6.4 Entalpi Reaksi Kimia

Langkah selanjutnya adalah untuk melihat bagaimana hukum pertama termodinamika dapat diterapkan untuk proses yang dilakukan pada keadaan yang berbeda. Secara spesifik, akan dipertimbangkan dua situasi yang paling umum dijumpai di laboratorium, yaitu: volume yang diterapkan pada sistem dipertahankan tetap dan satunya lagi tekanan yang diterapkan pada sistem dipertahankan tetap.

Jika reaksi kimia dijalankan pada volume tetap, maka ΔV = 0 dan tidak ada kerja P-V yang akan dihasilkan dari perubahan ini. Dari Persamaan (6.1) didapat bahwa:

ΔE = q - PΔV  = q_v  (6.4)

Subskrip "v" ditambahkan untuk mengingatkan bahwa ini adalah proses pada volume tetap. Kesetaraan ini mungkin tampak aneh pada awalnya, karena ditunjukkan sebelumnya bahwa q bukan fungsi keadaan. Proses ini dilakukan dalam keadaan volume tetap, bagaimanapun, sehingga perubahan kalor hanya dapat memiliki satu nilai spesifik, yang sama dengan ΔE.

Entalpi

Keadaan volume tetap sering merepotkan dan kadang-kadang mustahil untuk dicapai. Kebanyakan reaksi terjadi dalam keadaan tekanan tetap (biasanya tekanan atmosfer). Jika suatu reaksi menghasilkan peningkatan jumlah mol gas, maka sistem melakukan kerja pada lingkungan (ekspansi). Hal ini mengikuti fakta bahwa untuk gas yang terbentuk memasuki atmosfer, harus mendorong kembali udara disekitarnya. Sebaliknya, jika molekul gas lebih banyak yang dikonsumsi daripada yang diproduksi, kerja dilakukan pada sistem oleh lingkungan (kompresi). Akhirnya, tidak ada kerja yang dilakukan jika tidak ada perubahan dalam jumlah mol gas dari reaktan menjadi produk.

Secara umum, untuk proses tekanan tetap dapat ditulis:

ΔE = q + w
     = q_p - PΔV
q_p  = ΔE + PΔV (6.5)

dimana subskrip "p" menunjukkan keadaan tekanan tetap.

Sekarang diperkenalkan dengan fungsi termodinamika yang baru dari sistem yang disebut entalpi (H), yang didefinisikan oleh persamaan:

H = E + PV (6.6)

di mana E adalah energi dalam sistem, P adalah tekanan dan V adalah volume sistem. Karena E dan PV memiliki satuan energi, entalpi juga memiliki satuan energi. Selanjutnya, E, P, dan V adalah fungsi keadaan, yaitu bahwa, perubahan (E + PV) hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. Ini mengikuti, karena itu, bahwa perubahan H, atau ΔH, juga tergantung hanya pada keadaan awal dan akhir. Dengan demikian, H adalah fungsi keadaan.

Untuk setiap proses, perubahan entalpi menurut Persamaan (6.6) diberikan oleh

ΔH = ΔE + Δ(PV)  (6.7)

Jika tekanan dipertahankan tetap, maka

ΔH = ΔE + PΔV  (6.8)

Membandingkan Persamaan (6.8) dengan Persamaan (6.5), dapat dilihat bahwa untuk proses tekanan tetap, q_p = ΔH. Sekali lagi, meskipun q bukan fungsi keadaan, perubahan kalor pada tekanan tetap sama dengan ΔH karena "jalan/proses yang dilalui" didefinisikan demikian dan oleh karena itu hanya dapat memiliki nilai tertentu.

Sekarang didapat dua kuantitas [ΔE dan ΔH] yang dapat dikaitkan dengan reaksi kimia. Jika reaksi terjadi pada keadaan volume tetap, maka perubahan kalor (q_v), sama dengan ΔE. Di sisi lain, ketika reaksi dilakukan pada tekanan tetap, perubahan kalor (q_p), sama dengan ΔH.

Entalpi Reaksi

Karena sebagian besar reaksi adalah proses pada tekanan tetap, dapat disamakan perubahan kalor dalam kasus ini dengan perubahan entalpi (q = ΔH). Untuk beberapa reaksi dengan jenis:

reaktan → produk

dapat didefinisikan perubahan entalpi yang disebut entalpi reaksi (ΔH), sebagai perbedaan antara entalpi produk dan entalpi reaktan:

ΔH = H_(produk)  -   H_(reaktan)   (6.9)

Entalpi reaksi dapat bertanda positif atau bertanda negatif, tergantung pada proses. Untuk proses endotermik (kalor diserap oleh sistem dari lingkungan), ΔH bertanda positif (ΔH > 0). Untuk proses eksoterm (kalor yang dilepaskan oleh sistem ke lingkungan), ΔH bertanda negatif (ΔH < 0).

Sebuah analogi untuk perubahan entalpi adalah perubahan dalam saldo rekening bank. Misalkan saldo awal rekening adalah Rp10.000. Setelah transaksi (deposit atau penarikan), perubahan saldo bank (ΔX) diberikan oleh persamaan:

ΔX = X_(akhir)  -   X_(awal)

di mana X merupakan saldo bank. Jika deposit Rp8.000 ke rekening, maka saldo akhir rekening adalah Rp18.000, sehingga ΔX = 18.000 - 10.000 = + 8.000. Hal ini terkait dengan reaksi endoterm. (Peningkatan kesetimbangan dan begitu juga entalpi sistem). Di sisi lain, jika penarikan Rp 6.000, maka  saldo akhir rekening adalah Rp4.000, sehingga  ΔX = 4000 - 10.000 = - 6.000. Tanda negatif ΔX berarti saldo rekening mengalami penurunan. Demikian pula, nilai negatif dari ΔH mencerminkan penurunan entalpi sistem sebagai hasil dari proses eksoterm. Perbedaan antara analogi ini dan Persamaan (6.9) adalah bahwa saldo bank selalu dapat diketahui  dengan tepat, tetapi tidak ada cara untuk mengetahui nilai entalpi produk dan reaktan. Dalam prakteknya, hanya dapat digukur perbedaan atau selisih antara nilai-nilai dari perubahan tersebut.

Sekarang dapat diterapkan ide perubahan entalpi untuk dua proses yang umum dijumpai, pertama melibatkan perubahan fisika dan kedua perubahan kimia.

Persamaan Termokimia

Pada suhu 0°C dan tekanan 1 atm, es mencair membentuk cairan. Pengukuran menunjukkan bahwa untuk per mol es yang dikonversi menjadi air pada keadaan ini kalor sebesar 6,01 kilojoule (kJ) diserap oleh sistem (es). Karena tekanan tetap, perubahan kalor adalah sama dengan perubahan entalpi (ΔH). Proses ini adalah proses endotermik, seperti yang diharapkan untuk perubahan kalor dari pencairan es [Gambar 6.6 (a)]. Oleh karena itu, ΔH adalah besaran positif. Persamaan untuk perubahan fisika ini

H₂O(s)  →  H₂O(l)    ΔH = 6,01 kJ/mol

Istilah "per mol" pada satuan untuk ΔH berarti bahwa ini adalah perubahan entalpi per mol reaksi (atau proses) seperti yang tertulis; yaitu, ketika 1 mol es dikonversi menjadi 1 mol air.

Gambar 6.6 (a) 1 mol es mencair pada suhu 0°C (proses endoterm) menghasilkan peningkatan entalpi dalam sistem 6,01 kJ. (b) Pembakaran 1 mol metana dalam gas oksigen (proses eksoterm) menghasilkan penurunan entalpi dalam sistem 890,4 kJ. Bagian (a) dan (b) tidak dibuat pada skala yang sama.

Sebagai contoh lain, pertimbangkan pembakaran metana (CH₄), komponen utama dari gas alam:

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) ΔH = -890,4 kJ/mol

Dari pengalaman diketahui bahwa pembakaran melepaskan kalor gas alam ke lingkungan, sehingga merupakan proses eksoterm. Pada keadaan tekanan tetap perubahan kalor ini adalah sama dengan perubahan entalpi dan ΔH harus memiliki tanda negatif [Gambar 6.6 (b)]. Sekali lagi, satuan per mol  reaksi untuk ΔH berarti bahwa ketika 1 mol CH₄ bereaksi dengan 2 mol O₂ menghasilkan 1 mol CO₂ dan 2 mol H₂O, 890,4 kJ energi kalor dilepaskan ke lingkungan. Hal ini penting untuk diingat bahwa nilai ΔH tidak merujuk pada reaktan atau produk tertentu. Ini hanya berarti bahwa nilai ΔH dikutip mengacu pada semua jenis reaksi dalam jumlah molar. Dengan demikian, faktor konversi berikut dapat dibuat:

Mengekspresikan ΔH dalam satuan kJ/mol (bukan hanya kJ) sesuai dengan konvensi standar; manfaatnya akan menjadi jelas ketika dilanjutkan  dengan pelajaran tentang termodinamika.

Persamaan untuk mencairnya es dan pembakaran metana adalah contoh dari persamaan termokimia, yang menunjukkan perubahan entalpi serta hubungan massa. Hal ini penting untuk menentukan persamaan yang setimbang ketika mengutip perubahan entalpi dari reaksi. Pedoman berikut ini membantu dalam menulis dan menafsirkan persamaan termokimia.

1. Saat menulis persamaan termokimia, harus selalu ditentukan keadaan fisika dari semua reaktan dan produk, karena dapat membantu dalam menentukan perubahan entalpi yang sebenarnya. Misalnya, dalam persamaan untuk pembakaran metana, jika ditunjukkan air dalam bentuk uap dan bukan air dalam bentuk cair sebagai produk, maka

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(g) ΔH = -802,4 kJ/mol

perubahan entalpi adalah -802,4 kJ bukan -890,4 kJ karena 88,0 kJ diperlukan untuk mengkonversi 2 mol air menjadi uap air;

H₂O(l)  →  H₂O(g)   ΔH = -88,0 kJ/mol

2. Jika dikalikan kedua sisi dari persamaan termokimia dengan faktor n, maka ΔH juga harus berubah dengan faktor yang sama. Kembali ke mencairnya es

H₂O(s)  →  H₂O(l)   ΔH = + 6,01 kJ/mol

Jika dikalikan persamaan seluruhnya dengan 2; yaitu, jika ditetapkan n = 2, maka

2H₂O(s)  →  2H₂O(l)   ΔH = + 12,02 kJ/mol

3. Jika persamaan dibalik, dapat diubah peran reaktan dan produk. Akibatnya, besarnya ΔH untuk persamaan tetap sama, tetapi terjadi perubahan tandanya. Misalnya, jika reaksi mengkonsumsi energi panas dari lingkungan (yaitu, proses endoterm), maka reaksi balik harus melepaskan energi panas kembali ke lingkungan (yaitu, proses eksoterm) dan persamaan perubahan entalpi juga harus diubah tandanya. Dengan demikian, jika reaksi mencairnya es dibalik, persamaan termokimia menjadi

H₂O(l)  →  H₂O(s)   ΔH = - 6,01 kJ/mol

dan proses endoterm menjadi eksoterm, dan sebaliknya.

Contoh 6.3

Perhatikan persamaan termokimia

2SO₂(g) + O₂(g) → 2SO₃(g) ΔH = -198,2 kJ/mol

hitung perubahan kalor ketika 87,9 g SO₂ (massa molar = 64,07 g/mol) dibakar menjadi SO₃.

Strategi

Persamaan termokimia menunjukkan bahwa untuk setiap 2 mol SO₂ yang bereaksi, 198,2 kJ kalor yang dilepaskan (perhatikan tanda negatif). Oleh karena itu, faktor konversinya

Berapa mol SO₂ ada dalam 87,9 g SO₂? Apa faktor konversi antara gram dan mol?

Penyelesaian

Pertama perlu menghitung jumlah mol SO₂ dalam 87,9 g senyawa dan kemudian menemukan jumlah kilojoule yang dihasilkan dari reaksi eksoterm. Urutan konversi adalah sebagai berikut:

gram SO₂  → mol  SO₂ → kilojoule kalor yang dihasilkan

Oleh karena itu, perubahan entalpi untuk reaksi ini diberikan oleh

dan kalor yang dilepaskan ke lingkungan adalah 136 kJ.

Periksa

Karena 87,9 g kurang dari dua kali massa molar SO₂ (2 x 64,07 g) seperti yang ditunjukkan dalam persamaan termokimia sebelumnya, diharapkan kalor yang dilepaskan lebih kecil dari 198,2 kJ.

Perbandingan ΔH dan ΔE

Apa hubungan antara ΔH dan ΔE untuk suatu proses? Untuk menemukan jawabannya, perhatikan reaksi antara logam natrium dan air:

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) ΔH = -367,5 kJ/mol

Persamaan termokimia ini menyatakan bahwa ketika dua mol natrium bereaksi dengan air berlebih, 367,5 kJ kalor dilepaskan. Perhatikan bahwa salah satu produk adalah gas hidrogen, yang harus didorong kembali ke udara masuk atmosfer. Akibatnya, beberapa dari energi yang dihasilkan oleh reaksi digunakan untuk melakukan kerja mendorong kembali volume udara (ΔV) terhadap tekanan atmosfer (P) (Gambar 6.7). Untuk menghitung perubahan energi dalam, dapat diatur ulang Persamaan (6.8) sebagai berikut:

ΔE = ΔH - PΔV

Jika diasumsikan suhu menjadi 25°C dan mengabaikan perubahan kecil dalam volume larutan, maka dapat ditunjukkan bahwa volume 1 mol gas H₂ pada 1,0 atm dan 298 K adalah 24,5 L, sehingga  - PΔV = -24,5 L.atm atau -2,5 kJ. Akhirnya,

ΔE = -367,5 kJ/mol - 2,5 kJ/mol

     = -370,0 kJ/mol

Perhitungan ini menunjukkan bahwa ΔE dan ΔH yang kurang lebih sama. Alasan ΔH lebih kecil dari ΔE adalah bahwa beberapa energi dalam dilepas digunakan untuk melakukan kerja ekspansi gas, sehingga lebih sedikit kalor yang dilepas. Untuk reaksi yang tidak melibatkan gas, ΔV biasanya sangat kecil dengan begitu ΔE secara praktis sama dengan ΔH.

Cara lain untuk menghitung perubahan energi dalam dari reaksi gas adalah dengan mengasumsikan perilaku gas ideal dan suhu tetap. Pada kasus ini,

ΔE = ΔH - Δ(PV)

     = ΔH - Δ(nRT)

     = ΔH - RTΔn    (6.10)

Gambar 6.7 (a) segelas air P di dalam silinder dilengkapi dengan piston bergerak. tekanan di dalam sama dengan tekanan atmosfer. (b) logam natrium bereaksi dengan air, gas hidrogen yang dihasilkan mendorong piston ke atas (melakukan kerja pada lingkungan) sampai tekanan dalam sama dengan tekanan luar.

di mana Δn didefinisikan sebagai

Δn = jumlah mol gas produk - jumlah mol gas reaktan

Contoh 6.4

Hitung perubahan energi dalam jika 2 mol CO diubah menjadi 2 mol CO₂ pada 1 atm dan 25°C:

2CO(g) + O₂(g) → 2CO₂(g) ΔH = -566,0 kJ/mol

Strategi

Diketahui perubahan entalpi (ΔH) untuk reaksi dan diminta untuk menghitung perubahan energi dalam (ΔE). Oleh karena itu, perlu diterapkan persamaan (6.10). Berapakah perubahan jumlah mol gas? ΔH diberikan dalam kilojoule, jadi apa satuan yang harus digunakan untuk R?

Penyelesaian

Dari persamaan kimia dapat dilihat bahwa 3 mol gas diubah menjadi 2 mol gas sehingga

Δn = jumlah mol gas produk - jumlah mol gas reaktan

     = 2 - 3

     = -1

gunakan 8,314 J/K mol untuk R dan T = 298 K dalam persamaan 6.10, kita dapatkan

ΔE  = ΔH - RTΔn

      = -566,0 kJ/mol - (8,314 J/K mol)(1kJ/1000J)(298K)(-1)

      = -563,5 kJ/mol

Periksa

Diketahui bahwa sistem gas bereaksi mengalami kompresi (3 mol menjadi 2 mol), adalah masuk akal diperoleh nilai ΔH > ΔE?

6.3 Hukum Pertama Termodinamika

Termokimia merupakan bagian dari subyek studi yang lebih luas yang disebut termodinamika, yang merupakan studi ilmiah tentang interkonversi kalor dan jenis energi lainnya. Hukum termodinamika memberikan panduan yang berguna untuk memahami energetika dan arah dari proses tersebut. Pada termokimia akan difokuskan pada hukum pertama termodinamika, yang sangat relevan dengan pelajaran termokimia.

Dalam termodinamika, dipelajari perubahan keadaan dari sistem, yang didefinisikan oleh nilai-nilai semua sifat makroskopik yang relevan, misalnya, komposisi, energi, suhu, tekanan, dan volume. Energi, tekanan, volume, dan suhu disebut fungsi keadaan, yaitu sifat yang ditentukan oleh keadaan dari sistem, terlepas dari bagaimana kondisi itu dicapai. Dengan kata lain, ketika keadaan dari sitem berubah, besarnya perubahan fungsi keadaan hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir dari sistem dan bukan pada bagaimana perubahan itu dilakukan.

Keadaan jumlah tertentu suatu gas ditentukan oleh volume, tekanan, dan suhu. Pertimbangkan 1L suatu gas pada 2atm dan 300K (keadaan awal). Misalkan suatu proses dilakukan pada suhu tetap sehingga tekanan gas menurun menjadi 1atm. Menurut hukum Boyle, volumenya harus meningkat menjadi 2L. Keadaan akhir kemudian sama dengan 1atm, 300K, dan 2L. Perubahan volume (ΔV) adalah

ΔV = V₂ - V₁
      = 2L - 1L
      = 1L

di mana V₂ dan V₁ masing-masing menunjukkan volume akhir dan awal. Tidak peduli bagaimana caranya tiba di keadaan akhir (misalnya, tekanan gas dapat ditingkatkan diawal dan kemudian diturunkan menjadi 1atm), perubahan volume selalu 1L. Dengan demikian, volume gas adalah fungsi keadaan. Dengan cara yang sama, dapat ditunjukkan bahwa tekanan dan suhu juga fungsi keadaan.

Energi adalah fungsi keadaan. Misalnya energi potensial sebagai contoh, disini ditemukan bahwa kenaikan bersih energi potensial gravitasi ketika bertolak dari titik awal yang sama ke puncak gunung selalu sama, terlepas dari bagaimana caranya sampai di sana (Gambar 6.4).

Gambar 6.4 Energi potensial gravitasi ketika seseorang sampai ke puncak gunung tidak tergantung dari jalur yang ditempuh.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika, yang didasarkan pada hukum kekekalan energi, menyatakan bahwa energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, tetapi energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Bagaimana mengetahui bahwa hal itu demikian? Tidak mungkin untuk membuktikan keabsahan hukum pertama termodinamika jika harus menentukan kandungan energi total di alam semesta. Bahkan menentukan kandungan energi total 1 g besi pun akan sangat sulit. Untungnya, untuk menguji validitas hukum pertama termodinamika dapat dilakukan dengan mengukur hanya perubahan energi dalam sistem antara keadaan awal dan keadaan akhir dalam proses. Perubahan ΔE energi dalam diberikan oleh

ΔE = E₂ - E₁

di mana E₂dan E₁ masing-masing adalah energi dalam sistem di keadaan akhir dan keadaan awal.

Energi dalam dari suatu sistem memiliki dua komponen: energi kinetik dan energi potensial. Komponen energi kinetik terdiri dari berbagai jenis gerakan molekul dan pergerakan elektron dalam molekul. Energi potensial ditentukan oleh interaksi tarikan antara elektron dan inti dan oleh interaksi tolakan antar elektron dan antar inti dalam molekul, serta interaksi antar molekul. Tidak mungkin untuk mengukur semua kontribusi tersebut dengan akurat, sehingga tidak bisa untuk menghitung energi total sistem dengan pasti. Hanya perubahan energi yang dapat ditentukan secara eksperimen.

Pertimbangkan reaksi antara 1 mol belerang dan 1 mol gas oksigen menghasilkan 1 mol belerang dioksida:

S(s) + O₂(g) → SO₂(g)

Dalam hal ini, sistem terdiri dari molekul reaktan S dan O₂ (keadaan awal) dan molekul produk SO₂ (keadaan akhir). Tidak diketahui kandungan energi dalam, baik molekul reaktan maupun molekul produk, tetapi secara akurat dapat diukur perubahan energi dalam (ΔE) yang dihitung dengan rumus

ΔE = E_(produk) - E_(reaktan)
ΔE = Energi  1 mol SO₂ - Energi (1 mol S + 1 mol O₂)

Ditemukan bahwa reaksi ini melepaskan kalor. Oleh karena itu, energi produk lebih kecil dari energi reaktan, dan ΔE bernilai negatif.

Dengan menafsirkan pelepasan kalor dalam reaksi ini berarti bahwa beberapa dari energi kimia yang terkandung dalam molekul telah diubah menjadi energi panas, dapat disimpulkan bahwa perpindahan energi dari sistem ke lingkungan tidak mengubah energi total. Artinya, jumlah dari perubahan energi harus sama dengan nol:

ΔE_sis - ΔE_ling = 0
atau
ΔE_sis = - ΔE_ling

dimana subskrip (indeks) "sis" dan "ling" masing-masing menunjukkan sistem dan lingkungan. Jadi, jika salah satu sistem mengalami perubahan energi (ΔE_sis,) maka lingkungan harus menjalani perubahan energi yang sama besarnya tetapi berlawanan tanda (-ΔE_ling); energi yang diserap di satu tempat harus telah dilepas di tempat lain. Selanjutnya, karena energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, energi yang dilepas dari satu sistem dapat diterima oleh yang sistem lain dalam bentuk yang berbeda. Misalnya, energi yang dilepas dengan membakar minyak bumi pada pembangkit listrik pada akhirnya dapat muncul di rumah penduduk sebagai energi potensial listrik, kalor, cahaya, dan sebagainya.

Dalam kimia, biasanya perhatian difokuskan pada perubahan energi yang berkaitan dengan sistem (misalnya labu yang berisi reaktan dan produk), bukan pada lingkungannya. Oleh karena itu, bentuk yang lebih berguna dari hukum pertama termodinamika adalah

ΔE = q + w (Persamaan 6.1)

(subskrip "sis" dibuang untuk penyederhanaan.) Persamaan (6.1) menyatakan bahwa perubahan energi dalam (ΔE) sistem adalah jumlah dari pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan (q) dan kerja yang dilakukan pada (atau oleh) sistem (w). Konvensi tanda untuk q dan w adalah sebagai berikut: q positif untuk proses endoterm dan negatif untuk proses eksoterm dan w adalah positif untuk kerja yang dilakukan pada sistem oleh lingkungan dan negatif untuk kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan. Dapat dipikirkan hukum pertama termodinamika sebagai neraca energi, seperti neraca laporan keuangan yang disimpan di bank yang melakukan pertukaran mata uang. Seseorang dapat menarik atau menyetor uang dengan salah satu dari dua mata uang yang berbeda (seperti perubahan energi karena pertukaran kalor dan kerja yang dilakukan). Namun, nilai uang dalam rekening bank hanya bergantung pada jumlah bersih dari uang yang tersisa di dalamnya setelah transaksi ini, bukan pada mata uang yang digunakan.

Persamaan (6.1) mungkin tampak abstrak, tetapi sebenarnya cukup logis. Jika sistem melepas kalor ke lingkungan atau kerja yang dilakukan pada lingkungan, maka akan diharapkan energi dalam berkurang karena energi total harus nol. Untuk alasan ini, baik q dan w negatif. Sebaliknya, jika kalor ditambahkan ke sistem atau jika kerja dilakukan pada sistem, maka energi dalam dari sistem akan bertambah. Dalam hal ini, baik q dan w positif. Tabel 6.1 merangkum konvensi tanda untuk q dan w.

Tabel 6.1 Konvensi tanda untuk q dan w.

Proses	Tanda
Kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan Kerja yang dilakukan pada sistem oleh lingkungan Kalor yang diserap oleh sistem dari lingkungan (proses endotermis) Kalor yang diserap oleh lingkungan dari sistem (proses eksotermis)	- + + -

Kalor dan Kerja

Sekarang kita akan melihat sifat kalor dan kerja secara lebih rinci. Kerja telah didefinisikan sebagai gaya F dikalikan dengan jarak d:

w = F x d (6.2)

Dalam termodinamika, kerja memiliki arti yang lebih luas yang mencakup kerja mekanik (misalnya, sebuah derek mengangkat balok baja), kerja listrik (baterai memasok elektron untuk menyalakan lampu senter), dan kerja permukaan (meledakkan gelembung sabun). Pada bagian ini akan dikonsentrasikan pada kerja mekanik; dalam bahasan elektrokimia akan dibahas sifat kerja listrik.

Gambar 6.5 Ekspansi gas terhadap tekanan eksternal tetap (misalnya tekanan atmosfer) gas dalam silinder dilengkapi dengan piston ringan yang dapat bergerak. Kerja yang dilakukan diberikan oleh -PΔV. Karena ΔV > 0, kerja yang dilakukan adalah bernilai negatif.

Salah satu cara untuk menggambarkan kerja mekanis adalah dengan mempelajari ekspansi atau kompresi gas. Banyak proses kimia dan biologi melibatkan perubahan volume gas. Bernapas dan menghembuskan udara melibatkan ekspansi dan kontraksi kantung kecil yang disebut alveoli di paru-paru. Contoh lain adalah mesin pembakaran internal mobil. Ekspansi berturut-turut dan kompresi silinder karena pembakaran campuran bensin-udara menghasilkan listrik pada kendaraan. Gambar 6.5 menunjukkan gas dalam silinder dilengkapi dengan sumbat ringan piston yang dapat bergerak pada suhu, tekanan, dan volume tertentu. Seperti saat mengembang, gas mendorong piston ke atas berlawanan terhadap tekanan tetap P atmosfer luar. Kerja yang dilakukan oleh gas pada lingkungan adalah

w = -PΔV  (Persamaan 6.3)

di mana ΔV adalah perubahan volume, yang diberikan oleh V₂ - V₁. Tanda negatif pada persamaan (6.3) mengurus konvensi tanda untuk w. Untuk ekspansi gas (kerja yang dilakukan oleh sistem), ΔV > 0, jadi -PΔV bernilai negatif. Untuk kompresi gas (kerja yang dilakukan pada sistem), ΔV < 0, dan -PΔV bernilai positif.

Persamaan (6.3) berasal dari fakta bahwa tekanan dikali volume dapat dinyatakan sebagai (gaya/luas) kali volume; diungkapkan sebagai

di mana F adalah gaya, d dimensi panjang, d² dimensi luas, dan d³ dimensi volume. Dengan demikian, produk dari tekanan dan volume adalah sama dengan gaya kali jarak, atau sama dengan kerja. Dapat dilihat bahwa untuk suatu peningkatan volume (yaitu, untuk nilai tertentu ΔV), kerja yang dilakukan tergantung pada ukuran eksternal, berlawanan dengan tekanan P. Jika P adalah nol (yaitu, jika gas diperluas terhadap vakum), maka kerja yang dilakukan juga harus nol. Jika P adalah nilai positif maka kerja yang dilakukan diberikan oleh -PΔV.

Menurut Persamaan (6.3), satuan untuk kerja yang dilakukan oleh atau atas gas adalah liter atmosfer. Dapat diungkapkan kerja yang dilakukan dalam satuan yang lebih akrab yaitu joule dengan menggunakan faktor konversi berikut

1 L atm = 101,3 J

Contoh 6.1

Sebuah gas tertentu mengembang dari volume 2,0 L menjadi 6,0 L pada suhu konstan. Hitung kerja yang dilakukan oleh gas jika mengembang (a) terhadap vakum dan (b) terhadap tekanan konstan 1,2 atm.

Strategi Sebuah sketsa sederhana dari situasi ini untuk membantu kita di sini:

kerja yang dilakukan dalam ekspansi gas adalah sama dengan produk dari tekanan eksternal, tekanan berlawanan dan perubahan volume. Apakah faktor konversi antara L. atm dan J?

Penyelesaian

(a) Karena tekanan eksternal adalah nol, tidak ada kerja yang dilakukan dalam ekspansi.

w = -PΔV
    = -(0)(6,0 - 2,0)
    = 0

(b) eksternal, tekanan berlawanan 1,2 atm, sehingga
w = -PΔV
    = -(1,2atm)(6,0 - 2,0)
    = - 4,8 L.atm

Untuk mengkonversi jawaban menjadi joule, dapat ditulis
w = - 4,8 L.atm x (101,3J/1L.atm) = - 4,9 x 10²J

Karena ini adalah ekspansi gas (kerja dilakukan oleh sistem pada lingkungan), kerja yang dilakukan memiliki tanda negatif.

Contoh 6.1 menunjukkan bahwa kerja bukan merupakan fungsi keadaan. Meskipun keadaan awal dan akhir adalah sama pada (a) dan (b), jumlah kerja yang dilakukan berbeda karena tekanan eksternal, tekanan berlawanan yang berbeda. Tidak bisa dituliskan Δw = w_f - w_i untuk perubahan. Kerja yang dilakukan tidak hanya tergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal, tetapi juga pada bagaimana proses ini dilakukana atau proses yang dilalui.

Kalor

Komponen lain dari energi dalam adalah kalor (q). Sama seperti kerja, kalor bukan fungsi keadaan. Sebagai contoh, dibutuhkan 4.184 J energi untuk menaikkan suhu 100 g air dari 20°C menjadi 30°C. Energi ini dapat diperoleh (a) secara langsung sebagai energi kalor dari api Bunsen, tanpa melakukan kerja pada air; (b) dengan melakukan kerja pada air tanpa menambahkan kalor (misalnya, dengan mengaduk air menggunakan batang pengaduk magnet); atau (c) dengan beberapa kombinasi dari prosedur yang diuraikan dalam (a) dan (b). Ilustrasi sederhana ini menunjukkan bahwa kalor yang terkait dengan proses tertentu, seperti kerja, tergantung pada bagaimana proses dilakukan. Penting untuk dicatat bahwa terlepas dari prosedur yang diambil, perubahan energi dalam sistem (ΔE) tergantung pada jumlah (q + w). Jika mengubah jalur dari keadaan awal ke keadaan akhir meningkatkan nilai q, maka akan menurunkan nilai w dengan jumlah yang sama pula dan sebaliknya, sehingga ΔE tetap tidak berubah.

Singkatnya, kalor dan kerja bukan fungsi keadaan karena keduanya bukan bersifat sistem. Keduanya muncul hanya selama proses (selama perubahan). Dengan demikian, nilai-nilai keduanya tergantung pada jalur proses dan dapat berubah-ubah.

Contoh 6.2

Kerja yang dilakukan ketika gas dikompres dalam silinder seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.5 adalah 462 J. Selama proses ini, ada perpindahan kalor 128 J dari gas ke lingkungan. Hitung perubahan energi untuk proses ini.

Strategi

Kompres adalah kerja yang dilakukan pada gas, jadi apakah tanda untuk w? Kalor yang dilepaskan oleh gas ke lingkungan. Apakah ini sebuah proses endoterm atau eksoterm? Apakah tanda untuk q?

Penyelesaian

Untuk menghitung perubahan energi dari gas, diperlukan Persamaan (6.1). Kerja kompres positif dan karena kalor dilepaskan oleh gas, q bertanda negatif. Oleh karena itu, diperoleh

ΔE = q + w
     = -128J + 462J
     = 334J 

Akibatnya, energi dari gas meningkat 334 J.

Ulasan Konsep

Dua gas ideal pada suhu dan tekanan yang sama ditempatkan dalam dua wadah dengan volume yang sama. Satu wadah memiliki volume yang tetap, sementara yang lain adalah silinder dilengkapi dengan piston ringan dapat bergerak seperti ditunjukkan pada Gambar 6.5. Awalnya, tekanan gas yang sama dengan tekanan atmosfer luar. Gas-gas tersebut kemudian dipanaskan dengan kompor Bunsen. Apa tanda q dan w untuk gas di bawah kondisi ini?

6.2 Perubahan Energi dalam Reaksi Kimia

Perubahan energi yang terjadi selama reaksi kimia sebagai hubungan massa akan dibahas pada bagian bab berikutnya. Sebagai contoh, reaksi pembakaran melibatkan bahan bakar seperti gas alam (LPG 3 Kg, 5Kg dan 12 Kg) dan minyak bumi (minyak tanah dan bensin) yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Energi dilepaskan ketika gas alam dan minyak bumi dibakar menghasilkan produk air dan karbon dioksida.

Hampir semua reaksi kimia menyerap ataupun melepas energi, umumnya dalam bentuk panas (kalor). Penting untuk memahami perbedaan antara energi panas (thermal energy) dan panas (heat). Panas terjadi karena perpindahan energi panas antara dua benda pada suhu yang berbeda. Pada umumnya sering disebut sebagai "aliran panas" (kalor) dari benda bersuhu panas ke benda yang suhunya dingin. Meskipun istilah "kalor" dengan sendirinya menyiratkan perpindahan energi, umumnya lazim disebut "kalor yang diserap" atau "kalor yang dilepas" ketika digambarkan perubahan energi yang terjadi selama proses berlangsung. Termokimia adalah ilmu yang mempelajari perubahan energi dalam reaksi kimia.

Untuk menganalisis perubahan energi yang terkait dengan reaksi kimia, pertama-tama harus didefinisikan sistem, yaitu bagian tertentu dari alam semesta yang menjadi perhatian. Bagi ahli kimia, sistem biasanya termasuk zat yang terlibat dalam perubahan kimia dan fisika. Sebagai contoh, dalam sebuah percobaan reaksi netralisasi asam basa, sistem dapat berupa gelas yang berisi 50 mL HCl yang ditambahkan 50 mL NaOH. Lingkungan adalah alam semesta di luar sistem.

Ada tiga jenis sistem yaitu sistem terbuka, sistem tertutup dan sistem terisolasi. Sistem terbuka dapat bertukar massa dan energi (biasanya dalam bentuk kalor) dengan lingkungan. Sebagai contoh, sistem terbuka dapat terdiri dari sejumlah air di dalam wadah terbuka, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.1 (a). Jika kita menutup termos, seperti pada Gambar 6.1 (b), sehingga uap air tidak dapat keluar dari wadah, sehingga menjadi sistem tertutup, yang memungkinkan perpindahan energi (kalor) tetapi tidak untuk massa. Jika air ditempatkan dalam wadah yang benar-benar terisolasi, maka sistem yang terisolasi tidak memungkinkan perpindahan baik massa maupun energi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.1 (c).

Gambar 6.1. Tiga jenis sistem diwakili oleh air dalam botol: (a) sistem terbuka, yang memungkinkan pertukaran massa dan energi dengan lingkungannya; (b) sistem tertutup, yang memungkinkan pertukaran energi tetapi tidak untuk massa; dan (c) suatu sistem yang terisolasi, yang tidak memungkinkan pertukaran energi ataupun massa (di sini termos tertutup oleh jaket vakum).

Pembakaran gas hidrogen dengan oksigen adalah salah satu dari banyak reaksi kimia yang melepaskan sejumlah besar energi (Gambar 6.2):

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) + energi

Gambar 6.2 Bencana Hindenburg, suatu kapal udara Jerman diisi dengan gas hidrogen, hancur dalam sebuah kebakaran spektakuler di Lakehurst, New Jersey, pada tahun 1937.

Dalam peristiwa ini, campuran yang bereaksi (hidrogen, oksigen, dan molekul air) diberi label sebagai sistem dan alam semesta di sekitar sebagai lingkungan. Karena energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, maka setiap energi yang dilepas oleh sistem harus diterima oleh lingkungan. Dengan demikian, kalor yang dihasilkan oleh proses pembakaran dipindahkan dari sistem ke lingkungan. Reaksi ini adalah contoh dari proses eksotermik, yaitu proses yang melepaskan kalor, perpindahan energi panas dari sistem ke lingkungan. Gambar 6.3 (a) menunjukkan perubahan energi untuk pembakaran gas hidrogen.

Sekarang perhatikan reaksi berikut ini, dekomposisi merkuri (II) oksida (HgO) pada suhu tinggi:

energi + 2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂g)

Reaksi ini adalah proses endotermis, di mana kalor harus diserap oleh sistem (yaitu HgO) dari lingkungan [Gambar 6.3 (b)].

Gambar 6.3 menunjukkan bahwa dalam reaksi eksotermis, energi total produk lebih kecil atau kurang dari total energi reaktan. Perbedaannya adalah kalor yang disediakan oleh sistem dilepas ke lingkungan. Justru sebaliknya yang terjadi dalam reaksi endotermis. Di sini, perbedaan antara energi produk dan energi reaktan sama dengan kalor yang diserap oleh sistem dari lingkungan.

Gambar 6.3. (a) Sebuah proses eksoterm. (b) Sebuah proses endoterm.

*Bagian (a) dan (b) tidak digambarkan pada skala yang sama; kalor yang dilepaskan dalam pembentukan  H₂O dari H₂ dan O₂ tidak sama dengan kalor yang diserap dalam dekomposisi HgO.

Ulasan Konsep

Klasifikasikan masing-masing contoh berikut sebagai sistem terbuka, sistem tertutup, atau sistem terisolasi.

(a) Susu disimpan dalam termos tertutup.
(b) Seorang siswa membaca di kamar asramanya.
(c) Udara di dalam bola tenis.

6.1 Sifat Energi dan Jenis Energi

Istilah "energi" akan sering digunakan dalam mempelajari termokimia pada bab ini. Energi merupakan contoh konsep kimia yang abstrak. Ketika seseorang merasa lelah, biasanya dikatakan bahwa ia kehabisan energi atau kekurangan energi. Negara-negara saat ini selalu berbicara tentang perlunya menemukan sumber energi alternatif untuk menggantikan sumber energi yang tak terbarukan. Tidak seperti materi, energi dikenal dan diakui keberadaannya hanya melalui pengaruhnya. Energi tidak dapat dilihat, tidak dapat disentuh, tidak berbau, dan tidak dapat ditimbang.

Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja. Dalam pokok bahasan Gas (5.7) telah didefinisikan kerja sebagai "gaya dikalikan dengan perpindahan", tetapi sekarang akan segera dilihat bahwa ada jenis kerja yang lain. Semua bentuk energi mampu melakukan kerja (yaitu, gaya yang dikerahkan untuk melakukan perpindahan), tetapi tidak semuanya relevan dengan kimia. Energi yang terkandung dalam gelombang pasang, misalnya, dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja yang berguna, tetapi hubungan antara gelombang pasang dengan kimia hampir tidak ada. Kimiawan mendefinisikan kerja sebagai perubahan energi yang dihasilkan dari suatu proses. Energi kinetik (energi yang dihasilkan oleh benda yang bergerak) merupakan salah satu bentuk energi yang menjadi minat khusus untuk ahli kimia. Bentuk energi lainnya termasuk energi radiasi, energi panas, energi kimia, dan energi potensial.

Energi radiasi atau energi matahari atau tenaga surya berasal dari matahari yang merupakan sumber energi utama bagi bumi. Energi radiasi memanaskan atmosfer dan permukaan bumi, merangsang pertumbuhan vegetasi melalui proses yang dikenal sebagai fotosintesis dan mempengaruhi pola iklim global.

Energi panas adalah energi yang berkaitan dengan gerak acak dari atom dan molekul. Secara umum, energi panas dapat ditentukan dari pengukuran suhu. Semakin kuat gerakan atom dan molekul dalam sampel materi, semakin panas suhu sampel dan semakin besar energi panas yang dihasilkan. Namun, kita perlu membedakan dengan hati-hati antara energi panas dan suhu panas. Secangkir kopi pada 70°C memiliki suhu lebih besar dari bak mandi yang berisi air hangat dengan 40°C, tetapi energi panas yang disimpan dalam air bak mandi jauh lebih besar daripada dalam secangkir kopi, karena air dalam bak mandi memiliki volume dan massa yang jauh lebih besar daripada secangkir kopi, dan juga oleh karena molekul air lebih banyak maka gerak molekul lebih banyak juga.

Energi kimia yang disimpan dalam satuan struktural zat kimia; kuantitasnya ditentukan oleh jenis dan susunan atom penyusunnya. Ketika zat berpartisipasi dalam reaksi kimia, energi kimia dilepaskan, disimpan, atau diubah ke bentuk energi lainnya.

Energi potensial adalah energi yang tersedia berdasarkan posisi obyek. Misalnya, karena ketinggian, sebuah batu di atas tebing memiliki energi potensial yang lebih besar daripada batu yang sama yang terletak setengah jaraknya dari bawah tebing, dan akan membuat percikan besar jika jatuh ke dalam air di bawahnya . Energi kimia dapat dianggap sebagai bentuk energi potensial karena terkait dengan posisi relatif dan pengaturan atom dalam zat tertentu.

Semua bentuk energi secara prinsip dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sinar matahari terasa hangat ketika berjemur di bawah sinar matahari karena energi radiasi diubah menjadi energi panas pada kulit. Ketika berolahraga, energi kimia yang tersimpan dalam tubuh seseorang digunakan untuk menghasilkan energi kinetik. Ketika bola mulai bergulir menuruni bukit, energi potensialnya diubah menjadi energi kinetik. Masih banyak contoh lainnya. Meskipun energi dapat diasumsikan dalam berbagai bentuk yang dapat diubah, para ilmuwan telah menyimpulkan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Jika salah satu bentuk energi hilang atau berkurang, maka beberapa bentuk energi lain (yang sama besarnya) harus muncul, dan sebaliknya. Prinsip ini dirangkum oleh hukum kekekalan energi: jumlah total energi di alam semesta diasumsikan tetap.

6. Termokimia

KONSEP PENTING

• Dimulai dengan mempelajari jenis-jenis energi dan sifat energi, yang pada prinsipnya energi dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. (6.1)
• Termokimia merupakan studi tentang perubahan energi dalam reaksi kimia. Dapt dilihat bahwa sebagian besar reaksi adalah endotermik (menyerap kalor) dan sebagian eksotermik (melepas kalor). (6.2)
• Termokimia sebagai bagian dari subjek studi yang lebih luas yang disebut termodinamika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Perubahan energi dalam yang dapat diekspresikan dalam hal perubahan kalor dan kerja yang dilakukan suatu sistem. (6.3)
• Istilah baru untuk energi, yang disebut entalpi, yang perubahannya berlaku untuk proses yang dilakukan dalam keadaan tekanan tetap. (6.4)
• Cara untuk mengukur kalor reaksi disebut kalorimetri, arti kalor jenis dan kapasitas kalor, kuantitas yang digunakan dalam pekerjaan eksperimental. (6.5)
• Entalpi pembentukan standar reaktan dan produk memungkinkan untuk menghitung entalpi suatu reaksi. Cara untuk menentukan entalpi reaksi baik dengan metode langsung atau dengan metode tidak langsung, yang didasarkan pada hukum Hess. (6.6)
• Perubahan kalor ketika zat terlarut dalam pelarut (kalor larutan) dan ketika larutan diencerkan (kalor pengenceran). (6.7)

Setiap reaksi kimia mematuhi dua hukum dasar: hukum kekekalan massa dan hukum kekekalan energi. Hubungan massa antara reaktan dan produk dibahas dalam Bab "Hubungan massa dalam reaksi kimia"; di bab ini dibahas perubahan energi yang menyertai reaksi kimia.

Tugas 5

5.1 Konversikan 562 mmHg menjadi atm!

5.2 Sampel gas suatu zat didinginkan pada tekanan tetap. Manakah dari diagram berikut yang paling merepresentasi keadaan jika suhu akhir adalah (a) di atas titik didih zat dan (b) di bawah titik didih tetapi di atas titik beku zat?

5.3 Suatu gas yang menempati volume 725 mL pada tekanan 0,970 atm dibiarkan mengembang pada suhu tetap sampai tekanannya mencapai 0,541 atm. Berapa volume akhirnya?

5.4 Volume gas adalah 5,80 L, diukur pada 1,00 atm. Berapa tekanan gas dalam mmHg jika volumenya diubah menjadi 9,65 L? (Suhu tetap.)

5.5 Volume gas metana 36,4 L dipanaskan dari 25°C hingga 88°C pada tekanan tetap. Berapa volume akhir gas?

5.6 Amonia terbakar dalam gas oksigen membentuk nitrogen oksida (NO) dan uap air. Berapa volume NO yang diperoleh dari satu volume amonia pada suhu dan tekanan yang sama?

5.7 Sampel gas nitrogen disimpan dalam wadah volume 2,3 L dan pada suhu 32°C memberikan tekanan 4,7 atm. Hitung jumlah mol gas yang ada!

5.8 Berapa volume yang akan ditempati oleh gas belerang heksaflorida (SF₆) 5,6 mol jika suhu dan tekanan gas tersebut adalah 128°C dan 9,4 atm?

5.9 Sebuah balon gas yang memiliki volume 2,50 L pada 1,2 atm dan 25°C dibiarkan naik ke stratosfer (sekitar 30 km di atas permukaan bumi), di mana suhu dan tekanannya masing-masing adalah 223°C dan 3,00 x 10⁻³ atm. Hitung volume akhir balon!

5.10 Tekanan 6,0 L gas ideal dalam wadah fleksibel berkurang hingga sepertiga dari tekanan aslinya, dan suhu mutlaknya berkurang hingga setengahnya. Berapa volume akhir gas?

5.11 Gas ideal yang semula pada 0,85 atm dan 66°C dibiarkan mengembang sampai volume akhir, tekanan, dan suhu masing-masing adalah 94 mL, 0,60 atm, dan 45°C. Berapa volume awalnya?

5.12 Suatu gas pada 772 mmHg dan 35,0°C menempati volume 6,85 L. Hitung volumenya pada STP!

5.13 Pada STP, 0,280 L gas memiliki berat 0,400 g. Hitung massa molar gas!

5.14 Molekul ozon di stratosfer menyerap banyak radiasi berbahaya dari matahari. Biasanya, suhu dan tekanan ozon di stratosfer masing-masing adalah 250 K dan 1,0 x 10⁻³ atm. Berapa banyak molekul ozon yang ada dalam 1,0 L udara pada keadaan ini?

5.15 Wadah 2,10 L mengandung 4,65 g gas pada 1,00 atm dan 27,0°C. (a) Hitung kerapatan gas dalam gram per liter! (b) Berapakah massa molar gas?

5.16 Anestesi tertentu mengandung 64,9 persen C; 13,5 persen H; dan 21,6 persen O berdasarkan massa! Pada 120°C dan 750 mmHg, senyawa gas 1,00 L memiliki berat 2,30 g! Apa rumus molekul senyawa itu?

5.17 Perhatikan pembentukan nitrogen dioksida dari oksida nitrat dan oksigen:

2NO (g) + O₂ (g) → 2NO₂ (g) 

Jika 9,0 L NO direaksikan dengan O₂ berlebih pada STP, berapakah volume dalam liter NO₂ dihasilkan?

5.18 Jika batubara dibakar, belerang yang ada dalam batubara dikonversi menjadi belerang dioksida (SO₂), yang menyebabkan fenomena hujan asam.

S(s) + O₂ (g) → SO₂(g) 

Jika 2,54 kg S direaksikan dengan oksigen, hitung volume gas SO₂ (dalam mL) yang terbentuk pada 30,5°C dan 1,12 atm!

5.19 Senyawa P dan F dianalisis sebagai berikut: 
Pemanasan 0,2324 g senyawa dalam wadah 378 cm³ berubah semuanya menjadi gas, yang memiliki tekanan 97,3 mmHg pada 77°C. Kemudian gas dicampur dengan larutan kalsium klorida, yang mengubah semua F menjadi 0,2631 g CaF₂. Tentukan rumus molekul senyawa tersebut!

5.20 Berapa massa padatan NH₄Cl yang terbentuk jika 73,0 g NH₃ dicampur dengan massa HCl yang sama? Berapa volume gas yang tersisa, diukur pada 14,0°C dan 752 mmHg? Gas apakah itu?

5.21 Hitung massa dalam gram hidrogen klorida yang dihasilkan jika 5,6 L molekul hidrogen yang diukur pada STP bereaksi dengan gas molekul klor berlebih!

5.22 Campuran gas mengandung 0,31 mol CH₄; 0,25 mol C₂H₆; dan 0,29 mol C₃H₈. Tekanan total adalah 1,50 atm. Hitung tekanan parsial gas-gas!

5.23 Udara kering dekat permukaan laut memiliki komposisi volume sebagai berikut: N₂ 78,08%; O₂ 20,94%; Ar 0,93%; CO₂ 0,05%. Tekanan atmosfer adalah 1,00 atm. Hitung (a) tekanan parsial setiap gas dalam atm! (b) konsentrasi masing-masing gas dalam mol per liter pada 0°C! (Petunjuk: Karena volume sebanding dengan jumlah mol yang ada, fraksi mol gas dapat dinyatakan sebagai rasio volume pada suhu dan tekanan yang sama.)

5.24 Sepotong logam natrium bereaksi sepenuhnya dengan air sebagai berikut:

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) 

Gas hidrogen yang dihasilkan dikumpulkan di atas air pada suhu 25,0°C. Volume gas adalah 246 mL diukur pada 1,00 atm. Hitung jumlah gram natrium yang digunakan dalam reaksi! (Tekanan uap air pada 25°C = 0,0313 atm.)

5.25 Helium dicampur dengan gas oksigen untuk penyelam laut dalam. Hitung persen berdasarkan volume gas oksigen dalam campuran jika penyelam harus menyelam sampai kedalaman di mana tekanan totalnya adalah 4,2 atm. Tekanan parsial oksigen dijaga pada 0,20 atm pada kedalaman ini!

5.26 Perhatikan tiga wadah gas yang ditunjukkan di sini. Semuanya memiliki volume yang sama dan pada suhu yang sama. (a) Wadah mana yang memiliki fraksi mol gas A terkecil (bola biru)? (b) Wadah mana yang memiliki tekanan parsial gas B tertinggi (bola hijau)?

5.27 Bandingkan akar rata-rata kuadrat kecepatan dari O₂ dan UF₆ pada 65°C!

5.28 Jarak rata-rata yang ditempuh oleh molekul antara tabrakan berurutan disebut jalur bebas rata-rata. Untuk jumlah gas tertentu, bagaimana jalur bebas rata-rata gas bergantung pada (a) kerapatatan, (b) suhu pada volume tetap, (c) tekanan pada suhu tetap, (d) volume pada suhu tetap, dan (e) ukuran atom?

5.29 Berdasarkan pengetahuan Anda tentang teori kinetik gas, dapatkan hukum Graham! [Persamaan (5.17)].

5.30 Suatu gas yang berevolusi dari fermentasi glukosa ditemukan memiliki daya melalui penghalang berpori dalam 15,0 menit. Di bawah keadaan suhu dan tekanan yang sama, dibutuhkan volume N₂ yang sama dalam 12,0 menit untuk mengalir melalui penghalang yang sama. Hitung massa molar gas dan sarankan apa gasnya!

5.31 Dengan menggunakan data yang ditunjukkan pada Tabel 5.4, hitung tekanan yang diberikan oleh 2,50 mol CO₂ yang dikurung dalam volume 5,00 L pada 450 K. Bandingkan tekanan dengan yang diprediksi dengan persamaan gas ideal!

JAWABAN

Latihan 5

5.1 Sebutkan lima unsur dan lima senyawa yang berwujud gas pada suhu kamar!
5.2 Sebutkan sifat fisik gas!
5.3 Definisikan tekanan dan berikan satuan yang umum untuk tekanan!
5.4 Jelaskan bagaimana barometer dan manometer dapat digunakan untuk mengukur tekanan gas!
5.5 Mengapa merkuri merupakan zat yang lebih cocok untuk digunakan dalam barometer daripada air?
5.6 Jelaskan mengapa ketinggian merkuri dalam barometer tidak tergantung pada luas penampang tabung. Apakah barometer masih akan berfungsi jika pipa dimiringkan, misalnya kemiringan 15° (lihat Gambar 5.3)?
5.7 Jelaskan bagaimana satuan panjang (mmHg) dapat digunakan sebagai satuan untuk tekanan!
5.8 Apakah tekanan atmosfer di tambang 500 m di bawah permukaan laut lebih besar atau kurang dari 1 atm?
5.9 Apa perbedaan antara gas dan uap? Pada 25°C, manakah dari zat berikut dalam fasa gas yang harus benar disebut gas dan mana yang harus disebut uap: molekul nitrogen (N₂) dan merkuri?
5.10 Jika jarak maksimum air yang dapat ditinggikan oleh pompa hisap adalah 34 kaki (10,3 m), bagaimana kemungkinan untuk mendapatkan air dan minyak dari ratusan kaki di bawah permukaan bumi?
5.11 Mengapa jika pembacaan barometer turun di satu bagian bumi, dan naik di tempat lain?
5.12 Mengapa astronot harus mengenakan pakaian pelindung ketika mereka berada di permukaan bulan?
5.13 Nyatakan hukum gas berikut ini dalam kata-kata dan juga dalam bentuk persamaan: Hukum Boyle, hukum Charles, hukum Avogadro. Dalam setiap kasus, tunjukkan kondisi di mana hukum itu berlaku, dan berikan satuan untuk setiap kuantitas dalam persamaan!
5.14 Jelaskan mengapa balon cuaca helium mengembang saat naik di udara. Asumsikan suhu tetap!
5.15 Sebutkan sifat gas ideal. Tulis persamaan gas ideal dan sebutkan dengan kata-kata. Berikan satuan untuk setiap lambang dalam persamaan!
5.16 Gunakan Persamaan (5.9) untuk mendapatkan semua hukum gas!
5.17 Apakah yang dimaksud dengan suhu dan tekanan standar (STP) itu? Berapa signifikansi STP dalam kaitannya dengan volume 1 mol gas ideal?
5.18 Mengapa kerapatan gas jauh lebih rendah daripada cairan atau padatan dalam keadaan atmosfer? Satuan apa yang biasanya digunakan untuk mengekspresikan kerapatan gas?
5.19 Jelaskan hukum tekanan parsial Dalton dan jelaskan apa fraksi mol itu! Apakah fraksi mol memiliki satuan?
5.20 Sampel udara hanya mengandung gas nitrogen dan oksigen yang masing-masing memiliki tekanan parsial masing-masing 0,80 atm dan 0,20 atm. Hitung tekanan total dan fraksi mol gas!
5.21 Apa asumsi dasar teori kinetika molekul gas? Bagaimana teori kinetika molekul gas menjelaskan hukum Boyle, hukum Charles, hukum Avogadro, dan hukum tekanan parsial Dalton?
5.22 Apa yang dapat dikatakan dari kurva distribusi kecepatan Maxwell? Apakah teori Maxwell bekerja untuk sampel 200 molekul? Jelaskan!
5.23 Manakah dari pernyataan berikut yang benar? (a) Kalor dihasilkan oleh tabrakan molekul gas terhadap satu sama lain. (b) Jika gas dipanaskan, molekul-molekul bertabrakan satu sama lain lebih sering!
5.24 Apa perbedaan antara difusi gas dan efusi gas? Sebutkan bunyi hukum Graham dan definisikan lambang dalam Persamaan (5.17)!
5.25 Tunjukkan dua bukti untuk menunjukkan bahwa gas tidak berperilaku ideal dalam semua keadaan!
5.26 Dalam keadaan bagaimana sejumlah gas diharapkan berperilaku paling ideal? (a) Suhu tinggi dan tekanan rendah, (b) suhu tinggi dan tekanan tinggi, (c) suhu rendah dan tekanan tinggi, (d) suhu rendah dan tekanan rendah.
5.27 Tulis persamaan Van Der Waals untuk gas nyata! Jelaskan persyaratan korektif (faktor koreksi) untuk tekanan dan volume!
5.28 (a) Gas nyata dimasukkan ke dalam labu volume V. Apakah volume gas yang dikoreksi lebih besar atau lebih kecil dari V? (b) Amonia memiliki nilai lebih besar daripada neon (lihat Tabel 5.4). Apa yang bisa disimpulkan tentang kekuatan relatif dari gaya tarik menarik antara molekul amonia dan antara atom-atom neon?

Kata Kunci 5

Akar-rata-rata-kuadrat (rms) kecepatan (ūrms)

Barometer

Difusi

Efusi

Energikinetik (KE)

Fraksi mol

Gas ideal

Hukum Avogadro

Hukum Boyle

Hukum Charles

Hukum Charles dan Gay-Lussac

Hukumdifusi Graham

Hukum tekananparsial Dalton

Joule (J)

Konstantagas (R)

Manometer

Newton (N)

Nol mutlak

Pascal (Pa)

Persamaangas ideal

Persamaanvan der Waals

Skala suhuKelvin

Skala suhu mutlak

Suhu dantekanan standar (STP)

Tekanan

Tekanan atmosfer

Tekanan atmosferstandar (1 atm)

Tekananparsial

Teori kinetikamolekul gas

Ringkasan Pengetahuan Faktual Dan Konseptual 5

1. Pada 25°C dan 1 atm, sejumlah unsur dan molekul senyawa berada sebagai gas. Senyawa ionik adalah padatan daripada gas dalam kondisi atmosfer.
2. Gas memberikan tekanan karena molekulnya bergerak bebas dan bertabrakan dengan permukaan apa pun yang mereka sentuh. Satuan tekanan gas termasuk milimeter air raksa (mmHg), torr, pascal, dan atmosfer. Satu atmosfer sama dengan 760 mmHg, atau 760 torr.
3. Hubungan tekanan-volume gas ideal diatur oleh hukum Boyle: Volume berbanding terbalik dengan tekanan (pada T dan n tetap).
4. Hubungan suhu-volume gas ideal dijelaskan oleh hukum Charles dan Gay-Lussac: Volume berbanding lurus dengan suhu (pada P dan n tetap).
5. Nol absolut (-273,15°C) adalah suhu terendah yang dapat dicapai secara teoritis. Skala suhu Kelvin mengambil 0 K sebagai nol mutlak. Dalam semua perhitungan hukum gas, suhu harus dinyatakan dalam kelvin.
6. Hubungan jumlah-volume gas ideal dijelaskan oleh hukum Avogadro: Volume gas yang sama mengandung jumlah molekul yang sama (pada T dan P yang sama).
7. Persamaan gas ideal, PV = nRT, menggabungkan hukum Boyle, Charles, dan Avogadro. Persamaan ini menggambarkan perilaku gas ideal.
8. Hukum Dalton tentang tekanan parsial menyatakan bahwa masing-masing gas dalam campuran gas memberikan tekanan yang sama seperti jika gas itu sendirian dan menempati volume yang sama.
9. Teori kinetik molekul gas, cara matematika untuk menggambarkan perilaku molekul gas, didasarkan pada asumsi berikut: Molekul gas dipisahkan oleh jarak yang jauh lebih besar dari dimensi mereka sendiri, mereka memiliki massa tetapi memiliki volume yang dapat diabaikan, mereka berada dalam konstanta gerak, dan mereka sering bertabrakan satu sama lain. Molekul tidak saling tarik atau saling tolak.
10. Kurva distribusi kecepatan Maxwell menunjukkan berapa banyak molekul gas yang bergerak pada berbagai kecepatan pada suhu tertentu. Saat suhu meningkat, lebih banyak molekul bergerak dengan kecepatan lebih besar.
11. Dalam difusi, dua gas secara bertahap saling bercampur. Dalam efusi, molekul gas bergerak melalui lubang kecil di bawah tekanan. Kedua proses diatur oleh hukum matematika yang sama - hukum Graham difusi dan efusi.
12. Persamaan van der Waals adalah modifikasi dari persamaan gas ideal yang memperhitungkan perilaku nonideal dari gas nyata. Ini mengoreksi fakta bahwa molekul gas nyata memberikan kekuatan satu sama lain dan bahwa mereka memiliki volume. Konstanta van der Waals ditentukan secara eksperimental untuk setiap gas.