Transcript Bab4-Wujud Zat

Bahan Kuliah Kimia TPB Bab IV
Departemen Kimia
FMIPA IPB
DAFTAR ISI
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
Mmm …, yummy; I
believe this will be an
interesting lesson
Bentuk Fisik Suatu Bahan (Fase)
a. Gas
b. Cairan
d. Plasma
c. Padatan
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 smektik
Fase nematik
(untuk monitor LCD,
kalkulator, jam tangan digital)
Fase cair
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
Gas
Rumus molekul
Pemanfaatan
Asetilena
C 2H 2
Las karbit
Amonia
NH3
Pupuk
Argon
Ar
Butana
C4H10
Gas pengisi bohlam lampu
LPG
Karbon dioksida
CO2
Air soda
Klorin
Cl2
Disinfektan, pemutih
Etilena
C 2H 4
Bahan baku plastik
Helium
He
Pengisi balon gas
Hidrogen
H2
Hidrogenasi minyak
Metana
CH4
Bahan bakar
Nitrit oksida
N 2O
Anestesi
Propana
C 3H 8
LPG
Belerang dioksida
SO2
Pengawet, disinfektan
4.2 TEKANAN DAN SUHU GAS
Satuan SI
1 Pa
= 1 kg m-1 det-2
= 1 N/m2
Tekanan ( P) 
Gaya( F )
Luas ( A)
Satuan tekanan umum
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
“Pada tekanan tetap, volume yang ditempati oleh massa
tertentu gas berbanding lurus terhadap suhu mutlak (T)”
V  T (pada n dan P tetap)
V1 V2

T1 T2
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)
V1 V2

n1 n2
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
(b) torr: 736 mm Hg x
1 atm
= 0,968 atm
760 mmHg
760 torr
= 736 torr
760 mmHg
(c) kPa: 736 mm Hg x
101,3 kPa
= 98,1 kPa
760 mmHg
(d) bar: 736 mm Hg x
1,013 bar
= 0,981 bar
760 mmHg
(e) psi = 736 mm Hg x
14,7 psi
= 14,2 psi
760 mmHg
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
V2 = ? L
P1 = 1,2 atm
P2 = 2,4 atm
Hukum Boyle: P1V1 = P2V2
P1V1
V2 
= 6,0 L
P2
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
T1 = 100,0 °C + 273 = 373 K
V2 = 234 mL
T2 = ?
V1 V2

Hukum Charles:
T1 T2
V2T1
T2 
= 746 K
V1
 Suhu dalam satuan °C = 746 K – 273 = 473 °C
4.3 HUKUM GAS IDEAL
V  1/P (pada n dan T tetap)
V  T (pada n dan P tetap)
V  n (pada T dan P tetap)
Contoh 4.4:
nT
V 
P
PV = nRT
Hukum gas ideal
(R = 0,082058 L atm mol-1 K-1)
Nyatakan tetapan gas ideal R dalam J mol-1 K-1.
Jawab:
3
Pa
J
L atm
m
-3
1
 10
 101325
R = 0,082058
atm
Pa m 3
mol K
L
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
V RT

Vm =
n
P
(0,082058L atm mol1 K 1 )(273,15K)
=
(1 atm)
= 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
P = 1 atm
m = 0,2 g
V=?
1 mol O2
mol O2 = 0,2 g O2 x
= 0,00625 mol O2
32 g O2
PV = nRT
nRT
0,00625 mol x 0,0821 L atm mol-1 K-1 x 293 K
V =
=
P
1,0 atm
= 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
R= n T
1 1
P2V2
dan R =
n2T2
P1V1 P2V2

n1T1 n2T2
P1V1 P2V2
Selama peluncuran balon n dianggap konstan:

T1
T2
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 = ?
P1V1T2 (754 mm Hg)(1,00 106 L)(240K)
V2 

P2T1
(76,0 mm Hg)(295,5K)
= 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:

n2a 
 P  2  V  nb  nRT
V 

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.
Adhesi
Kohesi
(a)
(b)
(a)
(b)
(a) Air ( = 7,29  10-2 J/m2 pada 20 oC): Ikatan hidrogen
Gaya kohesi < adhesi  Membasahi permukaan  Meniskus cekung
(b) Raksa ( = 46  10-2 J/m2 pada 20 oC): Ikatan logam
Gaya kohesi > adhesi  Membentuk bulatan  Meniskus cembung
4.4.2 Viskositas
Ukuran hambatan suatu fluida untuk mengalir.
Gaya
antarmolekul
kuat
Viskositas
tinggi
Contoh:  aseton <  etilena glikol
O
CH3
C
CH2 OH
CH3
CH2 OH
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
a. 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
b. Hubungan antaratom C yang
planar trigonal membentuk
lapisan-lapisan heksagonal.
335 pm
c. Ikatan intralapisan lebih
kuat (lebih pendek) daripada
antarlapisan.
 lapisan-lapisan dapat bergeser dengan mudah satu
sama lain  pelumas, isi pensil.
d. Semua elektron p terdelokalisasi.
 dalam pengaruh medan listrik, elektron p dapat
berpindah antaratom C  konduktor listrik
(elektrode baterai)
4.4.4.2 Struktur Intan
a. Ikatan antaratom C yang melibatkan 4 orbital sp3 dalam
struktur tetrahedral (109,5o).
Kontras dengan grafit, intan adalah
b. Benda alam terkeras (tl 3500 oC).
c. Isolator listrik, karena elektron
valensinya terlokalisasi.
d. Jika separuh atom intan diganti dengan silikon, diperoleh
silikon karbida (karborundum; tl 2700 oC).
4.4.4.3 Struktur Silika
a. Setiap atom Si (putih) terikat pada 4 atom O (merah) &
setiap atom O mengikat 2 atom Si  jejaring tetrahedral
b. Amorf: melunak jika dipanaskan
 komponen penyusun kaca.
c. Seperti intan, silika sangat keras
(tl 1700 oC) dan non-konduktor.
4.5 GAYA ANTARMOLEKUL
4.5.1 Gaya Dispersi (London)
   

 



 
(a)
 
 
 
 
 
 
Dwikutub sementara:
muatan  dan  mengumpul
di sisi yang berlawanan
Keadaan normal:
distribusi muatan simetris
pada molekul nonpolar
Gaya dispersi terjadi
antarmolekul nonpolar.
(b)
 
 
 
+
 
 
   
 
 
   

 



 
 
 
 
Dwikutub terinduksi:
muatan  dan  molekul nonpolar kedua
mengumpul di sisi yang berlawanan
akibat diinduksi oleh dwikutub sementara
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.
Contoh: td Rn (Mr = 222)
td He (Mr = 4)
BM
td
H2
2
–253
<
<
: 221 K
:4K
N2
28
–196
<
<
F2
38
–188
<
<
Cl2
71
–34
(2) Memanjangnya bentuk molekul.
Contoh: propana (CH3CH2CH3)
butana (CH3(CH2)2CH3)
 td –42 oC, tl –189 oC
 td 0 oC, tl –138 oC
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)
Luas bidang singgung untuk
gaya London menyempit
karena molekul membulat.
Bidang singgung untuk gaya
London lebih luas karena
molekul memanjang.
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)
Cl
H
H
C C
C C
H
H
Cl
trans-1,2-dikloroetena
(td = 47,7 °C)
Cl
Cl
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:
(1) Jika bobot molekulnya jauh lebih besar, titik didih molekul
nonpolar dapat melebihi molekul polar,.
Contoh: CCl4 (Mr = 154; nonpolar)  td 76,7 oC
CH3Cl (Mr = 50,5; polar)  td –24 oC
(2) Gaya antarmolekul pada isomer cis tidak selalu lebih kuat
daripada isomer trans-nya.
Contoh: HO2CCH=CHCO2H
Isomer cis (asam maleat)
Isomer trans (asam fumarat)
 tl 139–140 oC
 tl 300–302 oC
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:
H O
R


R
O H


H
O H
antarmolekul alkohol
H
O
R
H O
H
O H
alkohol dengan air
H
O
H
H
O H
R C
R'
keton dengan air
R N
H
H N R
H
antarmolekul amina
F
H
O H O
R C
C R
O H O
180
F
H
H
108o
F
dimer asam karboksilat
o
F
H
H F
pentamer dari HF
Jejaring ikatan hidrogen es yang unik: setiap molekul air
terikat dengan 4 molekul air terdekat (garis putus-putus).
Pelelehan es: ikatan hidrogen putus secara bertahap
(kalor lebur hanya 6,02 kJ/mol).
Sedikit di atas tl:
Sebagian struktur es masih
bertahan

Rapatan naik terhadap suhu
(anomali air)
Rapatan maksimum
3,98 0C
Pengaruh ikatan hidrogen pada titik didih
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
F
Cl
P Cl
Cl
O
F
F
S
F
F
F
S
O
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
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
Aseton, C3H6O
184,8 torr
Air
17,5 torr
Asam asetat, HC2H3O2
11,7 torr
Dietil eter, C4H10O
442,2 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
Hsub
Hvap
Hfus
H2O(l)
H2O(s)
Hfus
Hvap
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
C
T: titik tripel
0 oC: tl normal air
DIAGRAM FASE AIR
100 oC: td normal air
 BACK
Dua perbedaan utama
dengan diagram fase air:
(1) Titik tripel > 1 atm é
menyublim pada > –78 oC.
(2) Kurva peleburan miring
ke kanan: P   tl 
DIAGRAM FASE CO2
 End of Chapter 4 
Created by: BAR – TWS – RAW
LATIHAN SOAL MANDIRI
(1) 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.
(2) 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
(3) 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.
(4) Berapakah volume yang ditempati oleh 0,136 g gas O2
pada suhu 20 oC dan 748 torr?
Jawab: 104 mL.
(5) 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.
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.