Tidak ada cara unik untuk memisahkan campuran menjadi komponennya. Satu-satunya cara adalah menggunakan perbedaan sifat kimia dan fisika masing-masing komponen. Titik kritisnya Anda dapat menggunakan perbedaan sifat yang sangat kecil.

a. Filtrasi

Filtrasi, yakni proses penyingkiran padatan dari cairan, adalah metoda pemurnian cairan dan larutan yang paling mendasar. Filtrasi tidak hanya digunakan dalam skala kecil di laboratorium tetapi juga di skala besar di unit pemurnian air. Kertas saring dan saringan digunakan untuk menyingkirkan padatan dari cairan atau larutan. Dengan mengatur ukuran mesh, ukuran partikel yang disingkirkan dapat dipilih.

Biasanya filtrasi alami yang digunakan. Misalnya, sampel yang akan disaring dituangkan ke corong yang di dasarnya ditaruh kertas saring. Fraksi cairan melewati kertas saring dan padatan yang tinggal di atas kertas saring. Bila sampel cairan terlalu kental, filtrasi dengan penghisapan digunakan. Alat khusus untuk mempercepat filtrasi dengan memvakumkan penampung filtrat juga digunakan.

Filtrasi dengan penghisapan tidak cocok bila cairannya adalah pelarut organik mudah menguap. Dalam kasus ini tekanan harus diberikan pada permukaan cairan atau larutan (filtrasi dengan tekanan).

b. Adsorpsi

Tidak mudah menyingkirkan partikel yang sangat sedikit dengan filtrasi sebab partikel semacam ini akan cenderung menyumbat penyaringnya. Dalam kasus semacam ini direkomendasikan penggunaan penyaring yang secara selektif mengadsorbsi sejumlah kecil pengotor. Bantuan penyaring apapun akan bisa digunakan bila saringannya berpori, hidrofob atau solvofob dan memiliki kisi yang kaku. Celit, keramik diatom dan tanah liat teraktivasi sering digunakan. Karbon teraktivasi memiliki luas permukaan yang besar dan dapat mengadsorbsi banyak senyawa organik dan sering digunakan untuk menyingkirkan zat yang berbau (dalam banyak kasus senyawa organik) dari udara atau air. Silika gel dapat mengadsorbsi air dan digunakan meluas sebagai desikan.

Lapisan-lapisan penyaring dalam unit pengolah air terdiri atas lapisan-lapisan material. Lapisan penyaring yang mirip untuk penggunaan domestik sekarang dapat diperoleh secara komersial.

c. Rekristalisasi

Sebagai metoda pemurnian padatan, rekristalisasi memiliki sejarah yang panjang seperti distilasi. Walaupun beberapa metoda yang lebih rumit telah dikenalkan, rekristalisasi adalah metoda yang paling penting untuk pemurnian sebab kemudahannya (tidak perlu alat khusus) dan karena keefektifannya. Ke depannya rekristalisasi akan tetap metoda standar untuk memurnikan padatan.

Metoda ini sederhana, material padayan ini terlarut dalam pelarut yang cocok pada suhu tinggi (pada atau dekat titik didih pelarutnya) untuk mendapatkan larutan jenuh atau dekat jenuh. Ketika larutan panas pelahan didinginkan, kristal akan mengendap karena kelarutan padatan biasanya menurun bila suhu diturunkan. Diharapkan bahwa pengotor tidak akan mengkristal karena konsentrasinya dalam larutan tidak terlalu tinggi untuk mencapai jenuh.

Walaupun rekristalisasi adalah metoda yang sangat sederhana, dalam praktek, bukan berarti mudah dilakukan. Saran-saran yang bermanfaat diberikan di bawah ini.

Saran untuk membantu rekristalisasi:

1.    Kelarutan material yang akan dimurnikan harus memiliki ketergantungan yang besar pada suhu. Misalnya, kebergantungan pada suhu NaCl hampir dapat diabaikan. Jadi pemurnian NaCl dengan rekristalisasi tidak dapat dilakukan.

2.    Kristal tidak harus mengendap dari larutan jenuh dengan pendinginan karena mungkin terbentuk super jenuh. Dalam kasus semacam ini penambahan kristal bibit, mungkin akan efektif. Bila tidak ada kristal bibit, menggaruk dinding mungkin akan berguna.

3.    Untuk mencegah reaksi kimia antara pelarut dan zat terlarut, penggunaan pelarut non-polar lebih disarankan. Namun, pelarut non polar cenderung merupakan pelarut yang buruk untuk senyawa polar. Kit a harus hati-hati bila kita menggunakan pelarut polar. Bahkan bila tidak reaksi antara pelarut dan zat terlarut, pembentukan kompleks antara pelarut-zat terlarut.

4.    Umumnya, pelarut dengan titik didih rendah umumnya lebih diinginkan. Namun, sekali lagi pelarut dengan titik didih lebih rendah biasanya non polar. Jadi, pemilihan pelarut biasanya bukan masalah sederhana.

d. Distilasi

Distilasi adalah seni memisahkan dan pemurnian dengan menggunakan perbedaan titik didih. Distilasi memiliki sejarah yang panjang dan asal distilasi dapat ditemukan di zaman kuno untuk mendapatkan ekstrak tumbuhan yang diperkirakan dapat merupakan sumber kehidupan. Teknik distilasi ditingkatkan ketika kondenser (pendingin) diperkenalkan. Gin dan whisky, dengan konsentrasi alkohol yang tinggi, didapatkan dengan teknik yang disempurnakan ini.

Pemisahan campuran cairan menjadi komponen dicapai dengan distilasi fraksional. Prinsip distilasi fraksional dapat dijelaskan dengan menggunakan diagram titik didih-komposisi (Gambar 12. 1). Dalam gambar ini, kurva atas menggambarkan komposisi uap pada berbagai titik didih yang dinyatakan di ordinat, kurva bawahnya menyatakan komposisi cairan. Bila cairan dengan komposisi l2 dipanaskan, cairan akan mendidih pada b1. Komposisi uap yang ada dalam kesetimbangan dengan cairan pada suhu b1 adalah v1. Uap ini akan mengembun bila didinginkan pada bagian lebih atas di kolom distilasi (Gambar 12.2), dan embunnya mengalir ke bawah kolom ke bagian yang lebih panas. Bagian ini akan mendidih lagi pada suhu b2 menghasilkan uap dengan komposisi v2. Uap ini akan mengembun menghasilkan cairan dengan komposisi l3.

Jadi, dengan mengulang-ulang proses penguapan-pengembunan, komposisi uap betrubah dari v1 ke v2 dan akhirnya ke v3 untuk mendapatkan konsentrasi komponen A yang lebih mudah menguap dengan konsentrasi yang tinggi.

Gambar 12.1 Diagram titik didih- komposisi larutan ideal campuran cauran A dan B. Komposisi cairan berubah dari l1 menjadi l2 dan akhirnya l3. Pada setiap tahap konsentrasi komponen B yang kurang mudah menguap lebih tinggi daripada di fasa uapnya.Contoh soal 12.1 Distilasi fraksional Tekanan uap benzen dan toluen berturut-turut adalah 10,0 x 104 N m-2 dan 4,0 x 104 N m-2, pada80°C. Hitung fraksi mol toluen dalam uap yang berada dalam kesetimbangan dengan cairan yang terdiri atas 0,6 mol toluen dan 0,4 molar benzen. Hitung fraksi mol toluen x dalam fas uap.Jawab Dengan bantuan hukum Raoult (bab 7.4(b)), komposisi uapnya dapat dihitung sebagai berikut.

Jumlah mol toluen di uap /jumlah mol benzen di uap

=[0,60 x (4,0 x 104)]/[0,40 x (10,0 x 104)] = 0,60.

Fraksi mol toluen di uap x adalah: x/(1 – x) = 0,60; x = 0,60 / (1,0 + 0,60) = 0,375.

Bila dibandingkan dengan komposisi cairan, konsentrasi toluen di fasa uap lebih besar menunjukkan bahwa adanya pengaruh distilasi fraksional.

Kolom distilasi yang panjang dari alat distilasi digunakan di laboratorium (Gambar 12.2) memberikan luas permukaan yang besar agar uap yang berjalan naik dan cairan yang turun dapat bersentuhan. Di puncak kolom, termometer digunakan untuk mengukur suhu fraksi pertama yang kaya dengan komponen yang lebih mudah menguap A. Dengan berjalannya distilasi, skala termometer meningkat menunjukkan bahwa komponen B yang kurang mudah menguap juga ikut terbawa. Wadah penerima harus diubah pada selang waktu tertentu.

Bila perbedaan titik didih A dan B kecil, distilasi fraksional harus diulang-ulang untuk mendapatkan pemisahan yang lebih baik. Produksi minyak bumi tidak lain adalah distilasi fraksional yang berlangsung dalam skala sangat besar.

Ekstraksi adalah teknik yang sering digunakan bila senyawa organik (sebagian besar hidrofob) dilarutkan atau didispersikan dalam air. Pelarut yang tepat (cukup untuk melarutkan senyawa organik; seharusnya tidak hidrofob) ditambahkan pada fasa larutan dalam airnya, campuran kemudian diaduk dengan baik sehingga senyawa organik diekstraksi dengan baik. Lapisan organik dan air akan dapat dipisahkan dengan corong pisah, dan senyawa organik dapat diambil ulang dari lapisan organik dengan menyingkirkan pelarutnya. Pelarut yang paling sering digunakan adalah dietil eter C2H5OC2H5, yang memiliki titik didih rendah (sehingga mudah disingkirkan) dan dapat melarutkan berbagai senyawa organik.

Ekstraksi bermanfaat untuk memisahkan campuran senyawa dengan berbagai sifat kimia yang berbeda. Contoh yang baik adalah campuran fenol C6H5OH, anilin C6H5NH2 dan toluen C6H5CH3, yang semuanya larut dalam dietil eter. Pertama anilin diekstraksi dengan asam encer. Kemudian fenol diekstraksi dengan basa encer. Toluen dapat dipisahkan dengan menguapkan pelarutnya. Asam yang digunakan untuk mengekstrak anilin ditambahi basa untuk mendaptkan kembali anilinnya, dan alkali yang digunakan mengekstrak fenol diasamkan untuk mendapatkan kembali fenolnya.

Bila senyawa organik tidak larut sama sekali dalam air, pemisahannya akan lengkap. Namun, nyatanya, banyak senyawa organik, khususnya asam dan basa organik dalam derajat tertentu larut juga dalam air. Hal ini merupakan masalah dalam ekstraksi. Untuk memperkecil kehilangan yang disebabkan gejala pelarutan ini, disarankan untuk dilakukan ekstraksi berulang. Anggap anda diizinkan untuk menggunakan sejumlah tertentu pelarut. Daripada anda menggunakan keseluruhan pelarut itu untuk satu kali ekstraksi, lebih baik Anda menggunakan sebagian-sebagian pelarut untuk beberapa kali ekstraksi. Kemudian akhirnya menggabungkan bagian-bagian pelarut tadi. Dengan cara ini senyawa akan terekstraksi dengan lebih baik. Alasannya dapat diberikan di bawah ini dengan menggunakan hukum partisi.

Perhatikan senyawa organik yang larut baik dalam air dan dalam dietil eter ditambahkan pada campuran dua pelarut yang tak saling campur ini. Rasio senyawa organik yang larut dalam masingmasing pelarut adalah konstan. Jadi,

ceter dan cair adalah konsentrasi zat terlarut dalam dietil eter dan di air. k adalah sejenis konstanta kesetimbangan dan disebut koefisien partisi. Nilai k bergantung pada suhu.

•    Pertanyaan dan jawaban mengenai Metode Pemisahan Standar

1. Apa yang dimaksud dengan filtrasi?

Jawaban : Filtrasi, yakni proses penyingkiran padatan dari cairan, adalah metoda pemurnian cairan dan larutan yang paling mendasar.

2. Jelaskan mengenai rekristalisasi!

Jawaban : Sebagai metoda pemurnian padatan, rekristalisasi memiliki sejarah yang panjang seperti distilasi. Walaupun beberapa metoda yang lebih rumit telah dikenalkan, rekristalisasi adalah metoda yang paling penting untuk pemurnian sebab kemudahannya (tidak perlu alat khusus) dan karena keefektifannya.

3. Apa yang dimaksud dengan distilasi?

Jawaban : Distilasi adalah seni memisahkan dan pemurnian dengan menggunakan perbedaan titik didih.

4. Apa yang dimaksud dengan ekstraksi?

Jawaban : Ekstraksi adalah teknik yang sering digunakan bila senyawa organik (sebagian besar hidrofob) dilarutkan atau didispersikan dalam air.

5. Apakah manfaat proses ekstraksi?

Jawaban : Ekstraksi bermanfaat untuk memisahkan campuran senyawa dengan berbagai sifat kimia yang berbeda.

Karena struktur senyawa anorganik biasanya lebih sederhana daripada senyawa organik, sintesis senyawa anorganik telah berkembang dengan cukup pesat dari awal kimia modern. Banyak pengusaha dan inventor secara ekstensif mengeksplorasi sintesis berbagai senyawa yang berguna. Dengan kata lain sintesis senyawa anorganik bermanfaat besar secara aktif dilakukan sebelum strukturnya atau mekanisme reaksinya diklarifikasi. Beberapa contoh khas diberikan di bawah ini.

a. Natrium karbonat Na2CO3

Sepanjang sejarah industri kimia, persediaan natrium karbonat Na2CO3, soda, merupakan isu penting. Soda adalah bahan dasar penting bukan hanya untuk keperluan sehari-hari (seperti sabun) tetapi juga untuk produk industri yang lebih canggih (seperti gelas).

Di waktu lampau soda didapatkan dari sumber alami, dan kalium karbonat K2CO3, yang juga digunakan dalam sabun, didapatkan dalam bentuk abu kayu. Setelah revolusi industri, kebutuhan sabun meningkat dan akibatnya metoda sintesis baru dengan bersemangat dicari. Waktu itu telah dikenali bahwa soda dan garam (NaCl) mengandung unsur yang sama, natrium, dan penemuan ini mengakibatkan banyak orang berusaha membuat soda dari garam. Di awal abad 19, suatu proses baru dikembangkan: natrium sulfat yang merupakan produk samping produksi asam khlorida (yang digunakan untuk serbuk pengelantang, bleaching), batu bara dan besi dinyalakan. Namun, hasilnya, rendah dan tidak cocok untuk produksi skala besar .

Inventor Perancis Nicolas Leblanc (1742-1806) mendaftar suatu kontes yang diselenggarakan oleh Académie des Sciences, untuk menghasilkan secara efektif soda dari garam. Esensi dari prosesmua adalah penggunaan marmer (kalsium karbonat) sebagai ganti besi.

Satu abad setelah usulan proses Leblanc, inventor Belgia Ernest Solvay (1838-1922) mengusulkan proses Solvay (proses soda-amonia), yang lebih maju dari aspek kimia dan teknologi. Telah diketahui sejak awal abad 19 bahwa soda dapat dihasilkan dari garam denagn amonium karbonat (NH4)2CO3. Solvay yang berpengalaman dengan mesin dan dapat mendesain proses produksi tidak hanya dari sudut pandang kimia tetapi juga dari sudut pandang teknologi kimia. Dia berhasil mengindustrialisasikan prosesnya di tahun 1863.

Keuntungan terbesar proses Solvay adalah penggunaan reaktor tanur bukannya reaktor tangki. Air garam yang melarutkan amonia dituangkan dari puncak tanur dan karbondioksida ditiupkan keda lam tanur dari dasar sehingga produknya akan secara kontinyu diambil tanpa harus menghentikan reaksi. Sistem Solvay menurunkan ongkos secara signifikan, dan akibatnya menggantikan proses Leblanc.

Satu-satunya produk samping proses Solvay adalah kalsium khlorida, dan amonia dan karbondioksida disirkulasi dan digunakan ulang. Dalam produksi soda dari garam, poin penting adalah pembuangan khlorin. Dalam proses Leblanc, khlorin dibuang sebagai gas asam khlorida, namun di proses Solvay, khlorin dibuang sebagai padatan tak berbahaya, kalsium khlorida. Karena keefektifan dan keefisienan prosesnya, proses Solvay dianggap sebagai contoh proses industri kimia.

b. Asam sulfat

Sejak akhir pertengahan abad 16, kimiawan Jerman Andreas Libavius (1540?-1616) memaparkan proses untuk mendapatkan asam sulfat H2SO4 dengan membakar belerang dalam udara basah.

Reaksi yang dibahas di buku teks sekolah menengah itu digunakan di sini. Glauber mengiklankan natrium sulfat sebagai obat dengan efek yang menakjubkan dan mendapatkan banyak keuntungan dari penjualan garam ini.

Proses yang lebih praktis untuk menghasilkan asam sulfat dikenalkan yakni dengan cara memanaskan belerang dengan kalium nitrat KNO3. Awalnya pembakaran dilakukan di wadah gelas besar yang mengandung air.

Asam sulfat yang terbentuk terlarut dalam air. Walaupun proses kedua (SO2 –>SO3) lambat dan endotermik, dalam proses ini oksida nitrogen nampaknya berfungsi sebagai katalis yang mempromosikan reaksi ini.

Dengan meningkatnya kebutuhan asam sulfat khususnya dengan berkembangnya proses Leblanc yang membutuhkan asam sulfat dalam kuantitas besar, alat baru, proses kamar timbal yang menggunakan ruangan yang dilapisi timbal sebagai ganti wadah gelas dikenalkan yang membuat produksi skala besar dimungkinkan. Produksi asam sulfat skala besar otomatis berarti pembuangan nitrogen oksida yang besar juga. Sedemikian besar sehingga pada waktu itupun bahaya ke lingkungannya tidak dapat diabaikan.

Berbagai perbaikan proses dilakukan dengan menggunakan tanur Gay-Lussac dan Glover. Yang terakhir ini digunakan dengan luas karena nitrogen oksida dapat digunakan ulang dan rendemen n itratnya lebih besar.

Ide penggunaan katalis dalam produksi asam sulfat, atau secara khusus dalam oksidasi belearng dioksida telah dikenali sejak kira-kira tahun 1830. Katalis platina terbuki efektif tetapi sangat mahal sehingga tidak digunakan secara meluas. Setelah setengah abad kemudian, ketika kebutuhan asam sulfat meningkat banyak, ide penggunaan katalis muncul kembali. Setelah masalah keracunan katalis diselesaikan, proses penggunaan katalis platina, yakni proses kontak, menjadi proses utama dalam produksi asam sulfat. Proses kontak masih digunakan sampai sekarang walaupun katalisnya bukan platina, tetapi campuran termasuk vanadium oksida V2O5.

c. Amonia dan asam nitrat

Nitrat (garam dari asam nitrat) sejak zaman dulu dibutuhkan banyak sebagai bahan baku serbuk mesiu. Namun, persediaannya terbatas, dan kalium nitrat yang ada secara alami adalah bahan baku utama yang tersedia. Di abad 19 ketika skala perang menjadi besar, kebutuhan nitrat menjadi membesar, dan kalium nitrat yang ada secara alami tidak dapat memenuhi permintaan.

Selain itu, nitrat diperlukan sebagai bahan baku pupuk buatan. Di akhir pertengahan abad 19 kimiawan Jerman Justus von Liebig (1803-1873) membuktikan kefektifan dan pentingnya pupuk buatan. Masalah yang menghalangi pemakaian bear-besaran pupuk buatan adalah harganya yang tinggi, khususnya pupuk nitrogen.

Di akhir abad 19, fisikawan Inggris William Crookes (1832-1919) meramalkan peningkatan jumlah makanan yang diproduksi tidak dapat mengejar peningkatan populasi dunia dan dunia akan berakhir menjadi katastropi.

Situasi semacam memicu ilmuwan untuk menyelidiki fiksasi nitrogen artifisial atau menemukan proses untuk mengubah nitrogen yang tidak terbatas persediaanya di udara menjadi senyawa yang dapat digunakan. Jelas diperlukan cara untuk melakukan fiksasi dalam skala besar. Jadi, percobaannya harus dimulai di skala laboratorium untuk dapat diperbesar ke skala pabrik.

Fiksasi nitrogen berhasil dilakukan oleh kimiawan Jerman Fritz Haber (1868-1934) dan insinyur kimia Jerman, yang bekerja untuk BASF, Carl Bosch (1874-1940). Persamaan reaksi untuk proses Haber-Bosch sangat sederhana, tetapi secara teknis terdapat berbagai kesukaran. Prosesnya dielaborasi sehingga reaksi eksoterm ini akan berlangsung ke sisi kanan dengan mulus.

Dalam praktek, beberapa modifikasi dibuat. Misalnya, rasio molar nitrogen : hidrogen bukan 1:3, tetapi 1:3.3. Kondisi reaksi yang dipilih adalah 300°C pada 500 atm. Hidrogen digunakan berlebih pada tekanan tinggi sehingga kesetimbangannya bergeser ke kanan. Karena reaksinya eksoterm, reaksi ini lebih baik dilakukan pada temperatur yang lebih rendah sesuai dengan azas Le Chatelier. Di pihak lain, laju reaksi akan terlalu rendah pada temperatur rendah. Jadi suhunya dibuat agak tinggi ( yakni, dengan tetap mempertimbangkan agar dekomposisi NH3 tidak terjadi). Katalis yang dibuat dari besi digunakan dengan ekstensif.

Proses Haber-Bosch menjadi terkenal sebagai contoh pertama teori kesetimbangan diaplikasikan dalam produksi. Di satu sisi fiksasi nitrogen dengan proses Haber-Bosch membawa banyak manfaat karena kemudahan mendapat pupuk. Di sisi lain amonia berarti bahan baku mesiu dapayt diperoleh dengan mudah pula.

Proses modern untuk menghasilkan asam nitrat HNO3 adalah okidasi amonia di udara. Dalam proses ini, amonia dicampur dengan udara berlebih, dan campurannya dipanaskan sampai temperatur tinggi dengan katalis platina. Amonia akan diubah menjadi nitrogen oksida NO, yang kemudian dioksidasi lebih lanjut di udara menjadi nitrogen dioksida NO2. Nitrogen dioksida direaksikan dengan air menghasilkan asam nitrat. Metoda ini dikembangkan oleh Ostwald, kimiawan yang banyak memberikan kimia katalis, dan disebut proses Ostwald.

Proses ini diungkapkan dalam persamaan reaksi berikut.

 

Jawab : Karena struktur senyawa anorganik biasanya lebih sederhana daripada senyawa organik.

2. Apakah keuntungan terbesar proses Solvay?

Jawab : Keuntungan terbesar proses Solvay adalah penggunaan reaktor tanur bukannya reaktor tangki. Air garam yang melarutkan amonia dituangkan dari puncak tanur dan karbondioksida ditiupkan keda lam tanur dari dasar sehingga produknya akan secara kontinyu diambil tanpa harus menghentikan reaksi. Sistem Solvay menurunkan ongkos secara signifikan, dan akibatnya menggantikan proses Leblanc.

3. Apa yang dipaparkan oleh kimiawan Jerman Andreas Libavius (1540-1616) pada akhir abad 16?

Jawab : Andreas Libavius memaparkan proses untuk mendapatkan asam sulfat H2SO4 dengan membakar belerang dalam udara basah.

4. Proses apakah yang lebih praktis untuk menghasilkan asam sulfat?

Jawab : Dengan cara memanaskan belerang dengan kalium nitrat KNO3.

5. Apakah yang diramalkan oleh fisikawan Inggris William Crookes di akhir abad 19?

Jawab : Di akhir abad 19, fisikawan Inggris William Crookes (1832-1919) meramalkan peningkatan jumlah makanan yang diproduksi tidak dapat mengejar peningkatan populasi dunia dan dunia akan berakhir menjadi katastropi.

a. Efek “skala besar” zat

Walaupun sukar untuk meramalkan arah dan lingkup perkembangan kimia abad 21, jelas bahwa kimia di abad 21 harus menjaga kesetimbangan yang baik dengan alam. Lebih lanjut, kimia harus mengembalikan lingkungan yang pada derajat tertentu telah rusak. Kimia dan industri kimia sebelum pertengahan abad 20 dibiarkan berkembang tanpa batasan dan pertanggungjawaban. Kerusakan yang diakibatkan oleh perkembangan itu meluas di mana-mana.

Baru pada pertengahan abad 20 itulah kita menyadari bahwa kita telah kehilangan banyak akibat perkembangan industri kimia yang cepat dan ekstensif. Tetapi orang yang menyadari masalah ini masih sedikit. Lebih-lebih, tanggapan pemerintah dan masyarakat ilmiah tidak juga segera. Namun, untungnya dengan waktu orang menyadari bahwa ada masalah.

Di awal gerakan lingkungan, efek langsung seperti kerusakan lingkungan di dekat pabrik yang menjadi perhatian. Perlu beberapa waktu sebelum orang mengkritisi industrinya.

Indikasi awal dampak kerusakan lingkungan oleh produk tertentu bukan polusi di daerah industri atau perkotaan, tetapi kerusakan alam yang lebih luas yang diisukan oleh ekologis Amerika Rachel Carson (1907-1964). Ia mempublikasikan buku “Silent Spring” (Gambar 14. 3) di tahun 1962 yang kemudian menjadi buku terlarus di berbagai negara. Buku ini dengan jelas memaparkan dampak penggunaan bahan kimia yang berlebihan di pertanian, khususnya bahan kimia yang mengandung khlorin.

Gambar 14.3 Buku “Silent Spring” yang memberi peringatan pada dunia.

Kemudian dampak defolian (zat yang digunakan untk menggugurkan daun) yang digunakan dalam Perang Vietnam oleh tentara Amerika menjadi isu sosial yang serius. Isu yang lebih serius sekarang adalah kerusakan lapisan ozon oleh freon dan efek rumah kaca (pemanasan global) yang disebabkan oleh karbondioksida. Masalah pemanasan global sangat berkait dengan masalah energi. Berapa banyak energi yang dapat dan harusnya kita gunakan adalah masalah serius yang menantang kita.

Ada poin umum dalam masalah-masalah yang didiskusikan di atas. Sebab utama adalah fakta bahwa jumlah zat yang melimpah telah didifusikan ke lingkungan. Sejumlah kecil bahan pertanian, freon atau defolian yang dibuat di laboratorium mungkin tidak akan berakibat serius bila terdifusi ke lingkungan. Kerusakannya akan terlokalisasi. Namun, bila zat ini diproduksi dalam skala raksasa dan didifusikan di seluruh dunia, akan muncul masalah serius. Mungkin dapat kita sebut “efek skala besar” yang disebabkan difusi zat kimia.

Untuk memprediksi “efek skala besar” suatu zat, pengetahuan yang didapatkan dari mempelajari kimia molekular sejumlah kecil zat tidak akan cukup. Sebelum memproduksi dan mendifusikan sejumlah besar zat, orang yang menggunakan dan kimiawan yang membuatnya harus tahu dan mempertimbangkan apa yang akan terjadi bila sejumlah besar zat itu dilepaskan ke lingkungan.

b. Kimia lingkungan

Usaha-usaha untuk melindungi bumi dari kerusakan lebih lanjut melahirkan cabang kimia baru, yakni kimia lingkungan. Apa yang dapat kimia lakukan untuk memperbaiki lingkungan bergantung pada situasinya. Dalam isu kerusakan lapisan ozon, kimia memerankan peran menentukan dari awal. Kimiawanlah yang mendeteksi adanya masalah dan yang mengusulkan metoda untuk memecahkan masalah ini. Sudah sejak tahun 1974, kimiawan Amerika Sherwood Roland (1927-) memprediksikan kemungkinan destruksi lapisan ozon. Kebenarannya dibuktikan tahun 1985, dan isu ini kemudian berpindah dari kimia ke politik. Setelah banyak diskusi dan negosiasi, persetujuan final dicapai di skala dunia, dan diputuskan melarang penggunaan freon.

 

Gambar 14.4 F. Sherwood Rowlan d (1927-)

Pemenang Nobel Kimia (1995)

Di tahun 1995, hadiah Nobel kimia dianugerhakan ke tiga kimiawan termasuk Rowland yang telah memberikan sumbangan bear pada kimia lingkungan. Merupakan hal penting bahwa kimiawan dalam bidang kimia baru ini diberi hadiah Nobel. Ini juga menunjukkan bahwa dunia mulai mengenal pentingnya kimia lingkungan.

Peran kimia dalam isu energi juga sangat besar. Perlu segera dilakukan reduksi konsumsi bahan bakar fosil untuk menjaga lingkungan dan sumber daya alam. Kimia dapat menyumbangkan banyak hal untuk memecahkan isu energi dengan memproduksi sel surya yang efisien atau dengan mengembangkan kimia C1 yang bertujuan mengubah senyawa satu atom karbon seprti karbon dioksida menjadi bahan bakar, dsb.

Sebagai kesimpulan, peran kimia adalah untuk mengendalikan agar masyarakat berkelanjutan dapat dicapai. Masyarakat berkelanjutan adalah slogan yang indah. Namun, untuk mencapainya bukan hal sederhana. Kita percaya kimia dapat berkontribusi besar untuk merealisasikan masyarakat berkelanjutan itu.

•    Pertanyaan dan jawaban mengenai Keseimbangan dengan Alam

1. Buku apakah yang dipublikasikan oleh ekologis Amerika Rachel Carson (1907-1964).

Jawaban : Ia mempublikasikan buku “Silent Spring” di tahun 1962.

2. Apa yang dipaparkan dalam buku “Silent Spring”?

Jawaban : Buku ini dengan jelas memaparkan dampak penggunaan bahan kimia yang berlebihan di pertanian, khususnya bahan kimia yang mengandung khlorin.

3. Isu apakah yang lebih serius dibandingkan isu dampak defolian dalam Perang Vietnam?

Jawaban : Isu kerusakan lapisan ozon oleh freon dan efek rumah kaca (pemanasan global) yang disebabkan oleh karbondioksida.

4. Siapakah yang memprediksikan kemungkinan destruksi lapisan ozon pada tahun 1974?

Jawaban : Kimiawan Amerika Sherwood Roland.

5. Cabang kimia apakah yang dilahirkan melalui usaha-usaha untuk melindungi bumi dari kerusakan lebih lanjut?

Jawaban : Kimia lingkungan.

Sejak modernisasi kimia di akhir abad 18, kimia selalu dan dengan cepat berkembang. Karena dasar dari perkembangan ini adalah teori atom/molecular, kita dapat menyebut 200 tahun perkembangan ini sebagai era kimia molecular. Dengan terbitnya abad 21, kimia telah meraih sukses dalam meluaskan lingkup kajiannnya. Peran interaksi lemah telah dikenali, dan prosepek baru kimia supramolekular telah terbuka. Di pihak lain, kimia mempunyai peran besar untuk melestarikan lingkungan, dan kita harus mencari cara agar alam dan manusia dapat berdampingan dengan langgeng, yang dalam terminologi modern disebut masyarakat berkelanjutan sustainable societies. Banyak yang kimia dan kimiawab harus lakukan.

Dari kelahiran kimia modern sejak akhir abad 18 sampai akhir abad 20, kimia lebih berbasisikan pada molekul yang terdiri atas atom-atom dan ikatan ionik dan kovalen yang mengikat atom-atom tersebut. Struktur, sifat dan fungsi telah dijelaskan dari sudut pandang molekul. Telah dianggap otomatis, bila orang mengenal molekul, maka sisfat dan fungsinya akan dikenal pula. Kimia yang didasarkan atas asumsi ini mungkin dapat disebut dengan kimia molekular.

Namun, terdapat beberapa kimiawan yang menganggap pandangan seperti itu mungkin terlalu menyederhanakan. Bahkan sejak 1920 an, telah dikenali material yang struktur dan sifatnya tidak dapat dijelaskan dari sudut pandang molekul. Di waktu itu, konsep ikatan hidrogen dengan berhasil telah digunakan untuk menjelaskan penggabungan parsial asam asetat dan air. Ikatan hidrogen tidak dapat dimasukkan dalam lingkup terori valensi yang diformulasikan oleh Kekulé. Walaupun ikatan hidrogen dalam kekuatannya hanya 1/10 ikatan kovalen normal, ikatan ini memungkinkan molekul terikat secara lemah satu sama lain. Dari sudut pandang ini, ikatan hidrogen dapat disebut suatu jenis ikatan kimia.

Konsep lain, gaya antarmolekul atau van der Waals dikenalkan untuk menjelaskan fakta molekul non polar semacam H₂ mengkristal pada temperatur yang sangat rendah. Gaya dorong ikatan ion, yakni gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Gaya van der Waals berbanding terbalik dengan jarak pangkat enam, dan dengan demikian kekuatannya berbeda.

Bila senyawa hidrokarbon alifatik seperti oktana C₈H₁₈ ditambahkan pada larutan urea H₂NCONH₂, batang-batang kristal yang cantik akan mengendap. Kristal ini terdiri atas urea dan oktana, tetapi perbandingannya tidak bilangan bulat. Lebih lanjut dengan pemanasan yang pelahan, kristalnya akan terdekomposisi menjadi urea dan oktana. Fakta-fakta ini mengindikasikan bahwa kedua komponen tidak terikat dengan ikatan kovalen atau ionik biasa.

Struktur kristalnya (yang pada waktu itu disebut adduct urea) dielusidasi dengan analisis kristalografi sinar-X.. Berdasarkan hasil analisis ini, molekul urea membentuk rantai ikatan hidrogen, dan rantai ini membentuk spiral, yang menyisakan kolom kosong di tengahnya. Molekul-molekul oktana terjebak di dalam kolom kosong ini, dan tetap tinggal dalam ruang ini karena adanya interaksi lemah.

Dalam senyawa seperti ini, ada interaksi lemah yang di luar lingkup ikatan kimia konvensional. Senyawa-senyawa seperti ini disebut dengan senyawa inklusi atau klatrat. Senyawa yang perannya mirip dengan urea dalam contoh tadi disebut inang atau tuan rumah , dan yang mirip perannya dengan oktana disebut tamu. Demikianlah cabang baru kimia, kimia tuan rumah tamu (host guest chemistry) muncul.

Sebelum ditemukan adduct urea, senyawa inklusi yang terdiri atas hidrokuinon (senyawa ini digunakan sebagai reduktor dalam fotografi) sebagai tuan rumah telah menarik perhatian besar. Bedasarkan struktur yang diungkap dari analisis kristalografi sinar-X, tiga molekul hidrokuinon me njadi tuan rumah yang menjebak satu molekul tamu-metanol. Rumus molekul klatrat ini adalah CH₃OH·3C₆H₄(OH)₂. Hidrokuinon dapat juga menjebak tamu lain seperti argon.

Senyawa klatrat semacam urea dan hidrokuinon sungguh merupakan kejutan bagi kimiawan. Namun, harus diakui bahwa dalam kristal tamu dan tuan rumahnya harus berdekatan. Dalam kasus semacam ini, intetraksi lemah mungkin terjadi, walaupun interaksi semacam ini di luar lingkup ikatan kimia konvensional. Namun, situasinya akan berbeda di larutan

Sekitar tahun 1967, kimiawan Amerika Charles J. Pedersen (1904-1989) mendapatkan eter siklik sebagai produk samping salah satu reaksi yang dia pelajari. Ia mempelajari dengan baik sifat-siaft aneh eter ini. Senyawa ini sukar larut dalam metanol, tetapu menjadi mudah larut bila ia menambahkan garam natrium dalam campurannya. Lebih lanjut, larutan dalam benzen eter ini dapat melarutkan kalium dikromat K₂Cr₂O₇ dan menunjukkan warna ungu yang antik. Ia sangat bingung menjelaskan fenomena-fenomena ini, mengatakan bahwa ion natrium atau kalium nampak masuk dalam rongga di pusta molekul ini (Gambar 14. 1).

(a) eter mahkota dibenzo -18 bebas. (b) eter mahkota dibenzo -18 yang menangkap ion K⁺.

Dari “Crown Ethers & Cryptands” oleh G. Gokel, Royal Society of Chemistry, 1991

Beberapa tahun kemudian terbukti bahwa ide Pedersen ternyata benar, dan memang, kation terjebak dalam rongga molekulnya. Dia mengusulkan nama senyawa ini eter mahkota karena bentuk molekulnya mirip mahkota, dan usulnya ini diterima masyarakat kimia dunia. Di tahun 1987, bersama dengan kimiawan Amerika lain Donald James Cram (1919-2001) dan kimiawan Perancis Jean-Marie Lehn (1939-), Pedersen dianugerahi hadiah Nobel Kimia.

Interaksi antara eter mahkota dan kation logam alkali disebut dengan interaksi lemah dari sudut pandang ikatan kimia konvensional. Terbukti kemudian bahwa interaksi seperti ini, yang ada tidak hanya dalam kristal tetapi juga dalam larutan, lebih umum dari yang diharapkan. Produk alam valinomisin, yang dietemukan dalam waktu yang sama, dapat juga digunakan untuk menangkap dan mentransport ion, dan lebih lanjut, membawa kation logam alkali kedalam makhluk hidup melalui membran. Senyawa dengan fungsi semacam itu disebut ionofor. Kemiripan struktur antara valinomisin, suatu produk alam, dan eter mahkota, produk sintetis, sangat nyata walaupun kedua senyawa ini berbeda asalnya (Gambar 14.2).

Gambar 14.2 Ionofor yang dapat menangkap dan mentransport ion.
a) senyawa sintetis eter dibenzo-18- mahkota -6.
(b) senyawa alam: valinomisin (antibiotik)

Paralel dengan penemuan ionofor, suatu gerakan untuk menyatukan kimia dan ilmu hayati, dan kimia anorganik dan ilmu hayati, muncul di pertengahan akhir abad 20. Isyarat penting untuk memahami mekanisme kehidupan adalah mempelajari proses (reaksi) dalam berbagai susunan produk alam yang membentuk kompleks atau membran yang mengikuti aturan tertentu. Isyarat penting lain adalah interaksi lemah antara produk-produk alam, yakni pembentukan sel, reaksi katalitik yang melibatkan kompleks substrat- enzim dan ko-enzim, dan interaksi antara hormon atau obat dan reseptor.

Untuk malacak isyarat tersembunyi ini, kimia organik dan anorganik harus memainkan peran. Cabang baru sains yang tujuannya menyatukan kimia organik dan ilmu hayati ini disebut kimia bioorganik.

Sifat khas zat yang mengatur kehidupan, misalnya enzim, adalah gugus fungsi yang biasanya didiskusikan di kimia organik. Namun, terdapat banyak kasus fungsinya lebih rumit. Da lam beberapa kasus zat ini mengandung unsur transisi di pusat aktifnya, yang kemudian melahirkan perkawinan antara kimia anorganik dan ilmu hayati, dan cabang sains baru, kimia bioanorganik lahir.

Baik kimia bioorganik maupun bioanorganik mencakup tidak hanya molekul konvensional tetapi juga semua jenis susunan yang terbentuk dengan interaksi lemah di antara berbagai spesi kimia (molekul dan ion, dsb). Mungkin dapat dikatakan bahwa kimia bioorganik dan bioanorganik secara khusus membahas susunan ini.

Kini karena peran susunan itu sangat penting, mungkin lebih baik bila kita beri susunan tersebut nama yang tepat.. Lehn mengusulkan nama “supramolekul” dan nama ini secara luas diterima di masyarakat kimia. Jadi kimia yang mempelajari supramolekul disebut dengan kimia supramolekul.

Mungkin orang mengira bahwa supramolekul memiliki keteraturan yang lebih rendah dari molekul konvensioanl karena gaya yang mengikat partikel-partikel konstituen dalam supramolekul adalah interaksi lemah bukannya ikatan kimia yang kuat. Namun, ini justru kekeliruan. Interaksi lemah dalam supramolekul keselektifannya sangat tinggi, dan ini mirip dengan interaksi antara enzim dengan substratnya yang dapat diumpamakan dengan hubungan antara anak kunci dan lubangnya. Interaksi intermolekul ini mungkin sangat tinggi keteraturannya.

Di abad 21 ini diharapkan kimia molekular dan supramolekular akan berkembang secara paralel.. Kimia supramolekul akan menambah dalam tidak hanya pemahaman kita akan makhluk hidup tetapu juga riset kita dalam bidang kimia molekular. Juga harus diakui bahwa semua molekul pasti akan berinteraksi dengan molekul di sekitarnya. Molekul yang terisolasi hanya mungkin ada di ruang kosmik.