Kalorimetri.pdf

KALORIMETRI Kalorimetri adalah ilmu pengetahuan tentang pengukuran kalor yang didasarkan pada perubahan suhu bila suatu benda menyerap atau melepas energi dalam bentuk kalor. Zat-zat yang berbeda memberikan respon yang berbeda ketika dipanaskan. Suatu zat mungkin memerlukan energi kalor yang besar untuk meningkatkan suhunya sebesar satu derajat, sementara zat lain mungkin sudah menunjukkan kenaikan suhu yang sama dengan sedikit energi kalor. Kapasitas kalor (heat capacity) diberi simbol C , merupakan sifat yang unik dari suatu zat dan didefinisikan dalam persamaan (1.1) sebagai

C

(1.1)

kalor yang diserap kenaikan suhu

Bila suatu unsur atau zat dipanaskan, energi yang diperlukan untuk untuk pemanasan ini tergantung pada jumlah zat. Contoh, untuk membuat teh panas anda perlu merebus air dan jumlah energi yang diperlukan untuk merebus air hingga mendidih tergantung pada jumlah air yang direbus. Jadi di dalam definisi kapasitas kalor suatu zat maka jumlah zat harus ditentukan. Jika kapasitas kalor dinyatakan per gram zat maka disebut kapasitas kalor spesifik (specific heat capacity). Banyaknya energi yang diperlukan untuk meningkatkan suhu satu gram zat sebesar satu derajat merupakan ungkapan lain dari kapasitas kalor spesifik. Oleh karena itu satuan kapasitas kalor spesifik adalah J/℃.g atau J/K.g. Jika kapasitas kalor dinyatakan dalam per mol zat maka disebut kapasitas kalor molar dengan satuan J/℃.mol atau J/K.mol. Kapasitas kalor spesifik beberapa zat diberikan dalam Tabel 1 berikut. Tabel 1. Kapasitas kalor spesifik beberapa zat Zat H2O(l) H2O(s) Al(s) Fe(s) Hg(s) C(s, grafit) C(s, intan) Au(s) C2H5OH(l)

Kapasitas kalor spesifik (J/℃.g) 4,184 2,030 0,890 0,450 0,139 0,720 0,502 0,129 2,460

Kapasitas kalor spesifik biasanya diberi simbol c , s atau Cs , kapasitas kalor molar biasa diberi simbol C atau Cm , sementara kapasitas kalor secara umum diberi simbol C . Apabila kapasitas kalor spesifik suatu zat sudah diketahui maka dari besarnya perubahan suhu zat kita bisa menghitung jumlah kalor q yang sudah diserap atau dilepas dalam proses tertentu. Besarnya kalor bisa dihitung dengan persamaan (1.2) atau (1.3) berikut. (1.2)

q  ms t

(1.3)

q  C t

t adalah perubahan suhu, yakni

t  takhir  tawal Secara eksperimen, jumlah kalor yang terlibat dalam suatu proses dapat ditentukan secara akurat. Alat yang digunakan dalam suatu percobaan untuk menentukan nilai kalor dengan akurat ini disebut kalorimeter. Pengukuran kalor biasanya dilangsungkan pada volume tetap atau pada tekanan tetap. Kalorimetri Volume Konstan Kalor pembakaran suatu zat pada umumnya diukur dengan cara menempatkan massa tertentu dari suatu senyawa dalam wadah yang volumenya tetap dan terbuat dari baja. Wadah ini disebut bomb, dan kalorimeter secara keseluruhan disebut kalorimeter bomb volume konstan (constant-volume bomb calorimeter) atau biasa disingkat kalorimeter bomb. Bagian-bagian kalorimeter bomb ditunjukkan pada Gambar 1 berikut.

Gambar 1. Kalorimeter bomb volume konstan Pada gambar sebelah kiri tampak sampel dihubungkan dengan kawat untuk menginisiasi pembakaran. Bomb yang sudah diisi sampel kemudian dipenuhi dengan gas oksigen (berlebih) hingga tekanan dalam bomb mencapai 25 atau 30 atm. Bomb kemudian dibenamkan dalam air (yang volumenya diketahui) dan reaksi pembakaran dimulai dengan menekan tombol penginisiasi. Kalor yang dihasilkan dari reaksi pembakaran dapat dihitung secara akurat mencatat kenaikan suhu air. Kalor yang dilepas pada reaksi pembakaran akan diserap oleh air dan kalorimeter. Kalorimeter ini sudah dirancang khusus sehingga tidak ada kalor (atau massa) yang lepas ke lingkungan selama pengukuran dilakukan. Bomb dan air dapat dipandang sebagai bagian sistem yang membentuk sistem terisolasi. Karena tidak ada kalor yang masuk

atau meninggalkan sistem selama proses berlangsung, maka perubahan kalor sistem ( qsistem ) harus sama dengan nol sehingga berlaku persamaan (1.4) berikut.

Gambar 1. Kalorimeter bomb volume konstan

qsistem  qcal  qreaksi  0

(1.4) Sehingga

qreaksi  qcal

(1.5)

Untuk bisa menghitung qcal maka kapasitas kalor kalorimeter ( Ccal ) dan perubahan suhu ( t ) harus diketahui dan dengan demikian

qcal  Ccal t

(1.6)

Kapasitas kalor kalorimeter dapat dikalibrasi denga akurat dengan cara membakar zat yang kalor pembakarannya sudah diketahui dengan tepat, misalnya asam benzoat. Massa 1 gram asam benzoat (C6H5COOH) jika dibakar akan menghasilkan kalor 26,42 kJ. Andaikan kenaikan suhu air adalah 4,673℃ maka kapasitas kalor kalorimeter adalah

Ccal 

qcal 26, 42 kJ   5,654 kJ / o C o t 4,673 C

Setelah kapasitas kalor kalorimeter diketahui maka kalorimeter tersebut dapat digunakan untuk menentukan kalor pembakaran zat lainnya. Perlu diperhatikan bahwa reaksi kimia dalam kalorimeter bomb berlangsung pada volume konstan dan bukan pada tekanan konstan sehingga kalor yang terlibat dalam reaksi ini tidak sama dengan perubahan entalpi ( H ). Perubahan entalpi dapat juga ditentukan secara tepat dengan menggunakan kalorimeter bomb, namun perlu faktor koreksi. Pada umumnya faktor koreksi ini cukup kecil dan kita tidak

akan membahasnya secara rinci. Hal yang cukup menarik dan perlu diketahui: kandungan energi suatu makanan atau bahan bakar (biasanya dinyatakan dalam kalori) adalah diukur menggunakan kalorimeter bomb volume konstan. Contoh 1. Sebanyak 446g air dingin dipanaskan hingga suhunya naik dari 8,5 ℃ hingga 74,6 ℃. Hitunglah kalor yang diserap oleh air dalam kJ. Penyelesaian Pada suhu 8,5 ℃ air berupa cair sehingga kita gunakan kapasitas kalor air cair dari tabel 1.

q  ms t  (466 g )(4,184J/g. 0 C)  74,6 o C  8,50 o C   1, 29 105 J Jika dinyatakan dalam kilojoule maka q  129 kJ

Contoh 2. Kapur barus merupakan bahan yang sering dipakai sebagai penghilang bau tak sedap dalam kamar mandi atau almari pakaian. Secara kimiawi kapur barus memiliki rumus C10H8 dan mempunyai nama naftalena. Sebanyak 1,435g naftalena dibakar dalam kalorimeter bomb volume konstan. Suhu air dalam kalorimeter meningkat dari 25,28℃ menjadi 30,95℃. Jika kapasitas kalorimeter bom dan air adalah 10,17 kJ/℃, hitunglah kalor pembakaran naftalena (yakni kalor pembakaran molar naftalena)! Penyelesaian. Kalor yang diserap oleh kalorimeter bomb dan air adalah sama dengan kapasitas kalor kalorimeter kali perubahan suhu. Dari persamaan (1.6) kita dapatkan

qcal  Ccal t  10,17 kJ / o C  30,95 o C  25,28 o C   57,66kJ Karena qsistem  qcal  qreaksi  0 atau qreaksi  qcal maka kalor reaksi adalah 57,66 kJ . Kalor ini dibebaskan dari pembakaran 1,435g C10H8 (massa molekul relatif 128,2), sehingga kalor reaksi pada pembakaran 1 mol naftalena adalah

qreaksi 

57,66kJ 128,2 g C10 H8   5,151 103 kJ / mol 1,435 g C10 H8 1mol C10 H8

Kalorimetri Tekanan Konstan Peralatan pada kalorimeter tekanan-konstan umumnya lebih sederhana dari peralatan pada kalorimeter volume-konstan. Kalorimeter tekanan-konstan digunakan untuk menentukan perubahan kalor reaksi nonpembakaran seperti reaksi asam-basa (netralisasi), reaksi pengendapan, reaksi kimia lainnya atau prosesproses perubahan fisika seperti peleburan, penguapan atau pelarutan. Kalorimeter tekanan-konstan dapat dibuat dari dua gelas styrofoam seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Kalorimeter tekanan-konstan Karena proses berlangsung pada tekanan konstan maka perubahan kalor pada kalorimeter tekanakonstan ini sama dengan perubahan entalpi ( H ). Kalorimeter ini dapat dianggap sebagai sistem terisolasi serupa dengan kalorimeter bomb, hanya saja kapasitas kalorimeter ini pada umumnya diabaikan dalam perhitungan atau kalorimeter dianggap tidak menyerap kalor yang dihasilkan dari suatu reaksi. Contoh 3. Sebanyak 100,0 mL larutan HCl 0,50 M dicampur dengan 100,0 mL larutan NaOH 0,50 M di dalam kalorimeter tekanan konstan. Abaikan kapasitas kalor kalorimeter. Suhu awal larutan HCl dan NaOH sama yakni 25,50 ℃ dan suhu akhir campuran adalah 28,86℃. Hitunglah perubahan kalor reaksi netralisasi molar untuk reaksi

NaOH(aq)  HCl(aq)  NaCl(aq)  H2O(l ) Anggaplah densitas dan kalor spesifik larutan sama dengan densitas dan kalor spesifik air yakni berturutturut 1,0 g/mL dan 4,184 J/g.℃. Penyelesaian.

Andaikan tidak ada kalor yang lepas ke lingkungan, maka qsistem  qlarutan  qreaksi  0 sehingga

qreaksi  qlarutan dengan qlarutan adalah kalor yang diserap oleh larutan hasil pencampuran. Karena densitas larutan 1,0 g/mL maka massa dari 100,0 mL larutan adalah 100 g. Oleh karena itu

qlarutan  ms t  (100,0 g  100,0 g )(4,184J/g. 0 C)  28,86 o C  25,50 o C   2,81  103 J 3 Karena qreaksi  qlarutan maka qreaksi  2,81 10 J atau 2,81 kJ.

Dari volume dan molaritas yang diberikan pada soal maka jumlah mol HCl dan NaOH masing-masing adalah 0,05 mol. Dengan demikian, kalor reaksi jika 1 mol HCl bereaksi dengan 1 mol NaOH adalah

qreaksi  2,81kJ/0,05 mol  56,2kJ/mol .

Contoh 4. Sebanyak 1 liter larutan Ba(NO3)2 1,0 M dicampur dengan 1 liter larutan Na2SO4 1,0 M dalam kalorimeter dan terbentuk endapan BaSO4. Suhu awal masing-masing larutan adalah 25,0℃ dan suhu akhir campuran adalah 28,1℃. Anggaplah kalor yang diserap kalorimeter dapat diabaikan, kapasitas kalor larutan adalah 4,184 J/g.℃, dan densitas larutan adalah 1 g/mL. Hitung peruahan entalpi per mol BaSO4 yang dibentuk. Penyelesaian. Kita dapat memulai menyelesaikan soal ini dengan mendata variabel-variabel yang telah diketahui 1 L Ba(NO3)2 1,0 M 1 L Na2SO4 1,0 M

tawal  25,0 o C takhir  28,1o C

slarutan  4,184 J/ o C.g

larutan  1g/mL 2 2 Selanjutnya kita tulis reaksi ioniknya Ba (aq)  SO 4 (aq)  BaSO 4 ( s)

Massa total larutan adalah 2000 g karena volume total larutan 2 L atau 2000 mL dengan densitas 1 g/mL.





Jadi qlarutan  ms t  (2000 g )(4,184J/g. 0 C) 28,1o C  25,0 o C  2,6 104 J 4 Karena qreaksi  qlarutan maka qreaksi  2,6  10 J atau 26 kJ .

Reaksi dilangsungkan pada kalorimeter tekanan konstan, maka qreaksi  H  26kJ/mol . Perhatikan bahwa BaSO4 yang terbentuk adalah 1 mol.

Contoh 5. Pellet timbal yang massanya 26,47 g dan suhunya 89,98 ℃ dimasukkan dalam kalorimeter tekanan konstan yang berisi 100 mL air. Suhu air naik dari 22,50 ℃ ke 23,17 ℃. Hitunglah kapasitas kalor spesifik pellet timbal tersebut? Kapasitas kalor kalorimeter dapat diabaikan. Penyelesaian Diagram berikut bisa dibuat untuk memudahkan memahami soal yang ditanyakan.

Kalorimeter dapat dipandang sebagai sistem terisolasi sehingga

qsistem  qPb  qair  0 atau qPb  qair Kalor yang diperoleh air dapat dihitung pakai rumus

qair  ms t  (100 g )(4,184J/g. 0 C)  23,17 o C  22,50 o C   280,3J Karena kalor yang dilepas oleh Pb diterima oleh air maka qPb  280,3J

qPb  ms t  (26,47 g ) s  23,17 o C  89,98 o C   280,3J s  0,158J/g. o C Jadi kapasitas kalor Pb adalah 0,158J/g. o C . Contoh 6. Energi listrik sebesar 3,358 kJ dialirkan ke dalam kalorimeter yang mengandung 50,0 g H2O. suhu air dan kalorimeter naik dari 22,34 o C menjadi 36,74 o C . Hitung kapasitas kalor kalorimeter dalam

J/ o C . Kapasitas kalor spesifik air adalah 4,184J/g. o C . Penyelesaian Perhatikan bahwa dalam soal ini kalor masuk ke sistem sehingga qsistem  3,358kJ . Pertama kita hitung jumlah kalor yang diperoleh oleh air dalam kalorimeter. Sisa kalor harus diserap oleh kalorimeter dan selanjutnya kita bisa menghitung kapasitas kalor kalorimeter.

50,0g H 2O(l ) pada 22,34 o C  50,0g H 2O(l ) pada 36,74 o C

qH2O  ms t  (50,0 g )(4,184J/g. o C)  36,74 o C  22,34 o C   3,012 103 J

qsistem  qcal  qH2O  3,358kJ qcal  3,358kJ  qH2O  3,358kJ  3,012kJ  0,346kJ qcal  Ccal t  Ccal  36,74 o C  22,34 o C   346J  Ccal  24,0J/ o C Jadi kapasitas kalor kalorimeter adalah 24,0J/ o C . Comtoh 7. Sebanyak 50,0 mL 0,400 M larutan tembaga(II) sulfat pada 23,35 o C dicampur dengan 50,0 mL 0,600 M larutan natrium hidroksida pada 23,35 o C dalam kalorimeter gelas styrofoam yang digunakan pada contoh 6. Setelah reaksi selesai, suhu akhir campuran adalah 25,23 o C . Densitas larutan akhir adalah 1,02 g/mL. Hitung jumlah kalor yang terlibat? Anggaplah kapasitas kalor spesifik larutan sama dengan kapasitas kalor spesifik air 4,184J/g. o C . Penyelesaian Kalor yang dilepaskan karena reaksi kimia ( qsistem ) akan diserap oleh kalorimeter dan larutan. Untuk mencari kalor yang diserap oleh larutan, kita harus mengetahui massa larutan. Kita dapat menganggap volume larutan adalah jumlah volume awal larutan yang dicampur (volume dianggap bersifat aditif).

CuSO4 (aq)  2NaOH(aq)  Cu(OH)2 (s)  Na 2SO4 (aq) qsistem  qcal  qlar  Ccal t  ms t  24,0J/ o C  (25,23 o C  23,35 o C)  (102 g )(4,184J/g. o C)(25,23 o C  23,35 o C)  45J  801J  846J  0,846kJ Jadi kalor yang dibebaskan pada reaksi ini adalah 0,846 kJ . Persamaan Termokimia Persamaan reaksi kimia (setara) yang ditulis beserta dengan perubahan kalor yang terlibat dalam reaksi disebut persamaan termokimia. Berikut ini contoh persamaan termokimia.

C2 H 5OH(l )  3O 2 ( g )  2CO 2 ( g )  3H 2O(l )  1367 kJ 1mol

3mol

2 mol

3mol

Persamaan termokimia ini menggambarkan pembakaran satu mol etanol cair pada suhu dan tekanan tertentu. Koefisien dalam persamaan termokimia harus diinterpretasikan jumlah mol masing-masing

reaktan dan produk. Jadi nilai kalor 1367 kJ adalah kalor yang dibebaskan bila 1 mol C2H5OH(l ) bereaksi dengan tiga mol O2 ( g ) menghasilkan 2 mol CO2 ( g ) dan 3 mol H 2O(l ) . Kita sebut reaksi yang tertulis ini sebagai satu mol reaksi, bisa kita singkat “mol rx”. Berdasarkan interpretasi ini maka kita dapat menulis berbagai faktor konversi sesuai dengan yang kita butuhkan, misal

1molC2 H5OH(l ) 2molCO2 ( g ) 1367 kJ kalor yg dilepas , , , dan seterusnya. 1mol rx 1mol rx 1mol rx Persamaan termokimia ini lebih sering dituliskandalam bentuk berikut.

C2H5OH(l )  3O2 ( g )  2CO2 ( g )  3H2O(l )

H  1367kJ/mol rx

Tanda negatif menunjukkan reaksi adalah eksotermik, yakni membebaskan kalor. Jadi mol reaksi atau mol rx harus diinterpretasi sebagai jumlah mol masing-masing zat yang terlibat dalam reaksi seperti yang ditunjukkan oleh koefisiennya. Apabila reaksinya dibalik, persamaan termokimia tersebut dituliskan sebagai

2CO2 ( g )  3H2O(l )  1367kJ  C2H5OH(l )  3O2 ( g ) atau

2CO2 ( g )  3H2O(l )  C2H5OH(l )  3O2 ( g )

H  1367kJ/mol rx

Kedua penulisan ini menunjukkan reaksinya endotermik. Contoh 8. Tuliskan persamaan termokimia untuk contoh 7. Penyelesaian Kita harus menentukan dulu sejauh mana reaksi berlangsung, berapa mol reaktan yang telah bereaksi. Kita hitung dulu jumlah mol masing-masing reaktan sebelum dicampur, kta identifikasi reaktan pembatasnya, kemudian kita hubungkan kalor yang dilepaskan dalam percobaan tersebut dengan jumlah mol reaktan dalam persamaan kimia setara.

CuSO4 (aq)  2NaOH(aq)  Cu(OH)2 (s)  Na 2SO4 (aq) mol CuSO4 = 0,02 mol mol NaOH = 0,03 mol Dari persamaan reaksi maka NaOH adalah reagen pembatas dan CuSO4 berlebin. Kalor yang dibebaskan per mol reaksi adalah setara dengan mol NaOH yang habis bereaksi.

kalor yg dilepas 0,846kJ 2mol NaOH 56, 4kJ    1mol rx 0,03mol NaOH 1mol rx 1mol rx Jadi persamaan termokimianya adalah

CuSO4 (aq)  2NaOH(aq)  Cu(OH)2 (s)  Na 2SO4 (aq)

H  56,4kJ/mol rx

Contoh 10. Logam aluminium yang dibiarkan terbuka di udara akan terokdidasi membentuk aluminium oksdia. Berapa kalor yang dibebaskan oleh oksidasi sempurna 24,2 g aluminium pada 25 o C dan 1 atm? Persamaan termokimianya adalah

4Al(s)  3O2 ( g )  2Al2O3 ( s)

H  3352kJ/mol rx

Dari persamaan termokimia kita dapatkan faktor konversi berikut

3352kJ 1mol rx dan 1mol rx 4 mol Al Maka kalor yang dibebaskan pada oksidasi 24,2 g adalah

kalor yg dilepas  24, 2g Al 

1mol Al 1mol rx 3352kJ    751kJ 27g Al 4mol Al 1mol rx