Hukum gas ideal
Gas
merupakan satu dari tiga wujud zat dan walaupun wujud ini merupakan
bagian tak terpisahkan dari studi kimia, bab ini terutama hanya akan
membahasa hubungan a
ntara volume, temperatur dan tekanan baik dalam gas
ideal maupun dalam gas nyata, dan teori kinetik molekular gas, dan tidak
secara langsung kimia. Bahasan utamanya terutama tentang perubahan
fisika, dan reaksi kimianya tidak didisuksikan. Namun, sifat fisik gas
bergantung pada struktur molekul gasnya dan sifat kimia gas juga
bergantung pada strukturnya. Perilaku gas yang ada sebagai molekul
tunggal adalah contoh yang baik kebergantungan sifat makroskopik pada
struktur mikroskopik.
a. Sifat gas
Sifat-sifat gas dapat dirangkumkan sebagai berikut.
- Gas bersifat transparan.
- Gas terdistribusi merata dalam ruang apapun bentuk ruangnya.
- Gas dalam ruang akan memberikan tekanan ke dinding.
- Volume
sejumlah gas sama dengan volume wadahnya. Bila gas tidak diwadahi,
volume gas akan menjadi tak hingga besarnya, dan tekanannya akan menjadi
tak hingga kecilnya.
- Gas berdifusi ke segala arah tidak peduli ada atau tidak tekanan luar.
- Bila dua atau lebih gas bercampur, gas-gas itu akan terdistribusi merata.
- Gas dapat ditekan dengan tekanan luar. Bila tekanan luar dikurangi, gas akan mengembang.
- Bila dipanaskan gas akan mengembang, bila didinginkan akan mengkerut.
Dari
berbagai sifat di atas, yang paling penting adalah tekanan gas.
Misalkan suatu cairan memenuhi wadah. Bila cairan didinginkan dan
volumenya berkurang, cairan itu tidak akan memenuhi wadah lagi. Namun,
gas selalu akan memenuhi ruang tidak peduli berapapun suhunya. Yang akan
berubah adalah tekanannya.
Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan gas adalah
manometer. Prototipe alat pengukur tekanan atmosfer,
barometer, diciptakan oleh Torricelli.
Tekanan didefinisikan gaya per satuan luas, jadi tekanan = gaya/luas.
Dalam SI, satuan gaya adalah Newton (N), satuan luas m
2, dan satuan tekanan adalah Pascal (Pa). 1 atm kira-kira sama dengan tekanan 1013 hPa.
1 atm = 1,01325 x 10
5 Pa = 1013,25 hPa
Namun,
dalam satuan non-SI unit, Torr, kira-kira 1/760 dari 1 atm, sering
digunakan untuk mengukur perubahan tekanan dalam reaksi kimia.
b. Volume dan tekanan
Fakta
bahwa volume gas berubah bila tekanannya berubah telah diamati sejak
abad 17 oleh Torricelli dan filsuf /saintis Perancis Blase Pascal
(1623-1662). Boyle mengamati bahwa dengan mengenakan tekanan dengan
sejumlah volume tertentu merkuri, volume gas, yang terjebak dalam tabung
delas yang tertutup di salah satu ujungnya, akan berkurang. Dalam
percobaan ini, volume gas diukur pada tekanan lebih besar dari 1 atm.
Boyle
membuat pompa vakum menggunakan teknik tercangih yang ada waktu itu,
dan ia mengamati bahwa gas pada tekanan di bawah 1 atm akan mengembang.
Setelah ia melakukan banyak percobaan, Boyle mengusulkan persamaan (6.1)
untuk menggambarkan hubungan antara volume V dan tekanan P gas.
Hubungan ini disebut dengan
hukum Boyle.
PV = k (suatu tetapan) (6.1)
Penampilan
grafis dari percobaan Boyle dapat dilakukan dengan dua cara. Bila P
diplot sebagai ordinat dan V sebagai absis, didapatkan hiperbola (Gambar
6.1(a)). Kedua bila V diplot terhadap 1/P, akan didapatkan garis lurus
(Gambar 6.1(b)).
(a) Plot hasil percobaan; tekanan vs. volume
(b) Plot hasil percobaan; volume vs 1/tekanan. Catat bahwa kemiringan k tetap.
Volume dan temperatur
Setelah
lebih dari satu abad penemuan Boyle ilmuwan mulai tertarik pada
hubungan antara volume dan temperatur gas. Mungkin karena balon termal
menjadi topik pembicaraan di kotakota waktu itu. Kimiawan Perancis
Jacques Alexandre César Charles (1746-1823), seorang navigator balon
yang terkenal pada waktu itu, mengenali bahwa, pada tekanan tetap,
volume gas akan meningkat bila temperaturnya dinaikkan. Hubungan ini
disebut dengan hukum Charles, walaupun datanya sebenarnya tidak
kuantitatif. Gay-Lussac lah yang kemudian memplotkan volume gas terhadap
temperatur dan mendapatkan garis lurus (Gambar 6.2). Karena alasan ini
hukum Charles sering dinamakan
hukum Gay-Lussac. Baik hukum Charles dan hukum Gay-Lussac kira-kira diikuti oleh semua gas selama tidak terjadi pengembunan.

Pembahasan
menarik dapat dilakukan dengan hukum Charles. Dengan
mengekstrapolasikan plot volume gas terhadap temperatur, volumes menjadi
nol pada temperatur tertentu. Menarik bahwa temperatur saat volumenya
menjadi nol sekiatar -273°C (nilai tepatnya adalah -273.2 °C) untuk
semua gas. Ini mengindikasikan bahwa pada tekanan tetap, dua garis lurus
yang didapatkan dari pengeplotan volume V
1 dan V
2 dua gas 1 dan 2 terhadap temperatur akan berpotongan di V = 0.
Fisikawan
Inggris Lord Kelvin (William Thomson (1824-1907)) megusulkan pada
temperatur ini temperatur molekul gas menjadi setara dengan molekul
tanpa gerakan dan dengan demikian volumenya menjadi dapat diabaikan
dibandingkan dengan volumenya pada temperatur kamar, dan ia mengusulkan
skala temperatur baru, skala temperatur Kelvin, yang didefinisikan
dengan persamaan berikut.
273,2 + °C = K (6.2)
Kini temperatur Kelvin K disebut dengan
temperatur absolut, dan 0 K disebut dengan
titik nol absolut. Dengan menggunakan skala temperatur absolut, hukum Charles dapat diungkapkan dengan persamaan sederhana
V = bT (K) (6.3)
dengan b adalah konstanta yang tidak bergantung jenis gas.
Menurut
Kelvin, temperatur adalah ukuran gerakan molekular. Dari sudut pandang
ini, nol absolut khususnya menarik karena pada temperatur ini, gerakan
molekular gas akan berhenti. Nol absolut tidak pernah dicapai dengan
percobaan. Temperatur terendah yang pernah dicapai adalah sekitar
0,000001 K.
Avogadro menyatakan bahwa gas-gas bervolume sama, pada
temperatur dan tekanan yang sama, akan mengandung jumlah molekul yang
sama (hukum Avogadro; Bab 1.2(b)). Hal ini sama dengan menyatakan bahwa
volume real gas apapun sangat kecil dibandingkan dengan volume yang
ditempatinya. Bila anggapan ini benar, volume gas sebanding dengan
jumlah molekul gas dalam ruang tersebut. Jadi, massa relatif, yakni
massa molekul atau massa atom gas, dengan mudah didapat.
d. Persamaan gas ideal
Esensi
ketiga hukum gas di atas dirangkumkan di bawah ini. Menurut tiga hukum
ini, hubungan antara temperatur T, tekanan P dan volume V sejumlah n mol
gas dengan terlihat.
Tiga hukum Gas
Hukum Boyle: V = a/P (pada T, n tetap)
Hukum Charles: V = b.T (pada P, n tetap)
Hukum Avogadro: V = c.n (pada T, P tetap)
Jadi, V sebanding dengan T dan n, dan berbanding terbalik pada P. Hubungan ini dapat digabungkan menjadi satu persamaan:
V = RTn/P (6.4)
atau
PV = nRT (6.5)
R adalah tetapan baru. Persamaan di atas disebut dengan
persamaan keadaan gas ideal atau lebih sederhana
persamaan gas ideal.
Nilai R bila n = 1 disebut dengan
konstanta gas,
yang merupakan satu dari konstanta fundamental fisika. Nilai R beragam
bergantung pada satuan yang digunakan. Dalam sistem metrik, R = 8,2056
x10
–2 dm
3 atm mol
-1 K
-1. Kini, nilai R = 8,3145 J mol
-1 K
-1 lebih sering digunakan.
Latihan 6.1 Persamaan gas ideal
Sampel metana bermassa 0,06 g memiliki volume 950 cm
3 pada temperatur 25°C. Tentukan tekanan gas dalam Pa atau atm).
Jawab: Karena massa molekul CH
4 adalah 16,04, jumlah zat n diberikan sebagai n = 0,60 g/16,04 g mol
-1 = 3,74 x 10
-2 mol. Maka, P = nRT/V = (3,74 x10
-2 mol)(8,314 J mol
-1 K
-1) (298 K)/ 950 x 10
-6 m
3)= 9,75 x 10
4 J m
-3 = 9,75 x 10
4 N m
-2= 9,75 x 10
4 Pa = 0,962 atm
Dengan
bantuan tetapan gas, massa molekul relatif gas dapat dengan mudah
ditentukan bila massa w, volume V dan tekanan P diketahui nilainya. Bila
massa molar gas adalah M (g mol
-1), akan diperoleh persamaan (6.6) karena n = w/M.
PV = wRT/M (6.6)
maka
M = wRT/PV (6.7)
Latihan 6.2 Massa molekular gas
Massa wadah tertutup dengan volume 0,500 dm
3
adalah 38,7340 g, dan massanya meningkat menjadi 39,3135 g setelah
wadah diisi dengan udara pada temperatur 24 °C dan tekanan 1 atm. Dengan
menganggap gas ideal (berlaku persamaan (6.5)), hitung "seolah" massa
molekul udara.
Jawab: 28,2. Karena ini sangat mudah detail
penyelesaiannya tidak diberikan. Anda dapat mendapatkan nilai yang sama
dari komposisi udara (kira-kira N
2:O
2 = 4:1).
e. Hukum tekanan parsial
Dalam banyak kasus Anda tidak akan berhadapan dengan gas murni tetapi dengan
campuran gas
yang mengandung dua atau lebih gas. Dalton tertarik dengan masalah
kelembaban dan dengan demikian tertarik pada udara basah, yakni campuran
udara dengan uap air. Ia menurunkan hubungan berikut dengan menganggap
masing-masing gas dalam campuran berperilaku independen satu sama lain.
Anggap satu campuran dua jenis gas A (n
A mol) dan B (n
B mol) memiliki volume V pada temperatur T. Persamaan berikut dapat diberikan untuk masing-masing gas.
pA = nART/V (6.8)
pB = nBRT/V (6.9)
p
A dan p
B disebut dengan tekanan parsial gas A dan gas B.
Tekanan parsial adalah tekanan yang akan diberikan oleh gas tertentu dalam campuran seandainya gas tersebut sepenuhnya mengisi wadah.
Dalton meyatakan
hukum tekanan parsial yang menyatakan
tekanan total P gas sama dengan jumlah tekanan parsial kedua gas. Jadi,
P = pA + pB = (nA + nB)RT/V (6.10)
Hukum
ini mengindikasikan bahwa dalam campuran gas masing-masing komponen
memberikan tekanan yang independen satu sama lain. Walaupun ada beberapa
gas dalam wadah yang sama, tekanan yang diberikan masing-masing tidak
dipengaruhi oleh kehadiran gas lain.
Bila fraksi molar gas A, x
A, dalam campuran x
A = n
A/(n
A + n
B), maka p
A dapat juga dinyatakan dengan x
A.
pA = [nA/(nA + nB)]P (6.11)
Dengan kata lain, tekanan parsial setiap komponen gas adalah hasil kali fraksi mol, x
A, dan tekanan total P.
Tekanan uap jenuh (atau dengan singkat disebut
tekanan jenuh)
air disefinisikan sebagai tekanan parsial maksimum yang dapat diberikan
oleh uap air pada temperatur tertentu dalam campuran air dan uap air.
Bila terdapat lebih banyak uap air, semua air tidak dapat bertahan di
uap dan sebagian akan mengembun.
Latihan 6.3 Hukum tekanan parsial
Sebuah wadah bervolume 3,0 dm
3 mengandung karbon dioksida CO
2 pada tekanan 200 kPa, dansatu lagi wadah bervolume 1,0 dm
3 mengandung N
2 pada tekanan 300 kPa. Bila kedua gas dipindahkan ke wadah 1,5 dm
3. Hitung tekanan total campuran gas. Temperatur dipertahankan tetap selama percobaan.
Jawab: Tekanan parsial CO
2 akan menjadi 400 kPa karena volume wadah baru 1/2 volume wadah sementara tekanan N
2 adalah 300 x (2/3) = 200 kPa karena volumenya kini hanya 2/3 volume awalnya. Maka tekanan totalnya 400 + 200 = 600 kPa.