A. Kekhasan Atom Karbon

Dalam kehidupan sehari – hari, seyawa kimia memegang peranan penting, seperti dalam makhuluk hidup, sebagai zat pembentuk atau pembangun di dalam sel, jaringan dan organ. Senyawa – senyawa tersebut meliputi asam nukleat, karbohidrat, protein dan lemak. Proses interaksi organ memerlukan zat lain seperti enzim dan hormon. Tubuh kita juga memiliki sistem pertahanan dengan bantuan antibodi. Demikian pula dengan alam sekitar kita seperti tumbuhan dan minyak bumi, juga disusun oleh molekul molekul yang sangat khas dan dibangun oleh atom – atom dengan kerangka atom karbon (C).

Atom Karbon memiliki massa 12 dengan nomor atom 12. Konfigurasi elektronnya adalah 1s2, 2s2, 3p2, dan mengalami hibridisasi dimana 1 elektron dari orbital 2s berpindah ke orbital 2pz, sehingga memiliki konfigurasi stabil 1s2, 2s1, 2p3, dengan membentuk orbital hybrid sp3.

Sehingga atom karbon memiliki kesempatan untuk membentuk empat ikatan dengan atom lainnya, kestabilan struktur ini ditunjukan dengan sudut yang sama 109,50 dengan bentuk tetrahedral, perhatikan Gambar di bawah ini.

Berdasarkan karakteristik tetrahedral maka atom karbon dapat mengikat atom lain selain atom karbon itu sendiri. Secara sederhana atom karbon dapat membentuk empat ikatan dengan atom hydrogen seperti pada Gambar B Kerangka senyawa hidrokarbon dibangun oleh banyak ikatan antar atom karbonnya. Kerangka senyawa hidrokarbon yang paling sederhana memiliki sebuah atom karbon, dilanjutkan dengan dua atom karbon, tiga atom karbon dan seterusnya, perhatikan Gambar di bawah ini :

Dalam berikatan sesama atom karbon terdapat tiga kemukinan, pertama membentuk ikatan tunggal, ikatan rangkap dua dan ikatan rangkap tiga. Untuk penyederhanaan dapat kita ibaratkan Ikatan unggal terjadi dari orbital s dan disebut ikatan sigma pada orbital hibrid sp3 dan bentuk molekul tetrahedron dengan sudut 109,50. Senyawa dengan ikatan tunggal disebut dengan senyawa hidrokarbon jenuh. Senyawa hidrokarbon dengan ikatan rangkap dua terjadi pada orbital p, dan ikatan ini dikenal dengan ikatan phi, pada ikatan rangkap dua terjadi perubahan sudut akibat dua orbital p berposisi sejajar sehingga membentuk orbital sp2 (segi tiga datar) dan sudut yang terbentuk adalah 1200. Sama halnya dengan ikatan rangkap tiga terdapat dua orbital p dalam posisi sejajar sehingga merubah bentuk orbital sp menjadi (bentuk planar) dengan sudut 1800. Bentuk molekul dari senyawa hidrokarbon jenuh dan tidak jenuh ditampilkan pada Gambar di bawah ini. Untuk senyawa hidrokarbon yang memiliki ikatan rangkap disebut dengan senyawa hidrokarbon tidak jenuh.

Atom karbon pada senyawa hidrokarbon memiliki posisi yang berbeda – beda. Coba kita perhatikan rumus bangun dibawah ini pada Gambar di bawah ini. Semua  atom karbon (merah) yang dapat mengikat 3 atom hidrogen dan berposisi di tepi, disebut dengan atom karbon primer. Atom karbon nomor 3 (hijau) yang mengikat 2 atom hidrogen disebut dengan atom karbon sekunder. Demikian pula atom karbon yang mengikat hanya 1 atom hidrogen (warna abu – abu) memiliki posisi sebagai atom karbon tersier. Setiap atom Karbon dalam kerangka senyawa hidrokarbon dapat mengikat atom lain seperti atom hidrogen, oksigen, nitrogen, belerang, klor dan lainnya.

Perbedaan atom yang diikat menyebabkan perubahan khususnya pada polaritas sehingga enyebabkan perbedaan sifat – sifat kimia molekul yang dibentuk. Hal ini dapat dicermati pada Gambar di bawah ini.

B. Isomer

Senyawa hidrokarbon memiliki sebuah keunikan dimana beberapa buah hidrokarbon memiliki rumus molekul yang sama namun memiliki sifat yang berbeda – beda, ternyata perbedaan tersebut disebabkan oleh rumus bangun atau struktur molekulnya. Senyawa dengan rumus molekul yang sama namun berbeda dalam rumus bangun atau struktur molekulnya disebut dengan isomer. Dalam senyawa hidrokarbon jenuh, isomer yang terjadi karena adanya perbedaan atom atau gugus yang mengganti atom hidrogen dalam rantai utama senyawa hidrokarbon. Contoh sederhana, dari bentuk isomer ini ditunjukan dengan atom karbon yang mengikat tiga buah gugus metil, sedangkan isomernya mengikat 1 gugus metil, 2 atom hidrogen dan satu gugus etil, perhatikan Gambar di bawah ini.

Perbedaan struktur molekul menyebabkan perbedaan sifat fisik, molekul pertama memiliki titik leleh = 1380C, titik didih = 10C, dengan densitas 0.58 g/mL, sedangkan molekul yang kedua memiliki titik leleh = 1590C, titik didih = 120C dan densitas 0,55 g/mL. Bentuk isomer lainnya adalah adanya perbedaan gugus yang dikandung dalam senyawa hidrokarbon. Hal ini bisa dicermati pada Gambar di bawah ini.

Dari gambar tampak sebuah molekul dengan rumus molekul yang sama C2H6O. Dalam senyawa ini terdapat 2 atom C, 1 atom O dan 6 atom H, perbedaan terletak pada posisi atom oksigen, senyawa pertama atom oksigen berposisi pada atom C primer –C-O-H. Sedangkan molekul kedua atom oksigen terletak antara dua atom karbon (-C-O-C-). Perbedaan ini juga menyebabkan adanya perbedaan sifat fisika dan sifat kimia dari kedua molekul tersebut. Senyawa hidrokarbon dapat diklasisifikasikan atas dua golongan besar yaitu senyawa hidrokarbon jenuh dan hidrokarbon tidak jenuh. Senyawa hidrokarbon jenuh bercirikan ikatan tunggal antar atom karbon sebagai penyusun rantai utamanya, berbeda dengan senyawa hidrokarbon tidak jenuh yang dapat membentuk ikatan rangkap dua atau rangkap tiga antar atom karbon penyusunnya.

C. Alkana

Senyawa hidrokarbon jenuh dengan ikatan tunggal dapat diprediksi dengan baik, mengingat setiap atom karbon memiliki kemampuan mengikat 4 atom lain. Sehingga senyawa alkana yang dibentuk memiliki pola yang khas. Jumlah atom H yang diikat sangat tergantung dengan jumlah atom C yang berikatan. Atas dasar ini dapat dibentuk deret CnH2n+2, dan dikenal dengan senyawa Alkana dan dapat kita susun dari nilai n = 1 sampai dengan n = ∞. Beberapa senyawa alkana disajikan pada Tabel di bawah ini.

Untuk menuliskan rumus bangun dilakukan dengan menuliskan bagian awal dan bagian akhir adalah CH3, dan diantaranya dituliskan dengan CH2. Sehingga kita dapat menuliskan rumus bangun senyawa C4H10.

Pada senyawa C4H10 terdapat dua atom C yang berposisi di awal dan di akhir dan hanya tersisa dua atom yang terletak diantaranya, sehingga kita dapat tuliskan strukturnya (H3C–CH2–CH2–CH3) dan untuk lebih jelasnya perhatikan Gambar di bawah ini.. Penggambaran Rumus bangun juga dapat dilakukan dengan memperhatikan bentuk tetrahedral dari atom karbon, sehingga bentuk rantai tidak lurus.

D. Penamaan Alkana

Penamaan senyawa alkana dimulai dengan menyebutkan posisi gugus cabang dalam sebuah rantai utama. Penyebutan rantai utama utama ini didasari pada nama dari rantai karbon yang terpanjang. Untuk lebih mudahnya kita perhatikan rumus bangun senyawa pada Gambar di bawah ini.

Dari gambar tampak kotak hijau merupakan penunjuk rantai utama dengan jumlah atom karbon sebanyak lima buah, sehingga rantai utama senyawa adalah pentana. Dalam rantai utama, setiap atom karbon diberi nomor untuk menandai posisi atom Karbon pada rantai utamanya, penomoran dapat dimulai dari kiri kekanan (perhatikan nomor dengan warna hijau gelap). Cabang merupakan gugus yang berada dalam sebuah rantai utama, pada Gambar di atas terdapat dua buah gugus (–CH3) yang berposisi pada atom C nomor 2 dan 4 dari rantai utama pentana. Dalam kasus di atas gugus pada cabang merupakan turunan dari senyawa CH4 yang kehilangan salah satu atom H – nya. Penamaan secara umum gugus cabang yang berasal dari alkana, dilakukan dengan mengubah alkana menjadi alkil. Sehingga dalam kasus ini metana diubah menjadi metil. Nama yang tepat untuk senyawa di atas adalah 2,4 – dimetil pentana. 2,4 menunjukan posisi gugus cabang, kata di pada gugus cabang menunjukan ada 2 buah gugus cabang yaitu metil dan pentana merupakan rantai utama senyawa. Perhatikan tahap dalam penamaan gugus dan cabang dari senyawa ini seperti pada Gambar di bawah ini. Senyawa – senyawa alkana dapat bereaksi dengan senyawa halogen, dari reaksi ini akan dihasilkan senyawa haloalkana.

Haloalkana adalah senyawa alkana yang salah satu atom hidrogen digantikan oleh atom halogen, seperti atom klor, fluor, iod dan brom. Beberapa contoh senyawa halokana seperti pada Gambar berikut ini.

Senyawa haloalkana banyak dipergunakan dalam kehidupan sehari, saat ini senyawa – senyawa tersebut lebih dikenal dengan kloroflorokarbon (CFCs), pemanfaatannya pada air condition (AC ) dan kulkas, hairspray dan polimer plastik seperti teflon. Senyawa ini sangat berbahaya karena dapat merusak ozon yang berada pada lapisan stratosfir. Reaksi terbongkarnya ozon oleh senyawa kloroflorokarbon sebagai berikut ;Di ruang angkasa khususnya lapisan stratosfir CFCs akan terpecah menjadi persenyawaan yang tidak stabil atau radikal bebas, karena adanya sinar ultraviolet (UV) dari matahari. Radikal bebas yang terbentuk selanjutnya bereaksi dengan ozon dan mengubahnya menjadi gas Oksigen dan ClO. Molekul ClO yang dihasilkan tidak stabil dan berubah kembali menjadi radikal bebas. Reaksi ini berjalan secara terus menerus dan akhirnya dapat merusak ozon di strathosfir. Reaksi perusakan lapisan ozon pada strathosfir dapat dilihat pada Bagan di bawah ini.

E. Alkena

Senyawa hidrokarbon yang memiliki ikatan rangkap dua antar atom Karbonnya, dan juga mengikat atom Hidrogen. Jumlah atom Hidrogen merupakan fungsi dari atom Karbonnya, dan mengikuti persamaan: CnH2n dimana n adalah jumlah atom C. Senyawa pertama alkena adalah etena atau lebih populer etilena dan merupakan induk deret homolog alkena, hingga deret ini juga disebut dengan deret etilena. Contoh senyawa etilena dan merupakan kerangka deret homolog etilena ditunjukan pada Gambar berikut ini.

Molekul deret alkena dicirikan oleh adanya sebuah ikatan rangkap yang menghubungkan dua atom karbon yang berdekatan. Beberapa anggota pertama deret ini dicantumkan dalam Tabel berikut ini.

F. Penamaan Alkena

Penamaan alkena adalah sama dengan penamaan alkana, tetapi akhiran –ana pada alkana digantikan dengan akhiran –ena. Penamaan dimulai dengan penetapan rantai utama, yaitu rantai karbon terpanjang yang mengandung ikatan ganda dua. Penetapan gugus cabang, yaitu molekul lain sebagai pengganti atom Hidrogen. Selanjutnya memberikan nomor awal atau nomor 1 (satu) pada atom C yang memiliki ikatan rangkap dan semakin menjauh dari ikatan rangkap tersebut. Memberikan nomor rantai cabang dan menamakan gugus sesuai dengan abjad. Akhirnya nama alkena dapat ditetapkan yaitu dengan menyebutkan nomor dan gugus cabang dilanjutkan dengan menyebutkan rantai utamanya sesuai dengan jumlah atom C dan mengganti akhiran –ana menjadi –ena. Jika jumlah ikatan  rangkap lebih dari satu buah, digunakan awalan diena untuk dua ikatan rangkap, dan triena untuk jumlah ikatan rangkap sebanyak tiga buah (lihat Bagan berikut ini).

Perhatikan Bagan di bawah ini, merupakan contoh penamaan untuk alkena rantai lurus dan alkena yang memiliki gugus cabang.

G. Konfigurasi Stereoisomer Alkena

Ikatan rangkap dua terbentuk dari atom karbon yang terhibridisasi sp2. Masing􀍲masing atom Karbon memiliki dua jenis orbital atom yaitu orbital sigma (σ) dan orbital phi (π). Orbital sp2 membentuk sudut 1200C, membentuk segitiga datar. Sehingga gugus yang ada memiliki rotasi yang terbatas, perhatikan Gambar berikut ini.

Molekul etilena berbentuk segi datar. Ikatan π memiliki energi ikat yang cukup besar yaitu 60 kkal/mol, sehingga bentuk segi tiga datar cukup stabil dan menyebabkan alkena hanya memiliki isomer akibat gugus yang sejajar (cis) atau yang berseberangan atau (trans). Bentuk isomer cis dan trans ditunjukan pada Gambar di bawah ini.

Sifat – sifat fisika alkena yang cukup penting adalah wujud zatnya, untuk senyawa alkena dengan rantai panjang atau yang memiliki jumlah atom karbon lebih besar dari 15 buah, senyawanya berupa zat padat. Titik didih alkena meningkat sebanding dengan peningkatan jumlah atom karbonnya. Jika dibandingkan dengan alkana yang memiliki jumlah atom karbon yang sama, titik didih alkena lebih rendah. Alkena tidak larut dalam pelarut polar seperti air dan alkohol.

Alkena mudah larut dalam senyawa non polar seperti triklorometana (kloroform), etoksietana, benzena, dan lain – lain. Sifat – sifat alkena yang lain disajikan dalam Tabel di bawah ini.

Sifat kimia alkena secara umum relatif stabil dan ikatan antar atom karbonnya lebih kuat dibandingkan dengan ikatan tunggal pada alkana. Reaktifitas senyawa alkena sangat ditentukan oleh sifat ikatan rangkapnya. Reaksi alkena disebabkan oleh lepasnya ikatan rangkap ini, dan berubah membentuk satu senyawa dengan ikatan tunggal atau membentuk dua senyawa senyawa baru dengan ikatan tunggal. Reaktifitas senyawa yang terletak pada ikatan rangkap disederhanakan dalam Gambar berikut ini.

Alkena dalam dunia industri merupakan bahan baku untuk industri petrokimia.  Di dalam laboratorium alkena dapat dibuat dengan cara mereaksikan senyawa alkana yang mengandung unsur halogen (haloalkana) dengan basa kuat seperti NaOH. Reaksi ini dikenal dengan reaksi dehidrohalogenasi, atau reaksi kehilangan hidrogen dan halogen. Hasil reaksi berupa garam dan air, dengan persamaan reaksi seperti Bagan di bawah ini.

Hilangnya senyawa unsur atau ion halogen dan hydrogen dapat terjadi pada sisi atom Karbon yang berdekatan dengan halogen (disebelah kiri atau kanan), untuk lebih mudahnya perhatikan Bagan berikut ini.

Hasil reaksi senyawa 2-butena merupakan produk utama dan 1-butena merupakan produk minor, dimana jumlah senyawa 2-butena yang dihasilkan lebih banyak dibandingkan dengan 1-butena. Atom H pada reaksi eliminasi tersebut diambil dari atom C yang mempunyai substituen atau gugus paling banyak. Dalam hal ini atom C-3 yang mengikat 2 atom C(-CH2-). Sedangkan atom C-1 hanya mengikat 1 atom C. Reaksi kimia alkena yang khas adalah reaksi adisi dan merupakan ciri khas bagi senyawa yang memiliki ikatan rangkap dua maupun rangkap tiga. Proses reaksi adisi didahului dengan pemutusan ikatan dari ikatan π (bersifat lebih lemah), yang dilanjutkan dengan masuknya unsur baru dari luar. Reaksi adisi bisa terjadi dalam beberapa jenis reaksi dan sangat tergantung pada jenis senyawa yang bereaksi, seperti reaksi hidrogenasi, halogenasi, hidrasi, dan reaksi dengan asam halida. Reaksi reduksi pada alkena adalah penambahan hidrogen oleh gas hidrogen H2 dan menghasilkan suatu alkana. Reaksi jenis ini lebih dikenal dengan reaksi hidrogenasi. Reaksi tidak berlangsung spontan umumnya memerlukan katalisator. Hal yang sama juga terjadi pada reaksi halogenasi, dalam hal ini zat yang dipergunakan adalah gas halogen (X2), contohnya senyawa F2, Cl2, Br2 dan I2. Kedua reaksi ini disederhanakan pada Gambar di bawah ini.

Kedua reaksi ini berbeda dalam perlakuannya, untuk reaksi hidrogenasi akan berlangsung dengan baik dan efektif jika ditambahkan katalisator logam. Logam yang umum dipergunakan adalah Nikel (Ni). Sedangkan untuk reaksi halogenasi tidak memerlukan katalisator dan reaksi tersebut berlangsung cukup cepat. Reaksi dengan asam halida merupakan reaksi adisi dengan penambahan HCl pada senyawa etilena dan menghasilkan kloroetana sebagai produk. Hal yang cukup menarik terjadi adalah penambahan senyawa HBr pada propena akan dihasilkan 2 produk. Kedua reaksi ini disederhanakan pada Bagan berikut ini.

Reaksi hidrasi merupakan jenis reaksi adisi alkena menggunakan air (H2O) sebagai pereaksi dengan katalis asam. Seperti reaksi adisi propilena dengan air menggunakan asam sulfat 60%, sesuai persamaan pada Bagan berikut ini.

Senyawa alkena juga dapat dioksidasi dengan beberapa pereaksi seperti kalium permanganat. Reaksi oksidasi dengan KMnO4 dalam suasana netral akan dihasilkan suatu dialkohol yaitu senyawa yang mengandung dua gugus hidroksil saling bersebelahan. Senyawa ini juga lebih dikenal dengan istilah glikol. Reaksi ini disederhanakan pada Bagan berikut ini.

H. Alkuna

Alkuna adalah suatu hidrokarbon dengan satu ikatan rangkap tiga. Senyawa paling sederhana dari alkuna adalah asetilena dengan rumus bangun dan rumus molekul C2H2, lihat Gambar berikut ini.

Rumus umum untuk senyawa alkuna (CnH2n–2). Asetilena adalah induk deret homolog alkuna, maka deret ini juga disebut deret asetilena. Pembuatan gas asetilena telah dikenal sejak lama dengan dengan mereaksikan kalsium karbida dengan air.

Dalam skala kecil, reaksi ini akan memberikan nyala asetilena untuk lampu karbida. Dulu pekerja tambang menggunakan lampu semacam ini; banyaknya gas yang dihasilkan diatur dengan mengendalikan laju air yang diteteskan ke dalam tempat reaksi. Metode komersial yang baru untuk membuat asetilena adalah dengan memanaskan metana dan homolog – homolognya pada temperatur tinggi dengan menambahkan suatu katalis.

I. Tata Nama Alkuna

Penamaan alkuna sama dengan penamaan pada alkana, tetapi akhiran –ana pada alkana digantikan dengan akhiran –una.  Langkah – langkah:

1. Menetapkan rantai utama, yaitu rantai terpanjang yang mempunyai ikatan rangkap tiga. Dilanjutkan dengan memberi namanya yang berasal alkananya dengan mengganti akhirannya dengan una.

2. Menetapkan posisi ikatan rangkap tiga pada rantai utama yang ditunjukkan dengan angka.

3. C nomor 1 adalah C ujung yang terdekat dengan ikatan rangkap. Untuk mempermudah mari kita lihat Gambar berikut ini, cara panamaan untuk senyawa :

H. Sifat-sifat alkuna

Sifat fisika alkuna secara umum mirip dengan alkana dan alkena, seperti :

1. Tidak larut dalam air

2. Alkuna dengan jumlah atom C sedikit berwujud gas, dengan jumlah atom C sedang berwujud cair, dan dengan jumlah atom C banyak berwujud padat.

3. Berupa gas tak berwarna dan baunya khas

4. mudah teroksidasi atau mudah meledak.

Titik didih beberapa senyawa alkuna disajikan pada Tabel di bawah ini.

Alkuna sebagai hidrokakbon tak jenuh, memiliki sifat menyerupai alkena tetapi lebih reaktif. Reaktiftas alkuna disebabkan karena terbongkarnya ikatan rangkap tiga dan membentuk senyawa baru. Atas dasar ini maka reaksi alkuna umumnya reaksi adisi. Contoh reaksi adisi alkuna dengan gas halogen, seperti gas bromine (Br2), klorine (Cl2) dan iodine (I2).

Ikatan rangkap tiga terlepas dan senyawa halogen masuk pada kedua atom karbon. Reaksi terus berlangsung sehingga seluruh ikatan rangkapnya terlepas, dan membentuk senyawa haloalkana. Persamaan reaksi ditunjukan pada Bagan dibawah ini.

Reaksi lainnya yaitu adisi dengan senyawa hidrogen menggunakan katalis Nikel, persamaan reaksi dapat dilihat pada Bagan berikut ini.

Pemanfaatan Akuna seperti pemanfaatan gas etuna (asetilena) untuk pengelasan. Gas asetilena dibakar dengan gas Oksigen mengahsilkan panas yang tinggi ditandai dengan kenaikan suhu sampai dengan 30000C, sangat cocok untuk mengelas logam. Selain itu, alkuna juga dapat dipergunakan sebagai bahan baku pembuatan senyawa lain, karena senyawa ini cukup reaktif. Isomeri pada alkuna sama dengan isomer pada alkena, dimana sifat isomer terjadi karena perpindahan ikatan rangkap sehingga isomer pada alkuna dan pada alkena disebut dengan isomer posisi. Contoh isomer posisi adalah senyawa 2-butuna dengan 1-butuna, perhatikan Gambar berikut ini.

Perlu kita ingat, isomer pada alkena terjadi karena perbedaan pada rantainya dan sering disebut dengan isomer rantai. Senyawa alkana dapat dibedakan dengan alkena dan alkuna. Pembedaan ini dapat dilakukan dengan reaksi penambahan senyawa bromine (Br2). Reaksi adisi pada senyawa alkana tidak terjadi. Sedangkan untuk senyawa alkena maupun alkuna terjadi reaksi Brominasi, peristiwa reaksi ini dapat diikuti dengan mudah, senyawa alkana tidak memberikan perubahan warna ditambahkan dengan senyawa Bromin yang berwarna merah, warna larutan akan tetap berwarna merah.

Berbeda dengan senyawa alkena dan alkuna yang tidak berwarna bereaksi dengan bromine dan terjadi reaksi addisi membentuk senyawa halida yang tidak berwarna, larutan akan tetap tetap tidak berwarna dan terjadi senyawa alkena yang mengandung gugus bromide. Jika reaksi ini terus dilanjutkan, maka reaksi adisi terjadi lagi dan terbentuk senyawa alkana yang mengandung gugus bromide. Untuk lebih jelasnya perhatikan Bagan di bawah ini.