Kompetensi
Setelah mempelajari materi ini, anda diharapkan mampu :
- Menjelaskan sifat-sifat unsur yang termasuk golongan gas mulia melalui grafik atau diagram
- Menjelaskan senyawa-senyawa yang dibentuk oleh unsur-unsur yang termasuk dalam golongan gas mulia
- Menjelaskan keberadaan gas mulia di alam
- Menjelaskan kegunaan unsur-unsur gas mulia dalam kehidupan sehari-hari
Materi
Pendahuluan
Unsur-unsur gas mulia (golongan VIIIA) terdiri atas helium (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), xenon (Xe), dan radon (Rn). Pada awalnya, unsur-unsur ini dikenal dengan istilah gas inert (lembam) karena tidak satu pun unsur-unsur ini dapat bereaksi dengan unsur lain membentuk senyawa. Baru sekitar tahun 1960, para ahli berhasil mensintesis senyawa Kr dan Xe. Oleh karena itu unsur-unsur ini lebih dikenal sebagai gas mulia (stabil, tidak reaktif).
Sifatnya yang tidak reaktif ini menyebabkan gas mulia ditemukan di alam sebagai atom tunggal atau monoatomik. Sumber utama gas mulia adalah udara, kecuali untuk He dan Rn. He lebih banyak ditemukan di gas alam, sementara Rn berasal dari peluruhan panjang unsur radioaktif unsur uranium dan peluruhan langsung radium. Jumlahnya yang sangat sedikit di atmosfer atau di udara membuat gas mulia disebut juga dengan gas jarang.
Dalam satu golongan, jari-jari atom unsur-unsur gas mulia dari atas ke bawah semakin besar karena bertambahnya kulit yang terisi elektron sedangkan energi ionisasinya dari atas ke bawah semakin kecil karena gaya tarik inti atom terhadap elektron terluar semakin lemah. Afinitas elektron unsur-unsur gas mulia sangat kecil sehingga hampir mendekati nol. Titik didih unsur-unsur gas mulia berbanding lurus dengan kenaikan massa atom, hal ini juga berlaku untuk titik leleh gas mulia.
Sifat Gas Mulia
Sifat Atomik
A. Jari-Jari Atom
Dalam satu golongan, jari-jari atom unsur-unsur gas mulia dari atas ke bawah semakin besar karena meskipun muatan inti bertambah positif, namun jumlah kulit semakin banyak. Keadaan ini menyebabkan gaya tarik menarik inti terhadap elektron semakin lemah, akibatnya jari-jari atom bertambah besar.
Dalam satu golongan, jari-jari atom unsur-unsur gas mulia dari atas ke bawah semakin besar karena meskipun muatan inti bertambah positif, namun jumlah kulit semakin banyak. Keadaan ini menyebabkan gaya tarik menarik inti terhadap elektron semakin lemah, akibatnya jari-jari atom bertambah besar.
B. Energi Ionisasi
Energi Ionisasi unsur-unsur golongan gas mulia dari atas ke bawah cenderung semakin kecil. Hal ini dikarenakan meski muatan inti bertambah positif, namun jari-jari atom bertambah besar. Keadaan ini menyebabkan gaya tarik menarik inti terhadap elektron terluar semakin lemah sehingga energi ionisasi semakin berkurang
Energi Ionisasi unsur-unsur golongan gas mulia dari atas ke bawah cenderung semakin kecil. Hal ini dikarenakan meski muatan inti bertambah positif, namun jari-jari atom bertambah besar. Keadaan ini menyebabkan gaya tarik menarik inti terhadap elektron terluar semakin lemah sehingga energi ionisasi semakin berkurang
C. Keelektronegatifan
Nilai keelektronegatifan He, Ne, dan Ar tidak ada, sedangkan nilai keelektronegatifan berkurang dari Kr ke Rn
Nilai keelektronegatifan He, Ne, dan Ar tidak ada, sedangkan nilai keelektronegatifan berkurang dari Kr ke Rn
D. Bilangan Oksidasi
Nilai bilangan oksidasi He, Ne dan Ar adalah nol, sedangkan Kr, Xe, dan Rn memiliki beberapa bilangan oksidasi
Nilai bilangan oksidasi He, Ne dan Ar adalah nol, sedangkan Kr, Xe, dan Rn memiliki beberapa bilangan oksidasi
Sifat Fisis
Selain memiliki karakteristik yang khas pada sifat atomik, gas mulia juga memiliki karakteristik yang khas untuk sifat fisisnya. Beberapa sifat fisis gas mulia dirangkum dalam tabel di bawah ini
Dari data di atas, kita dapat melihat adanya keteraturan berikut :
A. Kerapatan bertambah dari He ke Rn
Nilai kerapatan gas mulia dipengaruhi oleh massa atom, jari-jari atom, dan gaya London. Nilai kerapatan semakin besar dengan pertambahan masa atom dan kekuatan gaya London, dan sebaliknya semakin kecil dengan pertambahan jari-jari atom. Karena nilai kerapatan gas mulia bertambah dari He ke Rn, maka kenaikan nilai massa atom dan kekuatan gaya London dari He ke Rn lebih dominan dibandingkan kenaikan jari-jari atom.
Nilai kerapatan gas mulia dipengaruhi oleh massa atom, jari-jari atom, dan gaya London. Nilai kerapatan semakin besar dengan pertambahan masa atom dan kekuatan gaya London, dan sebaliknya semakin kecil dengan pertambahan jari-jari atom. Karena nilai kerapatan gas mulia bertambah dari He ke Rn, maka kenaikan nilai massa atom dan kekuatan gaya London dari He ke Rn lebih dominan dibandingkan kenaikan jari-jari atom.
B. Titik leleh dan titik didih bertambah dari He ke Rn
Hal ini dikarenakan kekuatan gaya London bertambah dari He ke Rn sehingga atom-atom gas mulia semakin sulit lepas. Dibutuhkan energi, dalam hal ini suhu yang semakin besar untuk mengatasi gaya London yang semakin kuat .
Hal ini dikarenakan kekuatan gaya London bertambah dari He ke Rn sehingga atom-atom gas mulia semakin sulit lepas. Dibutuhkan energi, dalam hal ini suhu yang semakin besar untuk mengatasi gaya London yang semakin kuat .
C. Daya hantar panas berkurang dari He ke Rn
Hal ini dikarenakan kekuatan gaya London bertambah dari He ke Rn. Dengan kata lain, partikel relatif semakin sulit bergerak sehingga energi, dalam hal ini panas, akan semakin sulit pula untuk ditransfer.
Hal ini dikarenakan kekuatan gaya London bertambah dari He ke Rn. Dengan kata lain, partikel relatif semakin sulit bergerak sehingga energi, dalam hal ini panas, akan semakin sulit pula untuk ditransfer.
Persenyawaan Gas Mulia
Gas mulia memiliki konfigurasi elektron yang sudah stabil. Oleh karena itu, gas mulia cenderung sulit bereaksi atau tidak reaktif. Hal ini didukung oleh kenyataan bahwa di alam, gas mulia selalu berada sebagai atom tunggal atau monoatomik. Namun demikian, para ahli telah berhasil mensintesis senyawa gas mulia pada periode ke 3 ke atas.
Hal ini didasarkan atas kemampuan beberapa unsur dari golongan VA, VIA, dan VIIA pada periode 3 ke atas untuk membentuk ikatan kovalen dengan elektron valensi lebih dari 8, yakni 10 dan 12. Seperti diketahui, pada periode 3 ke atas, disamping orbital-orbital di subkulit s dan p yang hanya dapat memuat 8 elektron, pada kulit yang sama terdapat pula subkulit d yang dapat memuat tambahan 10 elektron.
Sehingga:
Ar (Z = 18: [Ne] 3s2 3p6 3d0
Kr (Z = 36: [Ar] 3d10 4s2 4p6 3d0
Xe (Z = 54: [Kr] 4d10 5s2 5p6 5d0
Rn (Z = 86: [Xe] 4f14 5d2 6s2 6p6 6d0
Ar (Z = 18: [Ne] 3s2 3p6 3d0
Kr (Z = 36: [Ar] 3d10 4s2 4p6 3d0
Xe (Z = 54: [Kr] 4d10 5s2 5p6 5d0
Rn (Z = 86: [Xe] 4f14 5d2 6s2 6p6 6d0
Pada gas mulia, orbital-orbital di subkulit s dan p telah penuh. Namun, jika elektron-elektron ini dapat dipindahkan ke orbital-orbital di subkulit d pada kulit yang sama yang masih belum terisi, maka pembentukan senyawa dapat dimungkinkan.
Untuk memahami reaksi yang terjadi pada unsur gas mulia, ambil contoh Xe dengan konfigurasi elektron pada kulit terluar n=5 di mana baru subkulit 5s dan 5p yang penuh, sementara subkulit 5d masih kosong. Unsur ini akan bereaksi dengan gas fluorin (F2).
1. Pembentukan senyawa XeF2
Konfigurasi elektron untuk Xe:
Sedangkan konfigurasi elektron untuk F:
Terdapat 1 elektron tidak berpasangan pada orbital 2p
Elektron pada orbital 5p melakukan promosi menuju orbital 5d sehingga:
Terdapat 2 elektron tidak berpasangan Selanjutnya 2 elektron tidak berpasangan pada atom Xe itu akan berpasangan dengan 2 elektron bebas dari 2 atom F untuk membentuk orbital hibrida
2. Pembentukan senyawa XeF4 dan XeF6
Secara umum proses pembentukan senyawa XeF4 dan XeF6 berlangsung dengan proses serupa dengan pembentukan senyawa XeF2. Perbedaan yang terjadi adalah pada orbital hibrida yang terbentuk pada senyawa-senyawa tersebut yang menyebabkan perbedaan pada struktur molekul untuk masing-masing senyawa.
Gas Mulia di Alam
Komposisi Gas Mulia dalam udara kering
Sifatnya yang tidak reaktif ini menyebabkan gas mulia ditemukan di alam sebagai atom tunggal atau monoatomik. Sumber utama gas mulia adalah udara, kecuali untuk He dan Rn. He lebih banyak ditemukan di gas alam, sementara Rn berasal dari peluruhan panjang unsur radioaktif unsur uranium dan peluruhan langsung radium. Jumlahnya yang sangat sedikit di atmosfer atau di udara membuat gas mulia disebut juga dengan gas jarang.
Sifatnya yang tidak reaktif ini menyebabkan gas mulia ditemukan di alam sebagai atom tunggal atau monoatomik. Sumber utama gas mulia adalah udara, kecuali untuk He dan Rn. He lebih banyak ditemukan di gas alam, sementara Rn berasal dari peluruhan panjang unsur radioaktif unsur uranium dan peluruhan langsung radium. Jumlahnya yang sangat sedikit di atmosfer atau di udara membuat gas mulia disebut juga dengan gas jarang.
Ekstraksi Gas Mulia
Gas mulia di alam berada dalam bentuk monoatomik kerena bersifat tidak reaktif. Oleh karena itu, ekstraksi gas mulia umumnya menggunakan pemisahan secara fisis. Perkecualian adalah radon yang diperoleh dari peluruhan unsur radioaktif.
Gas mulia di alam berada dalam bentuk monoatomik kerena bersifat tidak reaktif. Oleh karena itu, ekstraksi gas mulia umumnya menggunakan pemisahan secara fisis. Perkecualian adalah radon yang diperoleh dari peluruhan unsur radioaktif.
1. Ekstraksi He dari gas alam
Gas alam mengandung hidrokarbon dan zat seperti CO2, uap air, He, dan pengotor lainnya. Untuk mengekstraksi He dari gas alam, digunakan proses pengembunan (liquefaction). Pada tahap awal, CO2¬ dan uap air terlebih dahulu dipisahkan (Hal ini karena pada proses pengembunan, CO2¬ dan uap air dapat membentuk padatan yang menyebabkan penyumbatan pipa). Kemudian, gas alam diembunkan pada suhu di bawah suhu pengembunan hidrokarbon tetapi di atas suhu pengembunan He. Dengan demikian, diperoleh produk berupa campuran gas yang mengandung 50% He, N2, dan pengotor lainnya. Selanjutnya, He dimurnikan dengan proses antara lain:
- Proses kriogenik (kriogenik artinya menghasilkan dingin). Campuran gas diberi tekanan, lalu didinginkan dengan cepat agar N2 mengembun sehingga dapat dipisahkan, sisa campuran dilewatkan melalui arang teraktivasi yang akan menyerap pengotor sehingga diperoleh He yang sangat murni.
- Proses adsorpsi. Campuran gas dilewatkan melalui bahan penyerap (adsorbent bed) yang secara selektif menyerap pengotor. Proses ini menghasilkan He dengan kemurnian 99,997% atau lebih.
2. Ekstraksi He, Ne, Ar, Kr, dan Xe dari udara
Proses yang digunakan disebut teknologi pemisahan udara. Pada tahap awal, CO2 dan uap air dipisahkan terlebih dahulu. Kemudian, udara diembunkan dengan pemberian tekanan 200 atm diikuti pendinginan cepat. Sebagian besar udara akan membentuk fase cair dengan kandungan gas yang lebih banyak, yakni 60% gas mulia (Ar, Kr, Xe) dan sisanya 30% dan 10% N2. Sisa udara yang mengandung He dan Ne tidak mengembun karena titik didih kedua gas tersebut sangat rendah. Selanjutnya, Ar, Kr, dan Xe dalam udara cair dipisahkan menggunakan proses, antara lain:
- Proses adsorpsi. Pertama, O2 dam N2 dipisahkan terlebih dahulu menggunakan reaksi kimia. O¬2 direaksikan dengan Cu panas. Lalu N2 direaksikan dengan Mg. sisa campuran (A, Xe, dan Kr) kemudian akan diadsorpsi oleh arang teraktivasi. Sewaktu arang dipanaskan perlahan, pada kisaran suhu tertentu setiap gas akan terdesorpsi atau keluar dari arang. Air diperoleh pada suhu sekitar -80 , sementara Kr dan Xe pada suhu yang lebih tinggi.
- Proses distilasi fraksional menggunakan kolom distilasi fraksional bertekanan tinggi. Prinsip pemisahan adalah perbedaan titik didih zat. Karena titik didih N2 paling rendah, maka N2 terlebih dahulu dipisahkan. Selanjutnya, Ar dan O2¬ dipisahkan. Fraksi berkadar 10% Air ini lalu dilewatkan melalui kolom distilasi terpisah dimana diperoleh Ar dengan kemurinian 98% (Ar dengan kemurnian 99,9995% masih dapat diperoleh dengan proses lebih lanjut). Sisa gas, yakni Xe dan Kr, dipisahkan pada tahapan distilasi selanjutnya.
Kegunaan Gas Mulia
Dalam kehidupan sehari-hari, unsur gas mulia digunakan dalam rumah tangga hingga teknologi modern. Berikut beberapa kegunaan dari unsur-unsur gas mulia:
1. Helium
Helium merupakan gas yang ringan dan tidak mudah terbakar. Helium dapat digunakan sebagai pengisi balon udara. Helium cair digunakan sebagai zat pendingin karena memiliki titik uap yang sangat rendah. Helium yang tidak reaktif digunakan sebagai pengganti nitrogen untuk membuat udara buatan untuk penyelaman dasar laut. Para penyelam bekerja pada tekanan tinggi. Jika digunakan campuran nitrogen dan oksigen untuk membuat udara buatan, nitrogen yang terhisap mudah terlarut dalam darah dan dapat menimbulkan halusinasi pada penyelam. Oleh para penyelam, keadaan ini disebut “pesona bawah laut”. Ketika penyelam kembali ke permukaan, (tekanan atmosfer) gas nitrogen keluar dari darah dengan cepat. Terbentuknya gelembung gas dalam darah dapat menimbulkan rasa sakit atau kematian.
2. Argon
Argon digunakan dalam las titanium pada pembuatan pesawat terbang atau roket. Argon juga digunakan dalam las stainless steel dan sebagai pengisi bola lampu pijar karena argon tidak bereaksi dengan wolfram (tungsten) yang panas.
3. Neon
Neon dapat digunakan untuk pengisi bola lampu. Neon digunakan juga sebagai zat pendingin, indikator tegangan tinggi, penangkal petir, dan untuk pengisi tabung-tabung televisi
4. Kripton
Kripton bersama argon digunakan sebagai pengisi lampu fluoresen bertekanan rendah. Kripton juga digunakan dalam lampu mercusuar, laser untuk perawatan retina
5. Xenon
Xenon digunakan untuk menghasilkan cahaya terang pada lampu blitz (flash gun), pembuatan tabung elektron, komponen reaktor nuklir. Xenon merupakan satu-satunya gas mulia yang bersifat anestesi/membius pada tekanan atmosfer.
6. Radon
Radon yang bersifat radioaktif dahulu digunakan sebagai cat angka pada jam. Radon sekarang digunakan untuk terapi kanker dan sistem peringatan gempa. Namun demikian, jika radon terhisap dalam jumlah banyak, malah akan menimbulkan kanker paru-paru.
