HUBUNGAN ENERGI DALAM REAKSI KIMIA
_KIMIA INDUSTRI_
DEWI HARDININGTYAS, ST, MT, MBA WIDHA KUSUMA NINGDYAH, ST, MT AGUSTINA EUNIKE, ST, MT, MBA
ENERGI & KERJA Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Kerja adalah perubahan energi yang langsung dihasilkan oleh suatu proses
BENTUK-BENTUK ENERGI Energi Kinetik merupakan energi yang dihasilkan oleh benda yang bergerak Energi Radiasi berasal dari matahari dan merupakan sumber energi utama di Bumi memanaskan atmosfer dan permukaan bumi, pertumbuhan tanaman (fotosintesis), mempengaruhi pola iklim dunia Energi Termal adalah energi yang berkaitan dengan gerak acak atom-atom dan molekul makin kuat gerakan, makin panas, makin besar energi thermalnya
BENTUK-BENTUK ENERGI Energi Kimia tersimpan dalam satuan struktur zat kimia besarnya ditentukan oleh jenis dan atom penyusunnya (zat dalam reaksi kimia energi kimia dilepaskan, disimpan atau diubah menjadi bentuk energi lain) Energi Nuklir merupakan energi yg tersimpan dalam gabungan neutron dan proton pada atom. Energi Potensial adalah energi yang tersedia akibat posisi suatu benda. Batu ditempat yang lebih tinggi akan mempunyi energi potensial yang lebih besar bila samasama dijatuhkan ke air (bawah) dan membuat percikan yang lebih besar
HUKUM KEKEKALAN ENERGI Nilai total energi alam semesta diasumsikan konstan
Energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan. Semua bentuk energi dapat diubah dari satu bentuk energi kebentuk energi lain. Ketika suatu bentuk energi hilang, bentuk energi yang lain dengan besar yang sama pasti akan terbentuk.
PERUBAHAN ENERGI DALAM REAKSI KIMIA Hampir semua reaksi kimia menyerap atau melepaskan energi, umumnya dalam bentuk kalor. Kalor adalah perpindahan energi termal antara dua benda yang suhunya berbeda Suhu adalah pengukur thermal energy. Suhu ≠ Energi Termal 400C 700C Suhu lebih besar
Energi thermal lebih besar
Termokimia adalah ilmu yang mempelajari perubahan kalor yang menyertai reaksi kimia. Sistem adalah bagian tertentu dr alam yg menjadi perhatian kita. Luar sistem dinamakan lingkungan SYSTEM
Perpindahan:
terbuka Massa&energi
tertutup energi
terisolasi Tidak terjadi apa2
PROSES EKSOTERMIK DAN ENDOTERMIK Proses eksotermik adalah setiap proses yang melepaskan kalor (yaitu, perpindahan energi termal ke lingkungan).
2H2 (g) + O2 (g) H2O (g) •
2H2O (l) + energi H2O (l) + energi
Proses endotermik adalah setiap proses dimana kalor harus disalurkan ke sistem oleh lingkungan (menyerap kalor) energi + 2HgO (s) energy + H2O (s)
2Hg (l) + O2 (g) H2O (l)
eksotermik
endotermik
Pengantar Termodinamika Ilmu yang mempelajari perubahan antar kalor dan bentuk-bentuk energi yang lain Fungsi keadaan merupakan sifat-sifat yang ditentukan oleh keadaan sistem, terlepas dari keadaan tersebut dicapai. energi , tekanan, volume, suhu
∆E= Ek.akhir - Ek.awal ∆P= Pk.akhir –Pk.awal ∆V= Vk.akhir- Vk.awal ∆T= Tk.akhir- Tk.awal
HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA energi dpt diubah dr satu bentuk ke bentuk yg lain, tetapi tidak dpt diciptakan atau dimusnahkan
∆Esistem+ ∆Elingkungan = 0 atau ∆Esistem = -∆Elingkungan S(s) + O2(g) SO2(g) Reaksi kimia eksotermik! Kita tidak tahu energi dari molekul reaktan (S dan O2) dan molekul produk (SO2) tetapi kita dapat mengukur perubahan energi ∆E
Bentuk Hukum Pertama untuk ∆Esistem ∆E= q + w ∆E = perubahan energi dalam suatu sistem q = jumlah kalor yang dipertukarkan antar sistem dan lingkungan w = kerja yang dilakukan pada (atau oleh) sistem
Bentuk Hukum Pertama untuk ∆Esistem Bila suatu sistem membebaskan kalor ke lingkungan atau melakukan kerja pada lingkungan energi dalamnya akan turun karena terjadi proses pengurangan energi ( q dan w bermuatan negatif )
w = -P ∆V ketika gas memuai thd tekanan eksternal yg konstan, merupakan kerja yg dilakukan gas pd lingkungannya
Kerja yang Dilakukan pada Suatu Sistem
Kerja bukan merupakan fungsi keadaan
Pemuaian gas kerja dilakukan oleh sistem
∆V > 0 -P∆ V < 0 wsis < 0
∆w≠ wk.akhir- wk.awal 1 L.atm = 101,3 J
Kondisi awal
Kondisi akhir
Suatu sampel gas nitrogen volumenya memuai dari 1,6 L menjadi 5,4 L pada suhu yg konstan. Berapakah kerja yang dilakukan dalam satuan joule jika gas memuai (a) terhadap ruang hampa dan (b) pada tekanan tetap 3,7 atm?
Entalpi Reaksi Kimia
∆E = q + w Pada volume sistem konstan
∆V = 0 tdk ada kerja dilakukan ∆E = q – P ∆V ∆E = qv V konstan
Pada tekanan konstan
∆E = qp – P ∆V qp = ∆E + P ∆V P konstan
Entalpi Reaksi Kimia
H = E + PV
ENTALPI - Merupakan fungsi keadaan - Memiliki satuan energi
PERUBAHAN ENTALPI
∆H = ∆ E + ∆(PV) Pada Tekanan konstan ∆H = ∆ E + P ∆ V
Meskipun qp bukan merupakan fungsi keadaan, perpindahan kalor pada tekanan konstan sama dengan ∆H
qp = ∆H
Entalpi Reaksi Kimia Pada volume sistem konstan qv = ∆E
Pada tekanan konstan qp = ∆H
Entalpi (H) biasanya digunakan untuk menghitung aliran kalor ke dalam atau ke luar sistem dalam suatu proses yang terjadi pada tekanan konstan. ∆H= H(produk) – H(reaktan) ∆H= kalor yg diberikan atau diterima selama rekasi pada tekanan konstan
DH = H (products) – H (reactants) Hproducts < Hreactants DH < 0
Hproducts > Hreactants DH > 0
PERSAMAAN TERMOKIMIA Apakah ∆H negatif atau positif?
Sistem menerima panas Endotermik
H2O (s)
H2O (l)
DH = 6.01 kJ
PERSAMAAN TERMOKIMIA Apakah DH negatif atau positif? Sistem melepas panas Eksotermik DH < 0
890,4 kJ dilepaskan untuk setiap pembakaran 1 mol metana pada suhu 250C dan tekanan 1 atm CH4 (g) + 2O2 (g)
CO2 (g) + 2H2O (l) DH = -890.4 kJ
PERSAMAAN TERMOKIMIA Koefisien stoikiometri selalu menunjukkan jumlah mol zat H2O (s)
H2O (l)
DH = 6.01 kJ
Pada suhu 0oC, P = 1 atm es meleleh membentuk air yang cair (energi diserap oleh sistem endotermik) Ketika 1 mol air terbentuk dari 1 mol es pada suhu 0 oC perubahan entalpinya adalah 6,01 kJ Ketika kita membalik suatu persamaan, kita mengubah peran reaktan dan produk, ∆H sama tetapi berubah tanda
H2O (l)
H2O (s)
DH = -6.01 kJ
PERSAMAAN TERMOKIMIA Jika kita mengalikan kedua ruas persamaan termokimia dg suatu faktor n, maka ∆H jg harus berubah dg faktor yg sama n. 2H2O (s)
2H2O (l)
DH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ
Kita harus selalu menuliskan wujud fisis semua reaktan dan produk, karena akan membantu penentuan perubahan entalpi yg sesungguhnya.
H2O (s)
H2O (l)
DH = 6.01 kJ
H2O (l)
H2O (g)
DH = 44.0 kJ
Berapa kalor dihasilkan jika 266 g fosfor putih (P4) dibakar di udara P4 (s) + 5O2 (g)
P4O10 (s)
DH = -3013 kJ
Ar P = 31 g/mol
266 g P4
x
1 mol P4 124 g P4
x
-3013 kJ = -6470 kJ 1 mol P4
Perbandingan ∆H dan ∆E Reaksi antara logam natrium dan air 2Na(s) + 2H2O(l) 2NaOH(aq) + H2(g) ∆H = -367,5 kJ/mol
(salah satu produknya : gas hidrogen harus mendorong udara untuk memasuki atmosfer sebagian energi yang dihasilkan reaksi untuk melakukan kerja mendorong sejumlah volume udara ∆V)
Gas hidrogen mendorong piston keatas (melakukan kerja pada lingkungan) sampai tekanan didalam kembali sama dengan tekanan luar
Perbandingan ∆H dan ∆E ∆E = ∆H – P ∆V diasumsikan pada suhu 250C 1 mol H2 = 2,5 L pd 1 atm P.∆V = 1 atm x -2,5 L = -2,5 kJ ∆E= -367,5 kJ/mol – 2,5 kJ/mol = -370,0 kJ/mol ∆E dan ∆H nilainya hampir sama, ∆H sedikit lebih kecil karena sebagian energi dalam yang dilepas digunakan untuk melakukan kerja pemuaian gas kalor yang dilepaskan lebih kecil. Pada reaksi yang tidak melibatkan gas, ∆V biasanya sangat kecil sehingga ∆E dan ∆H dpt dikatakan sama
Untuk reaksi gas diberlakukan gas ideal dan suhu tetap ∆n = jumlah mol gas produk – jumlah mol gas reaktan
∆E = ∆H – ∆(PV) = ∆H – ∆(nRT) = ∆H – RT ∆n
KALORIMETER
Kalor jenis suatu zat (s ) adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram zat sebesar 1 derajat Celcius (J/g 0C) Kapasitas kalor suatu zat (C) (J/0C) adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sejumlah zat sebesar 1 derajat Celcius C = ms
Kalor (q) diterima atau dilepaskan : q = msDt q = CDt Dt = tfinal - tinitial q positif endotermik q negatif eksotermik
Berapa banyak kalor yang diberikan jika 869 g batang besi didinginkan dari suhu 940C menjadi 50C s of Fe = 0.444 J/g • 0C Dt = tfinal – tinitial = 50C – 940C = -890C q = msDt = 869 g x 0.444 J/g • 0C x –890C = -34,000 J
Karena tidak terdapat cara untuk mengukur nilai absolut dari entalpi suatu zat, kita hanya dapat menentukan nilai relatif terhadap suatu rujukan yang ditentukan
Titik rujukan “permukaan air laut” untuk semua ungkapan entalpi disebut entalpi pembentukan standar Keadaan 1 atm (∆H0f)
Pembentukan (∆H0f) adalah
Entalpi Pembentukan Standar perubahan kalor yang dihasilkan ketika 1 mol suatu senyawa dibentuk dari unsur -unsurnya pada tekanan 1 atm Entalpi pembentukan standar setiap unsur dalam bentuknya yang paling stabil adalah nol DH0f (O2) = 0
DH0f (C, intan) = 1.90 kJ/mol
DH0f (O3) = 142 kJ/mol
DH0f (C, graphite) = 0
Entalpi perubahan standar (∆ H0reaksi) didefiniskan sebagai entalpi reaksi yang berlangsung pada tekanan 1 atm aA + bB
cC + dD
DH0rxn = [ cDH0f (C) + dDH0f (D) ] - [ aDH0f (A) + bDH0f (B) ] reaksi
DH0rxn = S nDH0f (products) - S mDHf0 (reactants)
n dan m menyatakan koefisien stoikiometri (dalam mol untuk reaktan dan produk)
Hukum Hess:bila reaktan diubah menjadi produk, perubahan entalpinya adalah sama, terlepas apakah reaksi berlangsung dalam satu tahap atau dalam beberapa tahap
(Entalpi adalah fungsi keadaan. Tidak peduli bagaimana caranya, yg dilakukan adalah memulai dan mengakhirinya
Hitung entalpi pembentukan standar dari CS2 (l) dimana: C(graphite) + O2 (g)
CO2 (g)
DH0rxn = -393.5 kJ
S(rhombic) + O2 (g)
SO2 (g)
DH0rxn = -296.1 kJ
CS2(l) + 3O2 (g)
CO2 (g) + 2SO2 (g)
DH0rxn = -1072 kJ
1. Tuliskan entalpi pembentukan standar untuk CS2 C(graphite) + 2S(rhombic)
CS2 (l)
2. Tambahkan reaksi yg diberikan shg hasilnya merupakan reaksi yg diharapkan C(graphite) + O2 (g) CO2 (g) DH0rxn = -393.5 kJ 2S(rhombic) + 2O2 (g) 2SO2 (g) DH0rxn = -296.1x2 kJ + CO2(g) + 2SO2 (g)
CS2 (l) + 3O2 (g)
DH0rxn = +1072 kJ
C(graphite) + 2S(rhombic) CS2 (l) DH0rxn= -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJ
Benzana (C6H6) terbakar diudara dan menghasilkan karbon dioksida dan air cair. Berapakah panas yang dilepaskan per mol oleh pembakaran benzana? Entalpi pembentukan standar benzana adalah 49,04 kJ/mol. 2C6H6 (l) + 15O2 (g)
12CO2 (g) + 6H2O (l)
DH0rxn = S nDH0f (products) - S mDHf0 (reactants) DH0rxn = [ 12DH0f (CO2) + 6DH0f (H2O)] - [ 2DH0f (C6H6) ] DH0rxn = [ 12x–393.5 + 6x–285,8] – [ 2x49.04 ] = -6534,88kJ -6534,88 kJ = - 3267,44 kJ/mol C6H6 2 mol
