Dokumen Penelitian Tentang Gas

GAS

PERTEMUAN 14

V. Persamaan Gas Ideal A. Pengertian Umum

Hubungan antara keempat parameter P,V,n dan T dapat diperoleh dengan mengkombinasikan hukum Boyle, Charles- Gay Lussac, dan Avogadro dengan cara memasukkan kuosien- kuosien yang telah diperoleh dari ketiga hukum tersebut ke dalam persamaan .

Hukum Boyle P α 1/V (pada n dan T tetap) Hukum Charles- Gay Lussac T α V (pada n dan P tetap) Hukum Avogadro V α n (pada P dan T tetap) Kombinasi ketiga hukum tersebut akan menghasilkan persamaan,

V α nT/P

V = RnT/P, sehingga

PV = nRT dimana R merupakan suatu tetapan gas

Tetapan gas R dapat dievaluasi secara eksperimen dengan menggunakan gas yang diketahui jumlah molnya pada suhu tertentu dan dilakukan sederet pengukuran tekanan–volum berturut-turut pada tekanan yang semakin rendah. Evaluasi dari PV/(nT) pada limit tekanan menuju nol menghasilkan R:

Hasil eksperimen diperoleh harga tetapan (R) sebesar 0,08205 L atm mol^–1 K^–1. Dalam satuan internasional (SI), tetapan R didapat sebagai berikut.

Oleh karena 1 atm = 101,325 Nm^–2, dan 1L = 1 dm³ = (10^–1 m)³ maka 1 L atm = 10^–3 m³  101,325 Nm^–2

= 0,101325 Nm

= 0,101325 J

Dengan demikian dalam satuan SI R = 0,08205  0,101325 J mol^–1 K^–1

= 8,314 J mol^–1 K^–1

= 8,314 m³ Pa mol^–1 K^–1

Dalam konteks ini, setiap gas yang memenuhi persamaan gas diatas disebut sebagai gas ideal, jadi definisi gas ideal adalah gas yang setiap parameter P, V,T dan n benar- benar proporsional dan bersesuaian secara tepat, dalam hal ini gas ideal haruslah tidak memiliki interaksi antar partikelnya selain itu volumenya sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Jadi gas ideal tidak merujuk pada jenis gasnya tapi lebih kepada kondisi saat pengukuran terjadi.

Contoh Soal

Berapa gram Argon yang dibutuhkan untuk mengisi bola lampu bervolume 158 mL pada suhu 21⁰C dan tekanan 3 torr.

jawab

Parameter yang diketahui,

Volume (V) 158 mL = 0,158 L Tekanan (P) 3 torr x 1 atm/760 torr

= 3,95 x 10^-3 atm Suhu (T) 21⁰C + 273 K = 294 K Massa atom relative

argon (Ar)

39,95 g/mol

sesuai persamaan PV = nRT, maka n = PV/RT

= 3,95 x 10^-3 atm x 0,158 L 0,0821L atm mol^-1K^-1.294K = 2,59x10^-5 mol Argon

Karena mol = massa( g)/massa atom relative Ar(g/mol), maka massa = mol x Ar

= 2,59x10^-5 mol Argon x 39,95 g/mol = 1,04 x10^-3 g

B. Penerapan Persamaan Gas Ideal a. Penentuan Massa Molar Gas

Dari persamaan gas ideal kita bisa menentukan massa molar suatu gas (Mr) sebagai berikut

PV = nRT karena n = massa (m)/Mr, maka PV = mRT

Mr sehingga, Mr = mRT PV

b. Penentuan Densitas Suatu Gas

Densitas menunjukkan tingkat kerapatan suatu zat. Densitas gas berarti menggambarkan sebaran massa (m) suatu gas terhadap volumenya (V), dimana

d = m/V

karena massa (m) merupakan hasilkali antara mol (n) dan massa molekul relatife (Mr) maka, m = n x Mr sehingga

d = nMr/V

dari persamaan gas ideal PV = nRT diperoleh V = nRT

P sehingga, d = PMr RT Contoh Soal

Berapa densitas gas oksigen O₂ pada suhu 298 K dan tekanan 0,987 atm?

jawab d = PMr RT

Substitusikan semua parameter yang telah diketahui d = 0.987 atm x 32,00 g mol^-1

0,082 L atm mol^-1 K^-1x 298 K = 1,29 g/L

DISKUSI

Menurut Anda apa yang akan terjadi pada dua balon yang masing – masing diisi dengan gas Helium dan gas Nitrogen (bila diukur pada suhu dan tekanan yang sama)?

VI. Teori Kinetik Gas

Toeri kinetic gas muncul karena hukum yang berkaitan dengan gas seperti Boyle, Gay- Lussac maupun Dalton hanya dapat menjelaskan fenomena makroskopis yang tejadi adapun penyebab utama tejadinya fenomena yang terjadi tersebut tidak bisa dijelaskan dengan baik.

Hingga pada akhirnya Boltzman dan James Maxwell berkesimpulan bahwa factor pendorong yang menyebabkan gas memiliki perilaku seperti diteliti oleh Boyle, Charles dan Dalton disebabkan karena gas tersusun atas atom/partikel yang selalu bergerak sehingga atom gas memiliki apa yang disebut sebagai energy kinetic yaitu energy yang khas terdapat pada zat/materi yang bergerak.

Gambar 11. Gerakan partikel gas yang bebas dan bergerak ke segala arah

(Sumber : Petrucci et al.,. General Chemistry ; Principle and Modern Application, 2011)

Teori ini berlaku dengan asumsi bahwa gas berperilaku sebagai berikut

a. Gas terdiri dari partikel kecil yang volumenya diabaikan terhadap volume ruang yang ditempatinya.

b. Gaya tarik antar molekul sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

c. Tumbukan antar molekul/partikel dan juga tumbukan partikel pada dinding tabung bersifat elastis, sehingga setelah partikel bertumbukan sistem tidak mengalami perubahan energi.

d. Tekanan disebabkan oleh tumbukan partikel pada dinding tabung. Besar kecilnya tekanan gas disebabkan oleh jumlah tumbukan per satuan luas per detik.

e. Energi kinetic gas akan sebanding dengan suhu yang di terima gas bersangkutan

A. Energi Kinetik

Energi kinetic (Ek ) berkaitan dengan gerak suatu benda/atom/molekul seperti persamaan berikut

Ek = mv²

m = massa (g) v = kecepatan (m/s)

Dalam konteks gas, energy kinetic berbanding lurus dengan kecepatan partikel gas dimana makin tinggi suhu (T) maka kecepatan partikel gas akan makin besar, sehingga

E_k α T mv² α T,

satu hal yang harus diingat adalah bahwa nilai v dari suatu gas merupakan nilai rata-rata kecepatan gas yang geraknya tidak beraturan dan diasumsikan bergerak sesuai orientasi sumbu x,y dan z. Selain itu nilai E_k dalam konteks gas dianggap sebagai nilai dari satu mol gas sehingga dalam perhitungannya perlu memperhitungkan jumlah partikel dalam satu satuan volume n/V dengan mengkombinasikan persamaan gas ideal PV = nRT dan E_k = mv², maka diperoleh persamaan baru yaitu :

E_k =

karena nilai R dan NA tetap, maka nilai E_k hanya bergantung pada suhu yang diterima gas

Dari persamaan di atas jelas bahwa nilai energy kinetic hanya bergantung pada suhu (diukur pada n yang sama)

DISKUSI

Menurut Anda apa yang terjadi pada ban mobil jika kendaraan dipacu pada keadaan terik matahari di jalan beraspal selama 10 jam nonstop, jelaskan kemungkinan yang terjadi?

B. Penjelasan teori kinetic gas terhadap hukum gas

Teori kinetic gas dapat digunakan untuk menjelaskan beberapa hukum berkaitan dengan gas, yaitu

1. Kompresibel gas

Penyebab utama gas dapat dikompres/ditekan adalah karakteristik gas yang tersusun atas partikel yang terpisah satu sama lain/berjarak sehingga memungkinkan sekali partikel gas diberi tekanan untuk memenuhi ruang yang masih kosong

2. Hukum Boyle

Menurut Boyle tekanan gas akan berbanding terbalik dengan volumenya artinya pemberian tekanan pada gas akan menurunkan volume gas tersebut. Berdasarkan teori kinetic gas adanya tekanan menyebabkan tabrakan antara partikel gas dengan dinding container/wadah, sehingga makin besar tekanan maka tingkat tabrakan partikel dengan wadah makin besar selanjutnya akan mengurangi densitas gas yang mengakibatkan volume gas menurun

3. Hukum Charles-Gay Lusac

Makin tinggi suhu gas maka volumenya akan makin besar. Teori kinetic gas menjelakan bahwa peningkatan suhu akan meningkatkan energy kinetic rata-rata partikel gas yang mengakibatkan frekuensi tumburan dengan dinding waadah/container meningkat sehingga volume akan naik

4. Hukum Dalton

Asumsi yang digunakan dalam teori kimetik gas adalah bahwa partikel gas tidak saling berinteraksi satusamalain sehingga tekanan total gas yang terukur adalah murni jumlah dari tekanan gas penyusunnya.

VII. Difusi dan Efusi A. Difusi

Difusi merupakan perpindahan molekul dari satu tempat ke tempat lain. Fenomena difusi hanya terjadi pada zat yang mudah bergerak seperti halnya zat cair dan gas.

Untuk gas, kecepatan difusi dapat mencapai 5400 km/jam bila berlangsung tanpa hambatan dan dalam satu garis lurus, sehingga memungkinkan gas dapat berpindah dari satu daerah dengan cepat, namun kenyataannya partikel gas tidak secepat itu bergerak dialam mengingat di udara partikel gas bergerak secara random dan terdapat banyak partikel gas lain (sejenis maupun tidak sejenis) yang menyebabkan partikel gas saling bertumbukan sehingga mengurangi kecepatan difusi.

Salah satu contoh sederhana peristiwa difusi adalah menyebarnya aroma parfum saat disemprotkan dalam ruangan. Agar aromanya tercium sampai ke pojok ruangan maka dibutuhkan waktu hingga beberapa saat, ini terjadi karena molekul pembentuk gas parfum berinteraksi dahulu dengan partikel gas udara, sehingga gerakan partikel parfum menjadi random/zig zag seperti gambar berikut

Gambar 12. Gerak random partikel gas DISKUSI

Menurut Anda aroma parfum lebih cepat mana menyebar di ruang berAC atau ruang tanpa AC, jelaskan?

Kecepatan difusi gas pertama kali diteliti oleh Thomas Graham (1832) yang diperoleh dengan membandingkan kecepatan difusi dua gas yang berbeda yaitu,

=

=√

= √

MrB = massa atom relative gas B MrA = massa atom relative gas A

vA =

kecepatan gas A

vB =

kecepatan gas B

selanjutnya kecepatan difusi dinyatakan sebagai r, sehingga

= √

Dari persamaan di atas terlihat bahwa kecepatan difusi gas berbanding terbalik dengan masa molekul relative gas tersebut, dengan kata lain makin besar ukuran partikel gas maka kecepatan difusi gas semakin lambat

DISKUSI

Perhatikan gambar berikut, menurut Anda pembentukan gas NH4Cl akan terjadi dimana?

HCl(g) + NH3(g) NH4Cl(g)

a. dekat dengan botol HCL b. dekat dengan botol NH₃ c. ditengah kedua botol tersebut d. tidak bisa ditentukan

HCl NH3

B. Efusi

Proses efusi identik dengan difusi hanya saja gas diberikan tekanan rendah hingga gas bergerak ke kompartemen yang tekanannya lebih rendah melewati suatu pinhole seperti gambar berikut

Gambar 13. Ilustrasi proses efusi gas

(Sumber : Petrucci et al.,. General Chemistry ; Principle and Modern Application, 2011 )

Graham merumuskan bahwa tingkat efusi suatu gas dipengaruhi besar molekul gas bersangkutan.

Makin besar partikel gas maka makin lambat gas akan melewati pinhole, sehingga t akan maikin membesar.

dimana

=

tA = waktu retensi gas A tB = waktu retensi gas B MrB = massa atom relative gas B MrA = massa atom relative gas A

VIII. Gas nyata A. Pengertian Umum

Persamaan gas ideal yang diperoleh secara empirik dari hasil pengamatan Boyle, Gay Lussac serta yang lainnya ternyata hanya sesuai untuk keadaan gas pada suhu agak tinggi dan tekanan rendah. Pada percobaan yang lebih seksama untuk meneliti hubungan P-V suatu gas ditemukan, bahwa perilaku gas yang sebenarnya (gas nyata) tidaklah sesuai dengan yang telah dibahas, tetapi terjadi penyimpangan dari keadaan ideal, karena adanya gaya tarik-menarik antarmolekul (terutama pada tekanan tinggi) dan volum molekul-molekulnya tidak dapat diabaikan begitu saja.

Untuk menggambarkan penyimpangan secara jelas, dapat dinyatakan dengan perbandingan volum molarnya (volum untuk 1 mol gas), V , terhadap volum molar gas ideal V_id RT / P. Perbandingan ini disebut faktor kompresibilitas, biasa dilambangkan dengan Z, yang dinyatakan sebagai berikut.

Gambar 14. Aluran nilai Z terhadap P untuk beberapa gas pada suhu 0^oC

Untuk gas ideal, nilai Z = 1 dan tidak bergantung pada suhu serta tekanan. Sedangkan untuk gas nyata nilai Z tidak selamanya sama dengan 1, ia merupakan fungsi suhu dan tekanan, Z = Z(T,P). Bagi gas ideal harga Z=1; tetapi untuk gas nyata bergerak dari 0,6 – 2,2.

Keadaan dimana PV pada gas nyata mendekati harga PV untuk gas ideal, ternyata sangat terbatas, yaitu pada keadaan P mendekati nol. Keadaan ini disebut titik-titik Boyle. Kebanyakan gas menyimpang sekali dari sifat ideal.

Pada gas-gas poliatomik penyimpangannya bertambah rumit, yaitu timbulnya penyimpangan negatif dan penyimpangan positif.

Sebenarnya kedua bentuk penyimpangan yang ditimbulkan oleh gas nyata, dalam hal ini gas He dan H2 di satu pihak dan gas CO dan CH4 di lain pihak, merupakan satu pola kelakuan yang ditunjukkan oleh semua gas nyata.

Gambar memperlihatkan aluran nilai Z sebagai fungsi tekanan pada suhu 0^oC untuk beberapa gas. Dari gambar terlihat bahwa untuk gas hidrogen, nilai Z ternyata lebih besar daripada zat lain pada semua rentang tekanan. Pada rentang tekanan rendah nilai Z untuk gas nitrogen, lebih kecil daripada satu, tetapi ternyata lebih besar daripada satu pada tekanan tinggi. Untuk gas metana dan gas karbondioksida jauh lebih menyimpang lagi.

Harga Z berbeda-beda bergantung pada jenis zat, suhu dan tekanan. Kegunaan dari faktor kompresibilitas adalah untuk perhitungan yang teliti dengan menggunakan persamaan gas ideal yang telah mengalami penerapan faktor Z.

DISKUSI

Hitung volume gas metana sebanyak 10 mol pada tekanan 100 atm dan suhu 0°C. Pada suhu ini harga Z = 0,783.

TUGAS

Sejumlah tertentu metana menempati volume 0,138 Liter pada tekanan 300 atm dan suhu 200°C.

Berapa volume gas pada tekanan 600 atm dan suhu 0°C. Harga Z untuk masing-masing tekanan tersebut adalah Z(300 atm) =1,376 dan Z(600 atm)=1,067.

DISKUSI

Mengapa gas ideal hanya berlaku pada suhu tinggi dan tekanan yang rendah?

B. Persamaan Van Der Walls

Dalam merumuskan gas ideal, volume fisik maupun tarik menarik antar molekul gas diabaikan. Penyimpangan yang terjadi pada gas nyata, seperti terlihat pada gambar tadi, disebabkan oleh adanya gaya tarik-menarik antar molekul dan volume molekul-molekulnya tidak dapat diabaikan. Oleh karena itu, volume dan tekanan gas dalam persamaan gas ideal perlu dikoreksi.

Van der Waals pada tahun 1873 membuat koreksi atas persamaan gas ideal.

1. Tekanan Kohesi

Tekanan yang ditimbulkan oleh molekul gas pada dinding ruangan dimana gas ditempatkan, disebut tekanan termal. Besarnya tekanan termal ini seharusnya ditambah gaya kohesi, yaitu gaya yang menarik molekul-molekul yang sedang menumbuk dinding.

Besarnya gaya kohesi ditentukan sebagai berikut.

a. Pada saat suatu molekul akan menumbuk dinding, molekul tersebut mengalami gaya tarik oleh molekul yang ada di belakangnya. Gaya tarik ini berbanding lurus dengan jumlah

molekul dan kerapatannya.

b. Jumlah tumbukan molekul pada dinding pada suatu saat juga akan berbanding lurus dengan kerapatan gas

2.Volume fisik molekul gas

Jika volume setiap molekul kita sebut b, maka untuk n molekul gas, volume fisik gas adalah

= nb. Volum wadah, V, harus terdiri atas volum gas dan volum bebas untuk gerak molekul.

dengan b adalah suatu tetapan sebagai koreksi terhadap volum, yang nilainya tergantung pada jenis gas. Penyusunan ulang Van der Waals memasukkan faktor koreksi volume dan tekanan ke dalam persamaan gas ideal, hasilnya adalah

Persamaan ini dikenal sebagai persamaan keadaan Gas Van der Waals. Dalam menggunakan persamaan Van der Waals harus diingat satuan-satuan yang digunakan sesuai dengan konstanta a dan b yang besarnya tergantung pada jenis gas.

Tabel 4. Nilai a dan b untuk menghitung persamaan gas nyata

( Sumber : Chang et al. General Chemistry ; The Essential Concepts, 2011) Untuk memperdalam pemahaman Anda mengenai materi di atas, kerjakanlah latihan berikut!

1. Anggapan yang benar tentang gas ideal adalah ....

A. memiliki interaksi yang sangat kuat B. tidak memiliki tekanan

C. memiliki volume fisik yang signifikan

D. gaya tarik menarik antarmolekul dianggap tidak ada

2. Di antara pernyataan di bawah ini yang bukan merupakan hukum gas ideal adalah ....

A. pada suhu tetap, volume gas akan berkurang jika tekanan diperbesar B. pada proses isobar, volume gas akan naik bila suhu dinaikkan C. volume gas hanya dipengaruhi oleh jumlah mol

D. pada suhu dan tekanan tetap, jumlah mol sebanding dengan volume

3. Di antara persamaan berikut yang menyatakan hukum dari Boyle-Gay Lussac adalah ....

A. PV = k B. V = kT C. ^Vn k D. ^PVTk

4) Hukum yang menyatakan bahwa apabila gas-gas diukur pada suhu dan tekanan yang sama maka akan terdapat jumlah molekul yang sama pula, berasal dari ....

A. Boyle B. Gay-Lussac C. Avogadro

D. Boyle-Gay Lussac

5) Pada tekanan 12 bar suatu gas ideal memiliki volume 3 L. Berapa volume gas tersebut pada tekanan 0,032 bar, apabila suhu dijaga konstan ?

A. 1,125 m³ B. 1,125 dm³ C. 2,525 m³ D. 2525 dm³

6) Suatu gas dengan komposisi konstan memiliki volume 1 L apabila ditempatkan di bawah laut dengan tekanan 1 bar dan suhu 15°C. Berapa volume gas tersebut apabila dipindahkan ke termosfer pada ketinggian 500 km dimana tekanannya adalah 1,6  10-11 bar dan suhu 1580 K? Anggap gas berperilaku ideal ....

A. 10,2  1011 L B. 65,8  1011 L C. 5,48  1011 L D. 3,43  1011 L

7) Dengan mengasumsikan gas berperilaku ideal, hitunglah massa dari 1 mol gas apabila diketahui massa jenis gas adalah 0,9816 g/L pada tekanan 0,500 atm dan suhu 0°C!

A. 38 g B. 16 g C. 44 g D. 88 g

8) Suatu percobaan yang dilakukan oleh Sir William Ramsey dan Lord Rayleigh pada tahun 1894 menghasilkan suatu residu gas. Apabila kerapatan dari residu gas tersebut adalah 1,61 g/L pada 25°C dan tekanan 1 atm, gas apakah yang telah mereka peroleh?

a. oksigen b. nitrogen c. neon d. argon

9) Campuran gas yang terdiri dari 100 g gas hidrogen dan 100 g gas nitrogen, berada pada tekanan 1 atm dan suhu 25°C. Hitunglah volume campuran gas tersebut bila keduanya dianggap berperilaku ideal!

a. 1309 L b. 645 L c. 1327 L d. 110 L

10) Sebuah bola berisi 2 mol H₂ pada tekanan 0,8 atm dan suhu T K. 0,6 mol O₂ ditambahkan ke dalam bola ini dan suhu bola harus diturunkan sampai 15 K untuk menjaga tekanan konstan.

Berapa harga T?

a. 298 b. 65 c. 125 d. 200

Hitunglah jawaban yang benar. Kemudian, gunakan rumus berikut untuk mengetahui tingkat penguasaan Anda terhadap materi Kegiatan Belajar 1.

Tingkat penguasaan = Jumlah Jawaban yang Benar 100% Jumlah Soal

Arti tingkat penguasaan: 90 - 100% = baik sekali 80 - 89% = baik 70 - 79% = cukup

< 70% = kurang

Apabila mencapai tingkat penguasaan 80% atau lebih, Anda dapat meneruskan dengan Kegiatan Belajar . Bagus! Jika masih di bawah 80%, Anda harus mengulangi materi, terutama bagian yang belum dikuasai.

Referensi

 Brady, J.E; Jesperson, N.D. 2012. Chemistry : The Moleculer Nature of Matter. 6^thEd. John Willey and Sons. USA

 Chang, R; Overby, J. 2011. General Chemistry ; The Essential Concepts. 6^thEd. Mc Graw- Hill. New York. USA

 Petrucci, R.H; Herring, F.G; Madura, J.D; Bissonette, C., 2011. General Chemistry ; Principle and Modern Application. 10^th Ed. Toronto. Canada