6.7 Kalor Larutan dan Pengenceran

Meskipun sejauh ini telah berfokus pada pengaruh energi panas yang dihasilkan dari reaksi kimia, sebagian proses fisika, seperti mencairnya es atau kondensasi uap, juga melibatkan penyerapan atau pelepasan kalor. Perubahan entalpi juga terjadi ketika suatu zat terlarut larut dalam pelarut atau ketika larutan diencerkan. Sekarang perhatikan dua proses fisika terkait dengan ini, yang melibatkan kalor larutan dan pengenceran.

Dalam sebagian besar kasus, melarutkan zat terlarut dalam pelarut menghasilkan perubahan kalor yang dapat diukur. Pada tekanan tetap, perubahan kalor adalah sama dengan perubahan entalpi. Kalor larutan, atau entalpi larutan (ΔH_lar) adalah kalor yang dihasilkan atau diserap ketika sejumlah zat terlarut larut dalam sejumlah pelarut. Kuantitas ΔH_lar merupakan selisih antara entalpi larutan akhir dan entalpi komponen awal (yaitu, zat terlarut dan pelarut) sebelum dicampur. Sehingga,

ΔH_lar = H_lar - H_komp

Baik H_lar atau H_komp (komponen) tidak dapat diukur, tetapi perbedaannya (ΔH_lar) dapat segera ditentukan dalam kalorimeter tekanan tetap. Seperti perubahan entalpi lainnya, ΔH_lar positif untuk proses endotermis (menyerap kalor) dan negatif untuk proses eksotermis (melepas kalor).

Gambar 6.11 Proses larutan NaCl. Proses ini dapat dianggap terjadi dalam dua langkah yang terpisah: (1) pemisahan ion dari keadaan kristal menjadi gas dan (2) hidrasi ion gas. Kalor pelarutan adalah sama dengan perubahan energi untuk kedua langkah ini, ΔH_lar = U + ΔH_hidr.

Perhatikan kalor larutan dari sebuah proses di mana sebuah senyawa ionik adalah zat terlarut dan air adalah pelarut. Misalnya, apa yang terjadi ketika padatan NaCl larut dalam air? Dalam NaCl padat, ion-ion Na⁺ dan Cl⁻ berikatan bersama oleh gaya (elektrostatik) positif-negatif, tetapi ketika kristal kecil NaCl larut dalam air, jaringan tiga dimensi dari ion terurai menjadi satuan individu. (Struktur NaCl padat ditunjukkan pada Gambar 6.11). Pemisahan ion Na⁺ dan Cl⁻ distabilkan dalam larutan oleh interaksi ion-ion dengan molekul air (lihat Gambar 6.12). Ion ini dikatakan terhidrasi. Dalam air hal ini memainkan peran mirip dengan isolator listrik yang baik. molekul air melindungi ion (Na⁺ dan Cl⁻) dari satu sama lain dan secara efektif mengurangi daya tarik elektrostatik yang menahan keduanya saat dalam keadaan padat. Kalor dari larutan didefinisikan oleh proses berikut:

NaCl(s) + H₂O(l) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq)  ΔHlar=?

Gambar 6.12. Hidrasi ion Na⁺ dan Cl^-

Melarutkan senyawa ionik seperti NaCl dalam air melibatkan interaksi kompleks antara zat terlarut dan spesi pelarut. Namun, untuk tujuan analisis kita dapat membayangkan bahwa proses larutan berlangsung dalam dua langkah terpisah, diilustrasikan pada Gambar 6.11. Pertama, ion Na⁺ dan Cl⁻ dalam kristal padat dipisahkan dari satu sama lain dan diubah menjadi gas:

energi + NaCl(s) → Na⁺(g) + Cl⁻(g)

Energi yang dibutuhkan untuk sepenuhnya memisahkan satu mol senyawa ionik padat menjadi ion-ion gas disebut energi kisi (U). Energi kisi NaCl adalah 788 kJ/mol. Dengan kata lain, kita perlu untuk memasok 788 kJ energi untuk memecah 1 mol NaCl padat menjadi 1 mol ion Na⁺ dan 1 mol ion Cl⁻ gas.

Selanjutnya, ion "gas" Na⁺ dan Cl⁻ masuk ke air dan menjadi terhidrasi:

Na⁺(g) + Cl⁻(g) + H₂O(l) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq) + energi

Perubahan entalpi yang berhubungan dengan proses hidrasi disebut kalor hidrasi, ΔHhidr (kalor hidrasi adalah kuantitas negatif untuk kation dan anion). Menerapkan hukum Hess, adalah mungkin untuk mempertimbangkan ΔHlar sebagai jumlah dari dua kuantitas terkait, energi kisi (U) dan kalor hidrasi (ΔHhidr), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.11:

ΔH_lar = U + ΔH_hidr

sehingga

NaCl(s) → Na⁺(g) + Cl^-(g)                                       U = 788kJ/mol
Na⁺(g) + Cl^-(g) + H₂O(l) → Na⁺(aq) + Cl^-(aq)    ΔH_hidr = -784kJ/mol
____________________________________________________________+
NaCl(s) + H₂O(l) → Na⁺(aq) + Cl^-(aq)                 ΔH_lar = 4kJ/mol

Jadi, ketika 1 mol NaCl dilarutkan dalam air, 4 kJ kalor akan diserap dari lingkungan. Kita akan mengamati pengaruh ini dengan mencatat bahwa gelas yang berisi larutan menjadi sedikit lebih dingin. Tabel 6.5 daftar ΔH_lar dari beberapa senyawa ionik. Tergantung pada sifat dari kation dan anion yang terlibat, ΔH_lar untuk senyawa ionik dapat bertanda negatif (eksotermis) atau positif (endotermis).

Kalor Pengenceran

Ketika larutan yang disiapkan sebelumnya diencerkan, yaitu, jika pelarut berlebih ditambahkan untuk menurunkan konsentrasi keseluruhan zat terlarut, kalor biasanya dilepas atau diserap. Kalor pengenceran adalah perubahan kalor yang terkait dengan proses pengenceran. Jika proses pelarutan tertentu adalah endoterm dan larutan selanjutnya diencerkan, kalor akan diserap oleh larutan yang sama dari lingkungan. Kebalikannya berlaku untuk larutan eksoterm kalor akan dibebaskan jika pelarut berlebih ditambahkan untuk mengencerkan larutan. Oleh karena itu, selalu berhati-hati ketika bekerja pada prosedur pengenceran di laboratorium. Karena kalor pengenceran yang sangat eksoterm, misalnya asam sulfat (H₂SO₄) pekat menimbulkan masalah sangat berbahaya jika konsentrasinya harus dikurangi dengan mencampurnya dengan air tambahan. H₂SO₄ pekat terdiri dari 98 persen asam dan 2 persen air berdasarkan massa. Mencampurnya dengan air melepaskan sejumlah besar kalor ke lingkungan. Proses ini sangat eksotermis bahwa kita tidak harus mencoba untuk mengencerkan asam pekat dengan menambahkan air untuk itu. Kalor yang dihasilkan bisa menyebabkan larutan asam mendidih dan memercikan larutan. Prosedur yang direkomendasikan adalah dengan menambahkan asam pekat perlahan (bisa melalui dinding tabung/gelas tetes demi tetes) ke air (sambil terus diaduk).