Berikut beberapa pembahasan soal termokimia yang bersifat kontekstual. Soal akan ditambahkan kemudian sebagai pengayaan/terapan materi termokimia jenjang SMA.
Soal #1
Sebuah tabung gas LPG yang digunakan untuk memasak diasumsikan mengandung 11,2 kg isobutana yang memiliki panas pembakaran -2.658 kJ mol^-1. Jika setiap keluarga membutuhkan 15.000 kJ energi per hari untuk memasak, berapa lama tabung tersebut dapat bertahan. Juga jika 30% panas hilang karena pembakaran tidak sempurna, maka berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk bertahan.
Penyelesaian Soal #1: Lama waktu penggunaan gas LPG
Diketahui:
- Massa isobutana = 11,2 kg = 11.200 g
- Panas pembakaran = -2.658 kJ/mol
- Kebutuhan energi per hari = 15.000 kJ/hari
- Efisiensi pembakaran = 70% (karena 30% panas hilang)
Langkah 1: Menghitung jumlah mol isobutana
Massa molar isobutana (C4H10) = (4×12) + (10×1) = 58 g/mol
$$\begin{aligned} n &= \frac{\text{massa}}{\text{massa molar}} \\ &= \frac{11200 \text{ g}}{58 \text{ g/mol}} \\ &= 193,103 \text{ mol} \end{aligned}$$Langkah 2: Menghitung total energi yang dihasilkan
$$\begin{aligned} E_{\text{total}} &= n \times |\Delta H_{\text{pembakaran}}| \\ &= 193,103 \text{ mol} \times 2658 \text{ kJ/mol} \\ &= 513.267.974 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung lama tabung bertahan tanpa kehilangan panas
$$\begin{aligned} t &= \frac{E_{\text{total}}}{\text{kebutuhan per hari}} \\ &= \frac{513.267.974 \text{ kJ}}{15.000 \text{ kJ/hari}} \\ &= 34.217,86 \text{ hari} \end{aligned}$$Langkah 4: Menghitung lama tabung bertahan dengan 30% panas hilang
Energi efektif = 70% × Etotal
$$\begin{aligned} E_{\text{efektif}} &= 0,7 \times 513.267.974 \text{ kJ} \\ &= 359.287.582 \text{ kJ} \\ t_{\text{efektif}} &= \frac{E_{\text{efektif}}}{\text{kebutuhan per hari}} \\ &= \frac{359.287.582 \text{ kJ}}{15.000 \text{ kJ/hari}} \\ &= 23.952,51 \text{ hari} \end{aligned}$$Kesimpulan:
- Tanpa kehilangan panas: tabung dapat bertahan selama 34.217,86 hari
- Dengan 30% panas hilang: tabung dapat bertahan selama 23.952,51 hari
Soal #2
Seorang atlet diberikan 100 g glukosa setara dengan energi 1.560 kJ. Dia memanfaatkan 50% dari energi yang diperoleh dalam suatu event. Untuk menghindari penyimpanan energi dalam tubuh, hitung massa air yang diperlukan untuk dikeringatkan. Entalpi H2O untuk evaporasi adalah 44 kJ mol^-1.
Diketahui:
- Massa glukosa = 100 g
- Energi dari glukosa = 1560 kJ
- Energi yang dimanfaatkan = 50%
- Entalpi evaporasi air (ΔHvap) = 44 kJ/mol
Langkah 1: Menghitung energi berlebih yang harus dibuang
Energi berlebih = 50% × energi total glukosa
$$\begin{aligned} E_{\text{berlebih}} &= 0,5 \times 1560 \text{ kJ} \\ &= 780 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 2: Menghitung jumlah mol air yang harus diuapkan
Menggunakan entalpi evaporasi air:
$$\begin{aligned} n_{\text{H}_2\text{O}} &= \frac{E_{\text{berlebih}}}{\Delta H_{\text{vap}}} \\ &= \frac{780 \text{ kJ}}{44 \text{ kJ/mol}} \\ &= 17,727 \text{ mol} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung massa air yang harus dikeringatkan
Massa molar air (H2O) = (2×1) + 16 = 18 g/mol
$$\begin{aligned} m_{\text{H}_2\text{O}} &= n_{\text{H}_2\text{O}} \times \text{massa molar} \\ &= 17,727 \text{ mol} \times 18 \text{ g/mol} \\ &= 319,09 \text{ g} \end{aligned}$$Kesimpulan:
Massa air yang diperlukan untuk dikeringatkan adalah 319,09 gram
Soal #3
Perubahan entalpi yang terlibat dalam oksidasi glukosa adalah -2.880 kJ mol^-1. Dua puluh lima persen dari energi ini tersedia untuk kerja otot. Jika 100 kJ kerja otot diperlukan untuk berjalan satu kilometer, berapa jarak maksimum yang dapat ditempuh seseorang setelah makan 120 g glukosa?
Diketahui:
- Perubahan entalpi oksidasi glukosa (ΔH) = -2880 kJ/mol
- Energi yang tersedia untuk kerja otot = 25%
- Energi untuk berjalan 1 km = 100 kJ/km
- Massa glukosa = 120 g
Langkah 1: Menghitung massa molar glukosa
Glukosa (C6H12O6) = (6×12) + (12×1) + (6×16) = 180 g/mol
Langkah 2: Menghitung jumlah mol glukosa
$$\begin{aligned} n_{\text{glukosa}} &= \frac{\text{massa glukosa}}{\text{massa molar}} \\ &= \frac{120 \text{ g}}{180 \text{ g/mol}} \\ &= 0,667 \text{ mol} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung total energi dari oksidasi glukosa
$$\begin{aligned} E_{\text{total}} &= n_{\text{glukosa}} \times |\Delta H| \\ &= 0,667 \text{ mol} \times 2880 \text{ kJ/mol} \\ &= 1920 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 4: Menghitung energi yang tersedia untuk kerja otot
$$\begin{aligned} E_{\text{otot}} &= 25\% \times E_{\text{total}} \\ &= 0,25 \times 1920 \text{ kJ} \\ &= 480 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 5: Menghitung jarak maksimum yang dapat ditempuh
$$\begin{aligned} \text{Jarak} &= \frac{E_{\text{otot}}}{\text{energi per km}} \\ &= \frac{480 \text{ kJ}}{100 \text{ kJ/km}} \\ &= 4,8 \text{ km} \end{aligned}$$Kesimpulan:
Jarak maksimum yang dapat ditempuh setelah makan 120 g glukosa adalah 4,8 kilometer
Soal #4
Seorang atlet mengambil 20 kali napas per menit pada suhu ruangan. Udara yang dihirup pada setiap napas adalah 200 mL yang mengandung 20% oksigen berdasarkan volume, sedangkan udara yang dikeluarkan mengandung 10% oksigen berdasarkan volume. Dengan asumsi bahwa semua oksigen yang ada digunakan untuk mengubah glukosa menjadi CO2 dan H2O(l), berapa banyak glukosa yang akan terbakar dalam tubuh dalam satu jam dan berapa panas yang dihasilkan? (Suhu ruangan = 27°C dan entalpi pembakaran glukosa adalah -2.822,5 kJ mol^-1 pada 0°C)
Diketahui:
- Laju pernapasan = 20 napas/menit
- Volume udara per napas = 200 mL = 0,2 L
- Kandungan O2 dalam udara yang dihirup = 20%
- Kandungan O2 dalam udara yang dihembuskan = 10%
- Suhu ruangan = 27°C = 300 K
- Entalpi pembakaran glukosa (ΔHc) = -2822,5 kJ/mol (pada 0°C)
Langkah 1: Menghitung volume total udara per jam
$$\begin{aligned} V_{\text{total/jam}} &= \text{laju napas} \times \text{volume per napas} \times 60 \\ &= 20 \text{ napas/menit} \times 0,2 \text{ L/napas} \times 60 \text{ menit} \\ &= 240 \text{ L/jam} \end{aligned}$$Langkah 2: Menghitung volume O2 yang digunakan per jam
Perbedaan konsentrasi O2 = 20% - 10% = 10%
$$\begin{aligned} V_{\text{O}_2} &= 10\% \times V_{\text{total/jam}} \\ &= 0,1 \times 240 \text{ L} \\ &= 24 \text{ L/jam} \end{aligned}$$Langkah 3: Mengkonversi volume O2 ke jumlah mol
Menggunakan persamaan gas ideal pada suhu 27°C (300 K):
$$\begin{aligned} n_{\text{O}_2} &= \frac{PV}{RT} = \frac{(1 \text{ atm}) \times (24 \text{ L})}{(0,0821 \text{ L.atm.mol}^{-1}\text{.K}^{-1}) \times (300 \text{ K})} \\ &= \frac{24}{24,63} \\ &= 0,974 \text{ mol/jam} \end{aligned}$$Langkah 4: Menghitung jumlah mol glukosa yang terbakar
Persamaan reaksi pembakaran glukosa:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Perbandingan mol O2 : glukosa = 6 : 1
$$\begin{aligned} n_{\text{glukosa}} &= \frac{n_{\text{O}_2}}{6} \\ &= \frac{0,974}{6} \\ &= 0,1623 \text{ mol/jam} \end{aligned}$$Langkah 5: Menghitung massa glukosa yang terbakar per jam
Massa molar glukosa (C6H12O6) = 180 g/mol
$$\begin{aligned} m_{\text{glukosa}} &= n_{\text{glukosa}} \times \text{massa molar} \\ &= 0,1623 \text{ mol} \times 180 \text{ g/mol} \\ &= 29,214 \text{ g/jam} \end{aligned}$$Langkah 6: Menghitung panas yang dihasilkan per jam
$$\begin{aligned} Q &= n_{\text{glukosa}} \times |\Delta H_c| \\ &= 0,1623 \text{ mol} \times 2822,5 \text{ kJ/mol} \\ &= 458,0 \text{ kJ/jam} \end{aligned}$$Kesimpulan:
- Massa glukosa yang terbakar dalam tubuh atlit per jam: 29,214 gram
- Panas yang dihasilkan per jam: 458,0 kJ
Soal #5
Asumsikan bahwa untuk pasokan air panas domestik, 150 kg air per hari harus dipanaskan dari 10°C ke 65°C dan bahan bakar gas propana C3H8 digunakan untuk tujuan ini. Berapa mol dan volume propana dalam liter pada STP yang diperlukan untuk memanaskan air domestik? ΔH untuk pembakaran propana adalah -2050 kJ dan kalor jenis air adalah 4,184 x 10^-3 kJ/g.
Diketahui:
- Massa air = 150 kg = 150.000 g
- Suhu awal air = 10°C
- Suhu akhir air = 65°C
- ΔT = 65°C - 10°C = 55°C
- Kalor jenis air (c) = 4,184 × 10-3 kJ/g
- Entalpi pembakaran propana (ΔHc) = -2.050 kJ/mol
Langkah 1: Menghitung energi yang diperlukan untuk memanaskan air
$$\begin{aligned} Q &= m \times c \times \Delta T \\ &= 150.000 \text{ g} \times 4,184 \times 10^{-3} \text{ kJ/g.°C} \times 55\text{°C} \\ &= 150.000 \times 0,004184 \times 55 \\ &= 150.000 \times 0,23012 \\ &= 34.518 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 2: Menghitung jumlah mol propana yang diperlukan
Menggunakan entalpi pembakaran propana:
$$\begin{aligned} n_{\text{C}_3\text{H}_8} &= \frac{Q}{|\Delta H_c|} \\ &= \frac{34.518 \text{ kJ}}{2050 \text{ kJ/mol}} \\ &= 16,838 \text{ mol} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung volume propana pada STP
Pada STP (Standard Temperature and Pressure), 1 mol gas = 22,4 L
$$\begin{aligned} V_{\text{C}_3\text{H}_8} &= n_{\text{C}_3\text{H}_8} \times 22,4 \text{ L/mol} \\ &= 16,838 \text{ mol} \times 22,4 \text{ L/mol} \\ &= 377,17 \text{ L} \end{aligned}$$Kesimpulan:
- Jumlah mol propana yang diperlukan: 16,838 mol
- Volume propana pada STP: 377,17 liter
Soal #6
Suhu kalorimeter bom diketahui naik sebesar 1,617 K ketika arus sebesar 3,20 ampere dialirkan selama 3 detik dari sumber 12,0 V. 100 g sampel cairan (massa molar = 40) kini ditempatkan dalam kalorimeter ini dan aliran arus 0,5 ampere selama 3 menit dari sumber 1,50 V menyebabkan kenaikan suhu 0,8°C. Berapakah kapasitas panas molar cairan?
Diketahui:
- Kalibrasi kalorimeter:
- ΔT = 1,617 K
- Arus (I) = 3,20 A
- Waktu (t) = 3 detik
- Tegangan (V) = 12,0 V
- Pengukuran sampel:
- Massa sampel = 100 g
- Massa molar = 40 g/mol
- ΔT = 0,8°C = 0,8 K
- Arus (I) = 0,5 A
- Waktu (t) = 3 menit = 180 detik
- Tegangan (V) = 1,50 V
Langkah 1: Menghitung kapasitas panas kalorimeter (Ckal)
Energi listrik yang diberikan:
$$\begin{aligned} Q_{\text{listrik}} &= V \times I \times t \\ &= 12,0 \text{ V} \times 3,20 \text{ A} \times 3 \text{ s} \\ &= 115,2 \text{ J} \end{aligned}$$Kapasitas panas kalorimeter:
$$\begin{aligned} C_{\text{kal}} &= \frac{Q_{\text{listrik}}}{\Delta T} \\ &= \frac{115,2 \text{ J}}{1,617 \text{ K}} \\ &= 71,26 \text{ J/K} \end{aligned}$$Langkah 2: Menghitung energi yang diserap oleh kalorimeter dan sampel
Energi listrik yang diberikan pada pengukuran sampel:
$$\begin{aligned} Q_{\text{total}} &= V \times I \times t \\ &= 1,50 \text{ V} \times 0,5 \text{ A} \times 180 \text{ s} \\ &= 135 \text{ J} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung energi yang diserap oleh kalorimeter
$$\begin{aligned} Q_{\text{kal}} &= C_{\text{kal}} \times \Delta T \\ &= 71,26 \text{ J/K} \times 0,8 \text{ K} \\ &= 57,01 \text{ J} \end{aligned}$$Langkah 4: Menghitung energi yang diserap oleh sampel
$$\begin{aligned} Q_{\text{sampel}} &= Q_{\text{total}} - Q_{\text{kal}} \\ &= 135 \text{ J} - 57,01 \text{ J} \\ &= 77,99 \text{ J} \end{aligned}$$Langkah 5: Menghitung kapasitas panas spesifik sampel
$$\begin{aligned} c &= \frac{Q_{\text{sampel}}}{m \times \Delta T} \\ &= \frac{77,99 \text{ J}}{100 \text{ g} \times 0,8 \text{ K}} \\ &= 0,9749 \text{ J/g.K} \end{aligned}$$Langkah 6: Menghitung kapasitas panas molar sampel
$$\begin{aligned} C_m &= c \times \text{massa molar} \\ &= 0,9749 \text{ J/g.K} \times 40 \text{ g/mol} \\ &= 38,996 \text{ J/mol.K} \end{aligned}$$.Kesimpulan:
Kapasitas panas molar cairan adalah 39,0 J/mol·K (dibulatkan)
Soal #7
Seiris pisang dengan massa 2,502 g dibakar dalam kalorimeter bom menghasilkan kenaikan suhu 3,05°C. Pembakaran 0,316 g asam benzoat dalam kalorimeter yang sama menghasilkan kenaikan suhu 3,24°C. Panas pembakaran asam benzoat pada volume konstan adalah -3.227 kJ mol^-1. Jika massa pisang rata-rata adalah 125 g, berapa banyak kalori yang dapat diperoleh dari satu pisang rata-rata?
Diketahui:
- Massa sampel pisang = 2,502 g
- ΔT dari pembakaran pisang = 3,05°C
- Massa asam benzoat = 0,316 g
- ΔT dari pembakaran asam benzoat = 3,24°C
- Panas pembakaran asam benzoat (ΔU) = -3227 kJ/mol
- Massa molar asam benzoat (C7H6O2) = 122 g/mol
- Massa pisang rata-rata = 125 g
Langkah 1: Menghitung energi pembakaran asam benzoat
$$\begin{aligned} n_{\text{asam benzoat}} &= \frac{0,316 \text{ g}}{122 \text{ g/mol}} = 0,002590 \text{ mol} \\ Q_{\text{asam benzoat}} &= |\Delta U| \times n = 3227 \text{ kJ/mol} \times 0,002590 \text{ mol} = 8,360 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 2: Menghitung kapasitas panas kalorimeter (C)
$$\begin{aligned} C &= \frac{Q_{\text{asam benzoat}}}{\Delta T_{\text{asam benzoat}}} = \frac{8,360 \text{ kJ}}{3,24^\circ \text{C}} = 2,580 \text{ kJ/}^\circ\text{C} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung energi dari sampel pisang 2,502 g
$$\begin{aligned} Q_{\text{pisang sampel}} &= C \times \Delta T_{\text{pisang}} = 2,580 \text{ kJ/}^\circ\text{C} \times 3,05^\circ \text{C} = 7,869 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 4: Menghitung energi per gram pisang
$$\begin{aligned} Q_{\text{per gram}} &= \frac{7,869 \text{ kJ}}{2,502 \text{ g}} = 3,144 \text{ kJ/g} \end{aligned}$$Langkah 5: Menghitung energi dari satu pisang rata-rata (125 g)
$$\begin{aligned} Q_{\text{satu pisang}} &= 3,144 \text{ kJ/g} \times 125 \text{ g} = 393,0 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 6: Mengkonversi kJ ke kalori (1 kJ = 239 kalori)
$$\begin{aligned} \text{Kalori} &= 393,0 \text{ kJ} \times 239 \text{ kalori/kJ} = 93.927 \text{ kalori} = 93,9 \text{ kkal} \end{aligned}$$Kesimpulan:
Satu pisang rata-rata (125 g) memberikan 93,9 kilokalori
Soal #8
Produksi komersial uap air memanfaatkan reaksi dalam kondisi standar: C + H2O(g) → H2 + CO. Panas yang diperlukan untuk reaksi endotermis ini dapat disediakan dengan menambahkan jumlah terbatas udara dan membakar karbon menjadi CO2. Berapa gram karbon yang harus dibakar menjadi CO2 untuk menyediakan panas yang cukup untuk konversi uap air dari 100 g karbon? Abaikan semua kehilangan panas ke lingkungan. Juga, ΔH untuk CO, H2O(g), dan CO2 masing-masing adalah -110,53, -241,81, dan -393,51 kJ/mol.
Diketahui:
- Reaksi endotermik: C + H₂O(g) → H₂ + CO
- Massa karbon untuk konversi = 100 g
- ΔHf° CO = -110,53 kJ/mol
- ΔHf° H₂O(g) = -241,81 kJ/mol
- ΔHf° CO₂ = -393,51 kJ/mol
- Massa molar karbon = 12 g/mol
Langkah 1: Menghitung ΔH reaksi endotermik
Reaksi: C + H₂O(g) → H₂ + CO
$$\begin{aligned} \Delta H_{\text{reaksi}} &= [\Delta H_f^\circ(\text{H}_2) + \Delta H_f^\circ(\text{CO})] - [\Delta H_f^\circ(\text{C}) + \Delta H_f^\circ(\text{H}_2\text{O})] \\ &= [0 + (-110,53)] - [0 + (-241,81)] \\ &= -110,53 + 241,81 \\ &= 131,28 \text{ kJ/mol} \end{aligned}$$Langkah 2: Menghitung energi yang dibutuhkan untuk 100 g karbon
$$\begin{aligned} n_{\text{C}} &= \frac{100 \text{ g}}{12 \text{ g/mol}} = 8,333 \text{ mol} \\ Q_{\text{dibutuhkan}} &= n_{\text{C}} \times \Delta H_{\text{reaksi}} \\ &= 8,333 \text{ mol} \times 131,28 \text{ kJ/mol} \\ &= 1094,0 \text{ kJ} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung ΔH pembakaran karbon menjadi CO₂
Reaksi: C + O₂ → CO₂
$$\begin{aligned} \Delta H_{\text{pembakaran}} &= \Delta H_f^\circ(\text{CO}_2) - [\Delta H_f^\circ(\text{C}) + \Delta H_f^\circ(\text{O}_2)] \\ &= -393,51 - [0 + 0] \\ &= -393,51 \text{ kJ/mol} \end{aligned}$$Langkah 4: Menghitung mol karbon yang harus dibakar untuk menyediakan energi
$$\begin{aligned} n_{\text{C bakar}} &= \frac{Q_{\text{dibutuhkan}}}{|\Delta H_{\text{pembakaran}}|} \\ &= \frac{1094,0 \text{ kJ}}{393,51 \text{ kJ/mol}} \\ &= 2,780 \text{ mol} \end{aligned}$$Langkah 5: Menghitung massa karbon yang harus dibakar
$$\begin{aligned} m_{\text{C bakar}} &= n_{\text{C bakar}} \times \text{massa molar} \\ &= 2,780 \text{ mol} \times 12 \text{ g/mol} \\ &= 33,36 \text{ g} \end{aligned}$$Kesimpulan:
Untuk konversi uap air dari 100 g karbon, diperlukan pembakaran 33,36 gram karbon menjadi CO₂ untuk menyediakan panas yang cukup.
Soal #9
Seseorang menghirup 640 g O2 per hari. Jika semua O2 digunakan untuk mengubah gula menjadi CO2 dan H2O, berapa banyak sukrosa (C12H22O11) yang dioksidasi dalam tubuh dalam satu hari dan berapa panas yang dihasilkan? ΔH pembakaran sukrosa = -5.645 kJ mol^-1.
Diketahui:
- Massa O2 yang dihirup per hari = 640 g
- ΔH pembakaran sukrosa = -5645 kJ/mol
- Massa molar O2 = 32 g/mol
- Massa molar sukrosa (C12H22O11) = 342 g/mol
Langkah 1: Menulis persamaan reaksi pembakaran sukrosa
C12H22O11 + 12O2 → 12CO2 + 11H2O
Perbandingan mol O2 : sukrosa = 12 : 1
Langkah 2: Menghitung jumlah mol O2 yang digunakan
$$\begin{aligned} n_{\text{O}_2} &= \frac{\text{massa O}_2}{\text{massa molar O}_2} \\ &= \frac{640 \text{ g}}{32 \text{ g/mol}} \\ &= 20 \text{ mol} \end{aligned}$$Langkah 3: Menghitung jumlah mol sukrosa yang digunakan
$$\begin{aligned} n_{\text{sukrosa}} &= \frac{n_{\text{O}_2}}{12} \\ &= \frac{20 \text{ mol}}{12} \\ &= 1,6667 \text{ mol} \end{aligned}$$Langkah 4: Menghitung massa sukrosa yang digunakan
$$\begin{aligned} m_{\text{sukrosa}} &= n_{\text{sukrosa}} \times \text{massa molar sukrosa} \\ &= 1,6667 \text{ mol} \times 342 \text{ g/mol} \\ &= 570 \text{ g} \end{aligned}$$Langkah 5: Menghitung panas yang dihasilkan
$$\begin{aligned} Q &= n_{\text{sukrosa}} \times |\Delta H_{\text{pembakaran}}| \\ &= 1,6667 \text{ mol} \times 5645 \text{ kJ/mol} \\ &= 9408,3 \text{ kJ} \end{aligned}$$Kesimpulan:
- Massa sukrosa yang digunakan per hari: 570 gram
- Panas yang dihasilkan per hari: 9408 kJ
Tidak ada komentar:
Posting Komentar