Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

1

1. Sifat Gas

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 antara 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.

Sifat-sifat gas dapat dirangkumkan sebagai berikut.

1. Gas bersifat transparan. 2. Gas terdistribusi merata dalam ruang apapun bentuk ruangnya. 3. Gas dalam ruang akan memberikan tekanan ke dinding. 4. 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.

5. Gas berdifusi ke segala arah tidak peduli ada atau tidak tekanan luar. 6. Bila dua atau lebih gas bercampur, gas-gas itu akan terdistribusi merata. 7. Gas dapat ditekan dengan tekanan luar. Bila tekanan luar dikurangi, gas akan

mengembang. 8. 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 m2, dan satuan tekanan adalah Pascal (Pa). 1 atm kira-kira sama dengan tekanan 1013 hPa.

1 atm = 1,01325 x 105 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.

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

2

A.VOLUME DAN TEKANAN

• Volume

Volume atau bisa juga disebut kapasitas adalah penghitungan seberapa banyak ruang yang bisa ditempati dalam suatu objek. Objek itu bisa berupa benda yang beraturan ataupun benda yang tidak beraturan. Benda yang beraturan misalnya kubus, balok, silinder, limas, kerucut, dan bola. Benda yang tidak beraturan misalnya batu yang ditemukan di jalan. Volume digunakan untuk menentukan massa jenis suatu benda.

Rumus volume

Rumus volume digunakan untuk benda yang beraturan:

* Volume kubus = r3 (r adalah rusuk kubus) * Volume balok = p.l.t (p adalah panjang, l adalah lebar dan t adalah tinggi) * Volume prisma = La.t (La adalah luas alas dan t adalah tinggi) * Volume limas = 1/3.La.t (La adalah luas alas dan t adalah tinggi) * Volume silinder = π.r2.t (r adalah jari-jari dan t adalah tinggi) * Volume kerucut = 1/3.π.r2.t (r adalah jari-jari dan t adalah tinggi) * Volume bola = 4/3.π.r3

Untuk menentukan volume benda yang tidak beraturan bisa digunakan gelas ukur. Satuan volume

Satuan SI volume adalah m3. Satuan lain yang banyak dipakai adalah liter (=dm3) dan ml.

1 m3 = 103 dm3 = 106 cm3

• Tekanan

Tekanan (p) adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A).

p = \frac{F}{A}

Satuan tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas.Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu. Semakin tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan isi yang sama, maka suhu akan semakin tinggi. Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi.

Rumus dari tekanan dapat juga digunakan untuk menerangkan mengapa pisau yang diasah dan permukaannya menipis menjadi tajam. Semakin kecil luas permukaan, dengan gaya yang sama akan dapatkan tekanan yang lebih tinggi. Tekanan udara dapat diukur dengan menggunakan barometer.

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

3

Tekanan Hidrostatis

Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan ini terjadi karena adanya berat air yang membuat cairan tersebut mengeluarkan tekanan. Tekanan sebuah cairan bergantung pada kedalaman cairan di dalam sebuah ruang dan gravitasi juga menentukan tekanan air tersebut.

Hubungan ini dirumuskan sebagai berikut: “P = ρgh” dimana ρ adalah masa jenis cairan, g (10 m/s2) adalah gravitasi, dan h adalah kedalaman cairan.

Tekanan Udara

Atmosfer adalah lapisan yang melindungi bumi. Lapisan ini meluas hingga 1000 km ke atas bumi dan memiliki massa 4.5 x 1018 kg. Massa atmosfir yang menekan permukaan inilah yang disebut dengan tekanan atmosferik. Tekanan atmosferik di permukaan laut adalah 76 cmHg.

Aplikasi Tekanan

Tekanan diaplikasikan dalam beberapa hal dalam kehidupan, diantaranya:

* Pengukuran tekanan darah * Pompa Hidrolik yang biasanya dipakai di bengkel-bengkel

Teori kinetik zat membicarakan sifat zat dipandang dari sudut momentum. Peninjauan teori ini bukan pada kelakuan sebuah partikel, tetapi diutamakan pada sifat zat secara keseluruhan sebagai hasil rata-rata kelakuan partikel-partikel zat tersebut.

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)).

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

4

(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 V1 dan V2 dua gas 1 dan 2 terhadap temperatur akan berpotongan di V = 0.

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

5

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.

B. HUBUNGAN ANTARA SUHU, VOLUME DAN TEKANAN GAS

Hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac baru menurunkan hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas secara terpisah. Bagaimanapun ketiga besaran ini memiliki keterkaitan erat dan saling mempengaruhi. Karenanya, dengan berpedoman pada ketiga hukum gas di atas, kita bisa menurunkan hubungan yang lebih umum antara suhu, volume dan tekanan gas.Ketiga perbandingan ditulis dalam persamaan :

Jika perbandingan 1, perbandingan 2 dan perbandingan 3 digabung menjadi satu, maka akan tampak seperti ini :

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

6

Persamaan ini menyatakan bahwa tekanan (P) dan volume (V) sebanding dengan suhu mutlak (T). Sebaliknya, volume (V) berbanding terbalik dengan tekanan (P).

Perbandingan 4 bisa dioprek menjadi persamaan :

Keterangan :

P1 = tekanan awal (Pa atau N/m2)

P2 = tekanan akhir (Pa atau N/m2)

V1 = volume awal (m3)

V2 = volume akhir (m3)

T1 = suhu awal (K)

T2 = suhu akhir (K)

(Pa = pascal, N = Newton, m2 = meter kuadrat, m3 = meter kubik, K = Kelvin)

Hubungan antara Suhu (T) dan Volume (V)

Dalam pokok bahasan suhu dan kalor, kita mengenal besaran suhu alias temperatur (T). Suhu alias temperatur merupakan ukuran panas atau dinginnya suatu benda… Selain suhu, kita juga mengenal besaran volume (V). Suhu udara dan volume udara memiliki keterkaitan. Volume udara bisa berubah apabila suhu udara berubah. Jika suhu udara meningkat, maka volume udara bertambah (udara memuai)… Sebaliknya kalau suhu udara menurun, maka volume udara akan berkurang (udara menyusut). Ingat lagi pokok bahasan pemuaian (materi suhu dan kalor). Kita bisa mengatakan bahwa suhu udara berbanding lurus alias sebanding dengan volume udara.

Hubungan antara Tekanan (P) dan Suhu (T)

Selain suhu dan volume, ada juga besaran tekanan (P). Masih ingat pokok bahasan fluida statis ? Dalam fluida statis, gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai tekanan (P), khususnya tekanan udara. Ingat ya, tekanan fluida (zat cair atau gas) selalu bertambah terhadap kedalaman atau semakin berkurang terhadap ketinggian. Misalnya air yang berada di dasar wadah memiliki tekanan yang lebih besar daripada air yang berada di permukaan wadah. Jadi tekanan air di dasar lebih besar daripada di permukaan.

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

7

Biasanya udara di puncak gunung lebih dingin (suhu udara lebih rendah). Demikian juga tempat-tempat yang letaknya di dataran tinggi (Bandung dkk). Sebaliknya tempat-tempat yang lebih dekat dengan permukaan laut (jakarta, surabaya, semarang, makasar, yogya) lebih panas. Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa menyimpulkan bahwa suhu (T) dan tekanan (P) memiliki hubungan. Semakin besar tekanan udara, semakin tinggi suhu udara tersebut (udara makin panas). Sebaliknya, semakin kecil tekanan udara, semakin rendah suhu udara tersebut (udara makin dingin). Dengan kata lain, tekanan udara berbanding lurus alias sebanding dengan suhu udara.

Hubungan antara Tekanan (P) dan Volume (V)

Untuk membantu meninjau hubungan antara tekanan (P) dan volume (V), gurumuda ingin mengajakmu berimajinasi sejenak. Amati gambar di bawah… Permukaan wadah yang berwarna biru bisa digerakkan naik turun. Di dalam wadah ada udara. Volume udara dalam wadah 1 (volume 1) lebih besar dari volume udara dalam wadah 2 (volume 2). Volume udara dalam wadah 2 (volume 2) lebih besar dari volume udara dalam wadah 3 (volume 3). Jadi volume 1 > volume 2 > volume 3.

Catatan :

Gambar ini disederhanakan menjadi 2 dimensi. Btw, anggap saja ini gambar 3 dimensi (volume = panjang x lebar x tinggi).

C. HUKUM GAS IDEAL (dalam jumlah mol)

PV = nRT

Persamaan ini dikenal dengan julukan hukum gas ideal alias persamaan keadaan gas ideal.

Keterangan :

P = tekanan gas (N/m2)

V = volume gas (m3)

n = jumlah mol (mol)

R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K)

T = suhu mutlak gas (K)

Temperatur standar (T) = 0 oC = 273 K

Tekanan standar (P) = 1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 102 kPa = 101 kPa

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

8

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

atau

PV = nRT

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 dm3 atm mol-1 K-1. Kini, nilai R = 8,3145 J mol-1 K-1 lebih sering digunakan.

Kalau sebelumnya Hukum gas ideal dinyatakan dalam jumlah mol (n), maka kali ini hukum gas ideal dinyatakan dalam jumlah molekul (N). Sebelum menurunkan persamaannya, terlebih dahulu baca pesan-pesan berikut ini…

Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, apabila kita menyatakan ukuran zat tidak dalam bentuk massa (m), tapi dalam jumlah mol (n), maka konstanta gas universal (R) berlaku untuk semua gas. Hal ini pertama kali ditemukan oleh alhamrum Amedeo Avogadro (1776-1856), mantan ilmuwan Italia. Sekarang beliau sudah beristirahat di alam baka… Almahrum Avogadro mengatakan bahwa ketika volume, tekanan dan suhu setiap gas

sama, maka setiap gas tersebut memiliki jumlah molekul yang sama. Kalimat yang dicetak tebal ini dikenal dengan julukan hipotesa Avogadro (hipotesa = ramalan atau dugaan). Hipotesa almahrum Avogadro ini sesuai dengan kenyataan bahwa konstanta R sama untuk semua gas. Berikut ini beberapa pembuktiannya :

Pertama, jika kita menyelesaikan soal menggunakan persamaan hukum gas ideal (PV = nRT), kita akan menemukan bahwa ketika jumlah mol (n) sama, tekanan dan suhu juga sama, maka volume semua gas akan bernilai sama, apabila kita menggunakan konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K). Karenanya dirimu jangan pake heran kalau pada STP, setiap gas yang memiliki jumlah mol (n) yang sama akan memiliki volume yang sama. Volume 1

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

9

mol gas pada STP = 22,4 liter. Volume 2 mol gas = 44,8 liter. Volume 3 mol gas = 67,2 liter. Dan seterusnya… ini berlaku untuk semua gas.

Kedua, jumlah molekul dalam 1 mol sama untuk semua gas. Jumlah molekul dalam 1 mol = jumlah molekul per mol = bilangan avogadro (NA). Jadi bilangan Avogadro bernilai sama untuk semua gas. Besarnya bilangan Avogadro diperoleh melalui pengukuran :

NA = 6,02 x 1023 molekul/mol = 6,02 x 1023 /mol

= 6,02 x 1026 molekul/kmol = 6,02 x 1026 /kmol

Untuk memperoleh jumlah total molekul (N), maka kita bisa mengalikan jumlah molekul per mol (NA) dengan jumlah mol (n).

Kita oprek lagi persamaan Hukum Gas Ideal :

Ini adalah persamaan Hukum Gas Ideal dalam bentuk jumlah molekul.

Keterangan :

P = Tekanan

V = Volume

N = Jumlah total molekul

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

10

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-13 J/K)

T = Suhu

D. TEKANAN PARSIAL

Hukum tekanan parsial Dalton (1801)

Hukum Tekanan Parsial Dalton: Tekanan sebuah campuran gas adalah sama dengan jumlah tekanan masing-masing gas penyusunnya.

Secara matematik, hal ini dapat direpresentasikan untuk n jenis gas, berlaku:

Pengamatan pertama mengenai perilaku campuran gas dalam sebuah wadah dilakukan oleh Dalton, ia menyatakan bahwa tekanan total, Ptol, adalah jumlah tekanan parsial setiap

gas. Pernyataan ini selanjutnya disebut sebagai Hukum Dalton, hukum ini berlaku untuk gas dalam keadaan ideal. Tekanan parsial setiap komponen dalam campuran gas ideal ialah tekanan total dikalikan dengan fraksi mol komponen tersebut.

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

11

Tekanan total dan parsial

Contoh :

Berapa tekanan total dalam wadah (container) yang mengandung:

• Metana dengan tekanan parsial 0.75 atm, • Hidrogen dengan tekanan parsial 0.40 atm • Propana dengan tekanan parsial 0.50 atm?

Ptot = Pmetana + Phidrogen + Ppropana

Ptot = 0.75 atm + 0.40 atm + 0.50 atm Ptot = 1.65 atm

E. EFUSI GAS MENURUT HUKUM GRAHAM

Hukum graham menyatakan bahwa laju efusi atau laju difusi gas berbanding terbalik dengan akar kuadrat massa molarnya. Efusi adalah kerja yang dilakukan gas untuk melewati lubang-lubang kecil pada wadahnya, seperti atom helium yang keluar melalui pori-pori kecil pada balon yang kempes setelah beberapa hari. Difusi adalah kerja yang dilakukan gas untuk melewati gas lain. Misalnya, jika isi sebotol amonia dituang di pojok sebuah ruangan, bau amonia akan segera tersebar ke seluruh ruangan. Semakin berat molekul suatu gas, semakin lambat laju efusi atau difusinya.

Karena kedua gas mempunyai suhu yang sama , energi kinetik rata-ratanyapun sama :

Kalikan persamaan terakhir dengan 2 sehingga diperoleh :

Karena massa molekul sebanding dengan massa molarnya dan kecepatan rata-rata molekul adalah ukuran laju efusi atau laju difusi, yang harus kita lakukan pada persamaan ini untuk memperoleh hukum Graham adalah menempatkan akar kuadrat. (Akar kuadrat tidak serupa

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

12

dengan kecepatan rata-rata, tetapi merupakan suatu kuantitas yang disebut akar kuadrat

kecepatan rata-rata.

F. GAS NYATA

Gas nyata (real gas) bersifat menyimpang dari gas ideal, terutama pada tekanan tinggi dan suhu rendah. Teori Kinetika gas menjelaskan Postulat 1: massa gas dapat diabaikan jika dibandingkan dengan volume bejana. Pada tekanan tinggi, atau jika jumlah molekul banyak, volume gas harus diperhitungkan à volume ideal sebetulnya lebih kecil dari volume real. a Menurut Van Der Waals, koreksi volume tergantung dari n (junlah mol gas) b = tetapan koreksi volume Pada tekanan tinggi à rapatan gas tinggi à molekul2 sangat berdekatan à gaya antar molekul harus diperhitungkan à karena ada gaya tarik menarik à tekanan yang sebenarnya lebih rendah dari tekanan ideal. Pengurangan tekanan karena kerapatan gas adalah:

1. Berbanding lurus dengan jml tabrakan dgn dinding atau dengan konsentrasi gas 2. Berbanding lurus dengan gaya tabrakan à berbanding lurus dengan konsentrasi gas

Aplikasi gas di dunia pertambangan

Teknologi Plasma dalam Dunia Teknik Kimia

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

13

Pada tahun ajaran 2008-2009, tepatnya di semester ganjil ini, Program Studi Teknik Kimia ITB membuka beberapa mata kuliah baru sebagai mata kuliah pilihan. Salah satu mata kuliah baru yang mendapat peminat cukup banyak adalah mata kuliah Teknologi Plasma. Apa itu Teknologi Plasma dan kaitannya dengan Teknik Kimia?

Sekilas Tentang Teknologi Plasma

Plasma dalam teknologi plasma dapat didefinisikan sebagai gas yang terionisasi, terdiri dari partikel neutron, ion positif, ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan magnetik. Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul. Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi terikat satu sama lain. Untuk menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi, energi tersebut berasal dari panas, listrik ataupun cahaya. Partikel-partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma.

Berdasarkan temperaturnya, plasma dapat dikategorikan menjadi:

1. Plasma termal : Telektron ~ Tgas

Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat

pemanasan Joule (Joule heating).

Contoh: plasma matahari

2. Plasma non-termal: Telektron > Tgas

Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K); T ~ suhu ruang

Contoh: Aurora borealis

Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya: plasma merupakan teknologi yang ramah lingkungan, murah dan mudah, dan dapat digunakan berkali-kali. Terdapat beberapa aplikasi plasma yang telah dikenal luas diantaranya teknologi plasma dalam AC, teknologi plsma pada TV, teknologi plasma pada pengolahan sampah, dan teknologi plasma sebagai cleaning technology.

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

14

Teknologi Plasma Sebagai Cleaning Technology

Cleaning Technology with Plasma

Aplikasi teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu aplikasi yang erat kaitannya dengan Teknik Kimia. Sebagai mana kita ketahui, efek negatif dari perkembangan industri adalah munculnya polusi yang menyebabkan kerusakan alam. Di sinilah teknologi plasma dapat berperan sebagai salah satu teknologi untuk membersihkan limbah yang dihasilkan oleh suatu industri. Aplikasi teknologi plasma dapat menghilangkan polutan dalam limbah bahkan dapat menghasilkan produk yang memiliki nilai guna. Sebagaimana digambarkan dalam gambar di atas.

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx

Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx, akan dikontakkan dengan plasma. Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu. Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx. Salah satu contohnya adalah sebagai berikut:

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

15

Sistem kerja reaktor CRS dari contoh sistem reaktor penghilangan NO yang dikembangkan oleh McMaster University (Matsuoka, dkk.)

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor. Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle. Tube dan nozzle ini terletak pada channels. Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal. Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat. Selain itu, penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk.

Contoh Reaksi: (HO2, OH, H, adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma)

HO2 + NO -> OH + NO2

OH + NO2-> NO3 + H

H + NH3 + NO3 -> (NH4)NO3

Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik. Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3.

H. Contoh Soal + Jawaban

Contoh soal 1 :

Pada tekanan atmosfir (101 kPa), suhu gas karbon dioksida = 20 oC dan volumenya = 2 liter. Apabila tekanan diubah menjadi 201 kPa dan suhu dinaikkan menjadi 40 oC, hitung volume akhir gas karbon dioksida tersebut…

Panduan jawaban :

P1 = 101 kPa

P2 = 201 kPa

T1 = 20 oC + 273 K = 293 K

T2 = 40 oC + 273 K = 313 K

V1 = 2 liter

V2 = ?

Tumbangkan soal :

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

16

Volume akhir gas karbon dioksida = 1,06 liter

Contoh soal 2 :

Tentukan volume 2 mol gas pada STP (anggap saja gas ini adalah gas ideal)

Panduan jawaban :

Volume 2 mol gas pada STP (temperatur dan tekanan stadard) adalah 44,8 liter.

Contoh soal 3 :

Volume gas oksigen pada STP = 20 m3. Berapa massa gas oksigen ?

Panduan jawaban :

Volume 1 mol gas pada STP = 22,4 liter = 22,4 dm3 = 22,4 x 10-3 m3 (22,4 x 10-3 m3/mol)

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

17

Volume gas oksigen pada STP = 20 m3

Massa molekul oksigen = 32 gram/mol (massa 1 mol oksigen = 32 gram). Dengan demikian, massa gas oksigen adalah :

Catatan :

Kadang massa molekul disebut sebagai massa molar. Massa molar = massa molekul

Contoh soal 4 :

Sebuah tangki berisi 4 liter gas oksigen (O2). Suhu gas oksigen tersebut = 20 oC dan tekanan terukurnya = 20 x 105 N/m2. Tentukan massa gas oksigen tersebut (massa molekul oksigen = 32 kg/kmol = 32 gram/mol)

Panduan jawaban :

P = Patm + Pukur = (1 x 105 N/m2) + (20 x 105 N/m2) = 21 x 105 N/m2

T = 20 oC + 273 = 293 K

V = 4 liter = 4 dm3 = 4 x 10-3 m3

R = 8,315 J/mol.K = 8,315 Nm/mol.K

Massa molekul O2 = 32 gram/mol = 32 kg/kmol

Massa O2 = ?

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

18

Massa gas oksigen = 110 gram = 0,11 kg

Latihan 1 Persamaan gas ideal

Sampel metana bermassa 0,06 g memiliki volume 950 cm3 pada temperatur 25°C. Tentukan tekanan gas dalam Pa atau atm).

Jawab:

Karena massa molekul CH4 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 m3)= 9,75 x 104 J m-3 = 9,75 x 104 N m-2= 9,75 x 104 Pa = 0,962 atm

Latihan 2 Hukum tekanan parsial

Sebuah wadah bervolume 3,0 dm3 mengandung karbon dioksida CO2 pada tekanan 200 kPa, dansatu lagi wadah bervolume 1,0 dm3 mengandung N2 pada tekanan 300 kPa. Bila kedua gas dipindahkan ke wadah 1,5 dm3. Hitung tekanan total campuran gas. Temperatur dipertahankan tetap selama percobaan.

Tu

ga

s 1

KIM

DA

S I

I -

Ha

ria

di

19

Jawab:

Tekanan parsial CO2 akan menjadi 400 kPa karena volume wadah baru 1/2 volume wadah sementara tekanan N2 adalah 300 x (2/3) = 200 kPa karena volumenya kini hanya 2/3 volume awalnya.

Maka tekanan totalnya 400 + 200 = 600 kPa.

Contoh Soal :

1. Berapakah kecepatan rata-rata dari partikel-partikel suatu gas dalam keadaan normal, jika massa jenis gas 100 kg/m3 dan tekanannya 1,2.105 N/m2?

Jawab:

PV = 2/3 Ek PV = 2/3 . 1/2 . m v2 = 1/3 m v2 v2 = (3PV)/m = (3 P)/(m/V) = 3P/r

v = Ö3P/r = Ö3.1,2.105/100 = 60 m/det

2. Suatu gas tekanannya 15 atm dan volumenya 25 cm3 memenuhi persamaan PV – RT. Bila tekanan gas berubah 1/10 atm tiap menit secara isotermal. Hitunglah perubahan volume gas tiap menit?

Jawab:

Persamaan PV = RT jelas untuk gas ideal dengan jumlah mol gas n = 1. Jadi kita ubah persamaan tersebut menjadi:

P DV + V DP = R DT (cara differensial parsial)

15 . DV + 25. 1/10 = R . 0 ® AV = -25 /15.10 = -1/6 cm3/menit

Jadi perubahan volume gas tiap menit adalah 1/6 cm3,dimana tanda (-) menyatakan gas menerima usaha dari luar (dari sekelilingnya).