Reaksi kimia

Reaksi kimia adalah suatu proses alam yang selalu menghasilkan antarubahan senyawa kimia. Senyawa ataupun senyawa-senyawa awal yang terlibat dalam reaksi disebut sebagai reaktan. Reaksi kimia biasanya dikarakterisasikan dengan perubahan kimiawi, dan akan menghasilkan satu atau lebih produk yang biasanya memiliki ciri-ciri yang berbeda dari reaktan. Secara klasik, reaksi kimia melibatkan perubahan yang melibatkan pergerakan elektron dalam pembentukan dan pemutusan ikatan kimia, walaupun pada dasarnya konsep umum reaksi kimia juga dapat diterapkan pada transformasi partikel-partikel elementer seperti pada reaksi nuklir.
Reaksi-reaksi kimia yang berbeda digunakan bersama dalam sintesis kimia untuk menghasilkan produk senyawa yang diinginkan. Dalam biokimia, sederet reaksi kimia yang dikatalisis oleh enzim membentuk lintasan metabolisme, di mana sintesis dan dekomposisi yang biasanya tidak mungkin terjadi di dalam sel dilakukan.

Sejarah

Reaksi kimia seperti pembakaran, fermentasi, dan reduksi dari bijih menjadi logam sudah diketahui sejak dahulu kala. Teori-teori awal transformasi dari material-material ini dikembangkan oleh filsuf Yunani Kuno, seperti Teori empat elemen dari Empedocles yang menyatakan bahwa substansi apapun itu tersusun dari 4 elemen dasar: api, air, udara, dan bumi. Pada abad pertengahan, transformasi kimia dipelajari oleh para alkemis. Mereka mencoba, misalnya, mengubah timbal menjadi emas, dengan mereaksikan timbal dengan campuran tembaga-timbal dengan sulfur.
Produksi dari senyawa-senyawa kimia yang tidak terdapat secara alami di bumi telah lama dicoba oleh para ilmuwan, seperti sintesis dari asam sulfat dan asam nitrat oleh alkemis Jābir ibn Hayyān. Proses ini dilakukan dengan cara memanaskan mineral-mineral sulfat dan nitrat, seperti tembaga sulfat, alum dan kalium nitrat. Pada abad ke-17, Johann Rudolph Glauber memproduksi asam klorida dan natrium sulfat dengan mereaksikan asam sulfat dengan natrium klorida. Dengan adanya pengembangan lead chamber process pada tahun 1746 dan proses Leblanc, sehingga memungkinkan adanya produksi asam sulfat dan natrium karbonat dalam jumlah besar, maka reaksi kimia dapat diaplikasikan dalam industri. Teknologi asam sulfat yang semakin maju akhirnya menghasilkan proses kontak pada tahun 1880-an, dan proses Haber dikembangkan pada tahun 1909–1910 untuk sintesis amonia.
Dari abad ke-16, sejumlah peneliti seperti Jan Baptist van Helmont, Robert Boyle dan Isaac Newton mencoba untuk menemukan teori-teori dari transformasi-transformasi kimia yang sudah dieksperimenkan. Teori plogiston dicetuskan pada tahun 1667 oleh Johann Joachim Becher. Teori itu mempostulatkan adanya elemen seperti api yang disebut "plogiston", yang terdapat dalam benda-benda yang dapat terbakar dan dilepaskan selama pembakaran. Teori ini dibuktikan salah pada tahun 1785 oleh Antoine Lavoisier, yang akhirnya memberikan penjelasan yang benar tentang pembakaran.
Pada tahun 1808, Joseph Louis Gay-Lussac akhirnya mengetahui bahwa karakteristik gas selalu sama. Berdasarkan hal ini dan teori atom dari John Dalton, Joseph Proust akhrinya mengembangkan hukum perbandingan tetap yang nantinya menjadi konsep awal dari stoikiometri dan persamaan reaksi.
Pada bagian kimia organik, telah lama dipercaya bahwa senyawa yang terdapat pada organisme yang hidup itu terlalu kompleks untuk bisa didapatkan melalui sintesis kimia. Menurut konsep vitalisme, senyawa organik dilengkapi dengan "kemampuan vital" sehingga "berbeda" dari material-material inorganik. Tapi pada akhirnya, konsep ini pun berhasil dipatahkan setelah Friedrich Wöhler berhasil mensintesis urea pada tahun 1828. Kimiawan lainnya yang memiliki kontribusi terhadap ilmu kimia organik di antaranya Alexander William Williamson dengan sintesis eter yang dilakukannya dan Christopher Kelk Ingold yang menemukan mekanisme dari reaksi substitusi.

Pengelompokan reaksi kimia

Beragamnya reaksi-reaksi kimia dan pendekatan-pendekatan yang dilakukan dalam mempelajarinya mengakibatkan banyaknya cara untuk mengklasifikasikan reaksi-reaksi tersebut, yang sering kali tumpang tindih. Di bawah ini adalah contoh-contoh klasifikasi reaksi kimia yang biasanya digunakan.

Presipitasi

Presipitasi adalah proses reaksi terbentuknya padatan (endapan) di dalam sebuah larutan sebagai hasil dari reaksi kimia. Presipitasi ini biasanya terbentuk ketika konsentrasi ion yang larut telah mencapai batas kelarutan dan hasilnya adalah membentuk garam. Reaksi ini dapat dipercepat dengan menambahkan agen presipitasi atau mengurangi pelarutnya. Reaksi presipitasi yang cepat akan menghasilkan residu mikrokristalin dan proses yang lambat akan menghasilkan kristal tunggal. Kristal tunggal juga dapat diperoleh dari rekristalisasi dari garam mikrokristalin.

Reaksi pada zat padat

Reaksi dapat terjadi di antara dua benda padat. Meski begitu, karena tingkat difusi pada zat padat sangat rendah, maka reaksi kimia yang berlangsung terjadi sangat lambat. Reaksi dapat dipercepat dengan cara meningkatkan suhu sehingga akan memecah reaktan, sehingga luas permukaan kontak menjadi lebih besar.

Reaksi fotokimia

Dalam reaksi fotokimia, atom dan molekul akan menyerap energi (foton) dari cahaya dan mengubahnya ke eksitasi. Atom dan molekul ini lalu dapat melepaskan energi dengan memecahkan ikatan kimia, maka menghasilkan radikal. Reaksi ang termasuk ke dalam reaksi fotokimia di antaranya reaksi hidrogen-oksigen, polimerisasi radikal, reaksi berantai dan reaksi penataan ulang.
Banyak proses-proses penting menggunakan fotokimia. Contoh yang paling umum adalah fotosintesis, di mana tanaman menggunakan energi matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi glukosa dan oksigen sebagai hasil samping. Manusia mengandalkan fotokimia dalam pembentukan vitamin D, dan persepsi visual dihasilkan dari reaksi fotokimia di rhodopsin. Pada kunang-kunang, sebuah enzim pada abdomen mengkatalisasi reaksi yang menghasilkan bioluminesensi. Banyak reaksi fotokimia, seperti pembentukan ozon, terjadi di atmosfer bumi yang merupakan bagian dari kimia atmosfer.

Katalisis

Pada katalisis, reaksinya tidak berlangsung secara spontan, tetapi melalui substansi ketiga yang disebut dengan katalis. Tidak seperti reagen lainnya yang ikut dalam reaksi kimia, katalis tidak ikut serta dalam reaksi itu sendiri, tetapi dapat menghambat, mematikan, atau menghancurkan melalui proses sekunder. Katalis dapat digunakan pada fase yang berbeda (katalis heterogen) maupun pada fase yang sama (katalis homogen) sebagai reaktan. Fungsi katalis hanyalah mempercepat reaksi - zat kimia yang memperlambat reaksi disebut dengan inhibitor. Substansi yang meningkatkan aktivitas katalis disebut promoter, dan substansi yang mematikan katalis disebut racun katalis. Sebuah reaksi kimia yang semestinya tidak bisa berlangsung karena energi aktivasinya terlalu tinggi, bisa menjadi berlangsung karena kehadiran katalis ini.
Katalis heterogen biasanya padat dan berbentuk bubuk agar dapat memaksimalkan luas permukaan yang bereaksi. Zat-zat yang penting pada katalisis heterogen di antaranya logam-logam grup platinum dan logam transisi lainnya. Zat-zat ini biasanya digunakan pada hidrogenasi, pembentukan katalitik dan sintesis dari senyawa-senyawa kimia seperti asam nitrat dan amonia. Asam adalah contoh dari katalis homogen, mereka meningkatkan nukleofilitas dari karbonil. Kelebihan dari katalis homogen adalah mudah untuk dicampurkan dengan reaktannya, tetapi kekurangannya adalah susah dipisahkan dari produk akhirnya. Oleh karena itu, katalis heterogen lebih dipilih di banyak proses industri.

Reaksi dalam kimia organik

Dalam kimia organik, banyak reaksi yang dapat terjadi yang melibatkan ikatan kovalen di antara atom karbon dan heteroatom lainnya seperti oksigen, nitrogen, atau atom-atom halogen lainnya. Beberapa reaksi yang lebih spesifik akan dijelaskan di bawah ini.

Substitusi

Dalam reaksi substitusi, sebuah gugus fungsi di dalam suatu senyawa kimia digantikan oleh gugus fungsi lainnya. Reaksi ini dapat dibedakan lagi menjadi beberapa subtipe yaitu nukleofilik, substitusi elektrofilik, atau substitusi radikal.
Pada tipe yang pertama, nukleofil, atom atau molekul yang memiliki kelebihan elektron sehingga bermuatan negatif, akan menggantikan atom lainnya atau bagian lainnya dari molekul "substrat". Pasangan elektron nukleofil akan bersatu dengan substrat membentuk ikatan baru, sedangkan gugus lepas akan lepas bersamaan dengan sebuah pasangan elektron. Nukleofil sendiri dapat bermuatan netral atau positif, sedangkan substrat biasanya bermuatan positif atau netral. Contoh nukleofil adalah ion hidroksida, alkoksida, amina, dan halida. Reaksi semacam ini biasanya ditemukan pada hidrokarbon alifatik dan jarang ditemukan pada hidrokarbon aromatik. Hidrokarbon aromatik memiliki rapatan elektron yang tingi dan hanya bisa melangsungkan substitusi aromatik nukleofilik hanya dengan gugus penarik elektron yang sangat kuat. Substitusi nukleofilik dapat berlangsung melalui 2 mekanisme, Reaksi SN1 dan SN2. Menurut namanya, S singkatan dari substitusi, N singkatan dai nukleofilik, dan, dan angka menunjukkan ordo kinetik reaksi, unimolekuler atau bimolekuler.
Reaksi SN1 berlangsung dalam 2 tahap. Tahap pertama, gugus lepas akan lepas dan membentuk karbokation. Tahap ini akan diikuti reaksi yang sangat cepat dengan nukleofil.
Dalam mekanisme SN2, nukleofil akan membentuk tahap transisi dengan molekul yang lepas saja yang terlekang. Kedua mekanisme ini berbeda pada hasil stereokimianya. Reaksi SN1 menghasilkan adisi non-stereospesifik dan tidak menghasilkan pusat chiral, melainkan dalam bentuk isomer geometri (cis/trans). Kebalikannya, inversi Warden-lah yang diamati pada mekanisme SN2.
Substitusi elektrofilik merupakan kebalikan dari substitusi nukleofilik di mana atom atau molekul yang melepas, atau elektrofilnya, mempunyai kerapatan elektron yang rendah sehingga bermuatan positif. Biasanya elektrofil ini adalah atom karbon dari gugus karbonil, karbokation atau sulfur atau kation nitronium. Reaksi ini berlangsung pada hidrokarbon aromatik saja, sehingga disebut substitusi aromatik elektrofilik. Serangan elektrofil akan menciptakan kompleks yang disebut sebagai σ-compleks, sebuah fase transisi di mana sistem aromatiknya hilang. Lalu, gugus lepas (biasanya proton), akan terpisah dan sifat kearomatikannya kembali. Alternatif lain untuk substitusi aromatik adalah substitusi alifatik elektrofilik. Substitusi ini mirip dengan substitusi aromatik elektrofilik dan juga mempunyai 2 tipe utama yaitu SE1 dan SE2

Reaksi kimia organik lainnya

Pada reaksi penataan ulang, kerangka karbon dari sebuah molekul disusun ulang sehingga membentuk isomer struktur dari molekul aslinya. Reaksi ini termasuk dengan reaksi sigmatropik seperti penataan ulang Wagner-Meerwein, di mana gugus hidrogen, alkil, atau aril berpindah-pindah tempat dari suatu atom karbon ke atom karbon lainnya. Kebanyakan reaksi penataan ulang adalah pemutusan dan pembentukan ikatan karbon-karbon baru. Contoh lain dari reaksi ini adalah penataan ulang cope.

Reaksi biokimia

Reaksi biokimia pada umumnya dikendalikan oleh enzim. Protein-protein ini hanya dapat mengkatalis satu jenis reaksi yang spesifik, sehingga reaksinya benar-benar dapat dikontrol. Reaksi ini berlangsung pada sisi aktif dari substrat. Reaksi katalisasi enzim ini bergantung pada banyak hal, di antaranya adalah bentuk enzimnya, jenis ikatannya, interaksi elektrostatik, pemberian dan penerimaan proton (pada reaksi asam/basa), dan lainnya.
Reaksi kimia yang berlangsung di dalam tubuh makhluk hidup biasanya juga dikenal dengan sebutan metabolisme. Di antarasemua reaksi-reaksi ini, reaksi yang paling penting adalah reaksi anabolisme, di mana DNA dan enzim-terkontrol memproses pembentukan protein dan karbohidrat dari senyawa-senyawa yang lebih kecil. Bioenergitika mempelajari sumber energi untuk reaksi biokimia. Sumber energi yang paling penting dalam reaksi ini adalah glukosa, yang diproduksi tanaman melalui proses fotosintesis. Semua organisme membutuhkan glukosa untuk memproduksi adenosin trifosfat (ATP), yang digunakan makhluk hidup untuk menjalankan aktivitasnya.

Penggunaan reaksi kimia

Reaksi kimia sangat sering digunakan oleh para ahli teknik kimia untuk mensintesis senyawa baru dari sumber daya alam mentah di alam, seperti minyak bumi dan bijih-bijih mineral. Merupakan suatu hal yang penting untuk membuat reaksi yang seefisien mungkin, memaksimalkan hasil yang bisa diperoleh dan meminimalkan reagen yang dipakai, energi masuk dan energi keluar. Katalis biasanya digunakan untuk mengurangi energi aktivasi sehingga meningkatkan laju reaksinya.
Beberapa reaksi yang spesifik mempunyai penggunaan yang khusus. Misalnya, reaksi termit dipakai untuk menghasilkan cahaya dan panas pada piroteknik dan pengelasan. Meskipun reaksi ini lebih agak sulit dikontrol daripada reaksi-reaksi sebelumnya, tetapi alat-alat yang dibutuhkan jauh lebih sedikit dan sampai saat ini masih digunakan untuk memperbaiki jalur-jalur kereta api di tempat-tempat terpelosok.