Sifat dan Cairan Gas bio

BAB I
DASAR TEORI

1.1 GAS IDEAL
Gas merupakan satu dari tiga wujud zat dan walaupun wujud
ini merupakan bagian tak terpisahkan dari studi kimia, bab ini
terutama hanya akan membahasa hubungan antara volume,
temperatur dan tekanan baik dalam gas ideal maupun dalam gas
nyata, dan teori kinetik molekular gas, dan tidak secara langsung
kimia. Bahasan utamanya terutama tentang perubahan fisika,
dan reaksi kimianya tidak didisuksikan. Namun, sifat fisik gas
bergantung pada struktur molekul gasnya dan sifat kimia gas
juga bergantung pada strukturnya. Perilaku gas yang ada sebagai
molekul tunggal adalah contoh yang baik kebergantungan sifat
makroskopik pada struktur mikroskopik.
I.

Sifat Gas Ideal
a) Gas bersifat transparan.
b) Gas terdistribusi merata dalam ruang apapun bentuk
ruangnya.

c) Gas dalam ruang akan memberikan tekanan ke dinding.
d) Volume sejumlah gas sama dengan volume wadahnya. Bila
gas tidak diwadahi, volume gas akan menjadi tak hingga
besarnya,

dan

tekanannya

akan

menjadi

tak

hingga

kecilnya.
e) Gas berdifusi ke segala arah tidak peduli ada atau tidak
tekanan luar.

f) Bila dua atau lebih gas bercampur, gas-gas itu akan
terdistribusi merata.
g) Gas dapat ditekan dengan tekanan luar. Bila tekanan luar
dikurangi, gas akan mengembang.
h) Bila dipanaskan gas akan mengembang, bila didinginkan
akan mengkerut.
II.

Hukum yang Berlaku pada Gas Ideal

1

Adapun beberapa hukum yang berlaku pada gas ideal adalah:
a) Hukum Boyle
Robert Boyle (1662) :
“Volume suatu gas dengan jumlah tertentu, pada suu
konstan berbanding terbalik dengan tekanan gas”
K1
P1 V 1
PV = K 1

P
P1
P2
=
V1
V2
b) Hukum Charle atau Gay Lussac

V=

=

=

K1

P2 V 2

Charles (1787) :
“ Gas hidrogen, udara, karbon dioksida, dan oksigen

mengembang dengan jumlah yang sama ketika dipanaskan
dari

00

sampai dengan

80o

C”

Gay Lussac (1802):
“Untuk

semua

gas,

pertambahan

volume

untuk

kenaikan suhu setiap derajat celcius kira-kira sama dengan
0
1/273 dari volume
t gas pada 0 C”
t
V0 = V0 ( 1 +
V = V0 +
273,15
273,15
V2 T2
V
T
273,15+t
=
¿
=

V 0 T0
273,15
V1 T1

)=

V0 (

c) Hukum Dalton Mengenai Tekanan Parsial
Pada suhu konstan, tekanan total yang diberikan oleh
campuran gas dalam volume tertentu sama dengan jumlah
tekanan pada masing-masing gas yang akan diberikan jika
gas menempati volume total yang sama sendirian.
Ptotal =P1 + P2 + P3+ ¿ .......

d) Hukum Amagat Mengenai volume Parsial

2

Pada sembarang campuran gas, volume total dapat

dianggap merupakan jumlah volume parsial masing-masing
komponen dalam campuran. Yang dimaksud volume parsial
pada hukum Amagat ini adalah suatu volume dimana
masing-masing gas akan menempati jika ada sendirian pada
total =V
1 +V 2 +V 3 +¿ .......
suhu dan tekanan total Vyang
diberikan.

Jika hukum gas ideal dapat diberlakukan :
V 1=N 1 V

,

V 2=N 2 V

, dst

e) Hukum gas gabungan
P1 V 1

T1

=

P2 V 2
T2

PV = KT

= konstanta = K

Dalam hukum gas gabungan atau campuran ini,
berlaku

suatu

perbandingan

komposisi
suatu

didalamnya.

zat

dengan

Komposisi

seluruh

ialah

campuran.

Komposisi dapat dinyatakan dalam:






f)

Fraksi massa A
WA
A=
,
W Total
Fraksi volum A
VA
A=
,
V Total
Fraksi mol A
Mol A
A=
,
Mol Total

% Berat A =

WA
X 100
W Total

% Volum A =

VA
X 100
V Total

% Mol A =

Mol A
X 100
Mol Total

Hukum Graham tentang difusi
u 1 √ ρ2 V m √ M 2
=
=
u 2 √ ρ1 V m √ M 1
Dimana u= laju difusi;

ρ = densitas;

M=

berat

molekul
3

1.2 GAS NYATA
Perhitungan pada gas ideal tidak memperhitungkan volume yang ditempati
molekul-molekul gas, serta tidak memperhatikan gaya tumbukan antar molekul
maupun tumbukan antara molekul dengan dinding. Pada kenyataannya tidak ada
satupun gas yang ideal di dunia ini. Sekecil apapun volume yang ditempati
molekul pasti akan mempengaruhi perhitungan. Begitu pula aspek tumbukan yang
terjadi.
Faktor Kompresibilitas
Faktor kompresibilitas atau faktor pemampatan adalah rasio molar volume gas
terhadap volume gas ideal pada tekanan dan temperature yang sama. Faktor ini
merupakan salah satu property termodinamika yang berguna untuk memodifikasi
hukum gas ideal untuk melihat perilaku gas nyata.
Z=

PV
nRT

Gas ideal memiliki Z =1, sedangkan gas nyata memiliki z yang bervariasi.

Grafik 1. Faktor kompresibilitas gas
Faktor kompresibilitas pada gas nyata merupakan indeks penyimpangan dari
kondisi ideal. Pada tekanan rendah, semua gas memiliki z mendekati 1, bahkan
pada tekanan 0 atm, z = 1 (semua gas dianggap sebagai gas ideal pada tekanan
ini). Pada tekanan tinggi, semua gas mempunyai Z melebihi 1 dan menunjukkan
bahwa gas-gas itu lebih sulit dimampatkan ketimbang gas sempurna. Pada tekanan
menengah, beberapa gas memiliki nilai Z lebih kecil dari 1 yang berarti memiliki
gaya tarik yang kuat dan mudah dimampatkan.
4

Faktor kompresibilitas sangat bergantung pada suhu dan tekanan. Berikut grafik
hubungan tekanan (P) dengan faktor kompresibilitas (Z) pada suhu berbeda.

Grafik 2. Korelasi Z dengan temperatur
Semakin tinggi temperatur, maka grafik semakin mendekati garis lurus di
sekitar Z = 1. Hal ini menunjukkan bahwa gas akan semakin dianggap ideal pada
suhu tinggi.
Temperatur dimana gas masih bisa mempertahankan sifat idealnya pada rentang
perubahan tekanan yang cukup besar disebut dengan Temperatur Boyle atau
Titik Boyle.

Grafik 3. Titik Boyle

Titik Boyle dapat dijadikan batasan tipe isoterm yang ditunjukkan gas. Diatas
titik ini gas menunjukkan penyimpangan positif ( Z > 1), sedangkan dibawah titik
Boyle, z turun drastis hingga titik minimumnya kemudian naik drastis diatas Z =
1. Titik minimum gas ditentukan oleh temperatur (semakin rendah suhunya maka
semakin rendah titik minimumnya).
Studi mengenai hubungan P-V-T menunjukkan bahwa hukum gas ideal PV =
nRT dapat berlaku pada gas nyata apabila:
1. Gas amat terlarut sehingga volume molekul bisa diabaikan
5

2. Gaya antarmolekul amat lemah sehingga dapat diabaikan
3. Tekanan amat rendah (mendekati 0) sehingga perilaku individual gas hilang
(z dianggap 1)
Apabila tekanan gas sangat besar, maka kondisi idealnya bergatung pada sifat
gas (kemampuannya terkondensasi) dan suhu kritis gas (suhu tertinggi dimana gas
bisa dicairkan).
Hukum-hukum gas nyata
1. Persamaan Van der Waals
2
nRT
n
P=
−a
V −nb
V

(

) ( )

Dimana,
P = Tekanan gas ;

n = jumlah mol ;

T = temperatur;

R = konstanta;

V = Volume gas ;

a, b = koefisien

Koefiisien a dan b berbeda-beda pada setip gasnya. Koefisien ini didapat
dari hasil penelitian di laboratorium. Semakin kecil nilai a dan b maka gas
akan semakin mendekati ideal. A dan b ditentukan berdasarkan tekanan kritis
(Pc) dan temperatur kritisnya (Tc).
27 R2 Tc 2
a=
64 Pc

b=

RTc
8 Pc

2. Persamaan Berthelot
Persamaan ini akan akurat untuk gas pada tekanan atmosfer atau lebih kecil.
P=

[

(

RT
9 P . Tc
6 Tc
1+
1− 2
V
128 Pc .T
T

2

)]

dimana Pc = tekanan kritis;
Tc = temperatur kritis
3. Persamaan Kamerlingh Onnes
Persamaan ini dapat digunakan untuk menghitung PV yang sangat besar
2
3
dimana Vm = volume molar
PVm= A+ BP +C P + D P + …
A, B, C, D = koefisien virial

6

Pada tekanan rendah, koefisien virial yang digunakan hanya A (nilainya
sebanding dengan RT). Seiring bertambahnya tekanan, maka semakin banyak
koefisien viriala yang harus diperhitungkan. Koefisien tiap gas bervariasi
tergantung jenis gas dan temperaturnya.
4. Persamaan Beattie-Bridgeman
Persamaan ini memiliki akurasi tinggi dan dapat digunakan untuk range T dan
P yang besar.
RT
β
γ
δ
P=
+
+
+
Vm Vm 2 Vm3 Vm 4
Rc
β=RT B 0− A 0− 2
T
Rc B
γ =−RT B 0 b+ A 0 a− 2 0
T
R B0 bc
δ=
2
T
Dimana A0, B0, a, b, c = konstanta karakteristik
1.3 TEORI KINETIK GAS
Gas dalam suatu ruang/ wadah akan mengalami tumbukan dengan dinding
wadah yang menyebabkan terjadinya perubahan momentum. Dimana total
perubahan momentum yang terjadi pada n molekul dinyatakan oleh rumus:
2n' mu2
f=
l
Selain itu akibat adanya tumbukkan dengan dinding menyebabkan terjadinya
tekanan pada dinding sehingga diperoleh persamaan:
1
' 2
PV = m n u
3
Dengan P adalah tekanan, V adalah volume wadah, m adalah massa molekul,
n’ adalah jumlah molekul, dan u adalah kecepatan rms
Dalam kasus gas, kecepatan yang sering digunakan untuk menyatakan
kecepatan molekul gas adalah kecepatan root mean square (u) yang dapat
dihitung melalui persamaan:
3 RT
3P
u=
atau u=
M
ρ
Dengan R adalah tetapan gas, T adalah suhu, M adalah konsentrasi gas, P

√

adalah tekanan, dan

√

ρ adalah massa jenis gas.

7

Akibat adanya gerakan molekul yang bergerak dengan kecepatan tertentu,
maka menyebabkan adanya energi kinetik translasi pada gas yang dapat
dihitung dengan rumus:
3
3
Ek = RT atau Ek = NkT
2
2
Dengan T adalah suhu, N adalah bilangan avogadro, dan k adalah tetapan
boltzman
Molekul penyusun gas dalam suatu ruang tidak bergerak dengan kecepatan
yang sama akibat adanya tumbukan dengan molekul dan dinding sehingga
menyebabkan terjadinya distribusi kecepatan. Selain kecepatan rms, untuk kasus
molekul gas dikenal juga istilah kecepatan rata-rata (v) dan kecepatan yang paling
mungkin (α)
v =0,921

√

√

3 RT
2 RT
dan α=
M
M

1.4 VISKOSITAS CAIRAN
a. Pengertian
Viskositas adalah ketahanan aliran suatu cairan (fluida) pada pengaruh
tekanan atau tegangan. Aliran fluida di setiap posisi dalam satu ruang alir tidak
pernah sama, karena kecepatan aliran cairan di dinding mengalami gaya friksi
dengan dinding sehingga kecepatannya menjadi lebih kecil dan menimbulkan
viskositas cairan.
b. Pengukuran Viskositas
Koefisien viskositas secara umum diukur dengan Viskometer Oswald.
Viskositas biasanya disimbolkan dengan lambang ( μ )
μ=

π (∆ ρ) R4 t
8 Vl
Umumnya, koefisien viskositas dihitung dengan membandingkannya
dengan koefisien viskositas yang lainnya

μ 1 d 1 t1
=
μ 2 d 2 t2

c. Faktor yang Mempengaruhi Viskositas
8

1) Gaya Intermolekuler
Jika gaya intermolekuler kuat, maka viskositas cairannya akan tinggi.
Contohnya adalah air yang mempunyai viskositas yang lebih tinggi
daripada metanol karena gaya intermolekuler air lebih besar daripada
metanol.
2) Temperatur
Kenaikan temperatur menyebabkan turunnya viskositas dan begitu juga
sebaliknya. Hal ini disebabkan karena pemanasan tersebut menyebabkan
molekul-molekul memperoleh energi sehingga cairan bergerak dan gaya
intermolekuler melemah.
3) Tekanan
Viskositas cairan naik dengan naiknya tekanan, sementara viskositas
gas tidak dipengaruhi oleh tekanan
4) Kehadiran Zat Lain
Adanya bahan tambahan seperti bahan suspensi dapat menaikkan
viskositas air.
Contoh: Air dengan air + susu mempunyai viskositas yang berbeda
d. Tabel Viskositas Cairan pada Berbagai Suhu
Menurut referensi (Bird, 1987), inilah viskositas cairan beberapa zat pada
berbagai suhu

Cairan
00C
100C
200C
300C
Air
0,0179
0,013
0,0101
0,008
Gliserin
105,9
33,4
13,4
6,29
Anilin
0,102
0,065
0,044
0,0316
Bensin
0,0091
0,0076
0,0065
0,0056
Etanol
0,0177
0,0147
0,012
0,01
Minyak Lobak 25,3
3,85
1,63
0,96
Tabel 1. Nilai berbagai viskositas cairan pada berbagai suhu

9

e. Manfaat Viskositas
Di dunia keteknikan, viskositas berguna untuk mengukur koefisien
gliserin, oli, atau minyak.
1.5 KONDISI KRITIS DAN SUPERKRITIS GAS
Kondisi Kritis Cairan , Fluida Kritis, dan Fluida Superkritis


Cairan mempunyai volume tetap dan hanya sedikit dipengaruhi oleh tekanan



Dari Teori Kinetik dapat dianggap bahwa cairan adalah kelanjutan dari fase
gas, molekul-molekulnya mempunyai gaya tarik yang kuat sehingga dapat
menahan volume menjadi tetap

A. Pengertian Kondisi Kritis


Kondisi / titik kritis adalah sebuah titik dimana fase cairan dan uap tidak
bisa dibedakan



Pada saat mendekati tenperatur titik kritis, properti gas dan cairan menjadi
sama, dan fase ini disebut dengan fluida superkritikal.



Misalkan bila air diletakkan dalam bejana tertutup, air mempunyai tekanan
uap tertentu. Tekanan uap ini bergantung pada temperatur, misalnya :

Pada T = 250C  P = 23,76 mmHg
Pada T = 1000C  P = 760 mmHg
Jika temperatur dinaikkan terus, tekanan uap juga bertambah. Tetapi selalu
ada kesetimbangan antara :
Air
Uap
Pada temperatur 374.40C, batas antara air dan uap menghilang. Air dalam
keadaan ini disebut sebagai air dalam kondisi “Titik Kritis”. Apabila zat lain
dipanaskan pada bejana tertutup, maka akan mengalami peristiwa yang sama.
Temperatur pada titik kritis disebut temperatur kritis, tekananannya disebut
tekanan kritis, dan volume molarnya disebut volume kritis.
10

Grafik 4. Kondisi Kritis dan Superkritis Gas
Pada diagram di atas, terdapat titik tripel dan titik kritis. Pada titik tripel,
fase padat, cair dan gas ada secara bersamaan dengan porsi yang sama. Apabila
dari titik tripel,sepanjang kurva batas fase cair dan gas, temperatur dan tekanan
dinaikan makacairan akan semakin berkurang kerapatannya karena ekspansi
termal, dan sebaliknya, kerapatan gas akan meningkat karena naiknya tekanan.
Akibatnya akan didapatkan kondisi dengan kerapatan yang sama dan tidak ada
batas antara cair dan gas. Pada kondisi ini, kurva mencapai titik kritis, zat tidak
lagi berwujud gas atau cair tetapi disebut sebagai fluida superkritis.Fluida ini
memiliki sifat mirip gas dan juga mirip cair. Sifat solvasinya miripseperti zat
cair, namun sifat mobilitas partikelnya mirip seperti gas, misalnyakemudahan
berdifusi dan viskositas yang rendah. Pada daerah ini, sifat kepolaran fluida
superkritis juga bisa diatur dengan mengubah suhu dan tekanan.Salah satu
fluida superkritis yang memiliki nilai komersial tinggi adalah karbondioksida
superkritis. Karbon dioksida memiliki nilai Pc = 7,4 MPa (kira-kira 73kali
tekanan atmosfer) dan Tc = 30oC. kondisi seperti ini termasuk relatif mudah
untuk dicapai karena tidak terlalu banyak energi yang dibutuhkan.
Berikut manfaat-manfaat dari fluida superkritis (CO2 sebagai salah satu
fluida superkritis yang memiliki nilai komersial tinggi):

11



Sebagai pelarut pada ekstraksi, misalnya pada ekstraksi kafein dari kopi
bebas kafein



Sebagai

fase

gerak

pada

kromotografi

(super

critical

fluid

chromatography)


Dry cleaning



Media pada sintesis polimer dari nano material



Mengurangi pemakaian pelarut organic yang toksik dan mudah terbakar

1.6

12

BAB II
PEMBAHASAN

2.1. Problem A
Mahasiswa Teknik Kimia angkatan 2014 melakukan kunjungan pabrik ke PT X
Indonesia, suatu industri pembuatan gas O2, N2, H2, dan lain-lain, termasuk gas
campuran dengan kualitas yang bagus. Gas-gas ini sering digunakan dalam
eksperimen di Departemen Teknik Kimia untuk berbagai jenis reaksi, sehingga
mahasiswa perlu mengetahui sifat-sifat serta cara pembuatan dan juga sistem
penyimpanan gas tersebut. Untuk memudahkan dalam pembagian tugas nantinya,
maka mahasiswa dibagi dalam kelompok yang diberi nama berdasarkan wujud
materi, yaitu Kelompok Padat, Kelompok Cair, dan Kelompok Gas. Seperti yang telah
kita pelajari dalam kuliah Kimia Dasar, wujud materi padat, cair, dan gas memiliki
sifat-sifat yang berbeda, sehingga ini juga membedakan fungsi mereka. Kelompok
Gas paling semangat mengikuti kegiatan ini, sesuai sifat gas yang lebih mudah
bergerak dibandingkan dengan wujud materi yang lain.
Pertanyaan:
1. Tugas pertama yang diberikan kepada tiap kelompok mahasiswa adalah
menjelaskan perbedaan sifat wujud materi, seperti nama kelompok mereka.
Jika Anda adalah anggota dari Kelompok Gas, jelaskan sifat dari gas, dan
kemudian bandingkan dengan sifat cair dan padat.
SIFAT

GAS

CAIR

PADAT

Volume
Bentuk

Tidak tetap
Tidak tetap

Tetap
Tetap

Tetap
Tidak

Pergerakan

Bergerak

Bergerak

tetap
Bergerak

molekul

acak

pada posisi

acak

Gaya lemah

tetap
Memiliki gaya

Tidak

pada posisi

cukup

kesetimbang

kuat

Gaya antar
molekul

13

an
Jarak antar

Lebih besar

molekul

dibanding
ukuran
molekul

2. Di industri ini, mereka diperkenalkan dengan istilah faktor kompresibilitas
yang menunjukkan bahwa gas tersebut bukanlah gas ideal. Jelaskan apa yang
Anda ketahui tentang gas ideal. Berdasarkan faktor kompresibilitas ini,
bagaimana Anda dapat membedakan bahwa gas tersebut merupakan gas ideal
atau gas nyata. Jelaskan apa yang anda ketahui tentang gas nyata.
JAWAB:
Faktor kompresibilitas (Z) ialah suatu Rasio volume molar
aktual suatu gas dibandingkan terhadap volume molar gas
tersebut pada suhu & tekanan yang sama dimana, Z =
Vm
V

0

, dengan

V m=

m

V
n

, menggunakan gas ideal, berlaku :

PV m=RTZ atau PV =nRTZ

Z=
Faktor

kompresi

PVm
nRT

suatu

gas

merupakan

ukuran

penyimpangan dari keadaan ideal. Faktor kompresibiltas
tergantung pada tekanan (pengaruh gaya tolakan atau
tarik), yaitu apabila :
a) z = 1
b) z < 1

pada tekanan rendah, berkelakuan secara ideal
pada tekanan sedang maka gaya tarikan dominan

dan mudah dimampatkan
c) z > 1
pada tekanan

tinggi

terlihat

gaya

tolakan

dominan dan sulit dimampatkan

14

Grafik Faktor Kompresibilitas
3. Sebuah tabung 12 L akan diisi dengan gas N2, dengan cara mengalirkan gas
tersebut dari tabung 1 L dengan tekanan 20 atm. Dengan mengasumsikan
bahwa gas tersebut adalah gas ideal, hukum siapakah yang bisa anda
gunakan dalam menentukan tekanan akhir dari gas N 2 ini? Jika gas nyata,
bagaimanakah caranya kita mendapatkan tekanan akhir gas tersebut?
Terangkan juga hukum-hukum gas yang lain, baik untuk gas ideal ataupun
hukum gas nyata.
JAWAB
Pada kasus tersebut diasumsikan temperatur gas tetap, yang berubah hanya
volume dan tekanan. Apabila gas tersebut adalah gas ideal, maka
perhitungan dapat menggunakan Hukum Boyle, yaitu
P1 V 1=P 2 V 2
Dimana:
P1 = Tekanan awal
P2 = Tekanan akhir
V1 = Volume awal
V2 = Volume akhir
Sehingga didapatkan:
P1 V 1=P 2 V 2
20 atm .1 L=P2 .12 L
P2=1,67 atm

Untuk gas nyata bisa menggunakan persamaan Van der Waals yaitu:
a n2
P+ 2 ( V −nb )=RT
V

(

(

)

P1 +

a n2
a n2
V
−nb
=
P
+
(
)
( V 2−nb )
1
2
V 12
V 22

)

(

)

15

Hukum gas ideal yang lain:
a) Hukum Charles – Gay Lussac
Untuk semua gas, pertambahan volume untuk kenaikan
suhu setiap derajat celcius kira-kira sama dengan 1/273
dari volume gas pada
V2 T2
=
V1 T1

0

0

C

dimana, V1 = volume awal gas ;

V2 = volume akhir

gas
T1 = Temperatur awal gas ;

T2 = Temperatur akhir gas

b) Hukum Dalton Mengenai Tekanan Parsial
Pada suhu konstan, tekanan total yang diberikan oleh
campuran gas dalam volume tertentu sama dengan
jumlah tekanan pada masing-masing gas yang akan
diberikan jika gas menempati volume total yang sama
sendirian.
Ptotal=P1 + P2 + P3+ ¿ .......
c) Hukum Amagat Mengenai volume Parsial
Pada sembarang campuran gas, volume total dapat
dianggap merupakan jumlah volume parsial masingmasing komponen dalam campuran. Yang dimaksud
volume parsial pada hukum Amagat ini adalah suatu
volume dimana masing-masing gas akan menempati
jika ada sendirian pada suhu dan tekanan total yang
diberikan
V total=V 1 +V 2 +V 3 +¿ .......

d) Hukum Graham tetang difusi
u 1 ρ2 √ M 2
= =
dimana, u = laju difusi gas
u 2 ρ1 √ M 1
ρ = densitas gas
M = Berat molekul gas
Hukum gas nyata yang lain:

16

a.) Persamaan Berthelot (akurat untuk gas pada tekanan atmosfer atau lebih
kecil)
P=

[

(

RT
9 P . Tc
6 Tc
1+
1− 2
V
128 Pc .T
T

2

)]

dimana Pc = tekanan kritis;
Tc = temperatur kritis

b.) Persamaan Kamerlingh Onnes (digunakan untuk menghitung PV yang
sangat besar)
PVm= A+ BP+C P2 + D P3+ …

dimana Vm = volume molar
A, B, C, D = koefisien
virial

Pada tekanan rendah, koefisien virial yang digunakan hanya A (nilainya
sebanding dengan RT). Seiring bertambahnya tekanan, maka semakin
banyak koefisien viriala yang harus diperhitungkan. Koefisien tiap gas
bervariasi tergantung jenis gas dan temperaturnya.
c.) Persamaan Beattie-Bridgeman (memiliki akurasi tinggi dan dapat
digunakan untuk range T dan P yang besar)
RT
β
γ
δ
P=
+ 2+ 3+
Vm Vm Vm Vm 4
Rc
β=RT B 0− A 0− 2
T
Rc B
γ =−RT B 0 b+ A 0 a− 2 0
T
R B0 bc
δ=
T2
Dimana A0, B0, a, b, c = konstanta karakteristik
4. Salah satu persamaan gas nyata yang banyak digunakan adalah persamaan
Van der Waals. Dengan berdasarkan kepada persamaan gas ideal, terangkan
bagaimana kita bisa mendapatkan persamaan Van der Waals. Dalam
persamaan Van der Waals, terdapat dua konstanta yang sangat tergantung
kepada karakteristik masing-masing gas. Terangkan bagaimana cara
menentukan nilai konstanta Van der Waals tersebut.
JAWAB
Persamaan Van der Waals mengacu pada persamaan gas ideal PV = nRT
dengan beberapa perubahan. Persamaan Van der Waals memperhitungkan

17

volume yang ditempati molekul dan gaya interaksi antarmolekul dan
molekul dengan dinding. Van der Waals meninjukkan bahwa gas tidak
bergerak dalam volume V, namun dalam volume V-nb, dengan nb adalah
volume yang ditempati molekul gas.
Tekanan gas bergantung pada frekuensi dan gaya tumbukan antara
molekul dengan dinding. Tumbukan dengan dinding dapat dikurangi dengan
meningkatkan konsentrasi molar gas (n/V). Hal ini disebabkan karena
konsentrasi molar yang besar menyebabkan gaya tarik antar molekul
semakin besar sehingga tumbukan dengan dinding dapat berkurang.
Persamaan yang terbentuk menjadi:
2
nRT
n
P=
−a
V −nb
V

(

) ( )

Koefiisien a dan b berbeda-beda pada setip gasnya. Koefisien ini didapat
dari hasil penelitian di laboratorium. Semakin kecil nilai a dan b maka gas
akan semakin mendekati ideal. A dan b ditentukan berdasarkan tekanan kritis
(Pc) dan temperatur kritisnya (Tc), secara matematis adapt dirumuskan
sebagai berikut
a=

27 R2 Tc 2
64 Pc

b=

RTc
8 Pc

5. Selain gas murni, industri tersebut juga menjual gas dalam bentuk campuran.
Jika industri tersebut mendapatkan pesanan campuran gas yang terdiri dari
30% vol N2, 50% vol CO, 15% vol H2, dan 5% O2, bantulah industri tersebut
untuk menentukan fraksi berat, fraksi mol, berat molekul rata-rata, tekanan
parsial, dan densitas campuran. Buatlah asumsi yang logis jika dibutuhkan.

JAWAB:
Basis 100 m3 campuran
Volume N2 = 30 m3, ρ = 1.2506 kg/m3 (STP), Mr = 28.02
Volume CO = 50 m3, ρ = 1.250 kg/m3 (STP), Mr = 28.01
Volume H2 = 15 m3, ρ = 0.0899 kg/m3 (STP), Mr = 2.016
Volume O2 = 5 m3, ρ = 1.4290 kg/m3 (STP), Mr = 32
Jumlah volume campuran = 100 m3
Maka,

18

Massa N2 = 30 m3 (1.2506 kg/m3) = 37.518 kg
Massa CO = 50 m3 (1.250 kg/m3) = 62.5 kg
Massa H2 = 15 m3 (0.0899 kg/m3) = 1.3485 kg
Massa O2 = 5 m3 (1.4290 kg/m3) = 7.145 kg
Jumlah massa campuran = 108.5115 kg
37.518
=0.345751
37.528+62.5+1.3485+7.145
62.5
Fraksimassa CO=
=0.575976
37.528+62.5+1.3485+7.145
1.3485
Fraksimassa H 2=
=0.012427
37.528+62.5+1.3485+7.145
7.145
Fraksimassa O2=
=0.065846
37.528+62.5+1.3485+7.145
Fraksimassa N 2=

Mol N2 = 37.518 kg / 28.02 = 1.338972 mol
Mol CO = 62.5 kg / 28.01 = 2.231346 mol
Mol H2 = 1.3485 kg / 2.016 = 0.668899 mol
Mol O2 = 7.145 kg / 32 = 0.223281 mol
Jumlah mol campuran = 4.462498 mol
1.338972
=0.30005
1.338972+2.231346+ 0.668899+ 0.223281
2.231346
Fraksimol CO=
=0.500022
1.338972+2.231346+0.668899+0.223281
0.668899
Fraksimol H 2=
=0.149893
1.338972+2.231346+ 0.668899+ 0.223281
0.223281
Fraksimol O2 =
=0.050035
1.338972+2.231346+0.668899+ 0.223281
Fraksimol N 2=

Berat molekul rata−rata=

jumlah massacampuran
jumlah mol campuran
108.5115
¿
=24.31631
4.462498
3

Tekanan parsial N 2=

−1

3

Tekanan parsial CO=

Tekanan parsial H 2=

−1

nRT 1.338972 mol ×8.314 m K mol × 273 K
=
3
V
30 m
¿ 101.3031 Pa
−1

−1

nRT 2.231346 mol ×8.314 m K mol × 273 K
=
3
V
50 m
¿ 101.2907 Pa

nRT 0.668899 mol × 8.314 m3 K −1 mol−1 ×273 K
=
V
15 m3
¿ 101.2143 Pa
19

nRT 0.223281 mol ×8.314 m3 K−1 mol−1 × 273 K
Tekanan parsial O2=
=
V
5 m3
¿ 101.3572 Pa

Densitas campuran=

massa campuran 108.115 kg
−3
=
=1.08115 kg m
3
volume campuran
100 m

6. Dalam kunjungan ini, mahasiswa juga belajar mengenai gas cair, salah satu
produk dari PT X Indonesia ini. Berdasarkan keterangan yang sudah
diperoleh dari industri tersebut, jelaskan bagaimana suatu gas bisa dicairkan.
JAWAB:
Liquifikasi gas alam terdiri dari berbagai macam proses, dengan urutan
sebagai berikut:
1. Treating
Treating dilakukan sebagai penghilang impuritis dan fraksi berat dengan
menggunakan solvent sebagai pelarut ataupun penyerap. Zat yang
impuritisnya dihilangkan yaitu zat-zat berbahaya.
2. Pengeringan Air
Air akan membeku pada suhu 00C. Suhu tersebut jauh lebih besar
daripada suhu untuk mencairkan suatu gas sehingga apabila gas
dicairkan maka uap air yang terkandung di gas tersebut akan membeku
dan menyumbat berbagai alat-alat proses pencairan gas. Untuk itu,
dilakukan pengeringan uap air dengan menggunakan molecular sieve
adsorbtion.
3. Fraksinasi
Setelah uap air pada gas hilang, gas akan dipisahkan komponenkomponen penyusunnya, lalu dikelompokkan ke tahap prosesnya
masing-masing. Proses ini dapat disebut juga proses fraksinasi.
4. Proses Pencairan

20

Setelah dikelompokkan, gas yang ingin kita gunakan akan didinginkan
hingga gas tersebut mulai mengembun. Hal ini dapat dibantu degan
menaikkan tekanannya. Setelah itu gas akan mulai mencair dan menjadi
liquid.
7. Dari hasil kunjungan pabrik yang sudah dilakukan, berikanlah keterangan
sinngkat tentang gas O2, H2, dan N2 yang anda ketahui, tentang proses
pembuatan, penyimpanan, dan pemanfaatannya.
JAWAB:
a. Oksigen


Pembuatan
Pembuatan gas oksigen dilakukan dengan cara distilasi udara cair.
Udara yang mngandung 21% oksigen dan 78% nitrogen didinginkan
hingga suhu -200°C dengan tekanan tinggi sehingga udara mencair.
Kemudian, udara cair tersebut secara berangsur-angsur dipanaskan.
Pada suhu -183°C, oksigen cair akan menguap sehingga dapat
dipisahkan dari gas lainnya.



Penyimpanan
Oksigen dapat ditemukan secara bebas di udara, akan tetapi
penyimpananya dapat ditempatkan di botol dengan syarat sebagai
berikut
a. Dalam penyimpanan botol baja kosong semua valve harus
tertutup.
b. Botol baja harus disimpan dalam ruangan yang kering dan
vetilasi yang baik dan dijauhkan dari zat-zat yang bersifat
korosif.
c. Tutup valve harus selalu terpasang dengan baik.
d. Botol baja harus di simpan di tempat yang aman terhadap
getaran atau penyebab-penyebab lain yang mengakibatkan
terjatuhnya botol baja.
e. Penyimpanan botol baja kosong dan botol berisi harus
dipisahkan.
f. Dilarang menyimpan botol baja Oksigen dekat bahan yang
mudah terbakar.

21



Pemanfaatan
a. Untuk pernafasan para penyelam, angkasawan, atau penderita
penyakit tertentu
b. Dalam industri baja, untuk mengurangi kadar karbon dalam besi
gubal
c. Bersama-sama dengan gas asetilena, digunakan untuk mengelas
baja
d. Oksigen cair bersama dengan hydrogen cair digunakan sebagai
bahan bakar roket untuk mendorong pesawat ruang angkasa
e. Dalam berbagai industri kimia, untuk mengoksidasikan berbagai
zat
f. Digunakan dalam pengolahan besi menjadi baja di tanur terbuka
(tanur oksigen)
g. Berperan dalam aerasi limbah industri

b. Hidrogen


Pembuatan
Dalam skala industri, hydrogen dihasilkan dari uap air dengan metana
atau hidrokarbon ringan dengan katalis nikel pada suhu 75°C
menghasilkan campuran karbon monoksida dan hydrogen. Campuran
gas ini disebut “synthesis gas” atau “syngas”.



Penyimpanan
a. Tangki bertekanan tinggi
b. Cyrogenic
c. Logam dan alloy
d. Kimiawi, dengan kondisi hidrogen yang disimpan dalam bentuk
senyawa lain seperti metanol, ammonia, dan hibrida logam.
e. Fisisorpsi, dengan mengadsorpsi hidrogen pada permukaan
bahan berpori



Pemanfaatan
a. Proses produksi methanol, etanol, dan alcohol yang lebih tinggi

22

b. Pembentukan logam dai oksidanya
c. Hydrogen sebagai bahan baker
d. Untuk hidrogenasi lemak dan minyak
e. Sebagai bahan baker roket
f. Mereduksi bijih-bijih besi
g. Sebagai gas pengisi balon
c. Nitrogen


Pembuatan
Pembuatan gas nitrogen dilakukan bersamaan dengan pembuatan gas
oksigen karena sumbernya juga sama, yaitu udara. Udara yang
mengandung 78 % gas nitrogen, didinginkan sehingga diperoleh
nitrogen dan oksigen cair. Selanjutnya, cairan tersebut didistilasi pada
suhu -195,8°C. Nitrogen cair akan menguap dan terpisah dengan
oksigen cair. Uap nitrogen ini, kemudian ditampung dan dapat
digunakan sesuai keperluan.



Penyimpanan
Untuk penyimpanan nitrogen, penyimpanan hampir sama dengan
hidrogen, hanya berbeda di tekanan dan faktor-faktor lainnya.



Pemanfaatan
a. Untuk pembuatan ammonia
b. Untuk membuat atmosfer inert dalam berbagai proses yang
terganggu oleh oksigen, misalnya dalam industri elektronika
c. Sebagai

atmosfer

inert

dalam

makanan

kemasan

untuk

memperpanjang masa penggunaannya
d. Nitrogen cair digunakan sebgai pendingin untuk menciptakan suhu
yang sangat rendah
2.2 Problem B
Data volume kendaraan yang lewat di jalan raya sangat diperlukan baik oleh Jasa
MArga maupun oleh pihak kepolisian. Data ini merupakan referensi untuk perbaikan
jalan yang sudah ada, pelebaran jalan, penambahan jalan baru, pembuatan atau

23

penataan rute baru atau juga penambahan rambu-rambu lalu lintas. Untuk keperluan
ini, sekelompok mahasiswa yang sedang belajar teori kinetik gas membantu pihak
Jasa Marga melakukan pengamatan untuk menghitung volume kendaraan yang lewat
di jalan tol Jagorawi ke arah Jakarta (J) dan ke arah Bogor (B). Mereka
menggunakan sensor yang diletakkan di dua titik, arah Jakarta dan arah Bogor.
Sensor kemudian dihubungkan dengan PC yang akan memproses data dan
menampilkan data dalam bentuk kecepatan (km/jam) dan volume kendaraan. Data
yang didapatkan adalah sebagai berikut:
J

B

Kecepatan(km/jam

80

85

90

95

100

)

40

62

53

12

2

Volume Kendaraan
Kecepatan(km/jam

80

85

90

95

100

)

38

59

50

10

2

Volume Kendaraan
Pertanyaan:
1. Untuk dapat memahami teori kinetika gas, kelompok mahasiswa mengasumsikan
bahwa setiap mobil yang melaju adalah suatu molekul gas yang berada dalam
suatu ruangan dengan volume V. Jika anda adalah mahasiswa tersebut, jelaskan
postulat yang mendasari teori kinetika gas, dan bagaimana Anda dapat
menerangkan distribusi kecepatan molekul gas berdasarkan data yang ada di
tabel.
JAWAB:
Postulat teori kinetik gas:
 Gas dianggap tersusun atas partikel kecil yang disebut molekul dan setiap
gas tersusun atas molekul yang memiliki massa dan ukuran sama
 Molekul dalam wadah bergerak secara tidak beraturan dan setiap molekul
bertumbukkan satu sama lain dan bertumbukkan dengan dinding wadah
 Tumbukkan molekul pada dinding wadah menyebabkan adanya tekanan

24

 Selama tekanan gas dalam wadah tidak berubah maka tumbukkan antar
molekul tidak melibatkan perubahan energi akibat gesekan, atau semua
tumbukkan molekul bersifat elastik
 Temperatur absolut sebanding dengan energi kinetik rata-rata dari semua
molekul pada sistem
 Pada tekanan yang relatif rendah jarak antar molekul lebih besar dibanding
dengan diameter molekul, sehingga gaya tarik antar molekul yang
bergantung pada jarak antar molekul dapat diabaikan


Ukuran molekul kecil dibanding dengan jarak antar molekul sehingga
volumenya dapat diabaikan dibanding total volume gas.
Dari data tabel di atas, sesuai dengan teori distribusi kecepatan Maxwell-

Boltzman bahwa molekul-molekul suatu gas bergerak dengan kecepatan yang
bervariasi, molekul yang bergerak pada kecepatan sangat rendah dan sangat
tinggi sedikit jumlah nya. Menurut teori distribusi kecepatan terdapat 3 jenis
kecepatan pada molekul gas, yaitu: kecepatan rata-rata v, kecepatan root mean
square (rms) u, dan kecepatan yang paling mungkin (most probable velocity) α,
dimana:

Berdasarkan data tabel diperoleh bahwa kecepatan yang paling banyak
dimiliki oleh kendaraaan adalah 85 km/jam yaitu sebanyak 121 kendaraan.
Jika kendaraan dianggap sebagai molekul gas, maka kecepatan yang paling
mungkin (most probable velocity) pada gas tersebut adalah 85 km/jam.
α = 85 km/jam

25

Kecepatan rata-rata (v) dapat dihitung dengan merata-rata data tabel, yaitu:
5

∑ xi∋¿

v=

i=1

∑¿
¿

80× 78+85 ×121+90 ×103+ 95 ×22+100 ×4
km
=86,235
78+121+103+22+ 4
jam

v=

Sementara untuk memperoleh nila u (kecepatan rms) dapat digunakan
perbandingan dengan kecepatan rata-rata v. Nilai perbandingan u : v yaitu
1,224 : 1,128
Sehingga diperoleh nilai u =

1,224
km
× 86,235=93,574
1,128
jam

2. Bayangkan mobil-mobil yang melaju di jalan tersebut adalah molekul-molekul
gas yang berada dalam suatu ruangan, dengan diameter s, jelaskan bagaimana
anda dapat menentukan jumlah tumbukan yang terjadi antar mobil per volume
per jam. Jelaskan juga bagaimana cara menentukan jalan bebas rata-rata dan
viskositas gas!
JAWAB:
Jumlah tumbukan pada molekul gas dapat dihitung dengan persamaan
N c=

1
πv σ 2 n2
√2

Dimana v kecepatan rata-rata molekul, σ diameter molekul, n jumlah molekul
(mobil).
N c=

1
m 2
tumbukan
π .86235
. s .3282 =2,06 x 1010 s 2
jam
volume jam
√2

Jalan bebas rata-rata dapat dihitung dengan persamaan
l=

1
√2 π σ 2 n

26

Sehingga pada kasus ini

l=

1
=6,86.10−4 s−2 m
2
√2 π s .328

Dan untuk menghitung viskositas gas dapat digunakan persamaan berikut:
1
η= vlρ
3
Dimana η adalah viskositas, v kecepatan rata-rata, l jalan bebas rata-rata,
dan

ρ adalah massa jenis gas

2.3 Problem C
Green Chemistry ‘kimia hijau’, adalah suatu istilah yang saat ini sedang menjadi
topik hangat untuk dikembangkan dan diaplikasikan dalam dunia industri. Berbagai
usaha untuk menerapkan Green Chemistry telah dilakukan oleh beberapa institusi
maupun negara. Pada tahun 1995, dilakukan inisiasi Presidential Green Chemistry
Challenge Awards di US untuk mendorong pengembangan dari “teknologi hijau”
melalui sisi akademis maupun komersialitas. Disamping itu, pada awal abad ke-21,
diterbitkannya jurnal Green Chemistry oleh The Royal Society of Chemistry dan
diadakannya kerjasama antara American Chemical Society dengan Green Chemistry
Institute dalam rangka mencegah polusi di masa mendatang melalui penelitian dan
juga pendidikan kimia ataupun teknik kimia. Salah satu penerapan Green Chemistry
di industri adalah penggunaan cairan superkritis. Cairan ini digunakan sebagai
pelarut untuk menggantikan pelarut yang mudah menguap. Cairan superkritis
mempunyai sifat-sifat gas dalam kaitannya sebagai zat pengangkut. Beberapa contoh
dari cairan superkritis adalah xenon, karbon dioksida, etana, propana, amonia,
pentana, etanol, toluena, 1,2-etandiamin, dan juga air.
Pertanyaan:
1. Pada kondisi kritis, sifat fisik cairan dan uap menjadi identik dan tidak ada
perbedaan yang dapat diamati diantara mereka. Jadi masing-masing
temperatur, tekanan uap jenuh dan volume molar yang berhubungan pada titik
ini disebut sebagai temperatur kritikal (T C), tekanan kritikal (PC), dan volume
kritikal (VC). Dengan memanfaatkan kurva P-V-T, jelaskan fenomena kritis

27

cairan dan berikan contoh. Jelaskan bedanya dengan cairan superkritis.
Berikanlah penjelasan singkat tentang fungsi dan manfaat cairan pada kondisi
kritis ataupun superkritikal berbanding dengan cairan pada kondisi STP.
JAWAB

Jika cairan seperti air dan disegel pada tabung tertutup, sejumlah air
tersebut akan menguap membentuak sebuah uap. Uap ini akan mendesak
tekanan, sama seperti gas dan lainnya. Dengan temperatur konstan,
kesetimbangan akan terbentuk antara fase cair dan uap. Tekanan uap yang
dibentuk adalah karakteristik untuk setiap cairan dan konstan pada setiap
temperatur tertentu dan dikenal sebagai tekanan uap jenuh dari cairan. Tekanan
uap jenuh meningkat sebanding dengan suhu. Kondisi dimana fluida ini
berganti fasa dari cairan ke uap disebut titik kritis. Suhu, tekanan uap jenuh,
dan volume molar pada titik ini disebut dengan temperatur kritis, tekanan
kritis, dan volume kritis. Nilai-nilai mereka yang konstan dan berciri khas pada
karakteristik yang berbeda dalam setiap bahan dikenal sebagai konstanta kritis.
Manfaat cairan pada kondisi kritis dibandingkan dengan cairan pada
kondisi STP, apabila kita mengambil contoh CO2, yaitu dipakai sebagai pelarut
pada ekstraksi, misalkan ekstraksi kafein dari kopi, sebagai fase gerak pada
kromatografi, dry cleaning, dan juga sebagai media pada sintesis polimer dan
monomaterial.
2. Salah satu cairan superkritis yang banyak digunakan sebagai pelarut adalah
CO2 superkritis. Carilah satu referensi yang menjelaskan penggunaan CO2
superkritis, jelaskan keunggulannya dibandingkan pelarut yang lain. Jelaskan
juga pemanfaatan CO2 superkritis dan cairan superkritis lainnya sehubungan

28

dengan slogan Green Chemistry di bidang lainnya, sertakan dengan referensi
yang mendukung.
JAWAB
Beberapa manfaat CO2 superkritis adalah, dry cleaning yang aman dengan
menggunakan superkritis CO2. Pada sistem dry cleaning ini, proses
pembersihan dilakukan dengan prinsip ekstraksi atau pemisahan dengan
superkritis

CO2

sebagai

pelarut.

Superkritis

CO2

menggantikan

tetrachloroethylene yang digunakan sebagai pelarut dalam proses dry cleaning.
Tetrachloroethylene memiliki daya pembersih yang sangat bagus, stabil, dan
tidak mudah terbakar. Namun, senyawa tersebut merupakan kelompok
senyawa karsinogenik. Pada industri makanan, superkritis CO 2 juga dapat
digunakan untuk memisahkan senyawa-senyawa yang tidak diperlukan oleh
tubuh manusia. Superkritis CO2 dapat memisahkan cafein dari kopi tanpa
mengurangi kekhasan dari aroma kopi sendiri. Pada bidang – bidang biomedis,
Pemanfaatan pada bidang ini didasarkan pada sifat superkritis CO 2 yang
memiliki karakteristik gas. Dalam biomedis, diperlukan material berpori yang
dapat menjadi media tumbuh dari sel dalam tubuh manusia. Dengan
kemampuan difusi / penetrasi seperti gas, superkritis CO 2 dapat dengan mudah
masuk ke dalam bahan polimer sehingga terbentuk pori-pori.
Kelebihan CO2 superkritis dibanding pelarut lain dapat dilihat dari titik
kritis yang dimiliki, CO2 dapat mencapai kondisi superkritis pada temperatur
dan tekanan yang relatif rendah (304,2 K dan 72,9 atm) sehingga secara
operasional hanya memerlukan biaya yang relatif sedikit. Superkritis CO 2
memiliki karakteristik yang sangat unik: memiliki kerapatan seperti cairan
sekaligus memiliki kemampuan difusi seperti gas dan juga memiliki nilai
tegangan permukaaan nol. Dari keunikan inilah superkritis CO 2 dapat
dimanfaatkan sebagai alternatif pelarut dalam berbagai proses. Dengan
kerapatan seperti cairan, superkritis CO2 dapat digunakan sebagai pengganti
pelarut organik.
Green Chemistry (Kimia Hijau) atau sustainable chemistry (kimia yang
berkelanjutan), sesuai namanya, merupakan suatu filosofi dari suatu riset kimia

29

yang mendorong untuk mendisain suatu proses dan produk yang
meminimalisasir penggunaan subtansi yang berbahaya. Pada green chemistry
CO2 digunakan sebagai pelarut yang murah dan ramah lingkungan. Green
Chemistry juga
water oxidation,

memanfaatkan air superkritis dalam proses supercritical
untuk menghilangkan zat berbahaya seperti PCB

(polychlorinated biphenyl).

30

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. Maxwell-Boltzman Distribution. http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_
Chemistry/Kinetics/Rate_Laws/Gas_Phase_Kinetics/Maxwell-Boltzmann_
Distributions.
Atkins Peter dan Paula, Julio. 2006. Physical Chemistry. 8th edition. New York: W. H.
Freeman and Company
Perry, Robert H. dan Don W. Green. 2008. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook.
8thEdition. United States of America : The McGraw-Hill Companies, Inc.
Maron, Samuel H dan Lando, Jerome B. 1974. Fundamentals of Physical Chemistry.
New York: Macmillan Publishing Co

31