Kimia notesnota, bab 3

Termokimia

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Kimia Tingkatan 5 (KSSM), pageshalaman 113–140

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh mendeduksikan tindak balas eksotermik dan endotermik melalui aktiviti (3.1.1)
Saya boleh mentafsir dan melukis gambar rajah aras tenaga, serta mengaitkan pemutusan dan pembentukan ikatan dengan perubahan haba (3.1.2)
Saya boleh menentukan haba pemendakan melalui aktiviti dan pengiraan daripada Q = mcθ (3.2.1)
Saya boleh menentukan haba penyesaran melalui aktiviti dan pengiraan (3.2.2)
Saya boleh membandingkan haba peneutralan bagi asid kuat, asid lemah, alkali kuat dan alkali lemah melalui eksperimen (3.2.3)
Saya boleh membandingkan haba pembakaran beberapa jenis alkohol dan menghitung jisim bahan api yang diperlukan (3.2.4)
Saya boleh menyatakan contoh aplikasi tindak balas eksotermik dan endotermik dalam kehidupan harian (3.3.1)
Saya boleh menghitung nilai bahan api dan memilih bahan api yang sesuai (3.3.2)

3.1Perubahan haba dalam tindak balas

Semasa tindak balas kimia berlaku, tenaga haba sama ada dibebaskan atau diserap. Contohnya, tangan berasa sejuk apabila cecair pembasmi kuman beralkohol meruap, dan berasa panas apabila serbuk detergen dilarutkan dalam air.

Tindak balas eksotermik membebaskan haba ke persekitaran, jadi suhu persekitaran meningkat dan bekas menjadi panas. Tindak balas endotermik menyerap haba daripada persekitaran, jadi suhu persekitaran menurun dan bekas menjadi sejuk.

	Tindak balas eksotermik	Tindak balas endotermik
Haba	Dibebaskan ke persekitaran	Diserap daripada persekitaran
Suhu campuran	Meningkat (bekas panas)	Menurun (bekas sejuk)
ΔH	Negatif	Positif
Contoh	Respirasi, pengoksidaan logam, tindak balas peneutralan, pembakaran bahan api, penghasilan ammonia, melarutkan natrium hidroksida dalam air	Fotosintesis, penguraian karbonat logam atau nitrat logam apabila dipanaskan, melarutkan garam ammonium dalam air

Aktiviti makmal 3A: menentukan jenis tindak balas

Sukat 20 cm³ air suling ke dalam cawan polistirena, catat suhu awal, kemudian tambahkan satu spatula pepejal (natrium hidroksida, ammonium nitrat, natrium tiosulfat atau kalsium klorida kontang) dan kacau dengan termometer.
Catat suhu tertinggi atau terendah campuran. Jika suhu naik, bahan itu melepaskan haba (eksotermik); jika suhu turun, bahan itu menyerap haba (endotermik).
Natrium hidroksida mengakis: kendalikan dengan cermat. Cawan polistirena digunakan kerana polistirena penebat haba yang baik, jadi kehilangan haba ke persekitaran kecil.

Pepejal ammonium nitrat dilarutkan dalam air dan cawan terasa sejuk. Adakah ini tindak balas eksotermik atau endotermik?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Endotermik: haba diserap daripada air dan cawan, maka suhu menurun.

Gambar rajah aras tenaga

Haba tindak balas, ΔH ialah perubahan haba apabila satu mol bahan tindak balas bertindak balas atau satu mol hasil tindak balas yang terbentuk. Unit: kJ mol⁻¹.
ΔH = H(hasil tindak balas) − H(bahan tindak balas)

Simbol Δ disebut delta, huruf keempat dalam abjad Yunani yang mewakili perbezaan atau perubahan. Apabila haba dibebaskan, ΔH bertanda negatif; apabila haba diserap, ΔH bertanda positif. Persamaan termokimia ialah persamaan seimbang yang menyatakan nilai ΔH. Nilai ΔH merujuk kepada bilangan mol dalam persamaan itu.

Gambar rajah aras tenaga: Mg(p) + H2SO4(ak) pada aras tinggi, MgSO4(ak) + H2(g) pada aras rendah, anak panah ke bawah berlabel delta H = -467 kJ mol-1 — Tindak balas eksotermik: jumlah tenaga **hasil** lebih **rendah** daripada bahan tindak balas, maka ΔH negatif. (Dilukis semula daripada Rajah 3.1, m.s. 118)

Gambar rajah aras tenaga: N2(g) + O2(g) pada aras rendah, 2NO(g) pada aras tinggi, anak panah ke atas berlabel delta H = +180 kJ mol-1 — Tindak balas endotermik: jumlah tenaga **hasil** lebih **tinggi** daripada bahan tindak balas, maka ΔH positif. (Dilukis semula daripada Rajah 3.2, m.s. 118)

Langkah melukis gambar rajah aras tenaga

1. Lukis anak panah ke atas dan tulis label "Tenaga".
2. Lukis dua aras tenaga.
3. Tulis bahan tindak balas dan hasil tindak balas pada aras tenaga yang betul.
4. Lukis anak panah dari aras bahan tindak balas ke aras hasil tindak balas.
5. Tulis ΔH berserta nilai.

Baca tanda ΔH daripada anak panah: anak panah ke bawah = haba dibebaskan = −; anak panah ke atas = haba diserap = +.

Persamaan termokimia penguraian kalsium karbonat ialah CaCO₃(p) → CaO(p) + CO₂(g), ΔH = +540 kJ mol⁻¹. Di manakah aras CaCO₃ berbanding aras CaO + CO₂, dan apakah jenis tindak balasnya?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

ΔH positif, maka hasil (CaO + CO₂) berada pada aras yang lebih tinggi daripada CaCO₃. Tindak balas ini endotermik.

Perubahan tenaga semasa pemutusan dan pembentukan ikatan

Semasa tindak balas kimia, ikatan dalam bahan tindak balas diputuskan (haba diserap) dan ikatan baru dalam hasil tindak balas terbentuk (haba dibebaskan).
Tindak balas eksotermik: haba yang dibebaskan semasa pembentukan ikatan dalam hasil lebih besar daripada haba yang diserap untuk memutuskan ikatan dalam bahan tindak balas.
Tindak balas endotermik: haba yang diserap untuk memutuskan ikatan lebih besar daripada haba yang dibebaskan semasa pembentukan ikatan.

Ikatan	Tenaga ikatan (kJ mol⁻¹)
H–H	436
Cl–Cl	243
H–Cl	432

Jadual 3.1, m.s. 119.

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

Haba diserap untuk memutuskan ikatan = 436 + 243 = 679 kJ
Haba dibebaskan semasa membentuk 2 ikatan H–Cl = 2 × 432 = 864 kJ
ΔH = 679 − 864 = −185 kJ mol⁻¹ (eksotermik)

Profil tenaga tindak balas hidrogen dengan klorin: tenaga pengaktifan, tenaga diserap 436 kJ + 243 kJ, tenaga dibebaskan 2 x 432 kJ, delta H = -185 kJ mol-1 — Profil tenaga yang menunjukkan hubungan pemutusan dan pembentukan ikatan dalam tindak balas eksotermik.

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 (KSSM), m.s. 119 (Rajah 3.3).

Menulis bahawa "tenaga dibebaskan apabila ikatan diputuskan". Pemutusan ikatan sentiasa menyerap tenaga; pembentukan ikatan yang membebaskan tenaga.

3.2Haba tindak balas

Haba tindak balas dinamakan mengikut jenis tindak balas: haba pemendakan, haba penyesaran, haba peneutralan dan haba pembakaran. Nilainya ditentukan melalui eksperimen dengan mengukur perubahan suhu semasa tindak balas berlaku.

Langkah mengira haba tindak balas

Langkah 1: tentukan bilangan mol, n, bahan tindak balas atau hasil yang terbentuk. Bagi larutan, n = MV/1000 (V dalam cm³).
Langkah 2: hitung perubahan haba, Q = mcθ (m = jisim larutan dalam g, c = 4.2 J g⁻¹ °C⁻¹, θ = perubahan suhu).
Langkah 3: hitung perubahan haba bagi 1 mol bahan, iaitu Q ÷ n.
Langkah 4: tulis haba tindak balas, ΔH, dengan tanda + atau − dan unit kJ mol⁻¹ (suhu naik: −; suhu turun: +).

Anggapan dalam pengiraan: ketumpatan larutan akueus = 1 g cm⁻³; muatan haba tentu larutan = 4.2 J g⁻¹ °C⁻¹; tiada kehilangan haba ke persekitaran; tiada haba diserap oleh radas. Tukar J kepada kJ dengan membahagi 1000. Jisim m ialah jumlah isi padu larutan selepas bercampur.

Jenis haba	Definisi: perubahan haba apabila…	n mewakili mol
Pemendakan	1 mol mendakan terbentuk daripada ion-ionnya dalam larutan akueus	Mendakan yang terbentuk
Penyesaran	1 mol logam disesarkan daripada larutan garamnya oleh logam yang lebih elektropositif	Logam yang disesarkan
Peneutralan	1 mol air terbentuk daripada tindak balas peneutralan antara asid dan alkali	Air yang terbentuk
Pembakaran	1 mol bahan dibakar dengan lengkap dalam oksigen berlebihan	Bahan api yang terbakar

Kebanyakan haba tindak balas melibatkan larutan akueus. Joule (J) ialah unit SI bagi tenaga, kerja dan haba. Nama ini sempena James Prescott Joule (1818–1889).

Haba pemendakan

Garam tak terlarutkan terbentuk melalui tindak balas penguraian ganda dua yang melibatkan perubahan haba. Contohnya, Ba²⁺(ak) + SO₄²⁻(ak) → BaSO₄(p), ΔH = −42 kJ mol⁻¹: 42 kJ haba dibebaskan apabila 1 mol mendakan barium sulfat terbentuk.

100 cm³ larutan Pb(NO₃)₂ 1.0 mol dm⁻³ + 100 cm³ larutan Na₂SO₄ 1.0 mol dm⁻³; suhu naik dari 30.0 °C kepada 33.0 °C

Pb²⁺(ak) + SO₄²⁻(ak) → PbSO₄(p): n(PbSO₄) = 1.0 × 100/1000 = 0.1 mol
m = (100 + 100) × 1 = 200 g; θ = 33.0 − 30.0 = 3.0 °C
Q = 200 × 4.2 × 3.0 = 2520 J = 2.52 kJ
Bagi 1 mol: 2.52 ÷ 0.1 = 25.2 kJ. Suhu naik, maka ΔH = −25.2 kJ mol⁻¹

Contoh bergambar: buku teks m.s. 122.

Mengira kenaikan suhu: AgNO₃(ak) + KCl(ak) → AgCl(p) + KNO₃(ak), ΔH = −65.5 kJ mol⁻¹; 20 cm³ AgNO₃ 0.5 mol dm⁻³ + 20 cm³ KCl 0.5 mol dm⁻³

n(AgCl) = 0.5 × 20/1000 = 0.01 mol
Haba dibebaskan = 0.01 × 65.5 = 0.655 kJ = 655 J
m = 40 g; θ = 655 ÷ (40 × 4.2) = 3.9 °C

Contoh bergambar: buku teks m.s. 124.

Dalam Aktiviti makmal 3B, haba pemendakan argentum klorida ditentukan dengan mencampurkan 25 cm³ AgNO₃ 0.5 mol dm⁻³ dengan 25 cm³ NaCl 0.5 mol dm⁻³. Larutan argentum nitrat boleh menyebabkan kulit dan pakaian bertompok hitam.

Haba penyesaran

Paku besi dimasukkan ke dalam larutan kuprum(II) sulfat: enapan berwarna perang (kuprum) terbentuk, kerana ferum menyesarkan kuprum daripada larutan garamnya. Persamaan termokimia: Fe(p) + CuSO₄(ak) → FeSO₄(ak) + Cu(p), ΔH = −250 kJ mol⁻¹, iaitu 250 kJ haba dibebaskan apabila 1 mol kuprum disesarkan.

Serbuk Mg berlebihan ditambah kepada 50 cm³ larutan FeSO₄ 0.25 mol dm⁻³; suhu naik 4.0 °C

Mg(p) + FeSO₄(ak) → Fe(p) + MgSO₄(ak). n(Fe) = 0.25 × 50/1000 = 0.0125 mol
Q = 50 × 4.2 × 4.0 = 840 J = 0.84 kJ
Bagi 1 mol: 0.84 ÷ 0.0125 = 67.2 kJ, maka ΔH = −67.2 kJ mol⁻¹

Contoh bergambar: buku teks m.s. 125–126.

Logam digunakan secara berlebihan supaya semua larutan garam bertindak balas dan kenaikan suhu mewakili jumlah larutan itu.

Serbuk kuprum berlebihan ditambah kepada 100 cm³ larutan argentum nitrat 0.5 mol dm⁻³. Haba penyesaran argentum = −105 kJ mol⁻¹. Hitung kenaikan suhu.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

n(Ag) = 0.5 × 100/1000 = 0.05 mol. Haba dibebaskan = 0.05 × 105 = 5.25 kJ = 5250 J. θ = 5250 ÷ (100 × 4.2) = 12.5 °C. Haba penyesaran dikira bagi 1 mol logam yang disesarkan, iaitu Ag. Dengan AgNO₃ 1.0 mol dm⁻³, n = 0.1 mol, haba = 10.5 kJ dan θ = 25.0 °C (dua kali ganda).

Haba peneutralan

Peneutralan ialah tindak balas antara asid dengan alkali yang menghasilkan garam dan air sahaja, dan tindak balas ini eksotermik.
Persamaan ion ialah sentiasa H⁺(ak) + OH⁻(ak) → H₂O(ce).
Contoh: NaOH(ak) + HCl(ak) → NaCl(ak) + H₂O(ce), ΔH = −57 kJ mol⁻¹.

Tindak balas peneutralan	Haba peneutralan, ΔH (kJ mol⁻¹)
Asid kuat + alkali kuat	−57
Asid lemah + alkali kuat	−55
Asid kuat + alkali lemah	−52
Asid lemah + alkali lemah	−50

Jadual 3.3, m.s. 130.

Mengapa asid atau alkali lemah memberi nilai lebih rendah? Asid lemah atau alkali lemah mengion separa dalam air dan sebahagian besarnya kekal sebagai molekul. Sebahagian haba yang dibebaskan semasa peneutralan diserap untuk mengion molekul itu dengan lengkap, maka haba yang dibebaskan menjadi lebih rendah. Haba peneutralan antara asid lemah dengan alkali lemah paling rendah.

Asid sulfurik, asid diprotik

HCl ialah asid monoprotik; H₂SO₄ ialah asid diprotik. H₂SO₄(ak) + 2NaOH(ak) → Na₂SO₄(ak) + 2H₂O(ce), ΔH = −114 kJ, kerana 2 mol air terbentuk.
Bagi satu mol air: 114 ÷ 2 = 57 kJ mol⁻¹, sama seperti HCl.

Menulis haba peneutralan H₂SO₄ sebagai −114 kJ mol⁻¹. Haba peneutralan ialah haba bagi pembentukan satu mol air, maka nilainya tetap −57 kJ mol⁻¹. Asid nitrik, HNO₃ dengan KOH juga memberi −57 kJ mol⁻¹.

60 cm³ NaOH 2.0 mol dm⁻³ + 60 cm³ CH₃COOH 2.0 mol dm⁻³; suhu awal kedua-duanya 28.0 °C, suhu tertinggi 40.5 °C

n(NaOH) = 2.0 × 60/1000 = 0.12 mol = n(CH₃COOH). CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O, maka n(H₂O) = 0.12 mol
Q = (60 + 60) × 4.2 × (40.5 − 28.0) = 6300 J = 6.3 kJ
Bagi 1 mol air: 6.3 ÷ 0.12 = 52.5 kJ, maka ΔH = −52.5 kJ mol⁻¹

Contoh bergambar: buku teks m.s. 131–132. Nilainya lebih rendah daripada −57 kerana CH₃COOH ialah asid lemah.

100 cm³ HCl 2.0 mol dm⁻³ ditambah kepada 100 cm³ NaOH 2.0 mol dm⁻³; suhu naik dari 30.0 °C kepada 43.5 °C. Hitung haba peneutralan.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

n(H₂O) = 2.0 × 100/1000 = 0.2 mol. Q = 200 × 4.2 × 13.5 = 11 340 J = 11.34 kJ. ΔH = −11.34 ÷ 0.2 = −56.7 kJ mol⁻¹ (hampir −57). Jika HNO₃ yang sama isi padu dan kepekatan digunakan, suhu naik sama kerana HNO₃ juga asid kuat monoprotik.

Haba pembakaran

Pembakaran bahan api ialah tindak balas eksotermik. Contoh: CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(ce), ΔH = −394 kJ mol⁻¹ (haba pembakaran metana).
Pembakaran lengkap alkohol menghasilkan karbon dioksida dan air. Semakin banyak bilangan atom karbon per molekul alkohol (metanol, etanol, propanol, butanol), semakin tinggi haba pembakaran, kerana lebih banyak karbon dioksida dan air terbentuk, maka lebih banyak haba dibebaskan.
Peningkatan haba pembakaran antara ahli alkohol berturutan hampir sama kerana setiap ahli berbeza daripada ahli seterusnya dengan satu kumpulan CH₂.

Susunan radas: bekas kuprum berisi air dengan termometer di atas segi tiga tanah liat, pelita berisi alkohol di atas bongkah kayu — Susunan radas untuk menentukan haba pembakaran alkohol (Rajah 3.13). Pelita dibakar sehingga suhu air naik 30 °C, kemudian jisim pelita ditimbang semula.

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 (KSSM), m.s. 133.

Bekas kuprum digunakan kerana kuprum konduktor haba yang baik; pengadang angin dan pengacauan mengurangkan kehilangan haba. Pastikan nyalaan pelita menyentuh bahagian bawah bekas kuprum. Alkohol mudah meruap dan terbakar: kendalikan dengan hati-hati.
Nilai eksperimen lebih rendah daripada nilai teori kerana haba hilang ke persekitaran dan pembakaran tidak lengkap (jelaga di bawah bekas kuprum).

C₂H₅OH(ce) + 3O₂(g) → 2CO₂(g) + 3H₂O(ce), ΔH = −1376 kJ mol⁻¹. Jisim etanol untuk menaikkan suhu 200 cm³ air sebanyak 50.0 °C? (M_r = 46 g mol⁻¹)

Q = 200 × 4.2 × 50.0 = 42 000 J = 42 kJ
n = 42 ÷ 1376 = 0.0305 mol; jisim = 0.0305 × 46 = 1.4 g

Contoh bergambar: buku teks m.s. 135 (buku teks membundarkan n kepada 0.03 mol dan memberi 1.38 g).

3.3Aplikasi tindak balas eksotermik dan endotermik dalam kehidupan harian

Aplikasi tindak balas eksotermik	Aplikasi tindak balas endotermik
Hot Can (makanan atau minuman panas tanpa pemanasan luar), tindak balas termit untuk mengimpal kereta api, pembakaran bahan api untuk memasak, beg udara, pek panas	Pad gel untuk meredakan demam, tin minuman sejuk kendiri, serbat (lidah berasa sejuk), pek sejuk

Pek panas dan pek sejuk ialah contoh yang dipelajari dalam Tingkatan 3. Kemukakan contoh dan jenis tindak balasnya (eksotermik atau endotermik) apabila menjawab.

Nilai bahan api

Bahan api ialah sebatian yang terbakar dalam udara untuk menghasilkan tenaga haba. Nilai bahan api ialah kuantiti tenaga yang terbebas apabila satu gram bahan api dibakar dengan lengkap dalam oksigen berlebihan. Unit: kJ g⁻¹.
Nilai bahan api = haba pembakaran (kJ mol⁻¹) ÷ jisim molar bahan (g mol⁻¹)

Oktana, C₈H₁₈: haba pembakaran −5 500 kJ mol⁻¹ (H = 1, C = 12)

Jisim molar = 8(12) + 18(1) = 114 g mol⁻¹. Nilai bahan api = 5 500 ÷ 114 = 48.2 kJ g⁻¹

Bahan api	Nilai bahan api (kJ g⁻¹)
Kayu	20
Metana	27
Arang	30
Etanol	30
Petrol	34
Kerosin	37
Gas asli	50
Hidrogen	143

Jadual 3.5, m.s. 138.

Pemilihan bahan api yang sesuai bergantung kepada empat faktor: nilai bahan api, kos bahan api, kemudahan didapati dan sumber bahan, dan kesan bahan api terhadap alam sekitar (contohnya jelaga dan karbon dioksida).

Hidrogen mempunyai nilai bahan api tertinggi dan hasil pembakarannya hanya air, tetapi sukar disimpan dengan selamat dan kos penghasilannya tinggi. Beri kelebihan dan kekurangan apabila diminta wajarkan.

Haba pembakaran etanol ialah −1376 kJ mol⁻¹ (M_r = 46). Apakah nilai bahan apinya, dan bagaimana ia dibandingkan dengan Jadual 3.5?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

1376 ÷ 46 = 29.9 kJ g⁻¹, iaitu kira-kira 30 kJ g⁻¹ seperti dalam jadual.