6 dan gerakan mol ekul penyusun zat Gambar 1. 7. Mol ekul -mol ekul
wuj ud gas mempunyai susunan yang berj auhan dan set iap mol ekul bebas bergerak. Cairan dan padat an mempunyai susunan mol ekul yang
berdekat an, dimana pada cairan, mol ekul masih bisa bergerak dengan bebas, sement ara mol ekul pada padat an t idak bebas bergerak at au
t et ap pada posisinya. Cont oh :
Air mempunyai wuj ud cair pada suhu ruang, akan berubah wuj udnya menj adi padat apabila didinginkan, dan menj adi gas apabila
dipanaskan. Ini merupakan perubahan f isika karena t idak menghasil kan mat eri dengan sif at yang baru
a b
c
Gambar 1. 7 Susunan mol ekul : a gas, b cair, dan c padat , sert a perubahan wuj udnya
1. 3. 1 Keadaan gas
Ciri-ciri gas :
¾
Gas mempunyai susunan mol ekul yang berj auhan, kerapat an rendah t idak memil iki vol ume dan bent uk t et ap sel al u bergerak
dengan kecepat an t inggi
¾
Campuran gas sel al u unif orm serba sama
¾
Gaya t arik-menarik ant arpart ikel dapat diabaikan.
¾
Laj u suat u part ikel sel al u berubah-ubah t api laj u rat a-rat a part ikel -part ikel gas pada suhu t ert ent u adal ah konst an
¾
Gas dapat dimampat kan
Wuj ud dari mat eri t ergant ung pada
keadaan sekit arnya
Di unduh dari : Bukupaket.com
7
¾
Gas dapat dal am bent uk at om t unggal sepert i gol ongan gas mul ia He, Ar, Xe, diat omic H
2
, O
2
, F
2
, dan senyawa NO, CO
2
, H
2
S Gambar 1. 8.
Gambar 1. 8 Bent uk gas: t unggal , diat omik, dan senyawa
Udara
Susunan udara baru diket ahui pada akhir abad ke-18 sewakt u Lavoisier, Priest l y, dan l ainnya menunj ukkan bahwa udara t erut ama
t erdiri at as dua zat : oksigen dan nit rogen. Oksigen dicirikan ol eh kemampuannya mendukung kehidupan.
Hal ini dikenal i j ika suat u vol ume oksigen habis dengan membakar l il in pada t empat t ert ut up, misal nya, dan nit rogen yang t ersisa t idak
l agi dapat mempert ahankan hewan hidup. Lebih dari 100 t ahun berl al u sebelum udara direanal isis secara cermat , yang menunj ukkan
bahwa oksigen dan nit rogen hanya menyusun 99 dari vol ume t ot al , dan sebagian besar dari 1 sisanya adal ah gas baru yang disebut
“ argon” . Gas mul ia l ainnya hel ium, neon, krypt on, dan xenon ada di udara dal am j uml ah yang j auh l ebih kecil . Tabel 1. 1 merupakan
komposisi udara.
Ada beberapa j enis gas l ain yang dij umpai pada permukaan bumi. Met ana CH
4
dihasil kan l ewat proses bakt eri, t erut ama di daerah rawa. Met ana merupakan penyusun pent ing dal am deposit gas
al am yang t erbent uk sel ama j ut aan t ahun l ewat pel apukan mat eri t umbuhan di bawah permukaan bumi. Gas dapat j uga t erbent uk dari
reaksi kimia.
Gambar 1. 9 Ant oine Laurent Lavoisier
Atom tunggal
Molekul diatomik
Senyawa
Di unduh dari : Bukupaket.com
8 Tabel 1. 1 Komposisi Udara
Hukum-hukum Gas
Empat variabel yang menggambarkan keadaan gas:
o
Tekanan P
o
Vol ume V
o
Temperat ur T
o
Juml ah mol gas, mol n
Hukum-hukum Gas : Boyle, Charl es dan Gay-Lussac, Amont on, Avogadro, Dal t on, Gas ideal , Kinet ika, Gas Nyat a.
1 Hukum Boyle
Robert Boyl e Gambar 1. 10 pada t ahun 1622 mel akukan percobaan dengan menggunakan udara. Ia menyat akan bahwa volume
sej uml ah t ert ent u gas pada suhu yang konst an berbanding t erbal ik dengan t ekanan yang dial ami gas t ersebut Gambar 1. 11.
Gambar 1. 10 Robert Boyl e
Penyusun Rumus Fraksi
Vol ume Nit rogen
N
2
0. 78110 Oksigen O
2
0. 20953 Argon Ar 0. 00934
Karbon Dioksida CO
2
0. 00034 Neon
Ne 1. 82 x 10
-5
Hel ium He 5. 2
x 10
-6
Met ana CH
4
1. 5 x
10
-6
Kript on Kr 1. 1
x 10
-6
Hidrogen H
2
5 x 10
-7
Dinit rogen oksida N
2
O 3 x 10
-7
Xenon Xe 8. 7
x 10
-8
Gas merupakan sal ah sat u wuj ud
dari mat eri yang mempunyai sif at -
sif at t ert ent u
Di unduh dari : Bukupaket.com
9 Hubungan t ersebut dikenal sebagai
Hukum Boyl e, secara mat emat is dapat dinyat akan sebagai berikut :
P V
1 |
at au PV = konst an
V = vol ume P = t ekanan
Persamaan diat as berl aku unt uk gas-gas yang bersif at ideal . Cont oh :
Sil inder panj ang pada pompa sepeda mempunyai vol ume 1131 cm
3
dan diisi dengan udara pada t ekanan 1, 02 at m. Kat up kel uar dit ut up dan
t angkai pompa didorong sampai volume udara 517 cm
3
. Hit ungl ah t ekanan di dal am pompa.
Gambar 1. 11 Kurva hubungan ant ara P – V dan 1 P – V Penyel esaian :
Perhat ikan bahwa suhu dan j uml ah gas t idak dinyat akan pada soal ini, j adi nil ainya 22, 414 L at m t idak dapat digunakan unt uk
t et apan C. bagaimanapun, yang diperlukan adal ah pengandaian bahwa suhu t idak berubah sewakt u t angkai pompa didorong. Jika
P
1
dan P
2
merupakan t ekanan awal dan akhir, dan V
1
dan V
2
adal ah vol ume awal dan akhir, maka:
P
1
. V
1
= P
2
. V
2
Di unduh dari : Bukupaket.com
10 Sebab suhu dan j uml ah udara dal am pompa t idak berubah. Subst it usi
menghasil kan : 1, 02at m1131cm
3
= P
2
517cm
3
Sehingga P
2
dapat disel esaikan:
P
2
= 2, 23 atm 2
Hukum Charles
Pada t ekanan konst an, vol ume sej uml ah t ert ent u gas sebanding dengan suhu absol ut nya Gambar 5. 13. Hukum di at as dapat
dit ul iskan sebagai berikut : V
≈
T
¸ ¹
· ¨
© §
tan kons
T V
Hubungan di at as dit emukan ol eh Charl es Gambar 1. 12 pada t ahun 1787 dan dikenal sebagai
Hukum Char l es. Secara graf ik, hukum Charl es dapat digambarkan sepert i pada gambar di bawah. Terl ihat
bahwa apabil a garis-garis graf ik diekst rapolasikan hingga memot ong sumbu X suhu, maka garis-garis graf ik t ersebut akan memot ong di
sat u t it ik yang sama yait u – 273, 15 °C. Tit ik ini d ikenal sebagai suhu nol absol ut e yang nant inya dij adikan sebagai
skal a Kel vi n. Hubungan ant ara Cel cius dengan skala Kel vin adalah:
K = °C + 273, 15 K = suhu absol ut
°C = suhu dalam deraj at Cel cius
Gambar 1. 12 Jacques Charl es
Di unduh dari : Bukupaket.com
11
Gambar 1. 13 Vol ume suat u gas sebanding dengan suhunya
Sama hal -nya dengan hukum Boyl e, hukum Charl es j uga berl aku unt uk gas ideal .
Cont oh : Seorang il muan yang mempel aj ari sif at hidrogen pada suhu
rendah mengambil vol ume 2, 50 l it er hidrogen pada t ekanan at mosf er dan suhu 25, 00 °C dan mendinginkan gas it u pada t ek anan t et ap
sampai – 200, 00 °C. Perkirakan besar vol ume hidroge n
Penyel esaian : Langkah pert ama unt uk mengkonversikan suhu ke Kel vin:
T
1
= 25°C
ĺ
T
1
= 298, 15 K T
2
= -200°C
ĺ
T
2
= 73, 15 K
L V
K K
L V
T T
V V
T V
T V
613 ,
15 ,
298 15
, 73
5 ,
2
2 2
1 2
1 2
2 2
1 1
u
Di unduh dari : Bukupaket.com
12
3 Hukum Avogadro
Pada t ahun 1811, Avogadro Gambar 1. 14 mengemukakan hukum yang pent ing mengenai sif at -sif at gas. Dia menemukan bahwa
pada suhu yang sama, sej uml ah vol ume yang sama dari berbagai gas akan mempunyai j uml ah part ikel yang sama pul a banyaknya Gambar
5. 15. Hukum Avogadro dapat dinyat akan sebagai berikut :
V
≈
n V n = konst an
n = j umlah mol gas Sat u mol didef inisikan sebagai massa dari suat u senyawa zat
yang mengandung at om at au mol ekul sebanyak at om yang t erdapat pada dua bel as gram karbon
12
C. Sat u mol dari suat u zat mengandung 6, 023 x 10
23
mol ekul . Bil angan ini dikenal sebagai Bi l angan Avogadr o.
Gambar 1. 14 Avogadro
Dua volume hidrogen
satu volume oksigen
+ Æ Dua volume
air
Gb. 1. 15 Gambaran hukum Avogadro
Di unduh dari : Bukupaket.com
13
4 Hukum Keadaan Standar
Unt uk mel akukan pengukuran t erhadap vol ume gas, diperl ukan suat u keadaan st andar unt uk digunakan sebagai t it ik acuan. Keadaan
ini yang j uga dikenal sebagai STP St andar t Temper at ur e and
Pr essur e yait u keadaan dimana gas mempunyai t ekanan sebesar 1 at m 760 mmHg dan suhu °C 273, 15 K.
Sat u mol gas i deal , yait u gas yang memenuhi ket ent uan semua
hukum-hukum gas akan mempunyai vol ume sebanyak 22, 414 l it er pada keadaan st andar ini Gambar 1. 16.
5 Hukum Gas Ideal
Def inisi mikroskopik gas ideal , ant ara l ain: a.
Suat u gas yang t erdiri dari part ikel -part ikel yang dinamakan mol ekul .
b. Mol ekul -mol ekul bergerak secara serampangan dan memenuhi
hukum-hukum gerak Newt on. c.
Juml ah sel uruh mol ekul adal ah besar d.
Vol ume mol ekul adal ah pecahan keci l yang diabaikan dari vol ume yang dit empat i ol eh gas t ersebut .
e. Tidak ada gaya yang cukup besar yang beraksi pada mol ekul
t ersebut kecual i sel ama t umbukan. f .
Tumbukannya el ast ik sempurna dan t erj adi dal am wakt u yang sangat singkat .
Gambar 1. 16 Gambaran gas ideal
Apabil a j umlah gas dinyat akan dal am mol n, maka suat u bent uk persamaan umum mengenai si f at -sif at gas dapat dif ormasikan.
Sebenarnya hukum Avogadro menyat akan bahwa 1 mol gas ideal mempunyai vol ume yang sama apabil a suhu dan t ekanannya sama.
Dengan menggabungkan persamaan Boyl e, Charl es dan persamaan
Di unduh dari : Bukupaket.com
14 Avogadro akan didapat sebuah persamaan umum yang dikenal sebagai
per samaan gas i deal .
P T
n V
|
at au
P T
Rn V
at au PV = nRT
R adalah konst ant a kesebandingan dan mempunyai suat u nilai t unggal yang berl aku unt uk semua gas yang bersif at ideal . Persamaan di at as
akan sangat berguna dal am perhit ungan-perhit ungan vol ume gas. Nil ai numerik dari konst ant a gas dapat diperoleh dengan
mengasumsikan gas berada pada keadaan STP, maka:
K mol
mol atmK
L R
L atm
15 ,
273 1
082056 ,
414 ,
22 1
1 1
u
Dal am sat uan SI, sat uan t ekanan harus dinyat akan dal am Nm
-2
dan karena 1 at m ekival en dengan 101, 325 Nm
-2
, maka dengan menggunakan persamaan diat as dapat diperol eh harga
R dalam sat uan SI, sebagai berikut :
K mol
m x
Nm R
15 ,
273 1
10 414
, 22
325 ,
101
3 3
2
= 8, 314 Nm K
-1
mol
-1
= 8, 314 J K
-1
mol
-1
Cont oh : Balon cuaca yang diisi dengan hel ium mempunyai vol ume 1, 0 x
10
4
L pada 1, 00 at m dan 30 °C. Balon ini sampai ket ing gian yang t ekanannya t urun menj adi 0, 6 at m dan suhunya –20°C. Berapa volume
bal on sekarang? Andaikan bal on mel ent ur sedemikian sehingga t ekanan di dal am t et ap mendekat i t ekanan di l uar.
Penyel esaian: Karena j umlah hel ium t idak berubah, kit a dapat menent ukan n
1
sama dengan n
2
dan menghapusnya dari persamaan gas ideal menj adi:
2 2
2 1
1 1
T V
P T
V P
Di unduh dari : Bukupaket.com
15
1 2
2 1
1 2
T P
T P
V V
303 6
, 253
00 ,
1 10
, 1
4 2
K atm
K atm
L x
V u
u
V
2
= 14. 000 L
Tekanan dan suhu Tekanan
Gambar 1. 17 Tor ricel l i
Tekanan gas adal ah gaya yang diberikan ol eh gas pada sat u sat uan l uas dinding wadah. Torricel li Gambar 1. 17, il muan dari It al ia
yang menj adi asist en Gal il eo adalah orang pert ama yang melakukan penel it ian t ent ang t ekanan gas ia menut up t abung kaca panj ang di
sat u uj ungnya dan mengisi dengan merkuri. Kemudian ia menut up uj ung yang t erbuka dengan ibu j arinya, membal ikkan t abung it u dan
mencel upkannya dal am mangkuk berisi merkuri, dengan hat i-hat i agar t idak ada udara yang masuk. Merkuri dal am t abung t urun,
meninggal kan ruang yang nyaris hampa pada uj ung yang t ert ut up, t et api t idak semuanya t urun dari t abung. Merkuri ini berhent i j ika
mencapai 76 cm di at as aras merkuri dal am mangkuk sepert i pada gambar dibawah. Toricell i menunj ukkan bahwa t inggi aras yang t epat
sedikit beragam dari hari ke hari dan dari sat u t empat ke t empat yang l ain, hal ini t erj adi karena dipengaruhi ol eh at mosf er bergant ung pada
cuaca dit empat t ersebut . Peral at an sederhana ini yang disebut Barometer
Gambar 1. 18.
Di unduh dari : Bukupaket.com
16
Gambar 1. 18 Baromet er
Hubungan ant ara t emuan Toricel l i dan t ekanan at mosf er dapat dimengert i berdasarkan hokum kedua Newt on mengenai gerakan,
yang menyat akan bahwa: Gaya
= massa x percepat an F =
m x a Dengan percepat an benda
a adalah laj u yang mengubah kecepat an. Semua benda sal ing t arik-menarik karena gravit asi, dan gaya t arik
mempengaruhi percepat an set iap benda. Percepat an baku akibat medan gravit asi bumi biasanya dilambangkan dengan
g, bukannya a ial ah
g = 9, 80665 m s
-2
. Tel ah disebut kan di at as bahwa t ekanan adal ah gaya persat uan l uas, sehingga :
A g
m A
F P
.
Karena vol ume merkuri dalam t abung adal ah V = A
h,
V h
g m
h V
g m
A F
P .
. .
,
V m
U
; di mana
ρ
= massa j enis, sehingga P = . g. h
Tekanan atmosfer
Di unduh dari : Bukupaket.com
17
Suhu
Dal am kehidupan sehari-hari kit a dapat merasakan panas at au dingin. Kit a bisa mendeskripsikan bahwa kut ub ut ara mempunyai suhu
yang sangat dingin at au mendeskripsikan bahwa Surabaya at au Jakart a mempunyai suhu yang panas pada siang hari. Il ust rasi diat as
merupakan dua ekspresi dari suhu, akan t et api apakah kit a t au def inisi dari suhu it u sendiri? Def inisi suhu merupakan hal yang sepel e
t api sul it unt uk disampaikan t et api l ebih mudah unt uk dideskripsikan. Penel it ian pert ama mengenai suhu dil akukan ol eh il muan Perancis
yang bernama Jacques Charl es. Campuran Gas
Pengamat an pert ama mengenai peril aku campuran gas dal am sebuah wadah dil akukan ol eh Dal t on Gambar 1. 19, ia menyat akan
bahwa t ekanan t ot al , P
t ol
, adalah j uml ah t ekanan parsial set iap gas. Pernyat aan ini sel anj ut nya disebut sebagai Hukum Dal t on, hukum ini
berl aku unt uk gas dalam keadaan ideal . Tekanan parsial set iap komponen dal am campuran gas ideal ialah t ekanan t ot al dikal ikan
dengan f raksi mol komponen t ersebut Gambar 1. 20. P
A
= X
A
. P
Tot
V RT
n P
A A
Tekanan t ot al : P
t ot
= P
A
+ P
B
+ P
C
+ …. . Mol t ot al :
n
t ot
= n
A
+ n
B
+ n
C
+ …. .
Gambar 1. 19 John Dal t on
Di unduh dari : Bukupaket.com
18 Cont oh :
Berapa t ekanan t ot al dalam wadah cont ainer yang mengandung:
•
Met ana dengan t ekanan parsial 0. 75 at m,
•
Hidrogen dengan t ekanan parsial 0. 40 at m
•
Propana dengan t ekanan parsial 0. 50 at m? P
t ot
= P
met ana
+ P
hidrogen
+ P
propana
P
t ot
= 0. 75 at m + 0. 40 at m + 0. 50 at m P
t ot
= 1. 65 at m
1. 3. 2 Padatan, cairan
