Materi, unsur, senyawa, dan campuran: sifat fisik, sifat kimia, dan pemisahan

Di gudang sebuah laundry ditemukan jeriken 20 liter tanpa label berisi cairan bening. Seorang petugas mengusulkan cara cepat: buka tutupnya, cium baunya, lalu teteskan sedikit ke lantai untuk melihat apakah berbusa. Penyelianya melarang. Cairan bening itu bisa air, bisa larutan alkali pekat, bisa pemutih, bisa asam. Ketiga kemungkinan terakhir sama-sama tidak berwarna, dan dua di antaranya dapat menghasilkan gas berbahaya bila bertemu bahan lain di lantai.

Cara berpikir yang benar dimulai dari pertanyaan yang lebih mendasar: apa jenis bahan ini, sifat apa yang dapat diukur tanpa mengubah atau membahayakannya, dan sifat apa yang baru tampak bila bahan itu bereaksi. Bab ini membangun pertanyaan-pertanyaan itu sebagai dasar seluruh rak Kimia.

Batas pembahasan

Bab ini membahas wujud materi, unsur, senyawa, campuran, sifat fisik dan kimia, perubahan fisik dan kimia, pemisahan campuran, dan cara menyatakan komposisi campuran secara sederhana.

Isi atom dan struktur elektronnya dibahas di Bab 2 tentang struktur atom. Konsentrasi larutan, satuan mol per liter, dan pH dibahas di Bab 8 tentang larutan, konsentrasi, pH, dan pengukuran. Membaca SDS dan kelas fungsi produk ada di Bab 10 tentang SDS, kelas fungsi, dan batas perbandingan produk. Campuran bahan kimia yang berbahaya di laundry dibahas di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai, dan tanggap darurat di Bab 21 · Laundry tentang K3 laundry. Proses pemisahan di instalasi air dibahas di Bab 3 · Air & Pengolahan Air tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi.

Materi, wujud, dan penggolongannya

Materi (matter) adalah segala sesuatu yang punya massa dan menempati ruang. Di lapangan, materi dijumpai dalam tiga wujud. Padatan punya bentuk dan volume tetap, karena partikelnya terikat rapat pada posisinya. Cairan punya volume tetap tetapi mengikuti bentuk wadah, karena partikelnya rapat tetapi dapat berpindah. Gas mengisi seluruh wadah, karena partikelnya berjauhan dan bergerak bebas.

Wujud bergantung pada suhu dan tekanan. Air adalah es, air cair, atau uap, tetapi tetap air. Perubahan wujud karena itu adalah perubahan fisik: identitas zatnya tidak berubah. Kalor yang menyertai perubahan wujud dibahas di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, dengan dasar kalor di Bab 10 · Fisika tentang kalor, suhu, dan perpindahan panas.

Unsur (element) adalah zat yang tersusun dari satu jenis atom dan tidak dapat diuraikan menjadi zat yang lebih sederhana dengan reaksi kimia biasa. Besi, tembaga, oksigen, dan klor adalah unsur. Gagasan dasar teori atom menyatakan bahwa semua atom dari satu unsur sama dalam ukuran, massa, dan sifat kimia; Bab 2 tentang struktur atom menjelaskan pengecualian penting gagasan ini, yaitu isotop.

Senyawa (compound) adalah zat yang tersusun dari dua unsur atau lebih yang terikat secara kimia dengan perbandingan tetap. Air selalu mengandung hidrogen dan oksigen dengan perbandingan atom 2 : 1. Natrium klorida selalu Na : Cl = 1 : 1. Sifat senyawa bisa sangat berbeda dari sifat unsur penyusunnya: natrium adalah logam yang bereaksi keras dengan air, klor adalah gas beracun, tetapi natrium klorida adalah garam dapur.

Campuran (mixture) adalah gabungan dua zat atau lebih yang tidak terikat secara kimia, dengan perbandingan yang dapat berubah-ubah, dan masing-masing komponen mempertahankan sifatnya. Campuran dibagi dua:

• Campuran homogen (homogeneous mixture) adalah campuran yang tampak seragam di seluruh bagiannya, termasuk di bawah kaca pembesar. Larutan garam, udara, dan air keran adalah campuran homogen. Bab 8 membahas larutan sebagai campuran homogen.
• Campuran heterogen (heterogeneous mixture) adalah campuran yang tidak seragam; komponennya dapat dibedakan atau memisah bila didiamkan. Air keruh berlumpur, emulsi minyak dalam air, dan pasta deterjen bubuk dalam air adalah campuran heterogen.

Produk kimia laundry dan dishwashing yang dijual dalam jeriken hampir semuanya campuran: bahan aktif, air, pelarut, pengatur pH, dan bahan tambahan. Karena itu SDS menyebut komposisi dalam rentang, bukan satu rumus kimia, seperti dibahas di Bab 10.

Partikel penyusun: atom, molekul, dan ion

Unsur dan senyawa tersusun dari partikel yang sangat kecil, dan jenis partikelnya menentukan banyak sifat bahan. Ada tiga jenis yang perlu dibedakan sejak awal.

Atom adalah partikel terkecil sebuah unsur yang masih membawa sifat kimia unsur itu. Logam seperti besi dan tembaga tersusun dari atom-atom yang tersusun rapat.

Molekul (molecule) adalah dua atom atau lebih yang terikat menjadi satu satuan. Molekul dapat tersusun dari atom sejenis, seperti gas oksigen $\text{O}_2$ dan gas klor $\text{Cl}_2$, atau dari atom berbeda, seperti air $\text{H}_2\text{O}$ dan karbon dioksida $\text{CO}_2$. Rumus molekul menyebut jumlah setiap atom dalam satu molekul.

Ion adalah atom atau kelompok atom yang bermuatan listrik karena kelebihan atau kekurangan elektron. Garam dapur tidak tersusun dari molekul NaCl yang terpisah-pisah; garam padat adalah susunan teratur ion natrium bermuatan positif dan ion klorida bermuatan negatif. Rumus NaCl hanya menyatakan perbandingan 1 : 1. Ketika garam larut, ion-ion itu terpisah dan bergerak bebas di air, dan karena itulah air garam menghantar listrik.

Bab 2 menjelaskan dari mana muatan ion berasal, dan Bab 4 tentang ikatan kimia menjelaskan mengapa sebagian zat membentuk molekul dan sebagian membentuk ion.

Sifat fisik, sifat kimia, dan perubahannya

Sifat fisik (physical property) adalah sifat yang dapat diamati atau diukur tanpa mengubah identitas zat. Titik leleh termasuk sifat fisik. Contoh lain: warna, bau, wujud pada suhu ruang, massa jenis, titik didih, kelarutan dalam air, kekentalan, dan daya hantar listrik.

Sifat kimia (chemical property) adalah sifat yang hanya tampak ketika zat bereaksi dan berubah menjadi zat lain. Mudah terbakar, korosif terhadap logam, bereaksi dengan asam menghasilkan gas, dan terurai bila dipanaskan adalah sifat kimia.

Sifat fisik dibagi lagi menjadi sifat intensif (intensive property), yang tidak bergantung pada jumlah zat, dan sifat ekstensif (extensive property), yang bergantung pada jumlahnya. Massa dan volume adalah sifat ekstensif. Massa jenis, titik didih, dan konsentrasi adalah sifat intensif. Hanya sifat intensif yang dapat membantu mengenali zat, karena satu liter atau satu tetes zat yang sama memberikan nilai yang sama.

Perubahan fisik (physical change) adalah perubahan wujud, bentuk, atau ukuran tanpa menghasilkan zat baru: es mencair, gula larut, air menguap di pengering. Perubahan kimia (chemical change) adalah perubahan yang menghasilkan zat baru dengan sifat berbeda: besi berkarat, kerak kapur terbentuk di elemen pemanas, pemutih merusak warna kain.

Tanda yang sering menyertai perubahan kimia adalah gelembung gas yang tidak berasal dari pendidihan, perubahan suhu tanpa pemanasan atau pendinginan dari luar, perubahan warna, endapan yang terbentuk dari dua larutan bening, dan bau baru. Tanda-tanda ini bukan bukti mutlak; pelarutan beberapa garam juga menghangatkan atau mendinginkan larutan, dan perubahan itu fisik. Tetapi bila tanda itu muncul ketika dua produk kimia bertemu, misalnya gelembung dan bau tajam ketika pemutih bertemu penetral asam, anggaplah itu reaksi kimia berbahaya dan ikuti Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai.

Satu pegangan yang sering diajarkan adalah bahwa perubahan fisik dapat dibalik dan perubahan kimia tidak. Pegangan ini hanya kira-kira. Garam yang dilarutkan dapat diperoleh kembali dengan menguapkan airnya, tetapi beberapa reaksi kimia juga dapat dibalik, misalnya penukar ion yang diregenerasi dengan larutan garam. Kriteria yang menentukan tetap satu: apakah terbentuk zat baru dengan susunan atom yang berbeda.

Zat murni dan kemurnian

Zat murni (pure substance) adalah unsur atau senyawa tanpa zat lain yang tercampur; sifat intensifnya tetap pada tekanan tertentu. Air murni membeku pada 0 °C dan mendidih pada 100 °C pada tekanan 1 atm. Campuran tidak demikian. Air garam membeku di bawah 0 °C dan mendidih di atas 100 °C, dan selama mendidih suhunya terus naik karena air menguap lebih dulu sehingga larutan makin pekat. Rentang leleh atau didih yang lebar adalah tanda bahwa zat tidak murni.

Kemurnian air di lapangan jarang diperiksa dengan titik didih. Yang dipakai adalah daya hantar listrik, karena air murni hampir tidak menghantar, sedangkan ion terlarut menaikkan daya hantarnya. Air suling dan air demineral sama-sama berdaya hantar sangat rendah, tetapi dibuat dengan cara berbeda: air suling dengan penyulingan, air demineral dengan penukar ion atau osmosis balik. Bab 6 · Dispensing Kimia tentang dosis deterjen dengan probe konduktivitas memakai daya hantar larutan deterjen untuk mengendalikan dosis, dan rak Air memakai daya hantar sebagai ukuran mutu air hasil osmosis balik; Bab 15 · Air & Pengolahan Air tentang regulasi dan standar instalasi RO air minum mencatat bahwa TDS meter mengukur daya hantar listrik air. "Murni" di lapangan selalu berarti murni untuk keperluan tertentu: air untuk aki, air umpan ketel, dan air bilas akhir punya batas yang berbeda.

Memisahkan campuran berdasarkan perbedaan sifat

Komponen campuran dapat dipisahkan dengan cara fisik, karena masing-masing mempertahankan sifatnya. Setiap cara pemisahan memanfaatkan satu perbedaan sifat fisik:

Penyaringan biasa hanya memisahkan partikel yang tidak larut. Garam yang larut lolos melalui saringan apa pun selain membran yang sangat rapat. Itulah sebabnya air keruh yang disaring menjadi jernih tetapi kesadahannya tidak berubah. Pengendapan dan penyaringan sebagai proses pengolahan air dibahas di Bab 3 · Air & Pengolahan Air tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi, osmosis balik di Bab 5 · Air & Pengolahan Air, dan penukar ion di Bab 21 · Air & Pengolahan Air tentang pelunak dan penukar ion.

Kekekalan massa dan perbandingan tetap

Dua hukum dasar kimia berlaku untuk setiap perubahan kimia. Hukum kekekalan massa (law of conservation of mass): dalam reaksi kimia, massa total zat sebelum dan sesudah reaksi sama; atom tidak diciptakan dan tidak dimusnahkan, hanya disusun ulang. Bila massa tampak berkurang, ada zat yang keluar dari sistem, biasanya gas. Hukum perbandingan tetap (law of definite proportions): senyawa murni selalu mengandung unsur-unsurnya dengan perbandingan massa yang sama, dari mana pun asalnya. Air selalu mengandung sekitar 11,2 persen massa hidrogen, dan natrium klorida selalu sekitar 39,3 persen massa natrium.

Kedua hukum ini berguna di lapangan. Kekekalan massa memungkinkan memperkirakan berapa kerak kapur yang larut ketika elemen pemanas direndam asam, dari massa gas karbon dioksida yang lepas, seperti di Contoh 6. Perbandingan tetap menjelaskan mengapa analisis kimia dapat menghitung kadar satu unsur dari kadar senyawanya. Perhitungan jumlah zat secara lengkap memakai konsep mol, yang dibahas di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri.

Menyatakan komposisi campuran

Komposisi campuran dinyatakan sebagai bagian komponen terhadap keseluruhan. Tiga bentuk yang paling sering dipakai di lapangan:

• Persen massa (mass percent): massa komponen dibagi massa campuran, dikali 100 persen.
• Persen volume (volume percent): volume komponen dibagi volume campuran, dikali 100 persen; dipakai untuk mencampur dua cairan.
• Massa per volume: misalnya mg/L untuk zat terlarut dalam air. Untuk air encer, 1 mg/L hampir sama dengan 1 ppm massa.

$$\%_\text{massa} = \frac{m_\text{komponen}}{m_\text{campuran}} \times 100\%, \qquad \%_\text{volume} = \frac{V_\text{komponen}}{V_\text{campuran}} \times 100\%$$

Massa $m$ di pembilang dan penyebut memakai satuan yang sama, misalnya kilogram, demikian pula volume $V$, misalnya liter, sehingga persen tidak bersatuan. Ketiga bentuk itu tidak dapat dipertukarkan tanpa massa jenis. Produk bermassa jenis 1,2 kg/L yang dicampur 10 persen volume dengan air tidak menjadi 10 persen massa. Bab 8 membahas konsentrasi lebih lengkap, termasuk mol per liter.

Bahan tanpa label

Bagian ini menerapkan prinsip sifat fisik dan kimia di atas bersama ketentuan keselamatan di Bab 10 tentang SDS dan Bab 21 · Laundry tentang K3 laundry.

Yang tidak boleh dilakukan: mencium langsung dari mulut wadah, mencicipi, meneteskan ke lantai atau ke bahan lain, mencampur dengan bahan lain untuk "melihat reaksinya", dan memindahkan isinya ke wadah lain tanpa label.

Yang boleh dilakukan oleh orang yang berwenang, dengan alat pelindung: memeriksa label sisa, nomor lot, atau catatan pembelian; mengukur massa jenis dari sampel kecil yang diambil dengan pipet; mengukur pH dengan kertas indikator pada setetes sampel di wadah uji yang bersih; dan mengukur daya hantar listrik bila alatnya tersedia. Hasil pengukuran itu dibandingkan dengan SDS produk yang dicurigai.

Sifat fisik dapat menyingkirkan kemungkinan, tetapi jarang membuktikan identitas. Massa jenis 1,32 kg/L dan pH sangat tinggi cocok dengan larutan alkali pekat, tetapi juga dengan beberapa produk lain. Bila identitas tidak dapat dipastikan, bahan diperlakukan sebagai bahan berbahaya yang tidak dikenal: dikarantina, diberi label "tidak dikenal", dan dibuang melalui jalur limbah bahan kimia.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: memilah materi. Air keran adalah campuran homogen, karena mengandung garam dan gas terlarut dengan kadar yang berubah-ubah. Air suling hampir murni senyawa air. Garam dapur murni adalah senyawa. Baja tahan karat adalah campuran homogen beberapa logam, yaitu paduan. Udara adalah campuran homogen gas. Air pembilas yang keruh oleh serat dan busa adalah campuran heterogen.

Contoh 2: massa jenis sampel. Gelas ukur kosong 180 g. Diisi sampel sampai 100 mL, massanya menjadi 312 g. Massa sampel 132 g dan massa jenisnya $132/100 = 1{,}32$ g/mL atau 1,32 kg/L. Nilai ini dibandingkan dengan rentang massa jenis di SDS produk yang dicurigai.

Contoh 3: residu penguapan. Sampel air 250 mL diuapkan sampai kering dan meninggalkan residu 0,35 g. Kadar zat padat terlarut total kira-kira $0{,}35/0{,}25 = 1{,}4$ g/L atau 1.400 mg/L. Residu itu adalah campuran garam yang tadinya larut, yang tidak dapat disaring dengan saringan biasa.

Contoh 4: persen volume dan persen massa. Satu liter produk bermassa jenis 1,2 kg/L dicampur dengan 9 L air bermassa jenis 1,0 kg/L. Persen volumenya $1/10 = 10\%$. Persen massanya $1{,}2/(1{,}2 + 9{,}0) = 11{,}8\%$. Volume campuran juga tidak selalu tepat 10 L, karena sebagian zat menyusut ketika dicampur.

Contoh 5: saringan dan daya hantar listrik. Air keruh disaring dengan kain rapat dan menjadi jernih. Daya hantar listriknya sebelum dan sesudah disaring hampir sama, karena yang menghantar adalah ion garam yang larut, dan ion itu lolos melalui saringan. Penyaringan menyelesaikan kekeruhan, bukan kesadahan atau zat terlarut.

Contoh 6: kerak yang larut dalam larutan asam. Elemen pemanas berkerak kapur direndam dalam larutan asam di wadah terbuka di atas timbangan. Selama perendaman, massa total wadah turun 22 g karena gas karbon dioksida lepas ke udara. Dari rumus reaksinya, setiap 100 g kalsium karbonat melepaskan 44 g karbon dioksida, sehingga kerak yang larut kira-kira $22 \times 100/44 = 50$ g. Perhitungan ini menganggap seluruh kerak adalah kalsium karbonat dan tidak ada uap air yang ikut hilang. Penurunan perbandingan 100 : 44 dibahas di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan, amankan area, dan serahkan penanganan kepada petugas yang berwenang bila salah satu keadaan berikut ditemukan:

1. Wadah bahan kimia tidak berlabel atau labelnya tidak sesuai isi. Jangan dibuka di luar prosedur; tandai, pisahkan, dan laporkan.
2. Dua bahan kimia bertemu dan muncul gelembung, panas, asap, atau bau tajam. Jauhi area, ventilasikan, dan ikuti Bab 8 · Laundry dan Bab 21 · Laundry.
3. Sampel perlu diambil dari wadah yang menggembung, panas, atau bocor. Tunggu petugas yang berwenang dengan pelindung yang sesuai.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang struktur atom membuka isi atom yang membedakan satu unsur dari unsur lain, dan Bab 4 tentang ikatan kimia menjelaskan mengapa sebagian zat membentuk molekul dan sebagian membentuk ion. Bab 7 tentang mol dan stoikiometri melanjutkan kekekalan massa dan perbandingan tetap ke perhitungan jumlah zat. Bab 8 tentang larutan, konsentrasi, pH, dan pengukuran membahas larutan, konsentrasi, dan pH, dan Bab 10 tentang SDS membahas SDS dan kelas fungsi produk. Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan penyelesai serta Bab 21 · Laundry tentang K3 laundry membahas campuran berbahaya dan tanggap darurat di laundry. Bab 3 · Air & Pengolahan Air tentang koagulasi, pemisahan, filtrasi, dan desinfeksi, Bab 5 · Air & Pengolahan Air tentang osmosis balik, dan Bab 21 · Air & Pengolahan Air tentang pelunak dan penukar ion membahas pemisahan sebagai proses pengolahan air, dan Bab 6 · Dispensing Kimia tentang dosis deterjen memakai daya hantar larutan. Bab 10 · Fisika tentang kalor, suhu, dan perpindahan panas serta Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase membahas kalor perubahan wujud.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, sebutkan alasan dan satuan. Angka dalam soal dipakai untuk latihan saja.