MUDUL7ENERGI DAN PERUBAHANNYA

Pada pembahasan sebelum ini telah dipelajari bagaimana unsur bereaksi dan

macam senyawa yang dibentuk dan telah belajar secara kuantitatif jumlah pereaksi

dalam reaksi kimia. Dalam bagian ini perhatian kita alihkan pada hal penting lain dari

kimia dari reaksi kimia—yaitu energi yang dipunyai zat kimia dan perubahan energi yang

tejadi bila terjadi reaksi kimia.

Energi adalah suatu istilah yang sudah kita kenal. Kita bangun pagi-pagi dengan

"penuh energi" lalu bensin adalah "sumber energi", dari mobil kita. Pentingnya energi

dan sumber energi adalah sesuatu yang secara umum diakui oleh hampir semua

orang, tetapi hanya sedikit orang diluar ilmu pengetahuan benar-benar mengerti apa

energi itu. Sebab itu, mempelajari arti energi hendaknya merupakan tujuan utama dalam

bagian ini bukan saja karena, kita akan mengetahui lebih banyak, tetapi juga

pengertian mengenai energi sangat penting untuk mengerti sebab dasar dari sifat-sifat

kimia dan fisika.

Energi dan Perpindahan Energi

Energi adalah suatu konsep yang lebih sukar dimengerti dari pada zat, karena energi

dan zat sangat berbeda. Kita tak dapat melihat dan menyentuh atau meletakkan energi

dalam suatu wadah untuk mempelajarinya, yang dapat dipelajari adalah pengaruh

energi pada suatu obyek.

Energi yang biasa didefinisikan sebagai kemampuan melakukan usaha adalah

sesuatu yang dipunyai zat yang dapat melakukan sesuatu. Bila suatu benda mempunyai

energi, maka benda ini dapat mempengaruhi benda lain dengan jalan melakukan kerja

padanya. Misalnya sebuah mobil yang sedang berjalan mempunyai energi karena mobil

tersebut mampu "melakukan kerja pada mobil lain dengan jalan menabrak/mendorong

mobil lain yang sedang berhenti sehingga mobil tersebut dapat bergerak untuk jarak

tertentu. Demikian juga, pada batu bara dan minyak mempunyai energi yang

dilepaskan sebagai panas pada waktu pembakaran dan panas ini dapat diubah menjadi

tenaga (gaya) sehingga mesin dapat bekerja.

Suatu benda dapat mempunyai energi dalam dua cara: sebagai energi kinetik dan energi

potensial. Sehingga jumlah energi yang dapat dipunyai suatu benda merupakan jumlah

energi kinetik dan energi potensialnya.

Energi kinetik (K.E.) suatu benda terdapat bila benda bergerak dan dapat dihitung

dengan persamaan:

K.E. = ½ mv2

dimana m adalah massa benda dan v kecepatannya. Maka energi kinetik tergantung dari

massa dan kecepatan benda, yang tentunya sudah Anda ketahui. Misalnya: sebuah truk

yang bergerak dengan kecepatan 20 km/jam bila menabrak sebuah mobil akan lebih

besar akibatnya dari pada sebuah sepeda dengan kecepatan yang sama, karena truk

mempunyai massa yang lebih besar. Demikian juga truk yang bergerak dengan

kecepatan 80 km/jam akan lebih besar "usaha"nya terhadap sebuah mobil dari pada

bila kecepatannya 5 km/jam.

Energi potensial (E.P.) adalah energi simpanan, yaitu energi yang dipunyai benda

karena benda itu tertarik atau ditolak oleh benda lain. Maka bila suatu benda tak

mempunyai gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak, maka benda tersebut tak

mempunyai energi potensial. Untuk mengerti hubungan antara energi potensial dan

gaya tarik menarik dan 'tolak menolak akan diberikan beberapa contoh. Seperti diketahui

benda tertarik oleh bumi karena adanya gaya tarik burni. Bila kita ingin memindahkan

suatu benda dari lantai ke meja, kita harus melakukan "usaha" untuk mengangkatnya.

Usaha atau kerja yang kita lakukan disimpan sebagai energi potensial waktu jarak benda

dari bumi bertambah dan dapat dikembalikan berarti diubah menjadi tenaga, waktu benda

itu dijatuhkan kembali ke tanah. Dengan cara inilah lonceng kuno

Kekekalan Energi

Ahli ilmu kima menemukan bahwa dalam suatu sistem yang tertutup (termasuk alam

semesta kita) jumlah keseluruhan energinya tetap. Hal ini yang menimbulkan hukun fisika

yang pokok disebut hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa energi tidak dapat

dibuat atau dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang

lain.

Hukum kekekalan energi ini akan mengawasi spa yang ter adi dengan energi sewaktu

te0adi perubahan kimia dan fisika. Misalnya, Icita telah melihat bahwa energi kinetik

dapat berubah menjadi energi potensial waktu kita menaikkan beban pads lonceng, dan.

energi potensial berubah menjadi energi kinetik waktu beban turun dan menggerakkan

alai-alas lonceng. Tetapi kita tidak dapat memusnahkan energi maupun menciptakannya

dari sesuatu yang tidak ads. Bila kita ingin menambah energi suatu benda dengan

jumlah tertentu, haruslah diambil dari suatu benda lain.

Atom dan molekul mempunyai energi

Atom, molekul maupun ion adalah benda-benda seperti juga beban lonceng atau magnet.

Sehingga merekapun mempunyai bentuk energi yang sama yaitu: energi kinetik dan

energi potensial. Bagaimana hal ini tedadi dan bagaimana kita mengamatinya

diterangkan sebagai berilcut:

Energi Kinetik Dalam suatu zat, balk is berbentuk padat, cair atau gas, masing-

masing partikel yang berukuran atom akan bergerak dengan tetap, saling

menyinggung dan bertumbukan satu sama lain. Bila kita perhatikan suatu benda

misalnya pensil hal ini tak akan terlihat sebab, atom-atom terlalu kecil untuk dapat

dilihat dan gerakannya juga tidak beraturan. Ketidak aturan gerakan atom-atom inilah

yang menyebabkan jumlah gerakan atom dapat dihilangkan, sehingga pensil sendiri tak

akan meloncat kesana kemari walaupun partikel-partikel di dalamnya tetap bergerak.

Karena atom-atom dan molekul-molekul bergerak, mereka mempunyai energi kinetik.

Pada suatu saat mungkin beberapa partikel akan bergerak secara perlahan-lahan

sehingga energi kinetiknya kecil. Partikel-partikel yang pergerakannya cepat mempunyai

energi kinetik yang lebih besar. Tetapi untuk keseluruhannya partikel-partikel ini akan

mempunyai harga energi kinetik rata-rata. Ahli-ahli fisika telah membuktikan bahwa untuk

tiap benda harga rata-rata dari energi kinetik partikel-partikel berukuran atomnya,

berbanding lurus dengan temperatur 'bsolut (temperatur Kelvin) benda tersebut. Ini berarti

bila sesuatu benda itu panas, maka atom-atom dan molekul-molekulnya mempunyai harga rata-

rata energi kinetik yang lebih besar dan pergerakannya lebih cepat dari pads atom-atom dan

molekul-molekul benda yang dingin. (Sangat menarik, jadi termometer adalah alai yang

memonitor harga rata-rata energi kinetik dari atom-atom, molekul-molekul dan ion-ion).

Energi potensial Energi potensial timbul karena adanya gaya tarik menarik dan tolak

menolak dan seperti telah dipelajari dalam Bab 4, atom-atom dibuat dari partikel-partikel

bermuatan listrik (inti dan elektron) yang Baling tarik menarik dan tolak menolak. Oleh

sebab itu elektron dan inti mempunyai energi potensial yang akan berubah bila jarak antara

mereka berubah. Bila ada perpindahan elektron antara atom-atom waktu pembentukan ion-

ionnya maka ads perubahan energi potensial demikian jugs bila ada pemakaian bersama

elektron antara atom-atom waktu pembentukan molekul-molekul dari zat.

Energi potensial yang dipunyai zat-zat karena adanya gaya tarik menarik dan tolak

menolak antara partikel-partikel atom kadang-kadang disebut energi kimia. Bila zat-zat kimia

bereaksi ada perubahan dalam sifat tarikan (ikatan kimia) antara atom-atom tersebut, jadi

terdapat perubahan energi kimianya (energi potensial) yang kita amati sebagai energi yang

diberikan atau diambil waktu reaksi.

Energi panas

Kebanyakan energi yang kita jumpai berbentuk panas. Bila kita ingat perubahan dari bahan

baker seperti butane dalam korek api akan segera diingat panas yang dihasilkan. Bila sesuatu

yang panas kita tempatkan di sebelah benda yang dingin, panas akan mengalir dari tempat

yang panas ke yang dingin. Bagaimana hubungan antara panas dan perpindahan panas

dengan macam-macam energi yang kita bicarakan diatas?

Panas merupakan energi kinetik--energi kinetik dari atom-atom dan molekul-molekul. Bila suatu

zat panas harga rata-rata dari energi kinetik molekulnya besar dan panas yang dikandungnya

banyak. Bila dingin, harga rata-rata energi kinetiknya kecil dan benda hanya mengandung panas

sedikit.

Bila suatu benda yang panas ditempatkan pada suatu yang dingin, panas akan mengalir dari benda

yang panas ke yang dingin sampai pada suatu saat keduanya mempunyai temperatur yang

sama. Bila kita dapat melihat ruang antar muka antara benda yang panas dan dingin dalam

tingkat atom, .akan terlihat molekul-molekul yang bergerak dengan cepat pada benda yang

panas sedangkan pada benda yang dingin pergerakan molekulnya pelan (Gambar

dibawah ). Bila diperhatikan kelihatan bahwa molekul-molekul yang bergerak cepat pada sisi

yang satu akan bertumbukan dengan yang pelan dari sisi lain. Tumbukan akan menyebabkan

molekul yang bergerak cepat akan menjadi lambat, sedangkan yang lambat akan menjadi

lebih cepat sehingga kita dapat menyaksikan dipindahkannya energi kinetik dari benda panas

ke benda dingin melalui pertumbukan antara molekul-molekul. Akhirnya, harga rata-rata dari

energi kinetik kedua benda akan menjadi sama dan keduanya akan mempunyai suhu yang

sama.

Gambar (a) Dua benda dengan temperatur yang berbeda molekul-molekul dari benda panas (kiri)

bergerak lebih cepat dari pads benda yang dingin (kanan). (b) Ketika benda dipertemukan,

pertumbukan antara molekul-molekul yang bergerak cepat pads panas dengan molekul-molekul

yang pergerakannya lambat dari benda dingin .menyebabkan molekul cepat menjadi lambat dan

molekul lambat menjadi lebih cepat. (c) Akhirnya ter•apai kesetimbangan temperatur dan harga rata-

rata dari energi kinetik kedua benda menjadi sama

Perubahan Energi Dalam Reaksi Kimia

Salah satu kegunaan pokok dalam kehidupan sehari-hari dari reaksi kimia adalah

"produksi" dari energi-energi yang dibutuhkan untuk semua tugas yang kita lakukan.

Pembakaran dari bahan bakar seperti minyak dan batu bara dipakai untuk pembangkit listrik.

Bensin yang dibakar dalam mesin mobil akan menghasilkan, kekuatan menyebabkan mobil

berjalan. Bila kita mempunyai kompor gas berarti kita membakar gas metan yang menghasilkan

panas untuk memasak. Dan melalui urutan reaksi yang disebut metabolisms, makanan

yang dimakan akan menghasilkan energi yang kita perlukan untuk tubuh agar

berfurigsi.

Pada hampir semua reaksi kimia, selalu ada energi yang diambil atau dikeluarkan. Mari

kita periksa terjadinya hal ini dan bagaimana kita mengetahui adanya perubahan energi.

Misalkan kita akan melakukan reaksi kimia dalam suatu tempat tertutup, sehingga

takada panas yang dapat keluar atau masuk campuran reaksi tersebut. Atau dengan

lain perkataan, reaksi dilakukan sedemikian rupa sehingga energi total tetap sama.

Juga misalkan energi potensial dari basil reaksi lebih rendah dari energi potensial

pereaksi, sehingga waktu reaksi terjadi ada penurunan energi potensial. Tetapi energi

ini tak dapat hilang begitu saja, karena energi total (kinetik dan potensial) harus tetap

konstan. Sebab itu, bila energi potensialnya turun, maka energi kinetiknya harus naik,

berarti energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Penambahan jumlah energi

kinetik akan menyebabkan harga rata-rata energi kinetik dari molekul-molekul naik,

yang kitd lilial sebagai kenaikan temperatur dari campuran reaks]. Campuran reaksi

menjadi panas.

Kebanyakan, reaksi kimia tidaklah tertutup dari dunia luar. Bila campuran reaksi

manjadi panas seperti digambarkan di alas; panas dapat mengalir ke sekelilingnya.

Setiap perubahan yang dapat melepaskan energi ke sekelilingnya seperti ini disebut

perubahan eksoterm. Perhatikan bahwa bila terjadi reaksi eksoterm, temperatur dari

campuran reaksi akan naik dan energi potensial dari z.at-zat kimia yang bersangkutan

akan turun.

Kadang-kadang perubahan kimia terjadi dimana ada kenaikan energi potensial dari zat-

zat bersangkutan. Bila hal ini terjadi, maka energi kinetiknya akan turun sehingga

temperaturnya juga turun. Bila sistem tidak tertutup di sekelilingnya, panas dapat

mengalir ke campuran reaksi dan perubahannya disebut perubahan endoterm.

Perhatikan bahwa bila terjadi suatu reaksi endotenn, temperatur dari campuran reaksi

akan turun dan energi potensial dari zat-zat yang ikut dalam reaksi akan naik.

Analisis Perubahan Energi

SOAL: Bila bensin dicampur dengan udara dan percikan api dialirkan pada campuran

ini, akan terjadi reaksi cepat yang dapat dinyatakan dengan reaksi:

2 C8H18 + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O

Campuran reaksi akan menjadi panas dan panas yang ditimbulkan dapat menjadi tenaga

untuk mobil. Apakah reaksi ini eksoterm atau encloterm? Campuran mana yang

mempunyai energi potensial lebih besar, 2 C8H18 + 25 O2 atau 16 CO2 + 18 H2O

PENYELESAIAN: Karena campuran reaksi menjadi panas, berarti reaksinya eksotemU.

Dalam reaksi eksotermik, energi potensialnya turun, maka hasil reaksi (16 CO2 + 18 H20)

mempunyai energi potersial lebih rendah dari pada pereaksinya.

Pengukuran Energi Dalam Reaksi Kimia

Dalam membicarakan perubahan energi, kita hanya melihat satu cara perubahan energi

sekelilingnya yaitu: panas. Beberapa reaksi dapat juga mengeluarkan cahaya dan pada

pembahsan berikutnya akan dibicarakan cahaya sebagai bentuk energi. Ada juga

reaksi yang dapat memberikan energinya sebagai listrik seperti yang terjadi pada

baterai yang kita gunakan waktu menyalakan mesin mobil. Reaksi-reaksi inipun akan

dibicarakan dalam kuliah ini. Segala macam bentuk energi ini dapat diubah dari

bentuk satu ke bentuk lain secara ekivalen. Hal ini memudahkan dalam menyatakan

jumlah energi karena kita tak perlu menggandakannya.

Satuan Intemasional standar untuk energi yaitu Joule (J), diturunkan dari energi

kinetik. Satu joule = 1 kg m2/detik 2. Setara dengan jumlah energi yang dipunyai suatu

benda dengan massa 2 kg dan kecepatan 1 m/detik (Bila dalam satuan Inggris: benda

dengan massa 4,4 lb dan kecepatan 197 ft/menit atau 2,2 mile/jam)0).

1 J = 1 kg m2/s2

Satuan energi yang lebih kecil yang dipakai dalam fisika disebut erg yang harganya =

1 x 10-7 J. Dalam mengacu pada energi yang terlibat dalam reaksi antara pereaksi

dengan ukuran molekul biasanya digantikan satuan yang lebih besar yaitu kilojoule

(Kj ). Satu kilojoule = 1000 joule (1 Kj = 1000 J).

Semua bentuk energi dapat diubah keseluruhannya ke panas dan bila seorang ahli kimia

mengukur energi, biasanya dalam bentuk kalor. Cara yang biasa digunakan untuk

menyatakan panas disebut kalori (singkatan kal). Definisinya berasal dari pengaruh

panas pada suhu benda. Mulamula kalori didefinisikan sebagai jumlah panas yang

diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram air dengan suhu asal 15 °C sebesar 1 °C.

Kilokalori (kkal) seperti juga kilojoule merupakan satuan yang lebih sesuai untuk

menyatakan perubahan energi dalam reaksi kimia. Satuan kilokalori juga digunakan untuk

menyatakan energi yang terdapat dalam makanan. Kalori (dengan huruf besar K)

sama dengan kilokalori. Maka bila kita membaca suatu hidangan kentang rebus me-

ngandung 230 Kal, berarti bahwa bila kita memakan seluruh kentang ini akan dikeluarkan

energi sebesar 230 kilokalori_.

Tadinya dan sampai akhir-akhir ini semua buku ilmu pengetahuan menggunakan satuan

kalori atau kilokalori untuk menyatakan perubahan energi. Dengan diterimanya SI,

sekarang joule (atau kilojoule) lebih disukai dan kalori didefinisi ulang dalam satuan SI.

Sekarang kalori dan kilokalori disefinisikan secara eksak oleh

1 kal = 4,184 J , 1 kkal = 4,184 kJ

Dalam modul ini akan digunakan joule dan kilojoule secara tersendiri. Tetapi ada banyak

data-data penting dalam pustaka-pustaka lama. Untuk menggunakan secara efektif dalam

ilmu pengetahuan yang modern memerlukan terjemahan dan perbandingan ke joule dan

kilojoule, sehingga faktor konversi ini harus dihafal.

Kapasitas panas dan panas spesifik

Sifat-sifat air yang memberikan definisi asal dari kalori adalah banyaknya perubahan

temperatur yang dialami air waktu mengambil atau melepaskan sejumlah panas. Istilah

umum untuk sifat ini disebut kapasitas panas yang didefinisikan sebagai: Jumlah panas

yang diperlukan untuk mengubah temperatur suatu bends sebesar 1 °C.

Kapasitas panas bersifat ekstensif yang berarti bahwa jumlahnya tergantung dari besar

sampel. Misalnya untuk menaikkan suhu 1 g air sebesar 1 °C diperlukan 4,18 J (1 kal), tapi

untuk menaikkan suhu 100 g air sebesar 1 °C diperlukan energi 100 kali lebih banyak yaitu

418 J. Sehingga 1 g sampel, mempunyai kapasitas panas sebesar 4,18 J/°C, sedangkan

100 g sampel 418 J/°C

Sifat intensif yang berhubungan dengan kapasitas panas adalah kalor Jenis (panas

spesifik) yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu

1 g zat sebesar 1°C. Untuk air panas spesifiknya adalah 4,18 J/g°C. Kebanyakan zat

mempunyai panas spesifik yang lebih kecil dari air. Misalnya besi, panas spesifiknya

hanya 0,452 J/g°C. Berarti lebih sedikit panas diperlukan untuk memanaskan besi 1 g

sebesar 1 °C dari pada air atau juga dapat diartikan bahwa jumlah panas yang akan

menaikkan suhu 1 g besi lebih besar dari pada menaikkan suhu 1 g air.

Besamya panas spesifik untuk air disebabkan karena adanya sedikit pengaruh dari laut

terhadap cuaca. Pada musim dingin air taut lebih lambat menjadi dingin dari pada

daratan, sehingga udara yang bergerak dari taut ke darat lebih panas dari pada udara dari

darat ke taut. Demikian juga dalam musim panas, air laut lebih lambat menjadi panas dari

pada daratan.

Contoh-contoh berikut menggambarkan bagaimana kita dapat menghitung dan

menggunakan kapasitas panas dan panas spesifik.

SOAL: Berapa kapasitas panas yang dinyatakan dalam kj/°C dari 2,00 kg batang

tembaga bila diketahui panas spesifik (kalor jenis) dari tembaga 0,387 J/g°C

ANALISIS: Satuan di atas memberikan cara memecahkan soal tersebut. Kapasitas panas

mempunyai satuan energi/suhu, sedangkan panas spesifik (kalor jenis) mempunyai satuan

(energi)/(massa x suhu). Dengan mengalikan kalor jenis dengan massa dari batang-

batang tembaga kita akan mendapat kapasitas panas dengan satuan J/°C, lalu diubah

menjadi kj/°C

Kalor jenis x massa = kapasitas panas

0,387 J/g°C x 2000 g

= 774 j/°C

REFERENSI :

1. Chemistry, Reactions, Structure, and Properties., Clyde R.Dilliard & David

E.Goldberg

2. Kimia Universitas, Asas & Struktur,. James E. Brady