BAB 1 SIFAT KOLIGATIF LARUTAN
- Sifat koligatif adalah sifat-sifat fisis larutan yang hanya bergantung pada konsentrasu partikel zat terlarut, tetapi tidak pada jenisnya.
- Sifat koligatif larutan meliputi:
-- Tekanan uap.
-- Penurunan titik beku.
-- Kenaikan titik didih.
-- Tekanan osmotik.
- Larutan elektrolit mempunyai sifat koligatif yang lebih besar dari larutan non elektrolit berkonsentrasi sama, karena larutan elektrolit mempunyai jumlah partikel terlarut yang lebih banyak.
1. KEMOLALAN DAN FRAKSI MOL
M = n
V
M = kemolaran
n = juml. Mol zat terlarut
v = volum terlarut
m = n m = n x 1000
p (kg) p (gr)
m = kemolalan larutan
n = juml. Mol zat terlarut
p = massa pelarut
2. FRAKSI MOL (X)
Xt = nt .
nt + np
Xp = np .
np + nt
Xt + Xp = 1
Xt = fraksi mol zat terlarut
Xp = fraksi mol zat pelarut
nt = juml. mol zat terlarut
np = juml. mol zat pelarut
3. PENURUNAN TEKANAN UAP LARUTAN
- Tekanan uap zat adalah tekanan yang ditimbulkan oleh uap jenuh zat itu. Semakin tinggi suhu, semakin besar tekanan uap.
Hukum Raoult
p = po . Xp
keterangan:
p : tekanan uap jenuh larutan
po : tekanan uap jenuh pelarut murni
Xp : fraksi mol pelarut
Karena XA + XB = 1, maka;
P = Po (1 – Xt)
P = Po – Po . Xt
Po – P = Po . Xt
Sehingga :
ΔP = po . Xt
ΔP : penuruman tekanan uap jenuh pelarut
po : tekanan uap pelarut murni
XA : fraksi mol zat terlarut
4. KENAIKAN TITIK DIDIH DAN PENURUNAN TITIK BEKU
- Larutan dari zat-zat yang sukar menguap mempunyai titik didih lebih tinggi dan titik didih lebih rendah dari pelarutnya.
ΔTb = m . Kb
Tb = (100 + ΔTb) oC
ΔTb = kenaikan titik didih
m = molalitas larutan
Kb = tetapan kenaikan titik didih molal
ΔTf = m . Kf
Tf = (O – ΔTf)oC
ΔTf = penurunan titik beku
m = molalitas larutan
Kf = tetapan penurunan titik beku molal
5. TEKANAN OSMOTIK LARUTAN
- Osmosis adalah perembesan molekul pelarut dari pelarut murni (larutan lebih encer) ke dalam suatu larutan (larutan lebih pekat) melalui selaput semipermiabel.
- Tekanan osmotic adalah besarnya tekanan yang harus diberikan pada permukaan suatu larutan untuk mencegah terjadinya osmosis.
Hukum Van’t Hoff
PV = nRT
Karena tekanan osmosis = Î , maka :
Î = MRT
Ï€° = tekanan osmosis
M = konsentrasi
R = tetapan gas universal = 0,082 L.atm/mol
T = suhu mutlak (K)
 |
| GRAFIK |
BAB 2 REAKSI REDOKS DAN ELEKTROKIMIA
- Reaksi yang disertai perubahan bilangan oksidasi disebut reaksi redoks.
- Setiap reaksi redoks terdiri dari setengah reaksi reduksi dam setemgah reaksi oksidasi.
- Oksidasi adalah reaksi dimana suatu senyawa kimia kehilangan elektron selama perubahan dari reaktan menjadi produk.
Contoh: H —–> H+ + e-
- Reduksi, kebalikannya, dapat diartikan sebagai proses memperoleh elektron.
Contoh: Cl+ + e- ——> Cl
- Penyetaraan reaksi redoks dapat dilakukan dengan metode biloks atau metodi setengah reaksi.
- Metode biloks, langkah-langkahnya:
Fe2+(aq) + Cr2O72-(aq) ——> Fe3+(aq) + Cr3+(aq)
1. Menuliskan persamaan reaksi keseluruhan
Fe2+ + Cr2O72- ——> Fe3+ + Cr3+
2. Membagi reaksi menjadi dua reaksi paruh
Fe2+ ——> Fe3+
Cr2O72- ——> Cr3+
3. Menyetarakan jenis atom dan jumlah atom dan muatan pada masing-masing setengah reaksi; dalam suasana asam, tambahkan H2O untuk menyetarakan atom O dan H+ untuk menyetarakan atom H
Fe2+ ——> Fe3+ + e-
6 e- + 14 H+ + Cr2O72- ——> 2 Cr3+ + 7 H2O
4. Menjumlahkan kedua setengah reaksi; elektron pada kedua sisi harus saling meniadakan; jika oksidasi dan reduksi memiliki jumlah elektron yang berbeda, maka harus disamakan terlebih dahulu
6 Fe2+ ——> 6 Fe3+ + 6 e- ……………… (1)
6 e- + 14 H+ + Cr2O72- ——> 2 Cr3+ + 7 H2O ……………… (2)
6 Fe2+ + 14 H+ + Cr2O72- ——> 6 Fe3+ + 2 Cr3+ + 7 H2O ………………… [(1) + (2)]
5. Mengecek kembali dan yakin bahwa kedua ruas memiliki jenis atom dan jumlah atom yang sama, serta memiliki muatan yang sama pada kedua ruas persamaan reaksi
- Metode setengah reaksi, langkah-langkahnya:
Cu(s) + HNO3(aq) ——> Cu(NO3)2(aq) + NO(g) + H2O(l)
1. Mengubah reaksi redoks yang belum disetarakan menjadi bentuk ion
Cu + H+ + NO3- ——> Cu2+ + 2 NO3- + NO + H2O
2. Menentukan bilangan oksidasi dan menuliskan dua setengah reaksi (oksidasi dan reduksi) yang menunjukkan spesies kimia yang telah mengalami perubahan bilangan oksidasi
Cu ——> Cu2+
NO3- ——> NO
3. Menyetarakan semua atom, dengan pengecualian untuk oksigen dan hidrogen
Cu ——> Cu2+
NO3- ——> NO
4. Menyetarakan atom oksigen dengan menambahkan H2O pada ruas yang kekurangan oksigen
Cu ——> Cu2+
NO3- ——> NO + 2 H2O
5. Menyetarakan atom hidrogen dengan menambahkan H+ pada ruas yang kekurangan hidrogen
Cu ——> Cu2+
4 H+ + NO3- ——> NO + 2 H2O
6. Menyetarakan muatan ion pada setiap ruas setengah reaksi dengan menambahkan elektron
Cu ——> Cu2+ + 2 e-
3 e- + 4 H+ + NO3- ——> NO + 2 H2O
7. Menyetarakan kehilangan elektron dengan perolehan elektron antara kedua setengah reaksi
3 Cu ——> 3 Cu2+ + 6 e-
6 e- + 8 H+ + 2 NO3- ——> 2 NO + 4 H2O
8. Menggabungkan kedua reaksi paruh tersebut dan menghilangkan spesi yang sama di kedua sisi; elektron selalu harus dihilangkan (jumlah elektron di kedua sisi harus sama)
3 Cu ——> 3 Cu2+ + 6 e- …………………….. (1)
6 e- + 8 H+ + 2 NO3 ——> 2 NO + 4 H2O …………………….. (2)
3 Cu + 8 H+ + 2 NO3- ——> 3 Cu2+ + 2 NO + 4 H2O …………………………….. [(1) + (2)]
9. Mengubah persamaan reaksi kembali ke bentuk molekulnya dengan menambahkan ion pengamat
3 Cu + 8 H+ + 2 NO3- + 6 NO3- ——> 3 Cu2+ + 2 NO + 4 H2O + 6 NO3-
3 Cu + 8 HNO3 ——> 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O
10. Memeriksa kembali untuk meyakinkan bahwa semua atomnya telah setara, semua muatannya telah setara, dan semua koefisiennya ada dalam bentuk bilangan bulat terkecil.
SEL VOLTA
- Sel Volta adalah rangkaian sel yang dapat menghasilkan arus listrik. Dalam sel tersebut terjadi perubahan dari reaksi redoks menghasilkan arus listrik.
- Sel volta terdiri atas elektroda tempat berlangsungnya reaksi oksidasi disebut anoda(electrode negative), dan tempat berlangsungnya reaksi reduksi disebut katoda(electrode positif).
- Notasi sel : Y / ion Y // ion X / X
Logam X mempunyai potensial reduksi yang lebih positip dibanding logam Y , sehingga logam Y bertindak sebagai anoda dan logam X bertindak sebagai katoda.
Jembatan garam mengandung ion-ion positif dan ion-ion negative yang berfungsi menetralkan muatan positif dan negative dalam larutan elektrolit.
- Beda potensial Sel dirumuskan :
1. Untuk keadaan standar dengan konsentrasi larutan 1 molar
Eosel = Ekatoda – E anoda
2. Untuk keadaan standar dengan konmsentrasi larutan tidak 1 molar
ELEKTROLISIS
- Sel ekeltrolisis adalah reaksi reddoks yang berlangsung dengan bantuan listrik.
- Reaksi total sel Daniell adalah
Zn + Cu2+(aq) –> Zn2+(aq) + Cu (10.36)
Andaikan potensial lebih tinggi dari 1,1 V diberikan pada sel dengan arah kebalikan dari potensial yang dihasilkan sel, reaksi sebaliknya akan berlangsung. Jadi, zink akan mengendap dan tembaga akan mulai larut.
Zn2+(aq) + Cu –> Zn + Cu2+(aq) (10.37)
- Hukum elektrolisis Faraday
1. Jumlah zat yang dihasilkan di elektroda sebanding dengan jumlah arus listrik yang melalui sel.
2. Bila sejumlah tertentu arus listrik melalui sel, jumlah mol zat yang berubah di elektroda adalah konstan tidak bergantung jenis zat. Misalnya, kuantitas listrik yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol logam monovalen adalah 96 485 C(Coulomb) tidak bergantung pada jenis logamnya.
BAB 3 KELIMPAHAN DAN SIFAT-SIFAT UNSUR
- Kebanyakan unsur terdapat di alam berupa senyawa. Hanya beberapa unsur yang terdapat dalam keadaan bebas.
- Tiga unsur yang palung melimpah di kulit bumi, yaitu oksigen, silikon, dan aluminium.
- Baha alam yang mengandung unsur atau senyawa tertentu disebut mineral. Mineral yang memiliki nilai komersial disebut bijih.
- Contoh mineral penting yaitu bauksit (Al2O3), kriolit (Na3AIF6), dan kromit (FeCr2O4).
1. Komposisi alkali dalam kerak bumi
Logam alkali termasuk logam yang sangat reaktif. Di alam tidak terdapat dalam keadaan bebas, melainkan dalam keadaan terikat dalam bentuk senyawaUnsur yang paling banyak adalah Na dan K. Kedua
unsur ini banyak terdapat dalam air laut dalam bentuk senyawa NaCl dan KCl.
2. Unsur-unsur alkali tanah tidak terdapat bebas di alam, tetapi terdapat dalam bentuk senyawanya
a. Berilium terdapat dalam bijih beril (Be3Al2(SiO3)6).
b. Magnesium sebagai dolomit (MgCO3.CaCO3), karnalit (KCl.MgCl2.6H2O).
c. Kalsium sebagai CaCO3 pada batu kapur dan pualam, batu tahu/gipsum (CaSO4.2H2O).
d. Stronsium sebagai stronsianit (SrCO3) dan galestin (SrSO4).
e. Barium sebagai bijih barit (BaSO4).
3. Unsur-unsur periode ketiga di alam.
4. Unsur-unsur transisi periode keempat di alam
Di alam unsur-unsur transisi periode keempat terdapat dalam senyawa/mineral berupa oksida, sulfida, atau karbonat.
BAB 4 PEMBUATAN DAN MANFAAT BEBERAPA UNSUR
1. Natrium
Di antara logam alkali, natrium merupakan logam yang paling banyak penggunaannya, baik sebagai unsur maupun sebagai senyawanya. Seperti telah diketahui, senyawa logam alkali yang sejenis mempunyai kemiripan sfat. Oleh karena senyawa natrium paling murah maka paling banyak digunakan. Namun dalam hal-hal tertentu, senyawa logam akali lain tidak dapat digantikan oleh senyawa natrium. Misalnya, kalium klorida (KCl) untuk pupuk tidak dapat diganti dengan natrium klorida (NaCl), karena tumbuhan memerlukan unsur kalium, bukan natrium.
Pada bagian berikut, akan dibahas pembuatan natrium dan penggunaan natrium serta beberapa senyawa natrium.
a. Pembuatan Natrium
Natrium dibuat dari elektrolisis lelehan natrium klorida yang dicampur dengan kalsium klorida (sel Downs). Kalsium klorida berguna untuk menurunkan titik cair (dengan cara itu titik leleh dapat diturunkan dari 801⁰C menjadi sekitar 500⁰C).
b. Penggunaan Natrium dan Senyawa Natrium
Natrium
Dewasa ini, penggunaan yang semakin penting dari natrium adalah sebagai cairan pendingin (coolant) pada reaktor nuklir. Selain itu, karena merupakan reduktor kuat, natrium digunakan pada pengolahan logam-logam tertentu seperti litium, kalium, zirkonium dan logam alkali yang lebih berat. Natrium juga digunakan untuk membuat senyawa natrium yang tidak dapat dibuat dari natrium klorida, seperti natrium peroksida (Na2O2). Sedikit natrium digunakan dalam lampu natrium yang banyak digunakan sebagai penerangan jalan raya.
Natrium klorida (NaCl)
Senyawa natrium yang paling banyak diproduksi adalah natrium klorida (NaCl). Natrium klorida dibuat dari air laut atau dari garam batu. Kegunaan natrium klorida antara lain sebagai bahan baku untuk membuat natrium, klorin, dan senyawa-senyawa natrium seperti NaOH dan natrium karbonat (Na2CO3); dalam industri susu; mengawetkan ikan dan daging; mencairkan salju di jalan raya di Negara yang bermusim dingin; regenerasi alat pelunak air; pengolahan kulit; serta sebagai bumbu masak (garam dapur).
Natrium hidroksida (NaOH)
Natrium hidroksida dihasilkan melalui elektrolisis larutan natrium klorida. Natrium hidroksida digunakan terutama dalam industri sabun, detergen, pulp, dan kertas, pengolahan bauksit untuk pembuatan aluminium, tekstil, plastik, pemurnian minyak bumi, serta untuk membuat senyawa natrium lainnya seperti natrium hipoklorit (NaClO).
Natrium karbonat (Na2CO3)
Natrium karbonat berasal dari sumber alam, yaitu trona, yang terdapat melimpah di Wyoming, Amerika Serikat. Natrium karbonat dapat juga dibuat dari NaCl menurut proses Solvay, dengan reaksi sebagai berikut.
NaCl(aq) + CO2(g) + NH3(aq) + H2O(l) → NaHCO3(s) + NH4Cl(aq)
Natrium hidrogen karbonat (NaHCO3) yang terbentuk dipisahkan, kemudian dipanaskan sehingga membentuk Na2CO3.
2NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)
Kegunaan utama dari natrium karbonat adalah untuk pembuatan kaca (terutama kaca bejana). Selain itu untuk membuat bahan-bahan kimia lainnya, industri pulp dan kertas, industri detergen, dan bahan pelunak air.
Natrium bikarbonat (NaHCO3)
Natrium bikarbonat terbentuk sebagai hasil antara pada proses Solvay. Natrium bikarbonat disebut juga soda kue. Jika adonan yang mengandung natrium bikarbonat dipanggang, senyawa itu akan terurai membebaskan CO2 yang memekarkan adonan sehingga menjadi empuk karena adanya rongga-rongga gas di dalamnya. Baking powder adalah campuran serbuk natrium bikarbonat dengan suatu zat yang bersifat asam, seperti kalium hidrogen tartrat (KHC4H4O6). Campuran bahan itu tidak bereaksi dalam keadaan kering, tetapi sekali bubuk itu berada dalam adonan, keduanya akan bereaksi dan menghasilkan gas karbon dioksida yang memekarkan adonan.
2. Magnesium
a. Pembuatan Magnesium
Di antara logam alkali tanah, magnesium paling banyak diproduksi. Sama seperti pembuatan natrium, pembuatan magnesium juga dilakukan melalui elektrolisis lelehan garam kloridanya.
Dalam industri,magnesium dibuat dari air laut melalui tahap-tahap sebagai berikut. Mula-mula air laut dicampur dengan kapur (CaO) sehingga magnesium mengendap sebagai magnesium hidroksida (Mg(OH)2).
CaO(s) + H2O(l) → 2Ca2+(aq) + 2OH-(aq)
Mg2+(aq) + 2OH-(aq) → Mg(OH)2(s)
Adapun CaO dibuat dari batu kapur atau kulit kerang melalui pemanasan.
CaCO3(s) → CaO(s) +CO2(g)
Endapan magnesium hidroksida yang terbentuk, disaring kemudian direaksikan dengan larutan asam klorida pekat.
Mg(OH)2(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + 2H2O(l)
Selanjutnya, larutan diuapkan sehingga diperoleh kristal magnesium klorida (Mg Cl2). Kristal itu kemudian dicairkan dan dielektrolisis.
MgCl2(l) → Mg2+(l) + 2Cl-(l)
Katode: Mg2+(l) +2e → Mg(l)
Anode : 2Cl-(l) → Cl2(g) + 2e
b. Penggunaan Magnesium
Kegunaan utama magnesium adalah untuk membuat logam-campur. Paduan magnesium dengan aluminium yang disebut magnalium, merupakan logam yang kuat tetapi ringan, resisten terhadap asam maupun basa, serta tahan korosi. Paduan itu digunakan untuk membuat komponen pesawat terbang, rudal, bak truk, serta berbagai peralatan lainnya. Oleh karena merupakan reduktor kuat, sedikit magnesium digunakan pada pengolahan logam tertentu. Pembakaran magnesium menghasilkan cahaya yang sangat terang, sehingga unsur itu digunakan untuk membuat kembang api.
3. Aluminium
a. Pembuatan Aluminium
Meskipun aluminium tergolong melimpah d kulit bumi, mineral yang dapat dijadikan sumber komersial aluminium hanya bauksit. Bauksit mengandung aluminium sebagai aluminium oksida (Al2O3). Pengolahan aluminium dari bauksit ini berlangsung dalam dua tahap. Tahap pertama adalah pemurnian bauksit sehingga diperoleh aluminium oksida murni (alumina). Tahap kedua adalah peleburan (reduksi) alumina.
Pengolahan aluminium oksida dari bauksit didasarkan pada sifat amfoter dari oksida aluminium itu. Pengotor utama dalam bauksit biasanya terdiri atas SiO2, Fe2O3, dan TiO2. Apabila bauksit dilarutkan dalam larutan natrium hidroksida, maka aluminium oksida akan larut sedangkan pengotornya tidak.
Al2O3(s) +2NaOH(aq) +3H2O(l) → 2NaAl(OH)4(aq)
Pengotor dipisahkan dengan penyaringan. Selanjutnya, aluminium diendapkan dari filtrate dengan mengalirkan gas karbon dioksida dan pengenceran.
2NaAl(OH)4(aq) + CO2(g) → 2Al(OH)3(s) +Na2CO3(aq) +H2O(l)
Endapan aluminium hidroksida disaring, dikeringkan lalu dipanaskan sehingga diperoleh aluminium oksida murni (alumina).
Selanjutnya pada tahap kedua, reduksi aluminium oksida dilakukan melalui elektrolisis menurut proses Hall-Heroult. Metode elektrolisis itu ditemukan secara terpisah tetapi hamper bersamaan pada tahun 1886 oleh dua orang peneliti muda, yaitu Charles M.Halt di Amerika Serikat dan Paul Heroult di Perancis. Kita ingat bahwa aluminium oksida mempunyai titik leleh yang sangat tinggi, yaitu lebih dari 2000⁰C. Oleh karena itu, elektrolisis lelehan aluminium oksida murni tidak ekonomis. Dalam proses Hall-Heroult, aluminium oksida dilarutkan dalam lelehan kriolit (Na3AlF6) dalam bejana dari baja berlapis grafit yang sekaligus berfungsi sebagai katode. Dengan cara itu, elektrolisis dapat dilangsungkan pada suhu 950⁰C. Sebagai anode digunakan batang grafit. Elektrolisis menghasilkan aluminium di katode, sedangkan di anode terbentuk gas oksigen dan karbon dioksida. Sebenarnya reaksi elektrolisis ini berlangsung rumit dan belum sepenuhnya dipahami, tetapi dengan mengacu pada hasil akhirnya dapat dituliskan sebagai berikut.
Al2O3(l) → 2Al3+(l) + 3O2-(l)
Katode: Al3+(l) + 3e → Al(l)
Anode: 2O2-(l) → O2(g) +4e
C(s) + 2O2-(l) → CO2(g) + 4e
Jadi selama elektrolisis, anode terus menerus dihabiskan. Untuk memproduksi 1 kg aluminium, rata-rata dihabiskan 0,44 kg anode karbon.
b. Penggunaan Aluminium dan Senyawanya
1. Aluminium
Aluminium memiliki banyak kegunaan. Penggunaan aluminium didasarkan pada beberapa sifatnya yang khas, yaitu:
· Ringan (massa jenis 2,7 g cm-3),
· Tahan karat,
· Mudah dibentuk,
· Dapat dipadu dengan logam lain, dan
· Tidak beracun.
·
Berikut ini diberikan beberapa contoh penggunaan aluminium.
1. Sektor industri otomotif: untuk membuat bak truk dan komponen kendaraan bermotor lainnya, untuk membuat badan pesawat terbang.
2. Sektor pembangunan perumahan: untuk kusen dan jendela.
3. Sektor industri dan makanan: aluminium foil dan kaleng aluminium untuk kemasan berbagai jenis produk makanan dan minuman.
4. Sektor lainnya: untuk kabel listrik, perabotan rumah tangga, dan barang kerajinan.
5. Membuat termit, yaitu campuran serbuk aluminium dengan serbuk besi (III) oksida. Termit digunakan untuk mengelas baja di tempat, misalnya untuk menyambung rel kereta api. Campuran itu bereaksi sangat eksoterm sehingga panas yang dihasilkan dapat melelehkan baja, sementara besi yang terbentuk akan menyambung baja yang dilas. Persamaan reaksinya adalah:
2Al +Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe
2. Aluminium sulfat [Al2(SO4)3]
Aluminium sulfat yang digunakan pada pengolahan air minum, yaitu untuk mempercepat koagulasi lumpur koloidal.
4. Besi
a. Pembuatan Besi
Besi diolah dari bijihnya dalam suatu tungku yang disebut tanur tiup (blast furnace). Tanur tiup berbentuk silinder raksasa dengan tinggi 30 m atau lebih dan diameter bagian tengah sekitar 8 m.
Bahan yang digunakan pada pengolahan besi, selain bijih besi adalah kokas (C) dan batu kapur (CaCO3). Kokas berfungsi sebagai reduktor, sedangkan batu kapur berfungsi sebagai fluks, yaitu bahan yang akan bereaksi dengan pengotor dalam bijih besi dan memisahkan pengotor itu dalam bentuk cairan kental yang disebut terak (slag). Komposisi bahan-bahan tersebut bergantung pada pengotor dalam bijih besi. Bijih besi mengandung pengotor, baik yang bersifat basa seperti CaO, MgO, dan MnO. Akan tetapi, biasanya pengotor yang bersifat asam lebih banyak, sehingga perlu ditambahkan fluks yang bersifat basa, yaitu CaCO3.
Proses/reaksi yang terjadi pada pengolahan besi scara garis besar sebagai berikut. Bijih besi, kokas, dan batu kapur diumpankan dari puncak tanur, sementara dari bagian bawah ditiupkan udara panas. Kokas terbakar pada bagian bawah tanur dengan membebaskan kalor, sehingga suhu di daerah itu dapat mencapai 2000⁰C.
C(s) + O2(g) → CO2(g) + kalor
Ketika bergerak naik, gas CO2 yang baru terbentuk itu bereaksi lagi dengan kokas yang bergerak turun membentuk CO.
CO2(g) + C(s) → 2CO(g)
Gas CO inilah yang akan mereduksi bijih besi secara bertahap.
(+3) (+3/+2) (+2) (0)
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
Tahap 1 : 3Fe2O3 +CO → 2Fe3O4 + CO2
Tahap 2 : Fe3O4 +CO → 3FeO + CO2
Tahap 3 : FeO + CO → Fe + CO2
Reaksi totalnya dapat dituliskan sebagai berikut.
Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g)
Oleh karena suhu tanur sangat tinggi, besi yang terbentuk berupa lelehan. Reaksi pembentukan terak yang menghilangkan pengotor berlangsung sebagai berikut.
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) (800-900⁰C)
CaO(s) + SiO2(s) → CaSiO3(l) (1200⁰C)
3CaO(s) + P2O5(g) → Ca3(PO4)2(l) (1200⁰C)
Besi yang dihasilkan dari tanur tiup disebut besi gubal (pig iron) atau besi kasar, mengandung kira-kira 95% besi, 3-4% karbon, dan sisanya pengotor lain seperti Mn, Si, dan P. Besi gubal bersifat keras tetapi rapuh. Pada umumnya, sebagian besar besi gubal langsung diproses untuk membuat baja. Sebagian lain dapat dialirkan ke dalam cetakan sehingga diperoleh besi tuang (cast iron). Besi tempa diperoleh dari besi gubal dengan mengurangi kadar karbon. Besi tempa lebih lunak dan tidak rapuh.
b. Penggunaan Besi
Besi adalah logam yang paling luas dan paling banyak penggunaannya, yaitu sekitar 14 kali total penggunaan semua logam lainnya. Hal tersebut disebabkan tiga alasan berikut.
1. Bijih besi relatif melimpah dan tersebar di berbagai penjuru dunia.
2. Pengolahan besi relatif mudah dan murah.
3. Sifat-sifat besi mudah dimodifikasi.
Kegunaan utama dari besi adalah untuk membuat baja. Baja adalah istilah yang digunakan untuk semua logam campur (aliase) dari besi. Jenis baja sangat beragam, sehingga penggunaannya sanagt luas, mulai dari mainan anak-anak, perkakas dapur, industri kendaraan, konstruksi bangunan, jembatan, rel kereta api, dan sebagainya. Salah satu contoh baja yag paling terkenal adalah baja tahan karat (stainless steels), yang merupakan paduan besi dengan kromium (14-18%) dan nikel (7-9%). Baja tahan karat digunakan untuk membuat perkakas seperti gunting, obeng, dan kunci; perkakas dapur seperti sendok, dan panic; dan sebagainya.
c. Pembuatan Baja
Logam-logam campur dari besi disebut baja. Perubahan yang harus dilakukan pada pembuatan baja dari besi gubal, yaitu:
1. Menurunkan kadar karbon dari 3-4% menjadi 0-1,5%,
2. Menghilangkan pengotor seperti Si, Mn, dan P,
3. Menambahkan logam-logam campur seperti Ni dan Cr, sesuai dengan jenis baja yang akan dibuat.
Teknologi pembuatan baja secara murah dan cepat ditemukan oleh Henry Bessemer dari Inggris pada tahun 1856. Setelah itu, terjadi perkembangan pesat. Pada tahun 1860, dikembangkan tungku terbuka (open hearth furnance) oleh William Siemens, juga dari Inggris. Kini, kebanyakan baja dibuat dengan tungku oksigen (basic oxygen process).
Tungku oksigen adalah silinder baja raksasa dengan pelapis yang bersifat basa pada bagian dalamnya. Tungku ini berkapasitas sekitar 200 ton besi cair, 80 ton besi bekas, dan 18 ton kapur (CaO) sebagai fluks. Ke dalam campuran yang berupa cairan yang sangat panas ini ditiupkan oksigen murni melalui pipa berpendingin. Gas oksigen akan mengoksidasikan karbon menjadi karbon monoksida (CO), sedangkan pengotor lainnya dipisahkan ke dalam terak. Proses pembuatan baja dengan tungku oksigen hanya memerlukan waktu sekitar 22 menit.
Beberapa jenis baja
Nama | Komposisi | Sifat Khas | Penggunaan |
Baja mangan | 10-18% Mn | Keras, kuat, dan awet | Rel kereta api, lapis baja kendaraan perang, mesin penghancur batu |
Baja silikon | 1-5% Si | Keras, kuat, sifat magnetnya kuat | Magnet |
Durion | 12-15% Si | Tahan karat, tahan asam | Pipa, ketel, kondensor dan lain-lain |
Invar | 36% Ni | Koefisien mulai rendah | Alat pengukur (meteran) |
Baja kromium-vanadium | 1-10% Cr 0,15 V | Kuat, tahan terhadap tekanan/beban | As kendaraan |
Baja tahan karat | 14-18% Cr 7-9% Ni | Tahan karat | Alat-alat pemotong, perkakas dapur, alat-alat lain |
5. Tembaga
a. Pembuatan Tembaga
Bijih tembaga yang terpenting adalah kalkopirit (CuFeS2). Sebenarnya tembaga mudah direduksi. Akan tetapi, adanya besi dalam bijih tembaga membuat proses pengolahan tembaga menjadi relatif sulit. Pengolahan tembaga melalui beberapa tahap, yaitu flotasi, pemanggangan, peleburan, pengubahan, dan elektrolisis.
Pada umumnya, bijih tembaga hanya mengandung 0,5% Cu. Melalui pengapungan dapat diperoleh bijih pekat yang mengandung 20-40% Cu. Bijih pekat itu kemudian dipanggang untuk mengubah besi sulfide menjadi besi oksida, sedangkan tembaga tetap berupa sulfida.
4CuFeS2 + 9O2 → 2Cu2S + 2Fe2O3 + 6SO2
Bijih yang sudah melalui pemanggangan kemudian dilebur sehingga bahan tersebut mencair dan terpisah menjadi dua lapisan. Lapisan bawah disebut “copper matte” yang mengandung Cu2S dan besi cair, sedangkan lapisan atas merupakan terak silikat yang antara lain mengandung FeSiO3. Selanjutnya, “copper matte” dipindahkan ke dalam tungku lain dan ditiupkan udara sehingga terjadi reaksi redoks yang menghasilkan tembaga lepuh (blister copper).
2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2
Cu2S + Cu2O → 2Cu + SO2
Tembaga lepuh adalah tembaga yang mengandung gelembung gas SO2 beku. Tembaga lepuh mengandung 98-99% Cu dengan berbagai jenis pengotor seperti besi, zink, perak, emas, dan platina.
Pemurnian tembaga dilakukan dengan elektrolisis. Tembaga lepuh digunakan sebagai anode, sedangkan tembaga murni digunakan sebagai katodenya. Elektrolit yang digunakan adalah larutan CuSO4. Selama elektrolisis, Cu dipindahkan dari anode ke katode. Dengan menggunakan potensial tertentu, bahan pengotor dapat terpisah.
b. Penggunaan Tembaga
Tembaga adalah logam yang berwarna kuning merah dan tergolong logam yang kurang aktif. Dalam udara lembab, tembaga terkorosi secara perlahan-lahan. Mula-mula warnanya menjadi cokelat karena terbentuknya lapisan tipis CuO atau CuS. Lama kelamaan menjadi berwarna hijau karena terbentuknya tembaga karbonat basa, Cu2(OH)2CO3. Hal seperti itu sering terlihat pada patung atau barang kerajinan yang terbuat dari tembaga atau perunggu.
Penggunaan utama tembaga adalah untuk kabel listrik. Selain itu, tembaga digunakan untuk membuat paduan logam seperti perunggu (Cu + Sn) dan kuningan (Cu + Zn). Perunggu banyak digunakan untuk perhiasan, senjata (seperti pisau dan tombak), lonceng, dan alat musik. Perunggu berwarna kuning cerah seperti emas, sehingga banyak digunakan untuk perhiasan.
6. Timah, Kromium, dan Emas
Timah adalah logam yang relatif lunak, berwarna putih perak dan tahan karat. Timah terutama digunakan untuk membuat kaleng kemasan, seperti untuk roti, susu, cat, dan buah. Kegunaan lain dari timah adalah untuk membuat logam campur, misalnya perunggu (paduan timah, tembaga, dan zink) dan solder (paduan timah dan timbel).
Kromium adalah logam yang sangat mengkilap, keras dan tahan karat. Lebih dari separo produksi kromium digunakan dalam industri logam dan sekitar seperti lainnya sebagai refraktori terutama karena mempunyai titik leleh yang tinggi (1875⁰C) dan koefisien muai yang tidak terlalu besar. Dalam industri logam, kromium terutama digunakan untuk membuat paduan (aliase) dengan besi, nikel, dan kobalt. Penambahan kromium memberikan kekuatan dan kekerasan serta sifat tahan karat pada paduan logam. Baja tahan karat (stainless steel) mengandung sekitar 14% kromium. Oleh karena kekerasannya, paduan kromium dengan kobalt dan tungsten (wolfram) digunakan untuk membuat mesin potong. Kromium digunakan dalam membuat berbagai macam pernik kendaraan bermotor karena sangat mengkilap.
Emas tergolong logam mulia, berwarna kuning mengkilap, tahan karat, mudah ditempa dan dapat diukur. Pada umumnya, emas ditemukan sebagai unsur bebas. Emas mempunyai massa jenis yang relatif besar, sehingga pemisahannya dilakukan dengan mengayak. Butiran emas dapat dipisahkan dengan menggunakan raksa. Emas selanjutnya dapat dipisahkan dengan pemanasan sehingga raksa menguap dan dapat digunakan kembali.
