CAIRAN DAN PERUBAHAN KEADAAN Cairan Cairan adalah salah satu dari empat fase empat fase benda yang volumenya yang volumenya tetap dalam kondisi suhu kondisi suhu dan tekanan tetap; dan, bentuknya ditentukan oleh wadah penampungnya. Cairan juga melakukan tekanan kepada sisi wadahnya dan juga kepada benda yang terdapat dalam cairan tersebut; tekanan ini disalurkan ke seluruh arah.
Perubahan keadaan keadaan seringkali dijumpai dalam reaksi kimia. Kadang – kadang kadang suatu zat yang mula-mula dihasilkan dalam keadaan gas dengan cepat mengembun menjadi bentuk cair. Perubahan Perubahan energi yang menyertai menyertai suatu reaksi kimia bergantung bergantung pada keadaan keadaan perekasi dan hasil reaksi. Meskipun reaksi dapat berlangsung dalam keadaan gas dan zat padat , namun kebanyakan reaksi kimia berlangsung dalam keadaan cair. Baik reaksireaksi yang direncanakan untuk dilakukan di laboratorium atau dalam industri, maupun reaksi secara alamiah, biasanya berlangsung dalam fase cair. Mayoritas reaksi yang penting untuk tumbuhan dan hewan hewan berlangsung berlangsung dalam cairan cairan yang lazim , yakni yakni air. Molekul dalam cairan lebih banyak bergerak dari pada dalam zat padat, tetapi dalam kedua media ini, gerakan itu jauh lebih terbatas dan lebih lambat dari pada gerakan molekul dalam gas. Perubahan dalam tekanan dan temperatur memang mempunyai sedikit efek pada volume suatu cairan atau zat padat, namun perubahan itu sangat kecil dibandingkan dengan volume gas. Memang pengaruh takanan itu begitu kecil, sehingga cairan dan padat dikatakan” tak termampatkan” oleh tekanan sampai beberapa ratus
atmosfer . Karakteristik Karakteristik Umum dari Perubahan Keadaan Untuk banyak zat, perubahan zat padat — cairan cairan — gas gas tidak melibatkan perubahan sifat
dasar (dari) molekul- molekul yang ada. Misalnya, dalam brom padat,molekul Br 2 saling bertarikan dengan agak efektif, dalam keadaan cair, molekul Br 2 dengan bebas bergerak melewati molekul lain. Dan dalam keadaan gas, molekul Br 2 berupa partikel yang terpisah jauh satu sama lain, yang melenting kian kemari dengan kecepatan tinggi dan arah acak. 1
Gambaran ini umumnya dapat diterapkan pada zat-zat kovalen, meskipun terdapat banyak keruwetan. Misalnya dalam hal Alumunium bromida, bentuk molekul yang mula-mula lepas sebagai gas ialah Al 2Br 6. Pada temperatur yang lebih tinggi, molekul ini pecah menjadi dua molekul AlBr 3 . Pada temperatur yang sangat tinggi, zat padat ion dan logam memang terurai untuk membentuk molekul yang sederhana, tetapi ini merupakan keadaan yang sangat tidak lazim untuk zat-zat semacam itu. Untuk senyawa ion dan logam, bentuk molekul yang ada dalam keadaan gas tidak terspat dalam fase – fase mampat. Misalnya , bila cukup dipanasi agar menjadi gas, Natrium klorida membentuk molekul sederhana seperti Na 2Cl2 atau NaCl. Tetapi dalam zat padat NaCl, sebuah ion tertarik sama kuat ke semua tetangga terdekatnya yang muatannya berlawanan, dengan tak terbentuknya struktur- struktur molekul. Srupa pula dalam bentuk gas, molekul logam dapat terdiri dari atom-atom tunggal, ataupun beberapa atom yang saling terikat. Tetapi dalam logam padat, tak terdapat molekul ynag terpastikan. Meskipun dapat terjadi perubahan dalmikatan dan perubahan dalam molekul, bila terjadi perubahan keadaa , lazimnya suatu perubahan suatu keadaan dirujuk sebagai suatu perubahan fisika, bukan perubahan kimia.
Terdapat dua konsep dasar yang harus diingat untuk memulai mempelajari banyaknya energy yang dilibatkan dalam pelbagai perubahan itu. Pertanma , banyaknya enrgi yang dibutuhkan untuk suatu perubahan endoterm sama dengan energy yang dibebaskan dalam perubahan eksoterm kebalikannya. Azas fundamental ini sama dengan azas yang berlaku untuk reaksi kimia. Energy total untuk suatu perubahan dari kondisi satu ke kondisi dua, yang keduanya tertentu, akan tetap sama, tak peduli jalan yang ditempuh untuk mencapai perubahan ini. Sebagai contoh, perhatikan perubahan 1 gram es pada -20 C menjadi 1 gram uap air pada 150 C. Energi total yang diperlukan akan tetap sama, apakah e situ di sublimasi langsung menjadi uap air dan kemudian uap itu dipanasi untuk mencapai temperature akhir, ataukah ea itu dipanasi 2
sehingga melebur menjadi air, kemudian air di panasi agar menguap menjadi uap air, yang di panasi untuk mencapai temperature akhir. Secara tak resmi titk leleh dikatakan sebagai temperatur pada mana suatu zat padat berubah menjadi suatu cairan, dan titik didih ialah temperature pada mana suatu cairan menggelegak secara taat azas ketika berubah menjadi gas. Pada tekanan yang berlainan, temperatur pelelehan dan pendidihan suatu zat akan berlainan pula. Temperature utuk perubahan suatu zat yang berdsentuhan dengan udara pada 1 atn dirujuk sebagai titik leleh ataupun titik didih. 1. Kapasitas panas
Kapasias panas yaitu banyaknya kalor yang diperlukan zait itu , degan bobot tertentu, untuk menaikkan tenperatur sebanyak 1 C . Makin tinggi bobot sutua zat maka makin besar kapasitas panasnya. Jika zat itu tepat 1 gram , maka kuantitas energy panas itu disebut kapasitas panas per gram. Misalnya, kalor jenis ( kapasitas panas per gram) es ialah 2,00 J/(g. C). banyaknya kalot yang diperlukan untuk mengubah temperatur 1 mol sutu zat setinggi 1 C disebut kapasitas panas molar. Kapasitas panas molar es adalah: 2,00 J/(g C) (8.0 g/ mol) = 36.0 J/ ( mol. C) 2. Kalor Pelelehan
Jika 1,00 mol es pada -10,0 C dipanasi dengan hati - hati , maka untuk menaikkan temperatur menjadi 0 C, akan dibutuhkan kalor sebanyak (1,00 mol) ( 10,0 C) ( 136,0 J/ mol . C)= 360 J Jika tambahkan lebih banyak kalor, maka akan milai mencair, tetapi temperature tidak berbah. Memeng 6010 J atau 6,01 kJ, diperlukan untuk mengubah 1 mol es pada 0 C. energy panas ini digunakan untuk melawan sebagian gaya terik antar moleul. Banyaknya kalor yang diperlikan untuk mengubah 1 mol zat pada t pada titik lelehnya menjadi cairan pada temperature yang sama disebut kalor pelelehan molar. Kalor pelelehan molar sejumlah zat dipaparkan dalam table berikut: Tabel kalor dan pengupan molar Zat Kalor pelelehan molar kJ/ mol Ammonia 5.67 Benzene 9.84 Brom 10,54 Karbondioksida 7.96 Hidrogen 0.12 Hydrogen klorida 2.11 Merkurium 2.30 Oksigen 0.44 Air 6,01
Kalor penguapan molar kJ/ mol 23.26 30.82 30.0 16.23 0.904 16.15 59.15 6.82 40.66 3
Banyaknya energy panas yang dibebaskan bila satu mol suatu zat memadat, disebut kalor pembekuan molar, yang besarnya sama denga banyaknya kalor yang dibubuhkan bila satu mol zat padat meleleh. Misalnya, 6,01 kJ dibebaskan ke sekitarnya bia 1 mol air membeku. 3. Kalor Penguapan
Bila 1 mol air pada 100 C menguap, 40660 J, atau 40,66 kJ kalor harus di tambahkan kepada air ini agar berubah menjadi 1 mol uap air. Tepat sama seperti kasus pembekuan ( pelelehan), temperature tidak naik selama penguapan. Energy panas sebanyak 4066 jJ digunakan untuk melewan gaya- gaya tarik sehingga molekulmolekul air dapat melepaskan diri satu dari yang lain sebagai molekul gas (kukus). Banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 1 mol zat cair menjadi gas pada temperature yang sama disebut kalor penguapan. Kalor penguapa biasanya ditetapkan pada titik didih normal suatu zat, kecuali bila dinyatakan lain. Banyaknya energy panas yang dibebaskan bila satu mol suatu zat mengembun, yang aisebut kalor pengembunan molar, sama dengan kalor yang diperlukan bila 1mol zat (cair) menguap. Misalnya, dibebaskan 40,66 kJ ke sekitarnya, bila 1 mol kukus mengembun pada 100 C. 4. Perubahan Temperatur dan Perubahan Tekanan
Menurut teori molekul kinetic, dengan ditambahkan energy kalor ke suatu zat, energy itu digunakan untuk mengalahkan gaya - gaya tarik yang mengikat partikel partikel, Makin tinggi temperturnya, makin besar energy partikel. Pada titik-titik perubahan keadaan banyak energy terlibat meskipun temperature tetap konstan. Juga, jika perubahan keadaan disertai dengan penambahan volume, diperlikan energy untuk mendorong udara. 5. Gaya Tarik dan perubahan Keadaan
Gaya tarik yang mempengaruhi pelelehandan penguapan sangat beraneka ragam untuk kelompok zat yang berlainan. Tiga pengelompokkan besar zat adalah kovalen, ion dan logam. Kebanyakn zat kovalen terdirir dari molekul- molekul yang saling bertarikan dengan gaya yang agak lemah. Ion-ion dalam zat ion dan atom dalam logam biasanya saling bertarikan dengan gaya yang kuat. Karena perbedaan-perbedaan keadaan ini, zat kovalen yang memebentuk molekul- molekul tertentu cenderung memiliki titik leleh dan titik didih rendah. Senyawa ion memiliki titik leleh dan titik didih tinggi jangka temperature untuk logam serupa dengan untuk senyawa ion, meskipun terdapat sejumlah kekecualian, seperti merkurium, gallium, dan logam-logam grup 1 A table berkala, yang mudah dilelehkan. Sampai bebrapa ratus derajat diatas temperature kamar, kebanyakan senyawa ion dan logam berbentuj zat padat. Dekat tempertur kamar, senyawa kovalen berbentuk padat, cair ataupun gas, bergantung pada kuat gaya antar molekul. Semua zat cair di dekat tempertur kamar adalah senyawa kovalen, misalnya air, alcoholalcohol, dan hasil-hasil minyak bumi. 4
KEADAAN CAIR 1. Gaya Tarik Antar Molekul
Dalam membahas gatya antar molekul dalam bab ini, kebanyakan perhatian di batasi pada gaya tarik menarik antara dua molekul atau lebih dari suatu zat murni. Namun, molekul-molekul zat yang berlainan juga saling tarik menarik. Bila sutu zat kovalen cair menguap, molekul melepaskanndiri dari tetangganya. Gaya tarik lemah antara molekul dikalahkan, tetapi ikatan kovalen yang kuat yang mengikat atom-atom dala molekul itu tidak terpatahkan. Dalam seksi ini akan diperhatikan tiga macam gaya tarik menarik antar molekul. Dua diantanranya bersama-sama disebut gaya tarik van der waals. Gaya tarik yang lemah disebabkan oleh dipole imbasa sekejap, yang terjadi antara semua molekul, bahkan juga molekul yang tak polar sekalipun, gaya tarik van der waals yang kuat, yang disebut gaya tarik dipole-dpipol , terjadi antara molekul yang memiliki momen dipole permanen. Gaya tarik ketiga dari gaya van der waals. Gaya ini terjadi hanya antara molekul tertentu dan disebut ikatan hydrogen .
Dipole imbasan sekejap
Terdapat tarikan antara electron satu molekul dan inti- inti molekul-molekul yang lain, yang dapat di bayangkan sebagai akibat menggesernya posisi atau getaran electron dan inti- inti itu. Suatu getaran dalam sebuah molekul mengimbas ( menginduksi) suatu getaran elaktron- electron suatu molekul tetangga. Bila banyak molekul erkumpul bersama- sama, seperti dalam keadaan cair, geseran-geseran ini disinkronkan, sehingga terdapat suatu tarikan netto antara banyak molekul bertetangga , dipole-dipol imbasan dikatakan bersifat sekejap, karena getaran itu milyaran kali dalam satu detik. Pada kejap berikutnya dipl hilang, atau mungkin malahan arah polaritas telah dibalik. Tarikan lemah yang disebabkan oleh dipole-dipol imbasan sekejap, pertama kali diuraikan dalm tahun 1930-an oleh seorang ahli fisika Jerman Fritz London, sehingga disebut gaya-gaya London. Gaya London inilah yang menyebabkan adanya tarikan antara molekul-molekul senyawaan non-polar. Molekul-molekul besar lebih efektif ditarik satu sama lain dari pada molekul-molekul kecil. Dapatlah metana, CH 4 , di bandingkan dengan propane. CH 3CH2CH3 Dua molekul propane saling menarik dengan lebih kuat dari pada dua molekul metana. Molekul dengan distribusi electron yang besar dan baur lebuh kuat saling menarik, dari pada molekul-molekul yang electronnya lebih kuat terikat. Zat yang molekulnya bertarikan hanya berdasarkan gaya London, mempunyai titik didih dan titk leleh yang rendah, dibandingkan dengan zt lain yang bobot molekulnya kira-kir sama. Jika molekul-molekulnya kecil, zat-zat ini biasanya berbentuk gas pada temperature kamar.
Gaya tarik dipole-dipol
Molekul ynag memunyai momen dipole permanen dikatakan sebagai polar. Gaya tarik antara dua molekul polar disebut gaya tarik dipole-dipol. Tarikan ini lebih kuat dari pada tarikan molekul-molekul non polar. Jadi, zat-zat yang terdiri dari molekul polar cenderung mempunyai titik didih dan titk leleh yang lebih tinggi dari pada molekul-molekul non polar yang besarnya kirai-kira sama. 5
Ikatan hydrogen
Tarikan antara molekul yang luar biasa kuatnya, dapat terjadi antara molekulmolekul, jika satu molekul mempunyai sebuah atom hidrogenyang terikat pada sebuah atom berelektronegativitas besar, dan molekul tetangganya mempunyai sebuah atom berelektronegativitas tinggi yang mempunyai sepasang electron menyendiri. Inti hydrogen, yakni proton, ditarik oleh pasangan electron yang berdekatan, dan berayun bolak-balik antara kedua atom itu. Tarikan antara dua molekul yang menggunakan bersama-sama sebuah proton yang berayun disebut ikatan hydrogen. Ikatan hydrogen yang kuat terbentuk hanya oleh molekul yang mengandung nitrogen, oksigen, ataupun fluor. Kelihatannya sepasang electron menyendiri dla sebuah atom lebih kecil lebih efektif dari pada dalam atom besar, dalam hal menarik suatu atom hydrogen tetangganya. Misalnya, meskipun nitrogen dan klor mempunyai keelektronegatifan yang sama, atom nitrogen yang kecil itu memebentuk ikatan hydrogen yang jauh lebih kuat. Tiga zat yang sifat-sifatnya sangat dipengaruhi oleh ikatan hidrogan adalah air. H 2O. ammonia NH3, dan hydrogen fluoride HF. Molekul hydrogen fluorida saling tarik menarik begitu kuat sehingga terbentuk rantai liku-liku (zig-zag) yang panjang rantainya tak tertentu, yang bersikap seperti molekul yang lenbih besar. Pengukuran sinar X menunjukka bahwa struktur HF padat, dan diduga dalam cairan terdapat rantai-rantai dengan geometri yang serupa
Perilaku Fisika Lain dari Cairan
Tarikan antar molekul mempengaruhi banyak sifat cairan selain titik didih dan titik leleh. Kalor pelelehan dan kalor penguapan merupakan dua sifat semacam itu. Yang juga dihubungkan dengan tarikan antar moleku adalah t egangan permukaan, gaya yangmembuat cairan cenderung membentuk tetesan bulat atau memebentuk perukaan melengkung, atau meniscus, ila cairan bersentuhan denagn suatu wadah. Baik dalam hal tetesan mauopun meniscus, permukaan melengkung yang terbentuk itu mempunyai luas yang sekecil mungkinpadasuasana itu dank arena itu meminimalkan energy permukaan. Gaya antar molekul zat yang sama atau srupa dapat disebut sebagai gaya kohesif . Gaya -gaya antara molekul zat yang berlainan dan terutama antara cairan atau gas di satu pihak dan zat padat dipihak lain, disebut gaya adhesive. Naiknya sekolom caiaran dalam sutu tabung sempit disebut kenaikan pipa kapiler. 2.
Pencairan Gas
Suatu gas dapat diembunkan atau dicaorkan oleh gabungan sesuai dari penurunan temperature dan atau meneikkan tekanan.berkurangnya volume suatu gas karena menurunya tempertur mengikuti hukum Charles sampai temperature turun di dekat titik dimana gas itu milai mengembun menjadi suatu cairan. Menurut teori kinetic, jika energy kinetic molekul-molekul gas diturunkan dengan menurunkan tempertur secukupnya, gaya antar molekul akan menjadi efektif dalam mengikat partikel- pertikel tekanan akan mengefektifken gaya antar molekul.jika molekul- molekul itu berjauhan, maka gaya tarik akan melemah, tetapi dengan mendekatnya molekul – molekul itu satu sama lain, maka tarikan itu akan meningkat. Gas itu mencair jika gaya tarik itu cukup besar. 6
Namun untuk tiap gas terdapat suatu temperature, yang disebut tempertur kritis, di atas mana gas itu tidak dapat dicairkan, betapaun besarnya tekanan. Tekanan yang harus diberikan untuk mencairkan suatu gas pada titk kritis disebut tekanan kritis. Table tempertur dan tekanan kritis Gas
Titik didih normal C
Hydrogen Nitrogen Oksigen Metana Karbondioksida Propane Ammonia Freon-12 Sulfur dioksida Butane Air
-25,2 -195,8 -183,0 -161,5 ( 78,5)a -42,1 -33,4 -29,8 -10,0 -0,5 100,0
Tempertur C
-239,9 -146,9 -118,4 -82,6 31,0 96,8 132,4 111,5 157,5 152,0 374,2
kritis,
Tekanan atm
kritis,
12,8 33,5 50,1 5,4 72,9 42.0 111,3 39,6 77,9 37,5 218,3
Keterangan a : pada tekanan 1 atm, karbondioksida tudak berbentuk cair, jadi snyawa ini tidak mempunyai titik didih normal. Bukannya meleleh dn mendidih, zat ini bersublimasi pada t1 atm dan -78,5 C. 3.
Penguapan Cairan
Cairan yang mudah menguap terdiri dari molekul – molekul yang mempunyai gaya antar moekul yang lemah, mereka cenderung tercerai- berai oleh gerakan masing- masing. Uap ialah nama keadaan gas suatu zat pada tekanan dan tempertur, pada mana zat itu lazimnya berbentuk cairan atau zat padat. Suatu cairan mudah menguap dikatakan atsiri ( volatile). Etil eter adalh cairan yang mudah menguap, minyak pelumas sukar menguap. 4. Tekanan uap Tekanan uap adalah tekanan suatu uap pada kesetimbangan dengan fase bukan
uap-nya. Semua zat padat dan cair memiliki kecenderungan untuk menguap menjadi suatu bentuk gas, dan semua gas memiliki suatu kecenderungan untuk mengembun kembali. Pada suatu suatu suhu tertentu, suatu zat tertentu memiliki suatu tekanan parsial yang merupakan titik kesetimbangan dinamis gas zat tersebut dengan bentuk cair atau padatnya. Titik ini adalah tekanan uap zat tersebut pada suhu tersebut. Kelembapan relative didefinisikan sebagai penjenuhan persen dari udara dengan uap air. Kadar kelembapan udara lazim diyatakan dalam kelembapan relative. Misalnya cairan itu adalah air, maka kelembaan relative dalam wadah tertutup adalah 100 persen.
7
Kemudahan suatu zat menguap ditentukan oleh kekuatan gaya antarmolekul (tegangan permukaan). Semakin lemah gaya antarmolekul semakin mudah senyawa itu menguap. Pada suhu rendah, molekul-molekul zat dapat meninggalkan permukaan cairan membentuk kesetimbangan dengan cairan yang berada Gambar 1.1). Molekulmolekul fasa uap menimbulkan tekanan yang disebut tekanan uap. Faktor-faktor yang memengaruhi tekanan uap salah satunya adalah suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin besar tekanan uapnya. Contohnya adalah tekanan uap air berbeda pada setiap temperatur.
Gambar 1.1 Uap dan cairan membentuk kesetimbangan dinamis.
Penurunan Tekanan Uap Larutan.
Apa yang terjadi dengan tekanan uap jika ke dalam suatu cairan (misalnya, air) dimasukkan zat yang tidak mudah menguap (misalnya, gula pasir)? Adanya zat terlarut nonvolatile (tidak mudah menguap) di dalam suatu pelarut dapat menurunkan tekanan uap pelarut. Akibatnya, tekanan uap larutan lebih rendah dari tekanan uap pelarut murninya. Mengapa? Fakta tersebut dapat dijelaskan jika tekanan uap air murni lebih besar dari tekanan larutan yang mengandung zat nonvolatil, dan adanya kesetimbangan dinamis antara fasa uap dan cairannya. Oleh karena tekanan uap air murni lebih besar dari tekanan uap larutan gula maka untuk mencapai keadaan kesetimbangan, uap air murni akan diserap oleh larutan gula sampai tekanan uap di atas permukaan kedua cairan itu sama dan setimbang. Proses tersebut menghasilkan perpindahan molekulmolekul air dari pelarut murni melalui fasa uap ke dalam larutan gula sampai tekanan uap pada kedua permukaan cairan mencapai kesetimbangan. Tekanan uap suatu cairan bergantung pada banyaknya molekul di permukaan yang memiliki cukup energi kinetik untuk lolos dari tarikan molekul-molekul tetangganya. Jika dalam cairan itu dilarutkan suatu zat, maka kini yang menempati permukaan bukan hanya molekul pelarut, tetapi juga molekul zat terlarut. Karena molekul pelarut di permukaan makin sedikit, maka laju penguapan akan berkurang. Dengan pekataan lain, tekanan uap cairan itu turun. Makin banyak zat terlarut, makin besar pula penurunan tekanan uap.
Hukum Raoult.
Dari eksperimen yang dilakukan Marie Francois Raoult (1878), didapatkan hasil bahwa melarutkan suatu zat terlarut menyebabkan penurunan tekanan uap larutan. 8
Banyaknya penurunan tekanan uap (Δ P ) terbukti sama dengan hasil kali fraksi mol zat terlarut ( x B ) dan tekanan uap pelarut murni ( P oA) , yaitu: o ΔP = x B P A Pada larutan yang terdiri atas dua komponen, pelarut A dan zat terlarut B, x A + x B = 1 maka x B = 1 – x A. Apabila tekanan uap pelarut di atas larutan dilambangkan P A , ΔP = P oA – P A. Persamaan akan menjadi: Δ P = x B P oA P oA – P A = (1 – x A ) P oA P oA – P A = P oA – x A P oA P A = x A P oA Persamaan tersebut dikenal sebagai Hukum Raoult. o
) Tekanan uap pelarut ( P A sama dengan hasil kal i tekanan uap pelarut mu r ni (P A ) ). dengan fraksi mol pelarut dalam larutan ( x A
Apabila zat terlarut mudah menguap, dapat pula ditulis: o
P B = x B . P B
Tekanan uap total dapat ditulis: Ptotal = P A + P B Ptotal = xA P oA + x B P oB 5.
Titik Didih
Titik didih suatu cairan ialah tempertur dimana ketika tekanan uap yang meninggalkan cairan sama dengan tekanan luar. Bila tekanan uap sama dengan tekanan luar ( tekanan yang dikenakan), mulai terbentuk gelembung- gelembung uap dalam cairan. Karena tekanan uap dalam gelembung sama dengan tekanan udara, maka gelembung itu dapat mendorong diri lea\wat permukaan dan bergerak ke fase gas di atas cairan. Cairan itu mendidih. Titik didih air beraneka ragam menurut tekanan udara. Titik didih normal suatu cairan ialah temperature pada mana tekanan uapnya ialah 1 atm. Di pegunungan titik didih air kurang dari 10, karena tekanan udara kurang dari 1 atm. Titik didih normal (juga disebut titik didih atmospheris) dari sebuah cairan merupakan kasus istimewa dimana tekanan uap cairan sama dengan tekanan atmospher di permukaan laut, satu atmosphere. Pada suhu ini, tekanan uap cairan bisa mengatasi tekanan atmospher dan membentuk gelembung di dalam massa cair. Pada saat ini (per 1982) Standar Titik Didih yang ditetapkan oleh IUPAC adalah suhu dimana pendidihan terjadi pada tekanan 1 bar. Pada tekanan dan temperatur udara standar(76 cmHg, 25 °C) titik didih air sebesar 100 °C.
9
KEADAAN PADAT 1.
Pembekuan Cairan
Titik leleh ( titk beku) suatu zat ialah temperature pada mana fase padat dan cair ada dalam kesetimbangan. Jilka siste semacam itu di ganggu dengan menambahkan atau menarik energy panas, system akan berubah dengan mem bentuk lebih banyak zat cair atau lebih benyak zat padat. Titik didih suatu cairan berubah secara nyata dengan berubahnya tekanan luar. Tetapi, selisih tekanan yang kecil, seperti berubahnya tekanan udara, mempunyai pengaruh yang dapat diabaikan pada titik beku suatu cairan. Pertambahan tekanan yang besar memeang mnyebabkan fase yang volumenya lebih kecil, lebih disukai. Utuk kebanyakn zat, keadaan padat lebih rapat ( volume lebih kcil untuk bobot tertentu) dari pada keadaan cair. Beberapa zat , misalnya air dan bismut, keadaan cairnya lebih rapat. 2. Sifat Padatan
Ciri Khas Molekul Zat Padat - gaya tarik menarik sangat kuat - susunannya berdekatan satu sama lain - letaknya berdekatan 3. Zat Padat Kristal
Kristal adalah benda padat yang mempunyai permukaan-permukaan datar. Karena banyak zat padat seperti garam, kuarsa, dan salju ada dalam bentuk-bentuk yang jelas simetris, telah lama para ilmuwan menduga bahwa atom, ion maupun molekul zat padat ini tersusun secara simetris. Penampilan kristal. Bila suatu zat dalam keadaan cair atau larutan mengkristal, kristal dapat terbentuk dengan tumbuh lebih ke satu arah daripada ke arah lain. Isomorfisme. Dari kata Yunani morphe, yang artinya bentuk, dan isos yang artinya sama. Dua zat yang memiliki struktur kristal yang sama dikatakan isomorf . Rumus pasangan zat semacam itu biasanya meunjukkan ahwa angka banding atomatomnya sama. Misalnya : NaF dan MgO 1:1 K 2SO4 dan K 2SeO4 2:1:4 Cr 2O3 dan Fe2O3 2:3 NaNO3 dan CaCO3 1:1:3 Zat-zat isomorf dapat atau tidak dapat mengkristal bersama-sama dalam campuran yang homogen. Namun kemiripan baik dari rumus maupun sifat-sifat kimia tidaklah cukup untuk menjamin pengkristalan yang homogen. Dua zat seerupa yang dikenal dengan baik yang tidak mengkristal secara homogen ialah NaCl dan KCl. Suatu zat tunggal yang mengkristal dalam dua atau lebih bentuk yang berlainan pada kondisi yang berlainan, dikatakan bersifat polimorf (banyak bentuk). Kalsium karbonat (CaCO3), silikon dioksida (SiO2), belerang (S), dan karbon (C), merupakan contoh zat-zat polimorf. Misalnya, grafit dan intan merupakan bentuk polimorf dari karbon. Dalam hal unsur, bentuk polimorf juga disebut bentuk alotropi.
10
Suatu zat yang tampil sebagai zat padat, tetapi tidak mempunyai struktur kristal yang berkembangbiak disebut amorf (tanpa bentuk). Ter dan kaca merupakan zat padat semacam ini. Tak seperti zat pada kristal, zat amorf tidak mempunyai titik-titik leleh tertentu yang tepat. Sebaliknya zat amorf melunak secara bertahap bila dipanasi dan meleleh dalam suatu jangka temperatur . Pengkajian Sinar-X. Barisan tiga dimensi yang teratur (dari) titik-titik serupa dalam suatu zat padat kristal disebut kisi kristal (crystal lattice) . Seorang ahli fisika Jerman Max von Laue (1912) menyatakan bahwa, jika sinar-X memang sejenis radiasi elektromagnetik seperti cahaya, sinar-X harus mempunyai panjang gelombang yang sesuai untuk didifraksikan oleh atom atau ion dalam suatu kisi kristal. Radiasi-X mempunyai panjang gelombang tunggal yakni radiasi yang bersifat monokromatik. Bila suatu berkas monokromatik sinar-X jatuh ke suatu zat kristal, radiasi didifraksi dengan kuat hanya bila kristal itu diputar pada sudut tertentu terhadap berkas masuk itu. Karakteristik Kristal. seksi terkecil dari suatu kisi kristal yang dapat digunakan untuk memerikan struktur kristal itu disebut suatu sel satuan. Secara teoritis, kristal keseluruhan dapat direproduksi dengan menyusun sel-sel satuan itu. Kisi kristal yang berlainan dikelompokkan menurut panjang relatif dari ketiga sumbu sel satuan itu dan besar relatif ketiga sudut yang diapit oleh sumbu-sumbu itu. Dengan dikelompokkan seperti ini, terdapat enam penataan kristal yang secara mendasar berlainan. Penataan dan ukuran ion dapat dihitung berdasarkan data sinar-X. 4. Senyawa Ion
Kelompok paling dikenal dari zat-zat kristal adalah kelompok senyawa ion. Kecenderungan ion untuk menarik ion lain yang muatannya berlawanan dan menolak ion yang muatannya sama, mengakibatkan penataan ion tiga dimensi yang teratur. Pengaruh utama pada pola khas yang dibentuk oleh senyawa ion adalah muatan ion, ukuran relatif kedua ion yang terlibat, kemudahan ion itu terdistorsi atau terpolarisasi Gaya tolakan dan tarikan elektrostatik antara ion-ion bekerja secara sama dalam semua arah. Sesuai dengan hukum Coulomb, gaya ini bekerja dengan cara berbanding terbalik dan kuadrat jarak antara muatan, oleh karena itu gaya ini paling kuat diantara gaya yang lainnya. Titik didih dan titik leleh senyawa ion tinggi. Diperlukan cukup banyak energi untuk melemahkan ikatan ion yang kuat dan memberikan ion itu sukup energi untuk bergerak sebagai partikel cairan atau menguap sebagai molekul sederhana Halangan sterik. Seringkali satu ion dapat menempati tempat ion lain dalam suatu kisi ion, jika ion-ion itu sama muatannya dan besarnya kira-kira sama. Misalnya klorida dengan suatu jari-jari 1,81 A mungkin menggantikan bromida yang berjari-jari 1,96A. Bila sebuah partikel tak dapat menduduki suatu tempat karena keterbatasan ruang maka efek ini disebut halangan sterik. Efek ini tidak terbatas pada zat-zai berion saja. Menentukan ukuran ion. Ukuran sebuah ion dapat sedikit berbeda dari senyawa satu dengan senyawa yang lain. Misalnya jari-jari yang ditentukan untuk ion bromida sedikit berbeda dalam lithium bromida dan dalam kalium bromida. Ini dapat 11
disebabkan oleh beda dalam rapatan muatan kedua ion positif dan oleh berbagai efek kemasan (penyusunan rapat). Polarisasi ion. Angka banding muatan satu ion dan volumenya disebut rapatan muatan. Ion positif dengan muatan tinggi mempunyai jari-jari kecil, sehingga ion-ion ini mempunyai rapatan muatan yang tinggi. Ion semacam itu menarik dengan kuat elektron-elektron dari ion dan molekul di dekatnya. Ion yang terdistorsi bersifat lebih negatif pada sisi yang menghadap ke ion positif dan lebih positif pada sisi yang lain, maka dikatakan ion negatif itu terpolarisasi. Polarisasi ini tidak berubah-ubah menurut waktu, tidak seperti gaya London, melainkan konstan selama kedua ion itu masih berdampingan. Karena ukurannya lebih besar, ion-ion negatif cenderung lebih mudah terpolarisasi daripada ion-ion positif. Salah satu efek polarisasi dapat berupa penurunan titik leleh. 5. Zat Kovalen Padat
Kebanyakan zat yang umumnya kovalen sebagai molekul-molekul diskrit. Brom, karbondioksida, heksana, ammonia, dan etil alcohol merupakan contoh yang khas. Titik leleh dan titik didih kovalen cenderung lebih rendah daripada zat-zat ion. Beda dalam titik leleh dan titik didih disebabkan karena untuk melelehkan zat padat molekul ataupun menguapkan cairan molekul hanya membutuhkan energy secukupnya untuk mengalahkan gaya tarik van der Waals antara molekul-molekul. Beberapa unsure nonlogam seperti karbon dan silicon serta beberapa senyawa seperti boron nitride atau silicon karbida membentuk kristal-kristal, yang atomatomnya terikat kuat pada semua arah oleh ikatan kovalen yang kuat. zat-zat ini tidak berada sebagai molekul-molekul kecil yang diskrit. Dalam unsure atau senyawa padat yang terbuat dari molekul kovalen terdapat dua tipe umum. Bila molekul individu tidak polar atau hanya sedikit polar mereka teronggok bersama-sama seperti kelereng dengan mengambil tempat sesedikit mungkin. Jika molekul individu polar, mereka cenderung mengatur diri sedemikian sehingga muatan yang berlawaanan akan berdekatan dan muatan yang sama akan berjauhan. Zat-zat dengan molekul nonpolar atau sedikit polar membentuk zat padat hanya pada temperature rendah. Zat-zat ini antara lain halogen ringan, CO, CO 2 dan banyak senyawa organik seperti metana dan hidrokarbon lain. Strukutur es dan air. Dari dimensi sebuah molekul air, bila terkemas secara mampat, seperti kelereng dalam kotak, dihitung bahwa ruangan yang diperlukan ialah 15 Å3. Untuk 1 mol air volume yang dikalkulasi adalah 9 cm 3. Tetapi volume yang diukur dari 1 mol air adalah 18 cm 3 atau duakali harga yang dihitung. Karena itu sepertinya, separuh ruangan diisi oleh air dan separuhnya kosong. Pengkajian dari sinar-X menyatakan bahwa strukturnya agak mirip struktur es. Tetapiu ketika meleleh volume air hanya 90 % volume es. Ini menendakan bahwa struktur es roboh sebagianj dan terdapat ruang hampa dalam air dibandingkan dengan es. Cairan lebih rapat daripada zat padatnya merupakan hal yang tidak biasa Karenna kebanyakan zat mengembang bila dilelehkan. Perilaku yang luar biasa ini dihubungkan dengan struktur es dan air. Banyak ikatan hydrogen yang putus ketika es mencair. 12
Molekul- molekul menjadi terkemas lebih mampat dan rapatannya naik. Setelah es meleleh, berlangsung pelepasan molekul-molekul air yang berkaitan, dengan dipanasinya air itu. Hal ini menyebabkan kenaikan rapatan. 6. Zat Padat Logam
Zat padat tersederhana addalah zat padat yang mengandung atom-atom dari satu unsure saja, misalnya logam-logam. Atom-atom dalam logam biasanya disusun dengan cara seefisien mungkin. Dengan atom identik angkabanding jari-jari adalah 1 dan bilangan koordinasi maksimum adalah 12. Dalam struktur kubus berpusat-tubuh, atom apa saja (kecuali yang berada pada permukaan) mempunyai BK=8, dalam kubus berpusat-muka BK=12, dalam struktur terkemas mampat heksagonal atom apa saja mempunyai BK=12. Unsure seperti kromium, besi, wolfram, natrium dan kalium mengkristal dalam pola berpusat-tubuh. Kisi berpusat-muka dibentukn oleh aluminium, tembaga, perak, emasplatina, timbel dan banyak logam lain. Diantara kisi terkemas mampat heksagonal adalah magnesium, zink, cadmium. Zat logam yang paling lazim adalah unsure, tetapi terdapat banyak senyawa antar logam yang mempunyai sifat-sifat yang khas logam seperti Na 3Bi, AgZn, FeAl, dan Cu3Sn. Sifat logam. Sifat kimia. Logam bersifat sebagai donor elektrondalam reaksireaksi. Ion-ion logam biasanya adalah ion positif dikarenakan rendahnya energy ionisasi atom logam dan biasasnya terdapat kurang dari empat elektron dalam tingkatan energi terluarnya. Sifat fisika. Daya hantar jenis listrik dan panas yang tinggi, mengkilapnya permukaan, penataan terkemas-mampat atom-atom sehingga logam cenderung memiliki rapatan yang relative tinggi. Kemampuan mengubah bentuk tanpa retak bila ada tegangan. Logam dapat ditempa meskipun atom-atom mereka berikatan kuat satu sama lain. Electron dalam ikatan. Sifat fisika logam menyatakan bahwa ikatan-ikatan valensi yang mengikat atom-atom itu satu sama lain bukanlah ikatan ion juga bukan kovalen sederhana. Suatu logam terdiri dari suatu kisi ketat dari ion-ion positif dan di sekitarnya terdapat electron-elektron valensi. Electron valensi ini terbatas pada permukaan-permukaan energi tertentu, namun memiliki cukup kebebasan sehingga tidak terus menerus digunakan bersama-sama oleh dua ion yang itu-itu saja. Bila diberikan energi, electron-elektron ini mudah dioperkan dari atom ke atom. Sistem ini dikenal sebagai ikatan logam. Tidak seperti ikatan ion maupun kovalen, ikatan logam memberikan kekuatan sekaligus keuletan pada logam itu dan memungkinkan perubahan bentuk (deformasi). Meskipun ion positif menghuni posisi yang relative stasioner, ion-ion ini dapat menggelincir satu melewati yang lain dengan agak mudah. Sehingga, logam tidak retak bila dipukul dengan palu atau digilas menjadi lembaran. Daya hantar listrik dari logam berasal dari ikatan logam. Jika salah satu ujung logam dipanasi maka di ujung tersebut electron bergerak lebih cepat daripada elektron di ujung yang dingin. Gerakan electron valensi dalam logam dan pertukaran energi antara mereka mirip dengan gerakan acak molekul-molekul gas. 13
7. Susunan Partikel
Partikel individu yang membentuk zat-zat cenderung menata diri dalam cara yang seefisien mungkin di bawah seperangkat kondisi tertentu. Baik dalam molekul maupun dalam Kristal, inti-inti dan electron-elektron masuk dalam pola-pola yang mana partikel yang saling menarik akan sedekat mungkin, partikel yang saling menolak akan sejauh mungkin, semua partikel menyusun diri dalam barisan simetris, sedemikian sehingga energi netto tarikan dan tolakan dapat diminimalkan. Beberapa tipe yang lazim dari struktur cacat kisi ialah struktur yang kehilangan atom atau ion, struktur denngan partikel sekedar suatu penataan partikel secara kacau balau. Struktur cacat dapat mempunyai sifat listrik istimewa yang berguna. Semikonduktor, transistor dan isolator dewasa ini dibuat dari Kristal sintetik yang mempunyai cacat yang diawasi dengan seksama. KESETIMBANGAN FASA DAN DIAGRAM FASA
Kesetimbangan fasa adalah proses dinamik yang sangat berbeda dengan kesetimbangan static seperti kelereng yang berkisar dan berhenti jika dikisarkan dalam mangkuk. Dalam kesetimbangan air cair dan uap air, tekanan parsial mendatar,bukan karena berhenti penguapan dan kondensasi, tetapi karena lajunya pada kesetimbangan menjadi sama. Satu cirri lagi dari kesetimbngan yang dinyataka oleh system cairan – uap ialah bahwa sifat system pada kesetimbangn tidak bergantung pada arah dari mana kesetimbangan itu tercapai. Jika kita injeksikan cukup uap air kedalam labu kosong sehingga tekanan uap awalnya di atas tekanan uap air cair, P vap(H2O), maka air cair akan terkondensasi sampai kesetimbangan tekanan uap yang sama tercapai (0,03126 atm ada 25 o C). tentu saja, jika kita tidak menggunakan cukup uap air untuk melampaui tekanan 0,03126 atm, semua air akan tetap berada dalam fasa log dan kesetimbangan dua fasa tidak akan terjadi. Keberadaan uap air diatas larutan berair mempunyai konsekuensi praktis. Jika suatu reaksi dalam larutan berair menghasilkan gas, maka gas akan basa, artinya mengandun uap air pada tekanan parsial yang diberikan oleh uap air kesetimbnagan dari air pada suhu eksperimen. Jumlah gas yang dihasilkan ditentukan tidak oleh tekanan total tetapi oleh tekanan parsial gas itu. Sistem Satu Komponen Aturan Fasa Gibbs
Pada tahun 1876, Gibbs menurunkan hubungan sederhana antara jumlah fasa setimbang, jumlah komponen, dan jumlah besaran intensif bebas yang dapat melukiskan keadaan sistem secara lengkap. Menurut Gibbs, υ = derajat kebebasan dimana c = jumlah komponen p = jumlah fasa γ = jumlah besaran intensif yang mempengaruhi sistem (P, T) 14
Derajat kebebasan suatu sistem adalah bilangan terkecil yang menunjukkan jumlah variabel bebas (suhu, tekanan, konsentrasi komponen – komponen) yang harus diketahui
untuk menggambarkan keadaan sistem. Untuk zat murni, diperlukan hanya dua variabel untuk menyatakan keadaan, yaitu P dan T, atau P dan V, atau T dan V. Variabel ketiga dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan gas ideal. Sehingga, sistem yang terdiri dari satu gas atau cairan i deal mempunyai derajat kebebasan dua (υ = 2). Bila suatu zat berada dalam kesetimbangan, jumlah komponen yang diperlukan untuk menggambarkan sistem akan berkurang satu karena dapat dihitung dari konstanta kesetimbangan. Misalnya pada reaksi penguraian H 2O.
Dengan menggunakan perbandingan pada persamaan 3.2, salah satu konsentrasi zat akan dapat ditentukan bila nilai konstanta kesetimbangan dan konsentrasi kedua zat lainnya diketahui. Kondisi fasa – fasa dalam sistem satu komponen digambarkan dalam diagram fasa yang merupakan plot kurva tekanan terhadap suhu. Gambar 3.1. Diagram fasa air pada tekanan rendah
Titik A pada kurva menunjukkan adanya kesetimbangan antara fasa – fasa padat, cair dan gas. Titik ini disebut sebagai titik tripel. Untuk menyatakan keadaan titik tripel hanya dibutuhkan satu variabel saja yaitu suhu atau tekanan. Sehingga derajat kebebasan untuk titik tripel adalah nol. Sistem demikian disebut sebagai sistem invarian. Keberadaan Fasa – Fasa dalam Sistem Satu Komponen
Perubahan fasa dari padat ke cair dan selanjutnya menjadi gas (pada tekanan tetap) dapat dipahami dengan melihat kurva energi bebas Gibbs terhadap suhu atau potensial kimia terhadap suhu.
15
Gambar 3.2. Kebergantungan energi Gibbs pada fasa terhadap
– fasa
padat, cair dan gas
16
