Termokimia

Semua reaksi kimia melibatkan energi. Studi kalor reaksi disebut termokimia. Termokimia merupakan salah satu bagian pembahasan termodinamika. Biasanya, energi didefinisikan sebagai kapasitas melakukan kerja. Energi juga dapat didefinisikan sebagai suatu yang dimiliki materi sehingga dapat melakukan sesuatu. Misalnya, mobil dapat bergerak. Demikian juga dengan bensin yang menyebabkan mesin-mesin melakukan kerja.

Jika campuran reaksi tidak tersekat, kalor dari lingkungan masuk ke dalam sistem. Reaksi seperti itu disebut reaksi endoterm. Jadi, pada reaksi endoterm suhu campuran reaksi turun dan energi potensial bahan bertambah.

Suatu objek memiliki dua macam energi, yaitu energi potensial dan energi kinetik. Jumlah total kedua jenis energi itu adalah konstan. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh objek yang sedang bergerak. Besar energi kinetik ditentukan dengan persamaan
Ek = ½ mv²
M = massa objek dan v = kecepatan (laju)
Jadi, besar energi kinetik bergantung pada massa dan laju yang sebenarnya dapat diketahui berdasarkan hasil pengukuran.
Adapun energi potensial adalah energi yang tersimpan. Energi inilah yang dimiliki suatu objek karena ditarik atau ditolak oleh objek lain. Dengan kata lain, jika tidak merasakan gaya tarik atau tolak, suatu objek tidak memiliki energi potensial. Jika objek yang tolak menolak didorong agar berdekatan, energi potensialnya akan bertambah. Sebaliknya, jika dijauhkan, energi potensialnya akan berkurang. Hubungan energi potensial dengan jarak antarobjek yang tolak-menolak atau tarik-menarik sangat penting untuk dipahami. Hal itu karena semua sifat kimia dan fisik zat dihubungkan dengan energi potensial. Sifat-sifat itu dapat dipahami dan dijelaskan dengan cara memeriksa cara atom dan partikel subatom saling tarik atau saling tolak.

A. Entalpi (H) Suatu Zat

Entalpi (H= heat content) merupakan besaran yang menyatakan jumlah energi. Oleh karena itu, tiap zat memiliki entalpi tertentu. Entalpi termasuk sifat ekstensif zat. Maksudnya, besar entalpi bergantung pada jumlah zat. Misalnya, dua mol air memiliki entalpi dua kali satu mal air. Untuk mengetahui lebih jauh mengenai entalpi suatu zat, terlebih dahulu Anda harus memahami hukum kekekalan energi, membedakan lingkungan dan sistem, serta reaksi eksoterm dan reaksi endoterm.

1. Hukum Kekekalan Energi

Perhatikan gambar di samping. Spiritus yang dibakar dapat digunakan untuk memanaskan air hingga mendidih. Mengapa hal itu dapat terjadi? Jika diperhatikan, spiritus merupakan zat yang mudah menguap, terasa dingin jika mengenai tangan, dan sama sekali tidak terasa panas. Mengapa setelah dibakar dapat berubah menjadi panas? Hal itu dapat terjadi karena ada bagian spiritus yang berubah menjadi panas. Menurut hukum kekekalan energi, energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Artinya, besar energi itu berbanding lurus dengan massa spiritus yang dibakar. Makin banyak spiritus yang dibakar, panas yang dihasilkan makin besar. Hal itu sesuai dengan hukum kekekalan energi, yaitu energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah bentuknya dari satu jenis ke jenis lain.

Hukum kekekalan energi merupakan hukum pertama termodinamika. Secara matematis, hukum pertama termodinamika ditulis
∆U=Q+W
∆U = perubahan energi dalam, Q = perubahan kalor, dan W = kerja yang dilakukan
Permasalahan; Bagaimanakah cara benda mendapat energi? Bagaimanakah bunyi hukum kekekalan energi?

2. Pengertian Sistem dan Lingkungan

Sistem merupakan bagian dari alam semesta yang sedang kita bicarakan. Misalnya, sistem itu merupakan reaksi yang terjadi di dalam gelas kimia. Di luar sistem disebut lingkungan (surroundings). Dalam mengidentifikasi sistem, Anda harus cermat. Misalnya, Anda harus mengetahui suhu, tekanan, jumlah mol tiap komponen, dan wujud sistem (padat, cair, atau gas). Jika telah ditetapkan, semua sifat sistem dan keadaan sistem akan disesuaikan dengan keadaan yang ditetapkan itu.

Jika terjadi perubahan sistem, dikatakan bahwa sistem itu telah berubah dari satu keadaan ke keadaan lain. Jika disekat terhadap sekitar sehingga kalor tidak mengalir antara sistem dan lingkungan, perubahan yang terjadi di dalam sistem disebut adiabatik. Selama perubahan adiabatik, suhu sistem akan bertambah jika sistem melepaskan panas dan akan berkurang jika sistem menyerap panas. Reaksi yang melepaskan panas disebut reaksi eksoterm. Reaksi yang menyerap panas disebut reaksi endoterm.

Gambar yang menyatakan bagian dalam gelas merupakan sistem dan bagian luarnya merupakan lingkungan.

Jika sistem tidak terisolasi dari sekitar, kalor dapat mengalir di antara sistem dan sekitar sehingga dimungkinkan suhu sistem konstan ketika reaksi terjadi. Perubahan yang terjadi pada suhu konstan disebut perubahan isoterm.

3. Reaksi Eksoterm dan Endoterm

Hampir tiap hari kita memanfaatkan perubahan energi. Misalnya, pembakaran bahan bakar mobil menghasilkan tenaga yang menggerakkannya. Anda membakar kayu bakar untuk memasak. Melalui sederetan reaksi dalam tubuh, makanan yang Anda makan berubah menjadi energi yang Anda perlukan.

Hampir tiap reaksi kimia selalu melibatkan energi, baik melepas maupun menyerap energi. Misalnya, Anda melakukan perubahan kimia dalam suatu wadah tersekat sehing kalor tidak dapat keluar masuk dari sistem. Energi potensial produk lebih rendah daripada energi potensial reaktan sehingga ketika terjadi reaksi, terjadi penurunan energi potensial. Energi tidak dapat hilang begitu saja, karena energi total (energi kinetik ditambah energ potensial) harus selalu konstan. Oleh karena itu, jika energi potensial turun, energi kinetik naik. Dengan kata lain, energi potensial diubah menjadi energi kinetik. Penambahan energi kinetik itu dapat diamati sebagai kenaikan suhu campuran reaksi. Campuran reaksi menjadi panas. Hal itu sesuai dengan hukum kekekalan energi.

Sebagian besar reaksi kimia tidak tersekat dengan lingkungannya. Jika menghasilkan panas, campuran reaksi membebaskan energi. Setiap perubahan yang membebaskan energi ke lingkungannya disebut reaksi eksoterm. Jadi, jika terjadi reaksi eksoterm, suhu campuran reaksi akan naik dan energi potensial bahan kimia yang terlibat berkurang.

Kadang-kadang perubahan kimia terjadi dengan menaikkan energi potensial zat-zat yang terlibat. Jika hal itu terjadi, berarti terjadi penurunan energi kinetik atau penurunan suhu.

Contoh
Jika uap bensin yang dicampur dengan udara dibakar, terjadi reaksi yang cepat sesuai dengan persamaan berikut.
2C₈H₁₈ +25 O₂ → 16 CO₂ +18 H₂O

Reaksi itu menjadi sangat panas sehingga mampu menggerakkan mobil. Reaksi itu termasuk jenis reaksi eksoterm ataukah endoterm? Manakah yang memiliki energi potensial lebih besar, C₈H₁₈ + O₂  atau CO₂ + H₂O ?

Jawaban: Karena campuran reaksi menghasilkan panas, reaksi itu merupakan reaksi eksoterm. Dalam suatu reaksi eksoterm, energi potensial berkurang. Dengan demikian, energi potensial produk lebih kecil daripada reaktan.Jadi, C₈H₁₈ + O₂  memiliki energi yang lebih besar.

B. Perubahan Entalpi (∆H)

Perubahan kalor dalam suatu reaksi kimia disebut perubahan entalpi (∆H). Perubahan entalpi merujuk pada perubahan kalor selama suatu proses terjadi pada tekanan konstan. Suatu persamaan reaksi yang melibatkan perubahan entalpi disebut persamaan termokimia, Karena keadaan fisik penting pada pengukuran perubahan energi, persamaan termokimia perlu menyertakan kondisi zat yang direaksikan. Kondisi zat ditulis dengan huruf s, l, aq dan g dalam tanda kurung yang masing-masing menyatakan zat padat, cair, larutan, dan gas.

Contoh:
C(s) + O₂(g) → CO₂(g)           ∆H = -394 kJ
C(s) + 2H₂(g) → CH₄(g)         ∆H = -74,9 kJ
2H₂(g) + O₂(g) →2H₂O(l)      ∆H = -572 kJ

Jika perubahan entalpi diukur pada keadaan standar, suhu 25°C dan tekanan 1 atm, disebut perubahan entalpi standar (∆H). Perubahan entalpi standar meliputi perubahan entalpi berikut.

1. Perubahan Entalpi Pembentukan Standar (∆Hf^o)

Perubahan entalpi pembentukan standar adalah perubahan entalpi per mol ketika suatu senyawa dibentuk dari unsur-unsurnya pada keadaan standar.

Contoh
Perubahan entalpi pembentukan standar natrium klorida (garam dapur) adalah -413 kJ mol^-1.
Persamaan termokimianya adalah Na(s) + Cl(g) → NaCl(s)         ∆Hf^o = - 413 kJ
Perubahan entalpi pembentukan standar memakai lambang ∆H. Huruf f menyatakan formation (pembentukan).

2. Perubahan Entalpi Penguraian Standar (∆Hd^o)

Perubahan entalpi penguraian standar adalah perubahan entalpi per mol ketika suatu senyawa diuraikan menjadi unsur-unsurnya pada keadaan standar. Simbol d pada perubahan entalpi pembakaran standar menyatakan decompotition yang berarti penguraian.
Besarnya perubahan entalpi penguraian sama dengan perubahan entalpi pembentukan, hanya tandanya yang berlawanan.

Contoh
Perubahan entalpi amonia adalah -46,11 kJ/mol maka entalpi penguraiannya adalah +46,11 kJ mol^-1.
½  N₂(g) + ½  H₂(g) →NH₃(g)            ∆Hf^o = - 46,11 kJ
NH₃(g) → ½  N₂(g) + ½  H₂(g)            ∆Hd^o = + 46,11 kJ
Perubahan entalpi penguraian merupakan kebalikan dari perubahan entalpi pembentukan.

3. Perubahan Entalpi Pembakaran Standar (∆Hc^o)

Perubahan entalpi pembakaran standar adalah perubahan entalpi per mol ketika suatu senyawa terbakar sempurna dengan oksigen pada keadaan standar.
Contoh
CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(g)           ∆Hc^o = - 802kJ
Simbol c pada perubahan entalpi pembakaran standar menyatakan combustion yang berarti pembakaran.

4. Perubahan Entalpi Penetralan Standar (∆H^openetralan)

Perubahan entalpi penetralan standar adalah perubahan entalpi per mol ketika suatu asam dan basa bereaksi membentuk air pada kondisi standar.

Contoh
H⁺(aq) + OH^-(aq) →H₂O(l)     ∆H^openetralan = - 57,3 kJ