Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

11Atom dan Molekul

Ambillah setetes air dan potonglah menjadi dua. Setiap belahannya masih air. Potong lagi sebelahnya menjadi dua, lagi, dan lagi. Dapatkah kamu terus melakukannya selamanya, atau akankah kamu sampai pada sepotong yang begitu kecil sehingga memotongnya sekali lagi menghasilkan sesuatu yang sama sekali bukan air? Sekitar tahun 400 SM, pemikir Yunani Demokritos menebak jawabannya: materi tersusun atas kepingan-kepingan sangat kecil yang tidak dapat dipotong, yang disebutnya atom, dari kata Yunani untuk “tak terpotong”. Diperlukan lebih dari dua ribu tahun, dan kerja para ahli kimia abad kesembilan belas, untuk mengubah tebakan itu menjadi ilmu. Bab ini menguraikan kepingan-kepingan itu — atom — dan cara atom-atom berkelompok menjadi molekul.

Yang sudah kamu ketahui

Zat murni, seperti air atau oksigen, tersusun atas satu spesies kimia saja; campuran, seperti udara, mengandung beberapa spesies (Bab 8). Udara terdiri atas sekitar empat perlima nitrogen dan seperlima oksigen (Bab 4).

11.1 Atom

Definisi 11.1 (Atom)

Semua materi tersusun atas partikel-partikel yang sangat kecil yang disebut atom. Di alam hanya ada sekitar seratus jenis atom yang berbeda, dan setiap zat — air, udara, besi, gula, tubuh kita sendiri — tersusun atas atom-atom dari beberapa jenis itu.

Proposisi 11.2 (Atom itu sangat kecil)

Atom terkecil, atom hidrogen, berukuran sekitar sepersepuluh juta milimeter; atom-atom lainnya paling besar hanya beberapa kali lebih besar. Sepuluh juta atom hidrogen yang dijajarkan akan membentuk garis sepanjang satu milimeter. Untuk membayangkannya: seandainya sebutir apel diperbesar sampai seukuran Bumi, setiap atomnya akan kira-kira sebesar buah ceri kecil.

Catatan 11.3 (Terlihat tanpa dilihat)

Tidak ada mikroskop cahaya yang dapat memperlihatkan atom: atom jauh lebih kecil daripada gelombang cahaya. Sejak tahun 1980-an, mikroskop khusus yang meraba permukaan dengan ujung jarum yang sangat halus telah menghasilkan gambar tempat atom-atom tunggal tampak sebagai tonjolan.

Definisi 11.4 (Lambang atom)

Setiap jenis atom memiliki nama dan lambang: satu huruf kapital, kadang diikuti satu huruf kecil. Lambang itu sama dalam semua bahasa.

atom	lambang	warna model	atom	lambang	warna model
hidrogen	$\ce{H}$	putih	natrium	$\ce{Na}$	ungu
karbon	$\ce{C}$	hitam	belerang	$\ce{S}$	kuning
nitrogen	$\ce{N}$	biru	klorin	$\ce{Cl}$	hijau
oksigen	$\ce{O}$	merah	besi, tembaga	$\ce{Fe}$ , $\ce{Cu}$	—

Catatan 11.5 (Asal-usul lambang)

Kebanyakan lambang adalah huruf pertama nama atomnya: $\ce{H}$ untuk hidrogen, $\ce{C}$ untuk karbon, $\ce{O}$ untuk oksigen. Sebagian berasal dari nama Latin yang lebih tua: $\ce{Na}$ untuk natrium (natrium, nama yang juga dipakai dalam bahasa Indonesia), $\ce{Fe}$ untuk besi (ferrum), $\ce{Cu}$ untuk tembaga (cuprum). Huruf kedua selalu huruf kecil: $\ce{Co}$ adalah atom kobalt, sedangkan CO, dengan O kapital, adalah sesuatu yang sama sekali lain.

Sejarah — Atom-atom Dalton, 1808

Pada tahun 1808 ahli kimia John Dalton menerbitkan tabel atom-atom yang dikenal pada masa itu, masing-masing digambar sebagai lingkaran kecil dengan tandanya sendiri. Dialah yang pertama mengatakan bahwa setiap atom dari satu jenis memiliki berat yang sama, dan bahwa para ahli kimia dapat membandingkan berat-berat itu. Tetapi ia juga menduga bahwa air adalah satu atom hidrogen yang tergabung dengan satu atom oksigen; diperlukan lima puluh tahun lagi sampai para ahli kimia sepakat bahwa sebuah molekul air mengandung dua atom hidrogen.

11.2 Molekul

Definisi 11.6 (Molekul)

Sebuah molekul adalah sekelompok atom yang terikat erat satu sama lain. Molekul adalah bagian terkecil sebuah zat yang masih merupakan zat itu: sebuah molekul air adalah jumlah air terkecil yang mungkin.

Contoh 11.7 (Tujuh molekul)

molekul hidrogen: dua atom hidrogen;
molekul oksigen, yang kita hirup: dua atom oksigen;
molekul nitrogen, empat perlima udara: dua atom nitrogen;
molekul air: dua atom hidrogen dan satu atom oksigen;
molekul karbon dioksida, yang kita embuskan: satu atom karbon dan dua atom oksigen;
molekul metana, bagian utama gas alam yang dibakar di kompor gas: satu atom karbon dan empat atom hidrogen;
molekul dinitrogen oksida, gas pembius: dua atom nitrogen dan satu atom oksigen.

Model bola dan tongkat ketujuh molekul pada . Setiap tongkat melambangkan ikatan antara dua atom; mengapa sebagian atom berbagi dua atau tiga tongkat dijelaskan di bab berikutnya. — Model bola dan tongkat ketujuh molekul pada Contoh 11.7. Setiap tongkat melambangkan ikatan antara dua atom; mengapa sebagian atom berbagi dua atau tiga tongkat dijelaskan di bab berikutnya.

Proposisi 11.8 (Molekul zat murni dan molekul campuran)

Dalam zat murni yang tersusun atas molekul, semua molekulnya identik: air murni hanya mengandung molekul air. Campuran mengandung molekul dari beberapa jenis: udara sebagian besar berupa molekul nitrogen dan molekul oksigen, sekitar empat molekul nitrogen untuk setiap satu molekul oksigen, dengan beberapa atom argon yang tetap tunggal, dan sedikit sekali molekul karbon dioksida.

Perbesaran yang luar biasa. Kiri: di udara, molekul nitrogen (biru) jauh lebih banyak daripada molekul oksigen (merah), dan sebuah atom argon (biru pucat) bergerak sendirian; molekul-molekul gas saling berjauhan. Kanan: dalam air cair, molekul-molekulnya identik semua dan saling bersentuhan.

11.3 Rumus kimia

Definisi 11.9 (Rumus kimia)

Yang disebut rumus kimia sebuah molekul adalah daftar lambang atom-atomnya, masing-masing diikuti sebuah angka kecil yang ditulis di bawah garis — angka indeks — yang menyatakan berapa atom jenis itu yang dikandung molekul tersebut. Angka indeks 1 tidak ditulis.

Contoh 11.10 (Ketujuh rumus)

Molekul-molekul pada Contoh 11.7 memiliki rumus berikut:

molekul	rumus	atom
hidrogen	$\ce{H2}$	2 hidrogen
oksigen	$\ce{O2}$	2 oksigen
nitrogen	$\ce{N2}$	2 nitrogen
air	$\ce{H2O}$	2 hidrogen, 1 oksigen
karbon dioksida	$\ce{CO2}$	1 karbon, 2 oksigen
metana	$\ce{CH4}$	1 karbon, 4 hidrogen
dinitrogen oksida	$\ce{N2O}$	2 nitrogen, 1 oksigen

Metode 11.11 (Membaca rumus)

Untuk membaca rumus sebuah molekul:

pecahlah rumus itu menjadi lambang-lambang: setiap lambang diawali huruf kapital;
sesudah setiap lambang, bacalah angka indeksnya (tanpa angka indeks berarti 1);
jumlahkan angka-angka indeks untuk memperoleh jumlah atom seluruhnya.

Untuk $\ce{C2H6O}$ (etanol, alkohol dalam minuman): 2 karbon, 6 hidrogen, 1 oksigen, seluruhnya 9 atom.

Catatan 11.12 (Angka di depan)

Angka yang ditulis di depan rumus menghitung molekul: $\ce{3H2O}$ berarti tiga molekul air, yang bersama-sama mengandung 6 atom hidrogen dan 3 atom oksigen. Jangan mengacaukan $\ce{O2}$ , satu molekul yang tersusun atas dua atom oksigen, dengan $\ce{2O}$ , dua atom oksigen yang tidak bergabung.

Contoh 11.13 (Metana di dapur)

Gas alam pada kompor gas sebagian besar berupa metana, $\ce{CH4}$ . Setiap molekulnya adalah satu atom karbon dengan empat atom hidrogen di sekelilingnya. Gas itu tidak terlihat dan tidak berbau: bau “gas” berasal dari zat yang sengaja ditambahkan, agar kebocoran dapat diketahui.

Nyala biru kompor gas: metana dalam gas alam sedang terbakar.

11.4 Model molekul

Catatan 11.14 (Model, dan warna-warnanya)

Para ahli kimia membuat model molekul dengan bola untuk atom dan tongkat untuk ikatan di antaranya. Warna-warnanya adalah kesepakatan yang dipakai di seluruh dunia — karbon hitam, hidrogen putih, oksigen merah, nitrogen biru — dan bukan warna atom yang sebenarnya: satu atom saja sama sekali tidak berwarna. Model juga memperlihatkan bentuk molekul, yang tidak diperlihatkan oleh rumus: molekul air bengkok, molekul karbon dioksida lurus.

Perangkat model molekul: bola untuk atom, dengan lubang untuk tongkat yang melambangkan ikatan.

Metode 11.15 (Dari model ke rumus)

Untuk menuliskan rumus sebuah molekul dari modelnya:

kenali atom-atomnya dari warnanya;
hitung bola dari setiap warna;
tuliskan lambang-lambangnya dengan jumlahnya sebagai angka indeks, karbon lebih dulu, lalu hidrogen, lalu atom-atom lain menurut urutan abjad lambangnya.

Satu bola hitam yang tergabung dengan empat bola putih: satu karbon, empat hidrogen, $\ce{CH4}$ .

11.5 Latihan

Latihan 11.1 ★

Apa itu atom? Apa itu molekul?

Solusi

Solusi Latihan 11.1.

Atom adalah salah satu partikel yang sangat kecil yang menyusun semua materi (ada sekitar seratus jenis). Molekul adalah sekelompok atom yang terikat erat, bagian terkecil sebuah zat yang masih merupakan zat itu.

Latihan 11.2 ★

Tuliskan lambang hidrogen, karbon, nitrogen, oksigen, natrium, dan besi.

Solusi

Solusi Latihan 11.2.

$\ce{H}$ , $\ce{C}$ , $\ce{N}$ , $\ce{O}$ , $\ce{Na}$ , $\ce{Fe}$ .

Latihan 11.3 ★

Berapa atom dari setiap jenis yang ada dalam satu molekul karbon dioksida, $\ce{CO2}$ ? Berapa atom seluruhnya?

Solusi

Solusi Latihan 11.3.

1 atom karbon dan 2 atom oksigen: seluruhnya 3 atom.

Latihan 11.4 ★

Sebutkan nama molekul $\ce{H2O}$ , $\ce{O2}$ , $\ce{CH4}$ , dan $\ce{N2}$ .

Solusi

Solusi Latihan 11.4.

Air, oksigen, metana, nitrogen.

Latihan 11.5 ★

Sebuah molekul nitrogen dioksida, gas cokelat yang terdapat di udara tercemar, tersusun atas satu atom nitrogen dan dua atom oksigen. Tuliskan rumusnya.

Solusi

Solusi Latihan 11.5.

$\ce{NO2}$ .

Latihan 11.6 ★★

Jelaskan perbedaan antara $\ce{O2}$ dan $\ce{2O}$ , serta antara $\ce{CO}$ dan $\ce{Co}$ .

Solusi

Solusi Latihan 11.6.

$\ce{O2}$ adalah satu molekul yang tersusun atas dua atom oksigen yang bergabung; $\ce{2O}$ adalah dua atom oksigen yang terpisah. $\ce{CO}$ adalah molekul yang terdiri atas satu atom karbon dan satu atom oksigen (dua huruf kapital, dua lambang); $\ce{Co}$ adalah satu atom kobalt (satu lambang, huruf kapital lalu huruf kecil).

Latihan 11.7 ★★

Berapa atom hidrogen dan berapa atom oksigen yang ada dalam $\ce{3H2O}$ ? Dalam $\ce{5O2}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 11.7.

$\ce{3H2O}$ : $3\times 2 = 6$ atom hidrogen dan $3\times 1 = 3$ atom oksigen. $\ce{5O2}$ : tidak ada hidrogen, $5\times 2 = 10$ atom oksigen.

Latihan 11.8 ★★

Sebuah model terdiri atas satu bola hitam yang tergabung dengan dua bola merah. Sebutkan atom-atomnya, tuliskan rumusnya, dan sebutkan nama molekulnya.

Solusi

Solusi Latihan 11.8.

Hitam adalah karbon, merah adalah oksigen: satu karbon, dua oksigen, $\ce{CO2}$ , karbon dioksida.

Latihan 11.9 ★★

Dalam tabel Dalton, air tersusun atas satu atom hidrogen dan satu atom oksigen. Tuliskan rumus yang dimaksud Dalton, dan katakan berapa atom yang kurang pada molekul air menurut Dalton.

Solusi

Solusi Latihan 11.9.

Air menurut Dalton adalah $\ce{HO}$ . Molekul yang sebenarnya, $\ce{H2O}$ , memiliki satu atom hidrogen lagi: molekul Dalton kekurangan satu atom.

Latihan 11.10 ★★

Apakah air murni sebuah campuran? Apakah udara campuran? Jawablah dengan menguraikan molekul-molekul yang dikandung masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 11.10.

Air murni bukan campuran: semua molekulnya identik, yaitu molekul $\ce{H2O}$ . Udara adalah campuran: udara mengandung molekul nitrogen, molekul oksigen, atom argon, dan sedikit molekul karbon dioksida.

Latihan 11.11 ★★★

Sebuah atom hidrogen berukuran sekitar sepersepuluh juta milimeter. Berapa atom hidrogen, dijajarkan berdampingan, yang membentuk garis sepanjang $1\,\mathrm{cm}$ ? Dan garis sepanjang lapangan sepak bola, $100\,\mathrm{m}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 11.11.

Sepuluh juta atom membentuk $1\,\mathrm{mm}$ , jadi $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,\mathrm{mm}$ memerlukan $10 \times$ sepuluh juta $=$ seratus juta atom. $100\,\mathrm{m} = 100\,000$ mm memerlukan $100\,000\times$ sepuluh juta $=$ sejuta juta atom.

Latihan 11.12 ★★★

Glukosa, gula yang memberi makan sel-sel kita, memiliki rumus $\ce{C6H12O6}$ . Berapa atom yang dikandung satu molekul glukosa? Berapa persen di antaranya atom hidrogen? Berapa persen atom karbon?

Solusi

Solusi Latihan 11.12.

$6 + 12 + 6 = 24$ atom. Hidrogen: $\frac{12}{24} = 50\,\%$ . Karbon: $\frac{6}{24} = 25\,\%$ (dan oksigen $25\,\%$ sisanya).

11.6 Soal: Atom-Atom dalam Satu Tarikan Napas

Soal 11.1

Soal akhir pekan — menghitung atom dalam satu tarikan napas udara, sebelum dan sesudah udara itu berada di paru-paru kita

Nitrogen melewati paru-paru tanpa berubah, jadi nitrogen menjadi tolok ukur yang baik. Dalam udara kering, untuk setiap 78 molekul nitrogen terdapat sekitar 21 molekul oksigen dan 1 atom argon: seluruhnya 100 partikel (molekul atau atom tunggal). Dalam udara yang diembuskan, setelah uap airnya dihilangkan, 78 molekul nitrogen yang sama disertai sekitar 16 molekul oksigen, 4 molekul karbon dioksida, dan 1 atom argon.

Bagian I — Udara yang kita hirup.

Tuliskan rumus molekul nitrogen, oksigen, dan karbon dioksida, dan berikan jumlah atom dalam masing-masing.
Argon dihitung dalam atom, bukan dalam molekul. Apa yang ditunjukkan hal ini tentang argon?
Dalam 100 partikel udara yang dihirup ini, berapa atom nitrogen yang ada? Berapa atom oksigen?
Berapa atom seluruhnya dalam 100 partikel ini?
Berapa persen atom-atom ini yang berupa atom nitrogen? Bulatkan ke bilangan bulat terdekat.

Bagian II — Udara yang kita embuskan.

Dalam udara embusan yang menyertai 78 molekul nitrogen yang sama, berapa atom oksigen yang ada di dalam molekul oksigen? Di dalam molekul karbon dioksida? Seluruhnya?
Bandingkan dengan soal 3. Berapa atom oksigen yang hilang? Ke dalam molekul apa atom-atom itu pergi, molekul yang dibuat tubuh dari hidrogen makanan dan di sini dibuang bersama uap air?
Berapa atom karbon yang ada dalam udara yang dihirup? Dalam udara yang diembuskan?
Udara tidak membawa atom karbon ke dalam paru-paru. Dari mana atom-atom karbon dalam embusan napas dapat berasal? (Pikirkan apa yang dipakai tubuh untuk hidup.)
Berapa molekul oksigen yang hilang, dan berapa molekul karbon dioksida yang muncul?

Bagian III — Hitungannya.

Uraikan model bola dan tongkat dari masing-masing keempat jenis partikel dalam udara embusan, beserta warna bola-bolanya (argon digambarkan sebagai satu bola biru pucat).
Berapa atom seluruhnya dalam udara embusan yang sudah dikeringkan? Berapa atom lebih banyak daripada udara yang dihirup? Jelaskan selisih itu dengan atom karbon yang bertambah dan atom oksigen yang hilang.

Solusi

Solusi Soal 11.1.

1. Nitrogen $\ce{N2}$ , 2 atom; oksigen $\ce{O2}$ , 2 atom; karbon dioksida $\ce{CO2}$ , 3 atom.

2. Atom-atom argon tidak bergabung menjadi molekul: argon tersusun atas atom-atom tunggal.

3. Nitrogen: $78 \times 2 = 156$ atom. Oksigen: $21\times 2 = 42$ atom.

4. $156 + 42 + 1 = 199$ atom.

5. $\frac{156}{199} \approx 0.78$ , sekitar $78\,\%$ .

6. Di dalam molekul oksigen: $16\times 2 = 32$ ; di dalam molekul karbon dioksida: $4 \times 2 = 8$ ; seluruhnya $32 + 8 = 40$ .

7. $42 - 40 = 2$ atom oksigen hilang: setara satu molekul oksigen. Atom-atom itu masuk ke dalam molekul air, $\ce{H2O}$ , yang dibuat tubuh dengan hidrogen dari makanannya; air itu keluar sebagian sebagai uap air dalam embusan napas (dihilangkan dalam angka-angka ini).

8. Dihirup: 0. Diembuskan: 4 (satu dalam setiap $\ce{CO2}$ ).

9. Dari makanan yang dipakai tubuh: gula dan lemak mengandung atom karbon, dan tubuh melepaskannya dalam karbon dioksida yang diembuskannya.

10. $21 - 16 = 5$ molekul oksigen hilang dan 4 molekul karbon dioksida muncul.

11. Nitrogen: dua bola biru yang dihubungkan tiga tongkat. Oksigen: dua bola merah yang dihubungkan dua tongkat. Karbon dioksida: satu bola hitam di antara dua bola merah, masing-masing terhubung dengannya oleh dua tongkat, dalam satu garis lurus. Argon: satu bola biru pucat tunggal.

12. $156 + 32 + 12 + 1 = 201$ atom (keempat molekul karbon dioksida mengandung 12 atom). Itu $201 - 199 = 2$ atom lebih banyak daripada udara yang dihirup: 4 atom karbon bertambah dari makanan, dikurangi 2 atom oksigen yang pergi dalam air.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium