Kimia Anorganik Logam

Pada Modul 2 ini mahasiswa akan mempelajari sejarah logam alkali, sifat-sifat fisik dan sifat umum logam alkali, kelimpahan dan terdapatnya logam alkali, serta ekstraksi logam alkali. Dengan memahami semua hal tersebut di atas maka mahasiswa akan memahami sifat-sifat unsur alkali, reaksi-reaksinya, senyawa-senyawanya dan pemanfaatannya dalam industri maupun dalam kehidupan sehari-hari.

Ada dua proses pembelajaran untuk dapat mengkaji Logam Alkali yaitu:

Proses Pembelajaran 2.1: Sejarah logam Alkali, Sifat-sifat logam Alkali, Kelimpahan logam Alkali, dan Ekstraksi logam Alkali

Proses Pembelajaran 2.2: Unsur-unsur alkali: Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cesium (Cs)

 Capaian Pembelajaran

Setelah menyelesaikan seluruh proses pembelajaran pada modul ini maka mahasiswa diharapkan memiliki kemampuan:

1. Mengetahui sejarah logam-logam Alkali
2. Memahami sifat-sifat fisika, sifat kimia, dan sifat umum logam Alkali
3. Mengetahui kelimpahan dan terdapatnya logam alkali
4. Memahami ekstraksi logam alkali
5. Mengaplikasikan sifat-sifat alkali kepada unsur-unsur logam alkali
6. Memahami reaksi-reaksi logam alkali
7. Mengenal senyawa-senyawa logam alkali
8. Mengetahui pemanfaatan logam alkali dalam industri dan kehidupan sehari-hari

Untuk memudahkan anda mencapai tujuan pembelajaran ini maka modul ini dilengkapi dengan urain materi, pengayaan atau latihan, intisari, dan evaluasi. Pelajarilah dengan seksama setiap uraian, dan lakukan pengayaan, serta kerjakan evaluasi dinakhir setiap proses pembelajaran.

Pembelajaran 2.1

Sejarah Alkali

Logam-logam pada umumnya dianggap sebagai yang tak-reaktif dan rapat. Akan tetapi, kenyataannya logam-logam alkali berbalikan dengan karakter ini dimana logam-logam ini menunjukan sifat densitas yang rendah serta reaktifitas kimia yang sangat tinggi. Kalium (potassium) dan natrium (sodium) pertama kali diisolasi dalam waktu yang berbeda hanya beberapa hari pada tahun 1807 oleh Humphry Davy sebagai produk elektrolisis leburan caustic potash (KOH) dan caustic soda (NaOH), dimana nama-nama kimia yang diberikan oleh Davy diambil dari sumber unsur-unsurnya. Pada tahun 1817 J.A. Arfvedson, seorang kimiawan muda yang bekerja dengan J.J. Berzelius, mendapati kemiripan solubilitas dari senyawa-senyawa litium dengan kedua unsur kalium dan natrium. Arfvedson memilih nama litium (Bah. Latin, litos, batu) untuk unsur barunya ini. Tahun berikutnya, 1818, Davy mengisolasi logam ini dengan mengelektrolisis leburan Li₂O. Cesium dan rubidium ditemukan oleh R.W. Bunsen dan G.R. Kirchhoff masing-masing pada tahun 1860 dan 1861 dengan bantuan spektroskop (yang ditemukan oleh keduanya pada tahun 1859) dimana unsur-unsur ini dinamakan sesuai dengan warna yang paling jelas dari garis emisi (Bah. Latin caesius, biru langit, rubidius, merah darah). Fransium pertama kali diidentifikasi pada tahun 1939 dari suatu hasil kerja radioaktif dari Marguerite Perey yang memberi nama unsur ini untuk menghargai nama negaranya.

 Semua logam-logam alkali merupakan logam yang mengkilap berwarna-perak (kecuali cesium yang mempunyai penampilan seperti emas). Seperti halnya logam-logam lain, logam alkali mempunyai konduktivitas termal dan listrik yang tinggi. Akan tetapi dilain hal, logam-logam alkali sangat lunak dan menjadi lebih lunak dari atas ke bawah dalam golongan. Sehingga litium dapat dipotong dengan pisau sementara kalium dapat kopek seperti lunaknya mentega. Kebanyakan logam-logam mempunyai titik lebur yang tinggi, akan tetapi titik lebur logam-logam alkali sangat rendah dan menjadi lebih rendah bilamana unsur-unsur dalam Golongan 1 ini menjadi lebih berat, dimana cesium melebur hanya sedikit di atas temperatur ruang. Kebanyakan logam-logam mempunyai densitas diantara 5 hingga 15 g cm^–3, akan tetapi logam-logam alkali lebih kecil dari itu. Kenyataannya litium mempunyai densitas setengah dari densitas air. Logam-logam alkali biasanya disimpan pada minyak yang non-reaktif untuk mencegah oksidasi udara, sebab ketika logam-logam ini bersentuhan dengan udara dengan cepat suatu lapisan tebal hasil oksidasi menyelubungi permukaan yang berkilau dari setiap logam.  Sebagai contoh litium dioksidasi menjadi litium oksida yang kemudian bereaksi dengan karbon dioksida menghasilkan litium karbonat:

4 Li_(s)  +  O_2(g)  →   2 Li₂O_(s)

Li₂O_(s)  +  CO_2(g)  →  LiCO_3(s)

Logam-logam alkali bereaksi dengan hampir semua unsur non-logam. Contohnya, setiap leburan logam alkali bereaksi dengan gas klorin mengeluarkan asap putih dari logam klorida. Reaksi natrium dengan diklorin adalah sangat reaktif, suatu logam yang reaktif bereaksi dengan gas-beracun menghasilkan suatu senyawa yang esensial bagi kehidupan.

 2 Na_(l)  +  Cl_2(g)  →   2 NaCl_(s)

Tabel 2.1 Beberapa Sifat Logam-logam Alkali.

Terdapat dan Kelimpahan

Litium merupakan unsur ke tigapuluh lima kelimpahannya dan utamanya diperoleh sebagai mineral-mineral silikat, spodumene LiAl(SiO₃)₂, dan lepidolite Li₂Al₂(SiO₃)₃(FOH)₂. Natrium dan kalium merupakan unsur-unsur yang menempati urutan ke tujuh dan delapan paling limoah di kerak bumi. NaCl dan KCl terdapat dalam jumlah yang besar di air laut. Sumber yang paling besar dari natrium adalah garam batu (NaCl). Beragam garam termasuk NaCl, Na₂B₄O₇.10H₂O (boraks), (Na₂CO₃.NaHCO₃.2H₂O) (trona), NaNO₃ (saltpetre) dan Na₂SO₄ (mirabilite) diperoleh dari tumpukan mineral yang terbentuk dari evaporasi laut-laut tua seperti Laut Mati dan Great Salt Lake di Utah, USA. Kalium utamanya terdapat sebagai tumpukan mineral KCl (sylvite), suatu campuran KCl dan NaCl (sylvinite), dan garam rangkap KCl.MgCl₂.6H₂O (carnalite). garam kalium yang larut secar bersama disebut ‘potash’. Tidak ada sumber yang tepat bagi rubidium dan hanya unsur cesium yang diperoleh dari produk sampingan dari proses perolehan litium.

Tabel 2.2 Mobilitas Ion dan Hidrasi.

Ekstraksi

Logam-logam alkali sangat reaktif untuk dapat diperoleh dalam keadaan bebasnya. Senyawa-senyawanya merupakan diantara yang paling stabil terhadap panas, sehingga dekomposisi termal tidak berdampak. Karena logam-logamnya adalah yang paling atas terdapat pada seri elektrokimia, logam-logam ini bereaksi dengan air sehingga menggantikan satu unsur dari larutan dengan unsur yang lebih tinggi pada seri elektrokimia akan tidak berhasil. Logam-logam ini merupakan redukstor kimia paling kuat yang dikenal dan tidak dapat dibuat dengan mereduksi oksidanya. Elektrolisis terhadap larutan akua untuk memperoleh logammnya juga tidak sukses kecuali katoda merkuri yang digunakan, namun yang diperoleh adalah amalgama dan untuk memisahkan logam murninya dari amalgama merupakan suatu kesulitan.

Logam-logam ini dapat disolasi dengan elektrolisis terhadap leburan garamnya biasanya leburan halida dan sering dengan penambahan aditif untuk menurunkan titik leburnya.

Sifat-sifat Umum

Atom-atom logam alkali merupakan atom yang terbesar diantara unsur-unsur lainnya dalam satu periode. Ketika elektron paling luar (elektron valensi) dikeluarkan menghasilkan ion positif, ukurannya menurun secara drastis. Terdapat dua alasan untuk hal ini: yang pertama; kulit terluar dari elektron dihilangkan secara sempurna. Setelah sebuah elektron dikeluarkan, muatan positif pada inti sekarang menjadi lebih besar daripada muatan elektron-elektron yang sisa, sehingga setiap elektron yang tinggal direkat lebih kuat kearah inti dan ini mereduksi ukurannya. Alasan kedua adalah; Ion-ion logam alkali selalu mempunyai bilangan oksidasi +1 dan kebanyakan senyawanya bersifat stabil, padatan ionik. Senyawa-senyawanya tidak berwarna kecuali jika mengandung anion berwarna seperti kromat atau permanganat. Karena kation-kation logam alkali (kecuali untuk litium) mempunyai densitas muatan yang paling rendah, sehingga dapat menstabilisasi anion-anion besar yang bermuatan-rendah. Contohnya, ion-ion natrium hingga cesium merupakan ion-ion yang membentuk padatan garam hidrogen karbonat. Semua ion-ion terhidrasi saat dilarutkan dalam air. Akan tetapi hal ini tidak selalu berlaku dalam fasa padatan. Hidrasi dalam padatan kristal bergantung pada kesetimbangan energi kisi dan energi hidrasi.

Energi kisi dihasilkan dari atraksi elektrostatik antara kation-kation dan anion-anion: makin tinggi densitas muatan ion-ion, makin besar energi kisinya. Jadi istilah energi kisi lebih cenderung kehilangan suatu lingkar hidrasi ion pada kristalisasi menghasilkan ion hidrasi yang kecil (densitas muatan yang lebih tinggi). Akan tetapi energi hidrasi bergantung pada atraksi antara ion dan molekul air polar disekeliling. Faktor utama yang mengkontribusi pada kekuatan atraksi ion-dipol adalah densitas muatan dari ion-ion. Densitas muatan yang tinggi cenderung menyukai retensi semua atau sebagian lingkar hidrasi pada fasa padatan sedangkan garam-garam dengan ion muatan-rendah cenderung berupa anhidrat.

Tabel 2.2 Mobilitas ion dan Hidrasi

Logam-logam alkali mempunyai densitas muatan yang sangat rendah dibanding dengan logam-logam lainnya. Sehingga diharapkan bahwa kebanyakan padatan garam-garam logam alkali berupa anhidrat. Densitas muatan ion-ion litium dan natrium cukup tinggi untuk pembentukan beberapa garam-garam hidrat. Contohnya adalah litium hidroksida yang membentuk suatu oktahidrat, LiOH.8H₂O. Densitas muatan yang rendah ditunjukan pada kecenderungan dari entalpi hidrasi diantara logam-logam alkali (Tabel 2.2). Nilai-nilai ini sangat rendah (dibanding misalnya Mg²⁺ sebesar 1920 kJ mol^–1) dan juga nilainya menurun seturut dengan menurunnya radius dari atas ke bawah dalam golongan. Hampir semua senyawa-senyawa logam alkali larut dalam air, walaupun dengan kelarutannya yang berbeda. Contohnya, larutan litium klorida pekat mempunyai konsentrasi 14 molL^–1, sedangkan larutan litium karbonat pekat mempunyai konsentrasi hanya 0.18 molL^–1. Kelarutan garam-garam sederhana dalam air akan menghasilkan ion-ion dan karenanya larutan tersebut dapat menghantar listrik (mengkonduksi listrik). Oleh karena ion-ion Li⁺ kecil, diharapkan bahwa larutan garam-garam litium akan mengkonduksi listrik lebih baik dibanding larutan-larutan garam natrium, kalium, rubidium atau cesium dengan konsentrasi yang sama, dengan memperhatikan bahwa ion-ion kecil akan bergerak lebih cepat ke arah katoda sehingga mengkonduksi lebih baik dibandingkan ion-ion besar. Akan tetapi pengukuran mobilitas dan konduktivitas ion dalam larutan akua (Tabel 2.2) menghasilkan urutan yang berlawanan Cs⁺ > Rb⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺.  Alasan untuk anomali ini adalah bahwa ion-ion terhidrasi dalam larutan. Karena ion Li⁺ sangat kecil sehingga sangat terhidrasi (lebih banyak dikelilingi molekul air) dan ini menjadikan radius ion hidrasi menjadi besar sehingga pergerakannnya menjadi lambat. Sebaliknya, ion Cs⁺ kurang terhidrasi (dikelilingi molekul air lebih sedikit) dan radius ion hidrasi Cs⁺ lebih kecil daripada radius Li⁺ terhidrasi, dan karenanya Cs⁺ terhidrasi bergerak lebih cepat dan mengkonduksi listrik lebih baik. Beberapa molekul air menyentuh ion-ion logam dan berikatan dengannya membentuk suatu kompleks. Molekul-molekul air ini yang menyumbang kulit primer air. Dengan demikian Li⁺ secara tetrahedral dikelilingi oleh empat molekul air. Hal ini dapat dijelaskan oleh empat atom oksigen dari molekul air menggunakan pasangan elektron bebas membentuk ikatan koordinat dengan ion logam. Dengan empat pasangan elektron bebas dalam kulit valensi teori VSEPR memprediksi struktur tetrahedral. Alternatifnya, menggunakan teori ikatan valensi, orbital 2s dan tiga orbital 2p membentuk empat orbital hibrida sp³ yang diisi oleh pasangan elektron bebas dari atom-atom oksigen.

Dengan ion-ion yang lebih berat, seperti Rb⁺ dan Cs⁺, jumlah molekul air meningkat menjadi enam. Teori VSEPR memprediksi suatu struktur oktahedral. Teori ikatan valensi juga mengindikasikan tatanan oktahedral menggunakan sebuah orbital s, tiga orbital p dan dua orbital d untuk berikatan. Suatu lapisan sekunder molekul air lebih lanjut menghidrasi ion-ion, walaupun molekul-molekul ini direkat oleh gaya atraktif ion-dipol yang lemah. Kekuatan gaya tersebut berbanding terbalik dengan jarak, yaitu ukuran dari ion logam. Sehingga hidrasi sekunder menurun dari litium sampai cesium dengan memperhatikan Li⁺ sebagai yang paling terhidrasi. Ukuran ion terhidrasi merupakan faktor penting yang mempengaruhi penyusupan ion-ion ini melalui dinding sel. Faktor ini juga yang menjelaskan sifatnya pada kolom penukar-ion, dimana ion Li⁺ terhidrasi terekat kurang kuat sehingga merupakan yang pertama terelusi.

Penurunan dalam hidrasi dari Li⁺ hingga Cs⁺ juga ditunjukan dalam garam kristal, yaitu hampir semua garam-garam litium merupakan hidrat dan umumnya terdapat sebagai trihidrat. Dalam hidrat-hidrat garam litium ini ion litium terkoordinasi pada 6H₂O dan oktahedranya mensaham muka membentuk rantai. Garam-garam yang sederhana semuanya larut dalam air sehingga dalam analisis kualitatif unsur-unsur ini membutuhkan pengendapan sebagai garam-garam yang kurang umum. Jadi Na⁺ diendapkan dengan penambahan larutan zink (atau tembaga) uranyl asetat. K⁺ diendapkan dengan penambahan suatu larutan natrium kobalnitrit yang kemudian mengendapkan kalium kobalnitrit K₃[Co(NO₂)₆] atau dengan penambahan asam perklorat akan mengendapkan kalium perklorat KClO₄. Solubilitas (kelarutan) kebanyakan garam-garam unsur-unsur logam alkali dalam air menurun seturut dengan penurunan unsur dalam golongan. Untuk menjelaskan solubilitas ini, perlu memperhatikan siklus energi yang terlibat dalam pembentukan suatu larutan dari padatan. Solubilitas suatu senyawa bergantung pada perubahan entalpi (energi kisi dan entalpi hidrasi dari kation dan anion) bersama dengan perubahan entropinya. Agar suatu senyawa dapat larut, energy bebasnya, DG^o, harus negatif, dimana:

ΔG^o = ΔH^o – TΔS^o

 Dengan kata lain, secara praktisnya untuk supaya senyawa alkali dapat larut energi yang dikeluarkan ketika ion terhidrasi (energi hidrasi) harus lebih besar dari pada energi yang diperlukan untuk memisahkan kisi kristal (energi kisi). Sebaliknya, jika padatannya tidak larut, berarti energi hidrasinya lebih kecil dari pada energi kisinya. Dalam prakteknya terdapat kesulitan-kesulitan dalam memprediksi solubilitas karena nilai-nilai untuk beberapa data tidak diketahui secara akurat dan hasilnya bergantung pada perbedaan yang kecil antara dua nilai yang besar.

Alasan mengapa solubilitas kebanyakan logam alkali menurun dalam golongan yaitu bahwa energi kisi hanya berubah agak sedikit tetapi energi bebas hidrasi berubah lebih besar. Contohnya, perbedaan energi kisi antara NaCl dan KCl adalah 67 kJ mol^–1 dengan begitu perubahan dalam energi bebas hidrasi untuk Na⁺ dan K⁺ adalah 76 kJ mol^–1. Jadi KCl kurang larut dibandingkan NaCl. Senyawa-senyawa fluorida dan karbonat dari logam-logam alkali merupakan pengecualian karena solubilitasnya meningkat dengan cepat dari atas ke bawah dalam golongan. Alasan untuk hal ini adalah bahwa perubahan energi kisinya lebih besar dari pada energi hidrasinya dari atas ke bawah dalam satu golongan. Energi kisi bergantung pada atraksi elektrostatik antara ion-ion dan berbanding terbalik terhadap jarak diantara ion-ion, yaitu 1/(r⁺ + r^–). karena itu dapat dipelajari bahwa energi kisi akan sangat bervariasi ketika r^– kecil yaitu F^–, dan akan kecil variasinya ketika r⁺ besar (dengan I^–). Karena energi ionisasinya yang rendah sehingga ketika unsur-unsur logam alkali ini diiradiasi dengan cahaya, energi cahaya yang diabsorpsi cukup untuk membuat sebuah atom melepaskan sebuah elektron. Elektron-elektron yang diemisi dengan cara ini disebut fotoelektron dan hal inilah yang menjelaskan penggunaan cesium dan kalium sebagai katoda dalam sel fotoelektrik.

Tabel 2.3 Warna nyala dan Panjang gelombang

Elektron-elektron kemungkinan juga secara mudah tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi, seperti dalam uji nyala. Untuk melakukan uji ini, suatu sampel logam klorida atau garam alkali apa saja dibasahi dengan HCl pekat, dipanaskan pada suatu kawat platina atau nikelkrom pada nyala api pembakar Bunsen. Panas yang dari pembakar mengeksitasi elektron-elektron orbital ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ketika elektron-elektron yang tereksitasi kembali lagi ke tingkat energi asalnya elektron-elektron ini akan mengeluarkan energi ekstra yang diperolehnya. Untuk logam-logam alkali, energi yang diemisi ditunjukan sebagai cahaya tampak, sehingga memberikan karakter pewarnaan nyala. Setiap logam alkali mengalami keunikan masing-masing transisi elektronnya. Contohnya, warna kuning dari natrium merupakan hasil dari energi (foton) yang diemisi ketika sebuah elektron turun dari orbital 3p¹ ke orbital 3s¹ dari suatu atom natrium netral dimana ion ini mendapatkan elektron valensinya dari rekasi pembakaran pada nyala api. Karakter-karakter pewarnaan nyala dari spektra emisi ini digunakan untuk analisis penentuan unsur-unsur ini dengan fotometri nyala. Cara lainnya adalah spektroskopi absorpsi atom yang dapat digunakan untuk mengestimasi logam-logam alkali.

Intisari

Logam-logam Alkali adalah: Litium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cesium (Cs), dan Fransium (Fr). Mempunyai bilangan oksidasi +1 dan padatan ionik. Logam alkali memiliki densitas rendah dan reaktifitas yang tinggi. Semua logam alkali merupakan logam yang mengkilap, dan lunak, berwarna perak kecuali Cesium berwarna keemasan. Tidak seperti logam pada umumnya titik lebur alkali sangat rendah. Logam alkali biasanya disimpan dalam minyak yang non-reaktif untuk mencegah oksidasi udara. Logam alkali bereaksi dengan hamper semua unsur non-logam, dapat diisolasi dengan elektrolisis terhadap leburan garamnya. Senyawa-senyawa alkali berbentuk oksida, hidroksida, dan karbonat.