1.1. Ilmu Kimia

Ilmu kimia adalah ilmu yang mempelajari struktur dan sifat materi dan perubahan yang menyertainya. Ilmu kimia sering disebut sebagai ilmu sentral, karena pengetahuan tentang ilmu kimia sangat penting dan mendasar untuk menjelaskan fakta atau fenomena yang diamati dalam bidang ilmu lainnya seperti biologi, fisika, geologi, ekologi, dan sains lainnya secara utuh. Hidup manusia hari ini mungkin akan dijalani dengan cara yang tidak lebih maju daripada manusia primitif tanpa ilmu kimia yaitu tanpa mobil, tanpa listrik, tanpa komputer, tanpa AC, dan tanpa banyak fasilitas lainnya yang memberikan kenyamanan hidup sehari-hari.

Meskipun ilmu kimia adalah ilmu yang sudah tergolong tua (kuno), tetapi kemudian ilmu kimia menjadi ilmu modern dimulai pada abad kesembilan belas, ketika kemajuan pengetahuan dan teknologi memungkinkan para ilmuwan memecah zat-zat menjadi komponen-komponen yang lebih kecil sehingga dapat digunakan untuk menjelaskan lebih banyak sifat fisika dan sifat kimia materi lebih baik daripada penjelasan sebelumnya. Pesatnya perkembangan teknologi yang semakin canggih sepanjang abad kedua puluh telah memberikan peluang yang lebih besar untuk mempelajari hal-hal yang tidak bisa dilihat dengan mata telanjang. Dengan menggunakan komputer dan mikroskop atom seorang ahli kimia dapat menganalisis struktur atom dan molekul sampai pada satuan paling dasar atau partikel sub atom. Penelitian dasar dan terapan dalam kimia sekarang ini memungkinkan ahli-ahli kimia mendesain dan menciptakan zat atau senyawa baru dengan sifat tertentu, seperti obat-obatan dan produk konsumen ramah lingkungan.

Ketika memasuki awal abad dua puluh satu, sudah sepatutnya para ilmuwan kembali bertanya: ilmu apa yang akan menjadi ilmu pusat dan akan memiliki abad ini? Hampir pasti, ilmu kimia akan terus memainkan peran penting dalam semua bidang ilmu pengetahuan dan teknologi. Sebelum terjun ke dalam pelajaran kimia yaitu mempelajari tentang materi dan perubahannya, perlu untuk memperhatikan beberapa batasan yang sedang dijajaki para ahli kimia (Gambar 1.1). Apapun alasan untuk mempelajari ilmu kimia, pengetahuan tentang pelajaran kimia yang lebih baik akan memungkinkan kita untuk menghargai dampaknya terhadap masyarakat dan pada individu masing-masing.

Gambar 1.1 (a) Output dari mesin sekuensing DNA otomatis. Setiap jalur menampilkan urutan (ditandai dengan warna yang berbeda) diperoleh dari sampel DNA terpisah. (b) sel fotovoltaik. (c) Wafer silikon sedang diproses. (d) Daun di sebelah kiri diambil dari tanaman tembakau yang tidak direkayasa genetika tetapi terserang cacing tanduk tembakau. Daun di sebelah kanan direkayasa genetika dan hanya nyaris diserang oleh cacing. Teknik yang sama dapat diterapkan untuk melindungi daun dari jenis tanaman lain.

Di negara - negara maju seperti China, Amerika, Jepang dan Rusia, para ahli kimia secara aktif berusaha mencari sumber energi alternatif yang ramah lingkungan. Saat ini sumber utama energi bahan bakar fosil (seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam), diperkirakan cadangan bahan bakar ini hanya akan berlangsung sekitar 50-100 tahun lagi, berdasarkan konsumsi pada tingkat sekarang, sehingga sangat mendesak bahwa kita harus segera menemukan sumber energi alternatif sebelum semua cadangan ini habis.

Tenaga surya menjanjikan untuk menjadi sumber energi alternatif yang layak untuk masa depan. Setiap tahun permukaan bumi menerima sekitar 10 kali lebih banyak energi dari sinar matahari dibanding yang terkandung dalam semua cadangan batubara, minyak bumi, gas alam, dan fusi uranium. Tetapi banyak dari energi radiasi matahari ini "terbuang" karena dipantulkan kembali ke ruang angkasa. Selama 40 tahun terakhir, upaya penelitian intensif telah menunjukkan bahwa tenaga surya dapat dimanfaatkan secara efektif dalam dua cara. Salah satunya adalah konversi sinar matahari langsung menjadi listrik menggunakan perangkat yang disebut sel fotovoltaik. Cara yang lain adalah dengan menggunakan sinar matahari untuk mendapatkan hidrogen dari air. Hidrogen kemudian dapat dimasukkan ke dalam sel bahan bakar untuk menghasilkan listrik. Meskipun pemahaman kita tentang proses ilmiah mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik telah maju, namun teknologi belum ditingkatkan ke tahap di mana kita dapat menghasilkan energi listrik dalam skala besar dengan biaya yang dapat dijangkau secara ekonomis. Pada tahun 2050, bagaimanapun caranya, telah diramalkan bahwa energi matahari akan memasok lebih dari 50 persen dari kebutuhan energi listrik dunia. (Saat ini teknologi nuklir memainkan peranan).
Potensi sumber energi lain adalah fusi nuklir, tetapi karena masalah lingkungan tentang limbah radioaktif dari proses fusi, masa depan industri nuklir di negara-negara maju dan negara lainnya masih belum pasti. Kimiawan yang terlatih dapat membantu untuk menemukan cara-cara yang lebih baik untuk membuang limbah nuklir. Fusi nuklir merupakan proses yang terjadi di matahari dan bintang-bintang lainnya, menghasilkan energi dalam jumlah besar tanpa menghasilkan limbah radioaktif yang berbahaya. Dalam 50 tahun kedepan, fusi nuklir kemungkinan akan menjadi salah satu sumber energi alternatif.
Produksi energi dan pemanfaatan energi terkait erat dengan kualitas lingkungan kita. Kelemahan utama dari pembakaran bahan bakar fosil adalah bahwa bahan-bahan ini mengeluarkan karbon dioksida, yang merupakan gas rumah kaca (yaitu, mempromosikan pemanasan atmosfer bumi), bersama dengan belerang dioksida dan nitrogen oksida, yang mengakibatkan hujan asam dan kabut asap (dengan energi matahari memiliki efek merugikan pada lingkungan). Dengan menggunakan mobil hemat bahan bakar dan konverter katalitik yang lebih efektif, manusia modern mampu secara drastis mengurangi emisi mobil yang berbahaya dan meningkatkan kualitas udara di tempat-tempat dengan lalu lintas yang padat (seperti Amsterdam. Tokyo, New York, Hongkong, Singapura), ini seharusnya diikuti oleh kota-kota besar di Indonesia seperti Jakarta, Surabaya, Bandung, Semarang dan kota besar lainnya. Selain itu, mobil listrik yang harus didukung oleh baterai tahan lama, dan mobil hibrid (sekarang sudah mulai di Bandung) yang didukung oleh baterai dan bensin, akan menjadi lebih umum dan banyak digunakan sehingga akan membantu meminimalkan polusi udara.






Apa lagi yang akan dijual para pedagang di toko-toko dalam waktu dekat? Salah satu kemungkinan adalah superkonduktor pada suhu kamar (25ºC). Arus listrik yang dilewatkan melalui kabel tembaga (bukan konduktor sempurna), mengakibatkan sekitar 20 persen dari energi listrik hilang diubah dalam bentuk energi panas antara pembangkit listrik dan rumah penduduk. Ini adalah pemborosan yang luar biasa. Superkonduktor adalah bahan yang tidak memiliki hambatan listrik dan karena itu dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi. Meskipun fenomena superkonduktivitas pada suhu yang sangat rendah (lebih dari 400 derajat Fahrenheit di bawah titik beku air) telah dikenal selama lebih dari 90 tahun, sebuah terobosan besar di pertengahan 1980-an menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk membuat bahan yang bertindak sebagai superkonduktor pada atau mendekati suhu kamar. Kimiawan telah membantu untuk merancang dan mensintesis bahan-bahan baru yang merupakan janji mereka dalam pencarian ini. 20 tahun ke depan kita akan melihat superkonduktor suhu tinggi yang diterapkan pada skala besar dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI), kereta cepat, dan fusi nuklir.

Material dan Teknologi

Penelitian dan pengembangan ilmu kimia pada abad kedua puluh telah memberikan banyak bahan material baru yang telah sangat meningkatkan kualitas hidup manusia modern dan membantu untuk memajukan teknologi dalam berbagai cara. Beberapa contoh adalah polimer (termasuk karet dan nilon), keramik (seperti peralatan masak), kristal cair (seperti yang ada di layar elektronik), perekat (digunakan dalam rumah dan perabot), dan coating (misalnya, cat lateks).

Jika kita harus menyebutkan satu lagi kemajuan teknologi yang telah membuat kehidupan kita lebih maju dari sebelumnya, teknologi itu adalah komputer. "Mesin" yang menggerakkan revolusi komputer yang sedang berlangsung adalah mikroprosesor-chip silikon kecil yang telah mengilhami penemuan yang tak terhitung jumlahnya, seperti komputer, laptop, mesin faks dan seluler. Kinerja mikroprosesor dinilai dengan kecepatannya melakukan operasi matematika (aritmatika dan algoritma), seperti penambahan. Laju kemajuannya seperti yang sejak diperkenalkan, mikroprosesor telah dua kali lipat dalam hal kecepatannya setiap 18 bulan. Kualitas mikroprosesor tergantung pada kemurnian chip silikon dan kemampuan untuk menambahkan jumlah yang diinginkan dari zat lain, dan ahli kimia memainkan peran penting dalam penelitian dan pengembangan chip silikon. Untuk masa depan, para ilmuwan telah mulai mengeksplorasi prospek "komputasi molekul," yaitu, menggantikan silikon dengan molekul (tertentu). Keuntungannya adalah bahwa molekul tertentu dapat dibuat untuk merespon cahaya, bukan hanya untuk elektron, sehingga kita akan memiliki komputer optik lebih daripada sekedar komputer elektronik. Dengan rekayasa genetika yang tepat, para ilmuwan dapat mensintesis molekul-molekul yang diinginkan menggunakan mikroorganisme bukan pabrik-pabrik besar. Komputer optik juga akan memiliki kapasitas penyimpanan yang jauh lebih besar dari komputer elektronik.

Pertanian dan Bahan Makanan

Bagaimana dengan penduduk dunia yang meningkat pesat memperoleh makanan di masa yang akan datang? Di negara-negara miskin, kegiatan pertanian menempati sekitar 80 persen dari angkatan kerja, dan setengah dari anggaran pendapatan keluarga rata-rata dihabiskan untuk bahan makanan. Hal ini telah menguras sumber daya suatu bangsa. Faktor-faktor yang mempengaruhi produksi pertanian adalah kekayaan tanah, serangga dan penyakit yang merusak tanaman, dan gulma yang bersaing untuk mendapat nutrisi. Selain irigasi, petani mengandalkan pupuk dan pestisida untuk meningkatkan hasil panen. Sejak tahun 1950-an, pengobatan untuk tanaman yang menderita penyakit dan hama kadang-kadang telah diaplikasi secara sembarangan menggunakan bahan kimia yang kuat. Langkah seperti ini sering memiliki efek merugikan yang serius pada lingkungan. Bahkan penggunaan pupuk berlebihan berbahaya bagi tanah, air, dan udara.

Untuk memenuhi tuntutan makanan pada abad dua puluh satu, pendekatan baru dalam pertanian harus dibuat. Pendekatan ini telah menunjukkan bahwa, melalui bioteknologi, mungkin untuk menumbuhkan tanaman yang lebih banyak, lebih besar dan lebih baik. Teknik ini dapat diterapkan untuk banyak produk pertanian yang bervariasi, tidak hanya untuk hasil yang lebih baik, tetapi juga untuk frekuensi panen yang lebih sering dan hasil tanaman lebih banyak setiap tahunnya. Sebagai contoh, diketahui bahwa bakteri tertentu menghasilkan molekul protein yang beracun bagi ulat pemakan daun. Menggabungkan gen yang mengkode toksin ke dalam tanaman memungkinkan tanaman untuk melindungi diri mereka sendiri sehingga pestisida tidak diperlukan lagi. Para peneliti juga telah menemukan cara untuk mencegah serangga perusak berkembang biak. Serangga berkomunikasi satu sama lain dengan memancarkan reaksi menggunakan molekul khusus yang disebut feromon. Dengan mengidentifikasi dan mensintesis feromon yang digunakan dalam proses kawin, adalah mungkin untuk mengganggu siklus reproduksi normal hama ini; misalnya, dengan menginduksi serangga kawin terlalu cepat atau menipu serangga betina kawin dengan jantan yang disterilkan. Selain itu, ahli kimia dapat menemukan cara-cara untuk meningkatkan produksi pertanian dengan pupuk yang kurang bahkan tidak berbahaya bagi lingkungan dan zat-zat yang selektif membunuh gulma.