggulangan masalah polutan dalam arti pemisahan polutan dari lingkungan mungkin telah sering kita dengar, tetapi metode atau aspek lain pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat mungkin hal baru bagi sebagian orang (terutama non kimia). Untuk tujuan ini, elektrosintesis merupakan metode yang paling banyak mendapat perhatian dan sedang giat dikembangkan oleh para ahli lingkungan dewasa ini. Polutan yang paling banyak diteliti dalam perspektif elektrosintesis adalah karbondioksida. Karbon dioksida mendapat perhatian khusus karena polutan ini merupakan gas buangan paling banyak yang ditemukan dan dampaknya yang sudah dikenal secara luas terhadap atmosfir bumi, terutama terjadinya efek rumah kaca. Penelitian untuk pemanfaatan karbondioksida yang sedang dilakukan dewasa ini adalah pengubahan polutan ini menjadi metana, yang telah dikenal luas sebagai bahan bakar ramah lingkungan. Meskipun baru dalam tahap pengembangan, hasil percobaan oleh Kaneco., et al (2002) telah menunjukkan tingkat konversi karbon dioksida menjadi metana hingga sekitar 45%. Di samping metana, hasil lain dari elektrosintesis dengan bahan baku karbondioksida yang telah diidentifikasi adalah asetilena dan metanol, yang juga mempunyai nilai ekonomis yang tinggi. Meskipun jumlah polutan yang diteliti masih terbatas, hasil yang dicapai dengan elektrosintesis ini mempunyai makna lain, yakni tidak tertutup kemungkinan bahwa polutan lain baik yang terdapat dalam limbah cair, padat dan gas untuk dapat dimanfaatkan menjadi senyawa yang bermanfaat dengan penggunaan metode yang sama.
Hasil-hasil penelitian tentang aplikasi teknik/metode elektrosintesis seperti disajikan dalam tulisan ini hanya sebagian kecil dari penelitian yang telah dilakukan di berbagai negara termasuk Indonesia. Cakupan aplikasi yang sangat luas merupakan keuntungan yang membuat elektrosintesis oleh para peneliti dianggap sebagai salah satu teknologi masa depan bagi sintesis organik dan penanggulangan permasalahan lingkungan yang berkaitan dengan polutan. Dalam konteks ini yang dimaksud dengan para peneliti, tidak hanya dosen ataupun peneliti di institusi penelitian yang telah memiliki gelar S.Si, MSc, Dr, Ph.D ataupun Profesor tetapi juga para mahasiswa yang belum bergelar yang tertarik menjadikan elektrosintesis sebagai bahan skripsi ataupun studi riset biasa semisal untuk bahan karya tulis.
Kamis, 03 April 2008
Air, Si Molekul Ajaib
Air, yang merupakan sebuah zat cair istimewa untuk kehidupan, menutupi dua pertiga dari permukaan bumi. Tubuh setiap makhluk hidup di bumi terbentuk dari cairan yang sangat istimewa ini dengan perbandingan antara 50% - 95%. Dari bakteri yang hidup di sumber air panas dengan suhu yang mendekati titik didih air, sampai beberapa jenis lumut yang tumbuh pada gletser, kehidupan ada di setiap tempat dimana terdapat air, tanpa memandang suhu. Bahkan pada setetes air yang tergantung di ujung sebuah daun setelah hujan, ribuan mikroorganisme hidup muncul, bereproduksi, dan mati.
Tapi tahukah anda bahwa ternyata molekul air, yang merupakan dasar kehidupan di bumi, sangat sulit terbentuk. Pertama-tama, mari kita membayangkan molekul hidrogen dan oksigen, yang merupakan komponen air, dimasukkan ke dalam sebuah wadah kaca. Selanjutnya kita biarkan keduanya berada di wadah tersebut dalam jangka waktu yang sangat lama. Dalam waktu selama itu mungkin gas-gas ini belum membentuk air bahkan jika keduanya tetap berada dalam wadah tersebut selama ratusan tahun. Kalaupun terbentuk air, tidak akan lebih dari segelintir pada dasar wadah dan itupun akan terjadi dengan sangat lambat, bisa sampai ribuan tahun.
Penyebab mengapa air sangat lambat terbentuk pada kondisi-kondisi ini adalah suhu. Pada suhu kamar, oksigen dan air bereaksi sangat lambat.
Dalam keadaan bebas, oksigen dan hidrogen ditemukan sebagai molekul H2 dan O2. Untuk bergabung membentuk molekul air, keduanya harus bertubrukan. Sebagai hasil dari tubrukan ini, ikatan-ikatan yang membentuk molekul hidrogen dan oksigen melemah, sehingga tidak ada lagi penghalang untuk bergabungnya atom oksigen dan hidrogen. Suhu akan meningkatkan energi begitu juga kecepatan molekul-molekul ini, sehingga jumlah tubrukan yang terjadi meningkat. Akibatnya, reaksi yang terjadi dipercepat. Akan tetapi, sekarang ini, tidak ada lagi suhu yang cukup tinggi untuk membentuk air di bumi. Panas yang diperlukan untuk pembentukan air disuplai selama terbentuknya bumi ini, yang mana menghasilkan munculnya banyak air sebanyak yang menutupi tiga perempat permukaan bumi. Saat ini, air menguap dan naik ke atomosfir dimana kemudian dia menjadi dingin dan kembali ke bumi dalam bentuk hujan. Olehnya itu, jumlah air tidak bertambah tapi hanya mengalami siklus yang terus menerus.
Sifat-sifat air yang menakjubkan
Air memiliki banyak sifat kimiawi yang unik. Setiap molekul air terbentuk oleh kombinasi antara atom hidrogen dan oksigen. Cukup menarik bahwa kedua gas ini, satu mudah membakar dan yang lainnya mudah terbakar, bergabung membentuk sebuah cairan, dan lebih menariknya, cairan itu adalah air.
Sekarang, mari kita lihat secara ringkas bagaimana air terbentuk secara kimiawi. Muatan listrik air adalah nol, yakni bermuatan netral. Sekalipun begitu, karena ukuran atom oksigen dan hidrogen, komponen oksigen dari molekul air memiliki muatan yang sedikit negatif dan komponen hidrogennya sedikit bermuatan positif. Jika ada lebih dari satu molekul air yang bergabung, muatan positif dan negatif tersebut akan tarik-menarik membentuk sebuah ikatan yang sangat istimewa, yaitu "ikatan hidrogen". katan hidrogen merupakan sebuah ikatan yang sangat lemah dan memiliki masa yang sangat singkat. Durasi sebuah ikatan hidrogen adalah sekitar seper seratus milyar detik. Tetapi begitu sebuah ikatan putus, ikatan yang lainnya langsung terbentuk. Karenanya, molekul-molekul air saling menempel dengan rapat meskipun juga tetap mempertahankan bentuk cairnya karena molekul-molekulnya disatukan oleh sebuah ikatan lemah.
Ikatan hidrogen juga memungkinkan air untuk melawan perubahan suhu. Walaupun suhu udara meningkat secara tiba-tiba, suhu air hanya meningkat perlahan, dan demikian juga, jika suhu udara turun secara tiba-tiba, suhu air berkurang secara perlahan. Diperlukan perubahan suhu yang besar agar perubahan suhu air berlangsung cepat. Energi termal air yang sangat tinggi memiliki manfaat besar bagi kehidupan. Sebagai contoh sederhana, terdapat banyak air dalam tubuh kita. Jika air beradaptasi dengan perubahan suhu yang terjadi secara tiba-tiba di udara dengan laju perubahan yang sama, maka kita akan mengalami panas demam atau membeku secara tiba-tiba.
Begitu juga, air memerlukan energi termal yang sangat besar untuk menguap. Karena begitu banyak energi termal yang digunakan saat menguap, suhunya menurun. Sebagai contoh, lagi-lagi dari tubuh manusia, suhu normal tubuh adalah 36°C dan suhu tubuh tertinggi yang bisa ditolerir adalah 42°C. Selisih 6°C ini tentu sangat kecil dan bahkan beraktivitas beberapa jam saja di bawah sinar matahari bisa meningkatkan suhu tubuh sebesar itu. Sekalipun begitu, tubuh kita menghabiskan banyak energi termal melalui keringat, yakni, dengan menyebabkan air yang dikandungnya menguap, yang selanjutnya menyebabkan suhu tubuh menurun. Jika tubuh kita tidak memiliki mekanisme otomatis seperti ini, maka beraktivitas di bawah sinar matahari beberapa jam saja dapat berakibat fatal.
Ikatan hidrogen juga melengkapi air dengan sifat luar biasa lainnya, yaitu air lebih kental dalam wujud cair dibanding dalam wujud padat. Sebenarnya, hampir semua zat di bumi ini lebih kental dalam wujud padat dibanding dalam wujud cairnya. Akan tetapi, berbeda dengan zat-zat yang lain, air mengembang saat membeku. Ini karena ikatan hidrogen mencegah molekul-molekul air untuk berikatan satu sama lain dengan sangat rapat, sehingga banyak celah yang tersisa diantara molekul-molekul tersebut. Ikatan hidrogen terputus apabila air berada dalam wujud cair, sehingga menyebabkan atom-atom oksigen lebih berdekatan satu sama lain dan membentuk sebuah struktur yang lebih kental.
Ini juga yang menyebabkan es lebih ringan dari air. Umumnya, jika anda melelehkan logam manapun dan ke dalam lelehan tersebut dimasukkan beberapa lempeng logam yang sama, maka lempeng-lempeng ini akan tenggelam langsung ke dasar. Akan tetapi, pada air hal yang terjadi berbeda. Gunung es yang beratnya ribuan ton akan terapung di atas air seperti gabus. Manfaat apa yang diberikan oleh sifat air yang unik ini?
Mari kita menjawab pertanyaan ini dengan mengambil contoh sebuah sungai: Jika cuaca sangat dingin, air sungai tidak akan membeku seluruhnya, tapi hanya permukaannya saja yang membeku. Air mencapai wujud terberatnya pada suhu +4°C, dan segera setelah mencapai suhu ini, dia akan tenggelam ke dasar. Es terbentuk pada permukaan air sebagai sebuah lapisan. Di bawah lapisan ini, air masih terus mengalir, dan karena +4°C adalah suhu dimana organisme hidup bisa bertahan, maka kehidupan dalam air terus berlanjut.
Sifat khusus air yang sangat menarik
Kita semua tahu bahwa air mendidih pada suhu 100°C dan membeku pada suhu 0°C. Tetapi sebenarnya, pada kondisi normal, air seharusnya mendidih pada suhu +180°C bukan pada suhu 100°C. Mengapa?
Dalam tabel periodik, sifat-sifat dari unsur-unsur yang terdapat di dalam golongan yang sama bervariasi secara progresif dari unsur yang ringan sampai unsur yang berat. Fakta ini dapat dilihat dengan jelas pada senyawa-senyawa hidrogen. Senyawa dari unsur-unsur yang segolongan dengan oksigen dalam tabel periodik disebut sebagai "hidrida". Jadi air (H2O) adalah "oksigen hidrida". Hidrida dari unsur-unsur lain dalam golongan ini memiliki struktur molekul yang sama seperti molekul air.
Titik didih senyawa-senyawa ini berbeda-beda dan semakin meningkat dari unsur belerang ke unsur yang lebih berat; akan tetapi, titik didih air tidak mengikuti pola ini. Air (oksigen hidrida) mendidih pada suhu yang 80°C lebih rendah dari yang seharusnya. Situasi yang mengherankan lainnya juga terjadi pada titih beku air. Lagi-lagi, menurut orde dalam sistem periodik, air seharusnya membeku pada suhu -100°C. Akan tetapi, air tidak memenuhi kaidah ini dan membeku pada suhu 0°C, sebuah suhu yang 100°C lebih tinggi dari titik beku seharusnya. Hal ini tentu menimbulkan pertanyaan dalam benak kita seperti mengapa bukan hidrida lain, tapi hanya air (oksigen hidrida) yang tidak memenuhi kaidah dari sistem periodik ini?
Tapi tahukah anda bahwa ternyata molekul air, yang merupakan dasar kehidupan di bumi, sangat sulit terbentuk. Pertama-tama, mari kita membayangkan molekul hidrogen dan oksigen, yang merupakan komponen air, dimasukkan ke dalam sebuah wadah kaca. Selanjutnya kita biarkan keduanya berada di wadah tersebut dalam jangka waktu yang sangat lama. Dalam waktu selama itu mungkin gas-gas ini belum membentuk air bahkan jika keduanya tetap berada dalam wadah tersebut selama ratusan tahun. Kalaupun terbentuk air, tidak akan lebih dari segelintir pada dasar wadah dan itupun akan terjadi dengan sangat lambat, bisa sampai ribuan tahun.
Penyebab mengapa air sangat lambat terbentuk pada kondisi-kondisi ini adalah suhu. Pada suhu kamar, oksigen dan air bereaksi sangat lambat.
Dalam keadaan bebas, oksigen dan hidrogen ditemukan sebagai molekul H2 dan O2. Untuk bergabung membentuk molekul air, keduanya harus bertubrukan. Sebagai hasil dari tubrukan ini, ikatan-ikatan yang membentuk molekul hidrogen dan oksigen melemah, sehingga tidak ada lagi penghalang untuk bergabungnya atom oksigen dan hidrogen. Suhu akan meningkatkan energi begitu juga kecepatan molekul-molekul ini, sehingga jumlah tubrukan yang terjadi meningkat. Akibatnya, reaksi yang terjadi dipercepat. Akan tetapi, sekarang ini, tidak ada lagi suhu yang cukup tinggi untuk membentuk air di bumi. Panas yang diperlukan untuk pembentukan air disuplai selama terbentuknya bumi ini, yang mana menghasilkan munculnya banyak air sebanyak yang menutupi tiga perempat permukaan bumi. Saat ini, air menguap dan naik ke atomosfir dimana kemudian dia menjadi dingin dan kembali ke bumi dalam bentuk hujan. Olehnya itu, jumlah air tidak bertambah tapi hanya mengalami siklus yang terus menerus.
Sifat-sifat air yang menakjubkan
Air memiliki banyak sifat kimiawi yang unik. Setiap molekul air terbentuk oleh kombinasi antara atom hidrogen dan oksigen. Cukup menarik bahwa kedua gas ini, satu mudah membakar dan yang lainnya mudah terbakar, bergabung membentuk sebuah cairan, dan lebih menariknya, cairan itu adalah air.
Sekarang, mari kita lihat secara ringkas bagaimana air terbentuk secara kimiawi. Muatan listrik air adalah nol, yakni bermuatan netral. Sekalipun begitu, karena ukuran atom oksigen dan hidrogen, komponen oksigen dari molekul air memiliki muatan yang sedikit negatif dan komponen hidrogennya sedikit bermuatan positif. Jika ada lebih dari satu molekul air yang bergabung, muatan positif dan negatif tersebut akan tarik-menarik membentuk sebuah ikatan yang sangat istimewa, yaitu "ikatan hidrogen". katan hidrogen merupakan sebuah ikatan yang sangat lemah dan memiliki masa yang sangat singkat. Durasi sebuah ikatan hidrogen adalah sekitar seper seratus milyar detik. Tetapi begitu sebuah ikatan putus, ikatan yang lainnya langsung terbentuk. Karenanya, molekul-molekul air saling menempel dengan rapat meskipun juga tetap mempertahankan bentuk cairnya karena molekul-molekulnya disatukan oleh sebuah ikatan lemah.
Ikatan hidrogen juga memungkinkan air untuk melawan perubahan suhu. Walaupun suhu udara meningkat secara tiba-tiba, suhu air hanya meningkat perlahan, dan demikian juga, jika suhu udara turun secara tiba-tiba, suhu air berkurang secara perlahan. Diperlukan perubahan suhu yang besar agar perubahan suhu air berlangsung cepat. Energi termal air yang sangat tinggi memiliki manfaat besar bagi kehidupan. Sebagai contoh sederhana, terdapat banyak air dalam tubuh kita. Jika air beradaptasi dengan perubahan suhu yang terjadi secara tiba-tiba di udara dengan laju perubahan yang sama, maka kita akan mengalami panas demam atau membeku secara tiba-tiba.
Begitu juga, air memerlukan energi termal yang sangat besar untuk menguap. Karena begitu banyak energi termal yang digunakan saat menguap, suhunya menurun. Sebagai contoh, lagi-lagi dari tubuh manusia, suhu normal tubuh adalah 36°C dan suhu tubuh tertinggi yang bisa ditolerir adalah 42°C. Selisih 6°C ini tentu sangat kecil dan bahkan beraktivitas beberapa jam saja di bawah sinar matahari bisa meningkatkan suhu tubuh sebesar itu. Sekalipun begitu, tubuh kita menghabiskan banyak energi termal melalui keringat, yakni, dengan menyebabkan air yang dikandungnya menguap, yang selanjutnya menyebabkan suhu tubuh menurun. Jika tubuh kita tidak memiliki mekanisme otomatis seperti ini, maka beraktivitas di bawah sinar matahari beberapa jam saja dapat berakibat fatal.
Ikatan hidrogen juga melengkapi air dengan sifat luar biasa lainnya, yaitu air lebih kental dalam wujud cair dibanding dalam wujud padat. Sebenarnya, hampir semua zat di bumi ini lebih kental dalam wujud padat dibanding dalam wujud cairnya. Akan tetapi, berbeda dengan zat-zat yang lain, air mengembang saat membeku. Ini karena ikatan hidrogen mencegah molekul-molekul air untuk berikatan satu sama lain dengan sangat rapat, sehingga banyak celah yang tersisa diantara molekul-molekul tersebut. Ikatan hidrogen terputus apabila air berada dalam wujud cair, sehingga menyebabkan atom-atom oksigen lebih berdekatan satu sama lain dan membentuk sebuah struktur yang lebih kental.
Ini juga yang menyebabkan es lebih ringan dari air. Umumnya, jika anda melelehkan logam manapun dan ke dalam lelehan tersebut dimasukkan beberapa lempeng logam yang sama, maka lempeng-lempeng ini akan tenggelam langsung ke dasar. Akan tetapi, pada air hal yang terjadi berbeda. Gunung es yang beratnya ribuan ton akan terapung di atas air seperti gabus. Manfaat apa yang diberikan oleh sifat air yang unik ini?
Mari kita menjawab pertanyaan ini dengan mengambil contoh sebuah sungai: Jika cuaca sangat dingin, air sungai tidak akan membeku seluruhnya, tapi hanya permukaannya saja yang membeku. Air mencapai wujud terberatnya pada suhu +4°C, dan segera setelah mencapai suhu ini, dia akan tenggelam ke dasar. Es terbentuk pada permukaan air sebagai sebuah lapisan. Di bawah lapisan ini, air masih terus mengalir, dan karena +4°C adalah suhu dimana organisme hidup bisa bertahan, maka kehidupan dalam air terus berlanjut.
Sifat khusus air yang sangat menarik
Kita semua tahu bahwa air mendidih pada suhu 100°C dan membeku pada suhu 0°C. Tetapi sebenarnya, pada kondisi normal, air seharusnya mendidih pada suhu +180°C bukan pada suhu 100°C. Mengapa?
Dalam tabel periodik, sifat-sifat dari unsur-unsur yang terdapat di dalam golongan yang sama bervariasi secara progresif dari unsur yang ringan sampai unsur yang berat. Fakta ini dapat dilihat dengan jelas pada senyawa-senyawa hidrogen. Senyawa dari unsur-unsur yang segolongan dengan oksigen dalam tabel periodik disebut sebagai "hidrida". Jadi air (H2O) adalah "oksigen hidrida". Hidrida dari unsur-unsur lain dalam golongan ini memiliki struktur molekul yang sama seperti molekul air.
Titik didih senyawa-senyawa ini berbeda-beda dan semakin meningkat dari unsur belerang ke unsur yang lebih berat; akan tetapi, titik didih air tidak mengikuti pola ini. Air (oksigen hidrida) mendidih pada suhu yang 80°C lebih rendah dari yang seharusnya. Situasi yang mengherankan lainnya juga terjadi pada titih beku air. Lagi-lagi, menurut orde dalam sistem periodik, air seharusnya membeku pada suhu -100°C. Akan tetapi, air tidak memenuhi kaidah ini dan membeku pada suhu 0°C, sebuah suhu yang 100°C lebih tinggi dari titik beku seharusnya. Hal ini tentu menimbulkan pertanyaan dalam benak kita seperti mengapa bukan hidrida lain, tapi hanya air (oksigen hidrida) yang tidak memenuhi kaidah dari sistem periodik ini?
Senin, 31 Maret 2008
Teori Tumbukan pada Laju Reaksi
Reaksi yang hanya melibatkan satu partikel mekanismenya sederhana dan kita tidak perlu memikirkan tentang orientasi dari tumbukan. Reaksi yang melibatkan tumbukan antara dua atau lebih partikel akan membuat mekanisme reaksi menjadi lebih rumit.
1. Reaksi yang melibatkan tumbukan antara dua partikel
Sudah merupakan suatu yang tak pelak lagi jika keadaan yang melibatkan dua partikel dapat bereaksi jika mereka melakukan kontak satu dengan yang lain. Mereka pertama harus bertumbukan, dan lalu memungkinkan terjadinya reaksi.
Kenapa "memungkinkan terjadinya reaksi"? Kedua partikel tersebut harus bertumbukan dengan mekanisme yang tepat, dan mereka harus bertumbukan dengan energi yang cukup untuk memutuskan ikatan-ikatan.
2. Orientasi dari tumbukan
Pertimbangkan suatu reaksi sederhana yang melibatkan tumbukan antara dua molekul etena CH2=CH2 dan hidrogen klor, HCl sebagai contoh. Keduanya bereaksi untuk menghasilkan kloroetan.
Sebagai hasil dari tumbukan antara dua molekul, ikatan rangkap diantara dua karbon berubah menjadi ikatan tunggal. Satu hidrogen atom berikatan dengan satu karbon dan atom klor berikatan dengan satu karbon lainnya.
Reaksi hanya dapat terjadi bila hidrogen yang merupakan ujung dari ikatan H-Cl mendekati ikatan rangkap karbon-karbon.Tumbukan selain daripada itu tidak bekerja dikarenakan kedua molekul tersebut akan saling bertolak.
Tumbukan-tumbukan(collisions) yang ditunjukkan di diagram, hanya tumbukan 1 yang memungkinkan terjadinya reaksi.
Jika Anda belum membaca halaman tentang mekanisme reaksi, mungkin Anda bertanya-tanya mengapa tumbukan 2 tidak bekerja dengan baik. Ikatan rangka dikelilingi oleh konsentrasi negatifitas yang tinggi sebagai akibat elektron-elektron yang berada di ikatan tersebut. Pendekatan atom klor yang memiliki negatifitas lebih tinggi ke ikatan rangkap menyebabkan tolakan karena kedua-duanya memiliki negatifitas yang tinggi.
Di dalam tumbukan yang melibatkan partikel-partikel yang tidak simetris, Anda dapat menduga mekanisme melalui bagaimana cara mereka bertumbukan untuk menentukan dapat atau tidaknya suatu reaksi terjadi.
3. Energi tumbukan
Aktivasi Energi
Walaupun partikel-partikel itu berorientasi dengan baik, Anda tidak akan mendapatkan reaksi jika partikel-partikel tersebut tidak dapat bertumbukan melampui energi minimum yang disebut dengan aktivasi energi reaksi.
Aktivasi energi adalah energi minimum yang diperlukan untuk melangsungkan terjadinya suatu reaksi. Contoh yang sederhana adalah reaksi exotermal yang digambarkan seperti di bawah ini:
Jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang lebih rendah dari energi aktivasi, tidak akan terjadi reaksi. Mereka akan kembali ke keadaan semula. Anda dapat membayangkan energi aktivasi sebagai tembok dari reaksi. Hanya tumbukan yang memiliki energi sama atau lebih besar dari aktivasi energi yang dapat menghasilkan terjadinya reaksi.
Di dalam reaksi kimia, ikatan-ikatan diceraikan (membutuhkan energi) dan membentuk ikatan-ikatan baru (melepaskan energi). Umumnya, ikatan-ikatan harus diceraikan sebelum yang baru terbentuk. Energi aktivasi dilibatkan dalam menceraikan beberapa dari ikatan-ikatan tersebut.
Ketika tumbukan-tumbukan tersebut relatif lemah, dan tidak cukup energi untuk memulai proses penceraian ikatan. mengakibatkan partikel-partikel tersebut tidak bereaksi.
Distribusi Maxwell-Boltzmann
Karena energi aktivasi memegang peranan penting dalam menentukan suatu tumbukan menghasilkan reaksi, hal ini sangat berguna untuk menentukan bagaimana macam bagian partikel berada untuk mendapatkan energi yang cukup ketika mereka bertumbukan.
Di dalam berbagai sistem, keberadaan partikel-partikel akan memiliki berbagai variasi besar energi. Untuk gas, dapat diperlihatkan melalui diagram yang disebut dengan Distrubis Maxwell-Boltzmann dimana setiap kumpulan beberapa partikel memiliki energinya masing-masing.
Luas dibawah kurva merupakan ukuran banyaknya partikel berada.
Distribusi Maxwell-Boltzmann dan energi aktivasi
Ingat bahwa ketika reaksi berlangsung, partikel-partikel harus bertumbukan guna memperoleh energi yang sama atau lebih besar daripada aktivasi energi untuk melangsungkan reaksi. Kita dapat mengetahui dimana energi aktivatisi berlangsung dari distribusi Mazwell-Boltzmann.
Perhatikan bahwa sebagian besar dari partikel-partikel tidak memiliki energi yang cukup untuk bereaksi ketika mereka bertumbukan. Untuk membuat mereka bereaksi kita dapat mengubah bentuk dari kurva atau memindahkan aktivasi energi lebih ke kanan.Hal ini akan dijelaskan lebih lanjut di halaman-halaman berikutnya.
1. Reaksi yang melibatkan tumbukan antara dua partikel
Sudah merupakan suatu yang tak pelak lagi jika keadaan yang melibatkan dua partikel dapat bereaksi jika mereka melakukan kontak satu dengan yang lain. Mereka pertama harus bertumbukan, dan lalu memungkinkan terjadinya reaksi.
Kenapa "memungkinkan terjadinya reaksi"? Kedua partikel tersebut harus bertumbukan dengan mekanisme yang tepat, dan mereka harus bertumbukan dengan energi yang cukup untuk memutuskan ikatan-ikatan.
2. Orientasi dari tumbukan
Pertimbangkan suatu reaksi sederhana yang melibatkan tumbukan antara dua molekul etena CH2=CH2 dan hidrogen klor, HCl sebagai contoh. Keduanya bereaksi untuk menghasilkan kloroetan.
Sebagai hasil dari tumbukan antara dua molekul, ikatan rangkap diantara dua karbon berubah menjadi ikatan tunggal. Satu hidrogen atom berikatan dengan satu karbon dan atom klor berikatan dengan satu karbon lainnya.
Reaksi hanya dapat terjadi bila hidrogen yang merupakan ujung dari ikatan H-Cl mendekati ikatan rangkap karbon-karbon.Tumbukan selain daripada itu tidak bekerja dikarenakan kedua molekul tersebut akan saling bertolak.
Tumbukan-tumbukan(collisions) yang ditunjukkan di diagram, hanya tumbukan 1 yang memungkinkan terjadinya reaksi.
Jika Anda belum membaca halaman tentang mekanisme reaksi, mungkin Anda bertanya-tanya mengapa tumbukan 2 tidak bekerja dengan baik. Ikatan rangka dikelilingi oleh konsentrasi negatifitas yang tinggi sebagai akibat elektron-elektron yang berada di ikatan tersebut. Pendekatan atom klor yang memiliki negatifitas lebih tinggi ke ikatan rangkap menyebabkan tolakan karena kedua-duanya memiliki negatifitas yang tinggi.
Di dalam tumbukan yang melibatkan partikel-partikel yang tidak simetris, Anda dapat menduga mekanisme melalui bagaimana cara mereka bertumbukan untuk menentukan dapat atau tidaknya suatu reaksi terjadi.
3. Energi tumbukan
Aktivasi Energi
Walaupun partikel-partikel itu berorientasi dengan baik, Anda tidak akan mendapatkan reaksi jika partikel-partikel tersebut tidak dapat bertumbukan melampui energi minimum yang disebut dengan aktivasi energi reaksi.
Aktivasi energi adalah energi minimum yang diperlukan untuk melangsungkan terjadinya suatu reaksi. Contoh yang sederhana adalah reaksi exotermal yang digambarkan seperti di bawah ini:
Jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang lebih rendah dari energi aktivasi, tidak akan terjadi reaksi. Mereka akan kembali ke keadaan semula. Anda dapat membayangkan energi aktivasi sebagai tembok dari reaksi. Hanya tumbukan yang memiliki energi sama atau lebih besar dari aktivasi energi yang dapat menghasilkan terjadinya reaksi.
Di dalam reaksi kimia, ikatan-ikatan diceraikan (membutuhkan energi) dan membentuk ikatan-ikatan baru (melepaskan energi). Umumnya, ikatan-ikatan harus diceraikan sebelum yang baru terbentuk. Energi aktivasi dilibatkan dalam menceraikan beberapa dari ikatan-ikatan tersebut.
Ketika tumbukan-tumbukan tersebut relatif lemah, dan tidak cukup energi untuk memulai proses penceraian ikatan. mengakibatkan partikel-partikel tersebut tidak bereaksi.
Distribusi Maxwell-Boltzmann
Karena energi aktivasi memegang peranan penting dalam menentukan suatu tumbukan menghasilkan reaksi, hal ini sangat berguna untuk menentukan bagaimana macam bagian partikel berada untuk mendapatkan energi yang cukup ketika mereka bertumbukan.
Di dalam berbagai sistem, keberadaan partikel-partikel akan memiliki berbagai variasi besar energi. Untuk gas, dapat diperlihatkan melalui diagram yang disebut dengan Distrubis Maxwell-Boltzmann dimana setiap kumpulan beberapa partikel memiliki energinya masing-masing.
Luas dibawah kurva merupakan ukuran banyaknya partikel berada.
Distribusi Maxwell-Boltzmann dan energi aktivasi
Ingat bahwa ketika reaksi berlangsung, partikel-partikel harus bertumbukan guna memperoleh energi yang sama atau lebih besar daripada aktivasi energi untuk melangsungkan reaksi. Kita dapat mengetahui dimana energi aktivatisi berlangsung dari distribusi Mazwell-Boltzmann.
Perhatikan bahwa sebagian besar dari partikel-partikel tidak memiliki energi yang cukup untuk bereaksi ketika mereka bertumbukan. Untuk membuat mereka bereaksi kita dapat mengubah bentuk dari kurva atau memindahkan aktivasi energi lebih ke kanan.Hal ini akan dijelaskan lebih lanjut di halaman-halaman berikutnya.
Langganan:
Postingan (Atom)