Kimia
Kimia mempelajari komposisi, struktur, dan sifat
zat kimia dan transformasi yang dialaminya.
Kimia (dari
bahasa Arab كيمياء "seni transformasi" dan
bahasa Yunani χημεία khemeia "
alkimia") adalah
ilmu yang mempelajari mengenai komposisi dan sifat zat atau
materi dari skala
atom hingga
molekul serta perubahan atau transformasi serta interaksi mereka untuk membentuk materi yang ditemukan sehari-hari. Kimia juga mempelajari pemahaman
sifat dan interaksi atom individu dengan tujuan untuk menerapkan
pengetahuan tersebut pada tingkat makroskopik. Menurut kimia modern,
sifat fisik materi umumnya ditentukan oleh struktur pada tingkat atom yang pada gilirannya ditentukan oleh
gaya antaratom.
Pengantar
Laboratorium kimia
Kimia sering disebut sebagai "ilmu pusat" karena menghubungkan berbagai ilmu lain, seperti
fisika,
ilmu bahan,
nanoteknologi,
biologi,
farmasi,
kedokteran,
bioinformatika, dan
geologi [1]. 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 tapi 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 merubahnya. 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 tapi tanpa bentuk yang tetap, sedangkan gas tidak memiliki baik volume ataupun bentuk yang tetap.
Air yang dipanaskan akan berubah
fase menjadi uap air.
Air (H2O) berbentuk
cairan dalam suhu kamar karena molekul-molekulnya terikat oleh
gaya antarmolekul yang disebut
ikatan Hidrogen. Di sisi lain,
hidrogen sulfida (H2S) berbentuk gas pada suhu kamar dan tekanan standar, karena molekul-molekulnya terikat dengan interaksi dwikutub (dipole) yang lebih lemah. Ikatan hidrogen pada air memiliki cukup energi untuk mempertahankan molekul air untuk tidak terpisah satu sama lain, tapi tidak untuk mengalir, yang menjadikannya berwujud cairan dalam suhu antara 0 °
C sampai 100 °C pada permukaan laut. Menurunkan suhu atau energi lebih lanjut mengizinkan organisasi bentuk yang lebih erat, menghasilkan suatu zat padat, dan melepaskan energi. Peningkatan energi akan mencairkan es walaupun suhu tidak akan berubah sampai semua es cair. Peningkatan suhu air pada gilirannya akan menyebabkannya mendidih (lihat
panas penguapan) sewaktu terdapat cukup energi untuk mengatasi gaya tarik antarmolekul dan selanjutnya memungkinkan molekul untuk bergerak menjauhi satu sama lain.
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, tapi ilmu ini berakar pada
alkimia yang telah dipraktikkan selama berabad-abad di seantero dunia.
Sejarah
Robert Boyle, perintis kimia modern dengan menggunakan eksperimen terkontrol, sebagai kontras dari metode
alkimia terdahulu.
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Sejarah kimiaAkar ilmu kimia dapat dilacak hingga fenomena
pembakaran.
Api merupakan kekuatan mistik yang mengubah suatu zat menjadi zat lain dan karenanya merupakan perhatian utama umat manusia. Adalah api yang menuntun manusia pada penemuan
besi dan
gelas. Setelah
emas ditemukan dan menjadi logam berharga, banyak orang yang tertarik menemukan metode yang dapat merubah zat lain menjadi emas. Hal ini menciptakan suatu
protosains yang disebut
Alkimia. Alkimia dipraktikkan oleh banyak kebudayaan sepanjang sejarah dan sering mengandung campuran
filsafat,
mistisisme, dan protosains.
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
[2].
[
sunting] Cabang ilmu kimia
Pipet laboratorium
Kimia umumnya dibagi menjadi beberapa bidang utama. Terdapat pula beberapa cabang antar-bidang dan cabang-cabang yang lebih khusus dalam kimia.
Kimia analitik adalah
analisis cuplikan bahan untuk memperoleh pemahaman tentang
susunan kimia dan
strukturnya. Kimia analitik melibatkan metode eksperimen standar dalam kimia. Metode-metode ini dapat digunakan dalam semua subdisiplin lain dari kimia, kecuali untuk kimia teori murni.
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.
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.
Kimia organik mengkaji struktur, sifat, komposisi, mekanisme, dan
reaksi senyawa organik. Suatu senyawa organik didefinisikan sebagai segala senyawa yang berdasarkan rantai karbon.
Kimia fisik mengkaji dasar fisik sistem dan proses kimia, khususnya energitika dan dinamika sistem dan proses tersebut. Bidang-bidang penting dalam kajian ini di antaranya
termodinamika kimia,
kinetika kimia,
elektrokimia,
mekanika statistika, dan
spektroskopi. Kimia fisik memiliki banyak tumpang tindih dengan
fisika molekular. Kimia fisik melibatkan penggunaan
kalkulus untuk menurunkan persamaan, dan biasanya berhubungan dengan
kimia kuantum serta kimia teori.
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.
Bidang lain antara lain adalah
astrokimia,
biologi molekular,
elektrokimia,
farmakologi,
fitokimia,
fotokimia,
genetika molekular,
geokimia,
ilmu bahan,
kimia aliran,
kimia atmosfer,
kimia benda padat,
kimia hijau,
kimia inti,
kimia medisinal,
kimia komputasi,
kimia lingkungan,
kimia organologam,
kimia permukaan,
kimia polimer,
kimia supramolekular,
nanoteknologi,
petrokimia,
sejarah kimia,
sonokimia,
teknik kimia, serta
termokimia.
Konsep dasar
Tatanama
Logo
IUPACArtikel utama untuk bagian ini adalah:
Tatanama IUPACTatanama kimia merujuk pada sistem penamaan
senyawa kimia. Telah dibuat sistem penamaan spesies kimia yang terdefinisi dengan baik.
Senyawa organik diberi nama menurut sistem
tatanama organik.
Senyawa anorganik dinamai menurut sistem
tatanama anorganik.
Atom
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
AtomAtom adalah suatu kumpulan materi yang terdiri atas
inti yang bermuatan positif, yang biasanya mengandung
proton dan
neutron, dan beberapa elektron di sekitarnya yang mengimbangi muatan positif inti. Atom juga merupakan satuan terkecil yang dapat diuraikan dari suatu unsur dan masih mempertahankan sifatnya, terbentuk dari inti yang rapat dan bermuatan positif dikelilingi oleh suatu sistem elektron.
unsur
Bijih
uraniumArtikel utama untuk bagian ini adalah:
Unsur kimiaUnsur adalah sekelompok atom yang memiliki jumlah
proton yang sama pada
intinya. Jumlah ini disebut sebagai
nomor atom unsur. Sebagai contoh, semua atom yang memiliki 6 proton pada intinya adalah atom dari unsur kimia
karbon, dan semua atom yang memiliki 92 proton pada intinya adalah atom unsur
uranium.
Tampilan unsur-unsur yang paling pas adalah dalam
tabel periodik, yang mengelompokkan unsur-unsur berdasarkan kemiripan sifat kimianya.
Daftar unsur berdasarkan nama,
lambang, dan
nomor atom juga tersedia.
Ion
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
IonIon 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
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Senyawa kimiaSenyawa merupakan suatu zat yang dibentuk oleh dua atau lebih
unsur dengan perbandingan tetap yang menentukan susunannya. Sebagia contoh,
air merupakan senyawa yang mengandung
hidrogen dan
oksigen dengan perbandingan dua terhadap satu. Senyawa dibentuk dan diuraikan oleh
reaksi kimia.
Molekul
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
MolekulMolekul 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.
Zat kimia
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Zat kimiaSuatu zat kimia dapat berupa suatu unsur, senyawa, atau campuran senyawa-senyawa, unsur-unsur, atau senyawa dan unsur. Sebagian besar materi yang kita temukan dalam kehidupan sehari-hari merupakan suatu bentuk campuran, misalnya
air,
aloy,
biomassa, dll.
Ikatan kimia
Orbital atom dan molekul
elektronArtikel utama untuk bagian ini adalah:
Ikatan kimiaIkatan kimia merupakan gaya yang menahan berkumpulnya
atom-atom dalam
molekul atau
kristal. Pada banyak senyawa sederhana,
teori ikatan valensi dan konsep
bilangan oksidasi dapat digunakan untuk menduga struktur molekular dan susunannya. Serupa dengan ini, teori-teori dari
fisika klasik dapat digunakan untuk menduga banyak dari struktur ionik. Pada senyawa yang lebih kompleks/rumit, seperti
kompleks logam, teori ikatan valensi tidak dapat digunakan karena membutuhken pemahaman yang lebih dalam dengan basis
mekanika kuantum.
Wujud zat
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Fase zatFase adalah kumpulan keadaan sebuah sistem fisik makroskopis yang relatif serbasama baik itu komposisi kimianya maupun sifat-sifat fisikanya (misalnya masa jenis, struktur kristal, indeks refraksi, dan lain sebagainya). Contoh keadaan fase yang kita kenal adalah padatan, cair, dan gas. Keadaan fase yang lain yang misalnya plasma, kondensasi Bose-Einstein, dan kondensasi Fermion. Keadaan fase dari material magnetik adalah
paramagnetik,
feromagnetik dan
diamagnetik.
Reaksi kimia
Reaksi kimia antara
hidrogen klorida dan
amonia membentuk senyawa baru
amonium kloridaArtikel utama untuk bagian ini adalah:
Reaksi kimiaReaksi kimia adalah transformasi/perubahan dalam
struktur molekul. Reaksi ini bisa menghasilkan penggabungan molekul membentuk molekul yang lebih besar, pembelahan molekul menjadi dua atau lebih molekul yang lebih kecil, atau
penataulangan atom-atom dalam molekul. Reaksi kimia selalu melibatkan terbentuk atau terputusnya
ikatan kimia.
Kimia kuantum
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Kimia kuantumKimia kuantum secara matematis menjelakan 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 di investigasi 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
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Hukum kimiaHukum-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.