Pendahuluan
Banyak gas yang terdapat di bumi yang tidak pernah kita sadari banyak berguna bagi kehidupan manusia. Jika tidak ada gas manusia dan kehidupan di bumi tidak pernah ada, jika tidak ada gas/udara pesawat tidak bisa terbang, jika tidak ada gas parfum tidak bisa di difusikan dan banyak lagi.
Kita bisa tau seperti apa sifat-sifat gas dan apakah sama sifat-sifat gas dalam kimia dengan sifat-sifat fisika, dan mengenal siapa-siapa saja yang telah berperan dalam menemukan dan menguji seperti apa karakter gas tersebut.
Maka dari itu penulis sangat tertarik untuk mempelajari dan membuat makala tentang gas tersebut dan semoga dapat bermamfaat bagi semua orang.
Pembahasan
Apa itu gas? Gas adalah materi yang encer. Sifat ini disebabkan interaksi yang lemah antara partikel-partikel penyusunnya sehingga perilaku termalnya relatif sederhana.
Sifat-sifat gas
Sifat-sifat gas jauh berbeda dengan sifat-sifat cair maupun padat. Perbedaan ini dapat dilukiskan sebagai berikut :
Gas dengan masa yang sama dengan masa cair atau padat akan menempati ruangan yang jauh lebih besar dibanding dengan cair atau padat.
Gas tidak mempunyai volume tertentu, sedangkan zat cair dan padat mempunyai volume tertentu.
Gas tidak mempunyai bentuk, gas akan mengisi seluruh ruangan, bentuk gas ditentukan oleh bentuk ruangan, hal yang sama terjadi pada cairan. Bentuk cairan ditentukan oleh wadah dimana cairan itu berada. Tapi zat padat mempunyai bentuk.
Gas dapat berdifusi yang menghasilkan bau-bauan yang dapat menyebar keseluruh ruangan.
Gas mudah dimampatkan, sedangkan cairan dan padat sulit.
Bila dipanaskan gas akan mengembang, bila didinginkan akan mengkerut.
Gas dapat ditekan dengan tekanan luar. Bila tekanan luar dikurangi, gas akan mengembang.
Tekanan Atmosfir (udara )
Karena gaya tarik grafitasi bumi, gas-gas yang berada di atmosfir akan tertarik ke permukaan bumi. Dengan perkataan lain, gas yang berada diudara itu mempunyai masa. Oleh sebab itu gas-gas ini dapat melakukan suatu tekanan atmosfir.
Hal ini telah dibuktikan oleh Evangelista Torricelli (1608-1647) dari percobaan berikut :
Mula-mula tabung gelas yang panjangnya 1 m, yang salah satu ujungnya tertutup, diisi dengan air raksa. Kemudian tabung itu dibalikan dalam bak yang berisi air raksa, sehingga ujung tertutup menjulang keatas. Ternyata air raksa dalam tabung tak mau turun ke bak, disamping itu bagian atas tabung tetap kosong. Bila percobaan ini dilakukan diatas laut, tinggi air raksa dalam tabung ialah 76 cm. Tapi bila dilakukan diatas bukit, maka tinggi air raksa didalam tabung akan kurang dari 76 cm.
Menurut torricelli tekanan udara(atmosfir) yang menekan bagian bak terbuka dari barometer akan mengakibatkan naiknya air raksa dalam tabung gelas. Jadi tingginya permukaan air raksa dalam tabung akan sama dengan besarnya tekanan udara. Bagian yang kosong yang terletak dibagian atas barometer itu, merupakan ruangan hampa yang mengandung hanya beberapa molekul air raksa dalam bentuk uap.
Tekanan didefinisikan sebagai besarnya gaya yang bekerja per satuan luas, misalnya tekanan diukur dalam kg/m2(satuan SI), N/m2 atau pa(pascal).
1 N/m2 = 1 pa
1 atmosfir didefinisikan sebagai tekanan udara pada permukaan laut pada 0 oC. Berdasarkan percobaan Torricelli didapatkan tinggi air raksa dalam barometer pada permukaan laut ialah 76 cm = 760 mm. Jadi 1 atmosfir sama dengan 760 mm Hg = 760 torr ( torr berasal dari nama penemunya yakni torricelli)
1 mm Hg = 1 torr
1 atm = 760 mm Hg = 760 torr
Hubungan antara tekanan dan Volume gas
Pada tahun 1660, Robert Boyle menyusun suatu hukum yang dikenal sebagai hukum boyle yang bunyinya:
pada tempratur konstan, volume suatu gas berbanding terbalik dengan tekanan yang dilakukan pada gas tersebut. Jadi :
V ∞ 1/P
Sehingganya, bila tekanan diperbesar, volume akan menjadi kecil dan sebaliknya.
Hubungan ini disebut dengan hukum Boyle.
PV = k (suatu tetapan)
Bentuk lain dari hokum Boyle :
P1.V1 = P2.V2
Volume dan gas
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. Pada tahun 1787 Jacques Charles (1746-1823) menyusun hukum yang bunyinya ;
“ Pada tekanan konstan, volume suatu gas berbanding lurus dengan tempratur gas (tempratur dalam K)”
V ∞ T atau V = k
Hukum Charles dapat ditulis sbb :
V1/T1=V2/T2
k ialah suatu konstanta, semakin tinggi suhu gas makin besar volume ruangan yang akan diduduki oleh gas tersebut. Sedangkan masa gas tak akan dipengaruhi oleh perubahan suhu, maka kerapatan gas akan berkurang dengan naiknya suhu. Dengan perkataan lain, gas yang akan bersuhu tinggi akan naik keatas. 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. 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.
Pada tahun 1802, Joseph Gay-lussac (1778-1850) menyatakan : pertambahan volume gas per kenaikan tempratur sebesar 1oK pada P konstan ialah 1/273 kali volume gas semula.
Energy kinetik dari moleku-molekul gas.
Di pertengahan abad ke-19, ilmuwan mengembangkan suatu teori baru untuk menggantikan teori kalorik. Teori ini bedasarkan pada anggapan bahwa zat disusun oleh partikel-partikel sangat kecil yang selalu bergerak. Bunyi teori Kinetik adalah sebagai berikut:
Dalam benda yang panas, partikel-partikel bergerak lebih cepat dan karena itu memiliki energi yang lebih besar daripada partikel-partikel dalam benda yang lebih dingin.
Teori Kinetik (atau teori kinetik pada gas) berupaya menjelaskan sifat-sifat makroscopik gas, seperti tekanan, suhu, atau volume, dengan memperhatikan komposisi molekular mereka dan gerakannya. Intinya, teori ini menyatakan bahwa tekanan tidaklah disebabkan oleh denyut-denyut statis di antara molekul-molekul, seperti yang diduga Isaac Newton, melainkan disebabkan oleh tumbukan antar molekul yang bergerak pada kecepatan yang berbeda-beda. Teori Kinetik dikenal pula sebagai Teori Kinetik-Molekular atau Teori Tumbukan atau Teori Kinetik pada Gas.
Temperatur merupakan ukuran energy kinetik rata-rata dari moleku-molekul gas. Bila tempratur dinaikan, energy kinetik juga bertambah, energy kinetik rata-rata dari molekul dinyatakan dalam KE = (1/2) mv2 , jadi bila tempratur diperbesar maka v jugaakan besar. Makin besar kecepatan molekul, makin lebih sering molekul itu bertabrakan dengan dinding bejana. Bila tempreratur diperkecil, kecepatan gerak molekul akan menurun dan pada suatu saat akan sama dengan nol, hal ini terjadi pada 0 K. oleh sebab itu 0K disebut suhu nol absolut.
Teori kinetik gas
Teori ini didasarkan atas 3 pengandaian :
Gas terdiri daripada molekul-molekul yang bergerak secara acak dan tanpa henti.
Ukuran molekul-molekul dianggap terlalu kecil sehingga boleh diabaikan, maksudnya garis pusatnya lebih kecil daripada jarak purata yang dilaluinya antara perlanggaran.
Molekul-molekul gas tidak berinteraksi antara satu sama lain. Perlanggaran sesama sendiri dan dengan dinding bekas adalah kenyal iaitu jumlah tenaga kinetik molekulnya sama sebelum dan sesudah perlanggaran.
Gas ideal
Teori untuk gas ideal memiliki asumsi-asumsi berikut ini :
Gas terdiri dari partikel-partikel sangat kecil, dengan [[massa] tidak nol.
Banyaknya molekul sangatlah banyak, sehingga perlakuan statistika dapat diterapkan.
Molekul-molekul ini bergerak secara konstan sekaligus acak. Partikel-partike yang bergerak sangat cepat itu secara konstan bertumbukan dengan dinding-dinding wadah.
Tumbukan-tumbukan partikel gas terhadap dinding wadah bersifat lenting (elastis) sempurna.
Interaksi antarmolekul dapat diabaikan (negligible). Mereka tidak mengeluarkan gaya satu sama lain, kecuali saat tumbukan terjadi.
Keseluruhan volume molekul-molekul gas individual dapat diabaikan bila dibandingkan dengan volume wadah. Ini setara dengan menyatakan bahwa jarak rata-rata antarpartikel gas cukuplah besar bila dibandingkan dengan ukuran mereka.
Molekul-molekul berbentuk bulat (bola) sempurna, dan bersifat lentur (elastic).
Energi kinetik rata-rata partikel-partikel gas hanya bergantung kepada suhu sistem.
Efek-efek relativistik dapat diabaikan.
Efek-efek Mekanika kuantum dapat diabaikan. Artinya bahwa jarak antarpartikel lebih besar daripada panjang gelombang panas de Broglie dan molekul-molekul dapat diperlakukan sebagai objek klasik.
Waktu selama terjadinya tumbukan molekul dengan dinding wadah dapat diabaikan karena berbanding lurus terhadap waktu selang antartumbukan.
Persamaan-persamaan gerak molekul berbanding terbalik terhadap waktu.
Lebih banyak pengembangan menenangkan asumsi-asumsi ini dan didasarkan kepada Persamaan Boltzmann. Ini dapat secara akurat menjelaskan sifat-sifat gas padat, sebab mereka menyertakan volume molekul. Asumsi-asumsi penting adalah ketiadaan efek-efek quantum, kekacauan molekular dan gradien kecil di dalam sifat-sifat banyaknya. Perluasan terhadap orde yang lebih tinggi dalam kepadatan dikenal sebagai perluasan virial. Karya definitif adalah buku tulisan Chapman dan Enskog, tetepi terdapat pengembangan yang lebih modern dan terdapat pendekatan alternatif yang dikembangkan oleh Grad, didasarkan pada perluasan momentum. Di dalam batasan lainnya, untuk gas yang diperjarang, gradien-gradien di dalam sifat-sifat besarnya tidaklah kecil bila dibandingkan dengan lintasan-lintasan bebas rata-ratanya. Ini dikenal sebagai rezim Knudsen regime dan perluasan-perluasannya dapat dinyatakan dengan Bilangan Knudsen.
Penggabungan hukum boyle dan hukum Charles menghasilkan suatu hukum baru yang dikenal sebagai hukum gas Idea.
PV/T=K atau
P1V1/T1=P2V2/T2
Persamaan ini disebut dengan persamaan gas ideal dan dapat digunakan untuk gas-gas yang temperaturnya tak begitu rendah dan tekanannya kecil dari 10 atm.
Menurut hipotesa Avogadro, pada P dan T yang sama, volume gas yang sama akan mengandung banyak moleku gas yang sama pula. Jadi V ∞ n.
Diketahui :
PV⁄(T=k) maka
PV/T =nRT atau
PV =nRT
Persamaan ini dikenal dengan persamaan gas ideal, dan R disebut sebagai tetapan molar gas.
