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.