Perubahan Entalpi Standar dan Aplikasinya

Dalam kajian termodinamika, reaksi kimia dianggap sempurna jika tidak ada perubahan komposisi dan zat hasil reaksi dapat kembali pada suhu semula biasanya pada suhu kamar.
Jumlah total kalor yang diserap atau dilepaskan selama reaksi berlangsung dan mengembalikan zat kepada suhu semula dinamakan kalor reaksi. Jika reaksi terjadi pada tekanan tetap, kalor reaksi dinyatakan sebagai perubahan entalpi,  DH. Nilai DH bergantung pada jenis pereaksi, kuantitas pereaksi, dan suhu. Oleh sebab itu, perubahan entalpi harus dinyatakan dalam satuan jumlah kalor per kuantitas zat dan suhu reaksi. DH biasanya dinyatakan dalam satuan joule per mol per kelvin.

1.       Perubahan Entalpi Standar, DH^o

Perubahan entalpi pada keadaan standar adalah pengukuran entalpi zat pada tekanan tetap 1 atm dan 298,15 K dalam keadaan paling stabil dari zat itu. Dengan kata lain, perubahan entalpi standar adalah perubahan kalor yang terjadi dalam suatu reaksi kimia yang diukur pada 1 atm dan 298,15 K.

Perubahan entalpi standar suatu reaksi dapat digolongkan menurut jenis reaksinya, seperti entalpi pembentukan standar (DH_f^o), dan entalpi penguraian standar (DH_d^o), dan entalpi pembakaran standar (DH_c^o). Huruf dalam indeks yaitu f, d dan c masing-masing berasal dari kata formation (yang berarti pembentukan), dissociation (penguraian), dan combustion (pembakaran)

a.       Perubahan Entalpi  Pembentukan Standar, DH_f^o

Entalpi pembentukan standar suatu senyawa adalah kalor yang terlibat pada reaksi pembentuka satu mol senyawa dari unsur-unsurnya diukur pada 1 atm, 298,15 K. entalpi untuk unsur-unsur dalam bentuk paling stabil dikukuhkan sebesar 0 kJ/mol. Contoh, keadaan standar dari karbon yang paling stabil adalah grafit, untuk gas o_2, H_2, N_2, dan gas lain paling stabil adalah gas diatom, masing-masing memiliki entalpi standar 0 kJ/mol.

b.      Perubahan Entalpi Penguraian Standar, DH^o_d

Reaksi penguraian adalah kebalikan dari reaksi pembentukan, yaitu penguraian senyawa menjadi unsur-unsurnya. Perubahan entalpi suatu senyawa menjadi unsur-unsurnya pada keadaan standar sama besar tetapi berlawanan tanda sesuai dengan sifat ekstensif. Jika nilai DH^o bertanda negative (eksoterm) maka nilai DH^o_d  bertanda positif (endoterm). Contoh :

C_(S) + O_2(g) à CO_2(g)               DH^o_f  = -393,509 kJ/mol

CO_2(g) à C_(S) + O_2(g)               DH^o_d = +393,509 kJ/mol

c.       Perubahan Entalpi Pembakaran Standar DH^o_c

Entalpi pembakaran standar adalah kalor yang dilepaskan jika satu mol zat dibakar sempurna pada keadaan standar. Dalam ilmu kimia, pembakaran berarti mereaksikan suatu zat dengan oksigen. Contoh : reaksi pembakaran :

C₍₅₎ + O _2(g) à CO_2(g)                                         DH^o_c  = -393,5 kJ/mol

CH_4(g) + 2o_2(g) à CO_2(g) + 2H₂O_(L)                   DH^o_c   = -393,5 kJ/mol

CH₃OH₍₅₎ + 3/2 O_2(g)  à CO_2(g) + 2H₂O_(L)       DH^o_c   = -393,5 kJ/mol

2.       Penggunaan Data DH Standar

Salah satu data perubahan entalpi yang penting adalah perubahan entalpi pembentukan standar, DH^o_f  yakni kalor yang dilepaskan atau diserap pada pembentukan satu mol senyawa dari unsur-unsurnya pada keadaan standar (1 atm, 25^oC)

Hal ini menunjukan bahwa perubahan entalpi suatu reaksi dapat dihitung dari selisih perubahan entalpi hasil-hasil reaksi (keadaan akhir) dengan perubahan entalpi zat-zat pereaksi (keadaan awal). Petunjuk ini dapat dinyatakan dalam bentuk matematis.

DH^o_Reaksi = å DH^o_Produk - åDH^o_Pereaksi                                                              (3.29)

                Dengan å menyatakan jumlah jenis zat yang terlibat dalam reaksi.

Oleh karna DH tidak bergantung pada jalannya reaksi, apakah reaksi akan berlangsung pada satu tahap dua tahap atau mungkin dibuat banyak tahap : selama keadaan awal dan keadaan akhir sama, maka perubahan entalpi reaksi akan berharga sama.

               

            Hukum Hess

              Perubahan entalpi dari reaksi-reaksi kimia dapat ditentukan secara laboratorium menggunakan alat calorimeter. Namun demikian, banyak reaksi kimia yang sukar, bahkan tidak mungkin diukur secara laboratorium. Contohnya reaksi pembentukan methanol dari unsur-unsurnya. Persamaan kimianya :

C_(S) + 2H_2(g) + ½ O_2(g) à CH₃OH_(L)

Pada tahun 1840, pakar kimia swiss bernama Germain H. Hess mampu memecahkan pemersalahan tersebut, dengan memanfaatkan data perubahan entalpi pembentukan standar.

Berdasarkan sejumlah percobaan yang dilakukan dan sifat-sifat entalpi, Hess mengajukan temuannya yaitu, oleh karena entalpi adalah suatu fungsi keadaan, maka perubahan entalpi yang berlangsung dari keadaan awal ke keadaan akhir tidak bergantung pada jalannya reaksi. Perubahan kalor dalam suatu reaksi hanya bergantung pada keadaan awal (pereaksi) dan keadaan akhir (hasil reaksi). Besarnya perubahan kalor selalu tetap walaupun reaksi itu dilangsungkan dalam satu tahap atau sederet tahap. Prinsip ini dikenal sebagai Hukum Hess.

Untuk memahami kebenaran Hukum Hess, tinjau reaksi oksidasi nitrogen menjadi nitrogen oksida yang dapat dilakukan secara laboratorium. Reaksi keseluruhan dapat dituliskan dalam satu tahap reaksi dan perubahan entalpi dinyatakan dengan DH₁, persamaan termokimianya :

N_2(g) + 20_2(g)  à  2NO_2(g)                                                  DH₂  =  180 kJ

2NO_(g)  + O_2(g) à 2NO_2(g)                                      DH₃  = -113 kJ

N_2(g)  +  20_2(g)  à 2NO_2(g)                                                 DH₂ + DH₃ = 67 kJ

Jumlah kedua tahap tersebut merupakan reaksi pembentukan NO₂ dan jumlah perubahan entalpinya sama dengan perubahan entalpi untuk oksidasi nitrogen,                           
DH₁ = DH₂ + DH₃ = 67 kJ

Dengan membuat tahap-tahap reaksi, maka perubahan entalpi pembentukan standar untuk methanol juga dapat ditentukan secara tidak langsung menggunakan hukum Hess, yaitu dengan cara membuat tahap-tahap reaksi yang berhubungan dengan unsur-unsur pembentukan methanol, dan keseluruhan tahap yang dibuat merupakan reaksi pembentukan methanol dari unsur-unsurnya.

3.       Kalor Bahan Bakar dan Kalor Perubahan Fisika

Bahan bakar adalah zat yang dapat dibakar atau reaksi serupa pembakaran yang menyediakan kalor dan bentuk energy lain. Saat ini, bahan bakar tidak hanya untuk kebutuhan rumah tangga dan menggerakan mesin tetapi juga diperlukan untuk setiap peralatan teknologi modern. Misalnya, bahan bakar dipakai untuk membangkitkan listrik yang selanjutnya digunakan untuk teknologi komunikasi dan komputer, bahkan mesin roket untuk menjelajahi ruang angkasa membutuhkan bahan bakar.

a.       Makanan sebagai Bahan Bakar

Makanan memiliki peran tiga kebutuhan pokok untuk tubuh, yaitu untuk pertumbuhan dan perbaikan jaringan untuk sinestis senyawa yang digunakan dalam pengaturan proses tubuh dan untuk memasok energy. Sekitar 80% energy yang digunakan adalah dalam bentuk kalor, sisanya digunakan untuk gerak otot, proses kimia, dan proses-proses tubuh lainnya.

                Makanan yang diolah dalam tubuh diubah menjadi energy umumnya berasal dari karbohidrat dan lemak. Karbohidrat terutama dalam bentuk glukosa (C₆H₁₂O₆). Persamaan termokimia untuk pembakaran satu mol glukosa adalah :

                C₆H₁₂O_6(s)  + 127/2 O_2(g)  à  45CO_2(g)  +  43H₂O_(L)  DH^o = -27820 kJ/mol

                Satu gram lemak tersebut jika dibakar menghasilkan 38,5 kJ atau 9,20 kkal. Nilai rata-rata kuota untuk karbohidrat dan lemak adalah 4,0 kkal/g dan 9,0 kkal/g. jadi lemak mengandung bahan bakar dua kali lebih banyak daripada karbohidrat untuk jumlah gram yang sama.

b.      Bahan Bakar Fosil

Tumbuhan, batubara, minyak bumi, dan gas alam menyediakan energi yang mulanya bersumber dari matahari. Melalui proses fotosintesis, tumbuhan menyimpan energy dan dapat diperoleh kembali melalui pembakaran tumbuhan itu sendiri atau pelapukan tumbuhan yang diubah menjadi bahan bakar fosil. Semua bahan bakar fosil yang ada saat ini dibentuk selama jutaan tahun lampau ketika hewan dan tanaman akuatik terkubur dan tertekan oleh lapisan sedimen dibagian bawah laut dan lumpur. Selama kurun waktu itu materi materi organic diubah oleh bakteri dan tekanan bumi menjadi minyak bumi, gas, dan batu bara, yang saat ini merupakan sumber utama energy migas.

Gas alam dan minyak bumi digunakan bersama-sama sekira tiga per empat dari bahan bakar fosil yang dikonsumsi per tahun. gas alam cair yang utama adalah metana, CH₄ , dan kadang-kadang mengandung sedikit etana, propana, dan butane

Kalor pembakaran per mol gas alam adalah :

CH_4(g)  +  O_2(g)  à  CO_2(g) + 2H₂O_(g)            DH^o = -802 kJ

Nilai DH^o ini setara dengan 50,1 kJ per gram bahan bakar gas alam.

                Minyak bumi adalah campuran senyawa karbon yang sangat kompleks. Bensin yang diperoleh dari minyak bumi melalui proses kimia dan fisika mengandung banyak senyawa hidrokarbon berbeda. Salah satu hidrokarbon didalam bensin adalah oktan, C₈H₁₈. Pembakaran senyawa oktan melepaskan kalor sebanyak 5074 kJ per mol.

                C₈H_18(l)  +  25/2 O_2(g)   à   8CO_2(g) +  92H₂O_(g)      DH^o = -5074 kJ

                Nilai  DH^o ini setara dengan 44,4 kJ/g. Harga ini menjadi alas an mengapa bahan bakar ini lebih popular sebab minyak bumi melepaskan kalor lebih besar dibandingkan batu bara untuk kuantitas yang sama.

c.       Efek Karbon Dioksida (Global Warming)

Sebagian energy yang sampai permukaan bumi diserap oleh tumbuhan untuk mendorong terjadinya fotosintesis, sebagian oleh laut/danau untuk menguapkan air dan menjadi awan.

                Energy radiasi yang diserap oleh batuan, tanah, dan air dapat meningkatkan suhu permukaan bumi dan sebagian di pantulkan kembali ke atmosfer. Energy yang dipantulkan oleh permukaan bumi dalam bentuk radiasi, terutama sebagian radiasi inframerah atau disebut radiasi panas.

                Atmosfer, seperti halnya kaca jendela, sangat transparent terhadap cahaya tampak tapi tidak membolehkan semua radiasi inframerah melewatinya. Molekul-molekul diatmosfer, terutama H₂O dan CO₂, sangat kuat menyerap radiasi inframerah dan meradiasikan kembali kepermukaan bumi. 

                Peristiwa pantul memantul diatmosfer bumi ini menjadikan seolah-olah atmosfer bumi menyerupai rumah kaca yang terbuat dari gelas, yang transparent terhadap radiasi cahaya tampak tapi menyerap radiasi inframerah, yang menimbulkan peningkatan suhu didalam gedung yang dindingnya kaca. Efek rumah kaca ini lebih semarak diplanet venus, dimana kerapatan atmosfer bertanggung jawab terhadap suhu permukaan planet yang tinggi.

                Jadi suhu permukaan bumi dikendalikan secara signifikan oleh karbon dioksida dan air yang menghuni atmosfer bumi. Air yang menghuni atmosfer dikendalikan oleh daur air (penguapan dan pengembunan), dan rata rata tiap tahun konstan.

d.      Sumber Energi Baru: Suatu Alternatif

Permasalahan lingkungan yang diakibatkan dari hasil pembakaran minyak bumi dan gas alam, maka para Begawan di bidang sains berusaha mencari jalan keluar untuk memperoleh sumber energy masa depan dengan mempertimbangkan aspek ekonomi, cuaca dan bahan dasarnya. Beberapa sumber energy diantaranya sinar matahari, proses nuklir (fusi dan fisi), biomassa tanaman, dan bahan bakar sintesis.

e.      Hydrogen sebagai Bahan Bakar

Campuran gas hydrogen dan gas oksigen dilewatkan kedalam tabung eudiometer kemudian  kedua elektroda dalam eudiometer dihubungkan dengan pembangkit listrik, piezoelectric, maka ketika tombol piezoelectric ditekan akan terjadi loncatan bunga api listrik, dan loncatan bunga listrik ini akan memicu terjadinya reaksi hydrogen dan oksigen.

f.        Pemanfaatan Batu Bara

Pada dasarnya, kandungan utama batu bara adalah karbon dalam bentuk karbon bebas maupun  hidrokarbon. Kelemahan dari pembakaran batu bara adalah dihasilkannya gas SO₂. Hal ini terjadi disebabkan batu bara memiliki sulfur tinggi yang berubah menjadi SO₂ ketika dibakar. Untuk menghilangkan gas SO₂  dapat diterapkan proses yang dinamakan desulfurisasi dengan menggunakan serbuk kapur atau sprai air kapur dalam alat “scrubers” .

Untuk meningkatkan nilai dari batu bara dan menghilangkan pencemar SO_2, dilakukan rekayasa batu bara seperti gasifikasi dan reaksi karbon uap.

g.       Sumber Energi Terbarukan

Sumber energy terbarukan adalah sumber energy yang dapat diperbarui kembali, misalnya minyak kelapa sawit. Minyak kelapa ini dapat dijadikan sumber energy dan dapat diperbarui dengan cara menanam kembali pohon kelapa sawitnya. Sumber energy terbarukan yang berasal dari tanaman atau mahluk hidup dinamakan bio energy. Biodisel adalah bahan bakar diesel (fraksi diesel) yang diproduksi tumbuh-tumbuhan.

h.      Kalor Perubahan Fisika

Untuk memahami kalor yang terlibat pada perubahan fisis, seperti es mencair atau air menguap dapat dipelajari, misalnya perubahan satu mol es pada -25^oC yang dipanaskan secara perlahan pada laju yang konstan sambil suhu system diukur secara seksama. Secara bertahap suhu es meningkat sampai mencapai 0^oC , untuk selanjutnya suhu tetap walaupun kalor ditambahkan terus sampai semua es mencair menjadi air. Semua energy termal yang ditambahkan diserap oleh galian es membentuk gaya antar molekul.

Setelah semua es meleleh hanya air yang ada, suhu system meningkat lagi sampai titik didih air dicapai (1000^oC, 1atm). Lagi-lagi suhu tetap konstan walaupun kalor ditambahkan terus. Keadaan ini berlangsung sampai semua air menguap menjadi uap air.

DH untuk perubahan wujud ( es à air à uap air) merupakan jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan dalam proses (pada tekanan tetap) transformasi yang sempurna dari satu keadaan ke keadaan lain tanpa disertai perubahan suhu. 

  

Daftar Pustaka

                        Sunarya, Yayan . 2014 . Kimia Dasar 1 . Yrama Widya