2. Pengolahan besi dan baja
a. Pengolahan besi
Besi adalah logam yang paling murah di antara senyawa logam yang digunakan umat manusia. Besi terdapat dalam bentuk senyawa dalam batuan. Jadi harus diolah agar dapat digunakan. Besi diolah dari bijihnya dalam suatu tungku yang disebut tanur hembus (blast furnace). Tanur itu tingginya kira-kira 30 meter, sehingga disebut tanur tinggi.
Prinsip pengolahan besi dari bijih besi adalah dengan mereduksi bijih besi menggunakan reduktor karbon. Proses yang terjadi pada pengolahan bijih besi menjadi besi adalah sebagi berikut. Dari bagian atas tanur (puncak tanur) dimasukkan bijih, kokas, dan batu gamping. Dari bawah tanur ditiupkan udara panas sehingga kokas terbakar melepas kalor. Temperatur di bagian bawah tanur mencapai 2.000 oC. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.
C(s) + O2(g) CO2(g) ∆H = -394 kJ/mol
Gas CO2 ini kemudian bereaksi dengan kokas yang berlebih membentuk CO.
CO2(g) + C(s) 2CO(g) ∆H = +172 kJ/mol
Karena reaksi ini endoterm, perlu temperatur yang tinggi agar reaksi tersebut dapat berlangsung. Gas CO yang terbentuk akan mereduksi bijih besi menjadi besi melalui tahap reaksi berikut.
3Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g)
Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g)
Reaksi-reaksi tersebut dapat ditulis sebagai berikut
Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO2(g)
Besi cair yang dihasilkan, dikeluarkan dari dasar tanur.
Sementara itu, karena temperatur sangat tinggi, batu gamping akan terurai menjadi CaO (kapur tohor) dan CO2.
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
CaO ini mengikat pengotor oksida alam.
CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l)
3CaO(s) + P2O5(s) Ca3(PO4)2(l)
CaO(s) + Al2O3(s) Ca(AlO2)2(l)
Hasil-hasil reaksi tersebut berwujud cair dan disebut terak. Massa jenis terak lebih kecil daripada besi cair yang terbentuk sehingga terak mengapung di atas besi cair. Dengan demikian, terak dan besi cair dapat dipisahkan melalui saluran masing-masing. Oksida pengotor yang terdapat dalam bijih besi turut juga direduksi oleh kokas.
MnO(s) + C(s) Mn(s) + CO(g) (1.400 oC)
SiO2(s) + 2C(s) Si(s) + 2CO(g) (1.400 oC)
P2O5(s) + 5C(s) 2P(s) + 5CO(g) (1.400 oC)
Mn, Si, dan P yang dihasilkan berbentuk cair dan larut dalam besi cair. Itulah sebabnya, besi yang diperoleh dari tanur tinggi tidak murni dan disebut besi kasar (pig iron). Besi kasar mengandung 95% besi, 3-4% karbon, dan pengotor, seperti Mn, Si, P, dan S. Besi kasar bersifat sangat keras, tetapi rapuh. Besi kasar yang dihasilkan dari tanur dimasukkan ke dalam cetakan dan dihasilkan besi tuang (cast iron). Terak yang dihasilkan sebagai hasil samping digunakan sebagai bahan baku pembuatan semen dan bahan bangunan. Sebagian besar besi kasar langsung diolah menjadi baja.
b. Pembuatan Baja
Tahun 1856, Henry Bassemer dari Inggris menemukan metode mengubah besi menjadi baja dengan cepat dan murah. Prosesnya kemudian dinamakan proses Bassemer. Setelah itu, banyak metode baru yang ditemukan untuk menyempurnakan metode Bassemer tersebut. Prinsip pengolahan besi menjadi baja adalah sebagai berikut.
1) Menurunkan kadar karbon dari 3-4% dalam besi kasar menjadi 0-1,5% dalam baja.
2) Membuang Si, Mn, dan P yang kadarnya dalam besi kasar sekitar 1%,melalui pembentukan terak bersama-sama dengan pengotor lainnya.
3) Menambah unsur alise, seperti Cr, Ni, Mn, V, Mo, dan W agar diperoleh baja sesuai dengan yang diinginkan
a) Proses Bassemer
Tungku Bassemer adalah tabung baja dengan pelapis tahan api. Pelapis ini dapat berupa bahan bersilika (bassemer asam) atau terbuat dari dolomit, MgCO3 , CaCO3 (Bassemer basa), tergantung jenis pengotor besi yang akan dipisahkan. Udara dimasukkan dalam besi cair melalui sederet lubang. Oksigen dari udara kemudian mengoksidasi karbon dan zat pengotor lainnya.
C(s) + O2(g) CO2(g)
4P(s) + 5O2(g) 2P2O5(s)
Beberapa reaksi lain yang terjadi dalam proses pembuatan baja adalah sebagai berikut.
2C(s)+O2(g) 2CO(g)
2Fe(l) + O2(g) 2FeO(s)
MnO(s) + SiO2(s) MnO.SiO2(s)
3CaO¬(s)+P2O5(s) Ca3(PO4)2(s)
Gambar 1.3 Tungku Bassemer
b) Tungku terbuka (Open Hearth Furnace)
Pada tahun 1860-an dikembangkan tungku terbuka oleh William Siemens di Inggris. Pada bagian dasar tungku dilapisi dengan pelapis asam atau basa. Bahan yang dimasukkan ke tungku adalah besi cair ,besi oksidasi, besi tua dan batu gamping. Reaksi yang terjadi adalah seperti proses Bassemer. Kelebihan tungku terbuka ini adalah regenerasi pemakaian kalor karena panas yang dilepas dipakai lagi, lebih cepat (satu tahap butuh waktu 12 jam), dan kualitas baja yang dihasilkan lebih baik.
c) Proses Basic Oxygen
Proses ini merupakan penyempurnaan dari metode sebelumnya. Sebagai ganti udara digunakan oksigen murni. Oksigen dan batu gamping dimasukkan diatas besi cair. Reaksi ini berlangsung hanya 22 menit dan kualitas bajanya sangat baik.
3. Pengolahan tembaga
Dalam pengolahan bijih tembaga menjadi tembaga dilakukan empat tahap, yaitu pemekatan, pemanggangan, peleburan, dan pemurnian (elektrolisis). Setelah biji dipekatkan melalui pengapungan (ingat, cara fisiska pemekatan bijih), bijih tersebut dipangganng dengan tujuan untuk mengubah besi sulfida menjadi besi oksida. Sementara itu, tembaga tetap sebagai sulfida.
4CuFeS2(s) + 9O2(g) 2CuS(s) + 2Fe2O3(s) + 6SO2(g)
Bijih yang sudah dipanggang, dimasukkan ke dalam tungku peleburan dan terbentuk dua lapisan. Lapisan bawah adalah copper matte mengandung sulfida tembaga dan besi leleh. Lapisan atas merupakan terak silikat dibentuk malalui reaksi oksida Fe, ca, dan Al dengan SiO2. Setelah peleburan, copper matte tembaga dipindahkan kedalam tungku lain dan dihembuskan udara sehingga terjadi reaksi sebagai berikut ini.
2Cu2S(s) + 3O2(g) 2Cu2O(s) + 2SO2(g)
2Cu2O(s) + Cu2S(s) 6Cu(s) + SO2(g)
Hasil reaksi terakhir di atas disebut blister copper sebab mengandung gelembung beku SO2(g). Blister copper mengandung 98-99% tembaga, tetapi jika diinginkan tembaga yang sangat murni, dilakukan elektrolisis untuk menghilangkan pengotor besi, seng, perak atau emas.
Pada elektrolisis pemurnaian tembaga, potensial listrik yang digunakan diatur sehingga pada anode yang larut hanya tembaga, besi, dan seng. Sementara itu, emas dan perak tidak larut (tidak teroksidasi) dan berjatuhan ke dasar wadah. Di katode hanya Cu2+ yang direduksi (diendapkan), sedangkan Fe2+ dan Zn2+ tetap tinggal dalam larutan. Dengan demikian, tembaga dapat dpisahkan dari pengotor-pengotornya dan dihasilkan tembaga yang sangat murni. Elektrolit yang digunakan adalah larutan CuSO4. Blister copper sebagai anode dan tembaga murni sebagi katode.
CuSO4(aq) Cu2+ (aq) + SO42-(aq)
(-) katode: Cu2+(aq) + 2e- Cu
(+) anode: Cu(s) Cu2+ (aq) + 2e
Cu(s) Cu(s)
anode katode
F. REAKSI UNSUR TRANSISI PERIODE KEEMPAAT DENGAN ZAT LAIN
1. Unsur Mangan (Mn)
a. Senyawa Manganat dengan air (H2O)
Reaksi: 3K2MnO4 + 2H2O 2KMnO4+ 4KOH + MnO2(s)
b. Senyawa Manganat dengan asam atau dengan CO2, maka reaksinya:
3K2MnO4 + 2H2O + 4CO2 2KMnO4+ 4KHCO3 + MnO2(s)
Senyawa-senyawa manganat hanya dapat bertahan lama dalam lingkungan basa kuat, dalam lingkungan asam akan berubah menjadi permanganat. Jika gas klorin dialirkan ke dalam larutan K2MnO4 maka terbentuk KMnO4.
2K2MnO4 + Cl2 2KMnO4 + 2KCl
atau
2MnO42- + Cl2 2Cl- + 2MnO4-
2. Besi (Fe)
adalah unsur yang cukup melimpah di kerak bumi (sekitar 6,2% massa kerak bumi). Besi jarang ditemukan dalam keadaan bebas di alam. Besi umumnya ditemukan dalam bentuk mineral (bijih besi), seperti hematite (Fe2O3), siderite (FeCO3), dan magnetite (Fe3O4). Logam Besi bereaksi dengan larutan asam klorida menghasilkan gas hidrogen. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
Fe(s) + 2 H+(aq) ——> Fe2+(aq) + H2(g)
Larutan asam sulfat pekat dapat mengoksidasi logam Besi menjadi ion Fe3+. Sementara larutan asam nitrat pekat akan membentuk lapisan oksida Fe3O4 yang dapat menghambat reaksi lebih lanjut.
3. Unsur Tembaga (Cu)
Logam Tembaga bereaksi hanya dengan campuran asam sulfat dan asam nitrat pekat panas (dikenal dengan istilah aqua regia). Bilangan oksidasi Tembaga adalah +1 dan +2. Ion Cu+ kurang stabil dan cenderung mengalami disproporsionasi dalam larutan. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
2 Cu+(aq) ——> Cu(s) + Cu2+(aq)
G. ION KOMPLEKS
1. Pengertian Ion Kompleks
Senyawa Koordinasi adalah senyawa yang terbentuk dari ion sederhana (kation maupun anion) serta ion kompleks. Ion Kompleks merupakan ion yang tersusun atas atom pusat (ion pusat) yang dikelilingi oleh ligan (ion atau molekul) yang membentuk ikatan koordinasi.
Unsur transisi periode keempat dapat membentuk berbagai jenis ion kompleks. Ion kompleks terdiri dari kation logam transisi dan ligan. Ligan adalah molekul atau ion yang terikat pada kation logam transisi. Interaksi antara kation logam transisi dengan ligan merupakan reaksi asam-basa Lewis. Menurut Lewis, ligan merupakan basa Lewis yang berperan sebagai spesi pendonor (donator) elektron. Sementara itu, kation logam transisi merupakan asam Lewis yang berperan sebagai spesi penerima (akseptor) elektron. Dengan demikian, terjadi ikatan kovalen koordinasi (datif) antara ligan dengan kation logam transisi pada proses pembentukan ion kompleks. Kation logam transisi kekurangan elektron, sedangkan ligan memiliki sekurangnya sepasang elektron bebas (PEB). Beberapa contoh molekul yang dapat berperan sebagai ligan adalah H2O, NH3, CO, dan ion Cl-.
Dalam senyawa kompleks dikenal istilah bilangan koordinasi, yaitu bilangan yang menunjukkan jumlah ikatan koordinasi antara atom pusat dan lignin.
2. Tata nama senyawa ion kompleks
Aturan-aturan dalam penamaan senyawa kompleks menurut aturan IUPAC, antar lain sebagai berikut.
a. Penamaan kation mendahului anion; sama seperti penamaan senyawa ionik pada umumnya.
b. Pada ion kompleks, urutan penyebutannya adalah jumlah ligan -> nama ligan -> nama atom pusat (bilangan oksidasi atom pusat).
c. Jumlah ligan disebut dalam bahasa latin,
1 = mono 4 = tetra
2 = di 5 = penta
3 = tri 6 = heksa
Tabel 1.8 tabel nama ligan
Ligan Nama Ligan
Bromida, Br- Bromo
Klorida, Cl- Kloro
Sianida, CN- Siano
Hidroksida, OH- Hidrokso
Oksida, O2- Okso
Karbonat, CO32- Karbonato
Nitrit, NO2- Nitro
Oksalat, C2O42- Oksalato
Amonia, NH3 Amina
Karbon Monoksida, CO Karbonil
Air, H2O Akuo
Etilendiamin Etilendiamin (en)
Tabel 1.9 Tabel Nama Kation pada Anion Kompleks
Rumus kimia Nama sebagai kation Nama sebagai ligan
Al Aluminium Aluminat
Cr Kromium Kromat
Co Kobalt Kobaltat
Cu Cuprum Cuprat
Au Aurum Aurat
Fe Ferrum Ferrat
Pb Plumbum Plumbat
Mn Mangan, Manganat
Mo Molibdenum, Molibdat
Ni Nikel Nikelat
Ag Argentum Argentat
Sn Stannum Stannat
W Tungsten Tungstat
Zn Zink Zinkat
d. Nama ligan ditambah dengan akhiran o dengan cara:
1) Ligan-ligan yang berakhiran ida diganti dengan o
2) Ligan-ligan yang berkahiran it atau at diganti dengan ito dan ato
3) Ligan netral diberi nama sesuai nama molekulnya
e. Jika ligannya lebih dari satu jenis, maka urutan penyebutannya dimulai sesuai dengan urutan abjad nama depan dari ligan tersebut.
f. Nama atom atau nama pusat jika:
1) Ion kompleksnya bermuatan negatif maka nama atom pusat diberi akhiran at
2) Ion kompleks tidak bermuatan atau bermuatan positif tidak ditambah akhiran.
g. Bilangan oksidasi atom pusat ditulis dengan angka romawi dalam kurung setelah nama atom pusat.
Contoh:
[Co(NH3)6(NO2)3] = triamin trinitro kobalt (III)
[Ag(NH3)2]2+ = ion diamrak (I)in pe
Selasa, 30 November 2010
Unsur Transisi
A. PENGERTIAN UNSUR TRANSISI
Terdapat beberapa pendapat mengenai unsur transisi, tetapi pengertian yang lebih umum menyatakan bahwa unsur transisi merupakan kelompok unsur yang terletak pada blok d di dalam sistem periodik unsur. Pendapat lain juga menyatakan bahwa unsur transisi merupakan sekelompok unsur yang mempunyai sekurang-kurangnya sebuah ion dengan orbital d belum terisi penuh.
Unsur transisi ini digolongkan menjadi dua, yaitu unsur transisi bok d yang memiliki subkulit d terisi tidak penuh dan unsur transisi dalam yang memiliki subkulit f terisi tidak penuh. Unsur transisi periode empat, terdiri atas 10 unsur, yaitu unsur dengan nomor atom 21 sampai 30. Unsur-unsur itu meliputi skandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), kromium (Cr), mangan (Mn), besi (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni), tembaga (Cu) dan zink (Zn).
B. SIFAT-SIFAT UNSUR TRANSISI PERIODE EMPAT
Data sifat-sifat unsur transisi periode keempat dapat kita lihat pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Data Sifat Unsur-Unsur Transisi Periode Keempat
Sifat Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Jari-jari atom (Å) 1,44 1,32 1,22 1,18 1,17 1,17 1,16 1,15 1,17 1,25
Jari-jari ion M2+ (Å) - 1,00 0,93 0,87 0,81 0,75 0,79 0,80 0,87 0,88
Titik leleh (oC) 1541 1660 1890 1857 1244 1535 1495 1453 1083 220
titik didih (oC) 2831 3287 3380 2672 1962 2750 2870 2732 2567 907
Rapatan
(gram cm-3) 3,0 4,5 6,0 7,2 7,2 7,9 8,9 8,9 8,9 7,1
Kekerasan
(skala Mohs) - - - 9,0 5,0 4,5 - - 3,0 2,5
Energi ionisasi
(kJ mol-1) 631 658 650 652 717 759 758 737 745 906
Keelegtronegatifan 1,3 1,5 1,6 1,6 1,5 1,8 1,8 1,8 1,9 1,6
Eo red M2+ (aq) (volt) - - -1,20 -0,91 -1,19 -0,44 -0,28 -0,25 +0,34 -0,76
Eo red M3+ (aq) (Volt) -2,10 -1,20 -0,86 -0,74 -0,28 -0,04 -0,40 - - -
Sifat Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
1. Sifat fisik unsur transisi periode keempat
Sifat-sifat fisik logam seperti daya hantar, rapatan, kekerasan serta titik leleh dan titik didih, berkaitan dengan struktur logam dan ikatan antaratom logam itu. Atom-atom dalam logam tersusun menurut pola tetentu sehingga susunannya mempunyai geometri tertentu pula, yang disebut kristal logam. Tiga bentuk yang paling umum dari kristal logam ialah struktur kubus berpusat muka (fcc = face centered cubic atau ccp = cubic closed packed), struktur terjejal heksagonal (hcp = hexagonal closed packed), dan kubus berpusat badan (bcc = body centered cubic). Struktur fcc dan hcp merupakan struktur terjejal, yaitu suatu pola penyusunan yang paling rapat dari benda-benda berbentuk bulatan sehingga ruang antarpartikelnya minimum. Dalam kedua struktur itu, bulatan-bulatan dapat menempati 74% dari ruangan, dengan kata lain ruang antarbulatan yang kosong adalah 26%. Setiap atom dalam struktur terjejal fcc dan hcp dikelilingi 12 atom terdekat (setiap atom bersentuhan langsung dengan 12 atom tetangganya). Kita sebutkan bahwa struktur terjejal fcc dan hcp mempunyai bilangan koordinasi 12. Adapun struktur kubus berpusat badan (bcc) merupakan struktur yang agak longgar, hanya menempati 68% dari ruangan. Struktur kubus berpusat badan mempunyai bilangan koordinasi 8.
Gaya apakah yang mengikat atom-atom dalam logam? Kita ingat bahwa logam mempunyai sedikit elektron valensi. Sementara itu, seperti dibahas di atas, satu atom logam terikat langsung pada beberapa (8 atau 12) atom sekaligus. Atom logam pasti tidak mempunyai cukup elektron untuk membentuk begitu banyak ikatan sekaligus itu hanya mugkin jika elektron logam itu terdelokalisasi, dapat berpindah dari satu orbital ke orbital lainnya, dari satu atom ke atom yang lainnya. Jadi, elektron valensi logam tidak terikat tetap, tetapi terdelokalisasi dan mudah berpindah atau mudah mengalir. Ikatan seperti itu disebut ikatan logam. Unsur-unsur logam golongan utama (golonagn IA dan IIA) mempunyai elektron valensi yang jumlahnya sedikit (1 atau 2) sehingga ikatan logamnya lemah. Akibatnya, logam-logam itu bersifat lunak, mempunyai titik didih dan titik leleh yang relatif rendah. Sebaliknya unsur transisi mempunyai elektron valensi yang lebih banyak, sehingga ikatan logamnya lebih kuat. Dengan jari-jari atom yang relatif kecil, susunan antaratom yang rapat, serta ikatan logam yang kuat dapat menjelaskan mengapa unsur transisi periode keempat mempunyai rapatan, kekerasan, titik didih serta titik leleh yag tinggi.
2. Sifat kimia
Unsur transisi dapat didefinisikan sebagai unsur yang atom atau ionnya mempunyai subkulit d atau f yang belum terisi penuh. Unsur transisi periode keempat mengandung atom atau ion dengan orbital d yang belum terisi penuh. Semua unsur transisi periode keempat memenuhi definisi tersebut, kecuali zink.
a. Konfigurasi elektron
Kita pernah mempelajari bahwa sifat-sifat unsur ditentukan oleh konfigurasi elektronnya, terutama elektron valensinya. Simak konfigurasi elektron unsur transisi periode empat pada tabel 1.2. berikut.
Tabel 1.2 Konfigurasi Elektron Unsur Transisi Periode Empat
Unsur Lambang Nomor atom Konfigurasi elektron Elektron valensi
4s 3d
Skandium Sc 21 (Ar) 3d1 4s2
Titanium Ti 22 (Ar) 3d2 4s2
Vanadium V 23 (Ar) 3d3 4s2
Kromium Cr 24 (Ar) 3d5 4s1
Mangan Mn 25 (Ar) 3d5 4s2
Besi Fe 26 (Ar) 3d6 4s2
Kobalt Co 27 (Ar) 3d7 4s2
Nikel Ni 28 (Ar) 3d8 4s2
Tembaga Cu 29 (Ar) 3d10 4s1
Zink Zn 30 (Ar) 3d10 4s2
Berdasarkan pengisian orbital elektron menurut prinsip aufbau, setelah subkulit 4s tersisi penuh, elektron berikutnya akan mengisi subkulit 3d. Ada dua buah unsur transisi periode empat dengan konfigurasi elektron menyimpang dari prinsip aufbau, yaitu kromium (Z=24) dan tembaga (Z=29). Marilah kita tinjau konfigurasi elektron kromium dan tembaga yang menurut aufbau adalah sebagai berikut:
24Cr : [Ar] 3d4 4s2
29 Cu : [Ar] 3d9 4s2
Pada kedua unsur itu terjadi perpindahan satu elektron dari subkulit 4s ke subkulit 3d, sehinggga subkulit 3d terisi setengah penuh (pada kromium) atau penuh (pada tembaga). Perpindahan ini bertujuan untuk mencapai konfigurasi elektron yang stabil yaitu orbital terisi setengah penuh atau penuh. Sehingga konfigurasi elektron pada kromium dan tembaga dituliskan sebagai berikut:
24Cr : [Ar] 3d5 4s1
29Cu : [Ar] 3d10 4s1
Terkadang unsur Zn tidak dimasukkan ke dalam unsur transisi karena Zn mempunyai sifat yang agak berbeda dengan unsur transisi lainnya. Bilangan oksidasi Zn adalah +2 dan bilangan oksidasi Sc adalah +3. Sementara itu, bilangan oksidasi unsur-unsur transisi lainnya lebih dari satu macam. Senyawa skandium dan zink berwarna putih, tidak seperti senyawa lain yang umumnya berwarna (Gambar 1.1).
Skandium (Sc) Titanium (Ti) Vanadium (V) Kromium (Cr)
Mangan (Mn) Besi (Fe) Kobalt (Co) Nikel (Ni)
Tembaga (Cu) Zink (Zn)
Gambar 1.1 Unsur-unsur transisi periode keempat
Konfigurasi elektron kedua unsur tersebut adalah sebagai berikut:
21Sc : [Ar] 3d1 4s2 dan 21Sc3+ : [Ar]
30Zn : [Ar] 3d10 4s2 dan 30Zn2+ : [Ar] 3d10
Walaupun demikian, skandium jelas memenuhi definisi unsur transisi karena atom Sc memiliki 1 elektron di subkulit d. Atom atau ion seng memiliki subkulit d yang selalu penuh. Bagaiman dengan tembaga? Atom tembaga memang memiliki subkulit d yang penuh, tetapi ion Cu2+ memiliki subkulit d yang tidak penuh. Jadi, jelas tembaga memenuhi memenui definisi unsur transisi di atas. Oleh karena itu, ada keragu-raguan menempatkan zink sebagai unsur transisi.
b. Jari-jari atom
Dari tabel 1.1 terlihat bahwa perubahan jari-jari atom dari Sc ke Zn tidak terlalu besar. Hal ini disebabkan karena pengisian elektron dari Sc sampai Zn masuk pada subkulit 3d yang merupakan bagian dari kulit ketiga padahal kulit keempat (4s) sudah terisi, sehingga pengaruhnya terhadap pertambahan jari-jari elektron sangat kecil dan bahkan kadang-kadang tidak berpengaruh sama sekali.
c. Energi ionisasi
Seperti yang telah kita pelajari di kelas X, besarnya energi ionisasi seperiode dari kiri ke kanan adalah semakin besar. Namun pada tabel 1.1 di atas, perubahan energi ionisasi dari unsur Sc sampai ke Zn tidak terlalu besar seperti halnya pada unsur-unsur golongan utama (golongan A). kecilnya perubahan tersebut juga disebabkan oleh konfigurasi elektronnya, yaitu bahwa penambahan elektron dari Sc sampai ke Zn masuk pada kulit ketiga.
d. Keelektronegatifan
Unsur transisi periode keempat umumnya memiliki keelektronegatifan yang lebih besar dibandingkan unsur Alkali maupun Alkali tanah, sehingga kereaktifan unsur transisi tersebut lebih rendah bila dibandingkan Alkali maupun Alkali Tanah. Sebagian besar unsur transisi periode keempat mudah teroksidasi (memiliki E°red negatif), kecuali unsur Tembaga yang cenderung mudah tereduksi (E°Cu = + 0,34 V). Hal ini berarti bahwa secara teoritis, sebagian besar unsur transisi periode keempat dapat bereaksi dengan asam kuat (seperti HCl) menghasilkan gas hidrogen, kecuali unsur Tembaga. Akan tetapi, pada kenyataanya, kebanyakan unsur transisi periode keempat sulit atau bereaksi lambat dengan larutan asam akibat terbentuknya lapisan oksida yang dapat menghalangi reaksi lebih lanjut. Hal ini terlihat jelas pada unsur Kromium. Walaupun memiliki potensial standar reduksi negatif, unsur ini sulit bereaksi dengan asam akibat terbentuknya lapisan oksida (Cr2O3) yang inert. Sifat inilah yang dimanfaatkan dalam proses perlindungan logam dari korosi (perkaratan).
e. Bilangan oksidasi
Unsur transisi mempunyai bermacam-macam bilangan okisdasi. Hal itu terjadi karena valensi unsur transisi adalah elektron pada subkulit 3d dan 4s. Tingkat energi kedua orbital itu sangat berdekatan. Oleh karena itu, selain elektron pada kulit terluar (4s), unsur transisi periode keempat dapat juga menggunakan elektron pada subkulit 3d pada pembentukan ikatan.
Tabel 1.3 Bilangan Oksidasi Unsur Transisi Dan Contoh Senyawanya
Unsur Bilangan oksidasi yang mungkin Contoh
Sc +3 Sc2O3
Ti +2, +3, +4 TiO, TiCl3, TiCl4
V +2, +3, +4, +5 VO, V2O3, VO2, V2O5
Cr +2, +3, +6 CrO, Cr2O3, CrO3
Mn +2, +3, +4, +6, +7 MnO, Mn2O3, MnO2, MnO42-, MnO4-
Fe +2, +3 FeCi2, FeCl3
Co +2, +3 Co(H2O)O62+, Co(NH3)63+
Ni +2, +3 NiO, K2NiF6
Cu +1, +2 Cu2O, CuO
Zn +2 ZnO
f. Warna Senyawa Unsur transisi
Pada umumnya unsur transisi periode keempat membentuk senyawa berwarna, baik dalam bentuk padat maupun dalam larutan. Warna senyawa dari unsur transisi ini berkaitan erat dengan konfigurasi elektronnya, yaitu adanya subkulit 3d yang terisi tidak penuh. Orbital-orbital 3d ini dapat terpisah menjadi dua tingkat energi, yaitu kelompok orbital pada sumbu dx2-y2 dan dz2 yang berenergi lebih rendah. Pemisahan ini menyebabkan adanya celah energi yang memungkinkan elektron dari orbital d energi rendah pindah ke orbital d energi tinggi dengan menyerap energi pada panjang gelombang cahaya tampak.
Tabel 1.4 Warna Senyawa Unsur Transisi
Unsur Bilangan oksidasi yang dikenal Warna pada bilangan oksidasi
+2 +3 +4 +5 +6 +7
Sc +3 Tbw
Ti +2, +3, +4 Ungu Tbw
V +2, +3, +4, +5 Ungu Hijau Biru Merah
Cr +2, +3, +6 Biru Hijau Jingga
Mn +2, +3, +4, +6, +7 Merah muda Coklat Coklat Biru Hijau Ungu
Fe +2, +3 Hijau Kuning
Co +2, +3 Merah muda Ungu
Ni +2, +3 Hijau
Cu +1, +2 Biru
Zn +2 Tbw
• Tbw : tak berwarna
g. Bersifat katalis
Salah satu sifat penting dari unsur transisi dan senyawanya yaitu kemampuannya untuk dapat menjadi katalis reaksi-reaksi kimia di dalam tubuh maupun di dalam industri. Beberapa logam transisi telah digunakan secara komersial sebagai katalis pada proses-proses industri (lihat tabel 1.5)
Tabel 1.5 Beberapa Katalis Unsur Transisi
Unsur transisi Senyawa yang digunakan Reaksi yang dikatalisis
Ti TiCl3 Polimerisasi alkena (pembuatan plastik)
V V2O5 Proses kontak (pembuatan H2SO4)
Fe Fe atau Fe2O3 Proses Haber (pembuatan NH3)
Ni Ni Adisi alkena (pembuatan margarin)
Cu Cu atau CuO Oksidasi alkohol (pembuatan formalin)
Logam transisi dan senyawa-senyawanya dapat berfungsi sebagai katalis karena memiliki kemampuan mengubah tingkat oksidasi atau, pada kasus logam, dapat meng-adsorp substansi yang lain pada permukaan logam dan mengaktivasi substansi tersebut selama proses berlangsung. Sebagai contoh, pada pembuatan asam sulfat dengan proses kontak digunakan katalis V2O5. Pada peristiwa katalis reaksi tersebut, vanadium mula-mula mengalami reduksi V 5+ menjadi V4+
2V5+ + O2- + SO2 2V4+ + SO3
Tahap berikutnya V4+ akan teroksidasi oleh oksigen,
2V4+ + ½ 2V5+ + O2-
Sehingga secara keseluruhan,
2V5+ + O2- + SO2 2V4+ SO3
2V4+ + ½ O2 2V5+ + O2-
SO2 + ½ O2 SO3
C. TERDAPATNYA DI ALAM
Pada umumnya, Unsur-unsur transisi periode empat di alam terdapat dalam bentuk senyawa seperti oksida, sulfida atau karbonat. Hal tersebut dikarenakan senyawa-senyawa ini sukar larut dalam air. Misalnya Fe2O3, Cu2S, NiS, ZnS, MnO2. Hanya sebagian kecil seperti emas, perak dan sedikit tembaga yang terdapat dalam keadaan bebas maupun dalam bentuk senyawanya. Kenyataan tersebut sesuai dengan harga potensial eletrode tembaga yang bertanda positif, yang berarti bahwa tembaga tergolong logam setengah mulia yang relatif sukar dioksidasi. Berikut ini tabel beberapa mineral atau senyawa dari unsur-unsur transisi periode keempat.
Tabel 1.6 Keberadaan Unsur Transisi Periode Empat di Alam
Unsur Keberadaan di Alam
Skandium (Sc) Skandium terutama terdapat pada mineral tortveitil (kira-kira 34% massa Sc). Terdapat bersama mineral lainnya, seperti monazite dan gadolinite.
Titanium (Ti) Merupakan unsur peringkat ke-10 dalam kulit bumi (0,6% massa) biasanya terdapat dalam bentuk mineral rutile (TiO2) atau ilmenite (FeTiO3).
Vanadium (V) Tersebar luas di seluruh kulit bumi (0,02% massa) dengan sumber utama mineralnya: vanadite (Pb3(VO4)2), patronite (VS4), vanadinite (Pb5(VO4)3Cl), dan carnotite (K2(UO2)VO4.3H2O).
Kromium (Cr) Terdapat dalam mineral chromite (FeO.Cr2O3)
Mangan (Mn) Terdapat relatif cukup melimpah di kulit bumi (0,1% massa). Terutama ditemukan sebagai batu kawi atau pirolusite (MnO2), dan rodocrosite (MnCO3).
Besi (Fe) Merupakan logam berat yang paling melimpah dalam kulit bumi (sekitar 4,7%). Ditemukan dalam mineral: hematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), limonite (Fe2O3.H2O), siderite (FeCO3), dan pyrite (FeS2)
Kobalt (Co) Relatif jarang, tetapi dapat ditemukan dalm mineral smaltite (CoAs2) dan kobaltit (CoAsS).
Nikel (Ni) Merupakan unsur peringkat ke-24 dalm kulit bumi. Ditemukan dalam mineral millerite (NiS) dan pentlandite (NiS – FeS).
Tembaga (Cu) Ditemukan dalam bentuk unsur bebas di sekitar kawah vulkanik dan sebagai senyawa oksida, seperti cuprite (Cu2O), senyawa sulfida, seperti calcosite (Cu2S) dan calcopirite (CuFeS2), dan senyawa karbonat, seperti malachite (Cu2(OH)2CO3).
Zink (Zn) Ditemukan dalam mineral: zink blende/spalerite (ZnS), zinicite (ZnO), dan smitsonite (ZnCO3).
D. KEGUNAAAN DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI
Logam transisi periode keempat memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan sehari-hari. Kegunaan logam transissi periode keempat diikhtisarkan dalm Tabel 1.7.
Tabel 1.7 Logam Transisi Dan Kegunaannya
Logam Kegunaan
Skandium (Sc) - digunakan pada lampu intensitas tinggi
Titanium (Ti) - digunakan pada industri pesawat terbang (ruang pembakaran roket dan jet)
- di industri kimia dalam bentuk TiCl3 (Al2C2H5)6 sebagai katalis dalam polimerisasi etena
Vanadium (V) - digunakan untuk membuat per mobil
- dalam bentuk V2O5 atau VO3- sebagai katalis dalam pembuatanoses kontak. belerang (H2SO4) melaui proses kontak
- Sekitar 80% produksi vanadium digunakan untuk pembuatan baja. Baja yang mengandung vanadium digunakan pada peralatan yang membutuhkan kekuatan dan kelenturan, seperti pegas dan alat-alat mesin berkecepatan tinggi
Kromium (Cr) - untuk bahan pembuatan baja, nikrom, dan stanless steel
• Baja krom : terdiri atas Cr, Mn, dan Si
• Nikrom : terdiri atas Ni, Fe, dan Cr
• Stainless steel : terdiri atas Cr, Fe, dan Ni
- Penggunaan kromium yang sangat terkenal adalah penyepuhan kromium (chromium plating).
Mangan (Mn) - digunakan untuk bahan pembuatan baja
- manganin dalam pembuatan alat-alat listrik
- dan sebagai alloy mangan-besi atau ferromanganese
- Kalium permanganat (KMnO4) merupakan zat pengoksida yang penting dalam analisis kimia, biasanya digunakan pada titrasi larutan asam di mana senyawa tersebut direduksi menjadi Mn2+. Pada kimia organik MnO4 digunakan untuk mengoksidasi alkohol dan hidrokarbon tidak jenuh.
- mangan dioksida, MnO2, digunakan pada sel kering, pada kaca dan lapisan keramik, serta sebagai katalis.
Besi (Fe) - dalam bentuk Fe atau Fe2O3 digunakan sebagai katalis pada pembuatan amonia (NH3) menurut proses haber Bosch
- digunakan untuk pembuatan baja, perangkat elektronik, memori komputer, dan pita rekaman
Kobalt (Co) - digunakan untuk membuat aliansi (paduan logam)
- pengobatan kanker
Nikel (Ni) - dalam bentuk serbuk Ni digunakan sebagai katalis pada proses pengerasan minyak tumbuhan (hidrogenasi) seperti pembuatan margarin
- digunakan untuk melapisi logam supaya tahan karat dan paduan logam
Tembaga (Cu) - kabel listrik , uang logam
- untuk membuat aliansi (paduan logam)
• kuningan : terdiri atas Cu dan Zn
• perunggu : terdiri atas Cu, Sn, dan Zn
• monel (digunakan untuk membuat instrumen tranmisi listrik, untuk alat dapur atau barang hiasan) : terdiri atas Ni dan Cu
• Nikrom(digunakan sebagai kawat pemanas)
: terdiri atas unsur Ni, Fe, dan Cr.
• alnico (pembuatan magnet) : terdiri atas Al, Ni, Cu, dan Fe
• Palinit dan Invar yaitu paduan nikel yang mempunyai koefisien muai yang sama dengan gelas yang digunakan sebagai kawat listrik yang ditanam dalam kaca, misalnya pada bolam lampu pijar.
• Serbuk nikel digunakan sebagai katalisator, misalnya pada hidrogenansi (pemadatan) minyak kelapa, juga pada cracking minyak bumi.
Zink (Zn) - sel kering (baterai)
- digunakan sebagai logam pelapis antikarat, paduan logam, pembuatan bahan cat putih, dan antioksidan dalam pembuatan ban mobil
E. PROSES PEMBUATAN UNSUR TRANSISI PERIODE KEEMPAT
1. Proses metalurgi
Unsur transisi periode keempat mempunyai potensial yang negatif (kecuali Cu) sehingga bersifat reduktor. Sifat reduktor yang menyebabkan logam transisi dapat bereaksi dengan unsur nonlogam, seperti oksigen, belerang, dan halogen. Itulah sebabnya, unsur transisi umumnya terdapat sebagai oksida dan sulfida.
Dalam pengolahan logam kita kenal ada istilah metalurgi. Metalurgi adalah sains dan tekhnologi logam tentang produksi logam dari bijihnya, pemurnian logam, sifat, dan penggunaannya. Prosedur produksi logam dari bijihnya erdiri atas tiga tahap, yaitu sebagai berikut.
a. Pemekatan bijih
Mineral perlu dipisahkan dari karang yang tidak diinginkan yang disebut batu reja (gangue). Ada dua cara pemekatan bijih, yaitu cara fisika dan cara kimia.
1). Cara fisika
Pencucian dengan penyemprotan air dapat membersihkan mineral dari batu reja. Cara yang paling sering dilakukan adalah denagn floatasi, yaitu pencampuran bijih logam dengan zat aktif permukaan, misalnya detergen atau zat pembusa. Ke dalam campuran ini dihembuskan udara. Bijih logam melekat pada gelembung busa dan mengapung, sedangkan batu reja turun ke dasar wadah sehingga logam dapat dipisahkan. Cara fisika yang lain adalah dengan elektromagnetik, misalnya pada bijih besi seperti magnetit, Fe3O4, tertarik oleh magnet sehingga memisah dari karang,
2). Cara kimia
Pemekatan cara kimia menggunakan bahan-bahan kimia. Misalnya, bauksit dioalh dengan larutan NaOH pekat. Senyawa Al2O3 melarut dan menghasilkan ion aluminat, AlO2-.
Al2O3(s) + 2OH- (aq) 2AlO2- (aq) + H2O (l)
Setelah dipisahkan dari batu reja, lalu diasamkan. Senyawa Al(OH)3 yang terbentuk dipijar untuk memperoleh alumina.
2Al(OH)3(s) Al2O3(s) + 3H2O(g)
b. Proses reduksi
Setelah bijih dipekatkan, bijih tersebut direduksi.
c. Proses pemurnian (Refining)
Setelah proses reduksi dilakukan, zat pengotor perlu disingkirkan sehingga menghasilkan logam yang murni. Proses produksi logam dan bijihnya dapat dilihat pada gambar 1.2
Daerah penambangan
Penambangan
Bijih
Menghilangkan batu reja dan memekatkan bijih
Bijih yang pekat
Proses reduksi
Logam yang belum murni
Prosees pemurnian, misalnya dengan elektrolisis
Logam murni
Gambar 1.2 bagan produksi logam dari bijihnya.
Terdapat beberapa pendapat mengenai unsur transisi, tetapi pengertian yang lebih umum menyatakan bahwa unsur transisi merupakan kelompok unsur yang terletak pada blok d di dalam sistem periodik unsur. Pendapat lain juga menyatakan bahwa unsur transisi merupakan sekelompok unsur yang mempunyai sekurang-kurangnya sebuah ion dengan orbital d belum terisi penuh.
Unsur transisi ini digolongkan menjadi dua, yaitu unsur transisi bok d yang memiliki subkulit d terisi tidak penuh dan unsur transisi dalam yang memiliki subkulit f terisi tidak penuh. Unsur transisi periode empat, terdiri atas 10 unsur, yaitu unsur dengan nomor atom 21 sampai 30. Unsur-unsur itu meliputi skandium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), kromium (Cr), mangan (Mn), besi (Fe), kobalt (Co), nikel (Ni), tembaga (Cu) dan zink (Zn).
B. SIFAT-SIFAT UNSUR TRANSISI PERIODE EMPAT
Data sifat-sifat unsur transisi periode keempat dapat kita lihat pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Data Sifat Unsur-Unsur Transisi Periode Keempat
Sifat Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Jari-jari atom (Å) 1,44 1,32 1,22 1,18 1,17 1,17 1,16 1,15 1,17 1,25
Jari-jari ion M2+ (Å) - 1,00 0,93 0,87 0,81 0,75 0,79 0,80 0,87 0,88
Titik leleh (oC) 1541 1660 1890 1857 1244 1535 1495 1453 1083 220
titik didih (oC) 2831 3287 3380 2672 1962 2750 2870 2732 2567 907
Rapatan
(gram cm-3) 3,0 4,5 6,0 7,2 7,2 7,9 8,9 8,9 8,9 7,1
Kekerasan
(skala Mohs) - - - 9,0 5,0 4,5 - - 3,0 2,5
Energi ionisasi
(kJ mol-1) 631 658 650 652 717 759 758 737 745 906
Keelegtronegatifan 1,3 1,5 1,6 1,6 1,5 1,8 1,8 1,8 1,9 1,6
Eo red M2+ (aq) (volt) - - -1,20 -0,91 -1,19 -0,44 -0,28 -0,25 +0,34 -0,76
Eo red M3+ (aq) (Volt) -2,10 -1,20 -0,86 -0,74 -0,28 -0,04 -0,40 - - -
Sifat Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
1. Sifat fisik unsur transisi periode keempat
Sifat-sifat fisik logam seperti daya hantar, rapatan, kekerasan serta titik leleh dan titik didih, berkaitan dengan struktur logam dan ikatan antaratom logam itu. Atom-atom dalam logam tersusun menurut pola tetentu sehingga susunannya mempunyai geometri tertentu pula, yang disebut kristal logam. Tiga bentuk yang paling umum dari kristal logam ialah struktur kubus berpusat muka (fcc = face centered cubic atau ccp = cubic closed packed), struktur terjejal heksagonal (hcp = hexagonal closed packed), dan kubus berpusat badan (bcc = body centered cubic). Struktur fcc dan hcp merupakan struktur terjejal, yaitu suatu pola penyusunan yang paling rapat dari benda-benda berbentuk bulatan sehingga ruang antarpartikelnya minimum. Dalam kedua struktur itu, bulatan-bulatan dapat menempati 74% dari ruangan, dengan kata lain ruang antarbulatan yang kosong adalah 26%. Setiap atom dalam struktur terjejal fcc dan hcp dikelilingi 12 atom terdekat (setiap atom bersentuhan langsung dengan 12 atom tetangganya). Kita sebutkan bahwa struktur terjejal fcc dan hcp mempunyai bilangan koordinasi 12. Adapun struktur kubus berpusat badan (bcc) merupakan struktur yang agak longgar, hanya menempati 68% dari ruangan. Struktur kubus berpusat badan mempunyai bilangan koordinasi 8.
Gaya apakah yang mengikat atom-atom dalam logam? Kita ingat bahwa logam mempunyai sedikit elektron valensi. Sementara itu, seperti dibahas di atas, satu atom logam terikat langsung pada beberapa (8 atau 12) atom sekaligus. Atom logam pasti tidak mempunyai cukup elektron untuk membentuk begitu banyak ikatan sekaligus itu hanya mugkin jika elektron logam itu terdelokalisasi, dapat berpindah dari satu orbital ke orbital lainnya, dari satu atom ke atom yang lainnya. Jadi, elektron valensi logam tidak terikat tetap, tetapi terdelokalisasi dan mudah berpindah atau mudah mengalir. Ikatan seperti itu disebut ikatan logam. Unsur-unsur logam golongan utama (golonagn IA dan IIA) mempunyai elektron valensi yang jumlahnya sedikit (1 atau 2) sehingga ikatan logamnya lemah. Akibatnya, logam-logam itu bersifat lunak, mempunyai titik didih dan titik leleh yang relatif rendah. Sebaliknya unsur transisi mempunyai elektron valensi yang lebih banyak, sehingga ikatan logamnya lebih kuat. Dengan jari-jari atom yang relatif kecil, susunan antaratom yang rapat, serta ikatan logam yang kuat dapat menjelaskan mengapa unsur transisi periode keempat mempunyai rapatan, kekerasan, titik didih serta titik leleh yag tinggi.
2. Sifat kimia
Unsur transisi dapat didefinisikan sebagai unsur yang atom atau ionnya mempunyai subkulit d atau f yang belum terisi penuh. Unsur transisi periode keempat mengandung atom atau ion dengan orbital d yang belum terisi penuh. Semua unsur transisi periode keempat memenuhi definisi tersebut, kecuali zink.
a. Konfigurasi elektron
Kita pernah mempelajari bahwa sifat-sifat unsur ditentukan oleh konfigurasi elektronnya, terutama elektron valensinya. Simak konfigurasi elektron unsur transisi periode empat pada tabel 1.2. berikut.
Tabel 1.2 Konfigurasi Elektron Unsur Transisi Periode Empat
Unsur Lambang Nomor atom Konfigurasi elektron Elektron valensi
4s 3d
Skandium Sc 21 (Ar) 3d1 4s2
Titanium Ti 22 (Ar) 3d2 4s2
Vanadium V 23 (Ar) 3d3 4s2
Kromium Cr 24 (Ar) 3d5 4s1
Mangan Mn 25 (Ar) 3d5 4s2
Besi Fe 26 (Ar) 3d6 4s2
Kobalt Co 27 (Ar) 3d7 4s2
Nikel Ni 28 (Ar) 3d8 4s2
Tembaga Cu 29 (Ar) 3d10 4s1
Zink Zn 30 (Ar) 3d10 4s2
Berdasarkan pengisian orbital elektron menurut prinsip aufbau, setelah subkulit 4s tersisi penuh, elektron berikutnya akan mengisi subkulit 3d. Ada dua buah unsur transisi periode empat dengan konfigurasi elektron menyimpang dari prinsip aufbau, yaitu kromium (Z=24) dan tembaga (Z=29). Marilah kita tinjau konfigurasi elektron kromium dan tembaga yang menurut aufbau adalah sebagai berikut:
24Cr : [Ar] 3d4 4s2
29 Cu : [Ar] 3d9 4s2
Pada kedua unsur itu terjadi perpindahan satu elektron dari subkulit 4s ke subkulit 3d, sehinggga subkulit 3d terisi setengah penuh (pada kromium) atau penuh (pada tembaga). Perpindahan ini bertujuan untuk mencapai konfigurasi elektron yang stabil yaitu orbital terisi setengah penuh atau penuh. Sehingga konfigurasi elektron pada kromium dan tembaga dituliskan sebagai berikut:
24Cr : [Ar] 3d5 4s1
29Cu : [Ar] 3d10 4s1
Terkadang unsur Zn tidak dimasukkan ke dalam unsur transisi karena Zn mempunyai sifat yang agak berbeda dengan unsur transisi lainnya. Bilangan oksidasi Zn adalah +2 dan bilangan oksidasi Sc adalah +3. Sementara itu, bilangan oksidasi unsur-unsur transisi lainnya lebih dari satu macam. Senyawa skandium dan zink berwarna putih, tidak seperti senyawa lain yang umumnya berwarna (Gambar 1.1).
Skandium (Sc) Titanium (Ti) Vanadium (V) Kromium (Cr)
Mangan (Mn) Besi (Fe) Kobalt (Co) Nikel (Ni)
Tembaga (Cu) Zink (Zn)
Gambar 1.1 Unsur-unsur transisi periode keempat
Konfigurasi elektron kedua unsur tersebut adalah sebagai berikut:
21Sc : [Ar] 3d1 4s2 dan 21Sc3+ : [Ar]
30Zn : [Ar] 3d10 4s2 dan 30Zn2+ : [Ar] 3d10
Walaupun demikian, skandium jelas memenuhi definisi unsur transisi karena atom Sc memiliki 1 elektron di subkulit d. Atom atau ion seng memiliki subkulit d yang selalu penuh. Bagaiman dengan tembaga? Atom tembaga memang memiliki subkulit d yang penuh, tetapi ion Cu2+ memiliki subkulit d yang tidak penuh. Jadi, jelas tembaga memenuhi memenui definisi unsur transisi di atas. Oleh karena itu, ada keragu-raguan menempatkan zink sebagai unsur transisi.
b. Jari-jari atom
Dari tabel 1.1 terlihat bahwa perubahan jari-jari atom dari Sc ke Zn tidak terlalu besar. Hal ini disebabkan karena pengisian elektron dari Sc sampai Zn masuk pada subkulit 3d yang merupakan bagian dari kulit ketiga padahal kulit keempat (4s) sudah terisi, sehingga pengaruhnya terhadap pertambahan jari-jari elektron sangat kecil dan bahkan kadang-kadang tidak berpengaruh sama sekali.
c. Energi ionisasi
Seperti yang telah kita pelajari di kelas X, besarnya energi ionisasi seperiode dari kiri ke kanan adalah semakin besar. Namun pada tabel 1.1 di atas, perubahan energi ionisasi dari unsur Sc sampai ke Zn tidak terlalu besar seperti halnya pada unsur-unsur golongan utama (golongan A). kecilnya perubahan tersebut juga disebabkan oleh konfigurasi elektronnya, yaitu bahwa penambahan elektron dari Sc sampai ke Zn masuk pada kulit ketiga.
d. Keelektronegatifan
Unsur transisi periode keempat umumnya memiliki keelektronegatifan yang lebih besar dibandingkan unsur Alkali maupun Alkali tanah, sehingga kereaktifan unsur transisi tersebut lebih rendah bila dibandingkan Alkali maupun Alkali Tanah. Sebagian besar unsur transisi periode keempat mudah teroksidasi (memiliki E°red negatif), kecuali unsur Tembaga yang cenderung mudah tereduksi (E°Cu = + 0,34 V). Hal ini berarti bahwa secara teoritis, sebagian besar unsur transisi periode keempat dapat bereaksi dengan asam kuat (seperti HCl) menghasilkan gas hidrogen, kecuali unsur Tembaga. Akan tetapi, pada kenyataanya, kebanyakan unsur transisi periode keempat sulit atau bereaksi lambat dengan larutan asam akibat terbentuknya lapisan oksida yang dapat menghalangi reaksi lebih lanjut. Hal ini terlihat jelas pada unsur Kromium. Walaupun memiliki potensial standar reduksi negatif, unsur ini sulit bereaksi dengan asam akibat terbentuknya lapisan oksida (Cr2O3) yang inert. Sifat inilah yang dimanfaatkan dalam proses perlindungan logam dari korosi (perkaratan).
e. Bilangan oksidasi
Unsur transisi mempunyai bermacam-macam bilangan okisdasi. Hal itu terjadi karena valensi unsur transisi adalah elektron pada subkulit 3d dan 4s. Tingkat energi kedua orbital itu sangat berdekatan. Oleh karena itu, selain elektron pada kulit terluar (4s), unsur transisi periode keempat dapat juga menggunakan elektron pada subkulit 3d pada pembentukan ikatan.
Tabel 1.3 Bilangan Oksidasi Unsur Transisi Dan Contoh Senyawanya
Unsur Bilangan oksidasi yang mungkin Contoh
Sc +3 Sc2O3
Ti +2, +3, +4 TiO, TiCl3, TiCl4
V +2, +3, +4, +5 VO, V2O3, VO2, V2O5
Cr +2, +3, +6 CrO, Cr2O3, CrO3
Mn +2, +3, +4, +6, +7 MnO, Mn2O3, MnO2, MnO42-, MnO4-
Fe +2, +3 FeCi2, FeCl3
Co +2, +3 Co(H2O)O62+, Co(NH3)63+
Ni +2, +3 NiO, K2NiF6
Cu +1, +2 Cu2O, CuO
Zn +2 ZnO
f. Warna Senyawa Unsur transisi
Pada umumnya unsur transisi periode keempat membentuk senyawa berwarna, baik dalam bentuk padat maupun dalam larutan. Warna senyawa dari unsur transisi ini berkaitan erat dengan konfigurasi elektronnya, yaitu adanya subkulit 3d yang terisi tidak penuh. Orbital-orbital 3d ini dapat terpisah menjadi dua tingkat energi, yaitu kelompok orbital pada sumbu dx2-y2 dan dz2 yang berenergi lebih rendah. Pemisahan ini menyebabkan adanya celah energi yang memungkinkan elektron dari orbital d energi rendah pindah ke orbital d energi tinggi dengan menyerap energi pada panjang gelombang cahaya tampak.
Tabel 1.4 Warna Senyawa Unsur Transisi
Unsur Bilangan oksidasi yang dikenal Warna pada bilangan oksidasi
+2 +3 +4 +5 +6 +7
Sc +3 Tbw
Ti +2, +3, +4 Ungu Tbw
V +2, +3, +4, +5 Ungu Hijau Biru Merah
Cr +2, +3, +6 Biru Hijau Jingga
Mn +2, +3, +4, +6, +7 Merah muda Coklat Coklat Biru Hijau Ungu
Fe +2, +3 Hijau Kuning
Co +2, +3 Merah muda Ungu
Ni +2, +3 Hijau
Cu +1, +2 Biru
Zn +2 Tbw
• Tbw : tak berwarna
g. Bersifat katalis
Salah satu sifat penting dari unsur transisi dan senyawanya yaitu kemampuannya untuk dapat menjadi katalis reaksi-reaksi kimia di dalam tubuh maupun di dalam industri. Beberapa logam transisi telah digunakan secara komersial sebagai katalis pada proses-proses industri (lihat tabel 1.5)
Tabel 1.5 Beberapa Katalis Unsur Transisi
Unsur transisi Senyawa yang digunakan Reaksi yang dikatalisis
Ti TiCl3 Polimerisasi alkena (pembuatan plastik)
V V2O5 Proses kontak (pembuatan H2SO4)
Fe Fe atau Fe2O3 Proses Haber (pembuatan NH3)
Ni Ni Adisi alkena (pembuatan margarin)
Cu Cu atau CuO Oksidasi alkohol (pembuatan formalin)
Logam transisi dan senyawa-senyawanya dapat berfungsi sebagai katalis karena memiliki kemampuan mengubah tingkat oksidasi atau, pada kasus logam, dapat meng-adsorp substansi yang lain pada permukaan logam dan mengaktivasi substansi tersebut selama proses berlangsung. Sebagai contoh, pada pembuatan asam sulfat dengan proses kontak digunakan katalis V2O5. Pada peristiwa katalis reaksi tersebut, vanadium mula-mula mengalami reduksi V 5+ menjadi V4+
2V5+ + O2- + SO2 2V4+ + SO3
Tahap berikutnya V4+ akan teroksidasi oleh oksigen,
2V4+ + ½ 2V5+ + O2-
Sehingga secara keseluruhan,
2V5+ + O2- + SO2 2V4+ SO3
2V4+ + ½ O2 2V5+ + O2-
SO2 + ½ O2 SO3
C. TERDAPATNYA DI ALAM
Pada umumnya, Unsur-unsur transisi periode empat di alam terdapat dalam bentuk senyawa seperti oksida, sulfida atau karbonat. Hal tersebut dikarenakan senyawa-senyawa ini sukar larut dalam air. Misalnya Fe2O3, Cu2S, NiS, ZnS, MnO2. Hanya sebagian kecil seperti emas, perak dan sedikit tembaga yang terdapat dalam keadaan bebas maupun dalam bentuk senyawanya. Kenyataan tersebut sesuai dengan harga potensial eletrode tembaga yang bertanda positif, yang berarti bahwa tembaga tergolong logam setengah mulia yang relatif sukar dioksidasi. Berikut ini tabel beberapa mineral atau senyawa dari unsur-unsur transisi periode keempat.
Tabel 1.6 Keberadaan Unsur Transisi Periode Empat di Alam
Unsur Keberadaan di Alam
Skandium (Sc) Skandium terutama terdapat pada mineral tortveitil (kira-kira 34% massa Sc). Terdapat bersama mineral lainnya, seperti monazite dan gadolinite.
Titanium (Ti) Merupakan unsur peringkat ke-10 dalam kulit bumi (0,6% massa) biasanya terdapat dalam bentuk mineral rutile (TiO2) atau ilmenite (FeTiO3).
Vanadium (V) Tersebar luas di seluruh kulit bumi (0,02% massa) dengan sumber utama mineralnya: vanadite (Pb3(VO4)2), patronite (VS4), vanadinite (Pb5(VO4)3Cl), dan carnotite (K2(UO2)VO4.3H2O).
Kromium (Cr) Terdapat dalam mineral chromite (FeO.Cr2O3)
Mangan (Mn) Terdapat relatif cukup melimpah di kulit bumi (0,1% massa). Terutama ditemukan sebagai batu kawi atau pirolusite (MnO2), dan rodocrosite (MnCO3).
Besi (Fe) Merupakan logam berat yang paling melimpah dalam kulit bumi (sekitar 4,7%). Ditemukan dalam mineral: hematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), limonite (Fe2O3.H2O), siderite (FeCO3), dan pyrite (FeS2)
Kobalt (Co) Relatif jarang, tetapi dapat ditemukan dalm mineral smaltite (CoAs2) dan kobaltit (CoAsS).
Nikel (Ni) Merupakan unsur peringkat ke-24 dalm kulit bumi. Ditemukan dalam mineral millerite (NiS) dan pentlandite (NiS – FeS).
Tembaga (Cu) Ditemukan dalam bentuk unsur bebas di sekitar kawah vulkanik dan sebagai senyawa oksida, seperti cuprite (Cu2O), senyawa sulfida, seperti calcosite (Cu2S) dan calcopirite (CuFeS2), dan senyawa karbonat, seperti malachite (Cu2(OH)2CO3).
Zink (Zn) Ditemukan dalam mineral: zink blende/spalerite (ZnS), zinicite (ZnO), dan smitsonite (ZnCO3).
D. KEGUNAAAN DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI
Logam transisi periode keempat memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan sehari-hari. Kegunaan logam transissi periode keempat diikhtisarkan dalm Tabel 1.7.
Tabel 1.7 Logam Transisi Dan Kegunaannya
Logam Kegunaan
Skandium (Sc) - digunakan pada lampu intensitas tinggi
Titanium (Ti) - digunakan pada industri pesawat terbang (ruang pembakaran roket dan jet)
- di industri kimia dalam bentuk TiCl3 (Al2C2H5)6 sebagai katalis dalam polimerisasi etena
Vanadium (V) - digunakan untuk membuat per mobil
- dalam bentuk V2O5 atau VO3- sebagai katalis dalam pembuatanoses kontak. belerang (H2SO4) melaui proses kontak
- Sekitar 80% produksi vanadium digunakan untuk pembuatan baja. Baja yang mengandung vanadium digunakan pada peralatan yang membutuhkan kekuatan dan kelenturan, seperti pegas dan alat-alat mesin berkecepatan tinggi
Kromium (Cr) - untuk bahan pembuatan baja, nikrom, dan stanless steel
• Baja krom : terdiri atas Cr, Mn, dan Si
• Nikrom : terdiri atas Ni, Fe, dan Cr
• Stainless steel : terdiri atas Cr, Fe, dan Ni
- Penggunaan kromium yang sangat terkenal adalah penyepuhan kromium (chromium plating).
Mangan (Mn) - digunakan untuk bahan pembuatan baja
- manganin dalam pembuatan alat-alat listrik
- dan sebagai alloy mangan-besi atau ferromanganese
- Kalium permanganat (KMnO4) merupakan zat pengoksida yang penting dalam analisis kimia, biasanya digunakan pada titrasi larutan asam di mana senyawa tersebut direduksi menjadi Mn2+. Pada kimia organik MnO4 digunakan untuk mengoksidasi alkohol dan hidrokarbon tidak jenuh.
- mangan dioksida, MnO2, digunakan pada sel kering, pada kaca dan lapisan keramik, serta sebagai katalis.
Besi (Fe) - dalam bentuk Fe atau Fe2O3 digunakan sebagai katalis pada pembuatan amonia (NH3) menurut proses haber Bosch
- digunakan untuk pembuatan baja, perangkat elektronik, memori komputer, dan pita rekaman
Kobalt (Co) - digunakan untuk membuat aliansi (paduan logam)
- pengobatan kanker
Nikel (Ni) - dalam bentuk serbuk Ni digunakan sebagai katalis pada proses pengerasan minyak tumbuhan (hidrogenasi) seperti pembuatan margarin
- digunakan untuk melapisi logam supaya tahan karat dan paduan logam
Tembaga (Cu) - kabel listrik , uang logam
- untuk membuat aliansi (paduan logam)
• kuningan : terdiri atas Cu dan Zn
• perunggu : terdiri atas Cu, Sn, dan Zn
• monel (digunakan untuk membuat instrumen tranmisi listrik, untuk alat dapur atau barang hiasan) : terdiri atas Ni dan Cu
• Nikrom(digunakan sebagai kawat pemanas)
: terdiri atas unsur Ni, Fe, dan Cr.
• alnico (pembuatan magnet) : terdiri atas Al, Ni, Cu, dan Fe
• Palinit dan Invar yaitu paduan nikel yang mempunyai koefisien muai yang sama dengan gelas yang digunakan sebagai kawat listrik yang ditanam dalam kaca, misalnya pada bolam lampu pijar.
• Serbuk nikel digunakan sebagai katalisator, misalnya pada hidrogenansi (pemadatan) minyak kelapa, juga pada cracking minyak bumi.
Zink (Zn) - sel kering (baterai)
- digunakan sebagai logam pelapis antikarat, paduan logam, pembuatan bahan cat putih, dan antioksidan dalam pembuatan ban mobil
E. PROSES PEMBUATAN UNSUR TRANSISI PERIODE KEEMPAT
1. Proses metalurgi
Unsur transisi periode keempat mempunyai potensial yang negatif (kecuali Cu) sehingga bersifat reduktor. Sifat reduktor yang menyebabkan logam transisi dapat bereaksi dengan unsur nonlogam, seperti oksigen, belerang, dan halogen. Itulah sebabnya, unsur transisi umumnya terdapat sebagai oksida dan sulfida.
Dalam pengolahan logam kita kenal ada istilah metalurgi. Metalurgi adalah sains dan tekhnologi logam tentang produksi logam dari bijihnya, pemurnian logam, sifat, dan penggunaannya. Prosedur produksi logam dari bijihnya erdiri atas tiga tahap, yaitu sebagai berikut.
a. Pemekatan bijih
Mineral perlu dipisahkan dari karang yang tidak diinginkan yang disebut batu reja (gangue). Ada dua cara pemekatan bijih, yaitu cara fisika dan cara kimia.
1). Cara fisika
Pencucian dengan penyemprotan air dapat membersihkan mineral dari batu reja. Cara yang paling sering dilakukan adalah denagn floatasi, yaitu pencampuran bijih logam dengan zat aktif permukaan, misalnya detergen atau zat pembusa. Ke dalam campuran ini dihembuskan udara. Bijih logam melekat pada gelembung busa dan mengapung, sedangkan batu reja turun ke dasar wadah sehingga logam dapat dipisahkan. Cara fisika yang lain adalah dengan elektromagnetik, misalnya pada bijih besi seperti magnetit, Fe3O4, tertarik oleh magnet sehingga memisah dari karang,
2). Cara kimia
Pemekatan cara kimia menggunakan bahan-bahan kimia. Misalnya, bauksit dioalh dengan larutan NaOH pekat. Senyawa Al2O3 melarut dan menghasilkan ion aluminat, AlO2-.
Al2O3(s) + 2OH- (aq) 2AlO2- (aq) + H2O (l)
Setelah dipisahkan dari batu reja, lalu diasamkan. Senyawa Al(OH)3 yang terbentuk dipijar untuk memperoleh alumina.
2Al(OH)3(s) Al2O3(s) + 3H2O(g)
b. Proses reduksi
Setelah bijih dipekatkan, bijih tersebut direduksi.
c. Proses pemurnian (Refining)
Setelah proses reduksi dilakukan, zat pengotor perlu disingkirkan sehingga menghasilkan logam yang murni. Proses produksi logam dan bijihnya dapat dilihat pada gambar 1.2
Daerah penambangan
Penambangan
Bijih
Menghilangkan batu reja dan memekatkan bijih
Bijih yang pekat
Proses reduksi
Logam yang belum murni
Prosees pemurnian, misalnya dengan elektrolisis
Logam murni
Gambar 1.2 bagan produksi logam dari bijihnya.
Langganan:
Postingan (Atom)
