Kimia Anorganik Logam

Pada Modul 3 ini mahasiswa akan mempelajari sejarah alkali tanah, sifat-sifat fisik dan sifat umum alkali tanah, kelimpahan dan terdapatnya alkali tanah, serta ekstraksi alkali tanah. Dengan memahami semua hal tersebut di atas maka mahasiswa akan memahami sifat-sifat unsur alkali tanah, reaksi-reaksinya, senyawa-senyawanya dan pemanfaatannya dalam industri maupun dalam kehidupan sehari-hari

Ada dua proses pembelajaran untuk dapat mengkaji logam Alkali Tanah yaitu:

Proses Pembelajaran 3.1: Sejarah Alkali tanah, Sifat-sifat Alkali tanah, Kelimpahan Alkali tanah, dan Ekstraksi Alkali tanah.

Proses Pembelajaran 3.2: Unsur-unsur alkali tanah yaitu Berilium (Be), Magnesium (Mg), Calsium (Ca), Stronsium (Sr), Barium (Ba), Radium (Ra)

 Capaian Pembelajaran

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

1. Mengetahui sejarah Alkali tanah
2. Memahami sifat-sifat Fisika, sifat Kimia, dan Sifat Umum Alkali tanah
3. Mengetahui kelimpahan dan terdapatnya alkali tanah
4. Memahami ekstraksi alkali tanah
5. Mengaplikasikan sifat-sifat alkali kepada unsur-unsur alkali tanah
6. Memahami reaksi-reaksi alkali tanah
7. Mengenal senyawa-senyawa alkali tanah
8. Mengetahui pemanfaatan alkali tanah dalam industri dan kehidupan sehari-hari

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

Pembelajaran 3.1

Sejarah Alkali Tanah

Logam-logam alkali tanah menunjukan kecenderungan sifat yang sama dengan yang terobservasi pada logam-logam alkali. Akan tetapi berilium berbeda dari yang lainnya dalam golongan dan berbeda sangat jauh dibandingkan perbedaan antara litium dengan logam-logam alkali lainnya. Alasan utamanya adalah bahwa atom berilium dan ion Be²⁺ keduanya sangat kecil dan peningkatan ukuran relatif dari Be²⁺ ke Mg²⁺ adalah empat kali lipat lebih besar dibandingkan antara Li⁺ dan Na⁺. Berilium juga menunjukan sifat kemiripan diagonal dengan aluminium pada golongan 13 (IIIA). Penemuan berilium pada tahun 1798 diikuti oleh penemuan-penemuan yang lainnya. Logam berilium pertama kali dibuat oleh F. WÖhler pada tahun 1828, dia menyarankan nama dengan kiasan pada mineral tersebut (Bah. Latin beryllus - beryl). Logamnya secara terpisah diisolasi pada tahun yang sama oleh A.-B Bussy dengan metode yang sama yaitu reduksi BeCl₂ dengan logam K. Pembuatannya secara elektrolisis pertama kali dilakukan oleh P. Lebeau pada tahun 1898. Senyawa-senyawa Mg dan Ca, seperti halnya logam-logam tetangganya Na dan K telah dikenal sejak dahulu kala, walaupun sifat kimiawinya belum diketahui hingga abad ketujuhbelas. Batu magnesia adalah nama yang diberikan pada mineral putih lunak steatite (kalau tidak disebut batusabun atau bubuk bedak) yang ditemukan di daerah Magnesia, Thessally, sedangkan kalsium diambil dari kata Latin calx, calcis - kapur. Bangsa Romawi menggunakan adonan semen yang dibuat dari pasir dan kapur (diperoleh dengan pemanasan batu kapur, CaCO₃) dan bahan ini lebih tahan terhadap cuaca lembab di Italia. Nama-nama unsur-unsur ini diberikan oleh H. Davy pada tahun 1808 ketika Davy mengisolasi Mg dan Ca, demikian juga Sr dan Ba dengan metode elektrolisis. Suatu mineral yang ditemukan pada tahun 1787 di tambang timbal (Pb) dekat Strontian, Skotlandia, oleh A. Crawford pada tahun 1790 ditunjukan bahwa ini merupakan suatu unsur yang baru. Hal ini dikonfirmasi oleh T.C. Hope pada tahun berikutnya yang secara nyata oleh Hope dengan membedakannya dalam senyawa-senyawa Ba, Sr dan Ca. Mineral yang mengandung barium telah dikenal sejak abad ketujuhbelas, namun nanti pada antara tahun 1774 dan 1779 oleh C.W. Scheele dan J.G. Gahn yang bekerja secara terpisah menunjukan bahwa batang logam (spar) berat merupakan BaSO₄ dan disebut barite atau barytes.

Radium yang merupakan unsur paling akhir dari golongan ini diisolasi dalam jumlah yang sangat kecil sebagai klorida oleh P. dan M. Curie pada tahun 1898 setelah proses bersejarah pada berton-ton mineral pitchblende. Unsur ini diberi nama oleh M. Curie dalam mengkiaskan keradioaktifannya (Bah. Latin radius, sinar); unsurnya sendiri pertama kali diisolasi secara elektrolisis melalui suatu amalgama oleh M. Curie dan A. Debierne pada tahun 1910 dan senyawanya menghasilkan warna merah tua pada uji nyala.

Terdapat dan Kelimpahan

Berilium tidak terlalu familiar, sebagian karena kelimpahannya yang sedikit dan sebagiannya karena kesulitan untuk mengesktraksinya. Berilium ditemukan dalam jumlah yang kecil sebagai mineral silikat beryl Be₃Al₂Si₆O₁₈, dan phenacite Be₂SiO₄. Magnesium merupakan unsur keenam paling limpah di muka bumi (2,76%). Garam magnesium terdapat sekitar 0,13% dalam air laut. Unsur ini dapat ditemukan dalam mineral dolomite [MgCO₃.CaCO₃], magnesite MgCO₃, epsomite MgSO₄.7H₂O dan kieserite MgSO₄.H₂O. Mineral carnallite [KCl.MgCl₂.6H₂O] ditambang sebagai sumber kalium. Mg juga terdapat secara luas dalam mineral mineral silikat termasuk olivine (Mg,Fe)₂SiO₄, talc Mg₃(OH)₂Si₄O₁₀, chrysotile Mg₃(OH)₄Si₂O₅ (asbestos) dan mica seperti K⁺[Mg₃(OH)₂(AlSi₃O₁₀]^–. Kalsium merupakan unsur keenam paling limpah di muka bumi (4,66%) dan terdapat di seluruh bumi dalam mineral-mineral yang umum. Terdapat tumpukan sedimen CaCO₃ yang begitu besar pada pegunungan sebagai batu kapur serta juga pada batu karang di laut. Walaupun batu kapur warna tipikal putih, namun di banyak tempat warnanya kuning, oranye atau coklat karena mengandung sejumlah kecil besi. Ada dua bentuk kristal CaCO₃ yaitu calcite dan aragonite. Calcite adalah mineral yang lebih umum, membentuk kristal rombohedral yang tak-berwarna. Aragonite adalah ortorombik dan umumnya berwarna merah-kecoklatan atau kuning. Batu kapur secara komersial penting sebagai sumber kapur, CaO. Fluoroapatite [3(Ca₃(PO₄)₂).CaF₂] secara komersial penting sebagai sumber posfat. Gypsum CaSO₄.2H₂O dan anhidrat CaSO₄ merupakan mineral utama kalsium. Gypsum digunakan dalam pembuatan semen Portland, papan plester dan dalam pembuatan gelas. Stronsium dan barium sangat kurang kelimpahannya, tetapi dikenal karena terdapat sebagai bijih kaya yang mudah untuk diekstraksi. Stronsium ditambang sebagai celestite SrSO₄ dan strontianite SrCO₃. Barium ditambang sebagai baryte BaSO₄, dan radium sangat jarang sekali serta bersifat radioaktif.

Ekstraksi

Logam-logam golongan ini tidak mudah diproduksi dengan reaksi reduksi karena sifatnya sebagai reduktor yang kuat dan akan bereaksi dengan karbon membentuk karbida. Logam-logam ini merupakan elektropositif yang kuat dan bereaksi dengan air sehingga larutan akuanya tidak dapat digunakan untuk menggantikan logam-logam ini dengan logam lain atau untuk proses produksi secara elektrolisis. Elektrolisis larutan akuanya dapat dilakukan menggunakan katoda merkuri, tetapi pemisahan logamnya dari amalgama adalah tidak mudah. Semua logam-logam alkali tanah dapat diperoleh dengan elektrolisis leburan klorida, dengan penambahan natrium klorida untuk menurunkan titik leburnya walaupun stronsium dan barium cenderung untuk membentuk suspensi koloid. 

Dalam proses yang lama, BeO diekstraksi dari beryl Be₃Al₂Si₆O₁₈ dengan perlakuan pemanasan dengan alkali diikuti dengan perlakuan terhadap asam sulfat menghasilkan BeSO₄. Penambahan NH₄OH menghasilkan Be(OH)₂ yang pada pemanasan menghasilkan BeO. Alternatifnya, berilium diesktraksi dari mineral silikat melalui perlakuan dengan HF, membentuk kompleks yang larut yaitu natrium tetrafluoroberyllat Na₂[BeF₄] dan kemudian mengkonversi kompleks ini menjadi hidroksida dan selanjutnya menjadi oksida. Be dan BeO kedua mempunyai sifat keramik sehingga digunakan pada reaktor nuklir, dan untuk tujuan ini keduanya harus benar-benar murni.  Magnesium merupakan satu-satunya logam alkali tanah yang diproduksi dalam skala yang besar. Mg sangat penting sebagai logam struktural berat yang ringan karena densitasnya yang rendah (1,74 g cm^–3, dibandingkan baja 7,8 g cm^–3 atau aluminium 2,7 g cm^–3). Logam ini beserta alloynya digunakan dalam pembuatan kerangka atau peralatan pesawat terbang serta mesin kendaraan bermotor. Mg diproduksi dengan reduksi temperatur tinggi dan dengan elektrolisis.

Dalam proses Pidgeon magnesium diproduksi dengan mereduksi dolomite terkalsinasi dengan besisilikon pada temperatur 1150 ^oC dibawah tekanan tereduksi.

[CaCO₃.MgCO₃]  + CaO.MgO   →    Mg  +  Ca₂SiO₄  +  Fe

Elektrolisis dapat dilakukan entah dengan leburan MgCl₂ atau pada MgCl₂ hidrat. MgCl₂ tersebut diproduksi dengan dua cara:

1. Proses Air Laut Dow

Air laut mengandung sekitar 0,13% ion Mg²⁺ dan ekstraksi magnesium bergantung pada fakta bahwa Mg(OH)₂ sangat kurang larut dibandingkan Ca(OH)₂. Kapur Ca(OH)₂ ditambahkan pada air laut dan ion-ion kalsium tersebut larut dan Mg(OH)₂ mengendap. Produk yang dihasilkan ini kemudian difiltrasi, dan diperlakukan dengan HCl untuk menghasilkan magnesium klorida dan selanjutnya di elektrolisis.

2. Proses Air Garam Natural Dow

Dolomite [MgCO₃.CaCO₃] dikalsinasi (dipanaskan dengan kuat) menghasilkan dolomite terkalsinasi MgO.CaO. Produk ini kemudian diperlakukan dengan HCl menghasilkan larutan CaCl₂ dan MgCl₂. Selanjutnya ini kemudian diperlakukan dengan dolomite terkalsinasi lagi dan CO₂ ditiupkan ke dalamnya. CaCO₃ diendapkan meninggalkan suatu larutan MgCl₂ yang kemudian dielektrolisis.

Logam kalsium digunakan untuk membuat alloy dengan Al untuk bantalan poros. Logam ini digunakan pada industri besi dan baja untuk mengontrol karbon pada besi tuang dan sebagi pengusir untuk unsur-unsur P, O dan S. Penggunaan lainnya adalah reduktor dalam produksi logam-logam lainnya - Zr, Cr, dan Th serta untuk mengeluarkan N₂ dalam jumlah kecil dari gas argon. Logam kalsium diperoleh dengan cara elektrolisis leburan CaCl₂ yang diperoleh entah sebagai produk sampingan dari proses Solvay atau dari CaCO₃ dan HCl. Logam-logam lainnya Sr dan Ba diproduksi dalam jumlah yang sangat kecil sekali dengan proses elektrolisis terhadap leburan kloridanya atau dari oksidanya melalui reduksi dengan aluminium (reaksi thermite).

Sifat-sifat Umum

Logam-logam alkali tanah berwarna keperakan dan agak rendah densitasnya. Seperti halnya logam-logam alkali, densitas logam-logam alkali tanah umumnya meningkat dengan peningkatan nomor atomnya (Tabel 3.1). Logam-logam alkali tanah mempunyai ikatan logam yang lebih kuat dibandingkan logam-logam alkali, suatu karakter yang nyata dari besarnya entalpi atomisasi yang signifikan. Ikatan logam pada logam alkali tanah juga direfleksikan pada kedua karakter lainnya yaitu titik didihnya yang tinggi dan kekerasannya yang lebih besar. Walaupun densitasnya meningkat dari atas ke bawah dalam golongan (paralel dengan logam alkali), titik didih dan entalpi atomisasinya berubah sangat kecil. Radius ionnya meningkat dari atas ke bawah dalam golongan namun lebih kecil dibandingkan logam-logam alkali. Logam-logam alkali tanah secara kimiawi kurang reaktif dibandingkan logam-logam alkali, tetapi tetap lebih reaktif dibandingkan unsur-unsur logam lainnya. Contohnya kalsium, stronsium dan barium semuanya bereaksi dengan air dingin, dan dari semuanya barium bereaksi dengan hebat:

Ba_(s)  +  2 H₂O_(l)   →    Ba(OH)_2(aq)  +  H_2(g)

Seperti halnya logam-logam alkali, reaktifitas logam alkali tanah meningkat ketika massa atomnya meningkat dalam golongan. Jadi magnesium tidak bereaksi dengan air dingin, tetapi akan bereaksi secara lambat dengan air panas menghasilkan magnesium hidroksida dan gas hidrogen. Ion-ion logam alkali tanah selalu mempunyai bilangan oksidasi +2 dan senyawanya umumnya stabil, tak-berwarna kecuali terdapat anion yang berwarna. Ikatan-ikatan dalam logam alakli tanah kebanyakan bersifat ionik, tetapi sifat kovalen khsusunya terdapat dalam senyawa magnesium.

Tabel 3.1 Beberapa Sifat Logam-logam Alkali Tanah.

Garam-garam logam alkali tanah hampir selalu berupa hidrat, contohnya kalsium klorida dapat dibuat sebagai heksahidrat, tetrahidrat, dihidrat dan monohidrat selain bentuk anhidratnya. Tabel 3.2 menunjukan bilangan hidrasi yang umum (jumlah molekul dari air kristal) untuk beberapa senyawa-senyawa logam alkali yang umum. Ketika densitas muatan dari logam menjadi lebih kecil demikian juga dengan bilangan hidrasinya. Kalau semua garam-garam Golongan 1 yang umum larut dalam air, kebanyakan Golongan 2 adalah tak larut. Secara umum, senyawa-senyawa dengan anion-anion mononegatif seperti klorida dan nitrat yang larut dalam air, dan dengan anion bermuatan lebih dari negatif satu seperti karbonat dan posfat tidak larut dalam air. Ada juga beberapa garam-garam anion yang menunjukan kecenderungan yang penting dalam solubilitas, khususnya sulfat yang berubah dari atas ke bawah dalam golongan dari yang dapat larut hingga tak-larut sedangkan hidroksida berubah dari yang tak-larut hingga dapat larut.

Untuk logam-logam alkali tanah, nilai energi kisinya lebih tinggi daripada nilai-nilai senyawa logam alkali, sebab efek peningkatan muatan pada ion-ion. Mengambil salah satu anion, energi kisinya menurun ketika ukura logam bertambah. Energi hidrasi juga menurun ketika ion-ion logam menjadi lebih besar. Agar supaya suatu zat dapat melarut, energi hidrasi harus melebihi energi kisi. Perhatikan senyawa-senyawa yang berkaitan seperti klorida dari logam-logam Golongan 2, dari atas ke bawah dalam golongan ion-ion logam menjadi lebih besar sehingga kedua energi kisi dan energi hidrasinya menurun. penurunan energi kisi yang menguntungkan peningkatan solubilitas, tetapi penurunan energi hidrasi akan menguntungkan penurunan solubilitas. Kedua faktor ini berubah dalam arah yang berlawanan dan total efeknya bergantung pada mana yang dari keduanya yang berubah lebih besar. Untuk kebanyakan senyawa, dari atas ke bawah dalam golongan energi hidrasi menurun lebih cepat daripada energi kisinya sehingga senyawa-senyawanya menjadi kurang larut ketika logam-logam menjadi lebih besar. Akan tetapi, dengan fluorida dan hidroksida energi kisi menurun lebih cepat daripada energi hidrasinya sehingga solubilitasnya meningkat seiring dengan penurunan dalam golongan.

Tabel 3.2 Bilangan Hidrasi yang Biasa untuk Garam-garam Logam Alkali Tanah.

Intisari

Sifat logam alkali tanah cenderung sama dengan alkali, kecuali Berilium menunjukkan kemiripan dengan aluminium pada golongan 13. Berilium memiliki kelimpahan yang tidak terlalu besar (sedikit). Alkali tanah tidak mudah diproduksi dengan reaksi reduksi karena sifatnya sebagai oksidator kuat. Alkali tanah adalah elektropositif yang kuat dan bereaksi dengan air. Dapat dihasilkan dengan proses Pidgeon, dan proses elektrolisis (Mg). Logam alkali tanah memiliki warna keperakan dengan densitas rendah, densitas meningkat dengan peningkatan nomor atom. Secara kimiawi logam alkali tanah kurang reaktif dibandingkan logam alkali, tetapi lebih realtid dibandingkan unsur logam lainnya. Tidak seperti alkali yang umumnya larut dalam air, alkali tanah tidak larut. Nilai energi kisi alkali tanah lebih tinggi daripada alkali karena peningkatan muatan pada ion-ion. Dalam satu golongan, logam bertambah besar sehingga energi kisi dan energi hidrasi menurun. Energi kisi menurun maka solubilitas meningkat, energi hidrasi menurun maka solubilitas menurun.

Latihan

1. Mengapa unsur-unsur golongan alkali tanah lebih kecil daripada unsur seperiodenya pada golongan alkali?
2. Mengapa logam-logam alkali tanah lebih keras dan mempunyai titik lebur yang lebih tinggi daripda logam-logam alkali?
3. Jelaskan mengapa garam-garam logam alkali tanah dengan ion-ion mononegatif cenderung larut sedangkan dengan ion-ion dinegatf cenderung tidak larut?