Kimia Anorganik Logam

Pada Modul 4 ini mahasiswa akan mempelajari sejarah aluminium, sifat-sifat fisik dan sifat umum aluminium, kelimpahan dan terdapatnya aluminium, serta ekstraksi aluminium. Dengan memahami semua hal tersebut di atas maka mahasiswa akan memahami aplikasi dan pemanfaatan aluminium dalam industri maupun dalam kehidupan sehari-hari

Ada dua proses pembelajaran untuk dapat mengkaji aluminium yaitu:

Proses Pembelajaran 4.1: Sejarah Aluminium, Sifat-sifat Aluminium, Kelimpahan Aluminium, dan Ekstraksi Aluminium

Proses Pembelajaran 4.2: Senyawa-senyawa aluminium

 

Capaian Pembelajaran

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

1. Mengetahui sejarah Aluminium
2. Memahami sifat-sifat Fisika, sifat Kimia, dan Sifat Umum Aluminium
3. Mengetahui kelimpahan dan terdapatnya Aluminium
4. Memahami ekstraksi Aluminium
5. Mengaplikasikan sifat-sifat alkali kepada unsur-unsur Aluminium
6. Memahami reaksi-reaksi Aluminium
7. Mengenal senyawa-senyawa Aluminium
8. Mengetahui pemanfaatan 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 diakhir setiap proses pembelajaran.

 

Pembelajaran 4.1

Sejarah Aluminium

Nama aluminium berasal dari kata alum, suatu sulfat ganda KAl(SO₄)₂.12H₂O yang pada masa Romawi dan Yunani digunakan dalam bidang kesehatan sebagai suatu zat pembeku darah (Bah. Latin alumen, garam pahit). Humpry Davy tidak berhasil mengisolasi logam ini tetapi mengusulkan nama "alumium" dan kemudian "aluminum"; dimana ini juga tidak lama kemudian dimodifikasi menjadi aluminium, dan nama inilah yang digunakan diseluruh dunia terkecuali di Amerika Utara yang pada tahun 1925 oleh American Chemical Society (ACS) (mengadopsi penggunaan aluminum dalam publikasi-publikasinya. Logam tak murninya pertama kali diisolasi oleh ilmuwan Denmark H.C. Oersted menggunakan reaksi amalgama alium encer pada AlCl₃. Metode ini kemudian pada tahun 1827 dikembangkan oleh H. Wöhler yang menggunakan logam kalium, tetapi proses yang sukses pertama kali secara komersial disampaikan oleh H.St.-C. Deville pada tahun 1854 menggunakan natrium. Pada tahun yang sama Deville dan R.W. Bunsen keduanya secara terpisah berhasil memperoleh logam aluminium dengan cara elektrolisis terhadap leburan NaAlCl₄.

 Terdapat dan Kelimpahan

Aluminium merupakan logam yang paling berlimpah dan merupakan unsur ketiga (8,3% berat) paling berlimpah (setelah oksigen dan silikon, masing-masing 45,5% dan 25,7%) pada permukaan bumi. Logam aluminium diproduksi dalam jumlah yang sangat besar, dan bijihnya yang paling penting adalah bauxite. Ini merupakan nama generik untuk beberapa mineral dengan formula yang bervariasi antara Al₂O₃.H₂O dan Al₂O₃.3H₂O. Pada negara-negara yang mempunyai iklim sedang seperti negara-negara Eropah, mineral aluminium yang umum ditemukan adalah dalam bentuk monohidrat (boehmite dan diaspore) sedangkan pada negara-negara tropis adalah mendekati trihidrat (gibbsite dan hydrargillite). Alumnium juga terdapat dalam jumlah yang besar dalam batuan aluminosilikat seperti feldspar dan mica. Ketika batu-batuan ini baik dalam bentuk mineral lempung atau batuan metamorfik lainnya

Produksi

Penemuan metode reduksi elektrolitik oleh kimiawan Perancis Henri Sainte-Claire Deville dan menurunnya biaya listrik menyebabkan harga logam aluminium turun secara dramatis pada akhir abad ke sembilanbelas. Akan tetapi, produski logamnya pada skala yang besar membutuhkan suatu metode yang menggunakan bijih yang tersedia secara cepat dan tidak mahal. Rute ini ditemukan secara terpisah pada tahun 1886 oleh dua orang kimiawan, satunya di Perancis bernama Paul Héroult dan satunya lagi di Amerika Serikat, Charles Hall. Sehingga proses ini disebut proses Hall-Héroult. Charles dibantu oleh adiknya Julia yang mencatat semua eksperimennya walaupun saat ini diketahui bahwa adiknya tersebut memainkan peranan yang agak kecil dalam penemuan ini.

Seperti yang disinggung sebelumnya, aluminium merupakan logam yang paling berlimpah dipermukaan bumi dan kebanyakan ditemukan dalam bentuk lempung. Sampai saat ini, belum ada rute yang ekonomis untuk mengekstraksi aluminium dari lempung. Akan tetapi pada iklim panas, lingkungan lembab, lebih banyak ion-ion terlarut yang dikeluarkan dari struktur lempung meninggalkan bijih bauxsite (oksida aluminium hidrat tak-murni).

Tahapan pertama dalam proses ekstraksi adalah pemurnian bauxite. Tahapan ini dilakukan dengan mendigesi (pemanasan dan pelarutan) bijih yang telah hancur dengan larutan hidroksida panas untuk menghasilkan ion aluminat yang larut:

            Al₂O_3(s) + 2 OH^–_(aq)  +  3H₂O_(l)    →   2[Al(OH)₄]^–_(aq)

Material yang tak-larut khususnya oksida besi(III) difiltrasi keluar sebagai "lumpur merah". Ion besi(III) dan ion aluminium mempunyai banyak kemiripan, tetapi keduanya berbeda dalam hal bahwa aluminium bersifat amfoter yang bereaksi dengan ion hidroksida sedangkan oksida besi(III) tidak bereaksi dengan ion hidroksida. Pada pendinginan, kesetimbangan dalam larutan bergeser ke arah kiri dan aluminium oksida trihidrat putih mengendap, meninggalkan kotoran yang terlarut dalam larutan:

            2[Al(OH)₄]^–_(aq)  → Al₂O₃.3H₂O_(s)  +  2 OH^–_(aq)

Hidratnya dipanaskan dengan kuat dalam rotari kiln (mirip dengan yang digunakan dalam produksi semen) menghasilkan oksida aluminium anhidrat:

            Al₂O₃.3H₂O_(s)   → Al₂O_3(s)  +  3 H₂O_(g)

Dengan muatan ion yang tinggi, oksida aluminium mempunyai energi kisi yang sangat besar sehingga titik leburnya tinggi (2040 ^oC). Akan tetapi untuk mengelektrolisis oksida aluminium merupakan hal yang perlu untuk menemukan senyawa aluminium dengan titik lebur yang jauh lebih rendah. Hall dan Héroult secara simultan mengumumkan penemuan senyawa aluminium bertitik lebur rendah ini, mineral cryolite yang nama kimianya adalah natrium heksafluoroaluminat, Na₃AlF₆. Karena mineral ini jarang, hampir semua cryolite diperoleh dengan jalan dibuat. Ini merupakan proses yang penting karena materail awalnya biasanya adalah material buangan, silikon tetrafluorida, SiF₄ yang diproduksi dalam sintesis hidrogen fluorida. Gas silikon fluorida bereaksi dengan air menghasilkan silikon dioksida yang tak-larut dan larutan heksafluorosilikat, H₂SiF₆, suatu senyawa yang mengandung fluorin yang relatif aman:

            3 SiF_4(g)  +  2 H₂O_(l)  → 2 H₂SiF_6(aq)  +  3 SiO_2(s)

Asamnya kemudian diperlakukan dengan ammonia untuk menghasilkan ammonium fluorida:

            H₂SiF_6(g) + 6 NH_3(aq)  +  2 H₂O_(l)  → 6 NH₄F_(aq)  +  SiO_2(s)

Akhirnya, larutan ammonium fluorida dicampur dengan suatu larutan natrium aluminat menghasilkan cryolite dan ammonia yang dapat didaur-ulang:

            6 NH₄F_(aq) + Na[Al(OH)₄]_(aq)  +  2 NaOH_(aq)  →  Na₃AlF_6(s)  + 6 NH_3(aq)  +  6H₂O_(l)

Kimia yang detail yang terjadi dalam sel elektrolisis masih kurang dipahami, tetapi cryolitenya bertindak sebagai elektrolit. Aluminium oksida dilarutkan dalam leburan cryolite pada temperatur 950 ^oC. Leburan aluminium diproduksi pada katoda dan oksigen yang diproduksi pada anoda mengoksidasi karbon menjadi karbonmonoksida (dan sedikit karbon dioksida):

            Al³⁺(Na3AlF6) + 3 e^–   →   Al_(l)

            O^2–(Na3AlF6) + C_(s)    →   CO_(g)  +  2 e^–

Proses tersebut sangat membutuhkan energi, membutuhkan arus sekitar 3,5 x 10⁴ A pada 6 V. Kenyataannya sekitar 25% dari biaya produksi logam aluminium berasal dari konsumsi energi. produksi 1 kg logam aluminium mengkonsumsi sekitar 2 kg aluminium oksida, 0,6 kg anoda karbon, 0,1 kg cryolite dan listrik kWh.

Produksi aluminium menghasilkan empat produk sampingan yang menciptakan masalah utama polusi:

• Lumpur merah, yang diproduksi dari permurnian bauxite dan bersifat sangat basa.
• Gas hidrogen fluorida, yang dihasilkan ketika cryolite bereaksi dengan sejumlah kecil uap air pada aluminium oksida.
• Oksida karbon, yang diproduksi pada anoda.
• Fluorokarbon, yang diproduksi oleh reaksi fluorin dengan anoda karbon.

Untuk mengurangi masalah pembuangan lumpur merah, lumpur encernya dituang ke dalam suatu tangki pengendapan dimana komponen cairan yang merupakan komponen utama yaitu larutan natrium hidroksida dikeluarkan dan didaur-ulang atau dinetralisasi. Padatannya, yang terutama adalah besi(III) oksida selanjutnya dapat digunakan sebagai bahan cor lantai atau dikapalkan ke tempat peleburan besi untuk mengekstraksi besinya.

Masalah mengenai emisi gas hidrogen fluorida telah diatasi dengan mengabsorbsi hidrogen fluorida tersebut dalam suatu filter aluminium oksida. produk dari proses ini adalah aluminium fluorida:

            Al₂O_3(s) + 6 HF_(g)     →   2 AlF_3(s)  +  3H₂O_(g)

Fluorida ini dapat ditambahkan secara periodik pada leburan sehingga mendaur-ulang hidrogen fluorida. Solusi terhadap masalah pembuangan sejumlah besar oksida karbon yang diproduksi adalah membakar karbon monoksida yang beracun, menghasilkan karbon dioksida dan menyediakan sedikit panas yang dibutuhkan untuk operasi pabrik aluminium.

Sifat-sifatnya

Karena aluminium merupakan logam dengan potensial reduksi standar negatif yang tinggi, maka seperti diduga sifatnya adalah sangat reaktif. Sehingga persentuhan permukaan logam aluminium dengan udara menyebabkan reaksi aluminium dengan dioksigen membentuk aluminium oksida, Al₂O₃. Lapisan oksida yang impermeabel ini mempunyai ketebalan antara 10^–4 dan 10^–6 mm, selanjutnya melindungi lapisan atom-atom aluminium dibawahnya. Hal ini dapat terjadi karena ion oksida mempunyai suatu radius (124 pm) yang mirip dengan radius dari atom aluminium (143 pm). Akibatnya penataan permukaan tersebut tidak berubah sebab ion-ion aluminium yang kecil (68 pm) mengisi dengan tepat pada antar ruang dalam struktur oksida permukaan.

Untuk meningkatkan resistansi terhadap korosinya, produk-produk aluminium dianodisasi, artinya produk aluminium digunakan sebagai anoda dalam suatu sel elektrokimia dan oksida aluminium tambahan dideposit sebagai suatu aluminium produk pada lapisan yang terbentuk secara alamiah. Aluminium teranodasi ini mempunyai suatu lapisan oksida setebal 0,01 mm dan oksida pelindung yang sangat tipis ini mempunyai sifat mengabsorbsi warna yang berguna sehingga permukaan yang berwarna dapat dihasilkan.

Aluminium merupakan konduktor panas yang baik suatu sifat yang berperan dalam peralatan masak, tetapi tidak sebaik tembaga. Untuk menjadikan pemanasan lebih merata dari elemen listrik (atau nyala api), panci yang berharga mahal mempunyai lapisan tembaga pada bagain bawahnya. Aluminium juga merupakan suatu konduktor listrik yang luar biasa, sehingga berperan dalam jaringan listrik dirumah atau ting-tiang listrik. Akan tetapi karena aluminium mudah mengalami oksidasi, maka penggunaannya sebagai jaringan listrik akhirnya diabaikan.

Seperti halnya bubuk-bubuk logam lainnya, aluminium bubuk akan terbakar pada nyala api menghasilkan debu aluminium oksida:

                        4 Al_(s)  +  3 O_2(g)    →    2 Al₂O_3(s)

dan aluminium akan terbakar sangat eksoterm dengan halogen seperti diklorin:

                        2 Al_(s)  +  3 Cl_2(g)    →    2 AlCl_3(s)

Seperti halnya berilium, aluminium merupakan logam amfoter bereaksi dengan asam dan basa:

                        2 Al_(s)  +  6 H⁺_(aq)    →    2 Al³⁺_(aq)  +  3 H_2(g)

                        2 Al_(s) + 2OH^–_(aq) + 6 H₂O_(l)    →    2[Al(OH)₄]^–_(aq)  +  3H_2(g)

Dalam larutan akua, ion aluminium terdapat sebagai ion heksaakuaaluminium, [Al(OH₂)₆]³⁺, dimana ikatan logam-oksigennya sangat kuat dan ini akan melemahkan ikatan O—H dan protonnya dilepas pada molekul air tetangga sehingga mengalami reaksi hidrolisis menghasilkan suatu larutan ion pentaakuahidroksoaluminium, [Al(OH₂)₅(OH)]²⁺, dan ion hidronium dan kemudian menjadi ion tetraakuadihidroksoaluminium:

[Al(OH₂)₆]³⁺_(aq) + H₂O_(l)    →   2[Al(OH₂)₅(OH)]²⁺_(aq)  +  H₃O⁺_(aq)

[Al(OH₂)₅(OH)]²⁺_(aq) + H₂O_(l)    →    2[Al(OH₂)₄(OH)₂]⁺_(aq) + H₃O⁺_(aq)

Jadi larutan garam-garam aluminium bersifat asam dengan tetapan ionisasi asamnya yang hampir sama dengan asam etanoat (asetat).

Penambahan ion hidroksida pada ion aluminium perta-tama akan menghasilkan endapan gel aluminium hidroksida tetapi produk ini melarut kembali dengan ion hidroksida berlebih menghasilkan ion aluminat (atau lebih tepatnya disebut ion tetrahidroksoaluminat):

            [Al(OH₂)₆]³⁺_(aq)    →    Al(OH)_3(s)    →   [Al(OH)₄]^–_(aq)

Sebagai hasilnya, aluminium 3+ melarut pada pH rendah dan tinggi tetapi tidak larut dibawah kondisi netral. Aluminium hidroksida digunakan dalam jumlah besar sebagai formulasi antasida. Seperti halnya antasida-antasida lainnya, senyawa ini merupakan basa tak-larut yang akan menetralisasi kelebihan asam lambung:

            Al(OH)_3(s) + 3 H⁺_(aq)    →   Al³⁺_(aq)  +  3 H₂O_(l)

 

Intisari

Aluminium merupakan unsur ke-3 paling melimpah setelah Oksigen dan Silikon pada permukaan bumi. Mineral Aluminium antara lain: Al₂O₂.H₂O dan Al₂O₃. 3H₂O. Ditemukan dengan metode reduksi elektrolit, dan kebanyakan ditemukan dalam bentuk lempung. Pada iklim panas dan lingkungan lembab, lebih banyak ion-ion terlarut yang dikeluarkan dari dari struktur lempung meninggalkan bijih bauxsite. Produksi aluminium menghasilkan empat produk sampingan yang menciptakan masalah polusi yaitu:

1. Lumpur merah, dihasilkan dari pemurnian bauxite dan bersifat sangat basa
2. Gas hydrogen Fluorida, dihasilkan ketika cryolite bereaksi dengan sejumlah kecil uap air pada aluminium oksida
3. Oksida Karbon, dihasilkan pada anoda
4. Fluorokarbon, dihasilkan oleh reaksi fluorin dengan anoda karbon

Aluminium merupakan logam dengan potensial reduksi standar negative yang sangat tinggi sehingga sifatnya sangat reaktif. Proses anodisasi adalah supaya resisten terhadap korosi. Aluminium merupakan konduktor panas yang baik sehingga banyak digunakan sebagai peralatan memasak. Akan tetapi penggunaannya sebagai jaringan listrik diabaikan karena Alumnium mudah mengalami oksidasi.

Latihan

1. Mengapa lembaran tipis aluminium tidak mengoksidasi secara keseluruhan menjadi oksidanya walaupun aluminium merupakan logam yang sangat reaktif?
2. Apakah bijih utama aluminium dan bagaimana bijih tersebut dimurnikan dan bagaimana mengektraksi logam aluminiumnya?