KIMIA FISIKA

• Ilmu yang mempelajari fenomena makroskopik, mikroskopik, atom, sub atom, dan partikel dalam sistem dan proses-proses kimia berdasarkan prinsip-prinsip dan konsep fisika.

• Bidang ilmu antara lain termodinamika kimia, kimia kuantum dan kinetika kimia, elektrokimia, kimia permukaan, kimia padatan, dan spektroskopi

• Kimia fisik banyak menggunakan konsep-konsep dan prinsip fisika klasik (seperti energi, entropi, suhu, tekanan, tegangan permukaan, viskositas, hukum coulomb, interaksi dipol), fisika kuantum ( seperti foton, bilangan kuantum, spin, kebolehjadian, prinsip ketidakpastian) maupun mekanika statistik ( seperti fungsi partisi, distribusi Boltzman)

• Istilah kimia fisik pertamakali digunakan oleh Mikhail Lomonosov tahun 1752

• Kimiawan Fisika :

- Arrhenius

- Debye

- JW.Gibbs

- J.H.van’t Hoff

Sejarah

KIMIA FISIKA I

I. PENDAHULUAN

II.GAS

III. TEORI KINETIKA MOLEKULER GAS IDEAL

IV. CAIRAN

V. PADATAN

VI. TERMODINAMIKA KIMIA

PENDAHULUAN

• Keadaan Materi :

- gas, cairan, padatan

- Bergantung pada tekanan dan

temperatur

• GAS : tidak mempunyai bentuk yang tetap, bentuk sesuai dengan wadah, dapat dimampatkan dan dimuaikan, tidak punya volume tertentu.

• CAIRAN : tidak punya bentuk khas, relatif bergerak ke segala arah, bentuk sesuai wadah, volume khas, tidak mutlak tak termampatkan.

• ZAT PADAT : bentuk dan volume tertentu, molekul tidak bisa berpindah, gaya tarik antar molekul sangat kuat.

Persamaan Keadaan

• Keadaan zat tunggal digambarkan oleh empat variabel yaitu jumlah mol, tekanan, temperatur, dan volume.

• Hubungan antara besaran-besaran tersebut → persamaan keadaan

• V=f(n,P,T)

• MOL

1 mol zat mengandung jumlah atom (atau molekul, ion ) sebanyak atom yamg dikandung oleh 12 gram atom C12

Kuantitas molar = kuantitas per mol :

-volume molar Vn = V/n

-massa molar = M=m/n

• Tekanan

Gaya per satuan luas

satuan SI= pascal (Pa) =1 N/m2

satuan yang lain : bar,atm,torr

1 bar=100 kPa

1 atm=101,325 kPa

1 atm=760 mmHg=760 torr

Tekanan atmosfer diukur dengan barometer

Di lab : manometer: terbuka dan tertutup

• Temperatur

- Konsep muncul dari pengamatan terhadap energi yang dapat mengalir.

- Sifat yang menunjukkan arah aliran energi

- Hukum ke nol termodinamika: Jika A dalam kesetimbangan termal dengan B dan B dalam keadaan setimbang termal dengan C maka C juga setimbang termal dengan A.

G A S

• Kumpulan molekul-molekul dengan gerakan kacau atau tidak teratur tetapi berkesinambungan dengan kecepatan yang bertambah sesuai dengan peningkatan temperatur.

• Jarak antar molekul relatif jauh dibandingkan dengan cairan

HUKUM GAS SEMPURNA

• HUKUM BOYLE

Pada temperatur tetap, volume sejumlah tertentu gas berbanding terbalik dengan tekanannya

P = k/V

PV = tetap (pada n,T tetap )

P1V1=P2V2

• Contoh soal

1.Berapakah tekanan yang diperlukan untuk menekan 4,24 dm3 gas pada 412 torr menjadi 1,56 dm3 dalam keadaan isotermis?

2. Sejumlah tertentu gas diekspansi dari tekanan 760 torr menjadi 250 torr pada temperatur tetap. Bila volume mula-mula adalah 10 dm3, hitunglah volume akhir.

• Isoterm gas ideal (P vs V)

Hukum Gay-Lussac

• Menggambarkan respon gas terhadap temperatur

• Pada tekanan tetap volume dari sejumlah tertentu gas berbanding lurus dengan temperatur.

• V~T ( pada n, P tetap)

• V=k2T

V/T =konstan atau V1/V2=T1/T2

• Hukum Boyle-Gay Lussac

P1V1/T1=P2V2/T2

Contoh Soal

1. Dalam proses industri nitrogen dipanaskan sampai 500 K dalam wadah bervolume tetap. Jika gas tersebut memasuki wadah pada tekanan 100 atm dan temperatur 300K, Berapa tekanan yang dilakukan nya pada temperatur tinggi?

• 2. Suatu silinder berisi gas N2 yang terkompresi pada 120 atm dan temperatur 20ºC.Apabila dibuka tutupnya N2 akan menempati suatu ruang dengan volume 200 dm3 pada 20ºC dan 1 atm. Berapakah volume silinder?

Grafik isobar gas sempurna

• Grafik V vs T

V

T

Hukum Avogadro

• Pada tekanan dan temperatur yang sama, volume yang sama dari pelbagai jenis gas mengandung jumlah molekul yang sama.

• V ~ n (pada P,T tetap)

• V=k3n

• Vm=V/n

Hukum Dalton

• Berlaku untuk gas campuran misalnya atmosfer.

• Tekanan yang dilakukan oleh campuran gas sempurna adalah jumlah tekanan yang dilakukan oleh masing-masing gas tersebut yang secara sendiri menempati volume yang sama.

• P=Pa+Pb+Pc+……=ΣP

• Pj=njRT/V

Tekanan Parsial

• Hukum Dalton

Tekanan total dari suatu campuran gas adalah jumlah dari tekanan parsial gas.

V

RTnP AA

Fraksi mol dan tekanan parsial

• xj=nj/n dengan n =nA + nB + nC +……• xA + xB +….. = 1• Contoh soal : Komposisi persentase massa udara kering

pada ketinggian yang sama dengan permukaan air laut kurang lebih sbb. N2=75,5 O2=23,2 Ar=1,3 Bagaimana tekanan parsial tiap komponen jika tekanan total=1 atm?

Teori Efusi Graham

• Laju efusi gas pada tekanan dan temperatur yang sama berbanding terbalik dengan akar kuadrat kerapatannya.

• v1/v2=(d2/d1)1/2

dan juga

d2/d1=M2/M1

Persamaan gas sempurna

• Diturunkan dari hukum-huklum dasar gas yaitu hukum Boyle, Gay Lussac, Avogadro.

PV=nRT

Penggunaan persamaan gas sempurna :

-Penentuan Berat molekul

-Penentuan tekanan uap zat cair

Contoh soal

1.Gas sempurna 340 K dipanaskan pada tekanan tetap sampai volumenya bertambah 14 %. Berapa temperatur akhir gas?

2. Sampel 255 mg gas Neon menempati 3,00L pada 122K. Gunakan hukum gas sempurna untuk menghitung tekanan gas.

3.Rapatan suatu campuran gas adalah 1,23 gL-1pada 330 K dan 150 Torr. Berapa massa molar campuran tersebut?

4. Dalam suatu eksperimen untuk menghitung massa molar suatu gas, 250 cm3 gas ditempatkan dalam tabung gas. Tekanannya adalah 152 torr pada 298 K dan setelah koreksi untuk efek daya apung massa gas adalah 33,5 mg. Berapakah massa molar gas?

GAS NYATA

• Bersifat tidak sempurna

• Tidak mematuhi hukum-hukum dasar gas

• Ada penyimpangan terhadap gas ideal pada tekanan tinggi dan temperatur rendah

• Khususnya pada saat gas akan mengembun menjadi cairan.

Interaksi Molekuler

• Gas nyata memperlihatkan penyimpangan dari gas sempurna karena interaksi molekulnya.

• Gaya tolak antar molekul → pemuaian• Gaya tarik antar molekul → pemampatan• Gaya tolak antar molekul netral= interaksi

jarak pendek• Gaya tarik tidak efektif jika molekul

terpisah jauh.

• Variasi energi potensial dua molekul

Ep

pemisahan

Faktor Pemampatan

• Menunjukkan besarnya penyimpangan gas nyata terhadap gas sempurna.

RT

PVZ m

• Untuk gas sempurna Z=1 untuk semua kondisi, penyimpangan Z dari 1 adalah ukuran ketidak sempurnaan.

• Pada tekanan yang sangat rendah semua gas Z=1

• Pada tekanan tinggi semua gas Z>1= gas sulit dimampatkan= gaya tolak menang

• Pada tekanan menengah beberapa gas mempunyai Z<1 = gaya tarik menang =mudah dimampatkan.

• Kurva Z-P untuk beberapa jenis gas pada 0ºC.

1

Z

PP

N2 CH4

H2

NH3

Gas ideal

• Kurva Z-P pada berbagai T untuk gas CH4

200K

500K640K

1000K

Gas sempurna pada semuaT

0

1

Z

P

• Pada T<640 K semua kurva Z-P memperlihatkan titik minimum dan (əZ/əP)<0(arah lereng kurva pada P=0 adalah negatif.

• Pada T>640, Z>1 pada semua tekanan dan (əZ/əP)>0

• Pada 640K garis Z=1 menyinggung kurva Z-P pada P=0 dan (əZ/əP)=0 = Temperatur Boyle

• Temperatur Boyle beberapa jenis gas

• Jenis gas He H2 N2 udara O2 CH4

TB 24 107 324 347 423 640

Hukum Gas Van Der Waals

2

2

2

2

V

an

nbV

nRTP

nRTnbVV

anP

• Van der Waals melakukan koreksi terhadap tekanan dan volume.

• Koreksi terhadap tekanan didasarkan atas pertimbangan bahwa antara molekul-molekul gas terdapat gaya tarik menarik.

• Pideal = Pteramati + P’

• P’= tekanan yang disebabkan oleh gaya tarik menarik antar molekul

• Koreksi terhadap volume dalam persamaan gas ideal diperlukan karena gas mempunyai volume tersendiri

• Persamaan Van der Waals pada titik kritis

2CC

CC

V

a

bV

RTP

• Pada titik kritis berlaku:

0

0

2

2

V

P

V

P

T

Rb

aT

b

aP

bV

C

C

C

27

827

3

2

Prinsip Keadaan Bersesuaian

• Tekanan tereduksi, Pr=P/PC

• Volume tereduksi, Vr= V/VC

• Temperatur tereduksi, Tr =T/TCP

2

3

13

8

rr

rr

VV

TP

CAIRAN

• Fluiditas (daya alir) merupakan sifat paling khas dari cairan dan gas.

• Fluiditas berlawanan dengan rigiditas (kekakuan)

• Cairan mempunyai volume tertentu tetapi bentuknya tidak tetap.

• Difusi merupakan karakteristik lainnya dari cairan dan gas.

Gaya antar Molekul

• Gaya antar molekul berbeda dengan gaya intra molekul (ikatan kovalen).

• Ikatan kovalen diantara atom memantapkan dan mempertahankan struktur molekul diskrit dan efeknya bersifat kuat, mengarah dan hanya pada jarak pendek.

• Perbedaan antar gaya antar molekul dengan gaya intra molekul:

1.Gaya antar molekul biasanya lebih lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen misalnya diperlukan 239kJ untuk memutuskan 1 mol ikatan kovalen Cl-Cl tetapi hanya 1,2 Kj untuk mengatasi satu mol tarik-menarik Ar-Ar

2.Gaya antar molekul jauh lebih tidak terarah dibandingkan ikatan kovalen

3.Gaya antar molekul bekerja pada daerah jelajah yang lebih jauh dari ikatan kovalen

• Semua gaya antar molekul dan intra molekul timbul karena materi terdiri atas partikel yang bermuatan listrik.

• Gaya antar molekul dibedakan berdasarkan pada kekuatan,arah dan jelajahnya.

• Sering kali sifat fisika dan kimia cairan dan padatan dapat diprediksi berdasarkan jenis gaya antar molekul yang menonjol dalam organisasi internalnya.

• Gaya ion-ion

Satuan organisasi dalam padatan dan cairan adalah partikel bermuatan listrik monoatomik seperti Na+ , Cl+ , dan Ca2+ dan poliatomik seperti NH4

+ dan SO42-.

Interaksi utama diantara ion-ion ini adalah gaya tarik atau gaya tolak elektrostatik (gaya coulomb)yang menghasilkan potensial coulomb.

• Gaya dwi kutub-dwi kutub

• Dua molekul polar berinteraksi melalui gaya dwi kutub-dwi kutub. Gaya ini bergantung pada orientasi kedua molekul sehingga dapat saling menolak atau saling menarik.

• Gerakan acak dari molekul polar dalam gas atau cairan dapat menghasilkan berbagai orientasi dwikutub-dwi kutub sementara yang menguntungkan dari segi energi.

• Gaya Ion-dwi kutub

Suatu molekul polar berinteraksi dengan ion positif maupun ion negatif. Interaksi antara molekul pelarut polar misalnya air dan ion terlarut merupakan kasus yang paling lazim dari interaksi ion-dwi kutub.

Pelarutan spesies ionik terjadi melalui gaya ion-dwi kutub. Setiap ion negatif dalam larutan dikelilingi oleh molekul air yang mengarahkan ujung ujung positif dari momen dwi kutubnya ke arah ion negatif

Setiap ion yang dilarutkan dalam air dan kulit solvasi dari molekul-molekul air yang mengelilinginya merupakan kesatuan yang dipegangi oleh gaya ion-dwi kutub.

• Gaya dwi kutub Terinduksi

Elektron-elektron dalam molekul atau atom non polar terdistribusi secara simetris, tetapi distribusinya dapat terganggu oleh muatan listrik yang mendekat. Misalnya satu atom argon tidak memiliki momen dwi kutub, tetapi ion Na+ yang mendekat ( dengan muatan positifnya) menarik elektron pada sisi dekatnya jauh lebih kuat dari sisi yang jauh

• Gaya dwi kutub terinduksi-dwi kutub terinduksi / Gaya dispersi London

• Biasanya terdapat pada atom gas mulia, gaya tarik muncul dari gaya dispersi yang ada di antara semua atom dan molekul. Gaya ini timbul dari fluktuasi karena adanya distribusi elektron pada dua atom atau molekul yang bertetangga. Fluktuasi dalam satu molekul manghasilkan dwi kutub sementara yang akan menginduksi dwi kutub sementara kedua pada atom atau molekul lainnya.

Ikatan hidrogen

• Jenis khusus interaksi dipol-dipol antara atom hidrogen dalam ikatan polar seperti N-H, O-H, atau F-H dengan atom elektronegatif O, N, atau F.

• Interaksi ini ditulis A-H.....B atau A-H....A

Gaya antar molekul dalam cairan

• Pada suhu yang sangat tinggi semua jenis gaya antar molekul yang terdapat dalam cairan dan padatan diabaikan karena tingginya energi kinetik molekul yang mengacaukan semua tarikan yang mungkin.

• Semakin kuat gaya tarikan, semakin besar kestabilan cairan dibandingkan fasa gasnya dan semakin tinggi titik didih normalnya.

• Cairan ionik biasanya memiliki tarikan yang paling kuat karena interaksi coulomb dari ion bermuatan sehingga titik didihnya sangat tinggi.

• Lelehan NaCl mendidih pada 1686K, Helium titik didihnya 4,2K

• > massa molar, titik didih>

Karakteristik Air

• Air menyusun 0,023% massa total bumi• 1,4 x 1021 kg tersebar di atas, pada dan di

permukaan bumi• 97,7% di samudra, 1,9%dalam bentuk es

atau salju sisanya berupa air tawar di danau, sungai, air tanah dan uap air di atmosfir.

• Air memiliki rapatan maksimum pada 4˚Cdan akan berexpansi jika dibekukan.

• Sifat tak lazim air ini disebabkan karena ikatan hidrogen

• Transisi fasa yang dialami oleh air :

Padat-gas : sublimasi, deposisi

Padat-Cair : pelelehan, pembekuan

Gas-cair : kondensasi, penguapan

• Pendidihan

• Titik didih

• Titik didih normal

Viskositas

• Viskositas cairan adalah indeks hambatan aliran cairan .

• Pengukuran koefisien viskositas

1.Viskometer Oswald: yang diukur adalah waktu yang diperlukan oleh sejumlah tertentu cairan untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan oleh berat cairan tersebut.

• 2. Metode Bola Jatuh

Berhubungan dengan gaya gravitasi yang seimbang dengan gerakan aliran pekat

Tegangan Permukaan

Adalah kerja yang dilakukan untuk memperluas permukaan cairan satu satuan luas

Sudut Kontak= sudut yang dibuat oleh permukaan cairan dengan permukaan padatan