Upload
wirasantana
View
31
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
5/20/2018 Iqmal Kinetika 13 Teori Kinetika Gas
1/5
11/2
KINETIKA KIMIATeori Kinetika Gas
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia - FMIPA
Universitas Gadjah Mada (UGM)
Drs. Iqmal Tahir, M.Si.
Laboratorium Kimia Fisika,, Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 55281
Tel : 0857 868 77886 838 565 047; Fax : 0274-545188Email :
[email protected] atau [email protected]
Website :http://iqmal.staff.ugm.ac.id
http://iqmaltahir.wordpress.com
Teori K inetika GasTeori kinetika gas berkaitan dengan perhitungan laju proses-proses tertentu :
kebolehjadian kecepatan molekul dan kecepatan rata-rata, frekuensi tumbukan sifat perpindahan.
Teori kinetika gas dapat membantu pemahaman akan sifat-sifat termodinamikatertentu dalam tumbukan secara molekular dan pemahaman tentang laju
perpindahan.
Gas harus diasumsikan bahwa molekul-molekulnya harus mengikuti aturan gas
2
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
sempurna :
Gas terdiri dari molekul-molekul bermassa m dan berdiameter d yangbergerak secara acak.
Ukuran molekul dapat diabaikan
(diameter molekul yang relatif sangat kecil dibandingkan jarak tempuh rata-rata tumbukan antar molekul)
Molekul tidak saling berinteraksi dan membentuk tumbukan lentingsempurna sepanjang sumbu tumbukan.
Teori K inetika GasPada gas sempurna :Molekul selalu bergerak dan mengalami tumbukan-tumbukan yang lentingsempurna dimana total energi kinetik translasi dari pasangan molekul samapada keadaan sebelum dan sesudah tumbukan.
Pengertian tumbukan lenting sempurna yaitu : Eksebelum = Eksesudah tumbukan
v sebelum= v sesudah tumbukan Tidakada energiyang dipindahkan
Adanya tumbukan mengakibatkan partikel gas berubah kecepatan dan arahnya
3
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
secara ons an.
Teori K inetika GasFrekuensi tumbukan (z) adalah jumlah tumbukan rata-rata per satuan waktuyang dibuat oleh satu partikel tunggal.Jalan bebas rata-rata () adalah jarak rata-rata yang ditempuh satu molekulantar tumbukan.
Asumsi kedua menyatakan bahwa d
5/20/2018 Iqmal Kinetika 13 Teori Kinetika Gas
2/5
11/2
TekananSecara rata-rata, separuh partikel bergerak ke kanan dan sisanya ke
kiri. Dengan demikian jumlah tumbukan rata-rata dengan dinding dalam
selama selang t adalah NA|vx|t. Perubahan momentum total
pada selangwaktu tersebut adalahhasil kali dari perubahan2m|vx|
yaitu :
Perubahan momentum = NA|vx| t X 2m |vx| = Namvx2 t
Laju perubahan momentum dibagi dengan selang waktut
8
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
meng as an :
Laju perubahan momentum = NAmvx2
Laju perubahan momentum tersebut sama dengan gaya (sesuai hukum
Newton kedua) sehingga gaya yang dihasilkan gas pada dinding juga
sebesar NAmvx2. Dengan demikian gaya per satuan luas yang terjadi
adalah:
Tekanan = p = Nmvx2
Tekanan rata-rataTidak semuapartikel menempuh jarak dengan kecepatan yang sama sehingga
tekanan dapat dideteksisebagai rata-rata kuantitas.Tekanan rata-rata
p = m.N.
Didefinisikanakar kecepatan kuadrat rata-rata, c, (kecepatan rms)
9
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Karenakecepatan ke semua arah sama, maka :
Sehingga tekanan
P = 1/3.N.m.c2
Kecepatan akar kuadrat rata-rata (Crms)Angka kerapatan N adalah sama dengan N/V dimana N adalah jumlah partikel
total yang ada pada volume V. Kemudian karenaN = n.NA denganNA adalahbilangan avogadro maka
PV = 1/3.n.Na.m.c2
Untuk gas ideal berlakuPV = nRT = n. NA . k.T
Dengan k adalah konstanta Boltzman maka
10
Contoh soal :
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Hitung akar kecepatankuadrat rata-rata dari molekul CO2 pada suhu 25C !
Jawab :
Distribusi kecepatan molekul menurut Maxwell
Teori kinetika gas dapat digunakanuntukmenghitung sifat fisik, halini juga akanbermanfaat lebihjauh.Hargasifat X rata-rata memiliki kisaran harga dari suatujarak nilaikontinyu(contohkecepatan) adalah:
Fungsi f(X) disebut sebagai distribusi sifatX yang memberikan gambaranprobabilitas dari sifatyang ada pada kisaran X sampaiX + dX.Contoh f(v) yang merupakan distribusikecepatanv dan f(v)dvadalah probablitias
11
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
ecepa anpa a saran v sampa v = v.Distribusikecepatan molekul bermassa molar M padatemperatur T adalah :
Kebolehjadian suatumolekul yang memiliki kecepatanV adalahP f (v) . v
Persamaan ini menyatakandistribusiMaxwell tentang kecepatan.
:
Peralatan untuk evaluasi distribusi kecepatan molekul
Rotasi cepatakanmemilihmolekulyang
bergerakcepat
Rotasi lambatakanmemilih molekul yang
bergeraklambat
Skemaalatselektor kecepatan
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Distribusi kecepatan Maxwell Boltzman
Hargakecepatanrata-rata diperolehdari integral :
denganf adalahdistribusi kecepatan maxwell, maka
Distribusi kecepatan molekul menurut Maxwell
13
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
5/20/2018 Iqmal Kinetika 13 Teori Kinetika Gas
3/5
11/2
Pengaruh temperatur pada kecepatan molekul
C = akar kecepatankuadrat rata-rata
Molekul yang lebih panas lebih cepat;Molekul yang lebih dingin lebih lambat;
R = 8.314 J/(mol K)
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Distribusi kecepatan dari tiga jenisgas pada temperatur yang sama.
smassa molekular pada kecepatan molekul
C = akar kecepatankuadrat rata-rata
R = 8.314 J/(mol K)
Molekul yang lebih berat lebih lambat;Molekul yang lebih ringan lebih cepat;
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Distribusi kecepatan molekul menurut Maxwell
16
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Gambaran distribusiMaxwell pada berbagai temperatur.
Kecepatan yang paling mungkin c* : merupakan kecepatan dengandistribusi maksimum(dimana harga differensial f(v) terhadap v memiliki harga 0).
Distribus i kecepatan molekulRangkuman definisi kecepatan :
C* = kecepatanpaling mungkin
= kecepatanrata-rata
17
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
C = akar kecepatan kuadrat rata-rata
Hubungan Tumbukan dan ReaksiPemahaman bagaimana reaksi dapat terjadi dipahami melalui teori tumbukan
18
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Supaya molekul dapat terjadi reaksimaka harus mengalamitumbukan.
Jumlahtumbukansemakin tinggimaka laju reaksiakan semakin cepat.
Semakin banyakjumlah molekul yang tersedia, maka probabilitastumbukansemakin tinggidan laju reaksi akan meningkat.
Pada temperatur yang lebih tinggimaka energimolekul akan semakin besar dankonsekuensinyalaju reaksi meningkat.
Komplikasi : Tidaksemuatumbukan efektif menghasilkanproduk reaksi. Dalamkenyataannya hanyasedikit sekali tumbukan yang mampu menghasilkan produk.
Hubungan Tumbukan dan ReaksiReaksi dapat terjadi jika terdapat tumbukan antar molekul dengan energi yangmencukupi.
19
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Hubungan energi dengan profil
reaksi kimia.
5/20/2018 Iqmal Kinetika 13 Teori Kinetika Gas
4/5
11/2
Hubungan Tumbukan dan ReaksiReaksi dapat terjadi jika energi
kinetik (Ek) tumbukan lebih tinggidaripada energi aktivasi (Ea)
20
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Hubungan Tumbukan dan ReaksiDistribusi Maxwell kecepatan dari
atom atau molekul.Temperatur meningkat makakecepatan partikel semakin
meningkat.
21
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Orientasi molekul haruslah sesuai
supaya dapat terjadi reaksi
Tumbukan ditinjau dari teori kinetika gasTumbukanantar molekul
Tumbukanantarmolekul dapat terjadi bila pada duamolekul bila bertemu denganjarak d satu sama lain.
Dengan d adalah diameter tumbukan yang merupakanorder dari diameter aktualuntukmolekul (untukmolekul bulat maka d adalahdiameter molekul).
Ilustrasiapabila ada satu molekul yang dianggap diam di pusat tabungtumbukandan beberapa molekul bergerak dengan kecepatan rata-rataselama waktut.Jikaluas tampang lintang tumbukan = d2 dan panjang = . t, maka volumenya
22
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
= .
Tumbukan ditinjau dari teori kinetika gas
Perhitun anluas am an lintan umbukan
23
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Latihan
24
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Tumbukan ditinjau dari teori kinetika gasJumlah molekul diam yang terdapat pada tabungtumbukan denganvolume V dan
kerapatan N = N/V, dinyatakan sebagai N. .t.Jumlah tumbukan yang terjadi pada selangt adalah sama denganjumlah bilangantersebut dan frekuensi tumbukan (z) yaitujumlah tumbukan per satuan waktu
sebagai N.Meskipun demikian molekul tidak selaludiam danuntuk itukita harus menggunakan
kecepatan relatif dari molekul.
Untuktumbukan dengan massayang berbeda, maka kecepatan relatif rata-rata
adalah:
25
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
dimana =massa tereduksiUntukmassa yang identik
= m sehingga
Frekuensi tumbukan :
Karena maka
5/20/2018 Iqmal Kinetika 13 Teori Kinetika Gas
5/5
11/2
TumbukanPengertian:
Frekuensitumbukanz adalahjumlah tumbukan oleh satu molekul tunggal. Kerapatantumbukan (Z) adalahtotal frekuensitumbukanyaitu jumlah
semua tumbukan darisemuamolekul dalam gas.
maka z harus dikalikan N (faktor muncul karena tumbukan A A dan A A dihitungsatu kali).
Jumlah tumbukan untukmolekul sejenis dinyatakan denganpersamaan
26
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Karena dan
dimana[A] = konsentrasi molar, maka
Hubungan Z dan z :
Contoh soal :Hitung jumlahtumbukan oleh 1 atom Cs yang dialamiper detik pada T = 500 C.
Jika diketahui volume wadah 50,00 cm3, berapa jumlah total tumbukan pada wadahper detik. Tekanan uap Cs (l) pada 500C adalah 80 torr. Diameter tumbukanCs540 pm = 5,4 .10-8mJawab:
Tampang lintang tumbukan
= d2 = 9,16. 10-19 m2
27
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
P = 80 torr = 1,07.104 Pa (Catatan : 1 torr = 133,75 Pa)Maka
Sehingga pada wadah50,0 cm3
Z = 2,3.1032 m-3. detik-1.
= 1,15.1028 detik-1
Tumbukan antar molekul berbedaUntuk tumbukan antara dua molekul yang berbeda, luas tampang lintangnya
adalah = d2 dengan d = (dA + dB).
Jumlah tumbukan molekul A terhadap N molekul B per satuan waktu
Karenaterdapat N molekulA maka total tumbukan A B per satuan waktuadalah
sehingga kerapatan tumbukan ZAB yaitu jumlah total tumbukanA-B per satuan
28
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
waktu per satuan volume adalah :
Tumbukan antar molekul berbedaJalanbebas rata-rata () adalahjarak rata-rata suatumolekul yang ditempuh
sebelum mengalami tumbukan berikutnya.Jikasatu molekul bergerak dengan kecepatan rata-rata bergerak denganfrekuensi z, molekul tersebut akan membutuhkanwaktu 1/z bebas dari
tumbukan dan menempuh jarak
Dengan demikian jalanbebas rata-rata dapat dinyatakan sebagai :
Apabila dimasukkan harga suku-sukunya
29
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
KarenaPV = nRT sehingga
Pada volume tetap, jalanbebas rata-rata untuk suatugas tidak tergantung daritemperatur. Jarakantar tumbukan hanya ditentukanjumlah molekul bukan laju
kecepatan.
Tumbukan antar molekul berbedaJalanbebas rata-rata ()
Faktor-faktor yang mempengaruhi : Kerapatan :
Kerapatan gas meningkat, makamolekul-molekul akan semakin rapat satu
sama lain. Akibatnya molekuk akan lebihbertumbukan, maka semakinkecil.
30
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
kerapatan meningkat. Hal ini akan menurunkan.
Jari-jari molekulKenaikan jari-jari molekul akan menurunkan ruang kosong di antaramolekul
sehingga menurun. Tekanan, temperatur dan faktor lain yang menyebabkan perubahan
kerapatan akan mengubah juga nilai.
Tumbukan dengan dinding
Pertimbangkan untuk suatudinding denganluasan A yang tegaklurus terhadap
sumbux. Jikasatumolekulmemilikivx > 0 akan menumbuk dinding dengan selang
waktut terbentang pada jarak vx.t. Jika vx < 0 berarti molekul bergerak menjauhi dinding.Dengan demikian semuamolekul pada volume A.vx.t dandengankecepatan
positif akan menumbuk dinding pada selang waktut.Jumlah tumbukan dengan dinding per satuan waktu per satuan luas adalah
31
LABORATORIUM KIMIA FISIKAJurusan Kimia FMIPA, UGM
Pada tekanan = 1 atm dan T = 300 K, suatu
wadahdapat berisi3.1023 tumbukan per detik percm2.Tumbukanpada dinding tergantung dari tekanan
danmassamolekul danhal inisangat pentinguntukmempelajari prosesyang terjadi pada
permukaan padatan.