Aplikasi Fisika dalam Kimia

APLIKASI FISIKA DALAM BIDANG KIMIA

Oleh:

Nanda Letitia Ivana

NIM. 131810301047

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS JEMBER

2013

KATA PENGANTAR

            Ucapan puji syukur dipanjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan taufiq, rahmat dan hidayah – Nya, sehingga peneliti dapat menyelesaikan makalah yang berjudul “Aplikasi Ilmu Fisika dalam Bidang Kimia” ini tepat pada waktunya.

Penulisan makalah ini dapat selesai berkat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu, ucapan terima kasih patut disampaikan kepada :

1.      Ibu Nurul Prihatini sebagai dosen Fisika Dasar.

2.      Teman – teman yang terlibat dalam penyelesaian makalah ini.

Semoga Allah SWT melimpahkan pahala kepada berbagai pihak tersebut. Akhir kata, penulis berharap semoga makalah ini dapat bermanfaat dan dapat menambah wawasan khasanah ilmu bagi masyarakat Jember khususnya para mahasiswa.

Penulis

           

BAB 1

PENDAHULUAN

Kata Fisika berasal dari bahasa Yunani “Physic” yang berarti “alam” atau “hal ikhwal alam” sedangkan fisika (dalam bahasa inggris “Physic”) ialah ilmu yang mempelajari aspek-aspek alam yang dapat dipahami dengan dasar-dasar pengertian terhadap prinsip-prinsip dan hukum-hukum elementemnya. Selanjutnya fisika dapat didefinisikan dalam berbagai pengertian, satu diantaranya mengatakan bahwa fisika adalah ilmu yang mempelajari suatu zat dan energi atau zat dan gerakan. Fisika sebagai ilmu memiliki arti yang sangat luas. Tetapi dalam persoalan sering dijumpai khususnya dalam bidang teknik (kimia) yang mempelajari tentang gerakan atom dalam perpindahan panas (termodinamika).

Ruang lingkup fisika hingga sekarang mencangkup cabang-cabang ilmu mekanika, termodinamika, bunyi, optika, listrik, magnet dan medan magnet listrik. Fisika adalah ilmu yang fundamental yang mencakup semua sains dan benda-benda hidup biologi, zoologi, dan lain-lain) maupun sains fisika (astronomi, kimia, fisika). Fisika pada dasarnya membahas tentang materi dan energi adalah akar dari tiap bidang sains dan mendasari semua gejola. Fisika juga dapat diartikan sebagai ilmu pengetahuan tentang pengukuran, sebab segala sesuatu yang kita ketahui tentang dunia fisika dan tentang prinsip-prinsip yang mengatur prilakunya telah dipelajari melalui pengamatan-pengamatan terhadap gejala alam. Tanpa kecuali gejala-gejala itu selalu mengikuti atau memahami sekumpulan prinsip umum tertentu yang disebut hukum-hukum fisika.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1              Fisika

Fisika merupakan salah satu cabang utama ilmu pengetahuan alam seperti: kimia, botani, astronomi, dan sebagainya. Fisika memiliki ciri khas yaitu pelukisan kenyataan menurut aspek-aspek yang memungkinkan pencatatan atau pengamatan indrawi secara langsung. Data-data indrawi haruslah dimengerti tepat menurut penampakannya. Dewasa ini, pencatatan ataupun pengamatan sering berlangsung melalui suatu instrumentarium yang sangat kompleks, yang didalamnya mengandung banyak unsur teoris. Penggunaan instrumen memperlihatkan betapa eratnya kaitan antara teori dengan data empiris.

Isi dan organisasi materi serta pemaparan struktur dan pengartian pokok dalam fisika mempelajari hal-hal yang pundamental tentang zat dan energi. Dalam

fisika mekanika dan teori medan merupakan cabang-cabang utama. Mekanika menelaah gerak partikel dibawah pengaruh gaya-gaya, dan teori medan mengkaji

asal, perilaku dan sifat medan grafitasi, medan elektro magnetik, medan nuklir, dan gaya lainnya.

·           Cabang-cabang Ilmu Fisika

Pembagian fisika secara umum terdiri dari dua bagian yaitu :

1. Pembagian secara Klasik.

Fisika didasarkan pada kelompok umum gejala alam yang dipelajari dengan metode yang khas untuk kelompok yang bersangkutan, yaitu :

* Mekanika klasik

* Kalor dan termodinamika

* Teori kinetik gas

* Mekanika statistik

* Optika

* Akustik

* Listrik

* Elektromagnetik

2. Pembagian secara Modern

Fisika juga dikelompokkan yang didasarkan pada jenis struktur dalam alam yang dipelajari oleh cabang yang bersangkutan, yaitu:

* Mekanika kuantum

* Relativitas

* Atom Inti

* Partikel elmenter

* Fisika gas dan plasma

* Biofisika

Secara umum, fisika adalah ilmu yang paling fundamental dan mencakup semua Sains, baik Sains benda-benda hidup maupun Sains fisika. Dalam pengertian secara luas fisika itu cabang dari ilmu pengetahuan yang menguraikan dan menjelaskan tentang unsur-unsur dalam bumi serta penomenanya.

Fisika juga merupakan ilmu pengetahuan kuantitatif atau ilmu pengetahuan tentang pengukuran, percobaan, dan hasil percobaan secara sistematis. Diantara ilmu seperti astronomi, kimia, metalurgi, geologi, dan ilmu biologi tidak mungkin memberikan definisi yang akurat tanpa mempergunakan dasar -dasar dalam ilmu fisika tetapi selama abad XX penelitian fisika, seperti type penelitian ilmu pengetahuan, sedang mempelajri struktur dari unsur atoll dan inti atom.

Tidak ada batas dari defenisi ilmu fisika yang akurat, ilmu pengetahuan yang berbeda adalah sebagai contoh yang nyata bahwa ada ilmuan dan batas ilmu

pengetahuan yang dipakai sebagai percoban dengan nama-mana gabungan yaitu:

kimia fisika, fisika astronomi, fisika geologi, fisika biologi, kimia biologi, dan fisika obat-obatan.

Tujuan belajar fisika adalah untuk memberikan pengetahuan dan pemahaman terhadap penerapan konsep-konsep fisika dan metode ilmiah yang melibatkan ketrampilan proses untuk memecahkan berbagai permasalahan dalam kehidupan sehari-hari. Disamping itu, melalui belajar fisika diharapkan pula untuk dapat meningkatkan perkembangan IPTEK, pelestarian lingkungan serta kekayaan alam Indonesia.

Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa fisika adalah hal yang paling

dasar dari ilmu pengetahuan. Fisika berhadapan dengan sifat dan struktur suatu

bahan atau zat. Biasanya fisika dibagi lagi menjadi ilmu yang mempelajari gerak,

cairan dan gas, panas, bunyi, cahaya, listrik dan kemagnetan, dan topik modern

mengenai kerelativan, struktur atom dan fisika nuklir.

2.2 Hukum-Hukum Dasar Fisika.

Dalam ilmu fisika kita mengenal beberapa hukum-hukum dasar fisika. Salah satu hukum dasar fisika adalah hukum kekekalan energi yang berbunyi:

"Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat dirubah dari satu bentuk kebentuk yang lain”.

Hukum-hukum dasar fisika sangat berperan penting dalam penganalisaan suatu masalah fenomena alam, karena itu siapa saja yang merencanakan atau membina karier dalam bidang sains (biologi, kimia dan matematika) harus memiliki pemahaman yang mendalam tentang hukum-hukum dasar pundamental fisika.

Tujuan utama dari pemberian hukum-hukum dasar adalah memberikan suatu pandangan yang utuh tentang fisika. Hal ini sebaiknya dilakukan tanpa menyajikanhukum-hukum fisika, menjabarkan implikasi-implikasinya dengan mendiskusikan batas-batasannya. Dalam fisika dipelajari penerapan-penerapan, hukum-hukum dasar dalam pelajaran-pelajaran khusus. Oleh sebab itu fisika menyajikan apa yang dianggap sebagai ide-ide dasar yang membentuk inti fisika saat ini.

Dalam banyak program study fisika diajarkan seolah-olah merupakan kumpulan beberapa ilmu, yang sedikit banyak memiliki hubungan antara satu dengan yang lain tapi tanpa pandangan yang benar-benar utuh. Pembagian tradisional fisika kedalam mekanika, kalor dan teori kinetik, bunyi, optikal listrik dan magnet dan fisika modern suadah tidak dapat dipertahankan lagi. Kita telah

meninggal pola pendekatan tradisional ini sebagai gantinya diikutin penyajian yang logis dan utuh, dengan menekankan prinsip-prinsip kekekalan , konsep medan dan gelombang, dan pandangan otomik tentang materi. Teori relativitas khusus digunakan secara meluas pada seluruh ilmu fisika sebagai salah satu prinsip pemandu yang harus dipenuhi oleh setiap teori fisika. Banyak ide fisika kuantum yang diperkenalkan pada tahap yang agak dini.

Penyajian mekanika untuk memaparkan prinsip-prinsip dasar yang dibutuhkan untuk menggambarkan gerak yang kita amati disekeliling kita.

2.2              Hubungan Fisika dengan Kimia

Dalam kimia, ilmu yang dipelajari salah satunya adalah fisika yang harapkan dalam proses kimia. Semua prinsip-prinsip fisika sangat berperan penting dalam industri proses kimia. Kimia tidak hanya mempelajari disiplin kimia tetapi juga mempelajari ilmu fisika. Sebenarnya bisa dikatakan bahwa fisikalah ilmu yang banyak dipelajari dalam ilmu kimia. Misalnya tentang besaran dan satuan. Besar-besaran yang ada dalam fisika juga dipakai dalam disiplin ilmu teknik kimia. Elektrolisa yang behubungan dengan arus listrik juga berkaitan dengan teknik kimia. Sehingga hubungan fisika dengan teknik kimia sangat erat sekali dalam penggunaan dan penganalisaan prinsip-prinsip ilmu pengetahuan tentang phenomena alam.

Hubungan fisika dengan kimia dapat ditelusuri dari definisi dari masing-masing anggota yang berhubungan. Defenisi tentang fisika telah banyak dibahas pada bab sebelumnya. Sedangkan defenisi dari kimia adalah ilmu yang mempelajari mengenai komposisi, struktur, dan sifat zat atau materi dari skala atom hingga molekul serta perubahan atau transformasi serta interaksi mereka untuk membentuk materi yang ditemukan sehari-hari. Kimia juga mempelajari pemahaman sifat dan interaksi atom individu dengan tujuan untuk menerapkan pengetahuan tersebut pada tingkat makroskopik. Menurut kimia modern, sifat fisik materi umumnya ditentukan oleh struktur pada tingkat atom yang pada gilirannya ditentukan oleh gaya antaratom dan ikatan kimia. Untuk memahami ilmu kimia, maka perlu diketahui asal kata Kimia (inggris: chemistry) yang berasal dari bahasa Mesir Keme yang berarti bumi adalah ilmu yang mempelajari tentang komposisi, stuktur, dan sifat materi, beserta segala perubahan yang menyertai terjadinya reaksi kimia.

Kimia sering disebut sebagai “ilmu andryan” karena menghubungkan berbagai ilmu lain, seperti fisika, ilmu bahan, nanoteknologi, biologi, farmasi, kedokteran, bioinformatika, dan geologi. Koneksi ini timbul melalui berbagai subdisiplin yang memanfaatkan konsep-konsep dari berbagai disiplin ilmu. Sebagai contoh, kimis fisik melibatkan penerapan prinsip-prinsip fisika terhadap materi pada tingkat atom dan molekul.

Dari penjelasan tersebut jelas bahwa ilmu fisika merupakan ilmu fondasi penting bagi ilmu kimia dalam mendukung perwujudan dari disiplin kimia tersebut.

Seperti pada bab sebelumnya, kita sudah mengetahui bahwa ilmu fisika suatu ilmu pengetahuan yang, mempelajari bagian-bagian dari alam dan aksi didalamnya. Pada abad ke-21 ini, fisika telah mengalami perkembangan cepat sekali. Apalagi dalam perkembangan teknologi dunia didasarkan dari teori fisika.

Dampak perkembangan fisika dapat dirasakan yaitu berupa perkembangan teknologi mutakhir, misalnya:

* Penggunaan tenaga nuklir

* Teknologi laser

* Semi konduktor, dan lain-lain

Fisika juga telah banyak menguak tabir-tabir misteri dialam. Misalnya dulu orang menganggap panas adalah suatu misteri. Mereka tidak tahu penyebab timbulnya panas. Tapi setelah ditemukan teori atom orang telah mengerti bahwa panas itu sebenarnya akibat gerakan dan tumbukan atom-atom. Teori tentang atom ini berhasil menyatukan dua konsep fisika yang berbeda yaitu: konsep panas dan kosep gerak (mekanika).

Kimia umumnya dibagi menjadi beberapa bidang utama. Terdapat pula beberapa cabang antar-bidang dan cabang-cabang yang lebih khusus dalam kimia diantaranya:

1.      Biokimia

Biokimia mempelajari senyawa kimia, reaksi kimia, dan interaksi kimia yang terjadi dalam organisme hidup. Biokimia dan kimia organik berhubungan sangat erat, seperti dalam kimia medisinal atau neurokimia. Biokimia juga berhubungan dengan biologi molekular, fisiologi, dan genetika.

2.      Kimia anorganik mengkaji sifat-sifat dan reaksi senyawa anorganik. Perbedaan antara bidang organik dan anorganik tidaklah mutlak dan banyak terdapat tumpang tindih, khususnya dalam bidang kimia organologam.

3.      Kimia organik mengkaji struktur, sifat, komposisi, mekanisme, dan reaksi senyawa organik. Suatu senyawa organik didefinisikan sebagai segala senyawa yang berdasarkan rantai karbon.

4.      Kimia fisik mengkaji dasar fisik sistem dan proses kimia, khususnya energitika dan dinamika sistem dan proses tersebut. Bidang-bidang penting dalam kajian ini di antaranya termodinamika kimia, kinetika kimia, elektrokimia, mekanika tatistika, dan spektroskopi. Kimia fisik memiliki banyak tumpang tindih dengan fisika molekular. Kimia fisik melibatkan penggunaan kalkulus untuk menurunkan persamaan, dan biasanya berhubungan dengan kimia kuantum serta kimia teori.

5.      Kimia Material menyangkut bagaimana menyiapkan, mengkarakterisasi, dan memahami cara kerja suatu bahan dengan kegunaan praktis.

6.      Kimia teori adalah studi kimia melalui penjabaran teori dasar (biasanya dalam matematika atau fisika). Secara spesifik, penerapan mekanika kuantum dalam kimia disebut kimia kuantum. Sejak akhir Perang Dunia II, perkembangan komputer telah memfasilitasi pengembangan sistematik kimia komputasi, yang merupakan seni pengembangan dan penerapan program komputer untuk menyelesaikan permasalahan kimia. Kimia teori memiliki banyak tumpang tindih (secara teori dan eksperimen) dengan fisika benda kondensi dan fisika molekular.

7.      Kimia nuklir mengkaji bagaimana partikel subatom bergabung dan membentuk inti. Transmutasi modern adalah bagian terbesar dari kimia nuklir dan tabel nuklida merupakan hasil sekaligus perangkat untuk bidang ini.

Bidang lain antara lain adalah astrokimia, biologi molekular, elektrokimia, farmakologi, fitokimia, fotokimia, genetika molekular, geokimia, ilmu bahan, kimia aliran, kimia atmosfer, kimia benda padat, kimia hijau, kimia inti, kimia medisinal, kimia komputasi, kimia lingkungan, kimia organologam, kimia permukaan, kimia polimer, kimia supramolekular, nanoteknologi, petrokimia, sejarah kimia, sonokimia, teknik kimia, serta termokimia.

Pada kimia nuklir ada beberapa yang dipelajari dalam bidang ilmu fisikanya. Sebelum membahas lebih dalam tentang kimia nuklir perlu diketahui tentang atom terlebih dahulu.Atom adalah suatu kumpulan materi yang terdiri atas inti yang bermuatan positif, yang biasanya mengandung proton dan neutron, dan beberapa elektron di sekitarnya yang mengimbangi muatan positif inti. Atom juga merupakan satuan terkecil yang dapat diuraikan dari suatu unsur dan masih mempertahankan sifatnya, terbentuk dari inti yang rapat dan bermuatan positif dikelilingi oleh suatu sistem elektron.

Unsur adalah sekelompok atom yang memiliki jumlah proton yang sama pada intinya. Jumlah ini disebut sebagai nomor atom unsur. Sebagai contoh, semua atom yang memiliki 6 proton pada intinya adalah atom dari unsur kimia karbon, dan semua atom yang memiliki 92 proton pada intinya adalah atom unsur uranium.

Ion atau spesies bermuatan, atau suatu atom atau molekul yang kehilangan atau mendapatkan satu atau lebih elektron. Kation bermuatan positif (misalnya kation natrium Na+) dan anion bermuatan negatif (misalnya klorida Cl−) dapat membentuk garam netral (misalnya natrium klorida, NaCl). Contoh ion poliatom yang tidak terpecah sewaktu reaksi asam-basa adalah hidroksida (OH−) dan fosfat (PO43−).

Senyawa merupakan suatu zat yang dibentuk oleh dua atau lebih unsur dengan perbandingan tetap yang menentukan susunannya. sebagai contoh, air merupakan senyawa yang mengandung hidrogen dan oksigen dengan perbandingan dua terhadap satu. Senyawa dibentuk dan diuraikan oleh reaksi kimia.

Molekul adalah bagian terkecil dan tidak terpecah dari suatu senyawa kimia murni yang masih mempertahankan sifat kimia dan fisik yang unik. Suatu molekul terdiri dari dua atau lebih atom yang terikat satu sama lain.

Suatu ‘zat kimia’ dapat berupa suatu unsur, senyawa, atau campuran senyawa-senyawa, unsur-unsur, atau senyawa dan unsur. Sebagian besar materi yang kita temukan dalam kehidupan sehari-hari merupakan suatu bentuk campuran, misalnya air, aloy, biomassa, dll.

Ikatan kimia merupakan gaya yang menahan berkumpulnya atom-atom dalam molekul atau kristal. Pada banyak senyawa sederhana, teori ikatan valensi dan konsep bilangan oksidasi dapat digunakan untuk menduga struktur molekular dan susunannya. Serupa dengan ini, teori-teori dari fisika klasik dapat digunakan untuk menduga banyak dari struktur ionik. Pada senyawa yang lebih kompleks/rumit, seperti kompleks logam, teori ikatan valensi tidak dapat digunakan karena membutuhken pemahaman yang lebih dalam dengan basis mekanika kuantum.

Fase adalah kumpulan keadaan sebuah sistem fisik makroskopis yang relatif serbasama baik itu komposisi kimianya maupun sifat-sifat fisikanya (misalnya masa jenis, struktur kristal, indeks refraksi, dan lain sebagainya). Contoh keadaan fase yang kita kenal adalah padatan, cair, dan gas. Keadaan fase yang lain yang misalnya plasma, kondensasi Bose-Einstein, dan kondensasi Fermion. Keadaan fase dari material magnetik adalah paramagnetik, feromagnetik dan diamagnetik.

Reaksi kimia adalah transformasi/perubahan dalam struktur molekul. Reaksi ini bisa menghasilkan penggabungan molekul membentuk molekul yang lebih besar, pembelahan molekul menjadi dua atau lebih molekul yang lebih kecil, atau penataulangan atom-atom dalam molekul. Reaksi kimia selalu melibatkan terbentuk atau terputusnya ikatan kimia.

Kimia kuantum secara matematis menjelaskan kelakuan dasar materi pada tingkat molekul. Secara prinsip, dimungkinkan untuk menjelaskan semua sistem kimia dengan menggunakan teori ini. Dalam praktiknya, hanya sistem kimia paling sederhana yang dapat secara realistis diinvestigasi dengan mekanika kuantum murni dan harus dilakukan hampiran untuk sebagian besar tujuan praktis (misalnya, Hartree-Fock, pasca-Hartree-Fock, atau teori fungsi kerapatan, lihat kimia komputasi untuk detilnya). Karenanya, pemahaman mendalam mekanika kuantum tidak diperlukan bagi sebagian besar bidang kimia karena implikasi penting dari teori (terutama hampiran orbital) dapat dipahami dan diterapkan dengan lebih sederhana.

Dalam mekanika kuantum (beberapa penerapan dalam kimia komputasi dan kimia kuantum), Hamiltonan, atau keadaan fisik, dari partikel dapat dinyatakan sebagai penjumlahan dua operator, satu berhubungan dengan energi kinetik dan satunya dengan energi potensial. Hamiltonan dalam persamaan gelombang Schrödinger yang digunakan dalam kimia kuantum tidak memiliki terminologi bagi putaran elektron.

Penyelesaian persamaan Schrödinger untuk atom hidrogen memberikan bentuk persamaan gelombang untuk orbital atom, dan energi relatif dari orbital 1s, 2s, 2p, dan 3p. Hampiran orbital dapat digunakan untuk memahami atom lainnya seperti helium, litium, dan karbon.

Hukum-hukum kimia sebenarnya merupakan hukum fisika yang diterapkan dalam sistem kimia. Konsep yang paling mendasar dalam kimia adalah Hukum kekekalan massa yang menyatakan bahwa tidak ada perubahan jumlah zat yang terukur pada saat reaksi kimia biasa. Fisika modern menunjukkan bahwa sebenarnya energilah yang kekal, dan bahwa energi dan massa saling berkaitan. Kekekalan energi ini mengarahkan kepada pentingnya konsep kesetimbangan, termodinamika, dan kinetika.

PENUTUP

            Singkatnya, materi pembelajaran fisika khususnya tentang mekanika kuantum merupakan materi yang mendasar bagi proses pembelajaran selanjutnya dibidang kimia nuklir.