A. Sifat-Sifat Asam, Basa, dan Garam
Bagaimana rasa permen vitamin C atau kuah bakso yang diberi
cuka? Tentu kamu akan menjawab rasanya masam. Pernahkah kamu
mencicipi garam? Bagaimana rasanya? Bagaimanakah rasa jamu?
Rasanya pahit atau manis? Rasa pahit merupakan salah satu sifat
zat yang bersifat basa.
Memang, sejak zaman dahulu asam, basa, dan garam sudah
dikenal, karena banyak bahan makanan atau minuman yang
digunakan dalam kehidupan sehari-hari bersifat asam, basa atau
garam. Coba kamu sebutkan contoh bahan makanan atau minuman
yang bersifat asam.
Istilah asam (acid) berasal dari bahasa Latin acetum yang
berarti cuka. Seperti diketahui, zat utama dalam cuka adalah asam
asetat. Basa (alkali) berasal dari bahasa Arab yang berarti abu.
Apakah sifat asam, basa, dan garam itu? Coba kamu perhatikan
larutan pembersih porselin atau keramik. Apa yang terjadi jika larutan
pembersih tersebut terkena lantai keramik? Coba kamu simpulkan
sifat-sifat asam!
Pernahkah kamu mencuci dengan deterjen atau sabun? Apa
yang kamu rasakan pada tanganmu itu? Apakah licin dan terasa
panas? Seperti halnya dengan sabun, basa bersifat kaustik (licin),
selain itu basa juga bersifat alkali (bereaksi dengan protein di dalam
kulit sehingga sel-sel kulit akan mengalami pergantian).
Kita dapat mengenali asam dan basa dari rasanya. Namun, kita
dilarang mengenali asam dan basa dengan cara mencicipi karena
cara tersebut bukan merupakan cara yang aman. Bagaimanakah cara
mengidentifikasi asam dan basa yang baik dan aman? Kamu dapat
mengenali asam dan basa dengan menggunakan indikator. Indikator
yaitu suatu bahan yang dapat bereaksi dengan asam, basa, atau
garam sehingga akan menimbulkan perubahan warna.
1. Asam
Kamu sudah mengetahui jika asam merupakan salah satu penyusun
dari berbagai bahan makanan dan minuman, misalnya cuka, keju,
dan buah-buahan. Menurut Arrhenius, asam adalah zat yang dalam
air akan melepaskan ion H+. Jadi, pembawa sifat asam adalah ion H+
(ion hidrogen), sehingga rumus kimia asam selalu mengandung atom
hidrogen. Tahukah kamu perbedaan antara ion, kation, dan anion? Ion
adalah atom atau sekelompok atom yang bermuatan listrik. Kation
adalah ion yang bermuatan listrik positif. Adapun anion adalah ion
yang bermuatan listrik negatif.
Sifat khas lain dari asam adalah dapat bereaksi dengan berbagai
bahan seperti logam, marmer, dan keramik. Reaksi antara
asam dengan logam bersifat korosif. Contohnya, logam besi dapat
bereaksi cepat dengan asam klorida (HCl) membentuk Besi (II)
klorida (FeCl2).
Tabel 2.1 Beberapa Asam yang Telah Dikenal dalam Kehidupan
Nama Asam Rumus Kimia Terdapat dalam
Asam asetat CH3COOH Larutan cuka
Asam askorbat C6H8O6 Jeruk, tomat, sayuran
Asam sitrat C6H8O7 Jeruk
Asam borat H3BO3 Larutan pencuci mata
Asam karbonat H2CO3 Minuman berkarbonasi
Asam klorida HCl Asam lambung
Asam nitrat HNO3 Pupuk, peledak TNT
Asam fosfat H3PO4 Deterjen, pupuk
Asam tartrat C4H6O6 Anggur
Asam malat C4H6O5 Apel
Asam formiat HCOOH Sengatan lebah
Asam laktat C3H6O3 Keju
Asam benzoat C6H5COOH Bahan pengawet makanan
Berdasarkan asalnya, asam dikelompokkan dalam 2 golongan,
yaitu asam organik dan asam anorganik. Tahukah kamu apa bedanya?
Asam organik umumnya bersifat asam lemah, korosif, dan banyak
terdapat di alam. Asam anorganik umumnya bersifat asam kuat dan
korosif. Karena sifat-sifatnya itulah, maka asam-asam anorganik
banyak digunakan di berbagai kebutuhan manusia.
Gambar 2.3 Beberapa Buah yang Mengandung Asam
Sumber Gambar: Dokumentasi Penerbit
Asam sitrat merupakan asam organik lemah yang ditemukan pada daun dan buah tumbuhan genus
Citrus (jeruk-jerukan). Senyawa ini merupakan bahan pengawet yang baik dan alami, selain digunakan
sebagai penambah rasa masam pada makanan dan minuman ringan. Asam sitrat dikenal sebagai senyawa
antara dalam siklus asam sitrat. Asam ini penting dalam metabolisme makhluk hidup, sehingga ditemukan
pada hampir semua makhluk hidup. Zat ini juga dapat digunakan sebagai zat pembersih yang ramah
lingkungan dan sebagai antioksidan.
Diskusikan 2.1
Mengapa susu yang basi lebih bersifat asam dibanding susu segar?
Warta IPA
2. Basa (Hidroksida)
Jika kamu mencuci tangan dengan sabun, apa yang kamu rasakan
pada tanganmu? Dalam keadaan murni, basa umumnya berupa
kristal padat dan bersifat kaustik. Beberapa produk rumah tangga
seperti deodoran, obat maag (antacid) dan sabun serta deterjen
mengandung basa.
Basa adalah suatu senyawa yang jika dilarutkan dalam air
(larutan) dapat melepaskan ion hidroksida (OH-). Oleh karena itu,
semua rumus kimia basa umumnya mengandung gugus OH.
Jika diketahui rumus kimia suatu basa, maka untuk memberi
nama basa, cukup dengan menyebut nama logam dan diikuti kata
hidroksida.
Asam sitrat terdapat pada berbagai jenis buah dan sayuran. Asam sitrat yang konsentrasi tinggi,
mencapai 8% bobot kering, terdapat pada jeruk lemon dan limau (misalnya jeruk nipis dan jeruk purut).
Rumus kimia asam sitrat adalah C6H8O7.
Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/Asam_sitrat
Contoh Soal 2.1
Soal
Tulislah nama dari senyawa basa berikut!
a. NaOH c. KOH
b. Ca(OH)2 d. Mg(OH)2
Pembahasan
a. NaOH = Natrium hidroksida
b. Ca(OH)2 = Kalsium hidroksida
c. KOH = Kalium hidroksida
d. Mg(OH)2 = Magnesium hidroksida
Tahukah kamu, basa apa yang ada di sekitar kita? Mari kita
cermati tabel berikut ini.
Tabel 2.2 Beberapa Jenis Basa yang Telah Dikenal
Nama Basa Rumus Kimia Basa Terdapat dalam
Aluminium hidroksida
Kalsium hidroksida
Magnesium hidroksida
Natrium hidroksida
Al(OH)3
Ca(OH)2
Mg(OH)2
NaOH
Deodoran, obat maag
Plester
Obat pencahar (antacid)
Sabun, pembersih saluran air
Sumber: Dokumentasi Penerbit
003 bab 2.indd 36 7/18/2008 7:08:46 PM
Bab 2 Asam, Basa, dan Garam 37
Gambar 2.5 Garam Dapur
Foto: Dokumentasi Penerbit
3. Garam
Jika mendengar kata ”garam”, pastilah yang terbayang pada benakmu
adalah garam dapur. Garam dapur memang merupakan salah satu
contoh garam.
Dalam kehidupan sehari-hari pernahkah kamu melihat orang
yang sakit perut (maag dan sejenisnya)? Tahukah kamu mengapa
orang yang sakit maag minum obat sakit maag atau antacid? Apakah
antacid itu? Orang mengalami sakit perut disebabkan asam lambung
yang meningkat. Untuk menetralkan asam lambung (HCl) digunakan
antacid. Antacid mengandung basa yang dapat menetralkan kelebihan
asam lambung (HCl).
Umumnya zat-zat dengan sifat yang berlawanan, seperti asam
dan basa cenderung bereaksi membentuk zat baru. Bila larutan
asam direaksikan dengan larutan basa, maka ion H+ dari asam akan
bereaksi dengan ion OH- dari basa membentuk molekul air.
H+ (aq) + OH- (aq) H2O (ℓ)
Asam Basa Air
Karena air bersifat netral, maka reaksi asam dengan basa
disebut reaksi penetralan.
Apakah terjadi reaksi antara ion negatif dari asam dan ion positif
logam dari basa? Ion-ion ini akan bergabung membentuk senyawa
ion yang disebut garam. Bila garam yang terbentuk ini mudah larut
dalam air, maka ion-ionnya akan tetap ada di dalam larutan. Tetapi
jika garam itu sukar larut dalam air, maka ion-ionnya akan bergabung
membentuk suatu endapan. Jadi, reaksi asam dengan basa disebut
juga reaksi penggaraman karena membentuk senyawa garam.
Mari kita simak contoh reaksi pembentukan garam berikut!
Asam + Basa Garam + Air
Asam klorida + Natrium hidroksida Natrium klorida + air
HCl (aq) + Na OH (aq) Na Cl (aq) + H2O (ℓ)
Asam Basa Garam Air
Walaupun reaksi asam dengan basa disebut reaksi penetralan,
tetapi hasil reaksi (garam) tidak selalu bersifat netral. Sifat asam
basa dari larutan garam bergantung pada kekuatan asam dan basa
penyusunnya.
003 bab 2.indd 37 7/18/2008 7:08:51 PM
38 IPA Terpadu SMP/MTs Kelas VII
Garam yang berasal dari asam kuat dan basa kuat bersifat
netral, disebut garam normal, contohnya NaCl dan KNO3. Garam
yang berasal dari asam kuat dan basa lemah bersifat asam dan
disebut garam asam, contohnya adalah NH4 Cl. Garam yang berasal
dari asam lemah dan basa kuat bersifat basa dan disebut garam
basa, contohnya adalah CH3COONa.
Contoh asam kuat adalah HCl, HNO3, H2SO4. Adapun KOH, NaOH,
Ca(OH)2 termasuk basa kuat.
Simaklah beberapa garam yang telah dikenal dalam kehidupan
sehari-hari pada tabel berikut. Apa sajakah garam yang ada dalam
kehidupan kita?
4. Larutan Asam, Basa, dan Garam Bersifat
Elektrolit
Pernahkah kamu melihat seseorang mencari ikan dengan menggunakan
”setrum” atau aliran listrik yang berasal dari aki? Apa yang
terjadi setelah beberapa saat ujung alat yang telah dialiri arus listrik
itu dicelupkan ke dalam air sungai? Ternyata ikan yang berada di
sekitar ujung alat itu terkena aliran listrik dan pingsan atau mati.
Apakah air dapat menghantarkan listrik?
Sebenarnya air murni adalah penghantar listrik yang buruk.
Akan tetapi bila dilarutkan asam, basa, atau garam ke dalam air maka
larutan ini dapat menghantarkan arus listrik. Zat-zat yang larut dalam
air dan dapat membentuk suatu larutan yang menghantarkan arus
listrik dinamakan larutan elektrolit. Contohnya adalah larutan garam
dapur dan larutan asam klorida. Zat yang tidak menghantarkan arus
listrik dinamakan larutan nonelektrolit. Contohnya adalah larutan
gula dan larutan urea.
Untuk mengetahui suatu larutan dapat menghantarkan arus
listrik atau tidak, dapat diuji dengan alat penguji elektrolit. Alat penguji
elektrolit sederhana terdiri dari dua elektroda yang dihubungkan
dengan sumber arus listrik searah dan dilengkapi dengan lampu,
serta bejana yang berisi larutan yang akan diuji. Mari kita lakukan
kegiatan berikut untuk mengetahui apakah asam, basa, dan garam
dapat menghantarkan arus listrik.
Tabel 2.3 Beberapa Garam yang Telah Dikenal
Nama Garam Rumus Nama Dagang Kegunaan
Natrium klorida
Kalsium karbonat
Kalium nitrat
Kalium karbonat
Natrium fosfat
Amonium klorida
NaCl
CaCO3
KNO3
K2CO3
Na3PO4
NH4Cl
Garam dapur
Kalsit
Salpeter
Potas
TSP
Salmoniak
Penambah rasa
Bahan cat
Pupuk
Bahan sabun
Bahan deterjen
Bahan baterai
Sumber: Dokumentasi Penerbit
003 bab 2.indd 38 7/18/2008 7:08:51 PM
Bab 2 Asam, Basa, dan Garam 39
Uji Larutan Berdasarkan Daya Hantar Listrik
Tujuan
Menguji larutan berdasarkan daya hantar listriknya
Alat dan Bahan
1. Gelas kimia 5. Larutan NaCl
2. Elektroda karbon 6. Larutan asam cuka
3. Baterai 7. Larutan NaOH
4. Bola lampu 8. Larutan gula
Petunjuk Kerja
1. Rangkailah alat uji elektrolit seperti tampak pada gambar di atas.
2. Isilah gelas dengan larutan asam asetat.
3. Celupkan elektroda ke dalam larutan asam asetat.
4. Amatilah bola lampu, perubahan apa yang terjadi?
5. Ulangi kegiatan di atas dengan mengganti larutan asam asetat dengan larutan NaOH,
larutan NaCl, dan larutan gula secara bergantian.
6. Catat hasil pengamatan dalam tabel.
7. Buatlah kesimpulan dari hasil kegiatan dan diskusikan bersama teman satu kelompok.
Tabel 2.4 Hasil Pengamatan Uji Larutan Elektrolit dan Nonelektrolit
No Larutan
Nyala Lampu Gelembung Gas
Terang Redup Padam Ada
Tidak
ada
Pertanyaan
1. Apa yang disebut dengan larutan?
2. Apa yang disebut dengan larutan elektrolit kuat, larutan elektrolit lemah, dan larutan
nonelektrolit?
3. Berdasarkan kegiatan yang kamu lakukan, berilah contoh larutan elektrolit lemah, kuat,
dan nonelektrolit.
Kegiatan Ilmiah 2.1
Gambar 2.6 Rangkaian Alat Penguji Elektrolit
Sumber Gambar: Dokumentasi Penerbit
003 bab 2.indd 39 7/18/2008 7:08:52 PM
40 IPA Terpadu SMP/MTs Kelas VII
B. Identifikasi Asam, Basa, dan Garam
Banyak sekali larutan di sekitar kita, baik yang bersifat asam,
basa, maupun netral. Tahukah kamu bagaimana cara menentukan
sifat asam dan basa larutan secara tepat? Indikator yang dapat
digunakan adalah indikator asam basa. Indikator adalah zat-zat
yang menunjukkan indikasi berbeda dalam larutan asam, basa,
dan garam. Cara menentukan senyawa bersifat asam, basa, atau
netral dapat menggunakan kertas lakmus dan larutan indikator atau
indikator alami.
Berikut adalah beberapa cara menguji sifat larutan.
1. Identifikasi dengan Kertas Lakmus
Warna kertas lakmus dalam larutan asam, larutan basa dan larutan
bersifat netral berbeda. Ada dua macam kertas lakmus, yaitu lakmus
merah dan lakmus biru. Sifat dari masing-masing kertas lakmus
tersebut adalah sebagai berikut.
a. Lakmus merah dalam larutan asam berwarna merah dan dalam
larutan basa berwarna biru.
b. Lakmus biru dalam larutan asam berwarna merah dan dalam
larutan basa berwarna biru.
c. Lakmus merah maupun biru dalam larutan netral tidak berubah
warna.
1. Sebutkan masing-masing tiga contoh senyawa asam dan senyawa basa beserta dengan
manfaatnya dalam kehidupan sehari-hari!
2. Sebutkan manfaat dan kerugian asam bagi kita dan lingkungan!
3. Dari persamaan reaksi berikut, manakah yang termasuk asam, basa, dan garam?
HNO3 (aq) + KOH (aq) KNO3 (aq) + H2O (ℓ)
4. Apakah yang dimaksud dengan garam asam dan garam basa? Sebutkanlah contohnya?
Asah Kemampuan 2.1
Gambar 2.7 Bagian-Bagian Kertas Lakmus
Sumber Gambar: Suroso AY, D Kardiawarman. Ensiklopedia Sains dan
Kehidupan (2003)
Agar kamu lebih paham mengenai materi ini, mari kita lakukan
kegiatan berikut.
Bagian yang
dicelupkan ke
dalam larutan
asam
Kertas lakmus
merah
Kertas lakmus
Biru
Bagian yang
dicelupkan ke dalam
larutan basa
003 bab 2.indd 40 7/18/2008 7:08:53 PM
Bab 2 Asam, Basa, dan Garam 41
Identifikasi Larutan Asam, Basa,
dan Garam Menggunakan Kertas Lakmus
Tujuan
Mengidentifikasi larutan asam, basa, dan garam menggunakan kertas lakmus
Alat dan Bahan
1. Gelas plastik/gelas kimia
2. Pelat tetes
3. Pipet tetes
4. Kertas lakmus
5. Bahan-bahan kimia dalam kehidupan sehari-hari, seperti cuka, air aki, teh, sabun, kapur,
air sumur, garam, dan air jeruk.
Petunjuk Kerja
1. Kumpulkan bahan-bahan kimia dalam kehidupan sehari-hari yang berupa bahan padat
atau larutan.
2. Larutkan bahan-bahan yang padat tersebut ke dalam air.
3. Masukkan atau celupkan kertas lakmus ke dalam cekungan-cekungan pelat tetes.
4. Teteskan dengan pipet tetes asam, basa, dan netral dari bahan-bahan tersebut pada
lakmus yang terdapat di dalam cekungan pelat tetes.
5. Catat hasil pengamatan dalam tabel dan klasifikasikan bahan-bahan tersebut berdasarkan
sifatnya.
6. Buatlah kesimpulan dari hasil kegiatan dan susunlah laporannya.
Tabel 2.5 Hasil Pengamatan Identifikasi Larutan dengan Kertas Lakmus
No. Bahan-Bahan
Hasil Pengamatan
dengan Lakmus
Asam Basa Netral
1. Larutan cuka
2. Air jeruk
3. Air aki
4. Larutan gula
5. Larutan sabun
6. Larutan kapur
7. Air teh
8. Air sumur
9. Larutan garam dapur
Pertanyaan
1. Apa yang terjadi pada kertas lakmus jika ditetesi dengan larutan asam, basa, atau larutan
netral?
2. Mengapa larutan yang netral tidak dapat menunjukkan perubahan warna pada lakmus?
Kegiatan Ilmiah 2.2
003 bab 2.indd 41 7/18/2008 7:08:53 PM
42 IPA Terpadu SMP/MTs Kelas VII
2. Identifikasi Larutan Asam dan Basa Menggunakan
Indikator Alami
Percobaan yang telah kamu lakukan adalah mengidentifikasi suatu
larutan bersifat asam, basa atau netral dengan menggunakan kertas
lakmus. Adakah cara lain untuk mengidentifikasi suatu larutan?
Ada beberapa cara yang dapat kamu lakukan sendiri di rumah,
yaitu dengan menggunakan indikator alami. Berbagai bunga yang
berwarna atau tumbuhan, seperti daun, mahkota bunga, kunyit, kulit
manggis, dan kubis ungu dapat digunakan sebagai indikator asam
basa. Ekstrak atau sari dari bahan-bahan ini dapat menunjukkan
warna yang berbeda dalam larutan asam basa.
Sebagai contoh, ambillah kulit manggis, tumbuklah sampai
halus dan campur dengan sedikit air. Warna kulit manggis adalah
ungu (dalam keadaan netral). Jika ekstrak kulit manggis dibagi dua
dan masing-masing diteteskan larutan asam dan basa, maka dalam
larutan asam terjadi perubahan warna dari ungu menjadi cokelat
kemerahan. Larutan basa yang diteteskan akan mengubah warna
dari ungu menjadi biru kehitaman.
Agar kamu lebih paham dengan pokok bahasan ini, mari kita
lakukan kegiatan berikut.
Identifikasi Larutan Asam, Basa, dan Garam
dengan Menggunakan Indikator Alami
Tujuan
Mengidentifikasi larutan asam, basa, dan garam dengan menggunakan indikator alami
Kegiatan Ilmiah 2.3
Gambar 2.8 Beberapa Macam Indikator Alami
Sumber Gambar: Dokumentasi Penerbit
(a) Kubis Ungu (b) Bunga Mawar (c) Bunga Sepatu (d) Kunyit
003 bab 2.indd 42 7/18/2008 7:09:07 PM
Bab 2 Asam, Basa, dan Garam 43
Alat dan Bahan
1. Lumpang dan alu 7. Air kapur
2. Corong 8. Air suling
3. Tabung reaksi 9. Larutan NaOH
4. Pipet tetes 10. Larutan HCl
5. Gelas ukur 11. Larutan garam dapur
6. Bunga berwarna atau bahan alam 12. Larutan cuka
Petunjuk Kerja
1. Siapkan bermacam-macam bunga berwarna atau bahan alam (misalnya bunga sepatu,
bunga mawar, kunyit, bougenvile, dan bunga kana)
2. Siapkan lumpang dan alu.
3. Tumbuklah bahan-bahan tersebut dengan menggerusnya dan tambahkan air ± 5 ml.
Kemudian, amati indikator warnanya.
4. Siapkan 5 tabung reaksi yang berisi larutan yang akan diuji
5. Masukkan masing-masing 1 ml ekstrak ke dalam 5 tabung reaksi.
6. Masukkan masing-masing 5 tetes larutan cuka ke dalam tabung reaksi 1, larutan natrium
klorida ke dalam tabung 2, dan larutan natrium hidroksida ke dalam tabung 3. Amati
perubahan warna indikator dalam larutan.
7. Lakukan dengan cara yang sama untuk ektrak bahan lain dan dalam larutan lainnya.
8. Catat perubahan warna indikator alami tersebut ke dalam tabel
9. Buatlah kesimpulan dari hasil kegiatan, kemudian diskusikan dengan teman satu kelompok.
Tabel 2.6 Hasil Pengamatan Identifikasi Larutan dengan Indikator Alami
No. Indikator Alami
Warna Indikator
Mula-Mula
Warna Indikator Dalam Larutan
Asam Cuka Garam NaOH
1. Bunga sepatu
2. Kunyit
3. Bunga kana
4. Bunga mawar
5. Bunga bougenvile
Pertanyaan
1. Perubahan warna apa yang terjadi pada ekstrak yang ditetesi dengan larutan asam, basa
atau larutan netral?
2. Mengapa larutan yang netral tidak dapat menunjukkan perubahan warna pada
ekstrak?
003 bab 2.indd 43 7/18/2008 7:09:07 PM
44 IPA Terpadu SMP/MTs Kelas VII
C. Penentuan Skala Keasaman dan Kebasaan
1. Kekuatan Asam dan Basa
Masih ingatkah kamu dengan sifat asam dan basa? Misalnya beberapa
jenis asam dapat diminum atau dikonsumsi, sebaliknya ada
beberapa asam yang berbahaya bila kena kulit, karena dapat merusak
jaringan. Asam juga dapat merusak logam dan keramik.
Apakah asam dan basa mempunyai kekuatan yang sama?
Kekuatan suatu asam atau basa tergantung bagaimana senyawa
tersebut dapat diuraikan menjadi ion-ion dalam air. Peristiwa terurainya
suatu zat menjadi ion-ionnya dalam air disebut ionisasi.
Asam atau basa yang terionisasi secara sempurna dalam larutan
merupakan asam kuat atau basa kuat. Sebaliknya asam atau basa
yang hanya terionisasi sebagian merupakan asam lemah atau basa
lemah.
Jika ingin mengetahui kekuatan asam dan basa kamu dapat
melakukan percobaan sederhana. Perhatikan nyala lampu saat
mengadakan percobaan uji larutan elektrolit. Bila nyala lampu redup
berarti larutan tergolong asam atau basa lemah, sebaliknya apabila
nyala lampu terang berarti larutan tersebut tergolong asam atau
basa kuat.
1. Apa yang dimaksud dengan indikator asam basa?
2. Sebutkan beberapa cara yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi larutan asam, basa,
dan garam! Jelaskan masing-masing cara tersebut!
3. Bagaimanakah sifat lakmus merah dan lakmus biru pada larutan asam, basa, dan garam?
4. Sebutkan bahan-bahan alam yang dapat digunakan sebagai indikator alami?
a) Nyala Lampu Redup b) Nyala Lampu Terang
Gambar 2.9 Uji Kekuatan Larutan Asam dan Basa Berdasarkan Nyala Lampu
Sumber Gambar: Dokumentasi Penerbit
Asah Kemampuan 2.2
003 bab 2.indd 44 7/18/2008 7:09:08 PM
Bab 2 Asam, Basa, dan Garam 45
Asam kuat atau asam lemah pada konsentrasi yang sama
menghantarkan listrik yang berbeda. Nyala lampu pada Gambar 2.9(a)
(halaman 95) tampak redup. Ini berarti larutan yang diuji berupa
asam lemah atau basa lemah. Adapun pada Gambar 2.9(b) lampu
menyala terang, menandakan bahwa larutan yang diuji berupa asam
kuat atau basa kuat.
Belajar IPA melalui Internet
Kamu dapat belajar materi ini dengan mengakses website http://id.wikipedia.org./asam basa
2. Derajat Keasaman dan Kebasaan (pH dan pOH)
Mungkin kamu pernah mendengar istilah pH suatu larutan. Apakah pH
itu? Pada dasarnya derajat/tingkat keasaman suatu larutan (pH =
potenz Hydrogen)) bergantung pada konsentrasi ion H+ dalam larutan.
Semakin besar konsentrasi ion H+ semakin asam larutan tersebut.
Umumnya konsentrasi ion H+ pada larutan sangat kecil, maka
untuk menyederhanakan penulisan digunakan konsep pH untuk
menyatakan konsentrasi ion H+. Nilai pH sama dengan negatif
logaritma konsentrasi ion H+ dan secara matematika dinyatakan
dengan persamaan
pH = - log (H+)
Analog dengan pH, konsentrasi ion OH– juga dapat dinyatakan
dengan cara yang sama, yaitu pOH (Potenz Hydroxide) dinyatakan
dengan persamaan berikut.
pOH = - log (OH-)
Derajat keasaman suatu zat (pH) ditunjukkan dengan skala
0—14.
a. Larutan dengan pH < 7 bersifat asam.
b. Larutan dengan pH = 7 bersifat netral.
c. Larutan dengan pH > 7 bersifat basa.
Jumlah harga pH dan pOH = 14. Misalnya, suatu larutan memiliki
pOH = 5, maka harga pH = 14 – 5 = 9. Harga pH untuk beberapa
jenis zat yang dapat kita temukan di lingkungan sehari-hari dinyatakan
dalam Tabel 2.7 (halaman 46).
003 bab 2.indd 45 7/18/2008 7:09:08 PM
46 IPA Terpadu SMP/MTs Kelas VII
Tabel 2.7 Harga pH untuk Beberapa Jenis Zat
No. Harga pH Contoh Material
1 1 Larutan HCl 0,1 M
2. 6 Susu
3. 7 Air murni
4. 7,2 Darah
5. 14 Larutan NaOH 1 M
3. Menentukan pH Suatu Larutan
Derajat keasaman (pH) suatu larutan dapat ditentukan menggunakan
indikator universal, indikator stick, larutan indiaktor, dan pH meter.
a. Indikator Universal
Indikator universal merupakan campuran dari bermacammacam
indikator yang dapat menunjukkan pH suatu larutan
dari perubahan warnanya. Indikator universal ada dua macam
yaitu indikator yang berupa kertas dan larutan.
b. Indikator Kertas (Indikator Stick)
Indikator kertas berupa kertas serap dan tiap kotak kemasan
indikator jenis ini dilengkapi dengan peta warna. Penggunaannya
sangat sederhana, sehelai indikator dicelupkan ke dalam
larutan yang akan diukur pH-nya. Kemudian dibandingkan
dengan peta warna yang tersedia.
Warta IPA
pH dan Rambut
Rambut normal memiliki pH sekitar 5, jadi bersifat asam lemah. Pada pH ini, rambut terasa lembut,
kuat, dan sehat. Larutan basa membuat rambut menjadi kusam, mudah patah atau menjadi keriting. Untuk
membersihkan rambut, kita menggunakan shampo. Umumnya shampo bersifat basa, karena shampo
terbuat dari senyawa basa dengan minyak atau lemak. Senyawa yang bersifat basa dapat merusak rambut
kita, sehingga kadang kita menggunakan kondisioner setelah memakai shampo. Kondisioner berisi senyawa
yang bersifat asam lemah, seperti asam sitrat. Hal ini bertujuan untuk menetralkan kelebihan senyawa
basa yang tertinggal dari pemakaian shampo.
Sumber: Chemistry Insight “0” Level (2007: 264)
Sumber: Dokumentasi Penerbit
003 bab 2.indd 46 7/18/2008 7:09:09 PM
Bab 2 Asam, Basa, dan Garam 47
c. Larutan Indikator
Salah satu contoh indikator universal jenis larutan adalah larutan
metil jingga (Metil Orange = MO). Pada pH kurang dari 6 larutan
ini berwarna jingga, sedangkan pada pH lebih dari 7 warnanya
menjadi kuning (Gambar 2.11).
Contoh indikator cair lainnya adalah indikator fenolftalin (Phenolphtalein
= pp). pH di bawah 8, fenolftalin tidak berwarna,
dan akan berwarna merah anggur apabila pH larutan di atas 10
(Gambar 2.12).
Gambar 2.10 Penentuan pH Larutan dengan Indikator Kertas
Sumber Gambar: Suroso AY, Anna P, Kordiyawarman Ensiklopedia Sains dan Kehidupan (2003)
Gambar 2.11 Warna
Indikator Metil Jingga
dalam Larutan dengan pH 2,
7, dan 11
Sumber Gambar: Suroso
AY, Anna P, Kordiyawarman
Ensiklopedia Sains dan
Kehidupan (2003)
d. pH Meter
Pengujian sifat larutan asam basa dapat juga menggunakan pH
meter. Penggunaan alat ini dengan cara dicelupkan pada larutan
yang akan diuji, pada pH meter akan muncul angka skala yang
menunjukkan pH larutan.
Gambar 2.12 Warna indikator fenolftalin dalam Larutan Asam (Jernih) dan
Dalam Larutan Basa (Merah Muda)
Sumber Gambar: Suroso AY, D Kardiawarman. Ensiklopidia Sains dan Kehidupan
(2003)
(a) Larutan Asam (b) Larutan Basa
Indikator
universal
Bersifat asam Netral Bersifat biasa
Indikator universal
003 bab 2.indd 47 7/18/2008 7:09:11 PM
48 IPA Terpadu SMP/MTs Kelas VII
Gambar 2.13 Beberapa Jenis pH Meter Digital
Sumber Gambar: www.automation.co.th; www.lodi.gov (2008)
1. Jelaskan yang dimaksud dengan:
a. asam kuat
b. asam lemah
c. basa kuat
d. basa lemah
2. Jelaskan cara yang dapat dilakukan untuk menentukan kekuatan asam dan basa!
3. Berdasarkan Tabel 2.7 (halaman 46), zat apa sajakah yang berbahaya jika terkena kulit?
4. Sebutkan beberapa contoh bahan atau material yang memiliki sifat asam dan memiliki sifat
basa!
5. Jelaskan tiga cara yang dapat dilakukan untuk menentukan pH suatu larutan!
Rangkuman
Larutan dapat bersifat asam, basa, atau garam. Larutan asam rasanya masam, memiliki
pH kurang dari 7, serta bereaksi dengan logam dan bahan lainnya. Reaksi asam dengan logam
bersifat korosif. Adapun larutan basa rasanya pahit, terasa licin, dan harga pH lebih besar dari
7. Garam merupakan hasil reaksi dari asam dan basa. Ada tiga jenis garam, yaitu garam normal
(pH = 7), garam asam (pH < 7), dan garam basa (pH > 7).
Harga pH atau derajat keasaman dapat diukur dengan menggunakan indikator, misalnya
kertas lakmus, indikator fenolftalin, indikator universal, dan indikator alami, seperti warna
bunga sepatu dan kunyit.
Sifat daya hantar listrik suatu larutan dapat diuji dengan menggunakan alat uji
elektrolit.
Asah Kemampuan 2.3
003 bab 2.indd 48 7/18/2008 7:09:13 PM
Bab 2 Asam, Basa, dan Garam 49
Uji Kompetensi 2
I. Pilihlah salah satu jawaban yang tepat!
1. Berikut ini adalah sifat-sifat larutan asam, kecuali ....
a. dapat memerahkan warna lakmus biru
b. dapat menimbulkan pencemaran udara
c. larutannya termasuk nonelektrolit
d. jika dilarutkan dalam air terjadi reaksi ionisasi dan terjadi ion OH-
2. Berikut ini adalah data hasil pengujian beberapa larutan dengan menggunakan lakmus
merah dan lakmus biru.
Larutan
Perubahan Warna pada Lakmus
Lakmus Merah Lakmus Biru
A
B
C
D
Merah
Biru
Merah
Biru
Merah
Biru
Biru
Merah
Larutan yang bersifat asam adalah ....
a. A c. C
b. B d. D
3. Berikut ini adalah larutan asam:
1. HCl 4. CH3COOH
2. H2SO4 5. HCN
3. HNO3
Larutan asam lemah ditunjukkan nomor ....
a. 1 dan 5 c. 1 dan 3
b. 2 dan 4 d. 4 dan 5
4. Benda-benda peralatan rumah tangga berikut ini yang mudah rusak apabila terkena
larutan asam adalah ....
a. ember plastik c. gergaji
b. cobek batu d. rak kayu
5. Larutan berikut yang termasuk basa kuat adalah ....
a. Mg(OH)2 c. NH3
b. LiOH d. Al(OH)3
6. Kalsium hidroksida banyak dimanfaatkan sebagai ....
a. bahan cat tembok c. obat antacid
b. bahan pembersih kaca d. bahan pembuat sabun
7. Apabila ekstrak bunga sepatu merah digunakan sebagai indikator asam basa, maka
gejala berikut yang benar adalah ....
a. dalam asam berwarna merah dan di dalam basa berwarna hijau
b. dalam asam berwarna hijau dan di dalam basa berwarna merah
c. dalam asam berwarna ungu dan di dalam basa berwarna merah
d. dalam asam berwarna merah dan di dalam basa berwarna ungu
003 bab 2.indd 49 7/18/2008 7:09:14 PM
50 IPA Terpadu SMP/MTs Kelas VII
8. Larutan air kapur dengan pH = 12 apabila diuji dengan indikator fenolftalein maka
warna yang terjadi adalah ....
a. kuning c. biru
b. merah d. tak berwarna
9. Beberapa garam dan asam basa pembentuknya tertera pada tabel berikut.
Rumus Nama Asam Pembentuk Basa Pembentuk Sifat Garam
NaCl Natrium klorida HCl NaOH Netral
KCl Kalium klorida HCl KOH Netral
Na2CO3 Natrium karbonat H2CO3 NaOH Basa
KCN Kalium cianida HCN KOH Basa
NH4Cl Amonium klorida HCl NH4OH Asam
Garam yang bersifat asam dan garam yang bersifat netral yaitu ....
a. NH4Cl dan KCl c. KCN dan NH4Cl
b. NaCl dan Na2CO3 d. Na2CO3 dan NaCl
10. Garam yang sukar larut dalam air adalah ....
a. NaCl c. CaCl2
b. KNO3 d. PbCl2
II. Jawablah dengan singkat dan jelas!
1. Sebutkan masing-masing dua sifat asam dan sifat basa!
2. Sebutkan masing-masing tiga contoh bahan rumah tangga yang mengandung asam
dan mengandung basa!
3. Apa bukti bahwa suatu larutan bersifat asam dan bersifat basa?
4. Bagaimana cara mengetahui suatu larutan bersifat asam, basa, atau netral?
5. Apakah yang dimaksud dengan indikator?
6. Sebutkan tiga contoh indikator asam-basa!
7. Apakah yang dimaksud dengan indikator alami? Berikan contohnya!
Tugas Proyek
Carilah artikel dari internet, majalah, buletin, koran, atau media cetak lainnya yang membahas hubungan antara
sifat asam dengan kerusakan lingkungan. Diskusikan dengan temanmu bagaimana upaya yang harus ditempuh
untuk mengatasinya. Presentasikan di kelas dengan meminta bimbingan gurumu.
Refleksi Diri
Setelah kamu mempelajari materi ini,
1. manfaat apa yang kamu peroleh?
2. kesulitan apa yang kamu temui saat mempelajarinya?
3. persoalan baru apa yang muncul di benakmu setelah mempelajari materi ini?
Konsultasikan kesulitan dan permasalahan yang kamu temui dengan gurumu.
003 bab 2.indd 50 7/18/2008 7:09:14 PM
Atom adalah satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom yang dikelilingi oleh awan elektron yang bermuatan negatif. Inti atom mengandung campuran proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral (terkecuali pada Hidrogen-1 yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Demikian pula sekumpulan atom dapat berikatan satu sama lainnya membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan merupakan ion. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah proton dan neutron pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.
Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani (ἄτομος/átomos, α-τεμνω), yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi menggunakan metode-metode kimia. Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur dan komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum yang digunakan pada fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.[1][2]
Relatif terhadap pengamatan sehari-hari, atom merupakan objek yang sangat kecil dengan massa yang sama kecilnya pula. Atom hanya dapat dipantau menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop penerowongan payaran (scanning tunneling microscope). Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom,[catatan 1] dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil yang dapat mengalami peluruhan radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi yang mengubah jumlah proton dan neutron pada inti.[3] Elektron yang terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi, ataupun obrital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi sebuah unsur dan mempengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.
Sejarah
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Teori atom dan Atomisme
Konsep bahwa materi terdiri dari satuan-satuan diskret yang tidak dapat dibagi-bagi lagi menjadi satuan yang lebih kecil telah ada selama satu milenium. Namun, pemikiran ini masihlah bersifat abstrak dan filosofis daripada berdasarkan pengamatan empiris dan eksperimen. Secara filosofis, deskripsi sifat-sifat atom bervariasi tergantung pada budaya dan aliran filosofi tersebut, dan seringkali pula mengandung unsur-unsur spiritual di dalamnya. Walaupun demikian, pemikiran dasar mengenai atom diterima oleh para ilmuwan ribuan tahun kemudian karena ia secara elegan menjelaskan penemuan-penemuan yang baru pada bidang kimia.[4]
Rujukan paling awal mengenai konsep atom dapat ditilik kembali ke India kuno pada abad ke-6 sebelum masehi.[5] Aliran sekolah Nyaya dan Vaisheshika mengembangkan teori yang menjelaskan bagaimana atom-atom bergabung menjadi benda-benda yang lebih kompleks.[6] Rujukan mengenai atom di dunia Barat muncul satu abad kemudian oleh Leukippos, yang kemudian oleh muridnya, Demokritus mensistematis pandangan ini. Kira-kira pada tahun 450 SM, Demokritus menciptakan istilah átomos (bahasa Yunani: ἄτομος), yang berarti "tidak dapat dipotong" ataupun "partikel terkecil materi yang tidak dapat dibagi-bagi lagi". Walaupun konsep dari India dan Yunani mengenai atom secara murni hanya didasarkan pada ilmu filosofi, ilmu pengetahuan modern masih menggunakan istilah "atom" yang dicetuskan oleh Demokritus tersebut.[4]
Kemajuan lebih jauh pada pemahaman kita mengenai atom dimulai dengan berkembangnya ilmu kimia. Pada tahun 1661, Robert Boyle mempublikasikan buku The Sceptical Chymist yang berargumen bahwa materi-materi di dunia ini terdiri dari berbagai kombinasi "corpuscules" ataupun atom-atom yang berbeda. Hal ini berbeda dengan pandangan klasik bahwa materi terdiri dari unsur udara, tanah, api, dan air.[7] Pada tahun 1789, istilah element (unsur) didefinisikan oleh seorang bangsawan dan peneliti Perancis, Antoine Lavoisier, sebagai bahan dasar yang tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi dengan menggunakan metode-metode kimia.[8]
Berbagai atom dan molekul yang digambarkan pada buku John Dalton, A New System of Chemical Philosophy (1808).
Pada tahun 1803, John Dalton menggunakan konsep atom untuk menjelaskan mengapa unsur-unsur selalu bereaksi dalam perbandingan yang bulat dan tetap dan mengapa gas-gas tertentu lebih larut dalam air dibandingkan dengan gas-gas lainnya. Ia mengajukan bahwa setiap unsur mengandung atom-atom tunggal unik yang dapat kemudian lebih jauh bergabung menjadi senyawa-senyawa kimia.[9][10]
Teori partikel ini kemudian dikonfirmasi lebih jauh pada tahun 1827, ketika seorang botanis Robert Brown menggunakan mikroskop untuk mengamati debu-debu yang mengambang di air dan menemukan bahwa debu-debu tersebut bergerak secara acak. Fenomena ini kemudian dikenal sebagai "Gerak Brown". Pada tahun 1877, J. Desaulx mengajukan bahwa fenomena ini disebabkan oleh gerak termal molekul air, dan pada tahun 1905, Albert Einstein membuat analisis matematika gerak ini.[11][12][13] Fisikawan Perancis, Jean Perrin, kemudian menggunakan hasil kerja Einstein untuk secara eksperimen menentukan massa dan dimensi atom, yang kemudian secara konklusif memverifikasi teori atom Dalton.[14]
Melalui hasil kerjanya pada sinar katoda pada tahun 1897, J. J. Thomson menemukan elektron dan sifat-sifat subatomiknya. Hal ini meruntuhkan konsep atom sebagai satuan yang tidak dapat dibagi-bagi lagi.[15] Thomson percaya bahwa elektron-elektron terdistribusi secara merata di seluruh atom, dan muatan-muatannya diseimbangkan oleh keberadaan lautan muatan positif (model puding plum).
Namun pada tahun 1909, para peneliti di bawah arahan Ernest Rutherford menembakkan ion helium ke lembaran tipis emas dan menemukan bahwa sebagian kecil ion tersebut dipantulkan dengan sudut pantulan yang lebih tajam dari yang apa yang diprediksi oleh teori Thomson. Rutherford kemudian mengajukan bahwa muatan positif suatu atom dan kebanyakan massanya terkonsentrasi pada inti atom pada pusat atom dengan elektron-elektron mengitari inti atom seperti planet mengitari matahari. Muatan positif ion helium yang melewati inti padat ini haruslah dipantulkan dengan sudut pantulan yang lebih tajam.[16]
Pada tahun 1913, ketika bereksperimen dengan hasil proses peluruhan radioaktif, Frederick Soddy menemukan bahwa terdapat lebih dari satu jenis atom pada setiap posisi tabel periodik.[17] Istilah isotop kemudian diciptakan oleh Margaret Todd sebagai nama yang tepat untuk atom-atom yang berbeda namun merupakan satu unsur yang sama. J.J. Thomson menemukan teknik untuk memisahkan jenis-jenis atom tersebut melalui hasil kerjanya pada gas yang terionisasi.[18]
Model atom hidrogen Bohr yang menunjukkan loncatan elektron antara orbit-orbit tetap dan memancarkan energi foton dengan frekuensi tertentu.
Sementara itu, pada tahun 1913, fisikawan Niels Bohr mengkaji ulang model atom Rutherford dan mengajukan bahwa elektron-elektron terletak pada orbit-orbit yang terkuantisasi dan dapat meloncat dari satu orbit ke orbit lainnya, namun tidak dapat dengan bebas berputar spiral ke dalam maupun keluar dalam keadaan transisi.[19] Elektron haruslah menyerap ataupun memancarkan sejumlah energi tertentu untuk melakukan transisi antara orbit-orbit yang tetap ini. Ketika cahaya dari materi yang dipanaskan memancar melalui prisma, ia dapat menghasilkan spektrum multiwarna. Penampakan garis-garis spektrum tertentu ini berhasil dijelaskan oleh teori transisi orbital ini.[20]
Pada tahun 1916, ikatan kimia antar atom kemudian dijelaskan oleh Gilbert Newton Lewis sebagai interaksi antara elektron-elektron atom tersebut.[21] Karena sifat-sifat kimiawi unsur-unsur secara garis besar memiliki periodisitas,[22] pada tahun 1919 Irving Langmuir mengajukan bahwa hal ini dapat dijelaskan apabila elektron-elektron pada sebuah atom saling berhubungan atau berkumpul dalam bentuk-bentuk tertentu. Sekelompok elektron diperkirakan menduduki satu set kelopak elektron di sekitar inti atom.[23]
Percobaan Stern-Gerlach pada tahun 1922 memberikan bukti lebih jauh mengenai sifat-sifat kuantum atom. Ketika seberkas atom perak ditembakkan melalui medan magnet, berkas tersebut terpisah-pisah sesuai dengan arah momentum sudut atom (spin). Oleh karena arah spin adalah acak, berkas ini diharapkan menyebar menjadi satu garis. Namun pada kenyataannya, berkas ini terbagi menjadi dua bagian, tergantung dari apakah spin atom tersebut berorientasi ke atas ataupun ke bawah.[24]
Pada tahun 1926, dengan menggunakan pemikiran Louis de Broglie bahwa partikel berperilaku seperti gelombang, Erwin Schrödinger mengembangkan suatu model atom matematis yang menggambarkan elektron sebagai gelombang tiga dimensi daripada sebagai titik-titik partikel. Konsekuensi penggunaan bentuk gelombang untuk menjelaskan elektron ini adalah bahwa adalah tidak mungkin untuk secara matematis menghitung posisi dan momentum partikel secara bersamaan. Hal ini kemudian dikenal sebagai prinsip ketidakpastian, yang dirumuskan oleh Werner Heisenberg pada 1926. Menurut konsep ini, untuk setiap pengukuran suatu posisi, seseorang hanya bisa mendapatkan kisaran nilai-nilai probabilitas momentum, demikian pula sebaliknya. Walaupun model ini sulit untuk divisualisasikan, ia dapat dengan baik menjelaskan sifat-sifat atom yang terpantau yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan oleh teori mana pun. Oleh sebab itu, model atom yang menggambarkan elektron mengitari inti atom seperti planet mengitari matahari digugurkan dan digantikan oleh model orbital atom di sekitar inti di mana elektron paling berkemungkinan berada.[25][26]
Diagram skema spetrometer massa sederhana.
Perkembangan pada spektrometri massa mengijin pengukuran massa atom secara eksak. Peralatan spektrometer ini menggunakan magnet untuk membelokkan trayektori berkas ion dan banyaknya defleksi ditentukan dengan rasio massa atom terhadap muatannya. Kimiawan Francis William Aston menggunakan peralatan ini untuk menunjukkan bahwa isotop mempunyai massa yang berbeda. Perbedaan massa antar isotop ini berupa bilangan bulat, dan ia disebut sebagai kaidah bilangan bulat.[27] Penjelasan pada perbedaan massa isotop ini berhasil dipecahkan setelah ditemukannya neutron, yakni partikel bermuatan netral dengan massa yang hampir sama dengan proton, oleh James Chadwick pada tahun 1932. Isotop kemudian dijelaskan sebagai unsur dengan jumlah proton yang sama, namun memiliki jumlah neutron yang berbeda dalam inti atom.[28]
Pada tahun 1950-an, perkembangan pemercepat partikel dan detektor partikel mengijinkan para ilmuwan mempelajari dampak-dampak dari atom yang bergerak dengan energi yang tinggi.[29] Neutron dan proton kemudian diketahui sebagai hardon, yaitu komposit partikel-partikel kecil yang disebut sebagai kuark. Model-model standar fisika nuklir kemudian dikembangkan untuk menjelaskan sifat-sifat inti atom dalam hal interaksi partikel subatom ini.[30]
Sekitar tahun 1985, Steven Chu dkk. di Bell Labs mengembangkan sebuah teknik untuk menurunkan temperatur atom menggunakan laser. Pada tahun yang sama, sekelompok ilmuwan yang diketuai oleh William D. Phillips berhasil memerangkap atom natrium dalam perangkap magnet. Claude Cohen-Tannoudji kemudian menggabungkan kedua teknik tersebut untuk mendinginkan sejumlah kecil atom sampai beberapa mickokelvin. Hal ini mengijinkan ilmuwan mempelajari atom dengan presisi yang sangat tinggi, yang pada akhirnya membawa para ilmuwan menemukan kondensasi Bose-Einstein.[31]
Dalam sejarahnya, sebuah atom tunggal sangatlah kecil untuk digunakan dalam aplikasi ilmiah. Namun baru-baru ini, berbagai peranti yang menggunakan sebuah atom tunggal logam yang dihubungkan dengan ligan-ligan organik (transistor elektron tunggal) telah dibuat.[32] Berbagai penelitian telah dilakukan untuk memerangkap dan memperlambat laju atom menggunakan pendinginan laser untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik mengenai sifat-sifat atom.[33]
[sunting] Komponen-komponen atom
[sunting] Partikel subatom
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Partikel subatom
Walaupun awalnya kata atom berarti suatu partikel yang tidak dapat dipotong-potong lagi menjadi partikel yang lebih kecil, dalam terminologi ilmu pengetahuan modern, atom tersusun atas berbagai partikel subatom. Partikel-partikel penyusun atom ini adalah elektron, proton, dan neutron. Namun hidrogen-1 tidak mempunyai neutron. Demikian pula halnya pada ion hidrogen positif H+.
Dari kesemua partikel subatom ini, elektron adalah yang paling ringan, dengan massa elektron sebesar 9,11 × 10−31 kg dan mempunyai muatan negatif. Ukuran elektron sangatlah kecil sedemikiannya tiada teknik pengukuran yang dapat digunakan untuk mengukur ukurannya.[34] Proton memiliki muatan positif dan massa 1.836 kali lebih berat daripada elektron (1,6726 × 10−27 kg). Neutron tidak bermuatan listrik dan bermassa bebas 1.839 kali massa elektron[35] or (1,6929 × 10−27 kg).
Dalam model standar fisika, baik proton dan neutron terdiri dari partikel elementer yang disebut kuark. Kuark termasuk kedalah golongan partikel fermion dan merupakan salah satu dari dua bahan penyusun materi dasar (yang lainnya adalah lepton). Terdapat enam jenis kuark dan tiap-tiap kuark tersebut memiliki muatan listri fraksional sebesar +2/3 ataupun −1/3. Proton terdiri dari dua kuark naik (up quark) dan satu kuark turun (down quark), manakala neutron terdiri dari satu kuark naik dan dua kuark turun. Perbedaan komposisi kuark ini mempengaruhi perbedaan massa dan muatan antara dua partikel tersebut. Kuark terikat bersama oleh gaya nuklir kuat yang diperantarai oleh gluon. Gluon merupakan anggota dari boson gauge yang memerantarai gaya-gaya fisika.[36][37]
[sunting] Inti atom
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Inti atom
Energi pengikatan yang diperlukan oleh nukleon untuk lolos dari inti pada berbagai isotop.
Inti atom terdiri dari proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom. Secara kolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti). Jari-jari inti diperkirakan sama dengan \begin{smallmatrix}1,07 \sqrt[3]{A}\end{smallmatrix} fm, dengan A adalah jumlah nukleon.[38] Hal ini sangatlah kecil dibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleon tersebut terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya kuat residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih kuat daripada gaya elektrostatik yang menyebabkan proton saling tolak menolak.[39]
Atom dari unsur kimia yang sama memiliki jumlah proton yang sama, disebut nomor atom. Suatu unsur dapat memiliki jumlah neutron yang bervariasi. Variasi ini disebut sebagai isotop. Jumlah proton dan neutron suatu atom akan menentukan nuklida atom tersebut, sedangkan jumlah neutron relatif terhadap jumlah proton akan menentukan stabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankan peluruhan radioaktif.[40]
Neutron dan proton adalah dua jenis fermion yang berbeda. Asas pengecualian Pauli melarang adanya keberadaan fermion yang identik (seperti misalnya proton berganda) menduduki suatu keadaan fisik kuantum yang sama pada waktu yang sama. Oleh karena itu, setiap proton dalam inti atom harusnya menduduki keadaan kuantum yang berbeda dengan aras energinya masing-masing. Asas Pauli ini juga berlaku untuk neutron. Pelarangan ini tidak berlaku bagi proton dan neutron yang menduduki keadaan kuantum yang sama.[41]
Untuk atom dengan nomor atom yang rendah, inti atom yang memiliki jumlah proton lebih banyak daripada neutron berpotensi jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah melalui peluruhan radioaktif yang menyebabkan jumlah proton dan neutron seimbang. Oleh karena itu, atom dengan jumlah proton dan neutron yang berimbang lebih stabil dan cenderung tidak meluruh. Namun, dengan meningkatnya nomor atom, gaya tolak-menolak antar proton membuat inti atom memerlukan proporsi neutron yang lebih tinggi lagi untuk menjaga stabilitasnya. Pada inti yang paling berat, rasio neutron per proton yang diperlukan untuk menjaga stabilitasnya akan meningkat menjadi 1,5.[41]
Gambaran proses fusi nuklir yang menghasilkan inti deuterium (terdiri dari satu proton dan satu neutron). Satu positron (e+) dipancarkan bersamaan dengan neutrino elektron.
Jumlah proton dan neutron pada inti atom dapat diubah, walaupun hal ini memerlukan energi yang sangat tinggi oleh karena gaya atraksinya yang kuat. Fusi nuklir terjadi ketika banyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat. Sebagai contoh, pada inti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 3–10 keV untuk mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti.[42] Fisi nuklir merupakan kebalikan dari proses fusi. Pada fisi nulir, inti dipecah menjadi dua inti yang lebih kecil. Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga dapat diubah melalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal ini mengubah jumlah proton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.[43][44]
Jika massa inti setelah terjadinya reaksi fusi lebih kecil daripada jumlah massa partikel awal penyusunnya, maka perbedaan ini disebabkan oleh pelepasan pancaran energi (misalnya sinar gamma), sebagaimana yang ditemukan pada rumus kesetaraan massa-energi Einstein, E = mc2, dengan m adalah massa yang hilang dan c adalah kecepatan cahaya. Defisit ini merupakan bagian dari energi pengikatan inti yang baru.[45]
Fusi dua inti yang menghasilkan inti yang lebih besar dengan nomor atom lebih rendah daripada besi dan nikel (jumlah total nukleon sama dengan 60) biasanya bersifat eksotermik, yang berarti bahwa proses ini melepaskan energi.[46] Adalah proses pelepasan energi inilah yang membuat fusi nuklir pada bintang dapat dipertahankan. Untuk inti yang lebih berat, energi pengikatan per nukleon dalam inti mulai menurun. Ini berarti bahwa proses fusi akan bersifat endotermik.[41]
[sunting] Awan elektron
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Orbital atom dan Konfigurasi elektron
Sumur potensial yang menunjukkan energi minimum V(x) yang diperlukan untuk mencapai tiap-tiap posisi x. Suatu partikel dengan energi E dibatasi pada kisaran posisi antara x1 dan x2.
Elektron dalam suatu atom ditarik oleh proton dalam inti atom melalui gaya elektromagnetik. Gaya ini mengikat elektron dalam sumur potensi elektrostatik di sekitar inti. Hal ini berarti bawah energi luar diperlukan agar elektron dapat lolos dari atom. Semakin dekat suatu elektron dalan inti, semakin besar gaya atraksinya, sehingga elektron yang berada dekat dengan pusat sumur potensi memerlukan energi yang lebih besar untuk lolos.
Elektron, sama seperti partikel lainnya, memiliki sifat seperti partikel maupun seperti gelombang (dualisme gelombang-partikel). Awan elektron adalah suatu daerah dalam sumur potensi di mana tiap-tiap elektron menghasilkan sejenis gelombang diam (yaitu gelombang yang tidak bergerak relatif terhadap inti) tiga dimensi. Perilaku ini ditentukan oleh orbital atom, yakni suatu fungsi matematika yang menghitung probabilitas suatu elektron akan muncul pada suatu lokasi tertentu ketika posisinya diukur.[47] Hanya akan ada satu himpunan orbital tertentu yang berada disekitar inti, karena pola-pola gelombang lainnya akan dengan cepat meluruh menjadi bentuk yang lebih stabil.[48]
Fungsi gelombang dari lima orbital atom pertama. Tiga orbital 2p memperlihatkan satu biidang simpul.
Tiap-tiap orbital atom berkoresponden terhadap aras energi elektron tertentu. Elektron dapat berubah keadaannya ke aras energi yang lebih tinggi dengan menyerap sebuah foton. Selain dapat naik menuju aras energi yang lebih tinggi, suatu elektron dapat pula turun ke keadaan energi yang lebih rendah dengan memancarkan energi yang berlebih sebagai foton.[48]
Energi yang diperlukan untuk melepaskan ataupun menambah satu elektron (energi pengikatan elektron) adalah lebih kecil daripada energi pengikatan nukleon. Sebagai contohnya, hanya diperlukan 13,6 eV untuk melepaskan elektron dari atom hidrogen.[49] Bandingkan dengan energi sebesar 2,3 MeV yang diperlukan untuk memecah inti deuterium.[50] Atom bermuatan listrik netral oleh karena jumlah proton dan elektronnya yang sama. Atom yang kekurangan ataupun kelebihan elektron disebut sebagai ion. Elektron yang terletak paling luar dari inti dapat ditransfer ataupun dibagi ke atom terdekat lainnya. Dengan cara inilah, atom dapat saling berikatan membentuk molekul.[51]
[sunting] Sifat-sifat
[sunting] Sifat-sifat nuklir
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Isotop dan Isotop stabil
Berdasarkan definisi, dua atom dengan jumlah proton yang identik dalam intinya termasuk ke dalam unsur kimia yang sama. Atom dengan jumlah proton sama namun dengan jumlah neutron berbeda adalah dua isotop berbeda dari satu unsur yang sama. Sebagai contohnya, semua hidrogen memiliki satu proton, namun terdapat satu isotop hidrogen yang tidak memiliki neutron (hidrogen-1), satu isotop yang memiliki satu neutron (deuterium), dua neutron (tritium), dll. Hidrogen-1 adalah bentuk isotop hidrogen yang paling umum. Kadang-kadang ia disebut sebagai protium.[52] Semua isotop unsur yang bernomor atom lebih besar daripada 82 bersifat radioaktife.[53][54]
Sekitar 339 nuklida yang terbentuk secara alami di Bumi, 269 di antaranya belum pernah terpantau meluruh.[55] Pada unsur kimia, 80 dari unsur yang diketahui memiliki satu atau lebih isotop stabil. Unsur 43, 63, dan semua unsur lebih tinggi dari 83 tidak memiliki isotop stabil. Dua puluh tujuh unsur hanya memiliki satu isotop stabil, manakala jumlah isotop stabil yang paling banyak terpantau pada unsur timah dengan 10 jenis isotop stabil.[56]
[sunting] Massa
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Massa atom dan Bobot atom
Karena mayoritas massa atom berasal dari proton dan neutron, jumlah keseluruhan partikel ini dalam atom disebut sebagai bilangan massa. Massa atom pada keadaan diam sering diekspresikan menggunakan satuan massa atom (u) yang juga disebut dalton (Da). Satuan ini didefinisikan sebagai seperduabelas massa atom karbon-12 netral, yang kira-kira sebesar 1,66 × 10−27 kg.[57] Hidrogen-1 yang merupakan isotop teringan hidrogen memiliki bobot atom 1,007825 u.[58] Atom memiliki massa yang kira-kira sama dengan bilangan massanya dikalikan satuan massa atom.[59] Atom stabil yang paling berat adalah timbal-208,[53] dengan massa sebesar 207,9766521 u.[60]
Para kimiawan biasanya menggunakan satuan mol untuk menyatakan jumlah atom. Satu mol didefinisikan sebagai jumlah atom yang terdapat pada 12 gram persis karbon-12. Jumlah ini adalah sekitar 6,022 × 1023, yang dikenal pula dengan nama tetapan Avogadro. Dengan demikian suatu unsur dengan massa atom 1 u akan memiliki satu mol atom yang bermassa 0,001 kg. Sebagai contohnya, Karbon memiliki massa atom 12 u, sehingga satu mol karbon atom memiliki massa 0,012 kg.[57]
[sunting] Ukuran
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Jari-jari atom
Atom tidak memiliki batasan luar yang jelas, sehingga dimensi atom biasanya dideskripsikan sebagai jarak antara dua inti atom ketika dua atom bergabung bersama dalam ikatan kimia. Jari-jari ini bervariasi tergantung pada jenis atom, jenis ikatan yang terlibat, jumlah atom di sekitarnya, dan spin atom.[61] Pada tabel periodik unsur-unsur, jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya periode (atas ke bawah). Sebaliknya jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya nomor golongan (kiri ke kanan).[62] Oleh karena itu, atom yang terkecil adalah helium dengan jari-jari 32 pm, manakala yang terbesar adalah sesium dengan jari-jari 225 pm.[63] Dimensi ini ribuan kali lebih kecil daripada gelombang cahaya (400–700 nm), sehingga atom tidak dapat dilihat menggunakan mikroskop optik biasa. Namun, atom dapat dipantau menggunakan mikroskop penerowongan payaran.
Ukuran atom sangatlah kecil, sedemikian kecilnya lebar satu helai rambut dapat menampung sekitar 1 juta atom karbon.[64] Satu tetes air pula mengandung sekitar 2 × 1021 atom oksigen.[65] Intan satu karat dengan massa 2 × 10-4 kg mengandung sekitar 1022 atom karbon carbon.[catatan 2] Jika sebuah apel diperbesar dengan ukuran sebesar Bumi, maka atom dalam apel tersebut akan terlihat sebesar ukuran apel asli tersebut.[66]
[sunting] Peluruhan radioaktif
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Peluruhan radioaktif
Diagram ini menunjukkan waktu paruh (T½) beberapa isotop dengan jumlah proton Z dan jumlah proton N (dalam satuan detik).
Setiap unsur mempunyai satu atau lebih isotop berinti tak stabil yang akan mengalami peluruhan radioaktif, menyebabkan inti melepaskan partikel ataupun radiasi elektromagnetik. Radioaktivitas dapat terjadi ketika jari-jari inti sangat besar dibandingkan dengan jari-jari gaya kuat (hanya bekerja pada jarak sekitar 1 fm).[67]
Bentuk-bentuk peluruhan radioaktif yang paling umum adalah:[68][69]
* Peluruhan alfa, terjadi ketika suatu inti memancarkan partikel alfa (inti helium yang terdiri dri dua proton dan dua neutron). Hasil peluruhan ini adalah unsur baru dengan nomor atom yang lebih kecil.
* Peluruhan beta, diatur oleh gaya lemah, dan dihasilkan oleh transformasi neutron menjadi proton, ataupun proton menjadi neutron. Transformasi neutron menjadi proton akan diikuti oleh emisi satu elektron dan satu antineutrino, manakala transformasi proton menjadi neutron diikuti oleh emisi satu positron dan satu neutrino. Emisi elektron ataupun emisi positron disebut sebagai partikel beta. Peluruhan beta dapat meningkatkan maupun menurunkan nomor atom inti sebesar satu.
* Peluruhan gama, dihasilkan oleh perubahan pada aras energi inti ke keadaan yang lebih rendah, menyebabkan emisi radiasi elektromagnetik. Hal ini dapat terjadi setelah emisi partikel alfa ataupun beta dari peluruhan radioaktif.
Jenis-jenis peluruhan radioaktif lainnya yang lebih jarang meliputi pelepasan neutron dan proton dari inti, emisi lebih dari satu partikel beta, ataupun peluruhan yang mengakibatkan produksi elektron berkecepatan tinggi yang bukan sinar beta, dan produksi foton berenergi tinggi yang bukan sinar gama
Tiap-tiap isotop radioaktif mempunyai karakteristik periode waktu peluruhan (waktu paruh) yang merupakan lamanya waktu yang diperlukan oleh setengah jumlah sampel untuk meluruh habis. Proses peluruhan bersifat eksponensial, sehingga setelah dua waktu paruh, hanya akan tersisa 25% isotop.[67]
[sunting] Momen magnetik
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Momen dipol magnetik elektron dan Momen magnetik nuklir
Setiap partikel elementer mempunyai sifat mekanika kuantum intrinsik yang dikenal dengan nama spin. Spin beranalogi dengan momentum sudut suatu objek yang berputar pada pusat massanya, walaupun secara kaku partikel tidaklah berperilaku seperti ini. Spin diukur dalam satuan tetapan Planck tereduksi (ħ), dengan elektron, proton, dan neutron semuanya memiliki spin ½ ħ, atau "spin-½". Dalam atom, elektron yang bergerak di sekitar inti atom selain memiliki spin juga memiliki momentum sudut orbital, manakala inti atom memiliki momentum sudut pula oleh karena spin nuklirnya sendiri.[70]
Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap.[71]
Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiap-tiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet.[71][72]
Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik.[73][74]
[sunting] Aras-aras energi
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Aras energi dan Garis spektrum atom
Ketika suatu elektron terikat pada sebuah atom, ia memiliki energi potensial yang berbanding terbalik terhadap jarak elektron terhadap inti. Hal ini diukur oleh besarnya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom dan biasanya diekspresikan dengan satuan elektronvolt (eV). Dalam model mekanika kuantum, elektron-elektron yang terikat hanya dapat menduduki satu set keadaan yang berpusat pada inti, dan tiap-tiap keadaan berkorespondensi terhadap aras energi tertentu. Keadaan energi terendah suatu elektron yang terikat disebut sebagai keadaan dasar, manakala keadaan energi yang lebih tinggi disebut sebagai keadaan tereksitasi.[75]
Agar suatu elektron dapat meloncat dari satu keadaan ke keadaan lainnya, ia haruslah menyerap ataupun memancarkan foton pada energi yang sesuai dengan perbedaan energi potensial antar dua aras tersebut. Energi foton yang dipancarkan adalah sebanding dengan frekuensinya.[76] Tiap-tiap unsur memiliki spektrum karakteristiknya masing-masing. Hal ini bergantung pada muatan inti, subkelopak yang terisi dengan elektron, interaksi elektromagnetik antar elektron, dan faktor-faktor lainnya.[77]
Contoh garis absorpsi spektrum.
Ketika suatu spektrum energi yang berkelanjutan dipancarkan melalui suatu gas ataupun plasma, beberapa foton diserap oleh atom, menyebabkan elektron berpindah aras energi. Elektron yang tereksitasi akan secara spontan memancarkan energi ini sebagai foton dan jatuh kembali ke aras energi yang lebih rendah. Oleh karena itu, atom berperilaku seperti bahan penyaring yang akan membentuk sederetan pita absorpsi. Pengukuran spektroskopi terhadap kekuatan dan lebar pita spektrum mengijinkan penentuan komposisi dan sifat-sifat fisika suatu zat.[78]
Pemantauan cermat pada garis-garis spektrum menunjukkan bahwa beberapa memperlihatkan adanya pemisahan halus. Hal ini terjadi karena kopling spin-orbit yang merupakan interaksi antara spin dengan gerak elektron terluar.[79] Ketika suatu atom berada dalam medan magnet eksternal, garis-garis spektrum terpisah menjadi tiga atau lebih komponen. Hal ini disebut sebagai efek Zeeman. Efek Zeeman disebabkan oleh interaksi medan magnet dengan momen magnetik atom dan elektronnya. Beberapa atom dapat memiliki banyak konfigurasi elektron dengan aras energi yang sama, sehingga akan tampak sebagai satu garis spektrum. Interaksi medan magnet dengan atom akan menggeser konfigurasi-konfigurasi elektron menuju aras energi yang sedikit berbeda, menyebabkan garis spektrum berganda.[80] Keberadaan medan listrik eksternal dapat menyebabkan pemisahan dan pergeseran garis spektrum dengan mengubah aras energi elektron. Fenomena ini disebut sebagai efek Stark.[81]
[sunting] Valensi dan perilaku ikatan
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Valensi (kimia) dan Ikatan kimia
Kelopak atau kulit elektron terluar suatu atom dalam keadaan yang tak terkombinasi disebut sebagai kelopak valensi dan elektron dalam kelopak tersebut disebut elektron valensi. Jumlah elektron valensi menentukan perilaku ikatan atom tersebut dengan atom lainnya. Atom cenderung bereaksi dengan satu sama lainnya melalui pengisian (ataupun pengosongan) elektron valensi terluar atom.[82] Ikatan kimia dapat dilihat sebagai transfer elektron dari satu atom ke atom lainnya, seperti yang terpantau pada natrium klorida dan garam-garam ionik lainnya. Namun, banyak pula unsur yang menunjukkan perilaku valensi berganda, atau kecenderungan membagi elektron dengan jumlah yang berbeda pada senyawa yang berbeda. Sehingga, ikatan kimia antara unsur-unsur ini cenderung berupa pembagian elektron daripada transfer elektron. Contohnya meliputi unsur karbon dalam senyawa organik.[83]
Unsur-unsur kimia sering ditampilkan dalam tabel periodik yang menampilkan sifat-sifat kimia suatu unsur yang berpola. Unsur-unsur dengan jumlah elektron valensi yang sama dikelompokkan secara vertikel (disebut golongan). Unsur-unsur pada bagian terkanan tabel memiliki kelopak terluarnya terisi penuh, menyebabkan unsur-unsur tersebut cenderung bersifat inert (gas mulia).[84][85]
[sunting] Keadaan
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Keadaan materi dan Fase benda
Cuplikan yang menggambarkan pembentukan kondensat Bose-Einstein.
Sejumlah atom ditemukan dalam keadaan materi yang berbeda-beda tergantung pada kondisi fisik benda, yakni suhu dan tekanan. Dengan mengubah kondisi tersebut, materi dapat berubah-ubah menjadi bentuk padat, cair, gas, dan plasma.[86] Dalam tiap-tiap keadaan tersebut pula materi dapat memiliki berbagai fase. Sebagai contohnya pada karbon padat, ia dapat berupa grafit maupun intan.[87]
Pada suhu mendekati nol mutlak, atom dapat membentuk kondensat Bose-Einstein, di mana efek-efek mekanika kuantum yang biasanya hanya terpantau pada skala atom terpantau secara makroskopis.[88][89] Kumpulan atom-atom yang dilewat-dinginkan ini berperilaku seperti satu atom super.[90]
[sunting] Identifikasi
Citra mikroskop penerowongan payaran yang menunjukkan atom-atom individu pada permukaan emas (100).
Mikroskop penerowongan payaran (scanning tunneling microscope) adalah suatu mikroskop yang digunakan untuk melihat permukaan suatu benda pada tingkat atom. Alat ini menggunakan fenomena penerowongan kuantum yang mengijinkan partikel-partikel menembus sawar yang biasanya tidak dapat dilewati.
Sebuah atom dapat diionisasi dengan melepaskan satu elektronnya. Muatan yang ada menyebabkan trayektori atom melengkung ketika ia melalui sebuah medan magnet. Jari-jari trayektori ion tersebut ditentukan oleh massa atom. Spektrometer massa menggunakan prinsip ini untuk menghitung rasio massa terhadap muatan ion. Apabila sampel tersebut mengandung sejumlah isotop, spektrometer massa dapat menentukan proporsi tiap-tiap isotop dengan mengukur intensitas berkas ion yang berbeda. Teknik untuk menguapkan atom meliputi spektroskopi emisi atomik plasma gandeng induktif (inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy) dan spektrometri massa plasma gandeng induktif (inductively coupled plasma mass spectrometry), keduanya menggunakan plasma untuk menguapkan sampel analisis.[91]
Metode lainnya yang lebih selektif adalah spektroskopi pelepasan energi elektron (electron energy loss spectroscopy), yang mengukur pelepasan energi berkas elektron dalam suatu mikroskop elektron transmisi ketika ia berinteraksi dengan sampel. Tomografi kuar atom memiliki resolusi sub-nanometer dalam 3-D dan dapat secara kimiawi mengidentifikasi atom-atom individu menggunakan spektrometri massa waktu lintas.[92]
Spektrum keadaan tereksitasi dapat digunakan untuk menganalisa komposisi atom bintang yang jauh. Panjang gelombang cahaya tertentu yang dipancarkan oleh bintang dapat dipisahkan dan dicocokkan dengan transisi terkuantisasi atom gas bebas. Warna bintang kemudian dapat direplikasi menggunakan lampu lucutan gas yang mengandung unsur yang sama.[93] Helium pada Matahari ditemukan dengan menggunakan cara ini 23 tahun sebelum ia ditemukan di Bumi.[94]
[sunting] Asal usul dan kondisi sekarang
Atom menduduki sekitar 4% densitas energi total yang ada dalam alam semesta terpantau, dengan densitas rata-rata sekitar 0,25 atom/m3.[95] Dalam galaksi Bima Sakti, atom memiliki konsentrasi yang lebih tinggi, dengan densitas materi dalam medium antarbintang berkisar antara 105 sampai dengan 109 atom/m3.[96] Matahari sendiri dipercayai berada dalam Gelembung Lokal, yaitu suatu daerah yang mengadung banyak gas ion, sehingga denistas pada sekelilingnya adalah sekitar 103 atom/m3.[97] Bintang membentuk awan-awan padat dalam medium antarbintang, dan proses evolusioner bintang akan menyebabkan peningkatan kandungan unsur yang lebih berat daripada hidrogen dan helium dalam medium antarbintang. Sampai dengan 95% atom Bima Sakti terkonsentrasi dalam bintang-bintang, dan massa total atom ini membentuk sekitar 10% massa galaksi.[98] (Massa sisanya adalah materi gelap yang tidak diketahui dengan jelas.[99])
[sunting] Nukleosintesis
!Artikel utama untuk bagian ini adalah: Nukleosintesis
Proton dan elektron yang stabil muncul satu detik setelah kejadian Dentuman Besar. Dalam masa waktu tiga menit sesudahnya, nukleosintesis Dentuman Besar kebanyakan menghasilkan helium, litium, dan deuterium, dan mungkin juga beberapa berilium dan boron.[100][101][102] Atom pertama (dengan elektron yang terikat dengannya) secara teoritis tercipta 380.000 tahun sesudah Dentuman Besar, yaitu ketika alam semesta yang mengembang cukup dingin untuk mengijinkan elektron-elektron terikat pada inti atom.[103] Sejak saat itulah, inti atom mulai bergabung dalam bintang-bintang melalui proses fusi nuklir dan menghasilkan unsur-unsur yang lebih berat sampai dengan besi.[104]
Isotop seperti litium-6 dihasilkan di ruang angkasa melalui spalasi sinar kosmis.[105] Hal ini terjadi ketika sebuah proton berenergi tinggi menumbuk inti atom, menyebabkan sejumlah besar nukleon berhamburan. Unsur yang lebih berat daripada besi dihasilkan di supernova melalui proses r dan di bintang-bintang AGB melalui proses s. Kedua-duanya melibatkan penangkapan neutron oleh inti atom.[106] Unsur-unsur seperti timbal kebanyakan dibentuk melalui peluruhan radioaktif unsur-unsur lain yang lebih berat.[107]
[sunting] Bumi
Kebanyakan atom yang menyusun Bumi dan termasuk pula seluruh makhluk hidupnya pernah berada dalam bentuk yang sekarang di nebula yang runtuh dari awan molekul dan membentuk Tata Surya. Sisanya merupakan akibat dari peluruhan radioaktif dan proporsinya dapat digunakan untuk menentukan usia Bumi melalui penanggalan radiometrik.[108][109] Kebanyakan helium dalam kerak Bumi merupakan produk peluruhan alfa.[110]
Terdapat sekelumit atom di Bumi yang pada awal pembentukannya tidak ada dan juga bukan merupakan akibat dari peluruhan radioaktif. Karbon-14 secara berkesinambungan dihasilkan oleh sinar kosmik di atmosfer.[111] Beberapa atom di Bumi secara buatan dihasilkan oleh reaktor ataupun senjata nuklir.[112][113] Dari semua Unsur-unsur transuranium yang bernomor atom lebih besar daripada 92, hanya plutonium dan neptunium sajalah yang terdapat di Bumi secara alami.[114][115] Unsur-unsur transuranium memiliki waktu paruh radioaktif yang lebih pendek daripada umur Bumi[116], sehingga unsur-unsur ini telah lama meluruh. Pengecualian terdapat pada plutonium-244 yang kemungkinan tersimpan dalam debu kosmik.[108] Kandungan alami plutonium dan neptunium dihasilkan dari penangkapan neutron dalam bijih uranium.[117]
Bumi mengandung sekitar 1,33 × 1050 atom.[118] Pada atmosfer planet, terdapat sejumlah kecil atom gas mulia seperti argon dan neon. Sisa 99% atom pada atmosfer bumi terikat dalam bentuk molekul, misalnya karbon dioksida, oksigen diatomik, dan nitrogen diatomik. Pada permukaan Bumi, atom-atom saling berikatan membentuk berbagai macam senyawa, meliputi air, garam, silikat, dan oksida. Atom juga dapat bergabung membentuk bahan-bahan yang tidak terdiri dari molekul, contohnya kristal dan logam padat ataupun cair.[119][120]
[sunting] Bentuk teoritis dan bentuk langka
Manakala isotop dengan nomor atom lebih tinggi daripada timbal (62) bersifat radioaktif, terdapat suatu "pulau stabilitas" yang diajukan untuk beberapa unsur dengan nomor atom di atas 103. Unsur-unsur super berat ini kemungkinan memiliki inti yang secara relatif stabil terhadap peluruhan radioaktif.[121] Atom super berat yang stabil ini kemungkinan besar adalah unbiheksium, dengan 126 proton 184 neutron.[122]
Tiap-tiap partikel materi memiliki partikel antimaterinya masing-masing dengan muatan listrik yang berlawanan. Sehingga, positron adalah antielektron yang bermuatan positif, dan antiproton adalah proton yang bermuatan negatif, Ketika materi dan antimateri bertemu, keduanya akan saling memusnahkan. Terdapat ketidakseimbangan antara jumlah partikel materi dan antimateri. Ketidakseimbangan ini masih belum dipahami secara menyeluruh, walaupun terdapat teori bariogenesis yang memberikan penjelasan yang memungkinkan. Antimateri tidak pernah ditemukan secara alami.[123][124] Namun, pada tahun 1996, antihidrogen berhasil disintesis di laboratorium CERN di Jenewa.[125][126]
Terdapat pula atom-atom langka lainnya yang dibuat dengan menggantikan satu proton, neutron, ataupun elektron dengan partikel lain yang bermuatan sama. Sebagai contoh, elektron dapat digantikan dengan muon yang lebih berat, membentuk atom muon. Jenis atom ini dapat digunakan untuk menguji prediksi fisika.[127][128][129]
