kimia

Hukum kimia

Hukum kimia adalah hukum alam yang relevan dengan bidang kimia. Konsep paling fundamental dalam kimia adalah hukum konservasi massa, yang menyatakan bahwa tidak terjadi perubahan kuantitas materi sewaktu reaksi kimia biasa. Fisika modern menunjukkan bahwa sebenarnya yang terjadi adalah konservasi energi, dan bahwa energi dan massa saling berhubungan; suatu konsep yang menjadi penting dalam kimia nuklir. Konservasi energi menuntun ke suatu konsep-konsep penting mengenai kesetimbangan, termodinamika, dan kinetika.
Hukum tambahan dalam kimia mengembangkan hukum konservasi massa. Hukum perbandingan tetap dari Joseph Proust menyatakan bahwa zat kimia murni tersusun dari unsur-unsur dengan formula tertentu; kita sekarang mengetahui bahwa susunan struktural unsur-unsur ini juga penting.
Hukum perbandingan berganda dari John Dalton menyatakan bahwa zat-zat kimia tersebut akan ada dalam proporsi yang berbentuk bilangan bulat kecil (misalnya 1:2 O:H dalam air); walaupun dalam banyak sistem (terutama biomakromolekul dan mineral) rasio ini cenderung membutuhkan angka besar, dan sering diberikan dalam bentuk pecahan. Senyawa seperti ini dikenal sebagai senyawa non-stoikhiometrik.
Hukum kimia modern lain menentukan hubungan antara energi dan transformasi.

• Dalam kesetimbangan, molekul yang ditemukan dalam campuran ditentukan oleh transformasi yang mungkin terjadi dalam skala waktu kesetimbangan, dan memiliki suatu rasio yang ditentukan oleh energi intrinsik molekul. Semakin kecil energi intrinsik, semakin banyak molekul.
• Mengubah satu struktur menjadi struktur lain membutuhkan asupan energi untuk melampaui hambatan energi; hal ini dapat timbul karena energi intrinsik molekul itu sendiri, atau dari sumber luar yang secara umum akan mempercepat perubahan. Semakin besar hambatan energi, semakin lambat proses berlangsungnya transformasi.
• Ada struktur antara atau transisi hipotetik, yang berhubungan dengan struktur di puncak hambatan energi. Postulat Hammond-Leffer menyatakan bahwa struktur ini menyerupai produk atau bahan asal yang memiliki energi intrinsik yang terdekat dengan hambatan energi. Dengan menstabilkan struktur antara hipotetik ini melalui interaksi kimiawi adalah salah satu salah satu cara untuk mencapai katalisis.
• Semua proses kimia adalah terbalikkan (reversible) (hukum keterbalikkan mikroskopis) walaupun beberapa proses memiliki bias energi, mereka pada dasarnya takterbalikkan (irreversible).

Hukum perbandingan tetap

Joseph Louis Proust, pencetus hukum perbandingan tetap

Dalam kimia, hukum perbandingan tetap atau hukum Proust (diambil dari nama kimiawan Perancis Joseph Proust) adalah hukum yang menyatakan bahwa suatu senyawa kimia terdiri dari unsur-unsur dengan perbandingan massa yang selalu tepat sama. Dengan kata lain, setiap sampel suatu senyawa memiliki komposisi unsur-unsur yang tetap. Misalnya, air terdiri dari ⁸/₉ massa oksigen dan ¹/₉ massa hidrogen. Bersama dengan hukum perbandingan berganda (hukum Dalton), hukum perbandingan tetap adalah hukum dasar stoikiometri.

Sejarah

Perbandingan tetap pertama kali dikemukakan oleh Joseph Proust, setelah serangkaian eksperimen di tahun 1797 dan 1804.^[1] Hal ini telah sering diamati sejak lama sebelum itu, namun Proust-lah yang mengumpulkan bukti-bukti dari hukum ini dan mengemukakannya^[2] Pada saat Proust mengemukakan hukum ini, konsep yang jelas mengenai senyawa kimia belum ada (misalnya bahwa air adalah H₂O dsb.). Hukum ini memberikan kontribusi pada konsep mengenai bagaimana unsur-unsur membentuk senyawa. Pada 1803 John Dalton mengemukakan sebuah teori atom, yang berdasarkan pada hukum perbandingan tetap dan hukum perbandingan berganda, yang menjelaskan mengenai atom dan bagaimana unsur membentuk senyawa.

Penyimpangan dari hukum Proust

Perlu diketahui bahwa sekalipun hukum ini amat berguna dalam dasar-dasar kimia modern, hukum perbandingan tetap tidak selalu berlaku untuk semua senyawa. Senyawa yang tidak mematuhi hukum ini disebut senyawa non-stoikiometris. Perbandingan massa unsur-unsur pada senyawa non-stoikiometris berbeda-beda pada berbagai sampel. Misalnya oksida besi wüstite, memiliki perbandingan antara 0.83 hingga 0.95 atom besi untuk setiap atom oksigen. Proust tidak mengetahui hal ini karena peralatan yang ia gunakan tidak cukup akurat untuk membedakan angka ini.

Selain itu, hukum Proust juga tidak berlaku untuk senyawa-senyawa yang mengandung komposisi isotop yang berbeda. Komposisi isotop dapat berbeda sesuai sumber dari unsur yang membentuk senyawa tersebut. Perbedaan ini dapat digunakan untuk penanggalan secara kimia, karena proses-proses astronomis, atmosferis, maupun proses dalam samudera, kerak bumi dan Bumi bagian dalam kadang-kadang memiliki kecenderungan terhadap isotop berat ataupun ringan. Perbedaan yang diakibatkan amat sedikit, namun biasanya dapat diukur dengan peralatan modern. Selain itu, hukum Proust juga tidak berlaku pada polimer, baik polimer alami maupun polimer buatan.

Hukum perbandingan berganda

John Dalton, pencetus hukum perbandingan berganda

Dalam kimia, hukum perbandingan berganda adalah salah satu hukum dasar stoikiometri. Hukum ini juga kadang-kadang disebut hukum Dalton (diambil dari nama kimiawan Inggris John Dalton), tapi biasanya hukum Dalton merujuk kepada hukum tekanan parsial. Hukum ini menyatakan bahwa apabila dua unsur bereaksi membentuk dua atau lebih senyawa, maka perbandingan berat salah satu unsur yang bereaksi dengan berat tertentu dari unsur yang lain pada kedua senyawa selalu merupakan perbandingan bilangan bulat sederhana. ^[1] Misalnya karbon bereaksi dengan oksigen membentuk karbondioksida (CO₂) dan karbonmonoksida (CO). Jika jumlah karbon yang bereaksi pada masing-masing adalah 1 gram, maka diamati bahwa pada karbonmonoksida yang terbentuk akan terdapat 1,33 gram oksigen dan 2,67 gram oksigen pada karbondioksida. Perbandingan massa oksigen mendekati 2:1 ,yang perbandingan bilangan bulat sederhana, mematuhi hukum perbandingan berganda. Pengamatan serupa juga terjadi pada reaksi-reaksi lain, seperti hidrogen dan oksigen membentuk air (H₂O) dan hidrogen peroksida (H₂O₂). Jika hidrogen yang bereaksi masing-masing 1 gram, H₂O yang terbentuk akan mengandung 4 gram oksigen, dan 8 gram pada H₂O₂.

John Dalton pertama kali mengemukakan pengamatan ini pada 1803. Beberapa tahun sebelumnya, kimiawan Perancis telah mengemukakan hukum perbandingan tetap. Dalton merumuskan hukum ini berdasarkan pengamatan-pengamatan terhadap nilai-nilai perbandingan Proust. Kedua hukum ini merupakan penemuan penting untuk menjelaskan bagaimana senyawa terbentuk dari atom-atom. Selanjutnya pada tahun yang sama, Dalton mengajukan teori atom yang merupakan dasar dari konsep rumus kimia dalam senyawa.

Hukum kekekalan massa

Hukum kekekalan massa atau dikenal juga sebagai hukum Lomonosov-Lavoisier adalah suatu hukum yang menyatakan massa dari suatu sistem tertutup akan konstan meskipun terjadi berbagai macam proses di dalam sistem tersebut(dalam sistem tertutup Massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama (tetap/konstan) ). Pernyataan yang umum digunakan untuk menyatakan hukum kekekalan massa adalah massa dapat berubah bentuk tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Untuk suatu proses kimiawi di dalam suatu sistem tertutup, massa dari reaktan harus sama dengan massa produk.
Hukum kekekalan massa digunakan secara luas dalam bidang-bidang seperti kimia, teknik kimia, mekanika, dan dinamika fluida. Berdasarkan ilmu relativitas spesial, kekekalan massa adalah pernyataan dari kekekalan energi. Massa partikel yang tetap dalam suatu sistem ekuivalen dengan energi momentum pusatnya. Pada beberapa peristiwa radiasi, dikatakan bahwa terlihat adanya perubahan massa menjadi energi. Hal ini terjadi ketika suatu benda berubah menjadi energi kinetik/energi potensial dan sebaliknya. Karena massa dan energi berhubungan, dalam suatu sistem yang mendapat/mengeluarkan energi, massa dalam jumlah yang sangat sedikit akan tercipta/hilang dari sistem. Namun demikian, dalam hampir seluruh peristiwa yang melibatkan perubahan energi, hukum kekekalan massa dapat digunakan karena massa yang berubah sangatlah sedikit.

Contoh hukum kekekalan massa

Hukum kekekalan massa dapat terlihat pada reaksi pembentukan hidrogen dan oksigen dari air. Bila hidrogen dan oksigen dibentuk dari 36 g air, maka bila reaksi berlangsung hingga seluruh air habis, akan diperoleh massa campuran produk hidrogen dan oksigen sebesar 36 g. Bila reaksi masih menyisakan air, maka massa campuran hidrogen, oksigen dan air yang tidak bereaksi tetap sebesar 36 g.

Air -> Hidrogen + Oksigen (+ Air)

(36 g) (36 g)

 Sejarah Hukum Kekekalan Massa

Hukum kekekalan massa diformulasikan oleh Antoine Lavoisier pada tahun 1789. Oleh karena hasilnya ini, ia sering disebut sebagai bapak kimia modern. Sebelumnya, Mikhail Lomonosov (1748) juga telah mengajukan ide yang serupa dan telah membuktikannya dalam eksperimen. Sebelumnya, kekekalan massa sulit dimengerti karena adanya gaya buoyan atmosfer bumi. Setelah gaya ini dapat dimengerti, hukum kekekalan massa menjadi kunci penting dalam merubah alkemi menjadi kimia modern. Ketika ilmuwan memahami bahwa senyawa tidak pernah hilang ketika diukur, mereka mulai melakukan studi kuantitatif transformasi senyawa. Studi ini membawa kepada ide bahwa semua proses dan transformasi kimia berlangsung dalam jumlah massa tiap elemen tetap.

Kekekalan massa vs. penyimpangan

Ketika energi seperti panas atau cahaya diijinkan masuk ke dalam atau keluar dari sistem, asumsi hukum kekekalan massa tetap dapat digunakan. Hal ini disebabkan massa yang berubah karena adanya perubahan energi sangatlah sedikit. Sebagai contoh adalah perubahan yang terjadi pada peristiwa meledaknya TNT. Satu gram TNT akan melepaskan 4,16 kJ energi ketika diledakkan. Namun demikian, energi yang terdapat dalam satu gram TNT adalah sebesar 90 TJ (kira-kira 20 miliar kali lebih banyak). Dari contoh ini dapat terlihat bahwa massa yang akan hilang karena keluarnya energi dari sistem akan jauh lebih kecil (dan bahkan tidak terukur) dari jumlah energi yang tersimpan dalam massa materi.

 Penyimpangan

Penyimpangan hukum kekekalan massa dapat terjadi pada sistem terbuka dengan proses yang melibatkan perubahan energi yang sangat signifikan seperti reaksi nuklir. Salah satu contoh reaksi nuklir yang dapat diamati adalah reaksi pelepasan energi dalam jumlah besar pada bintang. Hubungan antara massa dan energi yang berubah dijelaskan oleh Albert Einstein dengan persamaan E = m.c². E merupakan jumlah energi yang terlibat, m merupakan jumlah massa yang terlibat dan c merupakan konstanta kecepatan cahaya. Namun, perlu diperhatikan bahwa pada sistem tertutup, karena energi tidak keluar dari sistem, massa dari sistem tidak akan berubah.