MAKALAH KIMIA FISIKA PENENTUAN JARAK ANTAR MOLEKUL TERHADAP HARGA Z

SEHINGGA BERLAKU GAS IDEAL (Z=1)

KELOMPOK VIAnggia FerdiantiByan MuslimFebri Aditya RKrisna IrawanPrima ErnestRenta UlyYuniar Nuraeni

PENENTUAN JARAK ANTAR MOLEKUL TERHADAP HARGA Z SEHINGGA BERLAKU GAS IDEAL (Z=1)

1. DASAR TEORI

Faktor kompresibilitas (Z) adalah properti termodinamik yang berguna untuk memodifikasi

hukum gas ideal untuk mempertanggungjawabkan perilaku gas nyata. Ini adalah ukuran berapa

banyak sifat-sifat termodinamika gas yang benar-benar menyimpang dari yang diharapkan dari

suatu gas ideal. Ini dapat dianggap sebagai rasio dari volume sebenarnya (nyata) dengan volume

gas yang diperkirakan oleh gas ideal pada suhu yang sama dan tekanan sebagai volume aktual.  

Untuk gas ideal, Z selalu memiliki nilai 1. Untuk gas nyata, nilai tersebut mungkin menyimpang

positif atau negatif, tergantung pada efek dari kekuatan antar gas. Semakin dekat gas nyata ke

titik kritis atau ke titik jenuh, yang lebih besar adalah deviasi gas dari perilaku ideal.  

Grafik pada Gambar 1 menggambarkan bagaimana faktor kompresibilitas berbeda untuk gas

yang berbeda pada suhu yang sama dan tekanan. Grafik di bawah menggambarkan bagaimana

faktor kompresibilitas gas (misalnya, metana) pada tekanan tertentu bervariasi dengan suhu.

Gambar 1. Grafik Perbandingan Nilai Kompresibilitas (Z) pada Gas yang Berbeda.

1.1 Penentuan Nilai-nilai Kompresibilitas Gas

Hukum gas ideal didefinisikan sebagai: 

dan hukum gas ideal dikoreksi untuk non-idealistis didefinisikan adalah: 

dimana: 

P = tekanan 

Vm = volume molar gas 

Z = kompresibilitas faktor 

R = konstanta gas Universal 

T = temperatur 

dan dengan demikian: 

yang paling sederhana dan paling luas digunakan persamaan keadaan gas nyata (EOS).

Keterbatasan utama persamaan keadaan ini adalah bahwa faktor kompresibilitas gas, Z, bukan

konstan tetapi bervariasi dari satu gas yang lain serta dengan suhu dan tekanan gas sedang

dipertimbangkan. Harus ditentukan secara eksperimental. Di mana data eksperimen yang tersedia

untuk gas tertentu, data tersebut dapat digunakan untuk menghasilkan grafik (seperti pada

Gambar 1) dari Z versus tekanan pada suhu konstan atau dari Z versus tekanan untuk berbagai

temperatur gas bagi gas-gas tertentu. Grafik seperti itu berguna untuk segera mendapatkan nilai-

nilai interpolated Z antara nilai-nilai yang ditentukan secara eksperimental.

 

Faktor kompresibilitas, sebagaimana disebutkan sebelumnya, mungkin juga dapat dinyatakan

sebagai: 

Ada tiga rezim yang mempengaruhi faktor kompresibilitas: 

1. nilai dari Z cenderung ke arah 1 sebagai tekanan gas mendekati 0, di mana semua gas ideal

cenderung ke arah perilaku 

2. nilai Z kurang dari 1 di antara tekanan karena gaya tarik-menarik antarmolekul menyebabkan

volume sebenarnya kurang dari nilai-nilai yang ideal 

3. nilai Z adalah lebih besar dari 1 dan akhirnya cenderung ke arah tak terbatas pada tekanan

tinggi karena gaya tolak antar molekul menyebabkan volume sebenarnya lebih besar dari nilai-

nilai yang ideal.

Hubungan yang unik antara faktor kompresibilitas dan suhu reduksi, Tr, dan tekanan

reduksi, Pr, pertama kali diakui oleh van der Waals pada tahun 1873 dan dikenal sebagai

parameter kedua-prinsip keadaan yang sesuai. Prinsip keadaaan-keadaan terkait generalisasi

yang mengungkapkan sifat-sifat gas yang tergantung pada gaya antarmolekul yang terkait

dengan sifat-sifat kritis gas dalam cara yang universal. Yang menyediakan dasar yang paling

penting untuk mengembangkan sifat molekuler korelasi. Sedangkan untuk kompresibilitas gas,

sesuai prinsip keadaan menunjukkan bahwa setiap gas murni pada suhu reduksi yang sama, Tr,

dan tekanan reduksi yang sama, Pr, harus memiliki faktor kompresibilitas yang sama.

Penurunan suhu dan tekanan didefinisikan sebagai: 

    

Tc dan Pc dikenal sebagai temperatur kritis dan kritis tekanan gas.

1.2 Ikatan Antarmolekul

Dayatarik antarmolekul adalah dayatarik yang terjadi antara suatu molekul dan molekul

tetangganya. Semua molekul mengalami dayatarik antarmolekul, meskipun pada beberapa kasus

dayatarik yang terjadi sangatlah lemah. Pada gas seperti hidrogen, H2. Jika gerak molekul

melalui pendinginan diperlambat, dayatarik cukup besar bagi molekul untuk tetap bersama

sampai pada akhirnya membentuk cairan dan kemudian padatan. 

Pada kasus hidrogen dayatarik sangat lemah yang mana molekul membutuhkan pendinginan

sampai 21 K (-252°C) sebelum dayatarik cukup kuat untuk mengkondensasi hidrogen menjadi

cairan. Dayatarik antarmolekul yang dimiliki oleh helium lebih lemah – molekul tidak ingin tetap

bersama untuk membentuk cairan sampai temperatur menurun sampai 4 K (-269°C). 

1.2.1 Gaya van der Waals: gaya dispersi

Gaya dispersi yang juga dikenal dengan “gaya London” (dinamakan demikian setelah

Fritz London mengusulkan untuk pertama kalinya).

1.2.1.1 Asal mula gaya dispersi van der Waals

Dipol-dipol yang berubah-ubah sementara

Dayatarik yang ada di alam bersifat elektrik. Pada molekul yang simetris seperti hidrogen,

bagaimanapun, tidak terlihat mengalami distorsi secara elektrik untuk menghasilkan bagian

positif atau bagian negatif. Akan tetapi hanya dalam bentuk rata-rata. 

Diagram dalam bentuk lonjong (the lozenge-shaped) menggambarkan molekul kecil yang

simetris – H2, boleh jadi, atau Br2. Tanda arsir menunjukkan tidak adanya distorsi secara

elektrik. 

Akan tetapi elektron terus bergerak, serta merta dan pada suatu waktu elektron tersebut mungkin

akan ditemukan di bagian ujung molekul, membentuk ujung  δ-. Pada ujung yang lain sementara

akan kekurangan elaktron dan menjadi  δ +.

Catatan:   (dibaca “delta”) berarti “agak” (slightly) – δ karena itu  + δ berarti “agak positif”.

Kondisi yang terakhir elektron dapat bergerak ke ujung yang lain, membalikkan polaritas

molekul.

“Selubung lingkarang” yang konstan dari elektron pada molekul menyebabkan fluktuasi dipol

yang cepat pada molekul yang paling simetris. Hal ini terjadi pada molekul monoatomik –

molekul gas mulia, seperti helium, yang terdiri dari atom tunggal. 

Jika kedua elektron helium berada pada salah satu sisi secara bersamaan, inti tidak terlindungi

oleh elektron sebagaimana mestinya untuk saat itu. 

Dipol-dipol sementara yang bagaimana yang membemberikan kenaikan dayaarik

antarmolekul

Bayangkan sebuah molekul yang memiliki polaritas sementara yang didekati oleh salah satu

yang terjadi menjadi termasuk non-polar hanya saat itu saja. (kejadian yang tidak disukai, tetapi

hal ini menjadikan diagram lebih mudah digambarkan. Pada kenyataannya, satu molekul lebih

menyukai memiliki polaritas yang lebih besar dibandingkan yang lain pada saat seperti itu – dan

karena itu akan menjadi yang paling dominan). 

Seperti molekul yang ditemukan pada bagian kanan, elektronnya akan cenderung untuk ditarik

oleh ujung yang agak positif pada bagian sebelah kiri. 

Hal ini menghasilkan dipol terinduksi pada penerimaan molekul, yang berorientasi pada satu

cara yang mana ujung + ditarik ke arah ujung – yang lain. 

Pada kondisi yang terakhir elektron pada bagian kiri molekul dapat bergerak ke ujung yg lain.

Pada saat terjadi hal ini, meraka akan menolak elektron pada bagian kanan yang satunya.

Polaritas kedua molekul adalah berkebalikan, tetapi molekul masih memiliki δ + tertarik δ -.

Selama molekul saling menutup satu sama lain, polaritas akan terus berfluktuasi pada kondisi

yang selaras karena itu dayatarik akan selalu terpelihara.

Tidak ada alasan kenapa hal ini dibatasi pada dua molekul. Selama molekul saling mendekat

pergerakan elektron yang selaras dapat terjadi pada molekul yang berjumlah sangat banyak. 

Diagram ini menunjukkan bagaimana cacat secara keseluruhan dari molekul yang berikatan

secara bersamaan pada suatu padatan dengan menggunakan gaya van der Waals. Pada kondisi

yang terakhir, tentunya, kamu akan menggambarkan susunan yang sedikit berbeda selama

meraka terus berubah – tetapi tetap selaras. 

1.2.1.2 Kekuatan gaya dispersi

Gaya dispersi antara molekul-molekul adalah lebih lemah dibandingkan dengan ikatan

kovalen diantara molekul. Hal ini tidak memungkinkan untuk memberikan harga yang eksak,

karena ukuran dayatarik bervariasi sekali dengan ukuran dan bentuk molekul. 

Seberapa jauh ukuran molekul memperngaruhi kekuatan ikatan daya dispersi 

Titik didih gas mulia adalah

helium -269°C

neon -246°C

argon -186°C

kripton -152°C

xenon -108°C

radon -62°C

Semua unsur tersebut berada pada molekul monoatomik.

Alasan yang mendasari bahwa titik didih meningkat sejalan dengan menurunnya posisi

unsur pada golongan adalah kenaikan jumlah elektron, dan juga tentunya jari-jari atom. Lebih

banyak elektron yang kamu miliki, dan lebih menjauh sejauh mungkin, yang paling besar

memungkikan dipol sementara terbesar dan karena itu gaya dispersi paling besar. 

Karena dipol sementara lebih besar, molekul xenon lebih melekat (stickier) dibandingkan dengan

molekul neon. Molekul neon akan berpisah satu sama lain pada temperatur yang lebih rendah

dibandingkan molekul xenon – karena itu neon memiliki titik didih yang lebih rendah. 

Hal ini adalah suatu alasan (semua yang lainnya sebanding) molekul yang lebih besar memiliki

lebih banyak elektron dan lebih menjauh dari dipol sementara yang dapat dihasilkan – dan

karena itu molekul yang lebih besar lebih melekat. 

Seberapa jauh bentuk molekul mempengaruhi kekuatan gaya dispersi 

Ukuran molekul juga begitu. Molekul yang panjang kurus dapat menghasilkan dipol

sementara yang lebih besar berdasarkan pada pergerakan elektronnya dibandingkan molekul

pendek gemuk yang mengandung jumlah elektron yang sama. 

Molekul yang panjang kurus juga dapat lebih dekat satu sama lain – dayatarik meraka lebih

efektif jika molekul-molekulnya benar-benar tertutup. 

Sebagai contoh, molekul hidrokarbon butana dan 2-metilpropan keduanya memiliki rumus

molekul C4H10, tetapi atom-atom disusun berbeda. Pada butana atom karbon disusun pada rantai

tunggal, tetapi 2-metilpropan memiliki rantai yang lebih pendek dengan sebuah cabang.

Butana memiliki titik didih yang lebih tinggi karena gaya dispersinya lebih besar. Molekul yang

lebih panjang (dan juga menghasilkan dipol sementara yang lebih besar) dapat lebih berdekatan

dibandingkan molekul yang lebih pendek dan lebih gemuk 2-metilpropan. 

1.2.2 Gaya van der Waals: interaksi dipol-dipol

Molekul seperti HCl memiliki dipol permanen karena klor lebih elektronegatif

dibandingkan hidrogen. Kondisi permanen ini, pada saat pembentukan dipol akan menyebabkan

molekul saling tarik menarik satu sama lain lebih dari yang meraka bisa lakukan jika hanya

menyandarkan pada gaya dispersi saja.

Hal ini sangat penting untuk merealisasikan bahwa semua molekul mengalami gaya dispersi.

Interaksi dipol-dipol bukan suatu alternatif gaya dispersi – penjumlahannya. Molekul yang

memiliki dipol permanen akan memiliki titik didih yang lebih tinggi dibandingkan dengan

molekul yang hanya memiliki dipol yang berubah-ubah secara sementara.

Agak mengherankan dayatarik dipol-dipol agak sedikit dibandingkan dengan gaya dispersi, dan

pengaruhnya hanya dapat dilihat jika kamu membandingkan dua atom dengan jumlah elektron

yang sama dan ukuran yang sama pula. Sebagai contoh, titik didih etana, CH3CH3, dan

fluorometana, CH3F adalah: 

Kenapa dipilih dua molekul tersebut untuk dibandingkan? Keduanya memiliki jumlah elektron

yang identik, dan jika dibuat model akan ditemukan bahwa ukurannya hampir sama – seperti

yang terlihar pada diagram. Hal ini berarti bahwa gaya dispersi kedua molekul adalah sama. 

Titik didih fluorometana yang lebih tinggi berdasarkan pada dipol permanen yang besar yang

terjadi pada molekul karena elektronegatifitas fluor yang tinggi. Akan tetapi, walaupun

memberikan polaritas permanen yang besar pada molekul, titik didih hanya meningkat kira-kira

10°.

Berikut ini contoh yang lain yang menunjukkan dominannya gaya dispersi. Triklorometan,

CHCl3, merupakan molekul dengan gaya dispersi yang tinggi karena elektronegatifitas tiga klor.

Hal itu menyebabkan dayatarik dipol-dipol lebih kuat antara satu molekul dengan tetangganya. 

Dilain pihak, tetraklorometan, CCl4, adalah non polar. Bagian luar molekul tidak seragam  - in

pada semua arah. CCl4 hanya bergantung pada gaya dispers.

Karena itu manakah yang memiliki titik didih yang lebih tinggi? CCl4 tentunya, karena

CCl4molekulnya lebih besar dengan lebih banyak elektron. Kenaikan gaya dispersi lebih dari

sekedar menggantikan untuk kehilangan interaksi dipol-dipol. 

Titik didihnya adalah: 

CHCl3 61.2°C

CCl4 76.8°C

2. PEMBAHASAN

Gaya tolak antar molekul netral hanya berarti jika molekul-molekul tersebut hampir

bersentuhan, gaya ini adalah interaksi jarak pendek sekalipun dengan skala yang diukur dengan

garis tengah ( diameter ) molekuler. Karena gaya itu adalah interaksi jarak pendek, tolak-

menolak tidak boleh diabaikan hanya jika molekul-molekul tersebut secara rata-rata berdekatan (

Z > 1 ). Ini adalah kasus pada tekanan tinggi, jika sejumlah besar molekul menempati volume

yang kecil. Sebaliknya, gaya tarik antar molekul mempunyai jarak relativ jauh dan gaya tarik

itupun efektif diatas beberapa diameter molekuler. Gaya ini penting jika molekul-molekul cukup

berdekatan tapi tidak perlu bersentuhan (pada pemisahan pertengahan pada gambar) gaya tarik

menjadi tidak efektif jika molekul-molekul terpisah jauh ( jauh disebelah kanan ).

Dengan demikian pada tekanan rendah, jika molekul-molekul menempati volume yang

besar, pada sebagian waktu, molekul-molekul begitu jauh terpisah sehingga gaya antar molekul

tidak mempunyai peranan berarti dan gas berperilaku sempurna (Z = 1). Pada tekanan sedang,

ketika molekul-molekul secara rata-rata hanya terpisah sejauh beberapa diameter molekuler,

gaya tarik menang terhadap gaya tolak dalam hal ini, gas dapat diharapkan lebih mudah

dimampatkan daripada gas sempurna dan mempunyai harga Z < 1 .