Transcript
38th International Chemistry Olympiad
Soal PersiapanSoal Persiapan
2-11 July 20062-11 July 2006Gyeongsan, KoreaGyeongsan, Korea
"Kimia untuk kehidupan,"Kimia untuk kehidupan, Kimia untuk kehidupan yangKimia untuk kehidupan yang
lebih hidup"lebih hidup"
KOREAN CHEMICAL SOCIETY KOREA SCIENCE ANDENGINEERING FOUNDATION
Soal 1: Sejarah singkat kehidupan di alam semesta
Kimia adalah bahasa kehidupan. Kehidupan berdasarkan pada atom, molekul dan
beragam reaksi kimia yang melibatkan atom dan molekul. Dengan demikian wajar
untuk mempertanyakan asal muasal atom. Menurut model yang diterima banyak
kalangan, alam semesta mulai sekitar 15 milyar tahun yang lalu dan telah terus
menerus mengembang. Sejarah alam semesta secara keseluruhan dapat dipandang
sebagai rangkaian kondensasi dari partikel yang elementer sampai yang rumit
bersamaan dengan mendinginnya alam semesta. Kehidupan yang kita kenal sekarang
merupakan fenomena khusus yang terjadi di suhu moderat bumi.
Unsur-unsur ringan, khususnya hidrogen dan helium, terbentuk pada beberapa
menit pertama setelah big bang dalam alam semesta yang dengan cepat
mengembang, dan karenanya dengan cepat pula mendingin. Bintang-bintang adalah
objek yang khusus di ruang angkasa, sebab penurunan suhu terbalik ketika bintang
terbentuk. Bintang sangat penting peranannya dalam kimia, sebab unsur-unsur yang
berat dibentuk di dalam bintang-bintang, yang di dalamnya suhu dapat mencapai
puluhan juta derajat.
Suhu alam semesta yang mendingin dapat diperkirakan dengan menggunakan
persamaan:
T = 1010 / t1/2
T suhu rata-rata alam semesta dalam Kelvin (K) dan t adalah waktu (umur alam
semesta) dalam detik. Jawablah soal 1-1 sampai 1-6 dalam satu angka penting.
Bulatkan bila diperlukan.
1-1. Perkirakan suhu alam semesta ketika umurnya 1 detik, suhu ini terlalu panas
untuk terjadinya fusi proton dan neutron menjadi inti helium.
1-2. Perkirakan suhu alam semesta ketika umurnya 3 menit, saat sintesis helium
hampir selesai.
1-3. Perkirakan umur alam semesta ketika suhunya sekitar 3,000 K yakni ketika atom
netral pertama terbentuk dari kombinasi inti hidrogen dan helium dengan elektron.
1-4. Molekul stabil pertama di alam semesta mungkin ada hanya setelah suhu alam
semesta yang mengembang menjadi cukup rendah (sekitar 1,000 K) yang
memungkinkan molekul tetap terikat. Perkirakan umur alam semesta ketika
suhunya sekitar 1,000 K.
1-5. Perkirakan suhu rata-rata alam semesta ketika alam semesta sekitar 300 juta
tahun dan bintang-bintang dan galaksi-galaksi pertama lahir.
1-6. Perkirakan suhu alam semesta saat ini dan catat nilai ini kira-kira sama dengan
yang didapatkan dari pengukuran gelombang mikro kosmik (3 K).
1-7. Urutkan dengan logis kondensasi berikut (sehingga konsisten dengan kenyataan
bahwa lebih dari 99% atom dalam alam semesta yang mengembang adalah
hidrogen atau helium).
a - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( ) - ( )
a. quark → proton, neutron
b. 1014 sel → manusia
c. H, C, N, O → H2, CH4, NH3, H2O (di ruang antarbintang)
d. proton, inti helium + elektron → atom H, He atom netral
e. protein, asam nukleat, membran → sel pertama
f. proton, neutron → inti helium
g. H2, He, CH4, NH3, H2O,debu → tata surya
h. atom H, He → reionisasi, generasi pertama bintang dan galaksi
i. proton, inti helium (unsur ringan)
→ unsur berat seperti C, N, O, P, S, Fe, U; ledakan supernova
j. H2, CH4, NH3, H2O, dsb.
→ asam amino, gula, basa nukleotida, fosfolipid di bumi
2
Soal 2: Hidrogen di luar angkasa
Hidrogen, unsur terbanyak di alam semesta, menyusun sekitar 75% massa alam
semesta. Sisanya sebagian besar helium dengan sedikit unsur-unsur lain. Hidrogen
tidak hanya melimpah, hidrogen juga merupakan pembangun unsur-unsur lain.
Hidrogen melimpah di bintang-bintang, seperti misalnya di matahari. Dengan
demikian galaksi Bima Sakti, yang terdiri lebih dari 100 juta bintang, kaya akan
hidrogen. Jarak antar bintang rata-rata adalah beberapa tahun cahaya. Hidrogen juga
merupakan penyusun utama ruang antar bintang. Di alam semesta ada sekitar 100
milyar galaksi. Ruang kosong antar galaksi sangat luas. Misalnya, galaksi Bima Sakti
dipisahkan dengan tetangga terdekatnya, galaksi Andromeda, dengan jarak sekitar 2
juta tahun cahaya. Hidrogen sekali lagi merupakan pengisi ruang antar gala ksi
walaupun kerapatannya jauh lebih kecil dibandingkan di ruang antarbintang. Kerapatan
rata-rata materi di ruang antargalaksi, di mana suhu saat ini adalah 2.7 K, sekitar 1
atom/m3.
2-1. Hitung kecepatan rata-rata, (8RT/M)1/2, atom hidrogen di ruang antargalaksi.
2-2. Hitung volume silinder tumbukan yang dilalui oleh satu atom hidrogen dalam satu
detik dengan mengalikan luas penampang lintang, d2, dengan kecepatannya
dimana d adalah diameter atom hidrogen (1 x 10-8 cm). Molekul yang pusatnya
dalam silinder tersebut akan mengalami tumbukan.
2-3. Hitung jumlah tumbukan per detik yang dialami atom hidrogen dengan mengalikan
volume di atas dengan kerapatan. Berapa tahun yang diperlukan atom hidrogen
agar bertemu dengan atom lain di ruang antargalaksi?
2-4. Hitung panjang lintasan bebas rata-rata (the mean free path) λ hidrogen di ruang
antargalaksi. λ adalah jarak rata-rata yang dilalui suatu partikel di antara
tumbukan-tumbukan.
Atom hidrogen cukup melimpah di ruang antar bintang dalam galaksi, sekitar 1 atom
per cm3. suhu kira-kiranya 40 K.
2-5. Hitung kecepatan rata-rata atom hidrogen di ruang antarbintang.
3
2-6. Hitung (λ) hidrogen di ruang antarbintang.
2-7. Dari hasil di atas bagaimana kemungkinan reaksi kimia di ruang angkasa?
4
Soal 3: Spektroskopi molekul antarbintang
Atom-atom di ruang antarbintang jarang bertemu. Ketika saling bertemu (paling
mungkin di permukaan es), atom-atom tersebut menghasilkan radikal dan molekul.
Spesi-spesi ini, beberapa sangat mungkin memerankan peran sentral dalam asal
muasal kehidupan, telah diidentifikasi dengan menggunakan berbagai teknik
spektroskopi. Spektra absorpsi spesi antarbintang dapat diamati dengan menggunakan
radiasi background sebagai energi pengeksitasi. Spektra emisi dari spesi tereksitasi
juga telah teramati. Fragmen diatomik sederhana semacam CH dan CN diidentifikasi di
ruang antar bintang lebih dari 60 tahun yang lalu.
3-1. Radiasi elektromagnetik background di ruang antarbintang memiliki distribusi
energi karakteristik yang berhubungan dengan suhu sumber radiasi benda hitam
(blackbody source). Menurut hukum Wien, panjang gelombang () yang
berhubungan dengan intensitas maksimum cahaya yang dipancarkan oleh benda
hitam pada suhu T diberikan oleh persamaan T = 2.9 x 10-3 m K. Perhatikan
daerah di dekat bintang yang suhunya 100 K. Berapa energi dalam joule foton
yang berkaitan dengan puncak emisi dari benda hitam pada 100 K?
Ketika molekul yang memiliki momen dipol tidak nol berotasi, radiasi elektromagnetik
dapat diserap atau dipancarkan. Spektroskopi yang berkaitan dengan rotasi molekul
disebut spketroskopi gelombang mikro (microwave spectroscopy), sebab gelombang
elektromagnetik yang terlibat adalah di daerah gelombang mikro. Tingkat energi rotasi
molekul diatomik dinyatakan sebagai EJ = J(J+1)h2/82I dimana J adalah bilangan
kuantum rotasi, h tetapan Planck, I momen inersia, R2. Bilangan kuantum J adalah
bilangan bulat positif mulai dari 0 dan massa tereduksi untuk molekul diatomik
diberikan sebagai m1m2/(m1+m2), (m1 dan m2 massa atom-atom dalam molekul). R
jarak antar atom yang berikatan (panjang ikatan).
3-2. Karbon monoksida adalah molekul antarbintang terbanyak kedua setelah molekul
hidrogen. Transisi rotasi (perubahan bilangan kuantum J) manakah yang energi
transisinya paling kecil? Hitung energi transisi rotasi 12C16O minimum dalam joule?
Panjang ikatan CO = 113 pm. Bandingkan energi transisi CO dengan energi
radiasi di soal 3-1. Menyarankan apa hasil tersebut? Distribusi molekul di berbagai
tingkat energi berhubungan dengan suhu lingkungan, yang juga akan
mempengaruhi spektra absorpsi dan emisinya.
5
Gambar 3-1. Osilogram untuk transisi rotasi terendah 12C16O pada115,270
MHz. Kurva atas didapat dari pengukuran pada suhu udara cair, gambar
bawah didapat pada pengukuran di suhu es kering. (Reference: O. R.
Gilliam, C. M. Johnson dan W. Gordy. Phys. Rev. vol. 78 (1950) p.140.)
3-3. Persamaaan tingkat energi rotasi berlaku untuk rotasi molekul hidrogen. Namun,
molekul hidrogen tidak memiliki momen dipol, sehingga transisi dengan J = 1
terlarang. Namun transisi radiatif sangat lemah dengan J = 2 teramati. Hitung
suhu ruang antarbintang dimana energi pada intensitas maksimum sama dengan
energi transisi molekul hidrogen (1H2) anatara J = 0 dan 2. panjang ikatan H-H =
74 pm.
6
Soal 4: Hukum gas ideal di inti matahari
Kehidupan di bumi dimungkinkan dengan limpahan energi dari matahari. Matahari
termasuk contoh yang baik dari kelompok bintang deret utama (main sequence stars),
yakni bintang-bintang yang membakar hidrogen (fusi inti, bukan oksidasi). Massa inti
matahari terdiri atas 36% hidrogen (1H) dan 64% helium (4He). Dalam suhu dan
tekanan tinggi di dalam matahari, atom-atom kehilangan semua elektronnya dan
struktur inti atom netral menjadi tidak relevan. Ruang bebas dan luas yang dalam atom
netral biasanya ditempati elektron kini menjadi mungkin ditempati proton, inti helium,
dan elektron. Keadaan seperti ini disebut plasma. Di inti matahari, kerapatan kira-
kiranya adalah 158 g/cm3 dan tekanannya 2.5 x 1011 atm.
4-1. Hitung jumlah mol total proton, inti helium, dan elektron per cm3 di inti matahari.
4-2. Hitung persentase ruang yang terisi partikel dalam gas hidrogen pada 300 K dan 1
atm, di hidrogen cair, dan di plasma di inti matahari. Kerapatan hidrogen cair =
0,09 g/cm3. Radius partikel inti dapat diperkirakan dari r = (1,4 x 10-13 cm)(nomor
massa)1/3. Asumsikan volume molekul hidrogen dua kali volume atom hidrogen,
dan atom hidrogen adalah bola dengan radius Bohr (0,53 x 10-8 cm). perkirakan
jawaban sampai 1 angka penting.
4-3. Dengan menggunakan hukum gas ideal, perkirakan suhu di inti matahari dan
bandingkan hasilnya dengan suhu yang diperlukan untuk terjadinya fusi hidrogen
menjadi helium (1,5 x 107 K).
7
Soal 5: Atmosfer planet
Tata surya kita muncul sekitar 4,6 milyar tahun yang lalu dari awan gas antarbintang,
yang sebagian besarnya adalah hidrogen dan helium dengan sedikit gas lain dan
debu.
5-1. Umur tata surya dapat ditentukan dengan menentukan rasio massa Pb-206 dan U-
238 di batuan bulan. Tuliskan reaksi inti overall (total) untuk peluruhan U-238
menjadi Pb-206.
5-2. Waktu paruh reaksi total ditentukan oleh peluruhan alfa pertama U-238 ( U
Th + He), yang merupakan reaksi paling lambat dari semua reaksi yang
terlibat. Waktu paruh reaksi ini adalah 4.51 x 109 tahun. Perkirakan rasio massa
Pb-206 dan U-238 di batuan bulan dan perkirakan usia tatasurya.
Unsur hidrogen dan helium jarang didapat di bumi, karena keduanya terlepas dari bumi
muda waktu itu. Kecepatan lepas (escape velocity) adalah kecepatan minimum suatu
partikel atau objek (misalnya, molekul gas atau roket) yang diperlukan agar terbebas
dari tarikan gravitasi suatu planet. Kecepatan lepas suatu obyek bermassa m dari bumi
dapat ditentukan dengan menyamakan energi potensial gravitasi, GMm/R, dengan
energi kinetik obyek tersebut, (1/2)mv2. Catat m di kedua sisi persamaan dapat saling
menghilangkan, sehingga kecepatan lepas tidak bergantung pada massa obyek.
Namun, kecepatan lepas tetap bergantung pada massa planet.
G: tetapan umum gravitasi = 6,67 x 10-11 N m2 kg-2
M: massa bumi = 5,98 x 1024 kg
R: radius bumi = 6,37 x 106 m
5-3. Hitung kecepatan lepas dari bumi.
5-4. Hitung kecepatan rata-rata, (8RT/M)1/2, atom hidrogen dan molekul nitrogen di
suhu kamar. Bandingkan hasil yang didapatkan dengan kecepatan lepas dari
bumi. Catat suhu atmosfer bagian atas atmosfer dimana gas lepas ke ruang
angkasa agak berbeda dengan suhu kamar. Juga catat bahwa fotolisis uap air
oleh radiasi UV dapat menghasilkan atom hidrogen. Jelaskan mengapa atom
8
hidrogen lebih mudah lepas daripada molekul nitrogen walaupun kecepatan lepas
tak bergantung massa obyek yang lepas.
Komposisi kimia atmosfer planet bergantung pada suhu atmosfer planet (yang
selanjutnya bergantung pada jarak dari matahari, suhu internal, dsb.), aktivitas
tektonik, dan keberadaan kehidupan.
Karena matahari menghasilkan panas, cahaya dan angin matahari melalui fusi inti
hidrogen menjadi helium, planet-planet dalam primitif (Merkurius, Venus, bumi, dan
Mars) kehilangan sebagian besar materi gasnya (hidrogen, helium, metana, nitrogen,
air, karbon monoksida, dsb.). Karena unsur-unsur yang berat seperti besi dan nikel
terkonsentrasi di inti karena gravitasi dan peluruhan radioaktif menghasilkan panas,
suhu internal planet meningkat. Gas-gas yang terjebak, seperti karbon dioksida dan
air, bermigrasi ke permukaan. Pelepasan gas selanjutnya dari planet dengan
kecepatan lepas tertentu bergantung distribusi kecepatan. Semakin besar proporsi
molekul gas dengan kecepatan melebihi kecepatan lepas, semakin besar
kemungkinan gas tersebut lepas.
5-5. lingkari nama planet dimana tekanan atmosfer dan komposisinya konsisten
dengan data yang diberikan. Jelaskan.
suhu rata-rata permukaan dan radius planet adalah:
Venus: 730 K; 6,052 km Vumi: 288 K; 6,378 km Mars: 218 K; 3,393 km
Jupiter: 165 K; 71,400 km Pluto: 42 K; 1,160 km
p (atm) komposisi (%) planet
a. > 100 H2(82); He(17) (Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Pluto)
b. 90 CO2(96,4); N2(3,4) (Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Pluto)
c. 0,007 CO2(95,7); N2(2,7) (Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Pluto)
d. 1 N2(78); O2(21) (Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Pluto)
e. 10-5 CH4(100) (Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Pluto)
5-6. Tuliskan struktur Lewis H2, He, CO2, N2, O2, dan CH4. Perlihatkan semua elektron
valensinya.
9
5-7. Semua komponen atmosfer planet adalah atom dan molekul dengan titik didih
rendah. Titik didih ditentukan oleh kepolaran molekul, yang ditentukan oleh
kepolaran ikatan dan geometri molekul. Molekul nonpolar berinteraksi melalui
gaya dispersi saja, sehingga, memiliki titik didih rendah. Namun terdapat
perbedaan titik didih molekul-molekul non polar. Urutkan dalam urutan meningkat
titik didih H2, He, N2, O2, dan CH4. Jelaskan urutan tersebut.
10
Soal 6: Penemuan gas mulia
Molekul seperti H2, N2, O2, CO2, dan CH4 di soal Soal 5 dibentuk melalui ikatan kimia
atom-atom. Walaupun konsep valensi dikenal di abad ke-19, prinsip yang mendasari
ikatan kimia baru diketahui lama setelah itu. Ironisnya, penemuan gas mulia yang
praktis tidak memiliki kereaktifan kimia memberikan petunjuk mengapa unsur-unsur
selain gas mulia bergabung secara kimia.
Di tahun 1882, Rayleigh memutuskan untuk secara akurat menentukan ulang
kerapatan gas untuk mengetes hipotesis Prout.
6-1. Sebutkan hipotesis Prout? Bukti apakah yang digunakan untuk mendukung
hipotesisnya? (Search Internet atau sumber lain)
Untuk memisahkan oksigen dan menghasilkan nitrogen murni, Rayleigh menggunakan
metoda yang direkomendasikan Ramsay. Udara dialirkan melalui amonia cair dan
dilewatkan melalui tabung yang mengandung tembaga merah panas, dimana oksigen
di udara dikonsumsi oleh hidrogen dari amonia. Kelebihan amonia dipisahkan dengan
asam sulfat. Air juga dipisahkan. Tembaga berfungsi untuk meningkatkan luas
permukaan dan berfungsi juga sebagai indikator. Sepanjang tembaganya tetap terang,
kita dapat memastikan bahwa amonianya telah beraksi.
6-2. Tulis persamaan setimbang penggunaan oksigen di udara oleh hidrogen dari
amonia. Asumsikan udara adalah (dalam % volume) 78% nitrogen, 21% oksigen,
dan 1% argon (fakta ini tak diketahui Rayleigh) dan tunjukkan nitrogen dan argon
dari udara dalam persamaan yang dituliskan.
6-3. Hitung Mr nitrogen yang didapat dari pengukuran kerapatan nitrogen yang
dihasilkan di atas. Catat bahwa argon di sampel, yang awalnya tidak diketahui
Rayleigh, berkontribusi pada kerapatan yang terukur. (Ar: N = 14,0067, Ar =
39,948)
Rayleigh juga mempreparasi nitrogen dengan melewatkan udara langsung di atas
tembaga merah-panas.
11
6-4. Tuliskan persamaan setara penghilangan oksigen dari udara oleh tembaga merah-
panas. Tuliskan pula nitrogen dan argon dari udara di persamaan tersebut.
6-5. Hitung Mr nitrogen yang didapatkan dari pengukuran kerapatan nitrogen yang
dipreparasi dengan metoda kedua.
6-6. Yang mengejutkan Rayleigh, kerapatan yang didapatkan dua metoda berbeda
seperseribu – namun perbedaan tersebut dapat dihasilkan-ulang, reproducible.
Buktikan perbedaan dari jawaban di 6-3 dan 6-5.
6-7. Untuk memperbesar perbedaan ini, Rayleigh menggunakan oksigen murni dalam
metoda amonia. Bagaimana hal ini mengubah perbedaan?
6-8. Nitrogen dan oksigen di udara dipisahkan dengan reaksi dengan Mg yang
dipanaskan (yang lebih reaktif dari tembaga). Kemudian gas baru yang menempati
sekitar 1% udara diisolasi. Kerapatan gas baru tersebut sekitar ( ) kali kerapatan
udara.
6-9. Spektrum garis yang sebelumnya tidak diamati teramati dari gas baru tersebut
yang dipisahkan dari 5 cc udara. Sifat yang paling menarik dari gas ini adalah
rasio kalor jenisnya (Cp/Cv), yang terbukti bernilai maksimum, 5/3. Observasi ini
menunjukkan bahwa gerak molekul adalah ( ). Jadi, argon adalah gas monatomik.
(1) elektronik (2) vibrasional (3) rotasional (4) translasional
6-10. Hitung massa argon dalam ruang 10 m x 10 m x 10 m pada STP.
Tahun 1894, Rayleigh dan Ramsay mengumumkan penemuan Ar. Penemuan gas-gas
mulia lain (He, Ne, Kr, Xe) segera mengikuti dan golongan baru ditambahkan dalam
tabel periodik unsur. Sebagai hasilnya, Rayleigh dan Ramsay masing-masing
menerima hadiah Nobel dalam fisika dan kimia di tahun 1904.
6-11. Nama unsur seringkali mempunyai asal muasal bahasa Yunani atau Latin dan
memberikan petunjuk pada sifat atau alat penemuannya. Pasangkan nama unsur
dengan maknanya.
helium baru
12
neon asing
argon malas
kripton tersembunyi
xenon matahari
13
Soal 7: Kelarutan garam
Kelarutan logam dan garamnya sangat berperan dalam sejarah bumi dan dalam
mengubah bentuk permukaan bumi. Selanjutnya, kelarutan juga penting dalam
perubahan atmosfer bumi. Awalnya atmosfer bumi sangat kaya akan karbon dioksida.
Suhu permukaan bumi mula-mula tetap pada suhu didih air karena runtuhan asteroid
yang terus-menerus. Dengan melarutnya logam dan garamnya laut menjadi basa dan
karbondioksida di udara melarut. CO2 yang merupakan pembentuk sebagian besar
mineral karbonat berasal dari atmosfer primitif ini.
Ketika kehidupan muncul 3,8 juta tahun yang lalu dan bakteri fotosintesis muncul
sekitar 3 juta tahun lalu, molekul oksigen diproduksi sebagai produk samping
fotosintesis. Ketika oksigen bereaksi dengan ion logam di lautan, oksida logam yang
rendah kelarutannya mengendap di dasar laut, kemudian oleh aktivitas tektonik, dasar
laut itu menjadi daratan. Bijih besi dan aluminum sejak dulu hingga kini merupakan
bahan mentah penting dalam peradaban manusia.
Marilah kita lihat masalah kelarutan dengan mengambil contoh perak halida. Nilai Ksp
AgCl dan AgBr adalah 1,8×10-10 dan 3,3×10-13.
7-1. Pada air yang dideionisasi ditambahkan AgCl berlebih. Hitung konsentrasi Cl- yang
berada dalam kesetimbangan dengan padatan AgCl. Ulangi perhitungan tersebut
untuk Br- yang didapat dengan menambahkan AgBr sebagai ganti AgCl.
7-2. Asumsikan 0,100 L larutan Ag+ 1,00×10-3 M ditambahkan ke larutan Cl- yang
volume dan konsentrasinya sama. Berapa konsentrasi Cl- di larutan saat
kesetimbangan tercapai? Berapa persentase ion khlorida yang berada di larutan?
7-3. Asumsikan 0,100 L larutan Ag+ 1,00×10-3 M ditambahkan ke larutan Br- yang
volume dan konsentrasinya sama. Berapa konsentrasi Br- di larutan saat
kesetimbangan tercapai? Berapa persentase ion Br- yang berada di larutan?
7-4. Pembuktian jawaban 7-2 dan 7-3 sukar dilakukan, sebab volume dan konsentrasi
yang tepat dari larutan tidak diketahui. Ulangi perhitungan 7-2 dan 7-3 dengan
mengasumsikan konsentrasi larutan Ag+ 1,01×10-3 M.
14
Kini asumsikan larutan Ag+ 1,00×10-3 M ditambahkan secara perlahan kedalam 0,100 L
larutan yang mengandung 1,00×10-3 M Cl- dan 1,00×10-3 M Br.
7-5. Manakah perak halida yang pertama mengendap? Deskripsikan situasi ketika
endapan yang pertama muncul.
7-6. Tentukan persentase ion Br-, Cl-, dan Ag+ di larutan dan di endapan setelah
penambahan 100, 200, dan 300 mL larutan Ag+.
Vtambahan
% Br
di larutan
% Br di
endapan
% Cl
di larutan
% Cl di
endapan
% Ag
di larutan
% Ag di
endapan
100 mL
200 mL
300 mL
15
Soal 8: Metoda fisik penentuan bilangan Avogadro
Bilangan Avogadro adalah konstanta fundamental dalam kimia. Namun, penentuan
yang akurat nilai tetapan ini memerlukan waktu yang sangat lama. Avogadro (1776-
1856) sendiri tidak sempat mengetahui nilai tetapan yang dinamakan atas namanya
itu. Di tahun yang sama dengan meninggalnya Avogadro, bilangan Avogadro
ditentukan dari sifat gas, seperti koefisien difusi dan viskositas, mendekati nilai 5 x
1022. Bilangan Avogadro yang kini kita ketahui (6,02 x 1023) didapatkan baru pada awal
abad 20. Marilah kita perhatikan tiga pendekatan yang berbeda.
8-1. Pada kesetimbangan termal, kebolehjadian menemukan molekul dengan masa m
pada ketinggian h sebanding dengan faktor Boltzmann, exp(-E(h)/kBT), dimana
E(h) adalah energi potensial gravitasi (mgh, dengan g adalah 9,81 m/s2) dan kB
adalah konstanta Boltzmann. Jadi, kerapatan jumlah molekul pada ketinggian h
mengikuti distribusi "barometrik":
(a) Partikel sferik dengan diameter 0,5 μm dan kerapatan 1,10 g/cm3 dimasukkan
dalam air (kerapatan 1,00 g/cm3) pada 20°C. Hitung massa efektif m partikel
tersebut yang telah terkoreksi dengan gaya apung, buoyancy (hukum
Archimedes).
(b) Kerapatan jumlah partikel bermassa efektif tersebut akan mengikuti distribusi
barometrik. Di suatu percobaan pengukuran distribusi vertikal partikel diamati
kerapatan jumlah partikel pada ketinggian h adalah 1/e kali kerapatan jumlah
pada ketinggian (h-6,40×10-3) cm. Hitung konstanta Boltzmann.
(c) Hitung bilangan Avogadro dengan menggunakan konstanta Boltzmann dan
konstanta gas. (R = 8,314 J/molK)
8-2. Bilangan Avogadro's juga dapat ditentukan dengan kristalografi sinar-X kristal
tunggal. Kerapatan natrium khlorida = 2,165 g/cm3. Struktur kristal NaCl diberikan
pada gambar 8-1. Jarak antar pusat ion Na+ dan Cl- yang berdekatan ditemukan
sebesar 2,819 x 10-8 cm. Hitung bilangan Avogadro.
16
gambar 8-1. Struktur kristal NaCl.
Dalam struktur NaCl, anion dan kation membentuk kisi kubus berpusat muka. Kedua
kisi tersebut saling berinterpenetrasi. Sel satuan NaCl mengandung 4 anion (8 di sudut
kubus, yang masing-masing digunakan bersama oleh 8 sel satuan jadi ada 1 anion,
dan 6 yang terletak di pusat muka masing-masing digunakan 2 sel satuan sehingga
menghasilkan 3 anion). Sel satuan juga mengandung 4 kation.
8-3. Dalam percobaan tetes minyak, Millikan menentukan pada tahun 1913 bahwa
muatan listrik dasar adalah 1,593 x 10-19 Coulomb. Hitung bilangan Avogadro dari
nilai ini dan nilai tetapan Faraday, yakni muatan listrik setiap 1 ekuivalen (Millikan
menggunakan 1 Faraday = 96,496 coulomb).
17
Soal 9: Metoda elektrokimia penentuan bilangan Avogadro
Menurut definisi, bilangan Avogadro adalah jumlah atom dalam sejumlah tepat 12 g
karbon-12. Bilangan Avogadro direkomendasikan oleh CODATA (Committee on Data
for Science dan Technology) di 2002 adalah 6,0221415(10)×1023 mol-1, bilangan dalam
tanda kurung menyatakan standar deviasi dua digit terakhir.
Bilangan Avogadro dapat ditentukan secara elektrolit. Arus dan waktu diukur dan
melaui persamaan Q = I·t (muatan = arus x waktu) jumlah elektron yang melalui sel
elektrokimia dapat ditentukan. Elektroda tembaga digunakan untuk elektrolisis larutan
0,5 M H2SO4. Selama elektrolisis, anoda tembaga berkurang karena atom tembaga
berubah menjadi ion tembaga. Ion tembaga masuk kedalam larutan. Di permukaan
katoda, gas hidrogen, yang berasal dari reduksi ion hidrogen dalam larutan asam,
dibebaskan. Hail percobaan adalah sebagai berikut:
Penurunan massa di anoda: 0,3554 g
Arus (tetap): 0,601 A
Waktu berlangsungnya elektrolisis: 1802 s
Ingat 1 A = 1 C/s atau 1 A·s = 1 C dan muatan satu elektron adalah 1,602 x 10–19 C.
9-1. Tuliskan reaksi di anoda dan katoda.
9-2. Hitung muatan total yang melalui rangkaian (sel).
9-3. Hitung jumlah elektron yang terlibat dalam elektrolisis.
9-4. Hitung massa satu atom tembaga.
9-5. Tentukan bilangan Avogadro. Massa molar tembaga 63,546 g/mol.
9-6. Berapa persen kesalahan penentuan bilangan Avogadro dengan metoda ini?
9-7. Secara prinsip mungkin untuk mengumpulkan gas hidrogen dan menggunakan
massanya untuk menentukan bilangan Avogadro. Hitung massa gas hidrogen
yang dibebaskan. Apakah penentuan bilangan Avogadro dengan metoda ini
praktis?
18
Soal 10: Entalpi, entropi, dan kestabilan
Semua perubahan kimia dalam sistem hidup dan sistem tak hidup mengikuti hukum-
hukum termodinamika. Konstanta kesetimbangan suatu reaksi ditentukan oleh energi
bebas Gibbs, yang selanjutnya ditentukan oleh perubahan entalpi, perubahan entropi,
dan suhunya.
10-1. Isilah tanda kurung di (a-f) dengan pilihan-pilihan berikut:
konstanta kesetimbangan, Keq
perubahan entropi, ΔS
perubahan entalpi, ΔH
perubahan energi bebas, ΔG
a. sangat bergantung pada temperatur ( )
b. sangat berkaitan dengan kekuatan ikatan ( )
c. menyatakan ketidakteraturan sistem ( )
d. berhubungan dengan kuantitas reaktan dan produknya ( )
e. menyatakan kespontanan reaksi ( )
f. menyatakan kalor yang diserap atau dilepaskan (
)
Kesetimbangan disosiasi senyawa kovalen koordinat, antara molekul donor D dan
senyawa boron BX3, berlangsung dalam fasa uap:
DBX3(g) ↔ D(g) + BX3(g)
Kp = [D][BX3]/[D·BX3]
10-2. Konstanta disosiasi (Kp) pada 100°C senyawa koordinasi Me3N·BMe3 dan
Me3P·BMe3 berturut-turut 0,472 dan 0,128 atm. Hitung perubahan energi bebas
standar pada 100°C pada kedua senyawa. Senyawa kompleks mana yang lebih
stabil pada suhu ini?
10-3. Perubahan entropi standar disosiasi, ΔS°, 45,7 kal/molK untuk Me3NBMe3 dan
40,0 kal/molK untuk Me3PBMe3, Hitung perubahan entalpi kedua senyawa.
Senyawa mana yang memiliki ikatan pusat (ikatan koordinat) yang lebih kuat?
Asumsikan ΔH dan ΔS tidak bergantung pada suhu.
19
10-4. Manakah yang lebih penting peranannya dalam menentukan kestabilan senyawa
ini pada 100°C, suku entalpi (ΔH) atau suku entropi (T ΔS)?
10-5. Pada suhu berapa Me3NBMe3 secara termodinamika lebih stabil dibandingkan
Me3PBMe3? Asumsikan ΔH dan ΔS tidak bergantung pada suhu.
20
Soal 11: Asam dan basa Lewis
Asam dan basa sangat penting untuk kehidupan. Asam amino memiliki gugus asam
dan basa. DNA dan RNA adalah asam-asam nukleat yang mengandung basa seperti
adenin, guanin, timin, sitosin, dan urasil. Jadi, kimia asam basa sangat penting untuk
memahami kehidupan. Oksigen diberikan nama pada unsur untuk menyatakan sifatnya
dalam membentuk asam; sifat pembentuk asam oksigen merupakan manifestasi
tingginya keelektronegativan unsur ini. Lewis memperluas definisi asam basa, dan
sekali lagi keelektronegativan memegang peranan sentral pemahaman asam basa
Lewis.
11-1. Deskrispikan struktur BX3. Hibridisasi apa yang digunakan oleh atom boron?
11-2. Bagaimana hibridisasi berubah ketika boron halida membentuk ikatan koordinasi
dengan basa semacam piridin (C5H5N)? Apakah perubahan di sekita atom boron
ini lebih mudah bila X F atau I? Urutkan BF3, BCl3, dan BBr3 menurut kenaikan
keasaman Lewisnya berdasarkan pertimbangan struktur tadi.
11-3. Keelektronegativan adalah faktor penting lain yang perlu diperhatikan dalam
prediksi keasaman Lewis. Urutkan BF3, BCl3, dan BBr3 menurut kenaikan
keasaman Lewisnya berdasarkan hanya keelektronegativan unsur halogennya
(efek induktif).
11-4. Termasuk eksoterm atau endoterm pembentukan ikatan koordinasi antara boron
halida (asam Lewis) dan piridin (basa Lewis)? Asam Lewis yang menunjukkan
perubahan entalpi terbesar pada pembentukan ikatan koordinasi?
11-5. Walaupun untuk menghitung secara komputasi kekuatan relatif ketiga boron
halida paling baik dilakukan pada wujud gas, wujud cair zat ini dapat digunakan
sebagai keadaan rujukan yang gas atau cairan yang relatif ttidak-polar.
Perubahan entalpi ketika cairan boron halida dan nitrobenzen dicampurkan
adalah ΔH1, dan ketika larutan nitrobenzene-boron halida dan larutan piridin
dalam nitrobenzen dicampur ΔH2, datanya diberikan di bawah ini.
BX3(l) + C6H5NO2(l) → C6H5NO2BX3 (larutan) ΔH1
21
C6H5NO2BX3(larutan) + C5H5N(larutan) → C5H5NBX3(larutan) + C6H5NO2(larutan)
ΔH2
BF3 BCl3 BBr3
ΔH1 (kkal/mol) - 6,7 - 8,7 - 12,5
ΔH2 (kkal/mol) - 25,0 - 30,8 - 32,0
Hitung ΔH3 untuk rekasi berikut. Apakah nilai yang didapat cocok dengan
prediksi Anda di 11-4?
BX3(l) + C5H5N(larutan) → C5H5NBX3(larutan)
11-6. Boron halida juga menunjukkan kereaktivan yang sangat berbeda dengan air.
BF3 membentuk senyawa adisi yang stabil sementara BCl3 dan BBr3 bereaksi
hebat dengan H2O pada suhu di bawah 20°C. Prediksikan A, B, dan C, dalam
persamaan reaksi berikut.
BF3 + H2O → A
BCl3 (atau BBr3) + 3H2O → B + C
11-7. Ikatan tambahan apa yang dapat dibentuk dalam molekul BX3 antara atom boron
dan salah satu halidanya yang mempunyai pasangan elektron bebas agar
memenuhi aturan oktet? Jelaskan bagaimana ikatan tambahan ini mempengaruhi
keasaman Lewis BX3.
22
Soal 12: Kesetimbangan kelarutan dalam larutan buffer
Reaksi biokimia berlangsung dalam lingkungan larutan dalam air yang berbufer.
Sebagai contoh, pH darah dipertahankan sekitar 7,4 oleh kerja bufer karbonat, fosfat,
dan protein. Berbagai reaksi kimia di laboratorium juga dilakukan di larutan bufer. Di
soal ini, perhatikan kesetimbangan kelarutan dalam larutan buffer.
12-1. Gas H2S menempati volume 440 mL di STP dan dapat dilarutkan dalam 100 mL
air di suhu 25oC. Hitung konsentrasi molar H2S dalam air yang dijenuhi dengan
H2S. Asumsikan tidak terjadi perubahan volume air dengan pelarutan H2S
tersebut.
12-2. Asumsikan kesetimbangan tercapai setelah larutan 0,010 M FeCl2 dijenuhi
dengan H2S dengan secara kontinyu menambahkan H2S kedalam larutan.
Ksp(FeS) = [Fe2+][S2-] = 8,0 x 10-19 di 25oC (1)
Untuk disosiasi asam H2S,
K1 = [H+][HS-]/[H2S] = 9,5 x 10-8 (2)
K2 = [H+][S2-]/[HS-] = 1,3 x 10-14 (3)
Untuk autoionisasi air,
Kw = [H+][OH-] = 1 x 10-14 (4)
Dalam larutan, muatan positif diimbangi oleh muatan negatif:
[H+] + 2[Fe2+] = [Cl-] + [OH-] + [HS-] + 2[S2-] (5)
Hilangkan suku yang dapat diabaikan dalam persamaan keseimbangan
muatan (5), untuk menentukan [H+] dan [Fe2+]. Apakah yang akan Anda lakukan
untuk mengendapkan lebih banyak FeS menaikkan atau menurunkan pH? Berapa
perubahan konsentrasi ion Fe2+ dengan perubahan 1 skala pH?
12-3. Bagaimana Anda mengatur pH akhir larutan dengan H2S untuk mereduksi
konsentrasi Fe2+ dari 0,010 M ke 1,0 x 10-8 M?
23
12-4. Anda ingin menggunakan bufer asam asetat (HOAc)/natrium asetat (NaOAc)
untuk mencapai konsentrasi Fe2+ hingga 1,0 x 10-8 M sebagaimana dibahas di
atas. Misalnya Anda membuat buffer itu dengan mencampurkan asam asetat dan
natrium asetat dalam air di labu takar. Sejumlah yang cukup asam asetat
ditambahkan agar didapat konsentrasi awal 0,10 M. Dengan memperhatikan
bahwa reaksi pengendapan menghasilkan ion H+ (Fe2+ + H2S → FeS(s) + 2H+),
bagaimana Anda mengatur konsentrasi natrium asetat awal untuk mendapatkan
konsentrasi Fe2+ 1,0 x 10-8 M setelah kesetimbangan tercapai? Tetapan disosiasi
asam asetat pada 25oC = 1,8 x 10-5.
12-5. Berapa pH bufer sebelum H2S dimasukkan dan saat FeS diendapkan?
24
Soal 13: Potensial redoks, energi bebas Gibbs, dan kelarutan
Proton, neutron, dan elektron merupakan tiga partikel sub atomik yang penting dalam
kimia. Partikel-partikel ini menempati dua daerah. Proton dan neutron menempati
bagian inti dan elektron di daerah yang sangat luas di luar inti.
Transfer neutron tidak berlangsung dalam reaksi kimia biasa. Transfer proton (ion
hidrogen) terjadi dalam reaksi asam basa. Transfer elektron terjadi dalam reaksi
redoks. Reaksi redoks sangat penting dalam kehidupan. Fotosintesis dan respirasi
adalah dua contoh penting. Reaksi redoks juga memungkinkan bebagai besaran
termodinamika penting diukur seperti yang ditunjukkan sebagai berikut.
Dengan informasi berikut:
Ag+(aq) + e– → Ag(s) E° = 0,7996 V
AgBr(s) + e– → Ag(s) + Br–(aq) E° = 0,0713 V
ΔGf°(NH3(aq)) = –26,50 kJ/mol
ΔGf°(Ag(NH3)2+(aq)) = –17,12 kJ/mol
BrO3–(aq) HOBr Br2(aq) Br–(aq)
13-1. Hitung ΔGf°(Ag+(aq)).
13-2. Hitung konstanta kesetimbangan reaksi berikut pada 25°C.
Ag+(aq) + 2 NH3(aq) → Ag(NH3)2+(aq)
13-3. Hitung KSP AgBr(s) pada 25°C.
13-4. Hitung kelarutan AgBr di larutan amonia 0,100 M di 25°C.
13-5. Suatu sel galvani menggunakan elektrode hidrogen standar sebagai anoda
dibuat sehingga reaksi totalnya adalah
Br2(l) + H2(g) + 2 H2O(l) → 2 Br–(aq) + 2 H3O+(aq).
25
+1.441 V
Ion perak ditambahkan hingga AgBr mengendap di katoda dan [Ag+] mencapai 0,0600
M. Tegangan sel kemudian diukur dan memberikan nilai 1,721 V. Hitung ΔE° sel
galvani tersebut.
13-6. Perkirakan kelarutan brom dalam bentuk Br2(aq) di air pada 25°C.
26
Soal 14: Mengukur kadar ozon di udara
Ozon dapat membantu mencegah sekaligus dapat pula menghasilkan kerusakan
kehidupan. Ketika kadar ozon di atmosfer bumi meningkat secara signifikan sekitar 2
juta tahun yang lalu, pada saat yang sama kadar ozon di atmosfer bagian atas juga
meningkat secara signifikan. Lapisan ozon ini yang secara efektif menahan radiasi UV
dan memungkinkan kehidupan di bumi. Kini, lapisan ozon nampak mulai menipis –
menghasilkan lubang yang besar- sehingga nasib lapisan ini menjadi hal yang
diperhatikan. Di pihak lain, di lingkungan sehari-hari kita (atmosfer bagian bawah) ozon
merupakan salah satu ancaman kesehatan. Ozon adalah komponen kunci smog
fotokimia.
Metoda sederhana untukmengukur konsentrasi ozon di dasar atmosfer adalah
sebagai berikut. Udara dialirkan melalui larutan asam dalam air yang mengandung ion
iodida dan ozon yang ada di atmosfer mengoksidasi iodida menjadi triiodida melalui
reaksi berikut yang belum disetarakan:
O3(g) + I−(aq) → I3-(aq) + O2(g) (1)
Di akhir periode pengambilan sampel (sampling), konsentrasi triiodida ditentukan
dengan spektrometer UV–Vis pada panjang gelombang 254 nm.
Udara dialirkan selama 30.0 menit kedalam 10 mL larutan dalam air yang
mengandung KI berlebih pada kondisi atmosfer berikut: p = 750 torr, suhu = 298 K, laju
alir = 250 mL min-1. Absorbans larutan I3- yang dihasilkan diukur dengan sel yang
panjangnya 1,1-cm dengan menggunakan spektrometer yang dilengkapi dengan
fotosel. Hambatan fotosel berbanding terbalik dengan intensitas cahaya. Nilai
hambatan larutan blanko dan sampel masing-masing adalah 12,1 k dan 19,4 k.
Koefisien absorpsi molar larutan I3- didaptakan sebesar 2,4 x 105 M-1·cm-1. Tetapan gas
dalam berbagai satuan diberikan sebagai berikut: R = 8,314472 J K-1 mol-1 =
0,08205746 L.atm.K-1 mol-1 = 62,3637 L.torr K-1 mol-1 = 1,987 kal K-1 mol-1
14-1. Setarakan persamaan (1).
14-2. Gambarkan struktur Lewis ozon.
14-3. Hitung jumlah mol ozon dalam sampel udara.
27
14-4. Asumsikan gasnya berperilaku ideal pada kondisi yang digunakan, hitung
konsentrasi ozon yang ada dalam sampel udara dalam satuan ppb.
28
Soal 15: Kimia penyelamatan diri dengan kantung udara
Reaksi kimia tertentu dapat mencegah orang dari kecelakaan parah ataupun kematian.
Reaksi kimia yang digunakan untuk secara cepat menghasilkan sejumlah besar gas
nitrogen di dalam kantong udara mobil adalah:
2NaN3 → 2Na + 3N2(g) (1)
10Na + 2 KNO3 → K2O + 5Na2O + N2(g) (2)
K2O + Na2O + SiO2 → silikat alkalin (“gelas") (3)
15-1. Tuliskan rumus Lewis ion azida dan molekul nitrogen.
15-2. Berapa gram natrium azida dan kalium nitrat yang diperlukan untuk
menghasilkan sejumlah cukup nitrogen untuk mengisi kantung udara bervolume
15-liter pada 50oC dan 1,25 atm?
15-3. Secara terpisah, tuliskan persamaan setara dekomposisi nitrogliserin. Akhirnya,
tuliskan persamaan setara dekomposisi timbal azida yang digunakan untuk
detonasi. Dalam hal apa reaksi natrium azida, nitrogliserin dan timbal azida mirip?
15-4. Tuliskan persamaan setara reaksi natrium azida dengan asam sulfat membentuk
asam hidrazoat (HN3) dan natrium sulfat.
15-5. Bila 60 g natrium azida bereaksi dengan 100 mL asam sulfat 3 M, berapa gram
asam hidrazoat yang akan dihasilkan?
29
Soal 16: Katalis untuk sintesis amonia
Sintesis amonia adalah contoh yang sangat baik bagaimana kimia dapat dimanfaatkan
untuk meningkatkan kehidupan manusia. Walaupun sistem kehidupan primitif telah
memfiksasi nitrogen untuk menghasilkan senyawa nitrogen selama ratusan juta tahun,
manusia baru mencoba menmpreparasi amonia 100 tahun yang lalu.
Amonia merupakan sumber atom nitrogen yang diperlukan untuk membentuk
asam amino dan sangat penting dalam produksi pupuk. Gugus amino dapat dengan
mudah ditransformasikan menjadi gugus nitro yang umumnya dijumpai di bahan-bahan
peledak seperti TNT. Di dunia lebih dari 100 juta ton amonia diproduksi setiap tahun.
Namun, alam menghasilkan lebih banyak amonia dari yang dihasilkan industri kimia
tersebut. Amonia disintesis dari nitrogen dan hidrogen, namun, ikatan kimia dalam
molekul nitrogen yang sangat stabil, membuat amonia tidak dapat disnitesis tanpa
kondisi yang tepat atau penggunaan katalis. Di awal abad 20, metoda Haber-Bosch
dikembangkan untuk sintesis amonia dengan menggunakan tekanan dan temperatur
tinggi, yang masih digunakan hingga kini di industri kimia. Haber (1918) dan Bosch
(1931) dianugerahi hadiah Nobel kimia atas kontribusi mereka ini.
16-1. Pertama, marilah kita lihat reaksi ini apakah feasible dari sudut pandang
termodinamika. Hitung perubahan entropi standar sistem dalam reaksi:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
Entropi standar untuk N2, H2, dan NH3, berturut-turut adalah 191,6, 130,7, dan
192,5 J/(Kmol). Apakah entropi sistem meningkat atau menurun? Jika entropinya
menurun, bagaimana agar reaksi dapat berlangsung secara spontan?
16-2. Untuk melihat apakah reaksinya mungkin eksoterm, perhatikan reaksi yang mirip
antara oksigen dan hidrogen menghasilkan air. Apakah reaksinya eksoterm?
Pasangkan senyawa-senyawa berikut dengan entalpi pembentukan standarnya
(ΔHfo) yang dinyatakan dalam kJ/mol.
H2O(g) - 46,11
HF(g) - 241,82
NH3(g) - 271,1
30
16-3. Dengan menggunakan nilai ΔHfo yang dipilih di atas, hitung perubahan entropi
total (sistem dan lingkungan) pada 25oC.
16-4. Laju reaksi adalah pertimbangan lain yang penting diperhatikan. Tahap penentu
laju dalam reaksi total, N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) adalah tahap atomisasi molekul
nitrogen. Asumsikan energi aktivasi atomisasi adalah energi ikatan molekul
nitrogen (940 kJ mole-1) dan faktor A tahap penentu laju ini adalah 1013 detik-1,
Hitung laju reaksi atomisasi pada 800oC dengan menggunakan hukum Arrhenius.
Hitung tetapan laju pada suhu yang sama bila energi aktivasinya dikurangi oleh
katalis menjadi separuh dari nilai awal.
Jumlah katalis yang digunakan dalam industri kimia sangat besar jumlahnya. Lebih dari
100 ton katalis digunakan di pabrik yang menghasilkan 1000 ton amonia setiap
harinya. Selain katalis Fe yang telah digunakan sejak Haber dan Bosch, katalis Ru
digunakan dalam sintesis amonia. Ikatan koordinasi dengan unsur nitrogen dan
hidrogen juga dipelajari sebagai katalis homogen untuk sintesis amonia di larutan.
16-5. Reaksi antara reaktan dan katalis logam yang tak larut dapat terjadi di
permukaan logam sehingga luas permukaan katalis mempengaruhi laju katalisis..
Hitung jumlah mol molekul nitrogen yang diadsorbsi di permukaan 1 kg katalis Fe.
Asumsikan katalis terdiri atas kubus berukuran masing-masing 1 m3 (serbuk yang
sangat halus) dan keenam muka kubus tersebut dapat digunakan untuk adsorpsi
nitrogen. Kerapatan Fe = 7,86 g/cm3 dan luas adsorpsi untuk satu molekul
nitrogen = 0,16 nm2.
16-6. Bila katalis homogen dengan massa molar 500 g/mol disintesis untuk pengikatan
molekul nitrogen, berapa molekul nitrogen yang terikat pada 1 kg katalis?
Asumsikan satu molekul katalis mengikat satu molekul nitrogen. Bandingkan
dengan hasil di 16-2.
16-7. Walaupun amonia disintesis pada tekanan dan suhu tinggi di industri kimia,
amonia di alam disintesis dari nitrogen atmosfer, ~0,8 atm. Enzim untuk sintesis
amonia di alam disebut nitrogenase adalah protein yang mengandung kofaktor
yang mengandung Fe atau Mo. Reaksi sintesis dengan nitrogenase adalah reaksi
transfer elektron: N2(g) + 8H+ + 8e- 2NH3(g) + H2(g). 16 molekul ATP dikonsumsi
dalam reaksi ini. Molekul ATP terdekomposisi menjadi ADP dan fosfat anorganik,
31
dan menghasilkan energi 30,5 kJ/mol. Hitung energi yang dibutuhkan untuk
sintesis 1 mol amonia menggunakan nitrogenase. Paling sedikit 400 kJ digunakan
untuk sintesis 1 mol amonia di industri kimia.
32
Soal 17: Dari pasir menjadi semikonductor
Kimia memungkinkan kehidupan. Kimia juga memperkaya kehidupan. Selama ribuan
tahun, manusia telah menggunakan pasir untuk berbagai manfaat. Gelas dibuat dari
pasir. Lensa dibuat dari gelas dan digunakan untuk membuat teleskop, mikroskop,
kacamata, dan peralatan gelas untuk percobaan kimia.
Baru-baru ini, pasir menjadi bahan awal untuk menghasilkan semikonduktor.
Salah satu unsur yang paling melimpah di kerak bumi adalah silikon, yang didapati
sebagai senyawa yang mengandung ikatan Si-O. Silika (SiO2) melimpah di kerak bumi.
gambar 17-1. struktur silika, β-kristobalit.
17-1. Berapa jumlah atom Si dan O terdapat dalam setiap sel satuan β-kristobalit?
17-2. Sarankan orbital hibrida Si dalam struktur ini dan ramalkan sudut ikatan O-Si-O.
SiO2 sangat tidak reaktif, namun senyawa ini bereaksi dengan HF. Reaksinya dengan
HF dapat digunakan untuk mengetsa gelas atau di pembuatan semikonduktor:
SiO2(s) + 6HF(aq) → A(aq) + 2H+(aq) + 2H2O(l)
17-3. Gambarkan struktur molekul A.
Silikon dapat diperoleh dengan memanaskan silika dan coke (suatu bentuk karbon)
pada 3000°C dalam tungku busur listrik.
33
17-4. Tuliskan persamaan setara reaksi SiO2 dengan karbon. Dalam kasus ini,
asumsikan hanya satu jenis gas terbentuk yang rumus Lewisnya menunjukkan
muatan.
17-5. Sketsakan orbital molekul gas yang terbetuk dalam reaksi di atas.
Untuk mendapatkan silikon yang ultramurni, silikon kasar direaksikan dengan gas Cl2
untuk menghasilkan “B” atau dengan gas HCl untuk menghasilkan “C”.
17-6. tuliskan reaksi setara antara Si dan Cl2.
17-7. Prediksikan struktur molekul “B”.
17-8. Apakah produk “C” dalam reaksi berikut (1) polar atau tidak? Gambarkan struktur
3-dimensi C dan sketsakan arah momen dipolnya, bila ada:
Si(s) + 3HCl(g) → “C” (g) + H2(g) (1)
Kebalikan dari reaksi (1) berlangsung spontan pada 1000oC, menghasilkan endapan
silikon ultramurni. Pemurnian terakhir silikon dilakukan dengan proses pelelehan yang
disebut dengan pemurnian zona (zone refining). Proses ini bergantung pada fakta
bahwa pengotor lebih larut dai fasa cair dibandingkan di fasa padat (Gambar 17-2).
Prosedur zone refining dapat diulangi sampai kemurnian yang diinginkan (kadar
pengotor kurang dari 0,1 ppb) tercapai.
34
Gambar 17-2. cara pemurnian zona silikon
17-9. Berapa banyak atom silikon yang digantikan oleh atom pengotor per gram wafer
silikon bila konsentrasi pengotornya 0,1 ppb?
Seperti semua semikonductor, silikon yang berkemurnian tinggi gagal menghantarkan
arus listrik sampai suatu potensial minimum tertentu diberikan, tetapi pada tegangan
yang lebih tinggi semikonduntor menghantarkan cukup baik. Sifat semikonduktor
silikon dapat ditingkatkan secara signifikan dengan pendadahan (doping). Pendadahan
adalah penambahan sejumlah minor unsur lain.
17-10. Bila sejumlah kecil atom boron menggantikan silikon di padatan silikon, apa
yang berperan sebagai pembawa muatan? Apa nama jenis semikonduktor yang
terdadah seperti ini?
17-11. Gambarkan diagram pita yang dapat menjelaskan peningkatan hantaran
dengan penggantian beberapa atom silikon dengan atom boron. Tunjukkan dalam
gambar Anda celah energi setelah pendadahan.
35
Soal 18: Penyusunan diri (Self-assembly)
Struktur yang penting dan bermanfaat dapat dibuat dengan self-assembly. Bahkan,
kehidupan dimungkinkan karena adanya self-assembly membran sel sekitar 4 juta
tahun yang lalu. Self-assembly merupakan prinsip fundamental yang menghasilkan
organisasi struktural pada skala molekul sampai galaksi. Self-assembly didefinisikan
sebagai proses reversibel dimana proses reversibel yang mengubah bagian-bagian
yang disorder membentuk struktur dengan pola yang terdefinisi baik dan stabil.
Beberapa senyawa kompleks logam transisi dapat berpartisipasi dalam self-
assembly. Misalnya, suatu kompleks Ni dengan rantai alkil panjang dapat terbentuk
dari berbagai bagian reaksi berikut
18-1. Prediksikan struktur di sekitar kation Ni(II).
18-2. Tentukan apakah A2+ paramagnetik atau tidak, gunakan pembelahan orbital d
dalam Ni(II) dalam struktur ini.
18-3. Tandai bagian yang hidrofob di A2+.
36
gambar 18-1. struktur molekul A2+ dan struktur kristal A(ClO4)2H2O.
18-4. Apakah yang merupakan pendorong susunan seperti ini? (Petunjuk: senyawa ini
senyawa ion, A(ClO4)2H2O, dan ditemukan mengambang di permukaan air
walaupun kerapatannya lebih besar dari 1,0.)
Kompleks logam dari TCNQ (7,7,8,8-tetrasiano-p-quinodimetan) telah dipelajari karena
sifat magnetik dan hantaran listriknya.
(TCNQ = )
Spektrum IR memberikan informasi bilangan oksidasi formal dan status koordinasi
molekul TCNQ.
18-5. Untuk TCNQ sebagaimana diberikan di gambar, ikatan mana (dari a-e) yang
memiliki frekuensi vibrasi paling tinggi?
37
18-6. Tunjukkan ikatan(atau ikatan-ikatan) (a-e) yang mungkin diperpendek bila TCNQ
direduksi membentuk anion radikal.
Turunan TCNQ A2+ ([A2+(TCNQ)2](TCNQ)(CH3COCH3)) juga menunjukkan fitur
structural menarik seperi terlihat di Gambar 18-2.
Gambar 18-2. struktur molekul A2+ dan struktur kristal [A2+(TCNQ)2]
(TCNQCH3COCH3)
18-7. Berapa bilangan koordinasi Ni dalam turunan TCNQ A2+?
18-8. Dalam struktur ini, molekul TCNQ tumpangsuh satu sama lain. Apa yang
merupakan pendorong organisasi seperti ini?
38
Soal 19: Stereokimia (Sintesis Organik – 1)
Fermentasi pati dengan ragi menghasilkan etil alkohol. Selama proses ini, hidrolisis
pati dikatalisis oleh enzim diastase yang ada dalam ragi menghasilkan maltosa, suatu
disakarida.
Maltosa (C12H22O11) mereduksi reagen Tollens dan Fehling dan maltosa dioksidasi
oleh brom dalam air menjadi asam maltobionat ((C11H21O10)COOH), suatu asam
monokarboksilat. Untuk mengenali strukturnya, pada maltosa dilakukan sederetan
reaksi:
19-1. Gambarkan struktur B, D-N dalam proyeksi Fisher.
39
19-2. Gambarkan struktur maltosa, asam maltobionat dan C dengan proyeksi Haworth.
40
Soal 20: Sintesis Total (Sintesis Organik – 2)
Sintesis total pertama senyawa organik dilakukan pada abad 19 oleh Kolbe dengan
berawal dari karbon dan sulfur sebagai diperlihatkan dalam skema berikut.
Bahkan dalam sintesis organik modern, strategi sintesis yang mirip telah diaplikasikan
dalam sintesis asam amino.
Gambarkan struktur A-E dan nyatakan stereokimia absolut D dan E dengan
menggunakan konvensi R/S.
41
Soal 21: Kimia Enamin (Sintesis Organik – 3)
Enamin dibentuk antara keton dan amina sekunder dengan kehadiran katalis asam.
(1)
21-1. Usulkan mekanisme enamin yang dikatalisis asam (reaksi 1).
21-2. Proses ini menunjukkan kebergantungan pada pH berbentuk bel. Laju
pembentukan maksimum terjadi pada pH 3-4. Usulkan alasan yang mungkin
mengapa terjadi kebergantungan seperti ini.
21-3. Enamin bereaksi dengan enone terkonjugasi seperti metilvinilketon membentuk
senyawa 1,5-dikarbonil setelah hidrolisis enamin (persamaan 2).
(2)
Produk reaksi ini memiliki satu pusat kiral. Usulkan kondisi amina khusus
untuk membuat produk yang stereospesifik sebagai di persamaan 2.
42
Soal 22: Redoks dalam sintesis organik
Dalam manipulasi senyawa organik, reaksi redoks merupakan reaksi yang paling
penting. Khususnya, redoks yang chemo-selective, region-selective atau stereo-
selective sangat penting dalam mendesain sintesis organik molekul target yang efisien.
Alam mengatur keselektifan ini dengan desain khusus daerah aktiv enzim, dalam
reaksi kimia di lain pihak sebagian besar keselektifan itu bergantung pada perbedaan
tipis kereaktifan dengan merubah reagen.
Skema berikut adalah contoh yang baik redoks yang chemo-selective berawal dari
etil sianoasetat.
EtOOC CN
NaBH4 - FeCl3
EtOHA (C5H11NO2)
PhCOCl
K2CO3, H2OB (C12H15NO3)
B (C12H15NO3)
IO
O
AcO OAcOAc
(DMP)C (C12H13NO3)
22-1. Bila etil sianoasetat direaksikan dengan bahan pereduksi NaBH4 dengan katalis
FeCl3, terjadi reduksi selektif gugus fungsi. Bila produk A direaksikan dengan
benzoil khlorida, diperlukan 1 ekuivalen benzoil khlorida untuk membentuk B.
Gambarkan struktur A dan B?
22-2. Dess-Martin Periodinan (DMP) adalah bahan pengoksidasi kuat tetapi beraksi
dengan lembut, dan dapat mengoksidasi berbagai gugus fungsi dengan cara yang
selektif. Bila B dioksidasi dengan DMP terjadi oksidasi yang “bersih” membentuk
C. 1H-NMR, 13C-NMR, IR dan spektrum massa senyawa produk kemudian diukur.
Spektrum-spektrum ini menunjukkan bahwa transformasi bersih yang terjadi
menghasilkan produk tunggal. Dalam 1H-NMR dublet antara 5~6 ppm
menunjukkan konstanta coupling J=8,8 Hz. Gambarkan struktur C.
22-3.Dalam spektrum 1H-NMR, satu pergeseran kimia diamati di dekat δ = 11,5 ppm.
Proton mankah di C yang menghasilkan puncak ini. Alasan apa yang
43
menyebabkan proton ini tidak menghasilkan pergeseran kimia di daerah gugus
kimia ini (δ = ~ 8 ppm)?
1H-NMR of C
13C-NMR of C
IR of C
Mass spectrum of C
44
45
Soal 23: Protein Antibeku
Suhu di bawah 0oC sering terjadi di bumi. Bagaimana organisme dapat bertahan di
kondisi seperti ini? Untuk berbagai insek, kuncinya adalah sintesis pencegah beku
(cryoprotectant) I awal musim gugur, dan zat ini dibuang di awal musim semi. Gambar
23-1 menunjukkan kandungan gliserol di berbagai musim dalam insek yang dapat
bertahan dengan anti beku.
Gambar 23-1. Suhu maksimum dan minimum serta kandungan gliserol
dalam larva goldenrod gall moth yang mempunyai pencegah beku. Struktur
gliserol juga diberikan. (Reference: K.B. Storey dan J.M. Story 1988 Physiol.
Rev. 68:27)
23-1. Tentukan persen massa gliserol dalam insek bila insek itu berhasil mencegah
beku pada – 20oC hanya dengan konsentrasi gliserol saja? Asumsikan cairan
insek berperilaku sebagai larutan ideal. Berapa tekanan osmosis pada nilai
konsentrasi gliserol yang didapat tadi? Komentari hasil yang didapat tadi. Kf air =
1,86oC/(mol/kg).
46
23-2. Berapa fraksi gliserol aktual dalam berat basah insek di bulan Januari? Berapa
titik beku air dalam insek di bulan Januari dengan hanya memperhatikan jumlah
gliserol?
23-3. Selain penurun titik beku, “protein antibeku” juga dikenal untuk mencegah beku di
hewan termasuk ikan air dingin dan berbegai insek. Penurunan titik beku koligatif
yang diakibatkan oleh protein antibeku ini cukup kecil. Percobaan menunjukkan
bahwa protein antibeku ini menghambat pertumbuhan partikel-partikel es kecil.
Bila pada protein antibeku tersebut beberapa gugus sampingnya: treonin atau
aspartat dimodifikasi secara kimia, keaktifan antibekunya hilang. Jenis interaksi
apakah yang mungkin bertanggung jawab pada aktivitas antibeku ini?
Protein backbone
Side chains
47
Soal 24: Tubuh Manusia
Tubuh manusia terdiri atas sel, sel terdiri atas atom. Sekitar dua pertiga berat tubuh
adalah air, yang berarti bahwa sekitar dua pertiga massa sel adalah air.
24-1. Tubuh manusia bermassa 60 kg terdiri atas sekitar 10( ) atom. Perhatikan massa
atom rata-rata tiga atom dalam satu molekul air. Sebagai informasi tambahan
untuk Anda sendiri, perhitungkan massa atom rata-rata di molekul lain seperti
protein, lemak, dan karbohidrat.
24-2. Tubuh manusia terdiri atas sekitar 100 triyun (1014) sel. Asumsikan semua sel
tubuh berbentuk kubus dan ukurannya identik. Perkirakan ukuran rata-rata sel
manusia (panjang sel kubusnya) dalam satu angka penting.
24-3. Asumsikan semua atom dalam suatu sel terdistribusi homogen. Perkirakan jarak
antar dua inti atom dalam suatu sel.
24-4. Perkirakan jarak pusat massa dua molekul air dalam air murni.
24-5. Perkirakan jarak rata-rata antara inti atom dalam air murni. Bandingkan hasil
anda di 24-3 dan 24-4.
48
Soal 25: Hemoglobin
Kelas penting lain senyawa dalam tubuh manusia adalah protein. Banyak protein yang
menjalankan fungsi katalitik. Hemoglobin, di pihak lain, mengangkut oksigen dari paru-
paru ke berbagai bagian tubuh.
25-1. massa molar hemoglobin sekitar 67 000 g/mol. Jumlah rata-rata hemoglobin di
eritrosit setiap 100 mL darah adalah 15 gram. Hitung konsentrasi hemoglobin di
darah ( ) M.
25-2. Perkirakan jarak rata-rata antara dua molekul oksigen di udara yang kita hirup.
Asumsikan udara pada 0oC yang mengandung 21% oksigen.
25-3. Hukum Henry dinyatakan sebagai
kelarutan = kH x tekanan parsial (kH: tetapan Henry)
Tetapan Henry untuk oksigen = 1,3 x 10-3 mol L-1 atm-1. Perkirakan jarak rata-rata
antara dua molekul oksigen dalam air yang berkesetimbangan dengan udara.
25-4. Satu molekul hemoglobin dapat mengikat sampai emapat molekul oksigen.
Perkirakan jarak rata-rata antara dua molekul oksigen dalam darah ketika semua
hemoglobin dijenuhkan dengan oksigen. Bandingkan hasil Anda dengan jawaban
di 25-2 dan 25-3 dan catat seberapa efisien hemoglobin mengkonsentrasikan dan
mengangkut oksigen ke jaringan-jaringan yang tekanan parsial oksigennya
rendah.
25-5. Terdapat sekitar ( ) asam amino di hemoglobin. Perkirakan dengan
menggunakan massa molekul rata-rata asam amino dan cek dengan nilai literatur.
25-6. Terdapat sekitar ( ) asam amino yang berbeda di hemoglobin.
25-7. Tripsin menghidrolisa ikatan peptida di gugus karboksil gugus arginin dan lisin.
Perhatikan contoh peptida berikut.
H3N+-gly-phe-arg-ala-ala-tyr-leu-phe-his-pro-lys-gly-trp-glu-ile-asp-phe-COO-
49
Setelah hidrolisis oleh tripsin sempurna, sekelompok peptida berikut akan
dihasilkan.
H3N+-gly-phe-arg-COO-
H3N+-ala-ala-tyr-leu-phe-his-pro-lys-COO-
H3N+-gly-trp-glu-ile-asp-phe-COO-
Setelah hidrolisis hemoglobin sempurna setelah reduksi ikatan disulfida dan
alkilasi, Anda harapkan rata-rata sekitar ( ) asam amino dalam petptida triptik
(peptida yang dihasilkan dari hidrolisis oleh tripsin).
25-8. Massa molekul rata-rata peptida triptik sekitar ( ).
50
Soal 26: Spektrometer massa hemoglobin
26-1. Bila Anda hidup di abad ke 19, metoda apa yang akan Anda gunakan untuk
menentukan massa hemoglobin? Jelaskan.
Pembuat terobosan dalam penentuan massa molekul biopolimer seperti protein
dihargai dengan hadiah Nobel Kimia 2002, yakni untuk Fenn yang mengembangkan
spektrometer massa ionisasi elektrospray (electrospray ionization mass
spectrometry /ESI MS) dan untuk Tanaka yang mempelopori penggunaan
spektrometer massa time of flight desorpsi/ionisasi berbantuan matriks matrix-assisted
laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry /MALDI-TOF MS). Dalam
MALDI-TOF MS, protein dijebak dalam suatu matriks kristal yang tersusun atas
molekul yang mengabsorbsi UV dan didesorbsi/diionisasi dengan cara meradiasi
dengan pulsa laser UV. Ion protein yang terprotonasi dan bermuatan 1+, [M+H]+,
dihasilkan sebagai spesies utama dari protein yang bermassa M.
26-2. Perhatikan hemoglobin dengan massa molekul 67 434 Da. Setelah desorpsi/
ionisasi, ion [M+H]+ dipercepat oleh potensial 20,000 kV. Hitung energi ion protein
tersebut dalam joule. (coulomb x volt = joule)(e = 1,60218 x 10-19 coulomb)
26-3. Ion protein yang dipercepat kemudian dilewatkan tabung tempat “terbang” yang
dieavakuasi sepanjang 1,0000 m. Seluruh energi elektrik yang dimiliki ion diubah
menjadi energi kinetik (mv2/2). Bila waktu terbang (flight time) ion protein
didapatkan sebesar 1,3219 x 10-4 s, berapa massa molekul hemoglobin yang
dihitung dari pengukuran ini? Tentukan keakuratan massanya dalam ppm?
26-4. Tabung terbang tersebut dipertahankan pada kondisi vakum tinggi pada 25oC.
Pada tekanan berapa lintasan bebas rata-rata molekul udara akan sama dengan
panjang tabung terbang? Lihat soal 2 untuk definisi lintasan bebas rata-rata.
Asumsikan semua molekul udara berbentuk bola dengan diameter 2 angstrom.
51
Soal 27: Modifikasi Pos-translasional
Alam menggunakan 20 asam amino untuk membuat berbagai ragam protein. Namun,
karena ragam dari 20 asam amino sering masih belum cukup, modifikasi kimia
dilakukan sebagian besar di rantai samping asam amino untuk menghasilkan berbagai
gugus fungsi oleh berbagai enzim alami. Berbagai modifikasi pos-tranlasional ini
sangat penting dalam pengenalan (recognition) molekul protein-protein, protein-DNA,
protein-RNA. Modifikasi ini digunakan sebagai sakla (menghidupkan/mematikan)
mentransfer pesan, dan dikenal sebagai transduksi sinyal dalam sel hidup.
Akhir-akhir ini, metilasi didapatkan sebagai modifikasi yang sama pentingnya dengan
modifikasi pos translasi yang lain, seperti fosforilasi dan glikosilasi. Seperti modifikasi
yang lain, ada pula reaksi baliknya, yakni demetilasi. Kedua proses ini bekerja
berlawanan, kalau yang satu menyalakan mematikan (lawannya mematikan
menyalakan), seperti fosforilasi dan glikosilasi. Namun, proses metilasi dan demetilasi
di alam cukup berbeda. Dengan kata lain, mekanisme enzimatik keduanya salah satu
bukan kebalikan yang lain.
27-1. Dengan mengingat gugus rantai samping yang ada di 20 asam amino, gugus
fungsi apakah yang cocok untuk menghasilkan keragaman dengan bekerjanya
metilasi dan demetilasi? Sebutkan 2 asam amino.
27-2. Dalam metilasi rantai samping asam amino, S-adenosilmetionin (SAM)
digunakan sebagai ko-faktor. SAM tersusun atas metionin dan ATP. Tuliskan
struktur SAM.
27-3.Usulkan mekanisme metilasi asam amino dengan SAM.
52
27-4. Mekanisme demetilasi yang diusulkan terdiri atas dua tahap. Enzimnya
menggunakan FAD sebagai kofaktor untuk tahap pertama. Usulkan mekanisme
demetilasi yang mungkin.
53
Soal 28: Keadaan transisi dalam reaksi enzimatik
Enzim adalah katalis dalam organisme. Katalis telah berevolusi sehingga
memungkinkan reaksi kimia spesifik yang penting untuk berlangsungnya kehidupan
sehingga lebih efisien. Di sisi aktif enzim, residu asam amino termasuk rantai samping
telah berevolusi untuk menghasilkan ruang untuk keadaan transisi (TS) dari perubahan
kimia agar ada dalam konformasi dan muatan listrik yang cocok. Jadi, afinitas ikatan
TS (bila orang dapat menghitung) ini diharapkan sangat tinggi, menstabilkan energi
keadaan transisi ini melalui kompleks enzim-TS. Dengan cara ini energi aktivasinya
menurun dan reaksinya dipercepat. Bila kita dapat menghitung konstanta ikatan untuk
pembentukan kompleks, kita dapat menentukan seberapa efisien enzimnya dengan
menghitung kcat/kuncat.
Enzim sintesis merupakan batu ajian, holy grails, bagi kimiawan, sebab enzim-
enzim sintesis tersebut dapat memberikan wawasan perilaku enzim alami dan dapat
digunakan sebagai alat sintesis dan terpi. Antibodi katalitik dapat merupakan salah
satu dari enzim artifisial ini. Antibodi memiliki daerah penikatan antigen, di sini antigen
target akan terikat dengan afinitas yang tinggi (KD = 10-9-10-11 M) dan kespesifikan yang
tinggi. Sifat-sifat ini dapat dieksploitasi sebagai daerah aktif di enzim artifisial. Daerah
pengikatan antigen dapat berfungsi secara spesifik mengenali substrat dan melakukan
reaksi kimia tertentu.
Karena antibodi katalitik ini perlu mengakomodasi struktur keadaan transisi (TS) di
transformasi kimia, suatu antigen yang merangsang produksi antibodi katalitik harus
didesain dan disintesis sama seperti struktur TS. Namun, kimiawan tidak dapat
mempreparasi struktur keadaan transisi, sebab keadaan ini hanya transien. Tetapi, kita
dapat mensintesis senyawa stabil yang menyerupai struktur keadaan transisi.
Senyawa yang didesain baru ini disebut analog keadaan transisi transition state
analogue (TSA). Sekali TSA telah dibuat, senyawa ini dapat diinjeksikan ke tikus untuk
menghasilkan antibodi. Waktu paruh TSA harus lebih panjang dari 2 minggu pada
kondisi fisiologis agar dimungkinkan untuk mendapatkan respons imun yang cukup.
Setelah sebanyak mungkin antibodi dihasilkan, antibodi yang paling kuat dan paling
spesifik dipilih sebagai kandidat katalis antibodi.
28-1. Bila salah satu antibodi yang dipilih memiliki KD = 10-13 M pada TSA,
dibandingkan dengan antobodi normal (KD = 10-6 M) berapa enenrgi stabilisasi
yang didapat TSA dari mengikat antibodi yang antibodi spesifik ini?
54
28-2. Asumsikan TSA dapat dianggap TS yang sebenarnya. Berapa peningkatan
kecepatan yang didapatkan bila kita gunakan antibodi katalitik ini untuk reaksi
kimia yang dituju? Ungkapkan peningktan ini dalam kcat/kuncat.
Sebagian besar orang tertarik pada hidrolisis spesifik protein patogenik atau peptida
seperti β-amiloid sebagai reaksi kimia yang dituju oleh antibodi katalitik. Dengan
mengamsumsikan reaksi kimia berikut adalah reaksi kimia yang dituju oleh antibodi
katalitik, TS hidrolisis ikatan amida harus diperhatikan untuk membuat TSA yang logis.
28-3. Apa yang akan merupakan TS atau intermediat reaktif dalam hidrolisis ikatan
amida?
28-4. Buatlah desain TSA yang cocok untuk menggantikan TS. Ingat TSA harus stabil
dan secara struktur dekat dengan TS.
55
Soal 29: Satuan pembangun material di Alam
Karet alam adalah polimer yang tersusun atas isopren, yakni suatu diena terkonjugasi
2-metil-1,3-butadiena. Isopren tidak hanya dijumpai dalam karet tetapi juga di berbagai
produk alami seperti terpen, yang sebagian besar kerangka karbonnya tersusun atas
satuan isopren yang dihubungkan kepala ke ekor(head-to-tail). Dengan mengenali
fakta -aturan isopren- ini sangat membantu dalam menentukan struktur dan
menentukan asal biosintetik terpen.
29-1. Temukan satuan isopren dalam produk terpenoid berikut
56
Dalam kimia polimer, satuan yang berulang disebut monomer dan monomer ini
dihubungkan melalui reaksi polimerisasi rantai atau polimerisasi bertahap. Beberapa
contoh polimerisasi diberikan di bawah ini.
29-2. Gambarkan satuan berulang dalam setiap produk polimer berikut.
alam diduga juga menggunakan pembangun dasar seperti HCN, NH3 dan air yang ada
di ruang antarbintang untuk menghasilkan adenin, guanin, sitosin dan urasil dalam
“sistem prebiotik” seperti yang didemonstrasikan oleh Oro di 1960.
29-3. Identifikasi asal (HCN, NH3 dan H2O) setiap atom karbon dan nitrogen dalam
basa-basa berikut
57
Soal 30: Benar atau salah
30-1. Hidrogen merupakan unsur paling melimpah di inti matahari.
30-2. Hidrogen adalah satu-satunya unsur di sistem periodik yang dapat ada tanpa
neutron. Hal ini menyarankan bahwa neutron sangat penting untuk mengikat
proton yang bermuatan positif dalam inti atom.
30-3. Jumlah neutron untuk inti yang berat melebihi jumlah protonnya, sebab tolakan
elektrostatik antar proton berjangka panjang (bekerja untuk jarak yang lebih
panjang) sedang gaya inti antara proton dan neutron berjangka pendek.
30-4. Helium merupakan unsur kedua paling melimpah di alam semesta. Rasio
molar antara inti hidrogen (proton) dan inti helium (partikel α) sekitar 3 banding
1.
30-5. Helium pertama kali dibuat di dalam bintang yang pertama muncul di sejarah
alam semesta.
30-6. Massa partikel α = 2 x (massa proton + massa neutron).
30-7. Atom netral pertama dibuat sebelum kelahiran bintang pertama di sejarah alam
semesta.
30-8. Penemuan argon terjadi sebelum penemuan aturan oktet.
30-9. Tabel periodik Mendeleev ditemukan sebelum argon ditemukan.
30-10. Penemuan proton terjadi sebelum penemuan elektron.
30-11. Energi ionisasi hidrogen leih besar dari energi ikatan molekul hidrogen.
30-12. Entalpi pembentukan CO2(g) sekitar dua kali entalpi pembentukan H2O(g),
sebab ada dua atom oksigen yang elektronegatif di CO2 sementara hanya ada
satu di H2O.
58
Soal 31: Penentuan massa molekul karbondioksida dari pengukuran
densitas.
Pendahuluan
Prinsip Avogadro (1811) merupakan dasar penetuan massa molekul dari densitas gas.
Cannizzaro pada tahun 1858 menunjukan bahwa penentuan massa molekul dari
densitas gas dapat digunakan untuk massa atom. Contohnya massa molekul
nitrogen oksida, dinitrogen oksida dan nitrogen dioksida relatif terhadap gas hidrogen
yang oleh Cannizzaro didefinisikan dengan 2, masing-masing adalah 30, 44, dan 46.
Dari data tersebut dapat ditentukan massa atom suatu unsure.
Penentuan densitas gas memberikan dampak nyata di abad ke 19. Rayleigh dan
Ramsay menemukan argon ketika menentukan densitas gas nitrogen (lihat soal-6).
Segera setelah itu suatu kelompok berhasil melengkapi Tabel periodik. Prinsip
Avogadro ditunjukkan pada percobaan berikut melibatkan penentuan massa molekul
karbondioksida dari pengukuran densitasnya. Percobaan ini juga menggunakan
konsep gas ideal.
Bahan-bahan
Es kering, air
Peralatan
Neraca dengan ketelitian 0.01 g, dua labu 500 mL berleher dua, selang karet, tutup
karet, aluminium foil, termometer barometer.
Disain Percobaan
31-1. Rencanakan dua prosedur terpisah untuk menentukan densitas karbondioksida
pada suhu ruang dan tekanan 1 atm menggunakan es kering sebagai sumber
karbondioksida.
31-2. Indikasikan sumber kesalahan yang mungkin dan sarankan cara memperkecil
kesalahan tersebut.
31-3. Hitung massa molekul (i) dari densitasnya relatif terhadap udara dan (ii) gunakan
konsep gas ideal.
59
Prosedur A
1. Catat temperatur (T) dan tekanan atmosfer (p).
2. Timbang labu, catat beratnya sebagai W1.
W1 = W(labu) + W(udara) (1)
3. Tempatkan beberapa potong es kering di dasar labu dan biarkan menyublim
beberapa saat. Setelah semua es kering menyublim, ukur temperatur dalam labu.
Tunggu beberapa saat sampai temperatur setimbang, bersihkan air yang
terkondensasi pada dinding luar labu, kekmudian timbang sebagai W2.
W2 = W(labu) + W(CO2) (2)
4. Tutup leher labu dengan penutup karet. Isi labu dengan air dan ukur volume labu
dengan cara menuangkan air dari labu ke dalam gelas ukur. Ini sama dengan
volume karbondioksida dalam labu yang dinyatakan sebagai V. Hitung berat
udara W(udara), pada kondisi percobaan. Asumsikan kadar nitrogen di udara
78% oksigen 21% dan argon 1%. Satu mol udara beratnya 29.0 g. Hitung
W(labu) dari persamaan (1) dan W(udara). Kemudian hitung W(CO2) dari
persamaan (2) dan W(labu).
5. Tentukan massa molekul karbondioksida dari W(CO2) dan W(udara).
MW(CO2) = (29.0)[W(CO2)/W(udara)]
6. Juga tentukan massa molekul karbondioksida menggunakan hukum gas ideal.
pV = [W(CO2)/MW(CO2)]RT
Prosedur B
1. Hubungkan kedua labu dengan menyambungkan kedua leher kecilnya dengan
selang karet. Tempatkan satu labu lebih tinggi dari labu lainnya, isi dengan es
kering dan tutup labu ini dengan tutup karet, biarkan karbondioksida mengalir ke
labu kedua melalui selang karet tersebut.
2. Setelah labu ke dua penuh dengan gas karbondioksida, tutup dengan aluminium
foil dan timbang. Keuntungan prosedur ini adalah karbondioksida pada labu
kedua berada pada temperatur dan tekanan ruang.
3. Tentukan volume, V, dan berat labu seperti pada prosedur A.
4. Ulangi sampai diperoleh massa yang konstan dari karbondioksida dalam labu
tersebut.
5. Tentukan massa molekul karbondioksida seperti cara di atas.
60
Problem 32: Penetuan massa molekul dengan penurunan titik lebur.
Pendahuluan
Penentuan densitas gas secara akurat dapat digunakan untuk menentukan massa
molekul senyawa gas pada abad 19. Untuk senyawa berbentuk cair dan padat,
digunakan sifat koligatif. Pada percobaan ini penurunan titik lebur digunakan sebagai
penentuan massa molekul suatu senyawa. Penurunan titik lebur ini dapat pula
digunakan untuk memeriksa teori Arrhenius pada disosiasi elektrolitik.
Bahan-bahan
Es, natrium klorida, sampel A (glucose), sampel B (sucrose)
Peralatan
thermometer atau digital suhu sensor (ketelitian 0.1°C), gelas kimia, tabung reaksi,
kawat.
Prosedur
1. Campurkan natrium klorida dengan es dan air dalam gelas kimia agar suhu
tercapai sampai -8 ~ -10°C. tambahlan lagi es dan garam bila diperlukan untuk
mempertahankan suhu tetap pada keadaan itu.
2. Masukkan beberapa mL air dalam tabung reaksi dengan diameter 2~3 cm.
Masukkan termometer dan rendam tabung itu dalam penangas es. Amati
perubahan suhu sekitar 10 menit. Temperatur akan turun secara drastic dan
meningkat perlahan sampai pada titik lebur. Kalibrasi termometer tersebut
terhadap titik lebur to 0°C.
3. Siapkan larutan natrium klorida 1.00 dan 2.00 molal dalam air. Tentukan titik lebur
larutan tersebut seperti prosedur di atas. Gunakan ketiga data tersebut (pada titik
kalibrasi, pada konsentrasi 1.00 dan 2.00 molal), buat kurva titik lebur terhadap
konsentrasi molal. Tentukan tetapan titik lebur air, Kf, dari kemiringan kurva dan
factor van’t Hoff i untuk natrium klorida.
- ΔTf = Kf m i
61
4. Larutkan 20 g sample A dalam 80 g air of water. Juga 20 g sample B dalam 80 g
air. Tentukan penurunan titik lebur kedua larutan sample tersebut dan hitung
kemolalannya.
5. Dari perhitungan kemolalannya, dan jumlah sample dalam 1,000 g pelarut, hitung
massa molekul kedua senyawa tersebut.
6. Analisis unsur menunjukkan bahwa kedua sample tersebut adalah karbohidrat.
Kadar C, H, dan O untuk kedua senyawa tersebut mirip yaitu C: 40~42%, H:
6~7%, O: 51~54%. Arankan rumus molekul senyawa A dan B.
62
Problem 33: Penentuan massa molekul polimer dengan titrasi.
Pendahuluan
Polycaprolactone (PCL) adalah polyester biodegradable dengan titik lebur rendah
(~60°C) biasanya dibuat dari polimerisasi pembukaan cincin (ring opening
polymerization = ROP) dari ε-caprolactone (-CL) menggunakan katalis tin(II) 2-
ethylhexanoate (stannous octanoate).
PCL merupakan biodegradable sempurna. Titik lebur yang rendah dari PCL membuat
PCL sebagai bahan komposit yang biodegradable. Contohnya PCL digabung dengan
kanji menjadi plastik murah untuk kantong sampah.
PCL didegradasi dengan hidrolisis pada ikatan ester dengan kondisi tertentu
membuatnya berperan penting pada berbagai biomaterial. PCL sudah terbukti
digunakan dalam tubuh manusia diberbagai negaradan berpotensi sebagai drug
delivery, sutures, adhesion barriers dan scaffolds pada perbaikan jaringan. Sejauh ini
berbagai obat-obatan sudah menggunakan pelapis PCL.
Baru-baru ini dilaporkan bahwa ROP dari -CL dapat diproses dengan pemanasan
dalam asam amino natural. Sehingga diperoleh biocompatibility dan in vivo PCL yang
aman, ini memuaskan tujuan medis dan farmasis.
Pada percobaan ini empat reaksi ROP akan dilakukan dengan interval waktu berbeda
untuk menghasilkan polimer dengan berbagai massa molekul. Karena derajat
polimerisasi sample tersebut rendah dan masing-masing molekul polimer memiliki
63
gugus ujung yang dapat dititrasi secara asam-basa, maka massa molekul polimer
dapat ditentukan dari titrasi gugus ujung tersebut. Masalah utama pada percobaan ini
adalah memilih pelarut yang tepat. Untungnya pelarut yang paling sesuai adalah
isopropyl alcohol/1,4-dioxane (v/v=1/4). Jadi PCL dapat dititrasi dengan KOH pada
pelarut tersebut dan menggunakan indicator larutan 1% phenolphthalein dalam
pyridine. Massa molekul rata-rata dari polimer Mn dapat dihitung sebagai berikut:
Mn = massa sample polimer dalam g / jumlah mol gugus ujungdari analisis.
Derajat polimerisasi pada waktu tertentu dapat diperoleh dari Mn untuk masing-masing
sampel.
DP = Mt/M0,
Mt; massa molekul pada saat t
M0; massa molekul satu unit monomer
Bahan-bahan
(Kode R dan S menunjukan risk dan safety phrases untuk bahan kimia.)
L-alanine,
-caprolactone (S 23-24/25),
KOH (R 22-35, S 26-36/37/39-45),
Tetrahydrofuran (THF, R 11-19-36/37, S 16-29-33),
methanol (R 11-23/24/25-39/23/24/25, S 7-16-36/37-45),
isopropyl alcohol (R 11-36-67, S 7-16-24/25-26),
1,4-dioxane (R 11-19-36/37-40-66, S 9-16-36/37-46),
1% phenolphthalein solution in pyridine (R 11-20/21/22, S 26-28)
Peralatan
Neraca dengan ketelitian 0.01 g, empat labu 50 mL, empat gelas kimia 250 mL, tabung
reaksi, buret 50 mL, Pasteur pipette, penangas minyak, hot plate stirrer, vacuum oven,
neraca skala mg.
64
Prosedure 1: Pembukaan cincin polimerisasi.
1. Dalam empat labu bundar 50 mL, masing-masing diisi dengan 0.13g L-alanine
(1.5 mmol) dan 5.13 g -caprolactone (45 mmol) dan aduk campuran pada 160°C
dalam penangas minyak. Selama pemanasan hubungkan labu dengan nitrogen
line untuk melepaskan tekanan yang terjadi selama reaksi.
2. Setelah selama 1, 5, 12, dan 24 jam, ambil satu labu dari penangas, dinginkan
pada temperatur ruang. Larutkan campuran dengan 5 mL tetrahydrofuran (THF)
dan endapkan produk polimer yang terbentuk dengan cara memasukkan pada 80
mL larutan methanol/H2O (v/v=4/1).
3. Saring endapan tersebut dan keringkan di oven selama bebrapa jam. Timbang
massa produk polimer tersebut.
Prosedure 2: Titrasi dengan KOH
1. Siapkan larutan KOH (sekitar 0.008 M) dalam isopropyl alcohol/1,4-dioxane
(v/v=1/4) yang telah distandarkan.
2. Larutkan masing-maisng sample polimer dalam 5.0 mL isopropyl alcohol/1,4-
dioxane (v/v=1/4). Tambahkan beberapa tetes larutan 1%
phenolphthalein/pyridine ke dalam 1.0 mL larutan polimer tersbut dan titrasi
dengan larutan standar KOH. Ulangi titrasi ini.
3. Hitung massa molekul rat-rata dalam g/mol dari pemakaian larutan standar.
4. Ulang langkah 2 dan 3 untuk semua sample.
Pertanyaan
Asumsikan bahwa konversi 100% monomer terjadi setelah 24 jam, dan semua asam
amino (alanine) terdapat dalam polymer.
33-1. Jika alanin bereaksi dengan caprolactone produk apa yang dihasilkan dan
bagaimana stukturnya? Jelaskan pula manfaat titrasi dengan KOH.
33-2 Pada waktu 1, 5, 12, dan 24 jam, hitung rendemen, mol KOH yang digunakan
pada titrasi, jumlah rantai polimer, rata-rata massa molekul polimer dan derajat
polimerisasi.
65
1 jam
sampel
2 jam
sampel
5 jam
sampel
24 jam
sampel
Rendemen Polymer (g)
volume larutan KOH (ml)
Jumlah KOH (mmol)
Jumlah polymer (mmol)
Mn (g/mol)
Derajat polimerisasi
33-3. Gambarkan masing-masing produk polimer pada percobaan 1, 5, 12, dan 24 jam.
Unit ulang dalam rantai polimer dapat digambarkan sebagai berikut:
11-aminoundecanoic acid
H2N COOH
10
66
Problem 34: Pemisahan dan penentuan kuantitatif zat warna dengan
kromatografi kolom dan spektrofotometri.
Pendahuluan
Pada percobaan ini, siswa menerima sample campuran zat warna allura red
(C17H12N2O8S2Na2, disingkat. AR) dan bromocresol green (C21H14Br4O5S, disingkat.
BCG) dalam bentuk basa. Sampel ini dimasukkan dalam kolom silica gel yang
dimasukkan dalam pipet Pasteur. Sampel ini harus dipisahkan dengan cara elusi
menggunakan pelarut yang tertera pada Table 1. Pilihlah dua pelarut yang paling
sesuai utnuk memisahkan zat warna tersebut. Setelah itu larutkan dalam sejumlah
volum tertentu dan ukur serapannya dengan spectrofotometri sinar tampak.
OCH3
NaO3S N N
HO
SO3NaAllura red
SO
O
O
OH
BrBr
H3C
OH
Br
BrH3C
Bromocresol green
Bahan-bahan
Reagent konsentrasi R phrases S phrases
allura red Solid
bromocresol green Solid 22-24/25
hydrochloric acid w(HCl) 35% 23-34-37 26-45
triethylamine 11-20/21/2-35 3-16-26-29-36/37/39-45
67
Methanol 11-23/24/25-39/23/24/25 7-16-36/37-45
ethyl acetate 11-36-66-67 16-26-33
silica gel Solid 22-24/25
Peralatan
Spectrofotometer sinar tampak; neraca analitik, kuvet (10-mm pathlength); dua belas
buah labu takar 10-mL dan dua 50-mL; dua gelas kimia 50-mL; tiga buah pipet
Pasteur2-mL; satu mikropipet 100-L, pipet filler
Prosedur 1: Pembuatan larutan baku zat warna.
Larutan zat warna ini cenderung terdekomposisi selang waktu beberapa lama, oleh
karena itu harus digunakan segera, menjelang dilakukan percobaan.
1. Timbang secara teliti 300 mg Bromocresol green, larutkan dengan ethyl acetate
dalam labu takar 50-mL, tambahkan triethylamine secukupnya untuk
menghasilkan bentuk basa berwarna violet.
2. Timbang secara teliti 100 mg Allura red, larutkan dengan 30 mL methanol dalam
labu takar 50-mL, tambahkan triethylamine beberapa tetes agar pelarutan
sempurna. Tambahkan methanol sampai tanda batas. Catatan: Allura red harus
dimurnikan dulu dengan cara melarutkan garam natrium AR dalam methanol.
Kemmudian disaring, kedalam filtratnya tambahkan HCl pekat berlebih. Setelah
sekitar 30 menit, kristal bentuk terprotonasi terbentuk dan dapat dipisahkan dari
larutannya.
Prosedur 2: Pembuatan larutan zat warna standar
Siapkan 5 larutan standar untuk masing-masing zat warna dengan cara pengenceran
larutan baku dalam labu takar 10-mL. Pada masing-masing larutan standar AR
tambahkan 3-4 tetes HCl pekat agar zat warna berada dalam bentuk asamnya.
Konsentarsi larutan standar harus berada pada kisaran 0,1-0,9 dari konsentrasi larutan
baku.
Prosedur 3: Pembuatan kurva kalibrasi zat warna
68
Buat kurva kalibrasi masing-masing zat warna dengan mengalurkan hubungan pada
puncak maksimum terhadap konsentrasi.
69
Prosedur 4: Pembuatan kolom kromatografi
Siapkan kolom kromatografi dengan cara memasukkan sedikit kapas glass wool ke
dalam pipet Pasteur berukuran 2-mL Setelah itu masukkan sluri Silica gel (45/70
mesh) dalam ethyl acetate sampai terbentuk kolom setinggi 4-5 cm.
Prosedur 5: Kromatografi kolom dan kuantitasi
1. Pindahkan 40-L sample ke dalam kolom.
2. Bilasi dinding kolom dengan beberapa pelarut yang dipilih dari Tabel-1, alirkan
pelarut ke dalam kolom dan tampung eluennya ke dalam labu ukur 10 mL yang
sudah mengandung 2-3 tetes triethylamine.
3. Alirkan pelarut ke dua yang dipilih dari Tabel-1 ke dalam kolom, dan kumpulkan
eluen ke dalam labu takar 10 mL yang telah mengandung 3-4 tetes HCl pekat.
Ada bahan pengotor yang tertinggal pada bagian atas kolom.
4. Encerkan fraksi pertama bentuk basa berwarna violet dengan pelarut yang sesuai.
5. Encerkan fraksi kedua bentuk asam berwarna merah dengan pelarut yang sesuai.
6. Temukan konsentrasi masing-masing sample dan jumlah masing-masing zat
warna dalam mg dari kurva kalibrasi.
Table 1. pelarut yang mungkin
No. pelarut Set I pelarut Set II
1 ethyl acetate methanol
2 Methanol ethyl acetate
3 ethyl acetate-HCla (200:1 v/v) methanol-HCl (200:1 v/v)
4 ethyl acetate-TEA (200:1 v/v) methanol-TEA (200:1 v/v)
5 methanol-HCl (200:1 v/v) ethyl acetate-HCl (200:1 v/v)
6 methanol-TEA (200:1 v/v) ethyl acetate-TEA (200:1 v/v)
a. HCl pekat.
Pertanyaan
34-1. Berapa konsentrasi sample AR dan BCG dalam ppm?
70
34-2. Pemisahan tersebut dilakukan dalam fasa normal kromatografi cair, mana yang
akan keluar lebih dulu dan pelarut apa yang dipilih untuk melarutkan zat warna
pertama? Jelaskan.
34-3. Zat warna apa yang akan keluar kedua? Pelarut apa yang digunakan utnutk
mengeluarkannya? Jelaskan.
Soal 35: Sintesis β-dimethylaminopropiophenone hydrochloride
Pendahuluan
Prozac adalah anti depresi yang popular, juga dikenal sebagai “obat gembira” Bahan
aktif Prozac adalah fluoxetine. Fluoxetine dibuat dari β-dimethylaminopropiophenone
dalam empat tahap reaksi.
Molekul target dapat diperoleh melalui reaksi 3 atau 4 bahan baku dalam satu wadah
yang dikenal dengan singkatan MCR = multicomponent reaction. Diantara berbagai
reaksi MCR telah dikembangkan reaksi kimia organik pada berbagai industri farmasi
untuk membuat senyawa obat dengan molekul rendah. Contoh reaksi Mannich
merupakan kombinasi tiga fragmen sintesis membentuk produk tunggal. Reaksi
multikomponen ini dapat diterapkan pada sintesis β-dimethylaminopropiophenone,
dimana paraformaldehyde dan dimethylamine hydrochloride dikombinasikan dengan
acetophenone secara langsung membentuk β-dimethylaminopropiophenone.
71
Bahan kimia
acetophenone (R 22-36, S 26), concentrated HCl (R 23-34-37, S 26-45),
dimethylamine hydrochloride (R 22-36/37/38, S 26-36/37),
paraformaldehyde (R 20/22-37/38-40-41-43, S 26-36/37/39-45),
ethanol (R 11, S 7-16), ethyl ether (R 12-19-22-66-67, S 9-16-29-33),
hexane(R 11-38-48/20-51/53-62-65-67, S 9-16-29-33-36/37-61-62),
methanol (R 11-23/24/25-39/23/24/25, S 7-16-36/37-45),
ethyl acetate(R 11-36-66-67, S 16-26-33), NaHCO3, acetone
KMnO4 (R 8-22-50/53, S 60-61), ZnCl2 (R 22-34-50/53, S 26-36/37/39-45-60-61)
FeCl3 (R 22-38-41, S 26-39), AgNO3 (R 34-50/53, S 26-45-60-61)
NaOH (R 35, S 26-37/39-45), NH3 (R 34-50, S 26-36/37/39-45-61)
2,4-dinitrophenylhydrazine (R 1-11-22, S 35), conc. sulfuric acid (R 35, S 26-30-45)
Peralatan
Labu bundar 25-mL, Erlenmeyer 50 mL, pengaduk, pengatur suhu, heating mantle,
pasir, statif, klem, peralatan titik lebur, pipa kapiler, pengaduk magnet, kondensor,
refluk, corong Büchner, labu isap, batang pengaduk, kertas saring, gelas kimia 100
mL, pelat-TLC (silica gel 60 F254, ketebalan: 250 μm, di atas pelat kaca), alat suntik
mikro, lampu UV.
Prosedur
Reaksikan 2 mL acetophenone, 0.65 g dimethylamine hydrochloride dan 1.76 g
paraformaldehyde dalam labu bundar 25 mL. Ke dalam labu ini tambahkan 4 mL 95%
ethanol dan 40 μL HCl pekat. Masukkan pengaduk magnet dan pasang kondensor,
lalu refluk campuran ini selama 2 jam dengan menempatkan labu dalam penangas
pasir pada 120°C. Biarkan campuran reaksi ini dingin sampai temperatur 50~80°C dan
tuangkan ke dalam Erlenmeyer kecil, jangan gunakan pipet karena bahan ini dapat
membeku dalam pipet. Tambahkan 16 mL acetone dan biarkan labu ini dingin sampai
suhu ruang. Aduk campuran dengan batang pengaduk dinginkan labu dalam
penangas es agar terbentuk kristal sempurna. Saring dengan corong Büchner dan cuci
padatan tersebut dengan 4 mL acetone. Biarkan produk menjadi kering (sekitar 20
menit dalam corong). Timbang dan tentukan titik leburnya.
Ekstrak amine bebas ke dalam pelarut organik dengan larutan NaHCO3 dalam air
untuk kromatografi lapis tipis (TLC). Larutkan sekitar 0.1 g product dengan aqua DM
72
dan pindahkan larutan ke dalam corong pisah kecil. Tambahkan ethyl ether sebagai
pelarut organic. Netralkan lapisan air dengan larutan NaHCO3. Gunakan kertas pH.
Temukan lapisan organik dan lakukan TLC dengan eluen ethyl acetate: hexane (2:1,
v/v) atau ethyl acetate: methanol (2:1, v/v).
Uji kualitatif
Lakukan uji berikut dan laporkan pengamatannya.
1) Uji Baeyer (Kalium permanganat); ALKENES dan ALKYNES
( * Uji ini dilakukan untuk menentukan adanya gugus fungsi olefinic atau acetylenic.
)
Larutkan 30 mg sample dalam 2 mL air. Tambahkan beberapa tetes larutan 0.1 M
KMnO4 laporkan hasilnya.
2) Uji Lucas ; ALCOHOLS
( * Uji ini dilakukan untuk membedakan alcohol primer, sekunder dan tertier dengan
massa molekul rendah).
Buat pereaksi Lucas dengan melarutkan 136 g seng klorida dalam 89 mL HCl pekat
dalam penangas es. Tambahkan 2 mL pereaksi Lukas ini ke dalam tabung reaksi
yang mengandung 30 mg sample. Catatan diperlukan waktu yang cukup untuk
terbentuknya alkil klorida yang tak larut, yang nampak seperti emulsi.
3) Uji Ferri chloride; PHENOLS
( * Uji ini berguna untuk identifikasi fenol)
Larutkan 30 mg sample dalam 2 mL air atau campuran etanol-air, tambahkan 3 tetes
larutan ferric chloride 2.5% dalam air. Hampir semua fenol bereaksi menghasilkan
warna merah, violet atau merah-ungu.
4) Uji Tollen (ion kompleks besi-amonia); ALDEHYDES
( * Uji ini berguna untuk membedakan aldehida dari keton dan karbonil lainnya)
Ke dalam tabung reaksi masukan 2 mL larutan perak nitrat 5% dan 1 tetes larutan
NaOH 10%. Tambahkan tetes demi tetes larutan ammonium hydroxide 2 M sambil
dikocok sampai endapan hitam perak oksida tepat larut kembali. Tambahkan 1 tetes
73
atau 30 mg sample, aduk dan biarkan pada suhu ruang selama 20 menit. Bila tidak
terjadi reaksi, panaskan tabung reaksi ini dalam penangas air 35 oC selama 5 menit.
5) Uji 2,4-dinitrophenylhydrazine ; ALDEHYDES dan KETONES
( * Uji ini dilakukan untuk identifikasi aldehydes dan ketones. )
Siapkan reagen 2,4-dinitrophenylhydrazine dengan cara melarutkan 3 g 2,4-
dinitrophenylhydrazine dalam asam sulfat pekat 15 mL dan pada larutan ini tambahkan
campuran 20 mL air dan 70 mL ethanol95%. Larutkan 100 mg sample dalam 2 mL
ethanol95%, dan tambahkan larutan ini pada 2 mL reagen 2,4-dinitrophenylhydrazine.
Kocok campuran ini kuat-kuat, bila tidak terbentuk endapan biarkan selama 15 menit.
Hasil
- Reagen & Produk (tunjukan perhitungannya)
Reagen
(nama senyawa)
M.W.
(g/mol)
grams
(atau mL)
yang
digunakan
mmole
yang
digunakan
eqivalen Sifat fisik
Produkl: [M.W. = g/mol ]
massa: g
Rendemen: %
- Titik lebur: oC (yang diamati)
oC (data literatur)
- Nilai Rf (Catat nilai Rf dan ukuran serta bentuk noda):
(Tunjukkan perhitungan)
Reagen ujiHasil Tes
diamati diharapkan
1) KMnO4 (uji Baeyer)
2) HCl, ZnCl2 (Uji Lucas)
74
3) FeCl3 (Larutan Ferric chloride)
4) AgNO3/NaOH/NH3 (reagen Tollen)
5) 2,4-dinitrophenylhydrazine
Pertanyaan
Mekanisme umum reaksi Mannich di bawah ini diberikan sebagai ilustrasi. Tentukan
reaksi keseluruhan dalam beberapa tahap, coba tunjukan mekanismenya
75
76
Soal 36: Kinetika enzim dengan katalase.
Pendahuluan
Katalisis adalah konsep utama di kimia dan biologi, dalam kehidupan dan proses
industri. Enzim adalah katalis pada reaksi biokimia. Dalam percobaan ini diteliti
kinetika Michaelis-Menten pada dekomposisi hidrogen peroxide (2H2O2 2H2O + O2)
dengan katalase dalam jus kentang. Katalase terkenal karena laju reaksi yang sangat
tinggi. Satu molekul katalase dapat menguraikan 40 juta molekul hidrogen peroxide
dalam satu detik. Laju secepat ini diperlukan untuk mendapatkan spesi oksigen reaktif
dan melindungi komponen selular dalam lingkungan oksidatif. Gambar berikut
menunjukkan struktur 3 dimensi katalase dari E. coli yang ditentukan secara
crystallography sinar-X.
Jumlah mol gas oksigen yang dihasilkan dapat ditentukan dari volume yang terukur
menggunakan buret atau dari perubahan tekanan dalam tempat reaksi tertutup. Laju
reaksi dapat dinyatkan dalam jumlah mol oksigen per satuan waktu.
Suatu enzim (E) dikombinasikan dengan substrat (S) menghasilkan komplek enzim-
substrat (ES) dengan tetapan laju k1. ES dapat terdekomposisi kembali membentuk
E dan S dengan tetapan laju k2 atau membetuk produk (P) dengan tetapan laju k3.
Keadaan ‘steady state’ untuk ES dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
d[ES]/dt = k1([E]tot - [ES])[S] , where [E]tot = [E] + [ES]
-d[ES]/dt = k2 [ES] + k3[ES]
[S]([E]tot - [ES])/[ES] = (k2 + k3)/k1
(k2 + k3)/k1 didefinisikan sebagai tetapan Michaelis-Menten, KM.
Penyelesaian persamaan terakhir untuk [ES] menghasilkan [ES] = [E][S]/(KM +[S]).
77
Ambil v laju awal evolusi oksigen: v = k3[ES]
Jika enzim hanya ada sebagai ES, v akan mendekati nilai maksimum, Vmax = k3[E]tot
Dari hubungan tersebut diperoleh persamaan Michaelis-Menten.
v = Vmax[S]/(KM + [S])
Sebenarnya, KM adalah nilai [S] ketika v = Vmax/2. Dengan kebalikan persamaan
Michaelis-Menten diperoleh persamaan Lineweaver-Burk (lihat gambar), yang sering
digunakan dalam kimia.
1/v =(KM/Vmax)(1/[S]) + 1/Vmax
Bahan
hydrogen peroxide (R 34, S 28-36/39-45), kentang segar, katalase
Peralatan
blender, penangas es, penangas air mendidih.
78
Prosedur
1. Siapkan larutan hidrogen peroxide 0.5, 1, 2, 3, 4, 6% dengan pengenceran dari
hidrogen peroxide 30% dengan aqua DM.
2. Buatlah jus kentang dengan alat blender, saring jus dengan penyaring kain,
simpan jus dalam penangas es.
3. Tambahkan 2 mL jus ini ke dalam 30 mL larutan hidrogen peroxide yang telah
diencerkan dan kocok, sebagai blanko gunakan 30 mL aqua DM tanpa jus.
4. Ukur volum oksigen yang dihasilkan menggunakan peralatan yang telah disusun
seperti di atas. Gunakan busa sabun dan bola karet, ukur waktu yang diperlukan
untuk mendapatkan volum tertentu misalnya 20 mL gas oxygen pada temperatur
ruang.
5. Ulangi dengan menggunakan hidrogen peroxide 6% dan jus yang dipanaskan
dalam penangas air mendidih selama 10 menit untuk denaturasi enzim.
6. Jika tersedia Katalase murni, ulangi keseluruhan percobaan menggunakan
Katalase dengan konsentrasi yang diketahui misalnya 1 mikromolar.
Pertanyaan
36-1. Hitung konsentrasi molar hidrogen peroxide, [S].
36-2. Hitung jumlah mol oksigen yang dihasilkan pada masing-masing waktu [S].
36-3. Hitung v untuk masing-masing [S].
36-4. Buat grafik v terhadap [S] dan lihat nilai maksimumnya.
79
36-5. Kembangkan grafik Lineweaver-Burk untuk menentukan KM dan Vmax.
36-6. Jika diketahui [E]tot, hitung k3 dari Vmax = k3 [E]tot. Berapa jumlah Katalase per
detik?
80
top related