LAPORAN KIMIA ANALISA - TERMOKIMIA | Chemical Engineering

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Termokimia

Termokimia adalah ilmu kimia yang mempelajari perubahan energy panas (kalor) yang menyertai reaksi kimia. Dalam mempelajari termokimia dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah zat atau bagian alam semesta yang menjadi objek penelitian, sedangkan lingkungan adalah bagian alam semesta yang membatasi sistem atau daerah yang berada di luar sistem.

Ada tiga jenis sistem yang berhubungan dengan pertukaran energi, antara lain:

1. Sistem terbuka

Pada sistem terbuka terjadi pertukaran energi dan materi dengan lingkungan, atau sistem yang dapat dilewti energi atau zat. Misalnya air panas dalam panci yang tidak ditutup akan menguap sambil mengeluarkan panas ke lingkungan.

2. Sistem tertutup

Pada sistem tertutup terjadi pertukaran energi tetapi tidak terjadi pertukaran materi dengan lingkungan. Misalnya air panas di dalam gelas yang tertutup.

3. Sistem terisolir atau tersekat

Pada sistem terisolir tidak terjadi pertukaran energi atau materi dengan lingkungannya. Dengan kata lain suatu sistem yang tidak dapat ditembuskan atau dilewatkan energi panas atau zat. Misalnya air panas dalam termos (Priyo Kuncoro,2008). Sukardjo 1984, mengatakan bahwa termokimia adalah bagian dari termodinamika yang mempelajari perubahan–perubahan panas yang meliputi reaksi-reaksi kimia. Banyak panas yang timbul atau diperlukanpada reaksi kimia disebut panas reaksi. Pada volume tetap sama dengan perubahan energi dalamnya. Besarnya panas reaksi tergantung pada jenis reaksi, keadaan fase zat-zat dalam reaksi, jumlah zat yang bereaksi, dan suhu reaksi (Team jurusan Teknik Kimia, 2012).

2.2 Reaksi Eksoterm dan Endoterm

Berdasarkan arah perpindahan kalor, reaksi dibedakan menjadi reaksi eksoterm dan reaksi endoterm.

1. Reaksi eksoterm

Reaksi eksoterm adalah reaksi kimia yang melepaskan atau membebaskan panas (kalor) dan terjadi perpindahan panas dari sistem ke lingkungan. Jadi pada reaksi eksoterm sistem membebaskan energi. Pada reaksi ini entalpi zat hasil reaksi (H produk) lebih kecil dari pada entalpi pereaksi (H reaktan). Oleh karena itu, perubahan entalpinya bertanda negatif. Hal ini dapat diamati dari naiknya suhu lingkungan.

2. Reaksi endoterm

Reaksi endoterm adalah reaksi yang menyerap panas (kalor) dan terjadi perpindahan panas dari lingkungan ke sistem. Pada reaksi ini entalpi zat hasil (H produk) lebih besar dari pada entalpi pereaksi (H reaktan). Oleh karena itu perubahan entalpi bertanda positif. Hal ini dapat diamati dari turunnya suhu lingkungan.

2.3 Panas Reaksi

Panas reaksi dapat dinyatakan sebagai perubahan energy produk dan reaktan pada volume konstan (∆E) atau pada tekanan konstan (∆H).

Reaktan (T) → Produk (T)

∆E = E(produk) – E(reaktan) ..….………… (2.1)

Pada temperatur konstan dan volume konstan.

∆H = H(produk) – H(reaktan) ..….………… (2.2)

Jika ∆E dan ∆H positif, reaksi dikatakan endoterm dan jika ∆E dan ∆H negatif, reaksi dikatakan endoterm.

2.4 Kapasitas Panas

Kapasitas panas adalah banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebanyak 1^OC (atau 1^OK). Banyaknya panas yang dibutuhkan akan bergantung pada cara panas itu diserap atau dilepaskan. Panas dapat diserap dalam keadaan volume tetap atau dalam keadaan tekanan tetap. Kapasitas panas pada volume tetap Cv dapat dinyatakan sebagai berikut:

Cv =

...….……………… (2.3)

2.5 Energi Ikatan

Energi ikatan adalah jumlah energi yang dibutuhhkan atau yang timbul untuk memutuskan atau menggabungkan suatu ikatan kimia tertentu. Pada reaksi eksoterm besarnya energi yang timbul dari penggabungan ikatan lebih besar dari pada energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan.

2.6 Perubahan Entalpi

Perubahan entalpi adalah perubahan panas dari reaksi pada suhu dan tekanan yang tetap, yaitu selisih antara entalpi zat-zat hasil dikurangi entalpi zat-zat reaktan.

∆H = Hh–Hr ……..….…………. (2.4)

Keterangan:

∆H = perubahan entalpi

Hh = entalpi hasil reaktan

Hr = entalpi zat reaktan

Perubahan entalpi yang mengikuti perubahan fisik atau kimia dapat diukur dengan kalorimeter. Pengukuran itu dilakukan dengan memantau perubahan temperatur yang mengikuti proses yang terjadi pada tekanan tetap. Salah satu cara untuk melakukan ini pada reaksi pembakaran adalah denngan menggunakan kapasitas kalor sebagai faktor konversi.

Cara lain untuk mengukur ∆H adalah dengan mengukur perubahan energi dalam dengan kalorimeter bom, kemudian mengubah ∆U menjadi ∆H. Karena padatan dan cairan mempunyai volume moralitas yang kecil, maka PV menjadi sangat kecil. Nilai ∆H dan ∆U hampir sama untuk reaksi yang tidak melibatkan gas. Salah satu cara untuk melakukan ini pada reaksi pembakaran adalah denngan menggunakan kapasitas kalor sebagai faktor konversi.

Hukum Hess

Bunyi hukum Hess adalah “Kalor reaksi dari suatu reaksi tidak bergantung apakah reaksi tersebut berlangsung satu tahap atau beberapa tahap”. Di mana panas reaksi ditambahkan atau dikurangi secara aljabar, disebut hukum Hess mengenai penjumlahan panas konstan. Dasar dari hukum ini adalah entalpi internal adalah suatu besaran yang tidak bergantung pada jalan reaksinya. Setiap reaksi memiliki ∆H yang tetap dan tidak bergantung pada jalan reaksi atau tahap reaksi, ∆H dari beberapa reaksi dapat dijumlahkan sesuai dengan penjumlahan reaksi-reaksinya.

2.8 Panas Pembakaran

Panas pembakaran adalah panas reaksi di mana mol zat dioksidasi secara sempurna. Jika senyawa berisi C, H, O, dan N. Produk teroksidasi adalah CO₂, H₂O, N₂, dan persamaannya dapat diseimbangkan untuk senyawa yang mengandung halogen, sulfur, fosfor, dan lain-lain.

2.9 Definisi Termodinamika

Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Termodinamika juga merupakan cabang ilmu pengetahuan yang mempelajari hubungan antara panas dan bentuk energi lain (kerja).

1. Kerja

Kerja adalah hasil kali antara gaya dan jarak. Kerja dapat berupa kerja mekanik seperti pada pengembangan gas, dapat pula berupa kerja elektrik, kerja magnetik, dan bentuk-bentuk kerja yang lain.

2. Panas

Panas merupakan yang ditransformasikan sebagai akibat adanya perbedaan suhu. Energi panas selalu berpindah dari sistem panas ke sistem dingin. Panas merupakan faktor ekstensif yang artinya tergantung pada jumlah zat. Suhu adalah faktor intensif dan besarnya tidak tergantung pada jumlah zat. Dalam termodinamika kami akan banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan yang berada di sekeliling (diluar) sistem disebut lingkungan.

2.10 Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh si\stem,jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂ pada tekanan P konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volume.

W = P∆V = P(V₂-V₁) ..……..….…..……. (2.5)

Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis sebagai:

W =

.……..….…………. (2.6)

Tekanan dan volume dapat diperoleh dalam grafik P-V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik P-V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah dibawah grafik P-V. Hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekivalen dengan luas daerah dibawah grafik.

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (mengembang) dan V2>V1. Sebaliknya gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil V2<V1, dan usaha gas bernilai negative.

2.11 Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memeiliki energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak memiliki dan melakukan apapun atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak lagi tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetika gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan memiliki oleh partikel-partikel didalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai:

Untuk gas monoatomik

∆U =

……..….…………. (2.7)

Untuk gas diatomik

∆U =

……..….…………. (2.8)

Di mana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum (R = 8,31 J/mol K), dan ∆T adalah perubahan suhu gas.

2.12 Sistem Termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari alam semesta yang kita tinjau. Sistem biasanya merupakan benda, tetapi tidak selalu mempunyai volume yang konstan. Sebagai contoh, ruang kosong didalam suatu bejana dapat dikatakan sebagai suatu sistem, atau bejana ini sendiri berikut ruang kosongnya. Bila bejana berisi sebagian dengan air dan sebagian uap air maka sistem dapat dipilih air + uapnya. Untuk menghindari kekacauan, sistem tersebut dibatasi oleh batas yang memisahkannya dengan bagian lain yang disebut lingkungan. Batas dapat riil atau imajiner dan dapat pula bergerak, seperti apa yang terjadi bila gas dikompresi.

2.13 Proses Reversible dan Irreversible

Keadaan dari fluida kerja (liquid vapor atau gas) dapat dinyatakan oleh suatu titik pada suatu diagram dengan menggunakan dua sifat miliknya sebagai koordinat. Proses reversible dari suatu sistem adalah suatu proses yang berlangsung sedemikian rupa dimana terjadi sedikit sekali perubahan sifat dari sistem. Ini berarti bahwa system mengalami suatu seri langkah yang kecil tak terhingga di mana pada setiap langkah selalu berada dalam kesetimbangan.

Didalam praktek fluida yang mengalami proses perubahan tidak dapat berlangsung sacara kesetimbangan. Proses ini dikatakan proses irreversible ditunjukan oleh garis putus-putus. Garis putus-putus ini menunjukan adanya tekanan antara.

Definisi yang tepat dari proses reversible adalah sebagai berikut bila suatu fluida mengalami suatu proses reversible maka baik fluida maupun lingkungannya dapat selalu dikembalikan ke keadaan awal.

Kriteria untuk memperoleh keadaan reversible adalah sebagai berikut:

1. Proses perubahan harus tanpa gesekan. Fluidanya sendiri tidak mempunyai friksi internal dan tidak ada fraksi mekanis lainnya.

2. Perbedaan tekanan antara fluida dan lingkungan selama yang proses berlangsung harus kecil tak terhingga. Hal ini berarti bahwa proses yang berlangsung lambat sekali, sehingga gaya untuk menggerakkan batas sistem kecil tak berhingga.

3. Perbedaan temperatur antara fluida dan lingkungan selama proses berlangsung kecil tak berhingga. Hal ini berarti panas yang diterima dan yang dibuang dari fluida harus pindahkan secara lambat sekali.

Dengan kriteria di atas dapat dijelaskan bahwa tidak ada proses alamiah dapat tergolong sebagai suatu proses reversible. Tetapi beberapa proses mendekati proses reversible seperti pada proses ‘rotary machinery’ pada turbin merupakan proses irreversible tingginya tingkat turbulensi (Yusuf Mu’min, 1985).

2.14 Hukum I Termodinamika

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas) sebaliknya jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang (sistem dapat mengerut dan terasa lebih dingin).

Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum kekekalan energi.

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan system yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan pada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan melakukan atau mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hokum kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika, ditulis sebagai:

Q = W + ∆U ……..….…………. (2.9)

Di mana Q adalah kalor, W adalah usaha, ∆U adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut “Jika suatu benda, misalnya kerupuk dipanaskan atau digoreng yang berarti diberi kalor Q, benda (kerupuk) akan mengembang atau bertambah panas yang berarti mengalami perubahan energi dalam”.

2.15 Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika di mana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu tetap, tidak terjadi perubahan energi dalam, dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan system. Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik P-V. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai :

Q = W = ln

……..….…………. (2.10)

Di mana V₂ dan V₁ adalah volume akhir dan awal gas.

2.16 Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberi sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor disini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan.

QU = ∆U ……..….…………. (2.11)

2.17 Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan yang konstan, gas melakukan usaha. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku:

QP = W +∆U ……..….…………. (2.12)

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan.

QV = ∆U ……..….…………. (2.13)

Dari sini usaha dapat dinyatakan :

W = QP – QV ……..….…………. (2.14)

Jadi usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan dengan energi yang diserap gas pada.

2.18 Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem. Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama denngan perubahan energi dalamnya. Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing P₁ dan V₁ mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi P₂ dan V₂, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai:

W =

) ……..….…………. (2.15)

Di mana

adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1(

. Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik P-V pada proses isotermik, namun dengan kelengkapan yang lebih curam (Dogra, S. 1990).

2.19 Hukum II Termodinamika

Hukum II termodinamika terbagi menjadi proses spontan dan tak spontan.

Proses spontan adalah proses yang dapat berlangsung dengan sendirinya dan tidak dapat balik tanpa pengaruh dari luar .

Manfaat Proses Spontan:

1. Energi panas dapat menggerakkan mesin panas.

2. Ekspansi gas dapat menggerakkan piston (motor bakar).

3. Air terjun untuk menggerakkan turbin listrik.

Proses tak spontan adalah proses yang tidak dapat berlangsung tanpa pengaruh dari luar. Contohnya adalah panas tak dapat mengalir dari suhu rendah ke suhu tinggi tanpa pengaruh dari luar.

2.20 Entropi

Selain perubahan entalpi, perubahan kimia maupun fisika melibatkan perubahan dalam relatif dari atom-atom, molekul-molekul ataupun ion-ion. Ketidakteraturan suatu sistem disebut entropi. Contoh hukum II termodinamika:

1. Gas yang diwadahi dalam suatu labu 1L memiliki entropi lebih besar daripada gas dengan kuantitas yang sama ditempatkan dalam labu 10 ml.

2. Natrium Klorida dalam bentuk ion-ion gas mempunyai entropi lebih tinggi daripada bentuk kristal padat.

3. Air (cair) pada suhu 0^oC mempunyai entropi lebih tinggi dari pada es dengan temperatur yang sama (Sukarjo. 1984)

BAB III

METODELOGI PRAKTIKUM

3.1 Alat dan Bahan

3.1.1 Alat – alat:

1. Tabung reaksi dan rak secukupnya

2. Termometer

3. Sumbat karet

3.1.2 Bahan – bahan:

1. Larutan HCl 0,1 N 2ml

2. H₂SO₄ pekat 1 ml

3. Aluminium Klorida 2 gram

4. Logam Zn

3.2. Cara kerja

1. Reaksi Penguraian

Diisi 2 tabung reaksi dengan 2 ml air suling, kemudian diukur suhunya dengan termometer yang dicelupkan. Setelah mengangkat termometer pada tabung pertama, di masukkan 2 gr NH₄Cl dan dicatat suhunya. Pada tabung kedua diteteskan larutan H₂SO₄ pekat 1 ml melalui dinding tabung dan dicatat suhunya.

2. Reaksi pada Ruangan Tertutup dan Terbuka

Diisi dua tabung reaksi dengan HCl 0,1 N sebanyak 2 ml kemudian dimasukkan secuil longam Zn. Tabung satu ditutup aluminium foil dan tabung kedua dibiarkan terbuka . Setelah 5 menit dicatat suhu masing-masing larutan yang ada di dalam tabung reaksi. Tabung mana yang suhunya lebih tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

Dogra, S.1990. Kimia Fisika. Jakarta: Universitas Indonesia

Kuncoro, Priyo dan Ihsanuddin. 2008. Panduan Praktis UN-SPMB. Jakarta: Erlangga

Sukarjo.1984. Kimia Fisika. Jakarta: Rineka Cipta

Team Jurusan Teknik Kimia. 2012. Penuntun Praktikum Kimia Analisa. Lhokseumawe

Yusuf, Mu’min. 1985. Diktat Termodinamika Teknik. Bandung: Institut Teknologi Bandung