TEORI DASAR

Pemicu A

Kimia Fisika

Kimia fisika adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari sifat-sifat fisik suatu sistem kimia tentang seluruh fenomena kimia yang meliputi konteks sub atomik, atomik, dan makroskopik dalam sistem kimia pada kaitannya dengan hukum dan konsep fisika. Kimia fisika sangat penting untuk mengembangkan dan menafsirkan teknik yang digunakan untuk menentukan struktur dan sifat, khususnya spektroskopi dan prosedur perhitungan, serta aplikasi untuk pengembangan dan pemahaman bahan modern dan zat biologis yang penting. Beberapa contoh bahasan kimia fisika adalah energi, termodinamika, kinetika, kimia kuantum, dan kesetimbangan. Pada materi kali ini akan membahas tentang gas ideal.

Pemicu B

Gas Ideal dan Gas Nyata

Gas adalah suatu zat yang tidak mempunyai bentuk dan volume tertentu, bergantung pada tempatnya. Jarak antara partikel sangat renggang dan patikel-partikelnya dapat bergerak sangat cepat. Gas Ideal adalah gas yang memenuhi beberapa syarat, yaitu memiliki ukuran partikel gas yang sangat kecil dibandingkan wadahnya sehingga dapat diabaikan, setiap parrtikel gas selalu bergerak secara acak, partikel gas selalu merata pada seluruh ruang, gaya tarik-menarik antar molekulnya sangat kecil, dan setiap tumbukan antar partikel dengan dinding yang terjadi adalah tumbukan lenting sempurna. Hukum-hukum gas ideal ada 7, yaitu Hukum Boyle (Isotherm), Hukum Charles – Gay-Lussac, Hukum Avogadro,Hukum Amagat (Volume Parsial), Hukum EOS (Equation of State), dan Hukum Dalton (Tekanan Parsial).

Sedangkan gas nyata adalah gas yang bersifat tidak sempurna, yaitu gas yang tidak mematuhi dengan tepat hukum gas ideal. Penyimpangan hukum lebih terlihat pada tekanan tinggi dan suhu rendah, khususnya pada saat gas akan mengembun menjadi cairan. Sifat-sifat gas nyata yaitu volume molekul gas nyata tidak dapat diabaikan, terdapat gaya tarik-menarik yang sangat kuat antar molekul gas nyata, yang dapat menyebabkan gerakan molekulnya tidak lurus dan tekanan ke dinding menjadi kecil yaitu lebih kecil daripada gas ideal terutama jika tekanan diperbesar atau volume diperkecil. Persamaan-persamaan gas nyata ada 4, yaitu Persamaan Van der Waals, Persamaan Barthelot, Persamaan Beattie-Bridgeman, dan Persamaan Kamerlingh-Onness.

Untuk mempermudah dalam membedakan suatu gas apakah termasuk dalam gas ideal atau gas nyata dapat dilakukan melalui perhitungan faktor kompresi atau faktor pemampatan (compressible factor). Gas nyata memperlihatkan ketergantungan gaya terhadap jarak dengan

membuat grafik amtara faktor kompresi (Z) terhadap tekanan, dengan Z= PVnRT

. Karena

untuk gas ideal Z=1 pada semua kondisi, penyimpangan Z dari 1 adalah ukuran ketidaksempurnaan.

Triger Pemicu A

A. Peter Atkins mengatakn bahwa “Physical chemistry is the branch of chemistry that establishes and develops the principles of the subject in terms of the underlying concepts of physics and the language of mathematics”. Bagaimana Anda dapat menerangkan tentang struktur dan konsep dari kimia fisika berdasarkan kalimat dari Peter Atkins tersebut?

Jawab :

Kimia fisika adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari sifat-sifat fisik suatu sistem kimia tentang seluruh fenomena kimia yang meliputi konteks sub atomik, atomik, dan makroskopik yang kaitannya dengan hukum dan konsep fisika. Konsep tersebut digunakan untuk menjelaskan dan menafsirkan pengamatan pada sifat fisika dan kimia suatu materi. Kimia fisika sangat penting untuk mengembangkan dan menafsirkan teknik yang digunakan untuk menentukan struktur dan sifat, khususnya spektroskopi dan prosedur perhitungan, serta aplikasi untuk pengembangan dan pemahaman bahan modern dan zat biologis yang penting.

Karakteristik kimia fisika adalah untuk mengembangkan suatu teori, kemudian mengadopsi suatu model dari teori tersebut agar dapat dijelaskan secara detail. Selain itu model tersebut diuji dalam sebuah pengamatan dan akan dikembangkan supaya lebih canggih dan lengkap. Salah satu contoh adalah model kinetik gas, dimana gas ideal dianggap sebagai kumpulan partikel yang bergerak acak tanpa henti-hentinya. Model kinetik diuraikan oleh interaksi antarmolekul dan digunakan untuk memperhitungkan sifat-sifat gas nyata.

Dalam kimia fisika yang membahas ilmu lingkungan, ilmu material, dan biologi molekuler harus diperkenalkan mengenai teknik eksperimental spektroskopi, difraksi, serta teknik teoritis yang diimplementasikan pada komputer namun harus berdasarkan mekanika kuantum dan termodinamika statistik. Kimia fisika memberikan teknik baru untuk mendukung seluruh struktur penafsiran kimia.

Triger Pemicu B

B.

1. Secara umum gas dapat dibagi menjadi 2, yaitu gas ideal dan gas nyata. Bagaimanakah kita dapat mengatakan bahwa gas tersebut ideal, dan kapan kita mengatakan gas tersebut adalah gas nyata, dan jelaskan juga mengapa gas nyata tidak bisa memenuhi hukum-hukum gas ideal.

Jawab :

Gas Ideal adalah gas yang memenuhi beberapa syarat, yaitu memiliki ukuran partikel gas yang sangat kecil dibandingkan wadahnya sehingga dapat diabaikan, setiap parrtikel gas selalu bergerak secara acak, partikel gas selalu merata pada seluruh ruang, gaya tarik-menarik antar molekulnya sangat kecil sehingga dapat diabaikan, dan setiap tumbukan antar partikel dengan dinding yang terjadi adalah tumbukan lenting sempurna.

Sedangkan gas nyata adalah gas yang bersifat tidak sempurna, yaitu gas yang tidak mematuhi dengan tepat hukum gas ideal. Penyimpangan hukum lebih terlihat pada tekanan tinggi dan suhu rendah, khususnya pada saat gas akan mengembun menjadi cairan. Sifat-sifat gas nyata yaitu volume molekul gas nyata tidak dapat diabaikan, terdapat gaya tarik-menarik yang sangat kuat antar molekul gas nyata, yang dapat menyebabkan gerakan molekulnya tidak lurus dan tekanan ke dinding menjadi kecil yaitu lebih kecil daripada gas ideal terutama jika tekanan diperbesar atau volume diperkecil. Gas nyata tidak dapat memenuhi hukum-hukum gas ideal karena terjadi penyimpangan terhadap hukum-hukum gas ideal. Penyimpangan hukum lebih terlihat pada tekanan tinggi dan suhu rendah karena akan terjadi interaksi antar molekul-molekul gas nyata. Gaya tolakan cukup berpengaruh saat molekul-molekul akan saling bertumbuk khususnya pada tekanan sangat tinggi. Pada tekanan tinggi, kerapatan gas meningkat, molekul-molekul lebih berdekatan satu dengan lainnya. Kemudian gaya antarmolekul dapat menjadi cukup bernilai untuk mempengaruhi gerakan molekul, dan gas tidak akan lagi berperilaku ideal. Selain itu perilaku non-ideal suatu gas terlihat pada suhu rendah. Mendinginkan gas dapat menurunkan energi kinetik rata-rata molekulnya, hal ini dapat dimengerti bahwa molekul yang gerakannya terhalang, memerlukan upaya untuk meloloskan diri dari saling tarik-menariknya molekul gas tersebut. Sedangkan, jika tekanan rendah dan suhu tinggi maka gas nyata dapat mematuhi hukum gas ideal.

Di bawah ini merupakan pengamatan bahwa gas-gas nyata ,enyimpang dari hukum gas ideal terutama sangat terlihat pada tekanan tinggi dan temperatur rendah (relatif mendekati titik kondensasi gas).

Gbr.1. Penyimpangan hukum gas ideal pada tekanan dan temperatur tertentu

2. Salah satu persamaan gas nyata yang banyak digunakan adalah persamaan Van der Waals. Dengan berdasarkan kepada persamaan gas ideal, terangkan bagaimana kita bisa mendapatkan persamaan Van der Waals. Dalam persamaan Van der Waals, terdapat dua konstanta yang sangat tergantung kepada karakteristik dari masing-

masing gas. Terangkan bagaimana cara menentukan nilai konstanta Van der Waals tersebut.

Jawab :

Interaksi tolak-menolak antara molekul-molekul diperhitungkan dengan asumsi bahwa interaksi itu menyebabkan molekul-molekul berperilaku seperti bola kecil tetapi tidak dapat ditembus. Volume bukan-nol molekul menyiratkan bahwa partikel itu tidak bergerak di dalam volume V, melainkan terkekang di dalam volume yang lebih kecil (V – nb), dengan nb menyatakan perkiraan volume total yang ditempati n mol gas molekul-molekul itu sendiri. Dengan alasan ini kita terdorong untuk

mengubah hukum gas ideal P=nRTV

menjadi

P= nRTV−nb

........................ (1)

Tekanan bergantung baik pada frekuensi tabrakan dengan dinding maupun pada gaya setiap tabrakan. Baik frekuensi maupun gaya tabrakan berkurang akibat gaya tarik yang terjadi akibat kekuatan yang secara kasar sebanding dengan konsentrasi molar ¿ molekul-molekul di dalam sampel. Oleh karena itu, tekanan berkurang sebanding dengan kuadrat konsentrasi ini. Jika pengurangan tekanan ditulis sebagai −a¿¿, dengan a menyatakan konstanta yang khas untuk setiap gas, maka efek gabungan dari gaya tolak dan gaya tarik adalah persamaan van der Waals.

P= nRTV−nb

−a ( nV )

2

......................... (2)

Persamaan van der Waals tersebut dapat dilakukan penataan ulang untuk mendapatkan bentuk persamaan yang menyerupai persamaan gas ideal PV=nRT , yaitu

(P+a( nV )

2) (V−nb )=nRT ......................... (3)

(P+ an2

V 2 ) (V−nb )=nRT ......................... (4)

Dimana :

a=koreksi terhadaptekanan(akibat adanyagaya tarik partikel)

b=koreksi terhadap volume (akibat adanya gaya tolak partikel)

Konstanta van der Waals a dan b dipilih untuk memberikan kemungkinan kesesuaian terbaik antara Persamaan (4) dan perilaku gas tertentu yang teramati. Nilai

a menyatakan seberapa kuat molekul dari jenis gas yang diberikan saling tarik-menarik satu dengan yang lainnya. Terlihat bahwa atom-atom yang memiliki gaya tarik-menarik lemah antara satu dengan lainnya, maka akan memiliki nilai a yang kecil. Tampak pula secara kasar korelasi antara ukuran molekul dengan b. Secara umum, semakin besar molekul (atau atom), semakin besar pula nilai b, namun hubungan antara b dengan ukuran molekul (atau atom) tidaklah sesederhana itu.

3. Selain persamaan van der Waals, ada beberapa persamaan lain yang menjelaskan deviasi gas nyata dari gas ideal. Dengan menggunakan persamaan gas nyata tersebut, tentukanlah propertis dari molekul-molekul penyusun udara.

Jawab :

Selain persamaan van der Waals, persamaan gas nyata yang lainnya ada 3, yaitu Persamaan Barthelot, Persamaan Beattie-Bridgeman, dan Persamaan Kamerlingh-Onnes.1. Persamaan Barthelot

Bentuk tekanan tinggi dari persamaan ini agak sukar ditangani. Maka :

PV=nRT (1+9 P T c

128 Pc T (1−6T c

2

T2 )) ...................(5)

Dimana :

Tc = Suhu pada titik kritis ; T c=8 a

27 Rb

Pc = Tekanan pada titik kritis ; Pc=a

27 b2

Untuk tekanan sekitar 1 atm ke bawah, persamaan ini sangat teliti, sehingga dapat berguna untuk menghitung berat molekul dari densitinya.

2. Persamaan Beattie-BridgemanDalam persamaan ini terdapat 5 konstanta. Persamaan ini terdiri atas 2 persamaan yaitu persamaan untuk mencari nilai tekanan (P) dan persamaan untuk mencari nilai volume molar (Vm).

P= RTV m

+ β

V m2+ γ

V m3+ δ

V m4 ......................(6)

V m=RTP

+ βRT

+ γP(RT )2 +

δ P2

(RT )3 ......................(7)

Dimana :

β=RT B0−A0−Rc

T 2 ......................(8)

γ=−RT B0 b+ A0 a−Rc B0

T 2 ......................(9)

δ=R B0bc

T 2

....................(10)Keterangan :T = suhu absolutR = konstanta gasA0, B0, a,b = konstanta karakteristik gas

3. Persamaan Kamerlingh-OnnesPersamaan empiris mengungkapkan PV sebagai rangkaian kekuatan tekanan pada setiap temperatur tertentu. Berikut adalah persamaannya :

P V m=A+BP+C P2+D P3+… .....................(11)

PV m=RT (1+ BV m

+ CV m

2 +…) ......................(12)

Dimana : P = tekanan gas

Vm = volume molar ; V m=Vn

Koefisien A, B, C = koefisien virial 1, 2, dan 3

Pada tekanan rendah, hanya koefisien A saja yang akurat. Namun, semakin tinggi tekanan suatu gas, maka B, C, D, dan seterusnya pun akan lebih akurat sehingga dapat disimpulkan bahwa persamaan Kamerlingh-Onness akan memberikan hasil yang semakin akurat bila tekanan semakin meningkat.

Tabel 1. Koefisien Virial Beberapa Gas