Tujuan: Menjelaskan kerangka umum metode ilmiah dalam perkembangan ilmu

Transkripsi

1 1 I PENDAHULUAN 1.1 Metode Ilmiah Tujuan: Menjelaskan kerangka umum metode ilmiah dalam perkembangan ilmu Kimia merupakan salah satu pengetahuan penting sejak jaman kuno, misalnya ilmu kimia telah mendasari pemrosesan bijih logam untuk menghasilkan logam yang dapat digunakan sebagai perabotan atau persenjataan sudah dilakukan sejak sebelum 1000 SM. Namun, suatu penjelasan mengenai me-ngapa suatu perubahan kimia terjadi, pertama kali dikemukakan sejak sekitar 400 SM oleh bangsa Yunani, saat itu diusulkan bahwa ada empat zat pokok, yaitu air, udara, tanah dan api. Kimia merupakan pengetahuan yang membahas susunan suatu zat, bagaimana sifat-sifat zat dipengaruhi oleh susunannya, dan bagaimana zat-zat tersebut saling berinteaksi. Saat ini ilmu kimia telah sangat maju, sehingga dapat dilihat betapa banyak hasil perkembangan kimia yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Banyak bahan yang sekarang kita gunakan yang dulunya tidak ada, misalnya bahan pakain yang sangat beragam, bahan pembersih untuk berbagai macam kebutuhan, obat-obatan dan bahan makanan pelengkap, berbagai macam jenis pupuk, kosmetika, bahan bangunan, kendaraan bermotor, dll. Perkembangan ilmu kimia yang sudah sangat maju saat ini sangat jarang yang berasal dari penemuan yang seketika dan kebetulan seperti halnya penemuan penisilin atau keradioaktifan. Tetapi, pada umumnya dikembangkan melalui metode ilmiah, yaitu suatu prosedur yang melibatkan pengamatan dan pengukuran untuk mendapatkan informasi, pemrosesan informasi yang didapat sehingga diperoleh suatu pemahaman informasi tersebut. Pada dasarnya ada beberapa bentuk metode ilmiah, tergantung dari jenis masalah yang diselidiki, namun metode ilmiah dalam kimia dapat didasarkan pada kerangka umum yang meliputi tahap-tahap: 1) Melakukan pengamatan (Observasi) Observasi dapat dikelompokkan dalam observasi kualitatif dan observasi kuantitatif. Informasi yang diperoleh dengan observasi sering disebut data. Observasi kualitatif menghasilkan data kualitatif, karena tidak melibatkan angka, misalnya klorofil berwana hijau, jika soda kue dipanaskan akan menghasilkan gas CO 2, awan bergerak, dll. Sedangkan observasi kuantitatif atau disebut pengukuran menghasilkan data kualitatif, karena melibatkan angka dan satuan, misalnya gas yang dihasilkan oleh satu mol soda adalah 22,4 dm 3 pada STP. 2) Merumuskan hipotesis Hipotesis merupakan suatu penjelasan yang mungkin (masuk akal) terhadap suatu hasil pengamatan.

2 2 3) Melakukan percobaan (eksperimen) Eksperimen dilakukan untuk menjelaskan atau untuk membuktikan hipotesis. Dengan eksperimen dapat dikumpulkan data yang dapat digunakan untuk mendukung diterima atau ditolaknya hipotesis. Untuk memahami atau mejelaskan suatu gejala atau fenomena alam, tahap-tahap dalam metoda ilmiah tersebut diulang-ulang. Jika data (hasil pengamatan) yang diperoleh dengan eksperimen mendukung hipotesis yang diajukan, maka hipotesis tersebut dapat disusun menjadi teori. Teori atau juga disebut model, merupakan hipotesis yang sudah diuji dan dapat memberikan penjelasan terhadap gejala alam tersebut. Data (hasil pengamatan) merupakan bukti yang dapat dicatat, sehingga merupakan suatu fakta, karena itu, fakta berbeda dengan teori. Teori sering kali berfungsi sebagai petunjuk untuk melakukan eksperimen baru, dan secara terus menerus diuji keabsahannya. Jika suatu saat teori tidak sesuai dengan hasil eksperiment baru, maka teori itu harus dimodifikasi, diperbaiki atau bahkan dibuang. Dengan mengembangkan saling-hubungan antara teori dan ekperimen, maka dapat diusahakan kemajuan ilmu pengetahuan. Dari sejumlah besar data yang diperoleh melalui observasi yang sama, terhadap berbagai jenis sistem yang berbeda, misalnya obeservasi terhadap massa zat-zat yang terlibat dalam reaksi kimia, maka dapat dihasilkan suatu pernyataan ilmiah yang disebut dengan hukum (hukum alam). Hukum alam dapat berfungsi sebagai cara yang menguntungkan untuk menampung sejumlah besar fakta dari eksperimen. Berdasarkan uraian tersebut, perkembangan ilmu pengetahuan yang diperoleh dengan metode ilmiah dapat dilihat dalam gambar 1. Observasi 1.2 Pengukuran, Satuan Pengukuran dan Angka Penting Tujuan: Menjelaskan dan menggunakan awalan untuk mengubah ukuran sistem SI Mengidentifikasi hal-hal yang menyebabkan ketidakpastian hasil pengukuran Menjelaskan jumlah angka penting dan prinsip operasi matematika angka penting Hipotesis Eksperimen Hukum Teori /model Te ori dimodifikasi Eksperimen Gambar 1. Ke rangka dasar Metode Ilmiah

3 3 Observasi kuantitatif atau pengukuran merupakan salah satu dasar utama yang terlibat dalam proses pengembangan ilmu pengetahuan. Pengukuran selalu melibatkan angka (besaran) dan satuan (skala). Angka (besaran) hasil pengukuran misalnya dapat dibaca dari suatu alat ukur. Pengukuran-pengukuran yang banyak digunakan dan banyak dilibatkan dalam eksperimen kimia misalnya massa, waktu, panjang, suhu, muatan listrik, mol, dll. Sudah sejak dulu ilmuwan menyadari bahwa untuk mendapatkan hasil pengukuran yang berguna secara universal, maka harus digunakan sistem satuan baku (standar). Tanpa sistem satuan baku, maka akan didapat hasil pengukuran yang kacau. Pada awalnya ada banyak sistem satuan baku yang digunakan dan diakui oleh suatu negara, misalnya sistem Inggris, dan sistem metrik. Namun, sejak 1960 telah dicapai kesepakatan internasional dalam Sistem satuan yang disebut International System, atau disingkat sistem SI. Sistem dan satuan SI diturunkan dari sistem dan satuan metrik, satuan dasar (pokok) sistem SI ada tujuh, dan dicantumkan dalam tabel 1. Tabel 1. Satuan Dasar Sistem SI Besaran Fisik Nama satuan Singkatan Massa kilogram kg Panjang meter m Waktu sekon s Suhu Kelvin K Arus Listrik ampere A Jumlah Zat mol mol Intensitas Cahaya candela cd Karena seringkali penggunaan satuan SI terasa kaku, atau kurang memberikan gambaran langsung, terutama untuk besaran hasi pengukuran yang sangat kecil atau sangat besar, misalnya panjang gelombang sinar UV dinyatakan sebagai 3 x 10-7 m, maka digunakanlah awalan (prefix) untuk mengubah ukuran satuan. Beberpa awalan yang digunakan untuk mengubah ukuran satuan diberikan dalam tabel 2. Dengan awalan itu, maka panjang gelombang sinar UV = 300 nm. Di dalam kimia, ada beberapa besaran yang sering digunakan yang tidak diturunkan dari sistem SI, misalnya volume dan massa atau berat. Satuan volume yang diturunkan dari sistem SI adalah m 3, tetapi dalam kimia satuan volume yang banyak digunakan adalah dm 3 atau liter, atau satuan yang lebih kecil yaitu cm 3 atau ml, di mana: 1 m 3 = 10 3 dm 3 = 10 3 L dan 1 dm 3 = 10 3 cm 3 = 10 3 ml. Sedangkan satuan massa yang sering digunakan adalah gram,g.

4 4 Tabel 2. Awalan yang digunakan dalam sistem SI Awalan Simbul Nilai Awalan Simbul Nilai exa E deci d 10-1 peta P centi c 10-2 tera T milli m 10-3 giga G 10 9 micro µ 10-6 mega M 10 6 nano n 10-9 kilo k 10 3 pico p hecto h 10 2 femto f deka da 10 1 atto a Angka yang diperoleh dalam pengukuran berasal dari pembacaan suatu alat ukur yang digunakan. Karena setiap alat ukur mempunyai keterbatasan (skala), maka setiap hasil pengukuran selalu mengandung ketidakpastian. Misalnya pengukuran panjang suatu benda menggunakan dua alat ukur (penggaris) yang skalanya berbeda seperti dalam gambar 2. Dengan penggaris a, panjang benda mungkin sama dengan 3,4 cm atau 3,5 cm. Angka 3,4 atau 3,5 merupakan hasil pengukuran. Angka 3 pada digit pertama merupakan angka pasti, sedangkan angka 4 atau 5 pada digit kedua adalah angka perkiraan (kita dipaksa harus memperkirakannya), sehingga angka kedua (4 atau 5) mengandung ketidakpastian. Karena itu hasil pengukuran dengan penggaris a paling mungkin dituliskan dengan 2 angka penting (significant figures), yaitu satu angka pasti dan satu angka perkiraan. Jika benda tersebut diukur dengan penggaris b, panjangnya mungkin 3,45 cm atau 3,46 cm. Digit pertama dan kedua, yaitu angka 3 dan angka 4 adalah angka pasti, karena dapat dengan pasti dibaca dari skala penggaris b. Sedangkan digit ketiga, yaitu angka 5 atau 6 adalah angka perkiraan. Se-hingga pengukuran dengan penggaris b menghasilkan tiga angka penting, yaitu dua digit angka pasti dan satu angka perkiraan. Dari contoh dua hasil pengukuran suatu benda yang sama menggunakan dua penggaris yang berbeda diperoleh angka hasil pengukuran (angka penting) dengan digit terakhir sebagai angka perkiraan. Karena angka penting yang dihasilkan dari suatu pengukuran selalu mengandung angka perkiraan yang bersifat tidak pasti, maka untuk menggambarkan kedapatpercayaan hasil pengukuran (hasil pengukuran dipercaya atau tidak) digunakan istilah akurat dan presisi. Keakuratan menggambarkan kesesuaian

5 5 antara nilai yang diukur dengan nilai sebenarnya, sedangkan presisi menggambarkan tingkat kesesuaian antara beberapa pengukuran suatu benda. Pengulangan pengukuran yang mempunyai presisi tinggi akan memberikan hasil yang sama atau saling mendekati nilai rata-rata (simpangan bakunya sangat kecil). Oleh karena itu, pada umumnya pengukuran yang presisi juga akurat. Misalnya pengukuran panjang menggunakan penggaris a dalam gambar 2 bersifat kurang presisi jika dibandingkan dengan penggaris b, sehingga hasil pengukuran dengan penggaris b lebih dapat dipercaya. Data kuantitatif hasil pengukuran dari hampir semua eksperimen tidak pernah berdiri sendiri dalam laporan ilmiah, tetapi akan dilibatkan dalam perhitungan dan analisis hasil eksperimen. Karena angka penting hasil pengukuran selalu terdiri dari angka pasti dan angka perkiraan yang mengandung ketidakpastian, maka untuk mendapatkan hasil perhitungan yang benar harus mengikuti aturan perhitungan angka penting yang sudah dikembangkan. Aturan itu tetap harus diperhatikan dalam perhitungan yang melibatkan angka penting menggunakan kalkulator, karena kalkulator akan selalu menghitung secara matematis dengan jumlah digit yang tersedia. Karena perhitungan dalam matematika bersifat abstrak, sedangkan dalam fisika bersifta nyata. Aturan untuk menghitung angka penting 1) Semua bilangan bulat selalu dihitung sebagai angka penting. 2) a. Nol yang mendahului semua bilangan bukan nol dalam desimal, bukan angka penting. Misalnya berat kafein yang diperoleh dari ekstraksi teh adalah 0,0023 gram terdiri dari dua angka penting. b. Nol yang terletak di antara bilangan bukan nol adalah angka penting. Misalnya panjang pita magnesium yang digunakan adalah 1,004 cm terdiri dari empat angka penting c. Nol sesudah bilangan bukan nol atau sesudah koma desimal adalah angka penting. Misalnya 200 terdiri dari tiga angka penting. 2,00 x 10 2 mengandung tiga angka penting. Jumlah angka penting bilangan yang ditulis secara eksponesial adalah sama dengan indeks-nya, sehingga 0, = 6,5 x 10-7 terdiri dari dua angka penting. 3) Bilangan eksak, yaitu bilangan yang tidak diturunkan dari hasil pengukuran, atau berasal dari suatu definisi dapat terdiri dari angka penting yang tidak terbatas. Misalnya jumlah siswa = 40 orang, 1 inci = 2,54 cm, dan π = merupakan bilangan eksak, dll. Aturan operasi matematika angka penting 1. Perkalian dan pembagian Jumlah angka penting hasil perkalian atau pembagian angka-angka penting harus sama dengan jumlah angka penting pengukuran yang kurang prisisi atau dengan jumlah angka penting terkecil.

6 6 Contoh: Massa 9,3 ml larutan adalah 11,04 g, maka massa jenis larutan adalah = 1, g/ml harus ditulis dengan 1,2 g/ml. (bilangan dengan angka penting terkecil terdiri dari dua angka penting) 2. Jumlah angka penting penjumlahan atau pengurangan angka-angka penting harus sama dengan jumlah desimal terkecil atau pengukuran yang kurang presisi. Contoh. Berapa jumlah panjang tiga kapiler yang masing-masing panjangnya 15,602 cm, 15,56 cm, dan 15,7 cm? Jumlah panjang = 15,602 cm + 15,56 cm + 15,7 cm = 46,862 cm, harus ditulis dengan 46,9 (desimal terkecil terdiri dari satu angka penting) 3. Pembulatan dilakukan terhadap hasil akhir perhitungan dengan cara dibulatkan ke bawah jika angka dibelakangnya kurang dari 5, dibulatkan ke atas jika angka dibelakangnya lebih dari 5, dan angka ganjil dibulatkan ke atas bila angka di belakangnya sama dengan 5. Contoh: 4,347 dibulatkan menjadi 4,3 dan bukan 4,4 4,536 dibulatkan menjadi 4,54 4,235 dibulatkan menjadi 4,24 4,245 dibulatkan menjadi 4, Klasifikasi materi Tujuan Menguraikan klasifikasi materi Untuk memahami terjadinya perubahan materi, misalnya perkaratan besi, pembakaran kayu, pembusukan daging, mencairnya es, memudarnya warna cat, terbentuknya hujan, dll, sebaiknya dimulai dari bagaimana organisasi materi. Materi didefinisikan sebagai segala sesuatu yang mempunyai massa dan menempati ruang. Massa suatu benda adalah ukuran ketahanan benda tersebut terhadap perubahan kecepatan. Secara sederhana ada tiga wujud materi, yaitu padat, cair dan gas. Sifat dari tiga wujud materi tersebut akan dibahas lebih jauh dalam bab 6 diktat ini. Kebanyakan materi yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah suatu campuran dari beberapa zat, misalnya, air laut, air sungai, sirup, nasi campur, tanah, udara, kayu, batu, dll. Misalnya, sirup adalah campuran antara gula, air, pewarna, essence. Air laut merupakan campuran dari air, garam, dan berbagai kotoran. Nasi campur merupakan campuran nasi, lauk, sayur, dll. Sifat khas campuran adalah memiliki susunan yang bervariasi. Campuran dapat dikelompokkan ke dalam campuran homogen

7 7 dan campuran heterogen. Campuran heterogen terdiri dari bagian-bagian yang dapat dibedakan dengan mata, misalnya gula campur pasir, ada batas antara zat yang satu dengan zat lainnya. Sedangkan campuran homogen, juga disebut larutan, adalah campuran yang komponen penyusunnya tidak dapat dibedakan, misalnya sirup. Baik campuran homogen maupun heterogen dapat dipisahkan menjadi bagian-bagiannya dengan cara fisika. Pemisahan komponen campuran secara fisika sangat penting untuk memperoleh zat tunggal. Beberapa cara fisika penting untuk memisahkan komponen campuran adalah distilasi (penyulingan), filtrasi (penyaringan), dekantasi (penuangan), kromatogafi, pengapungan, dialisis, dll. Distilasi adalah cara pemisahan koponen campuran yang didasarkan perbedaan titik didih, misalnya cara memisahkan air dengan garam dalam air laut. Filtrasi digunakan untuk memisahkan campuran yang terdiri dari zat padat dan zat cair. Sedangkan kromatografi adalah sauatu metode pemisahan yang menggunakan sistem dengan dua fase, yaitu fasa diam dan fasa bergerak. Misalnya kromatografi kertas untuk memisahkan komponen warna penyusun suatu tinta, tinta diteteskan pada salah ujung kertas saring, ujung tersebut dicelupkan dalam air, maka air akan merambat ke atas sambil memisahkan warna-warna yang ada dalam tinta tersebut. Maka sebagai fasa diam adalah kertas, dan fasa bergerak adalah air. Komponen penyusun campuran adalah zat murni atau zat tunggal. Yaitu zat yang mempunyai komposisi atau susunan tetap, misalnya air murni, emas, alkohol, urea, amonia, air keras, dll. Zat tunggal dapat berupa senyawa atau unsur bebas. Senyawa adalah zat tunggal yang disusun oleh dua unsur bebas atau lebih dengan susunan tetap. Unsur-unsur penyusun senyawa dapat dipisahkan dengan proses kimia atau perubahan kimia. Perubahan kimia atau reaksi kimia terjadi jika suatu zat berubah menjadi zat lain yang sifat dan kompoisinya berbeda. Misalnya, jika air dielektrolisis, maka oksigen dan hidrogen dalam air akan dipisahkan secara kimia, airnya hilang (berubah) menghasilkan unsur hidrogen dan unsur oksigen. Sedangkan unsur bebas adalah zat murni yang paling sederhana, tidak dapat dipisahkan menjadi unsur yang lebih sederhana secara kimia. Misalnya, emas, perak, tembaga, hidrogen, oksigen, dll adalah unsur bebas. Diagram klasifikasi materi secara sederhana dapat dilihat dalam gambar 3.

8 8 Suatu materi sering dikenali berdasarkan pada sifat-sifatnya. Ada beberapa cara yang dapat digunakan untuk mengklasifikasikan sifat materi, misalnya sifat ekstensif dan sifat intensif. Sifat intensif suatu materi tidak dipengaruhi oleh ukurannya, misalnya warna, massa jenis, titik didih, dll. Sedangkan sifat ekstensif adalah sifat yang tergantung pada ukurannya, misalnya massa dan volume. Disamping itu, materi juga dibedakan berdasarkan sifat fisika dan sifat kimianya. Sifat fisika suatu materi dapat dinyatakan tanpa mengacu pada sifat zat lainnya, misalnya, warna, panas jenis, massa jenis, dll., sedangkan sifat kimia suatu zat merupakan interaksi suatu zat dengan zat lain. Misalnya, besi dapat berkarat jika diletakkan di udara, natrium tidak rekatif dengan minyak tanah, natrium sangat reaktif dengan air, dll.

9 9 Soal-soal 1. Jelaskan perbedaan antara: Hukum dan teori Teori dan eksperimen Data kuantitatif dan kualitatif Hipotetis dan teori 2. Tunjukkan di antara bilangan berikut mana yang merupakan bilangan eksak dan mana bukan: Tinggi Monas adalah 105,4 m Jumlah 1 kodi kaos adalah 20 buah Di UNEJ terdapat 218 doktor Satu kwintal sama dengan 100 kg Anggaran belanja tahun ini adalah Rp 1,03 x Berdasarkan hasil 6 kali analisis sampel tanah diperoleh kandungan kalsium 15,02%, 14,70%, 15,11%, 15,09%, 14,35%, dan 15,00%. Berapa prosentase rata-rata kalsium sampel tanah dan bagaimanakah akurasi dan presisi analisis di atas? 4. Apa perbedaan antara campuran homogen dan heterogen dan termasuk jenis campuran apakah zat di bawah: tanah air sungai sirup perunggu agar-agar udara 5. Massa jenis aluminium adalah 2,70 g/cm 3. Tuliskan massa jenis tersebut dalam kg/m 3, dan berapakan massa 81cm 3 aluminium? 6. Kerjakan perhitungan yang melibatkan angka penting di bawah ini: 3,312 x 12,1 12,625 : 0, , ,4 x 0, Barapa gram massa H 2 SO 4 yang terdapat di dalam 33,367 cm 3 larutan H 2 SO 4 yang massa jenisnya 1,32 x 10-3 g/m 3?