Thermodinamika Kimia

Kimia Dasar Oleh : Dr. Aminudin Sulaema

Termodinamika Kimia Mengapa terjadi perubahan Temperatur, Energi termal dan panas Hukum kekekalan energi Satuan energi Kapasitas panas dan panas spesifik Pengukuran perubahan energi termal Enthalfi Hukum Hess

Mengapa perubahan Terjadi ?

Proses spontan Berlangsung dengan sendirinya “secara alami” tanpa memerlukan pemicu Proses tidak spontan Diperlukan sesuatu untuk bisa berlangsung

Kapan reaksi berlangsung spontan ?

Kespontanan suatu reaksi dapat ditentukan dengan mempelajari thermodinamika Thermodinamika dapat digunakan untuk menghitung kerja yang dihasilkan dari beberapa reaksi kimia Dua faktor yang dapat menetukan kespontanan reaksi yaitu entalphi dan entropi

Energi Energi – kemampuan untuk melakukan kerja Kerja – usaha yang diberikan pada suatu objek Ada beberapa bentuk energi •Termal-panas •Listrik •Radiasi- termasuk sinar •Kimia •Mekanik- suara •nuklir

Energi Energi dapat diklasifikasi menjadi : Energi Potensial Energi yang tersimpan- Kemampuan untuk melakukan kerja Energi kinetik Energi dari yang bergerak - keadaan sedang melakukan kerja Energi dapat dipindahkan dari satu objek ke yang lainnya. Energi juga dapat berubah bentuk

Energi Potensial VS energi Kinetik

Perubahan dari energi potensial menjadi energi kinetik

Energi Kinetik VS Energi Potensial

Energi dan Ikatan kimia Dalam Reaksi Kimia •Ikatan yang lama putus •Ikatan baru terbentuk •Energi bisa diserap atau dilepaskan Eksoterm : berupa energi yang dilepaskan Ikatan baru lebih stabil Endotermik : berupa energi yang diserap Ikatan baru kurang stabil

Eksoterm Karena energi maka dilepaskan Hasil lebih stabil

Endoterm Diperlukan tambahan energi karena produk reaksi kurang stabil

Entropi Entropi – Suatu ukuran “ ketidak teraturan” atau tingkat kebebasan sistem Keadaan tidak teratur lebih disukai dari pada keadaan teratur, dan dapat menjadikan suatu reaksi dapat berlangsung spontan walaupun endoterm

Laju Perubahan Tidak semua Perubahan yang spontan berlangsung dalam suatu periode waktu tertentu Beberapa memerlukan energi awal untuk dapat memulai reaksi Kinetika – mempelajari laju reaksi

Temperatur, kalor dan panas Temperatur . Suatu sifat intensif dari material kalor – gerakan dari molekul, atom atau ion. Semua materi mempunyai energi ini jika berada pada temperatur diatas 0 K Panas . kalor yang dipertukarkan melalui perbedaan temperatur. Energi termal mengalir dari benda yang lebih panas ke yang lebih dingin

Hukum Kekekalan energi “Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan” - dalam suatu reaksi kimia.

Selama reaksi, energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya Contoh Pembakaran gas alam.

Ikatan kimia yang ada sebagai energi potensial, maka pada saat reaksi : Sejumlah energi potensial dirubah menjadi energi panas dan cahaya

Satuan Energi Seperti sudah diketahui, energi kinetik didefinisikan sebagai : energi kinetik = ½ mv 2 m= massa zat V = kecepatan Joule (J) – energi yang diperlukan untuk menggerakan 2 kg massa pada kecepatan 1 m/s. Turunan satuan SI J = energi kinetik = ½ (2kg)(1m/s) 2 = 1 kg m 2 s -2

Satuan Energi Kalori (kal) Awalnya didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk memanaskan satu gram air dari 15 ke 16 o C Kini didefinisikan: 1 kal = 4,184 J Nilai kalori Ini sering anda lihat pada label produk makanan Biasanya dinyatakan dalam kilokalori (kkal)

Kapasitas Panas Setiap zat memiliki kalor Identik dengan massa, suatu bahan dapat mengandung perbedaan jumlah kalor walapun teperaturnya sama.

Kapasitas panas .

Jumlah kalor yang dibutuhkan untuk meningkatkan temperatur bahan sebesar 1 derajat Panas spesifik . Jumlah kalor yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur 1 gram bahan sebesar 1 derajat.

Kapasitas Panas Spesifik (Cv) pada 25 o C, 1 atm Bahan Cv Bahan Cv Cv = kapasitas panas , J g -1 o C -1

Kapasitas Panas Contoh Berapa joule harus diberikan untuk memanaskanya pada 50 g lempeng alumunium dari 22 o C menjadi 85 o C Panas yang diperlukan = Massa x Cv x D T Ini adalah proses perubahan endoterm tandanya +

Mengukur perubahan kalor Nilai Kalor suatu zat tidak bisa secara langsung diukur Kita hanya bisa mengukur perubahannya saja Untuk dapat mengamati perubahan energi, kita harus dapat mengisolasi sistem kita sebagai bagian alam semesta Kalorimeter – alat yang dapat digunakan untuk mengukur perubahan dan kalor dan dianggap mewakili sebagai sitem yang terisolasi kita.

Contoh Kalorimetri Anda diberi dua macam larutan seperti tertulis dibawah ini : Keduanya memiliki terperatur awal 20,0 o C Kedua larutan segera masukan kedalam kalorimeter “Coffee Cup” dan aduk. Reaksi akan terjadi dengan cepat. Temperatur tertinggi adalah 23,3 o C. Berat jenis arutan 1,0 g/ml Hitung panas reaksi jika Cv larutan =4,18 J g 1 o C -1

Contoh Kalorimetri Pertama, tentukan jumlah energi yang diberikan Kemudian, tentukan jumlah mol HCl dan NaOH yang bereaksi - keduanya sama

Kalor reaksi penetralan : Contoh Kalorimetri

Entalpi Energi yang diserap atau dilepaskan ketika perubahan berlangsung dalam tekanan tetap D H = H akhir - H awal Subskrips digunakan untuk menunjukkan jenis perubahan D H vap = panas penguapan D H net = Panas netralisasi D H fusion =panas fusi D H sol = Panas pelarutan D H rxk = panas reaksi

Stoikhiometri Beberapa reaksi secara sederhana dikaitkan dengan kalor yang dilepaskan.

Pembakaran gasolin, batubara, gas alam.

Kalor yang dilepaskan dapat ditunjukkan sebagai produk reaksi Untuk reaksi yang diberikan, D H diintepretasikan untuk setiap mol.

Stoikhiometri Penentuan kalor yang dilepaskan jika 50,0 g methana dibakar dengan oksigen berlebih Pertama, tentukan jumlah mol methana (MM= 16,043 g)

Stoikhiometri Sekarang lihat reaksi setara thermokimianya Kalor yang dilepaskan

Hukum Hess Kalor yang diberikan atau diserap pada suatu reaksi adalah sama, jika reaksinya berlangsung dalam satu tahap.

• ini adalah bentuk lain dalam menyatakan hukum kekekalan energi •Jika perubahan netto energi dalam akan berbeda tergantung dari cara yang dilaluinya, hal ini akan memungkin untuk menciptakan energi- Hal ini tidak mungkin terjadi

Hukum Hess

Menghitung enthalphi Persamaan termokimia dapat digabungkan untuk menghitung D H rxn Contoh Ini tidak dapat secara langsung ditentukan sebab CO 2 terus terbentuk Akan tetapi kita dapat mengukurnya sebagai berikut:

Menghitung Enthalfi Dengan menggabungkan dua pesamaan, kita dapat menentukan D H rxn yang kita kehendaki Catatan : karena kita memerlukan 2 mol CO 2 yang dihasilkan dalam reaksi di atas, persamaan reaksi D H rxn harus digandakan

Menghitung enthalfi Sekarang kita dapat melakukan penjumlahan kedua persamaan reaksi tersebut bersama-sama Catatan satu O 2 2 CO 2 dapat saling menghilangkan, begitu juga disebelah kanan dapat dihilangkan.

Menghitung Enthalfi Permasalahan nyata dengan menggunakan Hukum Hess adalah bagai mana cara menggabungan persamaan-persamaan tersebut Yang paling sering digunakan adalah persamaan reaksi dalam bentuk reaksi pembentukan Reaksi pembentukan Reaksi dimana senyawa dibentuk dari unsur unsurnya

Enthalfi pembentukan Standar D H f o Perubahan enthalfi yang dihasilkan dari 1mol zat yang terbentuk dari unsur-unsurnya Semua unsur berada dalam keadaan standar D H f o dari unsur pada keadaan standar nilainya dinyatakan = 0

Enthalfi Pembentukan standar Nilai-nilai Enthalfi pembentukan standar digunakan secara luas untuk zat-zat.

Selain itu, nilai-niai terpisah untuk zat-zat yang keadaannya berbeda bisa saja digunakan jika sesuai

Perubahan Fasa Kita dapat menggunakan nilai-nilai D H f o untuk menentukan energi yang diperlukan untuk merubah dari satu fasa ke fasa lainnya Contoh adalah: : konversi metanol dari fasa cair ke padatan

Perubahan Fasa Ini bukan D H o vav karena nilainya pada suhu 25 o C D H o vav adalah kalor yang diperlukan pada titik didih metanol

Kimia thermodinamika lanjutan Hukum thermodinamika Entropi Energi bebas Perhitungan Energi bebas Energi Bebas dan Tetapan Kesetimbangan

Hukum Hukum Thermodinamika Pertama Energi tidak diciptakan atau dimusnahkan dengan hanya pemindahan dari satu benda ke yang lainnya atau perubahan dari satu bentuk kebentuk lainnya Kedua Setiap perubahan spontan akan disertai dengan peningkatan entropi alam semesta Ketiga Entropi dari kristal sempurna suatu zat adalah nol pada 0 K

Gambaran molekul kinetik Untuk suatu gas ideal pada satu atmosfer, jika temperatur diturunkan volumenya akan mengecil Pada 0 K, molekul-molekul tidak mempunyai energi gerak Dalam kondisi ini hanya memungkinkan satu penyusunan ulang untuk molekul-molekul Entropi

Entropi Pada temperatur yang meningkat, molekul-molekul akan mulai bergerak dan memerlukan Volume yang lebih besar

Entropi dan Temperatur Entropi dari gas ideal pada tekanan tetap meningkat dengan meningkatnya temperatur Hal ini karena volumenya bertambah

Entropi dan Temperatur Ada beberapa alasan untuk entropi yang meningkat dengan kenaikan temperatur Meningkatnya temperatur akan menghasilkan suatu kecepatan distribusi molekul yang lebih besar .

Entropi dan Temperatur Peningkatan temperatur juga menghasilkan tingkat energi atom-atom dalam molekul menjadi bertambah Untuk molekul-molekul, ini berarti akan dapat berotasi dan vibrasi ikatan-katanya Yang selanjutnya meningkatkan entropi

Entropi dari suatu sistem Hukum kedua menyatakan bahwa entropi alam semesta akan meningkat untuk semua perubahan yang spontan • ketika melihat pada sistem, entropi dapat juga bertambah atau berkurang untuk suatu perubahan yang spontan •Ingat, suatu sitem hanya sebagian dari alam semesta, dan pertukaran energi dapat berlangsung.

Entropi suatu Sistem Contoh Suatu peningkatan entropi dihasilakan karena ada peamhan jumlah mol gas Reaksi ini juga menghasilkan peningkatan entropi walaupun lebih kecil

Entropi Standar S o Entropi dari suatu zat pada keadaan standar Perbedaan antara nilai entropi kristal sempurna zat pada 0 K dan keadaan standarnya pada temperatur yang lebih tinggi -Tekanan 1 atmosfer - teperatur yang diketahui pada 25oC -Satuan untuk Soadalah J/K mol Entropi standaruntuk semua zat bernilai positif

Entropi stndar pada 25 o C

Perhitungan perubahan Entropi standar Sebagai mana entalfi, entropi juga merupakan fungsi keadaan • Hal ini tidak bergantung pada bagai mana suatu zat sampai pada suatu keadaan  n p

n r

jumlah dari mol setiap produk mol setiap pereaksi

Perhitungan perubahan Entropi Standar Contoh : Hitung D S o rxn berikut ini pada 25 o C untuk reaksi

Perhitungan perubahan Entropi Standar

Perhitungan Perubahan Entropi Standar Reaksi yang menghasilkan penurunan entropi walaupun berlangsung spontan Hal ini menunjukkan bahwa entropi belum memberikan gambaran umum

Energi Bebas Energi Bebas Gibbs (G) dapat digunakan untuk menggambarkan perubahan energi sistem Hal menujukkan , bahwa perubahan energi bebas adalah penting, D G Pada temperatur dan tekanan konstan, D G adalah sama dengan T adalah temperatur dalam Kelvin

Energi Bebas Tanda DG menunjukkan dimana suatu reaksi akan berlangsung spontan + Tidak spontan 0 Pada kesetimbangan Spontan Pada kenyataanya bahwa efek D S akan bervariasi sebagai fungsi temperatur adalah penting. Ini dapat menyebabkan perbahan tanda dari D G

Temperatur dan pengaruhnya terhadap D G Tanda D H D S D G Pengaruh temperatur + spontan pada semua temperatur + + + + + + tidak spontan pada semua temperatur spontan pada temp. rendah, tetapi Tidak spontan pada temp. tinggi tidak spontan pada temp. rendah tetapi akan spontan pada temp. tinggi

Perhitungan D G o Kita dapat menghitung nilai D H o D G o dari nilai-nilai dan D S o pada temperatur dan tekanan konstan Contoh.

Tentukan D G o untuk reaksi berikut ini pada 25 o C

Perhitungan D G o

Menghitung D G o Reaksi ini akan berlangsung spontan dibawah kondisi standar pada 25 o C Catatan : biasanya disertai perubahan dari J/K menjadi kJ/K

Energi Bebas Pembentukan Standar D G f o Perubahan energi bebas yang dihasilkan jika satu mol zat jika dibentuk dari unsur-unsurnya , dengan semua zat dalam keadaan standar Nilai D G dapat dihitung dari

Energi Bebas Pembentukan Standar

Efek temperatur terhadap D G Di awal, telah ditunjukkan bahwa jika D H dan D S mempunyai sifat yang sama, temperatur menentukan arah kesepontatan reaksi Jika ini terjadi, kita dapat tentukan temperatur jika perubahan dalam arah tertentu terjadi

Efek temperatur terhadap D G Dari contoh terdahulu kita temukan bahwa untuk reaksi Karena baik D H dan D S mempunyai mempunyai menunjukan hal yang sama, bahwa arah kesepontanan reaksi dipengaruhi temperatur.

Efek temperatur terhadap D G Temperatur mampu menjalankan atau membalikkan kesepontanan reaksi menjadi :

Energi bebas dan Kesetimbangan Untuk gas, tetapan kesetimbangan untuk suatu reaksi dapat dihubungkan dengan D G o dengan:

Nilai K untuk berbagai nilai DG pada 25 o C