Kimia Industri — Nota JomSkor

Apakah Aloi

Aloi merupakan campuran beberapa jenis logam atau campuran logam dan bukan logam mengikut peratusan yang tertentu. Terdapat beberapa jenis aloi yang biasa digunakan dalam kehidupan harian seperti keluli, piuter, gangsa, loyang dan duralumin. Komposisi atau peratus kandungan setiap unsur dalam aloi boleh diubah mengikut kesesuaian penggunaannya.

Aloi = campuran logam dengan logam atau bukan logam lain mengikut peratusan tertentu

Komposisi, Sifat dan Kegunaan Aloi

Keluli (keras dan kuat) digunakan membina bangunan dan jambatan, badan kenderaan dan landasan kereta api. Piuter (permukaan berkilau, tahan kakisan) digunakan membuat barangan perhiasan seperti bingkai gambar. Gangsa (keras, tahan kakisan, warna yang menarik) digunakan membuat tugu, ukiran logam, duit syiling dan pingat. Loyang (kuat, permukaan berkilat, mudah ditempa, warna keemasan) digunakan membuat kunci, tombol pintu, alatan muzik seperti trompet dan sebagainya. Duralumin (ringan, tahan kakisan) digunakan membuat badan pesawat dan kapal terbang.

Keluli: Besi 99% + Karbon 1% | Piuter: Timah 96%+Kuprum 3%+Antimoni 1% | Gangsa: Kuprum 88%+Timah 12% | Loyang: Kuprum 75%+Zink 25% | Duralumin: Aluminium 95%+Kuprum 3%+Magnesium 1%+Mangan 1%

Mengapa Aloi Dihasilkan

Kebanyakan logam tulen adalah lembut dan mudah terkakis, ciri ini tidak sesuai untuk menghasilkan kebanyakan benda di sekeliling kita. Maka, proses pembentukan aloi atau pengaloian dilakukan untuk memperbaiki sifat logam tulen tersebut.

Logam tulen lembut dan mudah terkakis -> Pengaloian -> sifat logam diperbaiki

Susunan Atom dalam Logam Tulen dan Aloi

Atom di dalam logam tulen tersusun secara teratur dan berlapis-lapis. Lapisan atom logam tulen mudah menggelongsor apabila dikenakan daya, menjadikan logam tulen lembut dan mudah terkakis. Apabila satu atau lebih unsur logam atau bukan logam dicampurkan ke dalam logam tulen, atom-atom unsur ini menyukarkan penggelongsoran antara lapisan atom logam tulen kerana atom unsur asing mempunyai saiz yang berlainan. Maka, aloi adalah lebih kuat dan keras berbanding dengan logam tulen.

Logam tulen: atom tersusun teratur berlapis-lapis (mudah menggelongsor) | Aloi: atom unsur asing saiz berlainan menghalang penggelongsoran

Sejarah Aloi

Aloi pertama yang ditemui ialah gangsa. Gangsa ditemui beribu-ribu tahun dahulu pada zaman prasejarah dan disebut Zaman Gangsa. Pada zaman itu, gangsa banyak digunakan untuk membuat alatan dan senjata.

Gangsa = aloi pertama ditemui, beratus-ratus tahun lalu pada Zaman Gangsa

Aloi Superkonduktor

Terdapat beberapa jenis aloi logam dan bukan logam yang menunjukkan sifat superkonduktor pada suhu yang rendah dan dicampurkan untuk membuat aloi superkonduktor. Superkonduktor ialah bahan yang boleh mengalirkan arus elektrik pada kecekapan tinggi tanpa rintangan. Superkonduktor boleh berupaya untuk menolak medan magnet dan menyebabkan bahan magnet terapung apabila diletakkan di atas magnet. Contoh: aloi superkonduktor seperti niobium titanium dan niobium timah digunakan dalam pembuatan peralatan mesin pengimejan resonans magnetik (MRI) untuk pengimejan perubatan, serta digunakan dalam landasan kereta api Maglev membolehkan kereta api ini bergerak dengan sangat laju.

Suhu sangat rendah -> aloi superkonduktor mengalirkan arus elektrik pada kecekapan tinggi tanpa rintangan

Apakah Kaca

Kaca dipercayai mula digunakan sekitar 5000 tahun S.M. Kaca diperbuat daripada silika. Silika ialah sebatian yang mengandungi silikon dioksida dan wujud secara semula jadi di dalam pasir. Silika tulen dileburkan sekitar 1700 darjah Celsius sehingga menjadi cecair dan dibentuk menjadi kaca.

Silika (silikon dioksida) dilelehkan ~1500 darjah Celsius -> dibentuk menjadi kaca

Jenis-Jenis Kaca, Komposisi dan Ciri-Ciri

Kaca silika terlakur tahan terhadap haba dan lengai terhadap bahan kimia. Kaca soda kapur (paling biasa, untuk botol kaca) takat lebur rendah dan mudah dibentuk. Kaca borosilikat (untuk radas makmal seperti bikar dan kelalang kon) mempunyai ketahanan yang sangat tinggi terhadap haba dan bahan kimia berbanding dengan kaca soda kapur. Kaca plumbum takat lebur rendah dan mempunyai indeks biasan yang tinggi, digunakan untuk membuat prisma kaca yang mengkaji penyebaran cahaya.

Kaca silika terlakur: Silika | Kaca soda kapur: Silika+Kalsium karbonat+Natrium karbonat | Kaca borosilikat: Silika+Boron oksida+Natrium oksida+Aluminium oksida | Kaca plumbum: Silika+Plumbum(II) oksida+Natrium oksida

Apakah Seramik

Seramik terdiri daripada bahan bukan logam yang terbentuk hasil daripada tindakan haba pada suhu yang tinggi. Seramik diperbuat daripada tanah liat. Komponen utama dalam tanah liat ialah aluminium silikat. Seramik tahan haba dan tekanan yang tinggi, seramik juga sangat keras, rapuh, lengai terhadap bahan kimia dan tidak berkarat. Selain itu, seramik juga merupakan penebat haba dan elektrik yang baik.

Tanah liat -> tindakan haba suhu tinggi -> seramik (komponen utama: aluminium silikat)

Aplikasi Kaca dalam Kehidupan Harian

Radas makmal seperti bikar dan kelalang kon diperbuat daripada kaca borosilikat kerana ciri ketahanannya yang sangat tinggi terhadap haba dan bahan kimia. Penutup kaca mentol biasanya diperbuat daripada kaca soda kapur kerana cirinya yang tahan haba dan mudah dibentuk. Prisma kaca yang diperbuat daripada kaca plumbum digunakan untuk mengkaji penyebaran cahaya kerana mempunyai indeks biasan cahaya yang tinggi. Tingkap kaca yang lut sinar membenarkan cahaya masuk ke dalam rumah.

Aplikasi Seramik dalam Kehidupan Harian

Pinggan mangkuk diperbuat daripada seramik kerana cirinya yang tahan haba dan tidak terkakis. Seramik digunakan dalam pembuatan gigi palsu kerana ciri seramik yang keras dan kuat serta lengai terhadap bahan kimia. Jubin seramik digunakan sebagai lantai kerana cirinya yang berkilau, menjadikan lantai kelihatan bersih dan cantik. Pasu bunga seramik adalah keras dan kuat.

Tingkap Dwikaca (TDK)

Tingkap dwikaca (TDK) terdiri daripada dua panel kaca dengan ruang kosong di tengah yang dicantumkan menjadi satu dan dimasukkan ke dalam bingkai tingkap atau pintu. Tingkap dwikaca adalah lebih baik berbanding dengan tingkap satu panel kaca kerana dapat mengurangkan haba masuk melaluinya dan membuat bahagian di dalam bangunan lebih sejuk. Selain itu, tingkap ini juga adalah kalis bunyi. Tingkap dwikaca juga dianggap pilihan yang lebih selamat berbanding dengan dua panel kaca lebih sukar untuk dipecahkan berbanding dengan satu panel kaca.

Apakah Polimer

Polimer ialah molekul besar berbentuk rantai yang terdiri daripada gabungan unit molekul kecil. Unit-unit molekul kecil yang membentuk polimer ini dikenali sebagai monomer. Polimer dapat dikelaskan kepada polimer semula jadi dan polimer sintetik.

Polimer = unit-unit monomer bergabung membentuk molekul besar berbentuk rantai

Polimer Semula Jadi

Polimer semula jadi ialah polimer yang wujud secara semula jadi. Kanji terdiri daripada monomer glukosa, kegunaannya memberikan tenaga. Protein terdiri daripada monomer asid amino, kegunaannya membina sel dan tisu badan. Getah asli terdiri daripada monomer isoprena, kegunaannya membuat produk berasaskan getah.

Kanji: monomer Glukosa | Protein: monomer Asid amino | Getah asli: monomer Isoprena

Polimer Sintetik

Polimer sintetik ialah polimer buatan manusia yang menggunakan bahan kimia. Poletena (daripada etena) digunakan membuat botol plastik, beg plastik dan baldi. Polistirena (daripada stirena) digunakan membuat bekas pembungkusan peralatan elektrik. Perspeks (daripada metil metakrilat) digunakan membuat cermin pesawat, tingkap kenderaan. Getah sintetik seperti neoprena (daripada kloroprena) digunakan membuat sarung tangan, tayar kereta dan tapak kasut.

Poletena: monomer Etena | Polistirena: monomer Stirena | Perspeks: monomer Metil metakrilat | Getah sintetik: monomer Neoprena

Proses Pempolimeran dan Penyahpolimeran

Pempolimeran ialah proses percantuman monomer melalui pembentukan ikatan kimia untuk menghasilkan polimer yang bermolekul besar berbentuk rantai. Penyahpolimeran pula merujuk proses apabila molekul polimer berbentuk rantai dipisahkan kepada monomer-monomernya melalui tindak balas kimia. Pempolimeran yang melibatkan monomer jenis yang sama dengan pemecahan ikatan ganda dua menjadi ikatan tunggal dikenali sebagai pempolimeran penambahan. Poletena ialah salah satu contoh polimer yang dihasilkan melalui proses pempolimeran penambahan daripada monomernya, iaitu etena.

n(Etena, CH2=CH2) -> Poletena, -(CH2-CH2)n- (pempolimeran penambahan)

Getah Asli dan Lateks

Susu getah asli atau disebut lateks didapati apabila batang pokok getah ditoreh. Susu getah lalu diproses menjadi getah asli. Polimer semula jadi banyak menyumbang kepada peningkatan ekonomi negara kita. Antara ciri getah asli ialah kenyal, lembut, tidak tahan haba, penebat elektrik yang baik dan permukaannya tidak tahan udara.

Susu getah asli = lateks (diperoleh daripada batang pokok getah, diproses jadi getah asli)

Tindakan Asid dan Alkali terhadap Lateks (Penggumpalan)

Di dalam lateks terdapat molekul-molekul getah berbentuk rantai yang diselaputi oleh satu lapisan membran protein. Terdapat cas-cas negatif yang mengelilingi permukaan luar membran tersebut. Hal ini menyebabkan zarah getah saling tolak menolak antara satu sama lain, maka lateks kekal wujud sebagai cecair. Apabila asid ditambah ke dalam lateks, ion-ion hidrogen bercas positif daripada asid akan meneutralkan cas negatif pada permukaan membran tersebut. Tanpa cas-cas negatif tersebut, molekul-molekul getah akan berlanggar antara rantai polimer getah akan keluar dan saling berlekit lalu membentuk gumpalan pepejal. Jika lateks dibiarkan tanpa ditambah asid, lama-kelamaan lateks itu akan menggumpal akibat tindakan bakteria yang menghasilkan asid dan meneutralkan membran molekul getah. Apabila alkali ditambah ke dalam lateks, ion-ion hidroksida daripada alkali akan meneutralkan ion hidrogen daripada asid. Maka, molekul-molekul getah tetap menolak antara satu sama lain dan tidak akan berlanggar, lateks akan kekal keadaan cecair.

Asid ditambah -> ion hidrogen positif meneutralkan cas negatif membran protein -> lateks gumpal | Alkali ditambah -> ion hidroksida mengekalkan cas negatif -> lateks kekal cecair

Pemvulkanan Getah

Sifat semula jadi getah asli yang lembut dan tidak tahan haba adalah tidak sesuai jika digunakan untuk membuat bahan seperti tayar kenderaan. Oleh sebab suhu di Malaysia sentiasa panas, sekiranya tayar diperbuat daripada getah asli, tayar itu akan menjadi lembut dan mencair apabila terkena permukaan jalan raya yang panas. Pemvulkanan ialah proses pemanasan getah bersama sulfur. Melalui proses pemvulkanan, atom-atom sulfur ditambahkan pada molekul-molekul polimer getah asli yang akan membentuk rangkai silang sulfur dan rantai bersambung. Getah yang diperoleh melalui proses ini disebut getah tervulkan.

Getah asli + Sulfur + Pemanasan -> Getah tervulkan (rangkai silang sulfur antara rantai polimer getah)

Struktur Molekul Getah Tervulkan Berbanding Getah Asli

Struktur molekul bagi getah tervulkan dilihat mempunyai ikatan antara setiap rantai polimer getah, manakala bagi getah asli tidak. Hal ini disebabkan oleh atom sulfur yang ditambah dalam rantai polimer getah dan apabila daya dikenakan, struktur molekul rantai polimer getah tervulkan sukar untuk menggelongsor dan apabila daya dikenakan, struktur molekul getah tervulkan adalah lebih keras dan mempunyai ketahanan terhadap haba yang tinggi.

Getah tervulkan: ikatan rangkai silang sulfur antara rantai polimer -> sukar menggelongsor | Getah asli: tiada ikatan rangkai silang -> mudah menggelongsor

Charles Goodyear (Tokoh Sains)

Charles Goodyear (1800-1860) telah menemui kaedah pemvulkanan getah pada tahun 1839. Beliau memanaskan satu campuran getah asli dengan sulfur 1%-3% mengikut jisimnya.

Tahun 1839 -> mencampurkan sulfur 1%-3% mengikut jisimnya

Ciri-Ciri Getah Tervulkan

Getah tervulkan mempunyai ciri-ciri: keras dan lebih kenyal, penebat elektrik yang baik, tahan terhadap haba, tidak mudah teroksida di udara, tidak bertindak balas dengan asid dan alkali, dan tidak telap terhadap cecair dan udara. Getah tervulkan sesuai digunakan untuk membuat tayar kenderaan, sarung tangan getah dan tapak kasut.

Teknologi Terkini Berasaskan Getah

Getah merupakan salah satu komoditi utama di Malaysia. Industri getah membantu meningkatkan ekonomi negara. Penyelidikan dan pembangunan terhadap getah yang dijalankan oleh Lembaga Getah Malaysia perlu diteruskan supaya industri getah di negara kita bertambah maju pada masa hadapan. Asfalt Terubahsuai Getah Bekuan (CMA) sebagai konkrit asfalt menurap jalan raya supaya tahan lebih lama, mengurangkan bunyi bising dan keretakan jalan raya. Getah Colour merupakan cat lukisan yang dihasilkan daripada lateks getah untuk kegunaan seni visual. Pad landasan yang diperbuat daripada getah diletakkan di antara landasan besi dan alas landasan untuk mengurangkan getaran dan bunyi.

Asfalt Terubahsuai Getah Bekuan (CMA) | Getah Colour | Pad landasan getah dilekatkan antara landasan dan badan kereta api

Peta Konsep Kimia Industri

Aloi merangkumi komposisi, sifat dan kegunaan. Kaca dan Seramik merangkumi komponen dan aplikasi. Polimer merangkumi maksud monomer dan polimer, proses pempolimeran (pempolimeran penambahan) dan penyahpolimeran, serta jenis polimer semula jadi (getah asli, proses pemvulkanan menghasilkan getah tervulkan, serta teknologi terkini berasaskan getah) dan polimer sintetik.

Kimia Industri -> Aloi, Kaca dan Seramik, Polimer

Contoh soalan

Jadual menunjukkan komposisi dua jenis aloi, iaitu keluli dan duralumin. Nyatakan satu kegunaan bagi setiap aloi tersebut dan terangkan mengapa aloi lebih keras berbanding logam tulen.

• Keluli (Besi 99% + Karbon 1%) digunakan untuk membina bangunan dan jambatan kerana keras dan kuat.
• Duralumin (Aluminium 95% + Kuprum 3% + Magnesium 1% + Mangan 1%) digunakan untuk membuat badan pesawat dan kapal terbang kerana ringan dan tahan kakisan.
• Aloi lebih keras daripada logam tulen kerana penambahan atom unsur asing yang bersaiz berlainan daripada atom logam tulen menyukarkan penggelongsoran antara lapisan atom logam tulen.
• Dalam logam tulen, atom tersusun teratur dan berlapis-lapis serta mudah menggelongsor apabila dikenakan daya, menjadikannya lembut dan mudah terkakis.

Contoh soalan

Bandingkan komposisi dan ciri-ciri kaca borosilikat dengan kaca soda kapur, dan jelaskan mengapa radas makmal seperti bikar dibuat daripada kaca borosilikat dan bukan kaca soda kapur.

• Kaca borosilikat terdiri daripada silika, boron oksida, natrium oksida dan aluminium oksida; kaca soda kapur terdiri daripada silika, kalsium karbonat dan natrium karbonat.
• Kaca borosilikat mempunyai ketahanan yang sangat tinggi terhadap haba dan bahan kimia berbanding dengan kaca soda kapur.
• Kaca soda kapur mempunyai takat lebur yang rendah dan mudah dibentuk.
• Radas makmal seperti bikar dan kelalang kon perlu menahan haba tinggi semasa eksperimen dan tahan terhadap bahan kimia, jadi kaca borosilikat lebih sesuai digunakan.
• Jika kaca soda kapur digunakan, radas mudah pecah atau rosak akibat haba tinggi dan tindak balas dengan bahan kimia.

Contoh soalan

Namakan monomer bagi kanji, protein dan getah asli, dan nyatakan satu kegunaan bagi setiap polimer semula jadi tersebut.

• Kanji terdiri daripada monomer glukosa, digunakan untuk memberikan tenaga.
• Protein terdiri daripada monomer asid amino, digunakan untuk membina sel dan tisu badan.
• Getah asli terdiri daripada monomer isoprena, digunakan untuk membuat produk berasaskan getah.
• Ketiga-tiganya adalah contoh polimer semula jadi yang wujud secara semula jadi.

Contoh soalan

Terangkan bagaimana penambahan asid menyebabkan penggumpalan lateks, dan terangkan pula mengapa penambahan alkali dapat mengelakkan penggumpalan lateks.

• Di dalam lateks, molekul-molekul getah berbentuk rantai diselaputi oleh lapisan membran protein yang mempunyai cas negatif pada permukaan luarnya.
• Cas-cas negatif ini menyebabkan zarah-zarah getah saling tolak menolak antara satu sama lain, maka lateks kekal sebagai cecair.
• Apabila asid ditambah, ion hidrogen bercas positif daripada asid akan meneutralkan cas negatif pada permukaan membran protein.
• Tanpa cas negatif tersebut, molekul-molekul getah tidak lagi tolak menolak, lalu berlanggar dan rantai polimer getah berlekit antara satu sama lain membentuk gumpalan pepejal.
• Apabila alkali ditambah, ion hidroksida daripada alkali akan meneutralkan ion hidrogen daripada asid.
• Maka molekul-molekul getah kekal mempunyai cas negatif dan tetap tolak menolak antara satu sama lain, sehingga lateks kekal dalam keadaan cecair dan tidak menggumpal.

Contoh soalan

Terangkan proses pemvulkanan getah dan jelaskan mengapa getah tervulkan lebih sesuai digunakan untuk membuat tayar kenderaan di Malaysia berbanding getah asli.

• Pemvulkanan ialah proses pemanasan getah asli bersama sulfur.
• Melalui proses ini, atom-atom sulfur ditambahkan pada molekul-molekul polimer getah asli dan membentuk rangkai silang sulfur antara rantai-rantai polimer getah.
• Getah yang dihasilkan melalui proses ini disebut getah tervulkan, yang mempunyai struktur molekul lebih sukar menggelongsor berbanding getah asli.
• Getah asli bersifat lembut dan tidak tahan haba, sesuai meleleh dan mencair apabila terkena permukaan jalan raya yang panas di Malaysia.
• Getah tervulkan adalah lebih keras, lebih kenyal dan mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap haba, menjadikannya sesuai untuk membuat tayar kenderaan yang tahan lama walaupun cuaca panas.

Contoh soalan

Nyatakan dua teknologi terkini berasaskan getah yang dihasilkan di Malaysia, dan jelaskan kepentingan penyelidikan dan pembangunan industri getah kepada negara.

• Asfalt Terubahsuai Getah Bekuan (CMA) digunakan untuk menurap jalan raya supaya lebih tahan lama, mengurangkan bunyi bising dan keretakan jalan raya.
• Getah Colour ialah cat lukisan yang dihasilkan daripada lateks getah untuk kegunaan seni visual.
• Pad landasan getah pula dilekatkan antara landasan dan badan kereta api untuk mengurangkan getaran dan bunyi.
• Penyelidikan dan pembangunan terhadap getah penting supaya industri getah negara bertambah maju, membantu meningkatkan ekonomi negara dan mencari potensi kegunaan getah yang baharu pada masa depan.