1 termodinamika

KIMIA DASAR II

Prof. Dr. Hamzar Suyani, MSc

2

Jadwal Pertemuan

Sabtu, 8:00 – 9:40

3

Materi Kuliah

1. Termodinamika Kimia (Chapter 15)

2. Kinetika Kimia (Chapter 16)

3. Keseimbangan Kimia (Chapter 17)

4. Keseimbangan asam basa (Chapter 18)

5. Keseimbangan hidrolisis (Chapter 19)

6. Keseimbangan kelarutan (Chapter 20)

7. Elektrokimia (Chapter 21)

8. Kimia Inti (Chapter 30)

4

Buku Pegangan

Whitten, Gailey dan Davis

General Chemistry with qualitative Analysis

5

Termodinamika

Mempelajari perubahan energi yang menyertai proses kimia dan fisika. Biasanya berupa panas (Termo)

Termokimia, mengamati, mengukur, dan memprediksi (perhitungan) perubahan energi pada proses kimia.

Penggunaan perubahan energi untuk menetukan apakah suatu proses dapat berlangsung pada suatu kondisi tertentu, dan menetukan perubahan kondisi agar proses lebih mudah atau jangan terjadi.

6

Hukum Termodinamika Pertama

Energi adalah kapasitas melakukan kerja dan/atau perpindahan panas.

Energi kinetik adalah energi gerak.

Ekinetik = ½ mv2

Energi potensial energi dipunyai sistem karena posisi dan komposisi

Jumlah energi total dari universe adalah konstan

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan dengan proses fisika atau reaksi kimia biasa

7

Sumber Energi??

8

9

Istilah dalam termodinamika

Sistem → materi yang terlibat dalam perubahan kimia atau fisika

Lingkungan → apa saja yang berada disekeliling sistem

Universe → sistem dan lingkungan Keadaan → kondisi yang menentukan

sifat sistem (suhu, tekanan, komposisi, wujud (gas, cair atau padat))

Fungsi keadaan → P, V, T

10

Perubahan energi dalam, ∆E

Energi dalam adalah semua energi yang dikandung materi (kinetik, tarik menarik, tolah menolak, dan lain lain).

Perubahan energi dalam, ∆E, perbedaan antara energi dalam produk dengan energi dalam reaktan.

∆E = Eakhir – Eawal = Eproduk – Ereaktan = q + wq = panas, w = kerja

w = f x d = gaya x jarak

11

Tanda nilai q dan wq + → Panas diserap sistem

dari lingkungan

q - → Panas dilepaskan sistem ke lingkungan

w + → Kerja dilakukan terhadap sistem oleh lingkungan

w - → Kerja dilakukan oleh sistem terhadap lingkungan

Sistem

Lingkungan

w

q+ -

+ -

12

Reaksi pembakaran metana

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) + 887 kJ

887 kJ energi dilepaskan bila 1 mol metana bereaksi dengan 2 mol oksigen membentuk 1mol karbondioksida dan 2 mol air

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l) ∆E = - 887 kJ

Bila dibalik,

CO2(g) + 2 H2O(l) → CH4(g) + 2 O2(g) - 887 kJ

CO2(g) + 2 H2O(l) → CH4(g) + 2 O2(g) ∆E = + 887 kJ

13

Kerja tekanan-volume

P x V = F/d2 x d3 = Fd = wBila tekanan konstan, w = -P∆V = -P(V2 – V1)

Gas mengembang, V2 – V1 > 0 w → ? Kerja oleh/terhadap sistem?Gas menyusut (kompres), w → ?

Substitusi -P∆V pada ∆E = q + w∆E = q - P∆V

Pada volume konstan, tidak ada kerja P∆V, walaupun P berobah, tidak ada yang bergerak, maka d = 0 dan Fd = 0

∆E = qv

Volume padatan atau cairan tidak berobah oleh perubahan tekanan, maka pembentukan atau pemakainnya tidak menghasilkan kerja

14

CO2 padat dalam kantong plastik

E = qp

15

Perubahan pada volume konstan

E = qv

CO2 padat dalam labu tertutup berubah jadi gas

16

Kerja oleh perubahan n

Hukum gas ideal, P∆V = (∆n)RT (∆n = nproduk – nreaktan, hanya berupa gas)∆n = 0, tidak ada kerja

2 NH4NO3(s) → 2 N2(g) + 4 H2O(g) + O2(g)

H2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(g)

2 SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g)

Kerja oleh/terhadap sistem?

17

Kalorimetri

Metoda penentuan panas dilepaskan/ diserap reaksi atau perubahan fisika

• Kalorimeter Bom → volume konstan (∆E = qv)• Kalorimeter cangkir kopi → tekanan konstan

(∆E = qp)Pada keduanya berlaku hubungan,Panas dilepaskan reaksi = panas diterima

kalorimeter + panas diterima airKonstanta kalorimeter = kapasitas panas

kalorimeter → panas diperlukan kalorimeter untuk menaikkan suhu 1 oC.

18

Reaksi NaOH dengan HCl

19

Kalorimeter

20

Mengukur Energi Reaksi Kimia

21

Menentukan konstanta kalorimeter

Kedalam kalorimeter dimasukkan 3000 g air. Kemudian dimasukkan senyawa yang menghasilkan 9,598 kJ. Suhu naik 0,629 oC. Berapa nilai konstanta kalorimeter?

Panas diterima air = masa air x kapasitas panas air x perubahan suhu= 3000 g x 4,184 J/g.oC x 0,629 oC = 7895 J

Panas diterima kalorimeter= panas hasil reaksi – panas diterima air= 9598 J – 7895 J = 1703 J = 1,703 kJ

Kapasitas panas = 1,703 kJ/0,629 oC = 2,71 kJ/oC

22

Contoh pemakaian

1,000 g sampel etanol dibakar dalam kalorimeter bom yang berisi 3000 g air. Suhu naik dari 24,284 oC menjadi 26,225 oC. Tentukan nilai ∆E dalam J/g dan kJ/mol etanol.

C2H5OH(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l)

Perubahan suhu = 26,225 oC - 24,284 oC = 1,941 oCPanas diterima air = 3000 g x 4,184 J/g. oC x 1,941 oC = 2,436 x 104 J

= 24,36 kJPanas diterima kalorimeter = 2,71 kJ/oC x 1,941 oC = 5,26 kJ.Panas total = 24,36 kJ + 5,26 kJ = 29,62 kJ

Panas reaksi = -29,62 kJ/g etanol x 46,07 g/mol = - 1365 kJ/mol etanol

23

Problem1. A 2.00-g sample of hydrazine, N2H4, is burned in a bomb

calorimeter that contains 6.40 x103 g of H2O, and the temperature increases from 25.00°C to 26.17°C. The heat capacity of the calorimeter is 3.76 kJ/°C. Calculate E for the combustion of N2H4 in kJ/g and in kJ/mol.

2. A nutritionist determines the caloric value of a 10.00- gram sample of beef fat by burning it in a bomb calorimeter. The calorimeter held 2.500 kg of water, the heat capacity of the bomb is 1.360 kJ/°C, and the temperature of the calorimeter increased from 25.0°C to 56.9°C. (a) Calculate the number of joules released per gram of beef fat. (b) One nutritional Calorie is 1 kcal or 4184 joules. What is the dietary, caloric value of beef fat, in nutritional Calories per gram?

24

Kalorimeter cangkir kopi

50,0 ml larutan tembaga(II) sulfat pada suhu 23,35 oC dicampur dengan 50 ml larutan NaOH, juga pada 23,35 oC dalam kalorimeter cangkir kopi dengan kapasitas panas 24,0 J/ oC. Setelah reaksi berlangsung, suhu berobah menjadi 26,65 oC. Densiti larutan akhir adalah 1,02 g/ml. Hitung jumlah energi dibebaskan.

Cu(SO4)(aq) + 2NaOH(aq) → Cu(OH)2(s) + Na2SO4(aq)

Masa larutan = (50+50)ml x 1,02g/ml = 102 gPanas diserap larutan = 102 g x 4,18 J/g.oC x (26,65-23,35) oC = 1,41

x 103 JPanas diserap kalorimeter = 24,0 J/ oC x (26,65-23,35) oC = 79 J.Jumlah panas diserap = 1,41 x 103 J + 79 J = 1,49 x 103J.Jadi jumlah panas dilepaskan = 1,49 kJ.

25

Problem1. A 5.1-gram piece of gold jewelry is removed from water at

100.0°C and placed in a coffee-cup calorimeter containing 16.9 g of water at 22.5°C. The equilibrium temperature of the water and jewelry is 23.2°C. The calorimeter constant is known from calibration experiments to be 1.87 J/°C. What is the specific heat of this piece of jewelry? The specific heat of pure gold is 0.129 J/g °C. Is the jewelry pure gold?

2. A coffee-cup calorimeter having a heat capacity of 472 J/°C is used to measure the heat evolved when the following aqueous solutions, both initially at 22.6°C, are mixed: 100. g of solution containing 6.62 g of lead(II) nitrate, Pb(NO3)2, and 100. g of solution containing 6.00 g of sodium iodide, NaI. The final temperature is 24.2°C. Assume that the specific heat of the mixture is the same as that for water, 4.18 J/g.°C. The reaction is

Pb(NO3)2(aq) + 2NaI(aq) → PbI2 (s) + 2NaNO3 (aq)

(a) Calculate the heat evolved in the reaction. (b) Calculate the H for the reaction under the conditions of the experiment.

26

Problem

27

Perubahan Entalpi, ∆H

Perobahan entalpi, ∆H, adalah panas reaksi pada tekanan tetap.

∆H = ∆E + P∆V∆E = q + w w = -p∆V

∆H = q + w + P∆V

∆H = qP (pada P dan T konstan)

Reaksi pembakaran etanol,W = -P∆V = -(∆n)RT = -(-1 mol)(8,314J/mol.K)(298 K) = +2,48 x 103 J.∆H = -1365 kJ/mol – 2,48 kJ/mol = -1367 kJ/mol

28

Keadaan Standar

• Tekanan = 1 atm• Suhu = 25 oC = 298 K• Senyawa:

- padatan/cairan → zat murni - gas → tekanan 1 atm

- larutan → konsentrasi 1 M

Entalpi pembentukan molar standar, ∆Hof, adalah jumlah energi

diserap pada reaksi pembentukan satu mol senyawa dari unsur-unsurnya dalam keadaan standar (Appendix K)

H2(g) + Br2(l) → 2HBr(g) + 72,8 kJ ∆Ho = - 72,8 kJ/mol½ H2(g) + ½ Br2(l) → HBr(g) + 36,4 kJ ∆Ho = - 36,4 kJ/mol

∆Hof HBr(g) = - 36,4 kJ/mol

29

Nilai beberapa H0f

30

H pembentukan

31

Hukum Hess

Perobahan entalpi reaksi akan sama apakah reaksi itu berlangsung satu tahap atau dalam beberapa tahap

∆H0reaksi = ∆H0

A + ∆H0B + ∆H0

C + ….

Secara umum dalam suatu reaksi

∆H0reaksi = ∑n∆H0

f produk - ∆H0f reaktan

32

33

34

35

Pemakaian hukum Hess

36

Energi ikatan (Bond Energy, BE) Jumlah Energi diperlukan untuk memutus 1 mol ikatan

kovalen senyawa gas membentuk produk dalam keadaan gas

37

Perubahan Entalpi dari energi ikatan

∆H0reaksi = ∑BEreaktan - ∑BEproduk

Tentukan nilai ∆H pembakaran butana menggunakan energi ikatan

C4H10(g) + 13/2 O2 → 4 CO2(g) + 5 H2O(g)

∆H0reaksi = (10 BEC-H + 3 BEC-C + 13/2 BEO=O) – (8 BEC=O + 10

BEOH)

= (10 x 414 + 3 x 347 + 13/2 x 498) – (8 x 741 + 10 x 464)

= 8418 – 10568

= - 2150 kJ/mol

38

Problem in book

39

Tentukan nilai perubahan entalpi

40

Problem

41