Termokimia Serta Penjelasannya Secara Lengkap

Tahukah kamu mengapa es dapat mencair jika ditempatkan di ruang terbuka atau bahkan di tempat yang panas? Apa yang menyebabkan es tersebut mencair? Untuk menjawab pertanyaan tersebut kamu harus memahami termokimia.

Dalam setiap reaksi kimia terjadi perpindahan energi berupa penyerapan ataupun pelepasan energi, yang pada umumnya berupa kalor. Studi yang mempelajari tentang perubahan kalor dalam reaksi kimia adalah termokimia. Peristiwa mencairnya es terjadi karena adanya penyerapan energi berupa panas (kalor) pada es sehingga terjadi kenaikan suhu dan es mencair.

Kali ini akan dibahas mengenai termokimia dimulai dari kalor reaksi, entalpi dan perubahannya, persamaan termokimia, serta contoh soal termokimia. Untuk lebih jelasnya kamu dapat membaca pembahasan berikut ini.

Pendahuluan dan Pengertian

Untuk menganalisis perubahan energi yang terjadi pada reaksi kimia, terdapat tiga istilah yang harus dipahami, yaitu sistem, lingkungan, dan semesta. Sistem merupakan bagian spesifik yang menjadi pusat perhatian atau pusat yang diamati. Lingkungan merupakan bagian di luar selain sistem. Semesta merupakan gabungan dari sistem dan lingkungan. Contohnya dalam percobaan reaksi netralisasi asam-basa, sistemnya bisa berupa gelas kimia berisis 50 mL HCl yang ditambahkan 50 mL NaOH, sedangkan lingkungannya merupakan bagian lain selain sistem tersebut.

Baca juga: Materi Senyawa Karbon

Sistem dibagi menjadi tiga macam, yaitu sistem terbuka, sistem tertutup, dan sistem terisolasi. Pada sistem terbuka dapat mengakibatkan terjadinya pertukaran materi dan energi. Pada sistem tertutup hanya dapat mengakibatkan terjadinya pertukaran energi saja, sedangkan pada sistem terisolasi tidak dapat mengakibatkan terjadinya pertukaran massa maupun energi. Contoh:

Pada gambar contoh sistem terbuka, dapat terjadi pertukaran energi berupa kalor dan juga materi berupa perpindahan uap air dari dalam wadah ataupun hasil kondensasi dari luar. Pada gambar contoh sistem tertutup, hanya dapat terjadi pertukaran energi saja sedangkan materi tidak bisa karena sistem dalam keadaan tertutup. Pada gambar contoh sistem terisolasi tidak dapat terjadi pertukaran baik materi maupun energi karena sistem dalam keadaan terisolasi dimana wadah tersebut dilapisi oleh lapisan vakum.

Kalor Reaksi

Kalor adalah energi panas yang berpindah antara dua objek yang memiliki suhu berbeda. Kalor akan mengalir dari objek yang memiliki suhu tinggi ke objek yang memiliki suhu rendah. Terjadinya reaksi kimia dapat disertai dengan penyerapan ataupun pelepasan kalor. Reaksi kimia yang disertai dengan penyerapan kalor oleh sistem disebut dengan reaksi endoterm, sedangkan reaksi kimia yang disertai dengan pelepasan kalor oleh sistem disebut dengan reaksi eksoterm.

Contoh reaksi endoterm adalah dekomposisi merkuri (II) oksida pada suhu tinggi, dimana kalor dari lingkungan diserap oleh sistem.

Energi + 2HgO _(s) 2Hg _(l)  + O_{2 (g)}

Sedangkan contoh reaksi eksoterm adalah pembakaran gas hidrogen dalam oksigen, dimana dalam reaksi tersebut sistem melepaskan kalor ke lingkungan.

2H_{2 (g)} + O_{2 (g)} 2H₂O _(l) + energi

Entalpi dan Perubahan Entalpi

Ketika suatu reaksi kimia terjadi pada tekanan tetap, kalor yang terlibat baik diserap atau dilepas sama dengan perubahan entalpi. Entalpi (H) merupakan jumlah dari energi dalam (U) dengan hasil kali dari tekanan dan volume.

H = U + PV

Entalpi merupakan suatu fungsi keadaan, dimana nilainya tidak dapat diukur karena hanya dipengaruhi oleh keadaan awal dan akhir. Oleh karena itu, pengukuran yang dilakukan adalah perubahan entalpinya (∆H).

∆H = ∆U + ∆(PV)

Reaksi kimia banyak berlangsung dalam kedaan tekanan tetap.

ReaktanProduk

perubahan entalpinya (∆H) merupakan selisih dari entalpi produk dengan entalpi reaktan dengan persamaan sebagai berikut.

∆H = H _produk – H _reaktan

Nilai perubahan entalpi bisa positif ataupun negatif tergantung pada prosesnya. Untuk reaksi endoterm, perubahan entalpi bernilai positif (∆H > 0) karena sistem telah menerima kalor dari lingkungan, sedangkan untuk reaksi eksoterm perubahan entalpi bernilai negatif (∆H < 0) karena sistem telah melepaskan kalor ke lingkungkan.

Berikut diagram entalpi untuk reaksi endoterm dan eksoterm.

Gambar A merupakan grafik untuk reaksi endoterm, dimana energi potensial produk lebih besar dibandingkan energi potensial reaktan sehingga ∆H > 0. Sedangkan gambar B merupakan grafik untuk reaksi eksoterm, dimana energi potensial produk lebih kecil dibandingkan energi potensial reaktan sehingga ∆H < 0.

Baca juga: Senyawa Hidrokarbon Alkena

Persamaan Termokimia

Persamaan termokimia adalah persamaan reaksi kimia yang disertai dengan nilai perubahan entalpinya (∆H). Sebagai contoh untuk reaksi pembakaran metana yang berlangsung pada tekanan tetap, perubahan kalornya sama dengan perubahan entalpinya (∆H). Reaksi pembakaran gas alam seperti metana akan melepaskan kalor ke lingkungan sehingga reaksinya merupakan eksoterm dan ∆H akan bernilai negatif, maka untuk persamaan termokimianya adalah:

CH_{4 (g)} + 2O_{2 (g)}CO_{2 (g)} + 2H₂O _(l)     ∆H = -890,4 kJ/mol

Beberapa petunjuk yang harus diperhatikan dalam menuliskan dan menginterpretasikan persamaan termokimia.

1. Saat menuliskan persamaan termokimia, penulisan fasa dari produk dan reaktan harus benar, karena jika berbeda maka besarnya perubahan entalpinyapun akan berbeda. Contoh untuk reaksi pembakaran metana, jika H₂O yang dihasilkan fasanya cair nilai ∆Hnya -890,4 kJ/mol sedangkan jika H₂O yang dihasilkan fasanya gas nilai ∆Hnya -802,4 kJ/mol.

CH_{4 (g)} + 2O_{2 (g)}CO_{2 (g)} + 2H₂O _(l)     ∆H = -890,4 kJ/mol

CH_{4 (g)} + 2O_{2 (g)}CO_{2 (g)} + 2H₂O _(g)     ∆H = -802,4 kJ/mol

2. Jika koefisien persamaan reaksinya dikalikan faktor n, maka nilai ∆Hnya juga akan berubah sesuai dengan faktor n. Contoh:

2CH_{4 (g)} + 4O_{2 (g)}2CO_{2 (g)} + 4H₂O _(l)     ∆H = -1780,8 kJ/mol

3. Ketika persamaan reaksi dibalik, maka nilai ∆Hnya akan berubah tanda. Jika dalam suatu reaksi terjadi penyerapan kalor oleh sistem dari lingkungan (endoterm), maka pada reaksi sebaliknya sistem pasti akan melepas kalor ke lingkungan (eksoterm). Misalnya saja, persamaan reaksi pembakaran metana dibalik maka untuk persamaan termokimianya:

CO_{2 (g)} + 2H₂O _(l)CH_{4 (g)} + 2O_{2 (g)}           ∆H = +1780,8 kJ/mol

Jenis Perubahan Entalpi

Perubahan entalpi yang diukur pada keadaan standar (tekanan 1 atam dan suhu 238 K) disebut sebagai perubahan entalpi standar (∆H^o). Berikut ini beberapa jenis perubahan entalpi yang diukur pada keadaan standar.

• Perubahan entalpi pembentukan standar (∆H_f ^o)

Perubahan entalpi pembentukan standar merupakan perubahan entalpi untuk membentuk 1 mol senyawa dari unsur – unsur pembentuknya pada keadaan standar, yaitu suhu 283 K dan tekanan 1 atm.

Contoh:

1. 2C _(s) + 2H_{2 (g)}C₂H_{2  (g)}              ∆H_f ^o = +454 kJ

Untuk membentuk 1 mol senyawa C₂H₂ dari unsur karbon dan hidrogen diperlukan kalor sebesar 454 kJ (reaksi endoterm).

2. H_{2 (g)} + ½ O_{2 (g)} H₂O _(l)              ∆H_f ^o = -285,85 kJ

Untuk membentul 1 mol senyawa H₂O dari unsur hidrogen dan oksigen dilepaskan kalor sebesar 285,85 kJ (reaksi eksoterm).

• Perubahan entalpi penguraian standar (∆H_d ^o)

Perubahan entalpi penguraian standar merupakan perubahan entalpi untuk menguraikan 1 mol senyawa menjadi unsur – unsurnya pada keadaan standar, karena reaksi penguraian merupakan kebalikan dari reaksi pembentukan, maka nilai perubahan entalpinya akan berlainan tanda.

Contoh:

1. C₂H_{2 (g)}2C _(s) + 2H_{2 (g)}              ∆H_d ^o = -454 kJ

Untuk menguraikan 1 mol senyawa C₂H₂ menjadi unsur karbon dan oksigen dilepaskan kalor sebesar 454 kJ.

2. H₂O _(l)H_{2 (g)} + ½ O_{2 (g)}                ∆H_fd^o = +285,85 kJ

Untuk menguraikan 1 mol senyawa H₂O menjadi unsur hidrogen dan oksigen diperlukan kalor sebesar 285,85 kJ.

• Perubahan entalpi pembakaran standar (∆H_c ^o)

Perubahan entalpi pembakaran standar merupakan perubahan entalpi untuk pembakaran sempurna 1 mol senyawa dengan oksigen pada kedaan standar.

Contoh:

1. C₃H_{8  (g)} + 5O_{2 (s)}3CO_{2 (g)} + 4H₂O _(g)        ∆H_c ^o = -1200 kJ

Untuk pembakaran sempurna 1 mol senyawa C₃H₈ dilepaskan kalor sebesar 1200 kJ (reaksi eksoterm).

Cara Menentukan Nilai Perubahan Entalpi

Untuk menentukan nilai dari perubahan entalpi, dapat dilakukan dalam beberapa cara yaitu:

1. Kalorimetri

Kalorimetri adalah pengukuran perubahan kalor pada reaksi yang dipengaruhi oleh kalor jenis dan kapasitas kalor. Kalor jenis (c) dari suatu zat adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram zat sebesar 1℃ dengan satuan J/g.℃. Kapasitas kalor dari suatu zat adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu dari sejumlah zat sebesar 1℃ dengan satuan J/℃.

C = m.c

Dimana:

C = kapasitas kalor

m = adalah massa zat

c = kalor jenis

Jika kalor jenis, massa zat, dan perubahan suhu dari suatu reaksi diketahui, maka jumlah kalor yang dilepas atau diserap dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.

q = m.c.∆T

atau

q = C.∆T

dengan ∆T = T_akhir – T_awal.

2. Menggunakan data perubahan entalpi pembentukan standar

Dengan mengetahui perubahan entalpi pembentukan standar, maka perubahan entalpi reaksi standar dapat dihitung. Untuk persamaan reaksi:

aA + bB  cC + dD

∆H_rxn ^o = [c. ∆H_f ^o (C) + d. ∆H_f ^o (D)] – [a. ∆H_f ^o (A) + b. ∆H_f ^o (B)]

Maka secara umum, persamaan tersebut menjadi:

3. Metode tidak langsung

Jika penentuan perubahan entalpi tidak dapat ditentukan melalui ∆H_f ^o maka dapat digunakan cara lain yang didasarkan pada hukum Hess. Menurut hukum Hess “Setiap reaksi memiliki perubahan entalpi yang sama, tidak bergantung pada jalannya reaksi ataupun jumlah tahapan reaksinya”. Dengan kata lain, untuk reaksi yang berlangsung pada beberapa tahap maka perubahan entalpinya merupakan jumlah dari perubahan entalpi masing – masing.

Contoh:

Penentuan nilai perubahan entalpi dari reaksi: C _(s) + ½ O_{2 (g)} CO _(g)

Jika diketahui nilai perubahan entalpi dari dua tahapan reaksinya:

1. C _(s) + O_{2 (g)} CO_{2 (g)}              ∆H_rxn ^o = -393,5 kJ/mol
2. CO _(g) + ½ O_{2 (g)} CO_{2 (g)}       ∆H_rxn ^o = -283,0 kJ/mol

Penyelesaian:

Untuk mendapatkan produk akhir CO maka reaksi nomor 2 harus dibalik menjadi:

CO_{2 (g)}  CO _(g) + ½ O₂                  ∆H_rxn ^o = +283,0 kJ/mol

Nilai ∆H_rxn ^onya merupakan jumlah dari ∆H_rxn ^o masing – masing tahapan reaksi, maka:

C _(s) + O_{2 (g)}CO_{2 (g)}                ∆H_rxn ^o = -393,5 kJ/mol

CO_{2 (g)}CO _(g) + ½ O₂             ∆H_rxn ^o  = +283,0 kJ/mol

C _(s) + ½ O_{2 (g)}CO              ∆H_rxn ^o = -110,5 kJ/mol

4. Menggunakan data energi ikatan

Nilai perubahan entalpi juga dapat ditentukan menggunakan data energi ikatan melalui persamaan berikut.

Baca juga: Senyawa Hidrokarbon Alkuna

Contoh Soal Termokimia

Berikut beberapa contoh soal termokimia.

1. Hitunglah nilai perubahan entalpi pembentukan standar asetilen dari unsur – unsurnya untuk persamaan reaksi:

2C _(s) + H_{2 (g)}C₂H_{2 (g)}           

Berikut persamaan untuk tahapan reaksinya beserta perubahan entalpinya.

1. C _(s) + O_{2 (g)}CO_{2 (g)}                                   ∆H_rxn ^o = -393,5 kJ/mol
2. H_{2 (g)} + ½ O_{2 (g)}H₂O _(l)                              ∆H_rxn ^o = -285,8 kJ/mol
3. 2C₂H_{2 (g)} + 5O_{2 (g)}4CO_{2 (g)}  + 2H₂O _(l)        ∆H_rxn ^o = -2598,8 kJ/mol

Jawaban:

• Untuk membentuk satu mol C₂H₂ diperlukan 2 mol C, maka persamaan reaksi 1 harus dikali dua.

2C _(s) + 2O_{2 (g)}2CO_{2 (g)}                 ∆H_rxn ^o = -787 kJ/mol

• Untuk menghasilkan produk 1 mol C₂H_2, maka persamaan 3 harus dibalik dan dibagi dua.

2CO_{2 (g)}  + H₂O _(l)C₂H_{2 (g)} + 5/2 O_{2 (g)}    ∆H_rxn ^o = + 1299,4 kJ/mol

• Penentuan perubahan entalpi pembentukan standar asetilen:

2C _(s) + 2O_{2 (g)}  2CO_{2 (g)}                          ∆H_rxn ^o = -787 kJ/mol

H_{2 (g)} + ½ O_{2 (g)}  H₂O _(l)                           ∆H_rxn ^o = -285,8 kJ/mol

2CO_{2 (g)}  + H₂O _(l)   C₂H_{2 (g)} + 5/2O_{2 (g)}     ∆H_rxn ^o = + 1299,4 kJ/mol

2C _(s) + H_{2 (g)} C₂H_{2 (g)}                                     ∆H_rxn ^o = +226,6 kJ/mol

2. Sampel air sebanyak 526 gram dipanaskan dari suhu 8,5℃ menjadi 74,6℃. Hitunglah jumlah kalor yang diserap air (dalam kJ). (c_air = 4,184 J/g.℃).

Jawaban:

q = m.c.∆T

q = 526 g. 4,184 J/g.℃. (74,6℃ – 8,5℃)

q = 145471,8 J = 145,4718 kJ

3. Diketahui energi ikatan:

C – H = 415 kJ/mol                            C – Cl = 338 kJ/mol

Cl – Cl = 243 kJ/mol                          H – Cl = 432 kJ/mol

Hitunglah perubahan entalpi untuk reaksi CH₄ + Cl₂  CH₃Cl + HCl.

Jawaban:

∆H = [4(EI C –H) + 2( EI Cl – Cl)] – [3(EI C – H) + (EI C – Cl) + (EI H – Cl)

∆H = [4(415 kJ/mol) + 2(243 kJ/mol)] – [3(415 kJ/mol) + ( 338kJ/mol) + (432 kJ/mol)

∆H = 2146 kJ/mol – 2015 kJ/mol

∆H = 131 kJ/mol

Baca juga: Senyawa Hidrokarbon Alkana

Pemahaman Akhir

Es dapat mencair jika ditempatkan di ruang terbuka atau tempat yang panas karena terjadi penyerapan energi berupa panas (kalor) pada es. Proses pencairan es ini merupakan reaksi endoterm, di mana es menyerap kalor dari lingkungan sekitarnya, sehingga suhu es meningkat dan menyebabkan es berubah menjadi air.

Pada dasarnya, reaksi kimia yang terjadi saat es mencair melibatkan perubahan entalpi. Entalpi merupakan jumlah energi dalam sistem, dan perubahan entalpi (∆H) adalah selisih antara entalpi produk dan entalpi reaktan dalam suatu reaksi kimia.

Dalam konteks pencairan es, reaksi kimia yang terjadi adalah proses fisika di mana ikatan antarmolekul dalam struktur es rusak, memungkinkan air berubah dari fase padat menjadi fase cair. Selama proses ini, es menyerap kalor dari lingkungannya untuk mempertahankan energi molekul dan memungkinkan ikatan antarmolekul pecah.

Reaksi pencairan es dapat direpresentasikan dengan persamaan termokimia berikut ini:
H2O(s) → H2O(l) ∆H > 0

Dalam persamaan tersebut, H2O(s) adalah es, H2O(l) adalah air cair, dan ∆H menunjukkan perubahan entalpi yang bernilai positif karena proses pencairan es adalah reaksi endoterm.

Dengan demikian, ketika es ditempatkan di ruang terbuka atau tempat yang panas, lingkungan memberikan kalor ke es, dan es menyerap energi tersebut. Penyerapan kalor mengakibatkan peningkatan suhu es, sehingga ikatan antarmolekul dalam struktur es menjadi lebih lemah, dan akhirnya es mencair menjadi air.

Demikian pembahasan mengenai termokimia, semoga materi dan contoh soal termokimia yang diberikan dapat bermanfaat dan menambah pengetahuanmu ya.

Referensi:

Chang, Raymond. (2010). Chemistry 10^th Edition. New York: McGraw-Hill.

Whitten. (2013). Chemistry 12^th Edition. Brooks Cole.