8.1 Karakteristik Umum dari Perubahan
Keadaan[Kembali]
Perubahan zat pada cairan gas tidak melibatkan perubahan sifat
dasar dari molekul-molekul yang ada. Misalnya, dalam brom padat, molekul Br2 saling
bertarikan dengan agak efektif; dalam keadaan cair, molekul Br2 dengan
bebas bergerak mengikuti molekul yang lain, dan dalam keadaan gas, molekul Br2 berupa
partikel yang terpisah jauh satu sama lain, yang melenting kian kemari dengan
kecepatan tinggi dan arah acak. Gambaran ini umumnya dapat diterapkan kepada
zat-zat kovalen.
Pada
temperature yang sangat tinggi, zat padat ion dan logam memang terurai untuk
membentuk molekul sederhana, tetapi ini merupakan keadaan yang sangat tak
lazim. Untuk senyawa ion dan logam, bentuk molekul yang ada dalam keadaan gas
tidak terdapat dalam fase-fase mampat. Misalnya, bila cukup dipanasi agar
menjadi gas, natrium klorida membentuk molekul sederhana seperti Na2Cl2 atau
NaCl. Tetapi dalam zat padat NaCl, sebuah ion tertarik sama kuat ke
semua tetangga terdekatnya yang muatannya berlawanan, dengan tak terbentuknya
struktur-struktur molekul.
Gambar di atas merupakan contoh perubahan keadaan.
Konsep dasar yang harus diingat:
- Banyaknya
energy yang dibutuhkan untuk suatu perubahan endoterm sama dengan energy
yang dibebaskan dalam perubahan eksoterm kebalikannya.
- Energi
total untuk suatu perubahan dari kondisi satu ke kondisi kedua, yang
keduanya tertentu, akan tetap sama, tak peduli jalan yang ditempuh untuk
mencapai perubahan ini.
Titik leleh dikatakan sebagai temperature dimana
suatu zat padat berubah menjadi suatu cairan, dan titik didih ialah temperature
dimana suatu cairan menggelegak ketika berubah menjadi gas. Pada tekanan yang
berlainan, temperature pelelehan dan pendidihan suatu zat akan berlainan pula.
Temperatur untuk perubahan zat yang bersentuhan dengan udara pada 1 atm dirujuk
sebagai titik leleh atau titik didih normal.
8.1.1 Kapasitas Panas.
Bila kalor ditambahkan kepada
zat padat, cairan atau gas pada temperatur di luar titik leleh atau titik
didih,maka temperatur zat itu akan naik.
Untuk membandingkan efek
kalor pada temperatur berbagai zat, maka kapasitas panas zat itu dapat diukur,
yakni banyaknya kalor yang diperlukan zat itu, dengan bobot tertentu. Makin
tinggi bobot suatu zat, akan makin besar kapasitas panasnya. Sedangkan kapasitas
molar adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah
temperature 1 mol suatu zat setinggi 1°C. Kapasitas panas molar es adalah
(2,00
J/(g °C)(18,0 g/mol) = 36,0 J/(mol °C)
8.1.2 Kalor Pelelehan.
Jika 1,00 mol es pada -10,0 °C dipanasi dengan
hati-hati, maka untuk menaikkan temperaturnya menjadi 0 °C, akan dibutuhkan
kalor sebanyak
(1,00
mol)(10.0 °C)[36,0 J/(mol °C)] = 360 J
Kalor pelelehan molar adalah banyaknya kalor yang diperlukan
untuk mengubah 1 mol suatu zat padat pada titik lelehnya menjadi cairan pada
temperature yang sama
Tabel Kalor Pelelehan Molar
Kalor pembekuan molar adalah banyaknya energi panas yang
dibebaskan bila satu mol suatu zat memadat yang besarnya sama dengan banyaknya
kalor yang dibubuhkan bila suatu zat padat meleleh. Misalnya 6,01 kJ dibebaskan
ke sekitarnya bila 1 mol air membeku.
8.1.3 Kalor Penguapan
Bila 1 mol air pada 100°C menguap, 40660 J,
atau 40,66 kJ kalor harus ditambahkan kepada air ini agar berubah menjadi 1 mol
kukus. Energi panas sebanyak 40,66 kJ digunakan untuk melawan gaya-gaya tarik
sehingga molekul-molekul air dapat melepeaskan diri satu dari yang lain sebagai
molekul gas. Banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 1 mol zat cair
menjadi gas pada temperatur yang sama disebut kalor penguapan molar.
Kalor pengembunan molar adalah banyaknya energi panas yang dibebaskan
bila satu mol suatu zat mengembun, sama dengan kalor yang diperlukan bila 1 mol
zat (cair) menguap. Misalnya, dibebaskan 40,66 kJ ke sekitarnya, bila 1 mol
kukus mengembun pada 100°C.
8.1.4 Perubahan Temperatur dan Perubahan
Keadaan.
Berdasarkan teori molekul kinetik, dengan
ditambahkan energi kalor ke suatu zat, energi itu digunakan untuk mengalahkan
gaya-gaya tarik yang mengikat partikel-partikel. Makin tinggi temperaturnya,
makin besar energi kinetik partikel-partikel. Jika perubahan keadaan disertai
perubahan volume, diperlukan energy untuk mendorong udara.
8.1.5 Gaya Tarik dan Perubahan Keadaan.
Gaya tarik yang mempengaruhi pelelehan dan
penguapan sangat beragam untuk tiga kelompok besar zat (kovalen, ion, dan
logam). Zat kovalen terdiri dari molekul-molekul yang berikatan dengan gaya
yang agak lemah. Sehingga zat kovalen cenderung memiliki titik leleh dan titik
didih rendah. Sedangkan ion-ion dalam zat ion dan atom dalam logam biasanya
saling berikatan dengan gaya yang kuat. Senyawa ion cenderung memiliki titik
leleh dan titik didih tinggi.
8.2 Gaya Tarik Antar Molekul[Kembali]
Bila suatu zat kovalen cair menguap, molekul melepaskan diri dari
tetangganya. Gaya tarik lemah antara molekul dikalahkan, tetapi ikatan kovalen
yang kuat yang mengikat atom-atom dalam molekul itu tidak terpatahkan. Dalam
gaya tarik antar molekul ada tiga macam. Dua diantaranya Bersama-sama disebut
gaya tarik Van der Waals. Gaya tarik yang lemah ini disebabkan oleh dipol
imbasan sekejap, yang terjadi antara semua molekul. Gaya tarik Van der Waals
yang kuat desebut dengan gaya tarik dipol-dipol, terjadi antara molekul yang
memiliki momen dipol permanen. Gaya tarik ketiga lebih kuat dari gaya Van der
Waals hanya terjadi antara molekul tertentu dan disebut dengan ikatan hydrogen.
8.2.1 Dipol Imbasan Sekejap
Terdapat tarikan antara elektron satu molekul dan inti-inti
molekul yang lain. Suatu getaran dalam sebuah molekul mengimbas (menginduksi)
suatu geseran dalam elektron-elektron suatu molekul tetangga. Bila molekul ini
berkumpul bersama-sama seperti dalam keadaan cair, geseran-geseran ini
disinkronkan sehingga terdapat suatu tarikan netto antara banyak molekul
bertetangga. Dipol-dipol imbasan dikatakan bersifat sekejap, karena getaran itu
sangat banyak hingga milyaran dalam satu detik.
Tarikan lemah yang disebabkan oleh dipol imbasan sekajap, pertama
kali diuraikan dalam tahun 1930-an oleh seorang ahli fisika Jerman Fritz
London, sehingga disebut gaya London. Gaya London menyebabkan adanya tarikan
antara molekul-molekul senyawaan non-polar. Molekul-moekul besar lebih efektif
ditarik satu sama lain daripada molekul-molekul kecil. Zat yang molekulnya
bertarikan hanya berdasarkan gaya London, mempunyai titik didih dan titik leleh
yang rendah, dibandingkan dengan zat lain yang bobot molekulnya kira-kira sama.
Jika moleekul-molekulnya kecil, zat-zat ini biasanya berbentuk gas pada
temperature kamar.
8.2.2 Gaya Tarik Dipol-Dipol
Molekul yang memounyai momen dipol permanen dikatakan sebagai
polar. Gaya tarik antara dua molekul polar disebut gaa tarik dipol-dipol.
Tarikan ini lebih kuat daripada tarikan antara molekul molekul non-polar. Jadi,
zat-zat yang terdiri dari molekul polar cenderung mempunyai titik didih dan
titik leleh yang lebih tinggi daripada molekul non-polar yang kira-kira
besarnya sama.
8.2.3 Ikatan Hidrogen
Tarikan antar molekul yang luar biasa kuatnya, dapat terjadi
antara molekul-molekul, jika satu molekul mempunyai sebuah atom hydrogen yang
terikat pada sebuah atom berelektronegativitas besar, dan molekul tetangganya
mempunyai sebuah atom berelektronegativitas tinggi yang mempunyai sepasang
elektrton menyendiri. Inti hydrogen, yakni proton, ditarik oleh pasangan
electron yang berdekatan, dan berayun bolak-balik antara kedua atom itu.
Tarikan antara dua molekul yang menggunakan bersama-sama sebuah proton disebut
ikatan hidrogen. Ikatan hydrogen memiliki tarikan antar molekul yang sangat
kuat. Ikatan hydrogen yang kuat terbentuk hanya oleh molekul yang mengandung
nitrogen(N), oksigen(O), ataupun flour(F). kelihatannya sepasang electron
menyendiri dalam sebuah atom kecil lebih efektif daripada dalam atom besar,
dalam hal ang menarik suatu atom hydrogen tetangganya.
Dalam air, ikatan hydrogen sangatlah efektif:
Karena tiap molekul air berisi dua atom hydrogen dan dua pasangan
electron menyendiri, ikatan hydrogen itu dapat berlanjut dalam tiga dimensi
sehingga terbentuk agregasi-agregasi besar.
8.2.4 Ringkasan gaya tarik
Perbedaan gaya gaya tarik antara molekul-molekul zat murni
dicerminkan oleh titik leleh dan titik didih zat-zat ini. Pada umumnya, gaya
tarik yan kuat dan ukuran molekul yang besar, keduanya akan menyebabkan titik
leleh dan titik didih yang tinggi.
Dalam gambar tersebut dialurkan titik leleh dan titik didih untuk
lima deret zat. Dalam dua deret ini, Ne-Xe dan CH4-SnH4,
molekul non-polar saling tarik menarik oleh dipol imbasan sekejap atau gaya
London. Dalam kedua deret untuk membandingkan selisih titik didih dari pasangan
molekul yang bobot molekulnya hamper sama. Perhatikan Ne terhadap CH4,
dan Kr terhadap GeH4. Molekul gas mulia mempunyai distribusi
electron sederhana, tetapi senyawa hydrogen unsur grup IVA merupakan
tetrahedron(bidang-empat) yang saling menarik dengan kuat. Akibatnya titik
didih CH4 dan GeH4 masing masing lebih tinggi
daripada Ne dan Kr. Untuk membandingkan molekul yang strukturnya berlainan
tetapi bobot molekul-nya sama, dalam setiap kelompok titik-titik didih dari
ketiga zat polar lebih tinggi, yang menunjukkan bahwa molekul-molekul ini
memerlukan energi kinetic yang lebih besar untuk memisahkan satu sama lain.
Pada akhirnya dapat dicatat dalam gambar tersebut perilaku NH3,
HF dan H2O. Titik didih (dan leleh) yang tinggi, dibandingkan dengan
PH3, HCl, dan H2S, disebabkan oleh ikatan
hydrogen yang kuat antara molekul-molekulnya.
8.2.5 Perilaku fisika lain dari cairan
Tarikan antar mlekul mempengaruhi banyak sifat cairan selain titik
leleh dan titik didih. Kalor pelelehan dan kalor pengapan merupakan dua sifat
semacam itu. Yang juga dihubungkan dengan tarikan antar molekul adalah tegangan
permukaan.
Gaya antar molekul zat yang sama atau serupa dapat disebut sebagai
gaya kohesif. Gaya gayaantara molekul zat yang berlainan, dan terutama antara
cairan atau gas di satu pihak dan zat padat dipihak lain, disebut gaya
adhesive.
Molekul air ditarik dengan kuat ke gugus-gugus -O-H yang terikat
dalam permukaan kaca; jadi air cenderung merayap ke atas sepandjang dinding
dalam wadah. Karena adanya tarikan antar molekul kohesif, molekul yang merayap
ini menarik molekul-molekul air lain untuk ikut merayap naik. Naiknya sekolom
cairan dalam suatu tabung sempit disebut kenaikan kalpiler. Tinggi kolom bergantung
pada jari-jari tabung, tegangan permukaan cairan, dan bobot kolom.
Merkurium merupakan suatu contoh zat dengan gaya antar molekul
kohesif lebih kuat daripada gaya adhesif ke kaca. Hasilnya ialah bahwa bila
bersentuhan dengan kaca, merkurium cair membentuk meniskus cembung.
8.3 Pencairan Gas[Kembali]
Suatu gas dapat diembunkan atau dicairkan oleh
gabungan yang sesuai dari penurunan temperature dan/atau menaikkan tekanan.
Bedasarkan pembahasan skala mutlak, berkurangnya volume suatu gas karena menurunnya
temperatur mengikuti hukum Charles sampai temperatur turun di dekat titik di
mana gas itu mulai mengembun menjadi suatu cairan. Berdasarkan teori kinetik,
jika energy kinetik molekul gas diturunkan dengan menurunkan temperatur
secukupnya, gaya antar molekul akan menjadi efektif dalam mengikat partikel
partikel tekanan. Jika molekul-molekul itu berjauhan, maka gaya tarik akan
melemah, tetapi dengan mendekatnya molekul-molekul itu satu sama lain, maka
tarikan itu akan meningkat. Gas itu mencair jika gaya tarik itu cukup besar.
Tiap gas terdapat suatu temperatur (temperatur kritis), dimana gas tidak dapat
dicairkan, betapapun besarnya tekanan. Diperlukan tekanan kritis untuk
mencairkan suatu gas pada titik kritis.
Zat-zat pada tabel diatas dapat dibagi menjadi
dua kelas. Empat yang pertama tak dapat dicairkan pada temperatur kamar,
betapapun tingginya tekanan yang diberikan. Tujuh berikutnya dapat dicairkan
pada temperatur kamar hanya dengan menaikkan tekanan saja.
8.4 Penguapan Cairan[Kembali]
Cairan yang mudah menguap terdiri dari molekul molekul yang mempunyai gaya
antar molekul yang lemah; mereka cenderung tercerai-berai oleh gerakan
masing-masing.Seperti ditunjukkan dalam gambar dibawah (a), beberapa molekul
meninggalkan induk cairan (menguap) jika kebetulan molekul itu berarah ke atas
dan cukup kecepatannya untuk mengalahkan gaya tarik yang lemah itu. Uap adalah
nama keadaan gas suatu zat pada suatu tekanan dan temperatur. Suatu cairan yang
mudah menguap disebut atsiri (volatile).
Gambar (a) Penguapan dari suatu wadah terbuka : lebih banyak
molekul yang pergi daripada yang kembali. (b) Penguapan dalam wadah tertutup :
banyaknya molekul yang meninggalkan cairan per satuan sama dengan yang kembali
8.4.1 Tekanan Uap.
Air meninggalkan bejana oleh penguapan jika bejana itu terbuka.
Jika bejana itu tertutup maka tidak ada air yang meninggalkan bejana karena
terjadi peristiwa pengembunan yang mengakibatkan cairan yang menguap tersebut
kembali ke cairan.
Tekanan uap suatu zat didefinisikan sebagai tekanan yang dilakukan oleh gas zat
itu, bila gas itu berada dalam kesetimbangan dengan fasecair atau padat.
Tekanan uap suatu cairan atau padatan bertambah dengan naiknya temperatur.
Gambar 8-11 menunjukkan suatu metoda untuk menentukan tekanan uap cairan.
Gambar Penetapan
tekanan uap cairan pada 25°C . Bila setetes cairan dimasukkan ke dalam suatu
barometer, tetesan ini akan naik ke ruang hampa diatas kolom merkurium dan
sebagian akan menguap. Ruang di atas kolom merkurium akan segera jenuh;
artinya, terjadi suatu kesetimbangan antara cairan dan fase uap dari contoh
(tetesan) itu. Tekanan uap tersebut memaksa kolom merkurium turun ke jarak
tertentu. Barometer di kiri mempunyai ruang hampa Torricelli di atas kolom
merkurium.
Gambar 8-12 Suatu alur yang menunjukkan pengaruh temperatur
pada tekanan uap dari empat cairan yang lazim. Temperatur pada mana tekanan uap
sebesar 760mmHg, adalah titik didih normal cairan itu.
Keempat senyawa yang
ditunjuk dalam gambar melukiskan pengaruh ikatan hidrogen pada tekanan
uap. Air, HOH, meskipun bobot molekulnya lebih rendah daripada etil
alkohol,tekanan uapnya lebih rendah daripada semua temperatur karena efektifnya
ikatan hidrogen. Etilena glikol, HOCH2CH2OH, dengan dua gugus –OH per molekul,
membentuk ikatan hidrogen yang lebih efektif daripada etil alkohol dan agaknya
membentuk rantai panjang. Tekanan uap yang tinggi menunjukkan lemahnya
gaya-gaya tarik itu.
Kelembaban
relatif. Kadar kelembaban dalam udara lazim dinyatakan dalam
kelembaban relatif. Kelembaban relatif didefinisikan sebagai penjenuhan persen
dari udara degan uap air. Kelembaban relatif merupakan faktor penting untuk
kenyamanan kita. Bila kelembaban tinggi, maka keringat tidak mudah
menguap dan jika kelembaban rendah maka keringat akan cepat menguap.
Bila udara lembab didinginkan tanpa kehadiran permukaan padat pada mana uap air
mudah mengembun, tekanan parsial uap air dapat melampaui tekanan uap pada
temperatur itu. Udara semacam itu disebut dengan dilewat-jenubi
(supersaturated) dengan uap air.
Contoh
Jika tekanan parsial uap air dalam udara ialah 12,8 mmHg dan
temperatur 22,0°C, berapakah kelembaban relatifnya ?
Jawaban : Tekanan
uap air pada 22°C adalah 19,83 mmHg. Ini adalah tekanan parsial uap air dalam
udara yang jenuh dengan air pada temperatur tersebut
8.4.2 Pendidihan.
Titik didih suatu cairan ialah temperatur pada mana tekanan uap
yang meninggalkan cairan sama dengan tekanan luar. Bila tekanan uap sama dengan
tekanan luar, mulai terbentuk gelembung gelembung uap dalam cairan. Karena
tekanan uap dalam gelembung sama dengan tekanan udara, maka gelembung itu dapat
mendorong diri lewat permukaan dan bergerak ke fase gas di atas cairan.
Titik didih air dan cairan lain beraneka ragam menurut tekanan udara. Contoh
titik didih normal suatu cairan ialah temperatur pada mana tekanan uapnya 1
atm. Di pegunungan titik didih air kurang dari 100°C, karena tekanan udara
kurang dari 1 atm.
Contoh: Jika tekanan udara rata-rata di
kota Anda adalah 740 mmHg, berapakah titik didih air dalam sebuah panel
terbuka? Berapakah titik didih air dalam panci bertekanan yang bekerja pada
sekitar dua kali tekanan udara?
Jawaban : Dari tabel A.7 titik didih air
pada 740 mmHg dapat dihitung dengan interpolasi antara titik didih pada 738,5
mmHg dan 743,9 mmHg
Pada duakali 740mmHg, dari tabel
diketahui bahwa titik didih pada 1480 mmHg = titik didih pada 1489,1
mmHg = 120°C
8.5 Pembekuan Cairan[Kembali]
Titik beku adalah temperatur pada mana fase padat dan cair ada
dalam kesetimbangan. Jika kesetimbangan semacam itu diganggu dengan menambahkan
atau menarik energi panas, sistem akan berubah dengan membentuk lebih banyak
zat cair atau zat padat.
8.5.1 Diagram Fase.
Hubungan antara keadaan keadaan suatu zat padat diringkaskan dalam
suatu diagram fase yang menunjukkan fase apa saja yang ada pada temperatur dan
tekanan yang berlainan. Gambar dibawah adalah diagram fase untuk H2O dalam
suatu jangka terbatas temperatur dan tekanan. Pengamatan berikut dapat dibuat
berdasarkan gambar berikut :
Gambar Suatu diagram fase untuk H2O (diagram ini tidak
proporsional)
- Sepanjang garis AC,air dan uap
air dalam kesetimbangan
- Perhatikan titik P yang
terletak pada garis AC. Jika tekanan ditambah, misalnya ke Q maka uap air
akan mengembun dan hanya air (cair) saja yang ada. Misalnya tekanan
dikurangi ke R maka semua air akan menguap.
- Sepanjang garis AB, uap air dan
es berada pada kesetimbangan, misalnya pada titik W.
- Garis AD adalah garis
kesetimbangan untuk fase cair dan padat. Garis ini hampir vertikal,namun
kemiringan agak ke kiri agak dibesarkan untuk menjelaskan bahwa temperatur
titik leleh normal air, 0°C, tidak identik dengan temperatur titik A
- Titik A disebut titik
gandatiga (triple), suatu kondisi tekanan dan temperatur pada
mana ketiga fase dalam kesetimbangan.
Titik Gandatiga Air.
Keanekaan tekanan udara hanya sedikit sekali pengaruhnya terhadap
titik beku air maupun larutan air, baik karena perubahan kelarutan udara dalam
air maupun karena pengaruh tekanan pada suatu perubahan keadaan. Karena air
memuai bila beku, maka bertambahnya tekanan cenderung menghindarkan pembekuan,
artinya titik beku menurun dengan bertambahnya tekanan.
Gambar. Titik beku air
di udara pada 1 atm adalah 0,00°C dan tekanan uap 4,58 mmHg.
(udara diusir dari dalam wadah kanan oleh sebuah pompa vakum, kemudian keran
ditutup dan tabung didinginkan sampai terbentuk kristal es).
Video[Kembali]
Video tentang gaya tarik antar molekul :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar