BAB III ALKANA 1. Pendahuluan 1.1. Deskripsi Bab III ini membahas tentang alkana, sifat-sifat sifat-sifat fisika dan sifat sifat kimianya serta reaksi-reaksi reaksi-reaksi alkana. 1.2. Manfaat/ Relevansi Alkana merupakan senyawa hidrokarbon yang paling sederhana yang merupakan basis dari senyawa organik, maka perlu pemahaman tentang sifat fisika dan sifat kimia serta reaksi-reaksi yang terkait dengan alkana. 1.3. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) Setelah membaca Bab III ini, mahasiswa mampu menjelaskan tentang sifat fisika dan sifat kimia, reaksi perubahan serta sumber-sumber alkana. 1.4. Petunjuk Mempelajari a. Baca dan pahami semua yang ada dalam bab ini ini dengan teliti. b. Tingkatkan pemahaman dengan menambah bahan bacaan lain yang relevan. c. Diskusi dengan teman untuk meningkatkan pemahaman. d. Berlatih dengan tekun untuk meningkatkan pemahaman. e. Jika ada kesulitan, bertanya kepada dosen atau narasumber lain yang relevan. 2. Penyajian 2.1 Sifat Fisika Alkana Alkana merupakan senyawa non polar, gaya tarik antar molekulnya lemah. Pada suhu kamar, alkana rantai lurus C1-C4 berupa gas, C5-C17 berbentuk cair, C18 atau lebih berbentuk padat. Titik didih alkana makin tinggi dengan bertambahnya atom karbon, yang disebabkan karena gaya tarik van der Waals antar molekul yang makin panjang. Alkana dengan jumlah atom C yang sama bila molekulnya bercabang, titik didihnya lebih rendah. Hal ini disebabkan molekul bercabang tidak dapat saling mendekati cukup dekat bagi semua atom C-nya untuk mencapai jarak van der Waals secara optimal; sehingga gaya tarik antar molekulnya lebih lemah dari pada molekul rantai lurus. [lihat kembali bab I tentang gaya tarik antar molekul n-pentana dan neopentana] 2.2 Sifat Kimia Alkana
Alkana kurang reaktif dibandingkan senyawa yang mempunyai gugus fungsional. Karena sifat kurang reaktif ini, maka alkana disebut parafin (afinitas kecil sekali). Reaksi penting dari alkana adalah pembakaran, reaksi dengan halogen dan pirolisa. 2.2.1 Pembakaran
Pembakaran adalah reaksi cepat suatu senyawa dengan oksigen. Pembakaran sempurna adalah pengubahan suatu senyawa menjadi CO2 dan H2O. Reaksi pembakaran sempurna: CH 4
+
C3H8
O2 +
→
5 O2
CO 2 →
+
2H 2 O
3CO 2
+
4 H2O
pembakaran tidak sempurna menghasilkan CO; bila sangat tidak sempurna menghasilkan karbon dalam bentuk arang atau jelaga. 2C 3 H 8 + 7O 2 → 6 CO + 8 H 2 O 2C 3 H 8
+
2O 2
→
6 C + 4H 2 O
2.2.2 Reaksi dengan Halogen
Reaksi alkana dengan halogen (halogenasi) berlangsung dengan hadirnya cahaya ultraviolet. Hasil reaksinya adalah substitusi oleh satu atom halogen terhadap atom-atom hidrogen yang terikat pada karbon. Contoh: reaksi klorinasi metana.
CH4 + Cl2
hυ
CH3Cl klorometana
+
CH2Cl2 diklorometana
+
CHCl3
+
triklorometana
CCl4
+
HCl
tetraklorometana III-1
Klorinasi metana menghasilkan 4 macam produk, sedikit alkana yang lebih tinggi, seperti etana dan produk-produk klorinasi mereka dapat terbentuk disini. Hal ini dapat dijelaskan melalui mekanisme reaksi radikal bebas yang dibayangkan sebagai suatu deret reaksi bertahap yaitu pemulaan (inisiasi), perambatan (propagasi) dan pengakhiran (terminasi). Inisiasi
Tahap inisiasi adalah pembentukan awal radikal-radikal bebas, yang merupakan pemaksapisahan homolitik molekul Cl2 menjadi 2 radikal bebas klor. Reaksi ini perlu energi dari cahaya ultraviolet atau dari pemanasan pada suhu sangat tinggi. inisiasi:
Cl
uν
Cl
2 Cl .
Propagasi
Radikal bebas klor yang terbentuk mengawali sederetan reaksi dalam mana terbentuk radikal .
bebas baru yang disebut reaksi rantai. Tahap propagasi pertama, Cl yang reaktif merebut sebuah atom hidrogen dari dalam molekul CH4, menghasilkan radikal bebas metil dan HCl. propagasi: Cl.
H : CH3
H : Cl
+
.
CH3
dalam tahap propagasi kedua, radikal bebas metil merebut sebuah atom klor dari molekul Cl2. .
CH3
Cl : Cl
CH3Cl + Cl . klorometana
Tahap ini menghasilkan salah satu dari produk keseluruhan, yaitu CH3Cl, juga menghasilkan ulang .
Cl , yang nantinya dapat merebut atom hidrogen dari molekul CH4 lain dan memulai deret propagasi lagi. .
.
Karena sebuah Cl menyebabkan reaksi dan sebuah Cl juga terbentuk, maka secara teoritis proses ini dapat berlangsung terus. Daur propagasi terputus oleh reaksi pengakhiran. Terminasi
Reaksi apa saja yang memusnahkan radikal bebas dapat mengakhiri daur propagasi radikal bebas. Klorinasi metana diakhiri terutama oleh bergabungnya radikal bebas. .
Cl +
.
CH3
.
+
CH3 .
CH3
CH3Cl CH3CH3
Reaksi kedua ini disebut reaksi kopling (penggabungan dua gugus alkil). 2.2.3 Terjadinya Campuran Produk
Reaksi klorinasi metana, selain klorometana (CH3Cl) juga menghasilkan diklorometana (CH2Cl2), triklorometana (CHCl3) dan tetraklorometana (CCl4). Sementara reaksi antara klor dan metana belum selesai, telah cukup banyak terbentuk CH3Cl. Pada waktu itu, radikal bebas klor lebih mungkin bertabrakan dengan CH3Cl dari pada dengan CH4 dan daur propagasi baru dimulai. Tahap propagasi yang menghasilkan diklorometana:
Cl. .
CH2Cl
H :CH2Cl Cl : Cl
H : Cl CH2Cl2
+
.
+
Cl .
CH2Cl
diklorometana
III-2
Diklorometana dapat mengalami propagasi lebih lanjut menghasilkan triklorometana dan triklorometana mengalami propagasi lagi menghasilkan tetraklorometana (sampai atom H habis, digantikan oleh atom Cl). Contoh soal Tuliskan tahap propagasi yang menghasilkan triklorometana (kloroform) dari diklorometana. Penyelesaian: Cl.
.CHCl2
H :CHCl2
H : Cl
Cl : Cl
CHCl3
.
+
CHCl2
+
Cl
.
Soal Latihan 3.1 Tuliskan tahap propagasi yang menghasilkan tetraklorometana (karbon tetraklorida) dari triklorometana.
Alkana yang lebih tinggi dapat menghasilkan lebih banyak macam produk karena tersedia lebih banyak macam hidrogen yang dapat ikut serta dalam reaksi propagasi. Soal Latihan 3.2
a. Berapa banyak kloroalkana yang terbentuk dalam klorinasi etana. b. Saudara diminta membuat kloroetana dari da ri klor dan etana. Jika ingin menghindari produk-produk produ k-produk yang lebih tinggi, maka angka banding molar reaktannya: 1). ekimolar CH3CH3 dan Cl2; 2) Cl2 berlebih berlebih atau 3) CH3CH3 berlebih. Jelaskan. 2.2.4 Tahap Penentu Laju Reaksi
Dari beberapa tahap reaksi reaksi radikal bebas, tahap manakah yang menentukan laju laju reaksi? Yang menjadi tahap penentu laju adalah abstraksi (perebutan) hidrogen pada tahap propagasi. Hidrogen mana yang direbut? Macam-macam atom hidrogen dalam senyawa organik : hidrogen metil (CH3), hidrogen primer (terikat pada karbon primer), hidrogen sekunder (terikat pada atom C sekunder), hidrogen tersier (terikat pada atom C tersier), allilik dan benzilik. Macam-macam atom hidrogen ini tidak direbut oleh radikal bebas dengan laju yang sama. H
H
H3C metil
H-metil
H
CH3CH2
(CH3)2CH
primer
(CH3)3C
o
1H
allilik dan benzilik
tersier
sekunder
o
H
o
2H
3H
Reaktivitas bertambah
Sebagai contoh, pada reaksi monoklorinasi propana dihasilkan 55% 2-kloropropana dan 45% 1kloropropana. Mengapa demikian ? Cl CH3CH2CH3
+
Cl2
Cl
CH3CHCH3 + CH2CH2CH3 1-kloropropana 2-kloropropana 45% 55%
Ada 6 atom hidrogen primer dan 2 atom H sekunder, maka bila semua hidrogen direbut dengan laju yang sama maka pastilah 1-kloropropana tiga kali lebih banyak dari pada 2-kloropropana. Ternyata 2-kloropropana lebih banyak. Ini berarti perebutan hidrogen sekunder lebih cepat dari pada hidrogen primer. Berarti ada derajat selektivitas dalam perebutan hidrogen.
III-3
Mengapa ada hidrogen yang direbut lebih cepat dari pada yang lain? Perhatikan tahap abstraksi (perebutan hidrogen ) pada klorinasi propana: .
Cl
Cl
H .. C CH3
CH3
H Cl
+
CH3
propana
radikal bebas sekunder
CH2
.
CH3
H :Cl
+
CH2
.
CH3CH2.
CH2
CH3
radikal bebas prim primer
Pada tahap ini dihasilkan radikal bebas sebagai stabil maka kecepatan reaksinya bertambah.
(CH3)2CH
prim primer
metil
CH3
H
propana
H3C .
C
H H .. CH2
.
. :
intermediet.
Apabila radikal bebas bersifat lebih
(CH3)3C . tersier
sekund sekunder er
kestabilan meningkat
Contoh lain, bagaimana laju relatif abstraksi hidrogen mempengaruhi angka banding banyaknya produk, juga ditunjukkan pada klorinasi metil propana. CH3
Cl2
CH3CHCH3
(CH3)2CHCH2Cl
hν
metil metil propana prop ana
+
1-kloro1- kloro-22-meti metilpropa lpropana na
(isobutana)
(CH3)3CCl CC l
+
produk prod uk lain lain
t-butil t- butilklorida klorida
(isobutilklorida) 50%
30%
20%
Soal Latihan 3.3
Dalam klorinasi metilpropana, metilpropana, bagaimana angka banding banyaknya isobutil klorida : t-butilklorida, seandainya semua hidrogen direbut dengan laju yang relatif sama. 2. 3. Reaksi Pirolisis
Pirolisis adalah pemecahan molekul besar menjadi molekul kecil karena panas tanpa adanya O2. Reaksi ini disebut juga cracking atau perengkahan. Reaksi pirolisis mengikuti mekanisme reaksi radikal bebas. Contoh reaksi pirolisis n-pentana. Mekanisme reaksi:
(1) pemulaan secara homolisis
CH3CH2CH2
CH2CH3
pana pa na s
CH3CH2CH2.
+
. CH
2CH3
n-pentana
(2) propagasi (perambatan) : abstraksi hidrogen H .. CH3CH2CHCH2CH3
.
CH3CH2
.
CH3CH3 +
CH3CH2CHCH2CH3
(3) terminasi (pengakhiran) (a) secara kopling CH3CH2.
.
CH2CH3
CH3CH2CH2CH3
(b) secara disproporsinasi (reaksi oksidasi reduksi) .
CH3CH2
H .. . CH2 CH2
CH3CH3 etana
+
CH2 CH2 etena III-4
Soal Latihan 3.4 Tuliskan tahap-tahap reaksi pirolisis pentana, jika reaksi inisiasi merupakan homolisis antara karbon no1 dan no.2. Soal untuk dipelajari
1. Tulislah struktur semua produk yang mungkin dari monobrominasi pentana. Perhatikan kerumitan campuran produknya. 2. Jelaskan hasil pengamatan bahwa ada sedikit etana dan kloroetana yang terbentuk selama monoklorinasi metana. (Petunjuk: pertimbangkan langkah terminasi rantai) 3. Tulislah persamaan untuk reaksi pembakaran pentana. 4. Dengan memakai rumus struktur, tulislah persamaan untuk reak si monobrominasi butana. 5. Tulislah semua langkah mekanisme reaksi radikal bebas monoklorinasi etana. Produk samping apakah yang saudara harapkan terbentuk sebagai akibat terminasi rantai. Reaksi: CH3CH3 + Cl2
CH3CH2Cl + HCl
3. Penutup 3.1 Rangkuman
Reaksi utama alkana adalah pembakaran, halogenasi dan pirolisis. Reaksi pembakaran: C n H 2 n+ 2
+
( 3n2 1 )O2 +
nCO2
→
+
(n + 1) H 2 O
Halogenasi: uv atau
R-H + X2
R-X + H-X
kalor
(X: Cl, Br)
Mekanisme halogenasi: inisiasi:
:
..
..
X ..
: X ..
..
. 2 :X .. ..
propaga prop agasi: si:
R . terminasi:
..
. X ..
:
R H + +
:
: R . + H X ..
..
..
X ..
X: ..
2 R . ..
:
..
.. +
.. :
X. ..
R R
2 : X. R .
.. : + R X ..
. X ..
:
..
..
X ..
X : .. ..
: R X ..
Pirolisis adalah pemecahan senyawa organik secara radikal bebas dan termal. 3.2 Tes Mandiri
1. Berapa banyak kloroalkana yang terbentuk dalam klorinasi etana. 2. Saudara diminta membuat kloroetana dari klor dan etana. Jika ingin menghindari produk-produk yang lebih tinggi, maka angka banding molar reaktannya adalah: a. ekimolar CH3CH3 dan Cl2; b. Cl2 berlebih berlebih atau c. CH3CH3 berlebih. Jelaskan. 6. Dengan memakai rumus struktur, tulislah reaksi pembakaran pentana. 7. Dengan memakai rumus struktur, tulislah persamaan untuk reak si monobrominasi butana. 8. Tulislah semua langkah mekanisme reaksi radikal bebas monoklorinasi etana. Produk samping apakah yang saudara harapkan terbentuk sebagai akibat terminasi rantai. CH3CH3 + Cl2
CH3CH2Cl + HCl
6. Apakah bensin yang merupakan campuran campuran senyawa alkana larut dalam air? Jelaskan.
III-5
4. Pustaka rd a. Fessenden, R.J. dan J. S. Fessenden, 1986, Organic Chemistry, 3 edition. Wadsworth, Inc., Belmont, California. Alih bahasa : Pudjatmaka, A.H. 1999, Kimia Organik. Penerbit Erlangga, Jakarta, Jilid 1
b. Solomons, T.W.G., 1988, Organic Chemistry, 3
th
edition, John Wiley Wiley & Sons, Inc., Inc., New York th
c. Hart, H., L.E. Craine dan D.J. Hart, 2003, Organic Chemistry, 11 edition. Wadsworth, Inc., Belmont, California. Alih bahasa : Suminar S.A., 2003, Kimia Organik, edisi 11, Penerbit Erlangga, Jakarta
III-6