Perkembangan Teori Atom Bagian II: Model Atom Bohr

Dari postingan saya tentang “perkembangan teori atom bagian I” telah dibahas teori atom dari Dalton, Thomson, dan Rutherford. Model atom Rutherford meyatakan bahwa electron bermuatan negative mengelilingi inti atom pejal yang bermuatan positif. Menurut hokum mekanika klasik bentuk atom yang demikian itu memiliki kelemahan yaitu pada saat electron mengelilingi inti, electron ini akan terus menerus mengeluarkan radiasi elektromagnetik. Dengan demikian electron akan kehilangan energi dan gerakannya akan secara gradual menjadi spiral dan sampai akhirnya electron akan jatuh ke inti. Model atom seperti ini tidak dapat diterima disebabkan dengan teori ini maka semua atom yang ada di alam adalah tidak stabil.

Kekurangan model Rutherford yang lain yaitu ketika electron mulai bergerak spiral menuju inti, gerakan electron akan semakin cepat dan frekuensi emisinnya akan bertambah besar karena orbit electron semakin kecil. Hal ini akan menghasilkan spectrum emisi kontinu, padahal kenyatannya emisi atom yang telah diteliti pada saat itu hanya melibatkan emisi pada frekuensi-frekuensi tertentu (spectrum garis).

Kekurangan ini akhirnya disempurnakan oleh Niels Bohr yang mengajukan model atom sebagai berikut:

* Elektron mengelilingi inti atom dengan lintasan-lintasan tertentu. Lintasan-lintasan ini berjarak tertentu terhadap inti atom dan setiap lintasan memiliki tingkat energi yang tertentu pula.
* Electron tidak kehilangan energi secara kontinu pada saat dia mengelilingi inti atom. Elektron akan mengeluarkan atau meyerap gelombang radiasi dengan frekuensi tertentu. Dimana besarnya energi dinyatakan dalam ?E = hv

Dengan demikian Bohr mengajukan model atom seperti gambar dibawah ini.

Model atom Bohr merupakan model primitive atom hydrogen. Dan model ini hanya dapat diterapkan pada atom hydrogen dan atom/ion lain yang mirip seperti atom hydrogen seperti atom helium yang terionisasi dan atom litium yang terionisasi dua kali.

Walaupun model atom Bohr memiliki kekurangan, namun karena kesederhanaan dan beberapa perhitungan pada sistem tertentu adalah benar maka sampai sekarang model atom Bohr masih diajarkan. Hal penting dari model atom Bohr adalah aplikasi hukum mekanika klasik pada electron yang bergerak mengelilingi inti dapat diterapkan dengan batasan-batasan hokum kuantum. Seperti momentum angular (L) dinyatakan sebagai bilangan bulat dikalikan dengan suatu unit yang sudah tertentu pula:
L = n.h/2?

Dengan “n” disebut sebagai bilangan kuantum utama. Dengan nilai n terkecil adalah 1 Bohr menghitung bahwa lintasan terkecil electron adalah sekitar 0.0529 nm yang dikenal sebagai “jari-jari Bohr”. Dengan menggunakan persamaan momentum engular diatas Bohr juga mampu menghitung besarnya energi yang ada di setiap lintasan electron pada atom hydrogen atau atom/ion seperti hydrogen.

Jumlah electron dalam setiap lintasan dinyatakan dalam persamaan
2n2

dimana n adalah nomor kulit/lintasan atom. Untuk kulit pertama kita biasanya menyebut sebagai kulit K, L untuk kedua, M untuk ulit ketiga dan seterusnya.

Perkembangan Teori Atom Bagian I

Mempelajari tentang teori atom sangatlah penting sebab atom merupakan penyusun materi yang ada di alam semesta. Dengan memahami atom kita dapat mempelajari bagaimana satu atom dengan yang lain berinteraksi, mengetahui sifat-sifat atom, dan sebagainya sehigga kita dapat memanfaatkan aam semesta untuk kepentingan umat manusia.

Nama “atom” berasal dari bahasa Yunani yaitu “atomos” diperkenalkan oleh Democritus yang artinya tidak dapat dibagi lagi atau bagain terkecil dari materi yang tidak dapat dibagi lagi. Konsep atom yang merupakan penyusun materi yang tidak dapat dibagi lagi pertama kali diperkenalkan oleh ahli filsafat Yunani dan India.

Konsep atom yang lebih modern muncul pada abab ke 17 dan 18 dimana saat itu ilmu kimia mulai berkembang. Para ilmuwan mulai menggunakan teknik menimbang untuk mendapatkan pengukuran yang lebih tepat dan menggunakan ilmu fisika untuk mendukung perkembangan teori atom.


Teori Atom Dalton

John Dalton seorang guru berkebangsaan Ingris menggunakan konsep atom untuk menjelaskan mengapa unsur selalu bereaksi dengan perbandingan angka bulat sederhana (selanjutnya lebih dikenal dengan hokum perbandingan berganda) dan mengapa gas lebih mudah larut dalam air dibandingkan yang lain. Dalton menyusun teori atomnya berdasarkan hukum kekekalan massa dan hokum perbandingan tetap. Dimana konsep atomnya adalah sebagai berikut:

* Setiap unsur tersusun dari partikel kecil yang disebut sebagai atom.
* Atom dari unsur yang sama adalah identik dan atom dari unsur yang tidak sama berbeda dalam beberapa hal dasar.
* Senyawa kimia dibentuk dari kombinasi atom. Suatu senyawa selalu memiliki perbandingan jumlah atom dan jenis atom yang sama.
* Reaksi kimia melibatkan reorganisasi atom yaitu berubah bagaimana cara mereka berikatan akan tetapi atom-atom yang terlibat tidak berubah selama reaksi kimia berjalan.

Model atom Dalton ini biasanya disebut sebagai model atom bola billiard dimana warna bola billiard yang berbeda-beda merupakan symbol atom unsur yang berbeda.

Teori Atom Thompson

Dengan adanya teori atom yang dikemukakan oleh Dalton maka banyak sekali para ilmuwan yang ingin menyelidiki tentang atom. Mereka penasaran tentang apa itu atom dan apa penyusunnya? Salah satunya adalah J.J Thompson, dia melakukan percobaan dengan menggunakan tabung katoda. Dia menemukan bahwa apabila tabung katoda di beri tegangan tinggi maka suatu “sinar” yang dia sebut sebagai “sinar katoda” akan dihasilkan.

Disebabkan sinar ini muncul pada elektroda negative dan sinar ini enolak kutub negative dari medan listrik yang diaplikasikan ke tabung katoda maka Thompson menyatakan bahwa sinar katoda tersebut tak lain adalah aliran partikel bermuatan negative yang dikemudian hari disebut sebagai electron. Dengan mengganti katoda menggunakan berbagai macam logam maka Thompson tetap menghasilkan jenis sinar yang sama.

Berdasarkan hal ini maka Thompson menyatakan bahwa setiap atom pasti memiliki electron, disebabkan atom bersifat netral maka dalam atom juga harus megandung sejumlah muatan positif. Sehingga dia meyataan bahwa:
“Atom terdiri dari awan bermuatan positif yang terdistribusi sedemikian rupa dengan muatan negative tersebar secara random di dalamnya”

Model atom ini kemudian disebut sebagai “plum pudding model” yang di Indonesai lebih dikenal sebagai model roti kismis.

Teori Atom Rutherford

Penemuan electron sebagai salah satu penyusun atom oleh Thompson membuat para ilmuwan pada saat itu semakin bergairah untuk meneliti penyusun atom salah satunya adalah Ernest Rutherford.

Rutherford ingin membuktikan kebenaran teori atom yang dikemukakan oleh Thompson dengan menggunakan sinar radioaktif. Pada saat itu ilmu tentang radioaktif sudah mulai berkembang terutama pada saat ditemukannya uranium yang dapat memancarkan sinar radioaktif.

Eksperimen Rutherford dilakukan dengan menembakkan partikel alfa (?)-yang kemudian diketahui sebagai inti atom Helium bermuatan positif pada lempengan tipis emas. Bila teori atom Thompson benar maka hampis semua berkas sinar alfa ini akan diteruskan dengan sedikit sekali sinar yang akan dibelokkan.

Akan tetapi hasil yang diperoleh Rutherford sungguh diluar prediksinya. Walaupun sebagian besar sinar alfa diteruskan, terdapat sejumlah besar sinar alfa yang dibelokkan dengan sudut yang besar, bahkan terdapat sinar alfa yang dikembalikan lagi tanpa pernah menyentuh detector.

Dengan percobaan ini maka Rutherford menarik kesimpulan tentang teori atomnya:

* Sebagian besar sinar alfa yang menembus pelat tipis emas terjadi disebabkan sebagian besar atom adalah ruang kosong (ruang terbuka).
* Sinar alfa yang dibelokkan dengan sudut besar terjadi karena mendekati inti atom.
* Sinar alfa yang dipantulkan kembali adalah sinar alfa yang menumbuk inti atom

Dengan asumsi ini maka Rutherford mengajukan bahwa atom bukan merupakan benda pejal seperti yang dikemukakan oleh Thompson akan tetapi atom memiliki inti atom yang sangat pejal (massive) dimana berat atom terletak dan electron yang mengitari inti dengan jarak yang cukup besar jika dibandingkan dengan diameter inti atom. Itulah sebabnya mengapa atom sebagian besar adalah ruang kosong. Atau kita bisa mengatakan bahwa ukuran inti atom relative sangat kecil jika dibandingkan dengan keseluruhan atom itu sendiri.

Setelah penemuan Rutherford ini maka para ilmuwan menyadari bahwa atom bukan merupakan zat tunggal akan tetapi dibangun oleh subpartikel atom. Dengan penelitian selanjutnya mereka mengetahui bahwa inti atom bermuatan positif (dimana jumlah muatannya sama dengan nomor atom). Dan penelitian selanjutnya para ilmuwan menemukan bahwa jumlah electron adalah sama dengan nomor atom, dengan demikian atom bermuatan netral (muatan positif = muatan negatifnya).

Sumber gambar:

* http://www.wikipedia.org
* http://www.sxc.hu/

Kimia Aspartam: Gula Dengan Kalori “0”

Aspartam merupakan pemanis buatan dari golongan gula non-sakarida yang banyak dipakai untuk produk-produk diet atau produk rendah kalori. Aspartam lebih manis sekitar 180-200 kali daripada gula biasa dengan konsentrasi yang sama. Artinya dengan menggunakan pemanis ini maka kita hanya memerlukan 1/200 kali lebih sedikit aspartam dibanding dengan menggunakan gula biasa.

Aspartam tak lain adalah metil ester dari dipeptida asam amino alami yaitu asam aspartat dan fenilalanin. Aspartam ditemukan secara tidak sengaja oleh James Schlatter, seorang kimiawan G D Searle Co pada tahun 1965. Schlatter tanpa diduga telah mensintesis aspartame pada saat dia membuat obat anti pereda nyeri.
Sintesis Aspartam

Terdapat 3 reagen yang diperlukan untuk sintesis aspartame yaitu, methanol, fenilalanin, dan asam aspartat. Bahan awal yang dibutuhkan untuk membuat aspartame adalah campuran rasemat dari fenilalanin, hanya L-fenilalanin yang akan digunakan untuk sintesis. Isomer L dan D dari fenilalanin dipisahkan dengan penambahan Ac2O dan NaOH, hasil reaksinya kemudian direaksikan dengan Porcine Kidney Acylase dan kemudian diekstraksi dengan pelarut organik diikuti dengan pengasaman. D-fenilalanin akan terdapat di fasa organik sedangkan L-fenilalanin akan terdapat pada fasa air.

Gugus asam L-fenilalanin kemudian diubah menjadi metil ester dengan menggunakan methanol dan HCl.

Terakhir mereaksikan metil ester fenilalanin dengan asam aspartat untuk menghasilkan struktur dipeptida. Tahap ini memerlukan beberapa tahap sebab gugus fungsi asam pada asam aspartat harus dilindungi agar tidak bereaksi, yang kita perlukan hanya satu dari dua gugus fungsi asam aspartat yang nantinya bereaksi dengan gugus fungsi amina pada metil ester fenilalanin.


Sifat Kimia Aspartam
Aspartam memiliki rumus kimia C14H18N2O5 dan berat molekul 294.31 Aspartam memiliki dua gugus fungsi yang bisa terionisasi dan keduanya ada pada bagian residu asam aspartat. Pada pH netral, aspartam ada dalam dua bentuk terionisasi. Aspartam stabil maksimal pada pH 4,3. Aspartam pada suhu kamar berbentuk bubuk putih yang tidak berbau dan titik leburnya 248-2500C.
Mengapa Aspartam Disebut Gula Dengan 0 Kalori?

Agar kita mengetahui mengapa aspartam disebut gula 0 kalori maka marilah kita melakukan suatu perhitungan sederhana. Misalkan suatu produk minuman dengan kemasan botol 330 mL memerlukan gula biasa sebanyak 50 gram untuk mendapatkan tingkat kemanisan tertentu sesuai dengan standart minuman tersebut, maka dengan menggunakan aspartam kita hanya memerlukan: (kita menggunakan tingkat kemanisan aspartam 200 kali dari gula biasa)

Gram aspartame yang dibutuhkan:

= 1/200 x 50 g

= 0,25 g

Aspartam dimetabolisme dalam tubuh menjadi komponen penyusunnya yaitu asam aspartat, fenilalanin, dan methanol. Seperti halnya asam amino yang lain maka setiap gram asam amino dimetabolisme dalam tubuh dengan menghasilkan 4 kalori, karena kita memiliki 0,25 g aspartame maka:

Mol aspartame

= 0,25/294.31

= 8,5 x10-4 mol

Reaksi penguraian aspartame menjadi penyusunnya :

C14H18N2O5 + 3H2O +2H+ -> C4H7NO4 + C9H11NO2 + CH3OH + H2O

Perbandingan mol asam aspartat dan fenilalanin adalah 1:1 maka massa masing-masing asam amino ini adalah:

Asam aspartat

= 8,5 x10-4 mol x 133 = 0,11 g

Fenilalanin

= 8,5 x10-4 mol x 165 = 0,14 g

Kalori yang dihasilkan adalah:

= (0,11 g + 0,14 g ) x 4 = 1 kalori

Dari perhitungan diatas dapat diketahui bahwa dengan mengkonsumsi minuman yang menggunakan aspartame sebagai pemanis maka kita hanya memperoleh 1 kalori saja. Hal ini sama saja dengan mengatakan kalorinya bisa diabaikan oleh sebab itulah maka aspatam bisa dipakai sebagai pengganti gula dengan 0 kalori.

Referensi:

* http://www.3dchem.com/molecules.asp?ID=24#
* http://www.chemistrydaily.com/chemistry/Aspartame
* http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2000/srogers/sarah.html
* http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/549aspartame.html
* http://chemicalland21.com/lifescience/foco/ASPARTAME.htm