Materi

METALURGI DAN

KIMIA LOGAM 

21.5 Logam Alkali

Sebagai sebuah kelompok, logam alkali (unsur Golongan 1A) adalah unsur yang paling elektropositif (atau paling sedikit elektronegatif) . Golongan ini memiliki banyak properti serupa, beberapa di antaranya tercantum dalam Tabel 21.4. Dari konfigurasi elektronnya terlihat bilangan oksidasi unsur-unsur ini dalam senyawanya menjadi 11 karena kation akan menjadi isoelektronik dengan gas mulia.

Logam alkali memiliki titik leleh rendah dan cukup lunak untuk diiris pisau. Semua logam ini memiliki struktur kristal yang berpusat pada tubuh dengan efisiensi pengepakan yang rendah. Ini menjelaskan kepadatan mereka yang rendah di antara logam. Faktanya, lithium adalah logam paling ringan. Karena reaktivitas kimiawi yang besar, logam alkali tidak pernah muncul secara alami dalam bentuk unsur; mereka ditemukan, dikombinasikan dengan ion halida, sulfat, karbonat, dan silikat. Di bagian ini akan dijelaskan sifat kimiawi dua anggota Kelompok 1A — natrium dan kalium.

 

Tabel 21.4

Natrium dan kalium  melimpah di alam. Mereka berada dalam mineral silikat seperti albite (NaAlSi3O8) dan orthoclase (KAlSi3O8). 

Natrium logam paling mudah diperoleh dari natrium klorida cair oleh elektrolisis dalam sel Downs (lihat Bagian 18.8). Titik leleh natrium klorida agak tinggi (801 ° C), dan banyak energi yang dibutuhkan untuk menjaga zat cair dalam jumlah besar. Menambahkan zat yang sesuai, seperti CaCl2, menurunkan titik leleh hingga sekitar 600 ° C — suhu yang lebih memadai untuk proses elektrolisis. Kalium logam tidak dapat dengan mudah dibuat dengan elektrolisis KCl cair karena terlalu larut dalam KCl cair untuk mengapung ke atas sel untuk dikumpulkan. Selain itu, ia mudah menguap pada suhu pengoperasian, menciptakan kondisi berbahaya. Sebaliknya, biasanya diperoleh dengan distilasi KCl cair dengan adanya uap natrium pada suhu 892 ° C. Reaksi yang terjadi saat suhu ini adalah

 

Natrium dan kalium keduanya sangat reaktif, tetapi kalium lebih  reaktif. Keduanya bereaksi dengan air untuk membentuk hidroksida yang sesuai. Di pasokan oksigen yang terbatas, natrium terbakar untuk membentuk natrium oksida (Na2O). Namun, dalam adanya oksigen berlebih, natrium membentuk peroksida kuning pucat:

 

Natrium peroksida bereaksi dengan air menghasilkan larutan alkali dan hidrogen peroksida:

 

Seperti natrium, kalium membentuk peroksida. Selain itu, kalium juga membentuk superoksida saat terbakar di udara:

 

Ketika kalium superoksida bereaksi dengan air, gas oksigen terbentuk:

 

Reaksi ini digunakan dalam peralatan pernapasan (Gambar 21.14). Mengandung udara yang dihembuskan baik kelembaban dan karbon dioksida. Kelembaban bereaksi dengan KO2 dalam peralatan untuk menghasilkan gas oksigen seperti yang ditunjukkan pada persamaan sebelumnya. Selanjutnya KO2 pun ikut bereaksi dengan CO2 yang dihembuskan, yang menghasilkan lebih banyak gas oksigen:

 

Dengan demikian, seseorang yang menggunakan alat tersebut dapat terus menghirup oksigen tanpa menjadi terkena asap beracun di luar. 

Gambar 21.14

Logam natrium dan kalium larut dalam cairan amonia sehingga menghasilkan amonia:

 

Larutan logam-amonia adalah agen pereduksi yang kuat (karena mengandung elektron bebas); mereka berguna dalam mensintesis senyawa organik dan anorganik. 

Natrium dan kalium adalah elemen penting dari materi hidup. Ion natrium dan Ion kalium hadir dalam cairan intraseluler dan ekstraseluler, dan penting untuk keseimbangan osmotik dan fungsi enzim. Kami sekarang menjelaskan persiapan dan penggunaan beberapa senyawa penting natrium dan kalium.

Sodium Karbonat

Sodium karbonat (disebut soda ash) digunakan dalam semua jenis proses industri, termasuk pengolahan air dan pembuatan sabun, deterjen, obat-obatan, dan makanan aditif. Saat ini sekitar setengah dari seluruh produksi Na2CO3 digunakan di industri kaca (dalam format gelas soda-jeruk nipis; lihat Bagian 11.7). Sodium karbonat menempati urutan kesebelas di antara bahan kimia yang diproduksi di Amerika Serikat (11 juta ton pada tahun 2010). Selama bertahun-tahun Na2CO3 diproduksi oleh Solvay † , di mana amonia pertama kali dilarutkan dalam larutan jenuh natrium klorida. Karbon dioksida mendidih ke dalam hasil larutan dalam presipitasi natrium bikarbonat sebagai berikut:

 

Natrium bikarbonat kemudian dipisahkan dari larutan dan dipanaskan untuk menghasilkan natrium karbonat:

 

Namun, meningkatnya biaya amonia dan masalah polusi akibat produk sampingan telah mendorong ahli kimia untuk mencari sumber natrium karbonat lainnya. Salah satunya adalah mineral trona [Na5 (CO3) 2 (HCO3)? 2H2O], yang memiliki deposit besar ditemukan di Wyoming. Ketika trona dihancurkan dan dipanaskan, ia terurai sebagai berikut:

 

Natrium karbonat yang diperoleh dengan cara ini dilarutkan dalam air. Lalu, hidrat dipanaskan untuk menghasilkan natrium anhidrat murni karbonat.

Natrium Hidroksida dan Kalium Hidroksida

Sifat natrium hidroksida dan kalium hidroksida sangat mirip. Hidroksida dibuat dengan elektrolisis larutan NaCl dan KCl encer; kedua hidroksida adalah basa kuat dan sangat larut dalam air. Sodium hidroksida digunakan dalam pembuatan sabun dan banyak senyawa organik dan anorganik. Kalium hidroksida digunakan sebagai elektrolit di beberapa baterai penyimpanan, dan air kalium hidroksida digunakan untuk menghilangkan karbon dioksida dan sulfur dioksida dari udara.

Natrium Nitrat dan Kalium Nitrat

Natrium nitrat (sendawa Chili) ditemukan di Chili. Natrium nitrat  membusuk dengan evolusi oksigen sekitar 500 ° C:

 

Kalium nitrat (sendawa) disiapkan dimulai dengan "reaksi" :

 

Proses ini dilakukan tepat di bawah 100 ° C. Karena KNO3 adalah garam yang paling sedikit larut pada suhu kamar, ia dipisahkan dari larutan dengan kristalisasi fraksional. Seperti NaNO3, KNO3 terurai saat dipanaskan.

Bubuk mesiu terdiri dari kalium nitrat, arang kayu, dan belerang dengan perbandingan massa 6: 1: 1. Saat bubuk mesiu dipanaskan, reaksinya adalah

 

21.6 Logam Alkali tanah

Logam alkali tanah kurang elektropositif dan kurang reaktif dibandingkan logam alkali. Kecuali untuk anggota pertama, berilium, yang menyerupai aluminium (logam Golongan 3A) dalam beberapa hal, logam alkali tanah memiliki sifat kimia yang serupa. Karena ion M^2+ nya mencapai konfigurasi elektron yang stabil dari gas mulia sebelumnya, bilangan oksidasi logam alkali tanah dalam bentuk gabungan hampir selalu 12. Tabel 21.5 mencantumkan beberapa sifat umum logam-logam ini. 

Magnesium

Magnesium (lihat Gambar 8.15) adalah unsur paling banyak keenam di kerak bumi (sekitar 2,5 persen massa). Di antara bijih magnesium utama adalah brucite, Mg (OH) 2; dolomit, CaCO3? MgCO3 (Gambar 21.15); dan epsomite, MgSO4? 7H2O. Air laut merupakan sumber magnesium yang baik; ada sekitar 1,3 g magnesium setiap kilogram air laut. Seperti halnya kebanyakan logam alkali dan alkali tanah, magnesium logam diperoleh dengan elektrolisis, dalam hal ini dari klorida cairnya, MgCl2 (diperoleh dari air laut, lihat hal. 156).

 

Tabel 21.15

Kimia magnesium adalah perantara antara berilium dan elemen Grup 2A yang lebih berat. Magnesium tidak bereaksi dengan air dingin tetapi bereaksi perlahan dengan uap:

 

Ia terbakar dengan cemerlang di udara untuk menghasilkan magnesium oksida dan magnesium nitrida

 

Sifat ini membuat magnesium (dalam bentuk pita tipis atau serat) berguna dalam sekejap fotografi dan suar. Magnesium oksida bereaksi sangat lambat dengan air membentuk magnesium hidroksida, suspensi padat putih yang disebut susu magnesia (lihat hlm. 707), yang digunakan untuk mengobati gangguan pencernaan asam:

Magnesium adalah logam alkali tanah yang khas karena hidroksidanya adalah basa kuat. [Satu-satunya hidroksida alkali tanah yang bukan basa kuat adalah Be (OH) 2, yaitu amfoter.] 

Kegunaan utama magnesium adalah pada paduan struktural ringan, untuk katodik perlindungan (lihat Bagian 18.7), dalam sintesis organik, dan baterai. Magnesium adalah penting untuk kehidupan tumbuhan dan hewan, dan ion Mg21 tidak beracun. Diperkirakan bahwa rata-rata orang dewasa mencerna sekitar 0,3 g ion magnesium setiap hari. Magnesium memainkan beberapa peran biologis penting. Ini hadir dalam cairan intraseluler dan ekstraseluler. Ion magnesium sangat penting untuk berfungsinya sejumlah enzim. Magnesium juga hadir dalam pigmen klorofil tumbuhan hijau, yang memainkan peran penting dalam fotosintesis.

Kalsium

Kerak bumi mengandung sekitar 3,4 persen kalsium (lihat Gambar 8.15) berdasarkan massa. Kalsium terjadi pada batu kapur, kalsit, kapur, dan marmer sebagai CaCO3; dalam dolomit sebagai CaCO3? MgCO3 (lihat Gambar 21.15); di gypsum sebagai CaSO4? 2H2O; dan di fluorit sebagai CaF2 (Gambar 21.16). Kalsium logam paling baik disiapkan dengan elektrolisis kalsium klorida cair (CaCl2).

Saat kami membaca Grup 2A dari berilium menjadi barium, kami mencatat adanya peningkatan dalam sifat logam. Tidak seperti berilium dan magnesium, kalsium (seperti strontium dan barium) bereaksi dengan air dingin untuk menghasilkan hidroksida yang sesuai laju reaksinya jauh lebih lambat daripada yang melibatkan logam alkali :

 

Kalsium hidroksida [Ca (OH) 2] umumnya dikenal sebagai kapur mati atau kapur terhidrasi.

Kapur (CaO), yang juga disebut kapur, adalah salah satu bahan tertua dikenal umat manusia. Kapur dihasilkan oleh dekomposisi termal kalsium karbonat :

 

sedangkan kapur mati dihasilkan oleh reaksi antara kapur dan air:

 

Kapur digunakan dalam metalurgi (lihat Bagian 21.2) dan pembuangan SO2 bila bahan bakar fosil dibakar (lihat hlm. 918). Jeruk nipis digunakan dalam pengolahan air.

Kalsium logam memiliki kegunaan yang agak terbatas. Ini berfungsi terutama sebagai agen paduan untuk logam seperti aluminium dan tembaga dan dalam pembuatan logam berilium dari senyawanya. Ini juga digunakan sebagai agen dehidrasi untuk pelarut organik. Kalsium merupakan elemen penting dalam materi hidup. Ini adalah komponen utama dari tulang dan gigi; ion kalsium hadir dalam garam fosfat kompleks, hidroksiapatit, Ca5 (PO4) 3OH. Fungsi karakteristik ion Ca21 dalam sistem kehidupan adalah aktivasi berbagai proses metabolisme. Kalsium memainkan peran penting dalam jantung aksi, pembekuan darah, kontraksi otot, dan transmisi impuls saraf.

21.7 Aluminium

Aluminium (lihat Gambar 8.16) adalah logam paling melimpah dan ketiga paling banyak elemen dalam kerak bumi (7,5 persen massa). Bentuk unsur tidak terjadi di alam; bijih utamanya adalah bauksit (Al2O3? 2H2O). Mineral lain yang mengandung aluminium adalah ortoklas (KAlSi3O8), beryl (Be3Al2Si6O18), kriolit (Na3AlF6), dan korundum (Al2O3) (Gambar 21.17). 

Aluminium biasanya dibuat dari bauksit, yang sering terkontaminasi dengan silika (SiO2), oksida besi, dan titanium (IV) oksida. Bijih pertama kali dipanaskan larutan natrium hidroksida untuk mengubah silika menjadi silikat terlarut:

 

Pada saat yang sama, aluminium oksida diubah menjadi ion aluminat (AlO2 2):

 

Besi oksida dan titanium oksida tidak terpengaruh oleh perlakuan ini dan disaring. Selanjutnya, larutan diolah dengan asam untuk mengendapkan aluminium yang tidak larut hidroksida:

 

Setelah filtrasi, aluminium hidroksida dipanaskan untuk mendapatkan aluminium oksida:

 

Aluminium oksida anhidrat, atau korundum, direduksi menjadi aluminium oleh Hall † proses. Gambar 21.18 menunjukkan sel elektrolitik Hall, yang berisi serangkaian anoda karbon. Katoda juga terbuat dari karbon dan merupakan lapisan di dalam sel. Kunci proses Hall adalah penggunaan kriolit, atau Na3AlF6 (m.p. 1000 ° C), sebagai pelarut aluminium oksida (m.p. 2045 ° C). Campuran tersebut dielektrolisis menjadi menghasilkan aluminium dan gas oksigen:

 

Gas oksigen bereaksi dengan anoda karbon (pada suhu tinggi) untuk membentuk karbon monoksida, yang lepas sebagai gas. Logam aluminium cair (m.p. 660.2 ° C) tenggelam ke dasar bejana, yang darinya dapat dikosongkan dari waktu ke waktu selama prosedur.

Aluminium adalah salah satu logam paling serbaguna yang dikenal. Ini memiliki kepadatan rendah (2,7 g / cm3) dan kekuatan tarik tinggi (yaitu, dapat diregangkan atau ditarik keluar). Aluminium mudah dibentuk, dapat digulung menjadi lembaran tipis, dan merupakan konduktor listrik yang sangat baik. Konduktivitasnya sekitar 65 persen dari tembaga. Namun, karena aluminium lebih murah dan lebih ringan daripada tembaga, aluminium banyak digunakan pada saluran transmisi tegangan tinggi. Meskipun penggunaan utama aluminium adalah dalam konstruksi pesawat terbang, logam murni itu sendiri terlalu lunak dan lemah untuk menahan banyak tekanan. Nya sifat mekanik sangat ditingkatkan dengan memadukannya dengan sejumlah kecil logam seperti tembaga, magnesium, dan mangan, serta silikon. 

Aluminium tidak digunakan oleh sistem kehidupan dan umumnya dianggap tidak beracun. Saat kita membaca tabel periodik dari kiri ke kanan dalam periode tertentu, kita mencatatnya penurunan bertahap dalam sifat logam. Jadi, meskipun aluminium dianggap sebagai logam aktif, tidak bereaksi dengan air seperti halnya natrium dan kalsium. Aluminium bereaksi dengan asam klorida dan dengan basa kuat sebagai berikut:

Aluminium dengan mudah membentuk oksida Al2O3 saat terkena udara:

 

Lapisan tipis oksida ini melindungi logam aluminium dari korosi lebih lanjut dan menyebabkan beberapa inertness aluminium yang tidak terduga. Aluminium oksida memiliki entalpi pembentukan eksotermis yang sangat besar (DH8f 5 21670 kJ / mol). Properti ini membuat aluminium cocok untuk digunakan dalam propelan padat untuk roket seperti yang digunakan untuk beberapa pesawat ulang-alik. Saat campuran aluminium dan amonium perklorat (NH4ClO4) dinyalakan, aluminium dioksidasi menjadi Al2O3, dan panas yang dilepaskan dalam reaksi menyebabkan gas-gas yang terbentuk mengembang dengan besar memaksa. Tindakan ini mengangkat roket.

Afinitas besar aluminium untuk oksigen diilustrasikan dengan baik oleh reaksi bubuk aluminium dengan berbagai macam oksida logam, khususnya logam transisi oksida, untuk menghasilkan logam yang sesuai. Reaksi tipikal adalah

 

yang dapat mengakibatkan suhu mendekati 3000 ° C. Reaksi ini, yang digunakan dalam pengelasan baja dan besi, disebut dengan reaksi termit. 

Terdapat Aluminium klorida sebagai dimer: