Bab 5: Gas
Gas merupakan suatu zat yang lebih sedernana daripada zat cair dan zat padat dalam banyak hal. Gerakan molekuler pada gas benar-benar acak, dan gaya tarik antara molekul gas sangat kecil sehingga setiap molekul bergerak bebas dan pada dasarnya terlepas dari molekul-molekul lain. Akibat perubahan suhu dan tekanan, lebih mudah untuk memperkirakan perilaku gas. Hukum-hukum yang mengatur perilaku ini telah memainkan peranan penting dalam pengembangan teori atom zat dan teori gas molekuler kinetik.
5.1 Zat yang ada sebagai gas
Kita hidup di dasar lautan udara yang komposisinya berdasarkan volume kira-kira 78 persen N2, 21 persen oksigen, dan 1 persen gas lainnya, termasuk CO2. Pada 25°C dan 1 atm, sejumlah unsur dan molekul senyawa berada sebagai gas. Senyawa ionik adalah padatan daripada gas dalam kondisi atmosfer.
Gambar 5.1 elemen yang merupakan gas pada 25°C dan 1 atm. Gas - gas mulia (kelompok 8A) adalah spesies monatom; Unsur lain adalah molekul diatom. Ozon (O3) termasuk ke dalam gas.
Perilaku senyawa molekuler lebih beragam. Misalnya, CO, CO2, HCl, NH3, dan CH4 (metana)— adalah gas, tetapi kebanyakan senyawa molekuler adalah cairan atau padatan pada suhu ruangan. Namun, jika dipanaskan, mereka lebih mudah diubah menjadi gas daripada senyawa ionik. Dengan kata lain, senyawa molekuler biasanya mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah daripada senyawa ionik. Tidak ada aturan yang sederhana untuk membantu kita menentukan apakah suatu senyawa molekuler tertentu adalah gas di bawah kondisi atmosfer yang normal.
Dari gas-gas yang terdaftar di tabel 5.1, hanya O2 yang penting untuk kelangsungan hidup kita. Hidrogen sulfida (H2S) dan hidrogen sianida (HCN) adalah racun yang mematikan. Beberapa lainnya, seperti CO, NO2, O3, dan SO2, kurang beracun. Gas yang ia, Ne, dan Ar tidak bereaksi secara kimiawi, atau dengan substansi lain. Sebagian besar gas berwarna. Kecuali F2, Cl2, dan NO2. NO2 berwarna cokelat tua, kadang-kadang terlihat di udara yang tercemar.
Semua gas memiliki karakteristik fisik berikut:
• Gas menyesuaikan dengan volume dan bentuk wadah mereka.
• Gas memiliki kompresibilitas paling tinggi dibandingkan zat-zat lain.
• Gas akan bercampur secara merata dan lengkap jika terkurung dalam wadah yang sama.
• Gas memiliki kepadatan yang jauh lebih rendah daripada cairan dan padatan.
5.2 Tekanan Gas
Gas mengerahkan tekanan pada permukaan apa pun yang bersentuhan dengannya, karena molekul gas terus bergerak.
Mudah untuk memberi contoh dari tekanan atmosfer. Salah satu contoh sehari-hari adalah kemampuan untuk minum cairan melalui sedotan. Menghisap udara dari sedotan mengurangi tekanan di dalam sedotan. Tekanan atmosfer yang lebih besar pada cairan mendorong ke atas ke dalam sedotan untuk menggantikan udara yang telah tersedot keluar.
Satuan Tekanan Menurut SI
Satuan tekanan gas termasuk milimeter air raksa (mmHg), torr, pascal, dan atmosfer. Satu atmosfer sama dengan 760 mmHg, atau 760 torr.
Tekanan adalah sifat gas yang paling mudah diukur. Untuk memahami bagaimana kita mengukur tekanan gas, kita perlu mengetahui bagaimana unit pengukuran diambil. Kita mulai dengan kecepatan dan percepatan.
Kecepatan didefinisikan sebagai jarak perpindahan per satuan waktu; yaitu adalah,
Satuan SI untuk kecepatan adalah m/s, tetapi juga akan digunakan cm/s.
Percepatan adalah perubahan kecepatan per satuan waktu, atau
Percepatan diukur dalam m/s² (atau dapat juga digunakan cm/s²).
Hukum kedua gerak, yang dirumuskan oleh Sir Isaac Newton pada akhir abad ke-17, mendefinisikan istilah lain, dari mana satuan-satuan tekanan diturunkan, yaitu, gaya. Menurut hukum ini,
gaya = massa x percepatan
Dalam konteks ini, satuan gaya SI adalah newton (N), di mana
1 N = 1 kg m/s²
Akhirnya, dapat didefinisikan tekanan sebagai gaya yang diterapkan per satuan luas:
Satuan SI tekanan adalah pascal (Pa), didefinisikan sebagai satu newton per meter persegi:
1 Pa = 1 N/m²
Tekanan Atmosfer
Atom dan molekul gas di atmosfer, sama seperti yang di dalam materi lain, tunduk pada tarikan gravitasi Bumi. Tekanan atmosfer adalah tekanan yang diberikan oleh atmosfer bumi (Gambar 5.2). Nilai sebenarnya dari tekanan atmosfer bergantung pada lokasi, suhu, dan kondisi cuaca. Besarnya tekanan tergantung pada seberapa sering dan seberapa kuat molekul mempengaruhi permukaan.
Barometer
Tekanan atmosfer diukur dengan barometer. Barometer sederhana terdiri dari tabung kaca panjang, ditutup di salah satu ujungnya dan diisi dengan merkuri.
Gambar 5.3 arometer untuk mengukur tekanan atmosfer. Di atas air raksa dalam tabung adalah vakum. Kolom merkuri didukung oleh tekanan atmosfer.
Jika tabung secara hati-hati di balik dalam piring merkuri sehingga tidak ada udara yang masuk ke dalam tabung, beberapa merkuri akan mengalir keluar dari tabung ke dalam piring, menciptakan ruang hampa di bagian atas (Gambar 5.3).
Berat merkuri yang tersisa dalam tabung didorong oleh tekanan atmosfer yang bekerja pada permukaan merkuri dalam piringan. Tekanan atmosfer standar (1 atm) sama dengan tekanan yang menopang kolom merkuri tepatnya setinggi 760 mm (atau 76 cm) pada 0°C di permukaan laut. Dengan kata lain, atmosfer standar sama dengan tekanan 760 mmHg, di mana mmHg mewakili tekanan yang diberikan oleh kolom merkuri setinggi 1 mm. Satuan mmHg juga disebut torr, setelah ilmuwan Italia Evangelista Torricelli, menemukan barometer. Demikian sehingga,
1 torr = 1 mmHg
dan
1 atm = 760 mmHg
Hubungan antara atmosfer dan pascal adalah
1 atm = 101.325 Pa
1 atm = 1,01325 x 10⁵ Pa
dan karena 1.000 Pa = 1 kPa (kilopascal)
1 atm = 1,01325 x 10² kPa
Manometer
Manometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan gas selain gas
suasana. Prinsip pengoperasian manometer mirip dengan barometer.
Dua jenis manometers digunakan untuk mengukur tekanan gas.
(a) tekanan Gas mungkin kurang atau lebih besar daripada tekanan atmosfer.
(b) tekanan Gas lebih besar daripada tekanan atmosfer.
Hampir semua barometer dan manometer menggunakan merkuri sebagai fluida kerja, meskipun faktanya itu adalah zat beracun dengan uap yang berbahaya. Alasannya adalah itu merkuri memiliki kepadatan yang sangat tinggi (13,6 g / mL) dibandingkan dengan kebanyakan cairan lainnya. Karena tinggi zat cair dalam kolom berbanding terbalik dengan zat cair itu kepadatan, sifat ini memungkinkan pembangunan barometer kecil yang dapat dikelola dan manometer.
5.3 Hukum-hukum Gas
Hubungan Tekanan-Volume: Hukum Boyle
Pada abad-17, Robert Boyle † mempelajari perilaku gas secara sistematis dan secara kuantitatif. Dalam satu rangkaian penelitian, Boyle menyelidiki volume tekanan hubungan sampel gas. Hubungan tekanan-volume gas ideal diatur oleh hukum Boyle: Volume berbanding terbalik dengan tekanan (pada T dan n tetap).
Saat tekanan dinaikkan, volume yang ditempati oleh gas berkurang. Sebaliknya, jika tekanan yang diberikan berkurang, volume yang ditempati gas
meningkat.
Gambar 5.5 Peralatan untuk mempelajari hubungan antara tekanan dan volume gas. (a) kadar merkuri sama dan tekanan gas sama dengan tekanan atmosfer (760 mmHg). Volume gas adalah 100 mL. (b) menggandakan tekanan dengan menambahkan lebih banyak merkuri mengurangi volume gas menjadi 50 mL. (c) tekanan dinaikkan menjadi tiga kali lipat menurunkan volume gas menjadi sepertiga dari nilai semula. Suhu dan jumlah gas terus konstan.
Dapat ditulis persamaan matematika yang menunjukkan hubungan terbalik antara tekanan dan volume:
di mana simbol ∝ berarti sebanding dengan. Dapat diubah ∝ menjadi tanda sama dengan dan menulis
(5.1a)
di mana k₁ adalah konstanta yang disebut konstanta proporsionalitas. Persamaan (5.1a) adalah ekspresi matematis dari hukum Boyle. Dapat diatur ulang Persamaan (5.1a) dan diperoleh
PV = k₁ (5.1b)
Hubungan Suhu-Volume: Hukum Charles dan Gay-Lussac
Para peneliti yang paling awal mengamati hubungan efek suhu pada volume gas adalah ilmuwan Perancis, Jacques Charles† dan Joseph Gay-Lussac.‡ Studi mereka menunjukkan bahwa, pada tekanan konstan, volume sampel gas mengembang ketika dipanaskan dan menciut ketika didinginkan. Hubungan kuantitatif yang terlibat dalam perubahan suhu dan volume gas ternyata sangat konsisten. Volume berbanding lurus dengan suhu (pada P dan n tetap).
Gambar 5.9 Variasi volume sampel gas dengan suhu, pada tekanan konstan. Setiap garis menggambarkan variasi pada tekanan tertentu. Tekanan meningkat dari P1 ke P4. Semua gas akhirnya berkondensasi (menjadi cairan) jika mendingin sampai suhu yang cukup rendah; Bagian padat dari garis mewakili daerah suhu di atas titik kondensasi. Ketika garis-garis ini diekstrapolasi, atau diperluas (bagian dengan garis putus-putus), mereka semua berpotongan pada titik yang mewakili volume nol dan suhu -273,15 celcius.
Nol absolut (-273,15°C) adalah suhu terendah yang dapat dicapai secara teoritis. Skala suhu Kelvin mengambil 0 K sebagai nol mutlak. Dalam semua perhitungan hukum gas, suhu harus dinyatakan dalam kelvin.
Ketergantungan volume gas pada suhu diberikan oleh
(5.3)
di mana k₂ adalah konstanta proporsionalitas. Persamaan (5.3) dikenal sebagai hukum Charles dan Gay-Lussac, atau hanya hukum Charles, yang menyatakan bahwa volume sejumlah tetap gas yang dipertahankan pada tekanan tetap berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. Hukum Charles juga diilustrasikan pada Gambar 5.6. Dapat dilihat bahwa konstanta proporsionalitas k₂ dalam Persamaan (5.3) sama dengan nR/P.
Seperti yang dilakukan untuk hubungan tekanan-volume pada suhu tetap, dapat dibandingkan dua set keadaan volume-suhu untuk sampel gas tertentu pada tekanan tetap. Dari Persamaan (5.3) dapat ditulis
atau
(5.4)
di mana V₁ dan V₂ adalah volume masing-masing gas pada suhu T₁ dan T₂ (keduanya dalam Kelvin).
Bentuk lain dari hukum Charles menunjukkan bahwa pada jumlah gas dan volume tetap, tekanan gas sebanding dengan suhu
atau
(5.5)
Dari Gambar 5.6 dapat dilihat bahwa k₃ = nR/V. Dimulai dengan Persamaan (5.5), diperoleh
atau
(5.6)
di mana P₁ dan P₂ adalah tekanan gas masing-masing pada suhu T₁ dan T₂.
Hubungan Volume-Jumlah: Hukum Avogadro
Hubungan jumlah-volume gas ideal dijelaskan oleh hukum Avogadro: Volume gas yang sama mengandung jumlah molekul yang sama (pada T dan P yang sama).
Oleh karena itu, volume gas apa pun yang diberikan harus sebanding dengan jumlah mol molekul yang ada; itu adalah,
(5.7)
di mana n mewakili jumlah mol dan k₄ adalah konstanta proporsionalitas. Persamaan (5.7) adalah ekspresi matematis hukum Avogadro, yang menyatakan bahwa pada tekanan dan suhu tetap, volume gas berbanding lurus dengan jumlah mol gas yang ada. Dari Gambar 5.6 kita melihat bahwa k₄ = RT/P.
Menurut hukum Avogadro dapat dilihat bahwa ketika dua gas bereaksi satu sama lain, volume reaksi gas-gas memiliki rasio sederhana antara satu sama lain. Jika produk tersebut berupa gas, volumenya terkait dengan volume reaktan dengan rasio sederhana (fakta yang ditunjukkan sebelumnya oleh Gay-Lussac). Sebagai contoh, perhatikan sintesis amonia dari molekul hidrogen dan molekul nitrogen
Karena, pada suhu dan tekanan yang sama, volume gas berbanding lurus dengan jumlah mol gas yang ada, sekarang dapat ditulis
Rasio volume molekul hidrogen dengan molekul nitrogen adalah 3: 1, dan amonia (produk) dengan jumlah volume molekul hidrogen dan mol molekul nitrogen (reaktan) adalah 2:4 atau 1:2 (Gambar 5.10 ).
Gambar 5.10 Hubungan volume gas dalam suatu reaksi kimia. Rasio volume molekul hidrogen dengan molekul nitrogen adalah 3:1, dan amonia (produk) dengan molekul hidrogen dan molekul nitrogen yang digabungkan (reaktan) adalah 2:4, atau 1:2.
5.4 Persamaan Gas Ideal
Persamaan gas ideal, PV = nRT, menggabungkan hukum Boyle, Charles, dan Avogadro. Persamaan ini menggambarkan perilaku gas ideal.
1. Hukum Boyle: V ∝ 1/P (pada n dan T tetap)
2. Hukum Charles: V ∝ T (pada n dan P tetap)
3. Hukum Avogadro: V ∝ n (pada P dan T tetap)
Gas ideal merupakan gas hipotetik yang perilaku tekanan-volume-suhunya dapat sepenuhnya dihitung dengan persamaan gas ideal. Molekul-molekul gas ideal tidak saling menarik atau menolak satu sama lain, dan volumenya dapat diabaikan terhadap volume wadahnya. Meskipun pada kenyataannya di alam tidak ada yang ditemukan sebagai gas ideal, perkiraan gas ideal bekerja dengan baik pada kisaran suhu dan tekanan yang paling masuk akal. Dengan demikian, dapat dengan aman menggunakan persamaan gas ideal untuk menyelesaikan masalah gas.
Sebelum dapat diterapkan persamaan gas ideal pada sistem nyata, harus dievaluasi konstanta gas R. Pada 0ºC (273,15 K) dan tekanan 1 atm, banyak gas nyata berperilaku seperti gas ideal. Eksperimen menunjukkan bahwa dalam kondisi ini, 1 mol gas ideal menempati 22,414 L, yang sedikit lebih besar daripada volume bola basket, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.11. Keadaan 0ºC dan 1 atm disebut suhu dan tekanan standar, sering disingkat STP. Dari Persamaan (5.8) dapat ditulis
Gambar 5.11 Perbandingan volume molar pada STP (sekitar 22,4 L) dengan bola basket.
Titik-titik antara L dan atm dan antara K dan mol mengingatkan bahwa L dan atm berada pada pembilang dan K dan mol berada pada penyebutnya. Untuk sebagian besar perhitungan, akan dibulatkan nilai R menjadi tiga angka signifikan (0,0821 L⠄Atm/K⠄Mol) dan menggunakan 22,41 L untuk volume molar gas pada STP.