Reaksi Eksoterm-Endoterm, 20 Soal Kontekstual dan Pembahasannya

Reaksi eksoterm dan endoterm adalah topik penting yang berkaitan dengan perubahan energi dalam reaksi kimia. Berikut penjelasan singkatnya, disusul dengan berbagai contoh soal kontekstual sebanyak 20 butir serta pembahasannya.

1. Reaksi Eksoterm

• Definisi: Reaksi yang melepaskan energi (biasanya dalam bentuk panas) ke lingkungan.
• Ciri-ciri:
  • Suhu lingkungan naik.
  • Entalpi produk (H₂) lebih kecil daripada reaktan (H₁) → ΔH = H₂ – H₁ < 0 (negatif).
• Contoh:
  • Pembakaran (misalnya kayu, bensin).
  • Respirasi seluler.
  • Reaksi netralisasi asam-basa.

2. Reaksi Endoterm

• Definisi: Reaksi yang menyerap energi dari lingkungan.
• Ciri-ciri:
  • Suhu lingkungan turun.
  • Entalpi produk (H₂) lebih besar daripada reaktan (H₁) → ΔH = H₂ – H₁ > 0 (positif).
• Contoh:
  • Fotosintesis.
  • Penguraian kalsium karbonat (|CaCO_3 -> CaO + CO_2|).
  • Pelarutan urea dalam air (terasa dingin).

Perbedaan Utama

Parameter	Eksoterm	Endoterm
Perubahan energi	Melepaskan panas	Menyerap panas
ΔH (Perubahan entalpi)	Negatif (ΔH < 0)	Positif (ΔH > 0)
Pengaruh suhu	Lingkungan memanas	Lingkungan mendingin

Diagram Tingkat Energi

• Eksoterm: Energi reaktan lebih tinggi daripada produk.
• Endoterm: Energi reaktan lebih rendah daripada produk.

1. Konteks: Pembakaran Bahan Bakar Kendaraan

Ketika bensin (oktana, |C_8H_18|) dibakar dalam mesin kendaraan, terjadi reaksi:

|2C_8H_18(l) + 25O_2(g) → 16CO_2(g) + 18H_2O(g)| ΔH = |-|10.900 kJ

Mengapa pada reaksi ini suhu mesin menjadi sangat panas? Jelaskan hubungannya dengan konsep perubahan entalpi dan jenis reaksinya!

Jawaban:

Reaksi pembakaran oktana merupakan reaksi eksoterm karena nilai ΔH negatif (|-|10.900 kJ), yang berarti energi dilepaskan ke lingkungan dalam bentuk panas.

Beberapa alasan mengapa mesin menjadi panas:

1. Energi yang besar dilepaskan karena pemutusan ikatan |C-H| dan |C-C| pada oktana dan pembentukan ikatan |C=O| dan |O-H| yang lebih stabil
2. Panas yang dihasilkan sebagian digunakan untuk menggerakkan piston, dan sebagian terbuang ke lingkungan
3. Nilai ΔH yang sangat besar (|-|10.900 kJ untuk 2 mol oktana) menunjukkan pelepasan energi yang signifikan

Ini menjelaskan mengapa mesin membutuhkan sistem pendingin untuk mencegah overheating.

2. Konteks: Cold Pack untuk Pertolongan Cedera

Cold pack instan mengandung |NH_4NO_3| padat dan air dalam wadah terpisah. Ketika digunakan, kedua zat dicampur dan terjadi reaksi:

|NH_4NO_3(s) → NH_4^+(aq) + NO_3^-(aq)| ΔH = +25,7 kJ/mol

Mengapa cold pack menjadi dingin setelah digunakan? Bagaimana prinsip termokimia menjelaskan fenomena ini?

Jawaban:

Cold pack menjadi dingin karena reaksi pelarutan |NH_4NO_3| bersifat endoterm (ΔH positif).

Penjelasan detail:

• Energi diperlukan untuk memutuskan ikatan ionik dalam kristal |NH_4NO_3|
• Energi juga diperlukan untuk memisahkan molekul air agar ion |NH_4^+| dan |NO_3^-| dapat terlarut
• Energi ini diambil dari lingkungan sekitar (termasuk dari kulit yang bersentuhan dengan cold pack), sehingga suhu turun
• Nilai ΔH +25,7 kJ/mol menunjukkan setiap mol |NH_4NO_3| yang larut menyerap 25,7 kJ energi

Ini berbeda dengan kebanyakan garam yang larut secara eksoterm, sehingga |NH_4NO_3| khusus dipilih untuk aplikasi cold pack.

3. Konteks: Proses Fotosintesis

Fotosintesis pada tumbuhan mengubah karbon dioksida dan air menjadi glukosa dengan bantuan energi cahaya:

|6CO_2(g) + 6H_2O(l) → C_6H_12O_6(s) + 6O_2(g)| ΔH = +2.800 kJ

Mengapa reaksi ini termasuk endoterm? Bagaimana tumbuhan mengatasi kebutuhan energi besar untuk proses ini?

Jawaban:

Reaksi fotosintesis bersifat endoterm karena:

1. ΔH positif (+2.800 kJ) menunjukkan energi diserap dari lingkungan
2. Membentuk ikatan karbon-karbon dan karbon-hidrogen dalam glukosa membutuhkan energi besar
3. Memutus ikatan ganda |O=C=O| pada |CO_2| dan ikatan |O-H| pada air memerlukan energi

Tumbuhan mengatasi kebutuhan energi ini melalui:

• Penyerapan energi cahaya matahari oleh klorofil
• Konversi energi cahaya menjadi energi kimia dalam bentuk ATP dan NADPH
• Proses terjadi secara bertahap melalui reaksi terang dan siklus Calvin

Energi yang disimpan dalam glukosa ini kemudian dapat dilepaskan melalui respirasi seluler (reaksi eksoterm).

4. Konteks: Hand Warmer Portable

Hand warmer sekali pakai mengandung besi (|Fe|) yang bereaksi dengan oksigen ketika kemasan dibuka:

|4Fe(s) + 3O_2(g) → 2Fe_2O_3(s)| ΔH = |-|1.650 kJ

Analisislah mengapa hand warmer bisa menghangatkan tangan selama beberapa jam dan faktor apa saja yang mempengaruhi lamanya waktu penghangatan!

Jawaban:

Hand warmer menjadi hangat karena reaksi oksidasi besi bersifat eksoterm (ΔH negatif).

Mekanisme penghangatan:

• Pembentukan ikatan |Fe-O| dalam |Fe_2O_3| melepaskan energi besar (|-|1.650 kJ per 4 mol Fe)
• Reaksi dirancang terjadi perlahan melalui kontrol ketersediaan oksigen (pori-pori kemasan)
• Kehadiran katalis (biasanya garam) mempercepat reaksi secara terkendali

Faktor yang mempengaruhi lama penghangatan:

1. Luas permukaan besi: Serbuk halus bereaksi lebih lambat tetapi bertahan lebih lama
2. Suhu lingkungan: Suhu dingin memperlambat reaksi
3. Kadar oksigen: Semakin tertutup, reaksi semakin lambat
4. Jumlah bahan aktif: Lebih banyak besi berarti lebih lama reaksi berlangsung

5. Konteks: Penggunaan Kalsium Oksida dalam Makanan

Kalsium oksida (|CaO|) digunakan dalam kemasan makanan self-heating. Ketika air ditambahkan, terjadi reaksi:

|CaO(s) + H_2O(l) → Ca(OH)_2(s)| ΔH = |-|63,7 kJ/mol

Bandingkan efisiensi energi antara |CaO| dengan |MgO| (ΔH = |-|37,4 kJ/mol) untuk aplikasi yang sama! Mana yang lebih efektif untuk memanaskan makanan dan mengapa?

Jawaban:

Perbandingan |CaO| dan |MgO|:

Parameter	CaO	MgO
ΔH hidrasi (kJ/mol)	|-|63,7	|-|37,4
Energi dilepaskan per mol	63,7 kJ	37,4 kJ
Massa molar (g/mol)	56,08	40,31
Energi per gram	1,14 kJ/g	0,93 kJ/g

|CaO| lebih efektif karena:

1. Melepaskan energi lebih besar per mol (63,7 vs 37,4 kJ)
2. Meskipun massa molarnya lebih besar, energi per gram tetap lebih tinggi (1,14 vs 0,93 kJ/g)
3. Reaksi dengan |CaO| lebih eksoterm sehingga lebih efisien untuk memanaskan makanan
4. |CaO| lebih murah dan lebih stabil dalam penyimpanan dibanding |MgO|

Namun, |MgO| mungkin dipilih jika dibutuhkan pelepasan panas yang lebih lambat atau terkendali.

6. Konteks: Fermentasi Tape Singkong

Pada proses fermentasi tape, ragi mengubah glukosa menjadi etanol melalui reaksi:

|C_6H_12O_6(aq) → 2C_2H_5OH(aq) + 2CO_2(g)| ΔH = |-|67 kJ

Mengapa suhu campuran tape meningkat selama fermentasi meskipun tidak dipanaskan dari luar? Jelaskan dari sisi termokimia dan mengapa reaksi ini penting dalam industri makanan!

Jawaban:

Kenaikan suhu terjadi karena:

• Reaksi fermentasi bersifat eksoterm (ΔH = |-|67 kJ) melepaskan energi ke lingkungan
• Pemutusan ikatan |C-C| dan |C-O| pada glukosa melepaskan energi lebih besar daripada energi yang dibutuhkan untuk membentuk ikatan |C-H| dan |C-O| pada etanol
• Proses ini terjadi secara biokimia dalam sel ragi dengan bantuan enzim zimase

Penting dalam industri makanan karena:

1. Menghasilkan etanol sebagai pengawet alami
2. Panas yang dihasilkan membantu proses fermentasi lanjutan oleh bakteri
3. CO_2 yang dihasilkan menciptakan tekstur porous pada tape
4. Tanpa tambahan energi dari luar (self-sustaining process)

7. Konteks: Pendinginan Evaporatif pada Kulkas Tanpa Listrik

Kulkas tanpa listrik menggunakan prinsip penguapan air dari material berpori. Reaksi penguapan air:

|H_2O(l) → H_2O(g)| ΔH = +44 kJ/mol

Analisislah mengapa proses ini dapat mendinginkan isi kulkas dan hitung energi yang diserap jika 500 mL air menguap! (ρ air = 1 g/mL)

Jawaban:

Proses pendinginan terjadi karena:

• Penguapan air bersifat endoterm (ΔH positif) menyerap panas dari lingkungan
• Energi digunakan untuk memutus ikatan hidrogen antar molekul air
• Suhu dalam kulkas turun karena panas diambil untuk proses penguapan

Perhitungan energi:

1. Massa air = 500 mL × 1 g/mL = 500 g
2. Mol air = |(500 g)//(18 g/mol) ≈ 27,78 mol
3. Energi diserap = 27,78 mol × 44 kJ/mol = 1.222,22 kJ

Catatan: Desain kulkas memaksimalkan permukaan penguapan dan sirkulasi udara untuk efisiensi pendinginan.

8. Konteks: Penggunaan NaOH dalam Pembuatan Sabun

Reaksi saponifikasi antara NaOH dan minyak kelapa (|C_15H_31COOH|):

|C_15H_31COOH + NaOH → C_15H_31COONa + H_2O| ΔH = |-|45 kJ/mol

Mengapa campuran menjadi panas saat pembuatan sabun? Bagaimana cara mengontrol suhu dalam produksi sabun skala industri?

Jawaban:

Campuran menjadi panas karena:

• Reaksi saponifikasi bersifat eksoterm (ΔH = |-|45 kJ/mol)
• Pembentukan ikatan ionik antara |C_15H_31COO^-| dan |Na^+| melepaskan energi
• Reaksi juga menghasilkan air yang membantu melarutkan NaOH (eksoterm tambahan)

Kontrol suhu dalam industri:

1. Pendinginan jaket: Tangki reaksi dilengkapi sistem pendingin air
2. Penambahan bertahap: NaOH ditambahkan sedikit demi sedikit
3. Pengadukan konstan: Mendistribusikan panas merata
4. Bahan pengencer: Penambahan etanol/air untuk absorbsi panas
5. Reaktor batch: Memungkinkan kontrol suhu lebih baik daripada kontinu

9. Konteks: Dehidrasi Gula dengan |H_2SO_4| Pekat

Ketika |H_2SO_4| pekat ditambahkan ke gula pasir (sukrosa, |C_12H_22O_11|), terjadi reaksi:

|C_12H_22O_11(s) → 12C(s) + 11H_2O(g)| ΔH = +250 kJ

Mengapa reaksi ini menghasilkan asap panas tetapi termasuk reaksi endoterm? Jelaskan paradoks ini berdasarkan mekanisme reaksi!

Jawaban:

Paradoks ini dapat dijelaskan dengan:

1. Reaksi utama endoterm: Memutus ikatan |C-O| dan |O-H| pada sukrosa membutuhkan energi (ΔH positif)
2. Reaksi sekunder eksoterm: Hidrasi |H_2SO_4| dengan air yang dihasilkan:

   |H_2SO_4 + H_2O → H_2SO_4·H_2O| ΔH = |-|80 kJ/mol

   Melepaskan panas lebih besar daripada yang diserap reaksi utama

3. Asap panas berasal dari:
   • Uap air yang terhidrasi dengan |H_2SO_4|
   • Pembentukan |SO_2| dari reduksi sebagian |H_2SO_4|
   • Energi aktivasi tinggi menyebabkan peningkatan suhu lokal

Jadi, meskipun reaksi dehidrasi gula endoterm, efek keseluruhan bersifat eksoterm karena dominasi reaksi hidrasi asam sulfat.

10. Konteks: Reaksi Termit dalam Pengelasan Rel Kereta

Reaksi termit menggunakan aluminium dan besi(III) oksida:

|2Al(s) + Fe_2O_3(s) → Al_2O_3(s) + 2Fe(l)| ΔH = |-|850 kJ

Hitunglah energi yang dilepaskan jika digunakan 540 gram aluminium! Mengapa besi yang dihasilkan berbentuk cair? (Ar Al = 27, Fe = 56)

Jawaban:

Perhitungan energi:

1. Mol Al = |(540 g)//(27 g/mol)| = 20 mol
2. Berdasarkan persamaan: 2 mol Al → |-|850 kJ
3. Energi total = |20//2| × 850 kJ = 8.500 kJ

Besi berbentuk cair karena:

• Suhu reaksi mencapai ~2.500°C (melebihi titik leleh besi 1.538°C)
• Energi yang dilepaskan sangat besar (8.500 kJ untuk 20 mol Al)
• |Al_2O_3| yang terbentuk menyelimuti besi cair mencegah oksidasi
• Besi cair dapat mengisi celah rel dengan sempurna saat pengelasan

Catatan: Reaksi ini bersifat autotermik (tidak membutuhkan energi luar) dan digunakan untuk perbaikan rel di lokasi terpencil.

11. Konteks: Pengisi Baterai Natrium-Sulfur (Na-S)

Baterai Na-S yang digunakan untuk penyimpanan energi skala besar melibatkan reaksi:

|2Na(l) + 3S(l) → Na_2S_3(s)| ΔH = |-|420 kJ/mol

Mengapa baterai ini perlu dioperasikan pada suhu 300-350°C? Analisislah hubungan antara suhu operasi dengan efisiensi energi berdasarkan prinsip termokimia!

Jawaban:

Alasan suhu tinggi:

1. Fase cair reaktan: Natrium (mp = 98°C) dan sulfur (mp = 115°C) harus cair untuk difusikan ke elektrolit β-alumina
2. Konduktivitas ionik: Elektrolit padat Na-β-alumina hanya menghantarkan ion Na⁺ efektif di atas 300°C
3. Kinetika reaksi: Suhu tinggi mempercepat transfer elektron dan mengurangi polarisasi

Efisiensi energi:

• Meskipun reaksi eksoterm (ΔH = |-|420 kJ/mol), energi termal diperlukan untuk mempertahankan fase cair
• Rugi energi ≈15% untuk mempertahankan suhu, tetapi diimbangi dengan kepadatan energi tinggi (750 Wh/kg)
• Sistem insulasi termal canggih mengurangi kehilangan panas

12. Konteks: Kristalisasi Natrium Asetat dalam Hand Warmer Reusable

Hand warmer reusable mengandung larutan jenuh natrium asetat (CH_3COONa) yang melepaskan panas saat dikristalkan:

|CH_3COONa(aq) → CH_3COONa(s)| ΔH = |-|52,4 kJ/mol

Mengapa hand warmer ini bisa di-recharge dengan merebusnya? Jelaskan siklus termodinamika lengkap dari proses ini!

Jawaban:

Siklus termodinamika:

1. Fase discharge (eksoterm):
   • Kristal kecil memicu kristalisasi supercooled solution
   • Pembentukan ikatan ionik dalam kristal melepaskan 52,4 kJ/mol
   • Suhu naik hingga ~54°C (titik leleh kristal)
2. Fase recharge (endoterm):
   • Pemanasan >58°C memutus ikatan kristal (menyerap energi)
   • Larutan kembali ke keadaan supercooled saat didinginkan
   • Energi disimpan sebagai energi potensial dalam larutan metastabil

Keunikan sistem:

• Dapat diulang >1000× karena tidak ada perubahan kimia
• Energi tersimpan tak terbatas selama tidak terkontaminasi
• Efisiensi ≈80% (20% energi hilang sebagai panas selama recharge)

13. Konteks: Reaksi Belousov-Zhabotinsky (Reaksi Osilasi Kimia)

Reaksi osilasi antara kalium bromat, asam malonat, dan katalis Ce^3+/Ce^4+ menunjukkan perubahan warna periodik dengan mekanisme:

Fase 1:
|3BrO_3^- + 5CH_2(COOH)_2 + 3H^+ → 3BrCH(COOH)_2 + 4CO_2 + 5H_2O| ΔH_1 = |-|280 kJ

Fase 2:
|6Ce^4+ + 2CH_2(COOH)_2 + 2H_2O → 6Ce^3+ + 2Br^- + 2CO_2 + 6H^+| ΔH_2 = +190 kJ

Bagaimana reaksi ini bisa terus berosilasi antara eksoterm dan endoterm? Jelaskan peran entropi (ΔS) dalam mempertahankan osilasi!

Jawaban:

Mekanisme osilasi:

1. Sistem non-ekuilibrium: Terbuka terhadap pertukaran materi (CO_2 keluar) dan energi
2. Umpan balik positif: Produk fase 1 (Br^-) menghambat fase 1 tapi memicu fase 2
3. Perubahan entropi:
   • Fase 1: ΔS positif besar (pembentukan 4CO_2 gas)
   • Fase 2: ΔS positif kecil (hanya 2CO_2)
   • Energi bebas Gibbs (ΔG = ΔH |-| TΔS) berubah tanda secara periodik

Peran termodinamika:

• Eksoterm fase 1 menyediakan energi untuk fase endoterm 2
• Pelepasan CO_2 (peningkatan entropi) mendorong reaksi maju
• Osilasi berhenti ketika konsentrasi reaktan kritis tercapai

14. Konteks: Pembentukan Diamon dari Grafit dalam Mantel Bumi

Proses pembentukan diamond alami pada kedalaman >150 km:

|C(grafit) → C(diamond)| ΔH = +1,9 kJ/mol, ΔV = |-1,9×10^-6| |m^3/mol|

Mengapa transformasi ini terjadi meskipun endoterm? Analisislah dengan menggunakan persamaan termodinamika ΔG = ΔH |-| TΔS + PΔV!

Jawaban:

Analisis termodinamika:

1. Kondisi ekstrem: Suhu ~900-1400°C, tekanan ~5 GPa
2. Perubahan volume: ΔV negatif (diamond lebih padat), sehingga PΔV mendominasi
3. Persamaan lengkap:

   |ΔG = (+1,9 kJ) - (T×0,0036 kJ/K) + (P× - 1,9×10^-6 m³)|

   Pada 5 GPa |(5×10^9 Pa)| dan 1400K: ΔG ≈ |-|7,1 kJ/mol (spontan)

Faktor pendorong:

• Tekanan tinggi mengurangi ΔG melalui PΔV
• Entropi (ΔS) kecil karena keduanya padatan kristalin
• Kinetika lambat (membutuhkan jutaan tahun tanpa katalis)

Implikasi: Di permukaan (P rendah), grafit lebih stabil (ΔG > 0), sehingga diamond bersifat metastabil.

15. Konteks: Katalis Auto-mobil Three-Way Catalyst (TWC)

Konverter katalitik modern mengoptimalkan tiga reaksi simultan:

1. Oksidasi CO: |2CO(g) + O_2(g) → 2CO_2(g)| ΔH = |-|566 kJ

2. Reduksi NOx: |2NO(g) + 2CO(g) → N_2(g) + 2CO_2(g)| ΔH = |-|747 kJ

3. Oksidasi HC: |C_6H_14(g) + 9,5O_2(g) → 6CO_2(g) + 7H_2O(g)| ΔH = |-|4163 kJ

Mengapa konverter katalitik menjadi sangat panas? Hitung total panas yang dilepaskan jika 1 mol CO, 0,5 mol NO, dan 0,1 mol C_6H_14 terkonversi sempurna!

Jawaban:

Penyebab pemanasan:

• Ketiga reaksi bersifat eksoterm kuat
• Energi aktivasi tinggi diatasi oleh katalis Pt/Pd/Rh
• Panas tidak dimanfaatkan sehingga terbuang ke lingkungan

Perhitungan energi:

1. Oksidasi CO: (1 mol CO) × (|-|566 kJ/2 mol CO) = 283 kJ
2. Reduksi NO: (0,5 mol NO) × (|-|747 kJ/2 mol NO) = |-|186,75 kJ
3. Oksidasi HC: (0,1 mol |C_6H_14|) × (|-|4163 kJ/mol) = |-|416,3 kJ
4. Total energi = |-|283 |-|186,75 |-| 416,3 = |-|886,05 kJ

Efek suhu:

• Suhu konverter mencapai 400-800°C
• Pemanasan ini justru meningkatkan efisiensi katalis
• Desain honeycomb memaksimalkan luas permukaan katalitik

16. Konteks: Sistem Pendinginan Magnetik pada Kulkas Canggih

Teknologi pendinginan magnetokalorik menggunakan paduan gadolinium yang mengalami perubahan entropi saat diberi medan magnet:

|Gd_5(Si_2Ge_2)(s) + medan magnet → Gd_5(Si_2Ge_2)(s)*|    ΔH = |-|22 kJ/mol

Mengapa material ini bisa menurunkan suhu ketika medan magnet dihilangkan? Jelaskan berdasarkan prinsip termodinamika dan bandingkan efisiensinya dengan pendinginan kompresi gas tradisional!

Jawaban:

Mekanisme pendinginan:

1. Efek magnetokalorik: Penyelarasan spin elektronik dalam medan magnet mengurangi entropi sistem (ΔS↓)
2. Pelepasan medan magnet: Spin kembali acak (ΔS↑), menyerap panas dari lingkungan (ΔH positif)
3. Siklus regeneratif: Proses ini bisa diulang dengan efisiensi 60-70% dari limit Carnot

Perbandingan dengan pendingin tradisional:

Parameter	Pendingin Magnetik	Kompresi Gas
Efisiensi	30-40% Carnot	20-30% Carnot
Bagian bergerak	Hanya pompa fluida	Kompresor mekanik
Bahan kerja	Paduan gadolinium	Gas freon
Potensi pemanasan global	Nol	Tinggi (GWP>1000)

17. Konteks: Bioremediasi Limbah Radioaktif menggunakan Bakteri Geobacter

Bakteri Geobacter metallireducens dapat mereduksi ion uranium larut melalui reaksi:

|UO_2^2+(aq) + H_2(g) → UO_2(s) + 2H^+(aq)|    ΔH = |-|120 kJ/mol

Analisislah mengapa proses ini bersifat eksoterm meskipun melibatkan reduksi ion positif! Bagaimana bakteri memanfaatkan energi ini untuk pertumbuhannya?

Jawaban:

Aspek eksotermik:

• Pembentukan padatan |UO_2 yang sangat stabil (Ksp ≈10^-46)|
• Perubahan entropi positif karena pengendapan padatan dari ion larut
• Potensial reduksi |UO_2^2+/UO_2| sangat positif (+0,27V)

Pemanfaatan energi oleh bakteri:

1. Energi dilepaskan melalui rantai transpor elektron
2. Pompa proton menciptakan gradien pH untuk sintesis ATP
3. Efisiensi konversi energi ≈ 35% menjadi biomassa
4. Sistem enzim sitokrom khusus mentransfer elektron ke uranium

Aplikasi: 1 kg bakteri dapat mengolah 5 kg |UO_2^2+| per hari dengan energi cukup untuk duplikasi sel 2 × sehari.

18. Konteks: Kristal Cair Termokromik pada Smart Window

Kaca pintar menggunakan kristal cair yang berubah transparansi sesuai suhu:

|C_18H_37O_2C_6H_4C_6H_4COOCH_3 (kristal) ⇌ (cair) ΔH_transisi = +48 kJ/mol|

Mengapa kaca menjadi buram saat panas? Hitung energi yang diserap oleh 1 m² kaca (ketebalan 5 μm, ρ = 1,2 g/cm³) saat suhu naik dari 25°C ke 35°C!

Jawaban:

Mekanisme perubahan transparansi:

• Pada suhu rendah: Molekul teratur (kristalin), transparan
• Suhu tinggi: Fase cair, orientasi molekul acak → hamburan cahaya
• Transisi fase bersifat endoterm (ΔH positif) menyerap panas lingkungan

Perhitungan energi:

1. Volume = |1 m² × 5 × 10^-6 m| = |5 × 10^-6 m³ = 5 cm³|
2. Massa = 5 cm³ × 1,2 g/cm³ = 6 g
3. Mr senyawa ≈ 400 g/mol
4. Mol = |6 g//(400  g/mol)| = 0,015 mol
5. Energi diserap = 0,015 mol × 48 kJ/mol = 0,72 kJ

Efek tambahan: Proses reversibel saat didinginkan, dengan hysteresis ≈2°C untuk stabilitas.

19. Konteks: Pembentukan Hydrate Methane di Dasar Laut

Gas metana membentuk klatrat hidrat dalam kondisi tekanan tinggi:

|CH_4(g) + 5,75H_2O(l) → CH_4·5,75H_2O(s)|     ΔH = |-|54 kJ/mol

Mengapa senyawa ini stabil di laut dalam tetapi melepaskan gas secara eksplosif jika dipindahkan ke permukaan? Analisislah dari sisi termodinamika dan bahayanya sebagai sumber energi!

Jawaban:

Stabilitas di laut dalam:

• Tekanan tinggi (>50 atm) dan suhu rendah (2-4°C) menstabilkan struktur klatrat
• ΔG negatif karena PΔV dominan (ΔV = |-|0,039 m³/mol)
• Entropi sistem menurun tetapi diimbangi oleh entropi lingkungan (ΔH negatif)

Dekomposisi eksplosif:

1. Di permukaan (P=1 atm), ΔG menjadi positif → dekomposisi endoterm
2. 1 m³ hidrat melepaskan 164 m³ gas metana (ekspansi volume besar)
3. Dekomposisi bersifat autokatalitik (panas yang dilepaskan bagian yang terurai memicu dekomposisi lebih lanjut)

Potensi bahaya: Lepasan metana (GWP=25) dapat mempercepat pemanasan global jika tidak dikontrol.

20. Konteks: Reaksi Chemiluminesensi pada Light Stick

Light stick mengandung senyawa oxalat yang bereaksi dengan hidrogen peroksida:

|C_14H_10O_4 + H_2O_2 → 2C_6H_5OH + 2CO_2 + hv|     ΔH = |-|320 kJ/mol

Mengapa hanya 0,1% energi yang diubah menjadi cahaya? Jelaskan prinsip konversi energi dalam reaksi ini dan hitung efisiensi kuantumnya jika dihasilkan |5×10^18| foton per stick!

Jawaban:

Konversi energi:

• Sebagian besar energi (|-|319,68 kJ) hilang sebagai panas (hukum termodinamika I)
• Elektron tereksitasi di fluorofor (misal: 9,10-diphenylanthracene) menghasilkan foton λ ≈ 500 nm
• Energi foton ≈3,98×10^-19 J → total energi cahaya ≈ 2 J per stick

Perhitungan efisiensi:

1. Energi total = 320 kJ/mol × |5 × 10^18//6 × 10^23| = |2,67 × 10^-3 J|
2. Energi cahaya = |5×10^18 × 3,98 × 10^-19 J = 1,99 J|
3. Efisiensi kuantum = (foton dihasilkan//molekul bereaksi) × 100% = |5×10^18//5×10^18| × 100% = 100%|
4. Efisiensi energi = |1,99 J//2,67×10^3 J| × 100% ≈ 0,075%

Catatan: Meski efisiensi energi rendah, proses ini valuable karena tidak membutuhkan sumber energi luar.