Termodinamika.pptx

7/28/2019 Termodinamika.pptx

1/66

TERMODINAMIKA

Drs. I Gusti Agung Gede Bawa, M.Si

JURUSAN KIMIA

FMIPA UNIVERSITAS UDAYANA


2/66

TERMODINAMIKA

Termodinamika :

Ada dua hal yang menjadi penekanan dalam mempelajari termodinamika,

yaitu :

ilmu yang mempelajari perubahan-perubahan energi yang menyertaisuatu proses, baik proses fisika maupun proses kimia.

1. Penentuan kalor reaksi (termokimia)

2. Penentuan arah suatu proses dan sifat-sifat sistem dalam

kesetimbangan (termodinamika).


3/66

Beberapa ist i lah dan konsep dasar

termodinam ika :

Sistem dan lingkungan

Sistem adalah bagian dari alam semesta yangmenarik perhatian kita untuk diamati sifat-sifatnya,Bagian dari alam semesta yang berada diluar sistemdinamakan lingkungan.

Antara sistem dan lingkungan dapat terjadipertukaran energi dan materi. Berdasarkanpertukaran ini, sistem dapat dibedakan menjadi 3(tiga) yaitu :

1. Sistem terbuka

2. Sistem tertutup

3. Sistem terisolasi


4/66

Keadaan Sistem dan Fungsi Keadaan

Dalam menggambarkan suatu sistem, kita harusmenetapkan sifat-sifat sistem secara teliti.

Kita dapat menentukan temperatur, tekanan, volume,jumlah mol komponen suatu sistem, serta wujudsistem (padat, cair atau gas).

Apabila kita telah menetapkan variabel ini, maka kitatelah menggambarkan keadaan sistem tersebut.

Fungsi keadaan atau variabel keadaan adalah suatubesaran yang mempunyai nilai yang hanya bergantung padakeadaan langsung suatu sistem dan tidak bergantung pada

jalannya perubahan sistem.

Salah satu ciri dari fungsi keadaan adalah apabila diamengalami perubahan, maka nilainya hanya bergantung padakeadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

Yang termasuk fungsi keadaan adalah temperatur, tekanan,volume, entalpi dan energi dalam.


5/66

Energi, Kalor dan Kerja

Energi biasanya didefinisikan sebagai kemampuanmelakukan kerja.

Apabila suatu objek memiliki energi, objek ini dapatmempengaruhi objek yang lain dengan melakukan kerjapadanya.

Suatu objek dapat memiliki energi kinetik dan energipotensial.

Energi kinetik (EK) adalah energi yang dimiliki olehsuatu objek apabila dia sedang bergerak.

Energi kinetik dapat dihitung dengan persamaan :EK = mv2

Energi potensial (EP) adalah energi tersimpan; atauenergi yang dimiliki oleh suatu objek akibat adanyagaya tarik menarik dan tolak menolak di antara objektersebut.


6/66

Kalor Kalor didefinisikan sebagai energi yang

dipindahkan melalui batas-batas sistem sebagaiakibat adanya perbedaan temperatur antara sistemdan lingkungan.

Kerja Kerja didefinisikan sebagai semua bentuk energi

selain kalor yang dipertukarkan antara sistem danlingkungan.


7/66

TERMOKIMIA

Energi dan Perubahan Energi

Partikel-partikel penyusun suatu zat (padat, cair atau gas) selalu

bergerak konstan, sehingga zat memiliki energi kinetik.

Energi potensial suatu zat atau objek muncul dari adanya gaya

tarik menarik dan tolak menolak antara partikel-partikel penyusun

zat atau objek tersebut.

Atom tersusun dari partikel bermuatan (inti dan elektron) yang

dapat saling tarik-menarik dan tolak menolak, sehingga atom,

molekul dan ion memiliki energi potensial.

Salah satu bentuk energi yang umum kita jumpai adalah energitermal atau kalor, disamping energi radiasi, energi listrik danenergi mekanik.

Kalor adalah energi kinetik dari atom-atom dan molekul-

molekul.


8/66

Hampir dalam setiap reaksi kimia akan selalu terjadi

penyerapan dan pelepasan energi.

Marilah kita pelajari bagaimana ini terjadi dan bagaimana

perubahan energi total dari zat tersebut.

Andaikan kita melangsungkan perubahan kimia dalam

wadah tersekat / terisolasi, sehingga tidak ada kalor yang

masuk maupun keluar sistem.

Dengan demikian, energi total yang dimiliki sistem adalahtetap.

Bayangkan sekarang energi potensial produk (hasil reaksi)

lebih rendah dari energi potensial reaktan (pereaksi) setelah

reaksi berlangsung. Berkurangnya energi potensial bukanlah hilang, tetapi berubah

menjadi energi kinetik, sehingga energi kinetik sistem

meningkat yang mengakibatkan sistem menjadi panas atau

temperatur sistem meningkat.


9/66

Kebanyakan reaksi dilangsungkan dalam wadah terbuka

(sistem terbuka).

Bila sistem menjadi panas, maka kalor akan mengalir ke

lingkungan. Beberapa perubahan yang mampu mengalirkan kalor dari

sistem ke lingkungan atau sistem melepaskan kalor ke

lingkungan disebut perubahan eksoterm.

Suatu saat, perubahan kimia terjadi dimana ada pertambahanenergi potensial produk, maka energi kinetik sistem menurun,

sehingga temperatur sistem juga menurun (sistem menjadi

lebih dingin).

Apabila sistemnya adalah sistem terbuka, maka kalor akan

mengalir ke dalam sistem.

Perubahan ini disebut perubahan endoterm.


10/66

Mengukur Energi yang Menyertai Reaks i Kim ia

Perubahan energi dalam reaksi kimia umumnya dalam bentuk

kalor, sehingga perubahan energi ini dinamakan kalor reaksi. Kita dapat mengukur kalor reaksi dengan alat kalorimeter.

Kalor jenis dan Kapasitas kalor

Kalor jenis (c) ; kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1

gram zat sebesar 1o

C.

Kapasitas kalor (C) ; kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan

suhu suatu zat sebesar 1oC.

Hubungan kalor jenis dan kapasitas kalor adalah :

C = m x c

Jika pada reaksi terjadi perubahan suhu (t), maka perubahankalor atau perubahan entalpi dirumuskan :

q = m x c x

t atau q = C x

t


11/66

Kalorimeter Volume Konstan (Bomb Calorimeter)

Jenis kalorimeter ini biasanya dipakai untuk mempelajari

reaksi-reaksi eksotermik yang tidak bereaksi sebelum

dinyalakan, seperti reaksi pembakaran CH4, H2, dan Ca dll.

pengaduktermometer

Becker kalorimeter

isolatorair

bomb

penyala

O2

inlet

Temperatur awal dari air dicatat, kemudian reaksi dilangsungkan

dengan memberikan arus listrik. Kalor yang dilepaskan oleh reaksi akan diserap oleh bomb dan

air, sehingga temperaturnya meningkat.

Dari pengukuran perubahan temperatur, dan pengetahuan

tentang kapasitas kalor dari kalorimeter, maka jumlah kalor

yang dilepaskan dapat dihitung.


12/66

Desain alat menunjukkan bahwa sistem merupakan sitem

tersekat / terisolasi.

Tidak ada kalor yang diserap / dilepaskan oleh sistem dari / ke

lingkungan, maka kita dapat menulis hubungan :

qs = qair+ qbomb + qreaksi = 0

qreaksi = - (qair+ qbomb )

Sehingga :

qreaksi = - [(mair.sair.t) + (Cbomb. t)]


13/66

Kalorimeter Tekanan Konstan

Jenis kalorimeter ini biasanya dipakai mengukur kalor reaksi

netralisasi dan kalor pengenceran.

Campuran reaksi

Cangkir styrofoam

pengaduktermometer

Karena pengukuran dilakukan dibawah kondisi tekanan

atmosfir, maka kalor reaksinya diberi nama entalpi .

Karena tidak ada kalor yang dilepaskan ke lingkungan, maka

kita dapat menulis :

qs = qlarutan + qkalorimeter+ qreaksi = 0Sehingga :

qreaksi = - (qlarutan + qkalorimeter)

qreaksi = - [(mlarutan.slarutan.t) + (Ckalorimeter. t)]


14/66

Jenis-jenis Entalpi :

1. Entalpi Pembentukan Standar (Hfo)Jumlah kalor yang diperlukan atau dibebaskanuntuk proses pembentukan 1 mol senyawa dariunsur-unsurnya yang stabil pada keadaan standar(298 K, 1 atm.)

Contoh :

H2(g) + O2(g) H2O(g) H = -241,8 kJC(s) + O2(g) CO2(g) H = -393,5 kJC(s) + 2H2(g) CH4(g) H = -74,8 kJ

Berdasarkan kesepakatan internasional, entalpipembentukan standar unsur-unsur dalam bentukyang paling stabil berharga 0 (nol).


15/66

2. Entalpi Penguraian Standar (Hdo)Jumlah kalor yang diperlukan atau dibebaskan

untuk proses penguraian 1 mol senyawa dariunsur-unsurnya yang stabil pada keadaan standar(298 K, 1 atm.).

Contoh :

NaCl(s) Na(s) + Cl2(g) H = +411 kJ

Na2CO3(s) 2Na(s) + C(s) + 3/2O2(g) H = +1435 kJ

CuSO4(s) Cu(s) + S(s) + 2O2(g) H = +722,8 kJ

Hukum Laplace: jumlah kalor yang dibebaskanpada pembentukan senyawa dari unsur-unsurnyasama dengan jumlah kalor yang diperlukan padapenguraian senyawa tersebut menjadi unsur-unsurnya.


16/66

3. Entalpi Pembakaran Standar (Hco)

Jumlah kalor yang dibebaskan untuk proses

pembakaran 1 mol zat (unsur atau senyawa) padakeadaan standar (298 K, 1 atm.).

Contoh :

C(s) + O2(g) CO2(g) H = -393,5 kJ

S(s) + 3/2O2(g) SO3(g) H = -395,7 kJSO2(g) + O2(g) SO3(g) H = -98,87 kJ

4. Entalpi Pelarutan Standar (Hso)

Jumlah kalor yang diperlukan / dibebaskan untuk

melarutkan 1 mol zat pada keadaan standar (298 K, 1

atm.).

Contoh : NaCl(s) NaCl(aq) H = +3,9 kJ


17/66

Penentuan Harga H

1. Penentuan harga

H melalui percobaan sederhana.

A. Bomb Calorimeter

qreaksi = (qair+ qkalorimeter)

B. Kalorimeter tekanan tetap

qreaksi = (qlarutan + qkalorimeter)


18/66

2. Penentuan harga H menggunakan Hukum HessHukum Hess :

Kalor reaksi yang dibebaskan atau diperlukan pada suatureaksi tidak bergantung pada jalannya reaksi, tetapi hanyabergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir suatureaksi.

atau

Perubahan entalpi suatu reaksi tetap sama, baik berlangsungdalam satu tahap maupun dalam beberapa tahap.

Contoh : Pembentukan SO31. Reaksi 1 tahap : S(s) + 3/2O2(g) SO3(g) H = -396 kJ

2. Reaksi dalam 2 tahap :

tahap 1. S(s) + O2(g) SO2(g) H = -297 kJtahap 2. SO2(g) + O2(g) SO3(g) H = -99 kJ

S(s) + 3/2O2(g) SO3(g) H = -396 kJ+


19/66

4. Penentuan harga H berdasarkan Data Energi Ikatan

Hreaksi = [Energi total pemutusan ikatan] [Energi totalpembentukan ikatan]

Hreaksi = energi ikat pereaksi energi ikat hasil reaksi

Contoh : CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) Hr= ..?H

r= energi ikat pereaksi energi ikat hasil reaksi= [4 x EC-H + 2 x EO=O] [2 x EC=O + 4 x EO-H]


20/66

3. Penentuan harga H berdasarkan harga HfoHreaksi = Hfohasil reaksi - HfopereaksiReaksi : pA + qB rC + sD Hreaksi= ..?Hreaksi = [r x HfoC + s x HfoD] [p x HfoA + q x HfoB]

Contoh :

C3H8(g) 3C(s) + 4H2(g) H1 = HdoC3H8(g)3C(s) + 3O2(g) 3CO2(g) H2 = 3 x HfoCO2(g)4H2(g) + 2O2(g) 4H2O(l) H3 = 4 x HfoH2O(l)

+

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l) Hr= .. ?

Hr= H

1+ H

2+ H

3Hr= HdoC3H8(g) + 3 x HfoCO2(g) + 4 x HfoH2O(l)= [3 x HfoCO2(g) + 4 x HfoH2O(l)] HfoC3H8(g)

Hreaksi = Hfohasil reaksi - Hfopereaksi


21/66

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum Kekekalan Energi :Di dalam perubahan k imia dan fisika, energi t id ak dapat

diciptakan dan tidak dapat dimu snahkan, energi hanya dapat

diubah dar i satu jenis ke jenis yang lainny a.

Hukum Pertama Termodinamika :

Bila suatu sistem m engalam i serangk aian perubahan yang

akhirnya membawa sistem kembal i ke keadaan awalnya, maka

beda perubahan energin ya adalah nol (0).

Kita tidak tertarik pada proses yang membawa kita kembali ke

keadaan awal, tetapi kita lebih tertarik pada bagaimana

perubahan energinya apabila satu keadaan berubah menjadi

keadaan yang lain.


22/66

Energi Dalam (E)

Energi dalammerupakan penjumlahan dari semua energi kinetik

atom-atom, ion-ion atau molekul-molekul dan semua energi

potensial yang muncul akibat gaya tarik menarik dan tolakmenolak antar partikel penyusun sistem.

Perubahan pada energi dalam didefinisikan :

Apabila suatu sistem berubah dari satu keadaan ke keadaan yang

lain, ada dua cara sistem mempertukarkan energi dengan

lingkungannya.

E = Eakhir Eawal

E = Eproduk Ereaktan

1. menyerap atau me lepaskan kalor(q).

2. melakukan atau mener ima ker ja(w).


23/66

1. Jika sistem menyerap kalor, energi sistem meningkat, dan jika

sistem melepaskan kalor, energi sistem menurun.

2. Jika sistem melakukan kerja, energi sistem menurun dan jika

sistem menerima kerja dari lingkungan, maka energi sistemmeningkat.

Perubahan energi dalam (E) dirumuskan :

E = q + wq adalah kalor yang diserap oleh sistem dari lingkungan.

w adalah kerja yang dilakukan oleh lingkungan terhadap sistem.

Kalor (q) adalah energi yang dipindahkan melalui batas-batas

sistem sebagai akibat adanya perbedaan temperatur antarasistem dan lingkungan.

Kerja (w) adalah semua bentuk energi selain kalor yang

dipertukarkan antara sistem dan lingkungan.


24/66

Kerja pada Sistem K im ia dan Fisika

Kerja ekspansi (expansion) dan kerja pemanpatan (compress ion)

merupakan salah satu jenis kerja yang dapat dipertukarkan antara

sistem dan lingkungan.

Jumlah kerja ekspansi dan pemanpatan berhubungan dengan

tekanan sistem dan perubahan volume sistem.

P

P

h

hi

hf

Luas alas (A)


25/66

Apabila gas mengalami ekspansi, maka piston terangkat ke

atas. Hal ini disebabkan meningkatnya tekanan gas sehingga

mampu mendesak piston ke atas. Tekanan yang mendesak

piston (P) berasal dari gaya sebar molekul-molekul gas (F) per

satuan luas silinder (A) ;

A

FP

Volume gas dalam silinder merupakan perkalian luas dasarsilinder (A) dengan tinggi silinder (h).

V = A x h

Apabila gas mengembang, maka A tetap sama, tetapi h berubah,

sehingga perubahan volume (V) menjadi :V = Vakhir Vawal

= [A x hf] [A x hi]

= A (hf hi)

= A x h


26/66

Hasil kali tekanan dengan perubahan volume adalah :

P. V = x A.h = F.hA

F

Kita mengetahui bahwa kerja adalah hasil kali gaya dengan

jarak ;

w = F . s Sehingga :

F . h = F . s = w = P. V Jadi P.V merupakan jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem

pada lingkungan apabila dia mengembang.

Kerja ekspansi dilakukan oleh sistem apabila dia mengembang

melawan tekanan luar (lingkungan). Sebaliknya apabila suatu sistem mengkerut dibawah pengaruh

tekanan luar, maka sistem akan menerima kerja dari

lingkungannya.

wlingkungan = P x V wsistem = P x V


27/66

Kerja Ekspansi dan Hukum Pertama Termod inamika

Hukum pertama termodinamika dapat menjelaskan mengapa

kalor reaksi yang diukur dengan bomb kalorimeter berbeda

dengan kalor reaksi yang diukur dengan styrofoam kalorimeter.

Dalam bomb kalorimeter pengukuran kalor reaksi pada volume

tetap, karena selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan

volume.

Karena V = 0, maka P x V = 0 atau w = 0.E = q + w

= q + 0

= q

atau E = qv

Karena kebanyakan reaksi yang kita langsungkan pada kondisi

tekanan konstan, bukan pada volume konstan, maka ahli

termodinamika mengusulkan suatu besaran baru yaitu entalpiuntuk menyatakan kalor reaksi pada tekanan tetap.


28/66

Entalpi (H) suatu sistem didefinisikan sebagai :

H = E + PV

Perubahan entalpi (H) didefinisikan sebagai :H = E + P.V

bila hanya kerja ekspansi yang terjadi pada sistem, maka E = q P.V, sehingga perubahan entalpi sistem tersebut menjadi :

H = (q P.V) + P.VH = q P.V + P.V

H = qpJadi perubahan entalpi suatu reaksi sama dengan kalor reaksi

yang diukur pada tekanan konstan.


29/66

Spontanitas Perubahan spontan adalah suatu perubahan yang berlangsung

tanpa adanya bantuan luar.

Untuk memahami masalah spontanitas, perhatikannlah perubahan-

perubahan kimia atau fisika berikut ini :

1. Air selalu bergerak ke tempat yang lebih rendah, dia

berlangsung spontan.

2. Satu sendok gula secara spontan melarut dalam secangkir

kopi, tetapi gula terlarut tidak secara spontan muncul sepertibentuk awalnya.

3. Kalor mengalir secara spontan dari benda panas ke benda

dingin, tetapi peristiwa sebaliknya tidak terjadi secara

spontan.

4. Air membeku secara spontan dibawah 0o

C dan es melelehsecara spontan diatas 0oC pada tekanan 1 atmosfir.

Contoh-contoh ini dan beberapa contoh lainnya menunjukkan bahwa

perubahan yang terjadi secara spontan pada satu arah dan akan

nonspontan pada arah yang berlawanan.


30/66

Pada umumnya ada suatu kecendrungan bahwa energi

potensial suatu benda berada pada tingkat minimum.

Perubahan yang cenderung menurunkan energi potensial akancenderung berlangsung spontan.

Perubahan-perubahan yang menurunkan energi potensial

adalah perubahan-perubahan eksoterm.

Dengan demikian perubahan eksoterm cenderung berlangsungsecara spontan.

Entropi

Entropi adalah suatu uku ran langs ung dar i keacakan atau ket idak-

teraturan su atu sistem.

Seperti energi dan entalpi, entropi juga merupakan suatu fungsi

keadaan.


31/66

Dalam suatu perubahan dimana sistem berubah dari keadaan awal

ke keadaan akhir, maka perubahan entropinya adalah :

S = Sakhir SawalJika perubahan menghasilkan suatu pertambahan keacakan atau

ketidak-teraturan, maka perubahan tersebut menghasilkan

pertambahan entropi.

Sakhir Sawal, sehingga S 0.

Hukum Kedua Termodinamika

Entrop i dar i alam semesta bertambah dalam suatu perubahan

spontan dan tetap t idak berubah dalam suatu pros eskeset imbangan.

Karena alam semesta tersusun dari sistem dan lingkungan, maka

perubahan entropi alam semesta (Sas) merupakan penjumlahanperubahan entropi sistem (Ss) dan perubahan entropi lingkungan(Sl).


32/66

Secara matematika kita dapat mengungkapkan Hukum Kedua

Termodinamika sebagai berikut :

Proses spontan : Sas = Ss + Sl 0.Proses kesetimbangan : Sas = Ss + Sl = 0.

Untuk proses spontan hukum ini mengatakan bahwa Sas haruslebih besar dari 0, tetapi hukum ini tidak memberikan gambaran

apakah Ss

atau Sl

yang negatif, sedangkan untuk proses

kesetimbangan Sas = 0, sehingga Ss dan Sl harus sama besartetapi tandanya berlawanan.

Perubahan Entropi dalam Sistem

Untuk menghitung Sas kita perlu menghitung Ss dan Sl terlebihdahulu.

Andaikan sistem terdiri dari suatu reaksi :

aA + bB

cC + dD


33/66

maka kita dapat menghitung Soreaksi dari entropi-entropi standarreaktan dan produk ;

S

o

reaksi = {[c x (S

o

C) + d x (S

o

D)] [a x (S

o

A) + b x (S

o

B)]}

Perubahan Entropi dalam Lingkungan

Untuk proses-proses yang dilangsungkan pada tekanan tetap,

perubahan kalor sama dengan perubahan entalpi dari sistem .

SlHs.Perubahan entropi juga bergantung pada temperatur.

Sl = -Hs / T


34/66

Hukum Ketiga Termodinamika

Entrop i suatu kr istal sempu rna adalah no l pada temperatur nol

absolut.

Titik terpenting dari hukum ketiga termodinamika adalahmengizinkan kita menentukan entropi absolut zat-zat.

Dimulai dengan pengetahuan bahwa entropi kristal-kristal zatyang murni pada nol absolut adalah 0, maka kita dapat mengukurpertambahan entropi zat-zat apabila dia dipanaskan.

Perubahan entropi diberikan oleh :

S = Sf SiKarena Si = 0, maka perubahan entropi (S) sama dengan Sf.

S = Sf.


35/66

Entropi zat-zat pada temperatur 25oC disebut entropi absolut, karenanilai ini benar-benar nilai terukur, bukan nilai perbandingan.

Kita tidak mempunyai nilai energi absolut maupun entalpi absolut suatuzat, karena energi dan entalpi nol tidak didefinisikan.

Energi Bebas Gibb (G)

Hukum kedua termodinamika menyatakan kepada kita bahwa suatureaksi spontan harus menunjukkan pertambahan entropi di alamsemesta, yaitu Sas 0.

Untuk menentukan perubahan entropi di alam semesta kita harusmenghitung Ss dan Sl.

Karena biasanya kita hanya tertarik mengamati apa yang terjadi didalam sistem, daripada mengamati apa yang terjadi di alam semestasecara keseluruhan, maka perlu sekali mempunyai suatu parametertermodinamika yang dapat menunjukkan apakah suatu reaksi akanterjadi secara spontan dengan hanya melihat sistem saja.


36/66

Kita mengetahui bahwa proses spontan :

Sas = Ss + Sl 0, dan Sl = -Hs / T,maka, Sas = Ss + -Hs / T 0

Kalikan kedua sisi persamaan dengan T, sehingga persamaan

menjadi :

T.Sas = T.Ss + (-Hs) 0Jika persamaan di atas dikalikan dengan1, maka akan menjadi :

-T.Sas

= Hs T.S

s 0.

Sekarang kita telah mempunyai kriteria untuk suatu reaksispontan yang diungkapkan dengan parameter sistem saja.


37/66

Kita memperkenalkan suatu parameter termodinamika baru yang

disebut energi bebas Gibb atau energi bebas.

G = H TS

Perubahan energi bebas (G) suatu sistem yang mengalamiproses pada temperatur konstan diberikan oleh persamaan :

G = H T.SKita sekarang dapat meringkas kondisi spontanitas dan

kesetimbangan yang dilakukan pada temperatur dan tekanan tetap

dalam besaran G sebagai berikut :

G < 0 suatu reaksi spontan G > 0 suatu reaksi nonspontan G = 0 sistem dalam kesetimbangan


38/66

Menghitung Perubahan Energi Bebas

Karena perubahan energi bebas dibawah kondisi temperatur dan

tekanan konstan dapat dipakai memprediksi hasil suatu proses,maka kita akan melihat cara-cara menghitung nilai perubahanenergi bebas tersebut.

Perhatikan reaksi berikut :

aA + bB

cC + dDJika reaksi dilakukan di bawah kondisi standar yaitu reaktandalam keadaan standar menjadi produk dalam keadaan standar,perubahan energi bebasnya disebut perubahan energi bebasstandar (Go).Untuk reaksi di atas perubahan energi bebas standar diberikanoleh :

Goreaksi = {[c.(GfoC) + d.( Gf

oD)] [a.(GfoA) + b.(Gf

oB)]}


39/66

Energi bebas pembentukan standar adalah perubahan energibebas yang terjadi bila satu mol suatu senyawa disintesis dariunsur-unsurnya dalam keadaan standar.

Untuk pembakaran grafit : C(grafit) + O2(g) CO2(g), perubahanenergi bebas standar adalah :

Goreaksi = {[Gfo CO2] [Gfo C + Gfo O2]}Seperti dalam kasus entalpi pembentukan standar, kitamendefinisikan energi bebas pembentukan standar (Gfo) unsur-unsur dalam bentuk paling stabilnya pada 1 atm dan 25oC adalahnol (0).

Jadi Gfo C(grafit) = 0 dan Gfo O2 = 0, dengan demikian

Go

reaksi =

Gfo

CO2.


40/66

Energi Bebas dan Kesetimbangan Kimia

Sekarang marilah kita lihat perbedaan antara G dan Go danhubungan antara perubahan energi bebas dan konstantakesetimbangan.

G = H T.SGo = Ho T.So

Pentingnya kita memahami kondisi suatu reaksi, apakah dibawahkeadaan standar atau tidak dan informasi apa yang dapat diperoleh

dari G dan Go.Perhatikan ilustrasi berikut :

reaktan produkPerubahan energi bebas standar untuk reaksi di atas diberikan

oleh :

Go = Go(produk) Go(reaktan)


41/66

Go menyatakan perubahan apabila reaktan-reaktan dalam keadaanstandar diubah menjadi produk yang juga dalam keadaan standar.

Kita sudah menyaksikan di atas bahwa perubahan energi bebasstandar suatu reaksi (Goreaksi) dihitung dari energi bebas pembentukan

standar dari reaktan dan produk.

Bayangkan kita memulai suatu reaksi dimana semua reaktan dalam

keadaan standar (semuanya pada konsentrasi 1 M).

Begitu reaksi dimulai, kondisi dalam keadaan standar sulit

dipertahankan, karena konsentrasi reaktan maupun produk tidak 1 M

lagi.

Pada kondisi yang tidak dalam keadaan standar, maka kita harus

memakai G dari pada Go, untuk meramalkan arah reaksi.

Hubungan antara G dan Go adalah :

G = Go + RT ln Q


42/66

dimana R adalah konstanta gas (8,314 J/mol.K), T adalahtemperatur absolut dari reaksi dan Q adalah hasil bagi reaksi.

Untuk melihat apa Q tersebut, perhatikan contoh berikut ;

Andaikan kita mempunyai persamaan reaksi ;

aA + bB cC + dDmaka Q adalah :

bBAdDCQ

Kita melihat bahwa G bergantung pada dua besaran yaitu Godan RT ln Q.


43/66

Untuk suatu reaksi pada temperatur T nilai Go adalah tertentu, tetapinilai RT ln Q tidak tertentu, karena Q bervariasi menurut komposisicampuran pereaksi.

Perhatikanlah dua kasus berikut :

Jika nilai Go adalah negatif besar, besaran RT ln Q tidak akan

cukup positif untuk menandingi besaran Go sampai cukup besar

produk yang terbentuk.

Jika nilai

G

o

positif besar, besaran RT ln Q harus bernilai negatifyang lebih besar dari nilai positifGo. Ini dapat dicapai kalau

sedikit sekali produk yang terbentuk.

Pada kesetimbangan G = 0 dan Q = K, dimana K adalah konstantakesetimbangan.

Sehingga persamaan menjadi :

0 = Go + RT ln K

Go = -RT ln K


44/66

Bagi kimiawan persamaan yang terakhir ini adalah salah satu

persamaan yang sangat penting dalam termodinamika karena dia

memberikan korelasi antara konstanta kesetimbangan (K) dengan

perubahan energi bebas standarnya.

Sehingga apabila kita mengetahui nilai K, maka kita dapat menghitung

nilai Go atau sebaliknya.

S l 1


45/66

Soal 1 Jika diketahui reaksi :

2Fe(s) + O2(g) 2FeO(s) H = -544,0 kJ4Fe(s) + 3O2(g) 2Fe2O3(s) H = -1648,4 kJ

Fe3O4(s) 3Fe(s) + 2O2(g) H = +1118,4 kJ

a. Tentukan H dari reaksi :

FeO(s) + Fe2O3(s) Fe3O4(s)

b. Berapakah volume udara yang diperlukan agar

diperoleh 23,3 gram Fe3O4. (Ar Fe = 56; O = 16 dan

udara mengandung 80% oksigen).


46/66

Jika 200 mL larutan NaOH 1 M direaksikan dengan 200

mL HCl 1 M dalam bejana kalorimeter tekanan tetap,

ternyata termometer menunjukkan perubahan suhu dari

29oC menjadi 40oC. Jika larutan dianggap sama dengan

air, kalor jenis air 4,2 J/g.oC, berapakah H netralisasi

reaksi ini !

Sebanyak 10,9 gram serbuk zeng (Ar Zn = 65,4)direaksikan dengan larutan CuSO4. Reaksi ini

menimbulkan kenaikan suhu 8,7oC. Jika untuk menaikan

suhu sebesar 1oC dibutuhkan 4 kJ, berapakah

perubahan entalpi untuk reaksi :Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu.


47/66

1. Dengan menggunakan energi ikatan dalam tabel, tentukanlah

Hfo hidrazin (N2H4)

Energi ikatan

N-N

N=N

N=N

H-H

H-N

159 kJ/mol

418 kJ/mol

941 kJ/mol

436 kJ/mol

389 kJ/mol

2. Diketahui energi ikatan sebagai berikut :

C-H

C=OO-H

O=O

414 kJ/mol

803 kJ/mol464 kJ/mol

498 kJ/mol

Jika H pembakaran C2H2 = -1,26 x 103 kJ/mol, berapakah

energi ikatan C=C ?


48/66

Soal-soal Suatu gas alam mengandung 67,2% volum gas metana dan

22,4% volum gas propana dan sisanya adalah gas yang tidakdapat terbakar. Jika diketahui entalpi pembentukan standar gas

metana, gas propana, gas karbon dioksida dan uap air berturut-

turut -17,84; -24,82; -94,1; dan -68,3 kJ/mol, maka :

a. Tulislah persamaan termokimia reaksi pembentukan gas

metana dan gas propana tersebut !b. Tulislah reaksi pembakaran gas metana dan propana !

c. Berapakah kalor yang dibebaskan pada pembakaran 100 liter

gas alam tersebut !

d. Berapakah volume air yang dapat didihkan, jika seluruh kalor

yang dihasilkan pada (c) digunakan untuk mendidihkan air

yang mula-mula bersuhu 25oC (kalor jenis air 4,2 J/g.oC).


49/66

Produksi gas air (water gas) secara komersial

menggunakan reaksi : C(s) + H2O(g) H2(g) + CO(g)

Kalor yang diperlukan untuk reaksi endoterm inidiberikan dengan menambahkan udara dalam jumlah

terbatas untuk membakar sebagian karbon menjadi

karbon dioksida. Berapa gram karbon yang harus

dibakar menjadi karbon dioksida agar dapat

menyediakan kalor yang cukup untuk mengubah 94gram karbon menjadi gas air ?

(Hfo H2O(g) = -58 kkal/mol; Hf

o CO(g) = -26 kkal/mol

dan Hfo CO2(g) = -94 kkal/mol; Ar C = 12).

1 Diberikan data entalpi pembentukan standar (H o) senyawa berikut ini :


50/66

1. Diberikan data entalpi pembentukan standar (Hf ) senyawa berikut ini :

Sebuah mobil menggunakan bahan bakar 100% iso-oktana yang densitasnya0,79 g/mL. Mobil tersebut dapat menempuh jarak 8 km / liter iso-oktana. Bilamobil tersebut dalam memproduksi energinya melakukan pembakaransempurna iso-oktana cair dan menghasilkan gas CO2 dan uap H2O maka :

a. Tulislah reaksi pembakaran sempurna iso-oktana dalam mesin mobil tsb.

b. Tentukan entalpi pembakaran 1 mol iso-oktana dalam keadaan standar.

c. Tentukan berapa kilojoule entalpi pembakaran 1 liter iso-oktanad. Berapa volume gas CO2 yang dibebaskan ke udara bila mobil tersebut telah

menempuh jarak 100 km

(pada kondisi tersebut volume molar gas = 22,5 L/mol).

Senyawa (Hfo) (kJ/mol Masa molar (g/mol)

Isooktana (C8H18) -255,1 114

CO2 (g) -393,5 44

CO (g) -110,5 28

H2O (g) -241,8 18

H2O (l) -285,8 18

O2 (g) 0 32

J b


51/66

Jawab :

a. C8H18 (l) + 25/2O2(g) 8CO2 (g) + 9H2O (g)

b. 8C(s) + 9H2(g) C8H18(l) Hfo = -255,1 kJ/mol

C(s) + O2(g) CO2(g) Hfo = -393,5 kJ/mol

H2(s) + O2(g) H2O(g) Hfo = -241,8 kJ/mol

C8H18(l) 8C(s) + 9H2(g) Hfo = +255,1 kJ/mol

8C(s) + 8O2(g) 8CO2(g) Hfo = -3148 kJ/mol

9H2(s) + 9/2O2(g) 9H2O(g) Hfo = -2176,2 kJ/mol

C8H18 (l) + 25/2O2(g) 8CO2 (g) + 9H2O (g) Hco = -5069,1 kJ/mol

c. Massa iso-oktana = 0,79 g/mL x 1000 mL = 790 g

Mol iso-oktana = 790 g / 114 g/mol = 6,93 molHc

o 6,93 mol iso-oktana = 6,93 mol x (-5069,1 kJ/mol) = -35128,9 kJ

Jadi entalpi pembakaran 1 liter iso-oktana = -35128,9 kJ.


52/66

d. Volume iso-oktana yang diperlukan untuk menempuh jarak 100 km adalah :

massa iso-oktana = 12500 mL x 0,79 g/mL = 9875 gram

mol iso-oktana =

CO2 yang dibebaskan =

Volume CO2 yang dibebaskan = 692,96 mol x 22,5 L/mol = 15591,6 L

liter12,5km/liter8

km100

mol86,62g/mol114

g9875

mol692,9686,62x

1

8

2. Perubahan entalpi pembentukan standar (Hfo) karbon monoksida (CO) dan


53/66

p p ( f ) ( )

karbon dioksida (CO2) masing-masing adalah -110 kJ/mol dan -393 kJ/mol.

Pertanyaan :

a. Tulislah persamaan reaksi pembentukan CO dan CO2 termasuk

simbol wujudnya untuk masing-masing dan perubahan entalpinya(Hf

o).

b. Gunakan dua harga entalpi itu untuk menghitung dalam kJ/mol

untuk perubahan entalpi standar dari reaksi :

C + CO2 2CO

c. Beri alasan / uraian anda bila reaksi b diberi energi dari luarterhadap hasil produk yang diperoleh

d. Jelaskan dengan singkat bagaimana anda memisahkan CO dan

CO2 yang tidak bereaksi dalam reaksi b.

Pada reaksi : Pb + PbO2 2PbO perubahan entalpi standarnya -157 kJ/mol.

e. Beri penjelasan mengapa ada perbedaan nilai entalpi reaksi di atasdengan nilai hasil perhitungan anda untuk b

f. Jelaskan dengan singkat mengapa pemisahan PbO dari Pb dan PbO2 tidak

dapat dilakukan langsung sebagaimana seperti jawaban anda pada d.


54/66

Jawab :

a. C(s) + O2(g) CO(g) Hfo = -110 kJ/mol

C(s) + O2(g) CO2(g) Hfo = -393 kJ/mol

b. 2C(s) + O2(g) 2CO(g) Hfo = -220 kJ/mol

CO2(g) C(s) + O2(g) Hfo = +393 kJ/mol

C(s) + CO2(g) 2CO(g) Hfo = +173 kJ/mol

c. Karena reaksi pada b bersifat endoterm, maka penambahan

energi akan meningkatkan produk reaksi (CO).

d. Karena CO bukan oksida asam, sementara CO2

merupakan

oksida asam, sehingga apabila ditambahkan air, maka CO sangat

sedikit terlarut, sementara CO2 membentuk asam karbonat.

CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq)


55/66

e. Karena energi ikat antara C O dan Pb O berbeda dalam

kekuatannya.

f. PbO dan PbO2 memiliki kelarutan yang rendah terhadap air.


56/66

3. Suatu contoh gas metana (CH4) dibakar dengan sejumlah oksigen yang

tidak mencukupi untuk berlangsungnya pembakaran sempurna. Hasil

pembakarannya adalah campuran gas CO, CO2 dan uap air yang berat

totalnya 24,8 gram. Setelah uap air dipisahkan dari gas CO dan CO2,

ternyata diperoleh berat 12,6 gram.

Pertanyaan :

a.1 Tulislah reaksi pembakaran tidak sempurna gas CH4 yang

menghasilkan H2O dan CO

a.2 Tulislah pembakaran CH4 sempurna yang menghasilkan H2O dan CO2

b. Tentukan berapa berat gas CH4 yang dibakar

c. Berapa berat CO yang terbentuk

d. Berat gas CO2 yang terbentuk

e. Total volume gas CO dan CO2 yang terbentuk dalam keadaan standar

(1 mol gas = 22,4 L)


57/66

Jawab :

a.1 CH4(g) + 3/2O2(g) CO + 2H2O

a.2 CH4

(g) + 2O2

(g) CO2

+ 2H2

O

b. Umpama :

Gas metana yang dibakar tak sempurna = x mol, menghasilkan gas CO

= x mol dan uap air = 2x mol

Gas metana yang dibakar sempurna = y mol, menghasilkan gas CO2 = y

mol dan uap air = 2y mol.

Persamaan yang diperoleh :

x . 28 + y . 44 = 12,6 28x + 44y = 12,6 x 36

2x . 18 + 2y . 18 = 12,2 36x + 36y = 12,2 x 28

1008x + 1584y = 453,6 28x + 44y = 12,6

1008x + 1008y = 341,6 28x + 8,36 = 12,6

576y = 112 x = 0,15

y = 0,19


58/66

gas metana yang dibakar = 0,15 + 0,19 mol = 0,34 mol x 16 g/mol

= 5,44 g

Jadi berat metana yang dibakar = 5,44 gram.

c. CO yang terbentuk = x mol = 0,15 mol

Berat CO = 0,15 mol x 28 g/mol = 4,2 gram

Jadi berat gas CO yang terbentuk = 4,2 gram

d. CO2 yang terbentuk = y mol = 0,19 molBerat CO2 yang terbentuk = 0,19 mol x 44 g/mol = 8,36 g

Jadi berat CO2 yang terbentuk = 8,36 gram

e. Volume total gas CO dan CO2 yang terbentuk :

= (0,15 mol x 22,4 L/mol) + (0,19 mol x 22,4 L/mol)= 3,36 L + 4,26 L

= 7,62 L

4 Berikut ini adalah data yang dapat digunakan untuk menyelesaikan soal berikut :


59/66

4. Berikut ini adalah data yang dapat digunakan untuk menyelesaikan soal berikut :

Bilangan Avogadro = 6,02 x 1023 Volume gas STP = 22,4 L/mol

Kandungan O2 di udara = 20%

R = 8,1345 J./mol.K = 8,1345 kPa.dm3/mol.K = 1,987 cal/mol.K = 0,082 L.atm/mol.K

Masa atom (amu), Mr : C = 12, O = 16, H = 1.

a. Suatu campuran gas etana (C2H6) dan propana (C3H8) dibakar dengan sempurna

dengan oksigen dan terjadi reaksi :2C2H6(g) + 7O2(g) 4CO2(g) + 6H2O(l)

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)

Ternyata diperoleh sebanyak 12,5 gram gas CO2 dan 7,20 gram H2O

Tentukan komposisi campuran kedua gas tersebut dalam :

a. Persen volum b. Persen berat

No Senyawa Hfo kJ/mol

1 C2H6 (g) -84,86

2 C3H8 (g) -103,8

3 CO2 (g) -393,5

4 CO (g) -110,5

5 H2O (g) -285,8

6 H2O (l) -241,8

b Bil 112 lit (STP) d 80% ( l ) C H d


60/66

b. Bila 112 liter (STP) campuran gas yang mengandung 80% (volume) gas C2H6 dan

sisanya gas C3H8 dibakar dengan sempurna, maka tentukan :

i. Kalor / panas yang dihasilkan dari pembakaran sempurna campuran

kedua gas tersebut.

ii. Volume gas O2 (STP) yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurnakedua campuran gas tersebut.

iii. Bila pembakaran tersebut menggunakan udara, tentukan berapa

paling sedikit udara (STP) yang dibutuhkan untuk menyempurnakan

pembakaran tersebut.

c. Bila gas yang mengandung 100% etana sebanyak 112 liter dibakar dengan udara

terjadi reaksi :

2C2H6(g) + 7O2(g) 4CO2(g) + 6H2O(g)

2C2H6(g) + 5O2(g) 4CO(g) + 6H2O(g)

Bila reaksi pembakaran sempurna terjadi sebanyak 80% dan sisanya tak

sempurna, maka :

i. Tentukan berapa volume udara yang digunakan untuk pembakaran gas tsb.

ii. Panas yang dihasilkan pada reaksi tersebut.


61/66

a. Reaksi : C2H6(g) + 7/2O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(l)

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)

misalkan : C2H6 = x mol, CO2 = 2x mol dan H2O = 3x mol

C3H8 = y mol, CO2 = 3y mol dan H2O = 4y molsehingga didapatkan persamaan untuk :

CO2 : 2x . 44 + 3y . 44 = 12,5 88x + 132y = 12,5 x 54

H2O : 3x . 18 + 4y . 18 = 7,2 54x + 72y = 7,2 x 88

4752x + 7128y = 675 Jadi gas-gas yang terbakar :4752x + 6336y = 633,6 C2H6 = 0,064 mol

792y = 41,4 C3H8 = 0,052 mol

y = 0,052 Volume masing-masing gas :

4752x + 7128y = 675 VC2H6 = 0,064 mol x 22,4 L/mol

4752x + 7128(0,052) = 675 = 1,4336 L

4752x + 370,656 = 675 VC3H8 = 0,052 mol x 22,4 L/mol

x = 0,064 = 1,1648 L


62/66

i. Persen volum masing-masing gas :

ii. Persen berat masing-masing gas :

massa C2H6 = 0,064 mol x 30 g/mol = 1,92 g

massa C3H8 = 0,052 mol x 44 g/mol = 2,288 g

%55,17100%x1,16481,4336

1,4336HC

v

v% 62

%44,83100%x1,16481,4336

1,1648HC

v

v% 83

%45,63100%x,2881,92

1,92HC

bb% 62

2

%54,37100%x

,2881,92

2,288HC

bb% 83

2


63/66

b. Kalor pembakaran 1 mol masing-masing gas adalah :

C2H6(g) + 7/2O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(l)

Hco = [(2 x Hf

o CO2(g)) + (3 x Hfo H2O(l))] [(1 x Hf

o C2H6(g)) + 7/2 x Hfo O2(g))]

Hco = [(2.(-393,5)) + (3.(-241,8))] [(1.(-84,86)) + 7/2.(0))]

Hco = [(-787) + (-725,4)] [(-84,86)]

Hco = -1427,54 kJ/mol

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)Hc

o = [(3.(-393,5)) + (4.(-241,8))] [(1.(-103,8)) + 5.(0))]

Hco = [(-1180,5) + (-967,2)] [(-103,8)]

Hco = -2043,9 kJ/mol

i. VC2H6 = 112 L x 80% = 89,6 L VC3H8 = 112 L x 20% = 22,4 L

Jadi panas yang dihasilkan = [4(-1427,54) + 1(-2043,9)]

= -7754,06 kJ

(reaktan)H(produk)HHo

f

o

f

o

c

mol4L/mol22,4

L89,6HCmol 62 mol1

L/mol22,4

L22,4HCmol 83


64/66

ii. Volume gas O2 yang diperlukan :

C2H6(g) + 7/2O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(l)

pada pembakaran etana : 7/2 x 4 mol = 14 mol

Volume O2 = 14 mol x 22,4 L/mol = 313,6 L

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)

pada pembakaran propana : 5 x 1 mol = 5 mol

Volume O2 = 5 mol x 22,4 L/mol = 112 L

Jadi volume gas O2 yang diperlukan pada pembakaran campuran gastersebut adalah 313,6 L + 112 L = 425,6 L

iii. Volume udara yang diperlukan adalah : udaraL2128L425,6x20

100


65/66

c. VC2H6 pembakaran sempurna = 112 L x 80% = 89,6 L = 4 mol

VC2H6 pembakaran tak sempurna = 112 L x 20% = 22,4 L = 1 mol

i. O2 yang diperlukan pada :pembakaran sempurna :

C2H6(g) + 7/2O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(l)

7/2 x 4 mol = 14 mol, sehingga VO2 = 14 mol x 22,4 L/mol = 313,6 L

pembakaran tak sempurna :

C2H6(g) + 5/2O2(g) 2CO(g) + 3H2O(g)5/2 x 1 mol = 5/2 mol, sehingga VO2 = 5/2 mol x 22,4 L/mol = 56 L

Total O2 yang diperlukan = 313,6 L + 56 L =369,6 L

Volume udara yang diperlukan : udaraL1848L369,6x20100


66/66

ii. Panas yang dihasilkan untuk pembakaran sempurna 1 mol etana

= -1427,54 kJ, maka untuk 4 mol etana yang dibakar akan menghasilkan

panas : 4 x (-1427,54 kJ) = -5710,16 kJ.

Panas yang dihasilkan pada pembakaran tak sempurna 1 mol gas etana

C2H6(g) + 5/2O2(g) 2CO(g) + 3H2O(g)

Hco

= [(2.(-110,5)) + (3.(-285,8))] [(1.(-84,86)) + 5/2.(0))]Hc

o = [(-221) + (-857,4)] [(-84,86)]

Hco = -993,54 kJ/mol

Jadi panas yang dihasilkan pada reaksi di atas :

= -5710,16 kJ + (-993,54 kJ)= -6703,7 kJ

(reaktan)H(produk)HHo

f

o

f

o

c

Documents

Termodinamika.pptx