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

22Spesies Kimia, Alami dan Sintetis

Sesendok es krim vanila. Rasanya mungkin berasal dari polong hitam sejenis anggrek tropis, yang dipetik, diperam, dan direndam dalam alkohol berbulan-bulan; atau mungkin berasal dari pabrik yang membuat perisa itu dari bubur kayu atau dari minyak bumi. Cicipi keduanya berdampingan, dan rasa utamanya sama — dengan alasan yang kuat: molekul yang berasa vanila, yaitu vanilin, adalah molekul yang persis sama, bagaimana pun cara memperolehnya. Bab ini menunjukkan cara para ahli kimia mengambil sebuah spesies dari tumbuhan, cara mereka membuatnya, dan cara mereka memeriksa bahwa yang mereka miliki memang yang mereka kira.

Yang sudah kamu ketahui

Spesies kimia adalah satu jenis zat tertentu; zat murni mengandung satu spesies dan memiliki tetapan yang tetap, seperti suhu leleh dan suhu didihnya (Bab 8). Cairan dapat bercampur atau tidak dapat bercampur, dan setiap zat terlarut memiliki kelarutannya sendiri dalam setiap pelarut (Bab 9). Kromatografi kertas memisahkan zat-zat warna sebuah campuran (Bab 10).

Polong vanili dan kristal putih vanilin: molekul yang sama, dari tumbuhan maupun dari pabrik.

22.1 Spesies alami dan sintetis

Definisi 22.1 (Spesies alami dan sintetis)

Sebuah spesies alami adalah spesies kimia yang dibuat oleh makhluk hidup atau ditemukan apa adanya di alam. Sebuah spesies sintetis dibuat oleh para ahli kimia dari spesies-spesies lain melalui reaksi kimia. Spesies sintetis dapat identik dengan spesies alami (vanilin sintetis), atau tidak memiliki padanan di alam (sebagian besar obat dan plastik).

Proposisi 22.2 (Spesies sama, sifat sama)

Sebuah spesies kimia memiliki sifat yang sama apa pun asalnya: vanilin yang dibuat di pabrik dan vanilin yang diekstraksi dari polong memiliki rumus yang sama, titik leleh yang sama, bau yang sama. Yang dapat berbeda adalah apa yang menyertainya: ekstrak alami adalah campuran, dengan banyak spesies lain yang mengubah rasanya.

Sejarah — Dari kulit pohon dedalu sampai aspirin, 1828–1899

Selama berabad-abad, kulit pohon dedalu dikunyah untuk melawan demam dan nyeri. Pada tahun 1828 seorang ahli kimia mengekstraksi spesies aktifnya, salisin; para ahli kimia kemudian mengubahnya menjadi asam salisilat, yang manjur tetapi mengiritasi lambung. Pada tahun 1897, di sebuah perusahaan zat warna dan obat, Felix Hoffmann membuat spesies sintetis yang lebih lembut dari asam salisilat: asam asetilsalisilat, yang dijual sejak 1899 sebagai aspirin. Aspirin tidak memiliki sumber alami: aspirin adalah spesies yang sepenuhnya sintetis.

22.2 Mengekstraksi sebuah spesies

Definisi 22.3 (Ekstraksi dan ekstraksi cair–cair)

Sebuah ekstraksi mengambil sebuah spesies kimia dari bahan yang mengandungnya, biasanya dengan melarutkannya dalam pelarut yang dipilih dengan baik. Dalam ekstraksi cair–cair, spesies yang larut dalam satu cairan dipindahkan ke cairan kedua, yang tidak dapat bercampur dengan cairan pertama, tempat spesies itu lebih mudah larut; kedua cairan lalu dipisahkan dengan corong pisah.

Contoh 22.4 (Ekstraksi sehari-hari)

Menyeduh teh adalah ekstraksi dengan air panas (infusa); merendam polong vanili dalam alkohol adalah ekstraksi dengan etanol (maserasi); merebus sayuran untuk membuat kaldu adalah ekstraksi yang lain lagi (dekok).

Definisi 22.5 (Distilasi dan hidrodistilasi)

Sebuah distilasi memanaskan campuran cair sampai mendidih, mengubah uapnya kembali menjadi cairan di dalam kondensor yang didinginkan dengan air mengalir, dan menampung cairan itu, yaitu distilat. Sebuah hidrodistilasi mendidihkan bahan tumbuhan dalam air: uap air membawa spesies-spesies harum dari tumbuhan itu, yang memisah dari air di dalam distilat sebagai lapisan berminyak, yaitu minyak atsiri.

Hidrodistilasi lavender. Uap air membawa minyak atsiri ke dalam kondensor; distilatnya memisah menjadi lapisan tipis minyak di atas air.

Metode 22.6 (Memilih pelarut ekstraksi)

Untuk ekstraksi cair–cair sebuah spesies dari air, pelarutnya harus:

melarutkan spesies itu jauh lebih baik daripada air;
tidak dapat bercampur dengan air, sehingga terbentuk dua lapisan;
sesedikit mungkin berbahaya, dan mudah dihilangkan sesudahnya (titik didih yang rendah memungkinkannya menguap).

Lapisan mana yang berada di atas ditentukan oleh massa jenisnya: cairan yang massa jenisnya lebih kecil terapung.

Contoh 22.7 (Pelarut untuk minyak lavender)

Linalool, spesies utama minyak lavender, hanya larut sebanyak $1.6\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ dalam air, tetapi sangat mudah larut dalam pelarut-pelarut di bawah ini:

pelarut	massa $1\,\mathrm{mL}$	mendidih pada	dengan air	bahaya utama
sikloheksana	$0.78\,\mathrm{g}$	$81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	tidak bercampur	mudah menyala, berbahaya
etil etanoat	$0.90\,\mathrm{g}$	$77\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	tidak bercampur	mudah menyala, iritan
diklorometana	$1.33\,\mathrm{g}$	$40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	tidak bercampur	diduga karsinogen
etanol	$0.79\,\mathrm{g}$	$78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	bercampur	mudah menyala

Etanol tidak dapat dipakai: etanol bercampur dengan air dan tidak terbentuk lapisan. Dengan sikloheksana atau etil etanoat, lapisan pelarutnya berada di atas; dengan diklorometana, di bawah.

Corong pisah setelah dikocok dan didiamkan: minyaknya telah berpindah ke sikloheksana, di atas.

Keselamatan

Sikloheksana: sangat mudah menyala (GHS02); dapat berakibat fatal jika tertelan dan masuk ke saluran pernapasan, menyebabkan iritasi kulit dan kantuk (GHS07, GHS08); sangat beracun bagi kehidupan akuatik (GHS09). Dipakai di dalam lemari asam, jauh dari nyala api.

22.3 Kromatografi lapis tipis

Definisi 22.8 (Kromatografi lapis tipis)

Yang disebut kromatografi lapis tipis (KLT) memisahkan spesies-spesies sebuah campuran pada pelat yang dilapisi selapis tipis serbuk putih yang halus, yaitu fase diam. Totolan-totolan kecil sampel diletakkan pada garis pensil di dekat bagian bawah; pelat itu berdiri di dalam bejana tertutup berisi sedikit pelarut, yaitu eluen, yang naik melalui pelat dan membawa setiap spesies sampai ketinggian yang bergantung pada spesiesnya. Bercak yang tak berwarna kemudian ditampakkan, di bawah sinar ultraviolet atau dengan uap iodin.

Definisi 22.9 (Faktor retensi)

Yang disebut faktor retensi sebuah bercak adalah

R_f = \frac{\text{jarak dari garis awal ke bercak}} {\text{jarak dari garis awal ke garis depan pelarut}},

sebuah bilangan antara 0 dan 1. Untuk pelat, eluen, dan suhu tertentu, setiap spesies memiliki $R_f$ -nya sendiri.

Metode 22.10 (Melakukan dan membaca KLT)

Gambarlah garis awal dengan pensil, $1\,\mathrm{cm}$ dari bagian bawah; letakkan setotol kecil setiap sampel dan setiap spesies pembanding di atasnya.
Berdirikan pelat di dalam bejana, eluen di bawah garis; tutup bejananya.
Angkat pelat ketika garis depan sekitar $1\,\mathrm{cm}$ dari bagian atas; tandai garis depan itu segera; keringkan dan tampakkan.
Ukur jarak-jaraknya dan hitung $R_f$ setiap bercak. Sampel yang memberikan satu bercak kemungkinan spesies murni; bercak yang setinggi bercak pembanding pada pelat yang sama kemungkinan besar adalah spesies itu.

KLT minyak lavender (O) di samping linalool (L) dan linalil etanoat (A). Minyak itu memberikan dua bercak, setinggi kedua pembanding: minyak itu mengandung kedua spesies. Untuk linalool, R_f = d/D. — KLT minyak lavender (O) di samping linalool (L) dan linalil etanoat (A). Minyak itu memberikan dua bercak, setinggi kedua pembanding: minyak itu mengandung kedua spesies. Untuk linalool, $R_f = d/D$ .

22.4 Mengenali spesies dari tetapan fisikanya

Proposisi 22.11 (Titik leleh memeriksa identitas dan kemurnian)

Padatan murni meleleh dengan tajam pada suhunya sendiri: vanilin pada sekitar $82\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , aspirin pada $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , asam salisilat pada $158\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Sampel yang tidak murni meleleh pada suhu yang lebih rendah, dan dalam rentang beberapa derajat. Karena itu mengukur titik leleh, di atas bangku logam yang dipanaskan atau dengan alat titik leleh, sekaligus mengenali sebuah padatan dan menunjukkan apakah padatan itu murni.

Di laboratorium — Sebuah pelat KLT

Para siswa menotolkan minyak lavender, linalool, dan linalil etanoat pada sebuah pelat, mengembangkannya di dalam stoples tertutup dengan campuran pelarut yang dipilih oleh guru, lalu menampakkannya di bawah lampu ultraviolet, sambil memakai kacamata yang menahan sinar ultraviolet. Eluen dipakai dan ditangani di dalam lemari asam.

Ladang lavender yang sedang berbunga: bahan baku minyak atsiri lavender.

22.5 Latihan

Latihan 22.1 ★

Spesies alami atau sintetis? Vanilin dari polong vanili; aspirin; kafein dari biji kopi; vanilin yang dibuat di pabrik.

Solusi

Solusi Latihan 22.1.

Alami: vanilin dari polong, kafein dari biji kopi. Sintetis: aspirin, vanilin pabrik.

Latihan 22.2 ★

Mengapa vanilin sintetis dan vanilin alami memiliki titik leleh yang sama?

Solusi

Solusi Latihan 22.2.

Keduanya spesies kimia yang sama, dan sebuah spesies memiliki sifat yang sama apa pun asalnya.

Latihan 22.3 ★

Pada sebuah pelat KLT, garis depan pelarut berada $6.0\,\mathrm{cm}$ di atas garis awal dan sebuah bercak $2.4\,\mathrm{cm}$ di atasnya. Hitung $R_f$ -nya.

Solusi

Solusi Latihan 22.3.

$R_f = 2.4/6.0 = 0.40$ .

Latihan 22.4 ★

Sebutkan peran kondensor dalam distilasi, dan jelaskan mengapa air dingin masuk dari ujung bawahnya.

Solusi

Solusi Latihan 22.4.

Kondensor mendinginkan uap dan mengubahnya kembali menjadi cairan. Jika masuk dari ujung bawah, air memenuhi seluruh selubungnya (dan bertemu uap yang paling panas paling akhir, sehingga pendinginannya paling baik).

Latihan 22.5 ★

Sebutkan tiga syarat yang harus dipenuhi sebuah pelarut ekstraksi.

Solusi

Solusi Latihan 22.5.

Melarutkan spesies itu jauh lebih baik daripada air; tidak dapat bercampur dengan air; sesedikit mungkin berbahaya dan mudah dihilangkan.

Latihan 22.6 ★★

Dengan tabel pelarut, jelaskan mengapa etanol tidak dapat dipakai untuk mengekstraksi linalool dari distilat, sedangkan sikloheksana dapat.

Solusi

Solusi Latihan 22.6.

Etanol dapat bercampur dengan air: tidak terbentuk lapisan, tidak ada yang dapat dipisahkan. Sikloheksana tidak dapat bercampur dengan air dan melarutkan linalool dengan baik.

Latihan 22.7 ★★

Dalam corong pisah, diklorometana dikocok dengan air. Lapisan mana yang berada di atas? Berikan alasan dengan tabel itu.

Solusi

Solusi Latihan 22.7.

Air berada di atas: $1\,\mathrm{mL}$ diklorometana beratnya $1.33\,\mathrm{g}$ , lebih berat daripada $1\,\mathrm{mL}$ air, sehingga diklorometana tenggelam.

Latihan 22.8 ★★

Serbuk putih yang dijual sebagai aspirin mulai meleleh pada $126\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan meleleh seluruhnya pada $132\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Apa yang dapat kamu simpulkan?

Solusi

Solusi Latihan 22.8.

Serbuk itu meleleh terlalu rendah (aspirin: $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) dan dalam suatu rentang: sampelnya tidak murni, atau bukan aspirin.

Latihan 22.9 ★★

Lihatlah gambar KLT dalam bab ini. Apa yang dikandung minyak lavender itu? Spesies mana yang naik lebih tinggi?

Solusi

Solusi Latihan 22.9.

Linalool dan linalil etanoat (kedua bercaknya setinggi kedua pembanding). Linalil etanoat naik lebih tinggi.

Latihan 22.10 ★★

Urutkan langkah-langkah memperoleh minyak lavender di laboratorium: memisahkan lapisan-lapisan; hidrodistilasi; menambahkan sikloheksana ke distilat dan mengocoknya; menguapkan sikloheksana.

Solusi

Solusi Latihan 22.10.

Hidrodistilasi; menambahkan sikloheksana ke distilat dan mengocoknya; memisahkan lapisan-lapisan; menguapkan sikloheksana.

Latihan 22.11 ★★

Mengapa garis awal pelat KLT digambar dengan pensil dan ditempatkan di atas eluen?

Solusi

Solusi Latihan 22.11.

Pensil tidak larut dalam eluen; di atas eluen, totolan-totolan itu terbawa naik melalui pelat alih-alih larut ke dalam bejana.

Latihan 22.12 ★★★

Setelah ekstraksi, sikloheksana dihilangkan dengan pemanasan pelan, sehingga tinggal minyaknya. Dengan titik didih sikloheksana dan titik didih linalool ( $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), jelaskan mengapa cara ini berhasil.

Solusi

Solusi Latihan 22.12.

Sikloheksana mendidih pada $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , linalool pada $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : pemanasan pelan mengusir sikloheksana sementara linaloolnya tertinggal.

Latihan 22.13 ★★★

Sampel sintetis sebuah perisa memberikan satu bercak pada pelat KLT, setinggi spesies alaminya, dan meleleh dengan tajam pada suhu yang tepat. Dua kesimpulan apa yang dapat kamu tarik?

Solusi

Solusi Latihan 22.13.

Sampel itu kemungkinan spesies tersebut ( $R_f$ sama dengan spesies alami pada pelat yang sama) dan kemungkinan murni (satu bercak, titik leleh tajam).

Latihan 22.14 ★★★

Pada KLT yang sama, bercak A memiliki $R_f = 0.40$ dan garis depan berada $5.5\,\mathrm{cm}$ di atas garis awal. Pada ketinggian berapa bercak A? Spesies lain memiliki $R_f = 0.75$ : berapa jauh di atas bercak A letaknya?

Solusi

Solusi Latihan 22.14.

$0.40 \times 5.5 = 2.2\,\mathrm{cm}$ . Bercak lainnya pada $0.75 \times 5.5 = 4.1\,\mathrm{cm}$ (sampai mm terdekat), jadi sekitar $1.9\,\mathrm{cm}$ di atas A.

Latihan 22.15 ★★★

Sebanyak $1.6\,\mathrm{g}$ linalool dapat larut dalam $1\,\mathrm{L}$ air. Sebuah distilat berisi $200\,\mathrm{mL}$ air mengandung $0.20\,\mathrm{g}$ linalool terlarut. Apakah distilat itu jenuh? Berapa banyak lagi yang masih dapat dilarutkannya? Mengapa air ini layak diekstraksi dengan sikloheksana alih-alih dibuang?

Solusi

Solusi Latihan 22.15.

$200\,\mathrm{mL}$ dapat melarutkan $1.6 \times 0.200 = 0.32\,\mathrm{g}$ : dengan $0.20\,\mathrm{g}$ distilat itu belum jenuh; masih dapat melarutkan $0.12\,\mathrm{g}$ lagi. $0.20\,\mathrm{g}$ yang larut itu akan hilang bersama airnya; sikloheksana, yang melarutkan linalool jauh lebih baik, menarik kembali sebagian besarnya.

22.6 Soal: Harum Lavender

Soal 22.1

Soal akhir pekan — dari sekeranjang bunga lavender sampai beberapa tetes minyak atsiri, diperiksa dengan kromatografi

Di laboratorium sekolah, $100\,\mathrm{g}$ bunga lavender segar dihidrodistilasi dengan air. Distilatnya, yang keruh, dikocok dengan $20\,\mathrm{mL}$ sikloheksana di dalam corong pisah; lapisan sikloheksana disimpan, dikeringkan, dan sikloheksananya diuapkan dengan pemanasan pelan. Yang tersisa adalah minyak atsiri lavender. Pakailah tabel pelarut dalam bab ini.

Bagian I — Hidrodistilasi.

Apa peran air yang mendidih dalam hidrodistilasi?
Apa peran kondensor? Dari mana air dingin masuk ke dalamnya?
Distilat memperlihatkan lapisan tipis berminyak yang terapung di atas air. Apakah minyak itu dapat bercampur dengan air? Apakah massa jenisnya lebih besar atau lebih kecil daripada air?
Mengapa distilat itu tidak dituang begitu saja untuk mendapatkan minyaknya?

Bagian II — Ekstraksi.

Mengapa sikloheksana pelarut yang cocok untuk ekstraksi ini?
Dapatkah etanol dipakai sebagai gantinya? Jelaskan.
Setelah dikocok dan didiamkan, apakah lapisan sikloheksana berada di atas atau di bawah? Bagaimana jika memakai diklorometana?
Berikan dua tindakan pencegahan yang dituntut oleh piktogram sikloheksana.
Mengapa sikloheksana dapat diuapkan tanpa kehilangan linalool, yang mendidih pada $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Bagian III — Kromatografi. Minyak itu, linalool murni (L), dan linalil etanoat murni (A) ditotolkan pada sebuah pelat KLT. Setelah dikembangkan, garis depan berada $6.0\,\mathrm{cm}$ di atas garis awal. Minyak itu memberikan dua bercak, pada $2.4\,\mathrm{cm}$ dan $4.5\,\mathrm{cm}$ ; bercak L berada pada $2.4\,\mathrm{cm}$ , bercak A pada $4.5\,\mathrm{cm}$ .

Hitung $R_f$ linalool dan linalil etanoat.
Apa yang dikandung minyak itu, sejauh yang ditunjukkan pelat ini?
Apakah minyak lavender zat murni?
Mengapa pembanding-pembanding itu ditotolkan pada pelat yang sama dengan minyaknya?
Linalool sintetis ditotolkan pada pelat lain yang dikembangkan dalam kondisi yang sama: bercaknya memiliki $R_f = 0.40$ . Apa yang dapat disimpulkan?

Bagian IV — Berapa banyak minyaknya? Minyak yang diperoleh mengisi $1.0\,\mathrm{mL}$ ; $1\,\mathrm{mL}$ minyak ini beratnya $0.90\,\mathrm{g}$ .

Berapa massa minyak yang diperoleh?
Berapa persen massa bunga itu?
Berapa massa bunga yang diperlukan untuk $100\,\mathrm{g}$ minyak?
Minyak itu disebut “alami”. Dalam arti apa hal ini benar? Apakah linaloolnya berbeda dari linalool sintetis?
Nyatakan massa minyak atsiri yang diperoleh dari $100\,\mathrm{g}$ bunga.

Solusi

Solusi Soal 22.1.

1. Uapnya membawa spesies-spesies harum keluar dari bunga dan masuk ke kondensor.

2. Kondensor mendinginkan uap kembali menjadi cairan; air dingin masuk dari ujung bawah.

3. Tidak dapat bercampur; massa jenisnya lebih kecil daripada air (minyak itu terapung).

4. Lapisannya sangat tipis dan sebagian minyaknya larut dalam air atau tersebar di dalamnya: ekstraksi memperolehnya kembali.

5. Sikloheksana melarutkan linalool dengan baik, tidak dapat bercampur dengan air, dan mendidih pada suhu rendah ( $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), sehingga mudah dihilangkan.

6. Tidak: etanol bercampur dengan air dan tidak terbentuk lapisan.

7. Di atas ( $0.78\,\mathrm{g}$ per mL, kurang daripada air). Dengan diklorometana ( $1.33\,\mathrm{g}$ per mL) lapisan pelarutnya akan berada di bawah.

8. Tidak ada nyala api di dekatnya (mudah menyala); bekerja di dalam lemari asam dengan sarung tangan, dan mengumpulkan limbahnya alih-alih membuangnya ke bak cuci (beracun bagi kehidupan akuatik).

9. Sikloheksana mendidih pada $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , linalool pada $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : pemanasan pelan hanya menghilangkan pelarutnya.

10. $R_f(\text{L}) = 2.4/6.0 = 0.40$ ; $R_f(\text{A}) = 4.5/6.0 = 0.75$ .

11. Linalool dan linalil etanoat.

12. Bukan: minyak itu mengandung sedikitnya dua spesies; minyak itu campuran.

13. Agar semua bercak dikembangkan dalam kondisi yang sama: hanya dengan begitu ketinggiannya dapat dibandingkan.

14. $R_f$ -nya sama dengan faktor retensi linalool dalam kondisi yang sama: sampel itu kemungkinan besar linalool, identik dengan spesies alaminya.

15. $1.0 \times 0.90 = 0.90\,\mathrm{g}$ .

16. $0.90/100 = 0.90\,\%$ .

17. $100/0.009 \approx 11\,000$ g, sekitar $11\,\mathrm{kg}$ bunga.

18. Minyak itu diekstraksi dari tumbuhan, tanpa perubahan kimia. Tetapi linaloolnya adalah spesies yang sama dengan linalool sintetis: rumus yang sama, sifat yang sama.

19. $0.90\,\mathrm{g}$ minyak atsiri dari $100\,\mathrm{g}$ bunga.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium