Kimia Anorganik Logam

Pembelajaran 3.2

Unsur-unsur Alkali Tanah

Berilium

Unsur berilium berwarna abu baja dan keras, mempunyai temperatur lebur yang tinggi dan densitas yang rendah. Be juga mempunyai konduktifitas listrik yang tinggi, sehingga nyata sebagai logam.

Sumber berilium adalah bertrandite Be₄Si₂O₇(OH)₂ dan batu permata beryl, Be₃Al₂Si₆O₁₈ yang terdapat dalam berbagai karena sejumlah kecil pengotor. Ketika warnanya biru-hijau muda, beryl ini disebut akuamarin, ketika berwarna hijau gelap disebut emerald. Warna hijau ini disebabkan oleh adanya sekitar 2 persen ion kromium(III) dalam struktur kristal. Tentunya emerald tidak digunakan untuk memproduksi logam berilium; melainkan kristal-kristal cacat struktur tak-berwarna atau beryl coklat yang digunakan. Senyawa-senyawa berilium mempunyai rasa manis dan sangat beracun. Ketika senyawa baru dibuat pada abad ke sembilanbelas, merupakan hal yang umum hanya dengan melaporkan rasa, titik lebur dan solubilitasnya. Penghirupan abu senyawa berilium mengakibatkan kondisi kronik yang disebut berylliosis.

Kimia berilium adalah berbeda sangat besar dari unsur-unsur Golongan 2 lainnya karena ikatan kovalennya mendominasi dalam senyawa-senyawanya. Kation berilium yang sangat kecil mempunyai densitas muatan yang begitu tinggi (1100 C mm^–3) yang mempolarisasi setiap anion yang mendekatinya sehingga tumpang tindih terhadap densitas elektron yang terjadi. Karena itu senyawa-senyawa ionik berilium sederhana cenderung ditemukan sebagai tetrahidrat seperti BeCl₂.4H₂O yang sebenarnya terdiri atas ion [Be(OH₂)₄]²⁺.2Cl^– dalam kisi kristal. Ion tetrakuaberilium ini, Be(OH₂)₄²⁺, dimana empat atom oksigen dari molekul aur secara kovalen terikat pada ion berilium, juga merupakan spesies yang mendominasi dalam larutan akua. Koordinasi empat merupakan berilium yang normal karena ukuran ion berilium yang kecil.

Walaupun berilium merupakan logam, berilium mempunyai sifat yang karakternya melebihi nonlogam-yaitu kemampuannya membentuk spesies oksianion. ”Normal” oksida logam umumnya bereaksi dengan asam menghasilkan kation tetapi tidak dengan basa membentuk oksianion. Jadi berilium oksida bersifat amfoter, bereaksi tidak hanya dengan ion hidronium membentuk ion tetraakuaberilium, [Be(OH₂)₄]²⁺, tetapi juga dengan ion hidroksida membentuk ion tetrahidroksoberillat, [Be(OH)₄]^2–:

            H₂O_(l)  +  BeO_(aq)  +  2 H₃O⁺_(aq)   →   [Be(OH₂)₄]²⁺_(aq)

            H₂O_(l)  +  BeO_(aq)  +  2 OH^–_(aq)   →    [Be(OH)₄]^2–_(aq)

Berilium dan logam-logam lainnya yang bersifat amfoter (termasuk aluminium dan zink) kadangkala disebut logam-logam “lemah” karena logam-logam ini cenderung diletakkan dekat dengan semilogam dan dengan batas semilogam/nonlogam. Dalam hal berilium, kenyataanya ditempatkan disebelah boron pada batas semilogam/nonlogam. Berilium diharapkan membentuk senyawa-senyawa kovalen dan umumnya mempunyai bilangan koordinasi 4. Senyawa-senyawa anhidrat Be mendominasi dua-kovalen dan molekul BeX₂ seharusnya linier.

Magnesium

Magnesium ditemukan di alam sebagai satu komponen dalam sejumlah logam-campuran seperti carnallite, MgCl₂.KCl.6H₂O dan dolomite MgCO₃.CaCO₃. Senyawa-senyawa ini bukan merupakan campuran garam sederhana tetapi merupakan kristal ionik murni dimaan perubahan ukuran kation memberikan kisi kristal kestabilan lebih besar daripada yang diberikan oleh salah satu kation. Jadi carnallite mengandung susunan anion-anion klorida dengan diselingi oleh kation-kation kalium dan magnesium dan molekul-molekul air dalam perbandingan 3 : 1 : 1 : 6 yaitu KMgCl₃.6H₂O. Magnesium merupakan ion ketiga paling umum dalam air laut (setelah natrium dan klorida) dan air laut merupakan sumber industri utama dari logam ini. Faktanya, 1 km³ air laut mengandung sekitar 1 juta ton ion magnesium. Dengan 108 km³ air laut pada bumi, terdapat stok magnesium yang lebih dari cukup untuk kebutuhan kita. Proses ekstraksi kimia Dow berdasar fakta bahwa magnesium hidroksida mempunyai solubilitas yang lebih rendah dari kalsium hidroksida. Jadi suatu suspensi bubuk halus kalsium hidoksida ditambahkan pada air laut menyebabkan pembentukan magnesium hidroksida:

            Ca(OH)_2(s)  +  Mg²⁺_(aq)   →  Ca²⁺_(aq)  +  Mg(OH)_2(s)

Hidroksida ini kemudian dipisahkan dengan filtrasi dan dicampur dengan asam klorida. Hasil reaksi netralisasi menghasilkan suatu larutan magnesium klorida:

            Mg(OH)_2(s)  +  2 HCl_(aq)  →   MgCl_2(aq)  +  2 H₂O_(l)

Larutan yang dihasilkan dievaporasi hingga kering, dan residunya ditempatkan dalam suatu sel elektrolisis yang menyerupai sel Downs yang digunakan untuk memproduksi natrium. Magnesium diperoleh pada permukaan dalam ruang katoda. Gas klorin yang dihasilkan pada anoda direduksi kembali dengan hidrogen klorida yang kemudian digunakan untuk bereaksi dengan magnesium hidroksida:

            Mg²⁺(MgCl₂)  +  2e^–    →     Mg_(l)

            2 Cl^–(MgCl₂)   →   Cl_2(g)  +  2e^–

Penyiapan atmosfir tak-reaktif di atas leburan magnesium merupakan suatu masalah nyata. Untuk kebanyakan sintesis logam reaktif seperti natrium ruang di atas leburan logam dapat diisi dengan gas nitrogen yang tak-reaktif (dan murah). Akan tetapi magnesium bereaksi dengan dinitrogen, sehingga kebanyakan pabrik-pabrik di negara-negara barat saat ini menggunakan sulfur heksafluorida, SF₆ yang mahal untuk menyelimuti leburan magnesium dalam mencegah kontak dengan oksigen (atau nitrogen). Akan tetapi sulfur heksafluorida merupakan gas green-house yang potensial dan keluarnya ke atmosfir akan agak banyak. Alternatifnya, seperti yang digunakan negara-negara timur adalah sulfur dioksida. Walaupun magnesium merupakan logam reaktif secara kimiawi, kereaktifannya kurang dari yang diharapkan, berdasar pada potensial reduksi standarnya –2,37 V, karena pelapis tipis magnesium oksida secara cepat terbentuk pada setiap permukaan logam ketika dibiarkan di atmosfir. Pelapis ini melindungi bagian logam lainnya dari penyerangan. Membakar magnesium akan menghasilkan cahaya putih yang sangat jelas. Intensitas cahaya ini sangat besar yang dapat merusak retina mata. Dalam kimianya, magnesium berbeda dari logam-logam Golongan 2 lainnya. Contohnya pemanasan kalsium, stronsium atau barium klorida menyebabkan molekul air yang terikat lepas sebagai uap air, meninggalkan klorida logam anhidrat. Contohnya:

            CaCl₂.2H₂O_(s)   →    CaCl_2(s)  +  2 H₂O_(g)

Akan tetapi, magnesium klorida monohidrat akan mendekomposisi ketika dipanaskan menghasilkan magnesium hidroksida klorida dan gas hidrogen klorida:

            MgCl₂.H₂O_(s)  →    Mg(OH)Cl_(s)  +  HCl_(g)

Magnesium ini dengan cepat membentuk senyawa yang mengandung ikatan kovalen. Sifat ini dapat dijelaskan dalam hal perbandingan densitas muatan yang tinggi dari magnesium (120 C mm^–3; densitas muatan kalsium adalah 52 C mm^–3). Contohnya, logam magnesium bereaksi dengan senyawa organik yang disebut halokarbon (atau alkil halida) seperti bromometana, C₂H₅Br dalam pelarut seperti etoksietana, (C₂H₅)₂O, umumnya disebut eter.

Atom magnesium menyisip dirinya sendiri diantara atom-atom karbon dan halogen membentuk ikatan kovalen terhadap tetangganya:

            C₂H₅Br_(eter)  +  Mg_(s)   →     C₂H₅MgBr_(eter)

Senyawa organomagnesium ini disebut sebagai reagen Grignard, dan digunakan secara luas sebagai intermediat (zat antara) dalam sintesis kimia organik.

 Kalsium dan Barium

Kedua unsur ini berupa logam keabu-abuan yang bereaksi secara lambat dengan oksigen di udara pada temperatur ruang, tetapi terbakar secara hebat ketika dipanaskan. Kalsium terbakar hanya menghasilkan oksida:

             2 Ca_(s)  +  O_2(g)   →      2 CaO_(s)

sedangkan barium membentuk beberapa dioksida(2–) dengan oksigen berlebih:

            2 Ba_(s)  +  O_2(g)   →     2 BaO_(s)

            Ba_(s)  +  O_2(g)    →       CaO_2(s)

Pembentukan barium peroksida dapat dijelaskan dalam hal densitas muatan ion barium (23 C mm^–3), yang sama rendahnya dengan natrium (24 C mm^–3). Kation dengan densitas muatan seperti itu dapat menstabilisasi ion-ion yang mudah terpolarisasi seperti ion dioksida(2–). Bila berilium tranparan terhadap sinar-X, maka barium dan kalsium keduanya dengan nomor atom yang tinggi merupakan absorber yang kuat terhadap spektrum elektromagnetik ini. Ion kaslium yang ada dalam tulanglah yang menyebabkan rangka tubuh kelihatan gelap pada film sinar-X. Unsur-unsur dalam jaringan lembut tidak mengabsorbsi sinar-X, sifat yang menyebabkan masalah ketika seseorang ingin menunjukan lambung dan ususnya. Karena ion barium merupakan absorber sinar-X yang begitu baik, menelan larutan yang mengandung barium merupakan cara yang nyata dalam menunjukan gambar organ-organ ini. Namun terdapat satu kekurangan- bahwa ion barium sangat beracun. Untungnya, barium membentuk garam yang sangat tidak larut, yaitu barium sulfat. Senyawa ini sangat tidak larut (2,4 x 10^–3 g L^–1) yang dalam air berupa suspensi dapat ditelan dengan aman, organnya di sinar dengan sinar-X dan setelahnya senyawa tersebut dibuang melalui anus.

 

Senyawa-senyawanya

Oksida

Logam-logam Golongan 2 terbakar di udara menghasilkan oksida normal, kecuali untuk anggota golongan dengan densitas muatan yang paling rendah-barium-yang juga membentuk beberapa barium peroksida. Magnesium oksida tidak larut dalam air, sedangkan oksida logam alkali tanah lainnya membentuk oksidanya masing-masing. Contohnya, stronsium oksida membentuk stronsium hidroksida:

            SrO_(s)  +  H₂O_(l)   →    Sr(OH)_2(s)

Magnesium oksida mempunyai titik didih yang sangat tinggi, 2825 ^oC, sehingga bata yang terbuat dari senyawa ini berguna dalam industri tanur. Material dengan peleburan-tinggi seperti ini dikenal sebagai senyawa refraktori. Kristal magnesium oksida merupakan suatu senyawa tak lazim, karena merupakan konduktor panas yang baik tetapi merupakan konduktor listrik yang buruk, walaupun pada temperatur yang tinggi. Hal ini merupakan kombinasi sifat yang menghasilkan peranan penting pada peralatan listrik dapur. Senyawa ini mengkonduksi panas secara cepat dari koil kawat resistan yang sangat panas ke logam bagian luar dari peralatan listrik tanpa adanya aliran listrik yang melaluinya dengan rute yang sama. BeO juga digunakan sebagai senyawa refraktori, bersama dengan MgO mengkombinasi sejumlah sifat yang dapat membuat keduanya berguna untuk pelapisan tanur temperatur tinggi. Kalsium oksida yang umum disebut quicklime diproduksi dalam jumlah yang sangat besar, khususnya penggunaannya dalam industri baja. Senyawa ini terbentuk dengan pemanasan kalsium karbonat dengan temperatur tinggi (di atas 1170 ^oC):

            CaCO_3(s)   →    CaO_(s)  +  CO_2(g)

Oksida peleburan tinggi ini tak lazim dalam beberapa cara: ketika suatu nyala api dikenai pada blok kalsium oksida, blok tersebut akan memendar dengan cahaya yang sangat terang. Fenomena ini disebut thermoluminesans. Kalsium oksida bereaksi dengan air membentuk kalsium hidroksida, suatu produk yang dianggap sebagai kapur terhidrasi atau kapur mati.

            CaO_(s)  +  H₂O_(l)    →    Ca(OH)_2(s)

Kapur ini kadangkala digunakan pada pertamanan untuk menetralisasi tanah yang bersifat asam, akan tetapi hal ini bukan merupakan cara yang bijak untuk mengatasi hal tersebut karena kelebihan kalsium hidroksida akan membuat tanahnya menjadi lebih basa:

            CaCO_3(s)  +  2 H⁺_(aq)   →    Ca²⁺_(aq)  +  2 H₂O_(l)

Bubuk batukapur dapat digunakan lebih aman sebagai bahan penetral tanah:

            CaCO_3(s)  +  2 H⁺_(aq)   →     Ca²⁺_(aq)  +  CO_2(g)  +  H₂O_(l)

 

Hidroksida

Bila magnesium hidroksida hampir sempurna tidak larut dalam air, kalsium hidroksida dan stronsium hidroksida agak larut dan barium hidroksida sangat larut. Larutan pekat dari kalsium hidroksida , Ca(OH)₂ dirujuk sebagai air kapur, sedangkan larutan barium hidroksida, Ba(OH)₂ disebut air baryta. Larutan Ca(OH)₂ ini merupakan salah satu tes penguji yang paling sederhana untuk karbon dioksida. Penggelembungan gas (CO₂) melalui larutan kalsium hidroksida pertama-tama akan menghasilkan menjadikan larutan menjadi putih seperti susu karena pembentukan endapan putih kalsium karbonat. Penambahan gas ini lebih lanjut melalui larutan menyebabkan endapan yang terbentuk akan hilang saat larutan kalsium hidrogen karbonat, Ca(HCO₃)₂, terbentuk:

            CaCO_3(s)  +  CO_2(g)    →     CaCO_3(s)  +  H₂O_(l)

            CaCO_3(s)  +  H₂O_(l)  +  CO_2(g)   →    Ca²⁺_(aq)  +  HCO₃^–_(aq)

Dalam tahapan kedua inilah yang menghasilkan perusakan terhadap patung-patung batu di jalan-jalan dan taman-taman di Eropa, yaitu suatu proses percepatan oleh oksida asam dalam udara yang terpolusi secara industri. Bikarbonat logam-logam Golongan 2 hanya stabil dalam larutan. Dalam goa-goa di pegunungan batu kapur sering dijumpai pembentukan stalaktit yang muncul dari langit-langit goa dan stalagmit yang muncul dari dasar goa. Bikarbonat yang larut mendekomposisi secara perlahan menjadi karbonat yang tak-larut dan ini menghasilkan pertumbuhan stalaktit dan stalagmit.

            Ca²⁺(HCO₃^–)_2(aq)   →     CaCO_3(s)  +  CO_2(g)  +  H₂O_(l)

Kalsium merupakan unsur kelima paling limpah dimuka bumi. Unsur ini banyak ditemukan sebagai kalsium karbonat dalam tumpukan deposit pada kapur dan batukapur yang terdapat diseluruh dunia. Kapur terbentuk di laut-laut, dan batukapur terbentuk juga di laut tetapi sebagai endapan sederhana karena solubilitas kalsium karbonat melebihi air itu sendiri:

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

 

Sulfat

Solubilitas sulfat dalam air menurun dari atas ke bawah dalam golongan, Be > Mg > Ca  > Sr  > Ba. Jadi BeSO₄ dan MgSO₄ larut, tetapi CaSO₄ agak larut dan sulfat dari Sr, Ba dan Ra tidak larut. Solubilitas yang agak tinggi dari BeSO₄ dan MgSO₄ disebabkan karena entalpi solvasi yang tinggi dari ion-ion Be²⁺ dan Mg²⁺ yang kecil. Garam Epsom MgSO₄.7H₂O digunakan sebagai laksatif. Kalsium sulfat bisa terdapat sebagai hemihidrat CaSO₄.½H₂O yang penting untuk kebutuhan bahan bangunan sebagai plaster. Material ini dibuat dengan mendehidrasi sebagian dari gypsum:

 CaSO₄.2H₂O  →  CaSO₄.½H₂O  →  CaSO₄  →  CaO  +  SO₃

 Semua sulfat mendekomposisi pada pemanasan menghasilkan oksida:

             MgSO_4(s)  →    MgO_(s)  +  SO_3(g)

Dalam cara yang sama dengan stabilitas dan dekomposisi termal dari karbonat, makin bersifat basa logam tersebut, makin stabil sulfat tersebut. Hal ini ditunjukan dengan temperatur dimana dekomposisi terjadi:

Pemanasan sulfat-sulfat ini dengan karbon akan mereduksinya menjadi sulfida. Kebanyakan senyawa-senyawa barium terbuat dari barium sulfida.

            BaSO_4(s)  +  4 C_(s)   →   BaS_(s)  +  4 CO_(g)

 

Tabel 3.2 Beberapa reaksi logam-logam Golongan 2 (IIA).

Reaksi	Keterangan
M + 2H2O  →   M(OH)2 + H2	Be kemungkinan dapat bereaksi dengan uap air, Mg dengan air panas dan Ca, Sr dan Ba dengan air dingin bereaksi secara cepat
M + 2HCl  →   MCl2 + H2	Semua logamnya bereaksi dengan asam, melepaskan hidrogen.
Be + NaOH  →   Na2[Be(OH)4] + H2 2M + O2 →  2MO dengan oksigen berlebih Ba + O2  →  BaO2	Be merupakan amfoter Oksida normal terbentuk dengan semua anggota golongan   Ba juga membentuk peroksida
M + H2  → MH2	Hidrida ionik, “seperti-garam” terbentuk pada temperatur tinggi dengan Ca, Sr dan Ba
3M + N2  →   M3N2	Semua membentuk nitrida pada temperatur tinggi
3M + 2P  →   M3P2	Semua logamnya membentuk posfida pada temperatur tinggi
M + S  →   MS	Semua logamnya membentuk sulfida
M + Se  →   MSe	Semua logamnya membentuk selenida
M + Te  →   MTe	Semua logamnya membentuk tellurida
M + F2  →   MF2	Semua logamnya membentuk fluorida
M +Cl2  →   MCl2	Semua logamnya membentuk klorida
M + Br2  →   MBr2	Semua logamnya membentuk bromida
M + I2  →   MI2	Semua logamnya membentuk iodida
3M + 2NH3  →   2M(NH2)2	Semua logamnya membentuk amida pada temperatur tinggi

 

Unsur-unsur Golongan 2 juga membentuk perklorat MClO₄, yang mempunyai struktur yang sangat mirip dengan sulfat, dan ion ClO₄^– adalah tetrahedral dan ukurannya mirip dengan ion SO₂^2–. Akan tetapi ion ini secara kimia berbeda karena perklorat merupakan oksidator yang kuat. Magnesium perklorat digunakan sebagai bahan pengering yang disebut anhydrone. Anhydron seharusnya tidak digunakan dengan material organik sebab bahan ini merupakan oksidator yang kuat dan sentuhan bahan ini dengan material organik dapat menyebabkan ledakan.

Nitrat

Nitrat dari semua logam-logam ini dapat dibuat dalam larutan dan dapat dikristalisasi sebagai garam-garam hidrat melalui reaksi HNO₃ dengan karbonat, oksida atau hidroksida. Pemanasan padatan hidrat tidak menghasilkan nitrat anhidrat karena padatan tersebut mendekomposisi menjadi oksida. Nitrat anhidrat dapat dibuat menggunakan dinitrogen tetroksida cair dan etil asetat. Berilium adalah tak lazim dalam hal pembentukan nitrat basa selain garam normal.

BeCl₂  →   Be(NO₃)₂.2N₂O₄  →   Be(NO₃)₂  →   [Be₄O(NO₃)₆]

Berilium nitrat basa adalah kovalen dan mempunyai struktur yang tak lazim. Empat atom-atom Be-nya terletak pada sudut tetrahedron, dengan enam grup NO₃^– sepanjang enam rusuk tetrahedron dan oksigen (basa) pada pusatnya. Struktur tersebut menjadi menarik karena berilium menjadi unik dalam pembentukan molekul kovalen stabil dengan formula [Be₄O(R₆)] dimana R dapat berupa NO₃^–, HCOO^–, CH₃COO^–, C₂H₅COO^–, C₆H₅COO^– dan sebagainya. Jadi berilium nitrat basa merupakan salah satu seri molekul yang mirip. Struktur ini juga menarik karena grup NO₃^– bertindak sebagai ligan bidentat dalam pembentukan jembatan antara dua atom Be (Gambar 3.1).

Halida

Halida MX₂ dapat dibuat dengan pemanasan logam-logam dengan halogen atau dengan aksi asam halogen entah dengan logamnya atau dengan karbonat. Berilium halogen bersifat kovalen, higroskopis dan menguap di udara akibat hidrolisis. Halida-halida mensublimasi dan tidak mengkonduksi listrik. Berilium halida anhidrat tidak dapat diperoleh dari material yang dibuat dalam alarutan akua karena ion hidrat [Be(H₂O)₄]²⁺ terbentuk contohnya [Be(H₂O)₄]Cl₂ atau [Be(H₂O)₄]F₂. Usaha-usaha menndehidrasi akan menghasilkan hidrolisis:

            [Be(H₂O)₄]Cl₂  →    Be(OH)₂  +  2 HCl

Halida anhidrat paling baik dibuat dengan reaksi-reaksi berikut. Reaksinya dengan CCl₄ merupakan suatu metode yang standar untuk pembuatan klorida anhidrat yang tidak dapat diperoleh dengan dehidrasi hidratnya.

             BeO  +  NH₄F  →    (NH₄)₂[BeF₄]  →   BeF₂  +  2NH₄F

            BeO  +  C  +  Cl₂  →    BeCl₂  +  CO

            2 BeO  +  CCl₄  →    2 BeCl₂  +  CO₂

 

Intisari

Walaupun Berilium merupakan logam tetapi karakter non logamnya ada yaitu kemampuannya membentuk spesies oksianion. Normal oksida logamnya bereaksi dengan asam tetapi tidak membentuk oksianion. Jadi Berilium bersifat amfoter, bereaksi tidak hanya dengan ion hidronium tetapi juga dengan ion hidroksida. Secara kimiawi Magnesium merupakan logam reaktif sehingga cepat membentuk magnesium oksida di atmosfir. Magnesium bereaksi dengan senyawa halokarbon. Kalsium terbakar hanya menghasilkan oksida sedangkan Barium membentuk beberapa dioksida. Bila Berilium transparan terhadap sinar-X, maka Barium dan Kalsium merupakan absorber yang kuat terhadap spektrum elektromegnetik. Unsur-unsur alkali tanah membentuk senyawa-senyawa oksida: SrO, CaO; senyawa hidroksida Ca(OH)₂, Ba(OH)₂; Senyawa-senyawa sulfat CaSO₄.2H₂O, MgSO₄, BeSO_4, SrSO_4; Senyawa Nitrat Be(NO₃)₂, Senyawa Halida BeF₂, [Be(H₂O)₄]Cl_2.

Latihan

Tuliskan persamaan reaksi kimia yang setimbang untuk proses-proses berikut:

1. Penambahan stronsium pada air
2. Pemanasan kalsium sulfat dihidrat
3. Evaporasi larutan kalsium hydrogen karbonat
4. Pemanasan kalsium dalam dioksigen