AIR DAN BUFFER

AIR DAN BUFFER

Pendahuluan

— Air adalah substansi yang memungkinkan terjadinya kehidupan seperti yang ada di Bumi.

— Seluruh organisme yang kita kenal di sekeliling kita sebagian besar tersusun dari air dan hidup dalam lingkungan yang didominasi oleh air. Air adalah medium biologis di Bumi ini, dan kemungkinan besar di planet lain juga.

— Kehidupan di Bumi diawali dari air dan berkembang di sana selama 3 miliar tahun sebelum berkembang ke daratan. Kehidupan modern, bahkan kehidupan terestrial (bertempat tinggal di daratan), tetap terikat dengan air.

— Sebagian besar sel dikelilingi oleh air, dan sel itu sendiri mengandung 70 % - 95 % air.

— ¾ permukaan Bumi terendam dalam air.

— Di Bumi, air berada dalam bentuk cair, padat (es) dan gas (uap). Air adalah satu-satunya substansi umum yang ditemukan di alam sekitar kita dalam 3 wujud fisik materi; padat, cair dan gas.

— Lawrence Henderson (The Fitness of the Environment) menekankan pentingnya air untuk kehidupan.

Pengaruh Polaritas Air

— Molekul air terdiri dari 2 atom Hidrogen yang bergabung dengan 1 atom Oksigen dalam suatu ikatan kovalen tunggal. Karena oksigen lebih bersifat elektronegatif bila dibandingkan dengan hidrogen, maka elektron-elektron dari ikatan polar ini lebih lama berada di dekat atom oksigen. Ini menyebabkan daerah oksigen dari molekul tersebut memiliki muatan negatif sedangkan daerah hidrogen memiliki muatan sedikit positif. Molekul air, dengan bentuk seperti huruf V yang melebar, adalah molekul polar, ini berarti ujung-ujung yang berseberangan dari molekul tersebut memiliki muatan berlawanan.

Sifat Anomali Air

— Akan muncul karena adanya gaya tarik menarik antara molekul-molekul polarnya. Tarik menarik tersebut bersifat listrik; 1 atom Hidrogen dari sebuah molekul air yang sedikit positif ditarik oleh atom Oksigen terdekat yang sedikit negatif. Dua molekul tersebut kemudian tetap menyatu akibat adanya ikatan hidrogen.

— Tiap molekul air dapat membentuk ikatan hidrogen dengan maksimal 4 molekul di sekitarnya. Kualitas luar biasa dari air adalah sifatnya yang muncul sebagai akibat adanya ikatan hidrogen yang dapat menyusun molekul-molekul tersebut ke dalam tingkat pengaturan struktural yang lebih tinggi.

Organisme bergantung pada kohesi molekul-molekul air

— Molekul-molekul air bersatu sebagai akibat adanya ikatan hidrogen. Pada saat air berada dalam wujud cair, ikatan hidrogennya sangat rapuh, kekuatannya hanya sekitar 1/20 dari kekuatan ikatan kovalen. Ikatan-ikatan tersebut terbentuk, terpisah, dan terbentuk kembali dengan sangat cepat. Tiap ikatan hidrogen hanya mampu bertahan beberapa pikodetik (pertriliun detik), tetapi molekul-molekulnya secara terus menerus membentuk ikatan baru dengan pasangan penggantinya. Oleh karenanya, dalam waktu singkat, sejumlah tertentu dari seluruh molekul air akan berikatan dengan molekul tetangganya, membuat molekul air lebih teratur dibandingkan cairan lainnya. Secara keseluruhan, ikatan hidrogen menyatukan substansi tersebut, suatu fenomena yang disebut kohesi.

Peranan Kohesi & Adhesi air pada tumbuhan

— Pada tumbuhan, kohesi yang terjadi karena adanya ikatan hidrogen berperan pada pengangkutan (transport) air yang melawan gravitasi.

— Air mencapai daun melalui pembuluh-pembuluh mikroskopik yang menjulur ke atas dari akar. Air yang menguap dari daun digantikan oleh air dari pembuluh dalam urat daun. Ikatan hidrogen menyebabkan molekul air yang keluar dari urat daun dapat menarik molekul air yang berada lebih jauh dalam pembuluh, dan tarikan ke depan tersebut akan terus ditransmisi sepanjang pembuluh sampai ke akar. Adhesi, melekatnya satu zat pada zat lain, juga berperan . Adhesi air pada dinding pembuluh membantu melawan gravitasi.

Air mengatur suhu di Bumi

— Air menstabilkan suhu udara dengan menyerap panas dari udara yang lebih hangat dan kemudian melepaskannya ke udara yang lebih dingin.

— Air cukup efektif sebagai penyimpan panas karena dapat menyerap dan melepaskan panas dalam jumlah besar, dengan hanya mengalami sedikit perubahan suhu.

Panas & Suhu

— Segala sesuatu yang bergerak memiliki EK, energi pergerakan. Atom-atom dan molekul2 memiliki EK karena selalu bergerak, walau gerakannya acak tanpa satu arah tertentu. Semakin cepat 1 molekul bergerak, semakin besar pula Eknya.

— Panas adalah ukuran kuantitas total EK yang diakibatkan oleh pergerakan molekuler dalam suatu materi.

Suhu mengukur besarnya intensitas panas yang ditimbulkan oleh rata-rata EK molekul. Pada saat kecepatan rata-rata molekul meningkat, termometer akan mengukur adanya peningkatan suhu.

— Apabila 2 objek dengan suhu berbeda didekatkan, panas akan merambat dari objek yang lebih hangat ke objek yang lebih dingin sampai kedua objek memiliki suhu yang sama. Molekul2 pada objek yang lebih dingin akan bergerak lebih cepat karena mendapatkan EK dari objek lebih hangat. Es batu mendinginkan minuman bukan dengan mengalirkan dingin ke cairan tersebut, tetapi dengan menyerap panas dari cairan ketika es tersebut mencair.

Skala Celcius & Kalori (kal)

— Pada permukaan laut, air membeku pada suhu 0ºC dan mendidih pada suhu 100ºC. Manusia mempunyai suhu 37ºC, dan suhu ruangan yang nyaman sekitar 20-25ºC.

— 1 kalori adalah jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 g air sebesar 1ºC. Sebaliknya, 1 kalori adalah jumlah panas yang dilepaskan oleh 1 g air untuk menurunkan suhu sebesar 1ºC.

— 1 kilokalori = 1.000 kalori

— Unit energi = Joule.

— 1 Joule = 0,239 kalori.

— 1 kalori = 4,184 J.

Panas Jenis Air yang besar

— Kemampuan air untuk menstabilkan suhu bergantung pada panas jenisnya yang relatif besar.

— Panas jenis dari suatu zat adalah panas yang harus diserap atau dibebaskan agar 1 gr zat tersebut dapat mengubah suhunya sebesar 1ºC.

— Panas jenis air = 1 kalori per gram per derajat Celcius (1 kal/g/ºC (air memiliki panas jenis yang luar biasa tinggi).

— Etil Alkohol, jenis alkohol dalam minuman beralkohol, memiliki panas jenis sebesar 0,6 kal/g/ºC.

Pendinginan Melalui Penguapan

— Molekul2 dari zat cair tetap berdekatan satu dengan yang lain karena saling tarik-menarik. Molekul-molekul yang bergerak cukup cepat untuk menghadapi tarik-menarik ini dapat memisahkan diri dari cairan dan masuk ke udara dalam wujud gas. Perubahan bentuk (transformasi) dari cairan menjadi gas ini disebut penguapan (evaporasi). Jika cairan dipanaskan, maka rata2 EK molekulnya meningkat dan cairan akan menguap lebih cepat lagi.

Panas Penguapan

— Panas penguapan adalah sejumlah panas yang harus diserap oleh 1 g cairan supaya dapat berubah dari wujud cair ke perubahan wujud gas.

— Dibandingkan dengan cairan lain, air memiki panas penguapan yang tinggi.

— Untuk menguapkan tiap gram air pada suhu ruangan, kita membutuhkan sekitar 580 kal panas-hampir 2 x lipat jumlah kalori yang dibutuhkan 1 gr alkohol/ amonia.

— Panas penguapan yang tinggi adalah sifat khas air lainnya yang disebabkan oleh adanya ikatan hidrogen, yang harus diurai sebelum molekul2nya melepaskan diri dari cairan.

Lautan dan danau tidak membeku menjadi padatan karena es mengapung

— Air adalah 1 dari sedikit zat yang wujud cairnya lebih rapat daripada wujud padatnya. Artinya es libih ringan daripada air dan akan mengapung di air. Kalau benda lain mengerut ketika dipadatkan, es malah mengembang. Hal unik ini bisa terjadi , berkat adanya ikatan hidrogen.

— Pada suhu di atas 4ºC air bersifat seperti cairan, mengembang ketika panas dan mengerut ketika dingin. Air mulai membeku ketika molekul-molekulnya mulai bergerak lambat sehingga tidak mampu memutuskan ikatan hidrogen. Ketika suhu mencapai 0ºC, air mulai terjebak dalam kisi kristal, dan masing2 molekul berikatan dengan maksimum 4 molekul lainnya.

Air adalah pelarut kehidupan

— Larutan : cairan yang merupakan campuran homogen dari 2 / lebih zat.

— Zat pelarut : bahan yang bersifat melarutkan dari larutan.

— Zat terlarut : zat yang dilarutkan.

— Dalam larutan gula, air adalah pelarut dan gula adalah zat terlarut. Suatu larutan aqueous adalah larutan di mana zat pelarutnya adalah air. Gula dapat larut karena molekul air dapat menyelubungi molekul polar gula. Bahkan molekul sebesar protein dapat larut dalam air jika memiliki daerah ionik dan daerah polar pada permukaannya.

— Berbagai jenis senyawa polar dapat dilarutkan (bersama ion-ionnya) dalam air cairan2 biologis, seperti darah, sari tumbuhan, maupun cairan dalam sel-sel. Air adalah pelarut kehidupan.

Zat Hidrofilik & Hidrofobik

— Hidrofilik (Yunani, hydro = air, philios = cinta); “semua zat yang memiliki afinitas terhadap air, baik yang bersifat ionik ataupun polar.

— Contoh; kapas (substansi hidrofilik yang menyerap air tanpa larut. Kapas terdiri dari molekul2 selulosa raksasa, suatu senyawa dengan sejumlah besar daerah-daerah yang sebagian bermuatan positif & sebagian bermuatan negatif yang dihubungkan dengan ikatan olar. Air melekat pada serat2 selulosa. Oleh karenanya, handuk yang terbuat dari kapas akan berfungsi sangat baik dalam mengeringkan badan, tetapi juga tidak akan larut dalam mesin cuci.

— Hidrofobik (Yunani, hydro = air, phobos = takut); “substansi yang tidak memiliki afinitas terhadap air. Senyawa yang non ionik dan nonpolar tampaknya benar-benar menolak air.

— Contoh; minyak nabati. Sifat hidrofobik dari molekul minyak ini terjadi akibat adanya ikatan nonpolar, dalam hal ini merupakan ikatan antara karbon dan hidrogen, yang membagi elektron2nya hampir sama rata. Molekul2 hidrofobik yang berkaitan dgn minyak adalah bahan utama dari membran sel .

Asam & Basa

— Asam; “suatu zat yang dapat meningkatkan konsentrasi H+ dalam larutan. Misalnya, asam klorida (HCl) ditambahkan ke dalam air, ion hidrogen terpisah dari ion klorida; HCl à H⁺ + Cl^-. Sumber H⁺ tambahan dalam larutan ini menyebabkan larutan memiliki lebih banyak H⁺ daripada OH^-.

— Basa; “suatu zat yang dapat mengurangi konsentrasi ion hidrogen dalam larutan. Beberapa basa mengurangi konsentrasi H⁺ dalam larutan secara tidak langsung dengan membentuk ion hidroksida.

— Contoh; NaOH à Na⁺ + OH^-.

— HCl & NaOH adalah senyawa2 yang terurai sempurna ketika dicampur air. HCl adalah asam kuat (HCl à H⁺ + CL^- )dan NaOH (NaOH à Na⁺ + OH^-) adalah basa kuat karena dapat terurai sempurna.

— Sebaliknya, Amonia (NH3) adalah basa yang relatif lemah. Panah ganda dalam reaksi amonia menandakan bahwa pengikatan dan pelepasan ion hidrogen adalah reversibel (NH3 + H+ <------ > NH4⁺ )walaupun pada kesetimbangan akan terdapat rasio antara NH+ dan NH3 yg tetap.

— Ada juga asam lemah, yg secara reversibel melepaskan dan menerima kembali ion hidrogen (contoh : asam karbonat (H2CO3 <---------- > HCO3^- + H⁺).

Buffer

— Nilai pH internal dari sebagian besar sel hidup mendekati 7. Perubahan pH walau hanya sedikit saja dapat berbahaya, karena proses kimia pada sel sangat peka terhadap konsentrasi ion hidrogen dan ion hidroksida.

— Cairan –cairan biologis dapat tetap mempertahankan pH-nya saat ditambahkan asam atau basa karena keberadaan zat penyangga (buffer), yaitu suatu zat yang meminimalkan perubahan konsentrasi H⁺ dan OH^- dalam larutan. Zat penyangga dalam darah manusia misalnya, mampu mempertahankan pH darah sekitar 7,4. Manusia tidak akan bisa bertahan lebih dari beberapa menit jika pH darahnya turun sampai 7 atau naik sampai 7,8. Pada kondisi normal, kapasitas penyangga dalam darah mencegah turun naiknya pH.