SOAL PENGAYAAN
5.7 Hukum Dalton tentang Tekanan Parsial
Sejauh ini kita telah berkonsentrasi pada perilaku zat gas murni, namun studi eksperimental sangat sering melibatkan campuran gas. Misalnya, untuk studi polusi udara, kita mungkin tertarik hubungan tekanan-volume-temperatur dalam sampel udara, yang berisi beberapa gas. Dalam kasus ini, dan semua kasus yang melibatkan campuran gas, tekanan total gas berkaitan dengan tekanan parsial, yaitu, tekanan dari masing-masing komponen gas dalam campuran. Pada tahun 1801, Dalton merumuskan hukum, sekarang dikenal sebagai hukum Dalton tantang tekanan parsial, yang menyatakan
Natrium azida (NaN3) digunakan dalam beberapa kantong udara mobil. Dampak dari tabrakan memicu dekomposisi NaN3 sebagai berikut:
2NaN3(s) → 2Na(s) + 3N2(g)
Gas nitrogen diproduksi dengan cepat mengembangkan tas antara pengemudi dan kaca depan dan dashboard. Hitung volume N2 yang dihasilkan pada 85°C dan 812 mmHg oleh dekomposisi 50,0 g NaN3.
Strategi Dari persamaan setara kita lihat bahwa 2 mol NaN3 ∞ 3 mol N2 sehingga faktor konversi antara NaN3 dan N2 adalah
3 mol N2
2 mol NaN3
Karena massa NaN3 diberikan, kita dapat menghitung jumlah mol NaN3 dan selanjutnya jumlah mol N2
yang dihasilkan. Akhirnya, kita dapat menghitung volume N2 menggunakan persamaan gas ideal.
Solusi Urutan konversinya adalah sebagai berikut:
gram NaN3 → mol NaN3 → mol N2 → volume N2
Pertama, kita hitung jumlah mol N2 yang dihasilkan oleh 50,0 g NaN3:
mol N2= 50,0 g NaN3 × 1 mol NaN3 65,02 g NaN3
× 3 mol N2 2 mol NaN3
= 𝟑𝟏, 𝟔 𝐋
Latihan Persamaan atas kerusakan metabolisme glukosa (C6H12O6) adalah sama dengan persamaan untuk pembakaran glukosa di udara:
C6H12O6 (s) + 6O2 (g) → 6CO2 (g) + 6H2O (l)
Hitung volume CO2 yang dihasilkan pada temperatur 37°C dan 1,00 atm saat 5,60 g glukosa digunakan dalam reaksi.
CONTOH 5.6
REVIEW KONSEP
Mengasumsikan perilaku gas ideal, manakah dari sampel gas berikut yang akan memiliki volume terbesar pada STP? Manakah dari gas ini yang akan memiliki kerapatan terbesar pada STP? (a) 0,82 mol He, (b) 24 g N2, (c) 5,0 × 1023 molekul Cl2
tekanan total campuran gas adalah jumlah dari tekanan masing-masing gas itu sendiri. Gambar 5.13 mengilustrasikan hukum Dalton.
Gambar 5.13 Skema ilustrasi hukum Dalton tentang tekanan parsial.
Perhatikan kasus di mana dua gas, A dan B, berada dalam sebuah wadah dengan volume V. Tekanan yang diberikan oleh gas A, sesuai dengan persamaan gas ideal, yaitu
𝑃𝐴 = 𝑛𝐴𝑅𝑇 𝑉
dimana nA adalah jumlah mol A. Demikian pula, tekanan yang diberikan oleh gas B adalah
𝑃𝐵= 𝑛𝐵𝑅𝑇 𝑉
Dalam campuran gas A dan B, tekanan total PT adalah hasil dari tumbukan kedua jenis molekul, A dan B, dengan dinding-dinding wadah. Dengan demikian, menurut hukum Dalton, PT = PA+ PB = 𝑛𝐴𝑅𝑇 𝑉 + 𝑛𝐵𝑅𝑇 𝑉 = 𝑅𝑇 𝑉 (𝑛𝐴+ 𝑛𝐵)
dimana n, jumlah total mol gas yang ada, ditentukan dengan n = nA + nB, dan PA dan PB masing-masing adalah tekanan parsial gas A dan B. Untuk campuran gas, selanjutnya, PT hanya bergantung pada jumlah mol gas yang ada, bukan pada sifat molekul gas.
Secara umum, tekanan total campuran gas diberikan dengan PT = P1 + P2 + P3 + ...
Volume dan temperatur konstan
Kombinasi gas
P1 P2 PT = P1 + P2
(5.13)
(5.14) di mana P1, P2, P3,. . . adalah tekanan parsial dari komponen 1, 2, 3,. . . . Untuk melihat berapa setiap tekanan parsial berkaitan dengan tekanan total, perhatikan lagi kasus campuran dari dua gas A dan B. Pembagian PA oleh PT, kita memperoleh
𝑃𝐴 𝑃𝑇 = 𝑛𝐴𝑅𝑇 𝑉 (𝑛𝐴+ 𝑛𝐵)𝑅𝑇 𝑉 = 𝑛𝐴 𝑛𝐴+ 𝑛𝐵 = 𝑋𝐴
di mana XA disebut fraksi mol A. Fraksi mol adalah kuantitas yang tidak berdimensi yang mengungkapkan perbandingan jumlah mol salah satu komponen dengan jumlah mol semua komponen yang ada. Secara umum, fraksi mol komponen i dalam campuran diberikan dengan
𝑋𝑖 = 𝑛𝑖 𝑛𝑇
dimana ni dan nT adalah jumlah mol komponen i dan jumlah mol total. Fraksi mol selalu lebih kecil dari 1. Sekarang dapat dinyatakan tekanan parsial A sebagai
PA = XAPT Demikian pula,
PB = XBPT
Perhatikan bahwa jumlah fraksi mol untuk campuran gas harus sama dengan satu. Jika hanya ada dua komponen, maka
XA+ XB= nA nA+ nB+
nB
nA+ nB= 1
Jika sistem berisi lebih dari dua gas, maka tekanan parsial dari komponen i dihubungkan dengan tekanan total
Pi = XiPT
Bagaimana tekanan parsial ditentukan? Sebuah manometer hanya dapat mengukur tekanan total campuran gas. Untuk mendapatkan tekanan parsial, kita perlu mengetahui fraksi mol komponen, yang akan melibatkan analisis kimia rumit. Kebanyakan metode yang langsung mengukur tekanan parsial menggunakan spektrometer massa. Intensitas relatif dari puncak dalam spektrum massa berbanding lurus dengan jumlah, dan dalam hal ini adalah fraksi mol dari gas-gas yang ada.
Hukum Dalton tentang tekanan parsial berguna untuk menghitung volume kumpulan gas di atas permukaan air. Misalnya, ketika potasium klorat (KClO3) dipanaskan, maka terdekomposisi menjadi KCl dan O2:
2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)
Gas oksigen dapat dikumpulkan di atas permukaan air, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.14. Awalnya, botol benar-benar terbalik penuh dengan air. Setelah gas oksigen dihasilkan, gelembung-gelembung gas naik ke atas dan menggantikan air dalam botol. Metode pengumpulan gas didasarkan pada asumsi bahwa gas tidak bereaksi dengan air dan tidak lumayan larut di dalamnya. Asumsi ini berlaku untuk gas oksigen, tetapi tidak untuk gas seperti NH3, yang mudah larut dalam air. Gas oksigen yang dikumpulkan dengan cara ini tidak murni, karena uap air juga ada dalam botol.
Campuran gas mengandung 3,85 mol neon (Ne), 0,92 mol argon (Ar), dan 2,59 mol xenon (Xe). Hitung tekanan parsial gas jika tekanan totalnya adalah 2,50 atm pada temperatur tertentu.
Strategi Apa hubungan antara tekanan parsial gas dan tekanan total gas? Bagaimana kita menghitung fraksi mol gas?
Solusi Menurut Persamaan (5.14), tekanan parsial Ne (PNe) sama dengan produk fraksi molnya (XNe) dan tekanan total (PT)
PNe = XNePT
Menggunakan persamaan (5.13), kita hitung fraksi mol Ne sebagai berikut:
𝑋𝑁𝑒= 𝑛𝑁𝑒 𝑛𝑁𝑒+ 𝑛𝐴𝑟+ 𝑛𝑋𝑒
= 3,85 mol
3,85 mol + 0,92 mol + 2,59 mol = 0,523
Sehingga,
PNe = XNePT
= 0,523 × 2,50 atm
= 1,31 atm
Demikian pula, kita dapat menghitung fraksi mol argon dan tekanan parsialnya:
PAr = XArPT
= 0,125 × 2,50 atm
= 0,313 atm
Akhirnya, kita menghitung fraksi mol xenon dan tekanan parsialnya:
PNe = XNePT
= 0,352 × 2,50 atm
= 0,880 atm
Cek Tekanan parsial masing-masing gas harus kurang dari tekanan total dan pastikan bahwa jumlah dari tekanan parsial sama dengan tekanan total, yaitu (1,31 + 0,313 + 0,880) atm = 2,50 atm.
Latihan Suatu sampel gas alam mengandung 8,24 mol metana (CH4), 0,421 mol etana (C2H6), dan 0.116 mol propana (C3H8). Jika tekanan total gas adalah 1,37 atm, berapa tekanan parsial gas?
Tekanan total gas adalah sama dengan jumlah dari tekanan yang diberikan oleh gas oksigen dan uap air:
𝑃𝑇 = 𝑃𝑂2 + 𝑃𝐻2𝑂
Gambar 5.14 Suatu peralatan untuk mengumpulkan gas di atas permukaan air. Oksigen yang dihasilkan
oleh pemanasan potasium klorat (KClO3) dengan adanya sejumlah kecil mangan dioksida (MnO2), yang mempercepat reaksi, ditiupkan melalui air dan dikumpulkan dalam botol seperti yang ditunjukkan. Air yang awalnya ada dalam botol didorong keluar oleh gas oksigen.
Sebagai akibatnya, kita harus mengetahui tekanan yang disebabkan oleh adanya uap air ketika kita menghitung jumlah O2 yang dihasilkan. Tabel 5.2 menunjukkan tekanan uap air pada berbagai temperatur.
Tabel 5.2 Tekanan uap Air pada Temperatur yang Bervariasi Temperatur
(C)
Tekanan Uap Air
(mmHg) Temperatur (C) Tekanan Uap Air (mmHg)
0 4,58 55 118,04 5 6,54 60 149,38 10 9,21 65 187,54 15 12,79 70 233,7 20 17,54 75 289,1 25 23,76 80 355,1 30 31,82 85 433,6 35 42,18 90 525,76 40 55,32 95 633,90 45 71,88 100 760,00 50 92,51
Botol yang terisi gas oksigen
KClO3 dan MnO2
Botol yang terisi air yang siap dipindahkan dalam wadah plastik
Botol terisi penuh gas oksigen dan uap air
Gas oksigen yang dihasilkan oleh dekomposisi potasium klorat dikumpulkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.14. Volume oksigen dikumpulkan pada 26°C dan tekanan atmosfer 771 mmHg adalah 141 mL. Hitung massa (dalam gram) dari gas oksigen yang diperoleh. Tekanan uap air pada 26°C adalah
25,2 mmHg.
Strategi Untuk mencari massa O2 yang dihasilkan, pertama-tama kita harus menghitung tekanan parsial O2 dalam campuran. Apa hukum gas yang kita butuhkan? Bagaimana kita mengubah tekanan gas O2 ke
dalam massa O2 dalam gram?
Solusi Dari Hukum Dalton tentang tekanan parsial kita tahu bahwa
𝑃𝑇 = 𝑃𝑂2+ 𝑃𝐻2𝑂
Sehingga,
𝑃𝑂2 = 𝑃𝑇− 𝑃𝐻2𝑂
= 771 𝑚𝑚𝐻𝑔 − 25,2 𝑚𝑚𝐻𝑔 = 746 𝑚𝑚𝐻𝑔
Dari persamaan gas ideal kita tuliskan
𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 = 𝑚 𝑀𝑟 𝑅𝑇
di mana m dan Mr, masing-masing adalah massa O2 yang dikumpulkan dan massa molar O2. Dengan mengatur ulang persamaan diperoleh
m = PVMr RT = (746 760) atm (0,141 L)(32,00 g mol) (0,0821 L.atm K . mol) (273 + 26)K= 𝟎, 𝟏𝟖𝟎 𝐠
Latihan Gas hidrogen yang dihasilkan ketika logam kalsium bereaksi dengan air dikumpulkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.14. Volume gas yang dikumpulkan pada 30°C dan tekanan 988 mmHg adalah 641 mL. Berapakah massa (dalam gram) dari gas hidrogen yang diperoleh? Tekanan uap air pada 30°C adalah 31,82 mmHg.
CONTOH 5.8
REVIEW KONSEP
Setiap bola berwarna merupakan molekul gas yang berbeda. Hitung tekanan parsial gas jika tekanan total nya 2,4 atm.