Memahami Materi Termokimia: Kalor & Entalpi Kimia SMA

 Dalam kehidupan sehari-hari, kita mungkin membutuhkan motor sebagai alat transportasi. Mesin motor dapat bergerak karena adanya reaksi pembakaran antara bensin dan udara. Reaksi tersebut menghasilkan kalor atau energi panas.

Dalam ilmu kimia, banyaknya panas yang dilepas atau diserap dalam suatu reaksi kimia dipelajari dalam termokimia.

Ketika mengamati perpindahan kalor dalam reaksi kimia, kita harus memahami tentang sistem dan lingkungan. Sistem adalah bagian yang dipelajari, yaitu reaktan dan produknya, sedangkan lingkungan adalah bagian di luar sistem, misalnya wadah reaksi dan udara di sekitarnya.

Jenis Sistem

Pertama, sistem terbuka yang memungkinkan terjadinya perpindahan kalor dan materi.

Kedua, sistem tertutup yang hanya memungkinkan terjadinya perpindahan kalor, tetapi tidak dengan perpindahan materi.

Ketiga, sistem terisolasi yang tidak memungkinkan terjadinya perpindahan, baik kalor maupun materi.

Perubahan Entalpi

Semua energi yang dimiliki oleh sistem disebut dengan entalpi, yang dilambangkan dengan H. Entalpi tidak bisa diukur, tetapi perubahan entalpi atau delta H bisa diukur.

Dalam reaksi kimia, reaktan akan berubah menjadi produk, sehingga perubahan entalpi sama dengan H produk dikurangi H reaktan. Jika reaksi kimia berlangsung pada tekanan tetap, perubahan entalpi sama dengan banyaknya kalor yang dilepas atau diserap oleh sistem.

Reaksi Eksoterm dan Endoterm

Berdasarkan hal itu, reaksi termokimia dibagi menjadi dua, yaitu reaksi eksoterm dan reaksi endoterm. Reaksi eksoterm adalah reaksi yang melepaskan kalor ke lingkungan, karena sistem mengalami kenaikan suhu.

Pelepasan kalor menyebabkan entalpi reaksi berkurang, sehingga delta H bernilai negatif. Contoh reaksi eksoterm adalah kayu yang dibakar akan melepaskan kalor ke sekitarnya.

Kebalikan dari eksoterm, reaksi endoterm adalah reaksi yang menyerap kalor dari lingkungan, karena sistem mengalami penurunan suhu. Penyerapan kalor menyebabkan entalpi reaksi bertambah, sehingga delta H bernilai positif.

Contoh reaksi endoterm adalah proses fotosintesis yang menyerap kalor dari matahari. 

Persamaan Termokimia

Dalam termokimia, dikenal juga istilah persamaan termokimia. Persamaan termokimia sama dengan persamaan reaksi kimia biasa, hanya saja dilengkapi dengan nilai perubahan entalpi reaksi atau delta H-nya.

Koefisien zat sama dengan jumlah mol zat tersebut. Persamaan termokimia ini artinya reaksi pembentukan 2 mol NH3 dari 1 mol N2 dan 3 mol H2. Karena delta H-nya negatif, maka reaksi ini melepaskan kalor atau eksoterm.

Jika persamaan kimia arahnya dibalik, maka nilai ΔH akan berubah tanda. Misalnya reaksi pembentukan NH3 ini dibalik menjadi reaksi penguraian NH3, maka delta H yang awalnya negatif berubah tanda menjadi positif.

Jika persamaan termokimia dikalikan dengan faktor tertentu, maka nilai ΔH juga harus dikalikan dengan faktor tersebut. Misalnya reaksi ini dikalikan dengan setengah, maka delta H-nya juga dikalikan dengan setengah.

Perubahan entalpi dipengaruhi oleh jumlah dan wujud zat, serta suhu dan tekanan. Perubahan entalpi yang diukur pada keadaan standar, yaitu pada suhu 25°C dan tekanan 1 atm, disebut dengan perubahan entalpi standar.

Baca juga: Materi Unsur Golongan Utama Kimia SMA

Perubahan Entalpi Penetralan Standar

Berdasarkan jenis reaksinya, perubahan entalpi standar dibedakan sebagai berikut.

Perubahan entalpi pembentukan standar adalah perubahan entalpi pada pembentukan 1 mol zat dari unsur-unsurnya, yang diukur pada keadaan standar. Karena pembentukan 1 mol zat, maka koefisien produk-nya harus 1.

Perubahan entalpi penguraian standar adalah perubahan entalpi pada penguraian 1 mol zat menjadi unsur-unsurnya, yang diukur pada keadaan standar. Karena penguraian 1 mol zat, maka koefisien reaktan-nya harus 1.

Perubahan entalpi pembakaran standar adalah perubahan entalpi pada pembakaran sempurna 1 mol zat pada keadaan standar. Reaksi pembakaran artinya reaksi dengan oksigen dan koefisien zat yang dibakar harus 1.

Perubahan entalpi netralisasi standar adalah perubahan entalpi pada penetralan 1 mol basa oleh asam, atau sebaliknya pada keadaan standar.

Bagaimana cara menghitung perubahan entalpi pada suatu reaksi kimia?

Perubahan entalpi dapat dihitung dengan empat cara. Cara pertama adalah kalorimetri untuk menentukan perubahan kalornya. Kalor reaksi sama dengan minus, dalam kurung, kalor sistem ditambah kalor kalorimeter.

Kalor sistem dapat dihitung dengan rumus massa total dikali kalor jenis zat dikali perubahan suhu. Sedangkan kalor kalorimeter dapat dihitung dengan rumus kapasitas kalor kalorimeter dikali perubahan suhu.

Jika kalor kalorimeter diabaikan, maka tidak perlu dimasukkan dalam perhitungan. Karena perubahan entalpi adalah banyaknya kalor tiap mol zat, maka delta H sama dengan kalor reaksi dibagi dengan jumlah mol zatnya.

Hukum Hess

Cara kedua adalah menggunakan Hukum Hess.

Hukum Hess menyatakan bahwa perubahan entalpi suatu reaksi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir, tidak bergantung pada jalannya reaksi.

Jika jenis reaktan dan produk yang dihasilkan sama, bagaimana pun tahapan reaksinya, maka nilai perubahan entalpinya juga sama. Contohnya reaksi pembentukan CO2.

Reaksi dengan satu tahapan atau dua tahapan melalui CO, memiliki nilai perubahan entalpi yang sama, sehingga dapat kita simpulkan bahwa delta H satu sama dengan delta H dua ditambah delta H tiga.

Cara ketiga dengan menggunakan data delta H pembentukan standar dari masing-masing zat yang terlibat. Contohnya kita hitung delta H dari reaksi pembakaran CH4 berikut.

Di reaktan, total delta H sama dengan delta H CH4 ditambah dua kali delta H O2 Di produk, total delta H sama dengan delta H CO2 ditambah dua kali delta H H2O.

Delta H reaksi sama dengan total delta H pembentukan standar produk dikurangi dengan total delta H pembentukan standar reaktan. Delta H pembentukan standar dari unsur seperti O2 sama dengan nol, sehingga dapat kita hilangkan dari perhitungan.

Cara keempat dengan menggunakan data energi ikatan dari masing-masing zat. Misalnya kita hitung delta H dari reaksi antara CH4 dengan Cl2.

Agar lebih mudah dan jelas, kita gambarkan ikatan antar unsur dalam setiap zat seperti berikut. Di reaktan, total energi ikatan sama dengan 4 energi ikatan C-H ditambah 1 energi ikatan Cl-Cl. Di produk, total energi ikatan sama dengan 3 energi ikatan C-H ditambah 1 energi ikatan C-Cl ditambah 1 energi ikatan H-Cl

Delta H reaksi sama dengan total energi ikatan reaktan dikurangi dengan total energi ikatan produk. Dalam kehidupan, termokimia banyak diterapkan. Engineer menggunakan termokimia untuk merancang proses produksi yang melibatkan reaksi kimia, agar berjalan lebih efektif dan efisien.

Kalor dari reaksi kimia juga banyak dimanfaatkan, misalnya kalor dari pembakaran LPG untuk memasak dan kalor dari pembakaran batu bara untuk pembangkit listrik.