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