Termokimia

Termokimia

Masih teringat rasanya dekat dengan api unggun, bukan? Di tengah dinginnya malam di alam terbuka kita dihangatkan oleh nyala api dari kayu bakar. Mengapa bisa timbul rasa hangat? Ternyata, kehangatan itu berasal dari panas yang dihasilkan nyala api kayu bakar.

Kayu mengandung karbon dan unsur serta senyawa lainnnya yang apabila dibakar dengan oksigen akan menghasilkan suatu energi berupa panas (kalor). Kalor pembakatran inilah yang menghangatkan tubuh kita. Bagaimana cara kita mengetahui berapa kalor pembakaran yang dihasilkan, akan kita dapatkan melalui artikel ini.

Dalam mempelajari termokimia, kalian akan mengetahui tentang hukum kekekalan energi, sistem dan lingkungan, reaksi eksoterm dan endoterm, serta pengertian entalpi (perubahan energi) dan perubahannya. Setelah membaca artikel ini pula, kalian akan mampu menghitung perubahan entalpi reaksi melalui percobaan, melalui diagram siklus Hess, data entalpi pembentukan standar, dan melalui energi ikatan.

Pengertian Termokimia

Sebuah kayu bakar mengandung karbon yang apabila dibakar akan menghasilkan suatu kalor dengan nilai tertentu. Untuk mengetahui bagaimana menghitung kalor dari suatu reaksi diperlukan ilmu termokimia. Termokimia berasal dari bahasa Yunani thermos yang berarti ‘panas’ atau ‘kalor’ dan kimia. Termokimia merupakan ilmu kimia yang mempelajari banyaknya panas yang dilepas atau diserap (disorpsi) akibat reaksi kimia. Ilmu ini digunakan untuk memperkirakan perubahan energi yang terjadi dalam proses reaksi kimia, pembentukan larutan, maupun pada perubahan fase zat.

Para pengguna proses yang terkait dengan termokimia adalah ahli ilmu pengetahuan (scientist) dan ahli teknik (engineer). Misalnya, ahli kimia yang menerapkan termokimia untuk menghitung kalor pembakaran senyawa tertentu, atau ahli teknik kimia yang menggunakannya untuk merancang pabrik.

Ahli kimia sedang menerapkan termokimia

Mesin pabrik yang telah diperhitungkan energinya oleh ahli teknik kimia

Termokimia merupakan cabang dari ilmu termodinamika, yang mempelajari tentang kalor yang menyertai proses perubahan kimia dan perubahan fisika. Termokimia dipelopori oleh Germain Henri Hess, atau biasa disebut Hess. Salah seorang gurunya adalah Jons Jacob Berzelius (1779-1848) yang menemukan rumus simbol atom. Salah satu hasil penemuan Hess adalah senyawa gula yang dioksidasi dengan oksigen menghasilkan asam sakarida. Selanjutnya, bila gula ini direaksikan dengan NaOH, akan terbentuk sakarin yang berguna sebagai bahan pemanis.

Hess memperoleh gelar profesor pada tahun 1830 dari institut teknologi di St. Petersburg. Tesisnya yang sangat terkenal berjudul “Banyaknya Kalor dalam Reaksi Kimia Tidak Tergantung Jalannya Reaksi tetapi Tergantung dari Keadaan Awal dan Akhir Reaksi”, telah dipublikasikan pada tahun 1840 dan dikenal sebagai Hukum Hess atau Hess Law. Buku-bukunya tentang ilmu kimia banyak digunakan sebagai standar kerja di Rusia selama beberapa puluh tahun. Hess meninggal pada tanggal 30 November 1850. 

Sebelum kita melangkah lebih jauh tentang apa yang diajarkan Hess, kita perlu memahami dahulu tahap-tahap yang perlu kita kaji, yaitu sebagai berikut.

Hukum Kekekalan Energi

Hukum Kekekalan Energi disebut juga sebagai Hukum Termodi namika I. Hukum ini ditemukan berkat beberapa percobaan yang dilakukan James Prescott Joule (1818–1889), seorang ahli fisika berkebangsaan Inggris.

Hukum Termodinamika I menyatakan:

Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari bentuk energi satu ke bentuk energi yang lain.

Sebagai penghargaan atas jasanya, nama James Prescott Joule diabadikan sebagai nama satuan energi, yaitu joule. Joule merupakan satuan menurut Sistem Internasional (SI), dengan rincian:

joule = newton × meter
(J)    = kg . m . s^2 × m
        = kg . m2 . s^2

Satuan joule dapat dikonversi (diubah) ke dalam satuan energi yang lain, seperti berikut.

1 kJ = 1000 J
1 kalori = 4,184 J
1 kkal = 1000 kal
1liter atm = 101,2 joule

Energi

Energi didefinisikan sebagai kemampuan suatu materi untuk melakukan kerja. Energi yang akan kita pelajari dalam termokimia adalah “energi dalam” dari suatu sistem/reaksi-reaksi kimia.

Suatu benda dapat memiliki energi dalam bentuk energi kinetik dan energi potensial. Jumlah energi yang dipunyai benda tersebut merupakan jumlah energi kinetik dan energi potensialnya. Suatu benda memiliki energi kinetik apabila ia bergerak. Energi kinetik bisa berupa energi translasi, rotasi, vibrasi, bunyi, panas, dan listrik. Adapun energi potensial dimiliki benda bila ia ditarik atau didorong oleh benda lain, sehingga apabila benda tidak memiliki gaya tarik menarik atau tolak menolak, maka benda tersebut tidak memiliki energi potensial.

Dalam keseharian, tanpa kita sadari, kita telah memanfaatkan berbagai energi, misalnya energi panas untuk menjemur pakaian, energi listrik dan cahaya untuk penerangan, serta energi kimia di dalam LPG untuk memasak. Tidak ketinggalan pula energi nuklir yang digunakan dalam dunia kedokteran untuk mengobati berbagai penyakit, mensterilkan alat-alat kedokteran di rumah sakit, memproses bibit tanaman menjadi tanaman unggul, dan lain-lain.

Energi panas digunakan untuk mengeringkan pakaian yang sedang dijemur

Energi listrik digunakan untuk penerangan

Sifat perpindahan energi telah dimanfaatkan pemerintah untuk mendirikan PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap) maupun PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir).

Dalam termokimia, energi yang akan kita pelajari adalah energi yang berlangsung dalam reaksi kimia. Perhitungan energi dalam reaksi kimia menggunakan besaran yang disebut entalpi atau H. Entalpi tidak dapat berdiri sendiri, namun berkaitan erat dengan energi dalam atau E, dan kerja (w) yang dilakukan oleh sistem.

Energi Dalam

Energi dalam disebut juga internal energy (E) yang merupakan “jumlah energi“ dari semua bentuk energi yang dimiliki oleh sistem molekul atau benda. Energi dalam terdiri dari energi kinetik dan energi potensial. Energi dalam suatu sistem dapat berubah bila sistem menyerap atau melepas panas. Energi dalam akan bertambah apabila:

1. sistem menyerap/menerima panas
2. sistem menerima kerja

Energi dalam berkurang apabila:

1. sistem melepaskan panas
2. sistem melakukan kerja

Energi dalam dari suatu sistem tidak dapat diukur, namun perubahannya dapat diukur dan dinyatakan sebagai ΔE dengan perumusan sebagai berikut.

ΔE = E produk  - E reaktan

Kalor

Kalor adalah energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya, dikarenakan adanya perbedaan suhu di antara keduanya. Kalor dapat berpindah dengan tiga macam cara:

1. Konduksi (hantaran), yaitu perpindahan kalor melalui media
2. Konversi, yaitu aliran kalor melalui partikel-partikel yang bergerak
3. Radiasi, yaitu kalor memancar ke segala arah tanpa media

Konduksi, panas dari api kompor merambat dari dasar panci melalui pengaduk sampai

Konveksi, panas dari api kompor merambat melalui partikel-partikel air di dasar panci

Adapun jumlah kalor yang berpindah dari sistem ke lingkungan tergantung dari massa benda (m), kalor jenis (c), kapasitas kalor (C), dan perubahan suhu ( T), sehingga untuk menghitung kalor dirumuskan sebagai berikut.

q = m.c.ΔT atau  q = C.ΔT

Keterangan:
q = kalor yang diserap atau dilepas
Bila sistem menyerap kalor, q bertanda positif.
Bila sistem melepas kalor, q bertanda negatif.
m = massa zat
c = kalor jenis zat
ΔT = perubahan suhu dari sistem
C = kapasitas kalor

Kerja

Kerja (work = w) adalah bentuk energi yang dipertukarkan dan dapat dinyatakan sebagai gaya yang bekerja melalui suatu jarak tertentu. Dengan kata lain, dapat dinyatakan bahwa kerja adalah hasil kali antara gaya dan jarak yang dirumuskan sebagai berikut.

w = F h,
sedangkan F = P A
maka w = P A h
karena A x h = perubahan volume

maka

w= P.ΔV

Satuan gaya menurut Satuan Internasional (SI) adalah joule. Jika P dalam atm dan V dalam liter, maka w = P (atm).ΔV (L). Untuk gas ideal, besarnya kerja adalah hasil kali antara perbandingan mol gas hasil reaksi dan pereaksi dengan perubahan suhu atau w = nRT. Akibatnya, berpengaruh terhadap perubahan E dalam dan perubahan entalpi. Adapun hubungan perubahan energi dan jumlah mol gas dalam suhu adalah:

ΔH = ΔE + ΔnRT
dengan: H = perubahan energi
ΔE = perubahan energi dalam
n = mol
Δn = Σ mol gas hasil reaksi - Σ mol gas pereaksi
T = suhu reaksi

Lalu bagaimana cara mengubah L.atm menjadi joule? Kalian dapat menemukan jawaban yang tepat dengan menengok penjelasan sebelumnya.

Bila sistem melakukan kerja, w bertanda negatif.
Bila sistem menerima kerja, w bertanda positif.

Hubungan antara energi dalam kalor reaksi dinyatakan dalam Hukum Termodinamika I.

Hukum Termodinamika I

Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari bentuk energi satu ke bentuk energi yang lain.

Secara matematis, Hukum Termodinamika I dapat dinyatakan dalam rumus berikut.

ΔE = q + w

Keterangan:
ΔE = perubahan energi dalam (J)
q = jumlah kalor yang diserap atau dilepas (J)
w = kerja (J)

Untuk memperjelas perumusan di atas, perhatikan baik-baik contoh soal berikut.

Hitunglah perubahan “energi dalam atau E”, bila:

1. sistem menyerap kalor 100 J dan melakukan kerja 50 J
2. sistem melepas kalor 100 J dan dilakukan kerja terhadap sistem dengan energi sebesar 200 J
3. sistem melepas kalor 150 J dan melakukan kerja dengan energi 100 J

Penyelesaian:

Diketahui : 

1. q = 100 J, w = -50 J

2. q = -100 J, w = 200 J

3. q = -150 J, w = -100 J

Ditanyakan : E.

Jawab : 

1. E = q – w

= (100 – 50 ) J = 50 J

2. E = - q + w

= (-100 + 200) J = 100 J

3. E = - q – w

= ( - 150 – 100) J = - 250 J

Entalpi

Entalpi disebut juga sebagai heat content (H), yakni besarnya kalor reaksi yang diukur pada tekanan tetap. Hubungan entalpi dengan energi dalam dapat dilihat dari perumusan berikut.

ΔH = ΔE + w

dengan w = P .ΔV, sehingga:

ΔH = ΔE + (P.Δ V)

Entalpi dari suatu reaksi tidak dapat diukur, namun demikian perubahan entalpinya dapat diketahui. Entalpi secara keseluruhan dihitung dengan rumus berikut.

ΔH = Hp – Hr

Keterangan:

Hp = jumlah entalpi produk/hasil reaksi

Hr = jumlah entalpi reaktan/pereaksi

Sistem dan Lingkungan

Pengertian sistem adalah bagian dari keseluruhan yang kita pelajari, sedangkan lingkungan adalah sesuatu yang berada di luar sistem. Sebagai contoh, bila kita i ngin mempelajari pertumbuhan dari sebatang pohon, maka pohon tersebut dikatakan sebagai sistem, sedangkan sesuatu di luar pohon disebut lingkungan. Contoh yang lain bila kita mempelajari budaya bangsa Indonesia, maka budaya bangsa Indonesia disebut sistem, sedang di luar budaya bangsa Indonesia disebut lingkungan.

Dalam termokimia, zat-zat yang disebut sistem adalah zat-zat yang kita reaksikan dalam tabung reaksi, sedangkan di luar zat-zat pereaksi disebut lingkungan. Untuk mempelajari sistem, kita dapat melangsungkan suatu reaksi dalam dua kondisi, yaitu terbuka dan tertutup.

Sistem terbuka artinya hal-hal yang kita pelajari berada di bawah tekanan udara luar yang relatif konstan dan nilainya berkisar 1 atm. Contoh sistem terbuka adalah penguapan air laut, pengaratan berbagai macam logam, usia terbentuknya buah pada tanaman tertentu, dan lain-lain. Sistem tertutup disebut juga sistem terisolasi, artinya sistem yang dilakukan dalam ruang tertutup. Dalam sistem tertutup, volume sistem relatif konstan, sedangkan tekanannya akan berubah.

Adakah hubungan antara sistem dengan lingkungan? Keduanya saling memengaruhi, karena sistem dapat menyerap panas dari lingkungan atau melepaskan panas ke lingkungan. Amatilah gambar berikut.

(a) Es mencair karena menyerap kalor dari lingkungan

(b) Air membeku menjadi es karena melepas kalor

Dari gambar diatas kita dapat menangkap hubungan yang jelas antara sistem dan lingkungan. Sistem menyerap panas dari lingkungan, seperti ditunjukkan pada Gambar (a), sehingga H atau entalpinya berharga positif. Sebaliknya, bila sistem melepas kalor ke lingkungan, seperti pada Gambar (b), maka entalpinya berkurang dan H-nya berharga negatif.

Reaksi Eksoterm dan Endoterm

Berdasarkan arah berpindahnya kalor dalam sistem dan lingkungan, maka reaksi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu reaksi eksoterm dan reaksi endoterm. Dikatakan reaksi eksoterm (berasal dari kata eks (keluar) dan therm (panas)) apabila kalor berpindah dari sistem ke lingkungan, artinya sistem melepas kalor. Adapun reaksi endoterm terjadi apabila sistem menyerap kalor atau kalor berpindah dari lingkungan ke sistem.

Reaksi Eksoterm

Pernahkah kalian memperhatikan bahwa setiap kali selesai makan nasi, badan kita menjadi gerah? Mengapa demikian? Mari kita ingat kembali proses asimilasi. Dalam tubuh, nasi yang kita makan akan bereaksi dengan oksigen yang kita hirup dengan reaksi seperti berikut.

Cn(H2O)m + O2 n CO2 + m H2O + energi

Persamaan termokimianya:

amilum + O2(g) n CO2(g) + m H2O(aq) H = -X kJ

Energi dalam bentuk panas yang dilepas tubuh inilah yang menyebabkan gerah.

Di dalam reaksi eksoterm, panas berpindah dari sistem ke lingkungan, karenanya panas dalam sistem berkurang sehingga H-nya bertanda negatif. Secara matematis, H dirumuskan sebagai berikut.

ΔH = H hasil reaksi – H pereaksi

Karena hasilnya negatif, berarti H hasil reaksi lebih rendah dari H pereaksi, dan digambarkan dalam diagram berikut.

Diagram reaksi eksoterm

Arah panah ke bawah menunjukkan bahwa energi semakin berkurang karena sebagian terlepas.

Reaksi Endoterm

Reaksi endoterm merupakan kebalikan dari reaksi eksoterm. Dalam reaksi ini, sistem menyerap kalor dari lingkungan sehingga harga entalpi reaksinya bertambah besar dan H-nya berharga positif, atau H hasil reaksi– H pereaksi > 0. Karena hasilnya positif, berarti H hasil reaksi lebih tinggi dari H reaksi, dan digambarkan dalam diagram berikut.

Diagram reaksi endoterm

Arah panah ke atas menunjukkan energi semakin bertambah karena sistem menyerap panas dari lingkungan. Perhatikan contoh berikut :

Ba(OH)2.8H2O(s)+2NH4Cl(aq)

BaCl2(aq)+2NH4OH(aq)+8 H2O(aq)  ΔH > 0

Reaksi memiliki ΔH > 0 sehingga merupakan reaksi endoterm.

Sebelum kita mempelajari cara menentukan harga entalpi dari suatu reaksi, kita perlu tahu apakah semua senyawa kimia menyebabkan adanya perubahan entalpi. Ternyata tidak, hanya campuran yang bereaksilah yang mengakibatkan terjadinya perubahan entalpi. Dengan kata lain, campuran yang tidak membentuk senyawa baru tidak menimbulkan perubahan entalpi. Perhatikan contoh berikut.

NaCl(aq) + KBr(aq) NaBr(aq) + KCl(aq)

Pada reaksi di atas, seolah-olah terbentuk zat baru yaitu NaBr dan KCl. Kenyataannya tidaklah demikian, karena senyawa di atas dalam larutan berbentuk ion. Bila ditulis dengan reaksi ion akan tampak jelas bahwa tidak terjadi zat baru, artinya fase zat-zat sebelum dan sesudah reaksi tetap. Adapun reaksi ionnya dituliskan seperti berikut ini.

Catatan :

ΔH = H hasil reaksi – H pereaksi
Reaksi eksoterm: ΔH < 0
Reaksi endoterm: ΔH > 0