About

Blog ini disusun untuk memenuhi tugas akhir program pascasarjana S2 Pendidikan IPA Universitas Bengkulu. Blog ini akan menampilkan implementasi Metal Organic Frameworks sebagai adsorben untuk adsorpsi limbah zat warna yang berasal dari industri tekstil di perairan Bengkulu. Dalam blog ini siswa akan melakukan pembelajaran ikatan kimia melalui langkah pembelajaran berbasis inkuiri berdasarkan konteks Metal Organic Frameworks.

Blog ini disusun oleh saya sendiri dan dibimbing oleh Prof. Dr. M. Lutfi Firdaus, M.T dan Dr. Euis Nursa'adah, M. Pd selaku pembimbing tesis saya. 

Peta Konsep

Peta Konsep

 

Ikatan Kimia

Elektron-elektron yang berada pada kulit valensi (terluar) berperan penting dalam pembentukan ikatan kimia. Bila pembentukan ikatan kimia terjadi akibat adanya perpindahan satu atau lebih elektron dari satu atom ke atom lain, dinamakan ikatan ion. Bila pembentukan ikatan kimia terjadi terjadi akibat pemakaian bersama pasangan elektron diantara atom-atom dinamakan ikatan kovalen. Ikatan kovalen ini terbagi menjadi ikatan rangkap dan ikatan koordinasi.

Ikatan Ion

Ikatan ion merupakan ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik menarik elektrostatis antara kation dan anion.

 Contoh pembentukan senyawa ion misalnya pembentukan senyawa natrium klorida atau yang kita kenal dengan garam dapur. Proses pembentukan ion Na⁺ dan Cl^- dapat dituliskan sebagai berikut:

Na( 2 8 1) + Cl (2 8 7) à Na⁺ Cl^-

Lambang Lewis pembentukan senyawa Na⁺ Cl^- (sumber: google site)

Atom natrium kehilangan satu elektron menjadi bermuatan positif, sedangkan atom klor menjadi bermuatan negatif karena kekurangan satu elektron. Pada pembentukan senyawa natrium klorida, kation Na⁺ bereaksi dengan anion Cl^-. Karena kedua ion tersebut berlawan muatan, maka diantara kedua ion tersebut terjadi gaya bakutarik elektrostatik sehingga terbentuk senyawa NaCl. Susunan ion positif dan ion negatif sangat rapat dan tidak mudah bergerak. Karena strukturnya yang teratur dan tersusun rapi ini dalam kimia disebut stuktur kristalin. 

Struktur kristalin senyawa NaCl (sumber: bospedia.com)

            Beberapa sifat ikatan ion berdasarkan struktur senyawanya:

a.       Kristalnya Keras Tapi Rapuh

Kristal senyawa ion bersifat keras karena strukturnya yang padat dan tersusun rapi antara ion positif dan ion negatif. Namun, jika diberi tekanan pada kristalin tersebut maka akan terjadi pergeseran yang mengakibatkan terjadinya reaksi tolak menolak antara ion yang bermuatan sama dan menimbulkan perpecahan.

Ilustrasi susunan ion-ion ikatan logam saat diberi tekanan (sumber: chemistryrack)

b.      Cenderung Mempunyai Titik Lebur dan Titik Didih yang Tinggi

Karena tarikan antar ion kuat dan stabil sehingga diperlukan energi yang lebih besar untuk dapat melelehkan padatan ionik.

c.       Mudah Larut Dalam Pelarut Polar

Pelarut polar tertarik terhadap ion-ion. Bagian negatif pelarut polar tertarik ke ion positif sedangkan bagian positifnya tertarik ke ion negatif.

Ilustrasi struktur senyawa ion dalam air (sumber: chemistryrack)

d.      Lelehan dan Larutannya Dapat Menghantarkan Listrik.

Saat dilarutkan dengan pelarut maka senyawa ion akan terionisasi, sehingga ion-ion positif dan ion-ion negatif dapat bergerak bebas.

Ilustrasi senyawa ion yang dapat menghantarkan listrik (sumber:paperplane)

Dalam kehidupan sehari-hari senyawa-senyawa yang terbentuk melalui ikatan kimia memiliki manfaat yang luar biasa. Salah satu contohnya yaitu natrium klorida  (NaCl) atau yang dikenal dengan nama garam dapur. Garam dapur biasanya berbentuk kristal berwarna putih. Kegunaannya yaitu untuk penambah rasa makanan, bisa juga digunakan untuk mengawetkan makanan. 

Gambar garam dapur (sumber:google site)

Senyawa kalsium klorida (CaCl₂) dalam kehidupan sehari-hari biasanya digunakan pada air kolam renang yang biasa disebut dengan kaporit. Penggunaan kalsium klorida ini bertujuan untuk mencegah korosif yang akan menyebabkan kerusakan struktur logam pada kolam. 

Gambar bubuk kaporit (sumber: google.com)

Natrium florida (NaF) senyawa ini adalah senyawa yang mudah larut dalam air dan berbentuk padat tidak berwarna. Dalam kehidupan sehari-hari, NaF sering ditambahkan ke dalam air mineral dan pembuatan produk untuk menjaga kesehatan gigi. Manfat florida sebagai ion dalam kehidupan kehidupan ini terkenal sebagai senyawa untuk memperkuat gigi dengan membentuk fluorapatit yang merupakan komponen enamel gigi.

Ikatan Logam

Ikatan logam terjadi akibat adanya delokalisasi elektron yang senantiasa berpindah-pindah, kemudian terjadilah proses saling meminjamkan elektron atau juga sering disebut sebagai model lautan elektron.

Ikatan logam adalah suatu jenis ikatan kimia yang melibatkan gaya tarik elektrostatik antara elektron konduksi yang dikumpulkan di dalam suatu awan elektron dan ion logam bermuatan positif. Kalau digambarkan strukturnya, logam itu adalah kumpulan kation-kation (ion positif) yang tersusun rapi. Diantara kation-kation tersebut, ada lautan elektron yang bisa bergerak bebas dan berpindah ke kation mana saja. Elektron ini bertindak seperti lem perekat. Itulah mengapa disebut ikatan logam.

Berikut merupakan ilustrasi pembentukan ikatan logam berdasarkan teori lautan elektron.

Sumber: google site

Berdasarkan teori lautan elektron, ikatan logam menghasilkan sifat-sifat khas pada kristal logam, diantaranya yaitu sebagai berikut:

a.       Logam Bersifat Mengkilat 

ilustrasi logam bersifat megkilat (sumber: byju's.com)

Jika cahaya tampak jatuh pada permukaan logam, sebagian elektron valensi logam akan tereksitasi, dan ketika kembali ke keadaan dasar akan membebaskan energi dalam bentuk cahaya atau kilap.

b.      Konduktor Listrik

ilustrasi logam bersifat konduktor listrik (sumber: byju's.com)

Jika dialirkan melalaui logam, elektron-elektron valensi logam akan memebawa muatan listrik keseluruh logam dan bergerak menuju potensial yang lebih rendah sehingga terjadi aliran listrik dalam logam.

c.       Konduktor Panas

ilustrasi logam bersifat konduktor panas (sumber: texasgateway.com)

Jika logam menyerap panas, elektron-elektron valensi logam akan bergerak lebih cepat dan kalor dapat didistribusikan keseluruh kristal logam sehingga logam menjadi panas

d.      Dapat Ditempa

logam dapat ditempa (sumber: inchemistry.com)

Jika logam ditempa atau dibengkokkan terjadi pergeseran kation-kation, tetapi pergeseran ini tidak menyebabkan patah karena selalu dikelilingi oleh lautan elektron. Contohnya yaitu baut, obeng, pagar besi, dll.

Contoh pemanfaatan ikatan logam diantaranya adalah pada pembuatan panel surya. Panel surya merupakan sebuah alat yang terdiri dari sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor untuk mengubah energi surya menjadi energi listrik. Pembuatan panel surya ini menggunakan konsep paduan logam atau alloy. Membuat paduan logam akan mengakibatkan terjadinya ikatan logam antar logam yang berlainan. Contoh alloy adalah paduan Gallium dan Bismut, serta tambahan atom lain yaitu Arsenik dan Nitrogen untuk membuat panel surya.

Gambar panel surya (sumber: ruangguru.com)

 

Ikatan Kovalen

Atom-atom mengadakan ikatan kovalen dengan cara membentuk pasangan elektron yang disumbangkan oleh kedua atom dan menjadi milik bersama atom-atom yang berikatan. Kedua atom yang berikatan tersebut akan tertarik pada pasangan elektron yang sama. Itulah mengapa ikatan kovalen disebut juga sebagai ikatan molekul. Terjadinya ikatan kovalen karena kecendrungan atom-atom untuk mencapai konfigurasi elektron atom gas mulia, yaitu 8 elektron pada kulit terluar.

Rumus lewis digunakan untuk menggambarkan ikatan kovalen berdasarkan kaidah oktet, khusus untuk hidrogen mengikuti kaidah duplet. Suatu molekul dinyatakan stabil apabila memiliki konfigurasi elektron gas mulia (oktet dan duplet). Ikatan kovalen terdiri dari beberapa jenis yaitu berdasarkan banyaknya elektron yang digunakan saat kedua atom berikatan (ikatan tunggal, ikatan rangkap 2, dan ikatan rangkap 3). Dan berdasarkan sumber elektron yang akan dipakai bersama (ikatan kovalen koordinasi).

1. Kovalen Tunggal

          Ikatan kovalen tunggal merupakan ikatan yang hanya melibatkan sepasang elektron untuk digunakan bersama. Artinya, masing-masing atom hanya saling memberikan satu elektron untuk dapat digunakan bersama. Contoh ikatan kovalen tunggal terjadi pada molekul H₂.

Contoh implementasi ikatan kovalen yaitu pada pembentukan molekul H₂. Pada awalnya atom-atom H saling mendekat satu sama lain, dan orbital 1s dari masing-masing atom mulai bertindihan (overlap). Setiap elektron dapat dapat menghuni ruang disekitar kedua atom hidrogen. Dengan kata lain kedua elektron dapat digunakan bersama oleh kedua atom H menghasilkan gaya baku tarik.

Ilustrasi ikatan kovalen dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar ilustrasi ikatan kovalen tunggal molekul H₂ (sumber: serc.carleton.edu)

Hidrogen memiliki banyak manfaat dalam kehidupan sehari-hari. Manfaat hidrogen ditemukan dalam berbagai bidang. Dalam kimia organik, hidrogen dipakai sebagai pesintesis senyawa-senyawa organik seperti senyawa aldehid. Dalam bidang industri, hidrogen banyak digunakan seperti pembuatan bahan bakar fosil, pupuk, meningkatkan kejenuhan minyak, pemurnian minyak bumi, pembuatan metanol, sebagai sel bahan bakar serta berperan dalam proses hidrodealkilasi, hidrodesulfurasi, hidrocracking. Dalam bidang fisika dan teknik, hidrogen digunakan sebagai sheilding gas dan zat pendingin rotor.

Selain hidrogen, asam klorida atau HCl merupakan senyawa yang sangat popular dalam kimia. HCl juga terbentuk melalui ikatan kovalen tunggal. HCl dapat dimanfaatkan untuk mengatur pH (keasaman) air limbah cair industri, sebelum dibuang ke badan air penerima. HCl juga digunakan pada proses produksi gelatin dan bahan aditif pada makanan. Di laboratorium, asam klorida biasa digunakan untuk titrasi penentuan kadar basa dalam sebuah larutan. Asam klorida juga berguna sebagai bahan pembuatan cairan pembersih porselen. Kegunaan-kegunaan lain dari asam klorida diantaranya adalah pada proses produksi baterai, kembang api dan lampu blitz kamera.

2. Kovalen Rangkap 2

Ikatan kovalen rangkap 2 adalah ikatan yang masing-masing atomnya memberikan sumbangan dua elektron valensi untuk membentuk dua pasang elektron ikatan. Hal itulah yang membuatnya menjadi ikatan rangkap dua. Contohnya adalah pada molekul O₂.

Gambar pembentukan ikatan kovalen rangkap 2 molekul O₂ (sumber: bhataramedia.com)

1. Beberapa kegunaan oksigen dalam kehidupan sehari-hari dan industri antara lain :
2. Untuk pernapasan makhluk hidup, penderita paru-paru, penyelam, antariksawan
3. Untuk pembakaran / oksidator
4. Campuran oksigen cair dan hidrogen cair digunakan untuk bahan bakar roket
5. Untuk bahan baku berbagai senyawa kimia

Gambar gas oksigen (sumber: google site)

3. Kovalen Rangkap 3

Ikatan kovalen rangkap tiga merupakan ikatan yang terjadi antara dua atom yang melibatkan enam elektron ikatan dalam satu ikatan kovalen. Contohnya adalah molekul nitrogen, ilustrasi pembentukan senyawa N₂ dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar pembentukan ikatan kovalen rangkap 3 molekul N₂ (sumber: courses lumenlearning.com)

Pada gambar tersebut atom N dan N pada molekul nitrogen bergabung menggunakan sepasang elektron yang dipakai bersama, tersisa dua elektron pada atom nitrogen yang belum berpasangan. Untuk memenuhi aturan oktet, kedua elekton tersebut harus dipasangkan sehingga diperoleh dua pasang elektron tambahan dan membentuk ikatan rangkap 3.

Gambar gas nitrogen (sumber: goggle site)

Kegunaan nitrogen dalam kehidupan sehari-hari dan di industri :

1. Pengisi bola lampu pijar
2. Nitrogen cair digunakan sebagai pendingin untuk membuat suhu yang sangat rendah
3. Penyimpanan buah-buahan dan sayuran sehingga tidak cepat busuk dalam kemasan kaleng
4. Pembuatan larutan injeksi
5. Penyimpanan produk yang mudah terbakar.
6. Bahan baku pembuatan amoniak (Siklus Haber-Bosch)

Gambar siklus Haber-Bosch (sumber: utakatikotak.com)

Ikatan Kovalen Koordinasi

Ikatan kovalen koordinasi adalah ikatan yang terjadi kalau hanya ada satu atom aja yang menyumbangkan pasangan elektron. Jadi, atom pasangannya tidak bisa menyumbangkan elektron. Contohnya adalah molekul HNO₃, SO₃, NH₄, dan H₂SO₄.

Pembentukan senyawa NH₄⁺ ion amonium dibentuk dari amonia dan sebuah proton atau ion hidrogen. Pada ion amonium terdapat ikatan kovalen koordinasi, seperti terlihat pada gambar berikut.

Gambar pembentukan ikatan kovalen koordinasi molekul NH₄ (sumber: courses lumenlearning.com)

Dalam gambar ditunjukkan bahwa sepasang elektron yang digunakan bersama dalam ikatan antara atom nitrogen dan ion H⁺ berasal dari atom nitrogen. Dengan demikian, pada ion amonium terdapat ikatan kovalen koordinasi.

Selain terdapat pada pembentukan senyawa diatas, ikatan koordinasi juga dapat terjadi dalam pembentukan senyawa organologam antara ligan organik dengan logam pusat. Senyawa organologam merupakan senyawa yang setidaknya terdapat satu atom karbon dari gugus organik yang berikatan langsung dengan atom logam.

Berikut merupakan tabel contoh logam pusat dan ligan organik.

No	Logam Pusat	Ligan Organik
1	Cu+ , Cu2+	H2O
2	Cr3+, Cr6+	CN-
3	Co3+	NH3
4	La+	CH3COOH
5	Be+	C5H5OH
6	Mg2+	C6H12O6
7	Al+	C5H5N
8	Ca+	C10H8N2
9	Ag+	C₆H₄(CO₂H)₂
10	Fe2+, Fe3+	CH3COCH2COCH3

Kombinasi logam pusat dan ligan organik tersebut dapat membentuk senyawa kompleks. Senyawa ini terbentuk sebagai hasil gabungan antara ion atau atom logam pusat dengan molekul netral atau ion melalui ikatan kovalen koordinasi.

Salah satu senyawa kompleks yang sedang dikembangkan saat ini yaitu Metal Organic Frameworks (MOFs). MOFs terbentuk dari logam pusat dan ligan organik yang memiliki karakteristik yang khas, struktur yang bervariasi dan ukuran pori yang teratur. Hal inilah yang menyebabkan MOFs sangat menarik digunakan dalam berbagai aplikasi salah satunya yaitu adsorpsi.

Untuk mempelajari lebih lanjut mengenai implementasi MOFs serta kaitannya dengan materi ikatan kimia. Maka kita akan mempelajarinya melalui langkah-langkah pembelajaran berbasis inkuiri.