U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Termokimia
Abdul Wahid Surhim 2014
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Sifat-sifat Keadaan • Ada 3 sifat keadaan: KOMPOSISI, SUHU, dan TEKANAN • Contoh: 50.0 gram H2O (l) pada 50.0 oC dan 1 atm • Setelah dipanaskan maka keadaannya berubah menjadi: • 50.0 gram H2O (l) pada 80.0 oC 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 = Xakhir – Xawal
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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 H2O(s) H2O(l) Q>0 – EKSOTERMIK (Q<0): aliran panas dari sistem reaksi ke lingkungan CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l)Q<0
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Endotermik dan Eksotermik
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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 oC ke 15.5 oC.) 1 kalori = 4,184 J • Q = C.t • C adalah kapasitas panas = m.c, c adalah panas jenis • Q = m.c.t
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Energi Kinetik • Disebut juga energi gerak • Energi kinetik akan naik dengan naiknya kecepatan
Ek
2 1 mv 2
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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)
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
1J=1
2 2 kg-m /s
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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)
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Kapasitas Panas dan Panas Jenis • KAPASITAS PANAS – Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu sampel sebesar 1 K ( 1 oC)
• PANAS JENIS – Kapasitas panas 1 gram sampel
• Kapasitas panas berlaku bagi obyek, sedangkan kapasitas panas molar dan spesifik berlaku bagi dzat
Jumlah panas yang dipindahkan Panas Jenis (gram dzat)(perubahan suhu) q Panas Jenis m.T
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Panas Jenis
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Kalorimetri Tekanan Tetap • H = qp • Panas yang dihasilkan oleh reaksi (qrxn) seluruhnya diserap oleh larutan – Eksotermik = panas hilang oleh reaksi dan bertambah oleh larutan qsoln = - qrxn qsoln = (panas jenis larutan) x (gram larutan) x T Qrxn dapat dihitung dari kenaikan suhu larutan
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
qsol qrxn
qsol mcp T
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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.
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Kalorimeter Bomb • Oleh karena tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan, maka : qreaksi = – (qair + qbom ) • Jumlah kalor yang diserap oleh air dapat dihitung dengan rumus : qair = m .c .t – m = massa air dalam kalorimeter ( g ) – c = kalor jenis air dalam kalorimeter (J / g.oC ) atau ( J / g. K ) – t = perubahan suhu ( oC atau K )
• Jumlah kalor yang diserap oleh bom dihitung dengan rumus: qbom = Cbom x t – Cbom = kapasitas kalor bom ( J / oC ) atau ( J / K )
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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 = qv
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Contoh
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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:
Qreaksi pada tekanan tetap = Hproduk - Hreaktan • Reaksi endotermis: H > 0 • Reaksi eksotermis: H < 0
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Reaksi Eksotermik dan Endotermik
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Contoh • 25.00 mL larutan 0.1000 M HCl dan 0.1000 M NaOH pada suhu awal 22.00°C dicampur dalam sebuah cangkir kopi kalorimeter • Reaksi netralisasinya: • Diketahui H reaksi netralisasinya –55.83 kJ • Berapa suhu akhir larutan? • Asumsi: – Panas jenis laurtan = panas jenis air: 4.184 J/(g.°C – Massa larutan akhir = 50.00 gram
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Solusi • Jumlah reaktan dalam larutan:
• Panas reaksi 0.002500 mol dari tiap reaktan:
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
qrxn qlarutan qrxn mc p T
139.6 J 50.00 g 4.184 J/g. o C T T 0.6673o C Takhir Tawal 0.6673o C Takhir 22.00o C 0.6673o C Takhir 22.67 oC
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
PERSAMAAN TERMOKIMIA • PERSAMAAN TERMOKIMIA: Persamaan kimia dengan menampilkan hubungan enthalpy antara produk dan reaktan
A+BC+D
H = +/- kJ
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Besaran H berbanding lurus dengan jumlah reaktan atau produk
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
H reaksi sama dalam besarannya tetapi berkebalikan tandanya untuk reaksi balik
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Harga H adalah SAMA apakah reaksinya satu tahap ataupun serangkaian tahapan
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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 Hrxn dari reaksi berikut PH3(g) + F2(g) PF5(g) + H2(g) • Informasi yang diketahui:
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Jawaban
2P(g) + 5F2(g) + 2PH3(g) 2PF5(g) + 2P(g) + 3H2(g) 5F2(g) + 2PH3(g) 2PF5(g) + 3H2(g)
H = -3199.6 kJ
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Enthalpi Pembentukan (Hof ) • 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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Enthalpi Pembentukan (Hof )
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Contoh • Pembakaran gas propana dengan oksigen untuk membentuk C O2(g) & H2O(l) • C3H8 (g) + 2O2 (g) 3CO2 (g) + 4H2O(l) • • Persamaan di atas dapat ditulis sebagai jumlah 3 reaksi pembentukan: C3H8(g) 3C(s) + 4H2(g) H1 = -Hof [C3H8(g)] 3C(s) + 3O2(g) 3CO2(g) H2 = 3 Hof [CO2(g)] 4H2(g) + 2O2(g) 4H2O(l) H3 = 4 Hof [H2O (l)]
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Contoh (2) Horxn = H1 + H2 + H3 = - Hof [C3H8(g)] + 3Hof [CO2(g)] + 4Hof [H2O(l)] = -(-103.85 kJ) + 3(-393.5 kJ) + 4(-285.8 kJ) = -2220 kJ
Horxn = nHof [produk] - mHof [reaktan] n & m : koefisien stoikiometri dari reaksi
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
REAKSI ENDOTERMIK Terjadi jika: • Ikatan reaktan lebih kuat dari pada ikatan produk • Ada lebih banyak ikatan di reaktan dibanding di produk
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Energi Dalam (E atau U) • ENERGI DALAM = jumlah energi kinetika dan energi potensial dari semua komponen dalam sistem • Perubahan energi dalam (∆E):
E Eakhir Eawal • 3 bagian kuantitas termodinamika: besaran, satuan, dan tanda – ∆E POSITIF: sistem mendapatkan tambahan energi dari lingkungannya – ∆E NEGATIF: sistem kehilangan energi ke lingkungannya
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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 q w • 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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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 PV
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Enthalpi Reaksi
H r H produk H reaktan 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)
H = -483.6 kJ
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Contoh
• Berapa harga ∆E jika ∆H = 135.3 kJ dialami pada tekanan tetap 18.9 atm dan perubahan volumenya 238 L?
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Jawaban • Ho = Eo + PV 1J
1 kg m2
1 atm 101, 325 Pa
2
1s
1 kg m s 2
-3
3
1 L 10 m
PV 18.9 atm 238 L 4500 atm L 1
kg
2 2 101,325 Pa 103 m3 6 kg m m s 4500 atm L 4.56 10 4.56 105 J 4.56 102 kJ 2 1 atm 1 Pa 1L s
E H PV 135.3 kJ 456 kJ -321 kJ
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
MAKANAN • Reaksi yang terlibat dalam memproduksi energi (pembakaran) dari makanan dan bahan bakar fosil mengubah senyawa berbasis-karbon ke CO2(g) dan H2O(l) Makanan (protein, karbohidrat, lemak) Pencernaan Glukosa/gula darah
(C6H12O6) C6H12O6(s) + 6O2(g) 6CO2(g) + 6H2O(l) Ho = -2803 kJ
• Nilai bahan bakar rata-rata dari karbohidrat adalah 17 kJ/g
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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)
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
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
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
Latihan Soal TERMOKIMIA Kerjakan dan dikumpulkan per orang
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA
U N IVERSIT Y OF I N D ON ESIA