Nota Sains Tambahan Tingkatan 5 Bab 5: Kimia Bahan
RINGKASAN
Ringkasan Mudah Difahami (Nota Sains Tambahan Tingkatan 5 Bab 5: Kimia Bahan)
Bab ini memperkenalkan Bahan Termaju, iaitu bahan berteknologi tinggi yang dicipta untuk memenuhi keperluan khusus dalam dunia moden, seperti dalam bidang perubatan dan pembuatan. Bahan-bahan ini mempunyai sifat unik yang menjadikannya lebih unggul daripada bahan tradisional.
Berikut adalah pecahan topik-topik utama:
1. Polimer dan Kopolimer:
◦ Polimer adalah molekul rantai panjang yang terbentuk daripada unit-unit kecil berulang yang dipanggil monomer. Proses pembentukannya dinamakan pempolimeran.
◦ Apabila polimer terbentuk daripada lebih daripada satu jenis monomer, ia dipanggil kopolimer.
◦ Terdapat dua jenis polimer utama:
▪ Polimer Semula Jadi: Wujud secara semula jadi dalam tumbuhan dan haiwan. Contohnya, protein (monomernya asid amino), karbohidrat (monomernya glukosa), dan getah asli (monomernya isoprena).
▪ Polimer Sintetik: Dihasilkan oleh manusia, selalunya meniru struktur polimer semula jadi. Contoh paling biasa ialah plastik seperti politena (beg plastik), PVC (paip), dan nilon (kain).
2. Bahan Komposit:
◦ Ini adalah bahan yang terhasil daripada gabungan dua atau lebih bahan berbeza untuk mencipta bahan baharu dengan sifat yang jauh lebih baik.
◦ Contoh utama termasuk:
▪ Gentian Kaca: Gabungan kaca dan plastik (resin poliester). Hasilnya ringan, sangat kuat, tahan kakisan, dan tidak mudah terbakar. Digunakan dalam rangka bot dan topi keledar.
▪ Gentian Optik: Terdiri daripada teras kaca khas yang membolehkan penghantaran data sebagai denyutan cahaya. Ia sangat pantas dan digunakan secara meluas dalam telekomunikasi dan perubatan.
▪ Konkrit yang Diperkukuh: Konkrit biasa yang diperkuat dengan batang keluli di dalamnya. Gabungan ini menjadikannya amat kukuh dan mampu menampung beban yang sangat berat, sesuai untuk membina jambatan dan bangunan pencakar langit.
▪ Kaca Fotokromik: Kaca yang dicampur dengan argentum klorida. Ia boleh menjadi gelap secara automatik apabila terdedah kepada cahaya ultraungu (UV) yang terang, menjadikannya sesuai untuk kanta cermin mata.
3. Superkonduktor:
◦ Bahan luar biasa yang boleh mengalirkan arus elektrik tanpa sebarang rintangan.
◦ Sifat ini hanya muncul apabila bahan disejukkan di bawah suhu tertentu yang dikenali sebagai suhu genting.
◦ Kelebihannya ialah tiada kehilangan tenaga dalam bentuk haba, membolehkan penghantaran elektrik yang sangat efisien dan penciptaan magnet yang amat kuat. Contoh aplikasinya ialah dalam kereta api pengapungan magnetik (Maglev).
4. Tiub Nanokarbon:
◦ Bahan daripada bidang nanoteknologi yang bersaiz amat kecil tetapi mempunyai kekuatan dan ketahanan yang sangat tinggi.
◦ Ia juga ringan serta merupakan pengkonduksi elektrik dan haba yang baik.
◦ Aplikasinya sangat luas, termasuk dalam penapis air (untuk menapis bahan pencemar), skrin sentuh (untuk paparan lebih sensitif), kejuruteraan tisu (mencipta organ tiruan), jaket kalis peluru, dan panel suria.
5. Sisa Elektronik:
◦ Merujuk kepada semua produk elektronik yang telah rosak, lama, atau tidak lagi digunakan.
◦ Peningkatan pesat sisa elektronik menjadi isu alam sekitar yang serius kerana bahan ini tidak terbiodegradasi (tidak mereput secara semula jadi).
◦ Pelupusan melalui pembakaran terbuka adalah sangat berbahaya kerana ia membebaskan gas beracun, karbon monoksida, dan karbon dioksida yang menyumbang kepada pencemaran udara dan kesan rumah hijau.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Asid Amino | Monomer yang bergabung untuk membentuk polimer semula jadi protein. |
| Bahan Komposit | Bahan yang mengandungi dua atau lebih jenis bahan berbeza yang digabungkan untuk menghasilkan bahan baharu dengan sifat fizikal yang lebih baik. |
| Bahan Termaju | Bahan yang digunakan dalam teknologi tinggi sejak 1980-an hingga kini, dihasilkan bagi memenuhi keperluan tertentu. |
| Gentian Kaca | Bahan komposit daripada kaca lebur dan resin poliester. Ia ringan, kuat, tahan kakisan, dan penebat elektrik. |
| Gentian Optik | Bahan komposit yang terdiri daripada teras kaca (indeks biasan tinggi) dikelilingi kaca lain (indeks biasan rendah) untuk menghantar data dalam bentuk cahaya. |
| Isoprena | Monomer bagi getah asli, juga dikenali sebagai 2-metilbut-1,3-diena. |
| Kaca Fotokromik | Sejenis kaca yang peka kepada cahaya, menjadi gelap apabila terdedah kepada cahaya ultraungu (UV). |
| Konkrit yang Diperkukuh | Bahan komposit yang menggabungkan konkrit (simen, pasir, batu) dengan batang keluli untuk menghasilkan struktur yang sangat kuat dan kukuh. |
| Kopolimer | Polimer yang terbentuk daripada gabungan lebih daripada satu jenis monomer. |
| Monomer | Molekul kecil yang merupakan unit asas berulang yang membina rantaian polimer. |
| Nanoteknologi | Kajian dan aplikasi bahan pada skala yang sangat kecil, iaitu antara 1 hingga 100 nanometer (nm). |
| Pempolimeran | Proses penggabungan monomer-monomer untuk menghasilkan polimer. |
| Polimer | Molekul berantai panjang yang terdiri daripada gabungan unit-unit monomer yang berulang. |
| Polimer Sintetik | Polimer buatan manusia yang meniru struktur polimer semula jadi, contohnya plastik. |
| Sisa Elektronik | Produk elektronik yang rosak, tidak berfungsi atau tidak boleh digunakan lagi. |
| Suhu Genting | Suhu rendah tertentu di mana suatu bahan mula menunjukkan sifat superkonduktor, iaitu tidak mempunyai rintangan elektrik. |
| Superkonduktor | Suatu bahan yang dapat mengalirkan arus elektrik tanpa sebarang rintangan apabila disejukkan ke bawah suhu gentingnya. |
| Tiub Nanokarbon | Bahan bersaiz nano yang sangat kuat, ringan, dan mempunyai kekonduksian elektrik serta haba yang baik. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan KBAT dan Jawapan
1. Penciptaan bahan termaju seperti plastik dan komponen elektronik telah membawa kemajuan pesat kepada tamadun manusia. Walau bagaimanapun, kemajuan ini turut memberi impak negatif kepada alam sekitar. Wajarkan pernyataan ini dengan merujuk kepada kesan pelupusan bahan polimer sintetik dan sisa elektronik seperti yang dibincangkan dalam teks.
Jawapan: Pernyataan ini wajar. Bahan termaju sememangnya penting untuk kemajuan teknologi, tetapi pelupusannya menimbulkan cabaran alam sekitar yang besar.
• Polimer Sintetik: Teks menyatakan bahawa “Kesan bahaya penggunaan dan pembuangan bahan polimer sintetik menjadi cabaran yang sangat besar dalam melestarikan alam sekitar.” Plastik, sejenis polimer sintetik, adalah bahan yang ringan, kuat, dan lengai, tetapi pelupusannya menjadi masalah.
• Sisa Elektronik: Sisa elektronik ditakrifkan sebagai produk elektronik yang rosak dan tidak boleh digunakan lagi. Perkembangan teknologi yang pantas menyebabkan peralatan elektronik menjadi sisa dalam masa yang singkat. Kesan buruknya kepada alam sekitar adalah seperti berikut:
◦ Tidak Terbiodegradasi: Sisa elektronik bukan bahan terbiodegradasi, menjadikannya kekal dalam persekitaran untuk tempoh yang lama.
◦ Pencemaran Udara: Pelupusan melalui pembakaran terbuka membebaskan gas beracun yang menyebabkan pencemaran udara.
◦ Kesan Rumah Hijau: Pembakaran juga membebaskan gas karbon dioksida, yang menyumbang kepada kesan rumah hijau.
◦ Gas Berbahaya: Gas karbon monoksida yang berbahaya turut dibebaskan semasa pembakaran. Oleh itu, walaupun bahan termaju penting untuk kehidupan moden, pengurusan sisanya yang tidak lestari memberi impak buruk yang signifikan kepada alam sekitar.
2. Konkrit yang diperkukuh digunakan secara meluas dalam pembinaan struktur mega seperti Menara Berkembar Petronas dan jambatan. Terangkan bagaimana gabungan keluli dan konkrit dalam bahan komposit ini menghasilkan sifat yang lebih unggul berbanding jika kedua-dua bahan tersebut digunakan secara berasingan.
Jawapan: Konkrit yang diperkukuh adalah contoh bahan komposit yang menggabungkan sifat terbaik bahan asalnya untuk menghasilkan bahan baharu yang lebih baik.
• Sifat Bahan Asal:
◦ Konkrit: Campuran simen, pasir, dan batu kecil ini adalah kuat tetapi tidak tahan gegaran dan tidak dapat menyokong berat yang sangat besar.
◦ Keluli: Keluli adalah bahan yang sangat kuat tetapi boleh berkarat apabila terdedah kepada unsur persekitaran.
• Sifat Bahan Komposit (Konkrit Diperkukuh): Dengan memasukkan batang keluli ke dalam tiang konkrit, bahan komposit yang terhasil mempunyai ciri-ciri yang unggul. Gabungan ini menjadikan tiang bangunan “sangat kuat dan kukuh serta dapat menyokong beban yang besar.” Keluli memberikan kekuatan tegangan dan keupayaan menahan gegaran yang tidak dimiliki oleh konkrit, manakala konkrit melindungi keluli daripada berkarat dan memberikan kekuatan mampatan yang tinggi. Gabungan ini membolehkan pembinaan struktur yang tinggi dan tahan lama.
3. Superkonduktor dan konduktor biasa kedua-duanya boleh mengalirkan arus elektrik. Bezakan kedua-dua bahan ini dari segi rintangan elektrik dan kecekapan tenaga. Jelaskan mengapa superkonduktor dianggap sangat penting untuk aplikasi seperti kereta api Maglev.
Jawapan: Perbezaan utama antara konduktor biasa dan superkonduktor terletak pada rintangan elektrik dan kecekapan tenaga.
• Konduktor Biasa: Bahan seperti kuprum mempunyai rintangan elektrik. Kewujudan rintangan ini menyebabkan sebahagian tenaga elektrik ditukar kepada tenaga haba, mengakibatkan kehilangan tenaga. Apabila suhu meningkat, rintangan juga bertambah.
• Superkonduktor: Ia adalah bahan yang “tidak mempunyai sebarang rintangan” apabila disejukkan ke suhu tertentu yang dikenali sebagai suhu genting. Pada suhu ini, ia boleh mengalirkan arus elektrik tanpa kehilangan banyak tenaga. Kelebihannya termasuklah:
◦ Mengurangkan kehilangan tenaga.
◦ Tiada tenaga haba dihasilkan.
◦ Dapat menampung arus yang besar.
• Aplikasi dalam Kereta Api Maglev: Untuk aplikasi seperti kereta api Maglev (Magnetic Levitation), superkonduktor adalah kritikal. Magnet yang dihasilkan daripada bahan superkonduktor adalah “sangat kuat dan ringan serta berupaya mengapungkan kereta api di atas landasannya.” Keupayaan ini wujud kerana superkonduktor boleh mengalirkan arus yang sangat besar tanpa rintangan, menghasilkan medan magnet yang amat kuat untuk mengangkat dan menggerakkan kereta api dengan cekap.
4. Tiub nanokarbon mempunyai sifat fizikal yang unik yang membolehkannya digunakan dalam pelbagai bidang, daripada penapisan air hinggalah pembuatan jaket kalis peluru. Analisis bagaimana nisbah luas permukaan kepada isi padu yang besar serta sifat-sifat lain menjadikannya bahan yang sangat versatil.
Jawapan: Tiub nanokarbon adalah bahan yang sangat versatil kerana sifat-sifat uniknya pada skala nano.
• Nisbah Luas Permukaan kepada Isi Padu: Teks menyatakan bahawa saiz partikel nano yang teramat kecil (1-100 nm) menyebabkannya mempunyai “nisbah luas permukaan kepada isi padu yang lebih besar.” Ini menjadikan produk yang dihasilkan lebih efektif. Dalam penapis air, luas permukaan yang besar pada membran tiub nanokarbon membolehkannya menapis mikroorganisma, logam berat, dan bahan pencemar dengan lebih efisien menggunakan tenaga yang rendah.
• Kekuatan dan Ketahanan: Tiub nanokarbon mempunyai “kekuatan dan ketahanan yang tinggi.” Sifat ini, digabungkan dengan ciri ringannya, menjadikannya sesuai untuk jaket kalis peluru. Ia digunakan sebagai bahan penguat untuk mencegah penembusan peluru atau hentaman berkelajuan tinggi.
• Kekonduksian Elektrik dan Haba: Bahan ini juga “dapat mengkonduksikan elektrik dan haba dengan baik.” Dalam panel suria, ia bertindak sebagai penerima dan pembawa elektron, meningkatkan kekonduksian elektrik. Dalam peranti skrin sentuh, ciri mekanikal dan kekonduksiannya yang lebih baik daripada timah oksida memberikan paparan yang lebih sensitif dengan kos yang lebih murah.
• Sifat Fizikal Menyerupai Tisu: Dalam kejuruteraan tisu, sifat fizikalnya yang “sangat baik dan menyerupai struktur asal tisu” menjadikannya popular untuk pembuatan tisu dan organ tiruan.
5. Gentian optik dan gentian kaca kedua-duanya merupakan bahan komposit yang berasaskan kaca, tetapi mempunyai fungsi yang sangat berbeza. Bandingkan kedua-dua bahan ini dari segi kandungan, ciri-ciri, dan aplikasi utamanya.
Jawapan: Walaupun kedua-duanya berasaskan kaca, gentian optik dan gentian kaca adalah bahan komposit yang direka untuk tujuan yang berbeza.
| Ciri | Gentian Kaca | Gentian Optik |
| Kandungan | Diperbuat daripada kaca lebur yang dicampurkan dengan gentian resin poliester (sejenis plastik). | Terdiri daripada kaca teras yang mempunyai indeks biasan tinggi dan dikelilingi oleh kaca dengan indeks biasan yang lebih rendah. |
| Ciri-ciri Utama | Lebih ringan dan kuat daripada keluli, tahan kakisan, tidak rapuh, penebat elektrik, tidak telap air, dan tidak mudah terbakar. | Menghantar data dalam bentuk cahaya, membolehkan penghantaran data lebih cepat dalam kapasiti yang banyak, dan tidak dipengaruhi oleh gangguan elektromagnet. |
| Bahan Asal & Penambahbaikan | Mengatasi masalah kaca yang keras tetapi rapuh dan plastik yang tidak tahan haba. | Mengatasi masalah kaca yang merupakan penebat elektrik dan tidak boleh menghantar data elektronik. |
| Aplikasi Utama | Rangka kenderaan, rangka bot, alat-alat elektrik, dan topi keledar. | Bidang telekomunikasi (penghantaran data) dan perubatan. |
Kesimpulannya, gentian kaca dicipta untuk kekuatan mekanikal dan ketahanan fizikal, manakala gentian optik direka khusus untuk kecekapan penghantaran maklumat.