Isomerisasi dan Sifat pada Alkana

Isomerisasi pada Alkana

Sebagaimana telah kita pelajari di depan bahwa pada senyawahidrokarbon dikenal istilah isomer. Isomer yang terjadi pada alkana adalah isomer rangka.

Sebagai contoh C₅H₁₂ mempunyai isomer:

 

neopentana atau 2,2–dimetilpropana

Artinya, senyawa dengan rumus molekul C₅H₁₂ memiliki 3 isomer. Bagaimana dengan rumus molekul yang lain?

Sifat Alkana

1) Semua hidrokarbon merupakan senyawa nonpolar sehingga tidak larut dalam air. Jika suatu hidrokarbon bercampur dengan air, maka lapisan hidrokarbon selalu di atas sebab massa jenisnya lebih kecil daripada 1.

Pelarut yang baik untuk hidrokarbon adalah pelarut nonpolar, sepertiCCl₄ atau eter.

2) Makin banyak atom C, titik didih makin tinggi. Untuk hidrokarbon yang berisomer (jumlah atom C sama banyak), titik didih makin tinggi apabila rantai C makin panjang (bercabang sedikit).

3) Pada suhu dan tekanan biasa, empat alkana yang pertama (CH₄sampai C₄H₁₀) berwujud gas. Pentana (C₅H₁₂) sampai heptadekana(C₁₇H₃₆) berwujud cair, sedangkan oktadekana (C₁₈H₃₈) dan seterusnya berwujud padat.

4) Jika direaksikan dengan unsur-unsur halogen (F₂, Cl₂, Br₂, dan I₂),maka atom- atom H pada alkana mudah mengalami substitusi (penukaran) oleh atom- atom halogen.

==> CH₄ + Cl₂-> CH₃Cl + HCl

      metilklorida (klorometana)

==> CH₃Cl + Cl₂-> CH₂Cl₂ + HCl

      diklorometana

==> CH₂Cl₂ + Cl₂-> CHCl₃ + HCl

      kloroform (triklorometana)

==> CHCl₃ + Cl₂-> CCl₄ + HCl

      karbon tetraklorida

5) Alkana dapat mengalami oksidasi dengan gas oksigen, dan reaksipembakaran ini selalu menghasilkan energi. Itulah sebabnya alkana digunakan sebagai bahan bakar.  Secara rata-rata, oksidasi 1 gram alkana menghasilkan energi sebesar 50.000 joule.

Reaksi pembakaran sempurna:

CH₄ + 2 O₂-> CO₂ + 2 H₂O + energi

Reaksi pembakaran tidak sempurna:

CH₄ + 3/2 O₂-> CO + 2 H₂O + energi

Karbokation

Semua karbokation (yang sebelumnya disebut ion karbonium) membawa satu muatan positif pada sebuah atom karbon. Disebut karbokation karena sebuah kation adalah sebuah ion positif, dan "karbo" menunjuk pada sebuah atom karbon. Akan tetapi, ada perbedaan penting dalam hal struktur berbagai jenis karbokation.

Jenis-jenis karbokation

Karbokation primer

Pada karbokation primer (1°), atom karbon yang membawa muatan positif hanya terikat pada satu gugus alkil yang lain.

Beberapa contoh karbokation primer antara lain sebagai berikut:

 

Perhatikan bahwa yang menentukan bukan seberapa kompleks gugus alkil yang terikat, tetapi jumlah ikatan antara karbon positif dengan atom karbon lainnya. Pada semua contoh di atas, hanya ada satu ikatan antara karbon positif dengan atom karbon lain.

Dengan mengganti sebuah gugus alkil dengan simbol R, maka karbokation primer dapat dituliskan seperti gambar disamping.

Karbokation sekunder

Pada karbokation sekunder (2°), atom karbon yang memiliki muatan positif terikat pada dua gugus alkil yang lain, yang bisa sama atau berbeda.

Contoh:

 

Karbokation sekunder memiliki rumus umum seperti ditunjukkan pada gambar di samping. R dan R’ adalah gugus-gugus alkil yang bisa sama atau berbeda.

Karbokation tersier

Pada karbokation tersier (3°), atom karbon positif terikat dengan tiga gugus alkil, yang bisa berupa kombinasi dari gugus-gugus yang sama atau berbeda.

 

Karbokation tersier memiliki rumus umum seperti ditunjukkan pada gambar di samping. R, R’ dan R” adalah gugus-gugus alkil yang bisa sama atau berbeda.

Kestabilan berbagai karbokation

“Efek pendesakan elektron” oleh gugus-gugus alkil

Anda mungkin telah mengetahui bahwa bromin lebih elektronegatif dibanding hidrogen, sehingga pada sebuah ikatan H-Br elektron-elektron tertarik lebih dekat ke atom bromin dibanding ke atom hidrogen. Demikian juga yang terjadi jika sebuah atom bromin terikat pada sebuah atom karbon – elektron-elektron terdorong ke arah bromin. Bromin memiliki efek induktif negatif.

Apa yang terjadi pada gugus-gugus alkil adalah kebalikannya, yakni tidak menarik elektron ke arahnya, tetapi “mendesak” elektron menjauh darinya.

Ini berarti bahwa gugus alkil menjadi sedikit positif (+) dan karbon dimana mereka terikat sedikit bermuatan negatif (-). Gugus alkil memiliki efek induktif positif.

Ini terkadang ditunjukkan sebagai, misalnya:

 

Tanda panah menunjukkan elektron-elektron yang sedang “terdesak” menjauh dari gugus CH₃. Tanda plus pada ujung sebelah kiri tanda panah menunjukkan bahwa gugus CH₃ sedang menjadi positif. Simbol-simbol + dan - hanya menegaskan apa yang terjadi.

Pentingnya penyebaran muatan untuk menstabilkan ion

Ada kaidah umum yang mengatakan bahwa jika sebuah muatan sangat terlokalisasi (semuanya terpusat pada satu atom) maka ion jauh lebih tidak stabil dibanding jika muatan tersebar pada beberapa atom.

Mari kita menerapkan kaidah ini terhadap jenis-jenis karbokation seperti ditunjukkan pada gambar berikut:

 

Anda akan melihat bahwa efek pendesakan elektron oleh gugus CH₃ menempatkan semakin banyak muatan negatif pada karbon positif mulai dari karbokation primer ke sekunder sampai tersier. Hal ini tentu menimbulkan pengaruh berupa pengurangan muatan positif.

Pada saat yang sama, daerah di sekitar berbagai gugus CH₃ menjadi sedikit positif. Dengan demikian pengaruhnya adalah bahwa muatan positif tersebar pada semakin banyak atom mulai dari ion primer ke sekunder sampai tersier.

Semakin tersebar muatan positifnya, maka semakin stabil ion tersebut.

Orde kestabilan karbokation primer < sekunder < tersier

Kestabilan karbokation dari segi energi

Ketika kita berbicara tentang karbokation sekunder yang lebih stabil dari karbokation primer, kestabilan dalam hal apa yang sebenarnya kita maksudkan? Kestabilan yang dimaksud adalah kestabilan dari segi energi – karbokation sekunder berada pada tingkat yang lebih rendah dalam “tangga” energi dibanding karbokation primer.

Ini berarti bahwa akan diperlukan lebih banyak energi untuk membuat sebuah karbokation primer dibanding karbokation sekunder.

Jika ada pilihan antara membuat ion sekunder atau ion primer, maka jauh lebih mudah membuat ion sekunder.

Demikian juga, jika ada pilihan antara membuat ion tersier atau ion sekunder, maka jauh lebih mudah membuat ion tersier.

Ini memiliki imbas penting dalam reaksi alkena-alkena tidak simetris. Jika anda tertarik dengan topik ini, silahkan mengikuti link berikut ke menu reaksi adisi nukleofilik.

Reaksi antara Alkena Asimetris dengan Asam Sulfat

Alkena bereaksi dengan asam sulfat pekat pada suhu biasa menghasilkan alkil hidrogensulfat. Untuk propena, persamaan reaksinya adalah:

Ini sejalan dengan Kaidah Markovnikov yang menyatakan:

Apabila sebuah senyawa HX diadisi ke sebuah alkena asimetris, maka atom hidrogen akan terikat pada atom karbon yang sebelumnya mengikat lebih banyak atom hidrogen.

Dalam hal ini, hidrogen menjadi terikat ke gugus CH₂, karena gugus CH₂ memiliki lebih banyak hidrogen dibanding gugus CH.

Perhatikan bahwa hanya hidrogen yang terikat langsung pada karbon ikatan rangkap yang dihitung. Atom-atom hidrogen yang terdapat pada gugus CH₃ tidak dihitung.

Mekanisme

Ini adalah contoh dari adisi elektrofilik.

 

Adisi berlangsung dengan mekanisme ini karena karbokation (ion karbonium) yang terbentuk adalah karbokation sekunder. Ini lebih stabil (sehingga lebih mudah terbentuk) dibanding karbokation primer yang akan dihasilkan jika hidrogen terikat pada atom karbon tengah dan komponen asam sulfat lainnya terikat pada atom karbon ujung.

Reaksi Antara Alkena Asimetris dan Bromin

Ikatan rangkap pada semua alkena terdiri dari dua bagian yang berbeda. Salah satu pasangan elektron terletak pada garis ikatan antara dua inti. Ikatan ini disebut ikatan sigma.

Pasangan elektron yang lain terletak pada sebuah orbital di atas dan di bawah bidang luar molekul, dan disebut ikatan pi. Ikatan pi lebih lemah dibanding ikatan sigma dan sangat rentan terhadap serangan.

Pada saat molekul bromin mendekati ikatan pi, elektron-elektron dalam ikatan tersebut mendesak elektron-elektron dalam ikatan bromin-bromin menuju ke atom bromin bagian bawah (lihat gambar berikut). Ini menghasilkan sebuah dipol terinduksi dalam molekul bromin.

 

Persamaan mekanisme yang sederhana

Elektron-elektron dari ikatan pi bergerak ke bawah menuju ke atom bromin yang sedikit positif.

 

Dalam proses tersebut, elektron-elektron dalam ikatan Br-Br terdesak ke bawah sampai semuanya berada pada atom bromin di bagian bawah, menghasilkan sebuah ion bromida.

Perhatikan arah pergerakan elektron-elektron ikatan pi. Dengan pergerakan yang menyebabkan bromin terikat pada atom karbon sebelah kanan ini, terbentuk karbokation sekunder. Karbokation ini lebih stabil dari karbokation primer yang akan terbentuk jika elektron-elektron pi memiliki pergerakan yang berlawanan.

Pada tahap kedua mekanisme, pasangan elektron bebas pada ion bromida tertarik kuat ke karbon positif dan bergerak ke arahnya sampai sebuah ikatan terbentuk.

Dengan demikian, mekanisme keseluruhan adalah:

Persamaan yang lebih akurat untuk mekanisme

Reaksi berlangsung persis sama seperti pada persamaan sederhana di atas, dimana elektron-elektron ikatan pi bergerak ke bawah menuju atom bromin yang sedikit positif.

Tapi kali ini, atom bromin pada bagian atas menjadi terikat ke kedua atom karbon, dengan muatan positif ditemukan pada bromin dan bukan pada salah satu atom karbon. Ion bromonium terbentuk.

 

Ion bromonium selanjutnya diserang dari belakang oleh ion bromida yang terbentuk pada sebuah reaksi dekat. Ion ini tidak bisa diserang oleh ion bromida asalnya karena jalannya telah dihalangi oleh sebuah bromin positif pada sisi tersebut.

Tidak jadi masalah atom karbon mana dari ikatan rangkap yang diserang oleh ion bromida – hasil akhirnya akan tetap sama.

Reaksi Penetralan/Penggaraman Asam Basa

Dari televisi, Anda sering melihat iklan yang menggambarkan bagaimana efektifnya antasid (obat maag) dalam menetralkan asam lambung. Apa yang dikandung obat-obatan antasid tersebut? Ternyata obat-obatan tersebut mengandung basa, karena hanya basa yang dapat menetralkan pengaruh asam. Umumnya zat-zat dengan sifat yang berlawanan, seperti asam dan basa cenderung bereaksi satu sama lain. Reaksi asam dan basa merupakan pusat kimiawi sistem kehidupan, lingkungan, dan proses-proses industri yang penting. Bila larutan asam  direaksikan dengan larutan basa, maka sebagian dari ion H3O+ asam akan bereaksi dengan sebagian ion OH- basa membentuk air.

 

Karena air bersifat netral, maka reaksi asam dengan basa disebut reaksi penetralan. Persamaan diatas hanya memperhitungkan sebagian ion-ion yang ada dalam larutan. Apakah yang terjadi dengan ion negatif sisa asam dan ion positif sisa basa? Ion-ion ini akan bergabung membentuk senyawa ion yang disebut garam. Bila garam yang terbentuk itu mudah larut dalam air, maka ion-ionnya akan tetap ada dalam larutan. Tetapi jika garam itu sukar larut dalam air, maka ion-ionnya akan bergabung membentuk endapan.
Jadi reaksi asam dengan basa disebut juga penggaraman, karena:

Persamaan berikut menunjukkan apa yang terjadi pada semua ionion selama terjadi reaksi penetralan atau reaksi penggaraman.

NaCl adalah garam yang mudah larut dalam air. Jadi ion-ion Na+ dan Cl- tetap dalam larutan. Apabila larutan itu diuapkan akan di dapat kristal natrium klorida (NaCl). Untuk melihat proses pembentukan NaCl perhatikan Gambar 16 berikut.

Tujuan dari titrasi adalah menentukan konsentrasi larutan seperti HCl, menggunakan larutan NaOH yang konsentrasinya tidak diketahui. Tahap-tahap titrasi berdasarkan Gambar 17, asumsikan masing-masing larutan 1 L (a). Kemudian mengambil 25 mL larutan HCl dengan menggunakan pipet seukuran (pipet gondok) (b) dan memasukkan pada tabung erlenmeyer (c), ditambahkan 2 tetes indikator. Indikator menunjukkan reaksi dengan adanya perubahan warna, bila titik akhir telah dicapai. Titik akhir reaksi menunjukkan bahwa mol pereaksi sama dengan mol hasil reaksi. Hal ini menandakan bahwa titrasi telah selesai.

Larutan NaOH diletakkan dalam buret (d). Lalu proses titrasi dilakukan dengan cara membuka kran buret dan meneteskan setetes demi tetes (e). Jika telah terjadi perubahan warna berarti titik akhir telah tercapai. Jumlah mol HCl sama dengan jumlah mol NaOH dengan reaksi:

Selanjutnya kita dapat menghitung konsentrasi larutan HCl. Volume larutan NaOH dibaca dalam buret awal dan akhir titrasi. Lebih jelasnya perhatikan contoh soal berikut.

Contoh Soal 1

Hitung konsentrasi larutan HCl bila konsentrasi larutan NaOH 1,500 M, volume larutan HCl 25,00 mL, pembacaan buret awal adalah 1,42 mL, dan buret akhir 46,10 mL.

Penyelesaian Volume larutan NaOH adalah 46,10 mL – 1,42 mL = 44,68 mL, maka
jumlah mol NaOH =

Konsep pH, pOH dan pKw

 

 

 

Ingat bahwa ion hidrogen (ion hidronium) dan ion hidroksida ada dalam setiap larutan encer. Larutan bersifat basa bila konsentrasi ion hidroksida lebih besar dari konsentrasi ion hidronium, netral berarti kedua konsentrasi sama, dan asam bila konsentrasi ion hidronium lebih besar dari ion hidroksida.

2. pH dan pOH

Apakah yang dimaksud dengan pH ? Pada dasarnya skala/tingkat keasaman suatu larutan bergantung pada konsentrasi ion H⁺ dalam larutan. Makin besar konsentrasi ion H⁺ makin asam larutan tersebut. Umumnya konsentrasi ion H⁺ sangat kecil, sehingga untuk menyederhanakan penulisan, seorang kimiawan dari Denmark bernama Sorrensen mengusulkan konsep pH untuk menyatakan konsentrasi ion H⁺. Nilai pH sama dengan negatif logaritma konsentrasi ion H⁺ dan secara matematika diungkapkan dengan
persamaan:

Selain itu, pH yang merupakan konsentrasi ion hidronium dalam larutan ditunjukkan dengan skala secara matematis dengan nomor 0 sampai 14. Skala pH merupakan suatu cara yang tepat untuk menggambarkan konsentrasi ion-ion hidrogen dalam larutan yang bersifat asam, dan konsentrasi ion-ion hidroksida dalam larutan basa.

Skala pH dari 0 sampai 14 ditunjukkan dalam Gambar 18.Skala ini terbagi menjadi tiga daerah untuk beberapa larutan denganpH yang berbeda. Bila larutan mempunyai pH tepat sama dengan7, larutan tersebut dikatakan netral. Bila tidak, mungkin bersifat asam  atau basa.