A. Sifat Gas Ideal dan Gas Nyata
Gas ideal adalah gas yang mempunyai sifat-sifat berikut:
a. Molekul-molekul gas merupakan materi bermassa yang dianggap tidak mempunyai volume.
b. Gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antar molekul dianggap nol.
c. Tumbukan antar molekul dan antar molekul dengan dinding bejana adalah lenting sempurna.
d. Memenuhi hukum gas PV = nRT. Sifat gas nyata:
a. Volume molekul gas nyata tidak dapat diabaikan.
b. Terdapat gaya tarik menarik antara molekul-molekul gas terutama jika tekanan diperbesar atau volum diperkecil.
c. Adanya interaksi atau gaya tarik menarik antar molekul gas nyata yang sangat kuat, menyebabkan gerakan molekulnya tidak lurus, dan tekanan ke dinding menjadi kecil, lebih kecil daripada gas ideal.
d. Memenuhi persamaan : P + (n2a/V2)] (V – nb) = Nrt Keterangan :
P = tekanan absolut gas (atm) V = volume spesifik gas (liter)
R = konstanta gas (0,082 L.atm/mol atau 8,314J/Kmol) T = suhu /temperatur absolut gas (K)
n = jumlah mol gas
B. Persamaan Keadaan Van der Waals
Gas yang mengikuti hukum Boyle dan hukum Charles, yakni hukum gas ideal, disebut gas ideal. Namun, didapatkan bahwa gas yang kita jumpai, yakni gas nyata, tidak secara ketat mengikuti hukum gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, semakin kecil deviasinya dari perilaku ideal. Semakin tinggi tekanan gas, atau dengan kata lain, semakin kecil jarak intermolekulnya, semakin besar deviasinya. Paling tidak ada dua alasan yang menjelaskan hal ini. Peratama, definisi temperatur absolut didasarkan asumsi bahwa volume gas real sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Molekul gas pasti memiliki volume nyata walaupun mungkin sangat kecil. Selain itu, ketika jarak antarmolekul semakin kecil, beberapa jenis interaksi antarmolekul akan muncul.
Fisikawan Belanda Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) mengusulkan persamaan keadaan gas nyata, yang dinyatakan sebagai persamaan keadaan van der Waals atau persamaan van der Waals. Ia memodifikasi persamaan gas ideal (persamaaan 6.5) dengan cara sebagai berikut: dengan menambahkan koreksi pada P untuk mengkompensasi interaksi antarmolekul; mengurango dari suku V yang menjelaskan volume real molekul gas. Sehingga didapat:
[P + (n2a/V2)] (V – nb) = nRT (6.12) Keterangan :
P = tekanan V = volume
n = jumlah mol zat
Vm = V/n = volume molar, volume 1 mol gas atau cairan
T = temperatur (K)
R = tetapan gas ideal (8.314472 J/(mol·K))
a dan b adalah nilai yang ditentukan secara eksperimen untuk setiap gas dan disebut dengan tetapan van der Waals. Semakin kecil nilai a dan b menunjukkan bahwa perilaku gas semakin mendekati perilaku gas ideal. Besarnya nilai tetapan ini juga berhbungan denagn kemudahan gas tersebut dicairkan.
Gas nyata menyimpang dari gas ideal disebabkan karena volume molekul dan antar aksi molekul, sehingga volum dan tekanan gas untuk gas nyata perlu dikoreksi dari gas ideal. Volum wadah, V, harus terdiri atas volum gas dan volum bebas untuk gerak molekul.
nRT
V = nb + ─── (1.32)
Pideal
Dengan b adalah suatu tetapan sebagai korreksi terhadap volum, yang nilainya tergantung pada jenis gas. Penyusunan ulang persamaan (1.32) menghasilkan
nRT
Pideal = ─── (1.33)
V-nb
Tekanan gas nyata dikoreksi terhadap gas ideal. Tekanan gas nyata lebih rendah dari tekanan gas ideal.
n 2
P = P ideal - a ── (1.34)
V
dengan a adalah suatu tetapan yang nilainya tergantung pada jenis gas, sehingga persamaan (1.34) menjadi
nRT an2
P = ─── ─ ── (1.35)
V– nb V2
Dengan menyusun ulang persamaan (1.35) menjadi n2a
P + ── (V– nb) = nRT (1.36)
V2
Persamaan (2.7) ini adalah persamaan gas nyata yang dikenal sebagai Persamaan Keadaan Gas Van der Waals. Tetapan a dan b bergantung pada jenis gas. Beberapa nilai a dan b untuk gas-gas tertentu ditunjukkan dalam dalam tabel 2.1. merubah 'a' ke dalam atm L2/mol2 harus dikalikan dengan 0.986 atm/bar
merubah 'a' ke dalam kPa L2/mol2 harus dikalikan dengan 100.0 kPa/bar
Tabel 2.1. Konstanta van der Waals beberapa gas Nama Gas a/(Pa m6mol-2) b/(10-6m3mol-1)
He 0,0035 23,70 H2 0,0247 26,61 N2 0,1408 39,13 O2 0,1378 31,83 Cl2 0,6579 56,22 NO 0,1358 27,89 H2O 0,5536 30,49 CO2 0,3640 42,67 CH4 0,2283 42,78
Interaksi tolak-menolak molekuler diasumsikan bahwa interaksi itu menyebabkan molekul-molekul berprilaku sebagai bola kecil tetapi tidak dapat ditembus. Volume bukan-nol molekul menyiratkan bahwa partikel itu tidak bergerak dalam volume V, tetapi terkekang di dalam volume yang lebih kecil yaitu V-nb. Dengan nb adalah perkiraan volume total yang ditempati molekul-molekul itu sendiri.
P = nRT/V –> P = (nRT)/(V-nb)
Tekanan bergantung baik pada frekuensi tabrakan dengan dinding maupun pada gaya setiap tabrakan berkurang akibat gaya tarik. Akibatnya persamaan vand er wallsnya:
Istilah a/Vm disebut tekanan internal gas. Persamaan Van der Waals ditulis dalam bentuk persamaan gas akan menjadi :
Ciri-ciri utama persamaan Van der Waals:
Isoterm gas sempurna diperoleh pada temperature tinggi dan volume molar besar
Cairan dengan gas berada bersama-sama jika efek kohesi dan disperse berada dalam keseimbangan
Konstanta kritis berhubungan dengan koefisien-koefisien Van der Waals Temperatur Boyle berhubungan dengan temperature kritis
Gas nyata berbeda dengan gas sempurna dimana gas nyata tidak mematuhi hukum gas ideal. Deviasi yang terjadi di dalam gas nyata akan mempengaruhi mudah atau sulitnya gas tersebut untuk digunakan. Di dalam gas nyata terdapat interaksi molekuler yang terdiri atas gaya repulsif dan gaya atraktif
Gaya repulsif merupakan gaya yang ada ketika gas mengalami kompresi dimana pada saat pengompresian volume akan berkurang dan atom atom akan saling tolak menolak , semakin besar gaya repulsif suatu senyawa gas maka akan sulit untuk ditekan.
Gaya atraktif merupakan kebalikan dari gaya repulsif dimana semakin banyak elekton yang berinteraksi akan menyebabkan substansi tetap dalam fase gas, dimana atom atom akan saling tarik menarik.
Diagram yang terbentuk akibat gaya atraktif dan repulsif
Semakin kecil deviasi yang dimiliki oleh gas nyata maka semakin mendekati sifat gas ideal yang menyebabkan gas tersebut berubah fasa dengan penurunan temperatur, maupun peningkatan tekanan. Besar kecilnya deviasi ditentukan dengan rumus :
Z = PVmolar/RT Penentuan Z , yaitu :
Z = 1 ( merupakan gas ideal )
Z > 1 (tekanan diturunkan, maka gaya repulsif mendominasi, gas mendekati titik kritis) Z< 1 (terjadi pada tekanan tinggi ketika molekul bertumbukan, gaya atraktif mengambil alih). Semakin besar Z, lebih sulit dimampatkan.
Dengan adanya titik kritis dan titik tripel maka berakibat tiap molekul dapat dirubah menjadi fasa gas dan fasa cairan , mudah atau tidaknya senyawa berubah fasa dipengaruhi oleh gaya interaksi molekuler yang ada di dalamnya.
Grafik yang didapat menjadi :
Dalam gas nyata terdapat faktor penyesuaian yang disebut dengan koefisien virial yang dinyatakan dalam
Perhitungan dalam gas nyata melalui perhitungan Van Der Walls dengan faktor koreksi yang ada , maka hal ini menjadi
Pengamatan pengamatan yang mewujudkan gas gas nyata pada T dan V sama melakukan tekanan tereduksi yang sama , dan terjadi pada molekul polar pada kondisi Tekanan tereduksi : Pr = P/Pc
Volume tereduksi : Vr = V/Vc Temperatur tereduksi : Tr = T/Tc
Jika dibandingkan dengan persamaan gas ideal, persamaan Van der Waals ini dapat digunakan pada gas nyata dengan besaran suhu dan tekanan yang lebih besar. Dengan begitu, persamaan Van der Waals juga dapat menjelaskan penyimpangan gas nyata dari gas ideal. Namun, persamaan Van der Waals ini belum dapat secara sempurna menggambarkan sifat-sifat gas sehingga digunakan persamaan lain yang dikenal persamaan Virial.
Persamaan Van der Waals muncul ntuk memperbaiki keadaan gas ideal pada suhu dan tekanan tertentu. Pada tahun 1873, fisiskawan belanda, Johanes diderik Van der Waals mengusulkan persamaan keadaan gas yang dikenal dengan persamaan Van der Waals. Ia memodifikasi persamaan gas ideal dengan cara menambahkan faktor koreksi pada volume dan tekanan.
Faktor koreksi volume
Volume memerlukan faktor koreksi karena partikel-partikel gas nyata mempunyai volume yang tidak dapat diabaikan, sehingga untuk memperhitungkan ukuran partikel – partikel gas Van der Waals mengurangi volume gas terukur dengan volume efektif total molekul-molekul gas. Persamaan itu dirumuskan sebagai berikut:
Videal = Veks – nb
Keterangan :
Videal = volume gas ideal
Veks = volume yang terukur pada waktu percobaan
n= jumlah mol gas
b= konstanta Van der Waals
Pada gambar tersebut terlihat perbedaan sifat antara sebuah molekul gas dengan sebuah molekul lain yang hampir bertumbukan dengan dinding wadah. Gaya tarik menarik molekul itu sama untuk ke segala arah sehingga akan saling menghilangkan. Sedangkan molekul yang lain hampir bertubukkan dengan dinding sehingga gaya tarik menarik antar molekul gas tersebut dengan molekul lain cenderung dapat menurunkan momentum molekul gas tersebut ketika bertumbukkan dengan dinding, dan akibatnya akan mengurangi tekanan gas tersebut. Oleh karena itu, tekanan gas tersebut akan lebih kecil daripada tekanan gas ideal karena pada gas ideal dianggap tidak terjadi gaya tarik menarik antar molekul.
Makin besar jumlah molekul persatuan volume, makin besar jumlah tumbukan yang dialami oleh dinding wadah serta makin besar pula gaya tarik menarik yang dialami oleh molekul-molekul gas yang hampir menumbuk dinding wadah. Karena itu, faktor koreksi untuk tekanan dapat dihitung dengan rumus : a(n2/V2)
keterangan :
a = konstanta n = jumlah mol gas.
Dengan memasukkan kedua faktor koreksi tersebut ke dalam persamaan gas ideal, maka diperoleh persamaan Van der Waals :
Keterangan :
P = tekanan absolut gas (atm) V =volume spesifik gas (liter)
R = konstanta gas (0,082 L.atm/mol atau 8,314J/Kmol) T =suhu /temperatur absolut gas (K)
n =jumlah mol gas
a,b =konstanta Van der Waals
Persamaan Van der Waals dapat digunakan pada gas nyata denga besaran suhu dan tekanan yang lebih besar. Persamaan Van der Waals juga dapat menjelaskan penyimpangan gas nyata dari gas ideal.
