KIMIA ORGANIK I

KIMIA ORGANIK I

           

              ATOM DAN MOLEKUL DALAM KIMIA ORGANIK

 PENDAHULUAN

Sejarah kimia organik diawali sejak pertengahan abad ke-17,awalnya tidak dapat dijelaskan perbedaan antara senyawayang diperoleh dari organisme hidup dengan senyawa yang dari bahan mineral.Seorang ahli kimia dari Swedia Torbern Bergman, tahun 1770 menjelaskan antara perbedaan senyawa organik dan anorganik. Senyawa yang diperoleh dari tumbuhan dan hewan sangat diisolasi. Ketika dapat dimurnikan ,senyawa-senyawa yang diperoleh dari bahan-bahan mineral.

Sekitar tahun 1850, kimia organik didefenisikan sebagai kimia dari senyawa yang datang dari benda hidup sehingga timbul istilah organik. Definisi ini mulai usang sekitar tahun 1900. Pada saat itu, ahli kimia mensintesa senyawa kimia baru di laboratorium, dan banyak dari senyawa baru ini tak mempunyai hubungan dengan benda hidup. Pada saat ini, kimia organik didefenisikan sebagai kimia senyawa karbon. 

Penjelasan ini sebagai perbedaan antara senyawa organik dan anorganik. senyawa organik diartikan sebagai senyawa kimia yang diperoleh dari makhluk hidup.
 

Semua organisme hidup tersusun atas senyawa-senyawa organik  contohnya rambut,kulit ,otot,keringat ,obat dan sbg, semuanya merupakan senyawa orgnik

banyak ahli kimia yang hanya menjelaskan perbedaan senyawa organik dan senyawa anorganik , dalam hal ini senyawa organik harus mempunyai energi vital sebagai hasil dari keaslian mereka dalam tubuh makhluk hidup. Teori vitalitas mengalami perubahan ketika Michael Chevreul (1816) menemukan sabun sebagai hasil reaksi antara asam basa dengan lemak hewani . Lemak hewani dapat dipisahkan dalam beberapa senyawa organik murni yang disebut dengan asam lemak.

Kimia mempelajari materi dan sifat-sifatnya. Belajar kimia secara bermakna memerlukan pemahaman keterkaitan kajian konsep dari tiga aspek, yaitu: aspek makroskopis (sifat-sifat yang dapat diamati), aspek partikulat (mikroskopis) yakni atom atau molekul sebagai pembawa sifat zat, dan aspek simbolik (Johnston 1991 dalam Gabel, 1999).  Pembelajaran kimia pada tingkat-tingkat awal persekolahan cenderung hanya mengajarkan aspek makroskopis,  sementara aspek partikulat dan simbolik secara bertahap baru dapat dimulai saat anak memasuki fase operasional formal (usia sekitar 11 tahun).  Guru hendaknya mampu merancang pembelajaran kimia pada tingkat pendidikan dasar.  Pengenalan aspek partikulat dan simbolik untuk melengkapi kajian aspek makroskopis  dengan mulai dari contoh zat-zat sederhana di sekitar siswa dapat mulai dilakukan pada siswa Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama (SLTP), mengingat siswa sudah mulai belajar abstraksi.  Dori, et al. (dalam Gabel 1999) menemukan bahwa banyak guru kurang memahami dan tidak mempertimbangkan pentingnya pemaduan ketiga aspek kajian tersebut . 

Struktur Elektron dari Atom

 

Unsur-unsur yang paling penting bagi ahli kimia organik adalah karbon,hidrogen,oksigen, dan nitrogen. Keempat unsur ini ada di kedua periode pertama dari susunan berkala dan elektronnya terdapat dalam dua kulit elektron yang terdekat ke inti. Setiap kulit elektron berhubungan dengan sejumlah energi tertentu. Elektron yang dekat ke inti lebih tertarik oleh proton dalam inti daripada elektron yang lebih jauh kedudukannya. Kulit elektron yang terdekat ke inti adalah kulit yang terendah energinnya, dan elektron dalam kulit ini dikatakan berada pada tingkat energi pertama. Elektron dalam kulit kedua, yaitu pada tingkat enenrgi kedua, mempunyai energi yang lebih tinggi daripada elektron pada tingkat pertama, begitu juga seterusnya.

A. Struktur Atom

      

Suatu atom dapat dijelaskan dengan nomor atom (Z) yang menggambarkan jumlah proton dalam inti atom, dan nomor massa (A) yang menggambarkan jumlah total proton dan neutron. Setiap atom dalam senyawa apapun memiliki nomor atom tetap, misalnya 1 untuk hidrogen, 6 untuk karbon, 17 untuk klorida, dan sebagainya, tetapi mereka dapat memiliki nomor massa berbeda tergantung berapa banyak neutron yang dimilikinya. Atom-atom yang memiliki nomor atom sama tetapi nomor massa berbeda disebut isotop. 

B. Orbital Atom 

Tiap kulit elektron suatu atom di bagi menjadi orbital atom. Orbital atom adalah bagian dari ruang di mana kebolehjadian ditemukannya sebuah elektron dengan kadar energi yang khas adalah tinggi (90-95%). Rapat elektron adalah istilah lain yang di gunakan untuk menggambarkan kebolehjadian di temukannya elektron pada titik tertentu, rapat elektron yang lebih tinggi, berarti kebolehjadiannya lebih tinggi, sedangkan rapat elektron yang lebih rendah berarti kebolehjadiannya juga rendah.

         

Berdasarkan model mekanika kuantum atom, perilaku spesifik dari suatu atom dapat dijelaskan menggunakan persamaan gelombang. Persamaan tersebut pada awalnya digunkan untuk menjelaskan pergerakan gelombang pada benda cair. Penyelesaian persamaan gelombang disebut fungsi gelombang atau orbital, dilambangkan dengan huruf Yunanai psi (ψ).

Ketika fungsi gelombang dikuadratkan (ψ2), orbital menjelaskan volume ruang di sekeliling inti di mana elektron paling mungkin ditemukan.

Terdapat empat macam orbital yang berbeda, dilambangkan dengan orbital s, p, d, dan f. Dari keempat orbital tersebut, kita hanya akan mempelajari secara mendalam orbital s dan p, karena kedua orbital tersebut paling penting dalam kimia organik. Orbital s berbentuk sferis (bola), dengan inti berada di pusat. Orbital p berbentuk halter.

Orbital elektron diatur dalam sel-sel yang berbeda, didasarkan pada peningkatan ukuran dan energi. Sel yang berbeda mengandung jumlah dan macam orbital yang berbeda pula. Masing-masing orbital berisi sepasang elektron. Sel pertama hanya mengandung orbital s saja, diberi lambang 1s, artinya pada sel ini hanya terdapat 2 elektron. Sel kedua terdapat satu orbital s (2s) dan tiga orbital p (2p), sehingga ada delapan elektron yang dapat mengisi sel ini. Sel ketiga berisi satu orbital s (3s), tiga orbital p (3p), dan lima orbital d (3d), jadi total elektron ada delapan belas. 

  

 Jari-jari Atom dan Keelektronegatifan

 

 A. Jari-jari Atom

Jari-jari atom merupakan jarak elaktron terluar ke inti atom dan menunjukan ukuran suatu atom. Jari-jari atom sukar diukur sehingga pengukuran jari-jari atom dilakukan dengan cara mengukur jarak inti antar dua atom yang berikatan sesamanya.

Dalam suatu golongan, jari-jari atom semakin ke atas cenderung semakin kecil. Hal ini terjadi karena semakin ke atas, kulit elektron semakin kecil. Dalam suatu periode, semakin ke kanan jari-jari atom cenderung semakin kecil. Hal ini terjadi karena semakin ke kanan jumlah proton dan jumlah elektron semakin banyak, sedangkan jumlah kulit terluar yang terisi elekteron tetap sama sehingga tarikan inti terhadap elektron terluar semakin kuat.

Jari-jari atom berubah-ubah bergantung pada besarnya tarikan antara inti dan elektronnya. Semakin besar tarikan, semakin kecil jari-jari atomnya. Faktor yang mempengaruhinnya yaitu jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron.

B. Keelektronegatifan

Keelektronegatifan adalah ukuran kemampuan atom untuk menarik elektron luarnya, atau elektron valensi. Karena elekrton luar dari atom yang di gunakan untuk ikatan, maka keelektronegatifan berguna dalam meramalkan dan menerangkan kereaktifan kimia. Seperti jari-jari atom, keelektronegatifan di pengaruhi oleh jumlah proton dalam inti dan jumlah kulit yang mengandung elektron. Makin besar jumlah proton berarti makin besar muatan inti positif, dan dengan demikian terikan untuk elektron ikatan bertambah. Karena keelektronegatifan bertambah dari kiri kekanan untuk periode tertentu dari susunan berkala.

Panjang Ikatan dan Sudut Ikatan
 

Jarak yang memisahkan inti dari dua atom yang terikat kovalen disebut panjang ikatan. Panjang ikatan kovalen yang dapat ditentukan secara eksperimental, mempunyai selang harga dari 0,74 Ǻ sampai 2 Ǻ. 

Bila ada lebih dari dua atom dalam molekul, ikatan membentuk sudut, yang disebut sudut ikatan. Sudut ikatan bervarisi dari kira-kira 60⁰ sampai 180⁰.

                                                                                                                                               Kebanyakan struktur organik mengandung lebih dari tiga atom, dan lebih bersifat berdimensi-tiga dari pada berdimensi-dua. Rumus struktur terdahulu untuk amoniak (NH₃) menggambarkan satu teknik untuk menyatakan suatu struktur dimensi-tiga. Ikatan garis (-) menyatakan ikatan dalam bidang kertas. Baji padat (−−)menyatakan ikatan yang keluar dari kertas menuju pengamat; H pada ujung yang lebar dari baji padat ada di muka kertas. Baji yang patah-patah (−−−) menyatakan ikatan yang menunjuk ke belakang kertas; H pada ujung yang sempit dari baji yang patah-patah ada di belakang kertas.

 Energy Disosiasi 

 

    Bila atom saling terikat membentuk molekul, energy dilepaskan (biasanya sebagai kalor atau cahaya). Jadi, untuk molekul agar terdisosiasi menjadi atom-atomnya harus diberikan energy. Ada dua cara agar ikatan dapat terdisosiasi. Satu cara adalah karena pemaksapisahan heterolitik (heterolytic cleavega) (yunani, hetero,”berbeda”), dalam mana kedua elaktron ikatan dipertahankan pada satu atom, hasil pembelahan heterolitik adalah sepasang ion.

Suatu panah lengkung digunakan dalam persamaan-persamaan ini untuk menunjukkan arah ke mana pasangan elektron bergerak selama pemutusan ikatan. Pemaksapisahan hetereolitik dari HCl atau H₂O₂ elektron ikatan dipindahkan ke Cl atau O yang lebih elektronegatif.

                                                                                                                                                       
Proses lain yang meungkinkan suatu ikatan terdisosiasi adalah pemaksapisahan homolitik (yunani, homo,”sama”). Dalam hal ini setiap atom yang turut dalam ikatan kovalen menerima satu electron dari pasangan yang saling berbagi yang asli. Yang dihasilkan adalah atom yyang secara listrik netral atau gugus atom.

Perhatikan bahwa panah lengkung dalam persamaan-persamaan ini hanya mempunyai separo kepala panahnya. Jenis panah seperti ini, disebut kait ikan, dan digunakan untuk menunjukkan arah pergeseran dari satu elektron, sedangkan panah lengkung dengan kepala lengkap digunakan untuk menunjukkan arah pergeseran sepasang elektron.

                                                                                                                                                      
Energy disosiasi memungkinkan ahli kimia untuk menghitung kestabilan relative  dari senyawa dan meramalkan (sampai taraf tertentu) sebab-sebab reaksi kimia. Misalnya:satu reaksi yang akan dibahas kemudian dalam teks ini adalah khlorinasi metana, CH₄:

CH₄  +  Cl₂   -------->  CH₃Cl  +  HCl

                                                                                                                                            
Apakah reaksi ini eksoterm (melepaskan energi) atau endoterm (menyerap energi)? Reaksi dapat dipecah menjadi bagian-bagian komponennya dan dihitung dari energi disosiasi ikatan masing-masing, apakah energi akan dilepaskan atau diperlukan. Makin besar jumlah energi yang dilepaskan, makin menguntungkan bagi reaksi. (Perhatikan bahwa dalam persamaan ini, +ΔH menyatakan energi yang dimasukkan ke dalam reaksi, sedangkan - ΔH menyatakan energi yang dilepaskan)

Dari perhitungan reaksi ini harus eksoterm. Apabila reaksi ini dilaksanakn di laboratorium, didapatkan bahwa memang benar eksoterm.

Konsep asam dan basa dalam kimia organik

     Menurut konsep Bronsted Lowry mengenai asam dan basa, suatu asam adalah zat yang dapat memberikan ion hydrogen yang bermuatan positif, atau proton (H⁺). Basa didefenisikan sebagai zat yang dapat  menerima H⁺. Meskipun dibahas mengenai “donor proton” dan “akseptor proton”, dalam kimia organic digunakan panah lengkung untuk menyatakan aksi electron. Karena itu, dalam persamaan berikut, suatu panah lengkung digambarkan dari electron dari basa ke proton yang menerimanya.

•  Asam dan basa kuat dan lemah                                                                                                       

Ingat kembali dari kuliah kimia dasar bahwa asam kuat adalah asam yang dasarnya mengalami ionisasi sempurna dalam air. Asam kuat yang representative adalah HCl, HNO₃, dan H₂SO₄. Ionisasi dari asam-asam kuat ini adalah reaksi asam—basa yang khas. Asam (HCl, misalnya) memberikan proton kepada basa (H₂O). Kesetimbangan terletak jauh ke kanan (ionisasi sempurna dari HCl) karena H₂O merupakan basa lebih kuat dari Cl^- dan HCl merupakan asam lebih kuat daripada H₃O⁺.  

Asam lemah, sebaliknya hanya terionisasi sebagian dalam air. Asam karbonat adalah asam anorganik yang lemah yang khas. Kesetimbangannya letaknya jauh ke kiri karena H₃O⁺ adalah asam yang lebih kuatdan HCO₃^- adalah basa yang lebih kuat. Juga ingat kembali bahwa basa digolongkan sebagat kuat (seperti OH^-) atau lemah (NH₃), bergntung pada afinitasnya terhadap proton. Marilah kita tinjau sekarang beberapa senyawa organic yang dapar berfungsi sebagai asam dan basa.

 

 Amina adalah golongan senyawa organic yang secara structural sama dengan ammonia: suatu amina mengandung atom nitrogen yang terikat secara kovalen dengan satu atau lebih atom karbon dan mempunyai sepasang electron menyendiri. Amina seperti ammonia adalah basa lemah dan mengalami reaksi reversible dengan air atau asam lemah lainnya. (Penggunaan asam kuat mendorong reaksi sampai berkesudahan) Senyawa organic yang mengandung gugus karboksilat adalah asam lemah. Senyawa-senyawa yang mengandung gugus karboksilat disebut asam karboksilat. Asam asetat, CH₃CO₂H, adalah contohnya. Salah satu alasan untuk keasaman asam karboksilat adalah kepolaran ikatan O-H. Dengan adanya basa, H⁺ ditarik dari gugus karboksilat dan terbentuklah anion karboksilat, karena asam karboksilathanya asam lemah, reaksi ini tak berlangsung sampai sempurna kecuali bila digunkan basa yang lebih kuat dari air.

•  Asam dan basa Konjugat                                                                                                             

Konsep asam dan basa konjugat berguna untuk pembandingan keasaman dan kebasaan. Basa konjugat dari asam adalah ion atau molekul yang dihasilkan setelah kehilangan H+ dari asamnya. Misalnya, ion klorida adalah basa konjugat dari HCl. Asam konjuat dari NH₃ adalah NH_4. 

 

 

 Di lain pihak, bila asam lemah atau sangat lemah, basa konjugatnya adalah sedang kuatnya atau kuat, bergantung pada afinitas basa konjugat untuk H⁺. 

 

Jadi, bila kekuatan asam dari deret senyawa bertambah, kekuatan basa dari basa konjugatnya juga berkurang.

• Asam dan basa lewis                                                                                                                

Meskipun banyak reaksi asam-basa mencakup perpindahan proton dari asam ke basa, beberapa reaksi asam basa tidak mencakup perpindahan proton. Dengan alasan ini, telah dikembangkan konsep lewis yang lebih umum mengenai asam dan basa. Asam lewis adalah zat yang dapat menerima sepasang electron. Setiap sepsis dengan atom yang kekurangan electron dapat berfungsi sebagai asam lewis; misalnya H⁺ adalah asam lewis. Kebanyakan asam lewis selain H⁺ yang dijumpai dalam buku ini adalah garam logam anhidrat (misalnya ZnCL₂, FeCl₃, dan AlBr₃).

 

 Basa lewis adalah zat yang dapat memberikan sepasang electron. Contoh dari basa lewis adalah NH₃ dan OH^-, masing-masing mempunyai sepasang electron valensi yang menyendiri yang dapat disumbangkan ke H⁺ atau semua asam Lewis lain.

• Tetapan Keasaman                                                                                                                          

Suatu reaksi kimia mempunyai tetapan keseimbangan K yang menggambarkan seberapa jauh reaksi berlangsung sampai berkesudahan. Untuk ionisasi dari suatu asam dalam air, tetapan ini disebut tetapan keasaman Ka. Tetapan kesetimbangan ditentukan oleh persamaan umum berikut ini, dengan nilai konsentrasi yang diberikan dalam kemolaran M:

 

K = konsentrasi produk dalam M

       konsentrasi perekasi dalam M

 

Semakin terionisasi suatu asam, semakin besar nilai Ka karena nilai dalam pembilang makin besar. Asam yang lebih kuat mempunyai nilai Ka yang lebih besar. Setiap asam dengan Ka > 10 dianggap sebagat asam kuat. Seperti dalam hal Ph yang merupakan logaritma negative dari konsentrasi ion hydrogen, maka pKa merupakan logaritma negative dari Ka. Bila Ka semakin besar (asam yang lebih kuat) pKa menjadi lebih kecil, makin kecil nilai pKa makin kuat asamnya.

• Tetapan kebasaan                                                                                                                          

Reaksi reversible dari basa lemah dengan air, seperti reaksi dari asam lemah dengan H₂O menghasilkan konsentrasi ion yang kecil, tetapi tetap pada kesetimbangan. Tetapan kebasaan Kb adalah tetapan setimbang untuk reaksi ini. Seperti dalam hal Ka, nilai [H₂O] tercakup dalam Kb dalam ungkapan kesetimbangan. 

 

Dengan bertambahnya kekuatan basa, nilai Kb bertambah dan nilai pKb berkurang. Semakin kecil nilai untuk pKb, semakin berat basanya.