Myra Wardati Sari Silvia Agusrini

1508025 1508027

AZAS REKAYASA PROSES

Departemen Perindustrian Sekolah Tinggi Manajemen Industri

Teknik Kimia Industri 2008

Padat

Mencair, meleleh, melebur Menguap, mendidih

mengembun Cair

membeku

1. Kinetika Molekul Cairan dan PadatanMenyublim

Gas Zat dapat berada dalam tiga wujud, yaitu padat (solid), cair (liquid), dan gas. Wujud zat tergantung pada suhu. Seperti pada air, pada suhu 1000C berwujud

Yang akan dibahas kali ini adalah zat yang berbentuk padatan dan cairan. gas, di bawah suhu itu berwujud cair, dan pada suhu 00C berwujud es (padat). Hubungan ketiga macam wujud zat apat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 2 Perubahan Fasa Zat

Perbedaan utama antara wujud terkondensasi (cair dan padat) dan wujud gas terletak pada jarak antara molekulnya. Dalam cairan molekul-molekulnya saling berdekatan sehingga hanya tersisa sedikit ruang kosong. Jadi cairn lebih sulit dimampatkan daripada gas dan jauh lebih rapat pada kondisi normal. Molekulmolekul dalam cairan terikat melalui satu atau lebih gaya tarik. Cairan juga memiliki volume tertentu, karena molekul-molekul dalam cairan tidak saling memisah karena adanya gaya tarik tersebut. Tetapi molekul tersebut dapat bertukar tempat dengan bebas, sehingga cairan dapat mengalir, dapat dituang, dan memiliki bentuk seperti wadahnya. Dalam padatan, molekul-molekul terikat dengan kaku pada tempatnya tanpa bebas bergerak. Padatan mempunyai ruang kosong lebih sedikit dibandingkan cairan. Jadi padatan hampir tidak dapat dimampatkan dan memiliki bentuk dan volume tertentu. Dengan sedikit pengecualian (salah satu yang terpenting adalah air), kerapatan padatan lebih tingi daripada kerapatan cairan untuk zat tertentu. 2

Wujud Materi Gas

Volume/Bentuk Mengambil bentuk dan volume wadahnya Memiliki volume

Kerapatan Rendah

Ketermampatan Sangat termampatkan

Gerak Molekul Sangat bebas bergerak Meluncur satu terhadap yang lain dengan bebas Bergetar di tempat tertentu

Cairan

tertentu tetapi mengambil bentuk wadahnya Memiliki volume dan

Tinggi

Sedikit termampatkan Hampir tak

Padatan

bentuk tertentu termampatkan Tabel 3 Ciri Khas Gas, Cairan, dan Padatan

Tinggi

2. Gaya AntarmolekulGaya tarik di antara molekul-molekul, disebut gaya antarmolekul (intermolecular forces). Gaya ini yang menentukan keberadaan materi cairan dan padatan. Ketika suhu gas turun, energi kinetik rata-rata molekulnya turun. Akhirnya pada suhu yang cukup rendah, molekul-molekul itu tidak lagi memiliki cukup energi untuk memisahkan diri dari tarikan molekul lainnya. Pada titik ini, molekul-molekul mengelompok untuk membentuk tetes-tetes cairan yang kecil. Secara singkat perubahan wujud dapat dilihat pada gambar 1. Berbeda dengan gaya antarmolekul, gaya intramolekul (intramolecular forces) yaitu gaya yang mengikat atom-atom dalam molekul. Gaya intramolekul menstabilkan molekul masing-masing, sedangkan gaya antarmolekul terutama menyebabkan sifat-sifat materi dalam jumlah besar, misalnya titik leleh, titik lebur. Umumnya, gaya antarmolekul jauh lebih lemah daripada gaya intermolekul. Jadi biasanya diperlukan energi yang jauh lebih kecil untuk menguapkan cairan daripada untuk memutuskan ikatan dalam molekul cairan. Sebagai contoh, diperlukan sekitar 41 kJ energi untuk menguapkan 1 mol air pada titik didihnya; namun dibutuhkan 930 kJ energi untuk memutuskan dua ikatan OH dalam 1 mol molekul air. Pada titik didih, energi yang cukup harus diberikan untuk mengatasi gaya raikmenarik antarmolekul untuk dapat memasuki fasa uap. Asas yang sama juga dapat diterapkan untuk titik leleh zat. Secara umum titik leleh zat naik dengan meningkatnya kekuatan gaya antarmolekul. Untuk memahami sifat-sifat materi cairan dan padatan, terlebih dahulu harus

3

memahami berbagai jenis gaya antarmolekul. Gaya dipol-dipol, gaya dipol-dipol terinduksi, dan gaya dispersi mencakup dalam gaya yang sering disebut sebagai gaya van der Waals. Ion dan dipol saling tarik-menarik dengan gaya elektrostatik yang disebut gaya ion-dipol; gaya ini bukanlah gaya van der Waals. Ikatan Hidrogen merupakan nteraksi dipol-dipol yang cukup kuat. Bergantung pada wujud fisik zat (yaitu, gas, cair, padat), sifat ikatan kimia, dan jenis-jenis unsur yang ada, lebih dari satu jenis interaksi yang mungkin menyumbang pada gaya tarik-menarik total antara molekul.

3. Wujud CairReaksi kimia yang penting dan menarik banyak terjadi dalam air dan pelarut cair lainnya. Sifat cairan seperti viskositas dan tegangan permukaan dapat dikaitkan dengan gaya antarmolekul.

Tegangan PermukaanMolekul-molekul dalam suatu cairan ditarik ke segala arah oleh gaya antarmolekul; tidak ada kecenderungan untuk ditarik ke arah tertentu. Tetapi molekulmolekul pada permukaan ditarik ke bawah dan ke samping oleh molekul-molekul lainnya, tetapi tidak ke atas ke luar permukaan. Jadi tarik-menarik antarmolekul ini cenderung menarik molekul-molekul ke dalam cairan dan menyebabkan permukaan menegang seperti lapisan tipis elastis. Ukuran gaya elastis pada permukaan cairan adalah tegangan permukaan. Tegangan permukaan (surface tension) adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menarik atau memperluas permukaan sebesar satu satuan luas. Wujud dari tegangan permukaan adalah aksi kapiler. Aksi kapiler disebabkan oleh dua jenis gaya, yaitu kohesi adalah tarik-menarik antarmolekul-molekul yang sama, dan adhesi adalah tarik-menarik antara molekul-molekul yang berbeda. Tegangan permukaan juga yang menyebabkan cairan cenderung membentuk tetesan bulat atau membentuk permukaan melengkung, atau meniskus, bila cairan bersentuhan dengan suatu wadah. Baik dalam hal tetesan maupun meniskus, permukaan melengkung yang terbentukk itu mempunyai luas yang sekecil mungkin pada suasana itu dan karena itu meminimalkan 4

energi permukaan.

O H

Viskositas H

Viskositas (viscosity) adalah ukuran hambatan suatu fluida untuk mengalir. Makin besar viskositas, makin lambat aliran cairan. Viskositas cairan cairan biasanya turun dengan meningkatnya suhu. Cairan yang mempunyai gaya antarmolekul yang kuat memiliki viskositas yang lebih besar dibandingkan cairan yang memiliki gaya antarmolekul yang lemah. Seperti air, gliserol dapat membentuk ikatan hidrogen. Setiap molekul gliserol memiliki tiga gugus OH yang dapat turut serta dalam ikatan hidrogen dengan molkeul gliserol yang lain. Selain itu, karena bentuknya, molekul-molekul ini memiliki kecenderungan besar untuk menyangkut daripada menggelicir antara molekul satu dan yang lain seperti molekul dalam cairan yang kurang kental. Interaksi ini menyumbang pada tingginya nilai viskositas.

Struktur dan Sifat AirAlasan air memiliki kalor jenis yang tinggi (4.184 J/g oC) adalah bahwa untuk menaikkan suhu air (yaitu, untuk meningkatkan energi kinetik rata-rata molekul air), pertama-tama kita harus memutuskan banyak ikatan hidrogen antarmolekul. Jadi, air dapat menyerap sejumlah kalor yang cukup besar untuk menaikkan sedikit suhunya. Air juga dapat melepaskan kalor dengan jumlah yang banyak dengan sedikit penurunan suhunya. Dengan alasan ini, sejumlah besar air yang ada di danau dan lautan dapat secara efektif menjaga iklim di daratan sekitarnya dengan menyerap kalor pada musim panas dan melepaskan kalor pada musim dingin, dengan hanya perubahan suhu yang kecil dalam air tersebut. Sifat air yang paling menonjol adalah bahwa bentuk padatnya kurang rapat dibandingkan dengan bentuk cairnya. Sepotong es batu terapung di atas permukaan air di dalam gelas. Ini adalah sifat yang unik. Kerapatan hampir semua zat yang lain selalu lebih besar saat berwujud padat daripada saat berwujud cair.

5

Air memiliki dua pasang elektron bebas pada atom oksigen. Walaupun banyak senyawa mampu membentuk ikatan hidrogen antarmolekul, namun pada molekul air, setiap atom oksigen dapat membentuk dua ikatan hidrogen, sama dengan jumlah electrn bebas pada atom bebas pada oksigen. Jadi molekul air saling berikatan dalam statu jeringan tiga dimensi yang luas di mana setiap atom oksigen Kira-kira terikat secara tetrahedral dengan empat atom hidrogen, dua dengan ikatan ikatan kovalen dan dua dengan ikatan hidrogen. Kesamaan jumlah atom hidrogen dan pasangan elektron bebas ini bukan merupakan ciri khas NH3 atau HF atau molekul lainnya yang dapat membentuk ikatan hidrogen. Akibatnya molekul-molekul lain dapat membentuk cincin atau rantai tapi bukan struktur tiga dimensi. Sedangkan struktur tiga dimensi es yang sangat teratur mencegah molekulmolekul untuk terlalu dekat satu sama lain. Pada titik leleh, sejumlah molekul air mempunyai cukup energi kinetik untuk membebaskan diri dari ikatan hidrogen antarmolekul. Molekul-molekul ini menjadi terperangkap dalam rongga-rongga struktur tiga dimensi, yang terpecah-pecah menjadi kumpulan-kumpulan yang lebih kecil. Hasilnya adalah lebih banyak molekul per satuan volume dalam air cair daripada dalam es. Jadi karena kerapatan = massa/volume, keapatan air lebih besar daripada kerapat es. Dengan pemanasan lebih lanjut, lebih banyak molekul air yang terbebaskan dari ikatan hidrogen antarmolekul, sehingga hanya sedikit di atas titik leleh kerapatan air cenderung untuk naik dengan meningkatnya suhu. Tentu, pada saat yang sama, air akan memuai akibat pemanasan, yang menghasilkan penurunan kerapatan. Dari 0oC hingga 4oC, penjebakan yang lebih dominan dan air menjadi semakin rapat. Tetapi di atas 4oC, pemuaian termal mendominasi dan kerapatan air turun dengan naiknya suhu. Cairan dalam wadah tertutup pada akhirnya membentuk kesetimbangan dinamis antara penguapan dan pengembunan. Tekanan uap di atas cairan pada kondisi ini adalah tekanan uap kesetimbangan, yang sering disebut secara ringkas sebagai tekanan uap. Pada titik didih, tekanan uap cairan sama dengan tekanan luar. Kalor penguapan molar cairan adalah energi yang dibutuhkan untuk menguapkan 1 mol cairan.

6

4. Struktur KristalPadatan dapat dibagi menjadi dua kelompok: kristal dan amorf. Es merupakan padatan kristal (crystalline solid) yang memiliki keteraturan yang kaku dan menjangkau-jauh; atom-atomnya, molekul-molekulnya tau ion-ionnya menempati tempat tertentu. Susunan atom, molekul, atau ion dalam padatan kristal adalah sedemikian rupa sehingga gaya tarik-menarik antarmolekul neto pada keadaan maksimumnya. Gaya yang menyebabkan kestabilan kristal dapat berupa gaya ion, ikatan kovalen, gaya van der Waals, ikatan hidrogen, atau kombinasi gaya-gaya ini. Padatan amorf seperti gelas tidak memiliki susunan yang tertata dengan baik dan keteraturan molekul yang menjangkau-jauh. Ter dan kaca merupakan zat padat amorf. Tidak seperti zat padat pada kristal, zat amorf tidak mempunyai titik-titik leleh tertentu yang tepat. Sebaliknya zat amorf melunak secara bertahap bila dipanasi dan meleleh dalam suatu jangka temperatur. Satuan struktur dasar yang berulang pada padatan kristal disebut sel satuan (unit cell). Setiap bola dalam struktur padatan kristal mewakili satu atom, ion, atau molekul yang disenut titik kisi (lattice point). Dalam banyak kristal, titik kisi tidak sungguh-sungguh mengandung satu atom, ion, atau molekul, melainkan beberapa atom, ion, molekul yang secara identik tersusun di sekitar setiap titik kisi. Namun dapat disederhanakan bahwa setiap titik kisi ditempati oleh satu atom. Setiap padatan kristal dapat digambarkan sebagai salah satu dari tujuh jenis sel satuan. Secara khusus bentuk sel satuan kubus adalah sederhana karena semua sisi dan semua sudutnya adalah sama. Setiap satuan sel yang berulang dalam seluruh ruang tiga dimensi, membentuk struktur kisi yang mencirikan suatu padatan kristal.

Gambar 2 Satu sel Satuan

Dua zat yang memiliki struktur kristal yang sama disebut isomorf. Rumus

7

pasangan zat semcam itu biasanya menunjukkan angkabanding atom-atomnya sama. Misalnya: NaF dan MgO Cr2O3 dan Fe2O3 K2SO4 dan K2SeO4 NaNO3 dan CaCO3 1:1 2:3 2:1:4 1:1:3

Zat-zat isomorf dapat atau tidak dapat mengkristal bersama-sama dalam campuran yang homogen. Dua zat serupa yang dikenal dengan baik yang tidak mengkristal secara homogen adalah NaCl dan KCl. Suatu zat tunggal yang mengkristal dalam dua atau lebih bentuk yang berlainan, dikatakan bersifat polimorf (banyak bentuk). CaCO3 (kalsium karbonat), SiO2 (silikon dioksida), S (belerang), dan C (karbon) merupakan contoh zat-zat polimorf.

5. Ikatan dalam PadatanStruktur dan sifat-sifat padatan kristal, seperti titik leleh, krapatan, dan kekerasan, ditentukan oleh gaya tarik-menarik yang mengikat partikel-partikel itu. Maka kristal dapat digolongkan menurut jenis gaya partikel: ionik, molekular, kovalen, dan logam. Pada dasarnya, ikatan kimia dapat dipelajari dengan menggunakan permodelan. Model tersebut menggambarkan kecenderungan atom unsur untuk berikatan kimia guna mencapai kondisi stabil. Kondisi stabil yang dimaksud terkait dengan konfigurasi elektron dari atom gas mulia. Jadi, jenis ikatan kimia yang menggambarkan bagaimana cara atom-atom berikatan dan struktur yang terbentuk, akan mempengaruhi sifat-sifat dari zat tersebut. Untuk memenuhi aturan Oktet atau Duplet, atom-atom dapat menerima/melepas elektron atau menggunakan elektron bersama. Peristiwa ini akan menyebabkan terbentuknya ikatan kimia Atom-atom yang menerima / melepas elektron akan membentuk ikatan ion. Atom-atom yang menggunakan elektron bersama akan membentuk ikatan kovalen.

8

Di dalam ikatan kovalen, elektron-elektron yang digunakan bersama dapat berasal dari satu atom saja. Ikatan kovalen demikian disebut ikatan kovalen kordinasi.

Atom-atom suatu unsur logam juga menggunakan elektron bersama membentuk ikatan logam.

Jenis Kristal

Gaya-gaya yang Mengikat Satuannya Tarik-menarik elektrostatis

Sifat Umum Keras, rapuh, titik leleh tinggi,

Contoh NaCl, LiF, MgO, CaCO3 Ar, CO2, I2, H2O, C12H22O11 C (intan)**, SiO2 (kuarsa) semua unsur logam, misalnya, Na, Mg, Fe, Cu

Ionik

penghantar listrik dan kalor yang buruk Lunak, titik leleh rendah, penghantar kalor dan listrik yang buruk keras, titik leleh tinggi, penghantar kalor dan listrik yanng buruk Lunak hingga keras, titik leleh

Molekular *

Gaya dispersi, gaya dipoldipol, ikatan hidrogen

Kovalen

Ikatan kovalen

Logam

Ikatan logam

dari yang rendah sampai tinggi, penghantar kalor dan

listrik yang baik * Termasuk kategori ini adalah kristal yang tersusun dari atom-atom individu ** Intan merupakan penghantar kalor yang baik Tabel 3 Jenis-jenis Kristal dan Sifat Umumnya

Kristal IonikKristal ionik mengandung ion-ion yang terikat oleh ikatan ionik. Struktur kristal ionik bergantung pada muatan kation dan anion dan pada jari-jarinya. Padatan ionik memiliki titik leleh yang tinggi, suatu tanda kuatnya gaya kohesi yang mengikat ion-ion itu. Padatan ini tidak menghantarkan listrik karena ion-ion itu tetap pada posisinya. Tetapi dalam keadaan leleh (yaitu, ketika padatan itu dilelehkan) atau dilarutkan dalam air, ion-ion tersebut bebas bergerak dan menghasilkan cairan yang dapat menghantarkan listrik.

9

Kristal MolekularKristal molekular terdiri atas atom-atom atau molekul-molekul yang terikat oleh gaya van der Waals dan/atau ikatan hidrogen. Suatu contoh kristal molekular adalah padatan belerang dioksida (SO2), yang gaya tarik utamanya adalah interaksi dipol-dipol. Secara umum, kecuali dalam es, molekul-molekul dalam kristal molekular tersusun sedekat yang dimungkinkan oleh ukuran dan bentuknya. Karena gaya van der Waals dan ikatan hidrogen secara umum cukup lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen dan ionik, kristal molekular lebih diputuskan daripada kristal ionik dan kristal koalen, dan sebagian besar kristal molekular meleleh di bawah 200oC.

Kristal KovalenDalam kristal kovalen (kadang-kadang disebut kristal jaringan kovalen), atomatom yang terikat sepenuhnya oleh ikatan kovalen dalam jaringan tiga dimensi yang luas. Tidak ada molekul yang terpisah, seperti dalam kasus padatan molekul. Contoh terkenal adalah dua alotrop karbon: intan dan grafit. Dalam intan setiap atom karbon terikat secara tetrahedral yang terikat dengan empat atom yang lain. Ikatan kovalen yang kuat dalam tiga dimensi menyumbang pada kekerasan intan yang tidak umum (intan merupakan material terkeras yang pernah dikenal) dan titik leleh yang tinggi (3550oC). Dalam grafit, atom karbon tersusun dalam cincin beranggota enam. Lapisan-lapisan pada grafit terjaga oleh gaya van der Waals. Ikatan kovalen dalam grafit menjelaskan kekerasannya; tetapi, karena lapisan-lapisan tersebut dapat bergeser satu terhadap yang lain, grafit juga terasa licin bila disentuh dan efektif sebagai pelumas. Grafit juga digunakan dalam pensil dan pita untuk printer komputer dan mesin tik. Jenis lain kristal kovalen adalah kuarsa (SiO2). Susunan atom-atom silikon dalam kuarsa serupa dengan susunan atom-atom karbon dalam intan, tetapi dalam kuarsa terdapat atom oksigen di antara setiap pasang atom Si. Karena Si dan O mempunyai keelektronegatifan yang berbeda, ikatan SiO adalah polar. Walaupun demikian, SiO2 serupa dengan intan dalam banyak hal, seperti kekerasannya dan titik lelehnya yang tinggi (1610oC)

10

Kristal LogamPada batas tertentu, struktur kristal logam merupakan yang paling sederhana untuk dibahas, karena setiap titk kisi dalam kristal ditempati oleh atom logam yang sama. Ikatan dalam logam cukup berbeda dari ikatan dalam jenis-jenis kristal lainnya. Dalam logam elektron-elektron ikatan tersebar (terdelokalisasi) di seluruh kristal. Pada kenyataannya, atom-atom logam dalam kristal dapat dibayangkan sebagai sekumpulan ion-ion positif yang tercelup dalam suatu lautan elektron valensi yang terdelokalisasi. Gaya kohesi kuat yang dihasilkan dari delokalisasi menyebabkan kekuatan logam, yang meningkat dengan bertambahnya jumlah elektron yang tersedia untuk bertambahnya ikatan. Sebagai contoh, titik leleh Natrium dengan satu elektron valensi, adal 97,6oC, sedangkan titik leleh Aluminium dengan tiga elektron valensi, adalah 660oC. Mobilitas elektron yang terdelokalisasi membuat logam menjadi penghantar kalor dan listrik yang baik.

6. Perubahan FasaSetiap wujud materi sering disebut fasa (phase), yang merupakan bagian homogen suatu sistem yang bersentuhan dengan bagian sistem yang lain tetapi dipisahkan dengan batas yang jelas. Perubahan fasa (phase change), yaitu peralihan dari satu fasa ke fasa yang lain, terjadi bila energi (biasanya dalam bentuk kalor) ditambahkan atau dilepaskan. Perubahan fasa merupakan perubahan fisis yang dicirikan dengan perubahan dalam keteraturan molekul; molekul-molekul dalam wujud padat memiliki keteraturan tertinggi, dan molekul-molekul dalam fasa gas memiliki keacakan tertinggi. Hubungan antara perubahan energi dan kenaikan atau penurunan keteraturan molekul akan membantu untuk memahami sifat perubahan fasa. Menurut teori molekul kinetik, dengan ditambahkannya energi kalor ke dalam suatu zat, energi itu digunakan untuk mengalahkan gaya-gaya tarik yang mengikat partikel-partikel. Makin tinggi temperaturnya, makin besar energi kinetik partikelpartikel. Pada titik-titik perubahan keadaan, banyak energi terlibat meskipun temperatur tetap konstan. Juga, jika perubahan disertai dengan penambahan volume, diperlukan energi untuk mendorong udara.

11

Setiap zat memiliki suhu kritis, yang di atas suhu tersebut wujud gas tidak dapat dibuat menjadi cair.Tc (oC) 132.4 -186.0 Pc (atm) 111.5 6.3

Zat Amonia (NH3) Argon (Ar) Benzena (C6H6) Karbon dioksida (CO2) Etanol (C2H5OH) Dietil eter ( C2H5COC2H5)

288.9 47.9 31.0 73.0 243.0 63.0 192.6 35.6 Merkuri (Hg) 1462.0 1036.0 Metana (CH4) -83.0 45.6 Hidrogen molekul (H2) -239.9 12.8 Nitrogen molekul (N2) -147.1 33.5 Oksigen molekul (O2) -118.8 49.7 Belerang heksafluorida (SF6) 45.5 37.6 Air (H2O) 374.4 219.5 Tabel 3 Suhu Kritis dan Tekanan Kritis Beberapa Zat

Hubungan antara ketiga fasa untuk zat tunggal disajikan oleh diagram fasa, di mana setiap daerah mewakili fasa murni dan batas daerah menunjukkan suhu dan tekanan saat kedua fasa berada dalam kesetimbangan. Pada titik tripel, ketiga fasa berada dalam kesetimbangan.

12

Daftar Pustaka

Chang, Raymond. 2003. Kimia Dasar Konsep-Konsep Inti Edisi ketiga Jilid 1. Jakarta : Erlangga Keenan, Charles W. , dkk 1980. Kimia Untuk Universitas edisi keenam. Jakarta : Erlangga Nuryati, Leila. 2001. Pengantar Kimia Anorganik 1. Bogor : Pusdiklat Deperindag SMAKBO

13