III-1

klorometana diklorometana triklorometana tetraklorometanaCH4 + Cl2 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 + HCl

BAB III ALKANA

1. Pendahuluan

1.1. Deskripsi Bab III ini membahas tentang alkana, sifat-sifat fisika dan sifat kimianya serta reaksi-reaksi alkana.

1.2. Manfaat/ Relevansi Alkana merupakan senyawa hidrokarbon yang paling sederhana yang merupakan basis dari senyawa organik, maka perlu pemahaman tentang sifat fisika dan sifat kimia serta reaksi-reaksi yang terkait dengan alkana.

1.3. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) Setelah membaca Bab III ini, mahasiswa mampu menjelaskan tentang sifat fisika dan sifat kimia, reaksi perubahan serta sumber-sumber alkana. 1.4. Petunjuk Mempelajari a. Baca dan pahami semua yang ada dalam bab ini dengan teliti. b. Tingkatkan pemahaman dengan menambah bahan bacaan lain yang relevan. c. Diskusi dengan teman untuk meningkatkan pemahaman. d. Berlatih dengan tekun untuk meningkatkan pemahaman. e. Jika ada kesulitan, bertanya kepada dosen atau narasumber lain yang relevan.

2. Penyajian 2.1 Sifat Fisika Alkana

Alkana merupakan senyawa non polar, gaya tarik antar molekulnya lemah. Pada suhu kamar, alkana rantai lurus C1-C4 berupa gas, C5-C17 berbentuk cair, C18 atau lebih berbentuk padat. Titik didih alkana makin tinggi dengan bertambahnya atom karbon, yang disebabkan karena gaya tarik van der Waals antar molekul yang makin panjang. Alkana dengan jumlah atom C yang sama bila molekulnya bercabang, titik didihnya lebih rendah. Hal ini disebabkan molekul bercabang tidak dapat saling mendekati cukup dekat bagi semua atom C-nya untuk mencapai jarak van der Waals secara optimal; sehingga gaya tarik antar molekulnya lebih lemah dari pada molekul rantai lurus. [lihat kembali bab I tentang gaya tarik antar molekul n-pentana dan neopentana] 2.2 Sifat Kimia Alkana

Alkana kurang reaktif dibandingkan senyawa yang mempunyai gugus fungsional. Karena sifat kurang reaktif ini, maka alkana disebut parafin (afinitas kecil sekali). Reaksi penting dari alkana adalah pembakaran, reaksi dengan halogen dan pirolisa.

2.2.1 Pembakaran

Pembakaran adalah reaksi cepat suatu senyawa dengan oksigen. Pembakaran sempurna adalah pengubahan suatu senyawa menjadi CO2 dan H2O. Reaksi pembakaran sempurna:

OH43COO5HC

OH2COOCH

22283

2224+→+

+→+

pembakaran tidak sempurna menghasilkan CO; bila sangat tidak sempurna menghasilkan karbon dalam bentuk arang atau jelaga.

O4HC62OH2C

OH8CO67OH2C

2283

2283

+→++→+

2.2.2 Reaksi dengan Halogen

Reaksi alkana dengan halogen (halogenasi) berlangsung dengan hadirnya cahaya ultraviolet. Hasil reaksinya adalah substitusi oleh satu atom halogen terhadap atom-atom hidrogen yang terikat pada karbon. Contoh: reaksi klorinasi metana.

hυ

III-2

klorometana

diklorometana

.H Cl + CH2Cl::H CH2Cl.Cl

.CH2Cl2 + Cl: Cl Cl CH2Cl.

Cl Cl 2 Cl.uν

Klorinasi metana menghasilkan 4 macam produk, sedikit alkana yang lebih tinggi, seperti etana dan produk-produk klorinasi mereka dapat terbentuk disini. Hal ini dapat dijelaskan melalui mekanisme reaksi radikal bebas yang dibayangkan sebagai suatu deret reaksi bertahap yaitu pemulaan (inisiasi), perambatan (propagasi) dan pengakhiran (terminasi).

Inisiasi

Tahap inisiasi adalah pembentukan awal radikal-radikal bebas, yang merupakan pemaksapisahan homolitik molekul Cl2 menjadi 2 radikal bebas klor. Reaksi ini perlu energi dari cahaya ultraviolet atau dari pemanasan pada suhu sangat tinggi.

inisiasi:

Propagasi

Radikal bebas klor yang terbentuk mengawali sederetan reaksi dalam mana terbentuk radikal bebas baru yang disebut reaksi rantai. Tahap propagasi pertama, Cl. yang reaktif merebut sebuah atom hidrogen dari dalam molekul CH4, menghasilkan radikal bebas metil dan HCl.

propagasi:

Cl. H CH3: :H Cl + CH3

.

dalam tahap propagasi kedua, radikal bebas metil merebut sebuah atom klor dari molekul Cl2.

. CH3 Cl Cl: CH3Cl + Cl.

Tahap ini menghasilkan salah satu dari produk keseluruhan, yaitu CH3Cl, juga menghasilkan ulang Cl., yang nantinya dapat merebut atom hidrogen dari molekul CH4 lain dan memulai deret propagasi lagi. Karena sebuah Cl. menyebabkan reaksi dan sebuah Cl. juga terbentuk, maka secara teoritis proses ini dapat berlangsung terus. Daur propagasi terputus oleh reaksi pengakhiran.

Terminasi

Reaksi apa saja yang memusnahkan radikal bebas dapat mengakhiri daur propagasi radikal bebas. Klorinasi metana diakhiri terutama oleh bergabungnya radikal bebas.

CH3.. Cl + CH3Cl

. CH3 CH3.+ CH3CH3

Reaksi kedua ini disebut reaksi kopling (penggabungan dua gugus alkil). 2.2.3 Terjadinya Campuran Produk

Reaksi klorinasi metana, selain klorometana (CH3Cl) juga menghasilkan diklorometana (CH2Cl2), triklorometana (CHCl3) dan tetraklorometana (CCl4). Sementara reaksi antara klor dan metana belum selesai, telah cukup banyak terbentuk CH3Cl. Pada waktu itu, radikal bebas klor lebih mungkin bertabrakan dengan CH3Cl dari pada dengan CH4 dan daur propagasi baru dimulai. Tahap propagasi yang menghasilkan diklorometana:

III-3

H3C

HCH3CH2

H

(CH3)2CH

H(CH3)3C H

metil primer sekunder tersierallilik dan benzilik

CH3CH2CH3 + Cl2 CH3CHCH3 + CH2CH2CH3

Cl Cl

2-kloropropana55%

1-kloropropana45%

Diklorometana dapat mengalami propagasi lebih lanjut menghasilkan triklorometana dan triklorometana mengalami propagasi lagi menghasilkan tetraklorometana (sampai atom H habis, digantikan oleh atom Cl). Contoh soal Tuliskan tahap propagasi yang menghasilkan triklorometana (kloroform) dari diklorometana. Penyelesaian:

Cl. H CHCl2: :H Cl + CHCl2.

. CHCl2 Cl Cl: CHCl3 + Cl .

Soal Latihan 3.1 Tuliskan tahap propagasi yang menghasilkan tetraklorometana (karbon tetraklorida) dari triklorometana. Alkana yang lebih tinggi dapat menghasilkan lebih banyak macam produk karena tersedia lebih banyak macam hidrogen yang dapat ikut serta dalam reaksi propagasi.

Soal Latihan 3.2

a. Berapa banyak kloroalkana yang terbentuk dalam klorinasi etana. b. Saudara diminta membuat kloroetana dari klor dan etana. Jika ingin menghindari produk-produk

yang lebih tinggi, maka angka banding molar reaktannya: 1). ekimolar CH3CH3 dan Cl2; 2) Cl2 berlebih atau 3) CH3CH3 berlebih. Jelaskan.

2.2.4 Tahap Penentu Laju Reaksi

Dari beberapa tahap reaksi radikal bebas, tahap manakah yang menentukan laju reaksi? Yang menjadi tahap penentu laju adalah abstraksi (perebutan) hidrogen pada tahap propagasi.

Hidrogen mana yang direbut? Macam-macam atom hidrogen dalam senyawa organik : hidrogen metil (CH3), hidrogen primer

(terikat pada karbon primer), hidrogen sekunder (terikat pada atom C sekunder), hidrogen tersier (terikat pada atom C tersier), allilik dan benzilik. Macam-macam atom hidrogen ini tidak direbut oleh radikal bebas dengan laju yang sama.

H-metil 1oH 2oH 3oH

Reaktivitas bertambah

Sebagai contoh, pada reaksi monoklorinasi propana dihasilkan 55% 2-kloropropana dan 45% 1-kloropropana. Mengapa demikian ?

Ada 6 atom hidrogen primer dan 2 atom H sekunder, maka bila semua hidrogen direbut dengan laju yang sama maka pastilah 1-kloropropana tiga kali lebih banyak dari pada 2-kloropropana. Ternyata 2-kloropropana lebih banyak. Ini berarti perebutan hidrogen sekunder lebih cepat dari pada hidrogen primer. Berarti ada derajat selektivitas dalam perebutan hidrogen.

III-4

n-pentana

etana etena

propana

CH3CH2CH2 CH2CH3 CH3CH2CH2 CH2CH3 .. +panas

. .CH3CH3 + CH3CH2CHCH2CH3CH3CH2

..HCH3CH2CHCH2CH3

.CH3CH2 CH2CH3 . CH3CH2CH2CH3

CH3CH2 .. CH2 CH2

..HCH3CH3 + CH2 CH2

:Cl. CH3 C CH3

H..H Cl + CH3 C CH3

.

H Hradikal bebas

sekunder

propana

+H Cl..

CH2 CH2 CH3.Cl :

H CH2 CH2 CH3

.

radikal bebas primer

Mengapa ada hidrogen yang direbut lebih cepat dari pada yang lain? Perhatikan tahap abstraksi (perebutan hidrogen ) pada klorinasi propana:

Pada tahap ini dihasilkan radikal bebas sebagai intermediet. Apabila radikal bebas bersifat lebih stabil maka kecepatan reaksinya bertambah.

Contoh lain, bagaimana laju relatif abstraksi hidrogen mempengaruhi angka banding banyaknya produk, juga ditunjukkan pada klorinasi metil propana.

CH3CHCH3 (CH3)2CHCH2Cl + (CH3)3CCl + produk lainCH3

Cl2 hν

metil propana 1-kloro-2-metilpropana t-butilklorida(isobutana) (isobutilklorida) 50% 30% 20%

Soal Latihan 3.3

Dalam klorinasi metilpropana, bagaimana angka banding banyaknya isobutil klorida : t-butilklorida, seandainya semua hidrogen direbut dengan laju yang relatif sama.

2. 3. Reaksi Pirolisis

Pirolisis adalah pemecahan molekul besar menjadi molekul kecil karena panas tanpa adanya O2. Reaksi ini disebut juga cracking atau perengkahan. Reaksi pirolisis mengikuti mekanisme reaksi radikal bebas. Contoh reaksi pirolisis n-pentana.

Mekanisme reaksi:

(1) pemulaan secara homolisis

(2) propagasi (perambatan) : abstraksi hidrogen

(3) terminasi (pengakhiran)

(a) secara kopling

(b) secara disproporsinasi (reaksi oksidasi reduksi)

H3C . CH3CH2. (CH3)2CH

.(CH3)3C .

metil primer sekunder tersier

kestabilan meningkat

III-5

X X 2 X: :: ....

....

..

...

.....:XR H + R. + H ..

...... :Xpropagasi:

X:....

..:R. + ....

....

....: ::X X R X +

..

..:: ......

:X2.... :X X

2 R. R R

: .R. + X R X :......

..

inisiasi:

terminasi:

Soal Latihan 3.4 Tuliskan tahap-tahap reaksi pirolisis pentana, jika reaksi inisiasi merupakan homolisis antara karbon no1 dan no.2.

Soal untuk dipelajari 1. Tulislah struktur semua produk yang mungkin dari monobrominasi pentana. Perhatikan

kerumitan campuran produknya. 2. Jelaskan hasil pengamatan bahwa ada sedikit etana dan kloroetana yang terbentuk selama

monoklorinasi metana. (Petunjuk: pertimbangkan langkah terminasi rantai) 3. Tulislah persamaan untuk reaksi pembakaran pentana. 4. Dengan memakai rumus struktur, tulislah persamaan untuk reaksi monobrominasi butana. 5. Tulislah semua langkah mekanisme reaksi radikal bebas monoklorinasi etana. Produk samping

apakah yang saudara harapkan terbentuk sebagai akibat terminasi rantai.

Reaksi: CH3CH3 + Cl2 CH3CH2Cl + HCl

3. Penutup

3.1 Rangkuman

Reaksi utama alkana adalah pembakaran, halogenasi dan pirolisis.

Reaksi pembakaran:

OHnnCOOHC nnn 2222

1322 )1()( ++→+ +

+

Halogenasi:

R-H + X2 R-X + H-X (X: Cl, Br)uv atau

kalor Mekanisme halogenasi:

Pirolisis adalah pemecahan senyawa organik secara radikal bebas dan termal.

3.2 Tes Mandiri

1. Berapa banyak kloroalkana yang terbentuk dalam klorinasi etana.

2. Saudara diminta membuat kloroetana dari klor dan etana. Jika ingin menghindari produk-produk

yang lebih tinggi, maka angka banding molar reaktannya adalah:

a. ekimolar CH3CH3 dan Cl2; b. Cl2 berlebih atau c. CH3CH3 berlebih. Jelaskan.

6. Dengan memakai rumus struktur, tulislah reaksi pembakaran pentana.

7. Dengan memakai rumus struktur, tulislah persamaan untuk reaksi monobrominasi butana.

8. Tulislah semua langkah mekanisme reaksi radikal bebas monoklorinasi etana. Produk samping

apakah yang saudara harapkan terbentuk sebagai akibat terminasi rantai.

CH3CH3 + Cl2 CH3CH2Cl + HCl

6. Apakah bensin yang merupakan campuran senyawa alkana larut dalam air? Jelaskan.

III-6

4. Pustaka a. Fessenden, R.J. dan J. S. Fessenden, 1986, Organic Chemistry, 3rd edition. Wadsworth, Inc.,

Belmont, California. Alih bahasa : Pudjatmaka, A.H. 1999, Kimia Organik. Penerbit Erlangga, Jakarta, Jilid 1

b. Solomons, T.W.G., 1988, Organic Chemistry, 3th edition, John Wiley & Sons, Inc., New York c. Hart, H., L.E. Craine dan D.J. Hart, 2003, Organic Chemistry, 11th edition. Wadsworth, Inc.,

Belmont, California. Alih bahasa : Suminar S.A., 2003, Kimia Organik, edisi 11, Penerbit Erlangga, Jakarta