SIFAT FISIK DAN KEADAAN AHAN

MODUL 13

SIFAT FISIK DAN KEADAAN AHAN

Oleh : Ir. Nanang Ruhyat, MT.

Sifat Gas

Zat dapat berada dalam tiga bentuk fisik yang berbeda yaitu: padat, cair dan gas. Pada akan dibicarakan sifat-sifat fisik dan kimia yang khas dari bentuk zat dan perubahan bentuk yang terjadi di antara mereka. Bagian ini khusus mengenai bentuk gas dimana gaya tarik-menarik molekulnya-yaitu gaya tarik-menarik suatu mo­lekul dengan molekul lainnya-sangat lemah. Gaya yang lemah ini menyebabkan inolekul-molekul dapat bergerak dengan cepat dan bebas sehingga gerak-gerik fisik dari gas hampir tak tergantung dari kompo­sisi kimianya. Bahkan gerak-gerik dari gas dikendalikan oleh volume, tekanan, suhu dan jumlah molnya. Karena variabel-variabel ini kepen­tingannya sangat tinggi, pembicaraan akan dimulai dengan penggunaan variabel-variabel ini pada bentuk gas.

Volume dan Tekanan

Bila gas dimasukkan ke dalam suatu wadah, molekul-molekulnya akan bergerak secara bebas dan akan menempati seluruh volume wadah tersebut. Akibatnya volume gas selalu diberikan berdasarkan volume dari wadahnya. Karena gas akan bercampur satu sama lain secara bebas, bila ada beberapa macam, gas dalam campuran, maka volume dari tiap komponen sama dengan volume wadah yang ditempati seluruh macam gas.

Tekanan didefenisikan sebagai gaya per satuan luas; merupakan jumlah intensif yang didapat sebagai hasil perbandingan dua kuantitas ekstensif yaitu gaya dan luas. Misalnya bila suatu gaya sebesar 100 lb diberikan pads sebuah piston dengan luas 100 inci², tekanan tiap inci²adalah 100^-1b/100 inci² = 1 lb/inci² (1 pound per inci² atau 1 psi). Suatu gaya 1 lb yang menaikkan luas 1 inci² tekanannya akan sama dengan gaya 100 lb yang menekan 100 inci²

100 lb/ 100 inci² = 1ilb/inci²

Bila gaya sebesar 100 lb ditekankan pada luas yang kecil misalnya 1 inci², tekanannya akan besar sekali (Gambar 11.1). Sekarang tekanan­nya adalah 100 Ib/inci2 = 100 psi. Ketergantungan dari tekanan pada gaya dan luas kemana dilakukan dialami oleh orang yang pernah menginjak paku. Seseorang yang beratnya 110 lb bila menginjak paku kecil yang ujungnya mempunyai luas 0,01 inci² akan merasakan, bagai­mana besamya tekanan sebesar 11.000 psi! Tekanan ini sudah lebih dari cukup untuk paku menusuk kulitnya.

Bila tekanan yang dihasilkan oleh sebuah piston dilakukan pada zat yang mengalir (gas atau cairan) seperti terlihat pada gambar dibawah, akan disebarkan merata ke segala arah sehingga seluruh dinding dari wadah akan mendapat tekanan yang sama. Bila piston ditahan oleh gas atau cairan, berarti zat tersebut juga memberikan tekanan yang sama ter­hadap piston dan dinding wadah.

Gambar Tekanan adalah perbandingan antara gaya per luas. Gaya yang sama sebesar 100 Ib dilakukan pads dua buah piston, tetapi piston sebelah kanan yang luasnya lebib kecit akan mengha­silkan tekanan yang lebih besar Pada masing-masing sitinder tekan­an yang .sama akan dilakukan padaseluruh dinding.

Tekanan Atmosfir

Atmosfir yang mengelilingi bumi adalah campuran berbagai gas. Te­kanannya dengan mudah dapat diperlihatkan oleh percobaan bila kita mengeluarkan udara dari wadah yang terbuat dari baja? Sebelum udara dikeluarkan, udara di luar dan di dalam wadah tekanannya sama. Tetapi ketika udara dikeluarkan yang tinggal hanya tekanan atmosfir dari luar dan ini cukup kuat untuk membuat wadah baja itu ringsek.

Tekanan atmosfir diukur dengan suatu alat yang disebut barometer, salah satu macamnya terlihat pada gambar dibawah. Alat ini dibuat dengan mengisi suatu tabung gelas yang panjangnya 1 meter dengan air raksa, dan menutup ujungnya sehingga air raksa tak akan keluar. Lalu tabung yang berisi air raksa ini dimasukkan ke dalam wadah yang juga berisi air raksa, sehingga ujungnya yang terbuka akan terbenam dalam air raksa. Waktu tabung gelas dibalik, ada sedikit air raksa yang keluar, sehingga tabung di atas tak berisi apa-apa (oakum). Air raksa dalam tabung tetap bertahan karena adanya tekanan atmosfir ke permukaan cairan air raksa.

Tinggi kolom air raksa, h, dalam tabung gelas ternyata tak tergantung dari diameter dan panjang tabung gelas, asal saja tabungnya cukup panjang untuk ruangan vakum di atas air raksanya, tetapi tinggi dari air raksanya dapat berubah, tergantung dari perubahan tekanan atmosfir. Misalnya bila akan ada angin topan, tekanan atmosfir akan turun, maka tinggi kolom h akan lebih pendek. Temyata yang dilaporkan pada laporan cuaca melalui radio dan TV mengenai tekanan barometer adalah tinggi dari kolom air raksa tersebut umumnya dalam centimeter (cm Hg) air raksa.

Bila tinggi dari kolom air raksa dalam _.tabung tak berubah, maka tekanan yang disebabkan kolom air raksa tepat sesuai dengan tekanan atmosfir dapat kita nyatakan dengan tinggi dari kolom air raksa. Pada permukaan laut tingginya berkisar sekitar 760 mm, sehingga angka ini yang mendasari defenisi dari standar satuan tekanan yang disebut stan­dar atmosfir (atm). Defenisi mula-mula dari standar atmosfir sama dengan tekanan yang dilakukan kolom air raksa setinggi 760 mm pada permukaan air laut dan pada temperatur 0°C.

1 atm = 760 mm Hg

Dalam satuan Inggris satuan tersebut sama dengan tekanan sebesar 14,7 lb/inci².

Untuk satuan internasional (SI) tekanan adalah Pascal (Pa) dide­fenisikan sebagai 1 newton (satuan Internasional untuk gaya) per meter persegi.

I Pa = 1 N/m² (Simbol untuk newton N).

Setelah diperkenalkan satuan Internasional, defenisi standar atmosfir diubah dalam istilah pascal, sehingga defenisinya sekarang

atm = 101.325 Pa= 101,325 kPa

Satuan yang lebih kecil dari tekanan, yang biasa digunakan dalam percobaaan adalah torr, berasal dari name Evangelista Torricelli, yang menemukan barometer. Defenisinya adalah 760 torr sesuai dengan 1 atm. Tekanan barometer yang normal pada permukaan laut kira-kira 29,9 inci air raksa.

1 atm = 760 torr

Untuk semua pengukuran tekanan gas, 1 torr dapat dianggap sama dengan tekanan oleh kolom air raksa setinggi 1 mm.

I torr = 1 mm Hg

Dalam laboratorium kimia lebih mudah untuk menggunakan satuan torr dan atm dari pada dengan pascal. Sehingga untuk mudahnya kita tidak menggunakan SI.

Mengukur Tekanan Gas yang Terperangkap

Sering diperlukan untuk mengukur tekanan gas yang terdapat dalam suatu sistim yang tertutup (misalnya gas yang dihasilkan suatu reaksi kimia). Alat yang biasa dipa kai untuk mengukur tekanan semacam ini disebut manometer. Suatu manometer (gambar dibawah) yang berbentuk tabung U mengandung cairan air raksa.

Salah satu tangan tabung di­hubungkan dengan sistim dimana tekanan gasnya akan diukur, sedang­kan tangan lainnya tetap terbuka. Kalau tekanan gas di dalam sistim (P_gas) sama dengan P_atm., tinggi permukaan air raksa di kedua tangan akan sama (Gambar a) Bila tekanannya lebih besar dari P_atm,, tinggi air raksa pada tangan -sebelah kiri akan ditekan ke bawah yang menye­babkan permukaan air raksa sebelah kanan naik (Gambar b). Tekanan gas dari sistim akan kita ketahui dengan membandingkan kedua tangan tabung pada permukaan tertentu (h₀) yaitu kita pilih tinggi dari air raksa yang lebih pendek. Tekanan pada kolom sebelah kiri bila P_gas > P_atm. adalah juga P_gas., sedangkan pada permukaan yang sama pada kolom, sebelah kanan tekanannya adalah tekanan atm ditambah tekanan dari air raksa yang naik di atas h_o = P_Hg^. Bila permukaan tetap, tekanan pada permukaan yang ditentukan pada kedua sisi adalah sama, sehingga

P_gas = P_atm + P_Hg

Tekanan atmosfir P_atm dapat dilihat dari barometer dan P_Hg tak lain adalah perbedaaan dari tinggi kolom air raksa. Demikian juga, bila P_gas . < P_atm (Gambar c) maka tekanan ditangan sebelah kiri pada per­mukaan yang ditentukan adalah P_gas + P_Hg, sedangkan kolom sebelah kanan tekanannya = P_atm.. Dalam hal ini bila kolom tetap, maka

P_gas + P_Hg = P_atm

Sehingga

P_gas = P_atm - P_Hg

Sehingga bila P_gas < P_atn maka tekanan gas dari sistim didapat dari hasil pengurangan tekanan atmosfir dengan perbedaan tinggi kolom air raksa.

Suatu manometer tertutup, pada Gambar berikut sering digunakan un­tuk mengukur tekanan gas yang rendah karena ukurannya kecil. Terdiri dari tabung U dengan salah satu tangannya tertutup mati. Bila tabung di sebelah kanan yang tertutup pendek dan tabung di sebelah kiri dibuka ke udara terbuka, maka air raksa akan mengisi tabung sebelah kanan selu­ruhnya. Kemudian bila manometer ini dihubungkan dengan alas yang berisi gas yang mempunyai tekanan rendah itu, air raksa pada tabung sebelah kanan akan turun (Gambar b). Pada permukaan yang diten­tukan, tekanan pada tabung sebelah kiri sama dengan tekanan gas P_gas , sedangkan pada tabung sebelah kanan pada permukaan yang sama, tekanannya adalah P_Hg,karena ruang di atas air raksa adalah vakum. Bila kolomnya tetap, tekanannya adalah P_gas . = P_Hg. Sehingga tekanan dari gas diukur dengan mengambil perbedaan dari tinggi air raksa dikedua tabung manometer. Salah satu keunggulan dari penggunaan manometer tertutup adalah kita tidak perlu mengukur tekanan atmosfir secara. terpisah.

Suatu manometer tertutup dapat dibuat secara seder­hana untuk pengukuran tekanan yang rendah. (a) Bila tekanan gas sama dengan tekanan atmosfir, bila tabungnya pendek, air raksa akan didorong sampai memenuhi selu­ruh tabung sebelah kanan. (b) Te­ kanan gas dapat diukur langsung, bila jauh lebih kecil dari tekana

Pada soal-soal dengan manometer terbuka, lebih balk digambarkan alatnya, bare ditentukan tekanan gas tersebut adalah tekanan atmos­fir harus ditambah atau dikurangi dengan perbedaan tinggi air raksa.

Penggunaan Cairan Lain Selain Air Raksa dalam Manometer

Air raksa tidaklah satu-satunya cairan yang digunakan dalam manome­ter, lebih-lebih bila ingin mengukur tekanan yang rendah. Hal ini dise­ babkan karena air raksa yang mempunyai rapatan besar, akan memberi­ kan perbedaan yang sangat kecil pada kolom manometer, khususnya bila yang diukur tekanan yang kecil. Sebaliknya bila cairan yang dipakai rapatannya kecil maka perbedaannya akan lebih besar. Misalnya te­kanan 1 torr sama dengan tinggi air raksa 1 mm, tapi air yang rapatannya 1/13,6 kali dibandingkan air raksa akan memberikan tinggi air 13,6 mm untuk tekanan yang sama. Pengaruh yang sama akan dihasilkan bila kita menggunakan cairan yang berat jenisnya setengah dari air raksa. Tekan­an 1 torr sama dengan tinggi merkuri 1mm, tetapi akan memberikan tinggi 2 mm tinggi kolom cairan lain.

Ada hubungan yang mudah antara tinggi cairan pada kolom ma nometer (atau barometer) dengan rapatannya. Misalkan dun cairan A dan B untuk tekanan tertentu tinggi kolom cairan A adalah h_A, se­dangkan tinggi cairan kolom B adalah h_B, sehingga

h _B = h_A x d_A/d_B

Contoh Soal

SOAL: Suatu cairan dengan berat jenis 1,15 g/mL digunakan dalam suatu manometer terbuka. Pada suatu percobaan, perbedaan dari tinggi permukaan pada kedua tangan adalah 14,7 mm, dimana tangan yang dihubungkan dengan gas yang akan diukur tinggi permukaan air raksanya lebih rendah dari pada permukaan yang terbuka keudara. Bila tekanan barometer 756,00 torr. Berapa tekanan gas yang terperangkap itu?

ANALISIS: Langkah pertama adalah membayangkan percobaan ini. Keadaan yang digambarkan dalam soal sesuai dengan yang diberikan pada manometer tertutup, sehingga kita tahu bahwa harus menambahkan perbedaan tekanan pada tekanan atmosfir.

P_gas = P_atm + P_cairan

Tetapi sebelum hal ini dapat dilakukan, kita harus mengubah perbedaan tinggi cairan ke tekanan dalam torr, yang berarti harus digunakan Persamaan diatas

PENYELESAIAN: Kita ubah dahulu perbedaan tinggi permukaan cairan dari "mm cairan " ke "mm Hg" yang ekivalen dengan torr. Rapatan air raksa 13,6 g/mL

h _Hg = h_cairan x d_cairan/d_Hg

= 14,7 mm cairan x 1,15/13,6

= 1,24 mm Hg

Perhitungan seperti contoh diatas ini juga dapat dipakai untuk menge­tahui berapa tingginya air pada kolom barometer bila yang digunakan adalah cairan bukannya air raksa. Pada tekanan atmosfir tepat 1 atm, tingginya air adalah 1,03 x 10⁴ mm atau dalam satuan Inggris = 33,8 feet (ft). Kenyataan inilah yang menyebabkan mengapa yang dipakai air raksa bukannya air, sebab bila dipakai air, tinggi barometer akan hampir setinggi rumah tingkat tiga. Sedangkan untuk pengetahuan praktis dari perhitungan ini dapat kita mengerti mengapa pompa hisap tak mungkin mengangkat air lebih tinggi dari 33 ft bagaimana pun kerasnya pompa itu bekerja. Walaupun pompa tersebut dapat membuat ruang vakum yang sempurna, tekanan atmosfir sebesar 1 atm hanya dapat mendorong air melalui pipa ke atas setinggi 33,8 ft.

Hubungan antara Tekanan, Volume dan Suhu untuk Sejumlah Gas Tertentu

Telah kita ketahui bagaimana gas berperilaku, berdasarkan pengalaman sehari-hari, bila kita memompakan udara ke wadah dengan volume yang lebih kecil misalnya saja melalui ventil ke ban sepeda tanpa ada udara yang keluar (Gambar berikut) maka tekanan udara akan naik (besar). Anda telah mengetahui bahwa tekanan gas naik bila volumenya dikecil­kan. Andapun tabu bila udara dipanaskan, akan memuai sehingga volu­menya membesar maka berat per satuan volumenya (atau berat jenisnya) akan mengecil. Hal inilah yang menyebabkan mengapa balon yang diisi udara panas akan melayang pada udara sekeliling balon yang suhunya lebih dingin. Sekarang Anda telah mengerti bahwa volume gas akan memuai bila temperatur naik. Sehingga sekarang kita mengerti mengapa wadah aerosol bila diletakkan di api akan meledak, sebab gas pada tempat tertutup bila dipanaskan, tekanannya akan meningkat.

Berdasarkan pengamatan hal inilah yang mendasari mengapa ahli­ahli mempelajari sifat gas secara sistematis. Umumnya percobaannya adalah mengambil suatu sampel gas pada tempat tertutup, lalu mengamati apa yang terjadi bila tekanan, volume dan suhunya diubah-ubah. Karena menyangkut tiga variabel, maka salah satu harus dibuat konstan dan hubungan kedua variabel lain ditentukan. Dari penelitian ini gerba­gai hukum gas dibuat. Misalnya pada tahun 1662 Robert Boyle seorang ahli kimia dan fisika dari Irlandia melaporkan bahwa bila suhu dari suatu sampel gas dibuat konstan, volumenya akan berbanding terbalik

dengan tekanan gasnya. Hubungan ini dikenal sebagai hokum Boyle dan bentuk persamaannya adalah

V ~ 1 / p (pada suhu konstan)

Persamaan ini dapat diganti dengan memasukkan konstanta yang sebanding

V = konstan

atau bila perbandingannya dihilangkan akan didapat

PV = konstan

Dalam tahun 1787 seorang ahli kimia Perancis.yang bernama Jac­ques Alexander Charles tertarik pada balon udara panas yang pada tahun itu mulai terkenal di Perancis. Dipelajarinya apa yang tedadi pada volume gas bila suhu diubah-ubah tetapi tekanannya dibuat konstan. Bila data-data percobaan ini dibuat diagram maka akan didapat bentuk grafik seperti pada Gambar berikut. Di sini volume gas dibuat sebagai fungsi dari suhu dalam Celsius. Karena semua gas nyata akan berkon­densasi bila didinginkan secukupnya, akan terlihat pada suhu rendah, garis-garisnya berbentuk tebal. Tetapi bila garis-garis ini diekstrapolasi kembali ke temperatur 0, akan kembali bertemu pada suhu - 273,15 °C. Keistimewaan yang menonjol adalah sifat ini akan diketemukan pada semua gas, bila volume dan suhu dikembalikan pada volume 0, suhunya selalu kembali pada -273,15 °C. Jadi titik ini mewakili suhu dimana semua gas bila tidak berkondensasi, volumenya akan nol, sedangkan di bawah suhu ini volumenya akan negatif. Tetapi volume negatif tentu saja tidak mungkin. Jadi seharusnya temperatur ini adalah suhu yang paling dingin dan disebut suhu nol absolut.

Seperti telah diketahui, nol absolut sesuai dengan titik nol pada skala temperatur Kelvin (Disebut jugs skala suhu absolut). Ingat bahwa untuk mendapatkan suhu Kelvin harus ditambah 273,15 pads tempera­tur Celsius

T_K = T_oC + 273.15

Untuk maksud-maksud yang biasa, hanya diperhatikan tiga angka, sehingga 0°C = 273 K dan dapat digunakan hubungan

T_K - T.c + 273

Garin yang lurus pads Gambar 11.8 menandakan pads tekanan yang tetap, volume gas adalah berbanding langsung dengan suhu, bila suhu dinyatakan dengan Kelvin. Hal tersebut dikenal dengan hukum Charles dan secara matematik adalah

V ~T (Pada tekanan tetap)

dimana T adalah temperatur absolut (akan dilihat bahwa skala suhu absolut selalu dipakai bila angka temperatur akan dimasukkan ke dalam perhitungan yang ada tekanan atau volume dari gas) Hukum Charles dapat juga dinyatakan sebagai_,tanda "sama dengan" dengan menam­bahkan konstan kesebandingan

V/T = konstan

Yoseph Gay-Lussac, teman seangkatan dari Charles dengan meng­ambil cara pendekatan yang lain, meneliti bagaimana bila volumenya dibuat konstan maka tekanannya akan tergantung dari suhu. Dia juga menemukan bahwa tekanan juga akan sebanding dengan temperatur absolut pada volume yang tetap. Persamaan hukum Gay-Lussac adalah.

P ~ T (pads volume konstan)

atau

P/T = konstan

Hukum Gabungan Gas

Tiga hukum gas di etas dapat disatukan menjadi sebuah hukum yang dikenal dengan hukum gabungan gas yang dinyatakan dengan

PV/T = konstan

Hukum ini biasanya dipakai dalam soal-soal dimana diberikan be­berapa keadaan suhu, tekanan dan volume untuk sejumlah gas tertentu dan kita, ingin mengetahui perubahan variabel ini bila variabel lainnya diubah. Bila keadaan mula-mula kita beri tanda masing-masing P_i, Vi dan T_i sedangkan keadaan akhir dengan P_f, V_f dan T_f, maka hukum gabungan gas dapat ditulis dengan bentilk yang sangat penting yaitu

(P_i, Vi )/ T_i = (P_f, V_f)/T_f

Contoh Soal

SOAL: Suatu sampel gas dalam. wadah 300 mL akan memberikan tekanan sebesar 625 torr pads suhu 25 ^oC. Berapa tekanannya bila gas ini kita tempat­kan pads wadah 500 mL dan suhunya 25 ^oC?

ANALISIS: Dari soal ini dapat kita ketahui bahwa sejumlah gas tertentu dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain dengan mengubah tekanan, suhu dan volumenya, maka harus dipakai rumus hukum gabungan gas.

Seperti terlihat pada jawaban, sebaiknya dibuat label dari data sesuai de­ ngan yang diberikan yaitu keadaan mula-mula dan akhir. Cara ini dapat meng­ hindari kesalahan dan membantu mengenali kuantitas yang belum di ketahui yang perlu diselesaikan.

Kita gunakan persamaan hokum gabungan untuk memecahkan soal ini, yaitu tekanan akhir yang dicari. Persamaan ini akan berbentuk

P_f = P_ix(Vi /V_f) x(T_f / T_i)

Perhatikan bahwa tekanan akhir sama dengan tekanan mula-mula dikalikan perbandingan volume dan perbandingan suhu. Tentu saja dengan memasukkan jumlah yang sesuai dengan datapun hasil akhir akan didapat. Selain itu untuk memeriksa betul tidaknya penggunaan Persamaan diatas secara benar, dapat dipakai cara pemikiran yang logis. Untuk melakukan hal ini kita gunakan pengaruh volume dan suhu pada tekanan gas untuk menentukan jumlah yang mana akan menjadi pembilang atau penyebut pada perbandingan tersebut. Untuk membantu Anda berpikir, di bawah ini diberikan cara peme­cahan soal-soal.

PENYELESAIAN: Dimulai dengan membuat tabel data. Harus diingat bahwa suhu diubah dahulu menjadi Kelvin. Sehingga 25 ^oC menjadi 298 K (25 + 273) dan 50 ^oC menjadi 323 K.

Mula-mula (i) Akhir (f)

P 625 torr ?

V 300 mL 500 mL

T 298 K 323 K

Sebetulnya cukup mudah untuk memasukkan data ini ke dalam persamaan. Tetapi marilah kita pakai cara pemikiran yang logis dalam menentukan bagai­mana cara memastikan ratio volume dan suhu untuk mendapat tekanan akhir.

P_f = P, x (perbandingan volume) x (perbandingan suhu)

Kita bayangkan bahwa untuk mendapat hasil akhir, kita lakukan dalam dua langkah, mula-mula pada temperatur tetap, volume diubah, kemudian pada langkah kedua volume kita buat konstan sedangkan suhu diubah.

Perhatikan bahwa dalam soal ini volumenya naik dari 300 mL menjadi 500 mL. Kita ketahui hal ini akan menyebabkan tekanan turun karena tekanan gas akan berbanding terbalik dengan volumenya. Dengan lain perkataan, bila volu­me naik, tekanan turun, maka perbandingan volume di sini harus demikian rupa agar tekanan akhir lebih kecil dari tekanan mula-mula dengan demikian volume yang kecil letaknya pada pembilang dalam perbandingan volume. Volume yang kecil adalah volume asal, maka perbandingan volumenya adalah

(300 mL / 500 mL)

Sehingga kita dapatkan

P_f = P, x (300 mL / 500 mL) x (perbandingan suhu)

= 625 x (300 mL / 500 mL) x (323/298)

= 406 torr

REFERENSI :

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