GAYA ANTAR MOLEKUL, SIFAT CAIRAN, DAN STRUKTUR PADATAN MATERI 11. Irma Mulyani, Ph.D Kimia ITB

GAYA ANTAR

MOLEKUL, SIFAT CAIRAN, DAN

STRUKTUR PADATAN

MATERI 11

Irma Mulyani, Ph.D Kimia ITB

Tekanan uap

✓ When a liquid evaporates, the molecules that enter the vapor exert a pressure called the vapor pressure.

✓ If the evaporation is taking place inside a sealed container, this pressure grows until finally equilibrium is reached. Once the rates of evaporation and condensation become equal, the concentration of molecules in the vapor remains constant and the vapor exerts a constant pressure.

This final pressure is called the equilibrium vapor pressure of a liquid.

✓ Rate of evaporation per unit area of liquid’s surface.

✓ High vapor pressure ~ high evaporation rate

✓ Two factors influence the equilibrium vapor pressure:

(i) temperature

(ii) intermolecular interactions

Contoh:

Pada 25°C, eter memiliki tekanan uap yang paling tinggi dibandingkan dengan cairan lainnya.

✓ Laju penguapan eter lebih cepat dibandingkan yang lainnya.

✓ Interaksi antar molekul pada eter lebih rendah dibandingkan lainnya.

Perubahan volume terhadap tekanan uap.

✓ Peningkatan volume wadah, akan meningkatkan laju penguapan dan laju kondensasi, untuk menghasilkan keadaan kesetimbangan.

✓ Keadaan kesetimbangan penguapan dan kondensasi suatu cairan terjadi pada T dan P tertentu.

Perubahan wujud zat dan kesetimbangan dinamik

Perubahan wujud zat:

1. Mencair (S → L) vs Membeku (L → S) 2. Menguap (L → G) vs Kondensasi ( G → L) 3. Sublimasi (S → G) vs Deposisi (G → S)

Kesetimbangan dinamik (Prinsip Le Chatelier, pergeseran kesetimbangan) Kesetimbangan perubahan fasa pada T dan P tertentu.

Contoh : titih didih nomal air 100 °C (1 atm), H₂O(s) ⇌ H₂O(l)

Energi pada perubahan wujud zat

✓ Entalpi penguapan standar, H°_vap

✓ Entalpi pelelehan standar, H°_fus

✓ Entalpi sublimasi standar, H°_subl

✓ Entalpi kondensasi standar: −H°_vap

✓ Entalpi pembekuan standar: −H°_fus

✓ Entalpi deposisi standar: −H°_subl

• Superheating: cairan dipanaskan diatas T didih normal, tanpa cairan tersebut mendidih.

• Supercooling: cairan didinginkan dibawah T beku normal, tanpa cairan tersebut membeku.

: Perhitungan energi pada perubahan wujud zat:

Contoh: Dalam wadah tertutup, 2,5 mol H₂O(g) didinginkan dari 130°C ke −40°C H₂O(g) (130°C) → H₂O(s) (−40 °C )

Diketahui : C_H2O(g) = 33,1 J/mol.°C , C_H2O(l) = 75,4 J/mol.°C, C_H2O(s) = 37,6 J/mol.°C

H°_vap= 40,7 kJ/mol, H°_fus= 6,02 kJ/mol

Tahap 1: q = n x C_H2O(g) x T = −2,48 kJ.

Tahap 2: kesetimbangan G ⇌ L, −H°_vap q = n x (−H°_vap) = −102 kJ.

Tahap 3: q = n x C_H2O(l) x T = −18,8 kJ Tahap 4: kesetimbangan L ⇌ S, −H°_fus

q = n x (−H°_fus) = −15,0 kJ Tahap 5: q = n x C_H2O(s) x T = −3,76 kJ Total energi: −142 kJ

Pengaruh interaksi antar molekul pada nilai entalpi penguapan.

✓ Molekul yang memiliki ikatan hidrogen yang lebih banyak, H°_vap lebih tinggi.

✓ Molekul non polar dengan MM yang besar memiliki interaksi gaya dispersi London yang lebih kuat, sehingga H°_vap lebih tinggi

Penentuan entalpi penguapan

Persamaan Clausius-Clapeyron Nilai H°_vap merupakan gradien.

Penentuan H°_vap pada dua temperatur berbeda:

Soal:

Diagram Fasa

✓ Diagram fasa: P vs T

✓ Wujud zat pada variasi :

(i) T pada P tetap, (ii) P pada T tetap, (iii) T dan P

✓ Titik leleh normal (P = 1 atm, X)

✓ Titil didih normal (P = 1 atm, X)

✓ Titik tripel (B): kesetimbangan 3 fasa

✓ Titik kritik (T_c, D): T_c dan P_c, titik dimana kondisi jenuh cairan sama dengan kondisi jenuh gas.

✓ T dan P diatas titik kritik, tidak ada batas antara fasa cair dan gas.

X X

Nilai T_c dan P_c dipengaruhi oleh jenis interaksi antar molekul

Keadaan: sebelum dan sesudah titik kritik

Senyawa yang berada pada T > T_c dan densitasnya mendekati densitas fasa cair disebut cairan superkritis (supercritical fluid).

Cairan yang memiliki densitas tinggi dan viskositas rendah

Diagram fasa CO₂

Pada 1 atm:

✓ CO₂ tidak pernah dijumpai pada wujud cair

✓ gas CO₂ dapat menjadi padatan CO₂ (dry ice) dengan cara menurunkan temperatur.

Atau padatan CO₂ dapat dibuat pada T> 1 atm pada

−78°C.

Struktur Padatan Kristalin

• Kristalin: jarak antar atom sama, teratur, memiliki unit pengulangan yang sama (disebut sebagai unit sel/ sel satuan)

• Amorf: jarak antar atom berbeda-beda, tidak

teratur, tidak memiliki unit pengulangan yang sama

UNIT SEL

TIPE UNIT SEL

Panjang rusuk (a,b,c) dan sudut (α,β,γ)

INFORMASI DARI UNIT SEL KUBUS

✓ Struktur padatan: logam & senyawa ionik

✓ Jenis unit sel:

(i) kubus sederhana (simple cubic): posisi atom/ion di pojok

(ii) kubus berpusat badan (bcc = body centre cubic): posisi atom/ion di pojok dan di pusat badan kubus.

(iii) kubus berpusat muka (fcc = face centre cubic): posisi atom/ion di pojok dan di sisi muka kubus.

✓ Jumlah atom dalam unit sel berkaitan dengan jenis unit sel

✓ Bilangan koordinasi: atom terdekat, ion yang memiliki muatan yang berlawanan (pada senyawa ionik)

✓ Panjang rusuk kubus

✓ Jari-jari atom/ion

✓ Massa jenis kristal

KUBUS SEDERHANA

KUBUS BERPUSAT BADAN

KUBUS BERPUSAT MUKA

Susunan atom pada kisi kristal terjejal (closed-packed structure)

Pada kisi kristal kubus

Pada kisi kristal kubus

Hubungan panjang rusuk dan jari-jari atom/ion

Tentukan jumlah atom pada unit sel berikut:

Jenis-jenis kristal ionik

A. Kisi kristal NaCl (rock salt)

✓ Posisi ion Na⁺: rusuk dan pusat badan

✓ Posisi ion Cl⁻: pojok dan sisi muka

✓ Jumlah ion Na⁺ dalam unit sel:

(1/4 x 12) + 1 = 4 ion

posisi ion di rusuk: ¼, posisi ion di pusat badan: 1

✓ Jumlah ion Cl⁻ dalam unit sel:

(1/8 x8) + (1/2x6) = 4 ion

posisi ion di pojok: 1/8, posisi ion di sisi muka: ½

✓ Perbandingan jumlah ion menghasilkan rumus empiris senyawa ionik ion Na⁺ : ion Cl⁻ = 4: 4 = 1: 1, rumus empiris = NaCl

✓ Bilangan koordinasi ion Na⁺: 6 1 ion Na⁺ dikelilingi oleh 6 ion Cl⁻

✓ Bilangan koordinasi ion Cl⁻: 6 1 ion Cl⁻ dikelilingi oleh 6 ion Na⁺

✓ Panjang rusuk = 2r_Na++ 2r_Cl−

B. Tipe kisi kristal CsCl

✓ Posisi ion Cs⁺: pojok

✓ Posisi ion Cl⁻: pusal badan

✓ Jumlah ion Cs⁺ dalam unit sel:

(1/8 x 8) = 1 ion

✓ Jumlah ion Cl⁻ dalam unit sel:

(1 x 1) = 1 ion

✓ Perbandingan jumlah ion menghasilkan rumus empiris senyawa ionik ion Cs⁺: ion Cl⁻ = 1: 1, rumus empiris = CsCl

✓ Bilangan koordinasi ion Cs⁺: 8 1 ion Cs⁺ dikelilingi oleh 8 ion Cl⁻

✓ Bilangan koordinasi ion Cl⁻: 8 1 ion Cl⁻ dikelilingi oleh 8 ion Cs⁺

✓ Panjang rusuk dan jari: a = (2r_Cs++ 2r_Cl−)/ 3

C. Kisi kristal ZnS

✓Posisi ion Zn

²⁺

: dalam kubus

✓Posisi ion S

²⁻

: pojok dan sisi muka

✓ Jumlah ion Zn

²⁺

dalam unit sel:

(1 x 4) = 4 ion

✓ Jumlah ion S

²⁻

dalam unit sel:

(1/8 x8) + (1/2x6) = 4 ion

✓Perbandingan jumlah ion menghasilkan rumus empiris senyawa ionik

ion Zn

²⁺

: ion S

²⁻

= 4: 4 = 1: 1, rumus empiris = ZnS

✓Bilangan koordinasi ion Zn

⁺

: 4

1 ion Zn

²⁺

dikelilingi oleh 4 ion S

²⁻

✓Bilangan koordinasi ion S

²⁻

: 4

1 ion S

²⁻

dikelilingi oleh 4 ion Zn

²⁺

D. Tipe kisi kristal CaF₂

✓ Posisi ion Ca²⁺: pojok dan sisi muka

✓ Posisi ion F⁻: dalam kubus

✓ Jumlah ion Ca²⁺ dalam unit sel:

(1/8 x 8) + (1/2x6) = 4 ion

✓ Jumlah ion F⁻ dalam unit sel:

(1 x 8) = 8 ion

posisi ion di pojok: 1/8, posisi ion di sisi muka: ½

✓ Perbandingan jumlah ion menghasilkan rumus empiris senyawa ionik

ion Ca²⁺ : ion F⁻ = 4: 8 = 1: 2, rumus empiris = CaF₂

✓ Bilangan koordinasi ion Ca²⁺: 8 1 ion Na⁺ dikelilingi oleh 8 ion F⁻

✓ Bilangan koordinasi ion F⁻: 4

1 ion F⁻ dikelilingi oleh 4 ion Ca²⁺

Analisa struktur kristal: Difraksi sinar-X

Interaksi sinar-x dengan atom/ion yang pada kisi kristal

Persamaan Bragg:

 = panjang gelombang sinar X (pm)

d = jarak antar bidang pada kisi kristal (pm)

 = sudut difraksi (°)

n = bilangan bulat ( 1,2,…dst)

Analisa struktur kristal: Difraksi sinar-X

Perhitungan stoikiometri struktur kristal

Setiap struktur padatan memiliki massa jenis ():

𝜌 = 𝑚

𝑉 = 𝑔

𝑐𝑚³

𝜌 = ^{𝑛 𝑥 𝐴𝑟}

𝐵𝐴 𝑥 𝑎³

massa (g) = 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑘𝑖𝑠𝑖 𝑘𝑟𝑖𝑠𝑡𝑎𝑙 𝑥 𝐴𝑟

𝑏𝑖𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝐴𝑣𝑜𝑔𝑎𝑑𝑟𝑜 = 𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑥 𝑔.𝑚𝑜𝑙⁻¹ 6,022 𝑥 10²³ 𝑎𝑡𝑜𝑚/𝑚𝑜𝑙

Volume (cm³) = a³ (a = panjang rusuk kubus, cm)

Tipe Kristal & Sifat Fisik

intan

grafit

Struktur kristal besi

Struktur padatan CO₂