RANGKUMAN MATERI AJAR KELAS XI SMA PROGRAM MIA
Materi:
HIDROKARBON DAN MINYAK BUMI TERMOKIMIA
*KHUSUS UNTUK DIPELAJARI Oleh: Najmia Rahma
HIDROKARBON Salah satu rumpun senyawa yang melimpah di alam adalah senyawa karbon. Senyawa ini tersusun atas atom karbon dan atom-atom lain yang terikat pada atom karbon, seperti hidrogen, oksigen, nitrogen, dan atom karbon itu sendiri. Salah satu senyawa karbon paling sederhana adalah hidrokarbon. Hidrokarbon banyak digunakan sebagai komponen utama minyak bumi dan gas alam. Apakah kekhasan dari atom karbon? Bagaimanakah atom karbon membentuk senyawa hidrokarbon? Bagaimanakah menggolongkan senyawa hidrokarbon? Mari simak penjelasan berikut ini ....
A.
Kekhasan Atom Karbon Atom karbon (C) merupakan pemeran utama dalam mempelajari hidrokarbon. Atom C ini
memiliki karakteristik yang khas dibanding atom lainnya. Karakteristik itu adalah kemampuannya membentuk rantai C yang panjang. Mengapa bisa? Peristiwa ini disebabkan atom C mempunyai empat elektron valensi yang dapat berikatan kovalen dengan atom sejenis atau atom lain.
Gambar 1. Beberapa jenis ikatan kovalen pada atom C Atom C dapat berikatan dengan atom C lain (sejenis), bahkan dapat membentuk rantai atom atom C baik alifatik (terbuka: lurus dan bercabang) maupun siklik (tertutup).
Gambar 2. Rantai karbon: (1) rantai lurus; (2) rantai cabang; (3) rantai tertutup; (4) jaring
B.
Atom C Primer, Sekunder, Tersier, dan Kuartener Berdasarkan kemampuan atom karbon yang dapat berikatan denganatom karbon lain, muncullah
istilah atom karbon primer, sekunder, tersier, dan kuartener. Istilah ini didasarkan pada jumlah atom karbon yang terikat pada atom karbon tertentu. 1. Atom karbon primer (dilambangkan dengan 10) adalah atom-atom karbon yang mengikat satu atom karbon tetangga. 1
Contoh: perhatikan senyawa berikut dalam senyawa tersebut terdapat 4 atom karbon primer yang berada
pada
setiap
ujung.
Bisakah kalian melihatnya??
2. Atom karbon sekunder (dilambangkan dengan 20) adalah atom-atom karbon yang mengikat dua atom karbon tetangga. Contoh: perhatikan atom C yang ditandai pada senyawa berikut. Atom C yang ditandai pada senyawa di samping merupakan atom C sekunder. Dia biasanya diapit oleh dua atom C yang lain. 3. Atom karbon tersier (dilambangkan dengan 30) adalah atom-atom karbon yang mengikat tiga atom karbon tetangga. Contoh: coba perhatikan senyawa di atas, adakah atom C tersiernya? Ada ternyata! Jadi, senyawa di samping memiliki 1 atom C tersier. Lihat! Dia diapit oleh tiga atom C lain. 4. Atom karbon kuartener (dilambangkan dengan 40) adalah atom-atom karbon yang mengikat empat atom karbon tetangga. Contoh: perhatikan senyawa ini, bisakah kalian menemukan atom C kuartener? Dia diapit oleh empat atom C lain. Nah, ternyata senyawa di samping memiliki 1 atom C kuartener.
C.
Penggolongan Senyawa Hidrokarbon Berdasarkan jumlah ikatan antara atom karbon, senyawa karbon dikelompokkan menjadi
senyawa jenuh dan tidak jenuh. Pada senyawa hidrokarbon jenuh, atom karbon dapat mengikat atom hidrogen secara maksimal. Senyawa yang tergolong hidrokarbon jenuh adalah golongan ALKANA. 2
1. Alkana Senyawa alkana merupakan rantai karbon yang paling sederhana. Alkana merupakan senyawa hidrokarbon jenuh yang seluruh ikatannya pada atom karbonnya tunggal. Rumus umum alkana adalah:
CnH2n+2 Jadi, apabila atom C ada 2, maka atom H pada senyawa alkananya adalah 2(2)+2, yakni 6 buah. Apabila dituliskan menjadi C2H6, dan jika dijabarkan akan menjadi seperti ini:
etana Berikut merupakan daftar nama 10 deret pertama dari senyawa alkana: Nama Senyawa
Rumus Molekul
Metana
CH4
Etana
C2H6
Propana
C3H8
Butana
C4H10
Pentana
C5H12
Heksana
C6H14
Heptana
C7H16
Oktana
C8H18
Nonana
C9H20
Dekana
C10H22
Tata Nama Senyawa Alkana Senyawa hidrokarbon dapat diberi nama menggunakan aturan yang sesuai atau yang disetujui oleh para ilmuwan. Bagaimana cara menamai senyawa alkana? Baiklah, kita akan mencoba langsung menamai senyawa alkana berikut:
3
ATURAN PERTAMA yang harus kita lakukan adalah menentukan rantai utama
1
dari senyawa tersebut. Bagaimana caranya? Carilah rantai C yang TERPANJANG, yakni rantai yang memiliki atom karbon TERBANYAK.
Apakah yang ini???
Ooh, bukan, pemirsa! Ada yang lebih panjang lagi rupanya. Bisakah kalian menemukannya??? Lihatlah, ada dua buah C2H5 dalam rantai tersebut, jadi senyawa itu apabila dijabarkan lagi akan menjadi seperti ini:
Jadi, manakah rantai terpanjangnya??
Ok! Jadi itu RANTAI UTAMAnya
Nah, setelah menentukan rantai utama, yang harus dilakukan adalah MENOMORI
2
RANTAI itu dari ujung satu sampai ujung yang lain. Nah, untuk rantai yang kita miliki dari ujung mana kita menomorinya??? Baiklah, untuk itu kita memasuki ATURAN KEDUA!! Penomoran rantai dimulai dari UJUNG RANTAI YANG TERDEKAT DENGAN CABANG. Jadi, penomoran senyawa yang kita miliki itu akan menjadi seperti ini:
4
ATURAN KETIGA, yakni menentukan NAMA ALKIL atau cabang-cabang yang ada pada rantai utama. Penamaannnya sama dengan alkana, hanya akhirannya diubah
3
menjadi –il. Berikut tabel deret 5 gugus alkil pertama pada senyawa hidrokarbon: Jumlah
Struktur
Karbon
Nama Alkil
1
CH3‒
2
CH3‒CH2‒
3
CH3‒CH2‒CH2‒
Propil
4
CH3‒CH2‒CH2‒CH2‒
Butil
5
CH3‒CH2‒CH2‒CH2‒CH2‒
Pentil
Metil Etil
Nah, dari struktur yang kita miliki, mana sajakah cabangnya? Jika kalian perhatikan, ada 3 cabang di sana, dan ketiganya merupakan gugus metil.
Apabila dijodohkan dengan rantai utama, gugus-gugus alkil tersebut secara berurutan MENEMPEL PADA ATOM C ke 3, 4 dan 6. Dengan demikian, kita sudah dapat menamai struktur yang kita miliki secara lengkap. Urutan penulisan namanya: 1. NOMOR ALKIL/CABANG 2. NAMA ALKIL/CABANG 3. NAMA RANTAI UTAMA Jadi, saudara-saudara, nama struktur hidrokarbon itu adalah:
3,4,6-trimetil-oktana 5
Kelompok senyawa hidrokarbon yang termasuk senyawa tak jenuh adalah ALKENA dan ALKUNA. Disebut hidrokarbon tak jenuh karena atom karbon yang dimilikinya tidak mengikat atom hidrogen secara maksimal. Dengan kata lain mereka memiliki IKATAN RANGKAP. Nah, mari kita bahas senyawa hidrokarbon tak jenuh ini satu per satu.
2. Alkena Alkena merupakan senyawa hidrokarbon dengan ikatan rangkap dua (‒C=C‒). Alkena paling sederhana yaitu etena, C2H4. Rumus umum alkena adalah:
CnH2n Jadi, apabila atom C ada 4, maka atom H pada senyawa alkenanya adalah 2(4), yakni 8 buah. Apabila dituliskan menjadi C4H8, dan jika dijabarkan akan menjadi seperti ini:
H H H │ │ │ H—C—C—C=C—H │ │ │ H H H 1-butena Berikut merupakan daftar nama 10 deret pertama dari senyawa alkena: Nama Senyawa
Rumus Molekul
Etena
C2H4
Propena
C3H6
Butena
C4H8
Pentena
C5H10
Heksena
C6H12
Heptena
C7H14
Oktena
C8H16
Nonena
C9H18
Dekena
C10H20
Tata Nama Senyawa Alkena a) Alkena Rantai Lurus Atom karbon yang berikatan rangkap (‒C=C‒) diberi nomor yang menunjukkan ikatan rangkap tersebut. Penomoran dimulai dari ujung rantai yang paling dekat dengan ikatan rangkap. 6
Contoh:
bukan
Jadi, nama senyawa tersebut yang benar adalah 2-pentena. b) Alkena Rantai Bercabang Penamaan alkena rantai bercabang hampir sama dengan penamaan alkana. Hanya yang membedakan adalah ADA NOMOR POSISI UNTUK IKATAN RANGKAP PADA ALKENA. Aturan yang digunakan tetap sama, yakni: menentukan RANTAI UTAMA, yaitu rantai terpanjang dan MEMILIKI IKATAN RANGKAP penomoran rantai utama diawali dari YANG PALING DEKAT DENGAN IKATAN RANGKAP, BUKAN dari cabang terdekat urutan penulisan nama: 1) NOMOR CABANG/ALKIL 2) NAMA CABANG/ALKIL 3) NOMOR IKATAN RANGKAP 4) NAMA ALKENA
Contoh: beri nama untuk senyawa alkena berikut
Seperti biasa, pertama kita TENTUKAN RANTAI UTAMA dari struktur tersebut, yang
1
2
MENGANDUNG IKATAN RANGKAP. Dengan demikian, akan menjadi seperti ini:
Selanjutnya kita beri nomor pada rantai tersebut DARI ATOM C YANG TERDEKAT DENGAN IKATAN RANGKAP. Maka akan menjadi seperti ini: 7
Selanjutnya PENAMAAN ALKIL atau CABANG. Jika kalian perhatikan, ada 3 cabang pada struktur itu, dan ketiganya adalah metil.
3
Nah, secara berurutan metil-metil itu menempel pada atom C nomor 3, 6, dan 9. Nama rantai utamanya adalah dekena. Karena ikatan rangkapnya ada pada C nomor 3, maka nama senyawa tersebut adalah:
3,6,9-trimetil-3-dekena Satu lagi kelompok hidrokarbon tak jenuh adalah alkuna. Mari kita bahas...
3.
Alkuna Alkuna merupakan senyawa hidrokarbon dengan ikatan rangkap tiga (‒C≡C‒). Alkuna paling sederhana yaitu etuna, C2H2. Rumus umum alkena adalah:
CnH2n‒2 Jadi, apabila atom C ada 3, maka atom H pada senyawa alkenanya adalah 2(3)‒2, yakni 4 buah. Apabila dituliskan menjadi C3H4, dan jika dijabarkan akan menjadi seperti ini: H │ H‒C‒C≡C‒H │ H 1-propuna Berikut merupakan daftar nama 10 deret pertama dari senyawa alkuna: Nama Senyawa
Rumus Molekul
Etuna
C2H2
Propuna
C3H4 8
Butuna
C4H6
Pentuna
C5H8
Heksuna
C6H10
Heptuna
C7H12
Oktuna
C8H14
Nonuna
C9H16
Dekuna
C10H18
Tata Nama Senyawa Alkuna a) Alkuna Rantai Lurus Tata nama alkuna rantai lurus BENAR-BENAR SAMA dengan tata nama alkena rantai lurus. Hanya saja nama rantai utamanya diberi akhiran ‒UNA. Contoh: 2-butuna
b) Alkuna Rantai Bercabang Tata nama alkuna rantai bercabang pun SAMA DENGAN tata nama alkena rantai bercabang. Hanya saja dibedakan penggunaan AKHIRAN pada nama RANTAI UTAMA menjadi ‒UNA. Contoh: mari kita memberi nama untuk senyawa alkuna berikut
Baiklah, kita mulai dengan MENENTUKAN RANTAI UTAMA dari struktur tersebut,
1
yang MENGANDUNG IKATAN RANGKAP. Dengan demikian, akan menjadi seperti ini:
Selanjutnya kita beri nomor pada rantai tersebut DARI ATOM C YANG TERDEKAT DENGAN IKATAN RANGKAP. Maka akan menjadi seperti ini:
2 9
Selanjutnya PENAMAAN ALKIL atau CABANG. Jika kalian perhatikan, hanya ada 1
3
cabang pada struktur itu, dan alkil tersebut bernama metil.
Nah, metil yang kita miliki menempel pada atom C nomor 3. Nama rantai utamanya adalah pentuna. Karena ikatan rangkapnya ada pada C nomor 1, maka nama senyawa tersebut adalah:
3-metil-1-pentuna Demikianlah urusan tata nama berakhir disini... Bagaimana jika kasusnya kita harus membuat struktur dari nama yang telah diketahui??? Misalkan 2-metil-butana. Bagaimana strukturnya? Mari kita bahas...
Pertama, kita harus MELIHAT EKOR dari nama senyawa tersebut, karena itu merupakan nama RANTAI UTAMA.
2-metil-butana Apabila digambarkan maka akan menjadi seperti ini: C‒C‒C‒C Selanjutnya kita lihat nomor alkil, yakni yang paling depan:
2-metil-butana Berarti posisi alkil/cabang berada pada C nomor 2, dan cabang tersebut merupakan metil yang memiliki 1 atom C. Kita tambahkan alkil pada struktur kita: C │ C‒C‒C‒C Nah, selanjutnya tinggal menambahkan atom H pada setiap atom C yang kita miliki. Berikut struktur tuntasnya: CH3 │ CH3‒CH‒CH2‒CH3 Rumus umum yang dimiliki senyawa tersebut adalah C5H12. Walaupun ada 5 atom C bukan berarti senyawa itu harus pentana, karena rantai utamanya memiliki 4 atom C. Inilah yang kita sebut sebagai isomer. Dengan demikian, struktur yang telah kita bahas merupakan ISOMER DARI PENTANA. 10
D.
Sifat Fisik Senyawa Hidrokarbon Sifat fisik suatu zat antara lain titik didih dan titik leleh. Secara umum, SEMAKIN BANYAK
JUMLAH ATOM KARBON dalam senyawa hidrokarbon, baik itu alkana, alkena, maupun alkuna maka SEMAKIN TINGGI PULA TITIK DIDIH juga TITIK LELEH yang dimiliki senyawa tersebut. Selain itu juga, SEMAKIN BANYAK CABANG pada suatu hidrokarbon, maka SEMAKIN RENDAH TITIK DIDIH maupun TITIK LELEHNYA.
Baiklah selesai sudah pembahasan kita mengenai SENYAWA HIDROKARBON. Pahami ya! Jika kalian RAJIN MEMBACA, maka jalan keluar menuju SUKSES akan lancar jaya!
Jangan kalah membaca dari aku miaw :3
11
MINYAK BUMI Untuk apa kita mempelajari hidrokarbon? Salah satu manfaatnya adalah agar kalian siap menghadapi bab yang satu ini. Ya, minyak bumi atau petroleum yang merupakan salah satu senyawa hidrokarbon yang sangat penting bagi manusia. Tentunya kalian pernah mendengar bensin bukan? Nah, bensin itu merupakan salah satu fraksi minyak bumi. Apa itu fraksi minyak bumi? Bagaimana cara memperoleh minyak bumi? Mengapa jenis bensin bisa berbeda-beda (seperti solar, premium, pertamax)? Bagaimana bahaya pembakaran tidak sempurna suatu bahan bakar? Itulah yang akan kita bahas kali ini.
A.
Proses Pembentukan Minyak Bumi Pernahkah kalian melihat anjungan minyak bumi lepas pantai? Minyak bumi diperoleh dari
pengeboran permukaan bumi hingga mencapai sumbernya. Darimana minyak bumi itu terbentuk?
Sisa hewan yang terkubur selama jutaan tahun
Gambar 3. Minyak bumi terjadi akibat pelapukan atau sisa-sisa hewan dan tumbuhan renik yang terkubur di dasar laut jutaan tahun lampau. Minyak bumi disebut juga petroleum: petra (batuan) dan oleum (minyak). Ini ditujukan kepada fosil hewan dan tumbuhan yang ditemukan dalam kulit bumi sebagai gas, air, dan padatan. Minyak bumi terbentuk dari FOSIL-FOSIL HEWAN DAN TUMBUHAN KECIL YANG HIDUP DI LAUT DAN TERTIMBUN SELAMA BERJUTA-JUTA TAHUN LAMPAU. KETIKA HEWAN DAN TUMBUHAN LAUT MATI, JASAD MEREKA TERTIMBUN OLEH PASIR DAN LUMPUR DI DASAR LAUT. Setelah ribuan tahun tertimbun, akibat pengaruh tekanan dan suhu bumi yang tinggi, lapisan-lapisan lumpur dan pasir berubah menjadi batuan. AKIBAT TEKANAN DAN PANAS BUMI, FOSIL HEWAN DAN TUMBUHAN YANG TERJEBAK DI LAPISAN 12
BATUAN SECARA PERLAHAN BERUBAH MENJADI MINYAK MENTAH. Biasanya dengan ditemukannya sumber minyak mentah, akan ditemukan pula gas alam (Sunarya, 2009).
B.
Komposisi Hidrokarbon pada Minyak Bumi Hidrokarbon dalam minyak mentah biasanya terdiri atas hidrokarbon jenuh, alifatik, dan
alisiklik. Sebagian besar komponen minyak mentah adalah hidrokarbon jenuh, yakni alkana dan sikloalkana. Di Indonesia, minyak bumi terdapat di bagian utara pulau Jawa, bagian timur Kalimantan dan Sumatra; daerah Papua; dan bagian timur pulau Seram. Minyak bumi juga diperoleh di lepas pantai utara Jawa dan pantai timur Kalimantan. Minyak bumi yang ditambang di Indonesia umumnya banyak mengandung senyawa hidrokarbon siklik, baik sikloalkana maupun aromatik. Berbeda dengan minyak dari Indonesia, minyak bumi dari negara-negara Arab lebih banyak mengandung alkana dan minyak bumi Rusia lebih banyak mengandung sikloalkana.
C.
Fraksi-fraksi Minyak Bumi Minyak bumi terdiri atas berbagai campuran (fraksi) yang terdapat dalam minyak mentah yang
belum dapat digunakan. Minyak mentah diolah dalam kilang minyak menggunakan proses destilasi bertingkat menjadi fraksi-fraksinya. Prinsip pengolahan minyak mentah menggunakan destilasi bertingkat adalah pemisahan komponen atau fraksi-fraksi minyak bumi melalui perbedaan titik didih. Dimana fraksi yang memiliki titik didih paling rendah akan keluar terlebih dahulu disusul oleh fraksi yang memiliki titik didih yang lebih tinggi. Pada gambar di samping fraksi yang memiliki titik didih paling rendah adalah gas petroleum, yakni sekitar 20°C, dan fraksi yang memiliki titik didih paling tinggi adalah ASPAL, sekitar 400°C. Fraksi ini tersisa dalam tabung fraksionasi dan sering digunakan sebagai PENGERAS JALAN. Makin kebawah tabung fraksionasi, makin tinggi Gambar 4. Tangki penyulingan minyak
suhu tangki tersebut.
bumi (tabung fraksionasi) 13
D.
Bilangan Oktan Bensin Bensin akhir-akhir ini menjadi perhatian utama karena pemakaiannya untuk bahan bakar
kendaraan bermotor sering menimbulkan masalah. Kualitas bensin ditentukan oleh bilangan oktan, yaitu bilangan yang menunjukkan jumlah isooktan dalam bensin. Campuran hidrokarbon yang digunakan sebagai standar untuk membandingkan kualitas bensin adalah N-HEPTANA dan ISOOKTANA (2,2,4-trimetil-pentana). Contoh: Suatu bensin premium diketahui memiliki bilangan oktan sebesar 80. Komposisi hidrokarbon standar yang dimilikinya adalah
20% n-heptana dan 80% isooktana Semakin tinggi bilangan oktan, semakin baik kualitas bensin tersebut. Penambahan zat aditif ke dalam bensin bertujuan untuk mengurangi ketukan dan meningkatkan bilangan oktan. Zat aditif yang ditambahkan ke dalam bensin biasanya adalah TEL (Tetra Etyl Lead atau tetra etil timbal), rumus molekulnya adalah [(CH3CH2)4Pb], dengan struktur molekul adalah sebagai berikut:
Tetra etil timbal—TEL Penggunaan TEL dalam bensin akan segera dihentikan karena menimbulkan pencemaran udara yang sangat parah, terutama karena pembuangan logam berat timbal (Pb) yang dapat merusak sistem peredaran darah. Untuk menanggulanginya saat ini telah dikembangkan penggunaan MTBE (metil tersier butil eter), metanol, dan etanol.
E.
Bahaya Pembakaran Bahan Bakar Penggunaan bensin sebagai bahan bakar menimbulkan dampak berupa pencemaran udara. Hal
ini disebabkan oleh pembakaran tidak sempurna yang akan membentuk gas CO (karbon monoksida). Gas CO yang dibebaskan dari pembakaran jika terhirup dapat menimbulkan lelah dan pusing, bahkan pingsan. Hal ini berkaitan dengan reaktivitas sel dara merah terhadap gas CO. Dalam sel darah manusia terdapat haemoglobin yang bertugas mengangkut O2 ke seluruh jaringan tubuh. Apabila gas CO di udara terhirup oleh sistem pernapasan, maka HAEMOGLOBIN LEBIH MUDAH BEREAKSI DENGAN GAS CO dibandingkan gas O2 yang seharusnya kita hirup. Akibatnya, jaringan tubuh akan kekurangan oksigen. Inilah yang menyebabkan pusing, lelah, dan bahkan pingsan. 14
Termokimia Setelah mempelajari minyak bumi, kita jadi tahu bahwa minyak bumi ternyata dapat dijadikan bahan bakar yang digunakan sebagai sumber energi. Tanpa bensin, motor kalian tidak dapat berjalan bukan? Pembakaran bensin memberikan energi pada mesin motor kalian, sehingga motor tersebut dapat berjalan mengantarkan kalian ke sekolah. Nah, energi ternyata dipelajari pula dalam kimia, yang termasuk TERMOKIMIA. Energi merupakan sumber esensial bagi kehidupan manusia serta makhluk hidup lainnya. Makanan yang kita makan merupakan sumber energi yang memberikan kekuatan kepada kita untuk dapat bekerja, belajar, dan beraktivitas lainnya. Setiap materi mengandung energi dalam bentuk energi potensial dan energi kinetik. Kedua energi ini dinamakan energi internal. Jika energi yang terkandung dalam materi berubah maka perubahan energi dinamakan kalor. Perubahan energi (kalor) pada tekanan tetap dinamakan perubahan entalpi atau disimbolkan sebagai ΔH (Sunarya, 2009). Dalam termokimia kalian akan mempelajariberbagai perubahan energi kalor yang menyertai suatu reaksi kimia. Sebelum kita mendalami lebih jauh lagi, kalian perlu mengetahui terlebih dahulu beberapa istilah yang sering dijumpai dalam termokimia. Mari simak penjelasan berikut.
A.
Sistem dan Lingkungan Dalam istilah termokimia dikenal SISTEM yang didefinisikan sebagai bagian dari semesta yang
merupakan fokus kajian. Sedangkan LINGKUNGAN merupakan segala sesuatu di luar sistem yang bukan kajian. Misalkan dalam suatu percobaan kalian ingin mengetahui KELARUTAN GULA DALAM AIR. Dengan demikian yang kalian lakukan adalah memasukkan padatan gula ke dalam air mendidih. Dalam hal ini yang disebut sebagai SISTEM adalah PADATAN GULA, sedangkan air mendidih dan SEGALA SESUATU YANG BUKAN PADATAN GULA merupakan LINGKUNGAN.
B.
Eksoterm dan Endoterm Istilah lain yang sering kita jumpai pada termokimia adalah reaksi eksoterm dan endoterm.
Kedua istilah ini berkaitan dengan peristiwa keluar masuknya kalor dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya. Perhatikan diagram berikut:
15
Sumber: Suryana, 2009
Gambar 5. Diagram proses eksoterm dan endoterm antara sistem dan lingkungan Jika dalam reaksi kimia terjadi perpindahan kalor atau panas dari sistem ke lingkungan maka suhu lingkungan akan meningkat, inilah yang disebut sebagai reaksi eksoterm (mengeluarkan panas). Sebaliknya, jika perpindahan kalor terjadi dari lingkungan ke sistem, maka suhu sistem yang akan meningkat, ini yang disebut sebagai reaksi endoterm (menyerap panas). Reaksi eksoterm dan endoterm sering kita jumpai di kehidupan sehari-hari. Contoh proses eksoterm adalah agar-agar memadat, air menjadi es, lelehan besi memadat menjadi besi. Sedangkan contoh proses endoterm adalah AWAN MENJADI HUJAN, untuk menjadi tetesan hujan AWAN HARUS MENYERAP SEJUMLAH BESAR ENERGI MATAHARI.
C.
Penentuan Nilai ΔH Reaksi dengan Percobaan Rumus Umum Penentuan Kalor Kalian pasti pernah memasak air, bukan? Bagaimana menentukan kalor yang diperlukan untuk mendidihkan air sebanyak 2 liter? Nah, untuk mengetahui jumlah kalor yang dibutuhkan itu kita perlu mengukur suhu air sebelum dan sesudah pemanasan. Dari selisih suhu, kita bisa menghitung kalor yang diserap oleh air. Perhitungan ini didasari pada persamaan:
Q = m c ΔT Keterangan: Q m c ΔT
= = = =
kalor yang dibutuhkan suatu sistem (J) massa zat (gram) kalor jenis zat (J/g°C) perubahan suhu (°C)
16
Contoh: logam besi dipanaskan dari 30°C hingga 150°C. Jika berat besi 2 kg dan kalor jenis besi 0,5 J/g°C, tentukan kalor yang diperlukan! Diketahui: Tawal Takhir mbesi cbesi Q
= = = = =
30°C 150°C 2 kg = 2000 gram 0,5 J/g°C ?
ΔT = (150 ‒ 30)°C = 120°C
Jawab: Q = m c ΔT = (2000 g) (0,5 J/g°C) (120°C) = 120 000 J = 120 kJ Jadi, kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan logam besi tersebut adalah 120 kJ.
Kalorimetri Kalor dapat diukur menggunakan suatu alat bernama kalorimeter, pengukuran kalor menggunakan kalorimeter dinamakan kalorimetri. Untuk mengukur kalor reaksi dalam kalorimeter, perlu diketahui terlebih dahulu kalor yang dipertukarkan dengan kalorimeter sebab pada saat terjadi reaksi, sejumlah kalor dipertukarkan antara sistem reaksi dan lingkungan. Besarnya kalor yang diserap atau dilepaskan oleh kalorimeter dihitung dengan persamaan:
Qkalorimeter = Ck ΔT dengan Ck adalah kapasitas kalor kalorimeter. Prinsip utama dalam perhitungan entalpi menggunakan azas Black, yang berbunyi: jumlah kalor yang diserap suatu sistem akan sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh lingkungan.
Qlepas = Qterima Kalorimeter bekerja pada sistem terisolasi, dimana perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan maupun sebaliknya tidak memungkinkan. Namun, tidak ada sesuatu yang sempurna, adakalanya kalorimeter sebagai lingkungan malah menyerap kalor yang dikeluarkan oleh sistem. Dengan demikian, azas Black tidak lagi tepat, sehingga muncullah persamaan sebagai berikut:
Qsistem = Qlingkungan+ Qkalorimeter 17
Contoh: Pada kalorimeter, 5 gram logam Na dimasukkan ke dalam 95 gram air. Tercatat cuhu naik dari 300 K menjadi 350 K. Jika kalor jenis larutan 4 J/g K dan kapasitas kalor kalorimeter 0 J/K, tentukan nilai ΔH reaksi! Diketahui: mlogam Na mair Tawal Takhir clarutan Ck ΔHreaksi Jawab: ΔHreaksi =
= = = = = = =
5 gram 95 gram 300 K 350 K 4 J/g K 0 J/K ?
mtotal = (5+95) gram = 100 gram ΔT = (350‒300) K = 50 K
Qreaksi
Qreaksi
= Qlarutan + Qkalorimeter = (m c ΔT) + (Ck ΔT) = (100 g × 4 J/g K × 50 K) + (0 J/K × ΔTkalorimeter) = 20 000 J + 0 = 20 000 J = 20 kJ Jadi, perubahan entalpi reaksi pelarutan logam Na (ΔHreaksi) adalah 20 kJ.
D.
Penentuan Nilai ΔH Reaksi Menggunakan Data Sekunder Perhitungan ΔH reaksi melalui percobaan yang telah kita bahas sebelumnya tidak dapat
ditentukan persamaan reaksi yang terjadi antara zatnya. Bagaimana menentukan ΔH reaksi dari persamaan kimia yang diketahui? Nah, ternyata selain melalui percobaan, ΔH reaksi dapat ditentukan berdasarkan data entalpi yang telah ada. Data inilah yang disebut sebagai data sekunder. Data entalpi tersebut telah disepakati oleh para ahli kimia, sehingga kita tinggal menggunakannya saja. Dengan demikian, dari persamaan reaksi yang diketahui kita dapat menghitung berapa kalor reaksi atau ΔH reaksi yang dibutuhkan oleh suatu reaksi kimia. Ada tiga metode pengukuran ΔH menggunakan data sekunder, yakni: 1. MENGGUNAKAN DATA PEMBENTUKAN STANDAR 2. HUKUM HESS 3. DAN MENGGUNAKAN DATA ENERGI IKATAN Untuk lebih jelasnya mari kita bahas satu per satu. 1. Perhitungan ΔH Reaksi Berdasarkan Data ΔH Pembentukan Standar Harga perubahan entalpi ditentukan oleh keadaan awal dan keadaan akhir sutau reaksi. Zat-zat pereaksi dianggap mengalami reaksi penguraian dan zat-zat hasil reaksi dianggap mengalami reaksi pembentukan. Jadi, entalpi penguraian suatu zat sama dengan entalpi 18
pembentukannya, namun tandanya berlawanan. Untuk lebih jelasnya mari kita tentukan kalor pembentukan senyawa CS2, dimana diketahui nilai ΔH reaksi pembentukan sebagai berikut:
1
(1)
CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO2
ΔH = –1110 kJ
(2)
CO2 → C + O2
ΔH = +394 kJ
(3)
SO2 → S + O2
ΔH = +297 kJ
Langkah PERTAMA yang harus kita lakukan adalah melihat tujuan kita terlebih dahulu. Pada akhir reaksi kita meinginkan TERBENTUKNYA CS2, dari data diatas dapat dilihat bahwa yang terdapat CS2 hanya pada persamaan reaksi nomor (1). Tapi, nilai ΔH reaksi yang disediakan adalah untuk penguraian CS2. Untuk itu, persamaan tersebut perlu kita balik, sehingga nilai ΔH reaksinya pun ikut dibalik, menjadi:
2
CO2 + 2SO2 → CS2 + 3O2
ΔH = +1110 kJ
Pada reaksi tersebut selain terbentuk CS2 terbentuk pula zat lain, yakni O2 yang tidak kita inginkan. Sehingga langkah KEDUA yang harus kita lakukan adalah MENGELIMINASI ZAT LAIN SELAIN YANG KITA INGINKAN. Pada persamaan itu, zat-zat yang tidak kita inginkan antara lain CO2, 2SO2, dan O2. Bagaimana cara mengeliminasinya? Coba kita lihat satu persatu. Untuk mengeliminasi CO2 yang berada pada ruas kiri, tinggal kita tambahkan persamaan reaksi lain yang memiliki CO2, dan disimpan di ruas sebaliknya yakni ruas kanan. Pada data yang telah disediakan CO2 ada pada persamaan ke (2). Agar berada pada ruas kanan, persamaan itu kita balik menjadi: C + O2 → CO2
ΔH = –394 kJ
INGAT!!! Tandanya pun harus di balik
Sedangkan untuk mengeliminasi 2SO2, kita gunakan persamaan ke (3). SO2 harus dipindah ruas, dan nilainya dikali 2. Persamaan reaksinya akan menjadi seperti ini:
3
2S + 2O2 → 2SO2
ΔH = –594 kJ
Selanjutnya tinggal kita urutkan ketiga persamaan baru yang telah kita miliki, menjadi: CO2 + 2SO2 C + O2 2S + 2O2 C + 2S
→ CS2 + 3O2
ΔH = +1110 kJ
→ CO2
ΔH = –394 kJ
→ 2SO2
ΔH = –594 kJ
→ CS2
ΔH = +122 kJ
+
Jadi, kalor yang dibutuhkan dalam pembentukan senyawa CS2 adalah +122 kJ. 19
2. Perhitungan ΔH Reaksi Menggunakan Hukum Hess Hukum Hess dikemukakan oleh seorang ahli kimia berkebangsaan Swiss Germain Henry Hess (1802–1850). Hukum ini sangat berguna karena kenyataannya, tidak semua reaksi dapat ditentukan kelor reaksinya secara eksperimen. Menurut Hess: ―perubahan entalpi suatu reaksi tetap sama, baik berlangsung dalam satu tahap maupun beberapa tahap‖ Contoh 1: perhatikan diagram berikut
ΔH?
Setiap nilai ΔH yang ada pada diagram tersebut menunjukkan bahwa reaksi yang terjadi sesuai dengan arah anak panah memiliki nilai ΔH tertentu. Misalnya, untuk mengubah 2A+B menjadi A2B, kalor yang dibutuhkan adalah sebanyak ΔH1. Hal ini merupakan reaksi yang berjalan satu tahap. Sesuai perkataan Hess, reaksi ternyata bisa berjalan beberapa tahap, dengan demikian kita dapat mencari nilai ΔH untuk reaksi yang lain. Dalam diagram di atas, coba tentukan perubahan entalpi reaksi A2B → CD2. Yang harus kita lakukan adalah memilih jalan memutar. Apabila jalan yang kita tempuh berlawanan dengan arah anak panah, berarti nilai ΔH harus dibalik. Reaksi keseluruhan akan menjadi seperti berikut: A2B
→ 2A + B
–ΔH1
2A + B
→ C + 2D
ΔH2
C + 2D
→ CD2
ΔH3
A2B
→ CD2
Contoh 2: perhatikan diagram berikut
20
+ ΔH = –ΔH1 + ΔH2 +ΔH3
Tentukan nilai ΔH3! Jawab: ΔH3 berarti menentukan perubahan entalpi reaksi berikut: N2(g) + 2O2(g) → 2NO(g) + O2(g) Sehingga, N2(g) + 2O2(g) → NO2(g)
ΔH1 = +66,4 kJ
NO2(g) → 2NO(g) + O2(g)
ΔH2 = +114,1 kJ
N2(g) + 2O2(g) → 2NO(g) + O2(g)
ΔH3 = +180,5 kJ
+
3. Perhitungan ΔH Reaksi Menggunakan Data Energi Ikatan Kalian sudah tahu apa yang dimaksud dengan ikatan? Kekuatan ikatan antara atom-atom dalam molekul dapat diketahui dari energinya. Semakin besar energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan, semakin kuat ikatan tersebut. Energi ikatan didefinisikan sebagai jumlah energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan 1 mol suatu molekul dalam wujud gas. Dalam reaksi kimia terjadi pemutusan ikatan (pada pereaksi) dan pembentukan kembali ikatan (pada hasil reaksi). Untuk memutuskan ikatan diperlukan energi. Sebaliknya, untuk membentuk ikatan dilepaskan energi. Selisih energi pemutusan dan pembentukan ikatan menyatakan perubahan entalpi reaksi tersebut, yang dirumuskan sebagai berikut:
ΔHreaksi = ΣE.pemutusan ikatan – ΣE.pembentukan ikatan dengan Σ menyatakan jumlah ikatan yang terlibat dan E merupakan energi ikatan rata-rata per mol ikatan. Contoh: Diketahui entalpi pembakaran sempurna 1 mol CH4 = ‒18 kkal, energi ikatan: O=O
: 119 kkal mol–1
C=O
: 173 kkal mol–1
O—H
: 110 kkal mol–1
Tentukan energi ikatan C—H!
Jawab: Reaksi pembakaran sempurna CH4: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
ΔH = ‒18 kkal/mol
Apabila digambarkan struktur molekulnya, maka akan menjadi seperti ini: 21
H │ H—C—H │ H
+ 2 O=O
O=C=O
+
2 H—O—H
Ruas Kiri (pemutusan ikatan):
Ruas Kanan (pembentukan ikatan):
4 ikatan C—H: ΔH = 4 × (C—H)
2 ikatan C=O : ΔH = 2 × 173 kkal/mol
2 ikatan O=O :
ΔH = 2 × 119 kkal/mol
4 ikatan O—H: ΔH = 4 × 110 kkal/mol
ΣE = (4×C–H) + (2×119) = 4(C–H) + 238 kkal/mol
ΣE = (2 × 173) + (4 × 110) = +786 kkal/mol
Masukkan ke dalam rumus: ΔHreaksi = ΣE.pemutusan ikatan – ΣE.pembentukan ikatan ‒18 kkal/mol = (4(C—H) + 238 kkal/mol) – (+786 kkal/mol) ‒18 kkal/mol = 4(C—H) + 238 kkal/mol – 786 kkal/mol ‒18 kkal/mol = 4(C—H) ‒ 548 kkal/mol ‒4(C—H) = ‒548 kkal/mol +18 kkal/mol ‒4(C—H) = ‒530 kkal/mol (C—H) =
= 132,5 kkal/mol
Jadi, energi ikatan C—H pada pembakaran sempurna CH4 adalah 132,5 kkal/mol.
Selesai sudah pembahasan materi sebagai bekal UTS kalian INGAT!!! DIBACA dan DIPAHAMI ok! Niscaya ujian kalian akan SUKSES!
22
