tirto.id - Ambil dua balon. Balon pertama berisi udara. Balon kedua berisi gas Helium bervolume sama seperti balon pertama. Balon mana yang memiliki massa lebih besar?
Jawaban pertanyaan itu berisi apa yang kita sebut sekarang sebagai Hukum Avogadro: "Dalam suhu dan tekanan yang sama, gas-gas bervolume sama memiliki jumlah molekul yang sama".
Menurut hukum tersebut, jumlah molekul di balon pertama dan kedua sama. Namun atom Helium memiliki massa lebih kecil dari molekul Oksigen dan Nitrogen yang jamak terdapat dalam udara. Dengan demikian, balon pertama memiliki massa lebih besar dari balon kedua.
Meskipun hukum tersebut sekarang dikenal dan membantu menyelesaikan persoalan banyak orang, pada mulanya ia adalah hipotesis yang tidak begitu dilirik. Amedeo Avogadro lah orang yang pertama kali mengemukakannya. Para ilmuwan mengabaikan hipotesis Avogadro itu hampir selama 50 tahun.
Alasan di balik 50 tahun pengabaian hipotesis Avogadro oleh para ilmuwan disebut John H. Brooke dalam "Avogadro's Hypothesis and Its Fate: A Case-study in the Failure of Case-studies" (1981) sebagai salah satu pertanyaan besar dalam sejarah ilmu kimia.
Ahli Hukum yang Terpesona Sains
Amedeo Avogadro lahir di Turin pada 1776. Ayahnya, Filippo Avogadro, bekerja sebagai pengacara. Avogadro sendiri sebetulnya nama keluarga bangsawan di Turin yang saat itu masuk teritori Piedmont yang dikuasai Kerajaan Sardinia
Collin Russel dari Cambridge University, dalam "Avogrado" (2006), menjelaskan Amedeo sekolah di Turin dan memperdalam ilmu hukum, mengikuti jejak keluarganya. Pada 1796 dia mulai bekerja di dinas sipil setempat.
Amedeo muda tumbuh di masa-masa yang sulit. Ketika dia berusia 22, Kerajaan Sardinia diduduki tentara revolusi Perancis. Austria pun kerap melancarkan serangan wilayah Piedmont. Namun, situasi malah membuat Piedmont dibanjiri buku-buku karya ilmuwan Perancis.
Seperti banyak orang muda Piedmont saat itu, sains memesona Amedeo. Selain mempelajari karya-karya ilmuwan Perancis, Amedeo juga melakukan eksperimen sendiri. Minat utamanya ialah bidang listrik. Menurut Russel, bukan kebetulan bahwa saat itu Allesandro Volta, orang yang juga tinggal di Italia bagian utara, menghebohkan Eropa dengan penemuannya: baterai dan hubungan antara kimia dan listrik.
Syahdan, Amedeo mengirim beberapa esai mengenai listrik ke Akademi Ilmu Pengetahuan Turin, dan mungkin sebagai hasilnya, ia diangkat sebagai anggota organisasi itu. Pada 1806-1807 ia mengirim beberapa makalah ke Journal de Physique. Tak lama kemudian ia memilih bekerja sebagai dosen di perguruan tinggi di Turin, lalu Vercelli, meninggalkan pekerjaannya di bidang hukum.
Di Antara Dalton dan Gay-Lussac
Semasa itu, nun jauh di Inggris sana, hidup pula seorang ilmuwan bernama John Dalton. Pada 1808 Dalton menyatakan setiap unsur memiliki atom-atom yang sama; dan ia berbeda dari atom-atom di unsur lain. Jadi, untuk membedakan pelbagai unsur, kata Dalton, lihat saja "massa atomik" unsur-unsur tersebut.
Lantas, bagaimana cara menentukan massa relatif unsur dalam senyawa (gabungan unsur-unsur)? Untuk keperluan ini, para ilmuwan saat itu mengandalkan perangkat gravimetri. Dari situ, diketahui massa relatif Oksigen, Sulfur, dan Nitrogen sekitar 8 banding 16 banding 5.
Meski demikian, konsep Dalton mengenai massa atomik ini dipertanyakan. Delapan tahun sebelum Dalton mengemukakan konsepnya, ilmuwan Inggris lain, William Nicholson dan Anthony Carlise, menunjukkan air dapat terurai oleh arus listrik menjadi gas Hidrogen dan Oksigen. Volume gas Hidrogen dan Oksigen hasil penguraian itu selalu 2 banding 1. Pertanyaannya: apakah satu atau dua atom Hidrogen yang terikat pada satu Oksigen dalam atom air?
Dalton percaya alam ini tersusun secara sederaha. Dia yakin bahwa air mestilah terdiri atas satu atom Hidrogen dan satu atom Oksigen. Dalam pikiran Dalton, notasi kimia yang cocok untuk air ialah HO. Keyakinan itulah yang membuat Dalton menentang konsep yang dikemukakan Joseph Louis Gay-Lussac, salah satu ilmuwan Perancis yang karya-karyanya digemari Avogadro.
Gay-Lussac, berangkat dari simpulan Nicholson dan Carlise, menunjukkan Hukum Perbandingan Volume. Hukum ini menyatakan bahwa pada suhu dan tekanan yang sama, perbandingan antara volume gas-gas yang bereaksi dan volume gas-gas hasil reaksi dapat dinyatakan dalam bilangan bulat sederhana.
Misalkan, Anda punya sebuah bak berisi bola. Satu bak terdiri empat bola. Anggap saja bola itu molekul-molekul gas yang hendak direaksikan.
Menurut Hukum Perbandingan Volume, dua bak Hidrogen direaksikan dengan satu bak Oksigen menghasilkan dua bak air (dalam bentuk gas). Karena itu, rumus molekul air boleh jadi H2O, bukan HO.
Bila bersikeras dua bak Hidrogen bereaksi dengan satu bak Oksigen menghasilkan air yang molekulnya sesuai keyakinan Dalton, HO, maka empat bola Oksigen hanya akan berpasangan dengan empat bola Hidrogen. Meskipun hasil reaksi ini ialah empat bola air yang setara satu bak, namun menyisakan empat bola Hidrogen.
Keberadaan Hidrogen sisa tersebut bertentangan dengan Hukum Kekekalan Massa yang dikemukakan Antoine Laurent Lavoisier. Lewat hukum ini, bapak kimia modern yang akhirnya deksekusi mati ketika Revolusi Perancis pecah itu menyatakan bahwa dalam reaksi yang melibatkan perubahan materi dan energi di sistem tertutup, massa dalam sistem tidak berubah alias kekal. Kata Lavoisier, massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.
Lalu, muncullah makalah "Essai d'une manière" yang ditulis Avogadro. Makalah tersebut terbit pada 1811. Dalam makalah ini, Amedeo berhipotesis gas-gas bervolume sama, dalam suhu dan tekanan yang sama, mengandung jumlah molekul yang sama.
Kembali ke analogi bak dan bola molekul. Mengikuti hipotesis Avogadro itu dalam satu bak air dan satu bak Hidrogen mestinya berisi, masing-masing, empat bola molekul air dan Hidrogen.
Bila separuh bak Oksigen (berisi 2 bola molekul Oksigen) bereaksi dengan satu bak Hidrogen (berisi 4 bola molekul Hidrogen) seharusnya menghasilkan satu bak air (dalam bentuk gas) berisi enam bola molekul (2 bola Oksigen tambah 4 Hidrogen).
Sebab dalam satu bak air mestilah mengandung 4 bola molekul, untuk membentuk itu semestinya setiap empat bola molekul Hidrogen ditempeli separuh bola molekul Oksigen.
Saat itu, Dalton sendiri menyatakan bahwa atom dan molekul tidak dapat dibagi lagi. Bila yang terjadi demikian, muncul kontradiksi baru. Tidak boleh bola molekul Oksigen dalam analogi di atas dibagi dua.
Kembali lagi ke analogi bak dan bola molekul. Menurut Avogrado, reaksi terjadi bukan seperti itu, tetapi seperti berikut.
Dalam dua bak Hidrogen terdapat 16 bola atom Hidrogen. Namun, tiap satu bola itu terikat dengan satu dan hanya satu bola atom Hidrogen lain. Akibatnya, ada 8 pasang bola molekul Hidrogen.
Sementara itu, dalam satu bak Oksigen terdapat 8 bola atom Oksigen. Namun, tiap satu bola itu terikat dengan satu dan hanya satu bola atom Oksigen lain. Akibatnya, ada 4 pasang bola molekul Oksigen.
Reaksi dua bak Hidrogen dan satu bak Oksigen tersebut menghasilkan dua bak air yang berisi 16 bola atom Hidrogen dan 8 bola atom Oksigen. Bola-bola atom tersebut berkonfigurasi: dua bola atom Hidrogen terikat dengan satu bola atom Oksigen membentuk satu pasang bola molekul air. Akibatnya, reaksi ini menghasilkan dua bak air berisi 8 pasang bola molekul air. Artinya, satu bak air terdiri dari 4 pasang bola molekul air.
Sampai di sini, kontradiksi yang sebelum muncul telah diatasi. Satu bak terdiri hanya dari 4 pasang bola molekul saja. Dalam notasi kimia modern, reaksi di atas ditulis sebagai berikut:
2H2 + O2 = 2H2O
Avogadro dan "Eksperimen" Pikirannya
Yang bikin Avogadro menarik ialah, sebagaimana diungkapkan N.C. Datta dalam The Story of Chemistry (2005), "Dia tidak melakukan eksperimen apapun untuk sampai atau memverifikasi asumsi itu. Seluruhnya merupakan satu proses pemikiran berdasarkan argumen rasional dalam batasan-batasan teori yang telah mapan. Dalam sains, teori yang diajukan tanpa verifikasi eksperimen disebut hipotesis. Ketika teori terbukti oleh eksperimen, kemudian ia disebut hukum."
Bila hipotesis Avogadro benar, atom dan molekul semestinya dibedakan. Molekul suatu unsur bisa saja terdiri dari atom-atom yang saling terikat (polyatomic), seperti yang dimiliki Oksigen misalnya. Karena itu pula, massa atomik Oksigen lebih tepat disebut massa molekul Oksigen dan massa molekul Oksigen semestinya 16, bukan 8 seperti yang Dalton katakan.
Selain itu, karena dalam satu mol sembarang gas pada suhu nol derajat Celcius dan tekanan satu atmosfer memiliki volume 22,42 liter dan karena gas bervolume sama memiliki jumlah molekul yang sama, maka jumlah molekul dalam satu mol sembarang gas akan sama.
Konsekuensi lain, dengan air sebagai contohnya. Satu mol uap air (air dalam bentuk gas) didinginkan menjadi air, jumlah molekul dalam air sama dengan jumlah molekul dalam uap air. Bila satu mol air tersebut didinginkan lagi menjadi es (air dalam bentuk padat), jumlah molekul dalam es sama dengan jumlah molekul dalam air dan uap air.
Dengan demikian, satu mol sembarang zat, baik dalam bentuk padat, cair, maupun gas, mengandung jumlah molekul yang sama dan ini berlaku di setiap ruang dan waktu semesta ini. Kelak para ilmuwan mengetahui dalam satu mol zat terdapat 6,02 × 1023 molekul dan menamakannya Bilangan Avogadro.
50 Tahun Kesunyian
Meski mendobrak pemahaman lama dan memberi kunci untuk pengembangan kimia atomik, sayangnya hipotesis Avogadro dimasukan ke peti es. Ia tak lagi jadi perdebatan selama hampir 50 tahun, walau sempat didiskusikan para ilmuwan. André-Marie Ampère, ilmuwan asal Perancis, yang mengajukan teori yang mirip dengan hipotesis Avogadro pun tidak mendapat tanggapan berarti.
Menurut Mario A. Morselli dalam Amedeo Avogadro: A Scientific Biography (1984), itu terjadi sebab Piedmont selama berabad-abad jauh dari pusat kebudayaan dan sejarah tanjung Italia. Morselli juga menekankan Avogadro sosok yang terkucilkan di antara para ahli kimia eksperimental. Karya-karya Avogadro, kata Morselli, lebih tepat dikategorikan sebagai karya fisika atau fisika-kimia, bukan kimia.
Bagi Morselli, suasana kultural di dekade pertama abad ke-18 belum mencapai kedewasaan yang cukup untuk menerima gagasan seperti hipotesis yang diajukan Avogadro.
Namun, tiga penelitian sejarawan sains, Nicholas W. Fisher, John H. Brooke, dan Alan J. Rocke, secara terpisah menolak argumen Morselli. Menurut ketiganya, tidak betul mengatakan ahli kimia di paruh pertama abad ke-19 dipenuhi prasangka dan konservatisme karena mereka mengabaikan hipotesis Avogadro selama 50 tahun.
Pada awal abad ke-19, dua pertanyaan penting belum punya jawaban pasti: berapa banyak atom dalam molekul unsur dan apakah jumlahnya sama untuk setiap unsur? Pun, menurut Brooke, Fisher, dan Rocke, istilah "atom" dan "molekul" belum disepakati pengertiannya saat itu.
Avogadro sendiri menggunakan istilah molekul, alih-alih atom. Datta mencatat Avogadro menggunakan istilah itu dalam empat pengertian berbeda. "Itu sangat membingungkan, di samping menjadi usulan yang sepenuhnya teoritis, tanpa dilandasi eksperimen yang dilakukan Avogadro," sebut Datta.
Pada tahun-tahun berikutnya setelah Avogadro mengungkapkan hipotesisnya, ilmu kimia tetap berkembang. Misalnya, Berzelius dan Thomas Graham mengembangkan teori atomik yang dipunggawai Dalton.
Namun, Russel menyatakan ilmu kimia berkembang tidak ke mana-mana alias serasa jalan di tempat. Teks mengenai kimia organik yang disusun Friedrich Kekul pada akhir 1850-an, misalnya, mengusulkan 19 rumus berbeda untuk menggambarkan struktur asam asetat. Semuanya salah, kata Russel, sebab mengasumsikan massa Karbon sama dengan enam dan massa Oksigen sama dengan delapan.
Sebuah Reformasi yang Tertunda
Hingga Avogadro meninggal pada 9 Agustus 1856, tepat hari ini 186 tahun lalu, hipotesisnya tidak begitu mampu mendobrak rezim pengetahuan ilmu kimia paruh pertama abad ke-19.
Namun, dua tahun setelah Avogadro meninggal, seorang ilmuwan kelahiran Palermo, Sisilia bernama Stanislao Cannizzaro mengirim surat kepada koleganya, Sebastiano de Luca, seorang profesor kimia di Universitas Pisa.
Dalam surat itu Cannizzaro menunjukkan gagasan Avogadro dapat digunakan untuk membangun struktur teoritis yang konsisten dan kuat, sesuai dengan hampir semua bukti empiris yang tersedia.
Kata Cannizzaro, meskipun terdapat sedikit pengecualian, gagasan Avogadro dapat menjelaskan hal-hal yang bersifat umum. Yang jelas, gagasan Avogadro sesuai dengan semua hukum fisika dan kimia yang ditemukan sampai saat itu.
Selain itu gagasan Avogadro juga mendapat dukungan dari beberapa ahli kimia yang lebih junior. Pada 1850-an mereka berusaha membangun teori kimia yang konsisten dengan gagasan Avogadro. Mereka antara lain Alexander Williamson di Inggris, Charles Gerhardt dan Adolphe Wurtz di Perancis, dan August Kekule di Jerman.
Sayangnya, Cannizzaro menuliskannya dalam bahasa Italia. Lagi-lagi, gagasannya kurang banyak dapat perhatian.
Gagasan Cannizzaro benar-benar diperdebatkan dua tahun kemudian, saat kongres kimia internasional diadakan di Karlsruhe, Jerman. Dalam kongres yang dihelat pada September 1860 itu Cannizzaro menegaskan tidak mau kimia kembali menggunakan sistem Berzelius. Dia mengusulkan caranya menentukan massa atomik berdasarkan sistem Gerhardt dengan sedikit modifikasi menyesuaikan Hukum Avogadro-Ampere. Para peserta kongres, kemudian, terkesima mendengar konsep Cannizzaro.
Pada tahun-tahun berikutnya, berkat Cannizzaro, gagasan Avogadro digunakan dalam ilmu kimia. Molekul dipahami sebagai entitas yang berbeda dengan atom. Massa atom dan molekul juga dapat ditentukan secara lebih tepat. Pemahaman ini menyegarkan sekaligus mendorong ilmu kimia berkembang lebih lanjut. Inilah sebuah reformasi ilmu kimia yang tertunda selama 50 tahun.
Editor: Ivan Aulia Ahsan
