Wujud Materi

Setiap saat, kita berinteraksi dengan benda-benda di sekitar kita seperti udara, air, dan bangunan. Benda-benda tersebut mempunyai wujud yang berbeda-beda, dan dikelompokkan sebagai gas, cair dan padat. Setiap kelompok mempunyai ciri-ciri dan sifat-sifat yang akan dipelajari dalam bab ini. Diantaranya adalah susunan dan gerakan molekul penyusun zat. Molekul-molekul wujud gas mempunyai susunan yang berjauhan dan setiap molekul bebas bergerak. Cairan dan padatan mempunyai susunan molekul yang berdekatan, dimana pada cairan, molekul masih bisa bergerak dengan bebas, sementara molekul pada padatan tidak bebas bergerak atau tetap pada posisinya.

Contoh :

Air mempunyai wujud cair pada suhu ruang, akan berubah wujudnya menjadi padat apabila didinginkan, dan menjadi gas apabila dipanaskan. Ini merupakan perubahan fisika karena tidak menghasilkan materi dengan sifat yang baru.

Susunan molekul: (a) gas, (b) cair, dan (c) padat, serta perubahan wujudnya

Keadaan Gas

Ciri-ciri gas :

• Gas mempunyai susunan molekul yang berjauhan, kerapatan rendah/tidak memiliki volume dan bentuk tetap/selalu bergerak dengan kecepatan tinggi.
• Campuran gas selalu uniform (serba sama).
• Gaya tarik-menarik antar partikel dapat diabaikan.
• Laju suatu partikel selalu berubah-ubah tapi laju rata-rata partikel-partikel gas pada suhu tertentu adalah konstan.
• Gas dapat dimampatkan.
• Gas dapat dalam bentuk atom tunggal seperti golongan gas mulia (He, Ar, Xe), diatomic (H₂, O₂, F₂), dan senyawa (NO, CO₂, H₂S).

Bentuk gas: tunggal, diatomik, dan senyawa

Udara

Susunan udara baru diketahui pada akhir abad ke-18 sewaktu Lavoisier, Priestly, dan lainnya menunjukkan bahwa udara terutama terdiri atas dua zat : oksigen dan nitrogen.

Oksigen dicirikan oleh kemampuannya mendukung kehidupan. Hal ini dikenali jika suatu volume oksigen habis (dengan membakar lilin pada tempat tertutup, misalnya), dan nitrogen yang tersisa tidak lagi dapat mempertahankan hewan hidup. Lebih dari 100 tahun berlalu sebelum udara direanalisis secara cermat, yang menunjukkan bahwa oksigen dan nitrogen hanya menyusun 99% dari volume total, dan sebagian besar dari 1% sisanya adalah gas baru yang disebut “argon”. Gas mulia lainnya (helium, neon, krypton, dan xenon) ada di udara dalam jumlah yang jauh lebih kecil.

Ada beberapa jenis gas lain yang dijumpai pada permukaan bumi. Metana (CH₄) dihasilkan lewat proses bakteri, terutama di daerah rawa. Metana merupakan penyusun penting dalam deposit gas alam yang terbentuk selama jutaan tahun lewat pelapukan materi tumbuhan di bawah permukaan bumi. Gas dapat juga terbentuk dari reaksi kimia.

Tabel Komposisi Udara

Hukum-hukum Gas

Empat variabel yang menggambarkan keadaan gas:

• Tekanan (P)
• Volume (V)
• Temperatur (T)
• Jumlah mol gas, mol (n)

Hukum-hukum Gas

Boyle, Charles dan Gay-Lussac, Amonton, Avogadro, Dalton, Gas ideal, Kinetika, Gas Nyata.

Hukum Boyle

Robert Boyle (Gambar 1.10) pada tahun 1622 melakukan percobaan dengan menggunakan udara. Ia menyatakan bahwa volume sejumlah tertentu gas pada suhu yang konstan berbanding terbalik dengan tekanan yang dialami gas tersebut.

Hubungan tersebut dikenal sebagai Hukum Boyle, secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut :

Persamaan diatas berlaku untuk gas-gas yang bersifat ideal.

Contoh :

Silinder panjang pada pompa sepeda mempunyai volume 1131 cm³ dan diisi dengan udara pada tekanan 1,02 atm. Katup keluar ditutup dan tangkai pompa didorong sampai volume udara 517 cm³. Hitunglah tekanan di dalam pompa.

Kurva hubungan antara P – V dan 1/P – V

Penyelesaian :

Perhatikan bahwa suhu dan jumlah gas tidak dinyatakan pada soal ini, jadi nilainya 22,414 L atm tidak dapat digunakan untuk tetapan C. bagaimanapun, yang diperlukan adalah pengandaian bahwa suhu tidak berubah sewaktu tangkai pompa didorong. Jika P₁ dan P₂ merupakan tekanan awal dan akhir, dan V₁ mdan V₂ adalah volume awal dan akhir, maka:

P₁.V₁ = P₂.V₂

Sebab suhu dan jumlah udara dalam pompa tidak berubah. Substitusi menghasilkan :

(1,02atm)(1131cm³)=P₂(517cm³) Sehingga P₂ dapat diselesaikan:

P₂ = 2,23 atm

Hukum Charles

Pada tekanan konstan, volume sejumlah tertentu gas sebanding dengan suhu absolutnya. Hukum di atas dapat dituliskan sebagai berikut:

Hubungan di atas ditemukan oleh Charles (Gambar 1.12) pada tahun 1787 dan dikenal sebagai Hukum Charles. Secara grafik, hukum Charles dapat digambarkan seperti pada gambar di bawah. Terlihat bahwa apabila garis-garis grafik diekstrapolasikan hingga memotong sumbu X (suhu), maka garis-garis grafik tersebut akan memotong di satu titik yang sama yaitu – 273,15 °C. Titik ini dikenal sebagai suhu nol absolute yang nantinya dijadikan sebagai skala Kelvin. Hubungan antara Celcius dengan skala Kelvin adalah:

K = °C + 273,15

K = suhu absolut

°C = suhu dalam derajat Celcius

Sama hal-nya dengan hukum Boyle, hukum Charles juga berlaku untuk gas ideal.

Contoh :

Seorang ilmuan yang mempelajari sifat hidrogen pada suhu rendah mengambil volume 2,50 liter hidrogen pada tekanan atmosfer dan suhu 25,00 °C dan mendinginkan gas itu pada tekanan tetap sampai – 200,00 °C. Perkirakan besar volume hidrogen!

Penyelesaian :

Langkah pertama untuk mengkonversikan suhu ke Kelvin:

Hukum Avogadro

Pada tahun 1811, Avogadro (Gambar 1.14) mengemukakan hukum yang penting mengenai sifat-sifat gas. Dia menemukan bahwa pada suhu yang sama, sejumlah volume yang sama dari berbagai gas akan mempunyai jumlah partikel yang sama pula banyaknya.

Hukum Avogadro dapat dinyatakan sebagai berikut:

V ≈ n

(V/n = konstan)

n = jumlah mol gas

Satu mol didefinisikan sebagai massa dari suatu senyawa/zat yang mengandung atom atau molekul sebanyak atom yang terdapat pada dua belas gram karbon(¹²C). Satu mol dari suatu zat mengandung 6,023 x Bilangan Avogadro.