NOTA KIMIA TINGKATAN 5 BAB 3

Ringkasan Konsep Utama (Nota Kimia Tingkatan 5 Bab 3: Termokimia)

Termokimia ialah kajian tentang perubahan haba yang berlaku semasa tindak balas kimia. Setiap tindak balas kimia sama ada membebaskan atau menyerap tenaga, lazimnya dalam bentuk haba. Konsep ini boleh dibahagikan kepada dua kategori utama: tindak balas eksotermik dan tindak balas endotermik.

1. Tindak Balas Eksotermik

Tindak balas eksotermik ialah tindak balas kimia yang membebaskan haba ke persekitaran.

• Ciri-ciri:

    ◦ Suhu persekitaran meningkat.

    ◦ Bekas tindak balas menjadi panas.

    ◦ Jumlah kandungan tenaga hasil tindak balas adalah lebih rendah daripada jumlah kandungan tenaga bahan tindak balas.

    ◦ Perubahan haba (ΔH) mempunyai tanda negatif (-).

• Contoh: Respirasi, pengoksidaan logam, peneutralan, pembakaran bahan api, dan melarutkan natrium hidroksida dalam air.

• Aplikasi: Hot Can (tin pemanas kendiri), pek panas, tindak balas termit untuk kimpalan, dan pembakaran bahan api untuk memasak.

2. Tindak Balas Endotermik

Tindak balas endotermik ialah tindak balas kimia yang menyerap haba dari persekitaran.

• Ciri-ciri:

    ◦ Suhu persekitaran menurun.

    ◦ Bekas tindak balas menjadi sejuk.

    ◦ Jumlah kandungan tenaga hasil tindak balas adalah lebih tinggi daripada jumlah kandungan tenaga bahan tindak balas.

    ◦ Perubahan haba (ΔH) mempunyai tanda positif (+).

• Contoh: Fotosintesis, penguraian karbonat dan nitrat logam apabila dipanaskan, dan melarutkan garam ammonium dalam air.

• Aplikasi: Pek sejuk, pad gel untuk meredakan demam, tin minuman sejuk kendiri, dan pembuatan serbat.

3. Haba Tindak Balas (ΔH)

Haba tindak balas (simbol: ΔH) ialah perubahan haba yang berlaku apabila satu mol bahan bertindak balas atau satu mol hasil tindak balas terbentuk. Unitnya ialah kJ mol⁻¹. Perubahan ini boleh digambarkan menggunakan gambar rajah aras tenaga, yang menunjukkan perbezaan kandungan tenaga antara bahan dan hasil tindak balas.

• Pemutusan dan Pembentukan Ikatan:

    ◦ Tenaga haba diserap untuk memutuskan ikatan kimia dalam bahan tindak balas.

    ◦ Tenaga haba dibebaskan semasa pembentukan ikatan baru dalam hasil tindak balas.

    ◦ Dalam tindak balas eksotermik, haba yang dibebaskan semasa pembentukan ikatan adalah lebih besar daripada haba yang diserap untuk memutuskan ikatan.

    ◦ Dalam tindak balas endotermik, haba yang diserap untuk memutuskan ikatan adalah lebih besar daripada haba yang dibebaskan semasa pembentukan ikatan.

4. Jenis-jenis Haba Tindak Balas

Terdapat beberapa jenis haba tindak balas yang khusus, bergantung pada jenis tindak balas:

• Haba Peneutralan: Nilainya adalah paling tinggi (-57 kJ mol⁻¹) bagi tindak balas antara asid kuat dan alkali kuat. Nilainya lebih rendah jika melibatkan asid lemah atau alkali lemah kerana sebahagian haba yang dibebaskan diserap semula untuk mengionkan molekul asid/alkali lemah tersebut dengan lengkap.

5. Pengiraan Haba dan Nilai Bahan Api

Perubahan haba dalam eksperimen boleh dihitung menggunakan formula: Q = mcθ Di mana:

• Q = Perubahan haba (Joule, J)

• m = Jisim larutan (gram, g)

• c = Muatan haba tentu air (4.2 J g⁻¹ °C⁻¹)

• θ = Perubahan suhu (°C)

Nilai bahan api ialah kuantiti tenaga yang terbebas apabila satu gram bahan api dibakar dengan lengkap. Unitnya ialah kJ g⁻¹. Pemilihan bahan api yang sesuai bergantung kepada beberapa faktor, termasuk nilai bahan api, kos, ketersediaan, dan kesannya terhadap alam sekitar.

Soalan dan Jawapan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)

Soalan 1: Bandingkan perubahan tenaga yang berlaku semasa pemecahan ikatan dan pembentukan ikatan dalam tindak balas eksotermik dan endotermik. Gunakan contoh tindak balas antara hidrogen dan klorin untuk menyokong penjelasan anda.

Jawapan: Dalam semua tindak balas kimia, tenaga haba diserap untuk memutuskan ikatan kimia dalam bahan tindak balas, dan tenaga haba dibebaskan apabila ikatan baharu terbentuk dalam hasil tindak balas. Perbezaan antara kedua-dua jenis tindak balas ini terletak pada magnitud tenaga yang terlibat.

• Tindak Balas Eksotermik: Tenaga haba yang dibebaskan semasa pembentukan ikatan dalam hasil tindak balas adalah lebih besar daripada tenaga haba yang diserap untuk memutuskan ikatan dalam bahan tindak balas. Lebihan tenaga ini dibebaskan ke persekitaran, menyebabkan suhu persekitaran meningkat.

    ◦ Contoh: Dalam tindak balas antara gas hidrogen (H₂) dan gas klorin (Cl₂), tenaga diserap untuk memutuskan ikatan H-H (436 kJ mol⁻¹) dan Cl-Cl (243 kJ mol⁻¹). Tenaga dibebaskan semasa pembentukan dua ikatan H-Cl (2 × 432 kJ mol⁻¹ = 864 kJ). Jumlah tenaga yang dibebaskan (864 kJ) adalah lebih besar daripada jumlah tenaga yang diserap (436 + 243 = 679 kJ). Oleh itu, tindak balas ini adalah eksotermik dengan ΔH = -185 kJ mol⁻¹.

• Tindak Balas Endotermik: Tenaga haba yang diserap untuk memutuskan ikatan dalam bahan tindak balas adalah lebih besar daripada tenaga haba yang dibebaskan semasa pembentukan ikatan dalam hasil tindak balas. Kekurangan tenaga ini diserap dari persekitaran, menyebabkan suhu persekitaran menurun.

Soalan 2: Haba peneutralan bagi tindak balas antara asid kuat dan alkali kuat (cth: HCl dan NaOH) ialah -57 kJ mol⁻¹, manakala haba peneutralan bagi tindak balas antara asid lemah dan alkali kuat (cth: CH₃COOH dan NaOH) ialah -55 kJ mol⁻¹. Terangkan mengapa nilai haba peneutralan bagi tindak balas yang melibatkan asid lemah lebih rendah.

Jawapan: Perbezaan nilai haba peneutralan ini berpunca daripada kekuatan asid yang digunakan.

1. Asid Kuat dan Alkali Kuat: Kedua-dua asid kuat (seperti HCl) dan alkali kuat (seperti NaOH) mengion dengan lengkap di dalam air. Oleh itu, semua tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas adalah hasil daripada pembentukan satu mol air daripada ion hidrogen (H⁺) dan ion hidroksida (OH⁻).

2. Asid Lemah: Asid lemah (seperti asid etanoik, CH₃COOH) hanya mengion separa di dalam air, dengan sebahagian besarnya kekal sebagai molekul yang tidak terurai. Apabila dineutralkan oleh alkali kuat, sebahagian daripada haba yang dibebaskan semasa pembentukan air akan diserap semula. Tenaga ini digunakan untuk memutuskan ikatan dalam molekul asid lemah yang belum mengion supaya ia boleh mengion dengan lengkap. Proses pengionan ini adalah endotermik.

3. Kesimpulan: Oleh kerana sebahagian haba yang terbebas diserap kembali untuk proses pengionan asid lemah, haba bersih yang dibebaskan ke persekitaran menjadi lebih rendah. Ini menyebabkan nilai haba peneutralan (ΔH) bagi tindak balas yang melibatkan asid lemah adalah kurang negatif (lebih rendah magnitudnya) berbanding tindak balas yang melibatkan asid dan alkali yang kuat.

Soalan 3: Berdasarkan Jadual 3.6, gas hidrogen mempunyai nilai bahan api tertinggi (143 kJ g⁻¹), jauh lebih tinggi daripada petrol (34 kJ g⁻¹). Namun begitu, petrol masih menjadi pilihan utama untuk kenderaan. Wajarkan pemilihan bahan api berdasarkan faktor-faktor yang dinyatakan dalam sumber.

Jawapan: Pemilihan bahan api yang sesuai tidak hanya bergantung pada nilai bahan apinya sahaja, tetapi juga melibatkan beberapa faktor lain:

• Nilai Bahan Api: Gas hidrogen jelas lebih unggul kerana ia membebaskan lebih banyak tenaga per gram berbanding petrol. Ini bermakna ia lebih efisien dari segi tenaga.

• Kesan Terhadap Alam Sekitar: Pembakaran hidrogen menghasilkan hanya air (H₂O), menjadikannya bahan api yang sangat bersih dan tidak menyumbang kepada pembebasan gas rumah hijau. Sebaliknya, pembakaran petrol menghasilkan karbon dioksida, jelaga, dan gas-gas berbahaya lain yang mencemarkan alam sekitar.

• Kos Bahan Api: Walaupun tidak dinyatakan secara spesifik dalam jadual, penghasilan dan penyimpanan gas hidrogen pada masa ini adalah lebih mahal dan rumit berbanding penapisan dan pengedaran petrol.

• Mudah Didapati dan Sumber Bahan: Petrol berasal daripada petroleum mentah yang lebih mudah untuk diekstrak dan diproses menjadi bahan api pada skala besar. Infrastruktur untuk pengedaran petrol juga sudah mantap di seluruh dunia. Gas hidrogen pula memerlukan teknologi khusus untuk pengeluaran (cth: elektrolisis air) dan penyimpanan (tangki tekanan tinggi), menjadikannya kurang mudah didapati.

Kesimpulannya, walaupun hidrogen adalah bahan api yang lebih efisien dan mesra alam, petrol masih menjadi pilihan utama kerana kos yang lebih rendah, ketersediaan yang meluas, dan infrastruktur yang sedia ada.

Soalan 4: Dalam satu eksperimen untuk menentukan haba pemendakan argentum klorida (AgCl), seorang pelajar mendapat nilai -60.5 kJ mol⁻¹. Nilai teori bagi tindak balas ini ialah -65.5 kJ mol⁻¹. Analisis tiga kemungkinan sebab mengapa nilai yang diperoleh daripada eksperimen lebih rendah daripada nilai teori.

Jawapan: Terdapat beberapa faktor yang boleh menyebabkan nilai haba pemendakan yang diperoleh dalam eksperimen lebih rendah (kurang eksotermik) daripada nilai teori:

1. Kehilangan Haba ke Persekitaran: Ini adalah punca utama. Walaupun cawan polistirena digunakan sebagai penebat, sebahagian haba yang dibebaskan oleh tindak balas akan tetap hilang ke udara sekeliling dan diserap oleh termometer serta cawan itu sendiri. Kehilangan haba ini menyebabkan kenaikan suhu yang direkodkan (θ) adalah lebih rendah daripada kenaikan suhu sebenar, justeru nilai Q (haba yang dibebaskan) yang dihitung menggunakan formula Q = mcθ menjadi lebih kecil.

2. Tindak Balas Tidak Lengkap: Ada kemungkinan tindak balas pemendakan tidak berlaku sepenuhnya. Jika jumlah bahan tindak balas yang bertindak balas adalah kurang daripada yang dijangkakan, maka jumlah mendakan yang terbentuk juga akan berkurangan. Akibatnya, jumlah haba keseluruhan yang dibebaskan adalah lebih rendah.

3. Pengukuran yang Kurang Tepat: Ralat paralaks semasa menyukat isi padu larutan atau kelewatan memindahkan larutan boleh menyebabkan jumlah bahan tindak balas yang digunakan tidak tepat. Selain itu, kelewatan dalam merekodkan suhu tertinggi selepas tindak balas bermula boleh menyebabkan bacaan suhu menurun sedikit akibat penyejukan, lantas memberikan nilai θ yang lebih rendah.

Soalan 5: “Hot Can” ialah sebuah tin pemanas kendiri yang menggunakan tindak balas eksotermik untuk memanaskan makanan atau minuman. Berdasarkan prinsip termokimia, cadangkan satu pasangan bahan kimia yang sesuai untuk digunakan di dalam kebuk dalaman tin tersebut dan terangkan bagaimana ia berfungsi.

Jawapan: Berdasarkan sumber, “Hot Can” berfungsi melalui tindak balas eksotermik antara dua bahan kimia yang disimpan dalam kebuk berasingan. Salah satu pasangan bahan kimia yang sangat sesuai ialah kalsium oksida (CaO) dan air (H₂O).

Cara Ia Berfungsi:

1. Struktur Tin: Tin ini mempunyai dua kebuk. Kebuk luaran berisi minuman atau sup, manakala kebuk dalaman mengandungi pepejal kalsium oksida. Air pula disimpan dalam satu bekas kecil atau membran yang boleh dipecahkan di dalam kebuk dalaman.

2. Pengaktifan: Apabila pengguna mengaktifkan tin (contohnya, dengan menekan butang di bawah tin), membran yang memisahkan air dan kalsium oksida akan pecah.

3. Tindak Balas Eksotermik: Air akan bercampur dengan kalsium oksida. Tindak balas kimia antara kedua-dua bahan ini adalah sangat eksotermik, iaitu ia membebaskan sejumlah besar tenaga haba ke persekitaran.

    ◦ CaO(p) + H₂O(ce) → Ca(OH)₂(p) + Haba

4. Pemindahan Haba: Haba yang dibebaskan oleh tindak balas ini akan dipindahkan melalui dinding kebuk dalaman ke minuman atau makanan di kebuk luaran, menaikkan suhunya ke tahap yang sesuai untuk diminum atau dimakan. Pasangan ini berkesan kerana tindak balasnya berlaku dengan cepat dan menghasilkan haba yang mencukupi untuk memanaskan kandungan tin tersebut.