WUJUD ZATSTATES OF MATTER

Kimia Fisika

WUJUD ZAT

3 macam wujud zat

Gas Cair Padat

Gaya antar molekul(GAM)

(Intermoleculer forces)

Ex: H2O

Gaya tarik antar molekul:

1. Van der waals (interaksi dipolar)2. Ion-dipole & ion-dipol induksi3. Ikatan hidrogen

Gaya van der Waals

molekul dipolar cenderung untuk bergabung dengan tetangganya (kutub - kutub + )

Group besar molekul diasosiasikan melalui tarikan lemah gaya dipole – dipole (Keesom)

Dipole-dipole permanen mampu menginduksi suatu dipole elektik dalam molekul nonpolar untuk menghasilkan Interaksi dipole – dipole induksi (interaksi Debye)

Molekul nonpolar dapat menginduksi polaritas Gaya tarik dipole induksi – dipole induksi (gaya London)

Gaya Ion – Dipole dan ion – dipol induksi

Ikatan antara molekul non polar dan ion.

Berperan atr lain dlm kelarutan zat kristal ionik dalam air

Gaya ion-dipol induksi :I2 + K+I- K+I3-

Ikatan Hidrogen

Interaksi molekul yang mengandung atom hidrogen dg atom yang elektronegativitasnya kuat (O, F, N)

H H

HHH H

H H

O

OO

O

PADATAN CAIRAN

GAS

Wujud yg keempat : MESOPHASE

Terletak antara cairan dan kristal.

mencair

meleleh

men

guapm

enyublim

deposisi

G A SSIFAT MOLEKUL GAS : Bergerak cepat Bergerak acak Bergerak ke segala arah Bertabrakan antar molekul Bertabrakan dengan dinding wadah

tekanan (P) Menempati ruang volume (V) Dipengaruhi temperatur (T) Kompresibel

Gas terbagi menjadi :

1. Gas ideal mengikuti hukum2 gas secara sempurna

2. Gas non ideal (nyata) mengikuti hukum2 gas pada P rendah

Hukum Boyle

Volume sejumlah gas pada T tetap, berbanding terbalik dengan tekanan.

P ~ 1/V P.V = k

V = volume gas (lt atau cm3)P = tekanan gas (dyne/cm2 atau atm atau mmHg)

P (atm)

V (liter)

T = 800 KT = 600 KT = 400 K

T = 200 K

Grafik isoterm

Hukum Charles & Gay-Lussac Volume sejumlah gas pada tekanan

tetap berbanding lurus dengan temperatur absolutnya.

V ~ T V = k . T T = temperatur (K)

P = 1 atm

P = 2 atm

P = 3 atm

P = 4 atm

T (K)

V (lt)

Hukum Boyle – Gay Lussac

P1 . V1 = P2 . V2

T1 T2

Walau P, V, T berubah

P . V konstan / tetap

T

P . V = k ; P . V = R

T T

R = harga PV/T untuk gas ideal = konstanta gas

ideal

P V = R T untuk 1 mol gas

P V = n R T untuk n mol gas

HUKUM GAS IDEAL

Berapa harga R ? Dicari dari 1 mol gas ideal pada STP (00C, 1

atm) volumenya = 22,414 liter PV = nRT R = P.V

n.T = 1 atm . 22,414 lt 1 mol . 273,16 K = 0,08205 lt atm/mol der = 8,314 joule/mol der = 1,987 kal/mol der

Dalam unit energiP 1 atm = 1,0133x106 dyne/cm2

V 22,414 lt = 22,414 cm3

R = PV = (1,0133x106) x 22,414 T 273,16

= 8,314 x 107 erg/mol der = 8,314 joule/mol der

1 kal = 4,184 joule R = 8,314 joule/mol der

4,184 joule/kal = 1,987 kal/mol der

Untuk perhitungan termodinamika

Soal 1: Berapa volume 2 mol gas ideal pada 250C & tekanan

780 mmHg?

Jwb :P.V = n.R.T

780 mmHg x V = 2 mol x 0,08205 lt

760 mmHg/atm atm/mol der x 2980K

V = 47,65 lt

Menentukan Berat Molekul (BM) Gas

P.V = n.R.T n = g/MP.V = g/M.R.T

M = g.R.T M = R.T.d P.V P

M = BM gasg = berat gasd = densitas gas

A. CARA REGNAULT Untuk menentukan BM zat yang

pada suhu kamar berbentuk gas. Bola gelas kosong ditimbang, diisi

gas dan ditimbang kembali. Berat gas = selisih penimbangan

B. CARA VICTOR MEYER Untuk menentukan BM zat cair yang

mudah menguap. Cairan diuapkan dalam bola gelas,

volume ditentukan pada P & T tertentu.

Soal 2: 0,3 g etil alkohol dlm bentuk uap memp. volume 200 ml dg

tekanan 1 atm dan temp. 1000C. Berapa BM etil alkohol?

M = 0,3 x 0,082 x 3731 x 0,2

M = 46,0 g/mol

Jawab :

Teori Kinetik Molekuler

Untuk menerangkan sifat gas Memberikan keterangan tambahan

bagi berlakunya hukum gas Dikembangkan oleh Bernouli (1738),

disempurnakan oleh Clausius, Boltzmann, van der Waals, dan Jeans

Teorinya adalah :

1. Gas terdiri dr partikel yg disebut molekul, dengan volume total yg begitu kecil, shg diabaikan thd volume ruangan di mana molekul itu berada. berlaku utk gas nyata pada P rendah dan T tinggi, di mana molekul gas berjauhan.

2. Partikel gas tidak tarik-menarik satu sama lain, melainkan bergerak bebas. berlaku pada P rendah

3. Partikel memperlihatkan gerakan tidak beraturan (acak) yg terus menerus, karena mempunyai energi kinetik. E. kinetik berbanding lurus dengan temperatur absolut gas atau E = 3/2 R.T

4. Molekulnya elastis sempurna tidak ada kecepatan yg hilang setelah molekul bertumbukan satu sama lain dan bertumbukan dengan dinding wadah.

Energi kinetik E = ½ m.c2

E = 3/2 R.TR.T = 1/3 m.c2

Persamaan Dasar Kinetik

P.V = 1/3.n.m.c2

P = tekananV = volumen = jumlah molekulm = massa molekulc2 = rata-rata kuadrat kecepatan

Akar rata-rata kuadrat kecepatan (m)

(c2)1/2 = mP.V = 1/3.n.m.c2 c2 = 3.P.V

n.m

c2 = m = 3 P.V n.m

Catt: c2 ≠ c

Untuk 1 mol gas P.V = n.R.T

n ~ N (bilangan Avogadro)

N.m = M (berat molekul)

m = 3.P.V m = 3.R.T

M M

N = bil. Avogadro

m = berat 1 molekul

Soal 3: Berapa akar rata-rata kuadrat kecepatan dari O2 pada 250C? (M=32,0)Jwb :

m = 3 . 8,314.10-7 . 298

32

= 4,82.10-4 cm/dt

Karena n.m/V = kerapatan, maka :

m = 3.P.V = 3.P n.m n.m/V

m = 3.P d d = kerapatan

Sehingga dapat dibaca: Kec. difusi gas berbanding terbalik dengan

akar kerapatannya. Gas ringan berdifusi lebih cepat melalui

membran berpori dibanding gas yang lebih berat (Graham)

Persamaan van der Waals untuk gas nyata

Teori kinetik didasarkan pada kondisi gas ideal

P.V = 1/3 n.m.c2 ~ P.V = n.R.T Kenyataan, gas nyata :

- tdr atas molekul dg volume tertentu

- molekul saling tarik-menarik

Berpengaruh pada vol (V) dan tekanan (P)

Persamaan gas nyata van der Waals :

P + a V – b = R.T V2

Untuk n mol gas :P + an2 V – nb = n.R.T V2

a/V2 = tekanan dalam (internal pressure)

akibat gaya tarik antar molekul

b = excluded volume inkompresibilitas molekul ± 4 x volume molekul

Polar liquid high internal pressure Non polar liquid low internal pressure

Jika vol gas >> , a/V2 dan b mjd ≠ signifikan dibanding P & V persamaan Van der Waals utk 1 mol gas menjadi persamaan gas ideal.

Gas alt2atm/mol2

b(lt/mol)

H2 0,244 0,0266

O2 1,360 0,0318

CH4 2,253 0,0428

H2O 5,464 0,0305

Cl2 6,493 0,0562

Konstanta van der Waals utk bbrp

gas

CAIRANJika T diturunkan(didinginkan)

kec. molk jika ada tek.

molk. tarik-menarik(gaya van der Waals)

CAIRAN

PANAS(E.kineti

k)

GA

S

Perubahan gas cair, tgt pada :

temperatur dan pressure.Tekanan uap tgt dr TP250C = 23,76 mmHgP1000C = 760 mmHg

T , P >>Air Uap

Titik kritik (temperatur kritik) : temperatur di mana di atas T ini

gas tidak bisa menjadi cair walau diberi tekanan bagaimanapun.

P kritik : P yang diperlukan untuk

mencairkan gas pada T kritik Merupakan tekanan uap tertinggi

dari suatu cairan.Makin rendah temperatur gas di bawah

temp kritiknya, makin kecil tekanan yg diperlukan untuk mencairkannya.

Air : T kritik = 3740C (647 K) P kritik = 218 atm

Helium : T kritik = 5,2 K P kritik = 2,26 atm

T kritik air tinggi, krn adanya gaya dipolar yg kuat antar molekul, terutama ikatan hidrogen.

T kritik helium rendah krn gaya tarik yg ada adalah gaya London yg lemah.

Metode Pencairan Gas Ekspansi adiabatik wadah Dewar

(vakum)Tidak ada panas yg masuk ke dlm sistem temperatur gas akan turun.

Efek Joule-ThomsonGas bertekanan lepas ke daerah tekanan rendah temp turun krn pelepasan energi dalam menanggulangi daya kohesi dari atraksi antar molekul.Contoh : oksigen cair, udara cair

AEROSOL Prinsip : di bawah temperatur

kritiknya, gas akan mencair jika tekanan dinaikkan. Jika tekanan diturunkan, molekul2 berekspansi dan cairan akan menjadi gas.

Obat dilarutkan atau disuspensikan dalam propelan

Propelan : zat yang berbentuk cair di dalam wadah yang bertekanan (1-6 atm), dan berbentuk gas pada kondisi normal atmosfer.

Tekanan Uap Suatu Cairan Energi kinetik cairan tidak terbagi

sama besar pada tiap-tiap molekul

ada molekul dg energi yg tinggi

ada molekul dg energi yg rendah

Cairan dlm wadah tertutup pada T konstan

molekul dg energi tinggi menembus batas permukaan cairan mjd GAS pada saat yg sama ada molekul gas yg kembali ke wujud CAIRAN (mengembun)

Pada keadaan kesetimbangan dinamik : tekanan uap kesetimbangan Jika T dinaikkan

lebih banyak molekul yg mencapai kecepatan yang diperlukan untuk berubah menjadi gas.

Aseton

T(0C)

P(m

mH

g

)Benzen

Air

Panas Penguapan Persamaan Clausius-Clapeyron

p1 : tekanan uap pd T1

p2 : tekanan uap pd T2

DHv : panas penguapan molar panas yg diserap oleh 1 mol

cairan ketika berubah wujud mjd gas

Harga DHv bervariasi dg temperaturDHv air pada 1000C 539 kal/g

1800C 478 kal/g

21

12

1

2

TTR2,303

)TT(HvΔ

pp

log

Bentuk umum persamaan Clausius-Clapeyron :

Y = b x + a

konstantaT1

.R2,303

HvΔPlog

a

Log P

1/T

Tg a = slope = b

= DHv 2,303

R

Titik DidihJika cairan dg wadah terbuka

dipanaskan sampai tekanan uapnya = tek. Atmosfer maka timbul gelembung2 yang naik melewati cairan dan lepas sebagai gas proses mendidih

Temperatur ketika tek. uap = tek. atm TITIK DIDIH

Pada titik didih seluruh panas yg diserap digunakan utk mengubah cairan menjadi gas temp ≠ naik sampai semua cairan mjd uap

DHv yg diserap pada saat cairan menguap pada titik didih normalnya

panas penguapan latenair 1000C 539 kal/gbenzen 80,20C 91,4 kal/g

PADATAN & KRISTAL Ciri-ciri padatan kristal :

Memiliki bentuk tertentu Susunan rapi Pola geometris/kisi-kisi Tidak dapat dikompresi Mempunyai titik leleh tertentu

Bentuk-bentuk kristal Kubik (NaCl) Rombis

(iodium) Tetragonal (urea) Monoklin

(sukrosa) Heksagonal (iodoform) Triklin (asam

borat)

Penyusun kristal :

1. Ion-ion, cth : kristal NaCl gaya pengikat kristal adl ikt elektrostatis

2. Atom-atom, cth : intan & grafit ikatan kovalen antar atom

3. Molekul-molekul, cth : padatan CO2, HCl & naftalen (zat-zat organik) ikt van der Waals & ikt hidrogen titik leleh rendah

Sifat-sifat kristal Kristal atom & ion

Keras & rapuh Titik leleh tinggi

Kristal molekul Lunak Titik leleh rendah

Kristal logam Tdr dr ion (+) pd medan elektron yg mudah

bergerak Penghantar listrik yg baik gerakan elektron

dlm kisi-kisi Dapat lunak/keras Titik leleh rendah/tinggi Kekuatan logam tgt pd bag yg paling tidak

sempurna atau kerusakan kisi-kisi pada kristal

Difraksi sinar X

Metode utk menentukan bangunan kristal

Karena sinar X punya l ~ jarak atom/molekul dalam kristal

Difraksi sinar X kerapatan elektron posisi atom2 dalam kristal

Titik leleh & Panas peleburan Temperatur di saat cairan murni &

padatan dalam kesetimbangan titik beku / titik leleh

Panas yg diabsorpsi ketika 1 gram padatan meleleh atau panas yg dilepas ketika cairan membeku panas peleburan (DHf)

Persamaan Clayperon : Perubahan titik beku atau titik leleh thd

tekanan :

Vl = volume molar cairan (cm3/mol)

Vs = volume molar padatan (cm3/mol)

DHf = jumlah panas yg diabsorpsi jk 1 mol padatan berubah mjd 1 mol cairan

DT = perubahan titik leleh yg tjd krn perubahan tekanan (DP)

f

s

ΔHVV

TPT

l

Titik Leleh dan Gaya Antar Molekul Kristal yang memiliki gaya (ikatan)

lemah titik leleh rendah Kristal yang memiliki gaya (ikatan)

kuat titik leleh tinggi

Panas peleburan jarak antar atom / molekul bertambah sehingga terjadi pelelehan.

Pada hidrokarbon jenuh

BM naik (SC ) titik leleh naik Titik leleh SC genap > titik leleh SC

ganjil

Pada xanthin Perpanjangan rantai samping

Titik leleh turun Kelarutan naik

-200

-150

-100

-50

0

50

100

0 5 10 15 20Jumlah atom karbon

Titi

k le

leh

(0C

)

Gb. 6: Titik leleh alkana dan asam karboksilat

sebagai fungsi panjangnya rantai karbon

(Noller, 1957)

C

C

C

CC

C

C

C

C

C

C

C C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

CO

O

O

O

H

O

H

O

O

H

O

H (I)

(II)

Gb.5: Bentuk susunan molekul asam lemak

dalam wujud kristal (Bailey,1950).

Tabel 1: Titik leleh dan kelarutan beberapa xanthina

Senyawa Titik leleh (0C)

Kelarutan dlm air (10-2M) pada

300C

Teofilin (R=H) 270-274 4,5

Kafein (R=CH3) 238 13,3

7-Etilteofilin (R=CH2CH3)

156-157 17,6

7-Propilteofilin (R=CH2CH2CH3)

99-100 104,0

H3C N

N

R

NOCH3

O

N

9 876 5

432

1

Polimorfisme Bentuk kristal lebih dari 1 (seperti pada

karbon, sulfur) Scr kimiawi sama Titik leleh berbeda, kelarutan berbeda Gambaran difraksi sinar X berbeda Cth : trigliserid oleum cacao

Dipanaskan>350C

Inti kristal b stabil hancur

tidak bisa membeku kec. pada

T<150C

g=180

a=220

b prime=280

b stabil=34,50

Analisis Dilatometrik

Digunakan untuk mengetahui pengembangan ketika kristal meleleh dan pengerutan ketika berubah dari bentuk metastabil menjadi polimorfi stabil.

Polimorfisme lain Kloramfenikol palmitat Sulfameter Kortison asetat Spiperon Haloperidol Bromperidol Sulfonamida Tamoxifen sitrat Carbamazepin ethinilestradiol

Padatan Amorf

Cairan lewat dingin di mana molekul tersusun dalam keadaan tidak teratur seperti dalam wujud cair.Contoh : gelas, ter, plastik sintetikCiri : Jika diberi P pada waktu tertentu mengalir

Tidak mempunyai titik leleh tertentu

Sifat padatan kristal & amorf Kristal kubus & padatan amorf

isotropikMemperlihatkan sifat yg sama ke segala arah

Kristal bukan kubus anisotropikSifat berbeda pada berbagai arah kristal (konduksi listrik, indeks bias, kecepatan kelarutan)

Bagaimana menggolongkan ?

Tidak selalu bisa Beeswax & parafin (amorf) jika

dipanaskan dan didinginkan perlahan membentuk kristal

Petrolatum kristal & amorf Novobiocin bentuk amorf lebih aktif

scr terapetik drpd bentuk kristal

KRISTAL CAIR Bentuk mesofase Merupakan peralihan cair dan padat Mempunyai sifat cairan dan padatan,

dapat mengalir seperti cairan Birefringent : sifat yang berhubungan

dengan kristal cahaya yang lewat

Terbagi menjadi 2 komponen dengan kecepatan yg berbeda

Indeks bias berbeda

Tipe kristal cair1. Smektik (seperti lemak/sabun)

Bergerak 2 arah & berputar pada 1 sumbuBiasanya terbentuk dalam campuran terner (surfaktan, air dan amfifil lemah atau zat non polar)

2. Nematik (seperti jarum)Berputar pada 1 sumbu, bergerak 3 dimensi

(a) mesofase smektik (b) mesofase nematik

Wujud Kristal

Cair

Molekul-molekul yg membentuk fase kristal cair :1. Organik2. Bentuk perpanjangan & garis lurus3. Kaku/rigid4. Mempunyai dipol kuat & gugus yg

mudah terpolarisasiDapat diperoleh dari pemanasan padatan (kristal cair

thermotropik) aksi solven tertentu pada padatan

(kristal cair lyotropik)

Bentuk dan aplikasi :

Perubahan warna konsisten dg temp Nematik sensitif medan listrik Smektik solubilisasi obat tak larut

air Atherosclerosis lipid dlm dinding

pembuluh darah Batu empedu kolesterol, garam

empedu dan air Struktur ~ membran sel model

biofisika

Sekian & terima

kasih…

SOAL-SOAL1. Sebuah balon udara naik setinggi 2

mil. Volumenya di atas permukaan tanah adalah 2,50 liter pada tekanan 1 atm dan suhu 240C. Berapakah volume akhirnya jika pada ketinggian 2 mil tsb tekanan atmosfer adalah 8,77x10-3 atm dan suhunya -44,70C?

P1 . V1 = P2 . V2

T1 T2

2. Hitung volume 1 mol gas nitrogen pada 400 atm dan 00C, dengan persamaan gas ideal (dalam ml)!

P.V = n.R.T

3. Jika 0,5 g obat A pada wujud gas menempati volume 100 ml pada 1200C dan tekanan 1 atm, berapa BMnya?

M = g.R.T P.V

4. Nitrous oxide,USP, digunakan utk anastesi scr induksi cepat (80% N2O,20% O2) dan pada kadar rendah untuk pemeliharaan anastesi.

a. Dengan persamaan gas ideal hitung BM gas tsb, jika pada 1 liter, 00C, 760 mmHg beratnya 1,97 g.

b. Hitung akar kuadrat rata-rata kecepatan dari N20 (m)

c. Hitung densitas (r) dari N2O pada 1 atm, 00C

5. 0,193 mol eter ditempatkan dlm wadah 7,35 liter pada 295,15 K. Hitung tekanan yg dihasilkan dengan :

a. Persamaan gas idealb. Persamaan van der Waals. Harga a

Van der Waals untuk eter 17,38 lt2atm mol-2 ; b=0,1344 lt mol-1.

P + an2 V – nb = n.R.T V2

6. Seorang peneliti ingin mengetahui tekanan parsial kloroform yg diperlukan utk menganastesi mencit seberat 28,0 g dlm wadah dg volume 2,37 lt pd 200C. Jk 2,0 cm3 kloroform dimasukkan wadah tertutup tsb dg selang, berapa tekanan parsial CHCl3 dlm wadah tsb? Hitung dg menggunakan:

a. Pers gas idealb. Pers Van der Waals (a=15,17 lt2atm

mol-2; b=0,1022 lt mol-1)

Diasumsikan densitas mencit adl 1 g/cm3. Hitung volumenya dalam lt dan kurangkan hasilnya dr volume wadah, utk mendapatkan volume yg ditempati pleh gas kloroform dalam wadah. Diket : r kloroform cair pada 200C 1,484 g/cm3; BM 119,4 g/mol.

7. Suatu alat pemadam api berisi CO2 dg kapasitas 0,80 lt pada tek 12,3 atm dan suhu 250C.

a. Hitung berat CO2 dlm alat tsb (kg)

b. Berapa volumenya dg berat tsb pd tek 1 atm 250C?

c. Bandingkan hasilnya dari perhitungan dengan densitas CO2 pd 250C adl 0,001836 g/cm3, BMnya 44,01 g/mol.

8. Tekanan uap air pd 250C adl 23,8 mmHg. Panas penguapan rata-rata antara 25-400C adl 10.400 kal/mol. Dengan persamaan Clausius Clayperon, hitung tekanan uap pada 400C. Dari hasil eksperimen didapat 55,3 mmHg.

21

12

1

2

TTR2,303

)TT(HvΔ

pp

log

10. Jika suatu padatan mempunyai lebih dr 1 btk kristal, ada kemungkinan pd tekanan mesin tablet yg relatif tinggi akan berubah bentuk polimorfinya. Sulfathiazol mempunyai paling sedikit 2 btk polimorfi, I dan II. Btk I memp keadaan energi yg lebih rendah pd temp kamar. Kerapatannya 1,5 g/cm3 (I) dan 1,55 g/cm3 (II). Temp transisi I II adl 1610C dan panas transisinya (DHt) 1420 kal/mol.

a. Bgmn pengaruh tek normal 1 atm pd temp transisi dr I II ? Diket BM=255,32 g/mol. Substitusikan DHf, Vl dan Vs dr pers Clayperon dg DHt dan volume molar kedua bentuk polimorf.

b. Berapa temp transisi jk bentuk I dikompres dlm mesin tablet pd 2812 kg/cm2 (2757,6 bar)? Apakah btk I akan stabil selama proses pentabletan? (1 bar=14,5 pound/in.2 dan 1 kg/cm2= 14,2 pound/in.2)

tΔHVV

TPT 2

1

11. Laboratorium di suatu kota besar mengisolasi gas polutan yg baru, yg diket memp tekanan 1,17 atm jika 6,07 g gas tsb ditempatkan dalam wadah 2,0 liter pada temp 280C.

a. Berapa BM gas polutan tsb?b. Jika dari uji kimia diket gas tsb

merupakan senyawa mengandung sulfur, bagaimana komposisi senyawa tsb?

M = g.R.T P.V

9. Tekanan uap etil alkohol diket 23,6 torr pd 100C; 78,8 pd 300C dan 135 torr pd 400C. Plot log P vs 1/T dan hitung tek uap etanol pada 200C. Berapa panas penguapan molar pada temperatur tsb?

konstantaT1

.R2,303

HvΔPlog