Wujud, Sifat-Sifat Zat, dan Materi

Semua benda di alam terdiri atas zat atau materi. Manusia, hewan, dan tumbuh-tumbuhan terdiri atas zat atau materi. Setiap zat tersusun atas berjuta-juta partikel. Berdasarkan partikel-partikel penyusunnya, ahli fisika dapat membedakan antara zat padat, zat cair, dan gas.

Berdasarkan teori partikel, ahli fisika juga dapat menjelaskan peristiwa fisika yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan mempelajari bab ini kalian dapat menjawab beberapa pertanyaan berikut. Mengapa zat dapat berubah wujud? Mengapa air raksa yang tumpah pada permukaan meja tidak membasahi meja? Mengapa nyamuk dapat berjalan pada permukaan air?

Salah satu sifat penting dari zat atau materi adalah massa jenis. Apakah yang dimaksud dengan massa jenis? Bagaimakah cara menentukan massa jenis zat padat dan zat cair?

Wujud Zat

Di sekitar tempat tinggal kalian terdapat bermacam-macam benda. Beberapa benda seperti batu, besi, gelas, dan kayu termasuk benda padat atau zat padat. Beberapa benda seperti air, bensin, dan minyak tanah termasuk benda cair atau zat cair. Udara, parfum, dan bahan pengisi balon termasuk gas. Jadi, ada tiga wujud zat, yaitu: zat padat, zat cair, dan gas. Tiga wujud zat ini dapat berada pada satu benda, misalnya sepeda motor. Rangka sepeda motor merupakan zat padat, bensin dan oli merupakan zat cair, dan udara pengisi ban merupakan gas.

Setiap benda, baik berwujud padat, cair, maupun gas, selalu memiliki massa dan menempati ruang. Dalam fisika, zat didefinisikan sebagai sesuatu yang memiliki massa dan menempati ruang. Seperti telah kalian pelajari, massa adalah ukuran banyaknya zat yang terkandung pada benda.

Zat padat, misalnya meja belajar, jelas memiliki massa dan di dalam ruang belajar memerlukan ruang atau tempat tertentu. Zat cair, misalnya air, jelas memiliki massa dan memerlukan ruang dalam gelas. Apakah gas juga memiliki massa dan menempati ruang? Gas menempati ruang dapat dilihat pada balon yang ditiup sehingga menggelembung. Bentuk balon yang menggelembung menunjukkan ada udara di dalamnya. Artinya, udara menempati ruang dalam balon. 

Sifat-sifat Zat

Bagaimanakah dengan sifat zat cair? Seperti telah kalian pelajari, volume zat cair selalu tetap. Akan tetapi, bentuk zat cair selalu mengikuti bentuk wadahnya. Jadi, sifat zat cair adalah volumenya tetap tetapi bentuknya selalu berubah bergantung pada bentuk wadahnya.

Bagaimanakah dengan sifat gas? Apabila parfum disemprotkan pada salah satu sudut ruangan, parfum itu akan segera mengisi seluruh ruangan. Hal ini dapat dibuktikan dengan mudah. Kita dapat segera merasakan bau parfum, meskipun tidak berada di dekat parfum yang disemprotkan. Jadi, sifat gas adalah volume berubah dan selalu mengisi seluruh ruangan.

Peristiwa perubahan wujud dari zat padat menjadi gas dapat dijumpai pada kapur barus. Seperti diketahui, kapur barus yang diletakkan di dalam lemari pakaian semakin lama akan semakin kecil, bahkan habis. Sebagai gantinya, pakaian menjadi wangi. Hal ini menunjukkan bahwa kapur barus (zat padat) berubah menjadi gas (uap). perubahan wujud yang arahnya ke atas membutuhkan panas.

Selama ini kita mengenal tiga macam wujud zat, yaitu: padat, cair, dan gas. Akan tetapi, ahli fisika menyatakan bahwa sebenarnya ada empat wujud zat, yaitu: padat, cair, gas, dan plasma. Plasma adalah gas yang terionisasi sempurna, sering disebut keadaan materi yang keempat, disamping keadaan padat, cair, dan gas.

Teori Partikel Zat

Apakah partikel itu? Untuk menjawab pertanyaan ini, ambillah sebatang kapur tulis dan potonglah menjadi dua bagian. Selanjutnya, potonglah salah satu potongan kapur tulis itu menjadi dua bagian. Apabila pemotongan kapur tulis itu dilakukan terus-menerus, maka suatu ketika kalian tidak dapat memotongnya lagi. Meskipun kalian sudah tidak dapat memotong kapur tulis lagi, tetapi potongan terakhir ini masih memiliki sifat-sifat kapur. Nah, bagian terakhir yang tidak dapat dipotong lagi dan masih memiliki sifat-sifat kapur dikenal sebagai partikel.

Ketika kalian membuka botol parfum, parfum menguap. Partikel-partikel parfum bergerak ke segala arah dan memenuhi ruangan, sehingga kalian dapat mencium bau parfum. Berdasarkan teori partikel, jumlah partikel parfum dalam wujud cair sama dengan jumlah partikel parfum dalam wujud gas. Akan tetapi, setetes parfum baunya dapat menyebar ke seluruh ruangan. Artinya, jarak antarpartikel gas lebih jauh daripada jarak antarpartikel zat cair.

Ketika kalian membuat teh manis, gula pasir berubah dari wujud padat ke wujud cair. Partikel-partikel gula pasir menyebar ke seluruh cairan (air) dalam gelas sehingga air terasa manis. Jumlah partikel gula pasir sebelum dilarutkan (wujud padat) dan setelah dilarutkan sama besar. Artinya, jarak antarpartikel dalam zat cair lebih jauh daripada jarak antara partikel zat padat.

Ukuran partikel sangat kecil sehingga kalian tidak dapat melihat partikel secara langsung. Kalian dapat melihat partikel-partikel itu apabila menggunakan alat yang dinamakan mikroskop elektron. Bagian terkecil zat yang dinamakan partikel sebagaimana diuraikan di atas sering disebut sebagai molekul. Jadi, partikel atau molekul adalah bagian terkecil dari zat yang masih memiliki sifat-sifat zat yang bersangkutan. Karena parfum baunya wangi, sehingga partikel-partikel parfum juga berbau wangi. Gula rasanya manis, sehingga partikel-partikel juga rasanya manis.

Bagaimanakah gerak partikel-partikel zat? Robert Brown, seorang ahli botani berkebangsaan Inggris, pada tahun 1827 telah mengamati gerak partikel zat dengan menggunakan mikroskop. Ia menemukan bahwa partikel-partikel tepung sari di dalam air bergerak secara acak (sembarang). Sesuai dengan nama penemunya, gerak partikel-partikel zat dinamakan gerak.

Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa jarak antarpartikel zat secara berurutan dari dekat ke jauh berturut-turut adalah zat padat, zat cair, dan gas. Seperti diketahui, contoh zat padat adalah pensil, uang logam, dan peniti. Zat padat memiliki ciri penting, yaitu: bentuk dan volumenya tetap. Partikel-partikel zat padat saling berdekatan dalam susunan yang teratur. Partikel-partikel ini diikat oleh gaya tarik-menarik antarpartikel itu sendiri. Partikel-partikel zat padat tidak dapat bergerak bebas ke luar dari kedudukannya. Partikel-partikel zat padat hanya bergetar di sekitar kedudukannya. Itulah sebabnya zat padat memiliki bentuk dan volume tetap. Sifat-sifat zat padat bergantung pada cara penyusunan partikel-partikelnya. Apabila susunan partikel-partikel zat padat memiliki pola teratur dan berulang, maka zat padat itu dinamakan zat padat kristal. Contoh zat padat kristal adalah kuasa. Apabila susunan partikel-partikel zat padat tidak memiliki pola teratur, maka zat padat itu dinamakan zat padat amorf.

Jarak antarpartikel zat cair lebih renggang daripada jarak antarpartikel zat padat. Partikel-partikel zat cair mudah berpindah tempat, sehingga zat cair tidak memiliki bentuk yang tetap. Bentuk zat cair bergantung pada wadahnya. Gaya tarik-menarik antarpartikel dalam zat cair lebih kecil daripada gaya tarik-menarik antarpartikel dalam zat padat. Akibatnya, zat cair dapat mengalir. Beberapa zat cair lebih mudah mengalir daripada yang lain. Hal ini bergantung pada kekentalan zat cair yang bersangkutan. Misalnya, sirup lebih kental daripada air.

Jarak antarpartikel gas sangat renggang, sehingga gaya tarik-menarik antarpartikelnya diabaikan. Gas dapat mengisi seluruh bejana (ruangan), tanpa memperhatikan ukuran dan bentuk bejana.  Oleh karena itu, bentuk dan volume gas tidak tetap.

Bagaimanakah Teori Partikel Dapat Menjelaskan Perubahan Wujud Zat?

Seperti diketahui air dapat berada dalam wujud, yaitu: es (zat padat), air (zat cair), dan uap air (gas). Bagaimanakah teori partikel dapat menjelaskan perubahan wujud zat?

Ketika es dipanaskan, energi partikel-partikel es bertambah sehingga setiap partikel dapat bergerak lebih cepat sehingga jarak antarpartikel semakin jauh. Pada suhu tertentu, gaya tarik-menarik yang mengikat partikel-partikel es sudah tidak mampu lagi menahan gerak partikel sehingga partikel-partikelnya berpindah tempat. Pada saat itulah es (zat padat) berubah wujud menjadi air (zat cair).

Hal yang sama terjadi apabila air (zat cair) dipanaskan. Ketika air dipanaskan, energi partikel-partikel air bertambah sehingga setiap partikel dapat bergerak lebih cepat sehingga jarak antarpartikel semakin jauh. Pada suhu tertentu, gaya tarik-menarik yang mengikat partikel-partikel air sudah tidak mampu lagi menahan partikel-partikel air untuk tetap berada di tempatnya. Akibatnya, partikel-partikel air bebas bergerak. Pada saat itulah air (zat cair) berubah wujud menjadi uap air (gas).

Apa yang terjadi apabila air disimpan di lemari es? Ketika air disimpan di lemari es, suhu air menurun sehingga sehingga partikel-partikelnya bergerak semakin lembat dan jarak antarpartikelnya semakin dekat. Akibatnya, gaya tarik antarpartikel semakin kuat. Pada suhu tertentu, gaya tarik antarpartikel ini sangat kuat sehingga partikel-partikelnya sudah tidak mampu lagi untuk melepaskan diri. Pada saat itulah air (zat cair) berubah wujud menjadi es (zat padat).

Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa perubahan wujud terjadi apabila ada perubahan gerak partikel-partikel sehingga menyebabkan jarak antarpartikel berubah.

Kohesi dan Adhesi

Gaya tarik-menarik antarpartikel ini dibedakan menjadi dua, yaitu: kohesi dan adhesi. Kohesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang sejenis. Adhesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang tidak sejenis.

Dalam kehidupan sehari-hari, peristiwa apa yang dapat dijelaskan dengan kohesi dan adhesi? Masukkan air ke dalam bejana gelas. Amati permukaan air dari samping gelas. Apa yang dapat kalian amati? Tampak bahwa permukaan air tidak datar, tetapi sedikit melengkung ke bawah pada bagian yang bersentuhan dengan dinding gelas (Gambar 3.8a). Kelengkungan permukaan zat cair ini dinamakan meniskus.

Ada dua macam meniskus, yaitu meniskus cekung dan meniskus cembung. Permukaan air dalam bejana gelas membentuk meniskus cekung (Gambar 3.8a). Sebaliknya, permukaan raksa dalam bejana gelas membentuk meniskus cembung. Mengapa permukaan air membentuk meniskus cekung, sedangkan permukaan raksa membentuk meniskus cembung? Hal ini dapat dijelaskan dengan menggunakan gaya tarik-menarik antarpartikel. Untuk air yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel air lebih kecil daripada adhesi antarpartikel air dan kaca. Akibatnya, permukaan air dalam bejana gelas membentuk meniskus cekung. Zat cair yang memiliki meniskus cekung selalu membasahi dinding bejana. Jadi, air selalu membasahi dinding kaca. Untuk raksa yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel raksa lebih besar daripada adhesi antarpartikel raksa dan kaca. Akibatnya, permukaan raksa dalam bejana gelas membentuk meniskus cembung. Zat cair yang memiliki meniskus cembung tidak membasahi dinding bejana. Jadi, raksa tidak membasahi dinding kaca. Sifat raksa yang tidak membasahi dinding kaca merupakan salah satu alasan mengapa raksa digunakan sebagai bahan pengisi termometer. Sifat raksa yang mengkilap serta tidak membasahi dinding kaca menyebabkan skala suhu termometer dapat dibaca dengan mudah.

Kapilaritas

Apakah azas bejana berhubungan tetap berlaku apabila kaki-kaki bejana berhubungan diganti dengan pipa kapiler? Pipa kapiler adalah pipa yang garis tengah penampangnya sangat kecil. dapat disimpulkan bahwa azas bejana berhubungan tidak berlaku apabila salah satu kaki bejana berhubungan berupa pipa kapiler. Peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler dinamakan kapilaritas. Apakah penyebab terjadinya kapilaritas? Kapilaritas terjadi karena adanya kohesi dan adhesi. Apabila adhesi lebih besar daripada kohesi, zat cair naik dalam pipa kapiler. Sebaliknya, apabila adhesi lebih kecil daripada kohesi, zat cair turun dalam pipa kapiler.

Kapilaritas atau gejala kapiler sangat bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari. Peristiwa naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor merupakan salah satu contoh gejala kapilaritas. Seperti diketahui, bagian bawah sumbu kompor tercelup dalam minyak tanah. Dengan adanya kapilaritas minyak dapat meresap pada sumbu kompor sehingga membasahi seluruh sumbu. Akibatnya, apabila dibakar sumbu kompor dapat menyala karena telah mengandung minyak. Jadi, sumbu kompor dapat berfungsi sebagai pipa-pipa kapiler.

Kapilaritas juga memegang peranan penting bagi tumbuh-tumbuhan untuk mempertahankan kelangsungan hidupnya. Proses pengisapan air dari dalam tanah pada tumbuhan juga dapat dijelaskan berdasarkan konsep kapilaritas. Gejala kapiler menyebabkan air dapat naik dari akar ke daun melalui pembuluh kayu dalam batang. Oleh karena itu, pembuluh kayu berfungsi sebagai pipa kapiler.

Tegangan Permukaan

Beberapa peristiwa yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari: setetes embun yang berbentuk bola di ujung daun, serangga dapat berjalan pada permukaan air, dan penjepit kertas dapat terapung pada permukaan air.  Bagaimanakah peristiwa-peristiwa di atas dapat dijelaskan? Untuk menjelaskan peristiwa-peristiwa di atas kalian harus mengetahui pengertian tegangan permukaan zat cair. Perlu diketahui, permukaan zat cair sebenarnya memiliki kecenderungan selalu dalam keadaan teregang sehingga permukaan zat cair seolah-olah memiliki selaput. Nah, selaput inilah yang “menahan” benda-benda (nyamuk dan penjepit kertas) sehingga tidak tenggelam. Di samping cenderung teregang, zat cair juga memiliki kecenderungan menyusut untuk membentuk luas permukaan yang sekecil-kecilnya.  Setetes zat cair selalu berbentuk bulatan karena bentuk bola memiliki luas permukaan yang paling kecil jika dibandingkan dengan bentuk bangun lain.

Bagaimanakah tegangan permukaan dijelaskan dengan teori partikel? Kemampuan zat cair dalam menahan benda-benda kecil seperti serangga, penjepit kertas, dan silet dapat dijelaskan dengan menggunakan konsep gaya kohesi di antara molekul-molekul zat cair. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan permukaan zat cair dipengaruhi oleh suhu. Apabila suhu zat cair semakin tinggi, tegangan permukaan air semakin rendah. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa semakin rendah tegangan permukaan zat cair, semakin besar kemampuan zat cair untuk membasahi benda.Seperti telah dijelaskan di atas, semakin tinggi suhu air menyebabkan tegangan permukaan air semakin rendah. Mencuci pakaian dengan air hangat akan menghasilkan cucian yang lebih bersih daripada mencuci pakaian dengan air dingin. Mengapa? Sebab mencuci pakaian dengan air hangat menyebabkan kotoran pakaian mudah larut dalam air. Sabun dan deterjen mengandung zat kimia yang  berfungsi untuk menurunkan tegangan tegangan permukaan air. Oleh karena itu, mencuci pakaian dengan deterjen dapat menghasilkan cucian yang lebih bersih. Zat yang mampu menurunkan tegangan permukaan zat cair dinamakan surfaktans.

Massa Jenis

Dalam kehidupan sehari-hari kalian sering mendengar ungkapan bahwa besi “lebih berat” daripada kayu. Ungkapan ini tidak benar, karena sepotong kayu yang besar memiliki berat yang lebih besar daripada paku besi. Ungkapan yang benar adalah massa jenis besi lebih besar daripada massa jenis kayu.

Massa jenis merupakan salah satu ciri khas suatu zat. Artinya, zat yang massa jenisnya berbeda pasti berasal dari jenis zat yang berbeda. Untuk menyatakan massa jenis biasanya digunakan simbol huruf Yunani r (dibaca: “rho”). Jika benda massanya m dan volumenya V, maka massa jenis benda itu dapat dihitung dengan rumus: massa : volume.

Dalam satuan SI massa diukur dengan satuan kilogram (kg), sedangkan volume diukur dengan satuan meter kubik (m³).satuan massa jenis dalam satuan SI adalah kg/m³. Massa jenis juga dapat dinyatakan dengan satuan g/cm³ atau g/mL. Ingat, 1 cm³ = 1 mL sehingga    1 g/cm³ = 1 g/mL.

Dalam perhitungan kita sering perlu mengubah satuan g/cm³ atau g/mL menjadi satuan kg/m³ atau sebaliknya. Bagaimanakah caranya? Pehatikan langkah-langkah di bawah ini.

Jadi,

            1 g/cm³ = 1.000 kg/m³.

Tabel 3.1 Massa Jenis Beberapa Zat

Bahan	Massa Jenis (kg/m3)
Padat
Aluminium	2.700
Besi dan Baja	7.800
Tembaga	8.900
Timbal	11.300
Emas	19.300
Beton	2.300
Granit	2.700
Kayu	300-900
Kaca	2.400-2.800
Es	920
Cair
Air (4oC)	1.000
Darah, plasma	1.030
Darah, seluruhnya	1.050
Air laut	1.025
Raksa	13.600
Alkohol, Alkil	790
Bensin	680
Gas
Udara	1,29
Helium	0,179
Karbondioksida	1,98
Uap air (100oC)	0,598

Bagaimanakah Cara Menentukan Massa Jenis Zat?

Massa jenis suatu zat dirumuskan sebagai massa dibagi volumenya. Jadi, untuk menentukan massa jenis suatu zat cukup mengukur massa dan volumenya. Untuk benda padat yang bentuknya teratur volumenya dapat dihitung dengan menggunakan rumus, sedangkan massanya dapat diukur dengan neraca atau timbangan. Untuk benda padat yang bentuknya tidak teratur volumenya dapat diukur dengan menggunakan gelas ukur, sedangkan massanya dapat diukur dengan neraca atau timbangan. Untuk menentukan massa jenis zat cair, volumenya dapat diukur dengan menggunakan gelas ukur, sedangkan massanya dapat diukur dengan neraca atau timbangan.

Pengetahuan tentang massa jenis sangat berguna untuk memilih bahan yang dibutuhkan untuk berbagai kepentingan. Aluminium dipilih sebagai bahan logam pembuat pesawat terbang karena aluminium merupakan salah satu logam yang sangat kuat dan massanya ringan. Gas helium memiliki massa jenis kecil, lebih kecil daripada massa jenis udara, sehingga gas helium dipilih untuk mengisi balon udara.

RANGKUMAN

Ada tiga wujud zat: padat, cair, dan gas. Sifat zat padat: bentuk dan volumenya tetap. Sifat zat cair: volumenya tetap, bentuknya mengikuti wadahnya. Sifat gas: volumenya berubah dan selalu mengisi seluruh ruangan.

Partikel atau molekuladalah bagian terkecil dari zat yang masih memiliki sifat-sifat zat yang bersangkutan.

Perubahan wujudzat terjadi apabila ada perubahan gerak partikel-partikel sehingga menyebabkan jarak antarpartikel berubah.

Kohesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang sejenis. Adhesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang tidak sejenis.

Kelengkungan permukaan zat cair dinamakan meniskus.

Untuk air yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel air lebih kecil daripada adhesi antarpartikel air dan kaca. Akibatnya, permukaan air dalam bejana gelas membentuk meniskus cekung. Zat cair yang memiliki meniskus cekung selalu membasahi dinding bejana.

Untuk raksa yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel raksa lebih besar daripada adhesi antarpartikel raksa dan kaca. Akibatnya, permukaan raksa dalam bejana gelas membentuk meniskus cembung. Zat cair yang memiliki meniskus cembung tidak membasahi dinding bejana.

Peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler dinamakan kapilaritas.

Tegangan permukaandisebabkan oleh gaya kohesi antarpartikel zat cair.

Salah satu sifat penting zat adalah massa jenis yang didefinisikan sebagai hasil bagi antara massa dan volume. Rumus massa jenis adalah

Massa jenis (g/cm³), m adalah massa (g), dan V adalah volume (cm³). Dalam SI satuan massa jenis adalah kg/m³.