Contoh Soal Pembahasan Entalpi dan Perubahan Entalpi
Entalpi adalah konsep penting dalam termodinamika kimia yang sering dijumpai di berbagai topik dalam ilmu kimia, mulai dari reaksi kimia hingga perubahan fasa. Dalam artikel ini, kita akan meninjau beberapa contoh soal dan pembahasan mengenai entalpi dan perubahan entalpi untuk membantu kita memahami konsep tersebut dengan lebih mendalam.
Pengertian Entalpi
Entalpi (H) adalah jumlah total energi dalam suatu sistem termodinamika. Entalpi mencakup tidak hanya energi internal yang tersimpan dalam partikel tetapi juga energi yang diperlukan untuk membuat ruang bagi partikel di dalam suatu lingkungan yang memiliki tekanan tertentu. Entalpi diukur dalam joule (J) dalam Sistem Internasional (SI).
Secara matematis, entalpi didefinisikan sebagai:
\[ H = U + PV \]
di mana:
– \( H \) adalah entalpi
– \( U \) adalah energi internal
– \( P \) adalah tekanan
– \( V \) adalah volume
Perubahan Entalpi
Perubahan entalpi (\( \Delta H \)) terjadi ketika suatu reaksi kimia atau proses fisik berlangsung. Perubahan entalpi ini dapat diartikan sebagai jumlah panas yang dilepaskan atau diserap oleh sistem pada tekanan konstan. Secara matematis:
\[ \Delta H = H_{\text{produk}} – H_{\text{reaktan}} \]
Reaksi eksotermik adalah reaksi yang melepaskan panas ke lingkungan, dan dalam reaksi ini, \( \Delta H \) bernilai negatif. Sedangkan, reaksi endotermik adalah reaksi yang menyerap panas dari lingkungan, dan dalam reaksi ini, \( \Delta H \) bernilai positif.
Contoh Soal dan Pembahasan
Contoh Soal 1: Perubahan Entalpi Pembakaran
Soal:
Diketahui bahwa pembakaran sempurna dari 1 mol metana (\(CH_4\)) menghasilkan karbon dioksida (\(CO_2\)) dan air (\(H_2O\)). Data entalpi pembentukannya adalah sebagai berikut:
– \( \Delta H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Hitunglah perubahan entalpi (\( \Delta H \)) dari reaksi pembakaran tersebut.
Pembahasan:
Reaksi pembakaran metana adalah:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Perubahan entalpi reaksi (\( \Delta H \)) dapat dihitung dengan menggunakan entalpi pembentukan:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \text{produk} – \Sigma \Delta H_f \text{reaktan} \]
Produk:
\[ \Delta H_f (CO_2 (g)) = -393.5 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (H_2O (l)) = -285.8 \text{kJ/mol} \]
Jumlah total entalpi produk:
\[ (-393.5 \text{kJ/mol}) + 2\times(-285.8 \text{kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \text{kJ/mol} \]
Reaktan:
\[ \Delta H_f (CH_4 (g)) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(Oksigen di keadaan standar memiliki entalpi pembentukan nol.)
Jumlah total entalpi reaktan:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2\times(0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Jadi, perubahan entalpi (\( \Delta H \)) adalah:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ \Delta H = -890.3 \text{kJ/mol} \]
Jadi, perubahan entalpi untuk pembakaran 1 mol metana adalah \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Contoh Soal 2: Perubahan Entalpi Proses Fisika
Soal:
Hitunglah perubahan entalpi saat 50 gram es (\(H_2O_{(s)}\)) pada 0°C dilelehkan menjadi air (\(H_2O_{(l)}\)) pada 0°C. Diketahui kalor leleh es (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) adalah 6.01 kJ/mol dan massa molar air adalah 18 g/mol.
Pembahasan:
Langkah pertama adalah menghitung jumlah mol es.
\[ \text{Mol es} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \approx 2.78 \text{mol} \]
Selanjutnya kita menghitung perubahan entalpi untuk melehkan es:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
\[ \Delta H = 2.78 \text{mol} \cdot 6.01 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H \approx 16.7 \text{kJ} \]
Jadi, perubahan entalpi saat melehkan 50 gram es pada 0°C adalah sekitar 16.7 kJ. Proses ini merupakan proses endotermik karena es menyerap panas untuk berubah menjadi air.
Contoh Soal 3: Reaksi Hess
Soal:
Gunakan hukum Hess untuk menentukan perubahan entalpi reaksi berikut:
\[ 2 C(graphite) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Diketahui beberapa reaksi dengan perubahan entalpi masing-masing:
1. \( C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \Delta H = -393.5 \text{kJ} \)
2. \( H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \( 2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ} \)
Pembahasan:
Untuk menghitung perubahan entalpi (\( \Delta H \)) reaksinya, kita perlu membalik dan mengalikan beberapa reaksi agar sesuai dengan reaksi target.
Langkah-langkah:
1. Mengubah reaksi \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Membalik dan membagi reaksi:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reaksi \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(graphite) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Reaksi \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Menggabungkan kesemuanya, kita dapatkan:
\[2C(graphite) + 3H_2(g) \rightarrow C_2H_6\]
\[ \Delta H = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 \text{kJ}\]
Jadi, perubahan entalpi reaksi dari 2 mol grafit dan 3 mol \(H_2\) menjadi \(C_2H_6(g)\) adalah -1729 kJ.
Dengan demikian, memahami konsep entalpi dan penerapannya pada berbagai jenis reaksi memberikan wawasan mendalam tentang bagaimana energi terlibat dalam perubahan kimia dan fisika. Soal-soal di atas adalah beberapa contoh yang sering digunakan dalam kurikulum untuk memperkuat pemahaman konsep-konsep tersebut.
