Kimia
Kimia adalah cabang dari ilmu fisik yang mempelajari tentang susunan, struktur, sifat, dan perubahan materi. 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.
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.
Kata "kimia" berasal dari "alkimia", sebutan untuk serangkaian praktik pada masa-masa terdahulu yang meliputi unsur-unsur ilmu kimia, metalurgi, filsafat, astrologi, ilmu mistik, dan ilmu pengobatan. Alkimia seringkali dianggap berhubungan dengan usaha mengubah timbal atau bahan-bahan baku biasa lainnya menjadi emas, tetapi pada Zaman Kuno ilmu ini mengkaji banyak pokok persoalan ilmu kimia modern. Alkimia didefinisikan oleh alkemis Yunani-Mesir awal abad ke-4 M, Zosimos, sebagai ilmu yang mempelajari tentang komposisi air, pergerakan, pertumbuhan, mewujud, menghilang, mengeluarkan roh dari raga, dan mengikat roh di dalam raga.
Kata "alkimia" berasal dari kata Arab "al-kīmīā" (الکیمیاء). Kata "al-kīmīā" diturunkan dari kata Yunani χημία (kemia) atau χημεία (kemeia). "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. Mungkin pula, kata "al-kīmīā" diturunkan dari kata χημεία (kemeia), yang berarti "dituang bersama-sama" (ke dalam cetakan).
Kimia sering disebut sebagai "ilmu pusat" karena menghubungkan berbagai ilmu lain, seperti fisika, ilmu bahan, nanoteknologi, biologi, farmasi, kedokteran, bioinformatika, dan geologi . 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.
Air (HO) berbentuk cairan dalam suhu kamar karena molekul-molekulnya terikat oleh gaya antarmolekul yang disebut ikatan Hidrogen. Di sisi lain, hidrogen sulfida (HS) 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, tetapi 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, tetapi ilmu ini berakar pada alkimia yang telah dipraktikkan selama berabad-abad di seluruh dunia.
Akar 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 mengubah 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 .
Kimia umumnya dibagi menjadi beberapa bidang utama. Terdapat pula beberapa cabang antar-bidang dan cabang-cabang yang lebih khusus dalam kimia.
Lima Cabang Utama:
Cabang - cabang Ilmu Kimia yang merupakan tumpang-tindih satu atau lebih lima cabang utama: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.
"Tatanama 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" 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. Dalam atom netral, elektron yang bermuatan negatif mengimbangi muatan positif pada proton. Inti atom sangat padat; massa nukleon adalah 1,836 kali dari elektron, namun jari-jari atom adalah sekitar 10,000 kali dari intinya.
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" 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.
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.
"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 (PO).
"Senyawa" merupakan suatu zat yang dibentuk oleh dua atau lebih unsur dengan "perbandingan tetap" yang menentukan susunannya. sebagai contoh, air merupakan senyawa yang mengandung hidrogen dan oksigen dengan perbandingan dua terhadap satu. Senyawa dibentuk dan diuraikan oleh reaksi kimia.
Penamaan standar senyawa diatur oleh "International Union of Pure and Applied Chemistry" (IUPAC). Senyawa organik diberi nama berdasarkan sistem tata nama organik. Senyawa anorganik diberi nama berdasarkan sistem tata nama anorganik. 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" 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.
Suatu '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.
Zat kimia adalah jenis materi dengan komposisi dan sifat yang pasti. Kumpulan zat disebut dengan campuran. Beberapa contoh campuran adalah udara dan aloy.
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. Jumlah entitas per mol dikenal sebagai bilangan Avogadro, serta ditentukan secara empiris mencapai sekitar 6.022 mol. Konsentrasi molar adalah jumlah zat tertentu per volume larutan, dan umumnya dilaporkan dalam moldm.
"Fase" 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.
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" 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.
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" 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. Oksidasi, reduksi, disosiasi, netralisasi asam-basa serta reaksi penataan ulang molekul adalah beberapa jenis reaksi kimia yang umum digunakan.
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.
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" 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 detailnya). 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-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:
Industri kimia adalah salah satu aktivitas ekonomi yang penting. Top 50 produser kimia dunia pada tahun 2004 mempunyai penjualan sebesar USD $587 miliar dengan profit margin sebesar 8.1% dan pengeluaran rekayasa (riset dan pengembangan) sebesar 2.1% dari total penjualan kimia.