Kimia Anorganik Logam

Pembelajaran 2.2

Unsur-unsur Alkali

Litium

Dengan densitas yang kira-kira setengah dari air, litium merupakan unsur yang paling kecil densitasnya dari semua unsur-unsur padatan pada temperatur dan tekanan ruang. Karena densitasnya yang sangat rendah, litium digunakan dalam alloy pesawat terbang. Contohnya alloy LA 141 yang terdiri atas 14 persen litium, 1 persen aluminium dan 85 persen magnesium, hanya mempunyai densitas 1,35 g cm^–1, hampir tepat setengah dari densitas alumnium, merupakan yang paling banyak digunakan sebagai logam densitas-rendah. Logam litium mempunyai tampilan seperti perak bercahaya, namun ketika permukaannya terkena udara lembab, maka cengan cepat akan berubah menjadi hitam. Seperti logam alkali lainnya, litium bereaksi dengan dioksigen di udara. Dari semua logam alkali hanya litium yang bereaksi dengan dinitrogen. Untuk merusak ikatan ganda-tiga dalam molekul dinitrogen membutuhkan suatu input energi 945 kJ mol^–1. Untuk mengimbangkan kebutuhan energi ini, energi kisi dari produk harus sangat tinggi. Dan hanya ion litium yang mempunyai densitas muatan yang paling tinggi dari segolongannya, sehingga membentuk nitrida dengan energi kisi yang cukup tinggi:

 6 Li_(s)  +  N_2(g)  →   2 Li₃N_(s)

 Nitrida ini bersifat reaktif, dan akan membentuk ammonia ketika bereaksi dengan air.

 2 Li₃N_(s)   +  3H₂O_(l)  →   6 LiOH_(aq)  +  NH_3(g)

 Litium cair merupakan material paling korosif yang dikenal. Contohnya, jika suatu sampel litium dilelehkan dalam kontainer gelas, sampel ini akan bereaksi secara spontan dengan gelas tersebut menghasilkan lubang dalam kontainer, reaksi ini diikuti dengan emisi cahaya putih kehijauan. Penggunaan industri yang paling besar dari litium adalah dalam pelumas litium - fakta menunjukan bahwa 60 persen dari semua pelumas kendaraan bermotor mengandung litium. Senyawa yang digunakan adalah litium stearat, C₁₇H₃₅COOLi, yang dicampur dengan oli menghasilkan resistnasi-air, material seperti pelumas yang tidak mengeras pada temperatur dingin dan yang stabil pada temperatur tinggi.

 

Natrium

Natrium merupakan logam alkali yang secara inustri paling tinggi kebutuhannya. Seperti logam alkali lainnya, unsur murninya tidak terdapat di alam sebab reaktifitasnya yang sangat tinggi. Logam ini dibuta dengan cara proses Downs dimana natrium klorida (titik leleh 801 ^oC) dalam keadaan leburan di elektrilisis. Elektrolisis dilakukan dalam sebuah sel berbentuk silinder dengan suatu pusat anoda grafit dan katoda baja yang mengelilinginya. Campuran kalsium klorida dan natrium klorida digunaakn untuk mengurangi titik leburnya sehingga menurunkan temperatur pada mana sel dibutuhkan untuk beroperasi. Walapun kalsium klorida itu sendiri mempunyai titik lebur 772 ^oC, suatu campuran natrium klorida 33% dan kalsium klorida 67% mempunyai titik lebur sekitar 580 ^oC. Ini merupakan titik lebur yang paling rendah dan campuran ini yang menjadikan proses tersebut dapat terjangkau secara komersial. Kedua elektroda tersebut dipisahkan oleh suatu diafragma baja berbentuk silinder, sehingga leburan natrium yang mengapung pada bagian atas ruang katoda akan dijauhkan dari gas klorin yang terbentuk pada anoda.Logam natrium yang dihasilkan mengandung sekitar 0,2 persen logam kalsium. Pendinginan campuran logam tersebut pada 110 ^oC akan memadatkan pengotor kalsium (t.l. 842 ^oC) dan selanjutnya mengendap ke dalam leburan. Natrium yang murni (t.l. 98 ^oC) tetap sebagai leburan dan dapat dipompa menjadi seperti adonan dingin dan kemudian menjadi padatan.

Logam natrium dibutuhkan untuk mensintesis sejumlah besar senyawa natrium, tetapi ada dua penggunaan utamanya, dan salah satunya adalah ekstraksi logam-logam lain. Cara yang paling mudah untuk memperoleh logam-logam jarang seperti torium, zirkonium, tantalum dan titanium adalah dengan cara mereduksi senyawanya dengan natrium. Contohnya, titanium dapat diperoleh dengan cara mereduksi titanium (IV) klorida dengan logam natrium:

 TiCl_4(l)  +  4 Na_(s)  →   Ti_(s)  +  4 NaCl_(s)

Natrium klorida kemudian dapat dikeluarkan dari logam titanium murni. Pemanfaatan kedua yang utama dari logam natrium adalah dalam produksi aditif dari bensin tetraetillead (TEL). Walapun TEL sekarang ini dilarang (Amerika Utara) terdapat dalam bensin karena sifat toksisnya dan polusi timbal yang diakibatkan dari penggunaanya, sampai saat ini di sebagian besar dunia masih digunakan untuk meningkatkan tingkat oktan terhadap bensin murah. Sintesis TEL menggunakan reaksi antara alloy natrium-timbal dan etil klorida:

4 NaPb_(s)  +  4 C₂H₅Cl_(g)  →   (C₂H₅)₄Pb_(l)  +  3Pb_(s)  +  4 NaCl_(s)

 

Kalium

Kalium yang ditemukan di lingkungan alamiah agak sedikit radioaktif karena mengandung sekitar 0,012 persen isotop radioaktof kalium-40. Pada kenyataannya, proporsi yang paling besar dari radiasi yang dihasilkan dalam tubuh kita adalah berasal dari isotop ini, yang mempunyai waktu paruh 1,3 x 10⁹ tahun. Kira-kira 89 persen atom-atom kalium meluruh dengan mengemisi sebuah elektron sedangkan 11 persen lainnya meluruh dengan cara menangkap sebuah elektron:

 

Ekstraksi industri dari logam kalium dilakukan dengan cara kimiawi. Ekstraksi dalam suatu sel elektrolisis akan membahayakan karena reaksi yang sangat hebat dari logamnya. proses kimia melibatkan reaksi logam natrium dengan leburan kalium klorida pada 850 ^oC:

 Na_(l)  +  KCl_(l)  →   K_(g)  +  NaCl_(l)

Walaupun kesetimbangannya terletak pada sebelah kiri, pada temperatur ini kalium berada dalam fasa gas (t.d. 766 ^oC, titik didih untuk natrium 890 ^oC). Sehingga prinsip Le Châtelier dapat digunakan untuk mengarahkan reaksinya ke sebelah kanan dengan cara memompa gas hijau kalium dari campuran, ketika gas ini terbentuk. Seperti yang telah disinggung sebelumnya bahwa garam-garam logam alkali terdapat dengan berbagai variasi kelarutan. Khususnya, garam-garam yang kurang larut adalah garam-garam yang terbentuk oleh ion-ion yang ukurannya hampir mirip. Jadi anion-anion yang sangat besar akan membentuk garam-garam yang kurang larut dengan kation-kation Golongan 1 yang lebih besar. Konsep ini yang diterapkan pada anion heksanitritokobaltat(III), [Co (NO₂)₆]^3–, yang sangat besar. Garamnya dengan litium dan natrium melarut, sedangkan dengan kalium, rubidium dan cesium tidak melarut. Jadi jika suatu larutan yang diyakini mengandung ion natrium dan ion kalium, proses panambahan ion heksanitritokobaltat (III) dapat digunakan sebagai pengujian. Endapan kuning jernih mengindikasikan adanya ion kalium:

3 K⁺_(aq)  +  [Co(NO₂)₆]^3–_(aq)  → K₃[Co(NO₂)₆]_(s)

Anion yang sangat besar lainnya yang dapat digunakan dalam pengujian endapan dengan logam-logam alkali yang lebih besar adalah ion tetrafenilborat, [B(C₆H₅)₄]^–:

K⁺_(aq)  +  [B(C₆H₅)₄]^–_(aq)  → K[B(C₆H₅)₄]_(s)

 

Senyawa-senyawa Alkali

Oksida dan Hidroksida

Semua logam-logam alkali bereaksi dengan udara membentuk oksida, walaupun produknya bervariasi bergantung pada logamnya. Hanya litium yang membentuk normal oksida (monoksida) ketika bereaksi dengan oksigen, Li₂O (dan beberapa peroksida Li₂O₂), natrium membentuk natrium dioksida (2–), Na₂O₂ (lebih sering dikenal sebagai peroksida; dan beberapa monoksida Na₂O) . Tanda “2–” hanya mengindikasikan muatan pada ionnya, suatu metode yang direkomendasikan oleh ACS (American Chemical Society) untuk penggunaan bilamana terdapat lebih dari satu muatan ion.  Natrium dioksida (2–) bersifat diamagnetik dan panjang ikatan oksigen-oksigennya adalah sekitar 149 pm, lebih panjang dari ikatan yang terdapat pada molekul dioksigen (121 pm). Ketiga logam alkali lainnya bereaksi dengan dioksigen berlebih membentuk dioksida (1–) (yang nama konvensionalnya superoksida), mengandung ion dioksida (1–), O₂^– paramagnetik. Panjang ikatan oksigen-oksigen dalam ion-ion ini (133 pm) lebih pendek dari yang terdapat dalam dioksida (2–) tetapi agak besar sedikit dari yang terdapat dalam dioksigen itu sendiri. Kesemua lima logam alkali dapat dibuat membentuk oksida normal, peroksida atau superoksida dengan cara melarutkan logamnya ke dalam cairan amonia dan membuihkan dalam oksigen yang secukupnya. dan yang lainnya membentuk superoksida dengan tipe MO₂ Monoksida-monoksida bersifat ionik, contohnya 2Li⁺ dan O^2–. Li₂O dan Na₂O seperti yang diharapkan adalah padatan putih, akan tetapi K₂O berwarna kuning pucat, Rb₂O kuning terang dan Cs₂O berwarna oranye. Oksida logam biasanya bersifat basa. Oksida yang khas M₂O merupakan oksida basa yang kuat dan bereaksi dengan air membentuk basa yang kuat.

Li₂O  +  H₂O  →   2LiOH

Na₂O  +  H₂O  →   2NaOH

K₂O  +  H₂O  →   2KOH

Struktur kristal dari Li₂O, Na₂O, K₂O dan Rb₂O adalah struktur anti-fluorit. Struktur anti-fluorit seperti struktur CaF₂, kecuali posisi ion-ion positif dan negatifnya saling bergantian. Jadi Li⁺ mengisi posisi yang ditempati oleh F^–, dan O^2– mengisi posisi yang ditempati oleh Ca²⁺. Cs₂O mempunyai struktur lapisan anti-CdCl₂. Kalium dioksida (1–) digunakan pada ruang kapsul, kapal selam dan beberapa tipe alat pernafasan sendiri karena dapat mengabsorpsi karbondioksida yang dihembus (dan uap air) dan melepaskan gas dioksigen:

4 KO_2(s)  +  2 CO_2(g)  →  2 K₂CO_3(s)  +  3 O_2(g)

K₂CO_3(s)  +  CO_2(g)  +  H₂O_(g)  →   2 KHCO_3(s)

Natrium hidroksida, NaOH sering disebut kaustik soda, dan kalium hidroksida disebut caustic potash, karena sifat korosifnya (contohnya pada gelas dan pada kulit). Alkali caustic ini merupakan basa paling kuat yang dikenal dalam larutan air. Hidroksida Na, K, Rb dan Cs sangat larut dalam air, tetapi LiOH sangat kurang larut. Pada temperatur 25 ^oC larutan pekat NaOH kira-kira 27 molar, sedangkan larutan pekat LiOH hanya kira-kira 5 molar. Basa-basa ini bereaksi dengan asam mebentuk garam dan air, dan digunakan untuk berbagai penetralan.

NaOH  +  HCl  →   NaCl  +  H₂O

Basa-basa ini juga bereaksi dengan CO₂, walaupun dalam jumlah kecil di udara, membentuk karbonat. LiOH digunakan untuk mengabsorpsi karbondioksida dalam lingkungan tertutup seperti ruang kapsul.

2NaOH  +  CO₂  →  Na₂CO₃  +  H₂O

Basa-basa ini juga bereaksi dengan oksida amfoterik, Al₂O₃ membentuk aluminat, SiO₂ (atau gelas) membentuk silikat, SnO₂ membentuk stannat, PbO₂ membentuk plumbat dan ZnO membentuk zinkat. Pada reaksi dengan garam ammonium dan kompleks koordinasi dimana ammonia terekat pada suatu ion logam transisi (kompleks-kompleks ammina) basa-basa ini melepaskan ammonia.

NaOH  +  NH₄Cl  →   NH₃  +  NaCl  +  H₂O

6NaOH + 2[Co(NH₃)₆]Cl₃ → 12NH₃ + Co₂O₃ + 3NaCl + 3H₂O

NaOH dapat bereaksi dengan H₂S membentuk sulfida S^2– dan hidrogen sulfida SH^– dan digunakan untuk mengeluarkan mercaptan dari produk minyak bumi.

NaOH  +  H₂S  → NaSH  → Na₂S

KOH menyerupai NaOH dalam hal reaksinya, tetapi KOH lebih mahal sehingga penggunaanya lebih jarang. Akan tetapi KOH lebih mudah larut dalam alkohol menghasilkan ion OC₂H₅^– dengan kesetimbangan:

C₂H₅OH  +  OH^–  → OC₂H₅^–  +  H₂O

 

Tabel 2.4 Beberapa reaksi logam-logam Golongan 1.

Reaksi	Keterangan
M + H2O  →   MOH + H2	Hidroksidanya merupakan basa paling kuat yang dikenal
dengan oksigen berlebih Li + O2 →   Li2O	Monoksida terbentuk dengan Li dan sedikit dengan Na
Na + O2 →  Na2O2	Peroksida yang terbentuk dengan Na dan sedikit dengan Li
K + O2 →   KO2	Superoksida terbentuk dengan K, Rb, Cs
M + H2  →   MH	Hidrida ionik, “seperti-garam”
Li + N2  →   Li3N	Nitrida terbentuk hanya dengan Li
M + P  →   M3P	Semua logamnya membentuk posfida
M + As  →   M3As	Semua logamnya membentuk arsenida
M + S  →   M2S	Semua logamnya membentuk sulfida
M + Se  → M2Se	Semua logamnya membentuk selenida
M + Te  →   M2Te	Semua logamnya membentuk tellurida
M + F2  →   MF	Semua logamnya membentuk fluorida
M +Cl2  →   MCl	Semua logamnya membentuk klorida
M + Br2  →   MBr	Semua logamnya membentuk bromida
M + I2  →   MI	Semua logamnya membentuk iodida
M + NH3  →   MNH2	Semua logamnya membentuk amida

 

Hidroksida-hidroksida Golongan 1 secara termal stabil dan pada pemanasan banyak hidroksidanya mendekomposisi, kehilangan air dan membentuk oksida.

 

Karbonat

Hanya logam-logam alkali (dan ion ammonium) yang membentuk  karbonat yang dapat melarut. Natrium karbonat, karbonat logam alkali yang paling penting terdapat dalam keadaan hidrat (soda ash), sebagai monohidrat Na₂CO_3·H₂O dan yang paling utama sebagai dekahidrat, Na₂CO_3·10H₂O (soda pencuci). Kebanyakan natrium karbonat digunakan dalam produksi gelas. Dalam prosesnya natrium karbonat direaksikan dengan silikon dioksida (pasir) dan komponen lainnya pada temperatur sekitar 1500 ^oC. Formula sebenarnya dari produk yang dihasilkan bergantung pada rasio stoikiometri dari reaktan. reaksi kuncinya adalah pembentukan natrium silikat dan karbondioksida:

Na₂CO_3(l)  +  xSiO_2(s)  →   Na₂O.xSiO_2(l)  +  CO_2(g)

Natrium karbonat juga digunakan untuk memisahkan ion-ion logam alkali tanah dari air minum dengan cara mengkonversinya menjadi karbonat yang tak larut, suatu proses yang disebut “pelunakan” air. Ion yang paling umum yang perlu untuk dikeluarkan adalah kalsium. Konsentrasi yang sangat tinggi dari ion ini ditemukan pada air minum yang datang dari batu kapur atau pembentukan kapur secara geologi:

CO₃^2–_(aq)  +  Ca²⁺_(aq)  →   CaCO_3(s)

Logam-logam alkali (kecuali litium) yang hanya dapat membentuk padatan hidrogen karbonat (sering disebut bikarbonat). Natrium hidrogen karbonat agak kurang larut dibandingkan natrium karbonat. Jadi senyawa ini dapat diperoleh dengan menggelembungkan karbon dioksida melalui larutan pekat karbonat:

Na₂CO_3(aq)  +  CO_2(g)  +  H₂O_(l)  →  2 NaHCO_3(s)

Pemanasan natrium hidrogen karbonat menyebabkannya mendekomposisi kembali menjadi natrium karbonat:

2 NaHCO_3(s)  →   Na₂CO_3(aq)  +  CO_2(g)  +  H₂O_(l)

 

Intisari

Litium adalah unsur yang memiliki densitas paling kecil dari semua unsur-unsur padatan pada suhu dan tekanan ruang. Digunakan sebagai alloy pada pesawat terbang karena densitasnya rendah. Litium bereaksi dengan dengan oksigen di udara, dan hanya Litium yang bereaksi dengan dinitrogen dari semua logam alkali. Natrium merupakan logam alkali yang paling banyak dibutuhkan, terutama untuk mensisntesis senyawa-senyawa natrium dan mengekstrak logam-logam lain seperti logam-logam tanah jarang torium, zirconium, tantalum, dan titanium. Kalium merupakan logam yang sedikit radiokatif. Ekstraksi logamnya dilakukan dengan cara kimiawi karena cara elektrolisis akan bereaksi hebat dari logamnya.

 

Latihan

Jelaskan keadaan Na₂SO₄.10H₂O pada siang hari

Jawaban:

Pada siang hari Na₂SO₄.10H₂O akan melarut karena adanya panas yang diterima, sedangkan pada saat tidak ada panas matahari Na₂SO₄.10H₂O akan mengkristal sambil melepaskan kalor yang semula digunakan untuk melarut