Archive for 2013
Atom, Dari mekanika klasik sampai mekanika quantum
Sejak awal abad ke 19 rasa ingin tahu manusia yang membawa ilmu pengetahuan tentang materi ke tingkat ukuran yang main kecil terlihat makin berkembang. Hal tersebut membuat pemahaman manusia tentang alam semesta menjadi lebih cerah dari skala terkecil (subatomik) sampai terbesar (ex:quasar). Penelitian terus menerus selama kurang lebih 2 abad telah mengkolaborasikan ilmu-ilmu fisika dan kimia yang melibatkan ilmuwan-ilmuwan ternama diseluruh dunia yang pada saat itu mereka yakin penelitian atom akan membawa manfaat bagi manusia di masa yang akan datang. Dan saat ini perkembangan ilmu atom mulai menampakkan banyak manfaat bagi manusia dengan penggunaan reaksi nuklir sebagai pembangkit tenaga listrik yang efisien sampai pembuatan chip mikroprosessor yang semakin cepat dan ukuran yang lebih kecil.
Di tulisan ini saya akan mencoba menuliskan sejarah yang mungkin dapat menjelaskan sedikit tentang atom, bagaimana atom dari zaman mekanika klasik sampai model atom modern yang kita pelajari saat ini (mekanika kuantum) dan bagaimana struktur atom tersebut dapat membawa kita ke pemanfaatan teknologi yang lebih tinggi.
ASAL PEMAHAMAN ATOM SEBAGAI PARTIKEL TERKECIL
Pemahaman modern tentang atom melibatkan banyak bidang ilmu fisika dan kimia. Ide tentang atom sendiri datang dari seorang philosophi yunani kuno Democritus 460 tahun sebelum masehi. Democritus mengatakan bahwa semua benda tersusun oleh atom secara fisik bukan secara geometri dan tidak dapat dibagi-bagi. Atom tidak dapat dihancurkan juga terbagi-bagi, dan ada banyak jenis-jenis atom yang berbeda ukuran dan berat. Democritus, bersama-sama Leucippus dan Epicurus mendeskripsikan bentuk dan koneksi antar atom. Mereka berpendapat, atom dari besi pada dan kuat dengan kait yang mengikat satu sama lain, atom air lembut dan licin, atom garam karena rasanya tajam maka bentuknya tajam dan runcing, atom udara ringan dan berputar dan dapat meresap ke materi lainnya. Menggunakan analogi dari pengalaman indera, ia memberikan gambar dari sebuah atom yang membedakan mereka dari satu sama lain berdasarkan bentuk, ukuran mereka, dan susunan bagian-bagiannya. Selain itu, hubungan tiap atom dijelaskan di mana atom tunggal disertakan dengan keterangan tambahan yaitu beberapa dari mereka memiliki kait danyang lain ada yang berbentuk bola dan soket. Atom menurut demokrius adalah solid dan berinteraksi secara mekanik. Sebaliknya, atom menurut kuantum mekanik modern berinteraksi melalui medan gaya listrik dan magnetik dan jauh dari kata padat.
AWAL PERKEMBANGAN MODEL ATOM MODERN (MEKANIKA KLASIK)
Pada tahun 1808, seorang guru sekolah Inggris sekaligus ilmuwan bernama John Dalton mengusulkan teori atom modern. Teori atom ini dibuat menggunakan analogi tumpukan klip kertas. Teori atom modern menyatakan sebagai berikut:
Teori atom Dalton membuat suatu prinsip dasar ilmu kimia pada saat itu. Dalton membayangkan atom sebagai bola kecil dengan kait pada mereka. Dengan kait tersebut, satu atom dapat bergabung dengan yang lain dalam proporsi tertentu. Tetapi beberapa elemen bisa bergabung untuk membuat senyawa yang berbeda (misalnya, hidrogen oksigen bisa membuat air atau hidrogen peroksida). Jadi, dia tidak bisa mengatakan apa-apa tentang jumlah setiap atom dalam molekul zat-zat tertentu. Apakah air memiliki satu oksigen dengan satu hidrogen atau satu oksigen dengan dua atom hidrogen? Pertanyaan ini diselesaikan ketika ahli kimia menemukan cara untuk menimbang massa atom.
Amadeo Avogadro (1811): Menghitung Massa Molekul Elementer (atom) dan proporsinya dalam suatu kombinasi molekul
Di awal abad ke 19, atom dan molekul belum dapat terdefinisikan dengan jelas dan para chemist ada yang menggunakan istilah atom atau molekul dengan menganggap tidak ada perbedaan antara keduanya.
Sampai pada tahun 1811 Amadeo Avogadro seorang berkebangsaan perancis mengemukakan essay untuk menentukan massa atom dan proporsinya dalam senyawa. Adapun bunyi hipotesisnya adalah ;
"Gas-gas yang memiliki volum yang sama, pada temperatur dan tekanan yang sama, memiliki jumlah partikel yang sama pula."
Bunyi hipotesis tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
Misal senyawa air dapat dibentuk dengan mengalirkan gas hidrogen dan gas hidrogen kedalam suatu wadah tertutup dimana kedua gas memiliki tekanan yang sama dan suhu yang sama. Didapatkan bahwa untuk mendapatkan 3 liter air maka dibutuhkan mereaksikan 1 liter gas oksigen dan 2 liter gas hidrogen.
.
Di tulisan ini saya akan mencoba menuliskan sejarah yang mungkin dapat menjelaskan sedikit tentang atom, bagaimana atom dari zaman mekanika klasik sampai model atom modern yang kita pelajari saat ini (mekanika kuantum) dan bagaimana struktur atom tersebut dapat membawa kita ke pemanfaatan teknologi yang lebih tinggi.
ASAL PEMAHAMAN ATOM SEBAGAI PARTIKEL TERKECIL
Democritus 340-460 B.C.
AWAL PERKEMBANGAN MODEL ATOM MODERN (MEKANIKA KLASIK)
Pada tahun 1808, seorang guru sekolah Inggris sekaligus ilmuwan bernama John Dalton mengusulkan teori atom modern. Teori atom ini dibuat menggunakan analogi tumpukan klip kertas. Teori atom modern menyatakan sebagai berikut:
- Setiap elemen terbuat dari atom (tumpukan klip kertas).
- Semua atom dari setiap elemen adalah sama (semua klip kertas dalam tumpukan tersebut memiliki ukuran dan warna yang sama).
- Jenis atom tiap elemen berbeda berbeda (ukuran, sifat) (seperti ukuran dan warna dari klip kertas yang berbeda).
- Atom elemen yang berbeda dapat bergabung untuk membentuk senyawa (Anda dapat menghubungkan berbagai ukuran dan warna dari klip kertas bersama-sama untuk membuat struktur baru).
- Dalam reaksi kimia, atom tidak dibuat, hancur, atau berubah (tidak ada klip kertas baru muncul, ada klip kertas tersesat dan tidak ada kertas klip perubahan dari satu ukuran / warna ke warna lain).
- Dalam senyawa apapun, jumlah dan jenis atom tetap sama (jumlah dan jenis klip kertas yang Anda mulai dengan adalah sama seperti ketika Anda selesai).
Teori atom Dalton membuat suatu prinsip dasar ilmu kimia pada saat itu. Dalton membayangkan atom sebagai bola kecil dengan kait pada mereka. Dengan kait tersebut, satu atom dapat bergabung dengan yang lain dalam proporsi tertentu. Tetapi beberapa elemen bisa bergabung untuk membuat senyawa yang berbeda (misalnya, hidrogen oksigen bisa membuat air atau hidrogen peroksida). Jadi, dia tidak bisa mengatakan apa-apa tentang jumlah setiap atom dalam molekul zat-zat tertentu. Apakah air memiliki satu oksigen dengan satu hidrogen atau satu oksigen dengan dua atom hidrogen? Pertanyaan ini diselesaikan ketika ahli kimia menemukan cara untuk menimbang massa atom.
Amadeo Avogadro (1811): Menghitung Massa Molekul Elementer (atom) dan proporsinya dalam suatu kombinasi molekul
Di awal abad ke 19, atom dan molekul belum dapat terdefinisikan dengan jelas dan para chemist ada yang menggunakan istilah atom atau molekul dengan menganggap tidak ada perbedaan antara keduanya.
Sampai pada tahun 1811 Amadeo Avogadro seorang berkebangsaan perancis mengemukakan essay untuk menentukan massa atom dan proporsinya dalam senyawa. Adapun bunyi hipotesisnya adalah ;
"Gas-gas yang memiliki volum yang sama, pada temperatur dan tekanan yang sama, memiliki jumlah partikel yang sama pula."
Bunyi hipotesis tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut :
Misal senyawa air dapat dibentuk dengan mengalirkan gas hidrogen dan gas hidrogen kedalam suatu wadah tertutup dimana kedua gas memiliki tekanan yang sama dan suhu yang sama. Didapatkan bahwa untuk mendapatkan 3 liter air maka dibutuhkan mereaksikan 1 liter gas oksigen dan 2 liter gas hidrogen.
.
Tag :
Pengetahuan Umum,
Cara Kerja Baterai
Baterai, merupakan salah satu komponen yang sangat penting di bidang elektronika praktis. Kegunaannya dan variasi bentuknya di berbagai bidang elektronika membuat baterai seringkali menghasilkan suatu masalah khusus pada penggunaannya. lebih dari itu , banyak orang yang menggunakan baterai tanpa mengetahui karakteristik dasar dari baterai itu sendiri sehingga untuk proyek-proyek kecil seperti pembuatan robot atau perancangan elektronika sederhana seringkali ditemui kendala seperti berkurangnnya tegangan yang disuplay dari baterai meskipun pada baterai tersebut sudah dicantumkan rating tegangan tegangan tertentu yang untuk sebagian orang dipahami dengan tegangan konstan dan kemampuan suplai arus yang menurun seiring dengan pemakaian secara periodik atau kontinyu.
Berdasarkan masalah tersebut timbul pertanyaan apakah sebenarnya baterai itu sumber arus atau sumber tegangan ?. Dari kedua pilihan tersebut sebenarnya sebagai sumber arus sudah tidak cocok disebutkan untuk baterai karena baterai apapun tidak dapat menyuplai arus secara konstan untuk beban yang berubah-ubah. Dan untuk pilihan kedua juga terkendala fakta bahwa tegangan baterai yang sudah lama dipakai akan turun nilainya dari nilai nominalnya jika kita mengukurnya dengan voltmeter dalam kondisi tidak dihubungkan ke beban. Nah, Apakah baterai masih bisa disebut sumber tegangan atau kita menganggap baterai adalah jenis lain?. Berikut ini penjelasan bagaimana sebenarnya baterai menghasilkan tegangan yang nantinya menghasilkan arus yang besarnya tergantung pemakaian beban juga bagaimana tegangan baterai bisa turun jika sudah digunakan berulang kali.
A. Jenis-Jenis Baterai dan Reaksi Kimianya
Tegangan yang dihasilkan oleh baterai tentunya dihasilkan oleh reaksi kimia tertentu yang ada pada baterai itu sendiri contohnya :
1. Zinc-Carbon Battery
Terminal negatif ----> Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e− [E° = -0.7626 volts] (oksidasi)
Terminal Positif -----> 2MnO2(s) + 2 e− + 2NH4Cl(aq) → Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(aq) + 2 Cl− [e° ≈ +0.5 v](reduksi)
persamaan reaksi keseluruhan ----> Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) → Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l)
Total Voltase yang dihasilkan 0.5 - (-0.7626) = 1.3 ---1.5 V
Struktur baterai carbon -zinc
Kerusakan baterai yang tidak diberi lapisan leakproof dapat terjadi dikarenakan zinc yang merupakan lapisan terluar dari baterai akan terus menerus teroksidasi sehingga lapisan zinc akan semakin tipis dan mengakibatkan Mn2O3 yang ada dibagian dalam baterai merembes keluar.
a.b. Baterai yang masih bagus, c.d. Baterai yang sudah rusak
Baterai Zinc-Clhoride(Heavy Duty)
Merupakan pengembangan dari baterai zinc-carbon dengan lebih banyak campuran ZnCl2 dan bahan lain yang lebih murni sehingga menghasilkan daya tahan lebih lama dari pada baterai zinc-carbon
reaksi pada katoda MnO2(s) + H2O(l) + e- → MnO(OH)(s) + OH-(aq)
reaksi keseluruhan Zn(s) + 2 MnO2(s) + ZnCl2(aq) + 2 H2O(l) → 2 MnO(OH)(s) + 2 Zn(OH)Cl(aq)
B. Baterai Zinc-Manganese Diokside (Baterai Alkalin)
pada baterai ini terminal negatifnya (anode) terbuat dari zinc yang berwujud serbuk yang akan memberikan tempat lebih luas sehingga dapat meningkatkan kapasitas arus yang dihasilkan. Elektrolitnya berupa potassium hidroxide akan dikomsumsi selama proses discharge.
Proses setengah reaksi
- Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [e° = -1.28 V]
- 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [e° = +0.15 V]
reaksi keseluruhan
[e° = 1.43 V]- BERSAMBUNG
Struktur baterai alkalin
Tag :
Pengetahuan Umum,
Hutan buatan yang mengkonversi sinar matahari menjadi energi
Satu jam sinar matahari memberikan energi yang cukup untuk memenuhi kebutuhan setiap manusia di planet ini selama satu tahun penuh? jawabannya "tentu saja bisa", sebuah terobosan baru dibuat oleh para ilmuwan di Lawrence Berkeley National Laboratory bisa membuat hal ini menjadi kenyataan.
Para peneliti telah mengembangkan sebuah "Artificial Forest" (Hutan Buatan) yang dapat mengubah energi matahari menjadi bahan bakar kimia.
Bagaimana hal tersebut bekerja?
Dalam sebuah proses yang meniru fotosintesis, hutan buatan ini menyerap cahaya dan menggunakannya untuk menghasilkan oksigen dan hidrogen, dua gas yang dapat digunakan untuk sel bahan bakar listrik.
"Untuk membuat sistem penguraian air dengan menggunakan tenaga surya, kami membuat pohon artificial dengan heterostruktur nanowire, yang memiliki batang silikon dan cabang titanium oksida," kata Peidong Yang, seorang ahli kimia di Material Science Division Berkeley Lab dan memimpin ilmuwan untuk penelitian. "Secara visual, struktur nano ini menyerupai hutan buatan."
Heterostucture nanowire
Sama seperti pohon di hutan sesungguhnya, pohon nanowire yang padat akan membantu menekan refleksi sinar matahari dan menghasilkan permukaan yang lebih luas untuk menghasilkan reaksi kimia yang digunakan menghasilkan bahan bakar. Mereka pun telah melakukan pekerjaan yang meniru fotosintesis secara baik- proses dimana sinar matahari diserap oleh kloroplas tanaman hijau.
Ketika sinar matahari diserap oleh klorofil tumbuhan maka akan memicu reaksi berantai elektron, yang bergerak dari satu molekul ke yang berikutnya, membantu tanaman mengubah karbon dioksida menjadi gula karbohidrat dan oksigen.
Gerakan ini elektron disebut kereta transpor elektron, atau "skema-Z" karena pola gerakan menyerupai huruf Z. Para peneliti Berkeley memanfaatkan skema-Z ini untuk hutan buatan mereka, tapi tidak menggunakan pigmen dalam kloroplas untuk gerakan elektronnya melainkan menggunakan semikonduktor.
Salah satu semikonduktor penyerap cahaya yang digunakan adalah silikon, yang nantinya akan menghasilkan hidrogen. Yang lainnya adalah titanium oksida, yang menghasilkan oksigen. Bersama-sama, hidrogen dan oksigen dapat disimpan dalam sel bahan bakar dan digunakan untuk menghasilkan energi terbarukan.
Model-model sebelumnya untuk fotosintesis buatan, termasuk daun buatan , juga telah berhasil menghasilkan hidrogen dan oksigen, tapi Yang dan timnya percaya bahwa sistem nano mereka lebih efisien-dan lebih murah-dari pendahulunya.
Yang mengatakan sistem timnya dapat berfungsi sebagai "cetak biru konseptual untuk efisiensi konversi solar ke bahan bakar yang lebih baik di masa depan."
Saat ini, hutan buatan hanya beroperasi pada 0,12 persen efisiensi untuk konversi sinar matahari-ke-bahan bakar, sebuah nilai yang harus ditingkatkan jika Yang dan timnya ingin mengkomersilkan penggunaan sistem.
Namun, Yang mengatakan dia yakin bahwa dengan sedikit pengembangan, peneliti dapat "mendorong efisiensi konversi energi menjadi persentase satu digit."
Tag :
Pengetahuan Umum,