Bahan Kuliah Kimia TPB Bab IV Wujud Zat Bahan Kuliah Kimia TPB Bab IV Departemen Kimia FMIPA IPB

Mmm …, yummy; I believe this will be an interesting lesson DAFTAR ISI Mmm …, yummy; I believe this will be an interesting lesson 4.1 Wujud Gas 4.2 Tekanan dan Suhu Gas 4.3 Hukum Gas Ideal 4.4 Cairan dan Padatan 4.5 Gaya Antarmolekul 4.6 Transisi Fase 4.7 Diagram Fase

kalkulator, jam tangan digital) Bentuk Fisik Suatu Bahan (Fase) a. Gas b. Cairan c. Padatan d. Plasma gas yang mengion Ionisasi elektron keluar dari molekul membuat plasma bersifat konduktif. Misalnya, aurora Borealis dan petir. e. Kristal cair Fase di antara cairan dan padatan Fase cair Fase nematik (untuk monitor LCD, kalkulator, jam tangan digital) Fase smektik Fase kolesterik

4.1 WUJUD GAS Sifat umum gas: Dapat ditekan Menimbulkan tekanan pada kondisi sekelilingnya Mengembang dan menempati volume yang tersedia Mampu bercampur sempurna dengan gas lain Dapat dijelaskan menggunakan parameter suhu dan tekanannya, volume yang ditempatinya, dan jumlah molekul yang ada  BACK

Beberapa gas yang lazim ditemui beserta penggunaannya Rumus molekul Pemanfaatan Asetilena C2H2 Las karbit Amonia NH3 Pupuk Argon Ar Gas pengisi bohlam lampu Butana C4H10 LPG Karbon dioksida CO2 Air soda Klorin Cl2 Disinfektan, pemutih Etilena C2H4 Bahan baku plastik Helium He Pengisi balon gas Hidrogen H2 Hidrogenasi minyak Metana CH4 Bahan bakar Nitrit oksida N2O Anestesi Propana C3H8 Belerang dioksida SO2 Pengawet, disinfektan

V  1/P (pada n dan T tetap) 4.2 TEKANAN DAN SUHU GAS Satuan SI Satuan tekanan umum 1 Pa = 1 kg m-1 det-2 = 1 N/m2 1 bar = 105 Pa = 100 kPa 1 atm = 1,01325 x 105 Pa = 101,325 kPa 1 atm = 760 torr = 760 mm Hg 1 atm = 14,7 lb/in2 (psi) = 1,01325 bar 4.2.1 Hukum Boyle: V vs P “Pada suhu tetap, volume (V) yang ditempati oleh massa gas yang tertentu berbanding terbalik terhadap tekanan (P)” V  1/P (pada n dan T tetap) P1V1 =P2V2  BACK

4.2.2 Hukum Charles: V vs T 4.2.3 Hukum Avogadro: V vs n “Pada tekanan tetap, volume yang ditempati oleh massa tertentu gas berbanding lurus terhadap suhu mutlak (T)” V  T (pada n dan P tetap) 4.2.3 Hukum Avogadro: V vs n “Pada suhu dan tekanan yang sama, semua gas dengan volume yang sama memiliki jumlah molekul (n) yang sama” V  n (pada T dan P tetap)

Contoh 4.1: Konversikan hasil pembacaan tekanan 736 mm Hg menjadi (a) atm, (b) torr, (c) kPa, (d) bar, dan (e) psi. Jawab: (a) atm: 736 mm Hg x = 0,968 atm (b) torr: 736 mm Hg x = 736 torr (c) kPa: 736 mm Hg x = 98,1 kPa (d) bar: 736 mm Hg x = 0,981 bar (e) psi = 736 mm Hg x = 14,2 psi

Contoh 4.2: Gas menempati volume 12 L dengan tekanan 1,2 atm. Berapa volumenya jika tekanannya naik menjadi 2,4 atm? Jawab: V1 = 12 L P1 = 1,2 atm V2 = ? L P2 = 2,4 atm Hukum Boyle: P1V1 = P2V2 = 6,0 L

Contoh 4.3: Contoh gas nitrogen menempati volume 117 mL pada 100,0 oC. Pada suhu berapa (oC) volume yang ditempati gas menjadi 234 mL, jika tekanannya tetap? Jawab: V1 = 117 mL V2 = 234 mL T1 = 100,0 °C + 273 = 373 K T2 = ? Hukum Charles: = 746 K  Suhu dalam satuan °C = 746 K – 273 = 473 °C

V  1/P (pada n dan T tetap) 4.3 HUKUM GAS IDEAL V  1/P (pada n dan T tetap) V  T (pada n dan P tetap) PV = nRT Hukum gas ideal V  n (pada T dan P tetap) (R = 0,082058 L atm mol-1 K-1) Contoh 4.4: Nyatakan tetapan gas ideal R dalam J mol-1 K-1. Jawab: R = 0,082058  10-3  101325  1 R = 8,3145 J mol-1 K-1  BACK

Contoh 4.5: Dengan menggunakan hukum gas ideal, hitunglah volume molar gas pada STP (0 oC, 1 atm)? Jawab: PV = nRT Volume molar = volume per mol Vm = = = 22,414 L mol-1

Contoh 4.6: Berapa volume yang ditempati oleh 0,2 g oksigen pada tekanan 1 atm dan 20 oC? Jawab: T = 20 °C + 273 = 293 K m = 0,2 g P = 1 atm V = ? mol O2 = 0,2 g O2 x 1 mol O2 32 g O2 = 0,00625 mol O2 PV = nRT nRT P 0,00625 mol x 0,0821 L atm mol-1 K-1 x 293 K 1,0 atm V = = = 0,150 L = 150 mL

Contoh 4.7: Helium diisikan ke dalam balon gas yang digunakan untuk membawa instrumen ilmiah ke atmosfer. Balon diluncurkan pada hari yang bersuhu 22,5 oC dan pembacaan barometer 754 mm Hg. Jika volume balon adalah 1,00  106 L, apa yang terjadi pada ketinggian 37 km ketika tekanan 76,0 mm Hg dan suhu 240 K? Jawab: Penggabungan 2 set kondisi: P1V1 n1T1 P2V2 n2T2 R = dan R = Selama peluncuran balon n dianggap konstan:

P1 = 754 mm Hg P2 = 76,0 mm Hg T1 = 22,5 °C + 273 = 295,5 K T2 = 240 K V1 = 1,00  106 L V2 = ? = 8,06  106 L Jadi, balon gas memuai 8,06 kali pada ketinggian 37 km.

4.3.1 Gas Nyata Tidak Mengikuti Hukum Gas Ideal Salah satu perluasan hukum gas ideal untuk menghampiri sifat gas nyata ialah persamaan van der Waals: a, b = tetapan van der Waals (bergantung jenis zat) Satuan a: L2 atm mol-2 Satuan b: L mol-1

4.4 CAIRAN DAN PADATAN 4.4.1 Tegangan Permukaan Molekul cairan di bagian dalam mengalami tarikan antarmolekul dari segala arah. Molekul di permukaan hanya tarik-menarik dengan molekul di bawah dan di sampingnya. Ketidakseimbangan gaya di permukaan zat cair  tegangan permukaan.  BACK

Tegangan permukaan berhubungan dengan kemampuan cairan membasahi permukaan, dan bergantung pada nisbah kekuatan gaya kohesi dan adhesi. * Gaya kohesi: gaya antarmolekul sejenis. * Gaya adhesi: gaya antarmolekul tak sejenis.

Air ( = 7,29  10-2 J/m2 pada 20 oC): Ikatan hidrogen Adhesi Kohesi (a) (b) (a) (b) Air ( = 7,29  10-2 J/m2 pada 20 oC): Ikatan hidrogen Gaya kohesi < adhesi  Membasahi permukaan  Meniskus cekung Raksa ( = 46  10-2 J/m2 pada 20 oC): Ikatan logam Gaya kohesi > adhesi  Membentuk bulatan  Meniskus cembung

Gaya antarmolekul kuat 4.4.2 Viskositas Ukuran hambatan suatu fluida untuk mengalir. Gaya antarmolekul kuat Viskositas tinggi

 aseton <  etilena glikol Contoh:  aseton <  etilena glikol Aseton Etilena glikol Interaksi dwikutub-dwikutub Ikatan hidrogen Viskositas  apabila suhu : energi kinetik yang lebih besar mampu mengatasi gaya antarmolekul.

4.4.3 Difusi Difusi semakin mudah jika pergerakan molekul semakin bebas dengan tumbukan antarmolekul yang lebih jarang. Kemudahan difusi fase gas > cair >> padat.

4.4.4 Struktur Padatan 4.4.4.1 Struktur Grafit Ikatan antaratom C yang melibatkan 3 orbital sp2 dalam bidang planar trigonal (120o) dan 1 orbital p yang tegak lurus ke atas dan ke bawah bidang tersebut. 142 pm 335 pm Hubungan antaratom C yang planar trigonal membentuk lapisan-lapisan heksagonal. Ikatan intralapisan lebih kuat (lebih pendek) daripada antarlapisan.

 lapisan-lapisan dapat bergeser dengan mudah satu sama lain  pelumas, isi pensil. Semua elektron p terdelokalisasi.  dalam pengaruh medan listrik, elektron p dapat berpindah antaratom C  konduktor listrik (elektrode baterai)

4.4.4.2 Struktur Intan Ikatan antaratom C yang melibatkan 4 orbital sp3 dalam struktur tetrahedral (109,5o). Kontras dengan grafit, intan adalah Benda alam terkeras (tl 3500 oC). Isolator listrik, karena elektron valensinya terlokalisasi. Jika separuh atom intan diganti dengan silikon, diperoleh silikon karbida (karborundum; tl 2700 oC).

4.4.4.3 Struktur Silika Setiap atom Si (putih) terikat pada 4 atom O (merah) & setiap atom O mengikat 2 atom Si  jejaring tetrahedral Amorf: melunak jika dipanaskan  komponen penyusun kaca. Seperti intan, silika sangat keras (tl 1700 oC) dan non-konduktor.

4.5.1 Gaya Dispersi (London) 4.5 GAYA ANTARMOLEKUL 4.5.1 Gaya Dispersi (London) (a) Gaya dispersi terjadi antarmolekul nonpolar. (b) + dst.  BACK

Kemudahan awan elektron berubah bentuk oleh pengaruh medan listrik [tahap (a)] disebut polarisabilitas. Polarisabilitas dan karena itu, kekuatan gaya London, bertambah dengan (1) Naiknya bobot molekul. td Rn (Mr = 222) : 221 K td He (Mr = 4) : 4 K Contoh: H2 N2 F2 Cl2 BM 2 < 28 38 71 td –253 –196 –188 –34

(2) Memanjangnya bentuk molekul. propana (CH3CH2CH3)  td –42 oC, tl –189 oC butana (CH3(CH2)2CH3)  td 0 oC, tl –138 oC Contoh: Percabangan  molekul membulat  luas bidang singgung untuk gaya London   td dan tl  neopentana (td = 9,5 °C; tl = 160 °C) n-pentana (td = 36,1 °C; tl = 196,5 °C)

Bidang singgung untuk gaya London lebih luas karena molekul memanjang. Luas bidang singgung untuk gaya London menyempit karena molekul membulat. Bidang singgung untuk gaya London lebih luas karena molekul memanjang.

Arah Molekul Polar dalam Padatan 4.5.2 Interaksi Dwikutub-dwikutub (Dipol-dipol) Terjadi antarmolekul polar. Arah Molekul Polar dalam Padatan

Lebih kuat daripada gaya London. Jika BM (hampir) sama, td & tl senyawa polar > nonpolar Contoh: n-butana (Mr = 58; nonpolar) (tl = –138,3 °C; td = 0,5 °C) aseton (Mr = 58, polar) (tl = –94,8 °C; td = 56,5 °C)

trans-1,2-dikloroetena (td = 47,7 °C) cis-1,2-dikloroetena (td = 60,3 °C) Momen ikatan C–Cl pada isomer trans saling meniadakan  nonpolar  gaya London (td lebih rendah) Momen ikatan C–Cl pada isomer cis saling memperkuat  polar  interaksi dwikutub-dwikutub (td lebih tinggi)

Catatan: Jika bobot molekulnya jauh lebih besar, titik didih molekul nonpolar dapat melebihi molekul polar,. CCl4 (Mr = 154; nonpolar)  td 76,7 oC CH3Cl (Mr = 50,5; polar)  td –24 oC Contoh: Gaya antarmolekul pada isomer cis tidak selalu lebih kuat daripada isomer trans-nya. HO2CCH=CHCO2H Isomer cis (asam maleat)  tl 139–140 oC Isomer trans (asam fumarat)  tl 300–302 oC Contoh:

4.5.3 Ikatan Hidrogen Gaya London & interaksi dwikutub-dwikutub disebut gaya van der Waals, karena menyebabkan penyimpangan dari gas ideal. Ikatan hidrogen (15–40 kJ/mol) lebih kuat daripada gaya van der Waals ( 2–20 kJ/mol). Ikatan ini terjadi antara atom elektronegatif (N, O, F, S, Cl) dan atom H yang diikat oleh atom elektronegatif lainnya.

Contoh ikatan hidrogen: antarmolekul alkohol alkohol dengan air keton dengan air antarmolekul amina

dimer asam karboksilat pentamer dari HF

Jejaring ikatan hidrogen es yang unik: setiap molekul air terikat dengan 4 molekul air terdekat (garis putus-putus).

Rapatan naik terhadap suhu Pelelehan es: ikatan hidrogen putus secara bertahap (kalor lebur hanya 6,02 kJ/mol). Rapatan maksimum 3,98 0C Sedikit di atas tl: Sebagian struktur es masih bertahan  Rapatan naik terhadap suhu (anomali air)

Pengaruh ikatan hidrogen pada titik didih Mr   td  Kenaikan td NH3, HF, dan H2O karena ikatan hidrogen.

Contoh 4.8: Sebutkan jenis gaya tarik-menarik antarmolekul (London, dwikutub-dwikutub, atau ikatan hidrogen) pada molekul (a) HF (b) PCl3 (c) SF6 (d) SO2 Jawab: (a) HF  ikatan hidrogen (b) PCl3  notasi VSEPR: AX3E  geometri molekul: piramida segitiga (polar)  interaksi dwikutub-dwikutub (c) SF6  notasi VSEPR: AX6  geometri molekul: oktahedral (nonpolar)  gaya London

(d) SO2  notasi VSEPR: AX2E  geometri molekul: bentuk V (polar)  interaksi dwikutub-dwikutub

4.6 TRANSISI FASE 4.6.1 Kesetimbangan Fase  BACK

4.6.2 Penguapan Lepasnya molekul-molekul dengan energi kinetik > energi kinetik rerata sistem. Entalpi (kalor) penguapan, Hvap: Jumlah kalor yang diperlukan untuk menguapkan sejumlah tertentu zat cair pada suhu tertentu.

Tekanan uap: tekanan yang ditimbulkan oleh uap. Tekanan uap  (Hvap umumnya)  atsiri (volatil, mudah menguap). Kurva tekanan uap

Dietil eter < Aseton < Benzena < Air < Asam asetat Contoh 4.9: Berikut ini adalah tekanan uap beberapa senyawa yang diukur pada 20 oC. Susunlah senyawa-senyawa tersebut mengikuti kenaikan gaya tarik-menarik antarmolekul. Benzena, C6H6 80 torr Asam asetat, HC2H3O2 11,7 torr Aseton, C3H6O 184,8 torr Dietil eter, C4H10O 442,2 torr Air 17,5 torr Jawab: Tekanan uap   Senyawa atsiri  Gaya tarik-menarik antarmolekul . Jadi, urutannya Dietil eter < Aseton < Benzena < Air < Asam asetat

4.6.3 Mendidih dan Titik Didih Zat cair yang dipanaskan pada wadah terbuka dikatakan mendidih jika penguapan berlangsung di seluruh cairan. Titik didih normal: tekanan uap zat cair = 1 atm. Titik didih standar: tekanan uap zat cair = 1 bar.

4.6.4 Peleburan Entalpi (kalor) lebur, Hfus: Jumlah kalor yang diperlukan untuk melelehkan sejumlah tertentu padatan pada suhu tertentu.

PELEBURAN DAN PEMBEKUAN

4.6.5 Sublimasi H2O(l) Hvap Hsub H2O(s) H2O(g) Hsub = Hfus + Hvap

4.6.6 Titik Kritis Zat cair yang dipanaskan pada wadah tertutup tidak akan mendidih, tetapi akan mencapai titik kritis. Suhu kritis (Tc) dicirikan oleh hilangnya batas cairan dan uap karena rapatan cairan  & rapatan uap  hingga menjadi sama. gas fluida superkritis cair Kira-kira 100 °C di bawah Tc Kira-kira 10 °C di bawah Tc Kira-kira Tc

Tekanan kritis (Tc): tekanan minimum yang harus diberikan agar terjadi pencairan pada suhu kritis.

4.7 DIAGRAM FASE A B TA: kurva peleburan TB: kurva tekanan uap TC: kurva sublimasi B: titik kritis T T: titik tripel C 0 oC: tl normal air 100 oC: td normal air DIAGRAM FASE AIR  BACK

Dua perbedaan utama dengan diagram fase air: Titik tripel > 1 atm é menyublim pada > –78 oC. Kurva peleburan miring ke kanan: P   tl  DIAGRAM FASE CO2

 End of Chapter 4  Created by: BAR – TWS – RAW

2 HCl(aq) + Mg(s)  MgCl2(aq) + H2(g) LATIHAN SOAL MANDIRI Pada suhu 70 oC, suatu sampel gas memiliki volume 550 mL. Jika volume gas tadi direduksi menjadi 500 mL, ke suhu berapa gas harus didinginkan? Jawab: 39 oC. Asam klorida direaksikan dengan logam magnesium sbb: 2 HCl(aq) + Mg(s)  MgCl2(aq) + H2(g) Reaksi ini menghasilkan gas hidrogen sebanyak 37,6 mL pada tekanan 760 torr dan 20 oC. Hitunglah berapa banyak magnesium yang digunakan. Jawab: 37,5 mg.

LATIHAN SOAL MANDIRI Sebanyak 1,56 g contoh gas diperoleh pada suhu 25 oC dan tekanan 745 torr dalam wadah 275 mL. Berapakah rapatan gas pada suhu 45 oC dan tekanan 770 torr? Jawab: 5,49 g/L. Berapakah volume yang ditempati oleh 0,136 g gas O2 pada suhu 20 oC dan 748 torr? Jawab: 104 mL. Urutkan zat berikut berdasarkan meningkatnya titik didih normal, dan jelaskan: NO, NH3, Ne, RbCl. Jawab: Ne < NO < NH3 < RbCl.

LATIHAN SOAL MANDIRI (6) Sejumlah nitrogen dimasukkan ke dalam tangki 2,00 L pada tekanan 3,00 atm. Tangki dihubungkan dengan tangki 5,00 L yang benar-benar kosong, dan katupnya dibuka untuk menghubungkan keduanya. Tak ada perubahan suhu dalam proses ini. Tentukan tekanan total dalam sistem dua-tangki ini sesudah nitrogen berhenti mengalir. Jawab: 0,857 atm. (7) Hitunglah rapatan gas N2O pada 800 mm Hg dan 40 oC. Jawab: 1,80 g/L.

Cu(s) + 4 H+(aq) + 2 NO3-(aq)  2 NO2(g) + Cu2+(aq) + 2 H2O(l) LATIHAN SOAL MANDIRI (8) Asam nitrat pekat bereaksi dengan tembaga membentuk nitrogen dioksida dan ion tembaga yang larut sesuai dengan persamaan reaksi yang balans berikut: Cu(s) + 4 H+(aq) + 2 NO3-(aq)  2 NO2(g) + Cu2+(aq) + 2 H2O(l) Andaikan 6,80 g tembaga dikonsumsi dalam reaksi ini dan NO2 dikumpulkan pada tekanan 0,970 atm dan suhu 45 oC. Hitunglah volume NO2 yang dihasilkan. Jawab: 5,76 L.

LATIHAN SOAL MANDIRI (9) Tekanan parsial uap air dalam udara jenuh pada 20 oC adalah 0,0230 atm. Pada suhu tersebut (a) Ada berapa molekul air dalam 1,00 cm3 udara jenuh? (b) Berapa volume udara jenuh yang mengandung 0,500 mol air? Jawab: (a) 5,76  1017 molekul; (b) 523 L.