Termokimia. Abdul Wahid Surhim 2014

Termokimia

Abdul Wahid Surhim 2014

Pengantar

•

Bab ini berkenaan dengan

ENERGI

dan

PANAS

(KALOR,

HEAT

)

Istilah umumnya =

TENAGA DAN

DAYA TAHAN (VITALITAS)

langsung membayangkan DAPUR PELEBUR BIJIH BESI

dan

Menurut Ilmuwan

•

ENERGI

= kapasitas atau kemampuan untuk melakukan

KERJA atau untuk memindahkan panas

•

PANAS

= bentuk energi tertentu yang dipindahkan dari

dari sesuatu yang bersuhu tinggi ke sesuatu yang bersuhu

lebih rendah ketika keduanya saling terjadi kontak

– Dua abad lalu PANAS DIPERCAYA SEBAGAI SEBUAH FLUIDA MATERI

(KALORI)

– Kita menggunakan istilah “ALIRAN PANAS” (heat flow) untuk merujuk pada perpindahan panas atau untuk efek panas secara umum

TERMOKIMIA

•

Materi memiliki dua macam energi

– Ditinjau dari gerakannya  ENERGI KINETIK – Ditinjau dari posisinya  ENERGI POTENSIAL

• Produksi energi adalah salah satu aspek paling penting dari kimia

– Reaksi kimia

– Makanan

– Bahan bakar

– Dll

•

TERMOKIMIA

adalah kajian aliran panas yang dikaitkan dengan

Kerangka Pembahasan

•

Prinsip Dasar Aliran Panas

•

Pengukuran secara eksperimen BESARAN dan ARAH aliran panas

(KALORIMETRI)

•

Konsep ENTHALPI dan perubahan enthalpy

•

Efek panas pada pemutusan dan pembentukan ikatan kovalen

•

Hubungan antara panas dan bentuk energy lainnya



HUKUM

PERTAMA TERMODINAMIKA

PRINSIP DASAR ALIRAN PANAS

•

Jika REAKSI KIMIA TERJADI

– SENYAWA APA (reaktan dan

produk) yang dilibatkan kedalam

SISTEM

– LINGKUNGANnya:

• bejana tempat terjadinya reaksi (tabung percobaan, beaker, dll)

• Udara atau materi lainnya yang melakukan kontak panas dengan reaksi tersebut

Sifat-sifat Keadaan

• Ada 3 sifat keadaan: KOMPOSISI, SUHU, dan TEKANAN

• Contoh:

50.0 gram H₂O (l) pada 50.0 o_{C dan 1 atm} • Setelah dipanaskan maka keadaannya berubah menjadi:

• 50.0 gram H₂O (l) pada 80.0 o_{C dan 1 atm}

• Kuantitas tertentu yang disebut SIFAT KEADAAN hanya tergantung pada keadaan sistem bukan pada bagaimana cara sistem tersebut mencapai keadaan tersebut

Arah dan Tanda Aliran Panas (Q)

•

Q POSITIF: aliran panas ke sistem dari lingkungan

•

Q NEGATIF: aliran panas ke lingkungan dari sistem

•

Pada REAKSI:

–

ENDOTERMIK (Q>0): aliran panas dari lingkungan ke sistem

reaksi

H

₂

O(s) 

H

₂

O(l)

Q>0

–

EKSOTERMIK (Q<0): aliran panas dari sistem reaksi ke

lingkungan

Besaran Aliran Panas

• Satuan dari Q adalah JOULE atau KILOJOULE • Satuan energi: KALORI (jumlah energi yang

diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air dari 14.5

o_{C ke 15.5} o_C.)  _{1 kalori = 4,184 J}

• Q = C.t

• C adalah kapasitas panas = m.c, c adalah panas jenis • Q = m.c.t

Konsep Energi, Kerja dan Panas

•

ENERGI: kemampuan untuk melakukan kerja atau

memindahkan panas

•

KERJA

: energi yang digunakan untuk menggerakkkan

sebuah obyek terhadap beberapa gaya

•

PANAS (KALOR):

aliran energi dari sebuah benda pada

suhu tinggi ke benda lain yang suhunya lebih rendah saat

keduanya diletakkan pada kontak panas

•

GAYA

: jenis dorongan atau tarikan apapun pada suatu

obyek

Energi Kinetik

• Disebut juga energi gerak

• Energi kinetik akan naik dengan naiknya kecepatan

2

2

1

mv

Energi Potensial

• ENERGI POTENSIAL: energi yang tersimpan yang dihasilkan dari tarikan atau penolakan suatu obyek yang mengalami hubungan dengan obyek lainnya

• Gaya-gaya selain gaya gravitasi dapat diarahkan untuk menghasilkan energi potensial

– Tarikan atau tolakan yang paling penting dalam kimia: GAYA ELEKTROSTATIK antar muatan-muatan partikel

– ENERGI KIMIA: energi potensial yang tersimpan dalam susunan atom-atom dari zat-zat

– ENERGI PANAS (thermal energy): energi kinetik dari molekul-molekul dalam zat

• Energi dipindahkan dengan dua cara: untuk menimbulkan gerak sebuah benda (kerja/usaha) atau menimbulkan perubahan suhu (panas/kalor)

Satuan Energi

•

Satuan SI untuk energi adalah JOULE

•

1 joule = besaran energi kinetik yang dimiliki oleh 2 kg benda yang

bergerak dengan laju satu meter per detik

Memindahkan Energi: Kerja dan Panas

•

Dalam bentuk GERAK

–

Energi digunakan untuk menyebabkan sebuah obyek bergerak

terhadap sebuah gaya yang disebut KERJA

–

W = F . d

•

Dalam bentuk PANAS

–

PANAS (KALOR): energi yang dipindahkan dari sebuah obyek

yang lebih panas ke yang lebih dingin

Kalorimetri

•

Eksperimen termokimia dilakukan menggunakan

KALORIMETRI yang memungkinkan untuk mengukur

aliran panas

•

Harga



H dapat ditentukan secara eksperimen dengan

mengukur aliran panas yang menyertai reaksi pada

tekanan tetap

•

Yang diukur adalah KENAIKAN SUHUnya

Kalorimeter

•

Alat untuk mengukur aliran panas disebut KALORIMETER

•

Ada tiga hal penting

1. Kapasitas panas dan panas jenis

2. Kalorimetri tekanan tetap

Kapasitas Panas dan Panas Jenis

• KAPASITAS PANAS

– Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu sampel sebesar 1 K ( 1 o_C) • PANAS JENIS

– Kapasitas panas 1 gram sampel

• Kapasitas panas berlaku bagi obyek, sedangkan kapasitas panas molar dan spesifik berlaku bagi dzat

T m q    . Jenis Panas suhu) bahan dzat)(peru (gram n dipindahka yang panas Jumlah Jenis Panas

Kalorimetri Tekanan Tetap

•



H = q

_p

•

Panas yang dihasilkan oleh reaksi (q

_rxn

) seluruhnya

diserap oleh larutan

–

Eksotermik = panas hilang oleh reaksi dan bertambah oleh

larutan



q

_soln

= - q

_rxn



q

_soln

= (panas jenis larutan) x (gram larutan) x



T

rxn sol q q   T mc q_sol  _p

KALORIMETER GELAS-KOPI

• Gelas dilapisi penutup yang ketat agar thermometer dapat diletakkan dengan akurat

• Karena busa polistirena insulator yang baik, maka tidak ada aliran panas ke

dinding gelas

• Seluruh panas berasal dari reaksi yang bertempat di dalam calorimeter yang diserap oleh air

Kalorimeter Bomb (Kalorimetri Volume Tetap)

•

Jika melibatkan reaksi

gas, maka calorimeter

gelas kopi tidak bisa,

karena bisa keluar dari

gelasnya

•

Juga tidak cocok jika

produk mencapai suhu

tinggi

•

Maka digunakan

Kalorimeter Bomb

• Merupakan kalorimeter yang khusus digunakan untuk menentukan

kalor dari reaksi-reaksi pembakaran.

• Kalorimeter ini terdiri dari sebuah bom ( tempat berlangsungnya reaksi

pembakaran, terbuat dari bahan

stainless steel

dan diisi dengan gas

oksigen pada tekanan tinggi ) dan sejumlah air yang dibatasi dengan

wadah yang kedap panas.

• Reaksi pembakaran yang terjadi di dalam bom, akan menghasilkan

kalor dan diserap oleh air dan bom.

Kalorimeter Bomb

• Oleh karena tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan, maka :

q

_reaksi

= – (

q

_air

+

q

_bom

)

• Jumlah kalor yang diserap oleh air dapat dihitung dengan rumus :

q

_air

=

m

.

c

.



t

– m = massa air dalam kalorimeter ( g )

– c = kalor jenis air dalam kalorimeter (J / g.o_{C ) atau ( J / g. K )}

– t = perubahan suhu ( o_{C atau K )}

• Jumlah kalor yang diserap oleh bom dihitung dengan rumus:

q

_bom

=

C

_bom

x



t

Kalorimeter Bomb

• Reaksi yang berlangsung pada kalorimeter bom

berlangsung pada volume tetap (



V = nol )

• Oleh karena itu, perubahan kalor yang terjadi di dalam

sistem = perubahan energi dalamnya.

•



E

=

q + w

,

w

=

-

P.

V

(jika



V = nol

maka

w

=

ENTHALPI

• Enthalpi adalah jenis energi kimia, kadang disebut “KANDUNGAN PANAS” (heat contents)

• Sebelumnya, energi reaksi dinyatakan dalam Qreaksi  perlu lebih dikongkretkan dengan mengaitkan reaktan dan produk

• Ini dilakukan jika reaksi terjadi PADA TEKANAN TETAP:

Q

_reaksi

pada tekanan tetap = H

_produk

- H

_reaktan

• Reaksi endotermis: H > 0 • Reaksi eksotermis: H < 0

Contoh

•

25.00 mL larutan 0.1000 M HCl dan 0.1000 M NaOH pada suhu awal

22.00°C dicampur dalam sebuah cangkir kopi kalorimeter

•

Reaksi netralisasinya:

•

Diketahui



H reaksi netralisasinya

–55.83 kJ

•

Berapa suhu akhir larutan?

•

Asumsi:

– Panas jenis laurtan = panas jenis air: 4.184 J/(g.°C

Solusi

• Jumlah reaktan dalam larutan:









C

T

C

C

T

C

T

T

C

T

T

T

mc

q

q

q

o akhir o o akhir o awal akhir o p rxn rxn

67

.

22

6673

.

0

00

.

22

6673

.

0

6673

.

0

C

J/g.

184

.

4

g

00

.

50

J

6

.

139

o larutan





























PERSAMAAN TERMOKIMIA

• PERSAMAAN TERMOKIMIA: Persamaan kimia dengan menampilkan hubungan enthalpy antara produk dan reaktan

Aturan Termokimia

1. Besaran



H berbanding lurus dengan jumlah

reaktan atau produk

2.



H reaksi sama dalam besarannya tetapi

berkebalikan tandanya untuk reaksi balik

3. Harga



H adalah SAMA apakah reaksinya satu

tahap ataupun serangkaian tahapan

HUKUM HESS

• Panas yang tersusun dalam proses dinyatakan sebagai jumlah panas beberapa proses yang terlibat

• Ini berguna untuk menentukan H dari suatu reaksi tanpa harus mereaksikannya secara nyata

• Contoh: Tentukan H_rxn dari reaksi berikut

PH₃(g) + F₂(g)  PF₅(g) + H₂(g) • Informasi yang diketahui:

Jawaban

2P(

g

) + 5F

₂

(

g

) + 2PH

₃

(

g

)



2PF

₅

(

g

) + 2P(

g

) + 3H

₂

(

g

)

5F2(g) + 2PH3(g)  2PF5(g) + 3H2(g)

Enthalpi Pembentukan (

_

H

_f

)

•

ENTHALPI PEMBENTUKAN

–

Perubahan entalpi pada pembentukan 1 mol zat langsung dari

unsur-unsurnya pada keadaan standar

•

Keadaan standar pada termodinamika (termokimia):

suhu

298 K dan tekanan 1 atm

•

Ini cara lain untuk menentukan enthalpi reaksi tanpa harus

melakukannya secara nyata

Contoh

• Pembakaran gas propana dengan oksigen untuk membentuk C O₂(g) & H₂O(l) • C₃H₈ (g) + 2O₂ (g)  3CO₂ (g) + 4H₂O(l)

•

• Persamaan di atas dapat ditulis sebagai jumlah 3 reaksi pembentukan: C₃H₈(g)  3C(s) + 4H₂(g) H1 = -Ho f [C3H8(g)] 3C(s) + 3O₂(g)  3CO₂(g) H2 = 3 Ho f [CO2(g)] 4H₂(g) + 2O₂(g)  4H₂O(l) H3 = 4 Ho f [H2O (l)]

Contoh (2)

Ho rxn = H1 + H2 + H3 = - Ho_f [C₃H₈(g)] + 3Ho_f [CO₂(g)] + 4Ho_f [H₂O(l)] = -(-103.85 kJ) + 3(-393.5 kJ) + 4(-285.8 kJ) = -2220 kJ



H

o_rxn

=



n



H

o_f

[produk] -



m



H

o_f

[reaktan]

ENTHALPI IKATAN

• H reaksi dapat bervariasi sangat besar

– Ada reaksi yang H sangat negative

– Ada reaksi yang H sangat positif

• Kenapa?

• Jawabannya harus dengan enthalpy pada tingkat molekuler: ENTHALPI IKATAN atau ENERGI IKATAN

• Pemutusan ikatan kimia SELALU menghasilkan enthalpy yang positif, dan sebaliknya pembentukan ikatan akan menghasilkan enthalpy yang negatif

REAKSI ENDOTERMIK

Terjadi jika:

•

Ikatan reaktan

lebih kuat

dari pada ikatan produk

Keterbatasan Enthalpi Ikatan

•

Kadang ikatan yang sama tetapi enthalpinya berbeda:

•

Di Tabel adalah hasil rata-ratanya

•

Karena keterbatasan ini maka untuk enthalpy reaksi lebih

baik digunakan enthalpy pembentukan dibanding enthalpy

ikatan

Hukum Pertama Termodinamika

•

Hukum termodinamika 1: ENERGI ADALAH KEKAL

(hukum kekekalan energi)

•

Energi dapat berubah ke bentuk energi lainnya, tapi tidak

hilang

•

Energi potensial dapat berubah ke energi kinetik dan

sebagainya

•

Energi dapat dipindahkan kembali atau ke arah antara

Energi Dalam (E atau U)

•

ENERGI DALAM = jumlah energi kinetika dan energi potensial dari

semua komponen dalam sistem

•

Perubahan energi dalam

(∆E):

•

3 bagian kuantitas termodinamika: besaran, satuan, dan tanda

– ∆E POSITIF: sistem mendapatkan tambahan energi dari lingkungannya – ∆E NEGATIF: sistem kehilangan energi ke lingkungannya

awal

akhir

E

E

E





Hubungan ∆E terhadap Kerja dan Panas

• Pertukaran energi: berupa kerja atau berupa panas

• Saat sistem mengalami perubahan kimia atau fisika, perubahan energi

dalamnya diberikan oleh panas yang ditambahkan kepada atau dibebaskan dari sistem, q, ditambah kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem, w:

• Panas yang ditambahkan kepada dan kerja yang dilakukan pada sistem menaikkan energi dalamnya

• Panas yang hilang oleh dan kerja yang dilakukan oleh sistem memiliki harga negatif

w

q

E





Tanda Enthalpi dan Energi Dalam

•

Energi Dalam (E) adalah fungsi keadaan dari sistem

– Hanya tergantung pada kondisi awal dan akhir

– Tidak tergantung pada bagaimana terjadinya perubahan itu

•

Energi dalam

V

P

H

E











Enthalpi Reaksi

reaktan

produk

H

H

H

_r











2H

₂

(g) + O

₂

(g)



2H

₂

O(g)



H = -483.6 kJ

Contoh

•

Berapa harga

∆E jika ∆H = 135.3 kJ dialami

pada tekanan tetap 18.9 atm dan perubahan

volumenya 238 L?

Jawaban

• Ho ₌ _Eo _{+ P}_V 1 J  1 kgm 2 1 s2 1 atm  101, 325 Pa  1 kg m s2

1

L



10

-3

_m

3

P



V





18.9

atm





238

L





4500

atm



L

4500 atm L 101,325 Pa 1 atm  1 kg m s2 1 Pa  103 m3 1 L  4.5610 6 kgm2 s2  4.5610 5 _{J  4.5610}2 _kJ



E

 

H



P



V



135.3

kJ



456

kJ



-321 kJ

Makanan dan Bahan Bakar

•

Konsep enthalpi reaksi diterapkan juga ke proses metabolisma

makanan dan pembakaran bahan bakar

•

Banyak sekali reaksi kimia yang digunakan untuk menghasilkan

panas adalah reaksi pembakaran’

•

Energi yang dihasilkan dari 1 gram bahan yang dibakar sering

disebut

NILAI BAHAN BAKAR (FUEL VALUE)

•

Nilai bahan bakar dari makanan atau bahan bakar diukur dengan

kalorimetri

MAKANAN

• Reaksi yang terlibat dalam memproduksi energi (pembakaran) dari makanan dan bahan bakar fosil mengubah senyawa berbasis-karbon ke CO₂(g) dan H₂O(l)

Makanan (protein, karbohidrat, lemak)  Pencernaan  Glukosa/gula darah

(C

₆

H

₁₂

O

₆

)

C₆H₁₂O₆(s) + 6O₂(g)  6CO₂(g) + 6H₂O(l)

Ho _{= -2803 kJ}

Energi dari Makanan

•

Fungsi energi dari makanan

– Mempertahankan suhu tubuh – Mengendalikan otot

– Membentuk dan memperbaiki jaringan-jaringan

•

Kelebihan energi disimpan dalam bentuk LEMAK

– Lemak tidak larut dalam air, bisa tertumpuk di tubuh

– Lemak menghasilkan lebih banyak energi per gram dibandingkan dengan karbohidrat dan protein, yakni sebesar (38 kJ/g)

BAHAN BAKAR

• Selama pembakaran sempurna dari bahan bakar

– Karbon diubah menjadi karbon dioksida

– Hidrogen diubah menjadi air

• Makin besar persentase karbon dan hidrogen di dalam bahan bakar, makin besar nilai bahan bakarnya

Berbagai Jenis Bahan Bakar

• Bahan bakar fossil: minyak bumi, gas bumi dan batubara

•

Minyak bumi

– Cairan yang mengandung ratusan senyawa

– Yang terbanyak hidrokarbon, sisanya senyawa organik yang mengandung sulfur, oksigen dan nitrogen

•

Gas bumi (natural gas)

– Terdiri dari gas hidrokarbon, senyawa hidrogen dan karbon

•

Batubara

– Padatan yang berisi hidrokarbon dengan MW yang tinggi, juga senyawa yang mengandung sulfur, oksigen dan nitrogen

Energi Nuklir

•

Energi dihasilkan dari memisahkan atau menggabungkan inti atom

•

22% tenaga listrik di AS

•

7% total produksi energi AS

•

Indonesia belum menggunakannya, meskipun pakarnya sudah

banyak

•

Bebas dari polusi

Energi Terbarukan

•

Energi surya (solar energy ) dari matahari

•

Energi angin

•

Energi geothermal

•

Hydroelectric energy

•

Energi biomassa dari kayu (pohon dan jagung) dan dari

bahan buangan biologis

Latihan Soal TERMOKIMIA