TERMOKIMIA

Pendahuluan

Di awal tulisan ini akan dibahas mengenai reaksi kimia dan hubungannya dengan panas dan energi yang berubah saat terjadi reaksi tersebut.

Sistem & Lingkungan

Untuk mengerti termokimia, perlu dipahami konsep sistem dan lingkungan. Pertama, kita akan membahas mengenai sistem.

??Sistem?? Sistem apaan yah??.....

Sistem adalah reaksi atau tempat yang dijadikan titik pusat perhatian. Lingkungan adalah semua hal yang menunjang sistem, atau dengan kata lain, semua hal di luar sistem. Contohnya, bila anda melihat segelas air, maka segelas air adalah sistem, sementara ruangan dan semua lainnya adalah lingkungan. 

Ada 3 jenis sistem, berdasarkan transformasi materi dan energinya, yaitu:

1. Sistem terbuka, yaitu sistem dimana pertukaran materi dan energi keluar masuk sistem dapat dilakukan. Contohnya, air dalam gelas terbuka.
2. Sistem tertutup, dimana hanya ada pertukaran energi atau materi satu arah. Contohnya, air panas dalam gelas tertutup, dimana hanya panas (energi) dari dalam gelas yang bergerak ke arah lingkungan.
3. Sistem terisolasi, yaitu dimana tidak terjadi pertukaran materi dan energi sama sekali. Contohnya, air dalam termos.

Entalpi

Entalpi, seperti asal kata Yunaninya, berarti kandungan energi pada suatu benda. Jika kita bayangkan kita melihat sebuah ember yang kita tidak tahu volumenya dan berisi air. Seperti banyak air yang tidak kita tahu, besar entalpi juga tidak kita ketahui. Namun, jika dari ambil atau beri air sebanyak satu gayung dari/pada ember tersebut, kita tahu perubahan isinya. Begitulah kita tahu perubahan entalpi.

Entalpi dilambangkan dengan huruf H (terkadang dengan h). Kita dapat mengetahui perubahan entalpi pada suatu reaksi dengan:

ΔH = H_produk - H_reaktan

Dimana semuanya terdapat dalam satuan J atau kal.

Jika kita hubungkan entalpi dengan hukum termodinamika yang pertama, kita akan tahu bahwa entalpi secara global tidak pernah berubah. Energi hanya bergerak, namun tidak bertambah atau berkurang. Lebih jauh akan dibahas dalam tulisan Pengayaan Termokimia.

Reaksi Eksoterm dan Endoterm

Reaksi dibagi menjadi dua jenis, sesuai dengan arah perpindahan energi. Mereka adalah : (a) reaksi eksoterm dan (b) reaksi endoterm. Kita akan membahas yang pertama dahulu.

1. Reaksi Eksoterm

Reaksi eksoterm, adalah kejadian dimana panas mengalir dari sistem ke lingkungan. Maka, ΔH < O dan suhu produk akan lebih kecil dari reaktan. Ciri lain, suhu sekitarnya akan lebih tinggi dari suhu awal. 

Contoh

C(s)+O₂ -> CO₂ (g) ΔH=-393.4 kJ mol^-1

 Diagram reaksi eksoterm berupa: 

2. Reaksi Endoterm

Reaksi endoterm adalah kejadian dimana panas diserap oleh sistem dari lingkungan. Maka, ΔH > 0 dan suhu sekitarnya turun.

Contoh:

• H₂(g) + I₂(g) -> 2HI(g) ΔH=51.9 kJ mol^-1
• Ba(OH)₂(s) + 2NH₄Cl (s) -> BaCl₂(l) + 2NH₃(g) + 2H₂O(l)
• Penguapan Alkohol
  Berikut diagram reaksi endoterm: 

Kondisi Standar & Persamaan Termokimia

Semua persamaan termokimia akan dituliskan dengan kondisi standar (STP) sebagai acuannya, yaitu 1 atm (101.3 kPa) dan 25^oC (298 K). Ini digunakan karena unsur pada kondisi ini berada dalam tingkat paling stabil.

Persamaan termokimia akan menyatakan jumlah mol reaktan dan produk, serta menyatakan jumlah energi yang terlibat. SI untuk ΔH adalah kJ mol^-1. 'mol^-1' tidak menyatakan jumlah penyusun senyawa, namun jumlah per mol dalam persamaan tersebut, biasanya dengan acuan mol produk adalah 1. Contoh

CO(g) + 1/2 O₂(g) -> CO₂(g) ΔH= -283 kJ mol^-1

2CO(g) + O₂(g) -> 2CO₂(g) ΔH= -566 kJ mol^-1

Catatan:

1. Terkadang mol^-1 hanya dituliskan jika mol reaktan adalah 1, atau tidak dituliskan sama sekali
2. Persamaan termokimia juga harus memasukkan kondisi fisis senyawanya
    Jenis-Jenis Perubahan Entalpi

Ada beberapa jenis entalpi, namun kurikulum Indonesia hanya mensyaratkan 4 diantaranya (anda boleh lega, karena siswa Singapura belajar 7 jenis), yaitu:

1. Entalpi Pembentukan Standar (ΔH_f⁰= Standard Enthalpy of Formation)

Entalpi pembentukan standar adalah perubahan entalpi untuk membentuk senyawa satu mol dari unsur-unsurnya pada kondisi standar.

Contoh:

H₂(g) + 1/2 O₂-> H₂O(l) ΔH=-286 kJ mol^-1

C (grafit) + O₂(g) -> CO₂(g) ΔH=-393 kJ mol^-1

K(s) + Mn(s) + 2O₂ -> KMnO₄(s) ΔH=-813 kJ mol^-1

Catatan:

• ΔH_f elemen stabil adalah 0
• ΔH_f digunakan untuk memperkirakan stabilitas senyawa dibanding penyusunnya
• Semakin kecil ΔH_f, semakin stabil energi senyawa itu
• ΔH_f tidak mencerminkan laju reaksi (akan dibahas pada bab selanjutnya)

2. Entalpi Penguraian Standar (ΔH_d⁰= Standard Enthalpy of Decomposition)

Entalpi penguraian standar adalah kebalikan pembentukan, yaitu kembalinya senyawa ke unsur dasarnya. Maka, entalpinya pun akan berbalik.

Contoh:

H₂O(l) -> H₂(g) + 1/2 O2(g) ΔH=+286 kJ mol^-1 (bnd. contoh H_f no. 1)

3. Entalpi Pembakaran Standar (ΔH_c⁰= Standard Enthalpy of Combustion)

Entalpi pembakaran standar adalah perubahan entalpi ketika 1 mol materi dibakar habis menggunakan oksigen pada kondisi standar.

Contoh :

1/2 C₂H₄(g) + 3/2 O₂ -> CO₂(g) + H₂O(l) ΔH=-705.5 kJ mol^-1

Catatan:

• ΔHc selalu negatif, karena panas pasti dilibatkan
• ΔHc bisa digunakan untuk menilai kandungan energi bahan bakar atau makanan

4.  

Entalpi Pelarutan Standar (ΔHs⁰= Standard Enthalpy of Solution)

Entalpi pelarutan standar adalah perubahan entalpi ketika 1 mol materi terlarut pada sebuah larutan menghasilkan larutan encer. Setelah itu, tidak akan terjadi perubahan suhu bila larutan awal ditambahkan.

Contoh:

• NH₃(g) + aq -> NH₃(aq) ΔH_s=-35.2 kJ mol^-1
• HCl(g) + aq -> H⁺(aq) + Cl^-(aq) ΔH_s=-72.4 kJ mol^-1
• NaCl(s) + aq -> Na⁺(aq) + Cl^-(aq) ΔH=+4.0 kJ mol^-1

Catatan:

• Jika ΔH_s sangat positif, zat itu tidak larut dalam air
• Jika ΔH negatif, zat itu larut dalam air

Termokimia ialah cabang kimia yang berhubungan dengan hubungan timbal balik panas dengan reaksi kimia atau dengan perubahan keadaan fisika. Secara umum, termokimia ialah penerapan termodinamika untuk kimia. Termokimia ialah sinonim dari termodinamika kimia.

Tujuan utama termokimia ialah pembentukan kriteria untuk ketentuan penentuan kemungkinan terjadi atau spontanitas dari transformasi yang diperlukan.^[1] Dengan cara ini, termokimia digunakan memperkirakan perubahan energi yang terjadi dalam proses-proses berikut:

1. reaksi kimia
2. perubahan fase
3. pembentukan larutan

Termokimia is terutama berkaitan dengan fungsi keadaan berikut ini yang ditegaskan dalam termodinamika:

• Energi dalam (U)
• Entalpi (H).
• Entropi (S)
• Energi bebas Gibbs (G)

Sebagian besar ciri-ciri dalam termokimia berkembang dari penerapan hukum I termodinamika, hukum 'kekekalan' energi, untuk fungsi keadaan berikut ini.

Termokimia merupakan bagian dari ilmu kimia yang mempelajari reaksi-reaksi kimia beserta perubahan kalor yang menyertainya...... Kalor adalah bentuk energi yang berhubungan dengan perbedaan temperatur atau suhu...tetapi kalor tidak sama dengan suhu... sebagai ilustrasi perhatikan contoh berikut :

misalnya kita memanaskan dua panci air, kedua panci mempunyai suhu yang sama yakni 25⁰C dan kita panaskan hingga keduanya bersuhu 75⁰C. Panci pertama berisi 1 liter air sedangkan panci kedua berisi 2 liter air. Dari peristiwa ini dapat dikatakan bahwa perubahan temperatur kedua benda sama yakni 75⁰C - 25⁰C = 50⁰C. Namun, kalor air dalam panci kedua dua kali lebih besar dari air dalam panci pertama.... karena jumlah airnya 2 kali lebih banyak. Jadi selain dipengaruhi oleh temperatur, kalor juga dipengaruhi oleh kapasitas kalor benda.....

Kapasitas Kalor

KAPASITAS KALOR suatu zat adalah masukan energi yang diperlukan untuk menaikkan temperaturnya sebesar 1 ⁰C. dilambangkan C (huruf c besar).
Jika kapasitas kalor ini kita cari per kilogramnya (massa) ketemu KALOR JENIS zat, dilambangkan c (huruf c kecil). brarti C = m.c

= dengan kata lain....ini adalah....ehm...zat itu....eh...dapat menyerap kalor ??

= kamu sangant fasih....

JAMES PRESCOTT JOULE (1818 - 1889) mengadakan percobaan....mengukur kapasitas kalor air. dia memasang suatu beban yang dihubungkan dengan suatu kincir yang dicelupkan ke dalam air...ketika beban dijatuhkan...maka kincir bergerak....dengan mengukur kenaikan kecil pada suhu air....Joule menemukan bahwa usaha yang dilakukan ketika menjatuhkan beban setara dengan perubahan temperatur airnya...

hasilnya Kapasitas Kalor per garam (kalor jenis) air = 4, 184 Joule/g⁰C

AKHIRNYA......inilah hubungan yang tepat antara Temperatur (T) dan kalor (Q) :

kalor = massa x kalor jenis zat x perubahan temperatur

Q        = m.c.(Takhir - T awal)

Q   = m.c.delta T

   = hoo... delta T..??
   = Mmm.... delta T tu artinya perubahan suhu...(aq g bs nulis lambang "delta")

dari rumus itu dan kalor jenis air.....kita bisa menemukan semua kalor jenis zat lainnya! mari kita mulai dari tembaga :

celupkan 2 kg tembaga bersuhu 25 ⁰C ke dalam 5 kg air yang bersuhu 30 ⁰C.....air nyaris tidak berubah temperaturnya.....tetapi tembaganya benar2 memanas.....

misalnya perubahan suhu air = -0,17 ⁰C

perubahan suhu tembaga = 4,83 ⁰C

    = kita langsung bisa menghitung kalor air yang hilangg...

Q _air = 5000 g. -0,17 ⁰C. 4,18 Joule/g⁰C= -3,553 Joule

sehingga......

hilangnya kalor air = pertambahan kalor tembaga 

(dengan asumsi kalor yang hilang ke udara sangat kecil sekali.....sehingga diabaikan atau = nol)

Q_tembaga = 3,553 Joule

karena ada 2000 gram tembaga maka rumusnya menyatakan :

3,553 J = 2000 g. c _tembaga. 4,83 ⁰C

maka c _tembaga = 0,37 Joule/g⁰C

Whoaa... ternyata kalor jenis tembaga kurang dari sepersepuluh kalor jenis air....jadi ketika sama2 menyerap kalor....suhu air susah meningkat sedang tembaga gampang sekali meninggkat....

=  .....temperatur erat kaitannya dengan energi kinetik benda....

Energi didalam suatu materi secara total terdiri dari energi kinetik dan energi potensial. TEMPERATUR merupakan ukuran rata-rata ENERGI KINETIK TRANSISIONAL (gerak lurus) dari keseluruhan gerak partikel penyusun materi.

air memiliki banya ikatan Hidrogen....ikatan2 ini membuat air sulit bergerak! brarti energi kinetiknya kecil....klo energi kinetik kecil brarti peningkatan temperaturnya relatif kecil....sedangkan tembaga punya lautan elektron yang bergerak...sehingga energi kinetiknya relatif jauh lebih besar dai energi kinetik air sehingga peningkatan temperaturnya juga relatif lebih besar denagn penambahan kalor yang sama dengan air.

dengan cara yang sama...banyak kalor jenis zat lainnya yang dapat dicari.......

selanjutnyakitabahasmengenai.....

ENERGI DALAM

MATERI adalah gudangnya energi....sayangnya sampai sekarang belum ada alat yang dapat mengukurnya....energi dalam suatu materi ini kita kenal dengan isitlah Energi Dalam. walaupun tak dapat diukur.... perubahannya dapat diukur kok....

• Jika suatu materi menyerap kalor maka energi dalamnya akan bertambah dan gerakan partikel2 dalam materi tersebut akan meningkat.....akibatnya dapat menyebabkan terjadi kenaikan suhu.
• jika suatu materi memancarkan kalor maka energi dalamnya akan berkurang dan gerakan partikel2 dalam materi tersebut akan menurun......akibatnya dapat menyebabkan terjadi penurunan suhu.

Selain karena KALOR...energi dalam juga dapat berubah karena melakukan atau menerima kerja/usaha (W).....usaha yang sering menyertai perubahan wujud (fisika) atau perubahan kimia adalah kerja ekspansi, yaitu kerja yang berhubungan dengan perubahan volume....

• jika suatu materi mengembang.....maka akan mendorong materi lain yang berada di sekitarnya....berarti materi tersebut melakukan usaha....usaha butuh energi...maka energi dalamnya berkurang
• jika materi menyusut berarti materi tersebut menerima usaha dari materi lain di sekitarnya....maka energi dalamnya bertambah.....

Kesimpulannya .....perubahan Energi Dalam disebabkan oleh dua komponen....yakni KALOR dan USAHA

Perubahan Entalpi = Entalpi hasil reaksi/produk - Entalpi pereaksi/reaktan

delta H  = HP - HR

Perubahan Entalpi (delta H) ini  hanya berupa perubahan kalor reaksi saja sedangkan perubahan yang berkaitan dengan vulome benda diabaikan dengan syarat reaksinya terjadi pada Tekanan tetap. Hmm.... mengapa?? pada tekanan tetap proporsi energi yang berubah menjadi naik turunnya suhu dan mengembang kempisnya volume bersifat tetap sehingga bersifat spesifik. misalnya dalam reaksi senyawa A menjadi B terjadi pelepasan energi dalam bentuk kalor sebanyak 75% dari energi total. maka bila reaksi ini diulang dalam tekanan yang sama kalor yang dihasilkan tetaplah sama.....beda halnya bila pengulangannya dilakukan di tempat tertutup yang volumenya tetap.....maka semua energi yang dilepaskan berupa kalor 100%. Dengan kata lain, dalam tekanan tetap/konstan perubahan kalor bersifat spesifik dan tetap untuk reaksi yang sama.

Perubahan Entalpi (delta H) akan bernilai negatif jika reaksi memancarkan kalor.....dikenal dengan reaksi eksoterm, yang ditandai meningkatnya suhu lingkungan tempat reaksi terjadi....dan bernilai positif jika menyerap kalor....dikenal dengan reaksi endoterm, yang ditandai menurunnya suhu lingkungan tempat reaksi terjadi.....

= Sebagai Contoh Reaksi Eksoterm/melepas kalor :

LEDAKAN BUBUK MESIU sebanyak 500 g direaksikan dalam suatu kalorimeter yang mempunyai kapasitas kalor (C) sebesar 337,6 kJ/⁰C berakibat kenaikan suhu (delta T) sebesar 4,78 ⁰C.

4 KNO3(s) + 7 C(s) + S(s) ---> 3 CO2(g) + 3 CO(g) + 2 N2(g) + K2CO3(s) + K2S(s)

delta H = - Q = - (C.delta T) = - (337,6 kJ/⁰C. 4,78 ⁰C) = -1614 kJ

dari sini kita bisa menemukan perubahan entalpi (delta H) per gramnya = -1614/500 = 3,23 kJ/g

= Sebagai Contoh Reaksi Endoterm/menyerap kalor :

CaCO3(s) ---> CaO(s) + CO2(g)

Untuk membuat reaksi ini terjadi langkah pertama kita panaskan Kalorimeter terlebih dahulu untuk mendorong terjadinya reaksi.....(INGAT....setiap reaksi butuh energi aktivasi....dan sebagian reaksi ada yang mempunyai energi aktivasi yang lebih tinggi dari suhu lingkungannya....sehingga perlu dipanaskan....jadi panas disini bukan berarti reaksi eksoterm) pada akhirnya Kalorimeter menjadi Lebih Dingin....dari awalnya (suhu sebelum kalorimeter dipanaskan)....

jika kapasitas kalor kalorimeternya = 337,6 kJ/⁰C....dan zat yang direaksikan sebanyak 1 mol CaCO3....menyebabkan perubahan suhu sebesar -0,53 ⁰C

jadi delta H = - Q = - (337,6 kJ/⁰C. -0,53 ⁰C) = + 179 kJ/mol

dari 2 contoh di atas kita jadi tahu bahwa delta H dapat kita ukur dengan kalorimeter.....Sayangnya....ada begitu banyak reaski kimia....untung para ahli kimia banyak akal(atau malas ya...) mengambil sebuah JALAN PINTAS....dari pada mengukur dengan kalori meter lebih baik kita MENGHITUNGnya.....

konsep dasarnya disebut KALOR PEMBENTUKAN (delta Hf)

Kalor Pembentukan adalah perubahan entalpi yang muncul ketika satu mol zat terbentuk dari unsur2 penyusunnya....misalnya bila satu mol Air terbentuk dari Hidrogen dan oksigen....

H2(g) + 1/2 O2(g) ---> H2O(l) delta Hf = -285,8 kJ/mol

Contoh lainnya....

CO(g) mempunyai delta Hf = -110 kJ/mol

CO2(g) mempunyai delta Hf = -393,8 kJ/mol

CaO(s) mempunyai delta Hf = -635,0 kJ/mol

Unsur yang paling stabil (seperti S, C, O2, N2 dll) mempunyai delta H = 0 kJ/mol

contoh lainnya baca aja di buku......

lha...setiap materi/zat punya kalor pembentukan...yang sebagian di ukur dan sebagian yang lainnya dihitung.....prinsip perhitungannya dengan.....

HUKUM HESS

HUKUM HESS =  delta H = delta Hf (hasil reaksi) - delta Hf (reaktan)

  gitu....

Soal-soal ....

1) Gamping dimasak menjadi kapur tohor, delta H =.....?

2) Ledakan Nitrogliserin, delta H =....?

     reaksi : 4 C3H5(NO3)3 ---> 6 N2 + O2 + 12 CO2 + 10 H2O

3) Pembakaran Gas Alam (Metana), delta H =....?

     reaksi CH4(g)  +  2 O2(g)  ---> CO2(g)  +  2 H2O(g)

  =  ada clue nya kok...

CaCO3 delta Hf = -1207,6 kJ/mol

CaO delta Hf = -635 kJ/mol

CO2 delta Hf = -393,8 kJ/mol

C3H5(NO3)3 delta Hf = -1456 kJ/mol

H2O delta Hf = -241,8 kJ/mol

CH4 delta Hf = -74,9 kJ/mol 

contoh :

CaCO3 ---> CaO + CO2

maka delta H = delta Hf (hasil reaksi) - delta Hf (reaktan)

                            = (1 x (-635) + 1 x (-393,8)) - (1 x (1207,6))

                            = 178,8 kJ/mol ..........reaksinya ENDOTERM 

yang lainnya kalian coba sendiri ya.... skalian buatlatihan soal... yang jelas tiap2 delta H nya dikalikan dengan angka koefisiennya... contoh soal di atas kebetulan angka koefisiennya satu semua...

delta H dari ledakan Nitroglisirena = -5687,6 kJ

dan delta H/mol = -5687,6/4 = -1421,9 kJ/mol

(angka 4 adalah angka koefisien reaksinya...)