KIMIA FISIK I 3 (3-0)

1. KIMIA FISIK I 3 (3-0) Tim Pengajar:1. Komar Sutriah 2. Betty Marita Subrata Materi:1.Sifat-sifat Gas 2.Hukum Pertama (Konsep) 3.Hukum Pertama (Permesinan) 4.Termokimia 5.Hukum Kedua (Konsep) 6.Hukum Kedua (Permesinan) Rujukan: 1. Atkins, Physical Chemistry 2. Gilbert W. Castellan, Physical Chemistry 3. Eisenberg& Crothers, Physical Chemistry with Application to the Life Sciences 4. Laidler,Physical Chemistry with Biology Application 5. Metz C.R, Theory and Problems of Physical Chemistry. 6. Abbott.M, van Ness H.C, Theory and Problems of Thermodynamics.

2. TRANSFORMASI MATERIAL(REKAYASA KIMIA) Material Dasar:Fungsi terbatasImpurity tinggi Material Maju:Fungsi spesifikPurity tinggi KONTROL TERMODINAMIKA KONDISI PROSES YANG OPTIMAL(FEASIBLE SECARA EKONOMI) KONTROL K I N E T I K A 1. Bagaimana mengatur variabel proses, agar suatu reaksi yang tidak terjadi dapat berlangsung.2. Bagaimana mengatur variabel proses, agar suatu reaksi yang rendemen dan hasilnya rendah dapat ditingkatkan.3. Bagaimana mengatur variabel proses, agar suatu reaksi dapat terjadi dengan singkat dgn rendemen dan hasil yang banyak.

3. SIFAT-SIFAT GAS • Wujud Benda : padat, cair, gas, dan plasma • Gas: sekumpulan molekul yang selalu bergerak acak, dengan laju yang bertambah bila suhu dinaikkan. • Parameter untuk mendefinisikan kedaan Gas : a. Volume (V) b. Suhu (T) c. Tekanan (P) d. Jumlah mol (n) 4. Dihubungkan oleh pers. keadaan Gas: PV= n R T Volume gas diabaikan Tidak ada interaksi antar molekul Dipenuhi dengan baik oleh hampir semua gas pada suhu ruang (25OC, 1 atm, pada P<<<, T>>>) 5. Hukum-hukum Gas: a. Boyle (1661): P V = Const ; Isoterm Pada P 0, gas riil menjadi gas ideal b. Charless (1787) : P = Const T ; Isokhor c. G. Lussac (1802) : V = Const T ; Isobar d. Boyle - G. Lussac : P V / T = Const e. Avogadro : Semua gas yang bervolume sama, jika diukur pada T dan P yang sama, akan berisi jumlah molekul yang sama. Na = 6.023 x 1023

4. e. Avogadro : V = const n (pada P,T const) Vm, STP = 0OC, 1 atm = 22,4 L Vm, SATP = 25OC, 1 bar = 24,79 L • Dalton : Pada V,T yang sama, tekanan total campuran gas adalah sama dengan jumlah tekanan masing-masing gas. Ptot = PA + PB + PC + …(PA = nART/V) PA = XAx Ptot PB = XBx Ptot Contoh soal: 1. Komposisi udara kering berdasar berat di permukaan laut adalah: N2 = 75,5%, O2 = 23,2%, dan Ar = 1,3%. Berapa tekanan parsial masing-masing gas,jika tekanan udara adalah 1 atm. 2. Suatu campuran gas terdiri dari 320 mgram metana, 175 mgram Ar, dan 225 mgram Ne. Tekanan parsial Ne pada 300 K adalah 66,5 torr. Tentukan volume total dan tekanan total campuran gas tersebut. 3. Gas ideal pada kondisi isotermal ditekan sehingga volumenya berkurang 2,2 dm3. Jika volume dan tekanan akhir gas adalah 4,65 dm3 dan 3,78 torr. Berapakah tekanan awal gas?

5. 4. Tentukan P total sebuah tangki 5 L jika kedalamnya dimasukkan 46L O2(25OC,1 atm) dan 12L He(25OC,1 atm) 5. Komposisi udara kering berdasar persen mol di prmukaan laut adalah: N2 = 78,1%, O2 = 20,9%, dan Ar = 1,0%. Jika 1L udara (27OC,1 atm) dipanaskan dalam ruang 2L sampai 108OC, berapa tekanan parsial N2 yang baru? 6. Hitung tekanan yang diperlukan untuk mengkompresi 4,2 dm3 gas pada 412 torr menjadi 1,6 dm3 pada kondisi isotermal. Ubahlah tekanan dalam SI. 7. Pada tekanan tertentu, 22,4 L gas X pada 500C dibiarkan berekspansi menjadi 40,8 L. Hitung suhu akhir gas. 8. Sebuah selinder berisi 100Gram gas ideal (BM=40, 270C, 2 atm). Ketika dipindahkan selindernya jatuh dan menim bulkan sebuah lekukan sehingga terjdi penurunan volume, tetapi katup penutup selinder tidak mampu menahan tekanan lebih dari 2 atm sehingga 10Gr gas bocor keluar. a. Hitung volume selinder sebelum dan sesudah terjatuh. b. Bila katup dapat menahan perubahan tekanan, berapa tekanan selinder setelah jatuh. 9. Suatu gas pada 340K dipanaskan pada P tetap sehingga volumenya naik 18%. Berapakah suhu akhir gas? 10. Harus didinginkan sampai suhu berapa agar 1L gas ideal pada suhu kamar berkurang volumenya menjadi 100 mL.

6. TEKANAN 1. Tekanan adalah gaya yang bekerja persatuan luas. 2. Rumus : P = F/A F = m g = v d g = ¶ r2 h g A =¶ r2 P =  g h + P udara 3. Satuan: SI = pascal, Pa = Nm-2 1 bar = 100 kPa 1 atm = 1.01325 x 105 Pa 1 atm = 760 torr 1 atm = 760 mmHg 4. Penentuan: Manometer Barometer Contoh soal: 1. Hitung tekanan yang ditimbulkan oleh seseorang yang berat badannya 60Kg pada permukaan tanah saat: a. menggunakan sepatu yang luasnya 250 cm2 b. menggunakan ice skates yang luasnya 2.0 cm2 2.Diving bell mempunyai ruang kosong 3m3 pada saat diatas deck. Berapa volume ruang kosongnya pada saat benda tersebut dibenamkan sedalam 50m. Densitas air laut 1.025 gram/mL, suhu pada kedua kondisi sama. Aplikasi: Tabung udara penyelam menggunakan camp He-O2 sebagai pengganti N2-O2

7. 3. Hitung perbedaan tekanan yang harus ditimbulkan, agar es jus dapat mengalir melalui sedotan yang tingginya 20cm 4. Sebuah tabung yang volumenya 22,4 L berisi 2,0 mol H2 dan 1,0 mol N2 pada 273,15K. Hitung tekanan parsial masing-masing gas, dan tekanan totalnya setelah terjadi reaksi. 5. Tekanan ban mobil pada keadaan winter (suhu -50C) adalah 24 lb/in2 (1 atm = 14,7 lb/in2). Berapakah tekanan ban pada saat pergantian musim summer (350C) BOBOT MOLEKUL DAN KERAPATAN GAS . PV = nRT n = m/BM . BM = mRT/PV m/V = densitas BM =  RT/P Contoh Soal: Densitas suatu gas pada 1.5 atm dan 270C adalah 3,9 gr/L a. Berapakah BM gas tersebut b. Bagaimana rumus molekulnya bila gas tersebut terdiri dari masing-masing 50% berat S dan O

8. S U H U 1. Konsep suhu muncul dari pengamatan bahwa energi dapat mengalir dari suatu bahan ke bahan lain bila saling berhubungan. Jika : A -------> B , maka TA > TB 2. Hukum keNOL Termodinamika: Jika benda A setimbang termal dengan B, dan B setimb termal dengan benda C, maka benda C juga setimbang termal dengan benda A. Konsep ini merupakan dasar ditemukannya Termometer 3. Termometer Gas V constant: Digunakan utk menetapkan skala suhu termodinamika Titik tripel air ditetapkan sbg standar = 273.16 K 4. Setiap termometer mempunyai skala yg berbeda-beda bergantung pada indikator suhu yang digunakannya. Misal: skala 00C ditetapkan pada saat termometer dicelupkan pada es yang sedang mencair skala 1000C ditetapkan pada saat termometer dicelupkan pada air yang sedang mendidih.

9. GAS RIIL (NYATA) 1. Interaksi Antar Molekul (Molekul Netral) a. Gaya tolak : baru ada bila molekul bersinggungan (P >>>) b. Gaya tarik : efektif bekerja pada jarak beberapa diameter molekul (P sedang) c. Pada P <<< : gaya tarik-tolak tidak efektif, tidak ada interaksi antarmolekul gas(GAS IDEAL) 2. Kompresi Gas a. Pada P >>> : gas ideal lebih mudah dikompresi karena tidak ada interaksi antarmolekul b. Pd P sedang: gas riil lebih mudah dikompresi karena gaya atraktif yang bekerja. 3. Faktor Kompresibilitas (Z): Z = Vm.P/RT Z = Vm/Videal Z =1 ; Gas ideal z ≠1 ; Gas tidak ideal/gas riil 4. Kompresi gas : secara teoritis akan diperoleh V = 0, karena gas dianggap tidak memiliki volume, tetapi sebelum dicapai v = 0, gas akan mengalami kondensasi (liquifikasi)

10. RESPON KOMPRESI GAS IDEAL-RIIL RESPON KOMPRESI GAS IDEAL-RIIL RESPON KOMPRESI GAS IDEAL-RIIL RESPON KOMPRESI GAS IDEAL-RIIL P P N2H2 Vm Vm P P N2 H2 Vm Vm FAKTOR KOMPRESIBILITAS GAS IDEAL - RIIL Z H2N2 1 0 100 200 P (atm)

11. p Vm = RT ( 1 + B’ + C’ p2 + …) p Vm = RT ( 1 + B/Vm + C/V2m + …) B, B’ = koefisien virial kedua C, C’ = koefisien virial ketiga 5. Persamaan Virial Ekspansi dr persamaan Gas Ideal dengan memasukkan pengaruh tekanan atau volume pada gas riil. 6. Interpretasi Fisik Persamaan Virial a. Walaupun pers. keadaan gas riil mungkin sesuai dg pers gas ideal bila p…0, tetapi semua sifat gas riil tdk perlu sama dengan sifat gas ideal. Contoh : nilai dZ/dp : untuk gas ideal =0 untuk gas riil = B’ + 2 pC’ untuk gas riil pada p…0, dz/dp = B’. b. Karena koef virial bergantung pada suhu, mungkin ada suatu suhu dimana z….1 dengan dz/dp=0, terutama pada p<<< atau Vm besar. Suhu pada saat dz/dp=0, z..1, disebut suhu Boyle(TB) Contoh: Suhu Boyle(TB) He = 22,64 K Suhu Boyle(TB) udara = 346,8 K = 73,60C.

12. 7. Kompresi Gas CO2 a. Pada T >>>, p <<< kompresi mengikuti Isoterm Boyle. b. Pada p.T tertentu, Isoterm Boyle mengalami infleksi c. Pengulangan kurva isoterm pada suhu yang lebih rendah, mengakibatkan gas berkondensasi, gas CO2 mengalami liquifikasi. 8. Persamaan van der Waals a. Gaya tolak menolak antarmolekul, menyebabkan vol molekul gas walaupun kecil tidak dapat diabaikan. Molekul gas tidak lagi bergerak bebas dalam wadah dengan volume V, tetapi dalam ruangan yang lebih kecil (V – nb) Sehingga : p V = nRT menjadi p (V – nb) = nRT b. Gaya tarik menarik antarmolekul akan mengurangi gaya tumbukan pada dinding wadah yaitu sebanding dengan konsentrasi molar molekul gas (n/V). Karena p tergntung pada frekuensi tumbukan dg dinding dan gaya tiap tumbukan, maka tekanan gas riil berkurang sebanding dengan (n/V)2. Sehingga : p V = nRT menjadi (p + an2/v2) V = n R T v.d.Waals : (p + an2/v2) (V – nb) = n R T

13. Sistem Kriogenik Suhu yang Diperoleh(OC) es – air 0 es – NaCl -16 es kering - aseton -80 oksigen cair -183 udara cair -192 nitrogen cair -195 P(atm) VCO2(Lmol-1,320K) Diamati v.d.Waals Ideal 1 26.2 26.2 26.3 10 2.52 2.53 2.63 50 0.54 0.55 0.66 100 0.098 0.10 0.26 v.d.Waals : (p + an2/v2) (V – nb) = n R T v.d.Waals : (p + a/v2m) (Vm – b) = R T

14. Contoh Soal: Perkirakan Vm CO2 pada 500K dan 100 atm jika mengikuti persamaan v.d.Waals. a = 3.592 L2atm mol-2 b = 4.267 x 10-2 Lmol-1 Jawab: V3m – (b + RT/p)V2m + (a/p)Vm - ab/p = 0 b + RT/p = 0.4350 Lmol-1 a/p = 3.592x10-2 (Lmol-1)2 ab/p = 1.533x10-3 (Lmol-1)3 V3m – 0.435V2m + 3.592x10-2Vm - 1.533x10-3 = 0 X3 – aX2 + bX + c = 0 X = 0.366 L v.d.Waals : (p + an2/v2) (V – nb) = n R T v.d.Waals : (p + an2/v2) (V – nb) = n R T v.d.Waals : (p + a/v2m) (Vm – b) = R T

15. KEHANDALAN PERS.v.d.WAALS Dievaluasi dengan membandingkan isoterm v.d.Waals dengan eksperimen P V Ada p dengan 3 harga Vm, ada bentuk loop yang tidak realistik. 1. Isoterm gas ideal diperoleh pada T>>> dengan P<<< (Vm besar) P = RT/Vm-b - a/V2m a/V2m dapat diabaikan, karena Vm >>>, dan Vm-b = Vm sehingga : P = RT/Vm (GAS IDEAL) 2. Cairan dan uap(gas) dapat berada bersama bila gaya kohesi dan efek disposisi sama besar, yaitu bila : RT/Vm – b = a/V2m (bentuk loop pada isoterm)

16. 3. Titik Kritik Gas dapat Ditentukan (Tc) Dibawah Tc, kurva isoterm berosilasi melalui suatu minimum dan diikuti oleh suatu maksimum. Pada Tc, kurva isoterm mempunyai titik infleksi dengan slope dan kelengkungannya sama dengan NOL Pada Tc (Pc, Vc, dan Tc) : Slope = dP/dVm = -RT/(Vm-b)2 + 2a/V3m = 0 Kelengkungan = d2P/dV2m = 2RT/(Vm-b)3 – 6a/V4m = 0 Hasil Penyelesaian: Vm.c = 3b Pc = a/3V2m.c = a/27 b2 Tc = 8Pc.Vm.c/3R = 8a/27 R.b Zc = Pc.Vm.c/R.Tc = 3/8 = 0.375 4.Temperatur Boyle juga berkaitan dengan suhu kritik. Pers.v.d.Waals dapat diubah menjadi pers.Virial P = RT/Vm {1/1-bVm-1 - a/RT.Vm } selama bVm-1 < 1, maka: (1-b/Vm)-1= 1 + b/Vm + b2/V2m + …… sehingga: P = RT/Vm { 1 + b/Vm + (b/Vm)2 + … - a/RTVm } P = RT/Vm { 1 + (b-a/RT) 1/Vm + …….. } v.d.Waals : (p + a/v2m) (Vm – b) = R T

17. Titik Kritik Beberapa Gas Gas Pc(atm) Vm.c(cm3) Tc(K) Zc TB(K) He 2.26 57.8 5.2 0.31 22.6 Ar 48.0 75.3 150.7 0.29 411.6 N2 33.5 90.1 126.2 0.29 327.2 CO2 72.9 94.0 304.2 0.27 714.8 Koefisien virial kedua: B = b – a/RT Pada suhu Boyle, B=0, sehingga: TB = a/Rb Sementara itu: Tc = 8a/27R.b, shg: TB = 27/8 Tc A N A L I S I S G A S 1. Gas yang bersifat polutan di Lingkungan spt (H2S, SO2, NOX, HC, HCN), bisa dianalisis secara langsung dan tidak langsung. 2. Analisis langsung dilakukan dengan perangkat kit test, atau detektor gas yang dihubungkan dengan display shingga real time concentration bisa langsung diketahui. 3. Analisis tdk langsung, dilakukan di Laboratorium dengan metode Spektroskopi atau Kromatografi. Gas disampling dgn adsorben padat, atau adsorben cair dalam sebuah impinger yang disedot dengan pompa vakum. 4. Gas polutan dihilangkan dengan teknik scrubber, atau bioscrubber.

18. Pemurnian Gas Gas dipisahkan dari campurannya (misal: N2, 02 dari udara) berdasarkan perbedaan sifat fisik-kimia dengan teknik liquifikasi. N2 murni seringkali dimanfaatkan dalam proses sintesis kimia yang tidak menginginkan kehadiran oksigen (udara) karena akan mengakibatkan oksidasi. Pemanfaatan Gas: Cairan superkritik dari gas dimanfaatkan pada teknologi pemisahan superkritik (supercritical liquid separation). CO2 superkritik adalah cairan nonpolar yang dapat dimanfaatkan sebagai pelarut pengekstraksi pada proses separasi di Laboratorium.