1.7. Pengukuran

Pengukuran digunakan seorang ahli kimia untuk mendapatkan data. Instrumen memungkinkan kita untuk mengukur sifat zat, misalnya meteran, buret, pipet, labu ukur dan pipet volume (Gambar 1.8) serta neraca analitik dan termometer. Instrumen ini memberikan hasil pengukuran sifat makroskopik, yang dapat ditentukan secara langsung. Sifat mikroskopik, pada skala atom atau molekul, harus ditentukan dengan metode tidak langsung, seperti yang akan kita bahas kemudian pada bab 2.

Suatu kuantitas yang diukur biasanya ditulis sebagai bilangan dengan satuan yang sesuai. Untuk mengatakan bahwa jarak antara Palangka Raya dan Sampit dengan mobil sepanjang rute tertentu adalah 227 km. Kita harus menentukan bahwa jarak tempuhnya 227 kilometer. Hal yang sama berlaku juga dalam kimia. Satuan sangat penting untuk menyatakan pengukuran dengan benar.

Selama bertahun-tahun, para ilmuwan mencatat pengukuran dalam satuan metrik, dalam bentuk desimal atau pun pangkat dari 10. Pada tahun 1960, konferensi internasional dilaksanakan untuk menyepakati satuan, mengusulkan sistem metrik perlu direvisi kemudian disebut Sistem Satuan Internasional (disingkat SI). Tabel 1.3 menunjukkan tujuh satuan pokok SI. Semua satuan lain pengukuran dapat diturunkan dari satuan pokok tersebut. Seperti satuan metrik, satuan SI yang dimodifikasi dalam mode desimal dengan serangkaian prefiks, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.4 Kita akan menggunakan keduanya, baik satuan metrik maupun satuan SI.

Pengukuran yang kita akan sering manfaatkan dalam penelitian kimia meliputi waktu, massa, volume, densitas (kerapatan), dan suhu.

Gambar 1.8 Beberapa perangkat pengukuran yang umum ditemukan di laboratorium kimia. Perangkat ini tidak digambar dengan skala relatif terhadap satu sama lain. Kita akan membahas penggunaan perangkat pengukuran pada bab 4.

Tabel 1.3 Satuan Pokok SI

Kuantitas Dasar	Satuan	Simbol
Panjang	Meter	m
Massa	Kilogram	kg
Waktu	Detik	s
Arus listrik	Amper	A
Suhu	Kelvin	K
Jumlah zat	Mol	mol
Intensitas cahaya	Kandela	cd

Tabel 1.4 Prefiks yang digunakan pada satuan pokok SI

Prefiks	Simbol	Nilai	Contoh
Tera-	T	1.000.000.000.000 atau 1012	1 terameter (Tm) = 1 x 1012m
Giga-	G	1.000.000.000 atau 109	1 gigameter (Gm) = 1 x 109m
Mega-	M	1.000.000 atau 106	1 megameter (Mm) = 1 x 106m
Kilo-	k	1.000 atau 103	1 kilometer (km) = 1 x 103m
Desi-	d	1/10 atau 10-1	1 desimeter (dm) = 1 x 10-1m
Senti-	c	1/100 atau 10-2	1 sentimeter (cm) = 1 x 10-2m
Mili-	m	1/1000 atau 10-3	1 milimeter (mm) = 1 x 10-3m
Mikro-	µ	1/1.000.000 atau 10-6	1 mikrometer (µm) = 1 x 10-6m
Nano-	n	1/1.000.000.000 atau 10-9	1 nanometer (nm) = 1 x 10-9m
Pico-	p	1/1.000.000.000.000 atau 10-12	1 picometer (pm) = 1 x 10-12m

Massa dan Berat

Istilah "massa" dan "berat" sering digunakan secara bergantian, meskipun telah ditegaskan keduanya berbeda. Massa adalah ukuran dari jumlah materi dalam suatu objek, sedangkan berat secara teknis, adalah gaya gravitasi yang diberikannya pada objek. Apel yang jatuh dari pohon ditarik ke bawah oleh gravitasi bumi. Massa apel adalah kuantitas tetap dan tidak tergantung pada lokasi, tetapi berat tergantung pada nilai gaya gravitasi lokasi objek. Sebagai contoh, pada permukaan bulan apel akan memiliki berat hanya seperenam dari beratnya di Bumi, karena gaya gravitasi di permukaan bulan hanya seperenam dari gaya gravitasi permukaan bumi. Gravitasi bulan yang lebih kecil memungkinkan astronot untuk melompat lebih bebas pada permukaannya. Ahli kimia tertarik terutama pada massa, yang dapat ditentukan dengan mudah dengan neraca. Proses pengukuran massa, anehnya sering disebut berat (kurang tepat).

Gambar 1.9 Protipe kilogram terbuat dari paduan logam platina-iridium. Disimpan dalam lemari besi di International Bureau of Weights And Measures di Sevres, Prancis. Pada tahun 2007 ditemukan bahwa paduan logam ini secara misterius telah kehilangan massa 50 mg.

Contoh:

Disuatu lokasi tertentu yang memiliki percepatan gravitasi (g) 9,8 m/s² sepotong batangan emas memiliki berat (W) 98 N. Massa (m) sepotong batangan emas tersebut dihitung dengan rumus W= m x g diperoleh nilai m = 10 g.

Satuan SI untuk massa adalah kilogram (kg), satuan panjang adalah meter (m) dan satuan waktu adalah detik (s). Peristiwa alam dapat diukur berulang oleh para ilmuwan di mana saja. Kilogram ditetapkan dalam hal objek tertentu (Gambar 1.9). Dalam kimia satuan yang lebih kecil gram (g) lebih nyaman digunakan karena untuk penelitian kimia perlu biaya yang mahal:

1 kg = 1000 g = 1 × 10³ g

Gambar 1.10 Volume

Volume

Satuan SI untuk panjang adalah meter (m), dan satuan SI yang diturunkan untuk volume adalah meter kubik (m³). Umumnya, ahli kimia bekerja dengan volume yang lebih kecil, seperti sentimeter kubik (cm³) dan desimeter kubik (dm³):

1 cm³ = (1x 10^-2 m)³ = 1 x 10^-6 m³

1 dm³ = (1x 10^-1 m)³ = 1 x 10^-3 m³
Satuan lain yang umum untuk volume adalah liter (L). Satu liter adalah volume yang ditempati oleh satu desimeter kubik (dm³). Satu liter volume sama dengan 1.000 mililiter (mL) atau 1.000 cm³:

1 L        = 1000 mL

     = 1000 cm³

     = 1 dm³

dan satu mililiter sama dengan satu sentimeter kubik:
1 mL = 1 cm³

Gambar 1.10 membandingkan ukuran relatif dari dua volume. Meskipun liter (L) bukan satuan SI, volume biasanya dinyatakan dalam liter dan mililiter.

Massa jenis atau densitas
Persamaan untuk massa jenis

di mana d, m, dan V masing-masing menunjukkan densitas, massa, dan volume. Karena densitas (massa jenis zat) adalah sifat intensif dan tidak tergantung pada kuantitas massa, untuk zat tertentu, rasio massa berbanding volume selalu tetap sama; dengan kata lain, V meningkat jika m meningkat. Densitas biasanya berubah dengan perubahan suhu.

Satuan SI yang diturunkan untuk massa jenis zat adalah kilogram per meter kubik (Kg/m³). Satuan ini agak besar untuk sebagian besar penerapan atau penelitian kimia. Oleh karena itu, gram per sentimeter kubik (g/cm³) yang setara dengan gram per mililiter (g/mL), yang lebih umum digunakan untuk massa jenis padat dan cair. Karena massa jenis gas seringkali sangat rendah, kita mengungkapkannya dalam satuan gram per liter (g/L):

1 g/cm³ = 1 g/mL = 1000 kg/m³

1 g/L = 0,001 g/mL

Tabel 1.5 Daftar massa jenis beberapa zat

Zat	Densitas (g/cm3)
etanol	0,79
air	1,00
raksa	13,6
natrium klorida	2,2
besi	7,9
emas	19,3

Skala Suhu

Ada tiga skala suhu yang umum digunakan yaitu satuan °F (derajat Fahrenheit), °C (derajat Celcius), dan K (Kelvin). Skala Fahrenheit merupakan skala yang paling umum digunakan di Amerika Serikat di luar laboratorium, menentukan titik beku dan titik didih normal air persis 32°F dan 212 °F. Skala Celsius membagi rentang antara titik beku air (0 °C) dan titik didih (100 °C). Tabel 1.3 menunjukkan, kelvin adalah satuan dasar SI untuk suhu: merupakan skala suhu mutlak. Mutlak berarti bahwa nol pada skala Kelvin, dilambangkan dengan 0 K, adalah suhu terendah yang dapat dicapai secara teoritis. Di sisi lain, 0°F dan 0°C didasarkan pada perilaku air. Gambar 1.11 membandingkan tiga skala suhu.

Gambar 1.11 Perbandingan dari tiga skala suhu, yaitu Celsius, Fahrenheit, dan skala mutlak Kelvin. Perhatikan bahwa ada 100 divisi, atau 100 derajat, antara titik beku dan titik didih air pada skala Celsius, dan ada 180 divisi, atau 180 derajat, antara dua batas suhu yang sama pada skala Fahrenheit. Skala Celsius sebelumnya disebut skala Centigrade.

Ukuran derajat pada skala Fahrenheit hanya 100/180, atau 5/9, dari tingkat pada skala Celsius. Untuk mengkonversi derajat Fahrenheit ke derajat Celsius, kita tuliskan

Persamaan berikut digunakan untuk mengkonversi derajat Celsius ke derajat Fahrenheit:

Baik Celcius maupun Kelvin memiliki satuan yang sama besarnya, yaitu satu derajat Celsius setara dengan satu Kelvin. Penelitian eksperimental telah menunjukkan bahwa nol mutlak pada skala Kelvin setara dengan -273,15°C pada skala Celsius. Dengan demikian, kita dapat menggunakan persamaan berikut untuk mengkonversi derajat Celsius ke Kelvin:

Kita akan sering menjumpai konversi antara derajat Celcius dan derajat Fahrenheit serta antara derajat Celsius dan Kelvin.

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