MODUL 1SIFAT DAN WUJUD ZATPENDAHULUANTujuan instruksional khusus : Mahasiswa mampu menjelaskan sifat-sifat wujud zat cair, padat dan gas. Mahasiswa mampu menghitung dengan menggunakan persamaan hokum gas ideal, hokum Boyle Gay Lussac, hokum Dalton.teori kinetika gas, persamaan Van Der Waals, density gas, BM gas, kristalisasi, peleburan, sublimasi zat padat dan tegangan permukaan cairan.

POKOK BAHASAN : sifat dan wujud zatSUB-POKOK BAHASAN1. Wujud zat2. cairan3. zat padatSUMBER BACAAN1. Sukardjo, Prof. Dr, Kimia Fisika, Dosen FPMIPA-IKIP Yogyakarta, Penerbit Rineka Cipta Jakarta, cetakan ketiga, November 1997.2. Atkins, p.w, Kimia Fisika edisi keempat, Universitas Lecturer And Fellow Of Lincoln College, Oxford, alih bahasa, Irma I. Kartohardiprodjo, Jakarta< Penerbit Erlangga, 1999.

Kegiatan siswa1. Membaca modul2. Melakukan diskusi dan Tanya jawab3. Mengerjakan latihan soal

KEGIATAN BELAJAR 1WUJUD GASISI MATERI1. SIFAT-SIFAT GASGas terdiri atas molekul-molekul yang bergerak lurus kesegala arah dengan kecepatan yang tinggi. Molekul gas selalu bertumbukan dengan molekul lain atau dengan dinding bejana sehingga menyebabkan adanya tekanan. Volume molekul gas sangat kecil bila dibandingkan dengan yang ditempati oleh gas tersebut sehingga banyak ruang yang kosong antara molekul-molekulnya. Hal ini menyebabkan gas mempunyai rapatan yang lebih kecil dibandingkan cairan ataupun padatan. Dan hal ini juga menyebabakan gas bersifat kompresibel atau mudah ditekan. Karena molekul gas selalu bergerak kesegala arah, maka gas mudah bercamour dengan gas lain (difusi).Gas dibagi menjadi dua jenis : Gas idealYaitu gas yang secara sempurna mengikuti ukum-hukum gas (Boyle, Gay Lussac, dsb)

Gas non ideal atau nyataYaitu gas ayang hanya mengikuti hokum-hukum gas pada tekanan rendah.

Gas ideal sebenarnya tidak ada, jadi hanya merupakan gas hipotesis. Pada gas ideal dianggap molekul-molekulnya tidak tarik menarik dan volume molekulnya dapat diabaiakan terhadap volumegas itu sendiri atau ruang yang ditempati. Sifat ideal ini hanya didekati oleh gas beratom satu pada tekanan rendah dan pada temperature yang realtif tinggi.

2. HOKUM-HUKUM GASSifat-sifat gas dapat dipahami dari segi eksperimen, hokum-hukum berlaku diperoleh dari eksperimen.a. Hokum boylevolume dari sejumlah tertentu gas pada temperature tetap berbanding terbalik dengan tekanannyaSecara sistematis dapat dituliskan: V = I/P atau V = K1/PDengan : V = volume gas;P =tekanan gasK1 = tetapan yang besarnya tergantung temperature, berat gas, jenis gas dan satuan P dan V

ATAU P1V1 = P2V2 = K2 dengan K2 = tetapan P1/P2 = V1/V2

Untuk sejumlah gas tertentu, grafik P terhadap V pada tiap-tiap temperature merupakan suatu hyperbola dan disebut grafik isotherm, gambar 1.1

b. Hokum Charles dan gay lussacPada tahun 1787 Charles mendapatkan bahwa gas-gas H2, udara, CO2 dan O2 berkembang dengan jumlah volume ynag sama pada pemanasan antara 0-80C pada tekanan tetap. Pada 1802 Gay Lussac mendapatkan bahwa semua gas pada pemanasan dengan tekanan tetap, volumenya bertambah 1/273 kali volumenya 0C. vila V0 = volume gas pada 0C dan V = volume gas tersebut pada tC, maka : V = V0 + t/273 x V0= V0 (1 + t/273)

Bila (273+t) dan 273 masing-masing diberi symbol baru T dan T0, yaitu derajat Kelvin atau absolute, maka :V = V0 ( T /T0)

Atau V / V0 = T /T0V2/V1 = T2/T1 V = K2T

Jadi volume sejumlah tertentu gas pada tekanan tetap berbanding lurus dengan temperature absolutnya. Grafik V suatu gas terhadap T pada berbagai tekanan disebutisobar. Gambar 1.2

c. Hokum boyle-gay lussacKedua hokum gas diatas dapat dijadiakn satu untuk memperoleh perubahan volume gas terhadap temperature dan tekanan.

Keadaan 1 keadaan 2 V1,P1,T1 V2,T2,P2

A B(isotherm) (isobar) Keadaan peralihan V2,P2,T1

Pada perubahan A menurut hukum boyle,P2V2 = P1 V1Vx = P1V1/P2

Paad perubahan B, menurut hokum Gay Lussac V2/T2 = Vx/T1V2 = VxT2/T1 Vx = P1V1/P2V2 = P1V1/P2 T2/T1V2P2/T2 = V1P1/T1 = KAtau PV/T = K3 dengan K=tetapan

Rumus ini merupakan rumus umum uang menyatakan hubungan antara P, V dan t suatu gas. Hokum Boyle dan Gay Lussac, hanya menyatakan pada keadaan yang khusus.Pada T tetap PV= K1 (Boyle)Pada P tetap V = K2T (Gay Lussac)

d. Tetapan gas umum Haraga K pada persamaan PV =KT ditentukan oleh jumlah mol gas. Satuan P dan T tetapi tidak tergantung jenis gas. Mol gas pada P dan T tertentu, K berbanding lurus dengan V atau jumlah mol gas. Bila jumlah mol gas = n dan tetapan gas tiap mol = R, maka:K = nR R= tetapan gas umum (untuk 1 mol)Atau PV = nRTPersamaan ini disebut persamaan gas ideal, satuan R berbeda-beda tergantung dari satuan P dan v, tetapi semua merupakan satuan tenaga.R = PV / nT = gaya/luas x luas x panjang / mol x derajad = gaya x panjang / mol x derajad = usaha / denmol atau tenaga / denmol

Bila V = literP = atm R = PV /Nt = 1 x 22,4/ 1 x273 = 0.08206 liter atm/denmol

Bila V = literP = atm R = PV/nT = 1 x 22415/ 1 x 273,15 = 82,06 cc.atm/denmol

Biasanya R dinyatakan dalam erg, joule, atau kaloriR = 8,325 x 107 erg/denmol = 8,315 joule/denmol = 8,315/4,184 = 1,987 kal/denmol(1 kal = 4.184 joule)

Dengan menggunakan hokum gas ideal diatas, kita dapat mencari besaran yang belum diketahui dari rumus PV = nRT

Contoh :Suatu gas mempunyai volume 2 liter pada tekanan 720 mmHg dan 25C. berapa volume gas pada keadaan temperature dan tekanan standar.Jawab.V0=?Dik T0 = 273,15 KP0 = 76 cm Hg = 1 atmV2 = 2 literT2 = 25C = 298,15CP2 = 720 mmHg

V0P0/T0 = P2V2/T2 = 72/76 atmV0 = T0/P0 . P2V2/T2 = 273,15/1 x 72/76 x 2/298,15 = 1,736 liter

e. Hokum DaltonPada temperature tetap, tekanan total suatu campuran gas sama dengan jumlah tekanan parsialnya. Ptotal = P1 + P2 +P3 + +PnP1, P2, P3 dan seterusnya adalah tekanan parsial

Yekanan parsial gas ialah tekanan dari gas tersebut bila sendirian berada di dalam ruangan. Bila untuk masing-masing gas dalam campuran dikenakan hokum gas ideal maka diperoleh:Ptotal = n1 RT/ V + n2 RT/V + n3RT/V = (n1+n2+n3) / VRT = nt / VRT nt = ntotal

Masing-masing tekanan parsial gas mempunyai hubungan dengan tekanan total sebagai berikut :P1 = n1/ VRTPt = nt / VRTP1 = n1/nt totalP2 = n2/nt totalP3 = n3/nt total dan seterusnyaBesaran n1/nt disebut fraksi mol dari gas dalam campuran N1/nt = N1 ; n2/nt = N2 dan seterusnyaJumlah fraksi mol dalam campuran :N1 + N2 +N3 + . + Nn = 1

f. Hokum amagat Hokum ini hampir sama dengan hokum Dalton, tetapi untuk volume parsial. Di dalam tiap-tiap campuran gas, volume total gas sama dengan jumlah volume parsialnya.Vtotal = V1 + V2 + V3 + . + VnV1, V2 dst = volume parsial gas

Volume parsial gas di dalam campuran ialah volume gas tersebut, bila sendirian dalam ruang. Pada temperature dan tekanan campuran. Sesuai dengan hokum Dalton, disini juga dapat dinyatakan bahwa :V1/Vtotal = N1 ; V2/Vtotal = N2 dan seterusnya

g. Hokum graham (1829)Pada temperature dan tekanan tetap, keceapatan difusi berbagai gas berbanding terbalik dengan akar rapatnya atau berat molekulnya.V1/V2 = d2/d1 dengan :V1,V2 = kecepatan difusiD1,d2 = rapat gas

Pada tekanan dan temperature sama dua gas mempunyai volume molar sama :V1/V2 = d2 . Vm/d1 . Vm = M2/M1M2,M1 = berat molekul gasVm = volume molar gas

3. TEORI KINETIC GASSifat gas juga dapat dijelaskan dengan teori kinetic gas. Teori ini mula-mula diberikan oleh bernouli pada tahun 1738 dan disempurnakan oleh Clausius, Boltzmann, van der waals, dan Jeans.Hal-hal yang dapat diterangkan dengan teori kinetic gas :a. Hokum boyle Tenaga kinetis :: temperature absolute1/2 m 2 :: T (untuk 1 molekul)1/2 m n1 2 :: T (untuk semua molekul) 1/2 m n1 2 :: K1T PV = 2/3 ( 1/2 m n1 2)PV = 2/3 K1 TPada T tetap : PV = tetap

b. Hokum CharlesPV = 2/3 K1 TV = 2/3 K1 T/ PPada P tetap : V = K2T

c. Hokum avogadroPada temperature dan tekanan sama, gas-gas yang volumenya sama mempunyai jumlah molekul yang sama pula. Hokum ini mudah dijabarkan dari teori kinetic gas.P dan V sama, jadi P1V1 = P2V2, jadi :1/3 m1 n11 2 = 1/3 m2 n12 2

Temperature sama, jadi tenaga kinetic sama.1/2 m 12 = 1/2 m2 22Ini berarti bahwa n11 = n21

Jumlah molekul dalam satu mol das disebut bilangan Avogadro N dan ini besarnya : 6,0232 x 1023 dengan ini dapat dicari massa tiap-tiap molekul.

Missal 1 mol O2 = 32 gm O2 = 32/ 6,0232 x 1023 = 5,31 x 1023 g/mol

Untuk dua jenis gas dengan V dan P yang sama :1/3 m1 n11 12=1/3 m2 n21 2212 / 22=m2 n21 / m1 n111 / 2=m2 n21 / m1 n11

Bila n21 = n11 = N; maka :1 / 2=m2 N / m1 N= M2 / M1Karena pada P dan T tetap, volume molar gas juga sama. Maka :1 / 2= d2 / d1d= rapat gasdari teori diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa rumus teoritis dan eksperimen untuk gas sama :PV= 1/3 m n1 2PV= n R TPV=1/3 m n1 2=n R Tn1=n N . PV= 1/3 n ( N m) 2= n RTPV=n M 2 / 3= n RTKECEPATAN MOLEKUL GASPada tumperatur sama, semua molekul gas mempunyai tenaga kinetis sama :1/2 m1 12= 1/2 m2 22=1/2 m3 32Jadi makin besar massa molekul gas, makin kecil kecepatannya. Kecepatan molekul dapat diperoleh dari :1/3 n M 2=n RT= 3 RT / M=akar kecepatan rata kuadrat.RT= PV/ndannM/V=dm= 3 P / d

=cm per detikP=dyne/cm2d=gram/ccR=erg/K molecontoh : berapa kecepatan molekul gas hydrogen pada 0CR= 8,315 x 107 erg mole-1 der-1T= 273,15M= 2,016Jawab := 3 RT / M= 3 x 8,315 x 107 x 273 / 2,016=184.000 cm/ sec=68 mile/ minHidrogen merupakan gas teringan, hingga kecepatan ini merupakan kecepatan terbesar untuk gas pada tumperatur tersebut. Untuk SO2 dengan M=64 SO2 / 68= 2 / 64 SO2=12 mile / minDISTRIBUSI KECEPATAN MOLEKULARMenurut perjanjian, untuk suatu gas pada tumperatur tetap, semua molekul gas bergerak dengan kecepatan sama (kecepatan akar rata-rata kuadrat). Sebenarnya molekul-molekul gas mempunyai kecepatan berbeda-beda, sebagai hasil tumbukan. Maxwell menggunakan istilah probability. Distribusi kecepatan molekul tergantung daripada tumperatur dan berat molekul, dan menurut kurva seperi gambar 1.4Fraksi molekul Dengan kecepatan antara : C dan c + dc

Gambar 1.4, Distribusi kecepatan molekul gas

Dari kurva ternyata, bahwa molekul-molekul gas dengan kecepatan kecil dan besar sangat sedikit. Sebagian besar gas mempunyai kecepatan , yaitu kecepatan paling mungkin (most probable velocity). Kecepatan ini makin besar, bila tumperatur makin tinggi, kecepatan ini berbeda dengan kecepatan rata-rata (v) dan kecepatan akar rata-rata kuadrat :V = C1 + C2 + C3 + Cn n1C= kecepatan tiap-tiap molekul; n1 = jumlah molekul

= C12 + C22 + C32 + Cn2 n1Menurut teori kinetic :V= 0,921 = 2/3 karena : = 3 RT / Mmaka : V= 0,921 3 RT / M = 2 RT / M : v : = 1: 1,128:1,224FREKUENSI TUMBUKAN DAN JALAN BEBAS RATA-RATADapat ditunjukkan dalam gas dengan n* molekul gas per cc, jumlah molekul yang ditumbuk oleh sebuah molekul per detik, besarnya : 2..V.2 n*V= kecepatan molekul rata-rata/ cm/ detik= diameter molekul (cm)jumlah molekul yang bertumbukan per cc per detik :Z= 2..V.2 n*x n*Karena tiap tumbukan terjadi antara 2 molekul maka jumlah tumbukan per detik per cc, Nc ialah setengahnya :Nc=Z/2= (1/ 2) .V.2 n*Jalan bebas rata-rata ialah jarak yang ditempuh oleh molekul, sebelum bertumbuk dengan molekul lain. Karena kecepatan rata-rata V dan jumlah tumbukan tiap detik. 2..V.2 n*, maka jalan bebas rata-rata (mean free path) ;= V/ 2..V.2 n*= 1/ 2..2 n* dapat diperoleh dari viscositas gas :=1/3 v. .dd= density (gr/cc) diperoleh dari persamaan diatas

BATAS-BATAS BERLAKUNYA HUKUM GAS IDEALBaik dari eksperimen maupun dari teori di dapatkan rumus:P V = n R TPada temperatur tetap, maka P V = n R T = tetap, ini berarti bahwa hasil kali P dan V untuk suatu gas selalu tetap, pada tekanan yang berubah-ubah.Dari percobaan diperoleh hasil seperti pada gambar. 1.5.

Untuk gas H2 dan He, PV semakin besar bila P semakin besar. Untuk gas-gas CO dan CH4 pada kenaikan tekanan mula-mula turun dan kemudian naik lagi. Umumnya gas-gas nyata mempunyai bentuk grafik seperti gas-gas tersebut. Minimun grafik CO dan CH4 semakin turun bila temperatur rendah, jadi pada temperatur sangat rendah, H2 dan He juga minimum pada temperatur tertentu dan pada tekanan rendah, grafik dari gas-gas nyata menurut gas ideal. Temperatur ini disebut Temperatur Boyle.Untuk menyatakan penyimpangan dari keadaan ideal diadakan faktor baru yang disebut faktor compressibility Z, P V = Z n R T. Z berharga satu, untuk gas ideal, bila untuk gas nyata Z < 1 dikatakan gas tersebut lebih compressible dari pada gas ideal, bila Z > 1 gasnya kurang compressible.Untuk suatu gas nyata Z tergantung temperatur, pada temperatur tinggi dan pada tekanan rendah Z gas nyata ~ 1. Misalnya untuk gas Nitrogen pada 51oC harga Z hanya berubah dari 1,00-1,02 untuk tekanan 0-100 atm.Rumus P V = n R T hanya berlaku terbatas untuk gas-gas yang nyata, yaitu pada tekanan rendah.

Pada tekanan yang mendekati nol, harga Z ~ 1. Sampai seberapa rendahnya tekanan gas, dimana sifat-sifat ideal masih dapat diikuti, tergantung dari pasa jenis gas. Gas-gas seperti H2, N2. O2 dan He yang mempunyai temperatur kritis rendah, hanya menyimpang kira-kira 5% sampai pada tekanan 50 atm.Untuk gas-gas yang temperatur kritisnya tinggi seperti CO2, SO2, Cl2, CH3Cl menyimpang 2-3% pada tekanan satu atmosfir.Jadi sifat ideal makin didekati oleh gas nyata:a. Pada tekanan yang rendahb. Pada temperatur tinggi (jatuh daripada temperatur kritis)

Bila faktor compressibility suatu gas diketahui, maka dapat diadakan perhitungan untuk gas tersebut bagi besar-besaran dalam rumus P V = n R T.Contoh:Z untuk gas metana = 0,786 pada tekanan 100 atm, pada temperatur 0oC.Berapa volume 10 mole gas ini.Jawab:P V= n R TV= Z n R T / P= 0,786 x 10 x 0,0821 x 273,15 / 10= 1,754 liter4.1. Persamaan Keadaan Van Der WaalsKarena gas nyata selalu menyimpang dari sifat-sifat ideal, banyak usaha-usaha mendapatkan persamaan keadaan yang menyatakan hubungan P, V dan T.Van Der Waals juga mendasarkan pada rumus P V = n R T, tetapi dia memperhitungkan volume yang ditempati oleh molekul-molekul gas dan daya tarik antara molekul-molekul ini.Kalau V volume dari n mole gas dan b volume effektif dari 1 mole gas, maka volume yang bebas dari gas tersebut ialah (V n b) dan dari ialah V ideal.Karena molekul sling tarik menarik, maka tekanan gas yang terlihat lebih kecil dari pada tekanan gas ideal. Kalau p l besarnya pengurangan tekanan, Pl tekanan gas ideal dan P tekanan terlihat, maka:P=Pi PPi=(P + P)Rumus P V = n R T berlaku untuk gas nyata, tetapi dengan sedikit perubahan:Pi Vi=n R T(P + P) (V-n b )=n R T

Menurut Van Der Waals, faktor koreksi tekanan P untuk n mole pada gas pada volume T, dapat dinyataka sebagai berikut:P = n2 a / V2Dimana a berbeda-beda untuk tiap gas, tetapi tidak tergantung tekanan dan temperatur, dan ini menyatakan besarnya daya tarik antara molekul di dalam gas. Rumus di atas menjadi:(P + n2 a / V2) (V n b) = n R TPada pemakaian rumus gas di atas harus diingat satuan-satuan daripada a dan b, sebab ini harus sesuai dengan satuan-satuan P, V dan R.N2 a / V2 = satuan tekananA= volume2 / mole2 x satuan tekananJadi satuan a dapat atm.12 / mole2 atau atm, cc2 / mole2.Satuan n b ialah satuan volume, hingga satuan b adalah volume / mole.Contoh:Satu mole gas NH3 pada 27oC volumenya = 5 liter. Bila a = 4,17 atm. 12 / mole dan b = 0,0371 l/mole, berapa besarnya tekanan ?Jawab:(P + n2 R T / V2) (V n b)= n R TP= (n R T / V n b) (n2 a / V2)= 2(0,084) (300,15) / 5 2(0,0371) 22 x 4,17 / 52= 9,33 atm

Bila dihitung dengan rumus gas ideal = 9,86 atm. Untuk gas-gas yang stabil pada temperatur kamar, jadi jauh diatas temperatur kritis a berharga kecil jadi gaya tarik antara molekulnya kecil. Sebaliknya untuk gas-gas yang mudah dicairkan, jadi temperatur kritisnya tinggi a berharga besar, jadi gaya tarik antara molekulnya besar.

PERSAMAAN KAMERLINGH ONNESP V= A + BP + CP2 + DP3 +P= Tekanan GasV= Volume molar gasA, B, C dst= virial koefisien pertama, kedua, dst

PERSAMAAN BERTHELOTPersamaan ini agak sukar untuk tekanan tinggi, untuk tekanan rendah dapat disederhanakan sebagai berikut:P V = n R T [ 1 + 9 P.Tc / 128 PcT (1 6 Tc2 / T2) ]Pada tekanan 1 atm atau lebih rendah, persamaan ini sangat teliti dan dapat digunakan untuk menghitung BM gas, simbol-simbol diatas sama dengan pada persamaan gas ideal, sedang Pc dan Tc adalah tekanan dan temperatur kritis.PERSAMAAN BEATTIE BRIDGEMANAda 2 jenis pesamaan, persamaan pertama lebih teliti daripada kedua, karena yang kedua diperoleh dari yang pertama dengan beberapa pengabaian.P=R T / Vm + / V2m + / V3m + / V4mVm=R T / P + / R T + P / (R T)2 + P2 / (R T)3=R T Bo b Ao Rc Bo / T2=- R T Bo b + Ao a Rc Bo / T2=R Bo b c / T2Ao, Bo, a, b dan c tetapan yang berbeda-beda untuk tiap-tiap gas.

BERAT MOLEKUL GASDengan menganggap bahwa rumus gas ideal diikuti oleh gas nyata pada tekanan rendah, BM gas dapat dicari dengan mempergunakan rumus gas ideal:P V=n R T= W / M R TM=W R T / P V=d R T / PM = berat molekul gas d = density gasw = berat gasDengan menimbang se volume tertentu gas pada P dan T tertentu dengan memakai rumus diatas dapat ditentukan berat molekul.

CARA REGNAULTDipakai untuk menentukan BM zat yang pada suhu kamar berbentuk gas. Untuk itu suatu bola gelas (300-500 cc) dikosongkan dan ditimbang. Kemudian diisi dengan gas yang bersangkutan dan ditimbang kembali. Dari tekanan dan temperatur gasdan dengan memakai rumus diatas dapat ditentukan M berat gas adalah selisih berat kedua penimbangan.

CARA VICTOR MEYERDipakai untuk menentukan BM zat cair yang mudah menguap. Skema alat Victor Meyer seperti Gambar. 1.7.

Alat ini terdiri dari tabung A (+ 50 cc) yang di dalamnya dimasukkan pula tabung C. Tabung B berisi zat cair dengan t.d. + 30oC lebih tinggi daripada zat cair yang akan ditentukan BM nya dimasukkan dalam tabung A melalui C dalam ampul E. Ampul ini akan pecah dan uapnya akan mendesak air di buret D, hingga permukaan air turun. Volume uap = V2 V1.Bila berat zat cair = w, maka dapat dihitung BM zat nya. Tekanan uap harus reduksi dengan tekanan uap air pada temperatur percobaan:Cara berdasarkan rumus gas ideal:P V=n R TP V= W / M R TP=W / V . R T / M=d R T / Md/ P untuk gas ideal tetap, tetapi tergantung P.Untuk m gas nyata, harga d/p berubah linier terhadap P dan dapat diekstrapolasikan pada tekanan 0 (P = 0). Pada tekanan ini, rumus gas ideal berlaku:(d/p)p= 0= M / R TM= R T (d/p)p = 0Contoh:Rapat HBr pada macam-macam P (0oC)

M = 3,6108 x 0,08206 x 273,15M = 80,93

PANAS JENIS DAN KAPASITAS PANAS GASPanas jenis suatu zat ialah jumlah panas dalam kalori, yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gr zat tersebut setinggi 1oC. Dalam perhitungan kimia, digunakan istilah kapasitas panas, yaitu panas jenis per mole.Gas-gas dapat dipanaskan dengan V tetap atau P tetap, karena itu dikenal kapasitas panas pada V tetap (Cv) dan kapasitas panas pada P tetap (Cp). Karena pada pemanasan dengan P tetap, diperlukan tenaga untuk melawan tekanan luar, maka untuk gas Cp > Cv untuk zat-zat cair dan padat Cp ~ Cv.Besarnya Cp dan Cv dapat dicari dari teori kinetika gas. Besarnya tenaga kinetik translasi per mole untuk gas ideal:Ek = 3/2 R TPada pemanasan dari T1 T2E= Ek2 Ek1 = 3/2 R (T2 T1)Untuk T2 T1= 1E= 3/2 RE ini tidak lain daripada tenaga yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1oC pada V tetap, jadi E ini tidak lain daripada CvCv = 3/2 R= 3/2 . 1,987= 2,98 kal. Der-1.mole-1Cv untuk gas ideal yang hanya mempunyai tenaga translasi sebagai satu-satunya tenaga besarnya 2 kal/mole/der.Untuk Cp karena pada pemanasan dengan P tetap harus disediakan tenaga untuk melawan tenaga luar w, maka:Cp= Cv + wW= P dV= R d TW= = W= R (T2 T1) ; T2 T1 = 1W= RCp= Cv + R= 3/2 R + R= 5/2 x 1,987= 4,97 kal/der/mole = Cp / Cv= 5/2 R / 3/2 R= 1,67Untuk gas ideal seperti He, Ne, Ar dan sebagainya mendekati 1,67. Untuk gas beratom dua + 1,4, beratom + 1,3 dan molekul-molekul yang lebih kompleks lebih rendah dari pada 1,3, tetapi tidak pernah lebih rendah dari pada 1,0.Penyimpangan ini disebabkan, karena gas beratom dua atau lebih, mempunyai tenaga rotasi dan vibrasi, yang mempunyai kontribusi terhadap panas jenis atau kapasitas panas.

VISKOSITAS GASGas dan cairan (fluida), mempunyai sifat yang disebut viskositas, yaitu gaya tahan suatu lapisan fluida terhadap gerakan lapisan lain fluida tersebut. Bila A luas permukaan fluida dan gaya sebesar f diperlukan untuk menggerakkan lapisan yang satu V lebih cepat daripada yang lain, maka:

Kalau = jarak antara kedua lapisan. H disebut koefisien viskositas, yang harganya tetap untuk tiap-tiap fluida. Untuk gas-gas harga kecil, tetapi cairan berharga besar.Dalam sistem cgs, satuan untuk ialah poise. Satu poise ialah gaya yang diperlukan untuk menggerakkan 1 cm2 fluida. 1 cm/detik lebih cepat daripada lapisan lain yang jaraknya 1 cm.Untuk hitungan, gas biasanya dinyatakan dengan mikropoise (10-6 poise). Koefisien viskositas naik dengan naiknya temperatur dan tekanan. Misalnya:H2 = 5,7 . 10-6 poise (-258oC) = 139,2 . 10-6 poise (300o)CO2 = 150 . 10-6 poise (atm) = 361 . 10-6 poise (20 atm)Dari rumus kinetik gas=1/3 v.i.dl=3 / V.d= 3 / 0,921 d / Ml=1,88 / d / Mdari harga l ini dapat dihitung harga yaitu diameter molekul:L=V / 2 . n*= l / 2 . n*

RANGKUMANGas terdiri atas molekul-molekul yang bergerak lurus kesegala arah, dengan kecepatan tinggi. Molekul gas selalu bergerak kesegala arah, maka gas mudah bercampur dengan gas lain (diffusi). Gas dibagi menjadi dua jenis, yaitu: gas ideal gas mengikuti hukum-hukum gas, dan gas non ideal atau nyata yang hanya mengikuti hukum-hukum gas pada tekanan rendah. gas biasanya dinyatakan dengan mikropoise (10-6 poise). Koefisien viskositas naik dengan naiknya temperatur dan tekanan.

SOAL TES FORMATIF 1Turunkan hukum Boyle dan hukum Charles Gay Lussac dari hukum gas ideal1. Bila rapat massa udara kering sebesar 1,146 gr/liter pada 27oC dan 740 mmHg. Tentukan berat molekul udara dan komposisi udara dengan mengandaikan bahwa udara kering hanya mengandung N2 dan O2 ?2. Nyatakan tekanan pada titik minimum kurva Z P dalam tetapan-tetapan Vander Waals ?3. Sebuah silinder baja dengan volume 5 liter berisi 400 gr gas Nitrogen hingga temperatur berapakah silinder tersebut dapat dipanaskan bila tekanan di dalamnya tidak boleh melampaui 50 atm ? Tc = -147,1oC, Pc = 33,5 atm.4. Dengan menggunakan persamaan Van Der Waals, hitung tekanan dari 1 kg CO2 dalam volume 5 liter pada 40oC. Bandingkan harga ini dengan harga yang diperoleh bila gas tersebut dianggap ideal ?5. 4,68 gr khlor dan 4,193gr belerang dioksida dicampurkan dalam volume 2 liter pada temperatur 190oC, sebagian dari campuran gas ini bereaksi dan menghasilkan sulfuril chlorida SO3Cl2. Pada akhir reaksi tekanan campuran gas ialah 2 atm. Hitung tekanan parsial dan konsentrasi dari masing-masing zat dalam campuran ?6. Kalau diketahui diameter molekul CO ialah 3,19 x 10-8 cm. Hitung pada 300oK dan tekanan 100 torr: a. Jumlah molekul yang bertabrakan per cm3 per detik ? b. Jumlah tabrakan bimolekul ? c. Jarak bebas rata-rata.7. Satu setengah mol gas amoniak (NH3) pada 27oC mempunyai volume 5 liter. Bila a = 4,17 atm liter / mol dan b = 0,037 liter / mol, berapa besar tekanannya ?8. Hitung tekanan dalam silinder dengan volume 360 liter yang berisi 70 kg gas karbon dioksida pada temperatur 62oC ?9. Hitung temperatur satu mol gas nitrogen yang dimasukkan ke dalam bejana 5 liter pada tekanan 15 atm. Diketahui tetapan Van Der Waals untuk nitrogen; a = 1,39 liter atm/mol; b = 0,039 liter/mol, dan R = 0,082 liter atm / oK mol. Berapa besar penyimpangannya jika anda menghitung dengan menggunakan gas ideal ?10. Gas nitrogen sebanyak 56 gram ditempatkan dalam bejana 5 liter pada temperatur 27oC. Hitung tekanannya dengan menggunakan persamaan gas ideal dan persamaan Van Der Waals. Untuk gas Nitrogen a = 4,17 atm liter / mol , b = 0,037 liter / mol, R = 0,082 liter / oK mol ?11. Suatu silinder dengan volume 10 liter dapat menampung gas sampai tekanan 133 atm pada 40oC. Berapa banyaknya gas etilena, C2H4, dapat disimpan dengan aman dalam silinder tersebut pada 40oC ? Tc = 283oC, Pc = 50,9 atm ?

CARA PENILAIANUntuk penilaian tugas, diskusi, dan latihan soal dalam tiap kegiatan belajar, dirata-ratakan dengan mid test.% penilaian sebagai berikut:1. Diskusi kelompok: 30 %2. Latihan soal masing-masing skor soal 1. (15); 2. (15); 3. (20); 4. (25); 5. (25); total persentase soal latihan: 50 %3. Kehadiran kuliah: 20 %Nilai mid test = rata-rata niali tugas tiap kegiatan belajar (40%) + Mid Test (60%)

KEGIATAN BELAJAR 2CAIRAN

PENDAHULUANCairan mempunyai volume tetap dan hanya sedikit dipengaruhi oleh tekanan. Rapat dan viskositasnya lebih besar dari pada gaa. Dua zat cair dapat bercampur sempurna, bercampuran sebagian atau tidak bercampur.Dari teori kinetik dapat dianggap, bahwa cairan adalah kelanjutan dari fase gas, molekul-molekulnya mempunyai gaya tarik yang kuat, hingga dapat menahan volume yang tetap. Namun demikian molekul-molekulnya masih dapat bergerak bebas, hanya gerakannya terbatas, tidak seperti dalam fase gas. Gaya yang bekerja antara molekul-molekul cairan berupa gaya Van Der Waals atau gaya listrik akibat adanya dipole. Gaya ini menyebabkan adanya asosiasi molekul. Tidak seperti pada gas, pengetahuan tantang cairan belum lengkap.ISI MATERI:1. KEADAAN KRITIS CAIRANBila air diletakkan dalam bejana tertutup, air mempunyai tekanan uap tertentu. Tekanan uap ini tergantung temperatur, misalnya:P25C= 23,76 mmHgP100 C= 760 mmHgKalau temperatur dinaikkan terus, tekanan uap juga bertambah, tetapi selalu ada kesetimbangan antara:Air Uap

Pada temperatur 374,4oC, batas antara air, dan uap hilang. Air dalam keadaan ini disebut ada pada titik kritis. Zat cair yang lain bila dipanaskan pada bejana tertutup, akan menjalani peristiwa sama. Temperatur pada titik kritis disebut tekanan kritis dan volume molarnya disebut volume kritis.Untuk air: tc=374,4 CPc=219,5 atmVc=58,7 cc/moleKalau temperatur dinaikkan, keadaan di atas terjadi sebaliknya.1.1. Hubungan P-V-T Cairan dan GasHubungan P-V-T untuk cairan-gas, mula-mula didapatkan oleh Andrews untuk karbondioksida. Dia mungukur variasi volume CO2 dengan tekanan pada temperatur tetap. Ia mendapatkan bahwa zat ini mempunyai temperatur kritis 31oC dan tekanan kritis 73 atm.

Grafik tersebut merupakan grafik isoterm. Pada 48,1oC gas CO2 tidak mungkin dicairkan. Pada 30,98oC dan tekanan 73 atm, mulai terdapat CO2 air. Titik ini merupakan titik kritis. Pada temperatur di bawah 30,98oC, misalnya 21,5oC, bila CO2 ditekan akan mencair. Selama pencairan tekanan tetap. Selama ini ada kesetimbangan:CO2(l)CO2(g)Setelah semua CO2 mencair, penambahan tekanan hanya menambah tekanan daripada CO2 dan grafik naik dengan tegak.Klor mempunyai temperatur kritis 144oC hingga mudah dicairkan, sebaliknya helium mempunyai temperatur kritis -268oC hingga sukar sekali dicairkan, sebab gas tidak mungkin mencair di atas temperatur kritis.

1.2. Prinsip Kontinuitas KeadaanMenurut prinsip ini, fase cair merupakan kelanjutan dari fase gas. Hal ini dapat dilihat dari grafik P-V-T untuk CO2. Kalau kita mengubah cairan CO2 dari A ke B pada temperatur sama, perubahan ini akan melalui perubahan fase yang jelas. Tapi kalau perubahan itu melalui C, D dan kemudian B maka perubahan fase cair ke gas pada saat melewati garis isotermal kritis, tidak dapat diikuti. Atas dasar prinsip ini, persamaan keadaan untuk gas berlaku pula untuk keadaan kritis atau bahkan keadaan cair.

1.3. Persamaan Van der Waals untuk isotermal CO2 (P + n2a / v2 ) ( V-nb ) = nRTBila n=1(P + a/v2 ) (V-b) = RTMenurut prinsip kontinuitas keadaan, persamaan tersebut dikenakan pada temperatur d iatas dan di bawah temperatur kritis. Bila hal ini dikenakan terhadap CO2 diperoleh hasil seperti gambar 1.10

Gambar 1.10. Isothermal CO2 menurut persamaan Van der WaalsUntuk temperatur di atas dan pada temperatur kritis, hasil hitungan sama dengan percobaan. Untuk temperatur di bawah temperatur kritis terdapat sedikit perbedaan. Namun demikian bila penekanan dilakukan perlahan-lahan keadaan akan cocok dengan percobaan. Hanya keadaan ini tidak stabil.1.4. Penetapan Tetapan Van der WaalsBila persamaan Van der Waals belaku pada temperatur kritis, maka tetapan Van der Waals a dan b dapat dihitung dari tetapan pada temperatur kritis(P + a / v2) (V-b) = RTPV3 V2 (RT + Pb) + aV ab = 0V3 (RT/P + Pb/P) V2/P + (a) V/P ab/P = 0Persamaan ini akan menghasilkan 3 harga V untuk tiap harga P dan T. Pada 25 C harga V ialah b, c, dan d. Pada 50 C harga V yang nyata 1, sedang pada temperatur kritis ketiga harga tersebut sama yaitu sama dengan Vc.V=VcV-Vc=0Hingga: (V-Vc)3=0V3 (3Vc)V2+(3V2c)V-V3c=0Persamaan ini identik dengan persamaan di atas, hingga :3Vc= RTc + b Pc / Pc3 Vc2= a / Pc ------------------- a = 3 Vc2. PcVc3= a. B / Pc ------------------ b = Vc3. Pc / a= Vc3. Pc x 1 / 3Vc3. Pcb= Vc / 3Harga Vc paling tidak tepat dibandingkan dengan Pc dan Tc, hingga lebih baik a dan b dicari dari Pc dan Tc.b= Vc / 3 ; 3 Vc = R Tc + b Pc / Pcb= R Tc / 8Pca= 3 Vc2 . Pc ; b = Vc / 3 ; b = R Tc / 8 Pca= 3 (3 b)2 Pc = 3 (9) ( R Tc / 8 Pc)2 . Pc = 27 . R2 Tc2 / 64 Pc

Harga R juga dapat diperoleh dari persamaan :3 Vc = R Tc + b Pc / Pc ; b = Vc / 3R = 8/3 Pc Vc / Tc = 2,67 Pc Tc / TcHasil-hasil percobaan menyatakan bahwa tetapan 2,67 tersebit dalam percobaan lebih tinggi. Untuk helium 3,18 dan air 4,97; ini disebabkan oleh ketidaktetapan persamaan Van der Waals.

1.5. Tetapan Kritis gasDalam table berikut diberikan tetapan gas pada temperatur kritis, yaitu tc, Pc dan dc. Rapat kritis ialah massa zat tiap cc pada titik kritis.

Tabel 1. Tetapan kritis gasGas

Tc (C)Pc (atm)Dc (gr/cc)

NH3132,4111,50,235

Ar-122480,531

CO230,9873,00,460

Cl2144,076,10,311

He-267,92,260,0693

H2O374,4219,50,307

Cailetet dan Mathias mendapatkan, bahwa harga rata-rata hitung rapat dalam keadaan cair dan uapnya yang setimbang, merupakan fungsi linear dari temperatur dalam C.t= A + B (d1+dv)d1 = rapat cairan ; dv = rapat uapnyaPada temperatur kritis tc, maka dv = d1 = dc, hingga persamaan menjadi :t= A + B (2dc) / 2 = A + B dc Bila tc diketahui, maka dc dapat ditentukan lebih tepat daripada mengukur dc secara langsung.

Gambar 1.11. Variasi rapat rata-rata SO2 terhadap temperaturPersamaan Keadaan Tereduksi(P + a/V2) (V b) = RTa = 3Vc2. Pc ------------------- (P + 3Vc2 Pc / V2) (V Vc/3) = 8PcVcT/3Tb = Vc /3(P/Pc + 3Vc2/V2) (V/Vc 1/3) = 8/3 T/Tc(Pr + 3/Vr2) (3 Vr 1) = 8 TrP/ Pc = Pr = tekanan tereduksi. V/ Vc = Vr = volume tereduksiT/ Tc = Tr = temperatur tereduksiPersamaan di atas disebut persamaan keadaan tereduksi, tidak adanya tetapan-tetapan yang berhubungan dengan suatu zat menunjukkan persamaan itu berlaku untuk semua zat cair dan gas. Persamaan ini tidak begitu tepat, tetapi persamaan tersebut banyak digunakan dalam thermodinamika dan chemical engineering terutama pada tekanan-tekanan tinggi.

Pencairan GasCara pencairan suatu gas tergantung daripada jenisnya. Untuk gas-gas yang mempunyai titik cair di sekitar temperatur kamar dan tekanan atm, mudah dicairkan hanya dengan penekanan misalnya : Gas Cl2, gas SO2, gas H2S, gas NH3, gas CH3Cl, gas freon (C F2 Cl2)Gas-gas ini mempunyai temperatur kritis yang tinggi, karena mudah dicairkan banyak dipakai untuk refrigerant di rumah tangga.Untuk gas dengan temperatur kritis rendah sebelum dapat dicairkan, temperaturnya harus diturunkan di bawah temperatur kritis. Untuk memperoleh temperatur rendah dapat dikakukan : Pengembangan adiabatic (joule-thompson-effect:linde Process) Pengembangan adiabatic dengan melakukan kerja (Claude-Process)Gas-gas yang biasa dicairkan dengan cara ini ialah udara, hydrogen, dan helium.

Udara yang dicairkan dengan proses Linde, mula-mula ditekan sampai 100 atm hingga uap air mengembun. Udara yang tertekan dikembangkan. Proses ini diulang berkali-kali hingga akhirnya udara mencair.Pada proses Claude, udara yang tertekan dikembangkan dengan melakukan kerja yaitu dipaksa menggerakkan piston. Proses demikian diulang hingga akhirnya udara mencair. Proses ini lebih efektif, karena ada recovery tenaga.

2. TEKANAN UAP CAIRAN2.1. Arti Tekanan UapPenguapan cairan terjadi karena molekul-molekul cairan di permukaan cairan meninggalkan cairan. Molekul-molekul ini mempunyai tenaga lebih besar daripada tenaga rata-rata dalam cairan. Penguapan tidak terjadi terus-menerus, sebab sebagian daripada uap

kembali ke dalam cairan (Gambar.4. 1). Bila kecepatan penguapan dan pengembunan sama, terjadi kesetimbangan dan tekanan uap yang terjadi disebut tekanan uap jenuh pada temperatur tersebut atau tekanan uap.Banyaknya panas yang diperlukan untuk menguapkan cairan tergantung daripada : Jenis cairan Banyaknya cairan TemperaturUntuk suatu temperatur tertentu, banyaknya panas yang diperlukan untuk menguapkan 1 mole cairan disebut panas penguapan molar, Hv. Hv = Hv - Hl Hv = entalpi uapHl = entalpi cairanKarena : H = E + PVHv = berharga positifMaka : Hv = E + PVV = Vv-VlP = tekanan uap cairan

Besarnya tekanan uap cairan dapat ditentukan dengan macam-macam cara, namun semuanya dapat digolongkan pada :Cara statis dan cara dinamis.

2.2. Variasi Tekanan Uap Terhadap TemperaturTekanan uapa cairan tergantung daripada temperatur, makin tinggi temperatur makin besar tekanan uapnya dan mencapai harga maksimum pada temperatur kritis. Menurut teori kinetik, bila temperatur diperbesar, molekul-molekul cairan dengan tenaga tinggi bertambah, hingga lebih banyak yang meninggalkan cairan, akibatnya tekanan uap lebih besar. Pada temperatur kritis, kehendak untuk menjadi gas sangat besar dan pada saat tersebut tidak ada fase cair lagi.Kenaikan tekanan uap lambat pada temperatur rendah dan sangat cepat pada temperatur tinggi. Hal ini dapat dilihat dalam grafik antara temperatur dan tekanan uap untuk berbagai cairan (Gambar. 1. 12)Perubahan tekanan uap terhadap temperatur dapat dinyatakan dengan persamaan Clausius-Clapeyron :dP / dT = H / T(V2-V1)P = tekanan uap pada temperatur T

V2 = Volume Uap (Vg)V1 = Volume Cairan (Vl)H = panas Penguapan (Hv)dP / dT = H / T(V2-V1)

Gambar 1. 13. Variasi tekanan uap terhadap temperaturPada temperatur jauh dari temperatur kritis Vl Vs (misal CO2)dP positif, dT negatif bila V1 > Vs (misal H2O)Untuk dapat diintegrasikan, pada persamaan di atas harus diketahui fungsi temperatur dari Hf dan (V1 V2). Hal ini sukar dikemukakan, hngga persamaan di atas tetap di pakai dalam bentuk diferensial.Contoh :Untuk asam asetat titik lebur : 16,60 oCHf = 46,42 kal(V1 Vs) = 0,160 cc/gram1 kal = 41,2 cc.atm/molM = berat molekulPada tekanan total 11 atm. P = 10, sehingga titik lebur = 16,0 + 0,0242 x 10 = 16,48oCTernyata pengaruh tekanan tehadap titik lebur sangat kecil hingga untuk perubahan tekanan yang kecil dapat diabaikan.

Tekanan Sublimasi Zat PadatBeberapa zat padat seperti iodium, dan naftalena, dapat langsung bertambah dari zat padat manjadi uapnya. Pada temperatur yang tetap, tekanan uapp zat ini juga tetap dan disebut tekanan sublimasi. Untuk sublimasi ini diperlukan panas sublimasi yang besarnya, Hs = Hv Hc. Tekanan sublimasi juga bertambah bila temperatur naik, hal ini juga dinyatakan oleh rumus Clapeyron :

Keterangan :P = tekananT = temperaturVg = volume molar uapVs = volume molar zat padatVs 1300oC. Albert Einstein (1907) memberikan hubungan antara Cv untuk zat padat kristal mono atomic,

Keterangan :Cv = kapasitas panas pada volume tetap N = bilangan avogadroK= R/N = 1,38 x 10-16 erg/derE = bilangan alamH = tekanan Planck 6,625 x 10-27 erg = frekuensi dari vibrasi atom-atom

Dari persamaan tersebut dapat diambil kesimpulan, :Cv = 0 pada T = 0 KCv 3R pada T kamar (dicapai secara asimptot)Namun demikian pada temperatur intermediate, Cv lebih rendah dari pada hasil eksperimen. Pieter Debey (1912) memberikan persamaan yang lebih lengkap dari kapasitas panas zat padat. Debey menganggap bahwa zat padat tidak bergetar dengan frekuensi tertentu, tetapi bergetar dari 0 vm. Persamaan Debey jauh lebih sulit dari persamaan Einstein.

Debey juga mendapatkan bahwa Cv = 0 pada T = 0 Kdan mendekati harga 3R secara asymstot pada temperatur kamar. Pada temperatur yang sangat rendah, : Cv = A.T3 A = tetapanRumus ini dipakai untuk menetakan secara kira-kira Cv dibawah 20 K. karena Cv tidak mungkin ditentukan secara percobaan dibawah temperatur 15 atm dan 20 K.

RANGKUMANZat padat mampuntai volume dan bentuk yang tetap, ini deisebabkan karena molekul-molekul dalam zat padat menduduki tempat yang tetap di dalam kristal. Molekul-molekul zat padat juga mengalami gerakan tetapi sangat terbatas.Zat padat dapat dibedakan antara zat padat kistal dan amorf. Di dalam kristal, atom atau molekul penyusunnya mempunyai struktur tetap, tetapi dalam zat amorff tidak. Zat padat sangat besar. Keduanya dapat dianggap sebagai cairan yang membeku terlambat dengan viskositas sangat besar. Keduanya dapat dibedakan dengan bermacam-macam cara misalnya dari titik leburnya. Kristal mempunyai titik lebur tegas, sedang zat amorf titik leburnya tidak tegas, tetapi terdapat dalam suatu interval temperatur.Bila zat cair didinginkan, gerakan translasi molekul-molekul menjadi lebih kecil dan daya tarik molekul semakin besar, hingga setelah mengkristal molekul mempunyai kedudukan tetentu di dalam kristal. Panas yang terbentuk pada kristalisasi disebut panas pengkristalan. Panas yang diperlukan untuk melebur 1 mol zat padat disebut panas peleburan, besarnya sama dengan panas pengkristalan hanya saja tandanya yang berlawanan.Hf = Hi c = - Hc

SOAL TES FORMATIF 31. Apa yang dimaksud dengan zat padat, dan sebutkan sifat-sifat zat padat !2. Berilah contoh sublimasi zat padat!

CARA PENILAIAN1. Diskusi dan tanya jawab (50%)2. Tes formatif (50%)