Termokimia. Abdul Wahid Surhim 2014

Transkripsi

1 UNIVERSITY OF INDONESIA Termokimia Abdul Wahid Surhim 2014

2 Pengantar Bab ini berkenaan dengan ENERGI dan PANAS (KALOR, HEAT) Istilah umumnya = TENAGA DAN DAYA TAHAN (VITALITAS) langsung membayangkan DAPUR PELEBUR BIJIH BESI dan TERIKNYA MUSIM PANAS

3 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

4 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 reaksi kimia

5 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

6 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

7 Sifat-sifat Keadaan Ada 3 sifat keadaan: KOMPOSISI, SUHU, dan TEKANAN Contoh: 50.0 gram H 2 O (l) pada 50.0 o C dan 1 atm Setelah dipanaskan maka keadaannya berubah menjadi: 50.0 gram H 2 O (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 Jika X adalah sifat keadaan, maka: X = X akhir X awal

8 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 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l)Q<0

9 Endotermik dan Eksotermik

10 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

11

12 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

13 Energi Kinetik Disebut juga energi gerak Energi kinetik akan naik dengan naiknya kecepatan E k 1 mv 2 2

14 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)

15 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 1 J = 1 kg-m 2 /s 2

16 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 Reaksi Pembakaran

17

18 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 Pengukuran aliran panas disebut kalorimetri

19 Kalorimeter Alat untuk mengukur aliran panas disebut KALORIMETER Ada tiga hal penting 1. Kapasitas panas dan panas jenis 2. Kalorimetri tekanan tetap 3. Kalorimetri Bomb (kalorimetri volume tetap)

20 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 Panas Jenis Panas Jenis Jumlah panas yang dipindahkan (gram dzat)(perubahan suhu) q m. T

21 Panas Jenis

22 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 Q rxn dapat dihitung dari kenaikan suhu larutan

23 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 q q sol q rxn sol mc p T

24

25 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

26 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.

27 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 C bom = kapasitas kalor bom ( J / o C ) atau ( J / K )

28 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 = nol ), maka E = q v

29 Contoh

30 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

31 Reaksi Eksotermik dan Endotermik

32 Contoh ml larutan M HCl dan M NaOH pada suhu awal C dicampur dalam sebuah cangkir kopi kalorimeter Reaksi netralisasinya: Diketahui H reaksi netralisasinya kj Berapa suhu akhir larutan? Asumsi: Panas jenis laurtan = panas jenis air: J/(g. C Massa larutan akhir = gram

33 Solusi Jumlah reaktan dalam larutan: Panas reaksi mol dari tiap reaktan:

34 q T T T rxn q akhir akhir akhir q rxn J T larutan mc T o g J/g. C awal p T o o o C C C o C o C T

35 PERSAMAAN TERMOKIMIA PERSAMAAN TERMOKIMIA: Persamaan kimia dengan menampilkan hubungan enthalpy antara produk dan reaktan A + B C + D H = +/- kj

36 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

37 Besaran H berbanding lurus dengan jumlah reaktan atau produk

38 H reaksi sama dalam besarannya tetapi berkebalikan tandanya untuk reaksi balik

39 Harga H adalah SAMA apakah reaksinya satu tahap ataupun serangkaian tahapan

40

41 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 Informasi yang diketahui: PH 3 (g) + F 2 (g) PF 5 (g) + H 2 (g)

42 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) H = kj

43 Enthalpi Pembentukan ( H o 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

44

45

46 Enthalpi Pembentukan ( H o f )

47 Contoh Pembakaran gas propana dengan oksigen untuk membentuk C O 2 (g) & H 2 O(l) C 3 H 8 (g) + 2O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(l) Persamaan di atas dapat ditulis sebagai jumlah 3 reaksi pembentukan: C 3 H 8 (g) 3C(s) + 4H 2 (g) 3C(s) + 3O 2 (g) 3CO 2 (g) 4H 2 (g) + 2O 2 (g) 4H 2 O(l) H1 = - H o f [C 3 H 8 (g)] H2 = 3 H o f [CO2(g)] H3 = 4 H o f [H2O (l)]

48 Contoh (2) H o rxn = H1 + H2 + H3 = - H o f [C 3 H 8 (g)] + 3 H o f [CO 2 (g)] + 4 H o f [H 2 O(l)] = -( kj) + 3( kj) + 4( kj) = kj H o rxn = n H o f [produk] - m H o f [reaktan] n & m : koefisien stoikiometri dari reaksi

49 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

50

51 REAKSI ENDOTERMIK Terjadi jika: Ikatan reaktan lebih kuat dari pada ikatan produk Ada lebih banyak ikatan di reaktan dibanding di produk

52 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

53 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 sistem dan lingkungannya dalam bentuk kerja dan panas

54 Energi Dalam (E atau U) ENERGI DALAM = jumlah energi kinetika dan energi potensial dari semua komponen dalam sistem Perubahan energi dalam ( E): E E E akhir awal 3 bagian kuantitas termodinamika: besaran, satuan, dan tanda E POSITIF: sistem mendapatkan tambahan energi dari lingkungannya E NEGATIF: sistem kehilangan energi ke lingkungannya

55 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: E 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 q w

56 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 E H P V

57 Enthalpi Reaksi H r H H produk reaktan 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) H = kj

58 Contoh Berapa harga E jika H = kj dialami pada tekanan tetap 18.9 atm dan perubahan volumenya 238 L?

59 Jawaban H o = E o + P V 1 J 1 kg m2 1 s 2 1 atm 101, 325 Pa 1 kg m s 2 1 L 10-3 m 3 P V 18.9 atm 238 L 4500 atm L 4500 atm L 1 kg 101,325 Pa 1 atm m s 2 1 Pa 10 3 m 3 1 L kg m 2 s J kj E H P V kj 456 kj -321 kj

60 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

61 MAKANAN Reaksi yang terlibat dalam memproduksi energi (pembakaran) dari makanan dan bahan bakar fosil mengubah senyawa berbasis-karbon ke CO 2 (g) dan H 2 O(l) Makanan (protein, karbohidrat, lemak) Pencernaan Glukosa/gula darah (C 6 H 12 O 6 ) C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O(l) H o = kj Nilai bahan bakar rata-rata dari karbohidrat adalah 17 kj/g

62 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)

63

64 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

65 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

66 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 Masalah: sampah radioaktif

67 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

68 UNIVERSITY OF INDONESIA Latihan Soal TERMOKIMIA Kerjakan dan dikumpulkan per orang

69

70

71