BAB 31 Sel Galvani

Sel Galvani

Alat untuk mendapat arus listrik dengan bantuan reaksi kimia disebut dengan sel galvani (elektrik). Dalam sel, oksidasi terjadi di salah satu elektroda, dan reduksi berlangsung di elektroda lainnya. Elektron akan bermigrasi dari satu elektroda ke elektroda lainnya.

a. Struktur sel

Bila Anda celupkan dua logam dengan kecenderungan ionisasi yang berbeda dalam larutan elektrolit (larutan elektrolit), dan menghubungkan kedua elektroda dengan kawat, se

buah sel akan tersusun (Gambar 10.1). Pertama, logam dengan kecenderungan lebih besar terionisasi akan teroksidasi, menghasilkan kation, dan terlarut dalam larutan elektrolit. Kemudian elektron yang dihasilkan akan bermigrasi ke logam dengan kecenderungan ionisasi lebih rendah melalui kawat. Pada logam dengan kecenderungan ionisasi lebih rendah, kation akan direduksi dengan menerima elektron yang mengalir ke elektroda.

Gambar 10.1 Diagram skematik sel. Logam dengan kecenderungan

ionisasi lebih besar disebut elektroda
negatif dan elektroda dengan kecenderungan ionisasi rendah disebut elektroda positif

Di abad ke-18, arah arus listrik ditentukan sembarang sehingga arus mengalir dari logam dengan kecenderungan ionisasi rendah ke yang kecenderungan ionisasinya lebih tinggi. Harus diakui, di waktu itu, siafat arus listrik sebenarnya, yakni aliran elektron, belum diketahui. Sebenarnya arus adalah

kebalikan dari arah aliran elektron. Elektroda tujuan arus disebut dengan elektroda negatif dan asal arus disebut elektroda positif.

b. Sel Daniell

Gambar 10.2 menunjukkan mekanisme sel yang paling populer, sel Daniell, yang ditemukan oleh kimiawan Inggris John Frederic Daniell (1790-1845)．

Gambar 10.2 Sel Daniell cell. Elektrode negatif terdiri atas zink/zink sulfat dan elektroda positifnya adalah
elektroda tembaga/tembaga sulfat.

Dalam sel Daniell, dua elektroda logam dicelupkan dalam larutan logam sulfatnya. Elektroda negatif terdiri atas zink dan larutan zink sulfat dalam air, dan elektroda positifnya terdiri atas tembaga dan larutan tembaga sulfat dalam air. Kedua elektroda ini biasanya ditandai sebagai Zn/ZnSO₄(aq) dan Cu/CuSO₄(aq). Kadang simbol lebih sederhana,yakni Zn/Zn²⁺, juga digunakan.

Pelat berpori atau material yang mirip digunakan untuk memisahkan kedua larutan dan pada saat yang sama memungkinkan kation bermigrasi dari elektroda negatif ke elektroda positif.

Pada elektroda zink, reaksi berikut berlangsung.

Zn –> Zn²⁺(aq) + 2e^- (10.9)

Di sini zink dioksidasi, dan dengan demikian elektroda zink adalah elektroda negatif. Pada elektroda tembaga, reaksi berikut berlangsung.

2e^- + Cu²⁺(aq) –> Cu (10.10)

Di sini tembaga direduksi dan dengan demikian tembaga adalah elektroda positif.. Reaksi total adalah sebagai berikut.

Zn + Cu²⁺(aq) –> Zn²⁺(aq) + Cu (10.11)

atau

Zn + CuSO₄ –> ZnSO₄ + Cu (10.12)

Teguh Permana (09023)

BAB 34 Elektrolisis

Elektrolisis

a. Sel dan elektrolisis

Dalam sel, reaksi oksidasi reduksi berlangsung dengan spontan, dan energi kimia yang menyertai reaksi kimia diubah menjadi energi listrik. Bila potensial diberikan pada sel dalam arah kebalikan dengan arah potensial sel, reaksi sel yang berkaitan dengan negatif potensial sel akan diinduksi. Dengan kata lain, reaksi yang tidak berlangsung spontan kini diinduksi dengan energi listrik. Proses ini disebut

elektrolisis. Pengecasan baterai timbal adalah contoh elektrolisis.

Reaksi total sel Daniell adalah

Zn + Cu²⁺(aq) –> Zn²⁺(aq) + Cu (10.36

)

Andaikan potensial lebih tinggi dari 1,1 V diberikan pada sel dengan arah kebalikan dari potensial yang dihasilkan sel, reaksi sebaliknya akan berlangsung. Jadi, zink akan mengendap dan

tembaga akan mulai larut.

Zn²⁺(aq) + Cu –> Zn + Cu²⁺(aq) (10.37)

Gambar 10.6 menunjukkan representasi skematik reaksi kimia yang terjadi bi

la potensial balik diberikan pada sel Daniell. Bandingkan dengan Gambar 10.2.

Gambar 10.6 Electrolisis. Reaksi kebalikan dengan yang terjadi pada sel Daniell akan berlangsung. Zink mengendap sementara tembaga akan melarut.

b. Hukum elektrolisis Faraday

Hukum elektrolisis Faraday Jumlah zat yang dihasilkan di elektroda sebanding dengan jumlah arus listrik yang melalui sel. Bila sejumlah tertentu arus listrik melalui sel, jumlah mol zat yang berubah di elektroda adalah konstan tidak bergantung jenis zat. Misalnya, kuantitas listrik yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol logam monovalen adalah 96 485 C(Coulomb) tidak bergantung pada jenis logamnya.

C (Coulomb) adalah satuan muatan listrik, dan 1 C adalah muatan yang dihasilkan bila arus 1 A (Ampere) mengalir selama 1 s. Tetapan fundamental listrik adalah konstanta Faraday F, 9,65 x10⁴ C, yang didefinisikan sebgai kuantitas listrik yang dibawa oleh 1 mol elektron. Dimungkinkan untuk menghitung kuantitas mol perubahan kimia yang disebabkan oleh aliran arus listrik yang tetap mengalir untuk rentang waktu tertentu.

Contoh soal 10.7 hukum elektrolisis Faraday

Arus sebesar 0,200 A mengalir melalui potensiometer yang dihubungkan secara seri selama 20 menit. Satu potensiometer memiliki elektrode Cu/CuSO₄ dan satunya adalah elektrode Pt/ H₂SO₄ encer. Anggap Ar Cu = 63,5. Tentukan

1. jumlah Cu yang mengendap di potensiometer pertama.
2. Volume hidrogen pada S. T. P. yang dihasilkan di potensiometer kedua.

Jawab
Jumlah muatan listrik yang lewat adalah 0,200 x 20 x 60 = 240, 0 C．

1. Reaksi yang terlibat adalah Cu²⁺ + 2e^-–> Cu, maka massa (w) Cu yang diendapkan adalah. w (g) = [63,5 (g mol^-1)/2] x [240,0 (C)/96500(C mol^-1)] = 0,079 g
2. Karena reaksinya 2H⁺ + 2e^-–> H₂, volume hidrogen yang dihasilkan v (cm³) adalah.
   v (cm³) = [22400 (cm³mol^-1)/2] x [240,0(C)/96500(C mol^-1)] = 27,85 cm³

c. Elektrolisis penting di industri

Elektrolisis yang pertama dicoba adalah elektrolisis air (1800). Davy segera mengikuti dan dengan sukses mengisolasi logam alkali dan alkali tanah. Bahkan hingga kini elektrolisis digunakan untuk menghasilkan berbagai logam. Elektrolisis khususnya bermanfaat untuk produksi logam dengan kecenderungan ionisasi tinggi (misalnya aluminum). Produksi aluminum di industri dengan elektrolisis dicapai tahun 1886 secara independen oleh penemu Amerika Charles Martin Hall (1863-1914) dan penemu Perancis Paul Louis Toussaint Héroult (1863-1914) pada waktu yang sama. Sukses elektrolisis ini karena penggunaan lelehan Na₃AlF₆ sebagai pelarut bijih (aluminum oksida; alumina Al₂O₃)．

Sebagai syarat berlangsungnya elektrolisis, ion harus dapat bermigrasi ke elektroda. Salah satu cara yang paling jelas agar ion mempunyai mobilitas adalah dengan menggunakan larutan dalam air. Namun, dalam kasus elektrolisis alumina, larutan dalam air jelas tidak tepat sebab air lebih mudah direduksi daripada ion aluminum sebagaimana ditunjukkan di bawah ini.

Al³⁺ + 3e^-–> Al potensial elektroda normal = -1,662 V (10.38)

2H₂O +2e^-–> H₂ + 2OH^- potensial elektroda normal = -0,828 V (10.39)

Metoda lain adalah dengan menggunakan lelehan garam. Masalahnya Al₂O₃ meleleh pada suhu sangat tinggi 2050 °C, dan elektrolisis pada suhu setinggi ini jelas tidak realistik. Namun, titik leleh campuran Al₂O₃ dan Na₃AlF₆ adalah sekitar 1000 °C, dan suhu ini mudah dicapai. Prosedur detailnya adalah: bijih aluminum, bauksit mengandung berbagai oksida logam sebagai pengotor. Bijih ini diolah dengan alkali, dan hanya oksida aluminum yang amfoter yang larut. Bahan yang tak larut disaring, dan karbon dioksida dialirkan ke filtratnya untuk menghasilkan hidrolisis garamnya. Alumina akan diendapkan.

Al₂O₃(s) + 2OH^-(aq)–> 2AlO₂^- (aq) + H₂O(l) (10.40)

2CO₂ + 2AlO₂ ^-(aq) + (n+1)H₂O(l) –> 2HCO₃^- (aq) + Al₂O₃·nH₂O(s) (10.41)

Alumina yang didapatkan dicampur dengan Na₃AlF₆ dan kemudian garam lelehnya dielektrolisis. Reaksi dalam sel elektrolisi rumit. Kemungkinan besar awalnya alumina bereaksi dengan Na₃AlF₆ dan kemudian reaksi elektrolisis berlangsung.

Al₂O₃ + 4AlF₆^3-–> 3Al₂OF₆^2- + 6F^- (10.42)

Reaksi elektrodanya adalah sebagai berikut.

Elektroda negatif: 2Al₂OF₆^2- + 12F^- + C –> 4AlF₆^3- + CO₂ + 4e^- (10.43)

Elektroda positif: AlF₆^3- + 3e^-–> Al + 6F^- (10.44)

Reaksi total: 2Al₂O₃ + 3C –> 4Al + 3CO₂ (10.45) Kemurnian aluminum yang didapatkan dengan prosedur ini kira-kira 99,55 %. Aluminum digunakan dalam kemurnian ini atau sebagai paduan dengan logam lain. Sifat aluminum sangat baik dan, selain itu, harganya juga tidak terlalu mahal. Namun, harus diingat bahwa produksi aluminum membutuhkan listrik dalam jumlah sangat besar.

Soal.

1. Jelaskan hukum elektrolisis Faraday ?

2. Jelaskan yang dimaksud dengan elektrolisis ?

3. Mengapa elektrolisis berguna untuk produksi logam ?

4. jelaskan syarat berlangsungnya elektrolisis ?

5. Jelaskan Tetapan fundamental listrik dalam Faraday ?

Jawab.

1. -Jumlah zat yang dihasilkan di elektroda sebanding dengan jumlah arus listrik yang melalui sel.

-Bila sejumlah tertentu arus listrik melalui sel, jumlah mol zat yang berubah di elektroda adalah konstan tidak bergantung jenis zat. Misalnya, kuantitas listrik yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol logam monovalen adalah 96 485 C(Coulomb) tidak bergantung pada jenis logamnya.

2. Dalam sel, reaksi oksidasi reduksi berlangsung dengan spontan, dan energi kimia yang menyertai reaksi kimia diubah menjadi energi listrik. Bila potensial diberikan pada sel dalam arah kebalikan dengan arah potensial sel, reaksi sel yang berkaitan dengan negatif potensial sel akan diinduksi. Dengan kata lain, reaksi yang tidak berlangsung spontan kini diinduksi dengan energi listrik. Proses ini disebut elektrolisis.

3. Elektrolisis khususnya bermanfaat untuk produksi logam dengan kecenderungan ionisasi tinggi (misalnya aluminum).

4. Sebagai syarat berlangsungnya elektrolisis, ion harus dapat bermigrasi ke elektroda. Salah satu cara yang paling jelas agar ion mempunyai mobilitas adalah dengan menggunakan larutan dalam air. Namun, dalam kasus elektrolisis alumina, larutan dalam air jelas tidak tepat sebab air lebih mudah direduksi daripada ion aluminum.

5. Tetapan fundamental listrik adalah konstanta Faraday F, 9,65 x10⁴ C, yang didefinisikan sebgai kuantitas listrik yang dibawa oleh 1 mol elektron. Dimungkinkan untuk menghitung kuantitas mol perubahan kimia yang disebabkan oleh aliran arus listrik yang tetap mengalir untuk rentang waktu tertentu.

Teguh Permana (09023)

BAB 14 Larutan

Sampai di sini, yang telah dibahas adalah, cairan satu komponen, yakni cairan murni. Fasa cair yang berupa sistem dua atau multi komponen, yakni larutan juga sangat penting. Larutan terdiri atas cairan yang melarutkan zat (pelarut) dan zat yang larut di dalamnya (zat terlarut). Pelarut tidak harus cairan, tetapi dapat berupa padatan atau gas asal dapat melarutkan zat lain. Sistem semacam ini disebut sistem dispersi. Untuk sistem dispersi, zat yang berfungsi seperti pelarut disebut medium pendispersi, sementara zat yang berperan seperti zat terlarut disebut dengan zat terdispersi (dispersoid).

Baik pada larutan ataupun sistem dispersi, zat terlarut dapat berupa padatan, cairan atau gas. Bahkan bila zat terlarut adalah cairan, tidak ada kesulitan dalam membedakan peran pelarut dan zat terlarut bila kuantitas zat terlarut lebih kecul dari pelarut. Namun, bila kuantitas zat terlarut dan pelarut, sukar untuk memutuskan manakah pelarut mana zat terlarut. Dalam kasus yang terakhir ini, Anda dapat sebut komponen 1, komponen 2, dst.
a. Konsentrasi

Konsentrasi larutan didefinisikan dengan salah satu dari ungkapan berikut:

Ungkapan konsentrasi

1. persen massa (%) =(massa zat terlarut/ massa larutan) x 100
2. molaritas (konsentrasi molar) (mol dm-3) =(mol zat terlarut)/(liter larutan)
3. molalitas (mol kg-1) =(mol zat teralrut)/(kg pelarut)

Contoh soal

Hitung jumlah perak nitrat AgNO3 yang diperlukan untuk membuat 0,500 dm3 larutan 0,150 mol.dm-3, asumsikan massa molar AgNO3 adalah 170 g mol-1.

Jawab

Bila jumlah perak nitrat yang diperlukan x g, x = [170 g mol-1 x 0,500 (dm3) x 0,150 (mol dm-3)]/[1 (dm3) x 1 (dm3)]

∴x = 12,8 mg.
b. Tekanan uap

Tekanan uap cairan adalah salah satu sifat penting larutan. Tekanan uap larutan juga penting dan bermanfaat untuk mengidentifikasi larutan. Dalam hal sistem biner, bila komponennya mirip ukuran molekul dan kepolarannya, misalnya benzen dan toluen, tekanan uap larutan dapat diprediksi dari tekanan uap komponennya. Hal ini karena sifat tekanan uap yang aditif. Bila larutan komponen A dan komponen B dengan fraksi mol masing-masing adalah xA dan xB berada dala kesetimbangan dengan fasa gasnya tekanan uap masing-masing komponen sebanding dengan fraksi molnya dalam larutan. Tekanan uap komponen A, pA,diungkapkan sebagai:

pA = pA0 xA … (7.2)

pA0 adalah tekanan uap cairan A murni pada suhu yang sama. Hubungan yang mirip juga berlaku bagi tekanan uap B, pB. Hubungan ini ditemukan oleh kimiawan Perancis Francois Marie Raoult (1830-1901) dan disebut dengan hukum Raoult. Untuk larutan yang mengikuti hukum Raoult, interaksi antara molekul individual kedua komponen sama dengan interaksi antara molekul dalam tiap komponen. Larutan semacam ini disebut larutan ideal. Gambar 7.6 menunjukkan tekanan uap larutan ideal sebagai fungsi konsentrasi zat teralrut. Tekanan total campuran gas adalah jumlah pA dan pB, masing-masing sesuai dengan hukum Raoult.



Gambar 7.6 Tekanan total dan parsial larutan ideal.

Contoh soal 7.3

Tekanan uap cairan A dan B adalah 15 Torr dan 40 Torr pada 25°C. tentukan tekanan uap larutan ideal yang terdiri atas 1 mol A dan 5 mol of B.

Jawab

pA = pA0 xA = 15 x (1/6) = 2,5 Torr

pB = pB0 xB = 40 x (5/6) = 33,3 Torr P = pA + pB = 35,8 Torr
c. Larutan ideal dan nyata

Sebagaimana juga perilaku gas nyata berbeda dengan perilaku gas ideal, perilaku larutan nyata berebeda dengan perilaku larutan ideal, dengan kata lain berbeda dari hukum Raoult. Gambar 7.7(a) menunjukkan kurva tekanan uap sistem biner dua cairan yang cukup berbeda polaritasnya, aseton Me2CO dan karbon disulfida CS2. Dalam hal ini, penyimpangan positif dari hukum Raoult (tekanan uap lebih besar) diamati. Gambar 7.7(b) menunjukkan tekanan uap sistem biner aseton dan khloroform CHCl3. Dalam kasus ini, penyimpangan negatif dari hukum Raoult diamati. Garis putus-putus menunjukkan perilaku larutan ideal. Peilaku larutan mendekati ideal bila fraksi mol komponen mendekati 0 atau 1. Dengan menjauhnya fraksi mol dari 0 atau 1, penyimpangan dari ideal menjadi lebih besar, dan kurva tekanan uap akan mencapai minimum atau maksimum.



Gambar 7.7 Tekanan total dan parsial larutan nyata (25°C).

Penyebab penyimpangan dari perilaku ideal sebagian besar disebabkan oleh besarnya interaksi molekul. Bila pencampuran komponen A dan B menyebabkan absorpsi kalor dari lingkungan (endoterm), interaksi molekul antara dua komponen lebih kecil daripada pada masing-masing komponen, dan penyimpangan positif dari hukum Raoult akan terjadi. Sebaliknya, bila pencampuran menghasilkan kalor ke lingkungan (eksoterm), penyimpangan negatif akan terjadi.

Bila ikatan hidrogen terbentuk antara komponen A dan komponen B, kecenderungan salah satu komponen untuk meninggalkan larutan (menguap) diperlemah, dan penyimpangan negatif dari hukum Raoult akan diamati. Kesimpulannya, penyebab penyimpangan dari hukum Raoult sama dengan penyebab penyimpangan dari hukum gas ideal.
d. Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku

Bila dibandingkan tekanan uap larutan pada suhu yang sama lebih rendah dari tekanan uap pelarutnya. Jadi, titik didih normal larutan, yakni suhu saat fasa gas pelarut mencapai 1 atm, harus lebih tinggi daripada titik didih pelarut. Fenomena ini disebut dengan kenaikan titik didih larutan.

Dengan menerapkan hukum Raoult pada larutan ideal, kita dapat memperoleh hubungan berikut:

pA = pA0 xA = pA0 [nA /(nA + nB)] …. (7.3)

(pA0- pA)/ pA0 = 1 – xA = xB … (7.4)

xA dan xB adalah fraksi mol, dan nA dan nB adalah jumlah mol tiap komponen. Persamaan ini menunjukkan bahwa, untuk larutan ideal dengan zat terlarut tidak mudah menguap, penurunan tekanan uap sebanding dengan fraksi mol zat terlarut.

Untuk larutan encer, yakni nA + nB hampir sama dengan nA, jumlah mol nB dan massa pada konsentrasi molal mB diberikan dalam ungkapan.

xB = nB/(nA + nB) = nB/nA= nB/(1/MA) = MAmB … (7.5)

MA adalah massa molar pelarut A. Untuk larutan encer, penurunan tekanan uap sebanding dengan mB, massa konsentrasi molal zat terlarut B.

Perbedaan titik didih larutan dan pelarut disebut dengan kenaikan titik didih, Tb. Untuk larutan encer, kenaikan titik didih sebanding dengan massa konsentrasi molal zat terlarut B.

Tb = Kb mB … (7.6)

Tetapan kesebandingan Kb khas untuk setiap pelarut dan disebut dengan kenaikan titik didih molal.

Hubungan yang mirip juga berlaku bila larutan ideal didinginkan sampai membeku. Titik beku larutan lebih rendah dari titik beku pelarut. Perbedaan antara titik beku larutan dan pelarut disebut penurunan titik beku, Tf. Untuk larutan encer penurunan titik beku akan sebanding dengan konsentrasi molal zat terlarut mB

Tf = Kf mB … (7.7)

Tetapan kesebandingannya Kb khas untuk tiap pelarut dan disebut dengan penurunan titik beku molal.

Tabel 7.3 Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal.
pelarut titik didih (°C) Kb pelarut titik beku (°C) Kf
CS2 46 2.40 H2O 0 1.86
aseton 55,9 1,69 benzen 5,1 5,07
benzen 79,8 2,54 asam asetat 16,3 3,9
H2O 100 0,51 kamfer 180 40

Di Tabel 7.3 beberapa nilai umum kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal diberikan. Dengan menggunakan nilai ini dan persamaan 7.6 dan 7.7 dimungkinkan untuk menentukan massa molar zat terlarut yang belum diketahui. Kini, penentuan massa molekul lebih mudah dilakukan dengan spektrometer massa. Sebelum spektrometer massa digunakan dengan rutin, massa molekul umumnya ditentukan dengan menggunakan kenaikan titik didih atau penurunan titik beku. Untuk kedua metoda, derajat kesalahan tertentu tak terhindarkan, dan keterampilan yang baik diperlukan agar didapatkan hasil yang akurat.

Contoh soal 7.4 Penentuan massa molekul dengan metoda penurunan titik beku.

Larutan dalam air terdiri atas 100 g H2O dan 5,12 g zat A (yang massa molekulnya tidak diketahui) membeku pada -0,280°C. Dengan menggunakan data di Tabel 7.3, tentukan massa molar A.

Jawab

Massa molar A andaikan M. Dengan menggunakan persamaan 7.7, M dapat ditentukan dengan

0,280 = Kf x (m/M) x (1/W) = 1,86 x (5,12/M) x (1/0,11)

∴ M = 340 g mol-1.
e. Tekanan osmosis

Membran berpori yang dapat dilalui pelarut tetapi zat terlarut tidak dapat melaluinya disebut dengan membran semipermeabel. Bila dua jenis larutan dipisahkan denga membran semipermeabel, pelarut akan bergerak dari sisi konsentrasi rendah ke sisi konsentrasi tinggi melalui membran. Fenomena ini disebut osmosis. Membran sel adalah contoh khas membran semipermeabel. Membran semipermeabel buatan juga tersedia.

Bila larutan dan pelarut dipisahkan membran semipermeabel, diperlukan tekanan yang cukup besar agar pelarut bergerak dari larutan ke pelarut. Tekanan ini disebut dengan tekanan osmosis. Tekanan osmosis larutan 22,4 dm3 pelarut dan 1 mol zat terlarut pada 0 °C adalah 1,1 x 105 N m-2.

Hubungan antara konsentrasi dan tekanan osmoisi diberikan oleh hukum van’t Hoff’s.

πV = nRT … (7.8)

π adalah tekanan osmosis, V volume, T temperatur absolut, n jumlah zat (mol) dan R gas. Anda dapat melihat kemiripan formal antara persamaan ini dan persamaan keadaan gas. Sebagaimana kasus dalam persamaan gas, dimungkinkan menentukan massa molekular zat terlarut dari hubungan ini.

Contoh soal 7.5 hukum van’t Hoff

Tekanan osmosis larutan 60,0 g zat A dalam 1,00 dm3 air adalah 4,31 x 105 Nm–2. Tentukan massa molekul A.

Jawab

Dengan menggunakan hubungan πV = nRT

4,31 x 105 (N m-2) x 1,00 x 10-3 (m3) = [60,0 (g) x 8,314 (J mol-1 K-1) x 298 (K)]/M (g mol–1)

∴ M = 345 (g mol-1)
f. Viskositas

Gaya tarik menarik antarmolekul yang besar dalam cairan menghasilkan viskositas yang tinggi. Koefisien viskositas didefinisikan sebagai hambatan pada aliran cairan. Gas juga memiliki viskositas, tetapi nilainya sangat kecil. Dalam kasus tertentu viskositas gas memiliki peran penting, misalnya dalam peawat terbang.

Viskositas

1. Viskositas cairan yang partikelnya besar dan berbentuk tak teratur lebih tinggo daripada yang partikelnya kecil dan bentuknya teratur.
2. Semakin tinggi suhu cairan, semakin kecil viskositasnya.

Dua poin ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik. Tumbukan antara partikel yang berbentuk bola atau dekat dengan bentuk bola adalah tumbukan elastik atau hampir elastik. Namun, tumbukan antara partikel yang bentuknya tidak beraturan cenderung tidak elastik. Dalam tumbukan tidak elastik, sebagian energi translasi diubah menjadi energi vibrasi, dan akibatnya partikel menjadi lebih sukar bergerak dan cenderung berkoagulasi. Efek suhu mirip dengan efek suhu pada gas.

Koefisien viskositas juga kadang secara singkat disebut dengan viskositas dan diungkapkan dalam N s m-2 dalam satuan SI. Bila sebuah bola berjari-jari r bergerak dalam cairan dengan viskositas ηdengan kecepatan U, hambatan D terhadap bola tadi diungkapkan sebagai.

D = 6πhrU … (7.9)

Hubungan ini (hukum Stokes) ditemukan oleh fisikawan Inggris Gabriel Stokes (1819-1903).
g. Tegangan permukaan

Tegangan permukaan juga merupakan sifat fisik yang berhubungan dengan gaya antarmolekul dalam cairan dan didefinisikan sebagai hambatan peningkatan luas permukaan cairan. Awalnya tegangan permukaan didefinisikan pada antarmuka cairan dan gas. Namun, tegangan yang mirip juga ada pada antarmuka cairan-cairan, atau padatan dan gas. Tegangan semacam ini secara umum disebut dengan tegangan antarmuka. Tarikan antarmolekul dalam dua fas dan tegangan permukaan di antarmuka antara dua jenis partikel ini akan menurun bila tempeartur menurun. Tegangan antarmuka juga bergantung pada struktur zat yang terlibat. Molekul dalam cairan ditarik oleh molekul di sekitarnya secara homogen ke segala arah. Namun, molekul di permukaan hanya ditarik ke dalam oleh molekul yang di dalam dan dengan demikian luas permukaan cenderung berkurang. Inilah asal mula teori tegangan permukaan. Bentuk tetesan keringat maupun tetesan merkuri adalah akibat adanya tegangan permukaan.

Cairan naik dalam kapiler, fenomena kapiler, juga merupakan fenomena terkenal akibat adanya tegangan permukaan. Semakin besar tarikan antar molekul cairan dan kapilernya, semakin besar daya basah cairan. Bila gaya gravitasi pada cairan yang naik dan tarikan antara cairan dan dinding kapiler menjadi berimbang, kenaikan akan terhenti. Tegangan permukaan γ diungkapkan sebagai.

γ = rhdg/2 …. (7.10)

h adalah tinggi kenaikan cairan, r radius kapiler dan g percepatan gravitasi. Jadi, tegangan permukaan dapat ditentukan dengan percobaan.

Latihan

7.1 Perbandingan titik didih

Susunlah senyawa-senyawa berikut dalam urutan titik didihnya: C2H6, NH3, F2

7.1 Jawab NH3 > C2H6 > F2

7.2 Diagram fasa

Gambar 7.8 adalah diagram fasa zat tertentu. Tunjukkan fasa zat yang ada di daerah A, B, C dan H dan fasa yang ada di titik D, E, F dan G dan tunjukkan titik mana yang menyatakan titik tripel, titik didih normal, titik beku normal, dan titik kritis.



Gambar 7.8 Diagram fasa suatu senyawa.

7.2 Jawab

A: padat, B: cair，C: uap (gas), D: padat + uap, E: padat+ cair +uap，F: cair + uap, G:cair + uap, H: uap; titik tripel: E; G: titik beku normal: titik pada kurva fasa cair-padat pada 1 atm, H: titik didih normal: titik pada garis cair-gas pada 1 atm.

7.3 Konsentrasi larutan

Kerapatan asam sulfat encer (persen massa 12,00%) adalah 1,078 g cm-3 (25°C). Nyatakan kosentrasi larutan ini dalam molar, molal dan fraksi mol.

7.3 Jawab

Jumlah H2SO4 alam 100 g asam sulfat encer tersebut adalah 12,00/98,08 = 0,1223 mol，dan jumlah airnya adalah 88,00/18,0 = 4,889 mol.

Jadi fraksi mol H2SO4 adalah 0,1223/(4,889+0,122) = 0,0244.

Karena 88,00 g H2O melarutkan 0,1223 mol H2SO4, jumlah mol H2SO4 yang larut dalam 1 kg H2O, adalah 0,1223 mol x (1000 g kg–1)/(88,00 g) = 1,390 mol kg–1. Jadi konsentrasi asam sulfat encer tersebut 1,390 m.

Jumlah H2SO4 yang terlarut dalam 1 dm3 asam sulfat encer (molar) adalah 0,1223 mol x (1078 g dm–3)/(100 g) = 1,318 mol dm–3.

7.4 Hukum Raoult

Gliserin adalah cairan tidak mudah menguap. Larutan 164 g gliserin dan 338 cm3 H2O (kerapatan 0,992 g cm3) disimpan pada 39,8°C. Pada suhu ini, tekanan uap air murni adalah 54,74 torr. Hitung tekanan uap larutan ini.

7.4 Jawab

Jumlah gliserin adalah 1,78 mol dan H2O adalah 18,63 mol． p = 54,74 x (18,63/(18,63+1,78)) = 54,74 x 0,913 =50,00 (Torr)

7.5 Kenaikan titik didih

Bila 0,358 g sulfur dilarutkan dalam 21,5 g CS2, titik didihnya naik sebesar 0,151 K. Sarankan struktur sulfur dalam larutan.

7.5 Jawab

Massa sulfur = (2,40 K kg mol–1)(0,358/1000 kg)/(0,151 K)(21,5/1000 kg) = 0,264 kg mol-1 ．

Karena 32 x 8 = 256 ≅ 264, sulfur terlarut sebagai S8．

7.6 Tekanan osmosis

Tekanan osmosis larutan dalam air (100 cm3) yang mengandung 0,36 g polimer adalah 3,26 x 102 Pa pada 23°C.

(1) tentukan massa molekul polimer ini.
(2) apakah akan praktis menentukan massa molekul polimer ini dengan metoda penurunan titik beku atau kenaikan titik didih?

7.6 Jawab

(1)M =[(8,31 J mol-1 K -1) x (296 K)x(3,6 kg m-3)]/(3,26 x 102 Pa) = 2,7 kg mol-1 = 2,7 x 104 gmol– ．M = 2,7 x 104 ．

(2) kenaikan titik didih larutan yang sama akan sebesar 0,693 x 10-4 K, dan penurunan titik bekunya adalah 2,48 x 10–4 K. Perubahan temperatur yang sangat kecil ini sukar ditentukan dengan akurat. Kedua metoda ini tidak praktis untuk menentukan massa molekul polimer.

7.7 Tegangan permukaan

Manakah dari pasangan dua zat berikut yang memiliki tegangan permukaan lebih besar: C6H14 atau H2O?

7.7 Jawab
H2O. Tingginya tegangan permukaan air sudah sangat terkenal.

BAB 19 Gas Ideal dan Gas Nyata

a. Persamaan keadaan van der Waals

Gas yang mengikuti hukum Boyle dan hukum Charles, yakni hukum gas ideal (persamaan (6.5)), disebut gas ideal. Namun, didapatkan, bahwa gas yang kita jumpai, yakni gas nyata, tidak secara ketat mengikuti hukum gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, semakin kecil deviasinya dari perilaku ideal. Semakin tinggi tekanan gas, atau dengan dengan kata lain, semakin kecil jarak intermolekulnya, semakin besar deviasinya.

Paling tidak ada dua alasan yang menjelaskan hal ini. Peratama, definisi temperatur absolut didasarkan asumsi bahwa volume gas real sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Molekul gas pasti memiliki volume nyata walaupun mungkin sangat kecil. Selain itu, ketika jarak antarmolekul semakin kecil, beberapa jenis interaksi antarmolekul akan muncul.

Fisikawan Belanda Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) mengusulkan persamaan keadaan gas nyata, yang dinyatakan sebagai persamaan keadaan van der Waals atau persamaan van der Waals. Ia memodifikasi persamaan gas ideal (persamaaan 6.5) dengan cara sebagai berikut: dengan menambahkan koreksi pada P untuk mengkompensasi interaksi antarmolekul; mengurango dari suku V yang menjelaskan volume real molekul gas. Sehingga didapat:

[P + (n2a/V2)] (V – nb) = nRT (6.12)

a dan b adalah nilai yang ditentukan secara eksperimen untuk setiap gas dan disebut dengan tetapan van der Waals (Tabel 6.1). Semakin kecil nilai a dan b menunjukkan bahwa perilaku gas semakin mendekati perilaku gas ideal. Besarnya nilai tetapan ini juga berhbungan denagn kemudahan gas tersebut dicairkan.

Tabel 6.1 Nilai tetapan gas yang umum kita jumpai sehari-hari.

gas a
(atm dm6 mol-2) b(atm dm6 mol-2)
He 0,0341 0,0237
Ne 0,2107 0,0171
H2 0,244 0,0266
NH3 4,17 0,0371
N2 1,39 0,0391
C2H 4,47 0,0571
CO2 3,59 0,0427
H2O 5,46 0,0305
CO 1,49 0,0399
Hg 8,09 0,0170
O2 1,36 0,0318

Latihan 6.4 Gas ideal dan gas nyata

Suatu sampel 10,0 mol karbon dioksida dimasukkan dalam wadah 20 dm3 dan diuapkan pada temperatur 47 °C. Hitung tekanan karbon dioksida (a) sebagai gas ideal dan (b) sebagai gas nyata. Nilai hasil percobaan adalah 82 atm. Bandingkan dengan nilai yang Anda dapat.

Jawab: Tekanan menurut anggapan gas ideal dan gas nyata adalah sbb:

P = nRT/V = [10,0 (mol) 0,082(dm3 atm mol-1 K-1) 320(K)]/(2,0 dm3) = 131 atm

Nilai yang didapatkan dengan menggunakan persamaan 6.11 adalah 82 atm yang identik dengan hasil percobaan.

Hasil ini nampaknya menunjukkan bahwa gas polar semacam karbon dioksida tidak akan berperilaku ideal pada tekanan tinggi.
b. Temperatur dan tekanan kritis

Karena uap air mudah mengembun menjadi air, telah lama diharapkan bahwa semua gas dapat dicairkan bila didinginkan dan tekanan diberikan. Namun, ternyata bahwa ada gas yang tidak dapat dicairkan berapa besar tekanan diberikan bila gas berada di atas temperatur tertentu yang disebut temperatur kritis. Tekanan yang diperlukan untuk mencairkan gas pada temperatur kritis disebut dengan tekanan kritis, dan wujud materi pada temperatur dan tekanan kritis disebut dengan keadaan kritis.

Temperatur kritis ditentukan oleh atraksi intermolekul antar molekul-molekul gas. Akibatnya temperatur kritis gas nonpolar biasanya rendah. Di atas nilai temperatur kritis, energi kinetik molekul gas jauh lebih besar dari atraksi intermolekular dan dengan demikian pencairan dapat terjadi.

Tabel 6.2 Temperatur dan tekanan kritis beberapa gas yang umum dijumpai.
Gas Temperatur
kritis (K) Tekanan
kritis (K) Gas Temperatur
kritis (K) Tekanan kritis (atm)
H2O 647,2 217,7 N2 126,1 33,5
HCl 224,4 81,6 NH3 405,6 111,5
O2 153,4 49,7 H2 33,3 12,8
Cl2 417 76,1 He 5,3 2,26
c. Pencairan gas

Di antara nilai-nilai koreksi tekanan dalam tetapan van der Waals, H2O, amonia dan karbon dioksida memiliki nilai yang sangat besar, sementara oksigen dan nitrogen dan gas lain memiliki nilai pertengahan. Nilai untuk helium sangat rendah.

Telah dikenali bahwa pencairan nitrogen dan oksigen sangat sukar. Di abad 19, ditemukan bahwa gas-gas yang baru ditemukan semacam amonia dicairkan dengan cukup mudah. Penemuan ini merangsang orang untuk berusaha mencairkan gas lain. Pencairan oksigen atau nitrogen dengan pendinginan pada tekanan tidak berhasil dilakukan. Gas semacam ini dianggap sebagai “gas permanen” yang tidak pernah dapat dicairkan.

Baru kemudian ditemukan adanya tekanan dan temperatur kritis. Hal ini berarti bahwa seharusnya tidak ada gas permanen. Beberapa gas mudah dicairkan sementara yang lain tidak. Dalam proses pencairan gas dalam skala industro, digunakan efek Joule-Thomson. Bila suatu gas dimasukkan dalam wadah yang terisolasi dengan cepat diberi tekan dengan menekan piston, energi kinetik piston yang bergerak akan meningkatkan energi kinetik molekul gas, menaikkan temperaturnya (karena prosesnya adiabatik, tidak ada energi kinetik yang dipindahkan ke dinding, dsb). Proses ini disebut dengan kompresi adiabatik. Bila gas kemudian dikembangkan dengan cepat melalui lubang kecil, temperatur gas akan menurun. Proses ini adalah pengembangan adiabatik. Dimungkinkan untuk mendinginkan gas dengan secara bergantian melakukan pengembangan dan penekanan adiabatik cepat sampai pencairan.

Dalam laboratorium, es, atau campuran es dan garam, campuran es kring (padatan CO2) dan aseton biasa digunakan sebagai pendingin. Bila temperatur yang lebih rendah diinginkan, nitrogen cair lebih cocok karena lebih stabil dan relatif murah.

BAB 18 Hukum Gas Ideal

Gas merupakan satu dari tiga wujud zat dan walaupun wujud ini merupakan bagian tak terpisahkan dari studi kimia, bab ini terutama hanya akan membahasa hubungan antara volume, temperatur dan tekanan baik dalam gas ideal maupun dalam gas nyata, dan teori kinetik molekular gas, dan tidak secara langsung kimia. Bahasan utamanya terutama tentang perubahan fisika, dan reaksi kimianya tidak didisuksikan. Namun, sifat fisik gas bergantung pada struktur molekul gasnya dan sifat kimia gas juga bergantung pada strukturnya. Perilaku gas yang ada sebagai molekul tunggal adalah contoh yang baik kebergantungan sifat makroskopik pada struktur mikroskopik.
a. Sifat gas

Sifat-sifat gas dapat dirangkumkan sebagai berikut.

1. Gas bersifat transparan.
2. Gas terdistribusi merata dalam ruang apapun bentuk ruangnya.
3. Gas dalam ruang akan memberikan tekanan ke dinding.
4. Volume sejumlah gas sama dengan volume wadahnya. Bila gas tidak diwadahi, volume gas akan menjadi tak hingga besarnya, dan tekanannya akan menjadi tak hingga kecilnya.
5. Gas berdifusi ke segala arah tidak peduli ada atau tidak tekanan luar.
6. Bila dua atau lebih gas bercampur, gas-gas itu akan terdistribusi merata.
7. Gas dapat ditekan dengan tekanan luar. Bila tekanan luar dikurangi, gas akan mengembang.
8. Bila dipanaskan gas akan mengembang, bila didinginkan akan mengkerut.

Dari berbagai sifat di atas, yang paling penting adalah tekanan gas. Misalkan suatu cairan memenuhi wadah. Bila cairan didinginkan dan volumenya berkurang, cairan itu tidak akan memenuhi wadah lagi. Namun, gas selalu akan memenuhi ruang tidak peduli berapapun suhunya. Yang akan berubah adalah tekanannya.

Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan gas adalah manometer. Prototipe alat pengukur tekanan atmosfer, barometer, diciptakan oleh Torricelli.

Tekanan didefinisikan gaya per satuan luas, jadi tekanan = gaya/luas.

Dalam SI, satuan gaya adalah Newton (N), satuan luas m2, dan satuan tekanan adalah Pascal (Pa). 1 atm kira-kira sama dengan tekanan 1013 hPa.

1 atm = 1,01325 x 105 Pa = 1013,25 hPa

Namun, dalam satuan non-SI unit, Torr, kira-kira 1/760 dari 1 atm, sering digunakan untuk mengukur perubahan tekanan dalam reaksi kimia.
b. Volume dan tekanan

Fakta bahwa volume gas berubah bila tekanannya berubah telah diamati sejak abad 17 oleh Torricelli dan filsuf /saintis Perancis Blase Pascal (1623-1662). Boyle mengamati bahwa dengan mengenakan tekanan dengan sejumlah volume tertentu merkuri, volume gas, yang terjebak dalam tabung delas yang tertutup di salah satu ujungnya, akan berkurang. Dalam percobaan ini, volume gas diukur pada tekanan lebih besar dari 1 atm.

Boyle membuat pompa vakum menggunakan teknik tercangih yang ada waktu itu, dan ia mengamati bahwa gas pada tekanan di bawah 1 atm akan mengembang. Setelah ia melakukan banyak percobaan, Boyle mengusulkan persamaan (6.1) untuk menggambarkan hubungan antara volume V dan tekanan P gas. Hubungan ini disebut dengan hukum Boyle.

PV = k (suatu tetapan) (6.1)

Penampilan grafis dari percobaan Boyle dapat dilakukan dengan dua cara. Bila P diplot sebagai ordinat dan V sebagai absis, didapatkan hiperbola (Gambar 6.1(a)). Kedua bila V diplot terhadap 1/P, akan didapatkan garis lurus (Gambar 6.1(b)).



(a) Plot hasil percobaan; tekanan vs. volume
(b) Plot hasil percobaan; volume vs 1/tekanan. Catat bahwa kemiringan k tetap.
Volume dan temperatur

Setelah lebih dari satu abad penemuan Boyle ilmuwan mulai tertarik pada hubungan antara volume dan temperatur gas. Mungkin karena balon termal menjadi topik pembicaraan di kotakota waktu itu. Kimiawan Perancis Jacques Alexandre César Charles (1746-1823), seorang navigator balon yang terkenal pada waktu itu, mengenali bahwa, pada tekanan tetap, volume gas akan meningkat bila temperaturnya dinaikkan. Hubungan ini disebut dengan hukum Charles, walaupun datanya sebenarnya tidak kuantitatif. Gay-Lussac lah yang kemudian memplotkan volume gas terhadap temperatur dan mendapatkan garis lurus (Gambar 6.2). Karena alasan ini hukum Charles sering dinamakan hukum Gay-Lussac. Baik hukum Charles dan hukum Gay-Lussac kira-kira diikuti oleh semua gas selama tidak terjadi pengembunan.



Pembahasan menarik dapat dilakukan dengan hukum Charles. Dengan mengekstrapolasikan plot volume gas terhadap temperatur, volumes menjadi nol pada temperatur tertentu. Menarik bahwa temperatur saat volumenya menjadi nol sekiatar -273°C (nilai tepatnya adalah -273.2 °C) untuk semua gas. Ini mengindikasikan bahwa pada tekanan tetap, dua garis lurus yang didapatkan dari pengeplotan volume V1 dan V2 dua gas 1 dan 2 terhadap temperatur akan berpotongan di V = 0.

Fisikawan Inggris Lord Kelvin (William Thomson (1824-1907)) megusulkan pada temperatur ini temperatur molekul gas menjadi setara dengan molekul tanpa gerakan dan dengan demikian volumenya menjadi dapat diabaikan dibandingkan dengan volumenya pada temperatur kamar, dan ia mengusulkan skala temperatur baru, skala temperatur Kelvin, yang didefinisikan dengan persamaan berikut.

273,2 + °C = K (6.2)

Kini temperatur Kelvin K disebut dengan temperatur absolut, dan 0 K disebut dengan titik nol absolut. Dengan menggunakan skala temperatur absolut, hukum Charles dapat diungkapkan dengan persamaan sederhana

V = bT (K) (6.3)

dengan b adalah konstanta yang tidak bergantung jenis gas.

Menurut Kelvin, temperatur adalah ukuran gerakan molekular. Dari sudut pandang ini, nol absolut khususnya menarik karena pada temperatur ini, gerakan molekular gas akan berhenti. Nol absolut tidak pernah dicapai dengan percobaan. Temperatur terendah yang pernah dicapai adalah sekitar 0,000001 K.

Avogadro menyatakan bahwa gas-gas bervolume sama, pada temperatur dan tekanan yang sama, akan mengandung jumlah molekul yang sama (hukum Avogadro; Bab 1.2(b)). Hal ini sama dengan menyatakan bahwa volume real gas apapun sangat kecil dibandingkan dengan volume yang ditempatinya. Bila anggapan ini benar, volume gas sebanding dengan jumlah molekul gas dalam ruang tersebut. Jadi, massa relatif, yakni massa molekul atau massa atom gas, dengan mudah didapat.
d. Persamaan gas ideal

Esensi ketiga hukum gas di atas dirangkumkan di bawah ini. Menurut tiga hukum ini, hubungan antara temperatur T, tekanan P dan volume V sejumlah n mol gas dengan terlihat.

Tiga hukum Gas

Hukum Boyle: V = a/P (pada T, n tetap)
Hukum Charles: V = b.T (pada P, n tetap)
Hukum Avogadro: V = c.n (pada T, P tetap)

Jadi, V sebanding dengan T dan n, dan berbanding terbalik pada P. Hubungan ini dapat digabungkan menjadi satu persamaan:

V = RTn/P (6.4)

atau

PV = nRT (6.5)

R adalah tetapan baru. Persamaan di atas disebut dengan persamaan keadaan gas ideal atau lebih sederhana persamaan gas ideal.

Nilai R bila n = 1 disebut dengan konstanta gas, yang merupakan satu dari konstanta fundamental fisika. Nilai R beragam bergantung pada satuan yang digunakan. Dalam sistem metrik, R = 8,2056 x10–2 dm3 atm mol-1 K-1. Kini, nilai R = 8,3145 J mol-1 K-1 lebih sering digunakan.

Latihan 6.1 Persamaan gas ideal

Sampel metana bermassa 0,06 g memiliki volume 950 cm3 pada temperatur 25°C. Tentukan tekanan gas dalam Pa atau atm).

Jawab: Karena massa molekul CH4 adalah 16,04, jumlah zat n diberikan sebagai n = 0,60 g/16,04 g mol-1 = 3,74 x 10-2 mol. Maka, P = nRT/V = (3,74 x10-2 mol)(8,314 J mol-1 K-1) (298 K)/ 950 x 10-6 m3)= 9,75 x 104 J m-3 = 9,75 x 104 N m-2= 9,75 x 104 Pa = 0,962 atm

Dengan bantuan tetapan gas, massa molekul relatif gas dapat dengan mudah ditentukan bila massa w, volume V dan tekanan P diketahui nilainya. Bila massa molar gas adalah M (g mol-1), akan diperoleh persamaan (6.6) karena n = w/M.

PV = wRT/M (6.6)

maka

M = wRT/PV (6.7)

Latihan 6.2 Massa molekular gas

Massa wadah tertutup dengan volume 0,500 dm3 adalah 38,7340 g, dan massanya meningkat menjadi 39,3135 g setelah wadah diisi dengan udara pada temperatur 24 °C dan tekanan 1 atm. Dengan menganggap gas ideal (berlaku persamaan (6.5)), hitung "seolah" massa molekul udara.

Jawab: 28,2. Karena ini sangat mudah detail penyelesaiannya tidak diberikan. Anda dapat mendapatkan nilai yang sama dari komposisi udara (kira-kira N2:O2 = 4:1).
e. Hukum tekanan parsial

Dalam banyak kasus Anda tidak akan berhadapan dengan gas murni tetapi dengan campuran gas yang mengandung dua atau lebih gas. Dalton tertarik dengan masalah kelembaban dan dengan demikian tertarik pada udara basah, yakni campuran udara dengan uap air. Ia menurunkan hubungan berikut dengan menganggap masing-masing gas dalam campuran berperilaku independen satu sama lain.

Anggap satu campuran dua jenis gas A (nA mol) dan B (nB mol) memiliki volume V pada temperatur T. Persamaan berikut dapat diberikan untuk masing-masing gas.

pA = nART/V (6.8)

pB = nBRT/V (6.9)

pA dan pB disebut dengan tekanan parsial gas A dan gas B. Tekanan parsial adalah tekanan yang akan diberikan oleh gas tertentu dalam campuran seandainya gas tersebut sepenuhnya mengisi wadah.

Dalton meyatakan hukum tekanan parsial yang menyatakan tekanan total P gas sama dengan jumlah tekanan parsial kedua gas. Jadi,

P = pA + pB = (nA + nB)RT/V (6.10)

Hukum ini mengindikasikan bahwa dalam campuran gas masing-masing komponen memberikan tekanan yang independen satu sama lain. Walaupun ada beberapa gas dalam wadah yang sama, tekanan yang diberikan masing-masing tidak dipengaruhi oleh kehadiran gas lain.

Bila fraksi molar gas A, xA, dalam campuran xA = nA/(nA + nB), maka pA dapat juga dinyatakan dengan xA.

pA = [nA/(nA + nB)]P (6.11)

Dengan kata lain, tekanan parsial setiap komponen gas adalah hasil kali fraksi mol, xA, dan tekanan total P.

Tekanan uap jenuh (atau dengan singkat disebut tekanan jenuh) air disefinisikan sebagai tekanan parsial maksimum yang dapat diberikan oleh uap air pada temperatur tertentu dalam campuran air dan uap air. Bila terdapat lebih banyak uap air, semua air tidak dapat bertahan di uap dan sebagian akan mengembun.

Latihan 6.3 Hukum tekanan parsial

Sebuah wadah bervolume 3,0 dm3 mengandung karbon dioksida CO2 pada tekanan 200 kPa, dansatu lagi wadah bervolume 1,0 dm3 mengandung N2 pada tekanan 300 kPa. Bila kedua gas dipindahkan ke wadah 1,5 dm3. Hitung tekanan total campuran gas. Temperatur dipertahankan tetap selama percobaan.

Jawab: Tekanan parsial CO2 akan menjadi 400 kPa karena volume wadah baru 1/2 volume wadah sementara tekanan N2 adalah 300 x (2/3) = 200 kPa karena volumenya kini hanya 2/3 volume awalnya. Maka tekanan totalnya 400 + 200 = 600 kPa.

BAB 13 Kesetimbangan fasa dan diagram fasa

Kesetimbangan fasa dan diagram fasa

Selama ini pembahasan perubahan mutual antara tiga wujud materi difokuskan pada keadaan cair. Dengan kata lain, perhatian telah difokuskan pada perubahan cairan dan padatan, dan antara cairan dan gas. Dalam membahas keadaan kritis zat, akan lebih tepat menangani tiga wujud zat secara simultan, bukan membahas dua dari tiga wujud zat.

Gambar 7.5 Diagram fasa. Tm adalah titik leleh normal air, , T3 dan P3 adalah titik tripel, Tb adalah titik didih normal, Tc adalah temperatur kritis, Pc adalah tekanan kritis.

Diagram fasa merupakan cara mudah untuk menampilkan wujud zat sebagai fungsi suhu dan tekanan. Sebagai contoh khas, diagram fasa air diberikan di Gambar 7.5. Dalam diagram fasa, diasumsikan bahwa zat tersebut diisolasi dengan baik dan tidak ada zat lain yang masuk atau keluar sistem.

Pemahaman Anda tentang diagram fasa akan terbantu dengan pemahaman hukum fasa Gibbs, hubungan yang diturunkan oleh fisikawan-matematik Amerika Josiah Willard Gibbs (1839-1903) di tahun 1876. Aturan ini menyatakan bahwa untuk kesetimbangan apapun dalam sistem tertutup, jumlah variabel bebas-disebut derajat kebebasan F- yang sama dengan jumlah komponen C ditambah 2 dikurangi jumlah fasa P, yakni,

F=C+2-P … (7.1)

Jadi, dalam titik tertentu di diagram fasa, jumlah derajat kebebasan adalah 2 – yakni suhu dan tekanan; bila dua fasa dalam kesetimbangan-sebagaimana ditunjukkan dengan garis yang membatasi daerah dua fasa hanya ada satu derajat kebebasan-bisa suhu atau tekanan. Pada ttik tripel ketika terdapat tiga fasa tidak ada derajat kebebasan lagi. Dari diagram fasa, Anda dapat mengkonfirmasi apa yang telah diketahui, dan lebih lanjut, Anda dapat mempelajari apa yang belum diketahui. Misalnya, kemiringan yang negatif pada perbatasan padatan-cairan memiliki implikasi penting sebagaimana dinyatakan di bagian kanan diagram, yakni bila tekanan diberikan pada es, es akan meleleh dan membentuk air. Berdasarkan prinsip Le Chatelier, bila sistem pada kesetimbangan diberi tekanan, kesetimbangan akan bergeser ke arah yang akan mengurangi perubahan ini. Hal ini berarti air memiliki volume yang lebih kecil, kerapatan leb besar daripada es; dan semua kita telah hafal dengan fakta bahwa s mengapung di air.

Sebaliknya, air pada tekanan 0,0060 atm berada sebagai cairan pada suhu rendah, sementara pada suhu 0,0098 °C, tiga wujud air akan ada bersama. Titik ini disebut titik tripel air. Tidak ada titik lain di mana tiga wujud air ada bersama.

Selain itu, titik kritis (untuk air, 218 atm, 374°C), yang telah Anda pelajari, juga ditunjukkan dalam diagram fasa. Bila cairan berubah menjadi fasa gas pada titik kritis, muncul keadaan antara (intermediate state), yakni keadaan antara cair dan gas. Dalam diagram fasa keadaan di atas titik kritis tidak didefinisikan.

Soal.

1. Jelaskan yang dimaksud dengan diagram fasa ?
2. Jelaskan maksud dari hokum fasa Gibbs ?
3. Jelaskan prinsip Le Chatelier ?
4. Apa yang dimaksud dengan titik tripel air ?
5. Apa yang dimaksud dengan intermediate state ?

Jawab.

1. Diagram fasa merupakan cara mudah untuk menampilkan wujud zat sebagai fungsi suhu dan tekanan. Sebagai contoh khas, diagram fasa air diberikan di Gambar 7.5.

2. . Aturan ini menyatakan bahwa untuk kesetimbangan apapun dalam sistem tertutup, jumlah variabel bebas-disebut derajat kebebasan F- yang sama dengan jumlah komponen C ditambah 2 dikurangi jumlah fasa P { F=C+2-P …}.

3. Berdasarkan prinsip Le Chatelier, bila sistem pada kesetimbangan diberi tekanan, kesetimbangan akan bergeser ke arah yang akan mengurangi perubahan ini. Hal ini berarti air memiliki volume yang lebih kecil, kerapatan leb besar daripada es; dan semua kita telah hafal dengan fakta bahwa s mengapung di air.

4. air pada tekanan 0,0060 atm berada sebagai cairan pada suhu rendah, sementara pada suhu 0,0098 °C, tiga wujud air akan ada bersama. Titik ini disebut titik tripel air.

5. intermediate state adalah keadaan antara cair dan gas.

Teguh Permana (09023)

BAB 22 Sifat Cairan

Sifat Cairan

a. Tekanan uap

Seperti dalam kasus gas, energi kinetik molekul cairan tidak seragam tetapi bervariasi. Terdapat keteraturan dalam keragaman ini, dan distribusi energi kinetik ditentukan oleh hukum distribusi Boltzmann. Hukum ini menyatakan bahwa partikel yang paling melimpah adalah partikel dengan energi kinetik rata-rata, dan jumlah partikel menurun dengan teratur ketika selisih energi kinetiknya dengan energi kinetik rata-rata semakin besar.

Beberapa molekul yang energi kinetiknya lebih besar dari energi kinetik rata-rata dapat lepas dari gaya tarik antarmolekul dan menguap. Bila cairan diwadahi dalam ruang tanpa tutup, cairan akan perlahan menguap, dan akhirnya habis. Bila ruangnya memiliki tutup dan cairannyaterisolasi, molekulnya kehilangan energinya dengan tumbukan, dsb, dan energi kinetik beberapa molekul menjadi demikian rendah sehingga molekul tertarik dengan gaya antarmolekul pada permukaan cairan dan kembali masuk ke cairan. Ini adalah kondensasi uap dalam deskripsi makroscopik. Akhirnya jumlah molekul yang menguap dari permukaan cairan dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan menjadi sama, mencapai kestimbangan dinamik. Keadaan ini disebut kesetimbangan uap-cair (Gambar 7.2).

Tekanan gas, yakni, tekanan uap cairan ketika kesetimbangan uap-cair dicapai, ditentukan hanya oleh suhunya. Baik jumlah cairan maupun volume di atas cairan tidak mempunyai akibat asal cairannya masih ada. Dengan kata lain, tekanan uap cairan dalam ruang ditentukan oleh jenis cairan dan suhunya.

Gambar 7.2 Gambaran skematik kesetimbangan uap-cairan. Keadaan dimana jumlah molekul menguap dari permukaan cairan, dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan sama.

Tekanan uap cairan meningkat dengan meningkatnya suhu. Pola peningkatannya khas untuk cairan tertentu. Dengan meningkatnya suhu, rasio molekul yang memiliki energi yang cukup untuk mengatasi interaksi antarmolekul akan meningkat .

b. Titik didih

Tekanan uap cairan meningkat dengan kenaikan suhu dan gelembung akan akan terbentuk dalam cairannya. Tekanan gas dalam gelembung sama dengan jumlah tekanan atmosfer dan tekanan hidrostatik akibat tinggi cairan di atas gelembung. Wujud saat gelembung terbentuk dengan giat disebut dengan mendidih, dan temperatur saat mendidih ini disebut dengan titik didih. Titik didih pada tekanan atmosfer 1 atm disebut dengan titik didih normal (Gambar 7.4). Titik didih akan berubah bergantung pada tekanan atmosfer. Bila tekanan atmosfer lebih tinggi dari 1 atm, titik didih akan lebih tinggi dari titik didih normal. Sementara bila tekanan atmosfer lebih rendah dari 1 atm, titik didihnya akan lebih rendah dari titik didih normal.

Titik didih dan perubahannya dengan tekanan bersifat khas untuk tiap senyawa. Jadi titik didih adalah salah satu sarana untuk mengidentifikasi zat. Identifikasi zat kini dilakukan sebagian besar dengan bantuan metoda spektroskopi, tetapi data titik didh diperlukan untuk melaporkan cairan baru.

Titik didih ditentukan oleh massa molekul dan kepolaran molekul. Di antara molekul dengan jenis gugus fungsional polar yang sama, semakin besar massa molekulnya, semakin tinggi titik didihnya. Contoh yang baik dari hal ini adalah hidrokarbon homolog (Tabel 7.1). Di pihak lain, bahkan untuk massa molekul rendah, molekul dengan kepolaran besar akan mengalami gaya intermolekul yang kuat yang mengakibatkan titik didihnya lebih tinggi. Contoh yang baik adalah perbedaan besar antara titik didih antara berbagai gugus senyawa organik yang memiliki massa molekul sama tetapi gugus fungsi yang berbeda (Tabel 7.1). Titik didih air yang tinggi adalah contoh lain yang baik (Bab 3.4, bab 7.3).

Tabel 7.1 Titik didih beberapa senyawa organik.

senyawa	Td (°C)	senyawa	Td (°C)
pentana C5H12	36,11	butanol C4H9OH	108
heksana C6H14	68,74	dietil eter C2H5OC2H5	34,5
oktana C8H718	125,7	metil propil eterpropileter (CH3OC3H7)	39

Energi yang diperlukan untuk mengubah cairan menjadi gas pada STP12 (0°C, 1 atm) disebut dengan kalor penguapan. Bila gas mengembun menjadi cairan, sejumlah sama kalor akan dilepaskan. Kalor ini disebut dengan kalor kondensasi.

Tabel 7.2 Titik didih dan kalor penguapan berbagai beberapa cairan.

Zat	Titik didih (°C)	Kalor penguapan (J mol-1)
H2	-252.8	904
CS2	46.4	26780
CHCl3	61	29500
CCl4	77	36600
C2H5OH	78	38570
C6H6	80	30760
H2O	100	46670
CH3COOH	118	24390

Proses penguapan cairan dan mengkondensasikan uapnya di wadah lain dengan pendinginan disebut dengan distilasi. Metoda ini paling sering digunakan untuk memurnikan cairan. Asal mula teknik distilasi dapat dirunut dari zaman alkemi. Campuran cairan dapat dipisahkan menjadi cairan komponennya menggunakan perbedaan titik didihnya. Teknik ini disebut sebagai distilasi fraksional.

c. Titik beku

Bila temperatur cairan diturunkan, energi kinetik molekul juga akan menurun, dan tekanan uapnya pun juga akan menurun. Ketika temperatur menurun sampau titik tertentu, gaya antarmolekulnya menjadi dominan, dan gerak translasi randomnya akan menjadi lebih perlahan. Sebagai akibatnya, viskositas cairan menjadi semakin bertambah besar. Pada tahap ini, kadang molekul akan mengadopsi susunan geometri reguler yang disebut dengan keadaan padatan kristalin. Umumnya titik beku sama dengan titik leleh, yakni suhu saat bahan berubah dari keadaan padat ke keadaan cair.

Soal.

1. Jelaskan hukum distribusi Boltzmann ?
2. Jelaskan yang dimaksud dengan kesetimbangan uap-cair ?
3. Apa yang dimaksud dengan kalor penguapan dalam titik didih ?
4. Apa yang dimaksud dengan ditalasi ?
5. Apa yang menentukan tekanan uap cairan dalam ruang ?

Jawab.

1. Hukum ini menyatakan bahwa partikel yang paling melimpah adalah partikel dengan energi kinetik rata-rata, dan jumlah partikel menurun dengan teratur ketika selisih energi kinetiknya dengan energi kinetik rata-rata semakin besar.
2. jumlah molekul yang menguap dari permukaan cairan dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan menjadi sama, mencapai kestimbangan dinamik.
3. Energi yang diperlukan untuk mengubah cairan menjadi gas pada STP12 (0°C, 1 atm) disebut dengan kalor penguapan.
4. Proses penguapan cairan dan mengkondensasikan uapnya di wadah lain dengan pendinginan.
5. Tekanan uap cairan dalam ruang ditentukan oleh jenis cairan dan suhunya.

Teguh Permana (09023)

BAB 21Karakteristik Cairan

Karakteristik Cairan

Gas dapat dicairkan dengan mendinginkan pada tekanan tertentu. Ketika suhunya diturunkan, energi kinetik molekul gas akan menurun, dan akan menjadi sebanding dengan gaya tarik antar molekulnya. Akhirnya jarak antar molekul menurun sampai titik gas berubah menjadi cairan. Cairan memiliki volume tetap pada temperatur tetap tetapi cairan tidak memiliki bentuk yang tetap. Dalam hal ini, cairan mirip gas. Namun, kalau diperhatikan jarak antar molekulnya, terdapat perbedaan besar antara cairan dan gas. Satu gram air memiliki volume sekitar 1 cm³, tetapi uap air menempati volume 1,69 x 10³ cm³ pada 373 K dan 1 atm. Anda dapat memperikirakan jarak antar molekul dalam kedua kasus ini, dan dengan membandingkan data ini, Anda akan menyadari perbedaan antara cairan dan gas.

Anda telah mempelajari bahwa teori kinetik mengasumsikan bahwa interaksi intermolekul dalam wujud gas sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. Dalam wujud cair, situasinya tidak begitu sederhana sebab setiap molekul dikelilingi banyak molekul lain dan dengan demikian tumbukan mungkin terjadi. Pengamatan menarik pertama adanya gerakan cairan dilakukan oleh Brown yakni adanya gerakan acak serbuk sari di permukaan air. Asal gerakan Brown adalah tumbukan antara serbuk dan molekul air dan diinterpretasikan sebagai berikut: karena besaran dan arah tiap tumbukan yang mendorong serbuk sari bervariasi, partikel sebuk akan bergerak secara random.

Sebenarnya dapat dilakukan penanganan gerakan partikel cairan dengan menggunakan model mekanik sebagai dalam kasus partikel gas. Namun, pengaruh molekul yang bertumbukan atau molekul sekitarnya sedemikian besar sehingga sukar untuk menangani cairan secara kuantitatif. Di kimia sekolah menengah, hanya penjelasan untuk caiarn hanya diberikan dengan agak samar, yakni dengan mengatakan bahwa keadaan cairan adalah pertengahan antara wujud gas dan wujud padat. Lebih lanjut juga hanya dinyatakan bahwa energi kinetik dan jarak antarmolekul partikel cairan juga pertengahan antara dalam wujud padat dan gas. Demikian juga keteraturan posisi partikelnya juga dianggap pertengahan antara gas dan padat. Demikianlah alasan mengapa tidak ada deskripsi kuantitatif cairan di buku-buku teks sekolah menengah (Gambar 7.1).

Gambar 7.1 Gambaran skematik gerakan molekul dalam padatan, cairan dan gas. Dengan meningkatnya suhu, kecepatan gerakannya akan meningkat, dan dengan demikian energi kinetiknya juga meningkat sehingga lebih besar dari gaya tarik antarmolekulnya.

Volume gas dapat ditekan sementara volume cairan hampir tidak dapat ditekan sebab jarak antarmolekul jauh lebih pendek. Dalam padatan, setiap molekul cenderung menempati posisi tertentu. Bila susunan molekul dalam padatan teratur, padatan disebut padatan kristalin. Bila tekanan diberikan pada kristal, pengaruh tekanan pada padatan lebih kecil dibandingkan pengaruhnya pada cairan. Bila cairan meleleh, dalam banyak kasus volumenya meningkat sekitar 10%. Hal ini berkaitan dengan perbedaan dalam pengepakan molekul dalam cairan dan padatan. Singkatnya, cairan lebih dekat dengan padat dibandingkan dengan gas.

Partikel gas berdifusi sebab gas bergerak dengan cepat. Molekul cairan bergerak dengan lebih lambat. Partikel dalam padat tidak pernah berdifusi sebab gaya antarmolekul demikian kuat sehingga energi kinetiknya tidak dapat mengatasinya.

Soal.

1. Paparkanlah karakteristik cairan ?

2. Jelaskan asal gerakan Brown ?

3. Apakah volume cairan dapat ditekan ? jelaskan!

4. Jelaskanlah perbedaan antara cairan dengan gas ?

5. Apa yang terjadi bila cairan meleleh ?

Jawab.

1. Cairan memiliki volume tetap pada temperatur, cairan tidak memiliki bentuk yang tetap.
2. Asal gerakan Brown adalah tumbukan antara serbuk dan molekul air dan diinterpretasikan sebagai berikut : karena besaran dan arah tiap tumbukan yang mendorong serbuk sari bervariasi, partikel sebuk akan bergerak secara acak.
3. Tidak, karna jarak antarmolekul jauh lebih pendek.
4. Satu gram air memiliki volume sekitar 1 cm³, tetapi uap air menempati volume 1,69 x 10³ cm³ pada 373 K dan 1 atm. Volume gas dapat ditekan sementara volume cairan hampir tidak dapat ditekan sebab jarak antarmolekul jauh lebih pendek.
5. Bila cairan meleleh, dalam banyak kasus volumenya meningkat sekitar 10%. Hal ini berkaitan dengan perbedaan dalam pengepakan molekul dalam cairan dan padatan. Singkatnya, cairan lebih dekat dengan padat dibandingkan dengan gas.

Teguh Permana (09023)