Kimia adalah cabang dari ilmu fisik yang mempelajari tentang susunan, struktur, sifat, dan perubahan materi.[1][2] Ilmu kimia meliputi topik-topik seperti sifat-sifat atom, cara atom membentuk ikatan kimia untuk menghasilkan senyawa kimia, interaksi zat-zat melalui gaya antarmolekul yang menghasilkan sifat-sifat umum dari materi, dan interaksi antar zat melalui reaksi kimia untuk membentuk zat-zat yang berbeda.
Kimia kadang-kadang disebut sebagai ilmu pengetahuan pusat karena menjembatani ilmu-ilmu pengetahuan alam, termasuk fisika, geologi, dan biologi.[3][4][5]
Para ahli berbeda pendapat mengenai etimologi dari kata kimia. Sejarah kimia dapat ditelusuri kembali sampai pada alkimia, yang sudah dipraktikkan selama beberapa milenia di berbagai belahan dunia.
Etimologi
Kata alkimia berasal dari kata Arab al-kīmīā (الکیمیاء). Kata al-kīmīā diturunkan dari kata Yunani χημία (kemia) atau χημεία (kemeia).[8][9] Al-kīmīā boleh jadi berasal dari Mesir Kuno karena kata al-kīmīā mungkin diturunkan dari kata Yunani χημία (kemia), yang juga diturunkan dari kata Kemi atau Kimi, yakni nama kuno negeri Mesir dalam bahasa Mesir.[8] Mungkin pula, kata al-kīmīā diturunkan dari kata χημεία (kemeia), yang berarti "dituang bersama-sama" (ke dalam cetakan).[10]
Pengantar
Kimia sering disebut sebagai "ilmu pusat" karena menghubungkan berbagai ilmu lain, seperti fisika, ilmu bahan, nanoteknologi, biologi, farmasi, kedokteran, bioinformatika, dan geologi [11]. Koneksi ini timbul melalui berbagai subdisiplin yang memanfaatkan konsep-konsep dari berbagai disiplin ilmu. Sebagai contoh, kimia fisik melibatkan penerapan prinsip-prinsip fisika terhadap materi pada tingkat atom dan molekul.Kimia berhubungan dengan interaksi materi yang dapat melibatkan dua zat atau antara materi dan energi, terutama dalam hubungannya dengan hukum pertama termodinamika. Kimia tradisional melibatkan interaksi antara zat kimia dalam reaksi kimia, yang mengubah satu atau lebih zat menjadi satu atau lebih zat lain. Kadang reaksi ini digerakkan oleh pertimbangan entalpi, seperti ketika dua zat berentalpi tinggi seperti hidrogen dan oksigen elemental bereaksi membentuk air, zat dengan entalpi lebih rendah. Reaksi kimia dapat difasilitasi dengan suatu katalis, yang umumnya merupakan zat kimia lain yang terlibat dalam media reaksi tetapi tidak dikonsumsi (contohnya adalah asam sulfat yang mengkatalisasi elektrolisis air) atau fenomena immaterial (seperti radiasi elektromagnet dalam reaksi fotokimia). Kimia tradisional juga menangani analisis zat kimia, baik di dalam maupun di luar suatu reaksi, seperti dalam spektroskopi.
Semua materi normal terdiri dari atom atau komponen-komponen subatom yang membentuk atom; proton, elektron, dan neutron. Atom dapat dikombinasikan untuk menghasilkan bentuk materi yang lebih kompleks seperti ion, molekul, atau kristal. Struktur dunia yang kita jalani sehari-hari dan sifat materi yang berinteraksi dengan kita ditentukan oleh sifat zat-zat kimia dan interaksi antar mereka. Baja lebih keras dari besi karena atom-atomnya terikat dalam struktur kristal yang lebih kaku. Kayu terbakar atau mengalami oksidasi cepat karena ia dapat bereaksi secara spontan dengan oksigen pada suatu reaksi kimia jika berada di atas suatu suhu tertentu.
Zat cenderung diklasifikasikan berdasarkan energi, fase, atau komposisi kimianya. Materi dapat digolongkan dalam 4 fase, urutan dari yang memiliki energi paling rendah adalah padat, cair, gas, dan plasma. Dari keempat jenis fase ini, fase plasma hanya dapat ditemui di luar angkasa yang berupa bintang, karena kebutuhan energinya yang teramat besar. Zat padat memiliki struktur tetap pada suhu kamar yang dapat melawan gravitasi atau gaya lemah lain yang mencoba mengubahnya. Zat cair memiliki ikatan yang terbatas, tanpa struktur, dan akan mengalir bersama gravitasi. Gas tidak memiliki ikatan dan bertindak sebagai partikel bebas. Sementara itu, plasma hanya terdiri dari ion-ion yang bergerak bebas; pasokan energi yang berlebih mencegah ion-ion ini bersatu menjadi partikel unsur. Satu cara untuk membedakan ketiga fase pertama adalah dengan volume dan bentuknya: kasarnya, zat padat memeliki volume dan bentuk yang tetap, zat cair memiliki volume tetap tetapi tanpa bentuk yang tetap, sedangkan gas tidak memiliki baik volume ataupun bentuk yang tetap.
Ilmuwan yang mempelajari kimia sering disebut kimiawan. Sebagian besar kimiawan melakukan spesialisasi dalam satu atau lebih subdisiplin. Kimia yang diajarkan pada sekolah menengah sering disebut "kimia umum" dan ditujukan sebagai pengantar terhadap banyak konsep-konsep dasar dan untuk memberikan pelajar alat untuk melanjutkan ke subjek lanjutannya. Banyak konsep yang dipresentasikan pada tingkat ini sering dianggap tak lengkap dan tidak akurat secara teknis. Walaupun demikian, hal tersebut merupakan alat yang luar biasa. Kimiawan secara reguler menggunakan alat dan penjelasan yang sederhana dan elegan ini dalam karya mereka, karena terbukti mampu secara akurat membuat model reaktivitas kimia yang sangat bervariasi.
Ilmu kimia secara sejarah merupakan pengembangan baru, tetapi ilmu ini berakar pada alkimia yang telah dipraktikkan selama berabad-abad di seluruh dunia.
Sejarah
Alkimiawan menemukan banyak proses kimia yang menuntun pada pengembangan kimia modern. Seiring berjalannya sejarah, alkimiawan-alkimiawan terkemuka (terutama Abu Musa Jabir bin Hayyan dan Paracelsus) mengembangkan alkimia menjauh dari filsafat dan mistisisme dan mengembangkan pendekatan yang lebih sistematik dan ilmiah. Alkimiawan pertama yang dianggap menerapkan metode ilmiah terhadap alkimia dan membedakan kimia dan alkimia adalah Robert Boyle (1627–1691). Walaupun demikian, kimia seperti yang kita ketahui sekarang diciptakan oleh Antoine Lavoisier dengan hukum kekekalan massanya pada tahun 1783. Penemuan unsur kimia memiliki sejarah yang panjang yang mencapai puncaknya dengan diciptakannya tabel periodik unsur kimia oleh Dmitri Mendeleyev pada tahun 1869.
Penghargaan Nobel dalam Kimia yang diciptakan pada tahun 1901 memberikan gambaran bagus mengenai penemuan kimia selama 100 tahun terakhir. Pada bagian awal abad ke-20, sifat subatomik atom diungkapkan dan ilmu mekanika kuantum mulai menjelaskan sifat fisik ikatan kimia. Pada pertengahan abad ke-20, kimia telah berkembang sampai dapat memahami dan memprediksi aspek-aspek biologi yang melebar ke bidang biokimia.
Industri kimia mewakili suatu aktivitas ekonomi yang penting. Pada tahun 2004, produsen bahan kimia 50 teratas global memiliki penjualan mencapai 587 bilyun dolar AS dengan margin keuntungan 8,1% dan pengeluaran riset dan pengembangan 2,1% dari total penjualan [12].
Cabang ilmu kimia
Lima Cabang Utama[14]:
- Kimia analitik adalah studi yang melibatkan bagaimana kita menganalisis komponen kimia dalam sampel. Berapa banyak sebenarnya kafeina dalam secangkir kopi? Adakah obat-obatan yang ditemukan dalam sampel urin atlet? Bagaimana tingkat pH kolam renang saya? Contoh bidang yang menggunakan kimia analitik meliputi ilmu forensik, ilmu lingkungan, dan pengujian obat. Kimia analitik dibagi menjadi dua sub cabang: analisis kualitatif dan kuantitatif. Analisis kualitatif menggunakan metode / pemastian untuk membantu menentukan komponen zat (menjawab pertanyaan: apa?). Analisis kuantitatif di sisi lain, membantu untuk mengidentifikasi berapa banyak setiap komponen hadir dalam suatu zat (menjawab pertanyaan: berapa?).
- Biokimia mempelajari senyawa kimia, reaksi kimia, dan interaksi kimia yang terjadi dalam organisme hidup. Biokimia dan kimia organik berhubungan sangat erat, seperti dalam kimia medisinal atau neurokimia. Biokimia juga berhubungan dengan biologi molekular, fisiologi, dan genetika.
Di bawah payung utama biokimia banyak sub-cabang baru telah muncul dan
banyak ahli kimia modern yang mungkin mengkhususkan diri di dalamnya.
Beberapa disiplin ilmu ini meliputi:
- Enzimologi (studi tentang enzim)
- Endokrinologi (studi tentang hormon)
- Biokimia klinik (studi tentang penyakit)
- Biokimia molekuler (studi biomolekul dan fungsinya)
- Kimia anorganik mengkaji sifat-sifat dan reaksi senyawa anorganik. Perbedaan antara bidang organik dan anorganik tidaklah mutlak dan banyak terdapat tumpang tindih, khususnya dalam bidang kimia organologam. Kimiawan di bidang ini fokus pada unsur-unsur dan senyawa lain selain karbon atau hidrokarbon.
Sederhananya, kimia anorganik meliputi semua bahan yang tidak organik
dan disebut sebagai zat tak-hidup - senyawa yang tidak mengandung ikatan
karbon-hidrogen (CH). Senyawa yang dipelajari oleh ahli kimia anorganik
meliputi struktur kristal, mineral, logam, katalis, dan sebagian besar unsur pada tabel periodik. Contohnya adalah kekuatan balok daya yang digunakan untuk membawa berat tertentu atau menyelidiki bagaimana emas terbentuk di bumi. Cabang kimia anorganik meliputi:
- Kimia bioanorganik (studi peran logam dalam biologi)
- Kimia koordinasi (studi senyawa koordinasi dan interaksi ligan)
- Geokimia (studi komposisi kimia bumi, batuan, mineral & atmosfer)
- Teknologi anorganik (sintesis senyawa anorganik baru)
- Kimia nuklir (studi bahan radioaktif)
- Kimia organologam (studi bahan kimia yang mengandung ikatan antara logam dan karbon – tumpangsuh dengan kimia organik)
- Kimia padatan / kimia material (studi pembentukan, struktur, dan karakteristik material fasa padat)
- Kimia anorganik sintesis (studi sintesis bahan kimia)
- Kimia anorganik industrial (studi material yang digunakan dalam industri. Contoh: pupuk)
- Kimia organik adalah ilmu yang mempelajari senyawa karbon seperti bahan bakar, plastik, aditif makanan, dan obat-obatan.
Berlawanan kimia anorganik yang berfokus pada masalah tak-hidup dan zat
berbasis non-karbon, kimia organik berurusan dengan studi karbon dan
bahan kimia dalam organisme hidup. Contohnya adalah proses fotosintesis di daun karena ada perubahan dalam komposisi kimia dari tanaman hidup. Cabang-cabang dari kimia organik melibatkan banyak disiplin ilmu yang berbeda termasuk studi keton, aldehid, hidrokarbon (alkena, alkana, alkuna) dan alkohol.
- Stereokimia (studi struktur molekul 3-dimensi)
- Kimia medisinal (berurusan dengan perancangan, pengembangan dan sintesis obat-obatan farmasi)
- Kimia organologam (studi bahan kimia yang mengandung ikatan antra karbon dan logam)
- Kimia organik fisik (studi struktur dan reaktivitas dalam molekul organik)
- Kimia polimer (studi komposisi dan pembentukan molekul polimer)
- Kimia fisik adalah studi tentang sifat fisik molekul, dan hubungannya dengan cara menyatukan molekul dan atom.
Kimia fisik berurusan dengan prinsip-prinsip dan metodologi baik kimia
dan fisika serta merupakan studi tentang bagaimana struktur kimia
berpengaruh terhadap sifat fisik suatu zat. Contohnya adalah pembuatan
brownies, karena ada pencampuran bahan serta menggunakan panas dan
energi untuk mendapatkan produk akhir. Sub-cabang kimia fisik meliputi:
- Elektrokimia (studi interaksi atom, molekul, ion dan arus listrik)
- Fotokimia (studi efek kimia cahaya; reaksi fotokimia)
- Kimia permukaan (studi reaksi kimia pada permukaan)
- Kinetika kimia (studi laju reaksi kimia)
- Termodinamika/termokimia (studi hubungan panas dengan perubahan kimia)
- Mekanika kuantum/kimia kuantum (studi mekanika kuantum dan hubungannya dengan fenomena kimia)
- Spektroskopi (studi spektrum cahaya atau radiasi)
- Kimia material menyangkut bagaimana menyiapkan, mengkarakterisasi, dan memahami cara kerja suatu bahan dengan kegunaan praktis.
- Kimia teori adalah studi kimia melalui penjabaran teori dasar (biasanya dalam matematika atau fisika). Secara spesifik, penerapan mekanika kuantum dalam kimia disebut kimia kuantum. Sejak akhir Perang Dunia II, perkembangan komputer telah memfasilitasi pengembangan sistematik kimia komputasi, yang merupakan seni pengembangan dan penerapan program komputer untuk menyelesaikan permasalahan kimia. Kimia teori memiliki banyak tumpang tindih (secara teori dan eksperimen) dengan fisika benda kondensi dan fisika molekular.
- Kimia nuklir mengkaji bagaimana partikel subatom bergabung dan membentuk inti. Transmutasi modern adalah bagian terbesar dari kimia nuklir dan tabel nuklida merupakan hasil sekaligus perangkat untuk bidang ini.
- Kimia Organik Bahan Alam mempelajari senyawa organik yang disintesis secara alami oleh alam, khususnya makhluk hidup.
Konsep dasar
Tatanama
Atom
atom juga merupakan entitas terkecil yang dapat dipertimbangkan untuk mempertahankan sifat kimia dari unsur, seperti elektronegativitas, energi ionisasi, keadaan oksidasi, dan jenis ikatan yang lebih disukai untuk dibentuk (misalnya, logam, ionik, kovalen).
Unsur
Presentasi standar dari unsur-unsur kimia berada dalam tabel periodik, yang mengurutkan unsur berdasarkan nomor atom. Tabel periodik diatur dalam golongan, atau kolom, dan periode, atau baris. Tabel periodik berguna dalam mengidentifikasi tren periodik.[17]
Ion
Ion atau spesies bermuatan, atau suatu atom atau molekul yang kehilangan atau mendapatkan satu atau lebih elektron. Kation bermuatan positif (misalnya kation natrium Na+) dan anion bermuatan negatif (misalnya klorida Cl−) dapat membentuk garam netral (misalnya natrium klorida, NaCl). Contoh ion poliatom yang tidak terpecah sewaktu reaksi asam-basa adalah hidroksida (OH−) dan fosfat (PO43−).Senyawa
Penamaan standar senyawa diatur oleh International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Senyawa organik diberi nama berdasarkan sistem tata nama organik.[19] Senyawa anorganik diberi nama berdasarkan sistem tata nama anorganik.[20] Sebagai tambahan, Chemical Abstracts Service telah menemukan metode untuk mengindeks zat kimia. Dalam skema ini setiap bahan kimia diidentifikasi oleh nomor yang dikenal sebagai Nomor Registrasi CAS.
Molekul
Molekul adalah bagian terkecil dan tidak terpecah dari suatu senyawa kimia murni yang masih mempertahankan sifat kimia dan fisik yang unik. Suatu molekul terdiri dari dua atau lebih atom yang terikat satu sama lain.unsur gas "inert" atau gas mulia (helium, neon, argon, kripton, xenon dan radon) terdiri dari atom tunggal sebagai satu unit diskrit terkecilnya, namun unsur-unsur kimia yang terisolasi lain terdiri dari baik molekul atau jaringan atom terikat satu sama lain dalam beberapa cara. Molekul yang mudah diidentifikasi menyusun berbagai zat yang dikenal seperti air, udara, dan banyak senyawa organik seperti alkohol, gula, bensin, dan berbagai obat-obatan.
Namun, tidak semua zat atau senyawa kimia terdiri dari molekul diskrit, dan memang sebagian besar zat padat yang membentuk kerak, mantel, dan inti bumi adalah senyawa kimia tanpa molekul. Jenis lain dari zat tersebut, seperti senyawa ionik dan jaringan padatan, yang diatur sedemikian rupa karena kurangnya keberadaan molekul yang dapat diidentifikasi per se. Contoh zat dengan jenis ini seperti garam mineral (seperti garam dapur), padatan seperti karbon dan berlian, logam, dan silika serta mineral silikat seperti kuarsa dan granit.
Salah satu karakteristik utama dari molekul adalah geometrinya yang dikenal sebagai struktur. Sementara struktur molekul atom diatomik, triatomik atau tetra atomik mungkin tidak terlalu signifikan, (linear, piramida sudut, dsb.) struktur molekul poliatomik, yang merupakan lebih dari enam atom (dari beberapa unsur) dapat menjadi sangat penting bagi kimia di alam.
Zat kimia
Contoh zat kimia murni. Dari kiri ke kanan: unsur timah (Sn) dan belerang (S), intan (suatu alotrop dari karbon), sukrosa (gula murni), dan natrium klorida (garam) serta natrium bikarbonat (soda kue), yang keduanya merupakan senyawa ionik. |
Zat kimia adalah jenis materi dengan komposisi dan sifat yang pasti.[21] Kumpulan zat disebut dengan campuran. Beberapa contoh campuran adalah udara dan aloy.[22]
Mol dan jumlah zat
Mol adalah satuan pengukuran yang menunjukkan jumlah zat (juga disebut sebagai jumlah bahan kimia). Mol didefinisikan sebagai jumlah atom yang ditemukan persis 0.012 kilogram (atau 12 grams) pada karbon-12, di mana atom karbon-12 tidak terikat, diam dan berada pada keadaan dasarnya.[23] Jumlah entitas per mol dikenal sebagai bilangan Avogadro, serta ditentukan secara empiris mencapai sekitar 6.022×1023 mol−1.[24] Konsentrasi molar adalah jumlah zat tertentu per volume larutan, dan umumnya dilaporkan dalam moldm−3.[25]Wujud zat
Sifat fisik, seperti massa jenis serta indeks bias cenderung berada dalam nilai karakteristik fase. Tahap materi didefinisikan dengan fase transisi, yang ketika energi yang dimasukkan ke dalam atau ke luar dari sistem masuk ke menata ulang struktur sistem, bukannya mengubah kondisi massal.
Terkadang perbedaan antara fase dapat berlangsung terus menerus daripada memiliki batas yang diskrit, dalam hal ini materi ini dianggap dalam suatu keadaan superkritis. Ketika tiga keadaan bertemu berdasarkan kondisi, hal ini dikenal sebagai titik tripel serta karena ini merupakan invarian, hal ini adalah cara mudah untuk menentukan satu set kondisi.
Ikatan kimia
Sebuah ikatan kimia dapat berupa ikatan kovalen, ikatan ionik, ikatan hidrogen atau hanya karena gaya Van der Waals. Masing-masing jenis ikatan dianggap berasal sejumlah potensial. Potensial ini menciptakan interaksi yang memegang atom bersama-sama dalam molekul atau kristal. Dalam banyak senyawa sederhana, teori ikatan valensi, model Valence Shell Electron Pair Repulsion (teori VSEPR), dan konsep bilangan oksidasi dapat digunakan untuk menjelaskan struktur dan komposisi molekul.
Ikatan ion terbentuk ketika logam kehilangan satu atau lebih elektron, menjadi kation bermuatan positif, serta elektron kemudian ditarik oleh atom non-logam, menjadi anion bermuatan negatif. Kedua ion bermuatan berlawanan menarik satu sama lain, dan ikatan ion adalah gaya elektrostatik tarik di antara keduanya. Misalnya, natrium (Na), logam, kehilangan satu elektron untuk menjadi kation Na+ sementara klor (Cl), non-logam, menerima elektron ini untuk menjadi Cl-. Ion-ion akan diikat menjadi satu karena daya tarik elektrostatik, serta senyawa natrium klorida (NaCl), atau garam dapur biasa, terbentuk.
Reaksi kimia
Reaksi kimia dapat secara simbolis digambarkan melalui persamaan kimia. Sementara dalam reaksi kimia non-inti jumlah serta jenis atom pada kedua sisi persamaan adalah sama, untuk reaksi inti ini berlaku hanya untuk partikel inti yaitu. proton dan neutron.[26]
Urutan tahapan yang mengatur ulang ikatan kimia dapat terjadi dalam perjalanan dari reaksi kimia yang disebut sebagai mekanismenya. Reaksi kimia dapat dibayangkan terjadi di sejumlah tahap, yang masing-masing dapat memiliki kecepatan yang berbeda. Banyak reaksi intermediet dengan stabilitas bervariasi sehingga dapat digambarkan selama reaksi. Mekanisme reaksi diajukan untuk menjelaskan kinetika serta campuran produk relatif dari suatu reaksi.
Kimia kuantum
Kimia kuantum secara matematis menjelaskan kelakuan dasar materi pada tingkat molekul. Secara prinsip, dimungkinkan untuk menjelaskan semua sistem kimia dengan menggunakan teori ini. Dalam praktiknya, hanya sistem kimia paling sederhana yang dapat secara realistis diinvestigasi dengan mekanika kuantum murni dan harus dilakukan hampiran untuk sebagian besar tujuan praktis (misalnya, Hartree-Fock, pasca-Hartree-Fock, atau teori fungsi kerapatan, lihat kimia komputasi untuk detilnya). Karenanya, pemahaman mendalam mekanika kuantum tidak diperlukan bagi sebagian besar bidang kimia karena implikasi penting dari teori (terutama hampiran orbital) dapat dipahami dan diterapkan dengan lebih sederhana.Dalam mekanika kuantum (beberapa penerapan dalam kimia komputasi dan kimia kuantum), Hamiltonan, atau keadaan fisik, dari partikel dapat dinyatakan sebagai penjumlahan dua operator, satu berhubungan dengan energi kinetik dan satunya dengan energi potensial. Hamiltonan dalam persamaan gelombang Schrödinger yang digunakan dalam kimia kuantum tidak memiliki terminologi bagi putaran elektron.
Penyelesaian persamaan Schrödinger untuk atom hidrogen memberikan bentuk persamaan gelombang untuk orbital atom, dan energi relatif dari orbital 1s, 2s, 2p, dan 3p. Hampiran orbital dapat digunakan untuk memahami atom lainnya seperti helium, litium, dan karbon.
Hukum kimia
Hukum-hukum kimia sebenarnya merupakan hukum fisika yang diterapkan dalam sistem kimia. Konsep yang paling mendasar dalam kimia adalah Hukum kekekalan massa yang menyatakan bahwa tidak ada perubahan jumlah zat yang terukur pada saat reaksi kimia biasa. Fisika modern menunjukkan bahwa sebenarnya energilah yang kekal, dan bahwa energi dan massa saling berkaitan. Kekekalan energi ini mengarahkan kepada pentingnya konsep kesetimbangan, termodinamika, dan kinetika.Reaksi kimia diatur oleh hukum-hukum tertentu, yang telah menjadi konsep dasar dalam kimia. Beberapa hukum tersebut adalah:
- Hukum Avogadro
- Hukum Boyle (1662, menghubungkan tekanan dan volume)
- Hukum Charles (1787, menghubungkan volume dan suhu)
- Hukum Gay-Lussac (1809, menghubungkan tekanan dan suhu)
- Prinsip Le Chatelier
- Hukum Henry
- Hukum Hess
- Hukum kekekalan energi
- Hukum kekekalan massa
- Hukum perbandingan tetap
- Hukum perbandingan berganda
- Hukum Raoult
0 komentar:
Posting Komentar