PANAS REAKSI DAN ELEKTRO KIMIA

MODUL 8

PANAS REAKSI DAN ELEKTRO KIMIA

Oleh : Ir. Nanang Ruhyat, MT.

Pelajaran mengenai panas reaksi dinamakan termokimia yang merupa­kan bagian dari cabang ilmu pengetahuan yang lebih besar yaitu ter­modinamika. Sebelum pembicaraan mengenai prinsip termokimia ini kita lanjutkan, akan dibuat dulu definisi dari beberapa istilah. Salah satu dari istilah yang akan dipakai adalah sistim. Sistim adalah sebagian dari alam semesta yang sedang kita pelajari. Mungkin saja misalnya suatu reaksi kimia yang sedang terjadi dalam suatu gelas kimia. Di luar sistim adalah lingkungan. Dalam menerangkan suatu sistim, kita harus mem­perinci sifat-sifatnya secara tepat. Diberikan suhunya, tekanan, jumlah mol dari tiap zat dan berupa cairan, padat atau gas. Setelah semua Variabel ini ditentukan berarti semua sifat-sifat sistim sudah pasti, ber­arti kita telah menggambarkan keadaan dari sistim.

Bila perubahan terjadi pada sebuah sistim dikatakan bahwa sistim bergerak dari keadaan satu ke keadaan yang lain. Bila sistim diisolasi dari lingkungan sehingga tak ada panas yang dapat mengalir maka perubahan yang terjadi di dalam sistim adalah perubahan adiabatik. Selama ada perubahan adiabatik, maka suhu dari sistim akan mengge­ser, bila reaksinya eksotermik akan naik, sedangkan bila reaksinya endo­termik akan turun. Bila sistim tak diisolasi dari lingkungannya, maka panas akan mengalir antara keduanya, maka bila terjadi reaksi, suhu dari sistim dapat dibuat tetap. Perubahan yang terjadi pada temperatur tetap dinamakan perubahan isotermik.

Telah dikatakan, bila terjadi reaksi eksotermik atau endotermik, maka pada zat-zat kimia yang terlibat akan terjadi perubahan energi potensial. Panas reaksi yang kita ukur akan sama dengan perubahan energi potensial ini. Mulai sekarang kita akan menggunakan perubahan ini dalam beberapa kuantitas, sehingga perlu ditegakkan beberapa pera­turan untuk menyatakan perubahan secara umum.

Simbul D (Huruf Yunani untuk delta) umumnya dipakai untuk me­nyatakan perubahan kuantitas. Misalnya: perubahan suhu dapat ditulis dengan D t, dimana t menunjukkan temperatur. Dalam, praktek biasanya dalam menunjukkan perubahan adalah dengan cara mengurangi tem­peratur akhir dengan temperatur mula-mula.

D t = t_akhir - t _awal

Demikian juga, perubahan energi potensial

D (E,P) = (E,P)_akhir - (E,P) _awal

Dari definisi ini didapat suatu kesepakatan dalam tanda aljabar untuk perubahan eksoterm dan endoterm. Dalarn perubahan eksotermik, energi potensial dari hasil reaksi lebih rendah dari energi potensial pereaksi berarti E,P_akhir lebih rendah dari E,P_awal Sehingga harga D (E.P) mem­punyai harga negatif. Kebafikannya dengan reaksi endoterm, dimana harga A(E.P) adalah positif.

	Perubahan eksotermik D (E.P) negatif Perubahan endotermik D (E.P) positif

Entalpi dan Perubahannya

Dua kalorimeter yang ditunjukkan pada Gambar berbeda dengan cara yang mencolok. Reaksi yang terjadi dalam "kalorimeter bomb" terjadi pada volume yang tetap, karma bomb tak dapat membe­sar atau mengecil. Berarti bila gas terbentuk pada reaksi di sini, tekanan akan membesar maka tekanan pada sistim dapat berubah. Karena pada keadaan volume yang tetap maka panas reaksi yang diukur dengan kalorimeter bomb disebut panas reaksi pada volume tetap. Kalorimeter cangkir kopi berhubungan dengan udara dan bila ada reaksi yang meng­hasilkan gas, gasnya dapat menguap ke udara dan tekanan pada sistim dapat tetap konstan. Maka perubahan energi diukur dengan kalorimeter cangkir kopi adalah panas reaksi pada tekanan tetap.

Gambar Kalorimeter ’bomb’ dan Kalorimeter cangkir kopi, terdiri atas cangkir kopi Sty­rofoam yang didukung oleh cincin logam. Termometer gunanya untuk memantau suhu dari campuran reaksi

Pengukuran panas reaksi pada volume tetap dan tekanan tetap tak banyak berbeda tapi tidak sama (sebabnya akan dibicarakan dalam kemudian). Karena kebanyakan reaksi yang ada kepentingannya bagi kita di­lakukan dalam wadah terbuka, jadi berhubungan dengan tekanan udara yang tetap dari atmosfir, maka akan dibicarakan hanya panas reaksi pada tekanan tetap.

Panas reaksi pada tekanan tetap disebut perubahan entalpi dari reaksi dan diberikan dengan simbol D H. Definisinya

D H = H_akhir - H_awal

Walaupun ini merupakan definisi yang biasa dari D H, keadaan entalpi H_awal dan H_akhir (yang sebenarnya berhubungan dengan jumlah energi yang ada, pada keadaan ini) tak dapat diukur. ini disebabkan karena jumlah energi dari sistim termasuk jumlah dari semua energi kinetik dan energi potensialnya. Jumlah energi total ini tidak dapat diketahui, karena kita tidak mengetahui secara pasti berapa kecepatan pergerakan molekul-molekul dari sistim dan juga berapa gaya tarik menarik dan tolak menolak antara molekul dalam sistim tersebut. Ba­gaimanapun definisi yang diberikan oleh Persamaan persamaan diatas sangat penting karena telah menegakkan tanda aljabar D H untuk perubahan eksoterm dan endotennik. Perubahan eksotermik H_akhj, lebih kecil dari H_awal. Sehingga harga D H adalah negatif. Dengan analisis yang sama kita men­dapatkan bahwa harga D H untuk perubahan endotermik harganya positif.

Besarnya D H untuk suatu reaksi tertentu tergantung dari berapa desakan pada sistim saat itu, sehingga bila kita ingin membandingkan harga D H untuk berbagai reaksi, reaksi-reaksi tersebut harus diukur pada desakan yang sama. Ahli pengetahuan mendefinisikan suatu satuan de­sakan disebut 1 standard atmosfir dengan singkatan 1Atm, yang secara kasar sesuai dengan harga rata-rata desakan di daerah pantai. Harga ini biasanya dipilih sebagai acuan desakan untuk pengetahuan perubahan entalpi dan hampir semua harga D H modul ini diperuntukkan untuk desakan 1 atm.

FungsiKeadaan

Suatu fungsi keadaan (atau variabel keadaan) adalah suatu jumlah yang harganya hanya tergantung dari keadaan sistim pada saat tersebut dan tak tergantung dari keadaan sistim sebelumnya. Contohnya adalah suhu. Suatu sampel air misalnya mempunyai suhu 25°C. Temperatur ini tak tergantung dari suhu air sebelumnya, harganya adalah harga pada saat ini.

Salah satu kenyataan dari fungsi keadaan adalah bila sesuatu berubah, bahwa bagaimana terjadinya perubahan ini tak mempengaruhi besarnya perubahan. Misalnya temperatur air di jadi 60 °C. Perubahan temperatur D t hanyalah perbedaan antara dua suhu

D t = = t_akhir - t _awal

D t = 60 ^OC - 25 ^OC = 35 ^OC

Airnya dapat saja didinginkan dahulu menjadi menjadi 10 °C, lalu dinaikkan menjadi 60 ^OC atau dipanaskan dahulu sampai 95 °C kemudian didinginkan 60 ^OC atau perubahan suhu terjadi melalui cara lagi tak jadi soal, bila temperatur akhirnya adalah 60 ^OC maka perubahannya sama yaitu D t = 35 °C.

Entalpi seperti juga temperatur adalah fangsi keadan. Karena itu dengan cara bagaimanapun keadaan satu ke yang lain terjadi, perubahan energi akhir atau perubahan entalpi akhir adalah sama. Bilaa hal ini tak benar, mungkin saja untuk bergerak dari keadaan 1 ke keadaan 2 , melalui satu jalan yang memerlukan pemasukan sejumlah energi tertentu kemudian kembali dari keadaan 2 ke I melalui jalan lain yang mengeluarkan energi yang lebih besar. Bila hal ini mungkin, tentunya akan dilakukan ulangan putaran ini terus menerus sehingga tiap kali ada energi yang dapat disimpan. Kita akan dapat menemukan mesin pergerakan yang abadi, suatu alat yang menghasilkan energi. Tetapi karena hukum kekekalan energi telah menjadi kenyataan, maka pergerakan yang abadi semacam ini tak mungkin.

Hukum Hess Mengenai Jumlah Panas

Karena entalpi adalah satuan fungsi keadaan, maka besaran D H dari reaksi kimia tak tergantung dari lintasan yang dijalani pereaksi untuk membentuk basil reaksi. Untuk melihat pentingnya pelajaran mengenai panas dari reaksi ini, kita lihat perubahan yang sudah dikenal-- penguapan dari air pada titik didihnya. Khususnya, kita perhatikan perubahan 1 mol cairan air menjadi 1 mol air berupa gas pada 100 °C dan tekatan 1 atm. Proses ini akan mengabsorbsi energi 41 kj, maka D H = + 41 kj. Perubahan keseluruhan dapat ditulis dengan persamaan :

H₂0 (l) à H₂O (g) D H = +41 kj

Persamaan yang ditulis secara ini, dimana perubahan energi juga diperhatikan, dinamakan persamaan termokimia. Dalam persamaan termokimia, koefisiennya diambil sebagai jumlah mol dari pereaksi dan hasil reaksi. Persamaan termokimia di atas ini menyatakan bahwa 1 mol cairan air telah berubah menjadi 1 mol air berbentuk uap dengan meng­absorbsi 41 kJ kalori.

Perubahan 1 mol cairan air menjadi 1 mol uap air selalu akan mengabsorbsi jumlah energi yang sama ini, tentunya bila keadaan mula­mula dan akhirnya sama, tak menjadi soal bagaimana kita melakukan perubahan itu. Caranya dapat juga sedemikian jauh yaitu dengan cara menguraikan air tersebut menjadi uap H₂ dan 0₂ lalu menggabungkan kedua unsur ini kembali menjadi uap air. Keseluruhan perubahan ental­pinya tetap sama yaitu + 41 KJ. Sehingga kita dapat melihat keseluruh­an perubahan sebagai hasil urutan langkah-langkah dan harga D H untuk keseluruhan proses adalah jumlah dari perubahan entalpi yang terjadi selama perjalanan ini. Pernyataan terakhir ini merupakan bagian dari hukum Hess mengenai jumlah panas.

Persamaan termokimia berlaku sebagai alai yang penting untuk menggunakan hukum Hess. Misalnya persamaan termokimia yang her­hubungan dengan cara tak langsung yang baru saja diperlihatkan untuk penguapkan air pada 100 °C

H₂0 (l) à H₂O (g) + ½ O₂ (g) D H = +283 kj

H₂ (g) + ½ O₂ (g) à H₂O (g) D H = -242 kj

Perhatikan bahwa koefisien pecahan dapat digunakan dalam persamaan termokimia. Ini disebabkan karena koefisien 1/2 berarti 1/2 mol (Dalam persamaan kimia biasa, koefisien 1/2 biasanya dihindarkan karena un­tuk tingkat molekuler tak ada artinya; setengah atom atau molekul tak ada artinya dalam suatu zat kimia).

Kedua persamaan di atas menunjukkan bahwa diperlukan 283 kJ untuk menguraikan 1 mol H₂0 (l) menjadi unsur-unsumya dan 242 kj dikeluarkan waktu unsur-unsur tersebut bergabung lagi membentuk 1 mol H₂O (g). Hasil akhir perubahan (penguapan dari satu mol air) di­dapat dengan menjumlahkan kedua persamaan reaksi dan menghilang­kan zat-zat yang ada di kedua belah pihak.

Kita dapat juga mengatakan bahwa panas dari keseluruhan reaksi sama de­ ngan jumlah aljabar dari panas reaksi untuk kedua langkah reaksi tersebu

Pemakaian persamaan termokimia

Pada pelajaran yang lalu, telah diketahui bahwa persamaan termokimia dapat dijumlahkan agar terdapat persamaan akhir, make harga D H -nya juga dijumlahkan untuk mendapat harga D H akhir. Misalnya pada Con­toh berikut, hal ini digambarkan dengan menggabungkan tiga per­samaan untuk mendapat persamaan ke empat. Tetapi seperti terlihat, kadang-kadang persamaan termokimia harus digunakan dan diubah se­belum dijumlahkan. Manipulasi ini akan mempengaruhi harga D H, se­hingga sebelum sampai ke Contoh tersebut marilah kita lihat cara yang dapat dilakukan pada persamaan termokimia dan bagaimana hal ini dapat mempengaruhi harga D H.

Perkalian atom pembagian dari koefisien dengan beberapa faktor

Bila koefisien dari persamaan termokimia dikalikan atau dibagi dengan, suatu faktor, maka harga D H nya juga harus dilakukan sama. Misalnya, penguraian dari cairan air mempunyai persamaan termokimia.

H₂0 (l) à H₂O (g) + ½ O₂ (g) D H = +283 kj

Bila persamaan ini kita kalikan dengan faktor 2, maka jumlah mol dari semua zat juga akan menjadi dua kali, sehingga panas yang diam­ bilnya juga menjadi dua kali lipat. Bila koefisien menjadi dua kali, demikian juga harga D H.

2H₂0 (l) à 2 H₂O (g) + 1O₂ (g) D H = +566 kj

Mengubah arah dari persamaan termokimia

Bila pada satu arah reaksinya adalah eksoterm, maka pada arah yang berlawanan reaksinya adalah endoterm. Karena itu, bila kita ubah arah reaksi, tanda D H nya juga diubah.

H₂0 (l) à H₂O (g) + ½ O₂ (g) D H = +283 kj

Maka

H₂ (g) + ½ O₂ (g) à H₂O (l) + D H = -283 kj

Marilah kita lihat bagaimana cara ini digunakan dalam mengupas soal-sal hukum Hess.

SOAL: Persamaan termokimia untuk pembakaran asetilen suatu gas yang dipakai untuk membuat obor, diberikan dalarn persamaan (1).

(1) 2 C₂H₂ (g) + 5 O₂ (g) à 4 CO₂ (g) + 2H₂0 (l) D H = -2602 kj

Etana suatu senyawa hidrokarbon, bereaksi sebagai berikut:

(2) 2 C₂H₆ (g) + 7 O₂ (g) à 4 CO (g) + 6H₂0 (l) D H = -3123 kj

Akhirnya, hidrogen dan oksigen bergabung seperti persamaan berikut:

(3) H₂ (g) + ½ O₂ (l) à H₂O (l) + D H = -286 kj

Semua data ini berlaku pada temperatur 25 °C dan tekanan 1 atm. Gunakan data-data di atas untuk menghitung D H reaksi:

(4) C₂H₂ (g) + 2 H₂ (g) à C₂H₆ (g) D H = ?

ANALISIS: Untuk memecahkan soal ini, kita harus menggabungkan Persa­maan (1), (2) dan (3) sedemikian rupa sehingga bila dijumlahkan yang tinggal hanya rumus-rumus dalam Persainaan (4), sedangkan yang lain dapat dihi­langkan (Persamaaan (4) ini kita namakan persamaan tujuan). Untuk inenda­patkan ini, kita harus mengubah-ubah persamaan yang diberikan. Misalnya pada persamaan tujuan satu senyawa C₂H₆, terletak di kanan, tapi pada persa­maan (2) ada di kiri dengan dua koefisien. Berard Persamaan (2) harus kita balik clan koefisiennya dibagi dua agar C₂H₆ dengan koefisien satu ada di kanan. Tentu saja tanda D H harus diubah dan ikut dibagi dua. Selanjutnya dalam mengubah persamaan lainnya, kita harus selalu mengingat persamaan tujuan, sehingga kita tahu pasti akan mendapat rumus dan koefisien serta sisi yang betul.

Kesukaran yang dialami mahasiswa adalah untuk memulainya. Latihan akan mempermudah, tapi harus diingat beberapa peraturan. Setelah semua persamaan reaksi dilihat, perhatikan rumus-rumus yang hanya muncul sekali. Misalnya pada soal di atas C₂H₆ hanya ada pada Persamaan (1), maka kita tahu pasti rumus ini harus ada pada sisi yang benar dalam persamaan tujuan. Hindari rumus-rumus yang muncul lebih dari sekali pada persamaan-persamaan ini. Pada soal ini 0₂, jangan digunakan dahulu, sebab kita belum tahu persamaan mana yang bisa menghilangkan unsur 0₂ ini.

PENYELESAIAN: Pada persamaan tujuan C₂H₂ ada di sebelah kiri, maka kita gunakan Persamaan (1) yang koefisiennya dibagi dua yang akan mengha­silkan Persamaan (5) di bawah. Perhatikan bahwa kita juga membagi D H dari Perrsamaan (1) dengan 2, untuk mendapatkan D H Persamaan (5). Pada persa­maan tujuan disebelah kiri ada 2 H₂, jadi kita kalikan koefisien dan D H nya dengan 2 untuk mendapat Persamaan (6). Akhimya seperti dikatakan dalam analisis kita balik Persamaan (2) dan koefisiennya dibagi 2 serta D H nya kita sesuaikan sehingga didapat Persamaan (7)

(5) C₂H₂ (g) + 5/2 O₂ (g) à 2 CO₂ (g) + H₂0 (l) D H = -2602/2 kj = -1301 kj

(6) 2H₂ (g) + O₂ (g) à 2H₂O (l) D H = 2x(-286) kj = -572 kj

(7) 2 CO₂ (g) + 3H₂0 (l) à C₂H₆ (g) + 7/2 O₂ (g) D H = 3123/2 kj = -1561 kj

Bila persamaan 5,6,7 dijumlahkan maka:

C₂H₂ (g)+2H₂ (g) + 5/2 O₂ (g)+2CO₂ (g)+3H₂0 (l) à 2CO₂ (g)+3H₂0 (l)+C₂H₆(g)+7/2 O₂(g)

Bila unsure-unsur dan senyawa yang sama pada kedua sisi dihilangkan maka:

C₂H₂ (g)+2H₂ (g) + à C₂H₆(g)

Akan di dapat persamaan yang kita inginkan. Karena ini diperoleh dengan menjumlahkan persamaan 5,6 dan 7, D H nya (DH₄ dalam pernyataan soal) diperoleh dengan menjumlahkan D H dari persamaan 5,6 dan 7.

DH₄ = DH₅ + DH₆ + DH₇

= (-1301 kj) + (-572 kj) + (1561 kj)

= -312 kj

Maka perubahan entalpi untuk persamaan (4) adalah -312 kj.

Panas pembentukan

Ada suatu persamaan termokimia yang penting yang berhubungan de­ ngan pembentukan sate mol senyawa dari unsur-unsumya. Perubahan entalpi yang berhubungan dengan reaksi ini disebut panas pembentuk­ an atau entalpi pembentukan yang diberi simbol DH_f Misalnya per­samaan termokimia untuk pembentukan air dan uap air pada 100 °C dan 1 atm masing-masing

(1) H₂ (g) + ½ O₂ (g) à H₂O (l) DH_f = - 283 kJ/mol

(2) H₂ (g) + ½ O₂ (g) à H₂O (g) DH_f = - 242 kJ/mol

Bagaimana dapat kita gunakan persamaan ini untuk mendapatkan panas penguapan dari air’? Yang - ielas Persamaan (1) harus kita balik, lalu dijumlahkan dengan Persamaan (2). Jangan lupa untuk mengubah tanda DH. (Jika pembentukan H₂O (l) eksotermis, seperti dicerminkan oleh DH _f yang negatif, proses kebalikannya haruslah endoterm). yang berarti eksoterm menjadi positif yang berarti menjadi endoterm.

(3) Eksoterm H₂ (g) + ½ O₂ (g) à H₂O (l) DH_f = - 283 kJ/mol

(4) Endoter H₂O (l) à H₂ (g) + ½ O₂ (g) DH_f = -+283 kJ/mol

Bila kita jumlahkan persamaan (2) dan (4), kita dapatkan:

DH = DH_fH2O(g) - DH_fH2O(l)

= +41 kj

Perhatikan bahwa panas reaksi untuk seluruh perubahan sama dengan panas pembentukan hasil reaksi dikurangi panas pembentukan dari pereaksi. Secara umum dapat ditulis :

DH_reaksi = Jumlah DH_{fhasil reaksi} - Julmlah DH_fpereaksi

Besarnya DH, tergantung dari keadaan suhu, tekanan dan bentuk fisik (gas, padat, cair, bentuk kristal) dari pereaksi dan hasil reaksi. Misalnya pada temperatur 100 ^OC dan tekanan 1 atm, panas pemben­tukan cairan air = -283 kj/mol. Sedangkan pada 25 °C dan tekanan 1 atm, DH _f untuk H₂0(1) adalah -286 kj/mol. Untuk menghindarkan pengulangan menyebutkan keadaan dimana DH _f diukur, juga agar dapat dibandingkan harga DH, bermacam-macam senyawa dibuat keadaan standard pada 25 °C dan tekanan 1 atm. Pada keadaan ini dikatakan suatu zat berada dalam keadaan standar. Panas pembentukan untuk zat-zat pada keadaan standar dinyatakan dengan DH _f. Misalnya panas pembentukan dalam keadaan standar untuk cairan air DH _fH2O(l) = - 286 kj/mol adalah panas yang dilepaskan ketika H₂, dan O₂, dalam bentuk murninya pada temperatur 25 °C dan 1 atm bereaksi untuk menghasil­kan H₂O (1) pada 25 ° dan 1 atm.

REFERENSI :

1. 
   
   Chemistry, Reactions, Structure, and Properties., Clyde R.Dilliard & David E.Goldberg
   
   
2. 
   
   Kimia Universitas, Asas & Struktur,. James E. Brady