PERTAMINA OLIMPIADE SAINS 2016 SOAL OPEN ENDED BIDANG KIMIA
Petunjuk Pengerjaan Soal Open ended untuk bidang Kimia Dalam menjawab persoalan yang diberikan dalam open ended ini, Anda harus menuliskan hasil studi literatur /pustaka yang Anda peroleh mengenai persoalan yang ditanyakan dalam bentuk laporan (makalah) dan presentasi power point (ppt).
Kerangka penulisan laporan dan ppt presentasi hasil penelusuran literature tersebut meliputi: 1. Pendahuluan/ Introduksi, yang menjelaskan antara lain latar belakang, tujuan dan pentingnya permasalahan yang Anda pilih untuk dijawab. 2. Hasil studi pustaka/ penelusuran literatur. 3. Pembahasan serta saran/solusi Anda untuk menjelaskan/ menyelesaikan permasalahan. 4. Kesimpulan 5. Daftar referensi
PILIHLAH SALAH SATU TOPIK SOAL OPEN ENDED yang disediakan : 1. Katalisis Heterogen Pada Transformasi Senyawa Organik Limbah Bahan Hayati untuk Produksi Energi Baru – Terbarukan 2. Biodiesel 3. Kimia Organik Pada HP-mu : OLED (Organic Light-Emitting Diodes) 4. Pengembangan Metode Analisis Logam Berat
Katalisis Heterogen Pada Transformasi Senyawa Organik Limbah Bahan Hayati untuk Produksi Energi Baru – Terbarukan
Pertumbuhan populasi, transportasi dan industrialisasi telah menyebabkan kenaikan konsumsi bahan bakar fosil yang persediaannya semakin menipis, sehingga dibutuhkan sumber energi baru dan terbarukan untuk menjaga ketahanan energi nasional. Indonesia sudah selayaknya bersyukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena dianugerahi berbagai macam kekayaan alam khususnya material hayati. Di dalam material hayati, terdapat senyawa-senyawa organik yang dapat menjadi prekursor pada produksi energi terbarukan, baik yang outputnya berupa energi listrik maupun bahan bakar jet (bioavtur), biogasoline, bioethanol, dan biodiesel.
Limbah-limbah pertanian serta perkebunan mengandung senyawa-senyawa potensial yang dapat dikonversi lebih lanjut menjadi kandidat bahan bakar masa depan dengan kaidah sintesis dan mekanisme reaksi kimia organik, meliputi reaksi kondensasi Aldol, hidrogenasi, hidrasi, transesterifikasi dan lain-lain. Pada sudut pandang lain, seiring dengan perkembangan zaman, penggunaan katalis heterogen untuk transformasi senyawa organik semakin diminati karena banyak manfaat yang diperoleh seperti aktivitas katalitik yang relatif tinggi, stabil, kemudahan dalam penanganan dan pemisahan, serta bersifat ramah lingkungan. Dengan demikian, proses produksi energi baru dan terbarukan menjadi lebih mudah dan dapat dilakukan secara berkelanjutan dengan tetap berpegang teguh pada prinsip-prinsip GREEN CHEMISTRY.
1. Pilihlah salah satu bahan limbah yang mengandung senyawa-senyawa dengan potensi untuk dapat dikonversi menjadi energi baru terbarukan. 2. Pilihlah material katalis heterogen yang digunakan untuk reaksi konversi bahan limbah yang Saudara pilih. 3. Jelaskan bagaimana metoda sintesis material katalis heterogen tersebut serta modifikasinya. 4. Jelaskan bagaimana cara karakterisasi katalis heterogen yang Saudara pilih menggunakan instrumentasi modern saat ini. 5. Jelaskan aspek sintesis dan mekanisme reaksi organik yang dipakai pada tahap-tahap produksi energi terbarukan dari bahan limbah yang Saudara pilih. 6. Jelaskan bagaimana mendapatkan parameter kondisi reaksi dari transformasi senyawa organik menggunakan katalis heterogen agar didapatkan hasil yang optimum. 7. Jelaskan keunggulan material katalis heterogen yang digunakan untuk produksi energi baru terbarukan pilihan Saudara, dari aspek yield produk (rendemen hasil), kestabilan (stability), keberulangan (reusability), pengaruh luas permukaan, ukuran partikel, dll. 8. Jelaskan bagaimana meningkatkan parameter kondisi reaksi dan aktivitas katalitik dari material katalis heterogen yang Saudara pilih, dengan harapan bahwa energi baru terbarukan yang dihasilkan semakin banyak dan berkualitas tinggi.
Biodiesel Biodiesel merupakan substansi tidak beracun dan dapat diuraikan oleh lingkungan sehingga dapat dijadikan salah satu alternatif bahan bakar diesel ramah lingkungan. Sebuah studi di Amerika Serikat mengungkapkan bahwa emisi CO2 oleh biodiesel 75% lebih rendah dibandingkan bahan bakar fosil. Negara-negara yang memiliki ketergantungan pada impor minyak bumi dapat melepas ketergantungan dengan memperbanyak produksi biodiesel dalam negeri. Biodiesel biasanya diperoleh dari lemak hewan dan tumbuhan. Dibandingkan dengan hewan, mayoritas biodiesel diproduksi dari minyak nabati yang berasal dari berbagai jenis tumbuhan. Selain memiliki kelebihan, ternyata biodiesel juga memiliki banyak kekurangan. Dari segi performa, kandungan energi biodiesel 11% lebih rendah dari solar sehingga kemampuan dalam menghasilkan tenaga lebih kecil dibandingkan bahan bakar fosil. Dari segi kestabilan, jika disimpan dalam waktu lama biodiesel akan cenderung berubah menjadi gel dan dapat ditumbuhi mikroba sehingga dapat memicu masalah pada mesin. Seiring dengan peningkatan kebutuhan biodiesel, nantinya akan semakin banyak tanaman bahan baku yang harus ditanam untuk memenuhi permintaan. Hal ini akan memicu dilema apakah suatu tanaman pangan tertentu lebih diprioritaskan untuk dikonsumsi atau diolah menjadi biodiesel. Oleh karena itu, perlu dilakukan inovasi produksi biodiesel dari limbah organik yang jumlahnya sangat banyak dan ada di sekitar kita. a. Pilihlah salah satu limbah organik yang dapat dijadikan sebagai bahan baku produksi biodiesel, jelaskan alasan tersebut. Limbah tersebut harus tersedia dalam jumlah banyak secara kontinu dan kandungannya harus memenuhi syarat bahan baku biodiesel. b. Jelaskan metode isolasi (produksi) biodiesel dari limbah organik di atas. c. Jelaskan analisis yang dilakukan untuk menguji biodiesel yang dihasilkan dari limbah organik di atas. d. Usulkan modifikasi metode yang Saudara akan lakukan untuk mengoptimalkan hasil yang diperoleh. e. Jelaskan parameter atau kondisi setiap modifikasi metode tersebut agar didapatkan hasil yang optimal. f. Usulkan modifikasi atau transformasi biodiesel yang Saudara akan dilakukan untuk meminimalkan kekurangan dan meningkatkan kelebihan yang ada pada biodiesel. g. Jelaskan instrumentasi pendukung karakterisasi hasil modifikasi biodiesel.
KIMIA ORGANIK PADA HP MU OLED (Organic Light-Emitting Diodes) OLED atau Organic Light-Emitting Diodes telah merevolusi masyarakat dalam 10 tahun belakangan ini. TV layar datar, handphone, dan tablet, semua menggunakan teknologi OLED untuk menampilkan gambar high definition dengan kecerahan dan warna yang jauh di atas layar CRT. OLED benar-benar telah mematikan layar CRT (Cathode Ray Tubes) yang selama ini mendominasi. Teknologi ini telah memungkinkan penciptaan peralatan elektronik yang lebih kecil, lebih murah dan lebih fleksibel daripada monitor CRT. Kunci keberhasilan ini adalah berkat penemuan conducting organic polymer. Sebelumnya, molekul organik hanya dikenal sebagai senyawa non polar sehingga lebih cocok digunakan sebagai isolator dan tidak pernah terpikirkan akan berguna sebagai barang elektronik. Meskipun OLED masa kini jauh lebih kompleks, desain awalnya ternyata lebih sederhana dan dapat dianalisis menggunakan dasar-dasar kimia organik. Pada kesempatan kali ini, anda akan menentukan bagaimana mensintesis polimer penghantar dari bahan kimia organik, bagaimana memvariasikan strukturnya warna cahaya yang diemisikan (penting untuk menciptakan gambar berwarna), dan menentukan bagaimana dan apa fungsinya. •
Bacalah halaman pertama dari “Light-emitting diodes based on conjugated polymers,” J.H. Burroughes, et al., Nature (1990), 347, p. 539. Anda hanya perlu membaca halaman 539; selebihnya hanya berfokus pada fisika dan elektronik dari material. Kita akan fokus pada kimia dan sintesis. Artikel tersedia di: http://www.nature.com/nature/journal/v347/n6293/pdf/347539a0.pdf atau http://www.nature.com/physics/looking-back/burroughes/index.html
• •
Carilah artikel “OLED,” dari Wikipedia. Baca chapter 14, 15 and 16 (“Conjugated Compounds and Ultraviolet Spectroscopy”; “Benzene and Aromaticity”; “Chemistry of Benzene”) pada organic chemistry textbook (McMurry, Organic Chemistry, 8th ed.).
Pertanyaan 1. Tuliskan definisi singkat istilah-istilah di bawah ini. a. Konjugasi b. Polimer c. HOMO dan LUMO 2. Jawablah pertanyaan di bawah ini. a. Mengapa senyawa terkonjugasi menyerap sinar pada daerah ultraviolet? b. Mengapa semakin banyak ikatan rangkap terkonjugasi pada suatu senyawa, menyerap sinar pada panjang gelombang yang lebih tinggi? c. Apa yang diperlukan oleh senyawa organik agar dapat menyerap pada daerah sinar tampak?
1. Sinthesis Polimer Urut-urutan reaksi untuk mensintesis poly(phenylene vinylene) (PPV) dari Burroughes, et al., ditunjukkan di bawah ini.
Gambar 1
a. Gambarkan mekanisme pada reaksi 1. b. Gambarkan polimerisasi pada reaksi 2. Mengapa kondisi reaksi ini menyebabkan terjadinya polimerisasi? c. Mengapa eliminasi pada reaksi 3 terjadi hanya dengan pemanasan? 2. Electroluminescence Definisi electroluminescence adalah lepasnya cahaya dari material ketika diberikan arus listrik. a. Gambarkan diagram orbital molekul dari 1,3-butadiena dan 1,3,5-hexatriena. Berikan label HOMO and LUMO pada masing-masing. Molekul yang mana yang memiliki energy gap lebih rendah antara HOMO and LUMO nya? Apa artinya hal tersebut bila dikaitkan dengan frekuensi cahaya diserap oleh kedua molekul tersebut? b. Agar berguna, sinar yang diemisikan haruslah berada dalam daerah visible. Mengapa materialnya harus berupa polimer panjang dengan ikatan rangkap terkonjugasi? 3. Variasi Warna Kelebihan dari OLED adalah kemampuan untuk mengatur frekuensi emisi cahaya sehingga cahaya yang dilepaskan dapat berbeda warna. Hal ini dapat dicapai dengan memvariasikan substituent pada polimer PPV. a. Dua varian PPV yang umum adalah BuEH-PPV dan BEH-PPV, strukturnya dapat dilihat pada Gambar 2. Jika PPV dan BuEH-PPV mengemisikan cahaya di daerah hijau/kuning-hijau, sedangkan BEH-PPV mengemisikan cahaya di daerah merah, jelaskan mengenai gap HOMO/LUMO dari kedua senyawa tersebut. b. Berdasarkan informasi di atas, kira-kira jenis subtituent apa yang akan anda masukkan pada cincin aromatik untuk menghasilkankan emisi cahaya biru?
Gambar 2
Pengembangan Metode Analisis Logam Berat Pencemaran logam berat pada air laut merupakan permasalahan lingkungan yang cukup serius karena potensi akumulasi polutan tersebut dalam organisme laut dan sedimen. Melalui rantai makanan logam berat masuk ke dalam tubuh manusia sehingga menimbulkan efek toksik seperti gangguan sintesis hemoglobin darah, gangguan neurologi (susunan syaraf), gangguan pada sistem ekskresi, dan gangguan pada sistem reproduksi. Logam berat yang sering terdapat dalam pencemaran air adalah Hg, Pb, Cd,, Cu, Ni, dan Zn. Dalam sampel air laut, logam berat ditemukan dalam konsentrasi yang sangat rendah (renik) dengan nilai ambang batas (NAB) yang ditetapkan oleh kementerian Lingkungan Hidup (KLH) yaitu 10 ppb (Pb), 0,11 ppb (Cd), 1 ppb (Cu), 2 ppb(Ni), dan 0,1 ppm (Zn). Instrunen analisis logam berat untuk konsentrasi renik telah banyak dikembangkan seperti Inductively Coupled Plasma (ICP). Akan tetapi biaya yang dibutuhkan untuk penggunaan instrumen tersebut cukup mahal, sehingga diperlukan suatu pengembangan metoda analisis yang tepat, biaya rendah, dan memenuhi prinsip-prinsip green chemistry. Pertanyaan : a. Sebelum dilakukan analisis eksitu teknik preparasi sampel harus diperhatikan agar tidak terjadi kesalahan pengukuran, Jelaskan teknik preparasi yang mungkin dilakukan untuk sampel cairan (air laut) dan padatan (organisme dan sedimen) agar kadar logam dalam sampel tidak berubah ! b. Pilih satu metoda yang dapat digunakan untuk analisis logam berat, Jelaskan alasan anda ! c. Sebutkan gangguan-gangguan analisis yang dapat terjadi terhadap metoda yang saudara ajukan! d. Untuk analisis dalam konsentrasi yang sangat rendah (renik) diperlukan satu teknik pemisahan dan pemekatan (preconcentration), Ajukan suatu tenik pemisahan dan pemekatan yang mungkin untuk logam berat dan jelaskan ! e. Jelaskan parameter kondisi reaksi agar diperoleh hasil pemisahan dan pemekatan yang selektif dan optimum ! f. Rancanglah suatu metoda analisis inline yang dapat dilakukan untuk analisis logam dalam konsentrasi renik (trace level analysis) !
g. Jelaskan prinsip green chemistry yang mungkin anda penuhi dalam metoda analisis yang anda gunakan ! h. Sebutkan parameter yang dapat digunakan untuk memvalidasi metode analisis yang anda ajukan dan jelaskan !
