Termokimia

Bagian dari ilmu kimia yang mempelajari perubahan kalor atau panas suatu zat yang menyertai suatu reaksi atau proses kimia dan fisika disebut termokimia.

Suatu materi dapat mengalami reaksi kimia. Reaksi kimia yang berlangsung disertai dengan perubahan energi. Dalam reaksi kimia dapat menyerap atau membebaskan energi. Misal gamping yang dimasukkan air akan melepaskan kalor, urea yang dimasukan air akan menyerap kalor.

Secara operasional termokimia berkaitan dengan pengukuran dan pernafsiran perubah-an kalor yang menyertai reaksi kimia, peru-bahan keadaan, dan pembentukan larutan.

Termokimia merupakan pengetahuan dasar yang perlu diberikan atau yang dapat diperoleh dari reaksi-reaksi kimia, tetapi juga perlu sebagai pengetahuan dasar untuk pengkajian teori ikatan kimia dan struktur kimia. Fokus bahasan dalam termokimia ialah tentang jumlah kalor yang dapat dihasilkan oleh sejumlah tertentu pereaksi serta cara pengukuran kalor reaksi.

·              Energi yang dimiliki oleh suatu zat

·              Penentuan jumlah energi yang menyertai suatu reaksi.

·              Pengukuran energi suatu materi

·              Kaitan antara energi yang dibebaskan atau diserap pada reaksi kimia dengan ikatan kimia

Termokimia merupakan penerapan hukum I termodinamika terhadap peristiwa kimia yang membahas tentang kalor yang menyertai reaksi kimia.

Untuk dapat memahami termokimia perlu dibahas tentang :

i.                                  Sistem, lingkungan, alam semesta.

ii.                                Energi yang dimiliki setiap zat.

iii.                              Hukum kekekalan energi.

Azas kekekalan energi menyatakan bahwa energi dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk lain, tetapi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Kalor yang menyertai suatu reaksi hanyalah perubahan bentuk energi. Energi yang menyertai suatu reaksi kimia dipelajari dalam bidang termo kimia.

Sebelum mempelajari kaitan antara materi dan energi dalam reaksi kimia, perlu diketahui konsep lingkungan dan sistem. Sistem ialah segala sesuatu yang menjadi fokus yang kita amati, dan lingkungan berada di luar sistem.

Jika sepotong gamping dimasukan ke dalam air, maka gamping larut disertai pelepasan kalor yang menyebabkan gelas kimia beserta isinya menjadi panas. Campuran gamping dan air disebut sebagai sistem. Sedangkan gelas kimia dan udara sekitarnya disebut lingkungan.

     lingkungan                                    lingkungan

gamping + air

                                    (sistem)

    lingkungan                                      lingkungan

Jadi, sistem Ialah bagian dari alam semesta yang sedang menjadi pusat perhatian. Bagian lain dari alam semesta yang berinteraksi dengan sistem disebut lingkungan.

Interaksi antara sistem dan lingkungan dapat berupa pertukaran materi dan atau energi. Sistem dapat dikelompokkan menjadi sistem terbuka,  sistem tertutup dan sistem terisolasi

a.                     Sistem terbuka dapat mengalami pertukaran materi dan energi dengan lingkungan. Pertukaran materi artinya ada hasil reaksi yang dapat meninggalkan sistem (wadah) misalnya gas yang dapat meninggalkan wadah (sistem)

b.                     Sistem tertutup dapat mengalami pertu-karan energi dengan lingkungan tetapi tidak terjadi pertukaran materi, misal gamping yang dimasukkan air.

c.                     Sistem terisolasi tidak terjadi pertukaran materi dan energi dengan lingkungan sekitar, misalnya termos air panas.

Transfer atau pertukaran energi antara lingkungan dengan sistem dapat berupa kalor (q) atau bentuk bentuk energi lainya yang secara kolektif disebut dengan kerja (W). Adanya pertukaran energi tersebut akan mengubah jumlah energi yang terkandung dalam sistem. Kerja adalah suatu bentuk pertukaran energi antara sistem dan lingkungan di luar kalor.

Energi umumnya dinyatakan sebagai kapasi-tas atau kemampuan untuk melakukan kerja, yang dimiliki oleh suatu zat dan dapat menyebabkan suatu proses terjadi. Setiap zat atau sistem memiliki sejumlah energi dan dapat digolongkan menjadi energi kinetik dan energi potensial. Memahami energi lebih sulit dari pada memahami suatu zat. Sebab energi tidak dapat dilihat, tidak dapat dipegang atau dimasukan kedalam botol untuk dipelajari

a.    Energi Potensial dan Kinetik

Sebuah mobil yang bergerak memiliki energi sebab mobil tersebut dapat melaku-kan kerja pada mobil yang lain, misalnya menubruk. Benda yang jatuh dapat melakukan kerja terhadap benda lain, misalnya memecahkan kaca. Energi yang dimiliki oleh suatu benda bila benda itu bergerak disebut energi kinetik

Minyak dan batu bara memiliki energi yang dibebaskan pada saat pembakaran yakni sebagai kalor yang selanjutnya dapat menjadikan mesin mampu melakukan kerja Aki juga memiliki energi, karena dapat menjalankan dinamo. Energi semacam ini disebut energi potensial.

Oleh karena itu, energi total yang dimiliki oleh suatu benda adalah jumlah energi kinetik dan energi potensial. Energi poten-sial adalah energi yang tersimpan dalam sebuah benda, yang diakibatkan oleh gaya tarik atau gaya tolak dari benda atau obyek lain. Atom-atom terdiri atas partikel-partikel yang bermuatan listrik.

Energi potensial itu bisa berubah bila jarak antara inti dan elektron berubah. Dengan demikian, terjadi perubahan energi poten-sial bila elektron berpindah dari atom satu ke atom yang lainnya dalam pembentukan ion-ion. Energi potensial atom-atom juga akan berubah bila terjadi pemilikan bersama elektron dalam pembentukan molekul.

b.    Energi Dalam, U

Jumlah total energi semua partikel dalam sistem disebut energi dalam atau internal energI diberi lambang U. Komponen utama dari energi dalam yang menjadi pusat perhatian kita ialah energi termal, yaitu energi yang terkait dengan gerakan molekul-molekul sistem, dan energi kimia, yaitu energi yang terkait dengan ikatan kimia dan interaksi antar molekul.

Energi dalam tergolong fungsi keadaan, yaitu besaran yang harganya bergantung pada keadaan sistem, tidak pada asal usul-nya. Keadaan suatu sistem ditentukan oleh jumlah mol (n), suhu (T), tekanan (P).

Energi dalam suatu zat tidak dapat diten-tukan. Dalam termokimia, jika suatu zat mengalami perubahan, maka yang dapat ditentukan ialah perubahan energinya, ∆U. Perubahan energi, ∆U hanya ditentukan oleh energi dalam mula-mula, U₁ dan energi dalam akhir, U₂.

 ∆U = U₂ – U₁  ...........................................     (1)

dalam suatu reaksi kimia :  R → P

∆U = U_P – U_R ...........................................   (2)

U_P  = energi dalam produk (kanan)

U_R = energi dalam reaktan (kiri)

U_P > U_R, maka  ∆U > 0 (positif)

U_P < U_R, maka  ∆U < 0 (negatif)

Energi dalam tergolong sifat ekstensif, yaitu sifat yang bergantung pada jumlah zat. Jika energi dalam dari 1 mol air ialah x kJ, maka energi dalam dari 2 mol air, pada suhu dan tekanan yang sama ialah 2x kJ.

Pertukaran energi antara sistem dan lingkungan selain dalam bentuk kalor disebut kerja. Bentuk kerja yang paling lazim menyertai proses kimia ialah kerja tekanan–volume (kerja = P.V) , yaitu jenis kerja yang berkaitan dengan perubahan volum sistem.

                                      h

Gambar di atas menunjukkan sejumlah gas dalam sebuah silinder dengan piston yang dapat bergerak bebas. Pada awalnya, gas mendapat beban 2P (yang berasal dari 2 benda di atas piston). Jika salah satu beban tersebut dikurangi, maka volum gas akan ber-tambah. Piston akan terangkat naik setinggi h.

Kerja  (W) sama dengan gaya kali jarak :

            W = F x s  .................................................................   iii

Tekanan adalah gaya persantuan luas :

             P =   ..................................................................   (4)

Gaya bergerak sepanjang h, maka besarnya kerja yang dilakukan sistem adalah : Kerja (W) = gaya x jarak ,

              W = – P x A x h ........................................................  (5)

Oleh karena A x h = perubahan volume (∆V), maka persamaan di atas dapat ditulis :

               W = – P x ∆V ...........................................................  (6)

Jika tekanan dinyatakan dalam atm, dan volum dalam liter, maka satuan kerja adalah liter atm. Dalam satuan SI, kerja dinyatakan dalam Joule (J). Hubungan keduanya ialah :

                         1 L.atm = 101,32 J

Contoh soal :

Hitunglah besarnya kerja (dalam Joule) yang dilakukan suatu sistem yang mengalami ekspansi melawan tekanan 2 atm dengan perubahan volum 10 liter !

Jawab :

  W     = – P x ∆V

          = – 2 atm x 10 liter

          = – 20 L atm

          = – 20 Latm x 101,32 J/L.atm

          = – 2026,4 J

Kalor adalah energi yang berpindah dari sistem menuju lingkungan atau sebaliknya karena adanya perbedaan suhu, yaitu dari suhu lebih tinggi ke suhu lebih rendah.

Transfer kalor akan berlangsung hingga suhu di antara keduanya menjadi sama, misal air panas dicampur dengan air dingin akan berubah menjadi air hangat, dimana suhu air yang panas menjadi sama dengan suhu air dingin.

Apabila suatu zat menyerap kalor, maka suhu zat akan naik sampai tingkat tertentu hingga zat itu akan mencair (jika zat padat) atau menguap (jika zat cair). Sebaliknya jika kalor dilepaskan dari suatu zat, maka suhu zat itu akan turun sampai tingkat tertentu hingga zat itu akan mengembun (jika zat gas) atau membeku (jika zat cair).

Jumlah kalor yang diserap atau dibebas-kan oleh sistem dapat ditentukan dengan meng-ukur perubahan suhu yang terjadi pada sistem. Apabila massa dan kalor jenis atau kapasitas kalor sistem diketahui, maka jumlah kalor dapat dihitung dengan rumus :

q = m c  ∆t ........................................................  (7)

q = C ∆t ............................................................  (8)

q     =  jumlah kalor (dalam joule)

m    =  massa zat (dalam gram)

  ∆t      =  perubahan suhu (t akhir – t awal)

c     =  kalor jenis

C    =  kapasitas kalor

Contoh soal :

Berapa joule diperlukan untuk memanaskan 100 gram air dari 25^oC menjadi 100^oC. Kalor jenis air  4,18 J g^-1 K^-1

Jawab :

   q      =  C  ∆t

         = 100 g x 4,18 J.g^-1.K^-1 x (100–25)K

         =  31.350 J

Hukum pertama termodinamika menyata-kan hubungan antara energi sistem dengan lingkungan, jika terjadi peristiwa. Energi dalam sistem akan berubah jika sistem menyerap atau membebaskan kalor

Jika sistem menyerap energi kalor, berarti lingkungan kehilangan kalor, energi dalam-nya bertambah (∆U>0), dan sebaliknya, jika lingkungan menyerap kalor atau sistem membebaskan kalor maka energi dalam sistem akan berkurang (∆U < 0), dengan kata lain sistem kehilangan kalor dengan jumlah yang sama.

Energi dalam juga akan berubah jika sistem melakukan atau menerima kerja. Walaupun sistem tidak menyerap atau membebaskan kalor, energi dalam sistem akan berkurang jika sistem melakukan kerja, sebaliknya akan bertambah jika sistem menerima kerja.

Kalor (q) yang diberikan kepada sistem sebagian disimpan sebagai energi dalam (∆U) dan sebagian lagi diubah menjadi kerja (w). Energi dalam (∆U) sama dengan jumlah kalor yang diserap (q) ditambah jumlah kerja yang diterima sistem (W).

              ∆U = q + W .............................................................  (9)

Energi tidak dapat diciptakan atau dimus-nahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, atau energi alam semesta adalah konstan. Hukum ini disebut juga hukum kekekalan energi.

Agar tidak terjadi kekeliruan dalam menggu-nakan rumus di atas, perlu ditetapkan suatu perjanjian, yaitu :

·              Kalor (q) masuk sistem bertanda positif (+), sedangkan yang keluar bertanda negatif (–)

·              Kerja (W) yang dilakukan sistem atau ekspansi bertanda negatif (–), dan yang dilakukan lingkungan (atau kompresi) bertanda positif.

·                              Kerja dihitung dengan rumus :

  W = – P . (V₂ – V₁) ......................................................  (10)

Contoh soal :

Suatu sistem menyerap kalor sebanyak 100 kJ dan melakukan kerja 5 kJ. Berapakah perubahan energi dalam sistem ini?

Jawab :

q = +1000 kJ (menyerap kalor)

W = – 25 kJ (sistem melakukan kerja)

 ∆U     =   q + w

         =   100 kJ – 25 kJ

         =   75 kJ

Untuk menyatakan kalor reaksi yang berlangsung pada tekanan tetap digunakan satuan entalpi dengan lambang H. Besarnya entalpi suatu materi tidak dapat diukur. Yang dapat dihitung adalah jika materi tersebut mengalami reaksi kimia. Jadi yang dapat dihitung adalah perubahan entalpi (∆H). Perubahan entalpi merupakan entalpi akhir reaksi dikurangi entalpi awal reaksi.

                Reaktan → Product

∆H     =  H produk – H reaktan

         =  H akhir – H awal

         =  H₂ – H₁

∆H     =  – q

Contoh soal :

Suatu reaksi yang berlangsung pada tekanan tetap disertai pelepasan kalor sebesar 25 kJ, dan sistem melakukan kerja 5 kJ. Tentukan q, W, ∆U, dan ∆H !

Jawab :

sistem melepas kalor → q = –25 kJ

sistem melakukan kerja → W = –5 kJ

∆H = q = –25 kJ

   ∆U       =  q + W

             =  –25 + (–5)

             =  –30 kJ

Suatu reaksi kimia ditinjau dari kalor yang menyertainya dikelompokan menjadi dua, yaitu reaksi eksoterm dan reaksi endoterm.

Reaksi eksoterm = q mengalir dari sistem menuju lingkungan.

Reaksi endoterm = q mengalir dari lingkungan menuju sistem.

                                    

                

                      reaksi eksoterm

Reaksi eksoterm : H₁ > H₂ maka ∆H < 0

 

                        reaksi endoterm

Reaksi endoterm : H₁ < H₂, maka ∆H > 0

Reaksi eksoterm ialah reaksi yang melepas-kan atau membebaskan kalor menuju lingkungan, sehingga entalpi sistem berkurang, artinya entalpi produk (akhir) lebih kecil daripada entalpi pereaksi (awal). Akibatnya perubahan entalpi sistem ∆H sistem bertanda negatif (∆H < 0). Reaksi eksoterm ditandai dengan timbulnya panas (diraba terasa panas).

Contoh reaksi eksoterm : pembakaran, kapur tohor atau gamping dimasukkan air.

Reaksi endoterm ialah reaksi yang menyerap kalor dari lingkungan. Ciri reaksi endoterm, jika dipegang akan terasa dingin. Entalpi sistem bertambah, H₂ lebih besar daripada H₁ sehingga ∆H = + (positif)

Perubahan entalpi, ∆H reaksi eksoterm dan endoterm seperti pada diagram berikut :

 

                                          

                                                      

                                Reaksi eksoterm                                                                   Reaksi endoterm

Contoh C(s) + O₂(g) → CO₂(g), ∆H=-393 kJ

Gambarkan tingkat energinya !

Jawab :

        

         

Persamaan termokimia adalah persamaan reaksi yang mengikutsertakan perubahan entalpinya. Oleh karena kalor reaksi sesuai dengan jumlah zat yang bereaksi, maka koefisien reaksi akan berkaitan dengan kalor. Kalor reaksi juga tergantung dari wujud zat, maka wujud zat juga dituliskan dalam reaksi termokimia.

∆H reaksi bergantung pada massa, suhu, tekanan dan wujud zat yang bereaksi.

Yang perlu diperhatikan dalam penulisan persamaan termokimia :

-               wujud zat

-               koefisien pereaksi dan hasil reaksi = jumlah mol

-               perubahan entalpi

Contoh persamaan reaksi termokimia :

½H₂(g) + ½I₂(g) → HI(g) ∆H=–5,52 kJ....................................... i

H₂(g) + I₂(g) → 2HI(g)    ∆H=–11,04 kJ...................................... ii

Jika koefisien reaksi berubah, harga ∆H juga berubah.

Reaksi (ii) sama dengan reaksi (i) tetapi dikalikan 2. Jika koefisien pereaksi atau hasil reaksi dikalikan tiga, maka harga ∆H juga dikalikan dengan tiga.

Catatan : 

 n =  mol         

m =  massa (gram)

Contoh soal 1 :

C(s) + ½ O₂(g) → CO(g), ∆H = –282 kJ

Tentukan kalor yang dibebaskan jika terbentuk 88 g  CO₂ ! (Ar C=12, O=16)

Jawab :

Mr CO₂         = 1.Ar C + 2.Ar O

                   = 1.12 + 2.16

                   = 12 + 32

                   = 44

Jumlah mol CO₂ = 2, reaksi dikalikan 2 :

C(s) + ½O₂(g) → CO(g), ∆H = -282 kJ ..................................... i

2C(s)+O₂(g) → 2CO(g), ∆H = -564 kJ ..................................... ii

Jadi dibebaskan kalor sebesar 566 Kj

Contoh soal 2 :

Pembakaran 1 mol karbon membentuk gas CO₂ dibebaskan kalor 394kJ. Tuliskan persamaan reaksi termokimianya !

Jawab :

dibebaskan kalor  maka ∆H = –394 kJ

1 mol karbon,  koefisien C = 1

dibakar berarti bereaksi dengan O₂

wujud zat :              C = padat (s)

                         O₂ = (g)

                         CO₂ = (g)

C(s) + O₂(g) → CO₂(g), ∆H =–394 kJ

ΔH adalah jumlah kalor yang dilepas atau diserap dalam suatu reaksi dan dinyatakan dengan satuan kJ. Suatu reaksi yang berlangsung pada suhu 25^OC (298 K) dengan tekanan 1 atm untuk tiap mol pereaksi disebut perubahan entalpi standar ΔH^O dengan satuan kalor  kJ/mol.

Sesuai dengan jenis reaksinya, beberapa perubahan entalpi dikelompokkan menjadi

 1.      Entalpi Pembentukan, ΔHf

Perubahan entalpi pembentukan (∆Hf) ialah perubahan entalpi yang terjadi pada pembentukan 1 mol senyawa dari unsur-unsurnya dalam keadaan standar (25 ^OC, 1 atm).

Unsur + Unsur → 1 mol senyawa

             ΔHf^O unsur bebas = 0.

Ingat : dalam suatu reaksi mol = koefisien.

Jadi dalam reaksi pembentukan, yang di sebelah kiri tanda panah (→) merupakan unsur-unsur pembentuk senyawa dan yang di kanan tanda panah merupakan senyawa yang dibentuk dan koefisien = 1

Contoh 1.

Tuliskan reaksi pembentukan air jika diketahui ΔHf H₂O(g) = –286 kJ/mol !

Jawab :

di kiri unsur pembentuk H₂O = H₂ dan O₂

di kanan = H₂O(g) dengan koef. 1

H₂(g) + ½ O₂(g) → 1H₂O(g), ∆H = -286 kJ

atau = dikalikan 2 menjadi :

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g), ∆H = -572 kJ

Contoh 2.

Tuliskan reaksi pembentukan gas amonia jika ΔHf NH₃(g) = –46 kJ/mol !

Jawab :

di kiri               = unsur pembentuk NH₃ yaitu N₂ dan H₂

di kanan          = NH₃ dengan koefisien 1

½N₂(g) + 1½N₂(g) → 1NH₃(g), ∆H=-46 kJ

atau dikalikan 2 menjadi :

N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g), ∆H = -92 kJ

Contoh 3.

Diketahui ∆Hf^O CaCO₃(s) = –125 kJ/mol. Jika Ar Ca=40, C=12 dan O=16, tentukan kalor yang dibebaskan pada pembentukan 200 gr CaCO₃ !

Jawab :

∆Hf^O CaCO₃ = –1250 kJ/mol, reaksinya:

Ca(s)+C(s)+1½O₂(g)→CaCO₃(s), ∆H=-125kJ

 Mr CaCO₃           =  Ar Ca + Ar C + 3Ar O

                         =  40 + 12 + 3.16

                         =  100

koefisien CaCO₃ = 2, maka reaksi tersebut dikalikan dengan 2 :

Ca(s)+C(s)+1½O₂(g)→CaCO₃(s), ∆H=-125kJ

dikalikan 2 menjadi

2Ca + C +3O₂ → 2CaCO₃, ∆H = –250 kJ

           Jadi kalor yang dihasilkan = 250 kJ

 2.      Entalpi Peruraian, ∆Hd

Reaksi peruraian berkebalikan dengan reaksi pembentukan. ∆Hd adalah kalor yang terjadi pada peruraian 1 mol senyawa dihasilkan unsur-unsurnya. Harga entalpi-nya sama dengan entalpi pembentukan tetapi tanda berlawanan.

H₂(g) + ½ O₂(g) → H₂O(g), ∆H = -286 kJ

Jika dibalik, tanda (–) menjadi (+) :

H₂O(g) → H₂(g) + ½ O₂(g), ∆H = +286 kJ

Contoh soal :

Entalpi pembentukan, ∆Hf NH₃(g) = –46 kJ/ mol. Tentukan kalor yang diperlukan untuk menguraikan 34 gr gas NH₃ menjadi gas N₂ dan H₂ ! (Ar N=14, H=1)

Jawab :

∆Hf NH₃(g) = –46 kJ dapat ditulis :

½ N₂(g) + 1½ H₂(g) → NH₃(g); ∆Hf = -46 kJ

Peruraian NH₃(g) reaksinya dibalik :

NH₃(g) → ½ N₂(g) + 1½ H₂(g); ∆H = +46 kJ

NH₃(g) yang diuraikan 34 gram :

Mr NH₃         =  Ar N + 3Ar H

                =   14 + 3(1)

                =   17

mol NH₃ =

maka reaksinya dikalikan 2 :

2NH₃(g) → N₂(g) + 3H₂(g); ∆H = +92 kJ

Jadi kalor yang diperlukan untuk menguraikan 34 gram NH₃ = 92 kJ

 3.      Entalpi Pembakaran, ∆Hc

Reaksi suatu zat dengan oksigen disebut reaksi pembakaran. Perubahan entalpi pada pembakaran sempurna 1 mol zat (25^OC, 1 atm) disebut entalpi pembakaran standar dinyatakan dengan ∆Hd. Dalam suatu reaksi, koefisien zat yang dibakar adalah = 1.

Contoh : Pembakaran karbon (C) untuk membentuk gas CO₂ dihasilkan kalor 393 kJ/mol ditulis :

C(s) + O₂(g) → CO₂(g), ∆H = -393 kJ

Pada contoh reaksi tersebut, dapat dinyatakan sebagai :

-     reaksi pembakaran C(s)

-     reaksi pembentukan CO₂(g)

Contoh soal :

Entalpi pembakaran C membentuk gas CO adalah ∆Hc = –110 kJ/mol. Tentukan kalor yang dibebaskan jika jumlah CO yang terbentuk sebesar 56 g ! (Mr CO = 28)

Jawab :

∆Hc = -110 kJ/mol, maka :

C(s) + ½O₂(g) → CO(g), ∆H = -110 kJ

Jumlah CO yang dihasilkan = 56 gr

mol CO =

koefisien CO dijadikan 2, maka :

2C(s) + O₂(g) → 2CO(g); ∆H = -220 kJ

Jadi kalor yang dihasilkan ialah 220 kJ