Sejak lima tahun terakhir, penduduk Kota Seoul punya tempat menarik untuk bersantai. Demi melepas lelah dari kepenatan, warga ibukota Korea Selatan itu tidak lagi cuma menyambangi pusat perbelanjaan atau kafe-kafe, namun cukup berkunjung ke suatu kali bersih dan berjalan-jalan di sana tanpa dipungut biaya.

Nama kali itu Cheonggyecheon. Terletak di jantung kota, kali itu juga mampu menarik minat para turis lokal dan mancanegara. Cheonggyecheon benar-benar menawarkan daya tarik tersendiri.

Suasananya cukup tenang walau di atasnya berlalu-lalang beragam kendaraan bermotor. Sisi kiri dan kanan kali itu disediakan jalur khusus untuk pejalan kaki, sehingga mereka bisa merasakan langsung kesejukan udara sekaligus mendengarkan aliran air yang menyegarkan.

Kali sepanjang hampir 6 km itu dulunya sangat kumuh, bahkan menjadi jamban dan tempat buang sampah bagi banyak orang. Menurut laman pemerintah Seoul, setelah Perang Korea (1950-1953), Cheonggyecheon menjadi lokasi pemukiman kaum pendatang yang ingin mengadu nasib di ibukota.

Pada dekade 1970-an, Cheonggyecheon berubah fungsi menjadi salah satu simbol “modernisasi” Korsel. Kali itu dibangun banyak tiang pancang dan beton untuk pembangunan jalan layang.

Namun, pada 2003, walikota Seoul saat itu, Lee Myung-bak melakukan perubahan revolusioner. Lee, yang kini sukses menjadi presiden Korsel berkat visinya yang ramah lingkungan, ingin Cheonggyecheon kembali kepada statusnya semula sebagai anak sungai kecil yang mengalir di jantung ibukota.

Jalan-jalan layang di atas kali itu disingkirkan, begitu pula dengan tiang pancang dan lapisan beton yang menutupnya. Maka, dua tahun kemudian, Cheonggyecheon “lahir kembali” sebagai kali sungguhan dan kini menjadi salah satu kebanggaan Seoul sebagai ibukota moderen yang turut memperhatian kelestarian lingkungan hidup.

Menurut keterangan pemerintah Seoul, kelahiran kembali kali itu bahkan turut menurunkan tingkat polusi udara dan kian menyejukkan udara di tengah kota. Berikut perbandingannya.

Kali Cheonggyecheon tempo dulu:

Dan kini berubah menjadi kali yang lebih sehat:

Bagaimana dengan Jakarta, mungkin bisa dimulai dari kali ciliwung

Seperti dalam kasus gas, energi kinetik molekul cairan tidak seragam tetapi bervariasi. Terdapat keteraturan dalam keragaman ini, dan distribusi energi kinetik ditentukan oleh hukum distribusi Boltzmann. Hukum ini menyatakan bahwa partikel yang paling melimpah adalah partikel dengan energi kinetik rata-rata, dan jumlah partikel menurun dengan teratur ketika selisih energi kinetiknya dengan energi kinetik rata-rata semakin besar.

Beberapa molekul yang energi kinetiknya lebih besar dari energi kinetik rata-rata dapat lepas dari gaya tarik antarmolekul dan menguap. Bila cairan diwadahi dalam ruang tanpa tutup, cairan akan perlahan menguap, dan akhirnya habis. Bila ruangnya memiliki tutup dan cairannya terisolasi, molekulnya kehilangan energinya dengan tumbukan, dsb, dan energi kinetik beberapa molekul menjadi demikian rendah sehingga molekul tertarik dengan gaya antarmolekul pada permukaan cairan dan kembali masuk ke cairan. Ini adalah kondensasi uap dalam deskripsi makroscopik. Akhirnya jumlah molekul yang menguap dari permukaan cairan dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan menjadi sama, mencapai kestimbangan dinamik. Keadaan ini disebut kesetimbangan uap-cair (Gambar 7.2).

Tekanan gas, yakni, tekanan uap cairan ketika kesetimbangan uap-cair dicapai, ditentukan hanya oleh suhunya. Baik jumlah cairan maupun volume di atas cairan tidak mempunyai akibat asal cairannya masih ada. Dengan kata lain, tekanan uap cairan dalam ruang ditentukan oleh jenis cairan dan suhunya.

Gambar 7.2 Gambaran skematik kesetimbangan uap-cairan. Keadaan dimana jumlah molekul menguap dari permukaan cairan, dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan sama.

Tekanan uap cairan meningkat dengan meningkatnya suhu. Pola peningkatannya khas untuk cairan tertentu. Dengan meningkatnya suhu, rasio molekul yang memiliki energi yang cukup untuk mengatasi interaksi antarmolekul akan meningkat (Gambar 7.3).

Gambar 7.3 Temperatur dan energi kinetik molekul (T1 > T2). Energi kinetik molekul bergantung temperatur. Sebenarnya kecepatan molekul pada temperatur tertentu tidak seragam, keragamannya mengikuti hukum distribusi Boltzmann. Daerah yang diarsir dalam gambar berkaitan dengan molekul yang memiliki energi kinetik cukup untuk lepas dari permukaan cairan (T1(a) < T2(b)).

Tekanan uap meningkat dengan kenaikan suhu. Gambar 7.4 menunjukkan hubungan antara suhu dan tekanan uap berbagai cairan.

Tekanan uap cairan meningkat dengan kenaikan suhu dan gelembung akan akan terbentuk dalam cairannya. Tekanan gas dalam gelembung sama dengan jumlah tekanan atmosfer dan tekanan hidrostatik akibat tinggi cairan di atas gelembung. Wujud saat gelembung terbentuk dengan giat disebut dengan mendidih, dan temperatur saat mendidih ini disebut dengan titik didih. Titik didih pada tekanan atmosfer 1 atm disebut dengan titik didih normal (Gambar 7.4). Titik didih akan berubah bergantung pada tekanan atmosfer. Bila tekanan atmosfer lebih tinggi dari 1 atm, titik didih akan lebih tinggi dari titik didih normal. Sementara bila tekanan atmosfer lebih rendah dari 1 atm, titik didihnya akan lebih rendah dari titik didih normal.

Titik didih dan perubahannya dengan tekanan bersifat khas untuk tiap senyawa. Jadi titik didih adalah salah satu sarana untuk mengidentifikasi zat. Identifikasi zat kini dilakukan sebagian besar dengan bantuan metoda spektroskopi, tetapi data titik didh diperlukan untuk melaporkan cairan baru.

Titik didih ditentukan oleh massa molekul dan kepolaran molekul. Di antara molekul dengan jenis gugus fungsional polar yang sama, semakin besar massa molekulnya, semakin tinggi titik didihnya. Contoh yang baik dari hal ini adalah hidrokarbon homolog (Tabel 7.1). Di pihak lain, bahkan untuk massa molekul rendah, molekul dengan kepolaran besar akan mengalami gaya intermolekul yang kuat yang mengakibatkan titik didihnya lebih tinggi. Contoh yang baik adalah perbedaan besar antara titik didih antara berbagai gugus senyawa organik yang memiliki massa molekul sama tetapi gugus fungsi yang berbeda (Tabel 7.1). Titik didih air yang tinggi adalah contoh lain yang baik (Bab 3.4, bab 7.3).

Tabel 7.1 Titik didih beberapa senyawa organik.

Energi yang diperlukan untuk mengubah cairan menjadi gas pada STP12 (0°C, 1 atm) disebut dengan kalor penguapan. Bila gas mengembun menjadi cairan, sejumlah sama kalor akan dilepaskan. Kalor ini disebut dengan kalor kondensasi.

Tabel 7.2 Titik didih dan kalor penguapan berbagai beberapa cairan.

Terdapat beberapa zat yang cenderung terdekomposisi secara perlahan dengan pemanasan. Beberapa zat seperti ini sukar diuapkan, walaupun zat-zat ini berwujud cair pada temperatur kamar, sebab akan terdekomposisi sebelum mencapai titik didih. Jadi, tidak semua zat memiliki titik didih normal.

Proses penguapan cairan dan mengkondensasikan uapnya di wadah lain dengan pendinginan disebut dengan distilasi. Metoda ini paling sering digunakan untuk memurnikan cairan. Asal mula teknik distilasi dapat dirunut dari zaman alkemi. Campuran cairan dapat dipisahkan menjadi cairan komponennya menggunakan perbedaan titik didihnya. Teknik ini disebut sebagai distilasi fraksional (Bab 12.3).

Bila temperatur cairan diturunkan, energi kinetik molekul juga akan menurun, dan tekanan uapnya pun juga akan menurun. Ketika temperatur menurun sampau titik tertentu, gaya antarmolekulnya menjadi dominan, dan gerak translasi randomnya akan menjadi lebih perlahan. Sebagai akibatnya, viskositas cairan menjadi semakin bertambah besar. Pada tahap ini, kadang molekul akan mengadopsi susunan geometri reguler yang disebut dengan keadaan padatan kristalin. Umumnya titik beku sama dengan titik leleh, yakni suhu saat bahan berubah dari keadaan padat ke keadaan cair.

Gas dapat dicairkan dengan mendinginkan pada tekanan tertentu. Ketika suhunya diturunkan, energi kinetik molekul gas akan menurun, dan akan menjadi sebanding dengan gaya tarik antarmolekulnya. Akhirnya jarak antarmolekul menurun sampai titik gas berubah menjadi cairan. Cairan memiliki volume tetap pada temperatur tetap tetapi cairan tidak memiliki bentuk yang tetap. Dalam hal ini, cairan mirip gas. Namun, kalau diperhatikan jarak antarmolekulnya, terdapat perbedaan besar antara cairan dan gas. Satu gram air memiliki volume sekitar 1 cm³, tetapi uap air menempati volume 1,69 x 10³ cm³ pada 373 K dan 1 atm. Anda dapat memperikirakan jarak antarmolekul dalam kedua kasus ini, dan dengan membandingkan data ini, Anda akan menyadari perbedaan antara cairan dan gas.

Anda telah mempelajari bahwa teori kinetik mengasumsikan bahwa interaksi intermolekul dalam wujud gas sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. Dalam wujud cair, situasinya tidak begitu sederhana sebab setiap molekul dikelilingi banyak molekul lain dan dengan demikian tumbukan mungkin terjadi. Pengamatan menarik pertama adanya gerakan cairan dilakukan oleh Brown yakni adanya gerakan acak serbuk sari di permukaan air. Asal gerakan Brown adalah tumbukan antara serbuk dan molekul air dan diinterpretasikan sebagai berikut: karena besaran dan arah tiap tumbukan yang mendorong serbuk sari bervariasi, partikel sebuk akan bergerak secara random.

Sebenarnya dapat dilakukan penanganan gerakan partikel cairan dengan menggunakan model mekanik sebagai dalam kasus partikel gas. Namun, pengaruh molekul yang bertumbukan atau molekul sekitarnya sedemikian besar sehingga sukar untuk menangani cairan secara kuantitatif. Di kimia sekolah menengah, hanya penjelasan untuk caiarn hanya diberikan dengan agak samar, yakni dengan mengatakan bahwa keadaan cairan adalah pertengahan antara wujud gas dan wujud padat. Lebih lanjut juga hanya dinyatakan bahwa energi kinetik dan jarak antarmolekul partikel cairan juga pertengahan antara dalam wujud padat dan gas. Demikian juga keteraturan posisi partikelnya juga dianggap pertengahan antara gas dan padat. Demikianlah alasan mengapa tidak ada deskripsi kuantitatif cairan di buku-buku teks sekolah menengah (Gambar 7.1).

Buku ini juga tidak akan memberikan deskripsi mikroskopik cairan, dan berbagai sifat cairan hanya akan dilihat dari sudut makroskopik.

Gambar 7.1 Gambaran skematik gerakan molekul dalam padatan, cairan dan gas. Dengan meningkatnya suhu, kecepatan gerakannya akan meningkat, dan dengan demikian energi kinetiknya juga meningkat sehingga lebih besar dari gaya tarik antarmolekulnya.

Volume gas dapat ditekan sementara volume cairan hampir tidak dapat ditekan sebab jarak antarmolekul jauh lebih pendek. Dalam padatan, setiap molekul cenderung menempati posisi tertentu. Bila susunan molekul dalam padatan teratur, padatan disebut padatan kristalin. Bila tekanan diberikan pada kristal, pengaruh tekanan pada padatan lebih kecil dibandingkan pengaruhnya pada cairan. Bila cairan meleleh, dalam banyak kasus volumenya meningkat sekitar 10%. Hal ini berkaitan dengan perbedaan dalam pengepakan molekul dalam cairan dan padatan. Singkatnya, cairan lebih dekat dengan padat dibandingkan dengan gas.

Partikel gas berdifusi sebab gas bergerak dengan cepat. Molekul cairan bergerak dengan lebih lambat. Partikel dalam padat tidak pernah berdifusi sebab gaya antarmolekul demikian kuat sehingga energi kinetiknya tidak dapat mengatasinya.

Masalah, mengapa hukum gas diikuti oleh semua gas, dijelaskan fisikawan di akhir abad 19 dengan menggunakan teori atom. Poin penting dari teori ini adalah asal muasal tekanan gas adalah gerakan molekul gas. Jadi teori ini disebut dengan teori kinetik molekular gas.

Menrut teori ini, gas memberi tekanan saat molekul-molekulnya menumbuk dinding wadah. Semakin besar jumlah molekul gas per satuan volume, semakin besar molekul yang menumbuk dinding wadah, dan akibatnya semakin tinggi tekanan gas. Asumsi teori ini adalah sebagai berikut.

Asumsi teori kinetik molekular:

Berdasatkan asumsi-asumsi ini diturunkan persamaan berikut untuk sistem yang terdiri atas n molekul dengan massa m.

PV = nmu²/3 (6.13)

u² adalah kecepatan kuadrat rata-rata. Jelas terlihat bentuk persamaan 6.13 identik dengan hukum Boyle. Memang, bila u²bernilai tetap pada suhu tetap, persamaan di atas adalah variasi dari hukum Boyle.

Persamaan 6.13 mengindikasikan kecepatan molekul gas merupakan fungsi dari PV. Karena nilai PV untuk sejumlah tertentu gas tetap, mungkin bahwa kecepatan molekul gas berhubungan dengan massa gas, yakni massa molekulnya. Untuk 1 mol gas, persamaan berikut dapat diturunkan.

PV_m = N_Amu²/3 ….(6.14)

V_m adalah volume molar dan N_A adalah tetapan Avogadro. Dengan memasukkan PV_m = RT di persamaan 6.14, persamaan berikut didapatkan.

N_Amu² = (3/2)RT … (6.15)

Suku kiri persamaan berhubungan dengan energi kinetik molekul gas. Dari persamaan ini, akar kuadrat rata-rata gas √u² dapat diperoleh.

√u²= √(3RT/N_Am) = √ (3RT/M) … (6.16)

Latihan 6.5 Kecepatan kuadrat rata-rata gas

Tentukan kecepatan kuadrat rata-rata molekul gas hidrogen H₂ pada S.T.P. ( = tekanan dan temperatur standar; 25°C, 1 atm).

Jawab: massa molar hidrogen adalah 2,02 g mol^–1. Maka √u ² = √(3RT/M) = √ (3 x 8,31 x 298/2,02 x 10 ^–3) = = 1,92 x 10³ m s^-1.

Bila kecepatan kuadrat rata-rata molekul gas dapat diperkirakan sebanding dengan kecepatan difusi sebagaimana ditentukan dari percobaan, dimungkinkan menentukan massa molekular gas A yang massa molekularnya belum diketahui dengan membandingkan kecepatan difusi gas A dengan kecepatan difusi gas B yang massa molekularnya telah diketahui.

Bila Anda balik suku kiri persamaan 6.15, Anda akan mendapati persamaan berikut.

(3/2)RT = (1/2)N_Amu² …. (6.17)

Persamaan ini jelas mengindikasikan dalam pandangan teori kinetik gas, temperatur adalah ukuran intensitas gerakan molekular.

Latihan

6.1 Hukum Boyle dan Charles

Sampel gas metana CH₄ memiliki volume 7,0 dm³ pada temperatur 4°C dan tekanan 0,848 atm. Hitung volume metana pada temperatur 11°C dan tekanan 1,52 atm. Jawab: V = [0,848 (atm) x 7,0 (dm³) x 284(K)]/[1,52 (atm) x 277(K)] = 4,0 dm³

6.2 Hukum reaksi gas

Rumus molekular gas hidrokarbon adalah C₃H_x. Bila 10 cm³ gas ini direaksikan dengan oksigen berlebih pada temperatur 110°C dan tekanan 1 atm, volumenya meningkat menjadi 15 cm³. Perkirakan nilai x.

Jawab: Persamaan pembakaran sempurna hidrokarbon adalah

C₃H_x(g) + (3+(x/4)) O₂ (g)→3CO₂(g) +x/2H₂O(g) Volume oksigen yang diperlukan untuk pembakaran sempurna 10 cm³ hidrokarbon (30 +(5x/2))cm³ dan volume CO₂ dan uap yang dihasilkan adalah 30 cm³ dan 5x cm³. Maka neraca total gas diberikan di bawh ini dengan a adalah volume gas oksigen berlebih. 30 + 5x + a = 5 + 10 + (5x/2) + a, maka x = 6 Jadi hidrokarbon tersebut adalah propena C₃H₆.

6.3 Tetapan gas

1 mol gas ideal menempati 22,414 dm³ pada temperatur 0°C dan tekanan 1 atm. Dengan menggunakan data ini, hitung tetapan gas dalam dm³ atm mol^-1 K^-1 dan dalam J mol^-1 K^-1.

Jawab: 0,0821 dm³ atm mol^-1 K^-1; 8,314 J mol^-1 K^-1．

6.4 Persamaan keadaan

Wadah bervolume 0,2000 dm³ mengandung 0,3000 mol helium pada temperatur -25°C. Hitung tekanan helium dengan dua cara. (a) dengan persamaan gas ideal (b) dengan persamaan gas nyata.

Jawab: (a) 30,6 atm, (b) 31,6 atm. Untuk gas semacam helium, kesalahan dengan menganggap gasnya ideal sangat kecil (3 % dalam kasus ini).

6.5 Kecepatan gas

Dapat diasumsikan bahwa kecepatan difusi gas ditentukan oleh kecepatan kuadrat rata-rata. Berapa cepat difusi He dibandingkan kecepatan difusi NO₂?

Jawab: Dengan menggunakan persamaan 6.16, Anda dapat menghsilkan persamaan berikut √(M_He/M_NO) = (kecepatan_NO /kecepatan_He)²

Rasionya adalah 0,295, yang berarti He dapat berdifusi. 3,4 kali lebih cepat dari NO₂.

6.6 Masalah umum gas.

Subskrip 1 dan 2 berkaitan dengan gas 1 dan gas 2. Piliha yang lebih besar untuk setiap pertanyaan.

P adalah tekanan, V volume, T temperatur, M massa molar, u kecepatan kuadrat rata-rata dan N jumlah molekul dalam volume V.

Jawab:

Gas yang mengikuti hukum Boyle dan hukum Charles, yakni hukum gas ideal (persamaan (6.5)), disebut gas ideal. Namun, didapatkan, bahwa gas yang kita jumpai, yakni gas nyata, tidak secara ketat mengikuti hukum gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, semakin kecil deviasinya dari perilaku ideal. Semakin tinggi tekanan gas, atau dengan dengan kata lain, semakin kecil jarak intermolekulnya, semakin besar deviasinya.

Paling tidak ada dua alasan yang menjelaskan hal ini. Peratama, definisi temperatur absolut didasarkan asumsi bahwa volume gas real sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Molekul gas pasti memiliki volume nyata walaupun mungkin sangat kecil. Selain itu, ketika jarak antarmolekul semakin kecil, beberapa jenis interaksi antarmolekul akan muncul.

Fisikawan Belanda Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) mengusulkan persamaan keadaan gas nyata, yang dinyatakan sebagai persamaan keadaan van der Waals atau persamaan van der Waals. Ia memodifikasi persamaan gas ideal (persamaaan 6.5) dengan cara sebagai berikut: dengan menambahkan koreksi pada P untuk mengkompensasi interaksi antarmolekul; mengurango dari suku V yang menjelaskan volume real molekul gas. Sehingga didapat:

[P + (n²a/V²)] (V – nb) = nRT (6.12)

a dan b adalah nilai yang ditentukan secara eksperimen untuk setiap gas dan disebut dengan tetapan van der Waals (Tabel 6.1). Semakin kecil nilai a dan b menunjukkan bahwa perilaku gas semakin mendekati perilaku gas ideal. Besarnya nilai tetapan ini juga berhbungan denagn kemudahan gas tersebut dicairkan.

Tabel 6.1 Nilai tetapan gas yang umum kita jumpai sehari-hari.

Latihan 6.4 Gas ideal dan gas nyata

Suatu sampel 10,0 mol karbon dioksida dimasukkan dalam wadah 20 dm³ dan diuapkan pada temperatur 47 °C. Hitung tekanan karbon dioksida (a) sebagai gas ideal dan (b) sebagai gas nyata. Nilai hasil percobaan adalah 82 atm. Bandingkan dengan nilai yang Anda dapat.

Jawab: Tekanan menurut anggapan gas ideal dan gas nyata adalah sbb:

P = nRT/V = [10,0 (mol) 0,082(dm³ atm mol^-1 K^-1) 320(K)]/(2,0 dm³) = 131 atm

Nilai yang didapatkan dengan menggunakan persamaan 6.11 adalah 82 atm yang identik dengan hasil percobaan.

Hasil ini nampaknya menunjukkan bahwa gas polar semacam karbon dioksida tidak akan berperilaku ideal pada tekanan tinggi.

Karena uap air mudah mengembun menjadi air, telah lama diharapkan bahwa semua gas dapat dicairkan bila didinginkan dan tekanan diberikan. Namun, ternyata bahwa ada gas yang tidak dapat dicairkan berapa besar tekanan diberikan bila gas berada di atas temperatur tertentu yang disebut temperatur kritis. Tekanan yang diperlukan untuk mencairkan gas pada temperatur kritis disebut dengan tekanan kritis, dan wujud materi pada temperatur dan tekanan kritis disebut dengan keadaan kritis.

Temperatur kritis ditentukan oleh atraksi intermolekul antar molekul-molekul gas. Akibatnya temperatur kritis gas nonpolar biasanya rendah. Di atas nilai temperatur kritis, energi kinetik molekul gas jauh lebih besar dari atraksi intermolekular dan dengan demikian pencairan dapat terjadi.

Tabel 6.2 Temperatur dan tekanan kritis beberapa gas yang umum dijumpai.

Di antara nilai-nilai koreksi tekanan dalam tetapan van der Waals, H₂O, amonia dan karbon dioksida memiliki nilai yang sangat besar, sementara oksigen dan nitrogen dan gas lain memiliki nilai pertengahan. Nilai untuk helium sangat rendah.

Telah dikenali bahwa pencairan nitrogen dan oksigen sangat sukar. Di abad 19, ditemukan bahwa gas-gas yang baru ditemukan semacam amonia dicairkan dengan cukup mudah. Penemuan ini merangsang orang untuk berusaha mencairkan gas lain. Pencairan oksigen atau nitrogen dengan pendinginan pada tekanan tidak berhasil dilakukan. Gas semacam ini dianggap sebagai “gas permanen” yang tidak pernah dapat dicairkan.

Baru kemudian ditemukan adanya tekanan dan temperatur kritis. Hal ini berarti bahwa seharusnya tidak ada gas permanen. Beberapa gas mudah dicairkan sementara yang lain tidak. Dalam proses pencairan gas dalam skala industro, digunakan efek Joule-Thomson. Bila suatu gas dimasukkan dalam wadah yang terisolasi dengan cepat diberi tekan dengan menekan piston, energi kinetik piston yang bergerak akan meningkatkan energi kinetik molekul gas, menaikkan temperaturnya (karena prosesnya adiabatik, tidak ada energi kinetik yang dipindahkan ke dinding, dsb). Proses ini disebut dengan kompresi adiabatik. Bila gas kemudian dikembangkan dengan cepat melalui lubang kecil, temperatur gas akan menurun. Proses ini adalahpengembangan adiabatik. Dimungkinkan untuk mendinginkan gas dengan secara bergantian melakukan pengembangan dan penekanan adiabatik cepat sampai pencairan.

Dalam laboratorium, es, atau campuran es dan garam, campuran es kring (padatan CO₂) dan aseton biasa digunakan sebagai pendingin. Bila temperatur yang lebih rendah diinginkan, nitrogen cair lebih cocok karena lebih stabil dan relatif murah.