1.6. Sifat fisika dan sifat kimia materi

Zat biasanya diidentifikasi berdasarkan  sifat-sifatnya dan komposisinya. Zat dapat diidentifikasi dari sifat fisikanya. Contoh sifat fisika adalah  warna, titik leleh, dan titik didih. Sifat fisika dapat diukur dan diamati tanpa mengubah komposisi atau identitas dari suatu zat. Beberapa contoh lain dirangkum dalam Tabel 1.2.

Sebagai contoh, kita dapat mengukur titik lebur es menggunakan termometer dengan memanaskan batu es, kemudian kita mencatat suhu tepat pada waktu es mencair (dikonversi menjadi air). Air (cair) berbeda dari es (padat) hanya dalam hal penampilan wujudnya, tetapi tidak berbeda dalam hal komposisinya. Jadi, perubahan es menjadi air adalah perubahan fisika. Kita dapat membekukan air untuk mengembalikannya menjadi es lagi. Oleh karena itu, titik leleh suatu zat adalah sifat fisika. Demikian pula, ketika kita mengatakan bahwa gas helium lebih ringan daripada udara, kita mengacu pada sifat fisika. Setiap kuantitas fisika dituliskan atau disimbolkan dengan huruf italic atau huruf yunani (misalnya massa disimbolkan m).

Peristiwa pembakaran gas hidrogen dengan gas oksigen menghasilkan air. Perubahan gas hidrogen dan gas oksigen menjadi komponen air menggambarkan sifat kimia. Kita mengamati sifat ini sebagai perubahan kimia, dalam hal ini pembakaran. Setelah terjadi perubahan kimia, zat kimia yang mula-mula (gas hidrogen dan gas oksigen) yang habis bereaksi akan menghasilkan zat kimia air yang berbeda dari hidrogen ataupun oksigen. Kita tidak bisa mengembalikan hidrogen dan oksigen dari air dengan cara perubahan fisika, seperti mendidihkan atau membekukan.

Setiap kali kita merebus telur, kita telah membuat perubahan kimia. Ketika berada pada suhu sekitar 100°C, kuning telur dan putih telur mengalami perubahan, yang berubah tidak hanya penampilan fisikanya, tetapi susunan kimiawinya juga. Ketika dimakan, telur berubah lagi oleh zat di dalam tubuh kita yang disebut enzim. Peristiwa pencernaan ini adalah contoh lain dari perubahan kimia. Peristiwa yang terjadi selama proses pencernaan tergantung pada sifat kimia dari enzim dan makanan.

Semua sifat materi yang dapat diukur dikelompokkan menjadi dua kategori tambahan, yaitu: sifat ekstensif dan sifat intensif. Nilai yang diukur dari sifat ekstensif tergantung pada seberapa banyak materi yang diukur. Sebagai contoh massa, yang merupakan kuantitas materi dalam sampel yang diberikan dari suatu zat adalah sifat ekstensif. Lebih banyak jumlah materi berarti bertambah massanya. Nilai dari sifat ekstensif yang sama dapat ditambahkan bersama-sama. Sebagai contoh, dua keping tembaga akan memiliki massa gabungan yang adalah jumlah massa masing-masing keping tersebut. Panjang dua lapangan tenis adalah jumlah dari panjang masing-masing lapangan tenis. Volume dapat didefisikan sebagai panjang kali lebar kali tinggi sebuah dadu merupakan sifat ekstensif. Nilai dari suatu kuantitas sifat ekstensif tergantung pada jumlah materi (bersifat aditif). Jadi, massa, panjang dan volume adalah contoh sifat ekstensif.

Nilai yang diukur dari sifat intensif tidak tergantung pada seberapa banyak materi yang diukur. Contoh sifat intensif adalah densitas (kepadatan atau kerapatan), sering juga disebut rapat jenis, yang didefinisikan sebagai massa suatu benda dibagi dengan volumenya. Temperatur juga termasuk contoh sifat intensif. Misalkan kita memiliki dua gelas air pada suhu yang sama, jika kita menggabungkan keduanya untuk membuat kuantitas tunggal air dalam gelas besar, suhu kuantitas air yang lebih besar yang digabung ini akan sama seperti pada kedua gelas terpisah tadi. Massa, panjang, volume dan sifat ekstensif lainnya bersifat aditif, sedangkan kerapatan, suhu dan sifat intensif lainnya tidak bersifat aditif.

Tabel 1.2 Contoh Sifat Fisika dan Sifat Kimia

Sifat Fisika		Sifat Kimia
Suhu	Jumlah	Karat (pada besi)
Warna	Bau dan Rasa	Pembakaran (minyak bumi)
Titik lebur	Kelarutan	Memudar/noda (pada perak)
Titik didih	Kekerasan	Mengeras (pada semen)
Konduktivitas kelistrikan

1.5. Keadaan Materi (Wujud Zat)

Semua zat pada prinsipnya bisa berada dalam tiga wujud, yaitu padat, cair, dan gas. Gambar 1.6 menunjukkan bahwa gas, cairan dan padatan berbeda dalam jarak antar molekul. Padatan adalah materi yang rigid (kaku) dengan bentuk yang pasti. Dalam keadaan padat, molekul yang ada saling berdekatan secara teratur dengan sedikit kebebasan gerak. Cairan tidak serigid atau sekaku padatan dan bersifat fluida, yaitu dapat mengalir dan mengambil bentuk sesuai wadahnya. Molekul dalam cairan saling berdekatan namun tidak begitu kaku dalam posisinya dan dapat bergerak melewati satu sama lain. Gas bersifat fluida seperti cairan tetapi gas dapat mengembang tanpa batas. Dalam keadaan gas, molekul dipisahkan oleh jarak yang lebih lebar dibandingkan dengan ukuran molekulnya.

Ketiga wujud zat atau keadaan materi ini dapat berubah dari wujud yang satu menjadi wujud yang lainnya tanpa mengubah komposisi zat. Setelah pemanasan, zat padat (misalnya es) akan mencair membentuk cairan (air). (Suhu di mana transisi ini terjadi disebut titik lebur/titik leleh). Pemanasan lebih lanjut akan mengkonversi cairan menjadi gas (konversi ini berlangsung pada titik didih cairan). Di sisi lain, pendinginan gas akan menyebabkan zat mengembun menjadi cairan. Ketika cairan didinginkan lebih lanjut, akan membeku menjadi bentuk padat.

Gambar 1.6 Tinjauan mikroskopik wujud zat padat, cair dan gas

Gambar 1.7 Tiga keadaan materi. Sebuah plat panas merubah es menjadi air dan uap air.

Gambar 1.7 menunjukkan tiga wujud air. Perhatikan bahwa sifat air yang unik di antara zat yang umum lainnya. Bahwa molekul dalam keadaan cair yang dikemas lebih dekat daripada yang dalam keadaan padat.

1.4. Klasifikasi Materi

Kita telah mendefinisikan kimia di awal sebagai ilmu yang mempelajari tentang struktur dan sifat materi dan perubahan yang menyertainya. Materi adalah segala sesuatu yang menempati ruang dan memiliki massa. Pada prinsipnya setiap materi dapat berada dalam tiga wujud: padat, cair dan gas. Materi meliputi semua zat yang dapat kita lihat dan sentuh (seperti air, tanah, dan pohon), serta zat-zat yang tidak bisa kita lihat (seperti udara). Dengan demikian, segala sesuatu di alam semesta memiliki hubungan "kimia".

Ahli kimia membedakan antara beberapa sub kategori materi berdasarkan komposisi dan sifatnya. Klasifikasi materi  atau penggolongan materi dikelompokkan kedalam zat murni (meliputi unsur dan senyawa) dan campuran. Atom dan molekul akan dibahas dalam bab 2.

Zat Murni dan Campuran

Zat murni adalah bentuk materi yang memiliki komposisi tetap dan sifat yang berbeda antara zat yang satu dengan yang lainnya. Contohnya zat murni adalah air, amonia, gula meja (sukrosa), emas, dan oksigen. Zat murni berbeda satu sama lain dalam komposisi dan dapat diidentifikasi dengan penampilannya, bau, rasa, dan sifat fisika lainnya.

Campuran adalah kombinasi dari dua atau lebih zat murni di mana masing-masing zat mempertahankan identitasnya. Beberapa contoh yang akrab kita jumpai adalah udara, minuman ringan, susu, dan semen. Campuran tidak memiliki komposisi tetap. Oleh karena itu, sampel udara yang dikumpulkan dari berbagai kota mungkin akan berbeda dalam hal komposisi karena perbedaan ketinggian, tingkat polusi, dan sebagainya.

Campuran dikelompokkan menjadi campuran homogen dan campuran heterogen. Ketika sesendok gula larut dalam air kita memperoleh campuran homogen di mana komposisi campuran adalah sama di seluruh bagiannya. Jika pasir dicampur dengan serbuk besi, maka butiran pasir dan serbuk besi tetap terpisah (Gambar 1.4). Jenis campuran ini disebut campuran heterogen karena komposisinya tidak seragam satu sama lain. Jenis campuran lain telah diciptakan oleh para ilmuwan melalui proses reaksi inti, yang merupakan materi bab 23.

Gambar 1.4 (a) Campuran mengandung serbuk besi dan pasir. (b) Sebuah magnet memisahkan serbuk besi dari campuran. Teknik yang sama digunakan pada skala yang lebih besar untuk memisahkan besi dan baja dari benda-benda non logam magnetik seperti aluminium, kaca, dan plastik.

Tabel 1.1 Beberapa Unsur Yang Umum dan Simbolnya

Nama	Simbol	Nama	Simbol	Nama	Simbol
Aluminium	Al	Kalium	K	Oksigen	O
Arsenik	As	Kalsium	Ca	Perak	Ag
Barium	Ba	Karbon	C	Platina	Pt
Belerang	S	Klorin	Cl	Posfor	P
Besi	Fe	Kobal	Co	Raksa	Hg
Bismut	Bi	Kromium	Cr	Seng	Zn
Bromin	Br	Magnesium	Mg	Silikon	Si
Emas	Au	Mangan	Mn	Tembaga	Cu
Florin	F	Natrium	Na	Timah	Sn
Hidrogen	H	Nikel	Ni	Timbal	Pb
Iodin	I	Nitrogen	N	Tungsten	W

Untuk kenyamanan, ahli kimia menggunakan simbol-simbol dari satu atau dua huruf untuk mewakili nama-nama unsur. Huruf pertama simbol selalu huruf kapital, tetapi setiap huruf berikutnya tidak. Misalnya, Co adalah simbol untuk unsur kobalt, sedangkan CO adalah rumus untuk molekul karbon monoksida. Tabel 1.1 menunjukkan nama dan simbol dari beberapa unsur yang lebih umum (sering dijumpai); daftar lengkap dari unsur dan simbol-simbolnya lihat dalam laman tabel periodik unsur. Simbol dari beberapa unsur yang berasal dari nama Latinnya, misalnya Au dari aurum (emas), Fe dari ferrum (besi), dan Na dari natrium (sodium) kebanyakan nama unsur berasal dari nama bahasa Inggrisnya. Lampiran 1 memberikan asal nama dan daftar penemu sebagian besar unsur.

Atom unsur sangat dapat berinteraksi satu sama lain membentuk senyawa. Gas hidrogen dibakar dengan gas oksigen membentuk air, yang memiliki sifat yang jelas berbeda dari unsur-unsur mula-mula. Air terdiri dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Komposisi ini tidak berubah, terlepas dari mana air berasal, dari keran di rumah atau dari sebuah danau, atau es di planet Mars. Dengan demikian, air adalah senyawa. Senyawa adalah zat yang terdiri dari dua atau lebih atom unsur kimia yang bergabung dalam proporsi/perbandingan tetap. Tidak seperti campuran, senyawa hanya dapat dipisahkan dengan cara kimia menjadi komponen-komponen murninya.

Hubungan antara unsur, senyawa, dan zat lain dari materi dirangkum dalam Gambar 1.5.

Gambar 1.5. Klasifikasi materi

Helium Primordial dan Teori Big Bang

Pernahkah Anda berpikir dari mana kita berasal? Bagaimana alam semesta dibentuk? Kapan sejarah alam semesta ini dimulai? Sebenarnya manusia telah membuat pertanyaan-pertanyaan ini sejak dahulu. Selama kita masih mampu berpikir, kita mencari jawaban dan memberikannya melalui metode ilmiah.

Pada tahun 1940 fisikawan Rusia-Amerika George Gamow membuat hipotesis bahwa alam semesta ini meledak yang terjadi miliaran tahun yang lalu dalam sebuah ledakan raksasa, atau yang dikenal dengan Big Bang. Pada saat-saat awal, alam semesta menempati volume kecil dan tak terbayangkan panasnya. Bola api terik radiasi bercampur dengan partikel mikroskopis dari materi secara bertahap mendingin sehingga cukup untuk atom-atom terbentuk. Di bawah pengaruh gravitasi, atom-atom ini mengelompok bersama-sama untuk membuat miliaran galaksi termasuk galaksi Bima Sakti.

Ide Gamow menarik dan sangat provokatif. Telah diuji secara eksperimental dalam beberapa cara. Pertama, pengukuran menunjukkan bahwa alam semesta berkembang; yaitu bahwa semua galaksi bergerak saling menjauh satu sama lain pada kecepatan tinggi. Fakta ini konsisten dengan kelahiran ledakan alam semesta. Dengan membayangkan perluasan berjalan mundur, seperti film secara terbalik, para astronom telah menyimpulkan bahwa alam semesta lahir atau terbentuk sekitar 13 miliar tahun yang lalu bahkan mungkin lebih. Pengamatan kedua yang mendukung hipotesis Gamow adalah deteksi radiasi kosmik. Selama miliaran tahun, alam semesta merupakan lautan panas yang kemudian telah mendingin sampai 3000°C (atau sekitar 2.270°C). Pada suhu ini, sebagian besar energi berada di wilayah microwave. Karena Big Bang terjadi secara serentak di seluruh volume kecil tersebut, alam semesta terbentuk, radiasi yang dihasilkan harus mengisi seluruh alam semesta. Dengan demikian, radiasi harus sama di setiap arah yang kita amati. Memang, arah sinyal microwave dicatat oleh para astronom secara independen.

Bagian ketiga dari bukti yang mendukung hipotesis Gamow adalah penemuan helium primordial. Para ilmuwan percaya bahwa helium dan hidrogen (unsur-unsur ringan) adalah unsur pertama yang dibentuk pada tahap awal evolusi kosmik (unsur-unsur yang lebih berat, seperti karbon, nitrogen, dan oksigen, yang diperkirakan berasal kemudian melalui reaksi inti yang melibatkan hidrogen dan helium di pusat bintang). Jika demikian, gas-gas berasal dari hidrogen dan helium dan menyebar menjadi alam semesta awal sebelum banyak galaksi terbentuk. Pada tahun 1995, astronom menganalisis sinar ultraviolet dari quasar yang jauh (sumber yang kuat dari gelombang cahaya dan radio yang dianggap sebuah galaksi yang meledak di tepi alam semesta) dan menemukan bahwa beberapa cahaya diserap oleh atom helium di jalan melalui bumi. Karena quasar tertentu ini adalah lebih dari 10 miliar tahun cahaya jaraknya dari bumi (satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam satu tahun), cahaya yang mencapai bumi mengungkapkan peristiwa yang terjadi 10 miliar tahun yang lalu. Mengapa tidak hidrogen lebih berlimpah yang terdeteksi? Sebuah atom hidrogen hanya memiliki satu elektron, yang dilucuti oleh cahaya dari quasar dalam proses yang dikenal sebagai ionisasi. Atom hidrogen terionisasi tidak dapat menyerap cahaya quasar ini. Sebuah atom helium, di sisi lain, memiliki dua elektron. Radiasi dapat melucuti atom helium satu elektron, tetapi tidak selalu baik, atom helium terionisasi tunggal masih bisa menyerap cahaya dan karena itu dapat terdeteksi.

Para pendukung penjelasan Gamow ini bersukacita ketika terdeteksi helium dari pelosok alam semesta. Dalam pengakuan semua bukti yang mendukung, para ilmuwan sekarang mengacu pada hipotesis Gamow sebagai teori Big Bang yaitu asal usul terbentuknya alam semesta.

1.3. Metode ilmiah

Setiap ilmu termasuk ilmu-ilmu sosial menggunakan metode ilmiah (scientific method). Metode ilmiah  merupakan suatu pendekatan yang sistematik untuk melakukan penelitian. Seorang psikolog ingin mengetahui bagaimana kebisingan mempengaruhi kemampuan seseorang belajar kimia. Sementara, seorang ahli kimia tertarik mengukur kalor yang dilepaskan saat gas hidrogen terbakar di udara. Keduanya mungkin mengikuti prosedur yang mirip dalam melaksanakan penyelidikan mereka. Langkah pertama adalah harus berhati-hati menetapkan masalah. Langkah berikutnya meliputi melakukan percobaan, melakukan pengamatan yang cermat, dan merekam/mencatat informasi atau mengumpulkan data tentang sistem-bagian dari alam semesta yang sedang diselidiki. (Dalam contoh yang baru saja dibahas, sistem adalah sekelompok orang yang akan belajar kimia (untuk psikolog) dan campuran hidrogen - udara (untuk ahli kimia). Data yang diperoleh dalam studi penelitian mungkin data kualitatif, yang terdiri dari pengamatan umum tentang sistem dan data kuantitatif yang terdiri dari angka-angka yang diperoleh dari berbagai pengukuran sistem. Ahli kimia umumnya menggunakan simbol-simbol dan persamaan baku dalam pencatatan hasil pengukuran dan pengamatannya. Bentuk representasi tidak hanya menyederhanakan proses menyimpan catatan, tetapi juga memberikan dasar yang umum untuk berkomunikasi dengan ahli kimia yang lain.


Ketika percobaan telah selesai dan data telah dicatat, langkah berikutnya dalam metode ilmiah adalah interpretasi atau penafsiran, yang berarti bahwa ilmuwan mencoba untuk menjelaskan fenomena yang diamati. Berdasarkan data yang dikumpulkan, peneliti merumuskan hipotesis atau penjelasan tentatif untuk satu perangkat pengamatan. Penelitian lebih lanjut yang dirancang untuk menguji validitas hipotesis dalam berbagai cara yang mungkin, dan proses penelitian dimulai lagi. Gambar 1.3 merangkum langkah-langkah utama dari proses penelitian.

Gambar 1.3 Tiga tingkatan penelitian kimia dan hubungannya. Observasi (pengamatan) berkaitan dengan peristiwa di dunia makroskopik; atom dan molekul merupakan dunia mikroskopik. Representasi adalah singkatan ilmiah untuk menjelaskan sebuah percobaan dalam bentuk simbol-simbol dan persamaan kimia. Ahli kimia menggunakan pengetahuannya tentang atom dan molekul untuk menjelaskan atau mengintepretasi fenomena yang diamati.

Setelah sejumlah besar data telah dikumpulkan, biasanya dilanjutkan dengan merangkum informasi secara ringkas, sebagai hukum. Dalam sains, hukum adalah pernyataan singkat lisan atau matematis dari hubungan antara fenomena yang selalu sama di bawah kondisi yang sama. Misalnya, hukum kedua Sir Isaac Newton tentang gerak, yang dapat kita ingat sejak SMA, yang mengatakan bahwa gaya sama dengan hasil kali percepatan dan massa (F = m x a). Hukum ini berarti bahwa peningkatan massa atau percepatan suatu benda akan selalu meningkatkan gaya secara proporsional dan penurunan massa atau percepatan akan selalu menurunkan gaya. 

Hipotesis yang bertahan setelah uji validitas eksperimental dapat berkembang menjadi teori. Sebuah teori adalah prinsip pemersatu yang menjelaskan fakta dan/atau hukum-hukum yang didasarkan padanya. Teori, juga terus-menerus diuji. Jika teori ini dibantah oleh eksperimen, maka harus dibuang atau dimodifikasi sehingga menjadi konsisten dengan pengamatan eksperimental. Terbukti atau tidak suatu teori dapat mengambil waktu bertahun-tahun, bahkan berabad-abad, sebagian karena teknologi yang diperlukan mungkin tidak tersedia pada waktu itu. Teori atom, yang akan kita pelajari dalam Bab 2, adalah contoh kasus ini. Butuh waktu lebih dari 2000 tahun untuk para ilmuwan bekerja di luar prinsip dasar kimia yang diusulkan oleh Demokritus, seorang filsuf Yunani kuno. Sebuah contoh yang lebih kontemporer adalah teori Big Bang tentang asal-usul alam semesta. 

Kemajuan ilmiah memerlukan rentang waktu, terkadang sangat lama, bahkan jarang atau tidak sama sekali, langkah-demi-langkah seperti yang dilakukan Thomas Alfa Edison ketika meneliti lampu pijar. Kadang-kadang hukum mendahului teori; kadang-kadang sebaliknya. Dua ilmuwan dapat mulai bekerja pada sebuah proyek dengan tujuan yang sama persis, tetapi mungkin berakhir dengan mengambil pendekatan yang sangat berbeda secara drastis. Para ilmuwan, semua manusia pada umumnya, dan cara mereka berpikir dan bekerja yang sangat dipengaruhi oleh latar belakang, pelatihan/pengalaman yang didapat, dan kepribadiannya masing-masing. 

Perkembangan ilmu pengetahuan tidak teratur dan bahkan kadang-kadang tidak logis. Penemuan besar biasanya hasil dari kontribusi kumulatif dan pengalaman banyak pekerja/peneliti sebelumnya, meskipun kredit untuk merumuskan teori atau hukum biasanya diberikan hanya oleh satu orang. Ada, tentu saja, unsur keberuntungan yang terlibat dalam penemuan-penemuan ilmiah, tetapi telah dikatakan bahwa "kesempatan nikmat disiapkan oleh pikiran." Dibutuhkan peringatan dan orang terlatih untuk mengenali pentingnya penemuan yang tidak disengaja dan mengambil keuntungan penuh dari situ. Lebih sering daripada tidak, masyarakat belajar hanya karena terobosan ilmiah yang spektakuler. Untuk setiap kisah sukses, ada ratusan kasus di mana para ilmuwan telah menghabiskan bertahun-tahun bekerja pada proyek-proyek yang pada akhirnya menemukan jalan buntu, dan di mana pencapaian positif datang setelah banyak belokan yang salah dan tampak sangat lambat. Namun bahkan jalan buntu pun menyumbangkan sesuatu untuk terus berkembangnya pengetahuan tentang alam semesta. Yang membuat banyak ilmuwan rela tetap bekerja di laboratorium adalah kecintaannya terhadap proses pencarian dan ilmu kimia itu sendiri.

1.2. Pelajaran Kimia

Dibandingkan dengan pelajaran lain, belajar kimia biasanya terkesan lebih sulit, setidaknya bagi siswa pada tingkat Sekolah Menengah Atas (SMA), bahkan mungkin bagi mahasiswa tingkat dasar semester awal (I dan II) walaupun sudah pernah belajar ilmu kimia, namun bukan tidak mungkin ilmu kimia masih terkesan sulit bagi beberapa mahasiswa. Ada beberapa alasan untuk persepsi ini, salah satunya adalah karena ilmu kimia memiliki perbendaharaan kata yang sangat khusus. Pada awalnya belajar kimia sama seperti mempelajari bahasa yang baru atau terkesan asing. Selain itu sebagian besar konsepnya bersifat abstrak. Terlepas dari apakah siswa atau mahasiswa baru pertama kali  belajar kimia, mereka tentunya sudah memiliki gambaran awal tentang sifat dasar ilmu kimia dan tentang apa yang dilakukan para ahli kimia. Mungkin kebanyakan orang berpikir ilmu kimia dipelajari di laboratorium  oleh seseorang yang mengenakan jas putih sambil memegang dan mengamati tabung reaksi dan sebagian lagi berpikir seorang ahli kimia adalah ahli membuat bom. Penggambaran seperti ini wajar bagi masyarakat pada umumnya. Sebenarnya dalam percakapan sehari-hari seseorang tentu pernah mendengar kata-kata yang memiliki hubungan dengan ilmu kimia, meskipun tidak dapat digunakan dalam arti yang tepat secara ilmiah, contohnya "elektronika," "kuantum," "kesetimbangan," "katalis," "reaksi," "energi", dan "zat". Selain itu, seseorang bisa saja sering memasak atau setidaknya melihat ibu memasak, sebenarnya mereka telah menjadi ahli kimia yang terlatih. Dari pengalaman yang diperoleh di dapur, seseorang dapat mengetahui bahwa minyak dan air tidak bercampur. Air yang tersisa di atas kompor akan mendidih dan menguap. Seorang koki menerapkan prinsip-prinsip kimia dan fisika saat mereka menggunakan baking soda untuk membuat roti, memilih pressure cooker (panci presto) untuk mempersingkat waktu yang dibutuhkan dalam menyajikan sup, menambahkan pelunak daging ketika memanggang, memeras jus lemon di atas irisan pir untuk mencegahnya berubah warna menjadi cokelat atau menambahkannya pada ikan untuk mengurangi bau amisnya, dan menambahkan cuka ke dalam air ketika merebus telur. Setiap hari banyak siswa atau mahasiswa telah mengamati perubahan tersebut tanpa berpikir tentang sifat kimianya. Tujuan belajar ilmu kimia dasar khususnya di blog ini adalah untuk membuat mahasiswa berpikir seperti ahli kimia berpikir, melihat hal-hal yang makroskopik di dunia yang bisa dilihat, disentuh, dan diukur secara langsung kemudian memvisualisasikan partikel-partikel (atom dan molekul) dan peristiwa dunia mikroskopik yang tidak bisa dilihat dan diukur tanpa teknologi modern. Mahasiswa harus terlatih untuk berimajinasi dan menggambarkan peristiwa dunia mikroskopik ini agar memiliki pemahaman ilmu kimia yang utuh.
Pada awalnya sebagian besar siswa atau bahkan mahasiswa tingkat dasar mungkin merasa bingung dan kesulitan mempelajari ilmu kimia  (misalnya mempelajari ilmu kimia di web chem.co.id ini) yang tampaknya hanya terus bergeser bolak-balik antara dunia makroskopik dan mikroskopik. Namun perlu diketahui dan diingat bahwa data untuk penyelidikan kimia yang paling sering muncul berasal dari pengamatan fenomena skala makroskopik, tetapi penjelasannya sering berada di dunia mikroskopik yang tak terlihat dengan mata biasa dan sebagian besar dengan membayangkan dan memvisualisasikan atom dan molekul. Dengan kata lain, ahli kimia sering melihat satu peristiwa di dunia makroskopik dan menjelaskan peristiwa tersebut pada level mikroskopik. Seorang ahli kimia melihat peristiwa paku berkarat (pada Gambar 1.2), dia mungkin akan berpikir dan berusaha menjelaskan tentang sifat-sifat dasar atom-atom besi dan bagaimana satuan-satuan ini saling berinteraksi dengan atom dan molekul lain sehingga menghasilkan perubahan yang diamati tersebut. Bagi mahasiswa yang tekun belajar ilmu kimia dapat menyelesaikan mata kuliah ini dengan berhasil dan bahkan dengan menyenangkan. Beberapa saran yang dapat membantu mahasiswa agar memiliki kebiasaan belajar yang baik dan dapat menguasai semua konsep ilmu kimia dalam blog ini, antara lain:

• Hadirilah kuliah secara teratur dan buatlah catatan dengan baik tentang materi yang diajarkan.
• Jika memungkinkan dan memiliki cukup waktu, selalu ulang topik yang dipelajari di kelas pada hari yang sama, baik sebelum dan sesudah pembelajaran di kelas. Bagi yang memiliki smartphone android, gunakan blog ini untuk belajar.
• Berpikir kritis. Tanya pada diri sendiri apakah saya benar-benar mengerti makna suatu istilah atau kegunaan suatu persamaan. Cara yang baik untuk memperoleh pemahaman adalah dengan menjelaskan suatu konsep kepada rekan sekelas.
• Jangan ragu untuk bertanya kepada dosen atau asisten dosen untuk memperoleh bantuan.

Anda akan menemukan bahwa pelajaran kimia jauh lebih luas daripada sekedar angka-angka, rumus, dan teori yang abstrak. Ilmu kimia adalah ilmu yang logis yang dipenuhi dengan gagasan dan berbagai terapan yang menarik dan relevan. Jangan puas dengan pengetahuan yang Anda miliki sekarang, teruslah belajar dan gali pengetahuan yang lebih banyak lagi dalam pelajaran kimia.

Gambar 1.2 Suatu molekul karat (Fe₂O₃) dibentuk dari atom besi (Fe) dan molekul oksigen (O₂). Pada kenyataannya prosesnya membutuhkan air, dan karat juga mengandung molekul air.

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.