Prinsip-prinsip dan konsep-konsep kimia dasar yang perlu dipelajari oleh siswa dan mahasiswa untuk menjelajah ilmu kimia. Diterjemahkan dari Buku Chemistry 10th Edition Raymond Chang Tahun 2010.

6.4 Entalpi Reaksi Kimia

Langkah selanjutnya adalah untuk melihat bagaimana hukum pertama termodinamika dapat diterapkan untuk proses yang dilakukan pada keadaan yang berbeda. Secara spesifik, akan dipertimbangkan dua situasi yang paling umum dijumpai di laboratorium, yaitu: volume yang diterapkan pada sistem dipertahankan tetap dan satunya lagi tekanan yang diterapkan pada sistem dipertahankan tetap.

Jika reaksi kimia dijalankan pada volume tetap, maka ΔV = 0 dan tidak ada kerja P-V yang akan dihasilkan dari perubahan ini. Dari Persamaan (6.1) didapat bahwa:



ΔE = q - PΔV  = qv  (6.4)

Subskrip "v" ditambahkan untuk mengingatkan bahwa ini adalah proses pada volume tetap. Kesetaraan ini mungkin tampak aneh pada awalnya, karena ditunjukkan sebelumnya bahwa q bukan fungsi keadaan. Proses ini dilakukan dalam keadaan volume tetap, bagaimanapun, sehingga perubahan kalor hanya dapat memiliki satu nilai spesifik, yang sama dengan ΔE.

Entalpi

Keadaan volume tetap sering merepotkan dan kadang-kadang mustahil untuk dicapai. Kebanyakan reaksi terjadi dalam keadaan tekanan tetap (biasanya tekanan atmosfer). Jika suatu reaksi menghasilkan peningkatan jumlah mol gas, maka sistem melakukan kerja pada lingkungan (ekspansi). Hal ini mengikuti fakta bahwa untuk gas yang terbentuk memasuki atmosfer, harus mendorong kembali udara disekitarnya. Sebaliknya, jika molekul gas lebih banyak yang dikonsumsi daripada yang diproduksi, kerja dilakukan pada sistem oleh lingkungan (kompresi). Akhirnya, tidak ada kerja yang dilakukan jika tidak ada perubahan dalam jumlah mol gas dari reaktan menjadi produk.

Secara umum, untuk proses tekanan tetap dapat ditulis:


ΔE = q + w
     = qp - PΔV
q = ΔE + PΔV (6.5)


dimana subskrip "p" menunjukkan keadaan tekanan tetap.


Sekarang diperkenalkan dengan fungsi termodinamika yang baru dari sistem yang disebut entalpi (H), yang didefinisikan oleh persamaan:



H = E + PV (6.6)


di mana E adalah energi dalam sistem, P adalah tekanan dan V adalah volume sistem. Karena E dan PV memiliki satuan energi, entalpi juga memiliki satuan energi. Selanjutnya, E, P, dan V adalah fungsi keadaan, yaitu bahwa, perubahan (EPV) hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. Ini mengikuti, karena itu, bahwa perubahan H, atau ΔH, juga tergantung hanya pada keadaan awal dan akhir. Dengan demikian, H adalah fungsi keadaan.


Untuk setiap proses, perubahan entalpi menurut Persamaan (6.6) diberikan oleh



ΔH = ΔE + Δ(PV)  (6.7)

Jika tekanan dipertahankan tetap, maka


ΔH = ΔE + PΔV  (6.8)


Membandingkan Persamaan (6.8) dengan Persamaan (6.5), dapat dilihat bahwa untuk proses tekanan tetap, qp = ΔH. Sekali lagi, meskipun q bukan fungsi keadaan, perubahan kalor pada tekanan tetap sama dengan ΔH karena "jalan/proses yang dilalui" didefinisikan demikian dan oleh karena itu hanya dapat memiliki nilai tertentu.


Sekarang didapat dua kuantitas [ΔE dan ΔH] yang dapat dikaitkan dengan reaksi kimia. Jika reaksi terjadi pada keadaan volume tetap, maka perubahan kalor (qv), sama dengan ΔE. Di sisi lain, ketika reaksi dilakukan pada tekanan tetap, perubahan kalor (qp), sama dengan ΔH.


Entalpi Reaksi

Karena sebagian besar reaksi adalah proses pada tekanan tetap, dapat disamakan perubahan kalor dalam kasus ini dengan perubahan entalpi (q = ΔH). Untuk beberapa reaksi dengan jenis:


reaktan  produk


dapat didefinisikan perubahan entalpi yang disebut entalpi reaksi (ΔH), sebagai perbedaan antara entalpi produk dan entalpi reaktan:

ΔH = H(produk)  -   H(reaktan)   (6.9)


Entalpi reaksi dapat bertanda positif atau bertanda negatif, tergantung pada proses. Untuk proses endotermik (kalor diserap oleh sistem dari lingkungan), ΔH bertanda positif (ΔH > 0). Untuk proses eksoterm (kalor yang dilepaskan oleh sistem ke lingkungan), ΔH bertanda negatif (ΔH < 0).


Sebuah analogi untuk perubahan entalpi adalah perubahan dalam saldo rekening bank. Misalkan saldo awal rekening adalah Rp10.000. Setelah transaksi (deposit atau penarikan), perubahan saldo bank (ΔX) diberikan oleh persamaan:



ΔX = X(akhir)  -   X(awal)


di mana X merupakan saldo bank. Jika deposit Rp8.000 ke rekening, maka saldo akhir rekening adalah Rp18.000, sehingga ΔX = 18.000 - 10.000 = + 8.000. Hal ini terkait dengan reaksi endoterm. (Peningkatan kesetimbangan dan begitu juga entalpi sistem). Di sisi lain, jika penarikan Rp 6.000, maka  saldo akhir rekening adalah Rp4.000, sehingga  ΔX = 4000 - 10.000 = - 6.000. Tanda negatif ΔX berarti saldo rekening mengalami penurunan. Demikian pula, nilai negatif dari ΔH mencerminkan penurunan entalpi sistem sebagai hasil dari proses eksoterm. Perbedaan antara analogi ini dan Persamaan (6.9) adalah bahwa saldo bank selalu dapat diketahui  dengan tepat, tetapi tidak ada cara untuk mengetahui nilai entalpi produk dan reaktan. Dalam prakteknya, hanya dapat digukur perbedaan atau selisih antara nilai-nilai dari perubahan tersebut.


Sekarang dapat diterapkan ide perubahan entalpi untuk dua proses yang umum dijumpai, pertama melibatkan perubahan fisika dan kedua perubahan kimia.


Persamaan Termokimia

Pada suhu 0°C dan tekanan 1 atm, es mencair membentuk cairan. Pengukuran menunjukkan bahwa untuk per mol es yang dikonversi menjadi air pada keadaan ini kalor sebesar 6,01 kilojoule (kJ) diserap oleh sistem (es). Karena tekanan tetap, perubahan kalor adalah sama dengan perubahan entalpi (ΔH). Proses ini adalah proses endotermik, seperti yang diharapkan untuk perubahan kalor dari pencairan es [Gambar 6.6 (a)]. Oleh karena itu, ΔH adalah besaran positif. Persamaan untuk perubahan fisika ini


HO(s)    HO(l)    ΔH = 6,01 kJ/mol


Istilah "per mol" pada satuan untuk ΔH berarti bahwa ini adalah perubahan entalpi per mol reaksi (atau proses) seperti yang tertulis; yaitu, ketika 1 mol es dikonversi menjadi 1 mol air.
Gambar 6.6 (a) 1 mol es mencair pada suhu 0°C (proses endoterm) menghasilkan peningkatan entalpi dalam sistem 6,01 kJ. (b) Pembakaran 1 mol metana dalam gas oksigen (proses eksoterm) menghasilkan penurunan entalpi dalam sistem 890,4 kJ. Bagian (a) dan (b) tidak dibuat pada skala yang sama.


Sebagai contoh lain, pertimbangkan pembakaran metana (CH), komponen utama dari gas alam:

CH(g) + 2O(g)  CO(g) + 2HO(l) ΔH = -890,4 kJ/mol



Dari pengalaman diketahui bahwa pembakaran melepaskan kalor gas alam ke lingkungan, sehingga merupakan proses eksoterm. Pada keadaan tekanan tetap perubahan kalor ini adalah sama dengan perubahan entalpi dan ΔH harus memiliki tanda negatif [Gambar 6.6 (b)]. Sekali lagi, satuan per mol  reaksi untuk ΔH berarti bahwa ketika 1 mol CH bereaksi dengan 2 mol O menghasilkan 1 mol CO dan 2 mol HO, 890,4 kJ energi kalor dilepaskan ke lingkungan. Hal ini penting untuk diingat bahwa nilai ΔH tidak merujuk pada reaktan atau produk tertentu. Ini hanya berarti bahwa nilai ΔH dikutip mengacu pada semua jenis reaksi dalam jumlah molar. Dengan demikian, faktor konversi berikut dapat dibuat:




Mengekspresikan ΔH dalam satuan kJ/mol (bukan hanya kJ) sesuai dengan konvensi standar; manfaatnya akan menjadi jelas ketika dilanjutkan  dengan pelajaran tentang termodinamika.

Persamaan untuk mencairnya es dan pembakaran metana adalah contoh dari persamaan termokimia, yang menunjukkan perubahan entalpi serta hubungan massa. Hal ini penting untuk menentukan persamaan yang setimbang ketika mengutip perubahan entalpi dari reaksi. Pedoman berikut ini membantu dalam menulis dan menafsirkan persamaan termokimia.

1. Saat menulis persamaan termokimia, harus selalu ditentukan keadaan fisika dari semua reaktan dan produk, karena dapat membantu dalam menentukan perubahan entalpi yang sebenarnya. Misalnya, dalam persamaan untuk pembakaran metana, jika ditunjukkan air dalam bentuk uap dan bukan air dalam bentuk cair sebagai produk, maka

CH(g) + 2O(g) → CO(g) + 2HO(g) ΔH = -802,4 kJ/mol

perubahan entalpi adalah -802,4 kJ bukan -890,4 kJ karena 88,0 kJ diperlukan untuk mengkonversi 2 mol air menjadi uap air;

HO(l)  →  HO(g)   ΔH = -88,0 kJ/mol

2. Jika dikalikan kedua sisi dari persamaan termokimia dengan faktor n, maka ΔH juga harus berubah dengan faktor yang sama. Kembali ke mencairnya es

HO(s)  →  HO(l)   ΔH = + 6,01 kJ/mol

Jika dikalikan persamaan seluruhnya dengan 2; yaitu, jika ditetapkan n = 2, maka

2HO(s)  →  2HO(l)   ΔH = + 12,02 kJ/mol

3. Jika persamaan dibalik, dapat diubah peran reaktan dan produk. Akibatnya, besarnya ΔH untuk persamaan tetap sama, tetapi terjadi perubahan tandanya. Misalnya, jika reaksi mengkonsumsi energi panas dari lingkungan (yaitu, proses endoterm), maka reaksi balik harus melepaskan energi panas kembali ke lingkungan (yaitu, proses eksoterm) dan persamaan perubahan entalpi juga harus diubah tandanya. Dengan demikian, jika reaksi mencairnya es dibalik, persamaan termokimia menjadi

HO(l)  →  HO(s)   ΔH = - 6,01 kJ/mol

dan proses endoterm menjadi eksoterm, dan sebaliknya.

Contoh 6.3
Perhatikan persamaan termokimia

2SO(g) + O(g) → 2SO(g) ΔH = -198,2 kJ/mol

hitung perubahan kalor ketika 87,9 g SO (massa molar = 64,07 g/mol) dibakar menjadi SO.

Strategi
Persamaan termokimia menunjukkan bahwa untuk setiap 2 mol SO yang bereaksi, 198,2 kJ kalor yang dilepaskan (perhatikan tanda negatif). Oleh karena itu, faktor konversinya


Berapa mol SO ada dalam 87,9 g SO? Apa faktor konversi antara gram dan mol?

Penyelesaian
Pertama perlu menghitung jumlah mol SO dalam 87,9 g senyawa dan kemudian menemukan jumlah kilojoule yang dihasilkan dari reaksi eksoterm. Urutan konversi adalah sebagai berikut:

gram SO₂  → mol  SO → kilojoule kalor yang dihasilkan

Oleh karena itu, perubahan entalpi untuk reaksi ini diberikan oleh


dan kalor yang dilepaskan ke lingkungan adalah 136 kJ.

Periksa
Karena 87,9 g kurang dari dua kali massa molar SO (2 x 64,07 g) seperti yang ditunjukkan dalam persamaan termokimia sebelumnya, diharapkan kalor yang dilepaskan lebih kecil dari 198,2 kJ.

Perbandingan ΔH dan ΔE
Apa hubungan antara ΔH dan ΔE untuk suatu proses? Untuk menemukan jawabannya, perhatikan reaksi antara logam natrium dan air:

2Na(s) + 2HO(l) → 2NaOH(aq) + H(g) ΔH = -367,5 kJ/mol

Persamaan termokimia ini menyatakan bahwa ketika dua mol natrium bereaksi dengan air berlebih, 367,5 kJ kalor dilepaskan. Perhatikan bahwa salah satu produk adalah gas hidrogen, yang harus didorong kembali ke udara masuk atmosfer. Akibatnya, beberapa dari energi yang dihasilkan oleh reaksi digunakan untuk melakukan kerja mendorong kembali volume udara (ΔV) terhadap tekanan atmosfer (P) (Gambar 6.7). Untuk menghitung perubahan energi dalam, dapat diatur ulang Persamaan (6.8) sebagai berikut:

ΔE = ΔH - PΔV

Jika diasumsikan suhu menjadi 25°C dan mengabaikan perubahan kecil dalam volume larutan, maka dapat ditunjukkan bahwa volume 1 mol gas H₂ pada 1,0 atm dan 298 K adalah 24,5 L, sehingga  - PΔV = -24,5 L.atm atau -2,5 kJ. Akhirnya,

ΔE = -367,5 kJ/mol - 2,5 kJ/mol
     = -370,0 kJ/mol

Perhitungan ini menunjukkan bahwa ΔE dan ΔH yang kurang lebih sama. Alasan ΔH lebih kecil dari ΔE adalah bahwa beberapa energi dalam dilepas digunakan untuk melakukan kerja ekspansi gas, sehingga lebih sedikit kalor yang dilepas. Untuk reaksi yang tidak melibatkan gas, ΔV biasanya sangat kecil dengan begitu ΔE secara praktis sama dengan ΔH.

Cara lain untuk menghitung perubahan energi dalam dari reaksi gas adalah dengan mengasumsikan perilaku gas ideal dan suhu tetap. Pada kasus ini,

ΔE = ΔH - Δ(PV)
     = ΔH - Δ(nRT)
     = ΔH - RTΔn    (6.10)

Gambar 6.7 (a) segelas air P di dalam silinder dilengkapi dengan piston bergerak. tekanan di dalam sama dengan tekanan atmosfer. (b) logam natrium bereaksi dengan air, gas hidrogen yang dihasilkan mendorong piston ke atas (melakukan kerja pada lingkungan) sampai tekanan dalam sama dengan tekanan luar.

di mana Δn didefinisikan sebagai
Δn = jumlah mol gas produk - jumlah mol gas reaktan

Contoh 6.4
Hitung perubahan energi dalam jika 2 mol CO diubah menjadi 2 mol CO pada 1 atm dan 25°C:

2CO(g) + O(g) → 2CO(g) ΔH = -566,0 kJ/mol

Strategi
Diketahui perubahan entalpi (ΔH) untuk reaksi dan diminta untuk menghitung perubahan energi dalam (ΔE). Oleh karena itu, perlu diterapkan persamaan (6.10). Berapakah perubahan jumlah mol gas? ΔH diberikan dalam kilojoule, jadi apa satuan yang harus digunakan untuk R?

Penyelesaian
Dari persamaan kimia dapat dilihat bahwa 3 mol gas diubah menjadi 2 mol gas sehingga

Δn = jumlah mol gas produk - jumlah mol gas reaktan
     = 2 - 3
     = -1

gunakan 8,314 J/K mol untuk R dan T = 298 K dalam persamaan 6.10, kita dapatkan

ΔE  = ΔH - RTΔn
      = -566,0 kJ/mol - (8,314 J/K mol)(1kJ/1000J)(298K)(-1)
      = -563,5 kJ/mol

Periksa
Diketahui bahwa sistem gas bereaksi mengalami kompresi (3 mol menjadi 2 mol), adalah masuk akal diperoleh nilai ΔH > ΔE?

Share:

No comments:

Post a Comment

Note: Only a member of this blog may post a comment.

Total Dilihat

Postingan Populer

Label

Arsip Blog

Postingan Terbaru

Cari Dengan Kata

Ikuti Dengan Email

Web Design By
Fp Comp

Subscriber