Penentuan Entalpi Reaksi (∆H) melalui Eksperimen Menggunakan Kalorimeter

Entalpi reaksi dapat ditentukan melalui pengukuran secara langsung di laboratorium berdasarkan perubahan suhu reaksi karena suhu merupakan ukuran panas (kalor). Prinsip utama dalam perhitungan entalpi adalah asas Black yang berbunyi kalor yang diserap akan sama dengan kalor yang dilepas selama reaksi berlangsung. Metode pengukuran entalpi reaksi disebut kalorimetri. Sedangkan alat yang digunakan untuk mengukur perubahan entalpi disebut kalorimeter (alat pengukur kalor). Ada bermacam-macam alat ini, salah satunya adalah kalorimeter bom. Kalorimeter yang lebih sederhana yang sering dijumpai dalam laboratorium adalah kalorimeter termos atau kalorimeter gelas kopi (coffee cup calorimeter).

1. Kapasitas Kalor dan Kalor Jenis

Kapasitas kalor (heat capacity, C) adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu sejumlah zat sebesar 1°C. Kapasitas kalor merupakan sifat ekstensif sehingga besarnya tergantung pada ukuran materi.

Suatu sifat intensif yang dihubungkan dengan kapasitas kalor yaitu kalor jenis (specific heat, c). Kalor jenis adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram zat sebesar 1°C. Hubungan antara kapasitas kalor (C) dan kalor jenis (c) ditunjukan dengan persamaan 

C = m x c

di mana m adalah massa zat dalam gram. Untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1°C diperlukan kalor sebesar 4,2 J. Jumlah kalor ini disebut kalor jenis air (c_air= 4,2 J g^-1 °C^-1).

Dengan mengetahui kalor jenis (C) dan jumlah zat (m), perubahan suhu suatu proses (∆T) maka jumlah kalor (q) yang diserap atau dilepas oleh suatu proses dapat dihitung. Persamaan untuk menghitung perpindahan kalor sebagai berikut:

q  =  m ∙ c ∙ ∆T

atau

q = C x ∆T

Contoh Soal Jumlah kalor yang diserap air

Berapa jumlah kalor yang diterima atau kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg dari suhu 20°C menjadi 30°C, jika diketahui kalor jenis air = 4,2 J /g °C.

Penyelesaian

m = 1 kg = 1000 g

∆T = (30-20) °C = 10°C

c = 4,2 J/g °C

Rumus :

          q = m c ∆T

= 1000 g  x    4,2 J/g C    x    10 °C

= 42000 J

= 42 kJ

Jadi, kalor yang diterima atau kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg air sebesar 42 kJ

2. Kalorimetri Volume Konstan

Gambar Kalorimeter Bom dan bagian-bagiannya (Sumber gambar http://hrsbstaff.ednet.ns.ca/benoitn/chem12/thermochemistry/calorimeter/bomb_calorimeter.htm)

Reaksi yang melibatkan gas, seperti pada reaksi pembakaran, entalpi reaksi biasnya ditentukan menggunakan kalorimeter bom. Kalorimeter bom merupakan jenis kalorimeter volume konstan.

Kalorimeter bom terdiri dari sebuah bom (wadah yang terbuat dari baja) sebagai ruang reaksi. Kemudian bom tersebut dibenamkan ke dalam penangas air yang dilengkapi dengan termometer dan pengaduk (stirer).

Air sebagai penangas telah diketahui massanya dan berfungsi untuk mencegah masuk atau keluarnya kalor. Kalorimeter bom dirancang dalam keadaan terisolasi, sehingga kalor reaksi hanya akan diserap oleh bom dan air.

q_reaksi = - (q_bom + q_air)

Jumlah kalor yang diserap oleh bom atau kalorimeter (q_bom) dihitung menggunakan persamaan:

q_bom = C_bom x ∆T

keterangan :

q_bom   =   kalor yang diserap bom (J)

C_bom  =   kapasitas kalor bom (J/ C atau J/K)

ΔT     =   perubahan suhu (C atau K)

Jumlah kalor yang diserap oleh air (q_air) dihitung menggunakan persamaan:

q_air   =  m ∙ c ∙ ∆T

keterangan :

q_air =  kalor yang diserap air (J)

m   =  massa penangas air (g)

C   =  kapasitas kalor zat (J/ C atau J/K)

c    =  kalor jenis zat (J/g C atau J/gK)

ΔT = perubahan suhu (C atau K)

3. Kalorimeter Tekanan Konstan

Gambar Kalorimeter gelas kopi (coffee cup calorimeter)

Dalam laboratorium kalorimeter sederhana dapat dibuat dari dua gelas gabus (Styrofoam) atau plastik, yang dilengkapi dengan termometer dan pengaduk (stirrer). Kalorimeter sederhana sering disebut kalorimeter termos atau kalorimeter gelas kopi (coffee cup calorimeter) dan merupakan kalorimeter tekanan kontan. Kalorimeter gelas kopi biasanya digunakan untuk menentukan perubahan kalor reaksi-reaksi yang melibatkan larutan seperti reaksi asam basa, kalor pelarutan maupun kalor pengenceran. Kalorimeter sederhana tidak disarankan untuk mengukur kalor untuk reaksi yang menghasilkan gas (reaksi pembakaran) maupun reaksi yang eksplosif.

Gabus dan plastik tidak menyerap kalor sehingga dianggap tidak menyerap kalor reaksi. Karena tidak ada kalor yang diserap oleh kalorimeter maka kalor reaksi hanya ditentukan dengan mengkur perubahan suhu larutan. Jika reaksi berlangsung eksoterm maka kalor diserap oleh larutan yang ditandai dengan meningkatnya suhu larutan. Begitupun sebaliknya, jika reaksi berlangsung endoterm maka kalor diambil dari larutan yang ditandai dengan menurunnya suhu larutan.

q_reaksi = -q_larutan

Jumlah kalor yang diserap oleh larutan (q_larutan) dihitung dengan persamaan berikut.

q_larutan   =  m ∙ c ∙ ∆T

dimana  m= massa larutan (gram),  c= kalor jenis zat  (J/g C atau J/gK),  ∆T= perubahan suhu

Nilai perubahan kalor yang diukur menggunakan kolorimeter tekanan konstan sama dengan perubahan entalpi reaksi tersebut.

∆H = q_p

Contoh Soal ∆H Netralisasi

Sebanyak 100 mL larutan HCl 0,5 M direaksikan dengan 100 mL NaOH 0,5M dalam kalorimeter sederhana yang terbuat dari Styrofoam. Suhu awal larutan sama yaitu 25°C. Setelah larutan dicampur suhu naik menjadi 29°C. Jika kalor jenis dan massa jenis larutan dianggap sama dengan air yaitu 4,2 J g^-1 °C^-1 dan 1 g/ mL. Tentukan perubahan entalpi reaksi berikut :

HCl(aq) + NaOH(aq) ⟶ NaCl(aq) + H₂O(l)

Penyelesaian

Massa jenis larutan     =   1 g/mL

Massa larutan (m)        =   Massa HCl + Massa NaOH

=   (massa jenis HCl x volume HCl) + (massa jenis NaOH x volume NaO)

=   (1 g/mL x 100 mL) + (1 g/mL x 100 mL)

=   100 g + 100 g

=   200 g

Kalor jenis larutan (c) = 4,2 J g^-1 °C^-1

Perubahan suhu (∆T) = (29-25) °C = 4°C

Mol HCl = Mol NaOH = 0,5 M x 100 mL

                                      = 50 mmol

                                      = 0,05 mol

Entalpi larutan dapat dihitung dengan persamaan berikut ini.

q   =  m ∙ c ∙ ∆T

      =  200 g  x  4,2 J g^-1 °C^-1  x 4 °C

      =  3360 J

      =  3,36 kJ

Reaksi di atas dilangsungkan pada tekanan tetap maka perubahan entalpi reaksi sama dengan perubahan entalpi larutan. Pada reaksi tersebut terjadi kenaikan suhu larutan sehingga entalpi reaksi bernilai negatif (-3,36). Entalpi reaksi hasil hitungan adalah perubahan entalpi ketika 0,05 mol HCl bereaksi dengan 0,05 mol NaOH membentuk 0,05 mol H₂O. Karena yang ditanyakan entalpi netralisasi (ΔH_neut) maka kita harus menghitung entalpi yang akan dihasilkan ketika 1 mol HCl bereaksi dengan 1 mol NaOH membentuk 1 mol H₂O.

perubahan entalpi netralisasi (ΔH_neut) = (1 mol/0,05 mol)  x (˗3,36 kJ)

                                                               = ˗60 kJ

Jadi persamaan termokimia reaksi netralisasi yang terjadi adalah sebagai berikut.

HCl(aq) + NaOH(aq) ⟶ NaCl(aq) + H₂O(l)           ∆H= -60 kJ/mol

Contoh soal menggunakan data kalorimetri

Sebanyak 10 gram kristal LiOH ditambahkan ke dalam kalorimeter yang berisi 120 gram air. Setelah kristal LiOH larut, ternyata suhu kalorimeter beserta isinya naik dari 26°C menjadi 38°C. M_r. LiOH= 24 dan kalor jenis larutan 4,2 J g^-1 °C^-1.

Tentukan :

a.       entalpi pelarutan LiOH dalam air, jika kalor dari kalorimeter diabaikan

b.      entalpi pelarutan LiOH dalam air, jika kapasitas kalor kalorimeter 11,7 J C^-1

Penyelesaian

massa larutan (m)        =  10 g + 120 g = 130 g

c          =  4,2 J g^-1 °C^-1

∆T       =  (38 – 26) °C= 12 °C

mol LiOH = massa LiOH/massa molar LiOH

                  = 10 / 24  

                  = 0,42 mol

a.       entalpi pelarutan LiOH dalam air, jika kalor dari kalorimeter diabaikan

q = m ∙ c ∙ ∆T

   = 130 g x 4,2 J g^-1 °C^-1 x 12 °C

   = 6552 J

   = 6,55 kJ

Entalpi hasil hitungan di atas bernilai negatif (-6,55) karena terjadi peningkatan suhu larutan. Entalpi tersebut merupakan entalpi ketika 0,42 mol (10 g) LiOH dilarutkan. Karena yang ditanyakan entalpi pelarutan (ΔH_sol), maka kita harus menghitung entalpi yang akan dihasilkan ketika 1 mol LiOH dilarutkan dalam air.

Entalpi pelarutan LiOH = (1 mol)/(0,42 mol)  x (-6,55 kJ)

                                        = 15,59 kJ

b.      entalpi pelarutan LiOH dalam air, jika kapasitas kalor kalorimeter 11,7 J C^-1

q_reaksi = - (q_larutan  +   q_kalorimeter)

q_larutan      = 130 g x 4,2 J/g C x 12 °C  = 6552 J

q_kalorimeter  = 11,7 kJ/ °C  x  12 °C         = 140,4 J

q_reaksi = - (6552 J + 140,4 J)

= - 6692,4 J

= - 6,69 kJ

Entalpi pelarutan LiOH = (1 mol)/(0,42 mol)  x (-6,69 kJ)

                                       = -15,93 kJ

Jadi, entalpi atau kalor pelarutan (ΔH_sol) LiOH adalah -15,93 kJ.

Contoh Soal Menentukan ∆H Reaksi

Dalam kalorimeter yang telah dikalibrasi dan terbuka direaksikan 50 g alkohol dan 3 g logam natrium. Jika suhu awal campuran 30°C dan setelah reaksi suhunya 75°C, tentukan ΔH_reaksi. Diketahui kalor jenis larutan 3,65 J g^-1 °C^-1, kapasitas kalor kalorimeter 150 J °C^-1, dan suhu kalorimeter naik sebesar 10°C.

Penyelesaian

Kalor yang terlibat dalam reaksi:

q_reaksi = –(q_larutan + q_kalorimeter)

q_larutan  =  (m_larutan) (c_larutan) (∆T)

                        =  (50 + 3 g) (3,65 J g^–1°C^–1) (45 °C)

=  8.705,25 J

q_kalorimeter  =  (C) (ΔT)

                            =  (150 J °C^–1) (10 °C)

                            =  1.500 J

q_reaksi   = -(8.705,25 J + 1.500 J)

          = -10.205,25 J

          = -10,205 kJ

Jadi, reaksi alkohol dan logam natrium dilepaskan kalor sebesar 10.205 kJ. Karena percobaan dilakukan pada tekanan tetap maka Q_reaksi = ΔH_reaksi = -10,205 kJ.

LATIHAN SOAL

1.      Berapa kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 50 g air dari 25°C menjadi 60°C? Diketahui kalor jenis air, c = 4,2 J g^-1°C^-1.

2.      10 g NaOH dimasukkan dalam kalorimeter yang berisi 150 g air. Jika kalor jenis air= 4,2 J/g °C, M_r.NaOH = 40 dan selisih suhu sebelum dan sesudah reaksi= 5 °C, maka hitunglah :

a.         entalpi pelarutan NaOH, bila jumlah kalor dari kalorimeter diabaikan.

b.        entalpi pelarutan NaOH, bila menggunakan bejana aluminium dan tanpa mengabaikan banyaknya kalor dari kalorimeter (kapasitas kalor kalorimeter = 9,1 kJ/ °C)

3.         50 mL larutan HCl 1M yang suhunya 22°C dicampur dengan 50 mL larutan NaOH 1 M yang suhunya 22°C. Pada reaksi tersebut terjadi kenaikan suhu sampai 29°C. Tentukan, ∆H netralisasi dan tulis persamaan termokimia reaksi tersebut.