Pintar Pelajaran Cara Kerja Dan Aplikasi Sel Materi Bakar Hidrogen, Bahan, Prinsip, Pengertian, Contoh

Cara Kerja dan Aplikasi Sel Bahan Bakar Hidrogen, Bahan, Prinsip, Pengertian, Contoh - Energi merupakan salah satu kebutuhan hidup yang harus terpenuhi demi kelangsungan hidup manusia. Saat ini kebutuhan energi sudah sangat besar seiring dengan peningkatan jumlah penduduk terutama energi listrik. Jadi, dalam bidang energi sudah saatnya kita mengusahakan untuk memproduksi sumber energi alternatif untuk mengantisipasi ketersediaan energi di masa yang akan datang. Sumber energi tersebut harus memenuhi parameter keberhasilan suatu sumber energi alternatif yaitu: sanggup diperbarui (renewable energy), ramah lingkungan, dan biaya yang murah. Salah satunya dengan memanfaatkan sel materi bakar (Fuel cell). Fuel cell merupakan konverter dari energi kimia ke energi listrik yang ramah lingkungan. Fuel cell dirancang untuk sanggup diisi reaktannya yang terkonsumsi dimana fuel cell memproduksi listrik dan penyediaan materi bakar hidrogen dan oksigen dari luar. Reaktan yang biasanya digunakan dalam sebuah sel materi bakar yakni hidrogen di sisi anoda dan oksigen di sisi katoda. Reaktan mengalir masuk dan produk dari reaktan mengalir keluar. Sehingga operasi jangka panjang sanggup terus menerus dilakukan selama disuplai oleh materi bakar (hidrogen) dan oksigen.

Fuel cell ini di klasifikasikan sebagai pembangkit tenaga lantaran sel materi bakar ini sanggup beroperasi secara terus menerus atau selama ada persediaan materi bakar (fuel) dan oksidan. Fuel cell diklasifikasikan dalam beberapa jenis tergantung dari jenis materi bakar yang digunakan, yaitu Alkaline Fuel Cell (AFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Proton Exchange Membrane (PEM), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) (De Guire, 2003). Fuel cell mempunyai karakteristik umum yaitu sangat efisien (>85%), modular (dapat ditempatkan dimana diperlukan), ramah lingkungan (tidak berisik, emisinya rendah), panas yang terbuang sanggup di simpan (Handayani, 2008).

SOFC dianggap menarik lantaran mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan dengan fuel cell jenis lain. SOFC merupakan fuel cell dengan temperatur tertinggi pada ketika ini yaitu sekitar 600 ^oC - 1000 ^oC dan juga mempunyai tingkat efesiensi yang paling tinggi yaitu sekitar 60%. SOFC berkembang semenjak tahun 1950 dan mempunyai dua bentuk yaitu planar dan tubular. Keuntungan dari fuel cell jenis ini yaitu sanggup memakai materi bakar lain selain hidrogen. Sama ibarat jenis fuel cell yang lain, SOFC juga mempunyai tiga penggalan penting yaitu elektrolit, katode, dan anode (De Guire, 2003).

1. Sel Bahan Bakar (Fuel Cell)

Fuel cell (sel materi bakar) yakni suatu konverter dari energi kimia menjadi energi listrik dengan memanfaatkan kecendrungan hidrogen dan oksigen untuk bereaksi dimana operasi jangka panjangnya sanggup terus menerus terjadi selama materi bakarnya sanggup terus disuplai yaitu hidrogen dan oksigen. Gas hidrogen dan oksigen secara elektrokimia dikonvert menjadi air. Reaksi secara keseluruhannya yakni sebagai berikut (Cook, 2001):

Anoda : H2 → 2 H⁺ + 2 e^-

Katoda : ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e^- → H₂O

Reaksi total : H₂ + ½ O₂ → H₂O + energi listrik + kalor

Prinsip kerja fuel cell yaitu hidrogen di dalam sel dialirkan menuju sisi anoda sedangkan oksigen di dalam udara dialirkan menuju sisi katoda. Pada anoda terjadi pemisahan hidrogen menjadi elektron dan proton (ion hidrogen). Ion hidrogen ini kemudian menyebrang dan bertemu dengan oksigen dan elektron di katoda dan menghasilkan air. Elektron-elektron yang mengandung muatan listrik ini akan menuju katoda melalui jaringan eksternal. Aliran elektron-elektron inilah yang akan menghasilkan arus listrik. Skema fuel cell diperlihatkan pada Gambar 1.

Skema sel materi bakar (fuel cell) (Anonim 2012)

Fuel cell mempunyai beberapa kelebihan yaitu (Anonim, 2008):

1. Memiliki efiesiensi yang tinggi (60%-70%)
2. Ramah lingkungan (tidak berisik, emisinya rendah)
3. Secara teoritis, limbah atau emisi yang dihasilkan yakni air (H₂O).

Berbeda dengan pada pembakaran biasa dengan memakai mesin, dimana limbah yang dihasilan yakni gas-gas yang berpotensi untuk mencemari lingkungan. Selain itu kalau memakai pembangkit daya yang konvensional, polusi kebisingan juga sanggup terjadi, sedangkan sel materi bakar ini tidak menghasilkan suara. Sel materi bakar tidak memerlukan penggantian elektrolit dan pengisian materi bakar, akan tetapi kalau materi bakarnya habis, maka sel ini juga tidak sanggup berfungsi.

3. Bahan bakarnya flexibel

Bahan bakar yang digunakan untuk sel materi bakar sanggup digunakan beberapa macam, kebanyakan memakai hidrogen dan oksigen sebagai materi bakar dan oksidannya. Selain memakai kedua materi tersebut, materi bakar lain yang dicoba digunakan antara lain ammonia, hidrazine, metanol dan batubara.

Fuel cell mempunyai beberapa macam tipe yaitu

1. Alkaline Fuel Cell (AFC)
2. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
3. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
4. Proton Exchange Membrane (PEM)
5. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

4. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

SOFC yakni suatu jenis perangkat elektrokimia yang memakai materi bakar oksida padat yang sanggup mengkonversi secara eksklusif dari energi kimia menjadi energi listrik yang lebih efisien dan materi bakarnya bebas dari polusi. Skema sebuah SOFC diperlihatkan pada Gambar 2. (Wikipedia, 2012):

Gambar 2. Skema SOFC. (Anonim, 2012)

Pada suhu tinggi oksigen bermigrasi melalui lapisan elektrolit menuju anoda yang akan mengoksidasi materi bakar yang mengandung molekul hidrogen pada anoda yang akan menghasilkan ion hidrogen dan akan membebaskan elektron. Elektron yang dihasilkan pada anoda keluar dari sirkuit masuk ke sisi katoda yang akan dipergunakan sebagai tenaga listrik dengan efisiensi 60%. SOFC mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan jenis fuel cell yang lain, yaitu (Anonim, 2012):

1. Memiliki efisiensi yang tinggi 60%.
2. Memiliki stabilitas jangka panjang.
3. Ramah lingkungan.
4. Dapat memakai beberapa jenis materi bakar.
5. Emisinya rendah.
6. Biaya yang relatif rendah.
7. Dapat beroperasi pada suhu tinggi yaitu 600 ^oC - 1000 ^oC.

SOFC mempunyai dua desain yaitu desain planar dan tubular (tabung) ibarat yang terlihat pada Gambar 3. 

Desain planar mempunyai lapisan khusus dalam aneka macam ukuran yang banyak digunakan dalam aneka macam sel materi bakar dimana lapisan elektrolitnya terletak diantara elektroda. Sedangkan desain tubular, udara atau materi bakar melewati penggalan dalam tabung dan gas lainnya dilewatkan pada penggalan luar tabung. Desain tubular menguntungkan lantaran lebih gampang untuk membatasi dan memisahkan materi bakar dari udara dibandingkan dengan bentuk planar (De Guire 2003).

Gambar 3. (a) sistem tubular SOFC (b) Sistem planar SOFC (De Guire 2003).

Sama ibarat fuel cell pada umumnya, SOFC juga mempunyai penggalan penting, yaitu (De Guire, 2003):

a. Elektrolit

Elektrolit merupakan pemisah antara katoda dan anoda. Elektrolit berfungsi untuk memindahkan ion-ion yang terlibat dalam reaksi-reaksi reduksi dan oksidasi dalam sel materi bakar. Elektrolit sangat kuat pada kinerja fuel cell.

b. Katode

Katode merupakan elektroda yang berinteraksi dengan udara yang berfungsi menjadi batas untuk oksigen dan elektrolit, mengkatalis reaksi reduksi oksigen dan menghubungkan elektron-elektron dari sirkuit luar ke daerah reaksi.

c. Anode

Anode merupakan elektroda yang berinteraksi dengan materi bakar yang berfungsi menjadi batas untuk materi bakar dan elektrolit, mengkatalis reaksi oksidasi dan menghubungkan elektron-elektron dari daerah reaksi elektron dari daerah reaksi ke eksternal sirkuit. Anoda merupakan penggalan terpenting dalam SOFC. Anode dalam sebuah SOFC harus mempunyai beberapa kriteria yaitu

1. Memiliki konduktivitas listrik yang tinggi (10^-1- 10³ (Ω.cm)^-1)
2. Stabil dalam lingkungan reduksi
3. Mempunyai porositas yang Istimewa dan banyak (20%-40%)
4. Memiliki acara katalik dan elektrokimia yang tinggi untuk mengoksidasi materi bakar
5. Memiliki struktur kristal kubik.

Pada penelitian yang dilakukan oleh Herliyani (2012) dilakukan pembuatan anode dengan materi dasar CSZ (calcia stabilized zirconia) dengan metode kompaksi serbuk. Dimana metode kompaksi serbuk merupakan proses pembuatan serbuk dan benda jadi dari serbuk logam atau paduan logam dengan ukuran serbuk tertentu dengan cara di kompaksi tanpa melalui proses peleburan (Rusianto, 2009). Energi yang digunakan dalam proses ini relative rendah sedangkan laba lainnya antara lain hasil kesudahannya sanggup eksklusif diadaptasi dengan dimensi yang diinginkan yang berarti akan mengurangi biaya permesinan dan materi baku yang terbuang.

Jenis dan macam produk yang dihasilkan oleh proses metalurgi serbuk sangat ditentukan proses kompaksi dalam membentuk serbuk dengan kekuatan yang baik. Pada proses kompaksi serbuk meliputi proses pengepresan suatu bentuk di dalam cetakan yang terbuat dari baja. Teknik metalurgi serbuk meliputi pencampuran serbuk (mixing), pembuatan pellet (kompaksi), perlakuan panas (sintering). Pengecoran yakni suatu proses manufaktur yang memakai logam cair dan cetakan untuk menghasilkan parts dengan bentuk yang mendekati bentuk geometri simpulan produk jadi. Logam cair akan dituangkan atau ditekan ke dalam cetakan yang mempunyai rongga sesuai dengan bentuk yang diinginkan (Anonim, 2011). Namun teknik ini mempunyai beberapa kelemahan antara lain butir-butir yang dihasilkan cukup besar sehingga menurunkan kekuatan tariknya. Selain itu teknik pengecoran mempunyai kesulitan dalam pemaduan unsur-unsur dengan perbedaan titik leleh yang besar. Sehingga metode metalurgi serbuk ini digunakan dalam penelitian ini walaupun metode ini mempunyai beberapa kelemahan yaitu : bentuk yang rumit tidak sanggup dibuat, materi serbuk logam mahal dan kadang sulit penyimpanannya lantaran gampang terkontaminasi.

Keramik CSZ ini merupakan adonan dari ZrO₂ dan CaO dengan perbandingan persentase mol sebesar 85% dan 15% lantaran jika ZrO₂ lebih dari 85% maka dikhawatirkan keramik akan menjadi ringkih sedangkan kalau persentase mol kurang dari 85% maka tidak akan membentuk struktur kristal kubik ibarat yang diharapkan. Kemudian adonan CSZ yang terbentuk ditambahkan dengan NiO dan PVA yang bervariasi konsentrasi beratnya masing-masing sebesar 2%, 6%, dan 10% dimana variasi persentase konsentrasi berat PVA ibarat ini paling tepat untuk menghasilkan porositas keramik yang Istimewa tetapi konsentrasi berat PVA ini bisa diekstrapolarsi kalau ada penelitian lain yang mencoba dengan persentase konsentrasi berat PVA sebesar ≤ 2%, 6%, dan 10%. Berikut ini yakni tabel karakteristik dari PVA (polyvinyl alcohol).

Tabel 1. Karakteristik PVA (Wikipedia, 2012)

Rumus Molekul	(C2H4O)
Kerapatan	1,19 – 1,39 g/cm3
Titik didih	228 oC
Titik lebur	230 oC

Matula et al., (2008) menjelaskan bahwa untuk mendapat materi anode SOFC yang paling baik, maka adonan harus disintering dengan temperature sintering ≤ 1400 ^oC dan direduksi pada temperatur minimal 800 ^oC  Hal ini terlihat dari Gambar 4, dimana pada gambar ini terlihat bahwa densitas dari Ni-YSZ meningkat seiring dengan penambahan suhu sintering tetapi akan kembali menurun kalau suhu sinteringnya lebih dari 1500 ^oC. Sedangkan kalau temperatur reduksi kurang dari 800 ^oC maka reduksi akan berlangsung tidak tepat lantaran masih adanya fase NiO.

Gambar 4. Kurva sintering Ni-YSZ 50:50 (Matula et al., 2008)

Selain suhu sintering dan reduksi, komposisi NiO pada Ni-YSZ juga mensugesti materi yang akan dijadikan anode. Seperti yang diharapkan porositas meningkat terhadap NiO sebagai konsekuensi dari reduksi Ni. Efek ini menguntungkan untuk transport materi bakar di anoda. Namun, ketika tingkat porositas terlalu tinggi maka sifat mekanik berkurang. Berdasarkan pengujian sifat listrik ditemukan bahwa meningkatnya NiO mengakibatkan peningkatan konduktivitas pada Ni-YSZ. NiO yang lebih rendah dari 40% menghasilkan konduktivitas yang relative rendah dan material ini tidak sesuai untuk diaplikasikan sebagai anode pada SOFC. Untuk mempertahankan sifat mekanik yang tinggi yang dibutuhkan untuk anoda SOFC, komposisi NiO di NiO-YSZ adonan dihentikan lebih tinggi dari 60% tetapi dihentikan lebih kurang dari 40% biar harga konduktivitas keramik tidak terlalu rendah (Matula et al., 2008). Oleh lantaran itu, pada penelitian ini dilakukan pembuatan keramik Ni-CSZ untuk diaplikasikan sebagai anode SOFC dengan komposisi NiO 50% dengan suhu sintering 1500 ^oC dan direduksi pada suhu 900 ^oC.

Gambar 5. Proses yang terjadi selama pembuatan keramik secara fisis

Proses fisis yang terjadi selama pembuatan pelet Ni-CSZ secara fisis dijelaskan pada Gambar 5. sebagai berikut:

2.1. Keramik

Keramik sanggup didefinisikan sebagai adonan anorganik yang meliputi materi logam dan nonlogam yang dibuat menurut perlakuan panas dan tekanan (Boursoum, 1997). Sifat keramik sangat ditentukan oleh struktur kristal, komposisi kimia, dan mineral bawaannya. Keramik mempunyai jenis yang sangat banyak. Salah satunya adalah ZrO₂, dimana keramik ZrO₂ memiliki karakteristik sebagai berikut: diguanakan pada suhu hingga 2.400 ^oC, kepadatan tinggi, konduktifitas termalnya rendah, kimia inertness, perlawanan terhadap logam cair , ionic konduksi listrik, ketangguhan perpatahan tinggi, kekerasan tinggi, (dalam Wikipedia, 2010). Gambar berikut pertanda diagram fasa ZrO₂-CaO.

Gambar 6. Diagram fasa ZrO2-CaO. (Anonim, 2012)

Gambar 6. merupakan diagram fasa ZrO₂ CaO. Dalam penelitian ini keramik CSZ diharapkan membentuk struktur kubik sehingga persentase mol CaO harus diantara 15% - 27% dan temperature sinteringnya ≤ 1500 ^oC.

2.3 Sintering

Proses sinter merupakan proses perlakuan panas pada serbuk ataupun padatan dari serbuk pada temperatur 2/3 dibawah titik leleh untuk meningkatkan kekuatan (Didiek et al., 2007). Proses sintering ini lebih efektif daripada proses kalsinasi. Dimana kalsinasi itu merupakan suatu metode pemisahan dengan memecah ikatan antar senyawa memakai pemanasan 800 ^oC karena pada suhu ini ikatan kompleks akan terpecah. Sedangkan pembakaran yakni suatu tahapan reaksi kimia antara suatu materi bakar dan suatu oksidan disertai dengan produksi panas yang kadang disertai cahaya dalam bentuk pendar atau api.

Proses sintering sangat efektif untuk mengurangi porositas, meningkatkan kekuatan, meningkatkan konduktivitas termal, dan meningkatkan kerapatan keramik sesuai dengan mikrostruktur dan komposisi fasa yang diinginkan. Selama proses sintering ukuran butir mengecil dan menjadi lebih bundar lantaran permukaan partikel masuk ke pori-pori di dalamnya sehingga porositas berkurang dan menciptakan sampel menjadi lebih padat. Gambar 7a. dan Gambar 7b. pertanda dua kemungkinan yang akan terjadi selama proses sintering.

Gambar 7. (a) Densifikasi diikuti dengan pertumbuhan butir (grain growth), (b) coarsening (Barsoum, 1997).

Kedua prosedur ini saling bersaing. Jika proses atomnya yang mendominasi yakni densifikasi, maka kerapatan dan porositasnya akan mengecil dan menghilang terhadap waktu. Tetapi, kalau proses coarsening lebih cepat, maka kekasaran dan porositasnya akan membesar terhadap waktu (Barsoum, 1997).

3. Polimeric Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) (Mudzakir, 2010)

PEMFC merupakan sel materi bakar yang banyak dipilih dikarenakan sel materi bakar tersebut mempunyai sifat yang lebih menguntungkan, yakni bisa meminimalisir korosi yang sering terjadi dalam penggunaan sel materi bakar jenis laindengan materi elektrolit yang korosif, selain itu PEMFC sanggup beroperasi pada temperatur rendah (sekitar 80 ^oC). Pada PEMFC membran digunakan sebagai konduktor proton dan insulator elektronik sehingga mempermudah pengemasan dan meningkatkan efisiensi kerja transfer ion H+ hingga mencapai 40-50%. (Souza, 2003)

Membran yang ketika ini banyak digunakan untuk PEMFC yakni Nafion®. Politetrafluoroetilena dengan cabang gugus asam sulfonat (Nafion®) mempunyai konduktivitas proton, ketahanan mekanik, dan ketahanan termal yang baik. Namun membran Nafion® mempunyai kekurangan yaitu tidak ramah lingkungan, harga yang mahal serta mempunyai permeabilitas metanol yang tinggi sehingga tidak sanggup diaplikasikan pada Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Oleh lantaran itu aneka macam penelitian dilakukan dengan tujuan mendapat membran gres yang lebih baik dari segi kualitas, harga dan ramah lingkungan dibandingkan dengan Nafion®.

Dalam PEMFC membran yang digunakan harus bermuatan negatif biar efisien dalam menarik dan melewatkan proton dari anoda ke katoda. Dan biar lebih ramah lingkungan membran harus sanggup terdegradasi secara alami, sehingga membran hasil pemakaian tidak menjadi limbah atau polutan.

Kitosan merupakan salah satu biopolimer yang memenuhi syarat untuk diaplikasikan sebagai membran dalam sel materi bakar. Karena kitosan bersifat hidrofilik, mempunyai kekuatan mekanik yang baik, gampang dimodifikasi secara kimia serta sanggup terdegradasi secara alami. Kitosan merupakan biopolimer yang berasal dari kulit udang yang telah dideasetilisasi. Sehingga pemanfaatan kitosan sebagai membran sanggup menjawab permasalahan limbah dan menaikkan nilai ekonomi kulit udang tersebut. Bila dibandingkan dengan Nafion® konduktivitas kitosan sangat rendah, sehingga untuk menaikkan konduktivitas ioniknya dilakukan sulfonasi pada kitosan.

Polymeric electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) disebut juga proton exchange membrane fuel cell. Membran ini berupa lapisan tipis padat yang berfungsi sebagai elektrolit pemisah katoda dan anoda. Membran ini secara selektif mengontrol transport proton dari anoda ke katoda dalam sel materi bakar. PEMFC mengandung katalis platina. Selain itu, pada fuel cell ini tidak digunakan fluida yang bersifat korosif ibarat jenis sel materi bakar lainnya.

Membran polimer merupakan komponen yang sangat penting dalam PEM fuel cell. Membran polimer ini sanggup memisahkan reaktan dan menjadi sarana transportasi ion hidrogen yang dihasilkan di anoda menuju katoda sehingga menghasilkan energi listrik. Kemurnian gas hidrogen sangat mensugesti emisi buang sistem fuel cell berbasis polimer tersebut. Kemurnian hidrogen yang tinggi mengatakan tingkat emisi yang mendekati zero emission. Penggunaan hidrogen dengan tingkat kemurnian tinggi juga sanggup memperpanjang waktu hidup membran fuel cell dan mencegah pembentukan karbonmonoksida (COx) yang beracun, pada permukaan katalis (Jamal, 2007).

Gambar 8. Skema PEMFC

Skema citra pada prinsip sel materi bakar ditunjukkan pada Gambar 8. hidrogen sebagai materi bakar yang dikonsumsi pada anoda, menghasilkan elektron yang dialirkan ke katoda melalui rangkaian luar. Ion hidrogen masuk ke larutan elektrolit dan tersebar ke katoda oleh aliran elektroosmotik. Pada katoda, oksigen dikombinasikan dengan elektron dan proton dari aliran elektrolit untuk menghasilkan air dan panas. Ionic liquids fuel cell (ILFs) merupakan sel materi bakar berbasis hidrogen dengan cairan ionik sebagai elektrolitnya, yang berfungsi sebagai media untuk proton (H⁺) bermigrasi dari anoda menuju ke katoda. Pada penelitian sebelumnya (Souza, 2003) telah melaksanakan penelitian mengenai cairan ionik imidazolium sebagai media penghantar proton dalam sel materi bakar.

Gambar 8. Diagram aplikasi sel materi bakar pada aneka macam bidang.

Dengan kemajuan yang signifikan, kini sel materi bakar telah diaplikasikan pada aneka macam bidang untuk memenuhi kebutuhan dan fasilitas bagi kehidupan manusia. Diantaranya untuk transportasi air, udara dan bahari serta pemenuhan kebutuhan rumah tangga dan industri. Serta digunakan dalam aneka macam bidang ibarat industri, kedokteran, transportasi hingga militer.

3.1 Kitosan

Kitosan pertama kali ditemukan oleh ilmuan Perancis, Ojier, pada tahun 1823. Ojier meneliti kitosan hasil ekstrak kerak hewan berkulit keras, ibarat udang, kepiting, dan serangga.

Senyawa kitosan diperoleh dari proses deasetilisasi senyawa kitin. Kitin yakni poliamino sakarida yang cukup banyak terdapat di alam sesudah selulosa, susunan molekulnya ibarat dengan selulosa. Keterbatasan penggunaan kitin disebabkan kitin sukar larut dalam beberapa pereaksi. Oleh lantaran itu kitin banyak digunakan sesudah ditransformasikan dalam bentuk kitosan. Gambar 9. memperlihatkan reaksi transformasi kitin menjadi kitosan.

Gambar 9. Reaksi Transformasi Kitin Menjadi Kitosan. [1]

Kitosan yang sanggup diperoleh dari deasetilasi kitin merupakan biopolimer yang potensial untuk dijadikan materi dasar membran sel materi bakar (fuel cell membranes). Dikarenakan keunggulan material ini yang bersifat hidrofilik, mempunyai ketahanan mekanik yang tinggi, gampang dimodifikasi secara kimia, ramah lingkungan serta keberadaanya yang melimpah di alam.

3.2 Kitosan Sulfonat

Untuk meningkatkan konduktivitas membran kitosan dan menurunkan permeasi terhadap metanol dalam aplikasi sel materi bakar dilakukan proses sulfonasi terhadap kitosan. Reaksi sulfonasi sanggup diartikan sebagai suatu reaksi subtitusi untuk mengganti atom hidrogen dengan gugus –SO₃H pada molekul organik melalui ikatan kimia pada atom karbon. Syarat untuk terjadinya sulfonasi yakni keasaman fasa yang harus dipenuhi, lantaran kalau terjadi perbedaan fasa antara gugus sulfonasi dengan polimer yang akan disulfonasi sanggup mengakibatkan reaksi sulfonasi mengalami kegagalan. Selain itu dalam reaksi ini dibutuhkan suatu pelarut yang mempunyai kelarutan yang baik.

Proses sulfonasi sanggup dilakukan dengan senyawa yang mempunyai gugus sulfonat diantaranya yaitu asam sulfat (H₂SO₄), oleum, asetil sulfat, dan asam klorosulfonat. Proses sulfonasi pun sanggup dilakukan dengan 2 metode, metode pertama yaitu metode konvensional dan metode yang kedua memakai dukungan gelombang mikro (microwave oven). Hasil karakterisasi penelitian sebelumnya memperlihatkan bahwa membran kitosan sulfonat yang dihasilkan dengan metoda konvensional mempunyai sifat termal dan kapasitas penukar proton yang lebih tinggi dibandingkan membran yang diperoleh dengan dukungan gelombang mikro. 

Namun demikian, membran yang dihasilkan dari metoda pertama sangat rapuh. Sebaliknya, membran kitosan tersulfonasi yang diperoleh dari hasil reaksi dengan dukungan gelombang mikro mempunyai kekuatan mekanik yang baik untuk uji permeasi selanjutnya. Data penelitian sebelumnya memperlihatkan bahwa membran kitosan sulfat yang disintesis dengan gelombang mikro mempunyai nilai permeasi terhadap metanol yang lebih rendah dibandingkan dengan membran kitosan tanpa sulfonasi (Velianti, 2008). Gambar 10. memperlihatkan reaksi transformasi kitosan menjadi kitosan sulfonat dengan asam klorosulfonat sebagai biro pensulfonasinya.

Gambar 10. Reaksi Transformasi Kitosan Menjadi Kitosan Sulfonat. [10]

Penelitian mengenai sintesis kitosan sulfat dengan dukungan gelombang mikro telah dilakukan sebelumnya (Mansyur, 2009). Gelombang mikro digunakan untuk membantu pemasukan gugus N-sulfo dan O-sulfo pada kitosan. Struktur kitosan sulfonat yang didapatkan dengan gelombang mikro tidak jauh berbeda dengan struktur kitosan. Karakterisasi penelitian yang dilakukan sebelumnya dengan memakai gelombang infra merah menghasilkan spektrum khas yang sama dengan kitosan hanya berbeda serapan pada bilangan gelombang 1382,96 cm^-1 yang memperlihatkan vibrasi ulur ikatan –SO₂O-O- dan pada serapan 1018,41 cm^-1 yang memperlihatkan ikatan C-O-S. Selain itu, puncak gugus C=O yang terdapat pada bilangan gelombang 1658 cm-1 mempunyai kesamaan antara kitosan dan kitosan sulfonat memperlihatkan bahwa rantai polimer tidak mengalami pemutusan ikatan.

3.3 Modifikasi Membran dengan Cairan ionik

Pemodifikasian membran Nafion® dengan cairan ionik 1-etil-3-metilimidazolium (EMI) telah dilakukan oleh Bennett, et al. (2005). Pemodifikasian tersebut dilakukan untuk mengetahui efek cairan ionik pada membran Nafion® dengan cara identifikasi pada nilai konduktivitas membran dan morfologi membran. Pemodifikasian dilakukan dengan cara meredam membran dalam cairan ionik / metanol dengan perbandingan 1:1 (v/v) selama 3 jam pada suhu ruang dan pada suhu 70 ^oC. Metanol dipilih lantaran sanggup melarutkan cairan ionik dan sifatnya yang gampang menguap. Membran kemudian dikeringkan pada suhu 110 ^oC selama 3 jam untuk menghilangkan metanol. Dilaporkan pula bahwa proses pemodifikasian membran dengan cairan ionik akan lebih baik pada suhu tinggi, namun penguapan methanol sangat cepat pada suhu 90 ^oC, sehingga proses pemodifikasian tidak terkendali.

3.4. Cairan Ionik (Ionic Liquids)

Cairan ionik (ionic liquids) yakni suatu senyawa yang hanya mempunyai spesies ionik tanpa adanya molekul netral yaitu hanya terdiri atas kation-anion (Hermanutz, et al., 2006). Dalam arti luas, istilah ini meliputi semua garam cair, misalnya, lelehan natrium klorida pada suhu yang lebih tinggi dari 800 °C. Namun, pada ketika ini, istilah "cairan ionik" digunakan untuk garam dengan titik lebur yang relatif rendah (dibawah 100 °C). Berbeda dengan garam cair (molten salt) yang biasanya mempunyai titik leleh dan viskositas tinggi, juga sangat korosif, cairan ionik umumnya berwujud cair pada suhu kamar, mempunyai viskositas relatif lebih rendah dan relatif tidak mempunyai sifat korosif (Toma, et al., 2000). Dengan demikian, cairan ionik (ILs) hanya digunakan untuk garam dengan titik leleh yang relatif rendah, yaitu terletak pada suhu < 100 - 150 ^oC (Hagiwara dan Ito, 2000; Hermanutz, et al., 2006), terutama garam yang berbentuk cairan pada suhu kamar lebih dikenal dengan room-temperature ionic liquids (RTILs).

Keuntungan dari sifat yang dimiliki cairan ionik yakni mempunyai rentang cair besar, sekitar 300 °C (-96 hingga lebih dari 200 °C) ; mempunyai kestabilan termal dan elektrokimia yang tinggi; merupakan pelarut yang baik bagi material organik, anorganik maupun polimer; tidak gampang menguap; tidak gampang terbakar; tidak beraroma (bau yang ditimbulkan berasal dari pengotor); memperlihatkan keasaman Bronsted, Lewis, Franklin dan keasaman yang tinggi (Superacidity); sanggup menjadi katalis sekaligus sebagai pelarut; mempunyai sifat selektif yang tinggi terhadap suatu reaksi dan sebagainya (Fitzwater, et al., 2005; Lajunen, 2006; Pitner, 2004).

Sifat dari cairan ionik sanggup diadaptasi dengan mengubah struktur kation dan anionnya (Murugesan dan Linhardt, 2005). Sifat-sifat cairan ionik ibarat kepolaran atau hidrofilisitas/ lipofilisitas yang bisa diatur tergantung dari kation maupun anion yang menyusunnya mengakibatkan cairan ionik dikenal sebagai tailored-made solvents (Gordon, 2003).

Jenis-jenis kation yang sering digunakan sebagai kation cairan ionik diantaranya yakni sebagai berikut (Murugesan dan Linhardt, 2005):

Gambar 11. Beberapa Jenis Kation Cairan Ionik.

Sedangkan jenis anion yang sering digunakan diantaranya yakni tetraflouroborat [BF₄]^-, heksaflouroposfat ([PF₆]^-), heksafluoro antimonat ([SbF₆]^-), nitrat ([NO₃]^-), tosilat ([Ots]^-), triflat ([Otf]^-), bromida (Br^-), klorida (Cl^-), iodida (I^-), triflouroasetat ([CF₃CO₂]^-), perklorat ([ClO₄]^-), germanium klorida ([GeCl₃]^-), bis(trifluorometilsulfonil) imida ([NTf₂]^-), aluminium klorida ([Al₂Cl₇]^-), aluminium tetraklorida ([AlCl₄]^-), asetat ([CH₃CO₂]^-), dan benzoat ([C₆H₅CO₂]^-) (Murugesan dan Linhardt, 2005).

3.4.1 Sintesis Cairan Ionik

Tahapan sintesis dari cairan ionik sanggup dibagi menjadi dua tahap, yaitu: pembentukan kation yang diinginkan dan pergantian anion untuk membentuk produk yang diinginkan. Pada beberapa kasus, produk sanggup eksklusif dihasilkan tanpa melaksanakan tahap kedua ibarat pada pembentukan etilammonium nitrat. Kebanyakan masalah kation yang diinginkan secara komersil tersedia dalam harga yang masuk akal (seperti garam halida, garam tetraalkilammonium dan trialkilsulfonium iodida), yang hanya digunakan untuk reaksi pergantian anion. Reaksi yang digunakan untuk mensintesis cairan ionik meliputi reaksi kuartenerisasi dan reaksi pergantian anion (Gordon, 2003).

3.4.2 Reaksi Kuartenerisasi

Pembentukan kation sanggup dihasilkan melalui protonasi dengan adanya asam bebas atau kuartenerisasi dari amina atau fosfin, biasanya dengan haloalkana. Reaksi protonasi, yang biasa digunakan pada pembentukan garam ibarat etilammonium nitrat, melibatkan penambahan asam nitrat 3 M yang kemudian didinginkan ke dalam larutan etilamin. Kelemahan proses ini yaitu dihasilkannya residu amina yang tidak diharapkan (Gordon, 2003).

Pada prinsipnya, reaksi kuartenerisasi sangatlah sederhana, amin atau fosfin dicampurkan dengan haloalkana yang diinginkan kemudian diaduk dan dipanaskan. Garam halida yang dihasilkan pun sanggup dengan gampang dirubah menjadi garamgaram lain dengan anion yang berbeda (Gordon, 2003).

3.4.3 Reaksi Pergantian Anion

Reaksi pergantian anion sanggup dibagi dalam dua kategori yaitu perlakuan eksklusif dari garam halida dengan asam lewis dan pembentukan cairan ionik melalui reaksi metatesis anion (Gordon, 2003).

3.4.3.1 Reaksi Asam Basa Lewis

Pembentukan cairan ionik dengan proses ini dilakukan dengan perlakuan dari garam halida dengan asam Lewis (biasanya AlCl₃). Proses yang umum dilakukan yaitu perlakuan dari kuartener garam halida Q+X- dengan asam Lewis MXn menghasilkan pembentukan lebih dari satu spesi anion yang bergantung dari perbandingan relatif dari Q+X- dan MXn. Pembentukan dari proses ini sanggup dicontohkan dengan etilmetilimdazolium (EMIM) klorida dan AlCl₃ seperti reaksi dibawah ini:

[EMIM]⁺Cl^- + AlCl₃ → [EMIM]⁺ [AlCl₄]^-

[EMIM]⁺ [AlCl₄]^- + AlC_l3 → [EMIM]⁺ [Al₂Cl₇]^-

[EMIM]⁺ [Al₂Cl₇] -- + AlCl₃ → [EMIM]⁺ [Al₃Cl₁₀]^–

Metode yang sering digunakan untuk pembentukan cairan ionik dilakukan dengan pencampuran sederhana dari asam Lewis dengan garam halida. Reaksi umumnya eksoterm, ketika menambahkan satu zat ke dalam zat lain haruslah dengan sangat hati-hati. Walaupun garam relatif stabil akan suhu, panas yang terbentuk dari lingkungan sanggup mengakibatkan dekomposisi cairan ionik yang disintesis. Hal ini sanggup dicegah dengan pendinginan selama proses pencampuran, walaupun hal itu dirasakan sangat sulit, atau bisa juga dengan menambahkan suatu zat ke dalam zat lain dengan jumlah yang sedikit demi sedikit. Dekomposisi atau pengurangan jumlah terjadi akhir adanya hidrolisis yang terjadi dalam cairan. Tetapi, hal yang biasa kalau produk yang dihasilkan tidak murni 100% atau tercemar dengan pengotor. Hal itu pun niscaya terjadi pada sintesis cairan ionik, dan pengotor yang biasa mengkontaminasi produk yakni pelarut organik (Gordon, 2003).

3.4.3.2 Reaksi Metatesis Anion

Reaksi metatesis anion biasanya terjadi pada garam-garam yang ditambahkan dengan garam perak (AgNO₃, AgNO₂, AgBF₄, Ag[CO₂CH₃] dan Ag₂SO₄) dalam metanol atau larutan metanol. Pada beberapa aplikasi, produk akan berupa cairan pada suhu ruangan. Kombinasi dari anion sanggup menghasilkan perbedaan sifat termal yang berbeda-beda (Gordon, 2003).

3.5. Fatty Imidazolinium sebagai Sistem Kation Baru pada Cairan Ionik

Kation fatty imidazolinium pada Gambar 12(b) mempunyai struktur dan fungsi yang sangat ibarat dengan kation imidazolium Gambar 12(a), berbeda hanya pada gugus substituen pada N₃ [dengan adanya gugus amida, -[C(O)(NH)] pada Gambar 12(b) dan adanya ikatan rangkap pada sistem lingkar Gambar 12 (a). Garam fatty imidazolinium ini sanggup disintesis dari asam lemak (Bajpai, dan Tyagi, 2006; Tyagi, et al., 2007), sehingga dimungkinkan untuk mendapat garam ini dari minyak nabati terbarukan lokal.

Gambar 12. Struktur Kation Imidazolium (a) dan Fatty Imidazolinium (b)

Gambar 13. Struktur Molekul dari (i) Fatty Imidazoline dan (ii) Kation Fatty Imidazolinium

Penggunaan iradiasi gelombang mikro (microwave irradiation) dalam sintesis organik memperlihatkan beberapa laba yaitu umumnya reaksi sanggup berlangsung dalam waktu yang singkat, rendemen yang diperoleh tinggi, dan kemurnian hasil yang tinggi. Selain itu, reaksi kering (dry reaction) dalam microwave menarik perhatian para peneliti lantaran sanggup meminimalisir keracunan akhir penguapan dari pelarut organik yang berbahaya bagi badan (Bajpai et al., 2008).

3.6 Mekanisme Pemanasan dengan Gelombang Mikro

Gelombang mikro merupakan salah satu bentuk energi elektromagnetik dengan panjang gelombang antara 0,01 hingga 1 meter. Gelombang mikro terletak di antara gelombang inframerah dan gelombang radio dan mempunyai frekuensi berkisar antara 0,3 samapai 30 GHz. Untuk penggunaan dalam laboratorium, frekuensi yang sering digunakan yakni 2,45 GHz. Proses pemanasan dalam sintesis organik dengan gelombang mikro melibatkan agitasi molekul polar atau ion yang bergetar dibawah efek medan magnet atau arus listrik yang bergetar. Dalam medan yang bergetar, partikel-pertikel berusaha untuk mengorientasi diri biar menjadi sefasa. Gerakan partikel-partikel dibatasi oleh gaya dalam partikel yang menghasilkan gerakan acak hingga kesudahannya menghasilkan panas.

Respon aneka macam material terhadap radiasi gelombang mikro bermacam-macam dan tidak semua material sanggup mengalami pemanasan oleh gelombang mikro, hanya material yang mengadsorpsi radiasi gelombang mikro saja yang sesuai dengan microwave chemistry.

Material ini dikelompokkan menurut prosedur pemanasannya:

3.6.1. Polarisasi dipolar

Polarisasi dipolar merupakan proses menghasilkan panas oleh molekul polar. Molekul polar yang berada dalam medan elektromagnetik yang berosilasi dengan frekuensi yang sesuai berusaha untuk mengikuti medan dan menjajarkan diri biar sefasa dengan medan. Adanya gaya dalam molekul mengakibatkan molekul polar tidak sanggup mengikuti orientasi medan. Peristiwa tersebut menghasilkan pergerakan partikel acak yang akan menghasilkan panas.

Polarisasi dipolar sanggup menghasilkan panas dengan salah satu atau dua prosedur ini :

a. Interaksi antara molekul pelarut polar, seperti: air, methanol dan etanol

b. Interaksi antara molekul terlarut polar, seperti: ammonia dan asam format

Radiasi gelombang mikro mempunyai frekuensi yang sesuai (0,3-30 GHz) untuk mengosilasi partikel polar dan bernilai cukup besar untuk interaksi intermolekul. Disamping itu, energi foton gelombang mikro sangat rendah (0,037 kkal/mol) relatif terhadap energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan molekul (80-120 kkal/mol). Oleh lantaran itu, eksitasi molekul dengan gelombang mikro tidak mensugesti struktur molekul. Interaksi yang terjadi murni kinetik.

3.6.2. Mekanisme konduksi

Panas dihasilkan lantaran adanya resistansi terhadap arus listrik. Medan elektromagnetik yang bergetar menghasilkan getaran electron atau ion dalam konduktor dan menghasilkan arus listrik. Arus yang masuk kedalam tahanan internal akan memanaskan konduktor.

3.6.3. Polarisasi antar muka (Interfacial polaritation)

Mekanisme pemanasan jenis ini merupakan gabungan dari prosedur polarisasi dipolar dan prosedur konduksi. Keuntungan sintesis dengan gelombang mikro ialah laju reaksi meningkat dengan adanya fenomena superboiling. randemen lebih tinggi, pemanasan lebih merata, lebih ramah lingkungan, pemanasan lebih selektif lantaran respon tiap molekul pada radiasi gelombang mikro berbeda-beda.

2.6 Konduktivitas Ionik

Konduktivitas listrik timbul lantaran adanya migrasi elektron atau migrasi ion. Konduktivitas elektronik yakni konduktivitas listrik yang disebabkan migrasi elektron-elektron. Sedangkan konduktivitas ionik yakni konduktifitas yang terjadi lantaran adanya migrasi ion-ion. Konduktivitas ionik bergantung pada jenis ion yang bermigrasi dalam material. Material disebut konduktor anionik kalau ion-ion pembawa muatan negatif yang bermigrasi sedangkan untuk ion-ion pembawa muatan aktual yang bergerak maka material tersebut dinamakan konduktor kationik.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim.(2012). Solid Oxide Fuel Cell. Tersedia: http://en.wikipedia.org/wiki/solid_oxide_fuel_cell. [22 Maret 2012].

Bajpai, Divya dan Tyagi, V. K. (2008). Microwave Synthesis of Cationic Fatty Imidazolines and their Characterization. AOCS.

Barsoum, Michel. (1997). Fundamental of Ceramics. Library of Congress in Publication Data: Singapore

Bennet, M. (2005). “Morphological and Electromechanical Characterization of Ionic Liquid / Nafion Polymer Composites”. Virginia Tech.

Cook, Brian. (2001). An Introduction to Fuel Cell and Hydrogen Technology. Canada.

De Guire, Eileen J. (2003). Solid Oxid Fuel Cell. Tersedia: http://www.csa.com/discoveryguides/fuelcell/overview.php. [17 Maret 2012].

Fitzwater, G., Geissler, W., Moulton, R., Plechkova, N.V., Robertson, A., Seddon, K.R., Swindall, J., dan Joo, K.W. (2005) “Ionic Liquids: Source of Innovation”. [Online]. Tersedia : http://quill.qub.ac.uk/source [8 Juli 2010]

Gordon, C. M., (2003)., Synthesis and Purification of Ionic Liquid, Ionic Liquid in Synthesis. P. Wasserscheid dan T. Welton (Eds.), Wiley Verlag, Frankfurt.

Handayani, Sri. (2008). Membran elektrolit berbasis polieter-eter keton tersulfonasi untuk direct methanol fuel cell suhu tinggi. Skripsi Universitas Indonesia (UI) Jakarta: tidak diterbitkan.

Herhady, R.Didiek, R.Sukarsono. (2007). Pengaruh suhu dan waktu sintering terhadap kualitas materi bakar kernel UO2 dalam Furnace jenis Fluidized Bed. ISSN: 0854-2910: Jakarta.

Herliyani, E. 2012. Pengaruh Penambahan Polyvinyl Alcohol (Pva) Terhadap Karakteristik Keramik Ni-Csz Untuk Diaplikasikan Sebagai Anode Pada Sofc. Skripsi. Universitas Pendidikan Indonesia. repository.upi.edu

Hermanutz, F., Meister, F., dan Uerdingen, E. (2006). “A new Developments in the Manufacture of Cellulose fibers with ionic liquids”. Chemical Fibers International. 342-344.

Jamal, E. (2007). “Pembuatan Membran Fuel Cell dari Limbah Plastik LDPE (Low Density Poly-Ethylene)”. Laporan Karya Ilmiah. Institut Teknologi Bandung.

Lajunen, M. (2006). “Green Chemistry for Sustainable Production”. Waste Minimization and Resources Optimization. Department of Chemistry University of Oulu.

Mansyur, Rosida., (2009). “Sintesis Kitosan Sulfonat Sebagai Surfaktan”. Tesis. Institut Teknologi Bandung.

Matula, G, T. Jardiel, R. Jimenez, B. Levenfeld, A.Varez. (2008). Microstructure, mechanical and electrical properties of Ni-YSZ anode supported solid oxide fuel cells. Volume 32. Pages 21-25. Archives of Materials Sciences and Engineering. Madrid, Spanyol.

Mudzakir, A.. 2010. Pengaruh Impregnasi Cairan Ionik Fatty Imidazolinium Terhadap Morfologi Dan Karakter Elektrokimia Membran Polielektrolit Kitosan Sulfonat. Skripsi. Skripsi. Universitas Pendidikan Indonesia. repository.upi.edu

Pitner, W. (2004). “Ionic Liquids : Properties and Applications”. Ionic Liquids Workshop. Royal Society of Chemistry. 1-53.

Rusianto, Toto. (2009). Hot Pressing Metalurgi Serbuk Aluminum dengan Variasi Suhu Pemanasan. Volume 2. Pages 89-95.

Souza, F.R., Padilha, J., Goncalves, R., Dupont, J. (2003). “Room Temperature dialkylimidazolium ionic liquids –based fuel cell” Laboratory of Molecular Catalysis and laboratory of Electrochemistry, Institute of Chemistry, Brazil.

Toma, G., Gotov, B., dan Solcaniova, E. (2000). “Enantioselective Allylic Substitution Catalyzed by Pd0–Ferrocenylphosphine Complexes in [Bmim][PF6] IonicLiquid”, Green Chem. 2, 149.

Velianti., (2008). “Sintesis dan Karakterisasi Membran Kitosan Sulfat untuk Aplikasi Fuel Cell”. Skripsi. Institut Teknologi Bandung.

Referensi Lainnya :

[1] http://www.ybsweb.co.jp/exhf6.html

[2] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014181301100482X

Anda kini sudah mengetahui Sel Bahan Bakar. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.

Pintar Pelajaran Penerapan Dan Aplikasi Ilmu Kimia Terapan, Material, Pertanian, Makanan Dan Obat-Obatan, Teladan Produk

Penerapan dan Aplikasi Ilmu Kimia Terapan, Material, Pertanian, Makanan dan Obat-obatan, Contoh Produk - Tujuan ditumbuhkembangkannya ilmu Kimia ialah untuk meningkatkan taraf hidup insan melalui inovasi dan pengembangan material-material gres (new materials) sehingga tercapai kesejahteraan, kenyamanan, dan keindahan yang didambakan setiap individu. Dengan berkembangnya material-material baru, hidup terasa menjadi serba praktis, mudah, dan instan. Namun, pengembangan material gres perlu didukung oleh teknologi sehingga terjalin kolaborasi antara perkembangan ilmu Kimia dan teknologi secara sinergi.

Dalam kehidupan sehari-hari, insan sangat bergantung pada produk-produk yang mengandung komposisi kimia tertentu untuk memenuhi kebutuhannya. Apakah kegunaan dari senyawa kimia yang terkandung di dalam produk sehari-hari? Pelajarilah kepingan ini dengan baik agar Anda sanggup memahaminya.

A. Kimia Material

Sejak dimulainya era kimia modern pada masa ke-19, para pakar kimia telah berbagi material gres dan juga memproses material yang terdapat di alam (natural product) untuk dijadikan fiber, pelapis, perekat, dan material-material dengan sifat-sifat listrik, magnetik, dan optik tertentu. Saat ini, kita telah memasuki era millennium dengan teknologi tinggi. Teknologi ini sanggup dimanfaatkan guna menemukan dan berbagi material gres yang berguna. Beberapa contoh material gres yang sanggup memengaruhi kehidupan dan peradaban manusia pada masa kini dan akan datang, contohnya sebagai berikut.

1. Display panel datar yang menggantikan tabung sinar katode (CRT) pada televisi dan monitor komputer.
2. Bahan berskala nanometer (nanomaterial) yang bisa menyimpan informasi besar dengan volume kecil (seperti: hardisk, flashdisk).
3. Material pengganti bagian-bagian tubuh (biomaterial), ibarat penguat (penyambung) lutut dan pinggul.
4. Baterai generasi gres dan desain sel materi bakar yang memungkinkan munculnya kendaraan beroda empat bertenaga listrik yang hemat energi dan ramah lingkungan.

1. Kristal Cair

Kristal cair merupakan materi yang sangat menarik dengan sifat-sifat di antara cairan sejati dan kristal padat. Kristal cair yang dikenal sekarang merupakan hasil pekerjaan seorang peneliti Austria, Frederick Reinitzer beberapa masa lalu. Pada beberapa tahun terakhir, kristal cair masih terus dikembangkan oleh kalangan praktisi untuk diterapkan mulai untuk sensor suhu, layar kalkulator, hingga monitor televisi dan komputer (LCD = liquid crystal display). (perhatikan Gambar 1).

Gambar 1. monitor LCD (WIkimedia Commons)

a. Gejala Kristal Cair

Zat padat kristalin umumnya mempunyai struktur molekul yang teratur. Jika zat padat ini dipanaskan hingga mencair, gaya antarmolekul akan pecah dan molekul-molekul bergerak secara acak (random). Pada 1888, Reinitzer menemukan bahwa senyawa organik, kolesterol benzoat mempunyai sifat yang tidak wajar. Jika kolesterol benzoat dipanaskan sampai meleleh pada suhu 145 °C, terbentuk cairan ibarat susu. Pada 179 °C, cairan ibarat susu itu tiba-tiba bening. Ketika didinginkan terjadi proses sebaliknya. Pada 179°C, cairan bening bermetamorfosis seperti susu dan memadat pada 145 °C (perhatikan Gambar 2).

Gambar 2. a. Lelehan kolesterol benzoat di atas 179°C (bening) b. Kolesterol benzoat antara suhu 179°C dan 145°C, terbentuk fasa kristal cair seperti susu

Perubahan fasa dari padat menjadi cair dari kolesterol benzoat tidak langsung, tetapi melalui fasa antarmadya dahulu. Fasa antarmadya adalah fasa kristal cair, yaitu sebagian molekul mempunyai struktur padat dan sebagian bergerak bebas ibarat cairan. Oleh lantaran beraturan sebagian, kristal cair sanggup menjadi sangat kental dan mempunyai sifat-sifat antarmadya antara fasa padat dan fasa cair. Daerah antarmadya ini ditandai oleh suhu transisi yang tegas, ibarat yang dilakukan Reinitzer. Pemanfaatan kristal cair ini didasarkan pada fakta bahwa gaya antarmolekul lemah yang mempertahankan molekul tetap bersama di dalam kristal cair. Kristal cair sangat gampang dipengaruhi oleh perubahan suhu, tekanan, dan medan magnet.

b. Jenis Fasa Kristal cair

Fasa-fasa yang terjadi pada kristal cair bergantung pada suhu. Jenis-jenis fasa kristal cair ialah sebagai berikut.

1. Fasa nematik, yaitu fasa pada kristal cair yang paling sederhana dan terbentuk kali pertama ketika didinginkan. Dalam fasa ini kecenderungan molekul (orientasi) sejajar pada arah tertentu, tetapi ujung-ujungnya molekul tidak beraturan, ibarat pada cairan biasa.
2. Fasa smektik, yaitu fasa kedua dari kristal cair. Bentuk orientasi smektik bisa bermacam-macam. Dua di antaranya ialah bentuk smektik A dan smektik C , ibarat yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dalam fasa smektik terdapat orientasi yang beraturan.
3. Fasa kolesterik, yaitu fasa ketiga dari kristal cair. Nama fasa diambil dari fakta bahwa kristal ini umumnya berasal dari molekul kolesterol. Pada suhu rendah, kristal cair akan membeku membentuk padatan kristalin. Orietansi molekul membentuk kisi kristal tiga dimensi yang beraturan.

Gambar 3. Jenis fasa kristal cair

Orientasi molekul berubah secara beraturan dari bidang ke bidang membentuk susunan heliks. Jarak antara bidang dan orientasi yang sama dinamakan bumbungan (pitch, P).

Gambar 4. Pitch (P) ialah jarak bidang dengan orientasi sama.

Fasa kristal cair kolesterol sanggup mendifraksi cahaya sangat kuat dengan panjang gelombang sebanding dengan bumbungan. Jika suhu berubah, nilai bumbungan juga berubah sehingga warna cahaya yang terdifraksi sanggup digunakan sebagai sensor suhu.

Struktur molekul kristal cair umumnya mempunyai bentuk molekul yang memanjang dan bersifat tegar. Artinya, tidak membentuk lipatan-lipatan, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Struktur molekul kristal cair pada kolesterol benzoat.

c. Prinsip Kerja Kristal Cair

Orientasi tertentu dari kristal cair sangat peka, terutama pada permukaan yang bersentuhan atau adanya medan listrik dan medan magnet. Kepekaan ini menjadi dasar penggunaan kristal cair dalam bahan layar elektronik.

Jika kristal cair nematik ditempatkan dalam suatu sel dengan orientasi tertentu, filter polarisasi ditempatkan biar hanya cahaya dengan polarisasi tertentu yang sanggup melewatinya. Tanpa medan listrik, cahaya akan dilewatkan melalui kristal cair dan filter. Cahaya ini akan direfleksikan oleh cermin sehingga tayangan yang muncul berwarna putih seperti pada Gambar 6 (a).

Gambar 6. a. Prinsip kerja kristal cair sebelum diberi medan listrik b. Prinsip kerja kristal cair setelah diberi medan listrik

Jika medan listrik diterapkan ke dalam kepingan yang akan ditayangkan, orientasi molekul akan diperkuat dalam tempat itu dan menimbulkan perbedaan polarisasi cahaya. Cahaya yang berotasi ditahan oleh filter kedua dan pada kepingan yang akan ditayangkan muncul warna hitam, seperti pada Gambar 6 (b).

Jika medan listrik dimatikan, molekul kristal cair kembali ke orientasi semula secara cepat dan tayangan kembali putih. Jam digital, kalkulator, monitor komputer laptop, layar TV lebar, dan materi tayangan lain menggunakan aplikasi ibarat ini.

2. Polimer

Menurut Jons Jacob Berzelius, senyawa dengan rumus empiris sama, tetapi massa molekulnya berbeda dinamakan polimer. Polimer didefinisikan sebagai senyawa dengan massa molekul besar dan merupakan gabungan dari monomer-monomer pembentuknya.

Polimer yang berasal dari alam disebut polimer alam. Polimer yang dapat dibuat di laboratorium maupun diproduksi dalam jumlah besar di industri, dikenal dengan polimer sintetik.

a. Polimer Alam

Polimer yang terjadi secara alami dikenal sebagai polimer alam, seperti selulosa, protein, dan karet alam. Berikut dibahas secara lebih terperinci mengenai polimer alam.

1) Selulosa

Selulosa merupakan polisakarida yang banyak dijumpai dalam dinding sel tanaman. Selulosa merupakan polimer yang terbentuk dari monomer β –D–glukosa melalui ikatan β (1→ 4) glikosidik. Panjang rantai beragam, dari ratusan hingga ribuan unit glukosa.

Kayu mengandung sekitar 50% berat selulosa dan kapas hampir 90% mengandung selulosa. Selulosa dari serat kayu mengandung banyak pengotor yang sanggup dimurnikan dengan cara melarutkannya ke dalam campuran NaOH dan CS₂. Dalam proses pelarutan ini akan terbentuk cairan kental.

Gambar 7. Monomer selulosa (β-D-glukosa).

Jika cairan kental itu dimasukkan ke dalam pipa berpori pada kolam asam, dihasilkan fiber selulosa yang dikenal sebagai rayon. Proses serupa digunakan untuk menciptakan film tipis selulosa yang dikenal sebagai kertas selofan.

Pada setiap monomer selulosa mengandung tiga gugus –OH yang dapat bereaksi dengan asam nitrat membentuk ester nitrat dan dikenal dengan selulosa nitrat. John Wesley Hyatt (1869) menemukan bahwa campuran selulosa nitrat dan yang dilarutkan dalam alkohol menghasilkan plastik yang dinamakan seluloid. Selulosa nitrat atau seluloid digunakan sebagai bahan baku pembuatan sisir hingga bola bilyar. Selulosa nitrat mudah terbakar sehingga dikala ini sudah banyak digantikan oleh plastik jenis lain.

2) Karet Alam

Karet alam tersusun atas satuan monomer cis–1,4–isoprena dengan panjang rantai rata-rata sekitar 5.000 satuan isoprena. Masalah utama karet alam ialah taktisitas atau cara penyusunan polimer yang teratur (isotaktik). Masalah taktisitas karet alam sanggup diselesaikan oleh Charles Goodyear (1839). Dia menemukan metode vulkanisasi karet alam dengan belerang sehingga karet alam sanggup diubah elastisitasnya. Vulkanisasi karet alam melibatkan pembentukan ikatan silang –S–S– di antara rantai poliisoprena. 

Vulkanisasi karet mempunyai kegunaan untuk menghasilkan karet alam dengan derajat elastisitas sesuai harapan.

Pada vulkanisasi karet alam, penyisipan rantai-rantai pendek dari atom sulfur akan mengikat secara silang di antara dua rantai polimer karet alam. Jika jumlah ikatan silang relatif besar, polimer dari karet alam menjadi lebih tegar.

Gambar 8. Pada vulkanisasi karet alam, makin banyak ikatan silang, makin tegar karet yang terbentuk.

Sekilas Kimia

Charles Goodyear

(1800–1860)

Charles Goodyear merupakan seorang penemu asal Amerika. Dia memanaskan karet dengan sulfur dan menemukan bahwa karet ini tetap fleksibel pada kisaran temperatur tertentu. Dia menamakan proses ini dengan"vulkanisasi", diambil dari nama dewa Romawi yang menggambarkan api (vulcan).

b. Polimer Sintetik

Hampir semua peralatan terbuat dari materi polimer, mulai dari alat-alat dapur hingga alat picu jantung buatan. Sampai dikala ini, penelitian dan pengembangan materi polimer masih terus dilakukan dalam upaya menemukan aneka penerapan materi polimer. Sesuai dengan mekanisme pembuatannya, polimer sintetik tinggi sanggup digolongkan menjadi polimer adisi dan polimer kondensasi.

1) Polimer Adisi

Polimer adisi ialah polimer yang terjadi melalui reaksi adisi, yaitu reaksi yang melibatkan senyawa yang mengandung ikatan rangkap, kemudian diubah menjadi ikatan tunggal. Contoh polimer adisi adalah polietilen (PE), polipropilen (PP), politetrafluoroetilen, polivinilklorida (PVC), dan akrilik.

a) Polietilen (PE)

Secara kimia, PE sangat inert. Polimer ini tidak larut dalam pelarut apapun pada suhu kamar, tetapi sanggup menggembung dalam cairan hidrokarbon (bensin) dan karbon tetraklorida (CCl4). PE tahan terhadap asam dan basa, tetapi sanggup rusak oleh asam nitrat pekat. Jika dipanaskan secara kuat, PE membentuk ikatan silang yang diikuti oleh pemutusan ikatan secara acak pada suhu lebih tinggi, tetapi tidak terdepolimerisasi. PE dibagi menjadi dua jenis, yaitu PE kerapatan tinggi (HDPE) dan PE kerapatan rendah (LDPE) ibarat di tunjukkan pada Gambar 9. 

Gambar 9. LDPE dan HDPE

Plastik HDPE bersifat kenyal, tidak gampang sobek, dan tahan terhadap kelembapan. Bahan kimia plastik HDPE banyak digunakan untuk pembungkus, dus, isolator listrik, pelapis kabel, dan lain-lain.

Tabel 1 Sifat-Sifat Fisik Polietilen

Sifat	Polietilen
	HDPE	LDPE
Dapat dipotong dengan gampang	×	√
Tidak pecah	√	√
Dapat dilipat	×	√
Tenggelam dalam air	√	×
Menjadi lunak akhir panas	×	√

b) Polipropilen (PP)

Plastik PP bersifat tegar dan stabil terhadap panas, tekanan, rengkahan, dan materi kimia. Plastik PP lebih kuat dari PE. PP banyak digunakan untuk botol kemasan lantaran sanggup dibuat lebih tipis. Kursi plastik yang sanggup ditumpuk juga terbuat dari PP.

c) Politetrafluoroetilen (Teflon)

Politetrafluoroetilen tahan terhadap korosi dan pelarut organik. Dari hasil pengujian, hanya lelehan logam alkali atau alkali yang dilarutkan dalam amonia yang sanggup mendegradasi polimer ini. Politetrafluoroetilen banyak digunakan untuk insulator listrik, peralatan kimia, dan peralatan rumah ibarat pada Gambar 10. alasannya tahan terhadap air dan suhu tinggi hingga 350 °C.

Gambar 10. Teflon (Wikimedia Commons)

Tabel 2. Produk dari Polimer Sintetik

Polimer	Produk
PE	Kantong plastik, lembaran plastik, dan alat-alat dapur
PP	Botol, jeriken, dan dingklik
PVC	Pipa air, waterproof, isolasi listrik, dan rak susun
PS (polistiren)	Kemasan (tempat minum) bantalan, dan styrofoam
Teflon	Pot, alat dapur, dan wadah
PMMA	Pengganti gelas/kaca

d) Polivinilklorida (PVC)

Sekitar 20% klorin digunakan untuk menciptakan monomer vinilklorida (CH2=CHCl), sebagai materi baku plastik poliviliklorida (PVC). Substituen klorin pada rantai polimer menjadikan PVC lebih tahan terhadap api dibandingkan PE.

Plastik PVC mempunyai gaya tarik antara rantai polimer sehingga meningkatkan kekerasan plastik jenis ini. Sifat-sifat PVC dapat divariasikan sesuai fungsinya dengan cara mengubah sifat keplastisan, stabilisasi, pengisi, dan celupannya sehingga menjadikan PVC sebagai plastik serbaguna.

e) Polimetilmetakrilat (Polimer Akrilik)

Salah satu polimer akrilik ialah polimetilmetakrilat (PMMA), dikomersialkan dengan nama dagang Lucite dan Plexiglass. PMMA berupa kristal bening yang sangat ringan sehingga banyak digunakan untuk jendela pesawat terbang dan lensa cahaya. PMMA yang sangat transparan digunakan untuk contact lens ibarat pada Gambar 11.

Gambar 11. PPMA digunakan untuk lensa kontak (Wikimedia Commons)

2) Polimer Kondensasi

Polimer kodensasi yaitu polimer yang terbentuk melalui reaksi kondensasi. Reaksi ini melibatkan pembentukan senyawa tidak jenuh dari senyawa jenuh. Plastik sintetis pertama ialah bakelit, yang dikembangkan oleh Baekland (1905). Monomer bakelit merupakan hasil reaksi formaldehid (H2CO) dan fenol (C6H5OH) membentuk fenol tersubstitusi. Pada suhu di atas 100 °C, fenol-fenol ini terkondensasi membentuk polifenoksi. Polifenoksi digunakan untuk menciptakan asesoris, seperti gantungan kunci. Untuk pengerasnya digunakan katalis.

Carothers dan koleganya (1920) menemukan rumpun polimer kondensasi yang dikenal sebagai poliamida dan poliester. Poliamida diperoleh melalui reaksi diasilklorida dan diamina.

Poliester dibuat melalui reaksi alkil diasilklorida dengan dihidroksi. Reaksi polimerisasinya ialah sebagai berikut.

Fiber sintetik yang pertama dibuat ialah nilon. Fiber ini sanggup dilihat dengan cara menuangkan larutan heksametilen diamina dalam pelarut air ke dalam larutan adipoilklorida dalam pelarut CH2Cl2.

Gambar 12. Proses pembuatan nilon

Polimer nilon-6,6 terbentuk pada antarmuka antara kedua fasa pereaksi membentuk film tipis. Jika film itu disentuh, kemudian ditarik, akan tampak serat nilon ibarat benang (perhatikan Gambar 12). Polimer tersebut dinamakan nilon–6,6 alasannya polimer dibuat dari diamin yang mempunyai enam atom karbon dan adipoil yang juga mengandung enam atom karbon.

Polikarbonat terbentuk melalui polimerisasi esterkarbonat dan suatu alkohol. Polikarbonat yang dihasilkan dipasarkan dengan nama dagang Lexan. Lexan mempunyai ketahanan tinggi terhadap panas dan cuaca sehingga banyak digunakan untuk pengaman gelas, rangka jendela, dan helm.

Sekilas Kimia

Wallace H. Carothers

(1896–1937)

Carothers memakai dua larutan kimia (asam dan diamin) untuk menciptakan nilon-6,6. Jika kedua larutan ini dipertemukan, cairan tersebut sanggup ditarik menjadi benang-benang yang lebih kuat daripada serat-serat alami. Penemuan ini memberi dukungan besar terhadap industri tekstil dan menimbulkan terjadinya revolusi dalam pabrik kain.

3. Keramik

Keramik ialah material-material padat anorganik nonlogam. Material tersebut sanggup berupa kristalin atau nonkristalin. Keramik nonkristalin mencakup gelas dan material lain dengan struktur tidak beraturan (amorf), sedangkan yang kristalin mempunyai struktur beraturan. Keramik sanggup mempunyai struktur jaringan kovalen, ikatan ion, atau gabungan keduanya. Secara umum bersifat keras, getas, dan stabil terhadap suhu sangat tinggi. Contoh umum keramik, contohnya semen, keramik cina, bata tahan api, insulator listrik, dan sparepart mesin seperti.

Bahan-bahan keramik berasal dari banyak sekali materi kimia meliputi silikat, oksida logam, karbida (karbon dan logam), nitrida (nitrogen dan logam), atau alumina (Al₂O₃). Simak Tabel 3. untuk mengetahui sifat-sifat materi keramik.

Tabel 3 Sifat-Sifat Bahan Keramik dengan Baja Lunak Sebagai Pembanding

Material	Titik Leleh (°C)	Kerapatan  (g/cm3)	Kekerasan (Mohs)	Modulus Elastisitas	Koefisien Termal
Al2O3	2050	3,8	9	34	8,1
SiC	2800	3,2	9	65	4,3
ZrO2	2660	5,6	8	24	6,6
BeO	2550	3,0	9	40	10,4
Baja lunak	1370	7,9	5	17	15

a. Aplikasi Keramik

Objek-objek keramik banyak yang lebih tegar dan kuat ketika dibentuk dari adonan kompleks dua atau lebih material. Campuran seperti ini dinamakan komposit. Komposit lebih efektif dibuat melalui penambahan fiber keramik ke dalam material keramik. Pembentukan fiber keramik sanggup diilustrasikan, contohnya dengan silikon karbida (SiC) atau karborundum.

Komposit keramik secara luas digunakan sebagai alat pemotong logam. Misalnya, alumina diperkuat dengan silikon karbida yang digunakan untuk memotong dan pengeras logam paduan berbasis nikel. Material keramik juga digunakan untuk roda penggiling dan ampelas sebab memiliki kekerasan yang tinggi.

Beberapa keramik, ibarat kuarsa (kristal SiO2) merupakan piezo elektric. Kuarsa ini sanggup membangkitkan potensial listrik kalau bahan tersebut ditekan secara mekanik.

Salah satu kegunaan material keramik yang sangat terkenal adalah keramik untuk lantai (tile ceramic) dengan permukaan mengkilap. Selain memiliki nilai estetika yang indah, keramik juga sanggup melindungi panas dari bumi sehingga lantai tetap terasa dingin.

b. Keramik Superkonduktor

Superkonduktor ialah materi yang kehilangan tahanan listrik jika didinginkan hingga suhu tertentu. Ini berarti, arus listrik yang mengalir pada materi superkonduktor tidak akan kehilangan panas, tidak seperti arus listrik dalam materi konduktor biasa (banyak panas terbuang). Sekali arus dilewatkan ke dalam materi superkonduktor, secara terusmenerus listrik mengalir tanpa batas dan tanpa hambatan. Sifat menarik lainnya dari superkonduktor ialah mempunyai diamagnetis tepat yang menolak semua medan magnet secara sempurna.

Senyawa, ibarat itrium-barium-tembaga oksida (YBa₂Cu₃O₇) bersifat superkonduktor pada 95 K dan HgBa₂Ca₂Cu₃O₈ + x mempunyai tahanan nol pada 1 atm dan 133 K. Superkonduktor dengan sifat-sifat sanggup menghantarkan arus listrik dengan tahanan nol sanggup menghemat energi di dalam banyak aplikasi, ibarat generator listrik, motor listrik, dan pada chip komputer yang lebih cepat dan lebih kecil (perhatikan Gambar 14).

Gambar 14. Struktur molekul itrium-barium-tembaga oksida (YBa₂Cu₃O₇)

4. Film Tipis

Film tipis kali pertama dikembangkan untuk tujuan seni dekorasi seperti pada Gambar 15. Pada masa ke-17, para seniman mempelajari bagaimana mengecat pola pada objek keramik dengan larutan garam perak, kemudian dipanaskan biar garam terurai meninggalkan film tipis. Saat ini, film tipis digunakan untuk tujuan dekorasi dan proteksi, membentuk konduktor, resistor, dan jenis-jenis film lainnya dalam sirkuit mikroelektronik. Film tipis sanggup dikembangkan dari bahan-bahan meliputi logam, oksida logam, dan materi organik.

Gambar 15. Bangunan futuroscope (Prancis) dibuat dari beling yang dilapisi dengan film tipis logam untuk merefleksikan cahaya yang jatuh padanya. (a-castle-for-rent.com)

Film tipis tidak mempunyai batasan dengan ketebalan tertentu, tetapi umumnya mempunyai ketebalan antara 0,1–300 μm. Hal ini berbeda dengan pelapisan ibarat cat dan vernis yang secara umum lebih tebal. Agar film tipis mempunyai kegunaan harus mempunyai beberapa sifat-sifat berikut:

a. harus stabil secara kimia dalam lingkungan yang diterapkan;

b. menempel baik pada permukaan yang dilapisi;

c. mempunyai ketebalan yang homogen;

d. sanggup dimurnikan secara kimia atau komposisi kimianya dapat dikendalikan;

e. memilki kerapatan imperfeksi rendah.

Film tipis sangat penting dalam mikroelektronik, terutama digunakan untuk konduktor, resistor, dan kapasitor. Film tipis secara luas digunakan sebagai pelapis optik pada lensa untuk mengurangi refleksi cahaya dari permukaan lensa, sekaligus melindungi lensa (perhatikan Gambar 16a).

Gambar 16. (a) Film tipis digunakan secara luas sebagai pelapis optik pada lensa (b) Pelapis mata bor

Film tipis metalik dalam jangka waktu usang digunakan untuk lapisan pelindung pada logam. Biasanya diendapkan dari larutan menggunakan arus listrik (penyepuhan), ibarat lapisan perak atau krom. Permukaan peralatan dari logam dilapisi dengan film tipis keramik untuk meningkatkan kekerasannya. Misalnya, mata bor untuk baja keras dilapisi dengan film tipis titanium nitrida atau tungsten karbida (perhatikan Gambar 16b).

B. Kimia dalam Pertanian

Anda tentu akan berterima kasih kepada para ilmuwan kimia yang sudah bisa menemukan dan berbagi banyak sekali material yang sangat mempunyai kegunaan untuk meningkatkan sandang, papan, seni, dan estetika. Pada topik berikut, Anda akan banyak mengetahui peranan kimia dalam upaya meningkatkan pertanian, khususnya pupuk dan pestisida.

1. Fungsi dan Pengaruh Unsur Hara

Pada dasarnya, makhluk hidup, baik manusia, hewan, dan tanaman memerlukan masakan untuk tumbuh dan berkembang biak. Tanaman mengambil masakan dari tanah. Tanah yang gembur dan subur sanggup menghasilkan tumbuhan yang subur (perhatikan Gambar 17).

Gambar 17. Pemenuhan kebutuhan unsur hara dari pupuk menjadikan tumbuhan subur. (WIkimedia Commons)

Kesuburan tumbuhan merupakan akhir dari terpenuhinya kebutuhan berbagai senyawa dan mineral, yang disebut unsur hara. Unsur-unsur C, H, dan O sebagian besar dikonsumsi dalam bentuk senyawa CO₂ dan H₂O. Senyawa CO₂ diserap dari udara melalui klorofil daun, sedangkan H₂O diserap dari tanah melalui akar. Unsur-unsur lain diserap dari tanah melalui akar.

Unsur N terdapat banyak di udara dalam bentuk N₂, tetapi tidak dapat digunakan pribadi lantaran tumbuhan pada umumnya menggunakan unsur N dalam bentuk senyawa nitrat. Selain itu, pada tumbuhan kacang tanah, akarnya sanggup mengikat pribadi gas N₂ dari udara. Unsur N diharapkan tumbuhan untuk pertumbuhan, terutama untuk pembentukan batang dan daun. Secara khusus, unsur N mempunyai kegunaan untuk pembentukan protein, lemak, dan enzim. Kekurangan unsur N dapat menyebabkan tumbuhan menjadi kurus dan kerdil.

Unsur lain yang banyak diharapkan ialah fosfor dan kalium. Unsur fosfor diharapkan tumbuhan untuk pembentukan akar dan asimilasi tanaman. Kekurangan unsur fosfor sanggup menimbulkan tumbuhan menjadi kerdil dan pertumbuhan juga terhambat.

Unsur kalium mempunyai kegunaan untuk pembentukan protein dan karbohidrat melalui peningkatan proses fotosintesis gotong royong dengan unsur Mg. Selain itu, unsur K sanggup memperkuat bunga dan buah sehingga dapat meningkatkan produksi tanaman. Kekurangan unsur K sanggup menimbulkan daun mengerut dan keriting serta timbul bercak cokelat kemerah-merahan yang jadinya layu, mengering, dan mati.

Selama pertumbuhan, tumbuhan mengambil unsur-unsur N, P, dan K dari tanah. Tanaman yang tidak dikonsumsi oleh insan akan mati dan mengembalikan unsur-unsur tersebut ke dalam tanah. Pada lahan tanah yang tanamannya dipanen akan mengalami kekurangan unsur-unsur tersebut. Dengan kata lain, lahan pertanian sudah berkurang kesuburannya.

Pada pola pertanian tradisional, para petani menanam polongpolongan guna mengembalikan kesuburan tanah. Hal ini disebabkan akar polong-polongan bisa mengikat nitrogen dari udara dan diubah menjadi senyawa amonia dengan proteksi basil tanah. Untuk lahan sangat luas, pola tradisonal dinilai kurang ekonomis. Sebagai upaya pengganti penyediaan unsur hara yang dibutuhkan tanaman, pakar kimia mengembangkan material, dinamakan pupuk.

2. Pupuk Buatan

Tujuan pemupukan ialah untuk menyempurnakan kebutuhan unsur-unsur hara bagi tanaman. Kegiatan pemupukan yang dilakukan insan bertujuan untuk menyempurnakan unsur hara yang terkandung di dalam tanah dan bermanfaat bagi tanaman.

Gambar 18. Kegiatan pemupukan pada lahan pertanian. (Wikimedia Commons)

a. Pupuk Nitrogen

Jenis pupuk nitrogen yang banyak digunakan ialah pupuk urea dan pupuk ZA (amonium nitrat). Kadar nitrogen dalam pupuk urea sekitar 46,7%. Kadar ini cukup tinggi untuk tumbuhan sehingga penggunaan urea harus tepat. Agar gampang dalam penggunaan pupuk nitrogen perlu diubah dari bentuk padat menjadi pelet ibarat pada Gambar 19.

Gambar 19. Pupuk nitrogen padat di ubah menjadi pelet sehingga gampang disemprotkan.

Tabel 4. Kadar Nitrogen dalam Pupuk

Pupuk	Kadar Nitrogen
Urea	±45%
ZA	± 20%

Urea diproduksi melalui reaksi antara amonia dan karbon dioksida pada suhu 140 °C dan tekanan 100 atm. Persamaan reaksinya:

2NH₃(g) + CO₂(g) → NH₂CONH₂(s) + H₂O(l)

Dalam air, urea bersifat netral dan gampang larut. Urea dikonsumsi oleh tumbuhan tidak langsung, tetapi harus diubah dulu menjadi senyawa nitrat oleh basil tanah. Pupuk ZA dihasilkan dari reaksi antara amonia dan asam nitrat, persamaan reaksinya:

NH₃(g) + HNO₃(aq) → NH₄NO₃(s)

Pupuk ZA sanggup dikonsumsi pribadi oleh tanaman. Akan tetapi, kendalanya dalam air, pupuk ZA bersifat asam sehingga tanah menjadi asam. Oleh lantaran itu, pupuk ZA kurang tepat digunakan sebagai pupuk dasar, kecuali dicampur dengan kapur biar tanah menjadi netral.

Kedua jenis pupuk nitrogen tersebut memakai materi baku amonia. Di industri, amonia disintesis dari gas nitrogen yang berasal dari udara. Hal ini memperlihatkan alam merupakan sumber materi industri pupuk yang salah satunya siklus nitrogen ibarat pada Gambar 20.

Gambar 20. Siklus nitrogen di udara

b. Pupuk Fosfor

Sumber utama untuk pembuatan pupuk yang mengandung unsur fosfor ialah deposit batuan yang mengandung fosfat, yaitu kalsium fosfat (Ca₃PO₄). Batuan fosfat tidak digunakan pribadi sebagai pupuk karena tidak larut dalam air. Batuan fosfat terlebih dahulu diolah dengan menambahkan asam sulfat untuk mengubah bentuk ion PO₄^3– menjadi bentuk ion H₂PO₄^–. Reaksi kimianya:

Ca₃(PO₄)₂(s) + 2H₂SO₄(aq) + 4H₂O(l) → Ca(H₂PO₄)₂(s) + 2(CaSO₄.2H₂O)(s)

Pupuk fosfor yang dibuat dengan cara di atas disebut pupuk superfosfat. Di pasaran, dikenal dengan nama pupuk ES (Enkel Superfosfat). Pupuk ES berupa padatan berwarna keabu-abuan. Pupuk ini kurang diminati petani lantaran mahal dan kadar fosfornya rendah. Jika asam yang digunakan sebagai pereaksi ialah asam fosfat (H₃PO₄) maka reaksi yang terjadi:

Ca₃(PO₄)₂(s) + 4H₃PO₄(aq) → 3Ca(H₂PO₄)₂(s)

Pupuk yang terbentuk dinamakan pupuk TSP (Tripel Superfosfat). Pupuk TSP berupa butiran yang gampang larut dalam air. Oleh lantaran itu, agar pupuk ini tidak ikut terbawa air hujan, pemakaiannya harus dikubur dalam tanah agak dalam.

Pupuk fosfat sanggup juga diproduksi dalam bentuk senyawa yang mengandung nitrogen, yaitu senyawa amonium fosfat [(NH₄)H₂PO₄ dan (NH₄)₂HPO₄]. Pupuk ini dibuat melalui reaksi amonia dan asam fosfat.

Tabel 5 Kadar Fosfor dalam Pupuk

Pupuk	Kadar Fosfor
ES	±20 %
TSP	± 50 %

c. Pupuk Kalium

Jenis pupuk kalium yang beredar di pasaran dikenal dengan nama pupuk KCl dan pupuk ZK. Pupuk ZK ialah senyawa kalium sulfat (K2SO4). Kedua jenis pupuk ini berbentuk butiran berwarna putih. Di pasaran, kedua pupuk ini dibedakan berdasarkan kadar kaliumnya karena kedua pupuk ini tidak murni, tetapi mengandung pengotor. Kadar kalium dalam kedua pupuk tersebut sanggup dilihat pada Tabel 6.

Tabel 6. Kadar Kalium dalam Pupuk

Pupuk	Kadar Kalium
ZK 90	±45 %
ZK 96	± 50 %
KCl 80	± 50 %
KCl 90	± 53 %

Selain pupuk yang mengandung satu macam unsur hara, masih ada jenis pupuk lain yang merupakan adonan unsur-unsur hara ibarat pupuk NP (mengandung unsur N dan P) dan pupuk NPK (mengandung unsur N, P, K). Komposisinya sanggup dilihat pada Tabel 7.

Tabel 7. Beberapa Jenis Pupuk Campuran

Jenis Pupuk	Diamofos	Sendawa	NPK	Nitrofoska	Rustika
Kadar N (%)	20	13	15	16	15
Kadar P (%)	50	–	15	16	15
Kadar K (%)	–	44	10	21	15

Oleh lantaran unsur K berperan dalam proses fosforilasi bersama-sama dengan unsur Mg maka industri pupuk menciptakan pupuk adonan yang mengandung unsur Mg. Misalnya, pupuk kalium magnesium sulfat yang mengandung sekitar 25% K dan 10% Mg.

Pupuk yang harus digunakan oleh petani bergantung pada kesuburan tanah dan jenis tumbuhan yang akan diberi pupuk. Oleh alasannya itu, sebelum menggunakan pupuk tertentu perlu mengetahui dulu kesuburan tanah (kadar unsur hara yang terdapat dalam tanah) dan jenis tumbuhan yang akan ditanamnya.

Untuk itu, para petani tradisional perlu diberi penyuluhan tentang pemakaian jenis pupuk dan penyuluh perlu meneliti terlebih dulu kadar unsur hara yang terdapat di dalam tanah biar jenis pupuk (kadar unsur hara dalam pupuk) yang akan diberikan cocok dengan jenis tanaman yang akan ditanamnya.

3. Pestisida

Hama bersaing dengan insan untuk mendapat masakan yang ditanam oleh para petani. Oleh lantaran itu, kalau petani ingin meningkatkan hasil produksinya maka petani harus mengurangi atau membasmi hama tanaman.

Pakar kimia telah berbagi material untuk mengatasi masalah hama, yaitu dengan cara memakai pestisida. Pestisida berasal dari kata pest (perusak) dan cide (membunuh) sehingga kata pestisida dapat diartikan sebagai membunuh perusak. Pestisida ialah zat kimia yang berfungsi mencegah, mengendalikan, atau membunuh serangga (insektisida), flora (herbisida), dan jamur (fungisida).

Penggunaan pestisida makin marak semenjak ditemukannya senyawa yang disebut DDT (diklorodifenil-trikloroetan). DDT merupakan senyawa organik yang mempunyai kemampuan untuk membunuh insektisida, dengan struktur kimia ibarat berikut .

Kali pertama DDT ditemukan oleh Othmar Zeidler pada 1874. Pada waktu itu belum diketahui manfaatnya. Setelah 65 tahun kemudian, diketahui oleh Paul Mueler bahwa DDT sanggup membunuh serangga. Pada 1942, sebuah perusahaan tempat Mueler bekerja memproduksi DDT dan dikirim ke Amerika untuk diuji coba. Pada 1984, Mueler mendapat Hadiah Nobel atas inovasi tersebut. Sejak perang dunia II, DDT digunakan secara luas untuk berbagai tujuan, seperti:

a. menghentikan wabah penyakit yang disebarkan melalui serangga, seperti malaria, demam kuning, dan tifus;

b. membunuh hama tumbuhan kapas sehingga pada dikala itu produksi kapas menjadi melimpah.

Setelah diketahui manfaat DDT bagi pertanian, pestisida jenis lain mulai banyak diteliti dan dikembangkan. Penggunaan pestisida harus hati-hati alasannya pestisida yang beredar di pasaran boleh jadi:

a. mengganggu kesehatan manusia;

b. merusak atau mengganggu sistem ekologi lingkungan;

c. menimbulkan maut bagi serangga tertentu yang justru dibutuhkan untuk membantu kesuburan tanah, ibarat basil nitrifikasi.

a. Penggolongan Pestisida

Berdasarkan tingkat toksisitas (racun) dan kegunaannya, pestisida dikelompokkan ke dalam empat golongan, yaitu golongan A, golongan B, golongan C, dan golongan D.

1) Pestisida golongan A

Pestisida digolongkan ke dalam kelompok ini didasarkan pada fungsinya, yaitu sebagai insektisida, herbisida, fungisida, dan rodentisida. Isektisida ialah jenis pestisida yang berfungsi mencegah dan membasmi serangga. Isektisida juga digunakan di rumah-rumah untuk membasmi nyamuk, kecoa, laba-laba, dan sejenisnya. Contoh insektisida: DDT, aldrin, paration, malation, dan karbaril. Namun, dikala ini penggunaan produk tersebut dalam rumah tangga telah dibatasi.

Herbisida ialah jenis pestisida yang berfungsi mencegah dan membasmi tumbuhan yang merugikan petani ibarat alang-alang dan rumput liar. Contoh herbisida: 2,4–D, 2,4,5–T, pentaklorofenol, dan amonium sulfonat.

Fungisida ialah pestisida khusus untuk jamur. Selain racun bagi jamur, juga sanggup digunakan untuk racun tumbuhan dan racun serangga. Contoh fungisida ialah organomerkuri dan natrium dikromat.

Rodentisida ialah pestisida khusus untuk membasmi tikus. Contoh rodentisida ialah senyawa arsen.

2) Pestisida Golongan B

Pestisida digolongkan ke dalam golongan B didasarkan pada jenis bahan kimia yang terkandung di dalamnya. Jenis-jenis pestisida yang digolongkan berdasarkan cara ini sanggup dilihat pada Tabel 8.

Tabel 8. Pestisida Golongan B

Pestisida	Bahan
Organik	Kimia organik
Anorganik	Kimia anorganik
Organoklor	Senyawa karbon mengandung klor
Organofosfat	Senyawa karbon mengandung fosfat
Karbamat	Senyawa karbon mengandung asam karbamat
Fumigan	Racun berasap
Mikrobial	Bahan kimia dari mikroorganisme
Botanikal	Bahan kimia tumbuhan

a) Organoklor

Selain DDT, jenis pestisida yang tergolong terklorinasi ialah aldrin, dieldrin, heksaklorobenzena (BHC), 2,4-D dan 2,4,5-T. Aldrin dan dieldrin digunakan sebagai racun serangga (insektisida), sedangkan 2,4-D dan 2,4,5-T digunakan sebagai racun tumbuhan (herbisida).

b) Organofosfat

Senyawa pestisida yang mengandung fosfat di antaranya paration dan malation. Kedua senyawa ini tergolong insektisida.

Paration sangat efektif digunakan untuk mencegah hama pengganggu buah-buahan, tetapi pestisida ini sangat beracun bagi manusia. Berbeda dengan paration, malation sangat efektif untuk serangga tertentu dan efek racunnya tidak terlalu kuat bagi manusia.

c) Karbamat

Contoh dari pestisida yang mengandung karbamat ialah isopropil N-fenilkarbamat (IPC), sevin, dan baygon.

Isopropil N–fenilkarbamat digunakan sebagai herbisida terutama untuk mengontrol pertumbuhan rumput tanpa memengaruhi tanaman utama. Adapun sevin dan baygon tergolong insektisida.

3. Pestisida Golongan C

Pestisida digolongkan ke dalam golongan C didasarkan pada pengaruhnya terhadap hama. Beberapa jenis pestisida berdasarkan golongan ini terdapat pada Tabel 9.

Tabel 9. Pestisida Golongan C

Jenis	Pengaruh
Repelant	Dapat menjauhkan serangga
Defoliant	Dapat menggugurkan daun
Perencat	Dapat menggagalkan pertumbuhan

4. Pestisida Golongan D

Pestisida sanggup juga digolongkan berdasarkan cara tindakannya terhadap hama. Perhatikan tabel berikut.

Tabel 10. Pestisida Golongan D

Jenis Racun	Pengaruh / Efek
Racun perut	Membunuh kalau tergoda
Racun sentuh	Membunuh kalau menyentuh kulit
Racun sistemik	Membunuh kalau masuk ke dalam sistem organisme
Racun pracambah	Membunuh terhadap benih

b. Pengendalian Pestisida

Pestisida yang digunakan untuk meningkatkan produksi pertanian dapat menyebar dan mencemari tempat lain. Jika hal ini terjadi, pestisida dapat meracuni ikan dan merusak ekologi lingkungan. Pestisida sanggup juga terakumulasi pada makhluk hidup. Konsentrasi pestisida pada mahluk hidup sanggup berlipat ganda akhir berbagai aktivitas. Hasil penelitian menunjukkan, pestisida yang mencemari lingkungan sanggup terakumulasi melalui alur ibarat pada diagram berikut.

Gambar 21. Diagram alir pencemaran pestisida

Oleh alasannya itu, pemakaian pestisida perlu dikendalikan guna menghindari masalah-masalah keracunan atau imbas samping yang tidak diharapkan. Keracunan sanggup terjadi terhadap seseorang kalau pestisida termakan atau uapnya terhisap.

Dengan demikian, penggunaan pestisida harus selalu mengikuti petunjuk yang benar demi menghindari keracunan terhadap pengguna atau masyarakat umum. Beberapa hal yang perlu diperhatikan jika menggunakan pestisida ialah sebagai berikut.

(a) Kenali jenis hama atau penyakit tumbuhan yang akan dibasmi.

(b) Kenali keunggulan dan kelemahan setiap pestisida yang terpilih.

(c) Ikuti hukum pemakaian pestisida yang terpilih dan pastikan pemakaiannya tidak mengancam lingkungan sekitarnya.

C. Kimia dalam Makanan dan Obat-Obatan

Disadari atau tidak, sejumlah zat kimia telah banyak Anda konsumsi baik pribadi atau tidak langsung. Bahan-bahan kimia yang dikonsumsi secara pribadi contohnya zat aditif pada makanan. Bahan-bahan kimia yang dikonsumsi secara tidak pribadi contohnya pupuk dan pestisida. Kebanyakan masakan yang diproduksi dalam skala industri biasanya mengandung zat-zat aditif yang ditambahkan pribadi kepada makanan. Zat-zat tersebut mempunyai kegunaan sebagai penambah aroma, cita rasa, pengawet, maupun pewarna.

1. Zat Aditif pada Makanan

Untuk menghasilkan masakan yang berkualitas, para jago kimia berusaha menciptakan zat aditif makanan. Zat aditif masakan ialah zat kimia yang tidak biasa dimakan secara langsung, tetapi ditambahkan ke dalam masakan untuk menghasilkan sifat dan rasa tertentu, ibarat cita rasa, bentuk, aroma, warna, dan tahan usang (awet).

Berbagai zat aditif tradisional sudah semenjak dulu digunakan untuk meningkatkan kesempurnaan makanan. Misalnya, masakan dicampur dengan rempah-rempah guna membangkitkan selera makan sebab rempah-rempah sanggup meningkatkan cita rasa pada makanan. Dengan berkembangnya banyak sekali jenis masakan dan teknologi makanan, berkembang pula zat aditif buatan yang diolah secara kimia. Zat aditif yang ditambahkan ke dalam masakan sanggup dicampur langsung ke dalam masakan yang sudah diproses atau ketika masakan itu diproses, bahkan ketika masakan siap saji.

a. Pemanis Buatan

Pada mulanya, penggunaan suplemen buatan diberikan kepada konsumen yang menghindari konsumsi gula berkalori tinggi, seperti penderita diabetes dan kegemukan. Seiring dengan berkembangnya konsumsi terhadap makanan, produk masakan kini banyak mengandung pemanis buatan. Pemanis masakan tradisional biasanya menggunakan gula tebu atau gula aren (kelapa). Pemanis buatan yang diizinkan oleh Depkes (Departemen Kesehatan) ialah sakarin, aspartam, dan sorbitol. 

Sakarin ialah senyawa turunan benzena berupa kristal putih yang hampir tidak berbau. Rasa anggun sakarin 800 kali dari rasa anggun gula tebu. Sakarin ditambahkan ke dalam minuman atau biskuit dengan dosis tidak melebihi 1 g per hari.

Aspartam berupa serbuk berwarna putih, tidak berbau, dan bersifat higroskopis. Rasa anggun aspartam sama dengan 200 kali dibandingkan gula tebu. Untuk setiap kg berat badan, jumlah aspartam yang boleh dikonsumsi setiap harinya ialah 40 mg. Aspartam sangat dianjurkan untuk tidak ditambahkan ke dalam masakan anak-anak, terutama yang sudah mengandung sodium glutamat (vetsin).

Bahan suplemen lain yang dibolehkan pemakaiannya antara lain adalah siklamat dan sorbitol. Di Amerika Serikat, garam-garam siklamat sudah dilarang penggunaannya alasannya berpotensi karsinogen (penyebab kanker). Hasil metabolisme siklamat merupakan senyawa yang bersifat karsinogen.

b. Pengawet Buatan

Penambahan zat pengawet pada masakan mempunyai kegunaan untuk melindungi makanan biar tidak cepat membusuk dan sanggup bertahan dalam kurun waktu usang tanpa mengurangi nilai gizi maupun rasanya. Jenis bahan pengawet sanggup berupa zat organik maupun zat anorganik. Bahan pengawet berperan dalam menghambat proses fermentasi, pengasaman, dan proses penguraian lain akhir adanya mikroorganisme dalam makanan.

Bahan-bahan pengawet yang banyak digunakan ialah belerang dioksida, asam benzoat, asam propionat, asam sorbat, senyawa kalium dan natrium dari nitrat atau nitrit. Kuantitas materi kimia pengawet yang diizinkan bergantung pada jenis masakan yang diawetkan. Asam benzoat berfungsi mengendalikan pertumbuhan jamur dan bakteri. Pemakaian asam benzoat dengan kadar >250 ppm dapat memberikan imbas samping berupa alergi. Pada konsentrasi tinggi dapat mengakibatkan iritasi pada lambung dan susukan pencernaan.

Asam propionat sanggup digunakan untuk mencegah hama berupa binatang kapang yang menyerang roti dan camilan anggun kering, sedangkan asam sorbat digunakan untuk mencegah kapang dalam keju.

c. Antioksidan

Bahan tambahan masakan yang lain ialah zat yang berperan sebagai antioksidan dan anti kempal atau penstabil. Zat antioksidan ialah zat yang berfungsi untuk mencegah oksidasi pada makanan. Contoh zat antioksidan: asam askorbat, asam sitrat, butilated hidroksi anisol (BHA), butilated hidroksi toulena (BHT), paraben (p-hidroksibenzoat), dan propilgalat.

Makanan pada umumnya tidak stabil. Contoh, kalau lemak atau minyak dibiarkan di udara terbuka maka akan teroksidasi dan menimbulkan amis tengik. Reaksi oksidasi ini menguraikan makanan menjadi molekul-molekul kecil sehingga merusak materi makanan. Bahkan sanggup menimbulkan racun terhadap makanan. Masalah oksidasi sanggup diatasi dengan menambahkan zat antioksidan ke dalam materi makanan. Bahan tersebut berfungsi menghambat oksidasi pada makanan.

Zat anti kempal ialah zat yang bisa mencegah terjadinya penggumpalan materi masakan berbentuk serbuk. Contoh zat anti kempal yaitu kalium silikat, silikon dioksida, dan kalsium fosfat. Beberapa zat tertentu pada masa kemudian pernah digunakan sebagai bahan tambahan makanan, tetapi sesudah dikaji lebih banyak bahayanya dibandingkan keuntungannya sehingga zat-zat tambahan masakan tersebut dilarang penggunaannya.

Beberapa zat tambahan yang dilarang, yaitu boraks dan turunannya; asam salisilat dan garamnya; formalin; kalium klorat; dulsin; minyak nabati yang dibrominasi; dietil pirokarbonat; nitropirazon; dan klorampenikol.

d. Pewarna Makanan

Pewarna dari materi alam jumlahnya sangat terbatas dan pada saat makanan diolah, pewarna dari materi alam biasanya pudar. Selain itu, pewarna materi alam tidak tahan usang lantaran pembusukan. Pewarna buatan bertujuan menjadikan masakan seperti memiliki banyak warna dan menimbulkan daya tarik tersendiri. Pewarna buatan umumnya berasal dari senyawa aromatik diazonium.

Beberapa pewarna buatan yang diizinkan oleh Depkes untuk ditambahkan ke dalam masakan sanggup dilihat pada Tabel 11.

Tabel 11. Pewarna Makanan yang Diizinkan Oleh Depkes

Nama	Nama Niaga
Amaran	Food red 2
Biru berlian	Food blue 2
Eritrosin	Food red 3
Hijau FCF	Food green 3
Indigotin	Food blue 1
Hijau S	Food green 4

Beberapa pewarna berbahaya dan tidak boleh penggunaannya karena berpotensi menimbulkan karsinogen, yaitu auramin (merek dagang, basic yellow 2), ponceau 3R (solvent yellow 5), sudan I (food yellow 14), dan

rhodamin B (food red 15).

Tabel 12. Pewarna Makanan yang Dilarang

Nama	Nama Niaga
Auramin	Basic Yellow 2
Ponceau 3R	Solvent Yellow5
Sudan I	Food yellow 14
Rhodamin B	Food red 15

Selain pewarna makanan, ada juga zat pemutih makanan, seperti hidrogen peroksida, benzoil peroksida, kalium iodat, dan aseton peroksida. Zat pemutih ini mempunyai kegunaan memperbarui warna masakan tanpa merusak komposisi materi makanan. Tepung yang masih gres biasanya berwarna kuning kecokelatan. Untuk itu, zat pemutih ditambahkan ke dalam tepung biar tampak putih dan menarik. Hidrogen peroksida digunakan untuk memutihkan warna susu yang akan dijadikan keju. Selain itu, juga digunakan untuk memutihkan kulit sapi dan mengembangkannya menjadi materi kerupuk kulit.

e. Pecita Rasa dan Aroma

Zat pemberi aroma atau pecita rasa (zat penambah cita rasa) pada makanan ialah zat yang sanggup memberikan, menambah, dan mempertegas rasa serta aroma suatu produk makanan. Misalnya, zat pecita rasa buatan ibarat monosodium glutamat atau vetsin. Zat ini tidak mempunyai cita rasa kalau dimakan langsung, tetapi dapat menimbulkan cita rasa khas kalau ditambahkan ke dalam makanan.

Vetsin ialah asam amino karboksilat yang diharapkan tubuh untuk membentuk protein. Namun, pemakaian vetsin yang berlebihan dapat menimbulkan penyakit bagi manusia, khususnya pada bayi dapat menimbulkan kerusakan otak.

Pecita rasa buatan biasanya digunakan untuk mengembalikan rasa yang hilang selama masakan diproses. Kebanyakan pecita rasa berasal dari senyawa kimia golongan ester. Senyawa ester paling banyak digunakan untuk pecita rasa dan pemberi aroma buah-buahan. Beberapa senyawa ester yang biasa ditambahkan ke dalam minuman ringan di antaranya, yaitu:

1. benzaldehida ditambahkan ke dalam minuman biar mempunyai rasadan aroma ibarat buah lobi-lobi;
2. etilbutirat ditambahkan ke dalam minuman biar mempunyai rasa danaroma ibarat buah nanas;
3. oktil asetat ditambahkan ke dalam minuman biar mempunyai rasa danaroma ibarat buah jeruk;
4. amil asetat ditambahkan ke dalam minuman biar mempunyai rasa dan aroma ibarat buah pisang;
5. amil valerat ditambahkan ke dalam minuman biar mempunyai rasa dan aroma ibarat buah apel.

2. Kimia Obat-obatan

Pada umumnya, obat-obatan yang diproduksi sanggup dikelompokkan ke dalam obat analgesik, antibiotik, psikiatrik, dan hormon. Hampir setengah dari obat-obatan yang telah diproduksi berasal dari flora dan mikroorganisme yang diolah secara kimia. Sisanya berasal dari hasil racikan materi kimia yang disebut obat sintetik. Teknik pengobatan menggunakan prinsip kimia disebut chemoteraphy.

Selain obat-obatan yang dikembangkan secara kimia, terdapat obat-obatan tradisonal. Obat tradisonal ialah obat-obatan yang diperoleh dari sumber alam tanpa diproses secara kimia. Obat tradisional biasanya

diperoleh dari tumbuhan, hewan, atau mineral alam.

a. Zat Analgesik

Analgesik ialah sejenis obat yang digunakan untuk mengurangi rasa sakit. Jika Anda merasa sakit fisik, otak akan mengeluarkan zat kimia yang disebut analgesik. Dengan berkembangnya ilmu Kimia dan Farmasi, para pakar berhasil menemukan struktur molekul analgesik dan mampu membuat analgesik tiruan. Obat analgesik dipasarkan dan dikemas dengan nama dagang tertentu, ibarat aspirin, parasetamol, dan kodeina.

1) Aspirin

Pada masa ke-19, asam salisilat berhasil diekstrak dari pohon willow. Asam ini digunakan untuk menurunkan deman. Akan tetapi, karena rasanya pahit maka perusahaan Bayer menciptakan obat yang sejenis yaitu asetil salisilat atau nama dagangnya aspirin. Aspirin berfungsi mengurangi rasa sakit, ibarat sakit kepala atau sakit gigi. Aspirin juga sanggup digunakan untuk menurunkan suhu tubuh. Akan tetapi, untuk mengurangi rasa sakit, penggunaan aspirin harus hati-hati alasannya materi ini sanggup melukai dinding usus dan mempunyai sifat candu (ketagihan).

2) Parasetamol

Parasetamol dipasarkan kali pertama dengan nama dagang panadol. Parasetamol mempunyai kegunaan yang sama ibarat aspirin, yaitu mengurangi rasa sakit. Namun, parasetamol tidak begitu berbahaya kalau dibandingkan dengan aspirin sebab parasetamol tidak melukai dinding usus.

3) Kodein

Kodein ialah salah satu materi kimia aktif yang terdapat dalam madat atau candu. Pengaruh kodeina sama ibarat morfin, yaitu digunakan untuk mengurangi rasa sakit, tetapi morfin sanggup menimbulkan ketagihan, sedangkan kodein tidak menimbulkan ketagihan.

Kodein merupakan salah satu senyawa kimia yang ditambahkan ke dalam obat sakit kepala atau obat batuk biar pasien menjadi ngantuk. Pengaruh kodein lebih kuat dibandingkan aspirin. Selain itu, kodein dapat juga bertindak sebagai depresan, yaitu sanggup mengurangi sebagian aktivitas otak dan saraf.

Pemakaian kodein dalam takaran tinggi dan dalam kurun waktu lama dapat menimbulkan ketagihan, ini sanggup mengancam kesehatan. Kodein dosis tinggi menimbulkan penglihatan kurang terang, tingkah laku seperti orang mabuk, dan bingung.

b. Zat Antibiotik

Antibiotik ialah materi kimia yang sanggup membunuh basil atau menghambat pertumbuhan mikroorganisme yang berjangkit di dalam tubuh. Pada umumnya, zat antibiotik yang digunakan berasal dari bakteri Penicilium dan basil Streptomyces. Mikroorganisme yang dapatmenghasilkan antibiotik umumnya hidup di dalam tanah.

Ada beberapa jenis antibiotik yang beredar di pasaran, seperti antibiotik yang sanggup membunuh banyak sekali jenis basil (memiliki spektrum luas), tetapi ada juga antibiotik yang bertindak secara khusus terhadap bakteri tertentu. Oleh alasannya itu, antibiotik tidak boleh dijual bebas, tetapi harus dengan resep dokter.

Antibiotik yang baik ialah antibiotik yang bisa membunuh bakteri, tetapi tidak merusak jaringan sel dalam tubuh. Antibiotik dapat dikonsumsi secara pribadi melalui pencernaan (dalam bentuk pil atau tablet) atau sanggup juga disuntikkan ke dalam tubuh pasien.

Zat antibiotik tidak baik dikonsumsi kalau tidak sakit alasannya bakteri memiliki kemampuan untuk memproduksi zat yang kebal terhadap antibiotik itu. Pada akhirnya, kalau Anda sakit akhir basil tersebut maka antibiotik yang dikonsumsi tidak bisa membunuh bakteri tersebut dikarenakan telah kebal terhadap zat antibiotik.

1) Penisilin

Pada mulanya, penisilin hanya sanggup dihasilkan dari mikroorganisme Penicilium. Saat ini, beberapa jenis penisilin sudah sanggup disintesis. Penisilin efektif untuk membunuh basil Staphylococci. Penyakit yang dapat disembuhkan dengan antibiotik ini di antaranya gonorhoe, sifilis, dan radang paru-paru (pneumonia).

Setelah dikaji cukup lama, jadinya diketahui bahwa kepingan aktif dari penisilin ialah asam 6–amino–penicillamat, disingkat dengan 6-apa. Sejak ditemukan kepingan aktif ini, banyak sekali jenis antibiotik sintetik telah dibuat berdasarkan struktur molekul 6–apa.

Pada umumnya, penisilin merupakan obat antibiotik yang kondusif untuk dikonsumsi, tetapi ada juga sebagian pasien yang alergi terhadap penisilin. Pasien ibarat ini biasanya setelah mengonsumsi penisilin merasa gatal-gatal dan kulit menjadi bercak merah. Jika ini terjadi maka pengobatan dengan penisilin harus dihentikan.

2) Streptomisin

Penisilin sanggup membunuh banyak sekali jenis bakteri, tetapi penisilin tidak berpengaruh terhadap basil ibarat Tuberculosis dan beberapa bakteri lainnya. Untuk mengatasi basil penyebab TBC digunakan antibiotik lain, yaitu streptomisin. Streptomisin ialah antibiotik untuk mengobati penyakit yang disebabkan oleh bakteri Tuberculosis (TBC). Streptomisin dihasilkan oleh mikroorganisme genus Streptomyces.

Streptomisin tidak boleh dikonsumsi melalui pencernaan lantaran dapat melukai dinding usus sehingga obat ini harus diberikan kepada pasien melalui penyuntikan. Efek samping dari streptomisin umumnya demam, kulit bercak, muntah, dan sakit tenggorokan.

Beberapa jenis basil bisa beradaptasi dan kebal terhadap antibiotik, yang digunakan selama pengobatan. Jika ini terjadi maka pengobatan dengan antibiotik tersebut tidak akan sembuh. Gejala ini biasanya muncul pada penderita yang tidak disiplin memakan obat.

c. Zat Psikiatris

Psikiatris ialah jenis obat-obatan yang sanggup memengaruhi bagian tertentu dari sistem saraf. Jika obat ini dikonsumsi maka orang yang mengonsumsinya akan melaksanakan tindakan di luar kesadaran atau di luar kendali sistem saraf. Kebanyakan obat psikiatris bertindak secara langsung kepada sistem saraf. Terdapat banyak sekali jenis obat psikiatris seperti stimulan dan depresan.

1) Stimulan

Stimulan digunakan untuk mempercepat tindakan sistem saraf. Jadi, jika seseorang mengonsumsi obat ini sanggup menimbulkan orang tersebut merasa lebih percaya diri.

Zat stimulan yang berasal dari tubuh contohnya ialah adrenalin, yaitu sejenis stimulan yang dihasilkan oleh kelenjar adrenal dalam tubuh. Stimulan berkerja dengan cara memacu kerja jantung lebih kuat dan cepat sehingga tubuh kita merasa lebih siap menghadapi banyak sekali kecemasan. Dengan adanya stimulan maka organ-organ dalam tubuh akan bertindak lebih tangkas dari biasanya. Terdapat beberapa jenis stimulan di antaranya amfetamin, kokain, dan obat-obatan tergolong narkoba.

a) Amfetamin

Amfetamin digunakan untuk mengurangi rasa cemas yang berlebihan dan mengurangi selera makan sehingga berat tubuh turun. Di samping itu, amfetamin juga digunakan untuk menjaga gairah hidup. Dengan mengonsumsi amfetamin, pengguna merasa lebih berenergi, lebih gembira, dan bahagia berbicara.

Pasien yang banyak mengonsumsi amfetamin dalam takaran tinggi akan menjadi garang dan ganas serta sering mengkhayal. Hal ini akan menimbulkan perasaan yang tidak menentu serta sering mendengar suara-suara yang tidak terang sumbernya.

Obat-obatan yang termasuk amfetamin di antaranya dextro-amfetamin (dexedrina) dan metamfetamin (methedrina). Kedua obat ini sangat efektif untuk mengobati penyakit kecemasan dan sering muram. Obat ini juga dapat menimbulkan ketagihan.

b) Kokain

Kokain ialah sejenis alkaloid yang sanggup diekstrak dari pohon koka (Erythroxylon coca). Kokain merupakan stimulan yang kuat dan digunakan sebagai obat bius dalam pembedahan lokal ibarat mulut, mata, dan telinga. Namun, obat ini sanggup menimbulkan ketagihan dan tergolong narkoba.

Jenis alkaloid lain mencakup sejumlah obat-obatan ialah morfin dan quinin (kina). Morfin diekstrak dari bunga madat dan quinin diekstrak dalam kulit pohon kina. Senyawa lain yang sejenis ialah heroin dan LSD (lysergic acid diethylamida).

2) Depresan

Depresan ialah jenis obat-obatan yang berfungsi mengurangi aktivitas sebagian otak dan mengurangi kegiatan sistem saraf. Orang yang mengonsumsi obat jenis ini akan merasa ngantuk dan merasa gembira. Ada beberapa jenis obat-obatan yang tergolong obat depresan di antaranya ialah barbiturat dan trankuilizer. Barbiturat dan trankuilizer bertindak sebagai sedatif dan juga hipnotik, yaitu obat yang digunakan untuk penderita sakit jiwa. Sedatif bersifat sebagai obat penenang, sedangkan hipotik menimbulkan pasien tidak tenang.

Pemakaian takaran tinggi barbiturat akan tampak berperilaku ibarat orang mabuk dan bunyi kurang terang bahkan sanggup menimbulkan hilangnya keseimbangan tubuh. Dosis yang terlampau tinggi sanggup menimbulkan kematian lantaran menyumbat susukan nafas.

Trankuilizer digunakan sebagai pengganti barbiturat. Reaktivitas obat ini sama dengan barbiturat, keunggulannya tidak menimbulkan ketagihan. Trankuilizer biasanya digunakan bagi pasien yang mengikuti program psikoterapi.

d. Hormon

Hormon merupakan salah satu senyawa karbon yang dihasilkan oleh kelenjar tubuh. Hormon sintetik telah berhasil dikembangkan. Hormon sintetik digunakan untuk menghasilkan hormon ketika kelenjar pasien yang memproduksi hormon telah rusak, contohnya akhir pembedahan atau kelenjar tidak sanggup berfungsi secara normal.

Hormon sanggup dikelompokkan ke dalam dua golongan, yaitu golongan peptida dan golongan steroid. Golongan peptida terdiri atas molekul-molekul asam amino yang larut dalam air, contohnya insulin. Steroid merupakan molekul besar yang dihasilkan dari kolesterol. Hormon ini lebih larut dalam lemak daripada di dalam air. Contoh hormon ini yaitu kortison.

1) Hormon Insulin

Insulin ialah sejenis hormon yang berperan mengendalikan keseimbangan glukosa dalam darah. Insulin dihasilkan oleh sel pankreas. Hormon insulin membiarkan sel tubuh menggunakan glukosa dalam darah. Tanpa insulin, konsentrasi glukosa dalam darah akan meningkat. Jika hal ini dibiarkan maka glukosa akan ditemukan dalam air seni.

Keadaan ini dinamakan penyakit diabetes mellitus. Pengobatan penyakit ini dilakukan dengan menyuntikkan insulin ke dalam tubuh. Akan tetapi, jika insulin berada pada konsentrasi yang tinggi dalam darah maka kadar

gula dalam darah akan menjadi telampau rendah. Jika ini terjadi, dapat menyebabkan keadaan hipoglikemia. Gejalanya, pasien akan berkeringat, lemah, dan kabur penglihatan.

2) Kortison

Kortison merupakan salah satu obat steroid. Pada mulanya hormon ini diperoleh dari korteks kelenjar adrenal. Pada 1946, pakar kimia telah berhasil menyintesis kortison dari empedu. Kortison biasanya digunakan untuk mengobati penyakit rheumatoid arthritis. Penyakit ini menimbulkan persendian tulang menjadi bengkak, sakit, dan kejang-kejang. Kortison juga digunakan mengobati penyakit radang paru-paru, bengkak, asma, dan penyakit kulit yang disebabkan alergi.

Rangkuman :

1. Tujuan ilmu Kimia ialah untuk menemukan dan mengembangkan material gres yang mempunyai kegunaan bagi manusia, sebagai upaya untuk meningkatkan taraf hidup insan ke arah yang lebih mudah, praktis, cepat, dan instan.
2. Material gres yang sudah dan masih terus dikembangkan ialah kristal cair, polimer, keramik, dan film tipis.
3. Material gres yang sedang dalam pengembangan dengan aplikasi dikala ini masih terbatas adalah nanomaterial dan biomaterial.
4. Pupuk dan pestisida ialah zat kimia yang digunakan untuk tujuan peningkatan hasil produksi pertanian.
5. Pupuk buatan ialah zat kimia yang mengandung unsur N, P, dan K atau perpaduannya.
6. Membunuh hama ibarat serangga, jamur, rodensia, dan flora pengganggu. Jenis senyawa pestisida terdiri atas senyawa yang mengandung klor, fosfor dan senyawa karbamat.
7. Dalam masakan olahan ditambahkan zat aditif yang berfungsi sebagai pemanis, pengawet, pewarna, pemberi aroma dan citarasa, penggempal/pengeras.
8. Pada umumnya, obat-obatan yang diproduksi dapat dikelompokkan ke dalam obat analgesik, antibiotik, psikiatrik, dan hormon.

Anda kini sudah mengetahui Kimia Terapan. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.

---

Referensi :

Sunarya, Y. dan A. Setiabudi. 2009. Praktis dan Aktif Belajar Kimia 1 : Untuk Kelas X Sekolah Menengah Atas / Madrasah Aliyah. Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta, p. 226.