Bab 3 : Padat, cair, dan Gas

                                          Padat, Cair, dan Gas

Daftar Isi

1 Teori kinetika materi

2 Gas

2.1 Gas Ideal dan Gas Nyata

2.2 Persamaan gas umum

2.3 Tekanan Partial

2.4 Volume molar gas

2.5 Distribusi energy gas

2.6 Mencari Mr dari gas

3 Cairan

3.1 Tekanan Uap

4 Padatan

4.1 Struktur zat padat

4.2 Struktur kisi

4.3 Struktur ionic

4.4 Giant molecular

4.5 Struktur logam

4.6 Struktur Senyawa Molekular

4.7 Penggunaan logam

4.8 Recycle

1. Teori kinetika materi

• Teori kinetika menjelaskan tentang partikel gas, cair dan padat dan pergerakan dari partikel partikel tersebut

• Inti dari teori kinetika dirangkum sebagai berikut

1. Semua materi disusun oleh partikel

2. Padatan

1. Terdapat gaya tarik yang sangat kuat diantara partikelnya

2. Partikel zat padat tersusun berdekatan satu sama lain

3. Zat padat memiliki masa jenis yang besar dan tidak dapat dikompresi dengan mudah.

4. Partikel tersusun dengan sangat teratur

5. Partikel dapat bervibrasi dan rotasi pada ‘fixed position’ akan tetapi partikel tidak dapat berpindah posisi

6. Partikel padat memiliki energy kinetic lebih kecil dibanding partikel cair atau gas

7. Padatan harus menerima energy untuk meleleh. Energy ini dibutuhkan untuk melawan gaya tarik antar partikelnya 

3. Cair

1. Terdapat gaya tarik menarik cukup kuat antara partikel cairan

2. Partikel tersusun berdekatan satu sama lain

3. Memiliki massa jenis tinggi dan tidak dapat dikompresi dengan mudah.

4. Partikel tersusun dengan kurang teratur.

5. Partikel dapat bervibrasi, rotasi dan berpindah sepanjang permukaan zat cairan.

6. bentuk cairan mengikuti bentuk wadahnya

7. partikel zat cair memiliki energy kinetik lebih besar dibanding partikel zat padat tapi lebih rendah dibanding zat gas 

8. partikel zat cair membutuhkan energy untuk mendidih. Energy ini dibutuhkan untuk memutus ikatan antar partikel zat cair.

4. Gas 

1. Tidak ada gaya tarik antar partikel gas

2. Partikel gas terpisah satu sama lain dengan jarak yang sangat jauh

3. Partikel gas memiliki massa jenis yang rendah dan dapat dikompresi

4. Partikel gas dapat bergerak pada segala arah (random)

5. Partikel gas bervibrasi, berotasi dan berpindah ke segala arah

6. Tekanan gas dihasilkan Karena adanya tumbukan partikel gas ke dinding wadah

7. Gas tidak memiliki bentuk (bentuk dan volume partikel gas mengikuti wadahnya)

8. Gas memiliki energy kinetic yang lebih tinggi dibanding padatan atau cairan

9. Ketika gas diubah menjadi cairan maka energy dilepaskan.

2. Gas

1. Gas Ideal dan Gas Nyata

• Gas ideal memiliki sifat sebagai berikut

• Molekul gas tidak memiliki volume (volume partikel gas diabaikan terhadap volume wadah)

• Tidak ada gaya tarik atau tolak antara partikel gas

• Ketika antar molekul gas mengalami tumbukan, tumbukan yang terjadi adalah tumbukan elastic sempurna. Sehingga tidak ada energy kinetic yang hilang selama tumbukan

• Gas mematuhi persamaan gas ideal

• Gas nyata memiliki sifat sebagai berikut

• Molekul gas memiliki volume, dalam hal ini gas hanya dapat berpindah pada ruang kosong di wadah tapi tidak dapat berpindah ke ruang yang ditempati gas lain

• Terdapat gaya tarik menarik antara partikel gas walaupun biasanya gaya ini kecil nilainya. Disini ada kecenderungan partikel gas untuk bergabung (yang dapat menurunkan tekanan gas dalam wadah secara signifikan)

• Gas nyata akan menjadi seperti gas ideal pada kondisi berikut

• Pada tekanan rendah. Pada saat ini jarak antara partikel gas jauh dan terdapat partikel gas dalam jumlah sedikit sehingga volume partikel gas mendekati nol dan gaya tariknya juga kecil dan dapat diabaikan

• Pada temperature yang tinggi diatas titik didihnya. Pada saat ini energy kinetic antara partikel gas sangat besar sehingga gaya tarik antar partikel gas juga kecil dan dapat diabaikan

• Gas nyata akan menjadi tidak seperti gas ideal pada kondisi berikut

• Pada tekanan rendah

• Pada temperatu rendah

• Pada suhu dekat titik didihnya

2. Persamaan gas umum

• Persamaan gas umum menunjukan hubungan antara tekanan (P), volume (V), jumlah mol (n), dan suhu dari suatu gas

P. V = n.R.T

P = tekanan gas (dinyatakan dalam Pa)

V = volume gas (dinyatakan dalam M3)

n = mol 

R = konstanta gas ( 8.314 J/K.mol)

T = suhu (dinyatakan dalam Kelvin (K))

• Gas ideal mematuhi persamaan gas umum ini. Hal ini menunjukan bahwa hasil pengukuran gas nyata juga akan mendekati hasil dari perhitungan menggunakan persamaan gas umum ini

3. Tekanan Partial

• Apabila dalam satu wadah terdapat campuran gas. Maka tekanan yang dihasilkan oleh satu jenis zat saja disebut tekanan partial. Secara umum rumus tekanan partial gas adalah

PA.Vwadah = nA.R.T

PA = tekanan partial gas A

Vwadah = volume wadah

nA = mol gas A

•  Tekanan total campuran gas adalah penjumlahan dari masing-masing gas. Sebagai contoh untuk campuran gas nitrogen dan hydrogen maka

Ptotal = Pnitrogen + Phidrogen

• Tekanan partial dari suatu campuran (misal campuran A dan B) dapat dihitung dari tekanan totalnya dengan persamaan berikut

PT = PA + PB = na+nb.R.TV

PA = XA . PT

PB = XB. PT

4. Volume molar gas

• Satu mole dari gas menempati volume tetap disebut dengan volume molar Vm. Volume molar adalah 22.4 dm3(22400 cm3) pada s.t.p dan 24 dm3 pada r.t.p

• Hubungan antara mol, volume molar dan volume gas adalah

n=VVm

5. Distribusi energy gas

• Energi dari molekul adalah sebanding dengan kecepatan molekul gas

• Dalam suatu sampel gas, molekul memiliki rentang energi atau kecepatan. Jika kita menghitung jumlah molekul dengan energi akan menghasilkan grafik berikut (Boltzmann distribution of molecular speeds)

6. Mencari Mr dari gas

• Hubungan antara Mr dengan persamaan gas ideal adalah

P.V=m.R.TMr

m  = massa gas

Mr = Massa molekul relative gas 

• Cairan volatile adalah cairan yang memiliki titik didih rendah. Cairan tersebut mudah menguap ketika dipanaskan.

3. Cairan

1. Tekanan Uap

• Suatu cairan akan menghasilkan tekanan uap. Hal ini dikarenakan adanya molekul dipermukaan cairan yang menguap menghasilkan gas. Molekul gas yang dihasilkan akan menumbuk dinding wadah sehingga menghasilkan tekanan

• Tekanan uap akan makin naik dengan naiknya suhu. Hal ini disebabkan cairan memiliki energy yang lebih besar dengan naiknya suhu, sehingga lebih banyak molekul cairan yang dapat menguap

• Keadaan Ketika tekanan uap nilainya sama dengan tekanan atmosfer disebut titik didih. Pada saat titik didih semua cairan akan berubah semua menjadi uapnya

4. Padatan

1. Struktur zat padat

• Kebanyakan partikel padat adalah kristalin. Padatan kristaline mengandung partikel kisi/lattice yang tersusun secara teratur. Partikel lattice ini dapat berupa atom, ion atau molekul

• Dalam padatan, partikel kisi tersusun saling berdekatan. Sehingga padatan cenderung memiliki massa jenis besar dan tidak dapat dikompresi dengan mudah

• Pada padatan, partikel kisi memiliki posisi yang tetap, partikel dapat bervibrasi dan berotasi pada posisi tersebut tetapi tidak dapat berpindah dari posisi itu

• Pada proses meleleh, panas diserap untuk melemahkan ikatan antara partikel kisi. Dalam hal ini partikel kisi menerima cukup energy kinetic untuk dapat berpindah dari posisinya.

• Pada proses mendidih, panas diserah untuk memutus semua gaya antar molekul dari cairan sehingga menghasilkan partikel yang dapat bergerak pada jarak yang cukup jauh. Dalam hal ini tidak ada gaya tarik antara partikel kisi. 

• Titik didih merupakan standar yang baik untuk menentukan besarnya gaya ikatan antara partikel kisi. Karena semua energi ikatan harus diputus ketika molekul didihkan. Makin tinggi energi kisi maka titik didih akan makin besar sebaliknya makin rendah energi kisi maka makin rendah titik didihnya

• Atom dalam Kristal memiliki bilangan koordinasi. Bilangan koordinasi atom adalah jumlah tetangga dari atom tersebut. Secara umum, makin besar bilangan koordinasi maka makin besar massa jenis padatan

2. Struktur kisi

• Struktur kisi dari padatan dapat diklasifikasikan sesuai partikel kisi dan energi kisi

• Jenis utama dari struktur kisi adalah struktur molecular, ionic, metallic dan giant molecular
  

Tipe kisi	Partikel kisi	Energi kisi	Sifat fisik	Hantaran listrik	contoh
Molekular	Molekul kecil	Van der waal atau dipole-dipol atau ikatan hydrogen	Energi lattice lemah, titik didih rendah (biasanya dibawah 200⁰C)	isolator	CH4, H2O, CO2
Ionic	Ion positif dan negative	Ikatan ionic	Energi kisi kuat, titik leleh dan titik didih kuat (biasanya diatas 900⁰C)	Isolator ketika padatan, konduktor ketika lelehan	NaCl, MgO, Al2O3
Metallic	Atom	Ikatan logam		Konduktor ketika padatan dan lelehan	Al, Fe, Cu
Giant molekular	Atom	Ikatan kovalen		Isolator kecuali grafit	SiO2, diamond, grafit

3. Struktur ionic

• NaCl adalah contoh senyawa dengan struktur ionic

• Dalam Kristal NaCl, masing-masing ion Na+ berikatan dengan 6 ion Cl- dan masing-masing ion Cl- berikatan dengan 6 ion Na+.

• Partikel kisi adalah Na+ dan Cl- yang terikat oleh ikatan ionic. Ikatan ionic terjadi pada segala arah diseluruh Kristal

• Titik leleh memiliki titik leleh 808⁰C.  Hal ini menunjukan besarnya energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan ionic

• Lelehan NaCl menghantarkan listrik. Dalam hal ini arus listrik dialirkan oleh lelehan ion yang mudah bergerak. Padatan NaCl tidak menghantarkan listrik karena tidak ada ion yang dapat menghantarkan listrik.

• NaCl larut dalam air. Molekul air adalah molekul polar dan dapat berikatan ionic dengan ion natrium dan ion clorida. NaCl dapat larut karena kekuatan ikatan antara ion dengan air lebih kuat daripada ikatan antara ion dengan ion dalam struktur kisinya

• MgO memiliki struktur yang mirip dengan NaCl. Masing-masing ion Mg2+ dikelilingi oleh 6 ion O2- dan masing-masing ion O2-  dikelilingi oleh 6 ion Mg2+

• Refractory adalah padatan yang tahan terhadap suhu tinggi tanpa mengalami peleburan atau pendidihan. Beberapa senyawa ionic digunakan sebagai refractory karena memiliki titik leleh yang tinggi. Misalnya

• MgO yang memiliki titik leleh 2800C digunakan sebagai lapisan furnace

• Al2O3 yang memiliki titik leleh 2300C digunakan sebagai bahan beberapa bagian kendaraan bermotor

4. Giant molecular

• Partikel pada Giant molecular atom adalah atom, semua atom di Kristal terikat bersama sama dengan ikatan kovalen raksasa

• Intan

• Struktur intan diperlihatkan oleh gambar berikut

• Partikel kisi dari intan adalah atom karbon. Setiap atom karbon bergabung dengan menggunakan ikatan kovalen yang sangat kuat, dalam hal ini tiap atom karbon membentuk 4 ikatan dengan atom di dekatnya

• Intan memiliki titik leleh yang sangat tinggi (sekitar 4000⁰C). hal ini dikarenakan besarnya energi yang dibutuhkan untuk memutus ikatan kovalen antar atom carbon

• Intan adalah materi yang sangat kuat karena struktur intar sangat kuat dan rigid. Kekerasan intan dikarenakan kuatnya ikatan carbon-carbon dan strukturnya tertrahedral.

• Intan tidak menghantarkan listrik karena tidak memiliki electron yang terdelokalisasi

• Intan tidak larut dalam air karena molekul air tidak mampu memutus ikatan antar carbon-carbon dalam intan

• Silicon (IV) oksida

• SiO2 memiliki struktur sebagai berikut

• Partikel kisi dari SiO2 adalah satu atom Si dan dua atom O. masing-masing atom Si berikatan dengan 4 atom O dam masing-masing atom O berikatan dengan 2 atom Si dengan ikatan yang sanagt kuat

• SiO2 memiliki titik leleh yang tinggi karena butuh banyak energi untuk memutus ikatan kovalen yang sangat kuat ini

• SiO2 tidak menghantarkan electron Karena tidak adanya electron yang mengalami delokalisasi

• Grafite 

• Grafite memiliki struktur sebagai berikut

• Jika diperhatikan pada gambar diatas, setiap atom karbon hanya memiliki 3 ikatan kovalen, padahal atom karbon memiliki 4 elektron valensi. Sehingga ada satu elektron valensi dari masing-masing atom karbon yang dapat mengalami delokalisasi elektron

Struktur dari satu layer grafit dapat digambarkan sebagai berikut :

• Grafit memiliki sifat sebagai berikut

1. Partikel kisinya adalah atom carbon, grafit dibentuk oleh lapisan datar dari atom

2. Antara satu lapis dengan lapisan lainnya terdapat ikatan van der waals

3. Panjang ikatan antar atom carbon di grafit lebih pendek dibanding pada intan. Hal ini menunjukan bahwa ikatan C-C pada grafit lebih kuat dibandingkan ikatan C-C pada intan

4. Panjang ikatan C-C antar lapisan lebih panjang dibanding C-C dalam satu lapisan. Hal ini menunjukan bahwa ikatan antar layer grafit bersifat lemah sehingga mudah diputus.

5. Grafit menghantarkan listrik Karena adanya delokalisasi electron disepanjang permukaan grafit.

6. Grafit memiliki titik leleh yang sangat tinggi (4000⁰C), karena untuk mendidih butuh energi yang besar untuk memutus ikatan kovalen pada grafit.

7. Grafit bersifat licin sehingga banyak digunakan sebagai pelumas dan material untuk pensil. Sifat licin dari grafit terjadi karena lemahnya gaya vdw antar layer karbon pada grafit. 

• Banyak keramik memiliki struktur giant. Ikatan kovalen yang terdapat pada keramik adalah kuat. Hal inilah yang menyebabkan keramik memiliki titik leleh yang tinggi yang tidak bereaksi dengan semua pelarut, daya hantar listrik yang baik dan insulator panas. Keramik banyak digunakan

5. Struktur logam

• Partikel kisi dari padatan logam adalah atom logam itu sendiri. Beberapa electron dari atom logam mengalami delokalisasi sepanjang struktur logam. Energi kisi yang terbentuk adalah gaya ionic yaitu Gaya tarik antara electron yang mengalami delokalisasi dan atom/ion logam

• Dalam kebanyakan logam, atom logam tersusun berdekatan dalam struktur terjejal rapat. 

• Sebagai contoh Pada padatan tembaga. Atom Cu tersusun dengan cara tiap atom Cu berdekatan dengan 12 atom Cu lainnya

Dalam hal ini, logam Cu memiliki sifat sebagai berikut :

• Logam Cu menghantarkan listrik karena adanya delokalisasi electron

• Tembaga memiliki titik leleh yang sangat tinggi karena ikatan metalik sangatlah kuat

• Logam dapat ditempa karena permukaan atom logam dapat mengalami pergeseran tanpa memutus ikatan logamnya. Hal ini tidak dapat terjadi untuk ikatan ionic ataupun molekul kovalen raksasa. 

• Hal ini lah yang menyebabkan logam murni bersifat lunak. Kekerasan logam dapat ditambahkan dengan memberikan alloi/logam pengotor. Hal ini dikarenakan logam tambahan memiliki ukuran yang berbeda dibanding logam, sehingga logam yang sudah tak murni ini akan sukar mengalami pergeseran

6. Struktur Senyawa Molekular

• Partikel kisi dalam molekul padat adalah molekul kecil. Energi kisi yang terjadi adalah ikatan yang lemah. Ikatan tersebut dapat berupa

1. Gaya van der waals

2. Gaya tarik dipole-dipol

3. Ikatan hidrogen

• Ketika molekul padat meleleh atau mendidih, hanya energi kisi yang putus. Karena lemahnya energi kisi maka hanya sedikit panas yang dibutuhkan untuk melelehkan atau mendidihkan senyawa tersebut.

• Sebagai contoh adalah struktur dari padatan I2, dimana energi kisi yang ada adalah hanyalah gaya van der waal’s.

• Pelelehan dan pendidihan molekul I2 dapat ditampilkan sebagai berikut. Dalam hal ini ikatan kovalen antar I-I tidak mengalami perubahan

• Iodine hampir tidak larut dalam air. Molekul iodine hanya dapat membentuk ikatan van der waal dengan molekul air. Hal ini tidak dapat memutus ikatan hydrogen antara molekul air sehingga iodine dan air tidak dapat bercampur

• Kebanyakan molekul padat tidak larut dalam air, akan tetapi ada beberapa molekul yang dapat larut dalam air dengan cara :

1. Membentuk ikatan hydrogen dengan air (misalnya etanol)

2. Bereaksi secara kimia dengan air (missal HCl bereaksi dengan air membentuk H3O+ dan Cl-)

• Iodine tidak mengalami delokalisasi electron sehingga tidak menghantarkan listrik

• Molekul es dengan partikel kisi berupa 1 atom O dan 2 atom H. ikatan hydrogen dan ikatan kovalen terbentuk antar partikel air

• Karena bentuk geometri air yang tetrahedral, maka antara satu molekul air dengan molekul air lainnya tidak dapat berdekatan sehingga es memiliki banyak ruang kosong diantara partikelnya

• Ketika es dilelehkan maka struktur tertrahedral tersebut putus dan membuat molekul dapat bergerak dengan bebas sehingga molekul menjadi dekat dan ruang kosong menjadi berkurang, hal ini menyebabkan massa jenis air lebih tinggi dibandingkan es. Hal ini berbeda dengan materi lainnya dimana secara umum padatan memiliki massa jenis lebih besar dibandingkan cairanya

• Titik leleh dan titik didih air adalah kecil karena gaya yang bekerja adalah ikatan hydrogen. Akan tetapi nilai ini sudah cukup besar dibandingkan senyawa kovalen lainnya.

7. Penggunaan logam

• Alumunium adalah salah satu material yang penting. Alumunium digunakan untuk membuat peralatan masak, pesawat terbang karena memiliki massa jenis yang rendah. Alumunium sering digunakan sebagai alloy karena tahan korosi. 

• Alumunium digunakan karena tahan korosi dan besi digunakan karena kekuatanya  dan harganya yang relative murah 

• Alumunium adalah konduktor listrik yang baik sehingga alumunium banyak digunakan dalam kabel listrik

• Tembaga digunakan sebagai kabel listrik karena dapat menghantarkan listrik dengan baik. Kelemahan dari tembaga adalah karena massa jenisnya besar

• Alloi dari tembaga kuningan (zinc + copper) dan perunggu (timah dan tembaga) memiliki sifat yang tahan karat

	Alumunium	Besi
Harga	Mahal dibanding besi	Murah dibandingkan alumunium
Massa jenis	Rendah	Tinggi
Ketahanan korosi	Baik (dapat membentuk lapisan Al2O3 yang melindungi dr korosi)	Lemah ( korosi lebih mudah terjadi selain dalam bentuk stainless steel

8. Recycle

• Jumlah logam di kulit bumi terbatas. Jika logam terus terusan digunakan maka akan habis. Selain itu butuh biaya mahal untuk mengekstrak logam tersebut dari bijihnya.

• Recycle adalah hal penting untuk menjaga jumlah bahan alam yang terbatas seperti logam dan petroleum.

Sumber : A Level Chemistry-JGR Brigs