Nota Sains Tingkatan 4 Bab 9: Kimia Industri
RINGKASAN
Ringkasan Komprehensif (Nota Sains Tingkatan 4 Bab 9: Kimia Industri)
Bab ini meneroka tiga kategori utama bahan dalam kimia industri: aloi, kaca dan seramik, serta polimer. Setiap bahan ini mempunyai komposisi, sifat, dan aplikasi yang unik yang menjadikannya penting dalam kehidupan harian dan pelbagai sektor industri.
1. Aloi
Aloi ialah campuran beberapa jenis logam atau campuran logam dengan bukan logam mengikut peratusan tertentu. Proses pembentukan aloi, atau pengaloian, dijalankan untuk memperbaiki sifat logam tulen, yang lazimnya lembut dan mudah terkakis. Dalam logam tulen, atom-atomnya yang bersaiz sama tersusun secara teratur dan berlapis-lapis, memudahkannya menggelongsor apabila dikenakan daya. Apabila atom unsur asing yang berlainan saiz ditambah, susunan atom yang teratur ini terganggu. Kehadiran atom asing ini menyukarkan lapisan atom daripada menggelongsor, menjadikan aloi lebih keras dan kuat berbanding logam tulen asalnya.
Jenis-jenis Aloi dan Kegunaannya:
| Aloi | Komposisi | Sifat | Kegunaan |
| Keluli | Besi 99%, Karbon 1% | Keras dan kuat | Membina bangunan dan jambatan, badan kenderaan |
| Piuter | Timah 96%, Kuprum 3%, Antimoni 1% | Permukaan berkilau, tahan kakisan | Barangan perhiasan seperti bingkai gambar |
| Gangsa | Kuprum 88%, Timah 12% | Keras, tahan kakisan, warna menarik | Tugu, ukiran logam, duit syiling, pingat |
| Loyang | Kuprum 75%, Zink 25% | Kuat, permukaan berkilat, mudah ditempa | Kunci, tombol pintu, alatan muzik (trompet) |
| Duralumin | Aluminium 95%, Kuprum 3%, Magnesium 1%, Mangan 1% | Ringan, kuat, tahan kakisan | Badan pesawat, kapal terbang |
Aloi Superkonduktor pula ialah bahan yang boleh mengalirkan arus elektrik pada kecekapan yang tinggi tanpa rintangan. Ia digunakan dalam peralatan berteknologi tinggi seperti mesin pengimejan resonans magnetik (MRI) dan kereta api Maglev, yang bergerak dengan mengelakkan geseran.
2. Kaca dan Seramik
Kaca diperbuat daripada silika (silikon dioksida) yang dileburkan pada suhu sekitar 1500°C. Sifat kaca boleh diubah suai dengan menambah bahan kimia lain untuk menghasilkan pelbagai jenis kaca.
• Kaca Silika Terlakur: Komposisi utamanya silika. Ia mempunyai tahan haba dan lengai terhadap bahan kimia yang sangat tinggi.
• Kaca Soda Kapur: Terdiri daripada silika, kalsium karbonat, dan natrium karbonat. Ia mempunyai takat lebur rendah dan mudah dibentuk, sesuai untuk membuat botol dan mentol.
• Kaca Borosilikat: Diperbuat daripada silika, boron oksida, natrium oksida, dan aluminium oksida. Kaca ini mempunyai ketahanan haba dan bahan kimia yang sangat tinggi, menjadikannya sesuai untuk radas makmal.
• Kaca Plumbum: Mengandungi silika, plumbum(II) oksida, dan natrium oksida. Ia mempunyai takat lebur rendah dan indeks biasan yang tinggi, digunakan untuk membuat prisma kaca.
Seramik terdiri daripada bahan bukan logam yang dibentuk daripada tindakan haba pada suhu tinggi. Komponen utamanya ialah aluminium silikat yang berasal daripada tanah liat. Seramik bersifat sangat keras, rapuh, lengai terhadap bahan kimia, tahan haba dan tekanan tinggi, serta penebat haba dan elektrik yang baik. Contoh aplikasi seramik termasuk pinggan mangkuk, jubin lantai, pasu bunga, dan gigi palsu.
3. Polimer
Polimer ialah molekul besar berbentuk rantai yang terbentuk daripada gabungan unit-unit molekul kecil yang dikenali sebagai monomer. Proses pembentukan polimer daripada monomer dipanggil pempolimeran, manakala proses penguraian polimer kembali kepada monomernya dipanggil penyahpolimeran. Polimer boleh dikelaskan kepada dua jenis:
Polimer Semula Jadi (Wujud secara semula jadi):
| Polimer | Monomer | Kegunaan |
| Kanji | Glukosa | Memberikan tenaga |
| Protein | Asid amino | Membina sel dan tisu badan |
| Getah asli | Isoprena | Membuat produk berasaskan getah |
Polimer Sintetik (Buatan manusia):
| Polimer | Monomer | Kegunaan |
| Polietena | Etena | Botol plastik, beg plastik |
| Polistirena | Stirena | Bekas pembungkusan, peralatan elektrik |
| Perspeks | Metil metakrilat | Cermin pesawat, tingkap kenderaan |
| Getah sintetik (Neoprena) | Stirena | Sarung tangan, tayar, tapak kasut |
Salah satu proses pempolimeran ialah pempolimeran penambahan, di mana monomer yang mempunyai ikatan ganda dua bergabung untuk membentuk rantaian polimer yang panjang melalui pemecahan ikatan ganda dua tersebut.
Getah Asli dan Pemvulkanan
Getah asli atau lateks diperoleh daripada pokok getah. Ia bersifat kenyal, lembut, tidak tahan haba, dan merupakan penebat elektrik. Lateks boleh digumpalkan dengan menambahkan asid (cth: asid etanoik) yang meneutralkan cas negatif pada membran protein yang menyelaputi molekul getah, menyebabkan rantai polimer getah bercantum dan bergumpal. Penggumpalan boleh dicegah dengan menambahkan alkali (cth: larutan ammonia) yang meneutralkan asid daripada bakteria, mengekalkan cas negatif pada membran protein.
Untuk memperbaiki sifat getah asli, proses pemvulkanan dijalankan. Proses ini ditemui oleh Charles Goodyear dan melibatkan pemanasan getah asli dengan sulfur (biasanya 1-3%). Atom-atom sulfur akan membentuk rangkai silang sulfur di antara rantai polimer getah. Rangkai silang ini menghalang rantai polimer daripada menggelongsor, menjadikan getah tervulkan lebih keras, lebih kenyal, tahan haba, tidak mudah teroksida, dan penebat elektrik yang baik. Ia digunakan secara meluas untuk membuat tayar kenderaan, sarung tangan, dan tapak kasut.
Teknologi terkini berasaskan getah termasuk Asfalt Terubahsuai Getah Bekuan (CMA) untuk jalan raya yang lebih tahan lama, Getah Colour untuk seni visual, dan pad landasan getah untuk mengurangkan getaran kereta api.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Aloi | Campuran beberapa jenis logam atau campuran logam dengan bukan logam mengikut peratusan tertentu. |
| Aloi Superkonduktor | Aloi yang boleh mengalirkan arus elektrik pada kecekapan yang sangat tinggi tanpa sebarang rintangan. |
| Duralumin | Aloi ringan dan kuat yang terdiri daripada aluminium, kuprum, magnesium, dan mangan, digunakan untuk membuat badan pesawat. |
| Gangsa | Aloi keras dan tahan kakisan yang terdiri daripada kuprum dan timah. |
| Getah Asli | Polimer semula jadi (monomernya isoprena) yang diperoleh daripada susu getah (lateks) pokok getah. |
| Getah Sintetik | Polimer buatan manusia yang mempunyai sifat seperti getah, contohnya neoprena. |
| Getah Tervulkan | Getah yang telah melalui proses pemvulkanan, menjadikannya lebih keras, kenyal, dan tahan haba. |
| Kaca | Bahan keras, rapuh, dan lut sinar yang diperbuat terutamanya daripada silika. |
| Kaca Borosilikat | Jenis kaca yang mempunyai rintangan tinggi terhadap haba dan bahan kimia, digunakan untuk radas makmal. |
| Kaca Plumbum | Jenis kaca yang mengandungi plumbum(II) oksida, mempunyai indeks biasan yang tinggi dan digunakan untuk membuat prisma. |
| Kaca Soda Kapur | Jenis kaca yang paling umum, mudah dibentuk dan digunakan untuk botol, bekas kaca, dan tingkap. |
| Keluli | Aloi keras dan kuat yang terdiri daripada besi dan karbon, digunakan secara meluas dalam pembinaan. |
| Lateks | Cecair seperti susu yang diperoleh daripada pokok getah dan merupakan sumber getah asli. |
| Loyang | Aloi kuat dan berkilat yang terdiri daripada kuprum dan zink. |
| Monomer | Unit molekul kecil yang bergabung secara berulang untuk membentuk satu molekul rantai panjang yang dipanggil polimer. |
| Pempolimeran | Proses kimia di mana monomer-monomer bercantum untuk membentuk polimer. |
| Pemvulkanan | Proses pemanasan getah asli dengan sulfur untuk menghasilkan getah yang lebih kuat dan tahan lama dengan membentuk rangkai silang sulfur. |
| Penyahpolimeran | Proses penguraian molekul polimer kepada monomer-monomernya. |
| Piuter | Aloi berkilat dan tahan kakisan yang terdiri terutamanya daripada timah, dengan sedikit kuprum dan antimoni. |
| Polimer | Molekul besar berbentuk rantai yang terdiri daripada gabungan unit-unit molekul kecil (monomer) yang berulang. |
| Polimer Semula Jadi | Polimer yang wujud secara semula jadi, seperti kanji, protein, dan getah asli. |
| Polimer Sintetik | Polimer buatan manusia yang dihasilkan daripada bahan kimia, seperti polietena, polistirena, dan perspeks. |
| Seramik | Bahan bukan logam yang diperbuat daripada tanah liat (aluminium silikat) yang dibakar pada suhu tinggi, menjadikannya keras dan tahan lasak. |
| Silika | Sebatian silikon dioksida (SiO₂), komponen utama pasir dan bahan mentah utama untuk membuat kaca. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
1. Mengapakah duralumin dipilih untuk membuat badan pesawat terbang berbanding keluli atau aluminium tulen? Jelaskan jawapan anda.
Jawapan: Duralumin dipilih kerana ia menggabungkan sifat-sifat terbaik daripada komponennya untuk kegunaan aeronautik.
• Berbanding Aluminium Tulen: Aluminium tulen adalah ringan tetapi tidak cukup kuat untuk menahan tekanan aerodinamik yang tinggi. Duralumin, yang merupakan aloi aluminium dengan kuprum, magnesium, dan mangan, adalah jauh lebih kuat daripada aluminium tulen tetapi masih mengekalkan sifatnya yang ringan.
• Berbanding Keluli: Keluli sangat kuat dan keras, tetapi ia jauh lebih tumpat dan berat berbanding duralumin. Penggunaan keluli akan menjadikan pesawat terlalu berat, memerlukan lebih banyak kuasa tujahan dan bahan api, menjadikannya tidak efisien. Oleh itu, duralumin menawarkan nisbah kekuatan-kepada-berat yang optimum, menjadikannya bahan yang ideal untuk badan pesawat.
2. Seorang juruteknik makmal ingin menyimpan sejenis asid yang sangat mengakis. Antara radas kaca soda kapur dan kaca borosilikat, yang manakah patut dipilihnya? Wajarkan pilihan tersebut.
Jawapan: Juruteknik makmal itu patut memilih radas yang diperbuat daripada kaca borosilikat.
• Kewajaran: Kaca borosilikat mempunyai sifat lengai terhadap bahan kimia yang sangat tinggi. Ia tidak akan bertindak balas atau terkakis oleh asid tersebut, memastikan ketulenan asid terpelihara dan bekas simpanan tidak rosak. Sebaliknya, kaca soda kapur kurang tahan terhadap bahan kimia dan mungkin akan terkakis oleh asid yang kuat, menyebabkan pencemaran dan kebocoran. Selain itu, kaca borosilikat juga mempunyai rintangan haba yang tinggi, yang merupakan ciri keselamatan tambahan di dalam makmal.
3. Tayar kenderaan yang diperbuat daripada getah asli akan menjadi lembut dan melekit pada hari yang panas. Terangkan mengapa fenomena ini berlaku dari segi struktur molekul dan cadangkan bagaimana masalah ini diatasi.
Jawapan:
• Penerangan Fenomena: Getah asli terdiri daripada rantaian polimer (poli-isoprena) yang panjang dan berselirat tetapi tidak mempunyai ikatan kuat antara satu sama lain. Apabila suhu meningkat pada hari yang panas, rantaian polimer ini mendapat tenaga kinetik yang lebih tinggi dan mudah menggelongsor antara satu sama lain. Ini menyebabkan getah hilang kekenyalan, menjadi lembut, dan melekit.
• Penyelesaian: Masalah ini diatasi melalui proses pemvulkanan. Dengan memanaskan getah asli bersama sulfur, atom-atom sulfur akan membentuk rangkai silang yang kuat di antara rantaian polimer getah. Rangkai silang ini menghalang rantaian polimer daripada menggelongsor apabila dipanaskan. Hasilnya, getah tervulkan menjadi lebih keras, lebih kenyal, dan mempunyai ketahanan haba yang tinggi, menjadikannya sesuai untuk membuat tayar kenderaan.
4. Mengapakah proses penambahan larutan ammonia ke dalam lateks segar dapat menghalangnya daripada bergumpal?
Jawapan: Molekul-molekul getah dalam lateks diselaputi oleh satu lapisan membran protein yang bercas negatif. Cas-cas negatif ini menyebabkan molekul-molekul getah menolak antara satu sama lain, membolehkan lateks kekal dalam keadaan cecair. Penggumpalan berlaku apabila bakteria di udara menghasilkan asid yang meneutralkan cas negatif ini. Larutan ammonia ialah sejenis alkali. Apabila ditambahkan ke dalam lateks, ammonia akan meneutralkan asid yang dihasilkan oleh bakteria. Ini memastikan cas negatif pada membran protein kekal, jadi daya tolakan antara molekul getah terus wujud dan lateks tidak akan bergumpal.
5. Sebuah syarikat ingin menghasilkan cermin tingkap dwikaca untuk bangunan kediaman. Apakah jenis kaca yang paling sesuai dan mengapakah struktur dwikaca lebih baik untuk penebatan haba dan bunyi berbanding tingkap panel tunggal?
Jawapan:
• Jenis Kaca: Jenis kaca yang paling sesuai untuk tingkap kediaman ialah kaca soda kapur. Ini kerana ia mempunyai takat lebur yang rendah, menjadikannya mudah dibentuk kepada kepingan panel tingkap, dan kos pengeluarannya lebih rendah berbanding jenis kaca lain.
• Kelebihan Struktur Dwikaca: Tingkap dwikaca terdiri daripada dua panel kaca dengan ruang kosong (vakum atau diisi dengan udara) di antara kedua-duanya. Struktur ini lebih baik untuk penebatan kerana:
◦ Penebatan Haba: Haba sukar bergerak melalui ruang kosong atau udara di antara panel-panel kaca. Ini mengurangkan pemindahan haba dari luar ke dalam bangunan pada hari panas dan dari dalam ke luar pada hari sejuk, menjadikan suhu dalaman lebih stabil dan menjimatkan tenaga.
◦ Penebatan Bunyi: Ruang di antara panel kaca juga bertindak sebagai penghalang gelombang bunyi, menjadikannya kalis bunyi yang lebih baik berbanding panel kaca tunggal.