Kimia mempelajari komposisi, struktur, dan sifat zat kimia dan transformasi yang dialaminya.
Kimia
(dari bahasa Arab ?????? “seni transformasi” dan bahasa Yunani ??????
khemeia “alkimia“) adalah ilmu yang mempelajari mengenai komposisi 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.
Kimia
sering disebut sebagai “ilmu pusat” karena menghubungkan berbagai ilmu
lain, seperti fisika, ilmu bahan, nanoteknologi, biologi, farmasi,
kedokteran, bioinformatika, dan geologi [1]. Koneksi ini timbul melalui
berbagai subdisiplin yang memanfaatkan konsep-konsep dari berbagai
disiplin ilmu. Sebagai contoh, kimia fisik melibatkan penerapan
prinsip-prinsip fisika terhadap materi pada tingkat atom dan molekul.
Kimia
berhubungan dengan interaksi materi yang dapat melibatkan dua zat atau
antara materi dan energi, terutama dalam hubungannya dengan hukum
pertama termodinamika. Kimia tradisional melibatkan interaksi antara zat
kimia dalam reaksi kimia, yang mengubah satu atau lebih zat menjadi
satu atau lebih zat lain. Kadang reaksi ini digerakkan oleh pertimbangan
entalpi, seperti ketika dua zat berentalpi tinggi seperti hidrogen dan
oksigen elemental bereaksi membentuk air, zat dengan entalpi lebih
rendah. Reaksi kimia dapat difasilitasi dengan suatu katalis, yang
umumnya merupakan zat kimia lain yang terlibat dalam media reaksi tapi
tidak dikonsumsi (contohnya adalah asam sulfat yang mengkatalisasi
elektrolisis air) atau fenomena immaterial (seperti radiasi
elektromagnet dalam reaksi fotokimia). Kimia tradisional juga menangani
analisis zat kimia, baik di dalam maupun di luar suatu reaksi, seperti
dalam spektroskopi.
Semua materi normal terdiri dari atom atau
komponen-komponen subatom yang membentuk atom; proton, elektron, dan
neutron. Atom dapat dikombinasikan untuk menghasilkan bentuk materi yang
lebih kompleks seperti ion, molekul, atau kristal. Struktur dunia yang
kita jalani sehari-hari dan sifat materi yang berinteraksi dengan kita
ditentukan oleh sifat zat-zat kimia dan interaksi antar mereka. Baja
lebih keras dari besi karena atom-atomnya terikat dalam struktur kristal
yang lebih kaku. Kayu terbakar atau mengalami oksidasi cepat karena ia
dapat bereaksi secara spontan dengan oksigen pada suatu reaksi kimia
jika berada di atas suatu suhu tertentu.
Zat cenderung
diklasifikasikan berdasarkan energi, fase, atau komposisi kimianya.
Materi dapat digolongkan dalam 4 fase, urutan dari yang memiliki energi
paling rendah adalah padat, cair, gas, dan plasma. Dari keempat jenis
fase ini, fase plasma hanya dapat ditemui di luar angkasa yang berupa
bintang, karena kebutuhan energinya yang teramat besar. Zat padat
memiliki struktur tetap pada suhu kamar yang dapat melawan gravitasi
atau gaya lemah lain yang mencoba merubahnya. Zat cair memiliki ikatan
yang terbatas, tanpa struktur, dan akan mengalir bersama gravitasi. Gas
tidak memiliki ikatan dan bertindak sebagai partikel bebas. Sementara
itu, plasma hanya terdiri dari ion-ion yang bergerak bebas; pasokan
energi yang berlebih mencegah ion-ion ini bersatu menjadi partikel
unsur. Satu cara untuk membedakan ketiga fase pertama adalah dengan
volume dan bentuknya: kasarnya, zat padat memeliki volume dan bentuk
yang tetap, zat cair memiliki volume tetap tapi tanpa bentuk yang tetap,
sedangkan gas tidak memiliki baik volume ataupun bentuk yang tetap.
Air
(H2O) berbentuk cairan dalam suhu kamar karena molekul-molekulnya
terikat oleh gaya antarmolekul yang disebut ikatan Hidrogen. Di sisi
lain, hidrogen sulfida (H2S) berbentuk gas pada suhu kamar dan tekanan
standar, karena molekul-molekulnya terikat dengan interaksi dwikutub
(dipole) yang lebih lemah. Ikatan hidrogen pada air memiliki cukup
energi untuk mempertahankan molekul air untuk tidak terpisah satu sama
lain, tapi tidak untuk mengalir, yang menjadikannya berwujud cairan
dalam suhu antara 0 °C sampai 100 °C pada permukaan laut. Menurunkan
suhu atau energi lebih lanjut mengizinkan organisasi bentuk yang lebih
erat, menghasilkan suatu zat padat, dan melepaskan energi. Peningkatan
energi akan mencairkan es walaupun suhu tidak akan berubah sampai semua
es cair. Peningkatan suhu air pada gilirannya akan menyebabkannya
mendidih (lihat panas penguapan) sewaktu terdapat cukup energi untuk
mengatasi gaya tarik antarmolekul dan selanjutnya memungkinkan molekul
untuk bergerak menjauhi satu sama lain.
Ilmuwan yang mempelajari
kimia sering disebut kimiawan. Sebagian besar kimiawan melakukan
spesialisasi dalam satu atau lebih subdisiplin. Kimia yang diajarkan
pada sekolah menengah sering disebut “kimia umum” dan ditujukan sebagai
pengantar terhadap banyak konsep-konsep dasar dan untuk memberikan
pelajar alat untuk melanjutkan ke subjek lanjutannya. Banyak konsep yang
dipresentasikan pada tingkat ini sering dianggap tak lengkap dan tidak
akurat secara teknis. Walaupun demikian, hal tersebut merupakan alat
yang luar biasa. Kimiawan secara reguler menggunakan alat dan penjelasan
yang sederhana dan elegan ini dalam karya mereka, karena terbukti mampu
secara akurat membuat model reaktivitas kimia yang sangat bervariasi.
Ilmu
kimia secara sejarah merupakan pengembangan baru, tapi ilmu ini berakar
pada alkimia yang telah dipraktikkan selama berabad-abad di seantero
dunia.
Sejarah
Robert
Boyle, perintis kimia modern dengan menggunakan eksperimen terkontrol,
sebagai kontras dari metode alkimia terdahulu.Akar ilmu kimia dapat
dilacak hingga fenomena pembakaran. Api merupakan kekuatan mistik yang
mengubah suatu zat menjadi zat lain dan karenanya merupakan perhatian
utama umat manusia. Adalah api yang menuntun manusia pada penemuan besi
dan gelas. Setelah emas ditemukan dan menjadi logam berharga, banyak
orang yang tertarik menemukan metode yang dapat merubah zat lain menjadi
emas. Hal ini menciptakan suatu protosains yang disebut Alkimia.
Alkimia dipraktikkan oleh banyak kebudayaan sepanjang sejarah dan sering
mengandung campuran filsafat, mistisisme, dan protosains.
Alkimiawan
menemukan banyak proses kimia yang menuntun pada pengembangan kimia
modern. Seiring berjalannya sejarah, alkimiawan-alkimiawan terkemuka
(terutama Abu Musa Jabir bin Hayyan dan Paracelsus) mengembangkan
alkimia menjauh dari filsafat dan mistisisme dan mengembangkan
pendekatan yang lebih sistematik dan ilmiah. Alkimiawan pertama yang
dianggap menerapkan metode ilmiah terhadap alkimia dan membedakan kimia
dan alkimia adalah Robert Boyle (1627–1691). Walaupun demikian, kimia
seperti yang kita ketahui sekarang diciptakan oleh Antoine Lavoisier
dengan hukum kekekalan massanya pada tahun 1783. Penemuan unsur kimia
memiliki sejarah yang panjang yang mencapai puncaknya dengan
diciptakannya tabel periodik unsur kimia oleh Dmitri Mendeleyev pada
tahun 1869.
Penghargaan Nobel dalam Kimia yang diciptakan pada
tahun 1901 memberikan gambaran bagus mengenai penemuan kimia selama 100
tahun terakhir. Pada bagian awal abad ke-20, sifat subatomik atom
diungkapkan dan ilmu mekanika kuantum mulai menjelaskan sifat fisik
ikatan kimia. Pada pertengahan abad ke-20, kimia telah berkembang sampai
dapat memahami dan memprediksi aspek-aspek biologi yang melebar ke
bidang biokimia.
Industri kimia mewakili suatu aktivitas ekonomi
yang penting. Pada tahun 2004, produsen bahan kimia 50 teratas global
memiliki penjualan mencapai 587 bilyun dolar AS dengan margin keuntungan
8,1% dan pengeluaran riset dan pengembangan 2,1% dari total penjualan.
Cabang ilmu kimia
Kimia
umumnya dibagi menjadi beberapa bidang utama. Terdapat pula beberapa
cabang antar-bidang dan cabang-cabang yang lebih khusus dalam kimia.
Kimia
analitik adalah analisis cuplikan bahan untuk memperoleh pemahaman
tentang susunan kimia dan strukturnya. Kimia analitik melibatkan metode
eksperimen standar dalam kimia. Metode-metode ini dapat digunakan dalam
semua subdisiplin lain dari kimia, kecuali untuk kimia teori murni.
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.
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.
Kimia
organik mengkaji struktur, sifat, komposisi, mekanisme, dan reaksi
senyawa organik. Suatu senyawa organik didefinisikan sebagai segala
senyawa yang berdasarkan rantai karbon.
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
statistika, 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.
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.
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.
Konsep dasar
Tatanama
Tatanama
kimia merujuk pada sistem penamaan senyawa kimia. Telah dibuat sistem
penamaan spesies kimia yang terdefinisi dengan baik. Senyawa organik
diberi nama menurut sistem tatanama organik. Senyawa anorganik dinamai
menurut sistem tatanama anorganik.
Atom
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
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.
Tampilan unsur-unsur yang paling pas adalah
dalam tabel periodik, yang mengelompokkan unsur-unsur berdasarkan
kemiripan sifat kimianya. Daftar unsur berdasarkan nama, lambang, dan
nomor atom juga tersedia.
Ion
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
Senyawa merupakan suatu zat yang dibentuk
oleh dua atau lebih unsur dengan perbandingan tetap yang menentukan
susunannya. Sebagia contoh, air merupakan senyawa yang mengandung
hidrogen dan oksigen dengan perbandingan dua terhadap satu. Senyawa
dibentuk dan diuraikan oleh reaksi kimia.
Molekul
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.
Zat kimia
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
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.
Wujud zat
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
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
Kimia
kuantum secara matematis menjelakan 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 di investigasi dengan
mekanika kuantum murni, dan harus dilakukan hampiran untuk sebagian
besar tujuan praktis (misalnya, Hartree-Fock, Post-Hartree-Fock, atau
density functional theory, 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 kimia
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.