Transcript KIMIA FISIK I 3 (3-0)

KIMIA FISIK I 3 (3-0)
Tim Pengajar: 1. Komar Sutriah
2. Betty Marita Subrata
Materi: 1.Sifat-sifat Gas
2.Hukum Pertama (Konsep)
3.Hukum Pertama (Permesinan)
4.Termokimia
5.Hukum Kedua (Konsep)
6.Hukum Kedua (Permesinan)
Rujukan:
1. Atkins, Physical Chemistry
2. Gilbert W. Castellan, Physical Chemistry
3. Eisenberg& Crothers, Physical Chemistry with
Application to the Life Sciences
4. Laidler,Physical Chemistry with Biology Application
5. Metz C.R, Theory and Problems of Physical
Chemistry.
6. Abbott.M, van Ness H.C, Theory and Problems of
Thermodynamics.
TRANSFORMASI MATERIAL
(REKAYASA KIMIA)
Material Dasar:
Fungsi terbatas
Impurity tinggi
Material Maju:
Fungsi spesifik
Purity tinggi
KONDISI PROSES YANG OPTIMAL
(FEASIBLE SECARA EKONOMI)
KONTROL
TERMODINAMIKA
KONTROL
KINETIKA
1. Bagaimana mengatur variabel proses, agar suatu
reaksi yang tidak terjadi dapat berlangsung.
2. Bagaimana mengatur variabel proses, agar suatu
reaksi yang rendemen dan hasilnya rendah dapat
ditingkatkan.
3. Bagaimana mengatur variabel proses, agar suatu
reaksi dapat terjadi dengan singkat dgn rendemen
dan hasil yang banyak.
SIFAT-SIFAT GAS
1.
Wujud Benda : padat, cair, gas, dan plasma
2.
Gas: sekumpulan molekul yang selalu bergerak
acak, dengan laju yang bertambah bila suhu
dinaikkan.
3.
Parameter untuk mendefinisikan kedaan Gas :
a. Volume (V)
b. Suhu (T)
c. Tekanan (P)
d. Jumlah mol (n)
4.
Dihubungkan oleh pers. keadaan Gas: PV= n R T
Volume gas diabaikan
Tidak ada interaksi antar molekul
Dipenuhi dengan baik oleh hampir semua gas pada
suhu ruang (25OC, 1 atm, pada P<<<, T>>>)
5. Hukum-hukum Gas:
a. Boyle (1661): P V = Const ; Isoterm
Pada P 0, gas riil menjadi gas ideal
b. Charless (1787) : P = Const T ; Isokhor
c. G. Lussac (1802) : V = Const T ; Isobar
d. Boyle - G. Lussac : P V / T = Const
e. Avogadro :
Semua gas yang bervolume sama, jika
diukur pada T dan P yang sama, akan berisi
jumlah molekul yang sama.
Na = 6.023 x 1023
e.
Avogadro : V = const n (pada P,T const)
Vm, STP = 0OC, 1 atm = 22,4 L
Vm, SATP = 25OC, 1 bar = 24,79 L
f.
Dalton : Pada V,T yang sama, tekanan total
campuran gas adalah sama dengan jumlah tekanan
masing-masing gas.
Ptot = PA + PB + PC + …(PA = nART/V)
PA = XA x Ptot
PB = XB x Ptot
Contoh soal:
1. Komposisi udara kering berdasar berat di permukaan
laut adalah: N2 = 75,5%, O2 = 23,2%, dan Ar = 1,3%.
Berapa tekanan parsial masing-masing gas,jika tekanan
udara adalah 1 atm.
2. Suatu campuran gas terdiri dari 320 mgram metana,
175 mgram Ar, dan 225 mgram Ne. Tekanan parsial Ne
pada 300 K adalah 66,5 torr. Tentukan volume total dan
tekanan total campuran gas tersebut.
3. Gas ideal pada kondisi isotermal ditekan sehingga
volumenya berkurang 2,2 dm3. Jika volume dan
tekanan akhir gas adalah 4,65 dm3 dan 3,78 torr.
Berapakah tekanan awal gas?
4. Tentukan P total sebuah tangki 5 L jika kedalamnya
dimasukkan 46L O2(25OC,1 atm) dan 12L He(25OC,1 atm)
5. Komposisi udara kering berdasar persen mol di prmukaan
laut adalah: N2 = 78,1%, O2 = 20,9%, dan Ar = 1,0%.
Jika 1L udara (27OC,1 atm) dipanaskan dalam ruang 2L
sampai 108OC, berapa tekanan parsial N2 yang baru?
6. Hitung tekanan yang diperlukan untuk mengkompresi 4,2
dm3 gas pada 412 torr menjadi 1,6 dm3 pada kondisi
isotermal. Ubahlah tekanan dalam SI.
7. Pada tekanan tertentu, 22,4 L gas X pada 500C dibiarkan
berekspansi menjadi 40,8 L. Hitung suhu akhir gas.
8. Sebuah selinder berisi 100Gram gas ideal (BM=40, 270C,
2 atm). Ketika dipindahkan selindernya jatuh dan menim
bulkan sebuah lekukan sehingga terjdi penurunan volume,
tetapi katup penutup selinder tidak mampu menahan
tekanan lebih dari 2 atm sehingga 10Gr gas bocor keluar.
a. Hitung volume selinder sebelum dan sesudah terjatuh.
b. Bila katup dapat menahan perubahan tekanan, berapa
tekanan selinder setelah jatuh.
9. Suatu gas pada 340K dipanaskan pada P tetap sehingga
volumenya naik 18%. Berapakah suhu akhir gas?
10. Harus didinginkan sampai suhu berapa agar 1L gas ideal
pada suhu kamar berkurang volumenya menjadi 100 mL.
TEKANAN
1. Tekanan adalah gaya yang bekerja persatuan luas.
2. Rumus : P = F/A
F = m g = v d g = ¶ r2 h  g
A = ¶ r2
P =  g h + P udara
3. Satuan:
SI = pascal, Pa = Nm-2
1 atm = 1.01325 x 105 Pa
4. Penentuan:
Manometer
1 bar = 100 kPa
1 atm = 760 torr
1 atm = 760 mmHg
Barometer
Contoh soal:
1. Hitung tekanan yang ditimbulkan oleh seseorang yang
berat badannya 60Kg pada permukaan tanah saat:
a. menggunakan sepatu yang luasnya 250 cm2
b. menggunakan ice skates yang luasnya 2.0 cm2
2. Diving bell mempunyai ruang kosong 3m3 pada saat
diatas deck. Berapa volume ruang kosongnya pada saat
benda tersebut dibenamkan sedalam 50m. Densitas air
laut 1.025 gram/mL, suhu pada kedua kondisi sama.
Aplikasi:
Tabung udara penyelam menggunakan camp He-O2
sebagai pengganti N2-O2
3. Hitung perbedaan tekanan yang harus ditimbulkan, agar
es jus dapat mengalir melalui sedotan yang tingginya
20cm
4. Sebuah tabung yang volumenya 22,4 L berisi 2,0 mol
H2 dan 1,0 mol N2 pada 273,15K. Hitung tekanan parsial
masing-masing gas, dan tekanan totalnya setelah terjadi
reaksi.
5. Tekanan ban mobil pada keadaan winter (suhu -50C)
adalah 24 lb/in2 (1 atm = 14,7 lb/in2). Berapakah tekanan
ban pada saat pergantian musim summer (350C)
BOBOT MOLEKUL DAN KERAPATAN GAS
. PV = nRT
n = m/BM
. BM = mRT/PV
m/V = densitas
BM =  RT/P
Contoh Soal:
Densitas suatu gas pada 1.5 atm dan 270C adalah 3,9 gr/L
a. Berapakah BM gas tersebut
b. Bagaimana rumus molekulnya bila gas tersebut terdiri
dari masing-masing 50% berat S dan O
SUHU
1. Konsep suhu muncul dari pengamatan bahwa energi
dapat mengalir dari suatu bahan ke bahan lain bila
saling berhubungan.
Jika : A -------> B , maka TA > TB
2. Hukum keNOL Termodinamika:
Jika benda A setimbang termal dengan B, dan B setimb
termal dengan benda C, maka benda C juga setimbang
termal dengan benda A.
Konsep ini merupakan dasar ditemukannya Termometer
3. Termometer Gas V constant:
Digunakan utk menetapkan skala suhu termodinamika
Titik tripel air ditetapkan sbg standar = 273.16 K
4. Setiap termometer mempunyai skala yg berbeda-beda
bergantung pada indikator suhu yang digunakannya.
Misal:
skala 00C
ditetapkan pada saat termometer
dicelupkan pada es yang sedang mencair
skala 1000C ditetapkan pada saat termometer
dicelupkan pada air yang sedang
mendidih.
GAS RIIL (NYATA)
1. Interaksi Antar Molekul (Molekul Netral)
a. Gaya tolak : baru ada bila molekul bersinggungan
(P >>>)
b. Gaya tarik : efektif bekerja pada jarak beberapa
diameter molekul (P sedang)
c. Pada P <<< : gaya tarik-tolak tidak efektif, tidak ada
interaksi antarmolekul gas(GAS IDEAL)
2. Kompresi Gas
a. Pada P >>> : gas ideal lebih mudah dikompresi
karena tidak ada interaksi antarmolekul
b. Pd P sedang: gas riil lebih mudah dikompresi karena
gaya atraktif yang bekerja.
3. Faktor Kompresibilitas (Z):
Z = Vm.P/RT
Z = Vm/Videal
Z = 1 ; Gas ideal
z ≠1 ; Gas tidak ideal/gas riil
4. Kompresi gas : secara teoritis akan diperoleh V = 0,
karena gas dianggap tidak memiliki
volume, tetapi sebelum dicapai v = 0,
gas akan mengalami kondensasi
(liquifikasi)
RESPON
RESPON KOMPRESI
KOMPRESI GAS IDEAL-RIIL
IDEAL-RIIL
P
P
N2
H2
Vm
Vm
FAKTOR KOMPRESIBILITAS
GAS IDEAL - RIIL
Z
H2
N2
1
0
100
200
P (atm)
5. Persamaan Virial
Ekspansi dr persamaan Gas Ideal dengan memasukkan
pengaruh tekanan atau volume pada gas riil.
p Vm = RT ( 1 + B’ + C’ p2 + …)
p Vm = RT ( 1 + B/Vm + C/V2m + …)
B, B’ = koefisien virial kedua
C, C’ = koefisien virial ketiga
6. Interpretasi Fisik Persamaan Virial
a. Walaupun pers. keadaan gas riil mungkin sesuai dg
pers gas ideal bila p…0, tetapi semua sifat gas riil tdk
perlu sama dengan sifat gas ideal.
Contoh :
nilai dZ/dp : untuk gas ideal =0
untuk gas riil = B’ + 2 pC’
untuk gas riil pada p…0, dz/dp = B’.
b. Karena koef virial bergantung pada suhu, mungkin
ada suatu suhu dimana z….1 dengan dz/dp=0,
terutama pada p<<< atau Vm besar.
Suhu pada saat dz/dp=0, z..1, disebut suhu Boyle(TB)
Contoh:
Suhu Boyle(TB) He = 22,64 K
Suhu Boyle(TB) udara = 346,8 K = 73,60C.
7. Kompresi Gas CO2
a. Pada T >>>, p <<< kompresi mengikuti Isoterm Boyle.
b. Pada p.T tertentu, Isoterm Boyle mengalami infleksi
c. Pengulangan kurva isoterm pada suhu yang lebih
rendah, mengakibatkan gas berkondensasi, gas CO2
mengalami liquifikasi.
8. Persamaan van der Waals
a. Gaya tolak menolak antarmolekul, menyebabkan vol
molekul gas walaupun kecil tidak dapat diabaikan.
Molekul gas tidak lagi bergerak bebas dalam wadah
dengan volume V, tetapi dalam ruangan yang lebih
kecil (V – nb)
Sehingga : p V = nRT menjadi p (V – nb) = nRT
b. Gaya tarik menarik antarmolekul akan mengurangi
gaya tumbukan pada dinding wadah yaitu sebanding
dengan konsentrasi molar molekul gas (n/V). Karena
p tergntung pada frekuensi tumbukan dg dinding dan
gaya tiap tumbukan, maka tekanan gas riil berkurang
sebanding dengan (n/V)2.
Sehingga : p V = nRT menjadi (p + an2/v2) V = n R T
v.d.Waals : (p + an2/v2) (V – nb) = n R T
Sistem Kriogenik
Suhu yang Diperoleh(OC)
es – air
es – NaCl
es kering - aseton
oksigen cair
udara cair
nitrogen cair
0
-16
-80
-183
-192
-195
v.d.Waals : (p + an2/v2) (V – nb) = n R T
v.d.Waals : (p + a/v2m) (Vm – b) = R T
P(atm)
VCO2(Lmol-1,320K)
Diamati v.d.Waals
Ideal
1
10
50
100
26.2
2.52
0.54
0.098
26.2
2.53
0.55
0.10
26.3
2.63
0.66
0.26
Contoh Soal:
Perkirakan Vm CO2 pada 500K dan 100 atm jika mengikuti
persamaan v.d.Waals.
a = 3.592 L2atm mol-2
b = 4.267 x 10-2 Lmol-1
Jawab:
v.d.Waals : (p + an2/v2) (V – nb) = n R T
v.d.Waals : (p + a/v2m) (Vm – b) = R T
V3m – (b + RT/p)V2m + (a/p)Vm - ab/p = 0
b + RT/p = 0.4350 Lmol-1
a/p
= 3.592x10-2 (Lmol-1)2
ab/p
= 1.533x10-3 (Lmol-1)3
V3m – 0.435V2m + 3.592x10-2Vm - 1.533x10-3 = 0
X3 – aX2 + bX + c = 0
X = 0.366 L
KEHANDALAN PERS.v.d.WAALS
Dievaluasi dengan membandingkan isoterm v.d.Waals
dengan eksperimen
P
V
Ada p dengan 3 harga Vm, ada bentuk loop yang tidak
realistik.
1. Isoterm gas ideal diperoleh pada T>>> dengan P<<<
(Vm besar)
P = RT/Vm-b - a/V2m
a/V2m dapat diabaikan, karena Vm >>>, dan Vm-b = Vm
sehingga : P = RT/Vm (GAS IDEAL)
2. Cairan dan uap(gas) dapat berada bersama bila gaya
kohesi dan efek disposisi sama besar, yaitu bila :
RT/Vm – b = a/V2m (bentuk loop pada isoterm)
3. Titik Kritik Gas dapat Ditentukan (Tc)
Dibawah Tc, kurva isoterm berosilasi melalui suatu
minimum dan diikuti oleh suatu maksimum. Pada Tc,
kurva isoterm mempunyai titik infleksi dengan slope dan
kelengkungannya sama dengan NOL
v.d.Waals : (p + a/v2m) (Vm – b) = R T
Pada Tc (Pc, Vc, dan Tc) :
Slope = dP/dVm = -RT/(Vm-b)2 + 2a/V3m = 0
Kelengkungan = d2P/dV2m = 2RT/(Vm-b)3 – 6a/V4m = 0
Hasil Penyelesaian:
Vm.c
= 3b
Pc
= a/3V2m.c = a/27 b2
Tc
= 8Pc.Vm.c/3R = 8a/27 R.b
Zc
= Pc.Vm.c/R.Tc = 3/8 = 0.375
4.Temperatur Boyle juga berkaitan dengan suhu kritik.
Pers.v.d.Waals dapat diubah menjadi pers.Virial
P = RT/Vm {1/1-bVm-1 - a/RT.Vm }
selama bVm-1 < 1, maka:
(1-b/Vm)-1= 1 + b/Vm + b2/V2m + …… sehingga:
P = RT/Vm { 1 + b/Vm + (b/Vm)2 + … - a/RTVm }
P = RT/Vm { 1 + (b-a/RT) 1/Vm + …….. }
Koefisien virial kedua:
Pada suhu Boyle, B=0, sehingga:
Sementara itu: Tc = 8a/27R.b, shg:
Titik Kritik Beberapa Gas
Gas Pc(atm) Vm.c(cm3)
He
Ar
N2
CO2
2.26
48.0
33.5
72.9
57.8
75.3
90.1
94.0
ANALISIS
B = b – a/RT
TB = a/Rb
TB = 27/8 Tc
Tc(K)
5.2
150.7
126.2
304.2
Zc
TB(K)
0.31
0.29
0.29
0.27
22.6
411.6
327.2
714.8
GAS
1. Gas yang bersifat polutan di Lingkungan spt (H2S, SO2,
NOX, HC, HCN), bisa dianalisis secara langsung dan
tidak langsung.
2. Analisis langsung dilakukan dengan perangkat kit test,
atau detektor gas yang dihubungkan dengan display
shingga real time concentration bisa langsung diketahui.
3. Analisis tdk langsung, dilakukan di Laboratorium dengan
metode Spektroskopi atau Kromatografi. Gas disampling
dgn adsorben padat, atau adsorben cair dalam sebuah
impinger yang disedot dengan pompa vakum.
4. Gas polutan dihilangkan dengan teknik scrubber, atau
bioscrubber.
Pemurnian Gas
Gas dipisahkan dari campurannya (misal: N2, 02
dari udara) berdasarkan perbedaan sifat fisikkimia dengan teknik liquifikasi.
N2 murni seringkali dimanfaatkan dalam proses
sintesis kimia yang tidak menginginkan kehadiran
oksigen (udara) karena akan mengakibatkan
oksidasi.
Pemanfaatan Gas:
Cairan superkritik dari gas dimanfaatkan pada
teknologi pemisahan superkritik (supercritical
liquid separation). CO2 superkritik adalah cairan
nonpolar yang dapat dimanfaatkan sebagai
pelarut pengekstraksi pada proses separasi di
Laboratorium.