WUJUD MATERI

SUDUT PANDANGAN DARI DUNIA MAKRO
Satu alasan utama studi kimia menjadi sulit adalah selalu ada perbedaan dalam cara benda-benda nampak bekerja dari titik pandang atomnya dan pandangan dari ukuran manusia. Seseorang biasanya memiliki tinggi badan antara satu sampai dua meter. Sebuah atom biasanya berdiamter 1-2 Å. Anda mungkin mengatakan bahwa dalam satu dimensi panjang terdapat selisih ukuran sebesar E10 (1010) antara manusia dengan atom. Bagaimana apabila terdapat suatu penciptaan (makhluk) yang E10 lebih besar dari manusia? Bagaimana ia akan terlihat oleh kita dan bagaimana ia melihat kita? Baiklah, katakan sesuatu makhluk ciptaan sebesar itu kita sebut saja ‘vrumschk’ karena saya tidak mengenal apapun yang disebut sebuah vrumschk itu. (Bila anda mengetahui apapun yang namanya sebuah vrumschk, atau misalnya seseorang dengan nama apa saja seperti itu, TOLONG katakan kepada saya sehingga saya dapat menggantinya dengan nama lain.) Rata-rata vrumschk anda adalah membentang sepanjang 1,5 E 10 meter. Jarak ini adalah satu menit cahaya, sehingga ia memakan waktu keseluruhaan satu menit agar cahaya bisa melintasi dari satu ujung ke ujung lainnya dari sebuah vrumschk. Pada ukuran itu, ia akan memiliki massa yang kira-kira sama sebesar rata-rata sebuah galaksi. (anda dapat mempertentangkan mengenai massanya. Jangan hiraukan.) Delapan vrumschk akan sama dengan jarak antara bumi dan matahari. Sebuah vrumschk akan jarang sekali dapat menempatkan jari-jarinya antara bumi dan bulan.
Satu vrumschk berkata kepada yang lain, “Hey, Snerbert! Kemarilah!” Anda tidak akan percaya ini, tetapi saya sedang mendapatkan sinyal-sinyal dari debu di sekeliling benda luar biasa besarnya ini. Saya berani bertaruh ada sesuatu yang “hidup” di bintik yang kecil itu.
“Kamu sedang menghisap debu komet,” kata Snerbert, “Tidak ada cara untuk melihat apapun yang kecil itu karena frekuensi radiasi elektromagnetik yang kita dapat deteksi adalah jauh lebih besar untuk membuat sebuah gambaran dari apapun yang kecil itu. Apakah kamu memiliki bukti apa saja bahwa mereka ada??
“Saya mengamatinya ia telah ada selama beberapa milyar tahun dan ia telah berubah sejak waktu itu. Saya baru-baru ini telah mengambil bukti-buktinya dalam sebuah frekuensi radiasi elektromagnetik yang begitu luar biasa tingginya. Beberapa dari frekuensi itu diartikan hanya sebagai frekuensi vibrasi dan beberapa lagi dapat diubah ke dalam sebuah gambar. Beberapa hal tentang Ricky Ricardo telah sampai di perkumpulan itu sebelum Lucy menyadarinya.
Demikian juga halnya, kita memiliki bukti atom-atom tersebut ada meskipun seandainya kita tidak dapat melihatnya secara langsung. Kita mengetahui apa yang mereka lakukan dalam beberapa kondisi. Kita bisa memperoleh radiasi elektromagnetik darinya, bila tidak, saya lebih menyukai acara-acara Lucy. Kita memiliki cukup bukti dari apa yang berjalan pada level atomnya. Alat yang terbaik yang kita miliki adalah imajinasi kita. Kita bangun model-model susunan apapun yang mungkinnya pada level itu dan menguji gagasan tersebut terhadap pengamatan-pengamatan yang lain yang kita dapat buat zat-zatnya.
Hasil bertahun-tahun dari studi yang cermat mengenai materi menunjukkan bahwa dunia “mikro”-nya atom-atom dan partikel-partikel sub-atomik sangat berbeda dari dunia “makro” di mana kita tinggal. Hasilnya yang telah disimpulkan merupakan konstruksi yang mengagumkan dari hasil kerja keras dan pengamatan yang cermat. Hasil ini telah membawa ke sebuah lompatan keyakinan untuk mengambil teori bagaimana dunia mikro bekerja sampai menjelma fakta-faktanya, sebagaimana anda lihat bagaimana lebih dan lebih lagi ia menyusun kembali bersama-sama, membuatnya nampak sebagai sesuatu yang mungkin lebih kecil kalau anda mempelajari kimia.

TEORI KINETIK MATERI
Teori Kinetik Materi adalah penjelasan bagaimana kita menganggap atom-atom dan molekul-molekul, khususnya dalam bentuk gas, berperilaku dan bagaimana ia dihubungkan dengan cara-cara yang kita harus lihat segala sesuatunya di sekeliling kita. Teori Kinetik adalah sebuah cara yang baik untuk menghubungkan ‘dunia mikro’ dengan ‘dunia makro’.
Pernyataan Teori Kinetik adalah:
Semua materi terbentuk dari atom-atom, keping yang paling kecil dari masing-masing unsur. Partikel suatu gas bisa terdapat sebagai sebuah atom atau kelompok atom.
Atom-atom memiliki suatu energi gerak yang kita rasakan sebagai suhu. Gerakan atom-atom atau molekul-molekul dapat berada dalam bentuk gerak lurus translasi, gerak vibrasi atom-atom atau molekul-molekul terhadap yang lainnya atau menarik melawan ikatan, dan rotasi atom-atom secara individual atau bersama-sama sebagai kelompok atom-atom.
Ada suhu yang kita dapat perkirakan, yakni nol mutlak, di mana yang secara teoretis gerakan atom-atom dan molekul-molekul akan berhenti.
Tekanan gas terjadi disebabkan gerak atom-atom atau molekul-molekul gas yang menabrak objek yang merintangi tekanannya. Terhadap dinding wadahnya dan terhadap partikel-partikel gas lainnya, tumbukan bersifat elastis (lenting sempurna, tidak ada gesekan).
Terdapat jarak yang sangat lebar antara partikel-partikel gas dibandingkan dengan ukuran partikel-partikel yang dengan demikian ukuran partikel boleh diabaikan.
Karena cahaya, radiasi elektromagnetik, diperlukan untuk melihat sebuah objek dan cahaya yang jatuh pada suatu objek memberinya energi, segera seseorang dapat melihat objek pada suhu nol mutlak, ia tidak lagi pada suhu nol mutlak pada energi barunya. Apapun cara deteksi lainnya akan menambah energi ke bahan tersebut pada suhu nol mutlak. Sebuah objek yang berada pada suhu nol mutlak akan sepadat anti-materi. Bagaimana anda akan menahannya pada kondisi demikian? Secara praktek, kita boleh saja mendinginkan sesuatu sampai suhu-suhu yang menjangkau nol mutlak, kecuali, kita tidak dapat memperolehnya ke titik teoritis itu atau kita tidak dapat mencapai suhu-suhu di bawah titik itu. Demikianlah, tidak ada sesuatupun yang ada pada suatu suhu di bawah suhu nol mutlak.
Teori kinetik materi bukan dan tidak diperuntukkan bagi penentuan energi atom-atom yang disebabkan oleh eksitasi elektron-elektron sebagaimana anda lihat pada cahaya neon dalam lampu neon atau cahaya terang kemerah-merahan dari lelehan besi. Sebenarnya, objek-objek yang lebih dingin daripada lelehan besi dan kurang tereksitasi daripada neon yang termuati listrik akan menghasilkan radiasi elektromagnetik, tetapi ceritanya lain.
Dalam pandangan level tersebut, menjadi berguna memandang atom-atom seolah-olah mereka mirip dengan bola-bola kecil padat yang Dalton anggap. Dengan pandangan atom-atom dan molekul-molekul yang sangat mekanis ini, kita sedang mengabaikan beberapa fakta untuk mendapatkan gagasan instruktif pada materi.

PADATAN
Padatan adalah materi yang di dalamnya atom-atom atau molekul-molekulnya terkondisikan pada tempat ruang. Padatan-padatan ionik seperti kristal-kristal garam dapur, ion-ionnya tersambung ke tetangga-tetangganya melalui gaya listrik. Kristal-kristal yang terhubung secara kovalen seperti pada intan menghasilkan bahan-bahan yang paling keras. Dalam padatan lain, masing-masing satuan bisa memiliki tempatnya yang sesuai (sebagaimana dalam kristal-krsital gula) atau ia hanya sekumpulan molekul-molekul yang tak teratur sebagaimana dalam gelas yang memiliki energi yang telah diturunkan. Padatan-padatan kristalin memiliki sudut-sudut yang karakteristik dan dapat dipotong sepanjang garis-garis tertentu melewati atom-atom atau molekul-molekulnya pada kristalnya. Padatan-padatan amorf (tanpa bentuk kristal) dapat seperti pada arang atau tersambung seperti dalam plastik. Hal yang umum tentang padatan adalah bahwa atom-atom atau molekul-molekulnya terkondisikan dalam tempat. Suhunya yang dapat diperlihatkan oleh bahan-bahan padat adalah karena gerakan dalam tempat atom-atom atau molekul-molekulnya. Mereka tidak memiliki gerakan translasi yang lurus secara bebas karena mereka terikat ke yang lainnya. Padatan-padatan bisa memiliki energi molekuler karena vibrasi dan rotasi. Bayangkan sekelompok kelas siswa yang terikat ke tempat duduknya. Masing-masing siswa dapat melompat-lompat ke atas, ke samping dan kembali lagi tetap di sekitar kursinya, tetapi mereka tidak dapat beranjak keluar ruangan. Gambaran yang berguna lainnya adalah setumpuk pegas. Semua pegas terikat satu sama lainnya dalam jumlah yang luar biasa banyaknya. Masing-masing pegas dapat meliuk, memendek dan memanjang, tetapi ia tidak dapat lepas dari tetangganya.
Sekarang saatnya penting untuk beralih dari yang dapat kita lihat dan memahami masing-masing atom atau molekul ke dunia kita yang lebih besar ini. Padatan menunjukkan suatu bentuk tertentu dan suatu volume tertentu. Kalau bukan gaya-gaya digunakan, bentuk dan volume tidak akan biasa ditemukan di dekat permukaan bumi, padatan-padatan tidak dapat termampatkan.

CAIRAN
Cairan adalah materi dalam mana atom-atom atau molekul-molekul berdekatan satu sama lain sedekat seperti pada padatan, tetapi materi-materi tersebut licin satu sama lain untuk berganti tempat. Seandainya anda ukurannya hanya beberapa kali saja dari atom, anda mungkin melihat air sebagaimana anda melihat tumpukan sampah dalam sebuah truk sampah yang hampir tidak ada ruang antar sampahnya. Coba pertimbangkan, sebuah truk sampah besar melaju cepat di jalanan yang sangat tidak rata. Sampah-sampah yang saling tumpuk-menumpuk itu memiliki sejumlah energi yang diperoleh dari jalanan bergelombang itu. Bagian atas dari isinya rata. Beberapa sampah selalu dalam prosesnya mendapatkan cukup energi untuk terloncat keluar truk. (Ini adalah sebuah gambaran tekanan uap suatu cairan).) Sampah yang saling bertumpuk itu kemudian diturunkan dari truk. Bila ada sebuah lubang pada bagian bawah truk, sampah-sampah itu akan bocor keluar jatuh ke tanah. Seperti tumpukan sampah, cairan tidak memiliki bentuk kecuali karena bentuk wadahnya. Tumpukan sampah dan cairan tidak dapat dimampatkan di bawah tekanan biasa. Dalam sebuah cairan, gaya-gaya yang menahan partikel-partikel cairan tetap pada jarak yang bersentuhan satu sama lain adalah lebih besar daripada gaya-gaya karena gerakan yang akan mendorong partikel-partikel lepas satu sama lain.
Sifat cairan-cairan tak termampatkan tersebut berguna bagi kita dalam mesin hidrolik. Suatu sistem sedehana rem hidrolik mobil adalah satu contoh yang baik untuk ini. Pedal rem mendorong silinder utama. Lintasan menempuhnya (Sebuah gambaran jarak (!) lihat satuan dan ukuran) daun rem hanya beberapa inci saja. Silinder utama mendorong sebuah bidang yang sempit dari suatu cairan (zat alir hidrolik) ke bawah suatu pipa kecil (kawat rem) ke silinder-silinder rodanya. Silinder-silinder roda memiliki luas area yang agak lebih besar, tetapi mereka berjarak menjadi lebih pendek mendorong injakan remnya melawan tromol atau baling-baling, bergantung pada jenis rem apa yang anda punyai. Sistem rem tersebut tidak dapat bekerja dengan benar bila ada udara (gas) dalam sistem tersebut karena gas mudah termampatkan.

GAS
Gas, atau uap, merupakan fasa (keadaan) materi yang paling aktif yang umum ditemukan di sekitar kita di atas bumi. Partikel-partikel gas, apakah atom-atom atau molekul-molekul, memiliki sangat cukup banyak energi untuk tetap terikat satu sama lain atau sampai begitu dekat dengan partikel-partikel lainnya dan tertarik. Materi dalam fasa uapnya tidak memiliki bentuknya sendiri, yakni, mereka mengambil bentuk wadahnya. Gas tidak memiliki volume sendiri. Sejumlah tertentu gas pada satu tekanan atmosfer dan volume 10 liter dapat menjadi 5 liter bila tekanannya dinaikkan atau akan menjadi lebih dari 10 liter bila tekanan diturunkan. Gas mengembang mengisi wadahnya. Hukum Gas yang meliputi perhitungan-perhitungan tekanan, volume, dan suhu gas dibahas dalam bab selanjutnya.
Bagaimana anda dapat menggambarkan materi-materi seperti gas? Permukaan meja bilyar hanyalah dua dimensi, tetapi bagaimana bila bola-bolanya terus bergerak dan mejanya berada dalam tiga dimensi? Demikian, meja bilyar akan seperti gas. Pagar-pagar meja bilyar tiga dimensi akan menjadi sisi-sisi wadahnya. Bola-bola bilyar akan terpental satu sama lain dalam tumbukan lenting sempurna dan terpental lagi ketika menumbuk sisi meja menghasilkan tekanan tetap. Ciri yang sebenarnya dari gas adalah bahwa gerakan partikel-partikel begitu menakjubkan sehingga gaya-gaya tarik antar partikel-partikelnya tidak mampu menahan apapun agar mereka tetap bersama.

MENELUSURI GRAFIK PERUBAHAN FASA
Pada secarik kertas grafik dengan panjang dan lebarnya terserah anda, gambarlah sebuah grafik satuan-satuan kalori di absis dari 0 sampai 900 atau 1000 kalori dan suhu pada ordinatnya, mulailah dengan -20 di absis dan naik sampai sekitar 120.
Mari kita mulai dengan es pada -20 C. Cukup dingin untuk sebuah lemari es. Kebanyakan lemari es rumah tidak dapat mendinginkan es sampai di bawah -20 C. Biasanya sebuah pembeku lemari es rumah dapat menjangkau -40 C. Balok es yang anda peroleh di pembeku yang dingin akan menarik kelembaban udara dan membekukannya menjadi balok-balok es tersebut. Ia nampak seolah-olah balok es itu adalah rambut yang tumbuh. Ini tidak terjadi dalam udara yang benar-benar kering, tetapi udara yang benar-benar kering tidak nyaman bagi seseorang. Balok es tersebut meningkatkan suhunya dengan cara mendinginkan lingkungannya. Lingkungannya kehilangan panas sementara balok es itu memperoleh panas yang sama. Zat-zat yang suhunya berbeda akan saling menukar panas sampai kedua zat itu suhunya sama. Ia mengambil energi untuk perubahan suhu, yang mengapa ia mengambil energi adalah untuk menjalankan mesin pendingin atau AC.
Balok es mengambil sekitar 1 ½ kalori tiap gram es untuk menaikkan suhu 1 derajat. Anda dapat memplot garis miring dari 0 kalori dan -20 C menjadi 10 kalori dan 0 C. Titik leleh es ini, 0 C , adalah akhir dari garis untuk proses itu. Kemiringan garis menunjukkan kalor jenis es itu, yakni, jumlah panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu zat tersebut dalam fasa itu. Q adalah panas (dalam satuan kalori) es yang diperoleh kalau suhunya meningkat. m adalah massa es dalam gram. C adalah kalor jenis es, sekitar 0,5 kalgr-1C-1. T adalah suhu es. (T2-T1) atau T adalah perubahan suhu kalau es itu menerima panas.
Q = m c T adalah persamaan yang menghubungkan perubahan suhu, kalor jenis, massa dan panas zat yang tidak mengubah fasa, tetapi mengubah suhu. Perhatikan bahwa rumusnya sama untuk penurunan suhu, tetapi Q menjadi negatif untuk es kalau suhunya turun.
Sekali balok es mencapai 0C, ada satu perubahan fasa. Es berubah dari padatan menjadi cairan pada titik lelehnya. Suhu tersebut juga adalah titik bekunya. Untuk memperoleh pelelehan yang tepat, kita mencampur zat-zat tersebut cukup baik dan harus mengalami perubahan suhu cukup lambat sehingga hanya ada perubahan suhu yang sangat kecil pada seluruh wadah. Tetesan pertama air dari balok es memiliki suhu yang sama. Kalau setengah es meleleh, suhu air adalah 0C dan dengan demikian adalah suhu esnya pula. Kalau potongan kecil es terakhir dalam cangkirnya, suhunya adalah 0 C dan dengan demikian adalah suhu air di sekelilingnya juga. PERUBAHAN FASA TERJADI TANPA PERUBAHAN SUHU. Energi panas menyebabkan meningkatnya energi gerak molekuler dari molekul-molekul air.
Bila es meleleh, ia mengambil sekitar 80 kalori (panas) per gram (es) agar es situ meleleh. Lanjutkan grafik dari atas garis untuk peningkatan kalor sebesar 80 kalori PADA SUHU YANG SAMA. Lanjutkan terus grafik untuk menunjukkan tidak ada perubahan suhu dalam suatu perubahan fasa. Q adalah panas dalam kalori yang diserap es. m adalah massa es dalam gram. Hf adalah “panas peleburan” air, sebuah ukuran jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah fasa 1 gram es (atau air).
Q = m Hf adalah rumus perhitungan untuk perubahan fasanya. Mengapa tidak ada harga dalam rumus ini untuk suatu perubahan dalam suhu?
Bila semua es telah mencair, kita peroleh air pada 0C. Anda ketahui anda dapat menempatkan air di atas tungku pemanas untuk menerima lebih banyak panas. Bila anda meningkatkan jumlah panas yang air terima, air meningkat suhunya melalui slope (kemiringan) 1 kalg-1C-1. Sungguh terdapat perbedaan antara kalor jenis air sebagai padatan dan air sebagai cairan. Ini terutama karena ikatan hidrogen dari air.
Pada bagian akhir 80 kalori garis lurus pada kenaikan 0, mulai garisnya untuk untuk pemanasan air sebagai cairan. Garisnya meningkat 100 kalori dan naik ke 100 C. Anda telah lihat ini sebelumnya. Air dalam ketel suhunya meningkat kalau panas dari tungku ditambahkan.
Rumus matematika untuk pemanasan air sebagai cairan adalah Q = m c (T2 - T2) sama sebagaimana untuk pemanasan es. Sekarang, kalor jenis air sebagai cairan, c, adalah 1 kalg-1C-1.
Titik didih air adalah 100 C pada tekanan 1 atm. Pada suhu ini kita akan memiliki perubahan fasa lain. Kalau hanya perubahannya dari padatan menjadi cairan, perubahan fasanya akan terjadi dengan tanpa perubahan suhu. Suhu yang mana perubahan fasanya terjadi, terlebih dahulu bergantung pada tekanan gas pada cairannya. Pada keadaan standar 1 atm titik didih air adalah 100 C. Ini sekadar cara lain untuk mengatakan bahwa tekanan uapnya dari air pada 100 C adalah 1 atm. Titik didih cairan adalah keadaan atmosfir pada saat tekanan uapnya sama dengan tekanan ruangan. (Tekanan ruangan adalah tekanan di sekitar zat itu. Tekanan ruangan dalam wadah terbuka adalah tekanan atmosfir.) Sebuah panci terbuka yang berisi air mendidih di atas tungku akan menjadi 100C ketika mulai mendidih. Tanpa menghiraukan seberapa cepatnya air tersebut mendidih, ia tidak dapat menjangkau suhu di atas titik didihnya. Beberapa tetes terakhir dari air pada keadaan mendidih akan berada pada 100C.
Ia memerlukan 450 kalori per gram untuk mengubah cairan air menjadi uap air dengan mendidihkan pada tekanan 1 atm. Ini adalah kalor penguapan (Hv) yang sangat besar. Dari bagian atas garis itu untuk pemanasan air cairan sampai titik didih, memanjangkan garis lurus yang ditempuh (tidak ada perubahan suhu) untuk 540 kalori. Grafik tersebut merupakan sebuah cara yang baik untuk melihat bahwa proses mendidihnya air mengambil lebih dari 2 ½ kali energi yang diperlukan untuk membawa air sampai suhu dari -40C. Rumus untuk pendidihan air menjadi uap sama dengan rumus untuk pelelehan es, tetapi Hv, kalor penguapan menggantikan Hf, kalor peleburan. Q = m Hv
Harga 540 kalori per gram untuk menguapkan air terlihat tinggi. Memang benar. Anda dapat memastikan sendiri melalui percobaan singkat dan kasar berikut. Ukurlah suhu sepanci air pada sekitar suhu ruangan. Tempatkan panci yang telah diisi air di atas kompor gas atau kompor listrik dengan nyala kuat. Waktu (dalam detik) seberapa lama yang diperlukan agar air mendidih (dengan panci diusahakan dalam keadaan tertutup sepanjang pemanasan). Dengan membuka tutup panci, seberapa lama air akan menguap semuanya. Pastikan alat pemanas menghasilkan jumlah panas yang sama pada semua percobaan yang dilakukan. Angkat panci segera setalah air menguap semuanya dan dinginkan pancinya (dengan cara mengalirkan pancaran air). Bila anda memulai pada suhu 20C, ia mengambil 80 kalori per gram untuk mencapai titik didih (tekanan atmosfir di atas permukaan laut). Anda dapat membandingkan waktunya dan mencari seberapa panas yang diperlukan untuk sampai menguap semuanya dengan jumlah air yang sama yang anda telah gunakan pada percobaan sebelumnya. Percobaan ini tidaklah benar-benar akurat karena kapasitas panas dari panci, penguapan air yang tidak terkontrol, pemanasan yang tidak akurat, tetapi percobaan ini dapat memberikan anda informasi yang penting bahwa panas penguapan sangatlah besar.
Sekali air berada dalam bentuk uapnya, ia memerlukan panas selanjutnya. Dalam sebuah alat pemanas atau pendidih atau alat lainnya yang bertekanan suhu gas dapat ditingkatkan dengan penambahan panasnya. Sekali lagi rumusnya adalah: Q = m c (T2 - T1) dan c, panas jenisnya sekitar 1 ½ kalg-1C-1.
Terdapat beberapa hal seperti pada iodium dan karbon dioksida yang mengalami perubahan dari padatan menjadi gas secara langsung pada tekanan atmosfir yang normal. Ada sejumlah zat yang mengalami reaksi-reaksi pada sementara suhu sebelum mereka berubah fasa, tetapi kebanyakan zat-zat lain mengalami tipe perubahan fasa yang sama seperti air, tetapi dengan harga-harga untuk titik leleh, titik didih, c, Hf, Hv, dan sebagainya yang berbeda bergantung sifat-sifat zat itu.