KIMIA DASAR PAPER
Disusun oleh: Kelompok 1 A
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Randi Hidayat (Ketua) Ismi Pungky Permata Sari Rifky Wijaya Rizqy Abdurrohman Halim Leksono Firmansyah Ginanjar Saputra Vido Wisnu Ramadhan Jessica Natalia Insan Prima Budi Dea Anggraheni Pusparasmi
333 4 13 2475 333 4 13 0181 333 4 13 0273 333 4 13 0433 333 4 13 0621 333 4 13 0779 333 4 13 1027 333 4 13 1427 333 4 13 1659 333 4 13 2493
Jurusan Teknik Metalurgi Fakultas Teknik Universitas Sultan Ageng Tirtayasa 2013
2
Variabel gas (volume, tekanan, suhu, dan mol) mempunyai hubungan satu sama lain. Hubungan itu disebut hukum gas yang dapat dinyatakan dalam persamaan. Dengan mengetahui hukum gas, kita dapat mencari nilai satu variabel dari variabel lain, atau mencari pengaruh perubahan satu variabel terhadap yang lain. Hukum itu hanya berlaku bila gas bersifat ideal, yaitu bila tekanan sekitar 1 atm atau lebih rendah.
1.
Hukum Boyle
Pada tahun 1662, Robert Boyle mempelajari pengaruh perubahan volume terhadap tekanan gas, jika suhu diusahakan tetap (proses isotermal) dengan percobaan seperti pada Gambar 1.1. Ia memakai tabung berbentuk U dengan satu kaki pendek (tertutup) dan yang lain panjang (terbuka). Melalui kaki panjang dimasukkan raksa sehingga ada udara (gas) terkurung pada kaki pendek (Gambar 1.1a). Tekanan gas tersebut sama dengan tekanan udara luar ditambah perbedaan tinggi raksa (h). Volume gas adalah tinggi gas dikalikan luas penampang tabung.
Gambar 1.1 Percobaan Boyle.
Tekanan gas yang terkurung sama dengan raksa setinggi h. Dengan menambah raksa, berkuranglah volume gas.
Kemudian ditambah lagi raksa sehingga dapat diketahui tekanan gas dalam berbagai volume, seperti pada Gambar 1.1b dan 1.1c. Akhirnya Boyle menemukan suatu hubungan yang disebut hukum Boyle: Boyle:
3
“Pada suhu tetap, volume yang dapat ditempati suatu gas berbanding terbalik dengan tekanan gas tersebut.” Secara matematis, hukum itu dapat dinyatakan:
[1-1]
atau
(k = konstanta Boyle)
[1-2]
atau
[1-3]
[1-4]
atau
Hubungan tekanan dan volume gas ideal untuk suhu yang berbeda dapat dilukiskan seperti Gambar 1.2a (hiperbolik). Jika dibuat hubungan P dengan
didapat grafik seperti Gambar 1.2b.
Gambar 1.2 Hukum Boyle
(a) Plot hasil percobaan, tekanan vs. volume (b) Plot hasil percobaan; volume vs. 1/tekanan. Catat bahwa kemiringan tetap.
2.
Hukum Charles
Pada tahun 1787, Alexander Charles mempelajari pengaruh perubahan suhu terhadap volume gas pada tekanan tetap, dengan menggunakan alat yaitu termometer gas. Sebuah tabung berskala dan sebuah labu dihubungkan bagian bawahnya dengan selang plastik (karet). Lalu diisi dengan cairan sehingga ada udara (gas) terkurung dalam tabung. Tekanan gas dalam tabung dapat diatur agar
4
sama dengan tekanan udara luar, dengan mengubah posisi labu ke atas atau ke bawah. Suhu udara dalam tabung dapat diukur dengan mengalirkan cairan ke dalam silinder. Volume gas dapat dibaca pada skala tabung gas.
Gambar 2.1 Termometer gas
(a) tabung berisi 120 ml gas kering pada suhu 54,6 C bertekanan 1 atm, dan °
(b) gas dalam tabung didinginkan sampai volume 60 ml dengan tekanan 1 atm
Percobaan dimulai dengan mengalirkan cairan bersuhu tertentu ke dalam silinder untuk mendapatkan volume gas pada suhu tersebut. Kemudian dialirkan cairan yang lebih dingin sehingga volume gas lebih kecil dan dapat dilihat pada skala. Dengan cara yang sama akan dapat diukur volume gas dalam berbagai suhu pada tekanan yang tetap. Hasilnya menunjukkan bahwa pada tekanan tetap, suhu dan volume setiap gas selalu membentuk grafik yang lurus (Gambar 2.2).
5
Gambar 2.2 Plot volume beberapa gas vs. temperatur.
Garis tebal adalah data percobaan dan garis putus-putus adalah hasil ekstrapolasi percobaan. Jumlah gasnya bervariasi.
Hal yang menarik pada Gambar 2.2 adalah arah garis tersebut. Jika garis masing-masing gas disambung akan bertemu pada satu titik, yaitu pada suhu 273,15 C (dibulatkan 273,2 C). Jadi, secara teoretis, volume gas akan nol bila °
°
suhu diturunkan sampai 273,15 C. Ini berarti suhu terendah yang dapat dicapai °
adalah 273,15 C yang disebut suhu nol mutlak (absolut). Skala suhu mutlak °
disebut derajat Kelvin dan hubungan dengan skala Celsius adalah:
() ()
[2-1]
Berdasarkan fakta di atas, akhirnya lahirlah hukum Charles: Charles: “ Pada tekanan tetap, volume gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya.” mutlaknya.”
[2-2]
[2-3]
[2-4]
atau
atau
3.
Persamaan van der Waals
Gas ideal diasumsikan tidak mempunyai interaksi antarmolekul, sedangkan gas nyata mempunyai, sehingga gerakan-gerakan molekul kedua jenis gas ini berbeda. Ada dua faktor yang harus dipenuhi agar gas bersif at ideal, yaitu tekanan dan suhu. Gas akan mendekati ideal bila tekanan rendah, karena jarak antara molekul relatif jauh, atau kerapatannya kecil. Biasanya pada tekanan 1 atm atau lebih kecil dapat mendekati sifat ideal. Gas disebut ideal bila penurunan suhu sebanding dengan pengecilan volume, sampai suhu nol mutlak (0 K) sesuai dengan hukum Charles. Gas nyata bila didinginkan akan memperbesar interaksi antara molekul sehingga, dan
6
akibatnya mengembun. Pendinginan seterusnya akan menyebabkan pembekuan. Waktu mengembun dan membeku, terjadi penurunan volume secara drastis. Dari keterangan tersebut, gas tidak bersifat ideal pada tekanan t ekanan tinggi dan suhu rendah. Untuk mengetahui suatu gas bersifat ideal atau tidak, kita bertolak dari persamaan gas ideal, PV = nRT. Jika J ika gas ideal,
⁄ dan bila tidak maka
⁄ . Perbandingan itu disebut faktor disebut faktor kompresibilitas ( kompresibilitas ( z z ). ).
[3-1]
Perbedaan sifat gas nyata dengan ideal mengakibatkan persamaan gas nyata tidak seperti gas ideal. Beberapa ahli telah mencoba mencari persamaan gas nyata, tetapi yang cukup terkenal adalah persamaan van der Waals. Perbedaan gas nyata dan gas ideal terdapat dalam volume dan tekanannya. Menurut postulat 6 (dapat dilihat pada pembahasan ke-7, hlm. 16), ruang yang ditempati oleh molekul gas ideal diabaikan sehingga volume ruang kosong antara molekul-molekul itu sama dengan volume ruang. Akan tetapi volume molekul gas nyata tidak dapat diabaikan dan mengambil tempat. Besarnya tempat itu, menurut van der Waals, adalah konstan, tidak terpengaruh oleh suhu dan tekanan. Bila dalam ruang terdapat n mol gas nyata, maka volume yang ditempati molekulnya adalah sebesar nb, dengan b sebagai konstanta gas vander Waals.
Tabel 3.1 Nilai tetapan gas (konstanta van der Waals) yang umum kita jumpai sehari -hari.
4.
Tekanan Uap
Besarnya tekanan uap cairan bergantung pada gaya tarik antarpartikelnya. Jika gaya itu kuat mengakibatkan partikel sulit menguap dan tekanan uapnya akan
7
kecil, seperti air sukar menguap karena terdapat ikatan hidrogen. Sebaliknya, dietil eter mudah menguap karena tidak terjadi ikatan hidrogen.
Gambar 4.1 Pengukuran tekanan uap cairan dengan memasukkannya ke dalam ruang di atas raksa
dalam tabung barometer: (a) udara vakum, (b) berisi uap H 2O, (c) berisi uap C 2H5OH, dan (d) berisi uap (C2H5)2O
Tekanan uap cairan dapat bertambah bila bila diberi kalor, yang ditandai dengan kenaikan suhu. Hal ini disebabkan oleh energi kinetik partikel cairan yang bertambah besar sehingga memperbanyak jumlah partikel yang menguap. Pengaruh kenaikan suhu pada tekanan parsial uap ketiga cairan di atas dapat dilihat pada Gambar 4.2 Dengan menaikkan suhu, pada suatu cairan akan terjadi dua hal. Pertama, kerapatan uap cairan dalam ruang makin besar, dan kedua, kerapatan cairan akan makin kecil karena memuai. Jika suhu dinaikkan terus akan dicapai keadaan saat kerapatan cairan sama dengan uapnya. Pada saat itu disebut keadaan kritis, yang
) dan ( ) tekanan kritis. Setiap cairan mempunyai
terjadi pada suhu kritis ( nilai
dan tertentu (Tabel 4.1). Karena itu, garis kurva pada Gambar 4.2 tidak
dapat diteruskan sampai tak hingga, tetapi hanya sebatas titi k kritisnya. Tabel 4.1 Temperatur dan tekanan kritis beberapa gas yang umum dijumpai
8
Gambar 4.2 Kurva tekanan uap beberapa cairan dengan suhu.
Cairan yang dipanaskan perlahan akan menimbulkan gelembung gas karena terbentuknya uap dalam cairan. Gelembung ini akan naik ke permukaan dan pecah. Saat itu disebut disebut mendidih, yang terjadi bila tekanan uap cairan sama dengan tekanan atmosfer (Tabel 4.2). Suhu pada saat mendidih disebut titik didih. Dari tabel terlihat bahwa tekanan uap air sama dengan tekanan udara (1 atm) pada suhu 100 C, sedangkan CCl 4 pada suhu 75 C dan etanol 80 C. °
°
°
Tabel 4.2 Tekanan uap (atm) beberapa cairan dalam berbagai suhu.
0 10 20 30 40 50 60
H2O 0,00603 0,01212 0,02308 0,05186 0,07278 0,1217 0,1965
CCl4 0,043 0,074 0,120 0,188 0,284 0,417 0,593
Etanol 0,016 0,032 0,058 0,104 0,178 0,292 0,464
n-Oktane 0,004 0,008 0,013 0,024 0,041 0,064 0,103
9
70 80 90 100
0,3075 0,4672 0,6918 1,0000
0,818 1,109 1,476 1,925
0,713 1,070 1,562 -
0,155 0,230 0,333 0,1466
Jika tekanan total udara di atas permukaan cairan diubah maka titik didih cairan akan berubah pula. Makin kecil tekanan udara makin kecil pula titik didihnya. Dengan demikian, air dapat mendidih pada suhu di bawah 100 C bila °
tekanan udara lebih kecil dari 1 atm. Titik didih air lebih kecil di daerah pegunungan dibandingkan di permukaan laut, karena tekanan udara di pegunungan lebih rendah rendah dari 1 atm (Tabel 4.3)
Tabel 4.3 perubahan titik didih air menurut menurut ketinggian
Ketinggian, m Permukaan laut Gunung Mitchell (Amerika Serikat) Gunung Whitney (Amerika Tengah) Gunung Everest (Asia)
5.
0 2037
Tekanan udara rata-rata, mmHg 760 589
4418
451
86
8882
244
71
Titik didih air
100 93
Barometer & Manometer
Karena partikel gas selalu bergerak, maka terjadi tabrakan dengan dinding bejana (atas, bawah, kiri, kanan, depan, belakang) dengan kerapatan yang sama. Tabrakan itu dirasakan sebagai gaya terhadap dinding. Besarnya gaya per satuan luas disebut tekanan ( pressure, pressure, P).
[5-1]
Tekanan udara terbuka Udara di sekitar kita adalah suatu sistem gas. Bila kita letakkan suatu cairan dalam bejana terbuka, maka permukaan cairan itu akan menerima tekanan dari udara yang sama besarnya karena kerapatan udara relatif sama. Akan tetapi karena
10
volume cairan tidak dapat diperkecil, maka tidak terlihat pengaruh tekanan udara terhadap volume cairan tersebut. Pengaruh itu dapat terlihat dengan menggunakan tabung kaca berisi cairan, disebut barometer . Supaya tabung tidak terlalu panjang harus dipakai cairan yang besar kerapatannya, seperti raksa (kerapatannya = 13, 5951 kg/dm3 disebut barometer raksa. Diambil tabung sepanjang 100 cm dan diisi raksa sampai penuh dan kemudian dibalikkan ke dalam bejana yang berisi raksa (Gambar 5.1). Terlihat raksa dalam tabung turun sedikit sampai ketinggian tertentu, walaupun hal ini dilakukan berulang kali. Ruang yang berkurang di atas tabung akan vakum atau bertekanan nol. Yang menjadi pertanyaan, mengapa raksa tertahan dan mempunyai ketinggian tertentu? Jawabannya, karena tekanan udara terhadap permukaan raksa dalam bejana dapat menahan turunnya raksa dari tabung. Dengan kata lain, besarnya tekanan udara sama dengan tekanan raksa se tinggi tabung. Umumnya, di permukaan laut, tinggi raksa itu 760 mm (0,76 (0,76 m), yang disebut 1 atm.
Gambar 5.1 Alat pengukur tekanan udara (barometer).
Tekanan udara pada permukaan bejana menahan raksa setinggi h.
Dengan menghitung berat raksa per satuan luas dapat dicari besarnya tekanan 1 atm tersebut. Dimisalkan penampang tabung 1 cm 2, maka volumenya:
11
V = 76 cm x 1 cm 2 = 76 cm 3 = 0,076 dm 3 Dari kerapatan raksa didapat: massa raksa = 0,076 dm3 x 13,5951 kg/dm 3 = 1,03323 kg Satu atm adalah gaya gravitasi yang diderita oleh permukaan raksa seluas 1 cm 2, 1 atm = = =
(g = percepatan gravitasi)
Dalam satuan SI, tekanan dinyatakan dengan Pascal (Pa) atau kPa. 1 Pa
=
Dengan demikian: 1 atm = =
1,01325 10 Pa 5
= 101,325 kPa
Tekanan udara tertutup Tekanan udara tertutup dapat diukur dengan alat yang disebut manometer . Ada manometer terbuka dan ada yang tertutup. Manometer terbuka dipakai untuk mengukur tekanan udara yang kecil atau besar sedikit dari tekanan udara (1 atm), sedangkan yang tertutup untuk tekanan yang lebih kecil. Manometer terbuka terbuat dari pipa berbentuk U yang diisi raksa. Satu
ujung dihubungkan dengan gas yang akan diukur dan yang lain terbuka (Gambar 5.2). jika tekanan gas sama dengan udara luar, tinggi raksa pada kedua pipa sama (Gambar 5.2a). Jika tekanan gas lebih besar dari udara luar, raksa pada ujung terbuka lebih tinggi sebesar P Hg (Gambar 5.2b).
12
Gambar 5.2 Manometer terbuka:
(a) Tekanan gas sama dengan tekanan udara, (b) Tekanan gas lebih besar dari tekanan udara, (c) Tekanan gas lebih kecil dari tekanan udara.
Tekanan gas adalah: Pgas = Patm + PHg
[5-2]
Sebaliknya bila tekanan gas lebih kecil dari udara luar, maka raksa pada kaki terbuka turun dengan perbedaan sebesar P Hg (Gambar 5.2c). tekanan udara dapat dihitung dengan: Pgas = Patm – PHg
[5-3]
Pada manometer tertutup , satu ujung pipa U dihubungkan dengan gas dan ujung yang lain tertutup (Gambar 5.3). Jika dihubungkan dengan gas sampai raksa pada kaki tertutup terisi penuh (Gambar 5.3a) menunjukkan tekanan gas sama dengan udara luar. Bila raksa di kaki tertutup turun (Gambar 5.3b), menandakan tekanan gas lebih kecil dari udara luar. Tekanan gas dapat dihitung dari perbedaan tinggi raksa, karena tekanan pada ujung tertutup adalah nol (vakum). Pgas = Pudara – PHg
[5-4]
13
Gambar 5.3 Manometer tertutup:
(a) Tekanan gas sama dengan tekanan udara, dan (b) Tekanan gas lebih kecil dari tekanan udara.
6.
Efek Joule-Thomson (Ekspansi Joule-Thomson)
James Prescott Joule dan William Thomson (Lord Kelvin) melakukan eksperimen dengan peralatan seperti berikut: sebuah tabung dipisah menjadi dua bagian oleh pelat berpori ( porous plug ). ). Pelat tersebut dapat dilewati gas tetapi dengan laju yang lambat (istilah termodinamika: throttle). throttle). Pada kedua ujung tabung tersebut terdapat piston yang bisa masuk dengan tepat dan kuat ke dalam tabung. Setiap piston bisa bergerak mendekati dan menjauhi poros berpori tersebut. Tabung juga diinsulasi dengan baik sehingga tidak ada kalor yang bisa masuk dan keluar tabung tersebut (adiabatik).
Gambar 6.1 Skema percobaan Joule-Thomson
14
Gas dimasukkan di antara pelat berpori dan piston sebelah kiri tabung. Kita sebut sisi pertama. Pada bagian kanan tabung, piston berada tanpa ruang kosong di sebelah poros berpori. Sebut saja sisi kedua. Volume awal sisi pertama adalah V1. Tekanan awal dan temperaturnya masing-masing P 1 dan T 1. Sekarang, gas pada sisi pertama didorong piston ke arah poros berpori dan pada saat yang sama piston sisi kedua akan tertarik menjauhi poros berpori sehingga memiliki tekanan t ekanan P2 (tentu saja P2 lebih kecil daripada P 1). Pada akhir eksperimen, piston sisi pertama tepat berada di sebelah poros berpori dan kondisi (volume, tekanan, dan temperatur) akhir sisi kedua adalah V 2, P2, dan T2. Ada yang aneh dari hasil percobaan sederhana tersebut. Pengukuran yang akurat menunjukkan T 2 tidak sama dengan T 1. Kadang T 2 bisa lebih kecil dan lebih besar dari T 1. Analisis:
Proses diawali dengan volume V 1 = V1 dan V2 = 0
Dan diakhiri dengan V 1 = 0 dan V 2 = V2.
Kerja yang dilakukan pada sisi pertama:
– () . Kerja yang dihasilkan pada sisi kedua: – ( ) (Rumus kerja W = – PV. PV. Negatif berarti kerja dihasilkan sisitem, positif berarti kerja dilakukan pada sistem).
Menurut hukum termodinamika pertama, . Artinya perubahan
Berarti kerja total adalah
energi dalam sistem akan dipengaruhi oleh panas dan kerja total yang terjadi pada sistem. Karena eksperimen ini dilakukan pada kondisi adiabatik, maka Q = 0. Dengan demikian energi dalam ( ΔU) hanya bergantung pada W (kerja total sistem).
– – Karena (entalpi), maka . Proses ternyata berlangsung pada kondisi isentalpi.
15
7.
Teori Kinetik Molekular Gas
Hukum gas pada pembahasan 1 dan 2 hanya berlaku jika gas bersifat ideal. Hukum-hukum itu dijelaskan dengan teori tentang gas. Teori itu diturunkan dari fakta-fakta berikut: 1)
Gas akan mengisi semua ruang yangtertutup dan akan lewat mellalui lubang sekecil apapun.
2)
Zat berwujud gas bervolume jauh lebih besar dibandingkan berwujud padat atau cair.
3)
Tekanan gas sama dalam segala arah ruangan (atas-bawah, kiri-kanan, dan depan-belakang).
4)
Volume gas dapat diperkecil dengan memampatkannya.
5)
Gas dalam ruang tertutup mempunyai tekanan tertentu. Selama volume gas tetap dan tidak ada kalor uang masuk atau keluar maka tekanan akan tet ap.
6)
Tekanan gas pada volume tertentu akan bertambah bila suhu dinaikkan, dan berkurang bila suhu diturunkan. diturunkan.
7)
Gas bila dimampatkan dan didinginkan sampai suhu tertentu akan mengembun.
8)
Partikel gas yang bergerak mempunyai energi kinetik, buktinya kulit merasakan gerakan itu sebagai angin.
9)
Partikel gas yang lebih besar akan bergerak (berdifusi) lebih lambat dibandingkan yang lebih kecil.
Dari tingkah laku gas di atas dapat dirumuskan teori tentang gas, yang disebut teori kinetik (molekular) gas (ideal), (ideal), yang merupakan postulat untuk memodelkan partikel gas dalam ruang. Postulat itu adalah sebagai berikut: 1)
Gas terdiri dari partikel kecil disebut molekul. Molekul suatu gas yang sama akan mempunyai massa dan ukuran yang sama, tetapi berbeda dari gas molekul lain. Molekul itu bergerak menurut garis lurus.
2)
Molekul gas sering bertabrakan sesamanya dan dengan dinding wadah. Tabrakan molekul dengan dinding wadah menimbulkan gejala pada dinding yang disebut tekanan, yaitu gaya yang dialami dinding per satuan luas.
16
3)
Tekanan gas pada suhu tertentu tidak berubah, berarti tidak ada energi yang hilang selama tabrakan. Dengan kata lain, semua tabrakan molekul gas bersifat elastis (lenting) sempurna.
4)
Energi kinetik rata-rata molekul berbanding lurus dengan suhu mutlak.
5)
Pada tekanan yang lebih rendah, jarak rata-rata antarmolekul sangat besar, maka daya tarik menarik atau tolak menolak antar molekul diabaikan.
6)
Ruang yang ditempati molekul gas sangat kecil sehingga dapat diabaikan terhadap volume wadah.
Penjelasan hukum Boyle
Gambar 7.1 Hukum Boyle: (a) keadaan molekul gas pada tekanan dan volume tertentu, dan (b) keadaan bila volume diperkecil pada suhu tetap
Suatu ruang mempunyai sumbu x, y, dan z. Kecepatan gerak (v) satu molekul dapat diuraikan dalam ketiga sumbu itu.
[7-1]
Dalam perhitungan, yang diperlukan adalah kecepatan kuadrat rata-rata (u) semua partikel (sebanyak i).
[7-2]
17
Dengan menghitung secara teori, didapat hubungan:
[7-3]
Energi kinetik satu molekul =
, dan untuk N molekul: [7-4]
T ) ) (
Postulat 4 menyatakan Ek
[7-5]
Dari persamaan 7-3,7-4, dan 7-5 akan didapat:
[7-6]
Persamaaan 7-6 sama dengan Hukum Boyle, yang menyatakan bahwa pada suhu tetap, perkalian P dengan V adalah tetap, walaupun P dan V itu sendiri berubah. Hal ini dapat dijelaskan bahwa jika volume gas diperkecil maka molekul makin rapat. Akibatnya frekuensi tabrakan molekul dengan dinding bertambah, sehingga tekanan bertambah.
Penjelasan hukum Charles Charles Molekul gas selalu bergerak dalam tiga bentuk gerakan, yaitu translasi, rotasi, dan vibrasi.
Gambar 7.2 Tiga tipe gerakan molekul diatomik
Yang dihitung di sini hanya gerakan translasi. Persamaan 7-6 dapat diubah menjadi:
[7-7]
18
Pada tekanan tetap, nilai
atau
adalah tetap ( ), maka [7-8] [7-9]
Hal ini disesuaikan dengan Hukum Charles, bahwa nilai Vdibagi T selalu tetap walaupun masing-masing diubah. Gas bila dipanaskan akan menambah energi tumbukan partikel pada dinding, tetapi bila dinding wadah dapat mengembang (seperti pompa), maka volume akan bertambah sehingga se hingga tekanan gas sama dengan tekanan udara luar.
REFERENSI:
Syukri, S. 1999. Kimia Dasar 2. Bandung: Penerbit ITB. http://majarimagazine.com/2011/10/sulit-memahami-ekspansi-joule-thomson bagian-pertama/ http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia_dasar/gas1/gas-ideal-dan-gasnyata/ http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia_dasar/gas1/hukum-gas-ideal/ http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia_dasar/gas1/teori-kinetikmolekular-gas/
