Download - WUJUD ZAT
WUJUD ZATSTATES OF MATTER
Kimia Fisika
WUJUD ZAT
3 macam wujud zat
Gas Cair Padat
Gaya antar molekul(GAM)
(Intermoleculer forces)
Ex: H2O
Gaya tarik antar molekul:
1. Van der waals (interaksi dipolar)2. Ion-dipole & ion-dipol induksi3. Ikatan hidrogen
Gaya van der Waals
molekul dipolar cenderung untuk bergabung dengan tetangganya (kutub - kutub + )
Group besar molekul diasosiasikan melalui tarikan lemah gaya dipole – dipole (Keesom)
Dipole-dipole permanen mampu menginduksi suatu dipole elektik dalam molekul nonpolar untuk menghasilkan Interaksi dipole – dipole induksi (interaksi Debye)
Molekul nonpolar dapat menginduksi polaritas Gaya tarik dipole induksi – dipole induksi (gaya London)
Gaya Ion – Dipole dan ion – dipol induksi
Ikatan antara molekul non polar dan ion.
Berperan atr lain dlm kelarutan zat kristal ionik dalam air
Gaya ion-dipol induksi :I2 + K+I- K+I3-
Ikatan Hidrogen
Interaksi molekul yang mengandung atom hidrogen dg atom yang elektronegativitasnya kuat (O, F, N)
H H
HHH H
H H
O
OO
O
PADATAN CAIRAN
GAS
Wujud yg keempat : MESOPHASE
Terletak antara cairan dan kristal.
mencair
meleleh
men
guapm
enyublim
deposisi
G A SSIFAT MOLEKUL GAS : Bergerak cepat Bergerak acak Bergerak ke segala arah Bertabrakan antar molekul Bertabrakan dengan dinding wadah
tekanan (P) Menempati ruang volume (V) Dipengaruhi temperatur (T) Kompresibel
Gas terbagi menjadi :
1. Gas ideal mengikuti hukum2 gas secara sempurna
2. Gas non ideal (nyata) mengikuti hukum2 gas pada P rendah
Hukum Boyle
Volume sejumlah gas pada T tetap, berbanding terbalik dengan tekanan.
P ~ 1/V P.V = k
V = volume gas (lt atau cm3)P = tekanan gas (dyne/cm2 atau atm atau mmHg)
P (atm)
V (liter)
T = 800 KT = 600 KT = 400 K
T = 200 K
Grafik isoterm
Hukum Charles & Gay-Lussac Volume sejumlah gas pada tekanan
tetap berbanding lurus dengan temperatur absolutnya.
V ~ T V = k . T T = temperatur (K)
P = 1 atm
P = 2 atm
P = 3 atm
P = 4 atm
T (K)
V (lt)
Hukum Boyle – Gay Lussac
P1 . V1 = P2 . V2
T1 T2
Walau P, V, T berubah
P . V konstan / tetap
T
P . V = k ; P . V = R
T T
R = harga PV/T untuk gas ideal = konstanta gas
ideal
P V = R T untuk 1 mol gas
P V = n R T untuk n mol gas
HUKUM GAS IDEAL
Berapa harga R ? Dicari dari 1 mol gas ideal pada STP (00C, 1
atm) volumenya = 22,414 liter PV = nRT R = P.V
n.T = 1 atm . 22,414 lt 1 mol . 273,16 K = 0,08205 lt atm/mol der = 8,314 joule/mol der = 1,987 kal/mol der
Dalam unit energiP 1 atm = 1,0133x106 dyne/cm2
V 22,414 lt = 22,414 cm3
R = PV = (1,0133x106) x 22,414 T 273,16
= 8,314 x 107 erg/mol der = 8,314 joule/mol der
1 kal = 4,184 joule R = 8,314 joule/mol der
4,184 joule/kal = 1,987 kal/mol der
Untuk perhitungan termodinamika
Soal 1: Berapa volume 2 mol gas ideal pada 250C & tekanan
780 mmHg?
Jwb :P.V = n.R.T
780 mmHg x V = 2 mol x 0,08205 lt
760 mmHg/atm atm/mol der x 2980K
V = 47,65 lt
Menentukan Berat Molekul (BM) Gas
P.V = n.R.T n = g/MP.V = g/M.R.T
M = g.R.T M = R.T.d P.V P
M = BM gasg = berat gasd = densitas gas
A. CARA REGNAULT Untuk menentukan BM zat yang
pada suhu kamar berbentuk gas. Bola gelas kosong ditimbang, diisi
gas dan ditimbang kembali. Berat gas = selisih penimbangan
B. CARA VICTOR MEYER Untuk menentukan BM zat cair yang
mudah menguap. Cairan diuapkan dalam bola gelas,
volume ditentukan pada P & T tertentu.
Soal 2: 0,3 g etil alkohol dlm bentuk uap memp. volume 200 ml dg
tekanan 1 atm dan temp. 1000C. Berapa BM etil alkohol?
M = 0,3 x 0,082 x 3731 x 0,2
M = 46,0 g/mol
Jawab :
Teori Kinetik Molekuler
Untuk menerangkan sifat gas Memberikan keterangan tambahan
bagi berlakunya hukum gas Dikembangkan oleh Bernouli (1738),
disempurnakan oleh Clausius, Boltzmann, van der Waals, dan Jeans
Teorinya adalah :
1. Gas terdiri dr partikel yg disebut molekul, dengan volume total yg begitu kecil, shg diabaikan thd volume ruangan di mana molekul itu berada. berlaku utk gas nyata pada P rendah dan T tinggi, di mana molekul gas berjauhan.
2. Partikel gas tidak tarik-menarik satu sama lain, melainkan bergerak bebas. berlaku pada P rendah
3. Partikel memperlihatkan gerakan tidak beraturan (acak) yg terus menerus, karena mempunyai energi kinetik. E. kinetik berbanding lurus dengan temperatur absolut gas atau E = 3/2 R.T
4. Molekulnya elastis sempurna tidak ada kecepatan yg hilang setelah molekul bertumbukan satu sama lain dan bertumbukan dengan dinding wadah.
Energi kinetik E = ½ m.c2
E = 3/2 R.TR.T = 1/3 m.c2
Persamaan Dasar Kinetik
P.V = 1/3.n.m.c2
P = tekananV = volumen = jumlah molekulm = massa molekulc2 = rata-rata kuadrat kecepatan
Akar rata-rata kuadrat kecepatan (m)
(c2)1/2 = mP.V = 1/3.n.m.c2 c2 = 3.P.V
n.m
c2 = m = 3 P.V n.m
Catt: c2 ≠ c
Untuk 1 mol gas P.V = n.R.T
n ~ N (bilangan Avogadro)
N.m = M (berat molekul)
m = 3.P.V m = 3.R.T
M M
N = bil. Avogadro
m = berat 1 molekul
Soal 3: Berapa akar rata-rata kuadrat kecepatan dari O2 pada 250C? (M=32,0)Jwb :
m = 3 . 8,314.10-7 . 298
32
= 4,82.10-4 cm/dt
Karena n.m/V = kerapatan, maka :
m = 3.P.V = 3.P n.m n.m/V
m = 3.P d d = kerapatan
Sehingga dapat dibaca: Kec. difusi gas berbanding terbalik dengan
akar kerapatannya. Gas ringan berdifusi lebih cepat melalui
membran berpori dibanding gas yang lebih berat (Graham)
Persamaan van der Waals untuk gas nyata
Teori kinetik didasarkan pada kondisi gas ideal
P.V = 1/3 n.m.c2 ~ P.V = n.R.T Kenyataan, gas nyata :
- tdr atas molekul dg volume tertentu
- molekul saling tarik-menarik
Berpengaruh pada vol (V) dan tekanan (P)
Persamaan gas nyata van der Waals :
P + a V – b = R.T V2
Untuk n mol gas :P + an2 V – nb = n.R.T V2
a/V2 = tekanan dalam (internal pressure)
akibat gaya tarik antar molekul
b = excluded volume inkompresibilitas molekul ± 4 x volume molekul
Polar liquid high internal pressure Non polar liquid low internal pressure
Jika vol gas >> , a/V2 dan b mjd ≠ signifikan dibanding P & V persamaan Van der Waals utk 1 mol gas menjadi persamaan gas ideal.
Gas alt2atm/mol2
b(lt/mol)
H2 0,244 0,0266
O2 1,360 0,0318
CH4 2,253 0,0428
H2O 5,464 0,0305
Cl2 6,493 0,0562
Konstanta van der Waals utk bbrp
gas
CAIRANJika T diturunkan(didinginkan)
kec. molk jika ada tek.
molk. tarik-menarik(gaya van der Waals)
CAIRAN
PANAS(E.kineti
k)
GA
S
Perubahan gas cair, tgt pada :
temperatur dan pressure.Tekanan uap tgt dr TP250C = 23,76 mmHgP1000C = 760 mmHg
T , P >>Air Uap
Titik kritik (temperatur kritik) : temperatur di mana di atas T ini
gas tidak bisa menjadi cair walau diberi tekanan bagaimanapun.
P kritik : P yang diperlukan untuk
mencairkan gas pada T kritik Merupakan tekanan uap tertinggi
dari suatu cairan.Makin rendah temperatur gas di bawah
temp kritiknya, makin kecil tekanan yg diperlukan untuk mencairkannya.
Air : T kritik = 3740C (647 K) P kritik = 218 atm
Helium : T kritik = 5,2 K P kritik = 2,26 atm
T kritik air tinggi, krn adanya gaya dipolar yg kuat antar molekul, terutama ikatan hidrogen.
T kritik helium rendah krn gaya tarik yg ada adalah gaya London yg lemah.
Metode Pencairan Gas Ekspansi adiabatik wadah Dewar
(vakum)Tidak ada panas yg masuk ke dlm sistem temperatur gas akan turun.
Efek Joule-ThomsonGas bertekanan lepas ke daerah tekanan rendah temp turun krn pelepasan energi dalam menanggulangi daya kohesi dari atraksi antar molekul.Contoh : oksigen cair, udara cair
AEROSOL Prinsip : di bawah temperatur
kritiknya, gas akan mencair jika tekanan dinaikkan. Jika tekanan diturunkan, molekul2 berekspansi dan cairan akan menjadi gas.
Obat dilarutkan atau disuspensikan dalam propelan
Propelan : zat yang berbentuk cair di dalam wadah yang bertekanan (1-6 atm), dan berbentuk gas pada kondisi normal atmosfer.
Tekanan Uap Suatu Cairan Energi kinetik cairan tidak terbagi
sama besar pada tiap-tiap molekul
ada molekul dg energi yg tinggi
ada molekul dg energi yg rendah
Cairan dlm wadah tertutup pada T konstan
molekul dg energi tinggi menembus batas permukaan cairan mjd GAS pada saat yg sama ada molekul gas yg kembali ke wujud CAIRAN (mengembun)
Pada keadaan kesetimbangan dinamik : tekanan uap kesetimbangan Jika T dinaikkan
lebih banyak molekul yg mencapai kecepatan yang diperlukan untuk berubah menjadi gas.
Aseton
T(0C)
P(m
mH
g
)Benzen
Air
Panas Penguapan Persamaan Clausius-Clapeyron
p1 : tekanan uap pd T1
p2 : tekanan uap pd T2
DHv : panas penguapan molar panas yg diserap oleh 1 mol
cairan ketika berubah wujud mjd gas
Harga DHv bervariasi dg temperaturDHv air pada 1000C 539 kal/g
1800C 478 kal/g
21
12
1
2
TTR2,303
)TT(HvΔ
pp
log
Bentuk umum persamaan Clausius-Clapeyron :
Y = b x + a
konstantaT1
.R2,303
HvΔPlog
a
Log P
1/T
Tg a = slope = b
= DHv 2,303
R
Titik DidihJika cairan dg wadah terbuka
dipanaskan sampai tekanan uapnya = tek. Atmosfer maka timbul gelembung2 yang naik melewati cairan dan lepas sebagai gas proses mendidih
Temperatur ketika tek. uap = tek. atm TITIK DIDIH
Pada titik didih seluruh panas yg diserap digunakan utk mengubah cairan menjadi gas temp ≠ naik sampai semua cairan mjd uap
DHv yg diserap pada saat cairan menguap pada titik didih normalnya
panas penguapan latenair 1000C 539 kal/gbenzen 80,20C 91,4 kal/g
PADATAN & KRISTAL Ciri-ciri padatan kristal :
Memiliki bentuk tertentu Susunan rapi Pola geometris/kisi-kisi Tidak dapat dikompresi Mempunyai titik leleh tertentu
Bentuk-bentuk kristal Kubik (NaCl) Rombis
(iodium) Tetragonal (urea) Monoklin
(sukrosa) Heksagonal (iodoform) Triklin (asam
borat)
Penyusun kristal :
1. Ion-ion, cth : kristal NaCl gaya pengikat kristal adl ikt elektrostatis
2. Atom-atom, cth : intan & grafit ikatan kovalen antar atom
3. Molekul-molekul, cth : padatan CO2, HCl & naftalen (zat-zat organik) ikt van der Waals & ikt hidrogen titik leleh rendah
Sifat-sifat kristal Kristal atom & ion
Keras & rapuh Titik leleh tinggi
Kristal molekul Lunak Titik leleh rendah
Kristal logam Tdr dr ion (+) pd medan elektron yg mudah
bergerak Penghantar listrik yg baik gerakan elektron
dlm kisi-kisi Dapat lunak/keras Titik leleh rendah/tinggi Kekuatan logam tgt pd bag yg paling tidak
sempurna atau kerusakan kisi-kisi pada kristal
Difraksi sinar X
Metode utk menentukan bangunan kristal
Karena sinar X punya l ~ jarak atom/molekul dalam kristal
Difraksi sinar X kerapatan elektron posisi atom2 dalam kristal
Titik leleh & Panas peleburan Temperatur di saat cairan murni &
padatan dalam kesetimbangan titik beku / titik leleh
Panas yg diabsorpsi ketika 1 gram padatan meleleh atau panas yg dilepas ketika cairan membeku panas peleburan (DHf)
Persamaan Clayperon : Perubahan titik beku atau titik leleh thd
tekanan :
Vl = volume molar cairan (cm3/mol)
Vs = volume molar padatan (cm3/mol)
DHf = jumlah panas yg diabsorpsi jk 1 mol padatan berubah mjd 1 mol cairan
DT = perubahan titik leleh yg tjd krn perubahan tekanan (DP)
f
s
ΔHVV
TPT
l
Titik Leleh dan Gaya Antar Molekul Kristal yang memiliki gaya (ikatan)
lemah titik leleh rendah Kristal yang memiliki gaya (ikatan)
kuat titik leleh tinggi
Panas peleburan jarak antar atom / molekul bertambah sehingga terjadi pelelehan.
Pada hidrokarbon jenuh
BM naik (SC ) titik leleh naik Titik leleh SC genap > titik leleh SC
ganjil
Pada xanthin Perpanjangan rantai samping
Titik leleh turun Kelarutan naik
-200
-150
-100
-50
0
50
100
0 5 10 15 20Jumlah atom karbon
Titi
k le
leh
(0C
)
Gb. 6: Titik leleh alkana dan asam karboksilat
sebagai fungsi panjangnya rantai karbon
(Noller, 1957)
C
C
C
CC
C
C
C
C
C
C
C C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
CO
O
O
O
H
O
H
O
O
H
O
H (I)
(II)
Gb.5: Bentuk susunan molekul asam lemak
dalam wujud kristal (Bailey,1950).
Tabel 1: Titik leleh dan kelarutan beberapa xanthina
Senyawa Titik leleh (0C)
Kelarutan dlm air (10-2M) pada
300C
Teofilin (R=H) 270-274 4,5
Kafein (R=CH3) 238 13,3
7-Etilteofilin (R=CH2CH3)
156-157 17,6
7-Propilteofilin (R=CH2CH2CH3)
99-100 104,0
H3C N
N
R
NOCH3
O
N
9 876 5
432
1
Polimorfisme Bentuk kristal lebih dari 1 (seperti pada
karbon, sulfur) Scr kimiawi sama Titik leleh berbeda, kelarutan berbeda Gambaran difraksi sinar X berbeda Cth : trigliserid oleum cacao
Dipanaskan>350C
Inti kristal b stabil hancur
tidak bisa membeku kec. pada
T<150C
g=180
a=220
b prime=280
b stabil=34,50
Analisis Dilatometrik
Digunakan untuk mengetahui pengembangan ketika kristal meleleh dan pengerutan ketika berubah dari bentuk metastabil menjadi polimorfi stabil.
Polimorfisme lain Kloramfenikol palmitat Sulfameter Kortison asetat Spiperon Haloperidol Bromperidol Sulfonamida Tamoxifen sitrat Carbamazepin ethinilestradiol
Padatan Amorf
Cairan lewat dingin di mana molekul tersusun dalam keadaan tidak teratur seperti dalam wujud cair.Contoh : gelas, ter, plastik sintetikCiri : Jika diberi P pada waktu tertentu mengalir
Tidak mempunyai titik leleh tertentu
Sifat padatan kristal & amorf Kristal kubus & padatan amorf
isotropikMemperlihatkan sifat yg sama ke segala arah
Kristal bukan kubus anisotropikSifat berbeda pada berbagai arah kristal (konduksi listrik, indeks bias, kecepatan kelarutan)
Bagaimana menggolongkan ?
Tidak selalu bisa Beeswax & parafin (amorf) jika
dipanaskan dan didinginkan perlahan membentuk kristal
Petrolatum kristal & amorf Novobiocin bentuk amorf lebih aktif
scr terapetik drpd bentuk kristal
KRISTAL CAIR Bentuk mesofase Merupakan peralihan cair dan padat Mempunyai sifat cairan dan padatan,
dapat mengalir seperti cairan Birefringent : sifat yang berhubungan
dengan kristal cahaya yang lewat
Terbagi menjadi 2 komponen dengan kecepatan yg berbeda
Indeks bias berbeda
Tipe kristal cair1. Smektik (seperti lemak/sabun)
Bergerak 2 arah & berputar pada 1 sumbuBiasanya terbentuk dalam campuran terner (surfaktan, air dan amfifil lemah atau zat non polar)
2. Nematik (seperti jarum)Berputar pada 1 sumbu, bergerak 3 dimensi
(a) mesofase smektik (b) mesofase nematik
Wujud Kristal
Cair
Molekul-molekul yg membentuk fase kristal cair :1. Organik2. Bentuk perpanjangan & garis lurus3. Kaku/rigid4. Mempunyai dipol kuat & gugus yg
mudah terpolarisasiDapat diperoleh dari pemanasan padatan (kristal cair
thermotropik) aksi solven tertentu pada padatan
(kristal cair lyotropik)
Bentuk dan aplikasi :
Perubahan warna konsisten dg temp Nematik sensitif medan listrik Smektik solubilisasi obat tak larut
air Atherosclerosis lipid dlm dinding
pembuluh darah Batu empedu kolesterol, garam
empedu dan air Struktur ~ membran sel model
biofisika
Sekian & terima
kasih…
SOAL-SOAL1. Sebuah balon udara naik setinggi 2
mil. Volumenya di atas permukaan tanah adalah 2,50 liter pada tekanan 1 atm dan suhu 240C. Berapakah volume akhirnya jika pada ketinggian 2 mil tsb tekanan atmosfer adalah 8,77x10-3 atm dan suhunya -44,70C?
P1 . V1 = P2 . V2
T1 T2
2. Hitung volume 1 mol gas nitrogen pada 400 atm dan 00C, dengan persamaan gas ideal (dalam ml)!
P.V = n.R.T
3. Jika 0,5 g obat A pada wujud gas menempati volume 100 ml pada 1200C dan tekanan 1 atm, berapa BMnya?
M = g.R.T P.V
4. Nitrous oxide,USP, digunakan utk anastesi scr induksi cepat (80% N2O,20% O2) dan pada kadar rendah untuk pemeliharaan anastesi.
a. Dengan persamaan gas ideal hitung BM gas tsb, jika pada 1 liter, 00C, 760 mmHg beratnya 1,97 g.
b. Hitung akar kuadrat rata-rata kecepatan dari N20 (m)
c. Hitung densitas (r) dari N2O pada 1 atm, 00C
5. 0,193 mol eter ditempatkan dlm wadah 7,35 liter pada 295,15 K. Hitung tekanan yg dihasilkan dengan :
a. Persamaan gas idealb. Persamaan van der Waals. Harga a
Van der Waals untuk eter 17,38 lt2atm mol-2 ; b=0,1344 lt mol-1.
P + an2 V – nb = n.R.T V2
6. Seorang peneliti ingin mengetahui tekanan parsial kloroform yg diperlukan utk menganastesi mencit seberat 28,0 g dlm wadah dg volume 2,37 lt pd 200C. Jk 2,0 cm3 kloroform dimasukkan wadah tertutup tsb dg selang, berapa tekanan parsial CHCl3 dlm wadah tsb? Hitung dg menggunakan:
a. Pers gas idealb. Pers Van der Waals (a=15,17 lt2atm
mol-2; b=0,1022 lt mol-1)
Diasumsikan densitas mencit adl 1 g/cm3. Hitung volumenya dalam lt dan kurangkan hasilnya dr volume wadah, utk mendapatkan volume yg ditempati pleh gas kloroform dalam wadah. Diket : r kloroform cair pada 200C 1,484 g/cm3; BM 119,4 g/mol.
7. Suatu alat pemadam api berisi CO2 dg kapasitas 0,80 lt pada tek 12,3 atm dan suhu 250C.
a. Hitung berat CO2 dlm alat tsb (kg)
b. Berapa volumenya dg berat tsb pd tek 1 atm 250C?
c. Bandingkan hasilnya dari perhitungan dengan densitas CO2 pd 250C adl 0,001836 g/cm3, BMnya 44,01 g/mol.
8. Tekanan uap air pd 250C adl 23,8 mmHg. Panas penguapan rata-rata antara 25-400C adl 10.400 kal/mol. Dengan persamaan Clausius Clayperon, hitung tekanan uap pada 400C. Dari hasil eksperimen didapat 55,3 mmHg.
21
12
1
2
TTR2,303
)TT(HvΔ
pp
log
10. Jika suatu padatan mempunyai lebih dr 1 btk kristal, ada kemungkinan pd tekanan mesin tablet yg relatif tinggi akan berubah bentuk polimorfinya. Sulfathiazol mempunyai paling sedikit 2 btk polimorfi, I dan II. Btk I memp keadaan energi yg lebih rendah pd temp kamar. Kerapatannya 1,5 g/cm3 (I) dan 1,55 g/cm3 (II). Temp transisi I II adl 1610C dan panas transisinya (DHt) 1420 kal/mol.
a. Bgmn pengaruh tek normal 1 atm pd temp transisi dr I II ? Diket BM=255,32 g/mol. Substitusikan DHf, Vl dan Vs dr pers Clayperon dg DHt dan volume molar kedua bentuk polimorf.
b. Berapa temp transisi jk bentuk I dikompres dlm mesin tablet pd 2812 kg/cm2 (2757,6 bar)? Apakah btk I akan stabil selama proses pentabletan? (1 bar=14,5 pound/in.2 dan 1 kg/cm2= 14,2 pound/in.2)
tΔHVV
TPT 2
1
11. Laboratorium di suatu kota besar mengisolasi gas polutan yg baru, yg diket memp tekanan 1,17 atm jika 6,07 g gas tsb ditempatkan dalam wadah 2,0 liter pada temp 280C.
a. Berapa BM gas polutan tsb?b. Jika dari uji kimia diket gas tsb
merupakan senyawa mengandung sulfur, bagaimana komposisi senyawa tsb?
M = g.R.T P.V
9. Tekanan uap etil alkohol diket 23,6 torr pd 100C; 78,8 pd 300C dan 135 torr pd 400C. Plot log P vs 1/T dan hitung tek uap etanol pada 200C. Berapa panas penguapan molar pada temperatur tsb?
konstantaT1
.R2,303
HvΔPlog