IKATAN DAN STRUKTUR MOLEKUL :

Transkripsi

1 IKATAN DAN STRUKTUR MOLEKUL : Gaya antarmolekul, Cairan dan Padatan Diantara 112 unsur yang dikenal, sebagian besar berupa padatan pada kondisi 25 o C dan 1 atm. Hanya 11 unsur berupa gas pada kondisi ini ( H 2, N 2, O 2 F 2 Cl 2 dan 6 gas mulia), dan 2 unsur berupa cairan (Hg dan Br 2 ), walaupun 2 unsur lainnya (Cs dan Ga) meleleh hanya pada temperatur yang agak tinggi. Banyak senyawa berupa gas (CO 2 dan CH 4 ) dan cairan (H 2 O), akan tetapi sebagian besar senyawa berupa padatan. Pada bab ini akan diterangkan beberapa hal yang menarik tentang fasa cair dan padatan, seperti mengapa tubuh kita merasa dingin apabila berkeringat, bagaimana air tubuh dapat mempengaruhi cuaca sekitar (local climate), mengapa karbon murni berupa intan keras dan grafit, dan mengapa banyak senyawa padatan membentuk bentuk kristal yang indah. 1 KEADAAN MATERI DAN TEORI KINETIKA MOLEKUL Teori kinetika molekul gas mengasumsikan, bahwa jarak antar atom atau molekul gas sangat berjauhan dan antar partikel ini dianggap saling independen. Akibatnya, sifatsifat gas pada sebagian besar kondisi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan gas ideal PV = nrt. Akan tetapi cairan dan padatan tidak sesederhana fasa gas. Partikel pada fasa cair dan padat saling berdekatan, karena terjadi gaya tarik antar partikel, dimana gaya ini untuk gas diabaikan. Perbedaan masing-masing keadaan materi ditinjau dari tingkat partikulat, dapat diterangkan dengan membandingkan volume yang ditempati oleh masing-masing keadaan materi dengan jumlah molekul yang sama. Suatu wadah berisi 300 ml nitrogen cair. Bila semua cairan ini diuapkan, gas nitrogen yang terbentuk dapat mengisi balon yang sangat besar (> 200 L) sampai tekanan 1 atm pada temperatur kamar. Antar molekul gas terdapat ruang ruang kosong, sedangkan pada cairan molekulnya sangat berdekatan, bahkan saling bersentuhan. Pada perubahan dari fasa cair ke gas disertai dengan perubahan volume yang sangat besar. Sebaliknya pada perubahan dari fasa padat menjadi cair tidak disertai dengan perubahan volume yang besar. Atom-atom di dalam cairan saling berikatan dengan kekuatan yang hampir sama dengan atom di dalam padatan. Gas mudah dikompresi, yaitu proses yang menekan agar molekul gas saling berdekatan. Molekul atau atom fasa cair 83

2 atau padat sukar dikompresi, partikelnya akan saling tolak menolak untuk didekatkan. Campuran udara-bahan bakar di dalam mesin mobil dikompresi terlebih dahulu dengan faktor 10 sebelum dibakar. Sebaliknya volume air cair hanya berubah sebesar 0,005 % setiap perubahan tekanan 1 atm. Gambar 13.1 Perubahan dari gas, cair ke padat. Teori kinetika molekul gas mengasumsikan, bahwa antar molekul gas hanya terdapat gaya tarik menarik yang sangat lemah. Gaya tarik antar molekul atau antar ion - molekul pada cairan atau padatan jauh lebih kuat. Gaya tarik yang kuat ini menyebabkan antar molekul saling berikatan, sehingga cairan (dan padatan bila dalam bentuk bubuk) dapat dituang dari wadah satu ke wadah lainnya dan cairan dapat membentuk tetesan. Oleh karena pentingnya peranan gaya antarmolekul pada cairan dan padatan, maka pada bab berikut ini akan dibicarakan mengenai gaya antarmolekul GAYA ANTARMOLEKUL Berbagai tipe gaya antarmolekul terdapat pada Tabel Gaya antarmolekul tersebut meliputi interaksi antara ion dan molekul polar, antar molekul polar, dan antar molekul nonpolar. Perlu dicatat, bahwa semua gaya ini berasal dari gaya tarik elektrostatik, yaitu gaya tarik antara muatan positif dan negatif. Gaya antarmolekul sangat berperan di dalam banyak proses, terutama dalam hal energi yang berkaitan dengan berbagai perubahan keadaan suatu materi (padat, cair, gas). Juga berkaitan langsung dengan titik leleh, titik didih dan entalpi penguapan, yaitu sifat yang membutuhkan energi untuk mengatasi gaya tarik antar partikel. 84

3 Tabel 13.1 Gaya antarmolekul Jenis Interaksi Ion dipol Dipol dipol Dipol dipol induksi Dipol induksi dipol induksi Faktor dasar yang berperan dalam energi interaksi Muatan ion ; momen dipol Momen dipol Momen dipol, polarizability Polarizability Umumnya, gaya antarmolekul tidak sekuat gaya ikatan intramolekul. Kebanyakan energi ikatan kovalen berkisar antara 100 sampai 400 kj/mol. Gaya tarik antar ion di dalam senyawa ionik lebih besar, biasanya berkisar antara 700 sampai 1100 kj/mol. Sebagai acuan kasar, gaya antarmolekul umumnya 15% (atau kurang) dari energi ikatan. Interaksi antara ion dan molekul dengan dipol permanen Adanya distribusi elektron ikatan di dalam molekul seringkali menghasilkan dipol momen permanen. Molekul dengan dipol ini memiliki kutub positif dan negatif. Bila molekul polar dan senyawa ionik dicampur, kutub negatif dari dipol akan berikatan dengan kation positif, dan sebaliknya kutub positif dengan anion. Kekuatan gaya tarik antara ion positif atau negatif dengan molekul polar lebih lemah dibandingkan dengan gaya tarik antara ion-ion, tetapi lebih besar dibandingkan dengan gaya antarmolekul lainnya. Gaya tarik ion-dipol dapat diungkapkan dengan hukum Coulomb berikut : Gaya ~ (n + e)(n - e) d 2 Dari persamaan di atas, gaya tarik bergantung pada : - Jarak antara ion dan dipol ; makin dekat jarak antara ion dan dipol, gaya tarik semakin kuat. - Muatan ion ; makin besar muatan ion, semakin besar gaya tarik. 85

4 - Kekuatan dipol ; makin besar kekuatan dipol, gaya tarik semakin kuat. Contoh interaksi antara ion dengan molekul polar adalah pembentukan ion terhidrasi di dalam larutan air. Bila senyawa ionik dilarutkan dalam air, ion positif dan negatif dikelilingi oleh molekul air yang polar (Gambar 13.2). Gambar 13.2 Gaya tarik antara ion dengan kutub positif dan negatif kuat. Energi yang berkaitan dengan hidrasi ion disebut energi solvasi atau lebih spesifik disebut entalpi hidrasi. Nilai energi solvasi atau entalpi hidrasi suatu ion tidak dapat diukur langsung, tetapi nilainya dapat ditentukan. Solvasi atau hidrasi ion Na digambarkan oleh reaksi berikut : Na + (g) + x H 2 O (l) [Na(H 2 O) x ] + (aq) (x kemungkinan = 6) H reaksi = kj Energi gaya tarik bergantung pada 1/d, d adalah jarak antara pusat ion dengan muatan kutub yang berlawanan. Berarti, semakin besar jari-jari ion, entalpi hidrasi semakin kurang eksoterm. Tabel 13.2 Entalpi hidrasi kation logam alkali Kation jari-jari ion Entalpi hidrasi (pm) (kj/mol) Li

5 Na K Rb Cs Entalpi hidrasi dari ion H + sekitar 1090 kj/mol. Nilai yang besar ini disebabkan ion H + berukuran sangat kecil. Oleh karena ion H + terhidrasi sering diformulasikan sebagai ion H 3 O +, walaupun struktur sebenarnya lebih rumit. Garam terhidrasi seringkali dijumpai di dalam ilmu kimia. Contoh BaCl 2.2H 2 O dan CoCl 2.6H 2 O. Kadang-kadang molekul air menempati ruang kosong di dalam kisi kristal, tetapi seringkali kation dari garam tersebut berasosiasi langsung dengan molekul air. Contoh senyawa CoCl 2.6H 2 O lebih baik dituliskan sebagai [Co(H 2 O) 4 Cl 2 ].2H 2 O (Gambar 13.3). Gambar Gambar [Co(H 2 O) 4 Cl 2 ].2H 2 O yang berwarna coklat Empat dari enam molekul H 2 O berikatan dengan ion Co 2+ dengan gaya tarik ion-dipol, 2 molekul H 2 O lainnya di dalam kisi. Soal 13.1 : Energi hidrasi Jelaskan mengapa entalpi hidrasi Na + (- 405 kj/mol) sedikit lebih negatif dibandingkan dengan Cs + (- 263 kj/mol), sedangkan Mg 2+ jauh lebih negatif (- 1922kJ/mol) dibandingkan dengan Na + atau Cs +. Jawab : 87

6 Kekuatan atraksi ion-dipol bergantung pada ukuran ion bermuatan dan besarnya dipol dan berbanding terbalik pada jarak keduanya. Jari-jari ion Na + = 116 pm, Cs + = 181 pm, dan Mg 2+ = 86 pm. Dari harga jari-jari tersebut jarak antara pusat muatan positif ion logam dan kutub negatif dari dipol air : Mg 2+ < Na + < Cs + Gambar Jarak antar pusat ion logam dengan dipol negatif molekul air Energi hidrasi berbanding terbalik ( energi hidrasi Mg 2+ paling negatif. Selain itu, Mg 2+ memiliki muatan 2+, sedangkan ion lainnya bermuatan 1+. Ini berarti entalpi hidrasi Mg 2+ lebih negatif dibandingkan dengan kedua ion lainnya. Interaksi antar molekul dengan dipol permanen Apabila molekul polar bertemu dengan molekul polar yang sejenis atau berbeda, kedua molekul tsb. dapat berinteraksi. Kutub positif dari molekul yang satu berikatan dengan kutub negatif dari molekul yang lain (Gambar 13.5). Gambar Atraksi dipol - dipol Terjadinya atraksi dipol-dipol mempunyai efek yang penting terhadap sifat zat. Pentingnya gaya tarik antarmolekul terhadap penguapan cairan atau kondensasi gas. Pada kedua proses tersebut terjadi perubahan energi. Penguapan membutuhkan tambahan panas (entalpi penguapan H vap.). Nilai energi penguapan adalah positif, artinya penguapan merupakan proses endoterm. Perubahan entalpi untuk proses kondensasi, kebalikan proses penguapan, bernilai negatif, karena panas dilepaskan dari sistim saat kondensasi. 88

7 Entalpi penguapan mengukur kekuatan gaya tarik antarmolekul dalam keadaan cair. Untuk mengubah dari fasa cair menjadi gas, dibutuhkan tambahan energi untuk mengatasi gaya tarik antarmolekul, sehingga molekul terpisah dan lolos menjadi uap. Semakin kuat gaya tarik antarmolekul cairan, semakin besar pula energi yang dibutuhkan untuk memisahkan molekul. Berarti senyawa polar memiliki nilai entalpi penguapan yang lebih besar dibandingkan senyawa nonpolar dengan massa yang sama. Titik didih cairan juga berkaitan dengan gaya tarik antarmolekul. Bila temperatur dinaikan, molekul mendapatkan tambahan energi kinetika sampai akhirnya setelah mencapai titik didihnya molekul mempunyai energi kinetika yang cukup untuk mengatasi gaya tarik antarmolekul. Makin kuat gaya tarik antarmolekul, titik didih semakin tinggi. Gaya antarmolekul juga mempengaruhi kelarutan. Pengamatan secara kualitatif terhadap kelarutan adalah like dissollves like. Artinya molekul polar larut dalam pelarut polar, dan molekul nonpolar larut dalam pelarut nonpolar. Molekul polar tak dapat larut dalam pelarut nonpolar atau molekul nonpolar tak dapat larut dalam pelarut polar. Contoh : air dan etanol (C 2 H 5 OH) dapat dicampur dalam segala perbandingan membentuk campuran homogen. Sebaliknya air sangat tidak larut dalam gasolin. Perbedaan ini disebabkan karena air merupakan molekul polar, sedangkan molekul hidrokarbon di dalam gasolin ( misalkan oktana C 8 H 18 ) adalah nonpolar. Interaksi antara air-etanol cukup kuat, sehingga energi untuk memutuskan ikatan air berasal dari energi atraksi antara 2 molekul polar. Sebaliknya, atraksi antara air-hidrokarbon adalah lemah. Molekul hidrokarbon tak dapat merusak atraksi air-air yang kuat. Ikatan hidrogen Hidrogen fluorida dan beberapa senyawa lainnya dengan ikatan O-H atau N-H mempunyai kekecualian sifat. Hal ini dapat dilihat dari hasil pengujian titik didih senyawa hidrogen dari unsur golongan 4A sampai 7A. Umumnya, titik didih senyawa hidrogen dengan unsur segolongan bertambah dengan semakin besarnya massa molar. Contoh : titik didih senyawa hidrogen dari unsur golongan 4A (CH 4, SiH 4, GeH 4, SnH 4 ). Efek yang sama juga terlihat pada molekul yang lebih berat, yaitu senyawa hidrogen dari unsur golongan 5A, 6A, dan 7A. Akan tetapi titik didih NH 3, H 2 O dan HF sangat menyimpang dari ketentuan yang berdasarkan massa molar. Titik didih NH 3 dan HF jauh lebih besar daripada yang diharapkan berdasarkan massa molar. Oleh karena titik didih suatu zat bergantung terhadap kekuatan gaya tarik antarmolekul, maka tingginya titik didih H 2 O, HF, dan NH 3 menunjukan adanya gaya 89

8 tarik antarmolekul yang kuat. Gaya tarik tsb. disebabkan oleh adanya ikatan hidrogen, yaitu interaksi dipol-dipol khusus yang menyangkut ikatan polar H-X. Gambar Ikatan hidrogen Ikatan dipol ditimbulkan sebagai akibat adanya perbedaan kelektronegatifan antara atom-atom yang berikatan. Keelektronegatifan N (3,0), O (3,5), dan F (4,0) merupakan yang tertinggi dari semua unsur, sedangkan keelektronegatifan hidrogen jauh lebih rendah (2,1). Adanya perbedaan keelektronegatifan yang besar berarti ikatan N-H, O-H, dan F-H sangat polar. Pada ikatan antara H dengan N, O, atau F, unsur yang memiliki keelektronegatifan lebih besar relatif bermuatan negatif, sedangkan atom hidrogen relatif bermuata positif. Gaya Dispersi : Interaksi dipol induksi Gaya dispersi terdapat dalam semua molekul. Gaya tersebut bersifatnya elektrostatik dan berasal dari atraksi dipol induksi. Gaya ini dapat menerangkan bagaimana molekul nonpolar seperti iodine I 2, dapat berubah menjadi padatan pada temperatur kamar atau bagaimana I 2 dapat larut dalam air atau etanol. Besarnya kekuatan gaya dispersi dimulai dari molekul yang sangat lemah sampai sangat kuat. Contoh pada HCl, sekitar 20% dari gaya antarmolekulnya adalah atraksi dipol-dipol dan 80% nya adalah gaya dispersi. Interaksi antara molekul polar dengan nonpolar Kelarutan oksigen dalam air sangat kecil, dengan konsentrasi sekitar 10 ppm ( atau sekitar 0,001% berat). Hal ini penting untuk diketahui, karena mikroorganisme menggunakan oksigen untuk merubah zat organik yang larut dalam air menjadi senyawa yang lebih sederhana. Jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk mengoksidasi sejumlah zat organik disebut BOD (biological oxygen demand). Air yang sangat tercemar mengandung konsentrasi zat organik yang tinggi, berarti nilai BOD tinggi. 90

9 Molekul O 2 yang nonpolar dapat larut dalam air yang polar, karena molekul polar seperti air dapat menginduksi atau menciptakan dipol pada molekul yang tidak memiliki dipol permanen. Gambar 13.7 menggambarkan molekul air yang polar dapat menginduksi dipol pada molekul nonpolar seperti O 2. Gambar 13.7 Induksi dipol air dengan molekul O 2. Pada awalnya, awan elektron pada molekul O 2 (gas) terdistribusi secara merata diantara kedua atom oksigen.bila kutub negatif pada molekul H 2 O mendekati O 2, awan elektron O 2 akan terdistorsi. Molekul O 2 menjadi polar, karena molekul air yang polar dapat menginduksi dipol di dalam O 2 yang nonpolar. Akibatnya molekul H 2 O dan O 2 dapat saling tarik menarik walaupun lemah. Oksigen dapat larut dalam air karena ada gaya tarik antara dipol permanen dengan dipol induksi (gaya dipol/dipol induksi). Proses menginduksi dipol disebut polarisasi, dan derajat awan elektron suatu atom (misalkan Ne atau Ar) atau molekul (misalkan O 2, N 2, atau I 2 ) dapat didistorsikan untuk membentuk dipol bergantung pada polarizability atom atau molekul. Elektron valensi dari atom atau molekul yang besar, seperti I 2, dapat dipolarisasi atau didistorsi lebih mudah dibandingkan dengan elektron pada atom atau molekul yang lebih kecil, seperti He atau H 2. Pada atom atau molekul yang lebih kecil, elektron valensi lebih dekat ke inti dan lebih kuat terikat oleh inti. Umumnya, untuk senyawa deret analog, seperti halogen atau alkana, semakin besar massa molar molekul semakin besar polarizability. Kelarutan beberapa gas di dalam air dapat dilihat pada Tabel 13.3 Tabel 13.3 Kelarutan beberapa gas dalam air Gas Massa molar Kelarutan pada 20 O C (g/mol) (g gas/100 g air) H 2 2,01 0, N 2 28,0 0, O 2 32,0 0,

10 Bila massa molar gas semakin besar, polarizability awan elektron makin besar, dipol makin mudah diinduksi, dan kekuatan interaksi dipol/dipol induksi bertambah. Berarti kelarutan zat nonpolar dalam zat polar umumnya meningkat dengan makin besarnya massa. Interaksi antar molekul nonpolar Iodine I 2, pada STP berupa padatan, hal ini disebabkan karena antar iodine yang nonpolar terdapat gaya antarmolekul. Kekuatan gaya ini dapat dilihat dari nilai entalpi penguapan zat pada titik didih. N 2, O 2, dan CH 4 mempunyai gaya antarmolekul yang sangat lemah, sehingga mempunyai titik didih dan entalpi penguapan yang sangat rendah. I 2 dan benzena mempunyai gaya antarmolekul yang kuat, sehingga mempunyai titik didih dan entalpi penguapan tinggi. H (penguapan) Titik didih Senyawa (kj/mol) ( O C) N 2 5, O 2 6, I 2 41, CH 4 (metana) 8,2-161,5 C 6 H 6 (benzena) 30,7 80,1 Dua molekul nonpolar dapat saling tarik menarik, hal ini akibat elektron di dalam atom atau molekul yang selalu melakukan gerakan yang konstan. Umumnya, awan elektron disekitar atom adalah bulat (Gambar 13.8). Bila dua atom atau molekul nonpolar saling mendekati, maka akan timbul gaya tolak atau gaya tarik, masing-masingnya antara elektron-elektron atau elektron-inti dan menyebabkan terjadinya distorsi awan elektron membentuk dipol induksi yang tak permanen. Dipol induksi ini menyebabkan gaya tarik antarmolekul. Berarti, gaya tarik antarmolekul nonpolar dalam cairan dan padatan adalah gaya dipol induksi/dipol induksi. 92

11 Gambar 13.8 Interaksi dipol induksi Perlu ditekankan kembali, gaya dispersi terdapat pada semua molekul polar maupun nonpolar. Akan tetapi, antara molekul nonpolar hanya terdapat gaya dispersi. Soal 13.2 Gaya antarrmolekul Gaya antarrmolekul apakah yang bekerja pada : (a) metana (CH 4 ) cair, (b) campuran air (H 2 O) dan metanol (CH 3 OH) (c) Larutan litium klorida (LiCl) dalam air. Serta buat urutan kekuatan interaksinya. Jawab: (a) Metana CH 4 merupakan molekul kovalen sederhana. Berdasarkan struktur Lewisnya metana berupa molekul tetrahedral dan nonpolar. Berarti molekul metana berinteraksi melalui gaya dipol induksi (Gambar 13.9). Gambar 13.9a. Geometri molekul CH 4. (b). Air dan metanol, keduanya polar dan mempunyai ikatan O-H. Berarti keduanya berinteraksi melalui gaya dipol-dipol yang disebut ikatan hidrogen. 93

12 Gambar 13.9b. Ikatan hidrogen (c). LiCl merupakan senyawa ionik yang terdiri dari ion Li + dan Cl -. Air adalah molekul polar, berarti gayanya adalah ion-dipol. Urutan kekuatan interaksinya : CH 4 cair < H 2 O dan CH 3 OH < LiCl dalam H 2 O 13.3 SIFAT CAIRAN Entalpi penguapan Penguapan merupakan proses endoterm, karena diperlukan energi untuk mengatasi gaya tarik antarmolekul. Energi panas yang dibutuhkan untuk menguapkan cairan disebut entalpi penguapan molar H O vap (dalam satuan kilojoule per mol). Cairan penguapan Energi panas diserap oleh cairan uap Bila antara molekul uap dan permukaan cairan terjadi kontak, molekul uap akan kembali masuk ke dalam fasa cair, dan proses ini disebut kondensasi. Kondensasi merupakan proses eksoterm, dilepaskan energi ke lingkungan. Nilai entalpi kondensasi sama dengan entalpi penguapan tetapi berlawanan tanda. Contoh : Entalpi kondensasi 1 mol air pada 100 O C = - 40,7 kj, maka entalpi penguapan 1 mol air pada 100 O C = + 40,7 kj. Terdapat hubungan antara titik didih, entalpi penguapan, dan massa molar.titik didih cairan nonpolar (seperti hidrokarbon, gas di udara, dan halogen) bertambah dengan semakin besarnya massa atom atau massa molekul, karena gaya dispersi antarmolekul semakin besar. Alkana juga menunjukan kecenderungan yang sama. Titik didih dan entalpi penguapan hidrogen halida (HX, dimana X = Cl, Br dan I) makin besar dengan bertambahnya massa molar. Untuk molekul tersebut, bekerja gaya dipol-dipol dan gaya dispersi dimana semakin besar massa molar gaya dispersi semakin berperan. Harga entalpi penguapan yang tinggi untuk HF dan H 2 O disebabkan karena adanya ikatan hidrogen. 94

13 Soal 13.3 : entalpi penguapan Bila 1,00 L air diuapkan di dalam pan pada 100 O C, berapa panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air tersebut?. H vap air = + 40,7 kj/mol pada 100 o C. Jawab : Densitas air pada 100 O C = 0,958 g/cm 3. 1,00L air = 958 g = 53,2 mol. 1,00 L X 1000mL 1L X 0,958g 1mL X 1molH 2O 18,02g = 53,2 mol H 2 O Jumlah energi yang dibutuhkan untuk penguapan = 53,2 mol X 40,7kJ mol = 2,16x10 3 kj (ekivalen dengan ¼ energi yang dihasilkan dari makanan setiap hari). Bila kita berolahraga dengan kuat, tubuh akan berkeringat. Untuk proses penguapan panas yang dibutuhkan diambil dari tubuh, akibatnya tubuh merasa dingin. Bila uap air di udara berkondensasi menjadi air hujan, maka panas yang dilepaskan 2,0x10 8 kj. Panas ini ekivalen dengan panas dari 50 ton dinamit. Tekanan uap Bila suatu cairan ditempatkan dalam wadah tertutup, cairan akan menguap sampai akhirnya dicapai kecepatan penguapan sama dengan kecepatan kondensasi. Keadaan ini disebut kesetimbangan dinamik. Cairan uap Pada wadah terbuka, uap yang terbentuk berdifusi menjauhi permukaan cair, kesetimbangan tak pernah terjadi dan uap terus terbentuk hingga semua cairan menguap. Saat kesetimbangan cair uap telah dicapai, tekanan yang dihasilkan oleh uap disebut tekanan uap. 95

14 Gambar Tekanan uap Tekanan uap semakin besar dengan semakin meningkatnya temperatur (Gambar 13.12). Semakin tinggi temperatur, semakin banyak molekul yang memiliki energi untuk berubah menjadi uap. Oleh karena itu tekanan uap semakin besar apabila temperatur dinaikan. Contoh pada 25 O C tekanan uap air 24 mm Hg, sedangkan pada 60 O C adalah 149 mm Hg. Gambar Kurva tekanan uap Soal 13.4 : tekanan uap Bila sebanyak 2,00 L air ditempatkan dalam ruangan tertutup dengan volume 4,33x10 4 L, kemudian diamati jumlah air yang menguap. Apakah semua air akan menguap pada temperatur 25 O C?. (Pada 25 O C, densitas air 0,997 g/ml dan tekanan uap 23,8 mm Hg). Jawab : Pertama, harus dihitung jumlah air yang harus menguap dalam ruangan 4,33x10 4 pada 25 o C, sehingga menghasilkan tekanan 23,8 mm Hg. Dengan menggunakan hukum gas ideal : n = PV (23,8mmHg / 760mmHg) = X 4,33x10 4 L = 55,5 mol H 2 O. RT (0,082057L. atm / K. mol)(298k) 55,5 mol H 2 O X 18,02g = 999 g H 2 O mol 999 g H 2 O X 1mL = 1,00x10 3 ml H 2 O 0,997g 96

15 Berarti hanya separuh air yang dibutuhkan untuk menghasilkan tekanan uap sebesar 23,8 mm Hg pada ruangan tsb. dan 25 O C. Hubungan antara tekanan uap cairan dengan temperatur dinyatakan dengan persamaan Clausius-Clapeyron : ln P = - ( H vap / RT) + C P = tekanan uap T = temperatur Kelvin R = konstanta gas H vap = entalpi penguapan cairan C = konstanta Persamaan ini digunakan untuk menentukan H vap. Plot ln P terhadap 1/T, menghasilkan garis lurus dengan slope - ( H vap / R). Titik didih Bila air ditempatkan dalam beaker terbuka, maka massa dari udara akan menekan permukaan air. Dengan pemanasan, semakin banyak uap air yang tebentuk dan akan mendorong molekul udara menjauhi permukaan. Akhirnya pada temperatur tertentu tekanan uap cairan sama dengan tekanan udara. Pada keadaan ini, gelembung uap mulai terbentuk di dalam cairan dan cairan mendidih. Titik didih suatu cairan adalah temperatur saat tekanan uap sama dengan tekanan luar. Bila tekanan luar 1 atm, disebut titik didih normal. Terdapat hubungan antara titik didih normal, tekanan uap dan gaya antarmolekul. Titik didih normal air 100 O C, dan dibeberapa tempat di Amerika air mendidih pada temperatur sangat mendekati 100 O C. Pada tempat yang lebih tinggi seperti Salt Lake City, mempunyai tekanan udara sekitar 650 mmhg, sehingga air mendidih pada temperatur 95 O C. Memasak makanan lebih lama matang di Salt Lake City dibandingkan di New York. 97

16 normal boiling point is the temperature at which a liquid boils under one atm of pressure. pressure = 1 atm vapor pressure = 1 atm liquid BOILING 37 Gambar 5.13 Titik didih Temperatur dan tekanan kritis Dari kurva tekanan uap pada Gambar 13.12, terlihat seolah-olah tekanan uap akan terus naik tanpa batas, padahal tidak demikian. Pada temperatur dan tekanan tertentu, batas antarmuka cair dan uap hilang. Titik ini disebut titik kritis. Temperatur pada titik kritis disebut temperatur kritis dan tekanannya disebut tekanan kritis. Zat yang berada pada kondisi kritis disebut fluida superkritis, yaitu seperti gas pada tekanan tinggi yang densitasnya sama dengan cairan, sementara viskositasnya tetap mirip gas. Untuk sebagian besar zat, titik kritis terjadi pada kondisi temperatur dan tekanan tinggi. Contoh, air mempunyai temperatur kritis 374 O C dan tekanan kritis 217,7 atm (Tabel 13.5). Pada tekanan tinggi, molekul air ditekan hingga jaraknya berdekatan seperti pada cairan. Akan tetapi pada temperatur tinggi, berarti molekul molekul ini mempunyai energi kinetika yang cukup untuk mengatasi gaya tarik antarmolekul. Berarti, fluida kritis mempunyai susunan molekul yang kuat dan rapat seperti cairan, tetapi gaya tarik antarmolekul yang merupakan karakteristik cairan lebih kecil daripada energi kinetika partikel. Fluida superkritis, seperti air dan CO 2, sangat berguna sekali karena mempunyai kemampuan untuk melarutkan material yang secara normal tak larut. Fluida superkritis CO 2 tidak larut dalam air dan senyawa polar lainnya seperti gula, tetapi larut dalam minyak nonpolar yang merupakan senyawa yang menyebabkan rasa dan bau dalam makanan. Oleh karena itu, sekarang perusahaan makanan menggunakan superkritis CO 2 untuk mengekstrak kafein dari kopi. Tabel 13.5 Temperatur dan tekanan kritis beberapa senyawa 98

17 Senyawa T K ( O C) P K (atm) CH 4 (metana) - 82,6 45,4 C 2 H 6 (etana) 32,3 49,1 C 3 H 8 (propana) 96,7 41,9 C 4 H 10 (butana) 152,0 37,3 CCl 2 F 2 (CFC-12) 111,8 40,9 NH 3 132,4 112,0 H 2 O 374,0 217,7 CO 2 30,99 72,8 SO 2 157,7 77,8 The Critical Phenomenon of SF 6 T < T c T > T c T ~ T c T < T c Gambar Fluida superkritis SF Tegangan permukaan, aksi kapiler dan viskositas Molekul di dalam cairan, mengalami interaksi dengan semua molekul yang mengelilinginya. Sebaliknya, molekul pada permukaan cairan hanya berinteraksi dengan molekul yang berada di bawah permukaan (Gambar 13.15). Akibatnya, molekul permukaan mengalami gaya tarik ke bawah, dan permukaan menjadi tegang seolah cairan mempunyai kulit. Kekuatan kulit cairan ini, di ukur besarannya melalui besarnya tegangan permukaan. 99

18 Properties of Liquids Surface tension is the amount of energy required to stretch or increase the surface of a liquid by a unit area. Strong intermolecular forces High surface tension 11.3 Gambar Tegangan Permukaan shape that liquids form when dropping through the air: The molecules are all being pulled toward the center. Gambar Tetesan cairan Adanya tegangan permukaan menyebabkan tetesan air berbentuk bulat, karena bulatan mempunyai luas permukaan yang lebih kecil dibandingkan bentuk lainnya dengan volume yang sama. Aksi kapiler sangat berkaitan dengan tegangan permukaan. Bila sebuah pipa kapiler dicelupkan ke dalam air, maka air akan naik di dalam pipa kapiler, seperti halnya air naik dalam secarik kertas. Oleh karena gelas terdapat ikatan Si-O yang polar, maka molekul air yang juga polar akan mengalami gaya adhesi dengan gelas. Gaya adhesi yang kuat ini akan berkompetisi dengan gaya kohesi antar molekul air. Berarti sebagian molekul air akan menempel pada gelas dan sebagian lain antar molekul air, membentuk jembatan kembali ke air. Tegangan permukaan air (dari gaya kohesi) cukup kuat untuk menarik cairan naik di dalam pipa kapiler. Gaya ini menyebabkan permukaan air cekung di dalam gelas atau dalam tabung reaksi. Beberapa cairan mempunyai gaya kohesi yang lebih besar dibandingkan gaya adhesi dengan gelas. Contoh air raksa, permukaan cairan akan turun di dalam pipa kapiler dan permukaannya cembung. 100

19 Viskositas adalah tahanan cairan untuk mengalir. Bila air dituang dari gelas, gelas akan kosong dengan cepat. Sebaliknya, bila yang dituang adalah madu, gelas akan kosong dalam waktu yang lebih lama. Selain gaya antarmolekul, ada faktor lain yang mempengaruhi viskositas. Contoh olive oil yang terdiri dari rantai atom karbon dan oksigen yang sangat panjang memiliki viskositas 70 kali lebih besar dibandingkan dengan etanol, molekul kecil yang hanya terdiri dari 2 atom karbon, 5 atom hidrogen dan 1 atom oksigen. Molekul natural oil yang panjang, lentur dan saling berkaitan satu sama lain, semakin panjang rantainya, semakin berkaitan satu sama lain dan viskositas makin besar. Juga makin panjang molekul, gaya antarmolekul semakin besar, karena semakin banyak atom yang saling tarik menarik. Soal 13.5 Viskositas Gliserol (HOCH 2 CHOHCH 2 OH) digunakan dalam kosmetik. Apakah viskositas gliserol lebih besar atau lebih kecil dibandingkan dengan etanol CH 3 CH 2 OH? LOGAM DAN PADATAN IONIK Banyak jenis padatan dijumpai di sekitar kita, seperti terlihat pada Gambar Gambar a. Garam, NaCl, padatan ionik. b. Aluminium, padatan logam. c. Silikon, kerangka padatan. d. Botol semprot, polietilen, padatan amorf. Kimia zat padat merupakan ilmu pengetahuan yang maju pesat, karena berkaitan dengan pengembangan material baru. Kisi kristal dan unit sel atom logam Molekul gas dan cairan bergerak secara kontinyu dan random, juga berotasi dan bervibrasi. Akibat pergerakan tersebut susunan molekul gas dan cairan tidak teratur. 101

20 Molekul, atom atau ion padatan tak dapat bergerak (walaupun bervibrasi dan kadangkadang berotasi), sehingga susunan atom atau molekulnya membentuk pola yang teratur. Tabel 13.6 Struktur dan sifat dari berbagai tipe zat padat Tipe Contoh Unit Struktur Ionik NaCl, K 2 SO 4, CaCl 2 Ion positif dan negatif (NH 4 ) 3 PO 4 Logam Besi, Perak, Tembaga, Atom logam (ion logam positif yang logam paduan dikelilingi oleh lautan elektron Molekul H 2, O 2, I 2, H 2 O, CO 2, CH 4 Molekul saling berikatan dengan Ikatan kovalen Kerangka Grafit, Intan, Kuarsa. Atom berikatan membentuk kerang ka satu, dua atau tiga dimensi Amorf Gelas, polietilen, nilon Kerangka yang berikatan kovalen (Glassy) tanpa aturan dan batasan tertentu Struktur padatan dapat digambarkan sebagai kisi atom, ion atau molekul tiga dimensi. Unit berulang terkecil dari susunan atom, ion atau molekul dalam kristal padat disebut unit sel. Gambar Unit sel dari padatan datar dua dimensi yang terbentuk dari lingkaran atom Struktur makroskopik kristal dari susunan atom yang indah menyatakan bahwa kristal tersebut mempunyai suatu simetri dalam, simetri adalah merupakan ion-ion yang ikut serta membentuk padatan. Struktur padatan dapat digambarkan dalam kisi tiga dimensi atom, ion atau molekul. Untuk menggambarkan struktur, perlu digambarkan dahulu unit sel nya. Bagi padatan kristal, unit sel adalah bagian terkecil dari unit pengulangan yang mempunyai seluruh karakter simetri dari cara penyusunan atom, ion atau molekul. 102

21 Umumnya dalam kisi kristal terdapat beberapa unit sel yang mungkin terbentuk. Contoh pada Gambar 13.17, segi empat pada gambar di atas adalah unit sel. Kisi keseluruhan dibangun dari gabungan unit sel secara sisi dengan sisi (edge to edge). Unit sel juga mencerminkan stoikiometri padatan. Unit sel segi empat (hijau), terdiri dari seperempat dari empat buah bulatan putih dan satu bulatan hitam, sehingga total terdiri dari 1 bulatan putih dan 1 bulatan hitam per unit sel. Unit sel dari kisi kristal dua dimensi lainnya juga dapat dengan mudah digambarkan, seperti segi empat (merah), yang terdiri dari satu lingkaran putih penuh, atau jajaran genjang (kuning). Secara konvensional unit sel digambarkan dengan meletakkan atom atau ion pada titik-titik kisi, yaitu pada sudut-sudut kubus atau bentuk geometrik lainnya yang menyusun unit sel. Kisi kristal tiga dimensi dapat dibangun dari gabungan unit sel tiga dimensi, seperti blok bangunan (building block). Ada 7 macam unit sel (Gambar 13.18), yaitu kubus, tetragonal, ortorombik, trigonal, heksagonal, monoklinik dan triklinik Gambar Unit sel dari 7 sistim kristal Unit sel yang paling sederhana adalah kubus. Selanjutnya hanya akan dibicarakan unit sel kubus. Ada 3 buah unit sel kubus, yaitu primitive atau kubus sederhana (sc), kubus berpusat bidang (bcc) dan kubus berpusat muka (fcc). 103

22 contains 1 atom unit cells: contains 2 atoms 41 Gambar Unit sel kubus Ketiganya memiliki 8 atom atau ion sejenis pada pojok unit sel kubus. Akan tetapi pada struktur bcc dan fcc selain kedelapan partikel tersebut, terdapat tambahan partikel sejenis. Pada struktur bcc terdapat tambahan partikel pada pusat bidang kubus, sedangkan pada struktur fcc terdapat tambahan 6 partikel, masing-masing pada pusat sisi kubus. Logamlogam memiliki struktur kubus, contoh struktur bcc : logam alkali, struktur fcc : nikel, tembaga, aluminium. Saat unit sel kubus sederhana (bc) bergabung membentuk kristal 3 dimensi, masing-masing partikel pojok mengadakan sharing dengan 8 kubus (Gambar 13.20). Oleh karena itu, hanya 1/8 bagian dari masing-masing partikel pojok berkontribusi di dalam unit sel. Berarti jumlah partikel di dalam unit sel kubus bc = (8 pojok kubus)(1/8 masingmasing partikel pojok di dalam unit sel) = 1 partikel per unit sel. Shared by 8 Shared by 2 unit cells unit cells

23 Gambar Penggunaan Atom pada kubus pusat sudut dan muka Pada struktur fcc, selain memiliki 8 partikel pojok juga terdapat 6 partikel pada pusat sisi kubus. Masing-masing partikel pada pusat sisi kubus dipakai bersama dengan kubus lainnya. Artinya, masing-masing menyumbangkan ½ partikel per sisi kubus. Berarti jumlah partikel berpusat muka di dalam unit sel fcc = (6 sisi kubus)(1/2 partikel di dalam unit sel) = 3 partikel berpusat muka per unit sel. Total ada 4 atom atau ion per unit sel, 1 berasal dari kontribusi atom atau ion pojok ditambah 3 dari kontribusi atom atau ion pada pusat muka. Teknik x-ray crystallography dapat digunakan untuk menentukan struktur kristalin. Setelah struktur diketahui, kemudian dikombinasikan dengan informasi yang diperoleh dari percobaan lain untuk menghitung parameter yang sangat berguna yakni jarijari atom. Soal 13.6 Penentuan jari-jari atom dari pengukuran kisi kristal. Aluminium memiliki densitas 2,699 g/cm 3 dengan struktur fcc. Hitunglah jari-jari atom aluminium. Jawab : Tahapan dalam menyelesaikan soal di atas : Tahap 1 : menghitung massa unit sel 26,98 g 1 mol 4 atom Massa unit sel = X X = 1,792x10-22 g 1 mol 6,022x10 23 unit sel Tahap 2 : Menghitung volume unit sel 1,792x10-22 g 1 cm 3 Volume unit sel = X = 6,640x10-23 cm 3 / unit sel 1 unit sel 2,699 g Tahap 3 : Menghitung Menghitung panjang rusuk unit sel Panjang rusuk unit sel = 3 6,640x10-23 cm 3 = 4,049x10-8 cm Tahap 4 : Menghitung jari-jari atom Dari gambar kubus berpusat muka berikut : 105

24 Atom pusat menyentuh masing-masing atom pojok, sehingga jarak diagonal pada sisi = 4x jari-jari bulatan atom. Diagonal sisi sel = 4 x (jari-jari atom Al) Jarak diagonal dapat dicari dari segitiga ; (Jarak diagonal) 2 = (rusuk) 2 + (rusuk) 2 = 2 x (rusuk) 2 Jarak diagonal = 2 x ( rusuk) = 2 x (4,049x10-8 cm) = 5,727x10-8 cm Jarak diagonal dibagi 4 = jari-jari atom : (5,727x10-8 cm) Jari-jari atom Al = = 1,432x10-8 cm = 143,2 pm Contoh 13.7 Struktur besi padat Besi memiliki densitas 7,8740 g/cm 3, dan jari-jari atom besi 126 pm. Buktikan bahwa struktur besi padat adalah kubus berpusat bidang (bcc). Jawab : Unit sel bcc mengandung 2 atom. Apabila dengan menggunakan data densitas besi dan jari-jari atom didapatkan 2 atom per unit sel, berarti unit selnya adalah bcc. Step 1. Mencari panjang rusuk kubus (Jarak diagonal bidang kubus) 2 = (rusuk sel) 2 + (diagonal sisi) 2 = (rusuk sel) 2 + [ 2 X (rusuk sel)] 2 106

25 = 3 X (rusuk sel) 2 Jarak diagonal bidang kubus = 3 X (rusuk sel) Jarak diagonal bidang kubus = 4 X jari-jari atom Gambar diagonal kubus = 4 x jari-jari atom 4 X jari-jari atom = 3 X (rusuk sel) 4 X jari-jari atom 4 X 126 pm Panjang rusuk sel = = = = 291 pm = 2,91 X 10-8 cm 3 3 Step 2. Menghitung volume unit sel (kubus) Volume unit sel = (2,91 x 10-8 cm) 3 = 2,46 x cm 3 Step 3. Menghitung massa unit sel Massa unit sel = (2,46 x cm 3 ) X 7,8740 g Cm 3 = 1,94 X g Step 4. Menghitung massa atom besi, kemudian dibandingkan dengan massa unit sel 55,85 g 1 mol Massa 1 atom Fe = X = 9,274 X g / atom 1 mol 6,022 X atom 1,94 X g / unit sel = 2,09 atom per unit sel 9,274 X g / atom Harga ini mendekati 2 atom per unit sel. Jadi unit sel besi adalah bcc. 107

26 Struktur dan formula padatan ion Penentuan kisi dan jumlah dan lokasi hole merupakan kunci untuk mengerti hubungan antara struktur kisi dengan formula garam. Contoh senyawa ionik CsCl (Gambar 13.21) Other types of forces holding solids together: ionic: charged ions stuck together by their charges There are no individual molecules here. 18 Gambar Struktur kristal CsCl, ZnS dan CaF 2 Ion Cl membentuk unit sel kubus sederhana, sedangkan ion Cs menempati hole yang berada pada pusat kubus. Berarti pada kisi ini ion Cs + dikelilingi oleh 8 ion Cl - tetangga terdekat. Contoh NaCl Gambar unit sel NaCl dapat dilihat pada Gambar

27 NaCl Structure Gambar Struktur Natrium klorida Ion Cl - tersusun di dalam unit sel fcc, dan ion Na + tersusun dengan cara teratur diantara ion Cl -. Masing-masing ion Na + dikelilingi oleh 6 ion Cl - membentuk geometri oktahedral (Gambar 13.31c). Dengan demikian ion Na + berada dalam struktur oktahedral MATERIAL PADAT JENIS LAIN Sejauh ini yang dibicarakan adalah struktur logam dan padatan ionik sederhana. Berikut ini, akan dibicarakan mengenai kategori padatan lainnya, yaitu padatan molekular, padatan network dan padatan amorf. Molecular solid Molekul kovalen, seperti H 2 O dan CO 2 pada kondisi tertentu berada dalam keadaan padat. Pada senyawa ini, molekulnya (bukan atom atau ion) sejajar dengan susunan teratur dalam kisi tiga dimensi. Contoh struktur es. 109

28 Gambar Struktur es Bagaimana molekul tersusun di dalam kisi kristal bergantung pada bentuk molekul dan tipe gaya antarmolekul. Molekul cenderung menyusun diri dengan cara yang paling efisien, yaitu tersusun untuk mengisi ruangan secara efisien, jadi sedekat mungkin, dan berurutan atau sejajar yang memaksimalkan gaya tarik antarmolekul. Struktur air dibangun untuk mendapatkan gaya tarik antarmolekul maksimum melalui ikatan hidrogen. Molekul asam organik seringkali padatannya berupa dimer, yaitu dua molekul yang dihubungkan dengan ikatan hidrogen. Jaringan Padatan (Network Solid) Network solid atau jaringan padatan, adalah zat yang tersusun dari jejaring atom-atom yang berikatan secara kovalen. Contoh : karbon grafit dan intan. 110

29 Covalent Network: (diamonds, quartz) very strong Å 1.54 Å 3.35 Å What type of hybridization is present in each? 21 Gambar (a) Padatan molekul (b) Network solid Padatan Amorf Karakteristik dari padatan kristal murni (logam, padatan ionik, padatan molekul) adalah meleh pada temperatur tertentu. Contoh: air meleh pada 0 o C, aspirin pada 135 o C, timbal pada 327,5 o C, dan NaCl pada 801 o C. Bila dipanaskan es pada 0 o C mulai meleleh dan temperatur tetap pada 0 o C sampai semua padatan telah berubah menjadi cair. Hanya setelah semua es meleleh, temperatur akan naik kembali. Oleh karena nilainya spesifik dan reprodusibel, sehingga titik leleh sering digunakan untuk mengidentifikasi senyawa kimia. Banyak padatan yang sering dijumpai sehari-hari tidak mempunyai sifat tsb. Sebagai contoh gelas. Bila gelas dipanaskan, akan meleleh pada range temperatur yang luas. Sifat ini sangat berguna bagi artisans dan craftsmen yang dapat menciptakan produk yang indah dan fungsional.bagi kegunaan dan kesenangan manusia. 111

30 An amorphous solid does not possess a well-defined arrangement and long-range molecular order. A glass is an optically transparent fusion product of inorganic materials that has cooled to a rigid state without crystallizing Crystalline quartz (SiO 2 ) Non-crystalline quartz glass 11.7 Gambar Padatan kristal kuarsa SiO 2 dan amorf SiO SIFAT FISIKA ZAT PADAT Titik leleh padatan atau titik beku cairan adalah temperatur saat fasa padat dan cairan berada dalam kesetimbangan. Transformasi padatan menjadi cair (pelelehan) membutuhkan energi yang disebut entalpi fusion (kilojoule per mol). Energi panas yang diabsorbsi saat pelelehan = Entalpi fusi = H fusi Energi panas yang dilepaskan saat membeku = Entalpi kristalisasi = - H fusi Titik leleh yang rendah berarti harga entalpi fusionnya juga rendah, sebaliknya titik leleh yang tinggi berarti harga entalpi fusionnya tinggi. 112

31 H 2 O (s) H 2 O (l) The melting point of a solid or the freezing point of a liquid is the temperature at which the solid and liquid phases coexist in equilibrium Melting Freezing 11.8 Gambar Pelelehan Tabel 13.7 Titik leleh dan entalpi pelelehan beberapa padatan Senyawa Titik Leleh ( o C) Entalpi Fusi (kj/mol) Tipe Gaya Intermolekul LOG A M Hg ,29 Na 98 2,60 Al ,7 Ikatan Logam Ti ,9 W ,2 Padatan molekular : Molekul nonpolar O ,440 F ,510 Hanya gaya dispersi Cl ,41 Br 2-7,2 10,8 Padatan molekular : Molekul Polar HCl ,99 HBr ,41 Ketiga molekul HX memiliki gaya dipol-dipol dan gaya dispersi yang semakin besar dengan 113

32 bertambahnya ukuran dan massa molar HI ,87 H 2 O 0 6,02 Ikatan Hidrogen Padatan Ionik NaF ,4 Semua padatan ionik memiliki extended ion ion interaction. NaCl ,2 Catatan : Trendnya sama seperti untuk energi kisi. NaBr ,1 NaI ,6 Dari tabel 13.7 di atas terlihat bahwa : (1) Logam yang memiliki titik leleh rendah, seperti logam alkali dan merkuri, memiliki entalpi fusion yang rendah pula. (2) Logam transisi mempunyai harga titik leleh dan entalpi fusi yang tinggi. Tungsten (W) memiliki titik leleh tertinggi dan entalpi fusion tertinggi diantara semua unsur kecuali carbon. Oleh karena itu, tungsten digunakan sebagai filamen dalam lampu pijar. Sampai sekarang tak ada material yang sebaik W sejak ditemukan lampu pijar tahun (3) Zat nonpolar yang membentuk molekul padat memiliki titik leleh rendah. Pada deret molekul tersebut, titik leleh makin besar dengan semakin besarnya ukuran dan massa molar. Semakin besar massa molar, gaya dispersi semakin besar. Akibatnya semakin besar jumlah energi dibutuhkan untuk memutuskan gaya intermolekul dalam padatan, hal ini tercermin dari semakin meningkatnya harga entalpi fusi. (4) Titik leleh senyawa ionik lebih tinggi dibandingkan dengan titik leleh padatan molekul, karena gaya ion-ion dalam padatan ionik sangat kuat dan energi kisi besar. Oleh karena gaya ion-ion bergantung pada ukuran ion (seperti halnya pada muatan ion), maka ada korelasi antara energi kisi dengan logam atau halogen dalam tabel periodik. Dengan bertambahnya ukuran kation dari Li + ke Cs +, energi kisi senyawa kation dengan halida yang sama berkurang. Demikian pula semakin besar ukuran ion halida dari F - ke I -, maka energi kisi garam halida dari kation yang sama akan berkurang. Berkurangnya 114

33 energi kisi dengan semakin besarnya ukuran ion, diikuti dengan berkurangnya titik leleh dan entalpi fusi. Sublimasi adalah perubahan langsung dari padatan menjadi gas. Padat gas energi panas yang dibutuhkan = H sublimasi Sublimasi, seperti juga fusion dan penguapan, merupakan proses endoterm. Air yang mempunyai entalpi sublimasi 51 kj/mol, dapat diubah dengan sangat cepat dari padatan es menjadi uap air. Contoh sifat ini adalah pada lemari es yang bebas dari terbentuknya bunga es. Selama waktu tertentu, kompartemen pendingin (freezer) sedikit dihangatkan. Molekul air yang dilepaskan dari permukaan es (tekanan uap es 4,60 mm Hg pada 0 o C) dihilangkan oleh arus udara yang ditiupkan ke dalam pendingin. H 2 O (s) H 2 O (g) Molar heat of sublimation (ΔH sub ) is the energy required to sublime 1 mole of a solid. Sublimation Deposition ΔH sub = ΔH fus + ΔH vap ( Hess s Law) 11.8 Gambar Sublimasi Contoh Panas penguapan dan pelelehan Rubbing alcohol (2-propanol) membeku pada temperatur 89,5 o C dan mendidih pada 82,3 o C. Berapa panas yang dibutuhkan untuk melelehkan 10,0 gram 2-propanol pada 89,5 o C, kemudian cairan yang terbentuk dipanaskan sampai titik didihnya, dan selanjutnya diuapkan pada temperatur yang sama, H fusi = 5,37 kj/mol ; kapasitas panas spesifik cairan 2-propanol = 2,60 J/g.K dan H vap = 39,85 kj/mol. 115

34 Jawab : Step 1 : panas yang dibutuhkan untuk melelehkan 10,0 g 2-propanol padat pada 89,5 o C g X 1mol 60,10g 5,37kJ X mol = 0,894 kj Step 2 : Panas yang dibutuhkan untuk menghangatkan cairan dari 89,5 o C sampai 82,3 o C. 10,0 g X 2,60J g. K X (355,5 K 183,7 K) = 4,47 x 10 3 J = 4,47 kj Step 3 : Panas yang dibutuhkan untuk menguapkan cairan pada 82,3 o C. 10,0 g X 1mol 60,10g X 39,85kJ mol = 6,63 kj Total energi panas yang dibutuhkan = 0,894 kj + 4,47 kj + 6,63 kj = 11,99 kj DIAGRAM FASA Diagram Fasa digunakan untuk mengilustrasikan kaitan antara fasa suatu materi dengan temperatur dan tekanan. E Gambar Diagram fasa air Pada diagram fasa air dapat dilihat bahwa, Garis A-D : pada kombinasi P dan T terjadi kesetimbangan fasa uap-cair Garis A-B : pada kombinasi P dan T terjadi kesetimbangan fasa cair - padat Garis A-E : pada kombinasi P dan T terjadi kesetimbangan fasa padat-uap 116

35 Garis dari titik A sampai ke titik D, menunjukkan adanya kesetimbangan antara fasa cair dan uap, yang juga sama dengan kurva tekananan uap air. Titik didih air 100 o C, yaitu temperatur dimana tekanan uap nya adalah 1 atm. Titik A, adalah titik dimana ketiga fasa berada dalam kesetimbangan, dan titik ini disebut titik tripel. Titik tripel air terjadi pada P = 4,58 torr dan T = 0,0098 o C. Garis kesetimbangan padat-cair (A-B) untuk air memiliki slope negatif. Karena pada garis ini tidak berhubungan dengan tekanan uap maka tekanan hanya tergantung pada tekanan luar. Semakin besar tekanan luar, titik leleh semakin kecil. Setiap kenaikan tekanan 1 atm, terjadi penurunan titik leleh air sebesar 0,01 o C. Hal ini disebabkan karena volume es lebih besar dibandingkan air, akibat struktur kisi es yang lebih terbuka dibandingkan air. Contoh es akan meleleh bila diberi tekanan (Gambar 13.30). Gambar Struktur 3-dimensi es (a). Es meleleh bila diberi tekanan. Suatu kawat tipis diletakan di atas es dan kedua ujung kawat diberi beban. Tekanan yang yang dilakukan kawat terhadap es menyebabkan es akan meleleh dan akhirnya kawat lolos melalui es. (b). Model komputer permukaan es ( molekul air digambarkan dengan bulatan yang lebih besar). Molekul pada layer 1 bervibrasi lebih cepat dibandingkan dengan pada layer 2 dan layer dibagian lebih dalam. Molekul air pada permukaan lebih bersifat cair daripada padat. 117

36 Kita dapat bermain ski atau skating di atas es, karena permukaan es agak meleleh akibat tekanan pisau skating atau ski, atau permukaan es meleleh akibat panas yang terjadi akibat gesekan/friksi. Akan tetapi alasan tersebut kurang memuaskan karena hanya dengan berdiri atau meluncur di atas es dapat menghasilkan tekanan atau temperatur yang cukup tinggi untuk terjadinya pelelehan. Keterangan yang lebih baik adalah molekul air pada permukaan bervibrasi dengan cepat, sehingga permukaan es meleleh. Lapis pertama dan kedua hampir seperti cairan (liquid-like) dan dengan alasan ini maka kita dapat bermain ski atau skating di atas es. Diagram fasa untuk CO 2 terdapat pada Gambar Perbedaan dengan diagram fasa air adalah garis kesetimbangan padat-cair untuk CO 2 memiliki slope positif. Densitas CO 2 padat lebih besar dibandingkan dengan CO 2 cair, sehingga CO 2 padat akan tenggelam dalam wadah berisi CO 2 cair. CO 2 padat mengalami sublimasi langsung menjadi CO 2 gas pada temperatur kamar (pada 1 atm). Dengan alasan ini, maka CO 2 disebut dry ice ; terlihat seperti es tetapi tidak meleleh. Gambar Diagram fasa senyawa CO 2 118

37 Effect of Increase in Pressure on the Melting Point of Ice and the Boiling Point of Water 11.9 Gambar Pengaruh Tekanan terhadap kenaikan titik didih dan penurunan titik beku 119