PENENTUAN MASSA MOLAR BEBERAPA JENIS LOGAM MENGGUNAKAN HUKUM DULONG-PETIT

PENENTUAN MASSA MOLAR BEBERAPA JENIS LOGAM MENGGUNAKAN HUKUM DULONG-PETIT Henni Simbolon 1, Minarni 2, Antonius Surbakti 2 1 Mahasiswa Program Studi S1 Fisika 2 Dosen Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia hennisimbolon_8587@yahoo.co.id ABSTRACT The research about molar mass of some metals using calorimeter and Dulong-Petit s law has been done. The metals used are Aluminium, Iron, Brass and Copper organized in a cubic form with mass of 2.79 g, 7.51 g, 8.38 g and 8.63 g respectively. The measurement of the heat capacity of calorimeter was conducted first as many as 7 times in order to include in the specific heat capacity. The specific heat capacity measurement of the metals was conducted first as many as 10 times for each metal. Molar mass of metals is then calculated using the specific heat capacity and law of Dulong-Petit. Research data shows that the temperature change of the water in calorimeter decreases overtime until it reaches the equilibrium while the temperature change of the metal and water mixture in the calorimeter increases overtime until it reaches the equilibrium temperature. Heat capacity of calorimeter measured is 67.35 J/ 0 C. Specific heat capacities for metals Aluminium, Iron, Brass and Copper are 0.90 J/g 0 C, 0.47 J/g 0 C, 0.39 J/g 0 C and 0.38 J/g 0 C respectively. Calculation of the molar mass using the specific heat capacity and the law of Dulong-Petit are 27.96 g/mol, 53.53 g/mol, 64.54 g/mol and 66.40 g/mol respectively. Compared to the mass molar metal written on the Chemical Periodic Table, these discrepancies were found of 3.63% for Aluminium, 4.15% for Iron, and 1.58% for Copper. Keywords: specific heat of metals, Dulong-Petit s law, molar mass ABSTRAK Penelitian tentang massa molar beberapa jenis logam menggunakan kalorimeter dan hukum Dulong-Petit telah dilakukan. Logam yang digunakan untuk penelitian ini adalah Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga yang berbentuk kubus dengan massa masingmasing sebesar 2,79 g, 7,51 g, 8,38 g dan 8,63 g. Pengambilan data untuk kapasitas panas kalorimeter dilakukan sebanyak 7 kali dan untuk kapasitas panas jenis setiap logam dilakukan sebanyak 10 kali. Dari kapasitas panas jenis yang diperoleh, massa 1

molar logam ditentukan. Data penelitian menunjukkan perubahan suhu campuran antara kalorimeter dengan air terhadap waktu semakin berkurang sampai mencapai suhu kesetimbangan dan perubahan suhu campuran logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga dengan air dan kalorimeter terhadap waktu semakin lama semakin naik sampai mencapai suhu kesetimbangan. Kapasitas panas kalorimeter yang diperoleh adalah 67,35 J/ o C. Kapasitas panas jenis logam Aluminum, Besi, Kuningan dan Tembaga masing-masing adalah sebesar 0,90 J/g o C, 0,47 J/g o C, 0,39 J/g o C dan 0,38 J/g o C. Hasil perhitungan massa molar dari kapasitas panas jenis yang diperoleh untuk logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga masing-masing adalah sebesar 27,96 g/mol, 53,53 g/mol, 64,54 g/mol dan 66,40 g/mol. Hasil ini berbeda sebesar 3,63% untuk logam Aluminium, 4,15% untuk logam Besi dan 1,58% untuk logam Tembaga terhadap hasil yang tertera pada Tabel Periodik. Kata kunci: kapasitas panas jenis logam, hukum Dulong-Petit, massa molar PENDAHULUAN Tahun 1819, Dulong dan Petit menyatakan bahwa kapasitas panas molar dari sebuah elemen padat adalah konstan, mendekati 25 J mol -1 K -1 (Young et al, 2002). Abad ke 19 hukum Dulong-Petit terbukti sangat membantu dalam mengklarifikasi massa atom _ atom dan formula atom. Hukum Dulong-Petit memainkan peranan penting dalam pengembangan tabel periodik yang digunakan Mendeleyeff pada tahun 1870 untuk memperbaiki berat atom Indium, Cerium dan Uranium yang salah dalam tabel pada tahun 1869 (Laing, 2006). Logam mempunyai sifat konduktivitas listrik, konduktivitas termal, tingkat kekerasan, titik lebur dan kapasitas panas. Sifat logam yang keras banyak dimanfaatkan untuk kendaraan bermotor, jembatan dan bahan konstruksi bangunan. Selain itu, logam juga banyak digunakan sebagai perhiasan, sebagai kabel listrik karena merupakan konduktor yang baik serta alat memasak seperti ketel, panci dan kuali karena mempunyai kapasitas panas yang lebih kecil dibandingkan dengan non logam. Sifat logam yang istimewa tersebut menyebabkan logam sangat banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Panas atau kalor merupakan suatu bentuk energi yang berpindah akibat perbedaan suhu (Giancoli, 2001), sedangkan suhu merupakan suatu ukuran yang menyatakan derajat panas suatu benda. Kapasitas panas (C) merupakan jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari suatu sampel bahan sebesar 1 o C (Tipler, 1991). Kapasitas panas mempunyai beberapa sifat yaitu sifat ekstensif dan intensif. Sifat ekstensif dari kapasitas panas yaitu jumlahnya tergantung dari besar sampel, sedangkan sifat intensif dari kapasitas panas berhubungan dengan panas jenis (c) yang didefenisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari 1 g massa bahan sebesar 1 o C. Semakin kecil kapasitas panas jenis suatu benda, semakin mudah naik suhunya bila dipanasi, demikian juga sebaliknya semakin besar kapasitas panas jenis suatu benda semakin banyak panas yang harus diberikan untuk menaikkan suhunya (Ratna, 2009). 2

Logam pada umumnya mempunyai kapasitas panas jenis yang lebih kecil daripada non logam misalnya kapasitas panas jenis air. Panas yang diperlukan untuk memanaskan 1 g besi dengan kenaikan suhu 1 o C lebih sedikit dibanding untuk air, dengan kata lain jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g besi lebih sedikit dibanding untuk menaikkan suhu 1 g air. Kapasitas panas dari suatu bahan sangat penting untuk diketahui misalnya dalam pembuatan material-material nanokomposit (Avramov, 2008). Cara umum yang sederhana dan sering digunakan untuk menentukan kapasitas panas atau panas jenis suatu benda adalah dengan mengukur suhu benda tersebut menggunakan kalorimeter. Sistem kerja kalorimeter menggunakan teknik pencampuran dua zat didalam suatu wadah. Banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah pada pencampuran dua zat, teori ini dikenal dengan asas Black. Pada pencampuran antara dua zat tersebut sesungguhnya terdapat kalor yang hilang ke lingkungan sekitar. Wadah pencampuran (kalorimeter) akan menyerap kalor sebesar hasil kali antara massa, kalor jenis dan kenaikan suhu wadah, oleh sebab itu kalorimeter harus dikalibrasi menggunakan tetapan yang disebut tetapan kalorimeter, dengan menggunakan tetapan kalorimeter ini besarnya kalor yang diserap oleh kalorimeter dapat diukur sehingga perubahan kalor dalam reaksi dapat diukur secara keseluruhan. Pada penelitian ini, kapasitas panas jenis beberapa logam diukur dengan menggunakan kalorimeter. Suhu sebagai fungsi waktu untuk proses dalam kalorimeter juga dianalisa. Berdasarkan hukum Dulong-Petit yang menghubungkan kapasitas panas jenis dengan massa molar, massa molar dari beberapa jenis logam yaitu aluminium, besi, kuningan dan tembaga ditentukan. Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Eksperimen, Jurusan Fisika, FMIPA UR. Kapasitas panas jenis dari beberapa jenis logam diukur dengan menggunakan kalorimeter. Massa molar beberapa jenis logam tersebut ditentukan dengan menggunakan hukum Dulong-Petit dari kapasitas panas jenis yang diukur. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian yang dilakukan adalah menggunakan metode eksperimen. Alat yang digunakan adalah termometer digital untuk mengukur suhu, kalorimeter untuk mengukur kapasitas panas jenis logam, barometer untuk mengukur tekanan, gelas beaker untuk mengukur volume air, kompor listrik untuk memanaskan air dan logam, stopwatch digital untuk menghitung waktu yang dibutuhkan, logam aluminium, besi, kuningan dan tembaga yang berbentuk kubus dengan ukuran yang sama sebagai sampel, timbangan lab untuk mengukur massa logam, massa kalorimeter dan massa air, manik-manik yang terbuat dari kaca untuk meratakan suhu yang sampai pada logam dan air. Prosedur penelitian serta pengambilan data untuk menentukan kapasitas panas kalorimeter adalah sebagai berikut (PHYWE, 2009). 1. Kapasitas Panas Kalorimeter Kalorimeter harus dipastikan dalam keadaan bersih dan kering. Suhu kalorimeter di ukur dengan memasukkan termometer kedalam kalorimeter melalui lubang yang ada 3

dalam tutup tabung kalorimeter. Air dimasukkan ke dalam beaker (150 g). Air dalam beaker dipanaskan sampai mencapai suhu sekitar 50 o C. Air yang sudah dipanaskan dimasukkan ke dalam kalorimeter dengan hati-hati, perubahan suhu di amati dan pembacaan suhu dalam kalorimeter di plot ke dalam grafik sebagai fungsi perubahan suhu terhadap waktu. Air dalam kalorimeter tersebut dibiarkan sampai suhu mencapai kesetimbangan dan setelah pengukuran selesai, air dengan suhu ruang dimasukkan ke dalam kalorimeter sehingga kalorimeter dapat kembali ke suhu ruang. Air di dalam kalorimeter dibiarkan sekitar 5 menit kemudian kalorimeter tersebut dikosongkan dan dikeringkan. Kapasitas panas kalorimeter dapat ditentukan dengan Persamaan 1. (1) Termometer digital Kompor listrik Gelas beaker Kalorimeter Gambar 1. Skema susunan alat pengukuran kapasitas panas kalorimeter 2. Kapasitas Panas Jenis Logam Sumber arus Logam Aluminium ditimbang dan massa logam tersebut di catat kemudian diikat dengan menggunakan tali (benang), hal yang sama dilakukan untuk jenis logam Besi, Kuningan dan Tembaga. Manik-manik dimasukkan ke dalam beaker dengan kedalaman sekitar 3 cm, kemudian logam dan air dimasukkan sehingga logam yang dimasukkan ke dalam beaker tidak menyentuh beaker selama logam tersebut dipanaskan. Logam tersebut dipanaskan sampai airnya mendidih dan biarkan di dalam air yang mendidih sekitar 10 menit. Kalorimeter di isi dengan air dingin yang massanya diketahui dan suhu air dalam kalorimeter tersebut dicatat. logam yang sudah dipanaskan dimasukkan ke dalam kalorimeter yang berisi air. Suhu di dalam kalorimeter di baca sebelum dan setelah logam diletakkan di dalam kalorimeter dan pembacaan waktu di plot ke dalam grafik. Logam di dalam kalorimeter tersebut dibiarkan sekitar lima sampai delapan menit sampai suhu logam sama dengan suhu air (suhu mencapai kesetimbangan). Setelah pengukuran selesai dilakukan, logam dikeluarkan dari kalorimeter dan dikeringkan. Prosedur yang sama dilakukan untuk logam Besi, 4

Kuningan dan Tembaga. Kapasitas panas jenis logam dapat ditentukan dengan Persamaan 2. ( ) ( ) ( ) Titik didih air T 2 ditentukan sebagai fungsi atmosfir p, dimana p dalam hpa dan T 2 dalam o C yang dinyatakan dalam Persamaan 3. T 2 = 100 + 0.0276 (p 1013 hpa) 0.000017 (p 1013 hpa) (3) Termometer digital Kompor listrik (2) aluminium Manik-manik kaca Barometer Kalorimeter Sumber arus Gambar 2. Skema susunan alat pengukuran kapasitas panas jenis logam Berdasarkan hukum Dulong-Petit yang diperoleh untuk nilai kapasitas panas molar maka massa molar logam dapat ditentukan dengan Persamaan 4. (4) HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil penelitian merupakan data yang diperoleh dari pengukuran kapasitas panas kalorimeter, kapasitas panas jenis beberapa jenis logam dan perhitungan massa molar berbagai jenis logam dengan pengukuran langsung menggunakan kalorimeter, air dan beberapa jenis logam. Jenis logam yang digunakan adalah Aluminium (massa 2,79 g), Besi (massa 7,51 g), Kuningan (massa 8,38 g ), dan Tembaga (massa 8,63 g). Pengukuran kapasitas panas kalorimeter dilakukan sebanyak 7 kali dan untuk kapasitas panas jenis pengukuran dilakukan masing-masing sebanyak 10 kali untuk setiap jenis logam. Hasil perhitungan dari data kemudian dibandingkan dengan hasil yang diperoleh dari literatur. 5

Suhu ( o C) Suhu ( o C) Grafik hasil pengukuran suhu rata - rata sebagai fungsi waktu untuk perhitungan kapasitas panas kalorimeter dapat dilihat pada Gambar 3. Dari perhitungan tersebut nilai rata-rata kapasitas panas kalorimeter diperoleh yaitu 67,35 J/ o C. Grafik perubahan suhu rata-rata campuran air, kalorimeter dan logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga terhadap waktu dapat dilihat pada Gambar 4. Untuk perhitungan massa molar logam, nilai kapasitas panas molar untuk setiap logam adalah 25 J/mol o C yang diperoleh dari hukum Dulong-Petit. Dari hasil perhitungan rata-rata kapasitas panas jenis logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga masingmasing diperoleh 0,90 J/g o C, 0,47 J/g o C, 0,39 J/g o C dan 0,38 J/g o C dan nilai massa molar rata-rata untuk masing-masing logam adalah 27,96 g/mol, 53,53 g/mol, 64,54 g/mol dan 66,40 g/mol seperti pada Tabel 1-4. 51,5 51 50,5 50 49,5 49 48,5 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Waktu (sekon) Gambar 3. Grafik perubahan suhu campuran air dan kalorimeter terhadap waktu 27 26,5 26 25,5 25 24,5 Aluminium Besi Kuningan Tembaga 24 0 60 120 180 240 300 360 420 480 Waktu (sekon) Gambar 4. Perubahan suhu campuran air, kalorimeter dan logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga terhadap waktu 6

Tabel 1. Perhitungan kapasitas panas jenis dan massa molar logam Aluminium No c (J/g o C) Cm (J/mol o C) M (g/mol) 1 0,94 25 26,60 2 0,82 30,45 3 0,81 30,86 4 0,96 26,04 5 0,94 26,60 6 0,80 31,25 7 0,92 27,17 8 0,93 26,88 9 0,93 26,88 10 0,93 26,88 Rata -rata 0,90 27,96 Keterangan: setiap nilai diatas merupakan perhitungan dari 10 kali pengukuran Tabel 2. Pengukuran kapasitas panas jenis dan massa molar logam Besi No c (J/g o C) Cm (J/mol o C) M (g/mol) 1 0,46 25 54,35 2 0,46 54,35 3 0,46 54,35 4 0,45 55,56 5 0,45 55,56 6 0,45 55,56 7 0,50 50,00 8 0,50 50,00 9 0,50 50,00 10 0,45 55,56 Rata -rata 0,47 53,53 Keterangan: setiap nilai diatas merupakan perhitungan dari 10 kali pengukuran Tabel 3. Pengukuran kapasitas panas jenis dan massa molar logam Kuningan No c (J/g o C) Cm (J/mol o C) M (g/mol) 1 0,41 25 60,98 2 0,42 59,52 3 0,36 69,44 4 0,40 62,50 5 0,41 60,98 6 0,40 62,50 7 0,40 62,50 8 0,35 71,43 9 0,35 71,43 10 0,39 64,10 Rata -rata 0,39 64,54 Keterangan: setiap nilai diatas merupakan perhitungan dari 10 kali pengukuran 7

Tabel 4. Pengukuran kapasitas panas jenis dan massa molar logam Tembaga No c (J/g o C) Cm (J/mol o C) M (g/mol) 1 0,35 25 71,43 2 0,36 69,44 3 0,40 62,50 4 0,34 73,53 5 0,43 58,14 6 0,38 65,79 7 0,38 65,79 8 0,38 65,79 9 0,38 65,79 10 0,38 65,79 Rata -rata 0,38 66,40 Keterangan: setiap nilai diatas merupakan perhitungan dari 10 kali pengukuran Perubahan suhu campuran kalorimeter dengan air terhadap waktu yang diukur memperlihatkan suhu campuran semakin berkurang terhadap waktu sampai mencapai suhu kesetimbangan dan cenderung menuju suhu kalorimeter yang ditampilkan pada Gambar 3. Perubahan suhu rata-rata campuran air dan kalorimeter sebagai fungsi waktu diberikan pada Tabel 1 dengan menggunakan persamaan 1. Rata-rata nilai kapasitas panas kalorimeter adalah 67,35 J/ o C. Berdasarkan literatur nilai rata-rata kapasitas panas kalorimeter adalah (66 ± 1) J/K (PHYWE, 2009). Pada Gambar 4, perubahan suhu campuran jenis logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga dengan air dan kalorimeter terhadap waktu semakin lama semakin naik, sampai mencapai suhu kesetimbangan. Hasil pengukuran kapasitas panas jenis dengan hasil perhitungan menunjukkan angka yang mendekati. Nilai kapasitas panas jenis yang diperoleh dari pengukuran untuk logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga masing-masing diperoleh 0,90 J/g o C, 0,47 J/g o C, 0,39 J/g o C dan 0,38 J/g o C. Nilai kapasitas panas jenis dari literatur untuk logam Aluminium dan Tembaga adalah 0,90 J/g o C dan 0,39 J/g o C (Halliday, 1985), Besi 0,45 J/g o C (Giancoli, 2001), dan Kuningan 0,39 J/g o C (PHYWE, 2009). Hasil perhitungan massa molar dari kapasitas panas jenis yang diperoleh untuk logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga masing-masing adalah 27,96 g/mol, 53,53 g/mol, 64,54 g/mol dan 66,40 g/mol. Nilai massa molar dari literatur untuk logam Aluminium 26,98 g/mol, Besi 55,85 g/mol dan Tembaga 65,37 g/mol (Tabel Periodik). Nilai massa molar untuk logam kuningan tidak dapat diketahui secara pasti karena nilai massa molar secara teori untuk logam di atas merupakan logam murni, sedangkan logam kuningan merupakan campuran dari logam Besi dan Tembaga. Faktor yang menyebabkan perbedaan hasil yang diperoleh dari pengukuran dan literatur untuk logam Aluminium, Besi dan Tembaga, salah satunya adalah kemungkinan logam tersebut bukan merupakan logam murni dan nilai kapasitas panas molar yang digunakan 25 J/gmol. Faktor lainnya adalah kemungkinan ada air yang masuk bersamaan dengan logam yang dipanaskan (massa air bertambah) dan isolator kalorimeter masih kurang sehingga ada panas yang keluar ke lingkungan. Berdasarkan data hasil pengukuran diperoleh nilai kapasitas panas kalorimeter 67,35 J/ o C dan dari literatur yang digunakan 66 J/ o C maka diperoleh nilai error sebesar 8

2,05 %. Nilai kapasitas panas jenis yang diperoleh dari pengukuran untuk logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga masing-masing diperoleh 0,90 J/g o C, 0,47 J/g o C, 0,39 J/g o C dan 0,38 J/g o C. Nilai kapasitas panas jenis dari literatur untuk logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga adalah 0,90 J/g o C, besi 0,45 J/g o C, 0,39J/g o C dan 0,39 J/g o C, dan maka diperoleh nilai error untuk logam Aluminium dan Kuningan yaitu 0 % dan 0 %, Besi 4,44 % dan Tembaga 2,56 %. Nilai massa molar yang diperoleh dari pengukuran untuk logam Aluminium, Besi dan Tembaga masing-masing diperoleh 27,96 g/mol, 53,53 g/mol dan 66,40 g/mol. Nilai massa molar dari literatur untuk logam tersebut masing-masing adalah 26,98 g/mol, 55,85 g/mol dan 65,37 g/mol, maka diperoleh nilai error masing-masing logam yaitu 3,63%, 4,15% dan 1,58%. KESIMPULAN Berdasarkan pengukuran dan analisa data, dapat disimpulkan bahwa perubahan suhu terhadap waktu untuk campuran kalorimeter dengan air semakin berkurang sampai mencapai suhu kesetimbangan dan cenderung menuju suhu kalorimeter. Perubahan suhu campuran jenis logam Aluminium, Besi, Kuningan dan Tembaga dengan air dan kalorimeter terhadap waktu semakin lama semakin naik, sampai mencapai suhu kesetimbangan. Hasil pengukuran kapasitas panas kalorimeter secara eksperimen dan literatur menunjukkan angka yang mendekati dengan persentase kesalahan 2,05%. Hasil pengukuran kapasitas panas jenis logam dengan perhitungan menunjukkan angka yang mendekati bahkan sama dengan literatur, untuk logam besi terdapat perbedaan sebesar 4,44 % dan tembaga 2,56 %. Hasil pengkuran massa molar logam Aluminium, Besi dan Tembaga dengan perhitungan dan yang diperoleh dari litaratur terdapat perbedaan sebesar yaitu 3,63%, 4,15% dan 1,58%. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Minarni dalam membimbing, memberikan motivasi dan saran-saran kepada penulis dalam penelitian ini. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada Bapak Antonius Surbakti atas bimbingan dan saransaran yang diberikan dalam penyelesaian Skripsi ini. DAFTAR PUSTAKA Avramov, I., Michailov, M. 2008. Specific heat of nanocrystals. Institute of Physical Chemistry, Bulgarian Academy of Sciences, Academic Georgi Bontchev street, Block 11, 1113 Sofia, Bulgaria. Giancoli, D. C. 2001. Fisika Jilid 1 Edisi Kelima (terjemahan), Erlangga, Jakarta. Halliday, D. dan R. Resnick. 1985. Fisika Jilid 1 Edisi Ketiga (terjemahan). Erlangga, Jakarta. Laing, M. dan Laing, M. 2006. Dulong and Petit's Law: We Should Not Ignore Its Importance, J. Chem. Educ., 2006, 83 (10), p 1499. PHYWE. 2009. Heat Capacity of Metals. Laboratory Experiments Physics, Manuals. PHYWE SYSTEME GMBH. 9

Ratna dkk. 2009. Kapasitas Panas, Panas Spesifik dan Kalorimetri. http://www.chemis-try.org/materi_kimia/kimia-smk/kelas_x/kapasitas-panas-panas-spesifik-dankalorimetri/. Tabel Periodik Unsur-unsur Kimia. 2005. Tipler, P.A. 1991. Fisika Untuk Sains dan Teknik (terjemahan). Erlangga, Jakarta. Young, H. D dan R. A. Freedman. 2002. Fisika Universitas Jilid 1 Edisi kesepuluh (terjemahan). Erlangga, Jakarta. 10