Sifat Zat dan Campuran

Tujuan Pembelajaran 3.1.A: Jelaskan hubungan antara struktur kimia molekul dan kekuatan relatif gaya antarmolekul mereka ketika: i. Molekul-molekul tersebut merupakan spesies kimia yang sama. ii. Molekul-molekul tersebut berasal dari dua spesies kimia yang berbeda.

• 3.1.A.1 Gaya dispersi London adalah hasil dari interaksi Coulombik antara dipol sementara yang berfluktuasi. Gaya dispersi London sering kali menjadi gaya antarmolekul bersih terkuat antara molekul besar.
  • i. Gaya dispersi meningkat seiring bertambahnya area kontak antara molekul dan meningkatnya polarisabilitas molekul.
  • ii. Polarizabilitas suatu molekul meningkat seiring bertambahnya jumlah elektron dalam molekul dan ukuran awan elektron. Hal ini diperkuat oleh keberadaan ikatan pi.
  • iii. Istilah "gaya dispersi London" tidak boleh digunakan secara sinonim dengan istilah "gaya van der Waals."
• 3.1.A.2 Momen dipol molekul polar mengarah pada interaksi tambahan dengan spesies kimia lain.
  • i. Interaksi dipol-induksi-dipol ada antara molekul polar dan nonpolar. Gaya-gaya ini selalu menarik. Kekuatan gaya-gaya ini meningkat seiring dengan besaran dipol molekul polar dan polarisabilitas molekul nonpolar.
  • ii. Interaksi dipol-dipol ada antara molekul-molekul polar. Kekuatan interaksi bergantung pada besaran dipol dan orientasi relatifnya. Interaksi antara molekul polar biasanya lebih besar daripada interaksi antara molekul nonpolar dengan ukuran yang sebanding karena interaksi ini bekerja tambahan terhadap gaya dispersi London.
  • iii. Gaya tarik ion-dipol ada antara ion dan molekul polar. Ini cenderung lebih kuat daripada gaya dipol-dipol.
• 3.1.A.3 Kekuatan relatif dan ketergantungan orientasi dari gaya dipol-dipol dan ion-dipol dapat dipahami secara kualitatif dengan mempertimbangkan tanda muatan parsial yang bertanggung jawab atas momen dipol molekul, serta bagaimana muatan parsial ini berinteraksi dengan ion atau dengan dipol tetangga.
• 3.1.A.4 Ikatan hidrogen adalah jenis interaksi antarmolekul yang kuat yang terjadi ketika atom hidrogen yang terikat kovalen pada atom elektronegatif tinggi (N, O, dan F) tertarik ke ujung negatif dari dipol yang dibentuk oleh atom elektronegatif (N, O, dan F) dalam molekul lain, atau bagian yang berbeda dari molekul yang sama.
• 3.1.A.5 Dalam biomolekul besar, interaksi nonkovalen dapat terjadi antara molekul yang berbeda atau antara wilayah yang berbeda dari biomolekul besar yang sama.

Tujuan Pembelajaran 3.2.A: Jelaskan hubungan antara sifat makroskopis suatu zat, struktur pada tingkat partikulat dari zat tersebut, dan interaksi antar partikel-partikel tersebut.

• 3.2.A.1 Banyak sifat cairan dan padatan ditentukan oleh kekuatan dan jenis gaya antarmolekul yang ada. Karena interaksi antarmolekul sepenuhnya dilawan saat suatu zat menguap, tekanan uap dan titik didih berkorelasi langsung dengan kekuatan interaksi tersebut. Titik leleh juga cenderung berkorelasi dengan kekuatan interaksi, tetapi karena interaksinya hanya tersusun ulang, bukan hilang, dalam pelelehan, hubungannya bisa lebih halus.
• 3.2.A.2 Representasi pada tingkat partikulat, yang menunjukkan banyak spesies kimia yang saling berinteraksi, merupakan cara yang berguna untuk mengomunikasikan atau memahami bagaimana interaksi antarmolekul membantu menetapkan sifat makroskopis.
• 3.2.A.3 Karena adanya interaksi yang kuat antar ion, padatan ionik cenderung memiliki tekanan uap rendah, titik leleh tinggi, dan titik didih tinggi. Mereka cenderung rapuh karena tolak-menolak muatan sejenis yang terjadi ketika satu lapisan meluncur di atas lapisan lainnya. Mereka menghantarkan listrik hanya ketika ion-ionnya bergerak bebas, seperti ketika padatan ionik melebur (yaitu, dalam keadaan cair/cairan) atau dilarutkan dalam air atau pelarut lain.
• 3.2.A.4 Dalam padatan jaringan kovalen, atom-atom terikat kovalen menjadi jaringan tiga dimensi (misalnya, berlian) atau lapisan-lapisan jaringan dua dimensi (misalnya, grafit). Ini hanya terbentuk dari nonlogam dan metaloid: unsur (misalnya, berlian, grafit) atau senyawa biner (misalnya, silikon dioksida dan silikon karbida). Karena adanya interaksi kovalen yang kuat, padatan kovalen memiliki titik leleh tinggi. Padatan jaringan tiga dimensi juga kaku dan keras, karena sudut ikatan kovalen bersifat tetap. Namun, grafit lunak karena lapisan yang berdekatan dapat meluncur melewati satu sama lain dengan cukup mudah.
• 3.2.A.5 Padatan molekul tersusun dari unit-unit molekul kovalen yang terpisah dan terikat secara individu, yang saling tarik-menarik melalui gaya antarmolekul yang relatif lemah. Padatan molekul umumnya memiliki titik leleh rendah karena adanya gaya antarmolekul yang relatif lemah di antara molekul-molekul tersebut. Mereka tidak menghantarkan listrik karena elektron valensi mereka terikat kuat dalam ikatan kovalen dan pasangan elektron bebas pada setiap molekul penyusunnya. Padatan molekul terkadang terdiri dari molekul yang sangat besar atau polimer.
• 3.2.A.6 Padatan logam adalah konduktor listrik dan panas yang baik, disebabkan oleh keberadaan elektron valensi bebas. Mereka juga cenderung mudah ditempa dan dapat ditarik, karena inti logam dapat dengan mudah mengatur ulang strukturnya. Dalam paduan interstisial, atom interstensial cenderung membuat kisi-kisi lebih kaku, sehingga mengurangi kemampuan untuk ditempa dan ditarik. Paduan biasanya tetap mempertahankan lautan elektron yang bergerak, sehingga tetap menghantarkan listrik.
• 3.2.A.7 Pada biomolekul besar atau polimer, interaksi nonkovalen dapat terjadi antara molekul yang berbeda atau antara bagian-bagian yang berbeda dari biomolekul besar yang sama. Fungsionalitas dan sifat-sifat molekul semacam itu sangat bergantung pada bentuk molekul, yang sebagian besar ditentukan oleh interaksi nonkovalen.

Tujuan Pembelajaran 3.3.A: Mewakili perbedaan antara fase padat, cair, dan gas menggunakan model tingkat partikel.

• 3.3.A.1 Padat dapat bersifat kristalin, di mana partikel-partikel tersusun dalam struktur tiga dimensi yang teratur, atau dapat bersifat amorf, di mana partikel-partikel tidak memiliki susunan yang teratur dan sistematis. Dalam kedua kasus tersebut, gerakan partikel individu terbatas, dan partikel-partikel tidak mengalami translasi keseluruhan satu sama lain. Struktur padat dipengaruhi oleh interaksi antarpartikel dan kemampuan partikel untuk packing bersama.
• 3.3.A.2 Partikel penyusun dalam cairan berada dalam kontak dekat satu sama lain, dan terus bergerak serta bertumbukan. Susunan dan gerakan partikel dipengaruhi oleh sifat dan kekuatan gaya (misalnya, polaritas, ikatan hidrogen, dan suhu) di antara partikel-partikel tersebut.
• 3.3.A.3 Fase padat dan cair untuk suatu zat tertentu biasanya memiliki volume molar yang serupa karena, di kedua fase tersebut, partikel-partikel penyusun selalu berada dalam kontak dekat.
• 3.3.A.4 Dalam fase gas, partikel-partikel bergerak terus-menerus. Frekuensi tumbukan dan jarak rata-rata di antara mereka bergantung pada suhu, tekanan, dan volume. Karena gerakan konstan ini, dan efek minimal dari gaya antarpartikel, gas tidak memiliki volume maupun bentuk yang pasti.
  • Pernyataan Pengecualian: Memahami/menafsirkan diagram fase tidak akan diujikan dalam Ujian AP.

Tujuan Pembelajaran 3.4.A: Menjelaskan hubungan antara sifat makroskopis sampel gas atau campuran gas menggunakan hukum gas ideal.

• 3.4.A.1 Sifat makroskopis gas ideal berkaitan melalui hukum gas ideal:
  • EQN: $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 Dalam sampel yang mengandung campuran gas ideal, tekanan yang diberikan oleh setiap komponen (tekanan parsial) bersifat independen dari komponen lainnya. Oleh karena itu, tekanan parsial suatu gas dalam campuran berbanding lurus dengan fraksi molnya ($X$), dan total tekanan sampel adalah jumlah dari tekanan-tekanan parsial tersebut.
  • Persamaan: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, di mana $X_{A} =$ mol A/total mol;
  • Persamaan: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 Representasi grafik dari hubungan antara $P$, $V$, $T$, dan $n$ berguna untuk menggambarkan perilaku gas.

Tujuan Pembelajaran 3.5.A: Menjelaskan hubungan antara gerakan partikel dan sifat makroskopis gas dengan: i. Teori molekuler kinetik (KMT). ii. Model partikel. iii. Representasi grafik.

• 3.5.A.1 Teori molekuler kinetik (KMT) menghubungkan sifat makroskopis gas dengan gerakan partikel-partikel dalam gas. Distribusi Maxwell-Boltzmann menggambarkan distribusi energi kinetik partikel pada suhu tertentu.
• 3.5.A.2 Semua partikel dalam sampel materi bergerak secara terus-menerus dan acak. Energi kinetik rata-rata partikel berkaitan dengan kecepatan rata-ratanya melalui persamaan:
  • EQN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 Suhu Kelvin dari sebuah sampel materi berbanding lurus dengan energi kinetik rata-rata partikel-partikel dalam sampel tersebut.
• 3.5.A.4 Distribusi Maxwell-Boltzmann menyediakan representasi grafik dari energi/kecepatan partikel pada suhu tertentu.

Tujuan Pembelajaran 3.6.A: Menjelaskan hubungan di antara perilaku non-ideal gas, gaya antarpartikel, dan/atau volume.

• 3.6.A.1 Hukum gas ideal tidak menjelaskan perilaku aktual gas nyata. Penyimpangan dari hukum gas ideal dapat timbul dari atraksi antarpartikel di antara molekul gas, terutama pada kondisi yang mendekati yang menghasilkan kondensasi. Penyimpangan juga dapat muncul dari volume partikel, terutama pada tekanan yang sangat tinggi.

Tujuan Pembelajaran 3.7.A: Menghitung jumlah partikel terlarut, volume, atau molaritas larutan.

• 3.7.A.1 Larutan, juga kadang-kadang disebut campuran homogen, bisa berupa padat, cair, atau gas. Dalam larutan, sifat makroskopis tidak bervariasi di seluruh sampel. Dalam campuran heterogen, sifat makroskopis bergantung pada lokasi dalam campuran.
• 3.7.A.2 Komposisi larutan dapat dinyatakan dengan berbagai cara; molaritas adalah metode yang paling umum digunakan di laboratorium.
  • Persamaan: $M = n_{solute}/L_{solution}$

Tujuan Pembelajaran 3.8.A: Menggunakan model partikulat untuk campuran: i. Mewakili interaksi antara komponen. ii. Mewakili konsentrasi komponen.

• 3.8.A.1 Representasi partikulat larutan mengkomunikasikan struktur dan sifat larutan, melalui ilustrasi konsentrasi relatif komponen dalam larutan dan/atau gambar yang menunjukkan interaksi antar komponen.
  • Pernyataan Pengecualian: Sifat koligatif tidak akan diujikan pada Ujian AP.
  • Pernyataan Pengecualian: Perhitungan molalitas, persentase berdasarkan massa, dan persentase berdasarkan volume untuk larutan tidak akan diujikan pada Ujian AP.

Tujuan Pembelajaran 3.9.A: Jelaskan hasil percobaan pemisahan berdasarkan interaksi antarmolekul.

• 3.9.A.1 Komponen larutan cair tidak dapat dipisahkan melalui filtrasi. Namun, mereka dapat dipisahkan menggunakan proses yang memanfaatkan perbedaan kekuatan interaksi antarmolekul dari komponen-komponennya.
  • i. Kromatografi (kertas, lapis-tipis, dan kolom) memisahkan spesies kimia dengan memanfaatkan perbedaan kekuatan interaksi antarmolekul antara dan di antara komponen larutan (fase gerak) dan dengan komponen permukaan fase diam. Kromatogram yang dihasilkan dapat digunakan untuk menyimpulkan polaritas relatif komponen dalam campuran.
  • ii. Distilasi memisahkan spesies kimia dengan memanfaatkan perbedaan kekuatan interaksi antarmolekul antara dan di antara komponen serta efek interaksi ini terhadap tekanan uap komponen dalam campuran.

Tujuan Pembelajaran 3.10.A: Jelaskan hubungan antara kelarutan senyawa ionik dan molekuler dalam pelarut akuatik dan nonakuatik, serta interaksi antarmolekul antar partikel.

• 3.10.A.1 Zat-zat dengan interaksi antarmolekul yang serupa cenderung saling larut atau dapat bercampur satu sama lain.

Tujuan Pembelajaran 3.11.A: Jelaskan hubungan antara suatu daerah pada spektrum elektromagnetik dan jenis transisi molekuler atau elektronik yang terkait dengan daerah tersebut.

• 3.11.A.1 Perbedaan dalam penyerapan atau emisi foton di berbagai daerah spektral berkaitan dengan jenis gerakan molekuler atau transisi elektronik yang berbeda:
  • i. Radiasi mikro dikaitkan dengan transisi pada tingkat rotasi molekuler.
  • ii. Radiasi inframerah dikaitkan dengan transisi pada tingkat getaran molekuler.
  • iii. Radiasi ultraviolet/terlihat dikaitkan dengan transisi pada tingkat energi elektronik.

Tujuan Pembelajaran 3.12.A: Jelaskan sifat-sifat foton yang diserap atau dipancarkan dalam hubungannya dengan transisi elektronik pada atom atau molekul.

• 3.12.A.1 Ketika foton diserap (atau dipancarkan) oleh atom atau molekul, energi spesies tersebut meningkat (atau menurun) sebesar jumlah yang sama dengan energi foton tersebut.
• 3.12.A.2 Panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik berhubungan dengan frekuensinya dan kecepatan cahaya melalui persamaan:
  • EQN: $c = \lambda\nu$.

Energi foton berhubungan dengan frekuensi gelombang elektromagnetik melalui persamaan Planck:

• EQN: $E = h\nu$.

Tujuan Pembelajaran 3.13.A: Jelaskan jumlah cahaya yang diserap oleh larutan molekul atau ion sehubungan dengan konsentrasi, panjang lintasan, dan absorptivitas molar.

• 3.13.A.1 Hukum Beer-Lambert menghubungkan penyerapan cahaya oleh suatu larutan terhadap tiga variabel sesuai dengan persamaan:

  • EQN: $A = \varepsilon bc$.

  Absorptivitas molar, $\varepsilon$, menggambarkan seberapa intens sebuah spesies kimia menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu. Panjang lintasan, $b$, dan konsentrasi, $c$, berbanding lurus dengan jumlah partikel penyerap cahaya dalam lintasan cahaya.

• 3.13.A.2 Dalam sebagian besar eksperimen, panjang lintasan dan panjang gelombang cahaya dijaga tetap. Dalam kasus seperti itu, absorbansi hanya berbanding lurus dengan konsentrasi molekul atau ion penyerap. Spektrofotometer biasanya diatur pada panjang gelombang absorbansi maksimum (panjang gelombang optimum) untuk spesies yang dianalisis guna memastikan sensitivitas pengukuran maksimal.