module sce3109
DESCRIPTION
sce 3109TRANSCRIPT
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 1 :
1.1 TERMOKIMIA
1.1.1 Pengenalan Termokimia1.1.2Perubahan Tenaga Dalam Tindak Balas
Kimia
1.2HUKUM PERTAMA TERMODINAMIK
1.2.1 Hukum Keabadian Tenaga1.2.2 Tenaga Dalaman1.2.3 Haba Tindak Balas
1
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1.1 TERMOKIMIA
1.1.1 PENGENALAN
TENAGA - Keupayaan untuk melakukan kerja/perubahan
Dalam kimia, Kerja W - Perubahan tenaga yang terarah hasil daripada sesuatu proses.
Tenaga dan Kerja mempunyai unit yang sama, dalam SI, joule (J)
Ada pelbagai bentuk tenaga:
Tenaga Kinetik - Tenaga yang bersekutu dengan
objek yang bergerak, iaitu yang
mempunyai halaju.
Tenaga Radiasi - Tenaga solar, tenaga yang berasal daripada pancaran cahaya
matahari. Tenaga ini memanaskan atmosfera dan permukaan
2
Kerja, W = Daya (F) × Jarak (d)
Tenaga
Tenaga kinetik
Tenaga radiasi
Tenaga kimia
Tenaga terma
Tenaga keupayaan
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
bumi dan menyebabkan pelbagai aktiviti berlaku.
Tenaga Terma - Tenaga yang bersekutu dengan pergerakan rawak zarah-zarah
dalam sesuatu sistem.
Tenaga Kimia - Tenaga yang tersimpan di dalam bahan kimia.
Tenaga Keupayaan - Tenaga yang bersekutu dengan kedudukan sesuatu objek,
misalnya ketinggian.
1.1.2 PERUBAHAN TENAGA DALAM TINDAK BALAS KIMIA
Semua tindak balas kimia mengalami perubahan tenaga. Hasil tindak balas dan bahan
tindak balas mempunyai tenaga yang berbeza. Hampir semua perubahan tenaga yang
berlaku dalam tindak balas kimia berupa HABA. Haba adalah satu bentuk tenaga
terma.
Haba adalah pemindahan tenaga terma daripada dua jasad yang mempunyai suhu
yang berlainan.
Termokimia - Kajian tentang perubahan haba semasa tindak balas kimia.
1.2 HUKUM PERTAMA TERMODINAMIK
1.2.1 HUKUM KEABADIAN TENAGA
- Menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta maupun dimusnahkan, ia cuma
3
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
berubah bentuk.
- Semua bentuk tenaga boleh saling bertukar bentuk. Penukar bentuk tenaga adalah
mesin (semula jadi atau buatan). Semasa tenaga bertukar bentuk, magnitudnya
kekal, tidak bertambah, atau berkurang.
1.2.2 TENAGA DALAMAN
- Jumlah tenaga kinetik dan tenaga keupayaan
1.2.3 HABA TINDAK BALAS
Perubahan kandungan tenaga apabila 1 mol bahan tindak balas bertindak balas
atau 1 mol hasil tindak balas terbentuk dipanggil haba tindak balas dan diberi
simbol DH.
Unit tenaga bagi haba tindak balas ialah joule (J).
4
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
MUATAN HABA TENTU
Kapasiti haba sesuatu bahan ialah kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan
suhunya sebanyak 1K.
Q = perubahan haba
m = jisim bahan (g)
t = perubahan suhu
c = muatan haba tentu
Entalpi ialah kandungan haba dalam sistem
= perubahan haba
5
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TINDAK BALAS EKSOTERMIK
- Tindak balas eksotermik adalah disertai dengan pembebasan tenaga haba ke
sekelilingnya.
- Tenaga haba yang dibebaskan akan menyebakan bekas yang menampung tindak
balas itu terasa panas apabila disentuh dengan tangan.
- Suhu campuran bahan-bahan tindak balas eksotermik akan menaik.
Perubahan tenaga tindak balas Eksotermik akan menunjukkan nilai negatif , DH =
negatif, iaitu
Perubahan Tenaga = Tenaga Hasil Tindak Balas - Tenaga Bahan Tindak Balas
ΔH = Hh - Hb
- Contoh-contoh :
Tindak balas pembakaran bahan api
Tindak balas pemendakan
Tindak balas penyesaran
Tindak balas peneutralan
6
Haba terbebas
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TINDAK BALAS ENDOTERMIK
- Tindak balas endotermik adalah disertai dengan penyerapan tenaga haba
daripada sekeliling.
- Tenaga haba yang diserap daripada sekeliling akan menyebabkan bekas yang
menampung tindak balas itu terasa sejuk apabila disentuh dengan tangan.
- Suhu campuran bahan-bahan tindak balas endotermik akan menurun.
- Perubahan tenaga tindak balas Endotermik akan menunjukan nilai positif ,
DH = positif, iaitu
Perubahan Tenaga = Tenaga Hasil Tindak Balas - Tenaga Bahan Tindak Balas
ΔH = Hh - Hb
- Contoh-contoh:
Penguraian kalsium karbonat apabila dipanaskan dengan kuat.
Melarutkan garam ammonium klorida di dalam air
7
Haba diserap
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. ∆ bagi pembentukan 2mol air daripada hidrogen dan oksigen ialah -517.8kJ.
Tulis persamaan termokimia bagi tindak balas ini.
2. Diberi H2 (g) + O2 (g) H2O, ∆H= -287kJ
a) Apakah jenis tindak balas di atas.
b) Manakah ada entalpi yang lebih besar, bahan atau hasil tindak balas?
c) Apakah nilai ∆H bagi tindak balas. ?
2H2O ( g) 2H2 (g) + O2 (g)
8
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
3. Apabila serbuk zink ditambah ke dalam cawan plastik yang mengandungi 50cm3
larutan Cu2+ , suhu meningkat sebanyak 6.2 . Kapasiti haba tentu air ialah 4.2
Jg-1.
a) Tulis persamaan tindak balas yang berlaku.
b) Kira haba yang terbebas semasa tindak balas.
TOPIK 2:
9
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
2.1 TERMOKIMIA
2.1.1 Kalorimeter
2.1.2 Muatan Haba
10
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
2.1 TERMOKIMIA
2.1.1 KALORIMETER
1) Kalorimeter ialah pengiraan kuantitatif bagi haba yang diperlukan atau dihasilkan
semasa proses tidak balas kimia, perubahan fizikal dan muatan haba.
2) Kalorimeter ialah sebagai alat yang digunakan untuk mengira haba tindak balas
ketika menjelaskan proses tindak balas kimia yang berlaku.
3) Terdapat dua jenis kalorimeter iaitu “Coffee-Cup Calorimeter” and “Bomb
Calorimeter”.
a. “Coffee-Cup Calorimeter”
Alat ini merupakan satu alat yang ringkas yang direka untuk
digunakan di dalam makmal.
Ia direka menggunakan cawan polistirena dan termometer.
11
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
“Coffee-Cup Calorimeter”
Alat ini digunakan untuk mencari perubahan haba sesuatu bahan
yang terdiri daripada dua larutan.
Larutan tersebut perlu dimasukkan ke dalam kalorimeter dan catat
suhu awal dan suhu akhir setelah tindak balas selesai.
Apabila tindak balas berlaku pada tekanan tetap di dalam “Coffee-
Cup Calorimeter”, perubahan entalpi akan melibatkan haba dan
sedikit haba akan dibebaskan ke persekitaran (eksotermik) atau
diserap dari persekitaran (endotermik).
Cawan polistirena digunakan kerana ia merupakan bahan yang
mempunyai dinding penebat haba yang baik yang dapat mencegah
haba terbebas ke persekitaran.
12
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
b. “Bomb Calorimeter”
Jenis kalorimeter ini merupakan alat penyukat tindak balas haba
yang jitu dan ia mempunyai isi padu tetap.
Digunakan untuk menyukat perubahan tenaga untuk tindak balas
yang tidak akan berlaku sehingga dimulakan dengan sengaja.
Contohnya ialah pembakaran yang dinyalakan.
13
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Bahan tindak balas akan diletakkan di dalam “bomb”, iaitu
diletakkan di dalam bekas yang ditutup dan di rendamkan di dalam
tangki air.
Tangki air tersebut besar dan bertindak sebagai penebat
sepenuhnya.
Apabila tindak balas berakhir, haba yang dilepaskan akan di serap
oleh periuk api (“bomb”), air dan sebarang kelengkapan yang
terdapat di dalam air. Seterusnya, suhu keseluruhan bahan di
dalam tangki akan meningkat.
Pengacau (stirrer) akan memastikan haba yang dibebaskan akan
disebarkan secara sekata sebelum suhu akhir akan diambil.
Daripada perubahan suhu dan muatan haba kalorimeter (air dan
semua yang terdapat di dalam air), suhu yang dibebaskan telah
dikira.
14
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
2.1.2 MUATAN HABA (HEAT CAPASITY)
1) Muatan haba ialah kuantiti haba sesuatu bahan yang diperlukan untuk
menaikkan suhunya sebanyak 1 .
2) Muatan haba sesuatu objek bergantung pada jisim objek dan jenis objek.
Muatan Haba Tentu (Specific Heat Capacity)
o Muatan haba tentu suatu bahan ialah haba yang diperlukan untuk
menaikkan suhu sebanyak 1 bagi 1kg bahan itu.
o Formulanya ialah:
c = muatan haba tentu
Q = kuantiti haba yang diserap atau dibebaskan
m = jisim objek
= perubahan suhu
o Unitnya ialah
Haba Pendam Tentu (Molar Heat Capacity)
o Kuantiti haba yang diperlukan untuk mengubah keadaan jirim sesuatu
bahan bergantung pada jisim bahan dan jenis bahan tersebut.
o Formulanya ialah:
L = haba pendam tentu
Q = kuantiti haba yang diserap atau dibebaskan
m = jisim
o Unitnya ialah
15
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1) Tidak balas antara asid hidroklorik (HCl) dan natrium hidroksida (NaOH) dalam air
melibatkan tidak balas eksotermik.
HCl (aq) + NAOH(aq) NaCl (aq) + (l)
Dalam satu eksperimen, 50.00mL daripada 1.00 M HCl pada 28.5 telah diletakkan di
dalam “coffee-cup calorimeter”. Seterusnya, 50.00 mL daripada 1.00 M NaOH larutan
telah ditambah di mana suhunya juga 28.5 . Campuran telah dikacau serta merta dan
suhu larutan campuran telah meningkat kepada 35.4 . Apakah haba tindak balas?
Oleh sebab larutan adalah cair, kita menganggap muatan haba tentu ialah hampir
kepada air iaitu 4.184 J/g . Ketumpatan air ialah 1.00g/mL dan kita menganggap
larutan tersebut mempunyai ketumpatan yang hampir kepada air.
2) Glukosa merupakan punca tenaga kepada badan kita. Pembakaran glukosa ialah
Pembakaran 2.06g glukosa di dalam “bomb calorimeter” menyebabkan suhu air
meningkat daripada 29.45 kepada 31.44 . Kalorimeter mengandungi 982.0 g air.
Muatan haba bagi kalorimeter ialah 814 J/ . Muatan haba tentu air ialah 4.184 J/g
Kira haba pembakaran bagi 1 mol glukosa.
16
SOALAN
jawapan
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
3) Sampel bagi 4.0g besi telah dipanaskan daripada 0 - 20 . Ia telah menyerap 35.2 J
tenaga sebagai haba. Apakah muatan haba tentu bagi besi tersebut.
4) Berapakah muatan haba tentu bagi etanol apabila 700.0 J haba diperlukan untuk
menaikkan suhu bagi 80.0 g sampel daripada 30.0 kepada 45.0 ?
TOPIK 3 :
3.1 TERMOKIMIA
3.1.1 Entalpi
17
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
3.1.2 Tindak Balas Entalpi
18
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
3.1.1 ENTALPI
1) Definisi haba (entalpi)
o Kandungan tenaga yang tersimpan dalam sesuatu bahan atau sistem
o Simbol = ∆H
2) Definisi haba tindak balas
o Perubahan haba yang berlaku apabila bilangan mol bahan tindak balas
seperti yang ditunjukkan dalam persamaan kimia bertindak bersama pada
keadaan piawai untuk membentuk hasil tindakbalas dalam keadaan piawai
o Keadaan piawai ialah keadaan di mana:
Suhu = 25° C atau 298 K
Tekanan = 1 atm atau 101.3 kPa
Kepekatan = 1.0 mol dm-3
Bahan dan hasil tindakbalas mesti berada pada keadaan fizik yang
biasa pada suhu 25°C dan tekanan 1 atm
3) Jenis haba tindak balas
i. Haba pemendakan
Perubahan haba yang berlaku apabila 1 mol mendakan terbentuk
daripada tindak balas larutan ionnya pada keadaan piawai
Contoh:
Ag+ (ak) + Cl- (ak) AgCl (p) ∆H= -65.5 KJmol-1
ii. Haba penyesaran
Perubahan haba yang berlaku apabila satu mol logam disesarkan
daripada larutan garamnya pada keadaan piawai oleh logam yang lebih
elektropositif
Contoh:
Fe (p) + CuSO4 (ak) FeSO4 (ak) + Cu (p) ∆H= -150 KJmol-1
19
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
iii. Haba peneutralan
Haba yang dibebaskan apabila satu mol ion hidrogen daripada asid
bergabung dengan satu mol hidroksida untuk membentuk satu mol air
pada keadaan piawai
Contoh:
HNO3 (ak) + NaOH (ak) NaNO3 (ak) + H2 (ce) ∆H= -57 KJmol-1
iv. Haba pembakaran
Haba yang dibebaskan apabila satu mol bahan dibakar dengan lengkap
dalam oksigen pada keadaan piawai
Contoh:
CH4 (g) + 202 (g) CO2 (g) + 2H2O (ce) ∆H= -890 KJmol-1
4) Contoh soalan dan pengiraan
SOALAN:
Seorang pelajar menjalankan satu eksperimen untuk menentukan haba
pemendakan batrium sulfat di dalam makmal. Langkah berikut dilakukan.
Suhu awal 25cm3 larutan barium klorida 1.0 mol dm-3 dan 25cm3 larutan natrium
sulfat 1.0 moldm-3 dicatatkan. Kemudian, kedua- dua larutan tersebut
dicampurkan.Campuran dikacau dan suhu yang tertinggi yang dicapai
dicatatkan. Keputusan eksperimen berikut diperoleh.
Suhu awal larutan barium klorida = 28° C
Suhu awal larutan natrium sulfat = 30° C
Suhu tertinggi yang dicapai oleh campuran larutan = 34 °C
Hitungkan haba pemendakan bagi barium sulfat dalam eksperimen ini.
Kemudian, lakarkan gambar rajah aras tenaganya.
20
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
JAWAPAN:
1) Menulis persamaan tindak balas
BaCI2(ak) + Na2SO4(ak) BaSO4(p) + 2NaCI(ak)
2) Menghitung bilangan mol barium sulfat yang termendak
Bil mol BaCI2 dalam 25cm3 larutan
=
=
= 0.025 mol
Bil mol Na2SO4 dalam 25cm3 larutan
=
=
= 0.025 mol
Menurut persamaan, 1 mol BaCI2 bertindak balas dengan 1 mol Na2SO4 untuk
membentuk 1mol BaSO4
Jadi, 0.025 mol BaCI2 bertindak balas dengan 0.025 mol Na2SO4 untuk
membentuk 0.025 mol BaSO4
3) Menghitung perubahan haba dalam tindak balas
Jumlah isipadu larutan campuran
= 25cm3+ 25cm3
= 50cm3
Jisim larutan campuran,m
= isipadu larutan x ketumpatan larutan
21
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
= 50cm3 x 1
= 50 g
Suhu awal larutan
= purata suhu awal kedua- dua larutan
= =29° C
Perubahan suhu larutan
= suhu tertinggi- suhu awal
= 34- 29
= 5° C
Haba yang dibebaskan oleh tindakbalas pemendakan
= haba yang diserap oleh larutan
= mcƟ
= 50 g x 4.2 x 5
= 1050 kJ
= 1.05 kJ
4) Menghitung haba pemendakan
Pemendakan 0.025 mol BaSO4 akan membebaskan 1.05 kJ haba
Oleh itu, pemendakan 1 mol BaSO4 akan membebaskan = 42 kJ haba
Maka,
BaCI2(ak) + Na2SO4(ak) BaSO4(p) + 2NaCI(ak) ∆H= -42 KJmol-1
BaCI2(ak) + Na2SO4(ak)
∆H= -42 KJmol-1
22
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
BaSO4(p) + 2NaCI(ak)
5) Gambarajah aras tenaga
o Apabila tindak balas kimia berlaku, bahan tindak balas ditukarkan kepada hasil
tindak balas
o Kandungan tenaga bahan tindak balas berbeza daripada kandungan tenaga
hasil tindak balas. Jadi, terdapat suatu perubahan tenaga yang berlaku semasa
tindak balas kimia
o Perubahan tenaga ini diberikan simbol = ∆H
o Bagi tindak balas eksotermik, jumlah kandungan tenaga hasil tindak balas
adalah kurang daripada jumlah kandungan tenaga bahan tindak balas. Maka,
∆H adalah negatif
o Bagi tindak balas endotermik, jumlah kandungan tenaga hasil tindak balas
adalah lebih tinggi daripada jumlah kandungan tenaga bahan tindak balas.
Maka, ∆H adalah positif
o Perubahan tenaga dalam tindak balas eksotermik dan endotermik dapat
ditunjukkan dengan jelas dengan menggunakan gambarajah aras tenaga.
23
∆H = jumlah kandungan tenaga hasil tindak balas
– jumlah kandungan tenaga bahan tindak balas
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Tindak balas eksotermik
Tindak balas endotermik
24
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Kaji persamaan di bawah
Fe (s) + CuSO4 (aq) → Cu (s) + FeSO4 (aq) ∆H = -250 kJ mol-1
Jika serbuk besi ditambah kepada 100 cm3 larutan kuprum(II) sulfat 0.25 mol dm-3,
kirakan
i. Haba yang dibebaskan
ii. Peningkatan suhu
iii. Jisim kuprum yang disesarkan
iv. Jisim garam yang terbentuk
v. Lukis gambarajah aras tenaga
.
[Jmr = Cu, 64; Fe, 56; S, 32; O, 16]
25
SOALAN
mcm mana nk dapat jisim?
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 4 :
4.1 TERMOKIMIA
4.1.1 Entalpi
4.1.2 Hukum Hess
4.1.3 Entalpi Pembentukan
26
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
4.1.1 ENTALPI
Entalpi, H merupakan perubahan haba yang berlaku apabila 1 mol bahan terbentuk
daripada unsur-unsurnya pada tekanan tetap.
Entalpi, H ditakrifkan
Di mana
H adalah entalpi system @ tindak balas dalam Joules
U adalah tenaga dalaman system @ tindak balas dalam Joules
P adalah tekanan yang bertindak ke atas system @ tindak balas
V adalah isipadu system @ tindak balas dalam meter padu
4.1.2 HUKUM HESS
Hukum Hess menyatakan bahawa,
Haba keseluruhan atau akhir tindak balas adalah sama dengan jumlah haba proses
tindak balas.
ΔH1 = ΔH2 + ΔH3 + ΔH4
Untuk menentukan entalpi suatu tindak balas, kita boleh menambah beberapa
tindak balas. Hasil yang diperolehi akan menunjukkan nilai yang sama.
Contoh untuk menentukan entalpi :
27
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
a) NO 2 :
Jadi, persamaan termokimia yang tepat adalah :
N2(g) + O2(g) -- -> 2NO2(g) ΔH = 68 KJ
b) CO 2
C(s) + ½O2(g) → CO(g) ΔHm = –110.5 kJ mol–1 = ΔH1
CO(g) + ½O2(g) → CO2(g) ΔHm = –283.0 kJ mol–1 = ΔH2
ΔHnet = –110.5 kJ mol–1 + (–283.0 kJ mol–1) = –393.5 kJ mol–1 = ΔH1 + ΔH2
Jadi, persamaan termokimia yang tepat adalah :
C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔHm = –393.5 kJ mol–1
Dengan mengetahui entalpi standard pembentukan NO2, maka kita boleh
menghitung nilai entalpi untuk tindak balas diatas. Melalui hukum Hess, kita dapat
28
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
mengira nilai entalpi sesuatu bahan dan unsur yang sukar ditentukan dalam makmal.
Terdapat beberapa perkara yang perlu diberi perhatian semasa mengaplikasikan
hukum Hess. Antaranya kita dapat menggabungkan beberapa tindak balas yang telah
diketahui entalpinya untuk memperoleh entalpi tindak balas yang dicari.
PERUBAHAN ENTALPI PEMBENTUKAN PIAWAI Δ .
Perubahan entalpi pembentukan piawai ialah haba yang diserapkan atau dibebaskan
apabila satu mol bahan dibentuk daripada unsur-unsurnya di bawah keadaan piawai.
Perubahan entalpi pembentukan piawai bagi bahan diberi symbol Δ .
Sebagai contoh, entalpi pembentukan piawai bagi air ialah –285.5 kJ mol–1. Ini merujuk
kepada perubahan berikut :
H2(g) + ½O2 (g) → H2O(l) Δ = –285.5 kJ mol–1
Ini bererti apabila 1 mol air (cecair) terbentuk daripada hydrogen (H) dan oksigen (O)
dalam keadaan bergas, 285.5 kJ haba dibebaskan (tindak balas eksotermik)
Secara lazim, perubahan entalpi pembentukan piawai bagi unsur-unsur di bawah
keadaan piawai diberikan nilai sifar.
Maka, perubahan entalpi pembentukan piawai bagi air boleh diwakili oleh profil tenaga
berikut :
29
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Sesetengah perubahan entalpi pembentukan piawai adalah bernilai positif. Contohnya,
perubahan entalpi pembentukan piawai bagi etana, C2H2 adalah + 227 kJ mol–1.
2C (p) + H2 (g) → C2H2 (g) Δ . = + 227.0 kJ mol–1
Perubahan entalpi pembentukan piawai sesetengah bahan tidak boleh ditentukan
secara langsung oleh eksperimen. Misalnya, karbon tidak berpadu secara langsung
dengan dengan gas hydrogen di bawah sebarang keadaan untuk menghasilkan etana.
Perubahan entalpi pembentukan piawai bagi etana sebenarnya diperoleh dengan
menggunakan hukum Hess seperti berikut
C (p) + O2 (g) → CO2 (g) Δ = - 394 kJ mol–1
30
H2(g) + ½O2 (g)
H2O(l)
ΔH = –296 kJ mol–1
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
H2 (g) + O2 (g) → H2 O(g) Δ . = - 296 kJ mol–1
C2H2 (g) + O2 (g) → 2CO2 (p) + H2 O(ce) Δ . = - 1311 kJ mol–1
ΔH1, ΔH2 dan ΔH3 semuanya boleh ditentukan secara terus dalam makmal.kitaran
termokimia berikut digunakan :
2C (p) + H2 C2H2 (g)
2CO2 (p) + H2 O
Mengikut Hukum Hess :
+ ( - 1311) = 2(-394) + (-296)
= + 227 kJ mol-1
4.1.3 ENTALPI TINDAK BALAS DAN ENTALPI PEMBENTUKAN
Bagi suatu tindak balas am,
31
-394 2 -296-1311
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
A + B = C + D
Maka, perubahan entalpi, Δ tindak balas diberikan oleh formula berikut :
Δ = Δ (hasil) + Δ (bahan tindak balas)
Contoh :
2 Al (p) + Cr2O3 (p) → 2 Cr (p) + Al2O3 (p)
Diberikan : Δ (Al2O3) = - 1669 kJ mol–1
Δ (Cr2O3) = -1128 kJ mol–1
2 Al (p) + Cr2O3 (p) → 2 Cr (p) + Al2O3 (p)
ΔH : 0 -1128 0 - 1669
ΔH = ( - 1669 + 0 ) - ( - 1128 + 0 )
= - 541 kJ.
32
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Jawapan yang sama juga dapat diperoleh dengan menggunakan Hukum Hess :
2 Al + Cr2O3 Al2O3 + 2 Cr
Al2O3 + Cr2O3
Mengikut Hukum Hess :
+ ( - 1128) = - 1169
= - 541 kJ
PERUBAHAN ENTALPI PEMBAKARAN PIAWAI Δ
1. Perubahan entalpi pembakaran piawai adalah haba yang dibebaskan apabila 1
mol bahan dibakar dengan lengkap dalam oksigen berlebihan di bawah keadaan
piawai.
2. Perubahan entalpi pembakaran piawai beberapa bahan diberikan berikut :
a. Δ (karbon)
33
-1128
x
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
C (p) + O2 (g) → CO2 (g) Δ = - 394 kJ mol–1
b. Δ (propana)
C3H8 (g) + 5O2 (g) → 3CO2 (g) + 4H2 O(ce) Δ . = - 2202 kJ mol–1
c. Δ (etanol)
C2H2OH (ce) + 3O2 (g) → 2CO2 (g) + 3H2 (ce) Δ . = - 1368 kJ mol–1
d. Δ (asid etanoik)
CH3COOH (ce) + 2O2(g) → 2CO2 (g) + 2H2O(ce) Δ . = - 876 kJ mol–1
CONTOH :
Apabila 1.5 g propanol, C3H7OH, dibakar dengan lengkap, haba yang dibebaskan
menaikkan suhu 1500 g air sebanyak 9.2 0C, hitungkan perubahan entalpi pembakaran
piawai propanol. (kapasiti haba tentu air = 4.2 Jg-1K-1)
Haba yang dibebaskan = mcΔt
= 1500 4.2 9.2
34
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
= 57.96 kJ
Bilangan mol propanol yang yang digunakan = = 0.017 mol
Perubahan entalpi pembakaran piawai =
= - 3409 kJ mol-1
MENGGUNAKAN NILAI Δ UNTUK MERAMALKAN KESTABILAN RELATIF
SEBATIAN
1. Haba pembentukan piawai bagi sebatian mewakili tenaga yang dipindah dari
atau kepada persekitaran apabila ikatan kimia dalam unsur berpecah dan ikatan
terbaru terbentuk dalam sebatian itu.
2. Nilai Δ sebatian memberi maklumat yang baik tentang kestabilannya dan
penguraian kepada unsur-unsurnya.
35
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
3. Sebatian yang sangat eksotermik dengan nilai Δ yang paling negatif biasanya
paling stabil dan tidak mudah terurai menjadi unsur-unsurnya.
4. Manakala, sebatian yang paling endotermik dengan nilai Δ yang paling positif
adalah tidak stabil dan cenderung untuk terurai (mungkin secara meletup)
dengan pemanasan sedikit ataupun pada keadaan biasa.
5. Contoh sebatian stabil dan tidak stabil:
Sebatian stabil Δ kJ mol-1 Sebatian tak stabil Δ mol-1
Al2O3 -1679 Cl2O7 -75.7
NaCl -411 NCl3 -230
HF -271 SnH4 -163
Perubahan entalpi pembentukan piawai bagi oksida dalam Kala 3 Jadual Berkala Unsur
ditunjukkan dalam jadual berikut.
Oksida Δ kJ mol-1 sebatian Δ mol-1 oksigen
Na2O - 416 - 832
MgO - 602 - 1204
Al2O3 - 1670 - 1113
SiO2 -911 -911
P4O10 -3012 -602
SO4 -395 -264
Cl2O7 + 265 + 76
36
Haba pembentukan piawai dan kestabilan
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Perubahan kestabilan dari segi tenaga bertambah daripada Na2O hingga Al2O3 dan
menyusut daripada SiO2 hingga Cl2O7. Ini menerangkan sifat penurunan yang kuat bagi
magnesium dan aluminium dan ketakstabilan diklorin heptoksida, Cl2O7 yang mudah
meletup.
Perhatikan perkara berikut :
a. Bahan yang paling stabil terhadap penguraian kepada unsure-unsurnya (iaitu
sangat eksotermik) mungkin paling reaktif sebagai reagen.
b. Tidak berguna untuk membandingkan nilai Δ bagi sebatian yang tidak
mengandungi unsur yang sama, misalnya CO dengan SiCl4. Ini berbeza dengan
hidrida halogen. Nilai Δ berguna untuk menunjukkan kesan penambahan saiz
atom halogen terhadap kestabilan. Lebih kecil saiz halogen, lebih stabil hidrida
halogen itu.
F Cl Br I
Sebatian stabil HF (g) HCl (g) HBr HI (g)
Δ kJ mol-1 -271 -92 -36 + 26.5
Haba pembentukan hydrogen peroksida ialah -186 kJ mol-,
H2 (g) + O2 (g) → H2 O2(c) Δ . = - 186 kJ mol–1
Daripada data ini kita menyangka bahawa hydrogen peroksida sangat stabil,
namun mudah terurai menjadi air dan oksigen. Ia adalah kerana Δ hanya
37
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
menghuraikan kestabilan hydrogen peroksida secara relative terhadap unsure-
unsurnya. Oleh itu apabila hydrogen peroksida terurai, bahan itu tidak
menghasilkan hydrogen dan oksigen tetapi menghasilkan air dan oksigen:
H2O2 (c) → H2O (c) + ½O2 (g) Δ = –98 kJ mol–1
Ini bererti hydrogen peroksida tidak stabil secara tenaga berbanding air dan
oksigen. Contoh ini menunjukkan betapa pentingnya untuk menentukan terhadap
bahan apa sebatian itu stabil atau tidak stabil.
38
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Perubahan entalpi beberapa tindak balas penyesaran diberikan berikut :
Cu(p) + 2 Ag+ (ak) → Cu2+ (g) + Ag (ak) ΔH1 = –148 kJ Zn(p) + 2 Ag+ (ak) → Zn2+ (ak) + 2Ag (p) ΔH2= – 363 kJ
Hitung ΔH bagi tindak balas berikut :
Zn(p) + Cu2+ (ak) → Zn2+ (ak) + Cu (p)
2. ΔH bagi tindak balas berikut 2 CO(g) + O2 (g) → 2 CO2 (g) adalah -566 kJ
Diberi bahawa ΔH bagi CO2 = - 394 KJ mol–1 . Hitung ΔH bagi CO.
3. Hitung H bagi persamaan :
NH3(g) + HCl(g) -----> NH4Cl(s)
Diberi :
½N2(g) + 1½H2(g) -----> NH3(g) H = -46.1 kJ/mol½H2(g) + ½Cl2(g) ------> HCl(g) H = -92.3 kJ/mol
½N2(g) + 2H2(g) + ½Cl2(g) -----> NH4Cl(s) H = -314.4 kJ/mol
4. Hitung H benzene C6H6 daripada data-data berikut :
C (p) + O2 (g) → CO2 (g) - 394 kJ
H2 (g) + O2 (g) → H2O (ce) - 286 kJ
39
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
C6H6 (ce) + O2 (g) → 6CO2
(g) + 3H2O (ce) - 3 273 kJ
TOPIK 5 :
5.1 TERMOKIMIA
5.1.1 Makanan dan Bahan Api
5.1.2 Tenaga Solar
40
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
5.1 TERMOKIMIA
5.1.1 MAKANAN DAN BAHAN API
MAKANAN
1. Tenaga yang terkandung dalam sesuatu makanan ialah kuantiti haba yang
dihasilkan apabila 1 gram makanan dioksidakan.
2. Unit untuk jumlah tenaga ialah joules per gram (Jg-1) atau kalori.
3. Jumlah tenaga untuk tiga kelas makanan yang utama ialah
- Karbohidrat: 22.2 kJg-1
- Proteins: 17.2 kJg-1
- Lipids: 38. 5 kJg-1
4. Jumlah tenaga boleh ditentukan dengan formula berikut:
Jumlah tenaga makanan = kuantiti air (ml) x pertambahan suhu ( o C) x 4.2 Jg -1 C -1
Kuantiti makanan(gram)
5. Jumlah tenaga makanan juga boleh ditentukan dengan bomb calorimeter.
BAHAN API
1. Bahan api ialah bahan kimia yang dapat dibakar untuk membebaskan tenaga
haba.
2. Kebanyakan bahan api yang digunakan adalah bahan api fosil seperti arang
batu, gas asli dan petroleum.
3. Bahan api yang berbeza mempunyai haba pembakaran yang berlainan.
4. Pemilihan bahan api untuk kegunaan industri adalah berdasarkan faktor berikut:
a) Haba pembakaran
41
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
b) Kos tenaga
c) Sumber bahan api
d) Kesan kepada alam sekitar
5. Ini bermakna bahan api yang digunakan mestilah merupakan bahan api yang
a) Menghasilkan tenaga haba yang banyak
b) Mempunyai harga yang rendah
c) Mudah diperoleh
d) Tidak mencemarkan alam sekitar
PETROLEUM
1. Petroleum biasanya merupakan sebatian pelbagai hidrokarbon, terutamanya siri
alkana, dan biasanya didapati di bahagian atas kerak bumi.
2. Terbentuk daripada pereputan sisa haiwan dan tumbuhan yang tenggelam ke
dasar laut berjuta-juta tahun dahulu.
3. Komponen-komponen petroleum berbeza dari segi saiz, oleh itu setiap
komponen mempunyai takat lebur dan takat didih tersendiri.
4. Perbezaan dalam takat didih ini membolehkan komponen-komponen petroleum
diasingkan melalui penyulingan berperingkat, iaitu cara penyulingan pada julat
suhu yang berlainan.
5. Proses industri bagi pengasingan komponen-komponen di dalam petroleum
dipanggil penapisan petroleum.
6. Kegunaan utama petroleum ialah sebagai sumber tenaga untuk menggerakkan
kenderaan.
7. Selain sebagai bahan bakar dan pelincir, petroleum turut digunakan dalam
pelbagai industri seperti pembuatan pelarut, baja serta racun perosak, sabun dan
detergen, pewangi, plastik, bahan letupan dan lain-lain.
42
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Sifat Pecahan-Pecahan Petroleum Yang Diperolehi
Makin rendah takat didih pecahan petroleum itu ;
o makin kurang likat pecahan itu
o makin cerah warnanya
o makin mudah pecahan itu terbakar
o makin bersih nyalanya ( kurang berjelaga )
Makin tinggi takat didih pecahan petroleum itu ;
o makin likat pecahan itu
o makin gelap warnanya
o makin sukar pecahan itu terbakar
o makin berjelaga nyalanya.
43
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Pecahan-pecahan Petroleum Dan Kegunaannya.
Pecahan Petroleum Kegunaan
Gas-gas petroleum
(takat didih paling rendah)
Dicairkan di bawah tekanan dan digunakan sebagai
gas untuk memasak.
Petrol Digunakan sebagai bahan api untuk kereta dan
kenderaan ringan.
Nafta Sumber bagi pembuatan plastik, dadah, dan kain
sintetik dalam industri petrokimia dan sebagai
pelarut
Kerosin Digunakan sebagai bahan api untuk pesawat
terbang serta untuk pemanasan dan pencahayaan
(lampu kerosin )
Diesel Digunakan sebagai bahan api untuk kenderaan
berat seperti bas , lori dan kereta api.
Minyak pelincir Digunakan sebagai pelincir untuk mengurangkan
geseran
Parafin Digunakan untuk membuat lilin,bahan penggilap dan
bahan pencuci
Minyak Bahan Api Digunakan sebagai bahan api dalam kapal , mesin
kilang dan stesen jana kuasa
Bitumen
(takat didih paling tinggi)
Digunakan untuk membuat jalan raya dan bahan
kalis air.
44
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
5.1.2 TENAGA SOLAR
1. Tenaga suria atau tenaga solar adalah teknologi untuk mendapatkan tenaga
berguna daripada cahaya matahari.
2. Tenaga matahari telah digunakan dalam banyak teknologi tradisional sejak
beberapa abad dan telah digunakan secara meluas ketika ketiadaan bekalan
tenaga lain, seperti di kawasan terpencil dan di angkasa lepas.
3. Tenaga matahari sekarang digunakan dalam beberapa pengunaan:
- Pemanasan (air panas, pemanasan bangunan, masakan)
- Generasi elektrik (fotovoltaik, enjin pemanasan)
- Penyahmasinan air laut.
4. Kegunaannya semakin meluas tatkala kesedaran mengenai kos persekitaran
dan bekalan terhad oleh sumber tenaga lain seperti bahan api fosil yang semakin
terasa.
45
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Berikan definisi tenaga yang terkandung dalam makanan?
2. Terangkan secara ringkas mengenai bahan api
3. Nyatakan definisi petroleum.
4. Berikan dua pecahan komponen petroleum dan nyatakan kegunaannya.
46
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 6 :
6.1 ELEKTROKIMIA
6.1.1 Tindakbalas Pengoksidaan Dan Penurunan
47
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
6.1.1 TINDAKBALAS PENGOKSIDAAN DAN PENURUNAN
48
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
PERSAMAAN KIMIA
PENGOKSIDAAN PENURUNAN
Hilang Hidrogen
H2S(g) + CL2(g) 2HCL(g) + S(s)
Terima Hidrogen
H2 (g) + CL2 (g) 2HCL (g)
Terima Oksigen
2Ca (s) + O2 2CaO (s)
Hilang Oksigen
Zn (s) + CuO (s) ZnO (s) + Cu (s)
PERSAMAAN ION
49
hilang hidrogen penambahan hidrogen
penambahan oksigen kehilangan oksigen
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
PENGOKSIDAAN PENURUNAN
Fe2+ - e -----> Fe3+ Fe3+ + e -------> Fe2+
Cu2+ + 2e ----> CuAg+ + e -----> Ag
Zn - 2e ------> Zn2+
Cu - 2e ------> Cu2+
2Br- -2e -----> Br2
2I- -2e -----> I2
Br2 + 2e ------> 2Br-
Cl2 + 2e -------> 2Cl-
Fe - 2e -----> Fe2+ 2H2O + O2 + 4e ----> 4OH-
1) Tindak balas yang melibatkan penambahan dan kehilangan oksigen.
50
TINDAK BALAS REDOKSSatu tindak balas dimana proses pengoksidaan dan penurunan berlaku secara serentak.
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
2) Tindak balas yang melibatkan kehilangan dan penambahan electron
3) Tindak balas redoks yang melibatkan penambahan nombor pengoksidaan dan pengurangan nombor pengoksidaan.
Peraturan penentuan nombor pengoksidaan
Atom- atom dan molekul- molekul unsur bebas mempunyai nombor
pengoksidaan sifar. Contohnya, H2, O2, CL2
Nombor pengoksidaan unsur dalam ion monoatom adalah sama dengan cas
pada ion tersebut.contohnya H+ = +1
Petua-petua yang perlu dipatuhi apabila menentukan nombor pengoksidaan (N.P.)
atom di dalam bahan kimia
51
NOMBOR PENGOKSIDAANNombor pengoksidaan suatu unsur dalam suatu sebatian ialah cas yang diperolehi
oleh unsur itu apabila unsur itu wujud sebagai ion dalam sebatian tersebut dengan
membuat anggapan semua ikatan yang wujud dalam sebatian itu tidak dikira
sebatian ion atau kovalen. Ianya merupaan ikatan ion.
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
52
JENIS BAHAN
NOMBOR
PENGOKSIDAAN
CONTOH
Atom dalam unsur
0 Na, C, Cl, Cl2, O, O2, H, H2, Zn, Pb…..
Atom oksigen di dalam sebatian
-2
(kecuali di dalam peroksida = -1)
H2O, Na2O, PbO, CuO, CO2, H2SO4,
Na2CO3, H3PO4…….
Peroksida: NaO, H2O2…… Atom hidrogen di dalam sebatian
+1
(kecuali di dalam hidrida logam = -1)
H2O, H2SO4, HCl, CH4, HNO3, H3PO4,
…..
Hidrida logam: NaH, CaH2…….
Ion tunggal Sama dengan cas pada ion itu
Na+ = +1, Pb2+ = +2, Al3+ = +3…..
Cl- = -1 , O2- = -2, N3- = -3…. Ion kompleks Jumlah nombor
pengoksidaan setiap atom = cas pada ion itu
Petua ini boleh digunakan untuk menentukan N.P. atom yang tidak diketahui di dalam suatu ion atau sebatian ion yang mengandungi ion kompleks.
Apakah N.P. atom sulfur( S ), di dalam ion sulfat, SO4
2-?
Penyelesaian:
N.P. oksigen O = -2
Cas pada ion sulfat = 2-
Oleh itu,
(N.P. S) + 4(N.P. O) = -2
(N.P. S) + 4(-2) = -2
(N.P. S) + (-8) = -2
(N.P. S) = (-2) + (+8)
N.P. S = +6
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1) Persamaan tindak balas antara Ferum (iii) Oksida dan Karbon Monoksida
ditunjukkan di bawah.
Fe2O3 (p) + 3CO (g) 2Fe (p) + 3CO2 (g)
Kenalpastikan agen penurunan dan agen pengoksidaan di dalam tindak balas di
atas.
2) Nyatakan samada unsur kimia yang digariskan di bawah telah mengalami
penurunan ataupun pengoksidaan.
I. Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu
II. PbO + CO Pb + CO2
III. 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O
3) Apakah nombor pengoksidaan bagi Mangan di dalam sebatian Mangan, KMnO4?
4) Apakah nombor pengoksidaan bagi Sulfur di dalam ion thiosulfat, S2O32-?
53
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 7 :
7.1 ELEKTROKIMIA
7.1.1 Sel Voltan
54
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Elektrokimia merupakan kajian tentang tindak balas kimia yang berlaku di dalam
larutan dan melibatkan pengaliran elektron di antara elektrod dan elektrolit.
2. Ia juga dipanggil tindak balas redoks.
3. Terdapat dua jenis tindak balas di dalam tindak balas redoks:
a. Tindak balas pengoksidaan
b. Tindak balas penurunan
4. Di dalam elektrokimia, tindak balas kimia hanya berlaku apabila terdapat pengaliran
arus elektrik dan menghasilkan perubahan kimia di dalam sesuatu larutan.
5. Sel voltan merupakan contoh sel elektrokimia yang menghasilkan arus elektrik hasil
daripada pembebasan tenaga oleh tindak balas redoks.
55
Apakah maksud elektrokimia???
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Sel voltan ialah sel yang menghasilkan tenaga elektrik melalui tindak balas kimia
yang berlaku di dalamnya.
2. Struktur sel ringkas dibina dengan:
a. Mencelupkan dua kepingan logam berlainan ke dalam suatu elektrolit.
b. Menyambungkan dua kepingan logam itu melalui litar luar kepada sebuah
mentol, voltmeter atau galvanometer.
3. Arus elektrik yang terhasil dalam sel dapat dikesan melalui nyalaan mentol dan
pesongan jarum voltmeter atau galvanometer.
4. Contoh sel voltan adalah Sel Daniell.
56
Sel Voltan
Tenaga kimia Tenaga elektrik
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
RAJAH 1: PEMBINAAN SEL VOLTAN YANG RINGKAS
1. Logam yang berada di atas dalam SEK lebih bersifat elektropositif. Oleh
itu atom ini mudah membebaskan elektron untuk membentuk ion.
2. Penghasilan elektron yang banyak pada logam ini menyebabkan ia bertindak
sebagai terminal negatif dan dikenali sebagai katod.
3. Logam yang berada di bawah dalam SEK kurang bersifat elektropositif. Oleh
itu ion logam yang kurang elektropositif akan menerima elektron dan berubah
menjadi atom.
4. Logam ini akan bertindak sebagai terminal positif dan dikenali sebagai anod.
5. Elektron akan bergerak daripada logam yang lebih elektropositif ke logam
yang kurang elektropositif.
6. Pengaliran elektron yang berterusan dari terminal negatif ke terminal positif
melalui litar luar akan menghasilkan arus.
7. Logam yang lebih elektropositif akan melarut/ menjadi nipis/ berkurang
jisimnya.
8. Kepekatan larutan garam logam yang lebih elektropositif akan bertambah
kerana atom logam berubah menjadi ion.
9. Logam yang kurang elektropositif akan menebal/ bertambah jisim.
57
Bagaimana tindak balas elektrokimia berlaku dalam sel voltan?
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
10.Kepekatan larutan garam logam akan berkurang kerana ion logam berubah
menjadi atom logam.
11.Persamaan sel kimia boleh ditulis sebagai:
A/A+ // B+/B
Sel elektrolisis Sel voltan
Jenis elektrod:
Grafit atau dua jenis logam yang sama/ berbeza
Jenis elektrod:
Dua jenis logam yang berbeza
Tindak balas di terminal positif:
Kehilangan elektron
Tindak balas di terminal positif:
Penerimaan electron
Tindak balas di terminal negatif:
Penerimaan elektron
Tindak balas di terminal negatif:
Kehilangan electron
Perubahan bentuk tenaga:
Tenaga elektrik Tenaga kimia
Perubahan bentuk tenaga:
Tenaga kimia Tenaga elektrik
58
Perbandingan antara sel elektrolisis dengan sel voltan
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Aliran elektron:
Elektrod positif Elektrod negatif
Aliran elektron:
Elektrod negatif Elektrod positif
Tindak balas di anod (Elektrod positif)
4OH- 2H2O + O2 + 4e
Pengoksidaan
Tindak balas di anod (Elektrod negatif)
Zn Zn2+ + 2e
Pengoksidaan
Tindak balas di katod ( Elektrod negatif)
Cu2+ + 2e Cu
Penurunan
Tindak balas di katod ( Elektrod positif)
2H+ + 2e H2
Penurunan
PERSAMAAN
Mengandungi elektrolit
Terdiri daripada dua elektrod
Melibatkan tindak balas kehilangan dan penerimaan elektron
Mempunyai elektrod positif dan negatif
59
Sel Kering
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
RAJAH 2: BINAAN SEL KERING
1. Sel kering ialah sel yang tidak menggunakan sebarang cecair.
2. Rod karbon dikelilingi oleh campuran mangan (IV) oksida dan serbuk karbon.
3. Fungsi setiap strukturnya adalah seperti berikut:
Struktur Fungsi
Rod karbon Bertindak sebagai terminal positif
Pembalut zink Bertindak sebagai terminal negative
Mangan (IV) oksida Mengurangkan pengutuban sel
Serbuk karbon Menambahkan luas permukaan
elektrod karbon
Pasta ammonium klorida Bertindak sebagai elektrolit
4. Tindak balas yang berlaku dalam sel kering ialah
60
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
a. Apabila sel digunakan (dinyahcas), pembalut zink (terminal negatif)
menderma elektron untuk membentuk ion Zn2+ .
Zn (p) Zn2+ + 2e-
b. Elektron yang dibebaskan akan mengalir melalui litar luar dan diterima
oleh ion NH4+ di rod karbon (terminal positif) untuk membentuk
ammonia dan hidrogen.
2NH4+(ak) + 2e- 2NH3(ak) + H2(g)
Persamaan ion keseluruhan:
Zn (p) + 2NH4+(ak) 2NH3(ak) + H2(g) + Zn2+
c. Pengaliran elektron dari pembalut zink melalui litar luar ke rod karbon
menghasilkan arus elektrik.
5. Ringkasan nyahcas sel kering:
RAJAH 3
61
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Kebaikan sel kering:
tiada tumpahan elektrolit
mudah dibawa
murah
bersaiz kecil
voltan yang terhasil agak malar sebab tiada pengutuban sel
Kelemahan sel kering:
tidak dapat dicas semula
menghasilkan arus yang rendah
elektrolit keluar melalui pembalut zink yang bocor setelah sel digunakan
beberapa lama
62
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Rajah 2: Tindak balas elektrokimia bagi Fe-Cu
a. Namakan logam yang lebih elektropositif dan yang kurang elektropositif?
b. Apakah larutan-larutan yang sesuai digunakan bagi A dan B?
c. Bagaimanakah arah pergerakan elektron?
d. Logam apakah yang bertindak sebagai terminal negatif?
e. Logam apakah yang bertindak sebagai terminal positif?
f. Tuliskan persamaan setengah bagi tindak balas yang berlaku di terminal negatif
dan terminal positif?
g. Apakah yang berlaku pada logam yang bertindak sebagai terminal negatif ?
h. Apakah yang berlaku pada logam yang bertindak sebagai terminal positif?
i. Apakah yang berlaku pada kepekatan larutan garam logam pada terminal
negatif?
j. Apakah yang berlaku kepada kepekatan larutan garam logam pada terminal
positif?
k. Tuliskan persamaan sel kimia bagi tindak balas elektrokimia di atas.
63
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
64
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 8 :
8.1 ELEKTROKIMIA
8.1.1 Daya Gerak Elektrik (e.m.f)
8.1.2 Keupayaan Penurunan
Piawai
8.1.3 Keupayaan Elektrod Piawai
65
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
8.1.1 VOLTAN SEL / DAYA GERAK ELEKTRIK (D.G.E)
- Sumber elektrik dari sel elektrik mengubahkan tenaga kimia kepada tenaga
keupayaan elektrik.
- Daya gerak elektrik (d.g.e) ialah keupayaan atau tenaga sesuatu punca erlektrik
untuk menggerakkan cas-cas elektrik dari satu terminal ke terminal yang lain.
- D.g.e. ditakrifkan sebagai jumlah tenaga yang dibekalkan oleh suatu sel untuk
menggerakkan satu coulomb cas dari satu terminal ke terminal yang lain.
- D.g.e juga boleh ditakrifkan sebagai beza keupayaan yang merentasi sel dalam
keadaan litar terbuka, iaitu semasa tiada arus mengalir.
- Nilai beza keupayaan yang dilabel pada satu sumber elektrik ialah daya gerak
elektrik bagi sumber itu.
- D.g.e boleh diukur dengan menggunakan sebuah voltmeter berintangan tinggi
yang disambung secara terus kepada terminal –terminal sel atau beteri itu.
- Unit d.g.e ialah volt (V).
- Dalam tindak balas yang berlaku dalam sel voltan, elektron akan mengalir dari
anod ke katod berdasarkan beza keupayaan tenaganya.
- Anod mempunyai tenaga keupayaan yang tinggi berbanding dengan katod.
Hasilnya, elektron akan mengalir dari anod ke katod melalui litar terbuka kepada
tenaga keupayaan yang rendah.
- Sel voltan ialah kombinasi dua setengah potensi sel dalam keadaan piawai
( 250C, 1 tekanan atmosfera dan ion dalam elektrolit mempunyai kepekatan 1M).
Sel voltan = E0katod-E0
anod
E0sel = E0
kanan-E0kiri
- Arus elektrik terhasil dengan gerakan electron daripada anod , melalui dawai ke
katod.
66
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
- Gerakan elektron menghasilkan daya elektromotif (emf)→
Emf sel dipanggil juga keupayaan sel. E0 sel
Keupayaan.piawai sel E0 sel jika larutan garam diguna adalah 1M.
emf diukur dalam volt (V) IV = 1J/1C
emf bergantung kepada:
- kepekatan sepsis yang mengalami tindak balas penurunan dan
pengoksidaan.
- suhu
8.1.2 KEUPAYAAN PENURUNAN PIAWAI
- Potensi penurunan standard adalah potensi untuk elektrod di mana semua
komponen berada dalam keadaan standard pada suhu 25 º C, dengan
kepekatan ion 1 M dantekanan gas satu atm.
- Jika proses pengoksidaan digunakan, maka tanda E0 harus disongsangkan.
Misalnya :
K+ (ak) + e = K (p) Proses penurunan E0=-2.92 V
tetapi K (p) = K+ + e Proses pengoksidaan E0=+2.92 V
67
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
68
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
8.1.3 KEUPAYAAN ELEKTROD PIAWAI
- Proses penurunan berlaku di elektrod.
- Nilai Eo adalah menunjukkan kuasa pengoksidaan sesuatu bahan dibandingkan
dengan pengoksidaan atom hydrogen.
- Nilai Eo, adalah hasil pengukuran satu sel dimana salah satu daripada
elektrodnya dibuat daripada elektrod hydrogen.
- Dalam pengukuran itu elektrod hydrogen di sifatkan sebagai titik bandingan,
dimana tindak balas pengoksidaan hydrogen diberikan keupayaan sifar
- Nilai keupayaan elektrod yang diukur pada keadaan piawai, E0
- Faktor yang mempengaruhi K.E.P
a. Kepekatan ion dalam larutan
b. Tekanan
c. Suhu
- Keadaan untuk mengukur keupayaan elektrod haruslah sama.
- Keadaan piawai yang dipilih ialah:
a. Kepekatan ion berair (akues) 1.0 mol dm-3
b. Tekananluar atau tekanan gas yang digunakanmestilah 1.0 atm/101 kpac.
c. Suhu ditetapkan pada 298K atau 25oC
d. Plantinumdigunakansebagaielektrod lengai bagisistem keseimbangan yang
tidak termasuk logam
- Semua ion adalah ion akues.
- Agen pengoksidaan ialah pada sebelah kiri danagen penurunan pada sebelah
kanan sel separa(half-cell)
‡
Zn2+(ak) + 2e- Zn (s)
Cl2(g) + 2e- 2Cl-(ak)
Fe3+(ak) + e- Fe2+(ak)
agen pengoksidaan agen penurunan
69
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Contoh 1 :
‡
K.E.P zink ialah -0.76V
‡Zink merupakan kutub negatif apabila sambungkan pada elektrod hidrogen.
‡Tindak balas yang berlaku pada elektrod zink dan elektrod hydrogen ialah :
Zn(p) Zn2+(ak) + 2e
2H+(ak) + 2e H2(g)
‡
Kedudukan zink dalam siri K.E.P adalah lebih tinggi berbanding hydrogen.
Maka , zink merupakan agen penurunan yang lebih kuat
daripadahidrogen ,atau ion hidrogen akan menjadi agen pengoksidaan
yanglebih kuat berbanding ion zink.
Contoh 2 :
1) LEO goes GER
(Losing Electrons Oxidation, Gaining Electrons Reduction)
2) OARC
(Oxidation = anode, reduction = cathode)
Langkah 1: Tulis persamaan yang lengkap
Dua setengah potensi sel :
1) Ni/Ni2+
Jadi : Ni --> Ni2+ + 2 elektron (e-)
2) Cu/Cu2+
Jadi : Cu --> Cu2+ + 2e-
70
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Langkah 2 : Cari nilai Eo dalam jadual ( standard REDUCTION potentials )
Ni2+ + 2e- --> Ni Eo = -0.257V
Cu2+ + 2e- --> Cu Eo = 0.340V
Langkah 3 : Kira keupayaan sel piawai
E sel = E katod - E anod
Anod : Ni --> Ni2+ + 2e- Eo = -0.257V
Katod : Cu2+ + 2e- --> Cu Eo= 0.340V
E sel = Ekatod - Eanod
= 0.340V - (-0.257V)
= 0.597V
KEGUNAAN SIRI KEUPAYAAN ELEKTROD PIAWAI
Siri ini digunakan untuk membandingkankekuatan relatif agen pengoksidaan dan penurunan.
Bagi agen penurunan, semakin negatif nilaiK.E.P, semakin kuat kuasa penurunan. Semasa
perbandingan, tanda nilai K.E.P tidak diubah.
Contoh :
Zn2+(ak) + 2e Zn (p) E0= -0.76V
Ini bermakna :
a . k u a s a Z n s e b a g a i a g e n p e n u r u n a n i a l a h - 0 . 7 6 V
b . k u a s a Z n 2+ sebagai agen pengoksidaan ialah -0.76V
71
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Apakah yang dimaksudkan dengan daya gerak elektrik (d.g.e)?
2. Diberi keupayaan penurunan piawai ion perak dan ion besi(II)
Ag+ (aq) + e- Ag (s) E0 = 0.80 V
Fe2+ (aq) + 2e- Fe (s) E0 = -0.44 V
Cari E0sel sel elektrik.
3. Diberi keupayaan penurunan piawai seperti berikut :
Zn2+ (aq) + 2e- Zn (s) E0 = -0.76 V
Fe3+ (aq) + e- Fe2+ (aq) E0 = +0.77 V
Adakah Zn menurunkan ion Fe3+ kepada ion Fe2+ ?
72
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 9 :
9.1 ELEKTROKIMIA
9.1.1 Perubahan Spontan
Tindak Balas Redoks
9.1.2 Persamaan Nernst dan
Penggunaannya
73
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
9.1.1 PERUBAHAN SPONTAN TINDAK BALAS REDOKS.
PROSES SPONTAN
- Tindak balas yang berlaku apabila bahan-bahan tindak balas dibiarkan
bercampur dalam keadaan tertentu.
- Contohnya tindak balas yang berlaku pada suhu bilik dan tekanan atmosfera.
- Contoh tindak balas spontan:
o Air membeku pada suhu 0oC
o Kalium bertindak balas dengan air pada suhu bilik.
PROSES TAK SPONTAN
- Tindak balas yang berlaku dalam keadaan tertentu.
- Contohnya, merkuri (II) oksida tidak mengurai pada suhu bilik, tetapi jika
dipanaskan, sebatian ini akan mengurai secara spontan untuk membentuk
merkuri dan oksigen.
2HgO(p) -> 2 Hg (g) + O2 (g)
- Kemungkinan berlakunya tindak balas ini boleh diramal dengan menggunakan
o Siri elektrokimia
o Nilai E bagi tindak balas keseluruhan.
Kemungkinan tindak balas dan siri elektrokimia
- Agen pengoksidaan di sebelah kiri siri elektrokimia dapat mengoksidakan
mana-mana agen penurunan di sebelah kanan jika agen penurunan itu
berada di atasnya dalam siri elektrokimia.
o Contoh; Br2 boleh mengoksidakan iodida (I-) kepada iodin tetapi tidak
dapat bertindak balas dengan ion Cl- yang terletak di bawahnya. (rujuk siri
elektrokimia).
74
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
- Agen penurunan di sebelah kanan siri dapat menurunkan mana-mana agen
pengoksidaan di sebelah kiri jika agen pengoksidaan itu berada di
bawahnya dalam siri elektrokimia.
o Jika sekeping Magnesium terendam di dalam larutan kuprum sulfat,
sebahagian daripada Magnesium itu akan larut dan logam kuprum akan
terenap di permukaan yang tertinggal dan warna biru larutan Cu2+ hilang
jika magnesium berlebihan digunakan.
Kemungkinan tindak balas dan nilai E sel.
- Keupayaan elektrod piawai bagi dua sistem boleh digabungkan untuk
menentukan sama ada tindak balas redoks di bawah keadaan piawai boleh
berlaku secara spontan.
- Contoh;
a) Sn 2+ (ak) + 2Fe3+ (ak) Sn 4+ (ak) + 2Fe2+ (ak)
Sn 2+ (ak) = Sn 4+ (ak) + 2e E = -0.15 V
2Fe3+ (ak) + e = 2Fe2+ (ak) E = +0.77V
Sn 2+ (ak) + 2Fe3+ (ak) Sn 4+ (ak) + 2Fe2+ (ak)
E = -0.15 V + 0.77V = +0.62 V
( E adalah positif, maka tindak balas ini boleh berlaku.)
b) H2O2 (ak) + I2 (p) 2H+ (ak) + 2I- (ak) + O2 (g)
H2O2 (ak) 2H+ (ak) + O2 (g) + 2e E =-0.68 V
I2 (p) + 2e 2I- (ak) E = +0.54 V
H2O2 (ak) + I2 (p) 2H+ (ak) + 2I- (ak) + O2 (g)
E = (-0.68V) + (0.54V) = - 0.14V
(E adalah negatif, maka tindak balas ini tidak boleh berlaku)
75
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
9.1.2 PERSAMAAN NERNST DAN PENGGUNAANNYA
1. Jika kepekatan ion atau suhu berubah, keupayaan elektrod (E) akan berubah
dan d.g.e sel akan berubah juga.
2. Nilai E bergantung pada
Kepekatan ion dan suhu
Nilai pH (keasidan) larutan
Kesan pembentukan kompleks
3. Hubungan di antara kepekatan ion dan keupayaan elektrod diberi dalam
persamaan Nernst;
4. Persamaan ini menunjukkan bahawa kenaikan suhu menaikkan nilai keupayaan
elektrod (E), iaitu E menjadi lebih positif.
5. Keupayaan elektrod menjadi lebih positif apabila kepekatan ion-ion dalam
setengah sel bertambah dan kurang positif apabila kepekatannya berkurangan.
76
E = E + ln [ion] atau
E = E + ln [Mz+]
E= keupayaan elektrod baru (V)
E = keupayaan elektrod piawai (V)
R = pemalar gas (8.31J K-1)
T = suhu (K)
F = pemalar Faraday (96500C)
z = cas pada ion logam dalam sel
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Kesan kepekatan ion terhadap d.g.e sel.
Contoh:
Cu (p) / Cu2+ (ak) Ag+ (ak)/ Ag (p)
Setengah tindak balas sel ialah :
Cu2+ (ak) + 2e = Cu (p) E = + 0.34 V
Ag+ (ak) + e = Ag (p) E = + 0.80 V
d.g.e sel = (0.80V) – (0.34V) = 0.46V (pada keadaan piawai)
Pemalar keseimbangan dan persamaan Nernst.
1. Tindak balas redoks yang berlaku dalam sel Daniel ialah;
Zn (p) + Cu2+ (ak) Zn2+ (ak) + Cu (p)
K c bagi sistem keseimbangan heterogen =
Dengan menggunakan persamaan Nernst, kita dapati;
77
Jika kepekatan ion Cu2+ dalam setengah sel kuprum dikurangkan, maka ECu dikurangkan dan d.g.e sel bertambah, iaitu lebih besar daripada + 0.46V.
Ini boleh diramalkan daripada prinsip Le Chartelier seperti berikut.
Tindak balas keseluruhan bagi sel ini adalah;
Cu (p) + 2 Ag+ (ak) 2Ag(p) + Cu2+ (ak)
Jika kepekatan Cu2+ diturunkan, keseimbangan akan beralih ke kanan oleh itu nilai d.g.e bertambah.
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Esel = E sel + lg
Apabila tindak balas redoks dalam sel Daniel mencapai keseimbangan, d.g.e sel = 0. Maka,
0 = E sel + lg atau
0 = E sel - lg
Iaitu, E sel = lg
E sel daniel = lg K c
Contoh :
Pada suhu 298 K, nilai d.g.e sel Dainel = 1.10V. Hitungkan K c bagi tindak balas redoks
dalam sel ini. (1CV = 1J)
= 2.303 x 8.31 ( JK -1 mol -1 ) x 298(K)
2 x 9.65 x 104 (Cmol-1)
= 0.0295 JC-1
E sel
= 0.0295 lg K c
78
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
lg K c = 37.3
K c = 1.9 x 1037
1. Dengan menggunakan nilai E yang terdapat dalam siri elektrokimia,
ramalkan sama ada bahan-bahan berikut boleh bertindak balas dengan satu
sama lain. Tuliskan persamaan ion bagi pasangan bahan yang bertindak
balas.
a. Sn2+ (ak) + Zn (p)
b. Br2 (ak)+I- (ak)
c. I2 (ak)+Cl- (ak)
d. Fe2+ (ak)+ Cu(p)
2. (a) Dengan merujuk siri elektrokimia hitung nilai E bagi tindak balas antara:
i. KMnO4 dan KBr
ii. Fe2(SO4)3 dan Cl2
iii. VO2Cl dan SnCl2
(b) Nyatakan sama ada tindak balas boleh berlaku secara spontan,
3. Pada suhu 298K, d.g.e sel Daniel = 1.10V. hitungkan Kc bagi tindak balas
redoks dalam sel ini. (1CV=1J)
79
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 10 :
10.1 ELEKTROKIMIA
10.1.1 Penggunaan Elektrokimia
10.1.2 Aplikasi Elektrokimia
10.1.3 Bateri
10.1.4Kakis
an Besi80
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
81
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
10.1.1 10.1.1 PENGGUNAAN ELEKTROKIMIAPENGGUNAAN ELEKTROKIMIA
Meramalkan kebolehan suatu logam menyesarkan logam lain daripada larutan
garamnya.
Membuat perbandingan kualitatif voltan sel – berdasarkan kedudukan relatif logam
dalam Siri Elektrokimia (SE).
Menentukan kekutuban terminal sel ringkas
– (ke atas SE: terminal –ve) sel kimia
– (ke bwh SE: terminal +ve) sel kimia
10.1.210.1.2 APLIKASI ELEKTROKIMIA APLIKASI ELEKTROKIMIA
Pembuatan dan penggunaan bateri
Prinsip elektrokimia dalam tampalan gigi
- penggunaan bahan tampalan gigi (Amalgam) iaitu amalgam argentum (campuran
argentum+merkuri) & amalgam stanum (campuran stanum+merkuri).
10.1.3 10.1.3 BATERIBATERI
Voltan sel PeneranganTerminal
Negatif (-)
Terminal
Positif (+)Elektrolit Penggunaan
1) Sel kering 1.5
V
- sel yang biasa
digunakan
- menghasilkan
tenaga elektrik
1.5V
zink Rod karbon Campuran
ammonium
klorida dan
zink klorida
Diguna dalam
perkakas elektrik
seperti radio,
kalkulator, lampu
picit dan pencukur
elektrik
82
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Voltan sel PeneranganTerminal
Negatif (-)
Terminal
Positif (+)Elektrolit Penggunaan
2) Akumulator
Plumbum- Asid
- menghasilkan
tenaga elektrik 12V
Plumbum Plumbum
(IV) oksida
Asid sulfurik
cair
- Sebagai bateri
kenderaan untuk
lori & kereta.
- membekalkan
tenaga elektrik
kepada kapal selam
& peralatan
kecemasan di
hospital.
3) Sel merkuri - berbentuk seperti
butang
- membekalkan
arus 1.2 V
Zink Mercury (II)
oksida
Campuran
zink
hidroksida
dan larutan
kalium
hidroksida
- digunakan dalam
kamera dan jam
tangan
4) Sel Alkali - sama sepert sel
kering tetapi ia
menggunakan
elektrolit yang
berbeza.
Zink Mangan (IV)
oksida
Litium
oksida/kaliu
m
hidroksida/
larutan
natrium
hidroksida
- digunakan dalam
perkakas elektrik
seperti jam loceng,
lampu picit, radio,
mainan kanak-
kanak
5) Sel Nikel-
Kadmium
- mempunyai
prinsip yg sama spt
akumulator
plumbum-asid ttp
menggunakan
larutan kimia yg
berbeza.
Kadmium Nikel (IV)
oksida
Larutan
Kalium
hidroksida
- digunakan dlm
perkakas elektrik
seperti bor ,telefon
bimbit, sistem
lampu kecemasan.
83
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
10.1.3 10.1.3 KAKISAN BESIKAKISAN BESI
- Tindak balas kakisan tindak balas redoks logam dengan beberapa bahan dalam
keadaan tertentu ditukarkan kepada sebatian yang tidak diingini.
- Suatu logam terkakis melalui proses pengoksidaan apabila atom logam itu melepaskan
elektron.
a)a) Pengaratan BesiPengaratan Besi
1) Pengaratan proses elektrolisis yang berlaku apabila logam terdedah kepada oksigen
dan air.
2) Ferum berkarat apabila kelembapan permukaannya mengandungi kepekataan oksigen
yang berbeza. Elektron dipindah dari tempat kandungan O2 rendahtinggi.
3) Apabila besi berkarat, ia bertindakbalas dengan oksigen dan air untuk membentuk
Ferum (III) oksida terhidrat, Fe2O3.xH2O, yang dipanggil karat.
4) Besi akan terkakis jika atom besi melepaskan elektronnya.
5) Besi hanya akan terkakis jika oksigen dan air yang bertindak sebagai agen
pengoksidaan bersentuhan dengan besi.
6) Oleh kerana kepekatan oksigen terlarut di bahagian tengah titisan air adalah lebih
rendah daripada bahagian pinggirnya, maka atom besi di bahagian tengah titisan air
mengalami proses pengoksidaan:
i) di Anod / terminal –ve (kurang udara)
84
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Fe (p) Fe2+ (ak) + 2e
7) Elektron yang dilepaskan oleh atom besi bergerak ke pinggir titisan air. Molekul oksigen
dan molekul air mengalami proses penurunan:
ii) di Katod / terminal +ve (banyak udara)
O2+ 2H2O + 4e 4OH-
8) Ion ferum(II) yang terhasil akan berpadu dengan ion hidroksida untuk membentuk
mendakan ferum(II) hidroksida:
Fe2+ (ak) + 2OH-(ak) Fe (OH)2 (p)
9) Ferum (II) hidroksida akan dioksidakan oleh oksigen di udara kepada ferum (III) oksida
terhidrat yang berwarna perang yang dipanggil karat besi.
4Fe2+ (ak) + 2H2O + O2 4Fe (OH)3 (p)
85
2Fe (OH)3 (p) Fe2O3.xH2O (p) + (3-x) H2O
karat besi
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
b)b) Faktor Pengaratan BesiFaktor Pengaratan Besi
1) Kereaktifan sesuatu logam
2) Kehadiran kekotoran (impurities) pada logam
3) Kehadiran udara (oksigen), kelembapan, sebatian berasid, gas seperti SO2 and CO2
4) Kehadiran elektrolit
c) Pencegahan Pengaratan Besic) Pencegahan Pengaratan Besi
i) Pembentukan aloi
- Besi dialoikan dengan logam lain untuk membentuk aloi yang tahan kakisan.
- Logam-logam pengaloi termasuk kromium, nikel dan mangan dan keluli nirkarat.
ii) Penggunaan lapisan perlindungan
- Kaedah ini menghalang logam bersentuhan dengan kelembapan dan udara dengan
menutup permukaan besi dengan:
i) lapisan cat
ii) lapisan minyak atau gris
iii) menyadur dengan logam kalis karat seperti Ni, Cr, Al, Sn, Zn, emas
iv) lapisan larutan fosfat beralkali (antikarat).
ii) Penggunaan logam/elektrod korban
- Teknik ini menggunakan prinsip yang mana jika sesuatu logam yang lebih reaktif
bersentuhan dengan besi logam yang lebih reaktif itu akan dioksidakan dan bukan besi.
- Contohnya, proses penggalvanian menyalut permukaan besi dengan suatu lapisan
nipis zink. Penggalvainian melindungi besi daripada berkarat biarpun selepas
permukaan salutan dipecahkan.
- Jika permukaan besi bergalvani itu tercalar dan besi itu terdedah kepada udara lembap,
Zn larut dan bukan besi kerana Zn lebih elektroposiitif.
- Satu lapisan Zn (OH)2 cepat terbentuk dan menghentikan kakisan yang seterusnya.
86
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Zn (p) Zn2+ (ak) + 2e (anod: pengoksidaan berlaku)
H2O + ½O2 (ak) + 2e 2OH- (ak)
Zn2+ + 2OH- Zn (OH)2
- Perlindungan seperti ini disebut perlindungan katod dan elektrod zink disebut elektrod
korban.
87
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1) Senaraikan jenis-jenis bateri yang digunakan dalam kehidupan seharian kita.
i) ___________________________________
ii) ___________________________________
iii)___________________________________
iv)___________________________________
v) ___________________________________
2) Nyatakan definisi pengaratan.
___________________________________________________________
3) Nyatakan faktor-faktor yang boleh menyebabkan pengaratan besi.
i) _______________________________________
ii) _______________________________________
iii) _______________________________________
iv) _______________________________________
4) Nyatakan tiga langkah mencegah pengaratan.
i) ___________________________________
ii) ___________________________________
88
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
iii)___________________________________
TOPIK 11 :
11.1 ELEKTROKIMIA
11.1.1 Elektrolisis
11.1.2 Aspek Kuantitatif
Elektrolisis
89
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
11.1.1 ELEKTROLISIS
1. Apabila suatu arus terus dialir melalui suatu elektrolit, tindakbalas kimia akan
berlaku pada elektrod-elektrod. Proses ini disebut elektrolisis.
2. Elektrolisis ialah proses penguraian elektrolit oleh arus elektrik.
Sel Elektrolisis
1. Sel elektrokimia menggunakan tindakbalas redoks untuk menghasilkan tenaga
elektrik, tetapi sel elektrolisis menggunakan tenaga elektrik untuk menghasilkan
tindak balas redoks.
2. Gambar rajah ringkas bagi suatu sel elektrolisis ditunjukkan dalam rajah berikut:
3. Elektrod yang disambungkan kebada kutub positif sel disebut anod.Elektrod
yang disambungkan kepada kutub negatif sel disebut katod.
4. Pada anod tindak balas pengoksidaan berlaku. Pada katod tindakbalas
penurunan berlaku.
Elektrolisis Plumbum (II) Bromida Lebur
1. Gambar rajah berikut menunjukkan susunan radas elektrolisis plumbum(II)
bromida lebur menggunakan elektrod-elektrod platinum (elektrod lengai)
90
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
2. Apabila pepejal plumbum(II) bromida dileburkan, ion-ion Pb2+ dan Br-
dibebaskan untuk menghasilkan suatu elektrolit:
PbBr2(p) Pb2+(c) + 2Br-(c)
3. Ion-ion Br- (anion) ditarik kepada anod di mana ia membebaskan elektron dan
dioksidakan menjadi bromin:
2Br-(c) Br2(c)+2e
4. Ion-ion Pb2+ (kation) ditarik kepada katod di mana ia menerima elektron dan
diturunkan menjadi logam (atom) plumbum:
Pb2+(c)+2e Pb(p)
Faktor-faktor yang mempengaruhi elektrolisis
1. Pertimbangkan elektrolisis suatu larutan berair kuprum (II) sulfat(VI), CuSO4 ,
dengan menggunakan elektrod-elektrod platinum.
2. Ion-ion yang hadir dalam larutan elektrolit ialah:
CuSO4(ak) Cu2+(ak) + SO42-(ak)
H2O(c) H+(ak) + OH-(ak)
3. Ion-ion positif, Cu2+ dan H+ akan ditarik kepada katod di mana dua tindak balas
mungkin berlaku:
Cu2+ (ak) + 2e Cu(p)
2H+ (ak) + 2e H2 (g)
Tetapi proes yang manakah sebenarnya berlaku? Gas hidrogen dibebaskan atau
kuprum dienapkan?
91
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
4. Ion-ion negative, OH- dan SO42- akan ditarik kepada anod di mana dua tindak
balas mungkin berlaku:
4OH- (ak) 2H2O(c) + O2(g) + 4e
2SO42-(ak) S2O8
2-(ak) + 2e
Sekali lagi, gas oksigen akan dibebaskan atau ion peroksodisulfat(VI) akan
terbentuk?
5. Antara factor-faktor utama yang mungkin mempengaruhi hail elektrolisis ialah:
a. Nilai keupayaan elektrod biawai spesies-spesies berkenaan
b. Kepekatan ion
c. Jenis elektrod yang digunakan
11.1.2 ASPEK KUANTITATIF ELEKTROLISIS
Pengenalan
Elektrod yang bercas negatif akan menarik ion positif ke arahnya dari larutan. Ia mendermakan sebahagian elektronnya yang berlebihan kepada kataion. Maka, elektrod katod ini adalah agen penurunan dan mengoksidakan bahan larutan yang tertarik ke arahnya.
92
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Elektrod positif pula akan menarik ion negatif dan menerima elektron daripada ion-ion tersebut, menjadikannya agen pengoksidaan, iaitu menurunkan larutan yang tertarik ke arahnya.Contohnya, apabila elektrik aras terus dialirkan melalui 1 M HCl, ion H3O+ dalam larutan ini akan tertarik kepada katod dan ion Cl– menuju ke anod. Di katod, H3O+ akan diturunkan kepada gas hidrogen berdasarkan persamaan separa tersebut.
2H+ + 2e– → H2 (1a)
Di anod, elektron akan diterima daripada ion Cl– , menurunkannya kepada Cl2:
2Cl– → Cl2 + 2e– (1b)
Semasa elektrolisis gas H2(g) dan Cl2(g) terhasil di kedua-dua katod dan anod. Persamaan penuh adalah seperti di bawah.
2H+(aq) + 2Cl–(aq) → H2(g) + Cl2(g) (1) atau 2H3O+(aq) + 2Cl–(aq) → H2(g) + Cl2(g) + 2H2O(l)
Tindakbalas [Eq. (1)] adalah unduran daripada tindakbalas spontan daripada gabungan H2(g) dengan Cl2(g) membentuk HCl(aq). Hasil ini hanya terhasil daripada elektrolisis sempurna, namun ketika elektrolisis sebenar, tindakbalas sampingan turut berlaku di dalam sistem. Ini kerana molekur air juga boleh mengion dan menderma atau menerima ion seperti kebanyakan larutan kimia yang lain. Ini sudah tentu menyebabkannya dioksidakan atau diturunkan, menyekat bahan elektrolisi sebenar daripada bertindakbalas.
. Contohnya ialah lithium florida, LiF. Kita mungkin menjangkakan penurunan Li+ di katod da pengoksidaan F– di anod.
Li+(aq) + e– → Li(s) (2a) 2F–(aq) → F2(g) + 2e– (2b)
Walaubagaimanapun, Li+ adalah penerima elektron yang sangat lemah dan adalah amat sukar untuk bahan tersebut bertindakbalas. Maka, elektron berlebihan daripada katod akan diterima oleh molekul air
2H2O(l) + 2e– → 2OH–(aq) + H2(g) (3a)
93
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Sama seperti situasi di atas, ion F– adalah agen penurunan yang terlalu lemah, lebih lemah daripada molekul air. maka separuh persamaan yang terhasil adalah seperti berikut. 2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e– (3b) Maka, persamaan penuh yang terhasil adalah seperti berikut:2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g) (3)
Siri Elektrokimia
K Kalium -Lebih elektropositif Na Natrium - suka jadi ionCa Kalsium -mudah terkakis Mg Magnesium Al AluminiumZn ZinkFe FerumSn StanumPb PlumbumH HidrogenCu KuprumHg Merkuri -kurang elektropositif Ag Argentum -suka menjadi atom/molekulAu Emas/ Gold -mudah dinyahcas -tahan kakis
JARH Hidrogen 1He Helium 4C Karbon 12N Nitrogen 14O Oksigen 16Ne Neon 20Na Natrium 23Mg Magnesium 24Al Aluminium 27S Sulfur 32Cl Klorin 35.5K Kalium 39Ca Kalsium 40Fe Ferum 56Cu Kuprum 64Zn Zink 65
94
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Br Bromin 80I Iodin 127Pb Plumbum 207
Hukum Pertama Elektrolisis Faraday
Hukum ini menyatakan :
Jisim bahan yang terkumpul atau terlarut pada mana-mana elektrod semasa elektrolisis adalah berkadar lansung dengan kuantiti elektrik yang melalui larutan tersebut. Secara matematik, jika ‘W’ adalah gram bahan yang terkumpul atau terlarut apabila ‘Q’ coulumb elektrik melalui larutan, maka :
W µ Q dan Q = I(arus) x t(masa)
Hukum Kedua Elektrolisis Faraday
Hukum kedua elektrolisi Faraday menyatakan :
Jisim bahan yang berlainan, terkarut atau terkumpul dengan kuantiti elektrik yang sama adalah berkadar lansung dengan jumlah jisinmya.Maka, apabila jumlah elektrik yang sama melalui larutan elektrolisis, jisim hasil bahan yang berlainan tersebut yang terhasil pada setiap elektrod adalah berkadar dengan jumlah jisimnya.
Contohnya, apabila arus elektrik yang sama melalui larutan asid sulfurik (H2SO4), kuprum sulfat (CuSO4) dan (AgNO3) pada jangka waktu yang sama.
Jisin kuprum terenap = jisim persamaan kuprumjisim gas hidrogen terhasil jisim persamaan hidrogen
jisim persamaan = jisim molekul relatif nombor elektron yang terlibat
95
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Satu Faraday adalah bersamaan 96487 coulomb bagi setiap mol cas elektrik.. Selalunya nilai 96500 C mol-1 digunakan sebagai nilai Faraday.
Maka, 1 Faraday = 1F = Cas elektrik bagi satu mol elektron. 1F = Cas pada elektron x Nombor Avogadroor 1F = e- x NA = (1.602 x l0-19 C) x (6.02 x 10-23 rnol-1)1F = 96488 C mol-1
Jisim bahan yang terkumpul adalah berkadar lansung dengan kuantiti arus elektrik yang melaluinya.
Jika Wg = jisim bahan
I = arus amperet = masa dalam saat
Z = keseimbangan elektrokimia
96
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Ramalkan hasil elektrolisis larutan berair natrium sulfat (VI) menggunakan
elektrod-elektrod platinum.
2. Arus 1.50 ampere mengalir melalui larutan mengandungi ion perak selama 15.0
minit. Voltan tersebutnya dapat menyebabkan enapan perak di katod. Berapah
jisim perak yang terenap dalam gram?
3. Mengapa hasil yang berbeza didapati apabila MgCl2 cair dan larutan akues
MgCl2 dielektrolisis.
(b) anggarkan hasil di dalam setiap kes. (c) Apakah daya elektromagnet
minimum yang diperlukan?
97
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 12 :
12.1 ELEKTROKIMIA
12.1.1 Penggunaan Komersial
Elektrolisis
12.1.2 Kerja Elektrik
98
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
12.1.1 PENGGUNAAN KOMERSIAL ELEKTROLISIS
1. Pengesktrakan logam
Logam-logam yang kurang reaktif dapat diestrak melalui proses penurunan
oksidanya oleh karbon.
Misalnya; pengestrakkan logam aluminium
Pengekstrakan logam aluminium
i. Aluminium diekstrak daripada bijih bauksit yang mengandungi aluminium
oksida.
Rajah pengekstrakkan logam aluminium
ii. Aluminium oksida dileburkan bersama kriolit, Na3AlF6 yang berfungsi untuk
merendahkan takat lebur aluminium oksida daripada 20450C kepada
9800C.
iii. Grafit digunakan sebagai elektrod.
iv. Di katod, ion Al3+ dinyahcas untuk menghasilkan aluminium manakala di
anod, ion O2- dinyahcas untuk menghasilkan gas oksigen.
Katod: Al3+(ce) + 3e- → Al (p)
Anod: 2O2- → O2 (g) + 4 e-
Keseluruhan : 2Al3O3 (ce) → 4Al (p) + 3O2(g)
99
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Pengekstrakkan logam natrium
i. Natrium diekstrak daripada garam natrium klorida lebur. Natrium klorida
dileburkan bersama kalsium klorida.
ii. Kalsium klorida berfungsi untuk merendahkan takat lebur natrium klorida
daripada 9000C kepada 6000C.
iii. Anod terdiri daripada grafit manakala katod terdiri daripada ferum.
Rajah pengekstrakan logam natrium.
iv. Semasa elektrolisis, ion Na+ bergerak ke katod dan ion Cl- bergerak ke anod.
v. Di katod, ion Na+ dinyahcas untuk menghasilkan logam natrium manakala di
anod, ion Cl- dinyahcas untuk menghasilkan gas klorin.
Katod: Na+ (ce) + e- → Na (p)
Anod: 2 Cl- (ce) → Cl2 (g) + 2e-
Keseluruhan: 2NaCl (ce) → 2 Na (p) + Cl2 (g)
2. Penulenan logam
i. Logam yang diekstrak daripada mineral mungkin mengandungi logam lain
sebagai benda asing. Elektrolisis dapat digunakan untuk menulenkan logam ini.
100
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
ii. Semasa penulenan logam, logam tak tulen dijadikan anod dan logam tulen
dijadikan katod.
iii. Elektrolit yang digunakan ialah larutan akueus yang mengandungi ion logam
yang hendak ditulenkan.
3. Penyaduran logam
i. Suatu logam dapat disaur dengan logam lain melalui elektrolisis dan proses ini
dinamakan penyaduran logam.
ii. Tujuan penyaduran logam adalah untuk mengelakkan kakisan logam reaktif
dan memperbaiki rupa logam tertentu.
iii. Semasa penyaduran logam, bahan yang hendak disadur dijadikan katod
manakala logam penyadur dijadikan anod.
iv. Elektrolit yang digunakan ialah larutan akueus yang mengandungi ion logam
penyadur.
4. Pembuatan Bahan Kimia
I. Klorin, natrium hidroksida, natrium klorat (I) atau natrium klorat (V) boleh
dihasilkan dengan elektrolisis larutan air garam.
II. Elektrolisis larutan pekat air garam degan katod merkuri (sel merkuri)
menghasilkan hidrogen, klorin dan natrium hidroksida.
Katod (merkuri) Amod (titanium)
Na+, H+
Na+ + e → Na
Na + Hg → Na.Hg (c)
Na.Hg + 2H20 + 2H2O + H2 + 2Hg
OH-, Cl-
2Cl- → Cl2 + 2e
5. Penganodan
i. Barang aluminium dianodkan supaya barang itu lebih tahan terhadap kakisan
dan boleh diwarnakan.
101
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
6. Rawatan efluen
i. Bekalan minuman air kita berasal dari sungai, tasik, dan air bawah tanah.
Sebelum air itu boleh digunakan untuk memasak dan meminum, air tersebut
mesti dirawat melalui
proses fizikal untuk menyingkirkan bahan-bahan terampai
proses kimia untuk membunuh bacteria
proses elektrolisis (rawatan efluen) untuk menyingkirkan logam seperti
nikel (Ni), cadmium (Cd) dan kromium (Cr).
7. Elektroplating
i. Elektroplating merupakan suatu proses yang digunakan untuk memanipulasi sifat
suatu substrat dengan cara melapisinya dengan logam lain.
ii. Proses elektroplating banyak diperlukan oleh industri penghasilan benda logam,
diantaranya industri komponen elektronik, peralatan dapur, dan sebagainya.
iii. Namun proses elektroplating masih terhad kerana pengendaliannya memerlukan
tenaga kerja yang berpengalaman.
12.1.2 KERJA ELEKTRIK
1. Kerja elektrik adalah kerja yang dilakukan oleh partikel cas yang bergerak dalam
medan elektrik.
2. Rumus yang boleh digunakan ialah
dimana
q ialah cas partikelE ialah kekuatan medan elektrikr ialah jarak
3. Untuk melakukan sesuatu proses elektrolisis, kerja minima diperlukan untuk
membolehkan sesuatu proses elektrolisis itu berlaku.
102
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Berikan dua contoh kesan/pencemaran alam disebabkan proses elektrolisis dalam
industri.
2. Berikan satu contoh larutan yang boleh digunakan untuk menulenkan logam kuprum.
3. Apakah peranan yang dimainkan oleh kriolit dalam pengekstrakan logam aluminium?
103
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 13 :
13.1 KIMIA NUKLEAR
13.1.1 Keradioaktifan
13.1.2 Tindakbalas Nuklear
13.1.3 Jenis Pereputan Radioaktif
13.1.4 Pola Kestabilan Nuklear
13.1.5 Trasmutasi Nuklear
13.1.1 KERADIOAKTIFAN
104
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Satu proses pereputan nukleus yang tidak stabil melalui pemancaran sinaran radioaktif
secara spontan dan rawak untuk membentuk nukleus baru yang lebih stabil. Unsur
radioaktif ialah unsur yang mempunyai nukleus yang tidak stabil. Semasa reputan
radioaktif, satu atau lebih daripada satu jenis sinaran radioaktif dipancarkan. Terdapat
tiga jenis sinaran radioaktif iaitu alfa (α), beta (β) dan gama ( ).
13.1.2 TINDAKBALAS NUKLEAR
Tindakbalas nuklear adalah proses di mana dua teras (seperti proton, atau elektron
bertenaga tinggi) berlanggar untuk menghasilkan produk yang berbeza. Tindakbalas ini
boleh melibatkan lebih daripada tiga zarah untuk berlanggar, tetapi kemungkinan untuk
tiga atau lebih teras bertemu pada waktu yang sama di tempat yang sama adalah
jarang berbanding dengan dua teras.
13.1.3 JENIS PEREPUTAN RADIOAKTIF
Terbahagi kepada 3:
A. Reputan alfa
B. Reputan beta
C. Reputan gama
Aspek Reputan alfa Reputan beta Reputan gama
Jenis sinaran yang
dipancarkanZarah alfa ( ) Zarah beta ( ) Sinaran gama
(sinaran
elektromagnet
berfrekuensi tinggi)
Perubahan pada :
(a) Nombor
nukleon, A
(b) Nombor
Kurang empat unit
(-4)
Tiada perubahan
Tambah satu unit
Tiada perubahan
105
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
proton, Z
Kurang dua unit (-
2)
(+1) Tiada perubahan
Persamaan umum → + → +
+
(tenaga → (tenaga
rendah)
tinggi)
Contoh reputan → +
→ + → +
13.1.4 POLA KESTABILAN NUKLEAR (NISBAH NEUTRON KE PROTON, SIRI
RADIOAKTIF)
Proton mempunyai jisim dan cas yang tinggi
Oleh itu, daya tolakan antara proton adalah kuat
Di nukleus, jarak antara proton adalah sangat rapat
Semakin banyak proton yang ditambah (nukleus menjadi bertambah berat), daya
tolakan anatara proton menjadi semakin kuat. Semakin berat nukleus tersebut,
semakin banyak neutron yang diperlukan untuk menstabilkannya
1:1 proton dan neutron merupakan penanda aras yang selamat untuk
memastikan nukleus menjadi stabil.
Sebagai contoh, Bi mempunyai 83 proton dan ini menyebabkan nukleusnya tidak
stabil.
106
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
- Nukleus yang berada diatas penanda aras selamat akan melalui
pembebasan dimana satu elektron akan hilang dan nombor nuetron akan
berkurangan dan nombor proton meningkat
- Nukleus yang berada dibawah paras stabil akan melalu pembebasan +
dimana nombor neutron akan meningkat dan nombor proton berkurangan
- Nukleus dengan nombor atom yang melebihi 83 selalunya akan melalui
pembebasan dimana nombor proton dan neutron akan berkurangan
Siri radioaktif
Nukleus biasanya mengalami lebih daripada satu peralihan untuk
memastikan ianya stabil
Siri radioaktif adalah siri tindakbalas nuklear dalam memastikan nukleus
menjadi lebih stabil
107
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
13.1.5 TRANSMUTASI NUKLEAR
Transmutasi nuklear adalah penukaran satu unsur kimia atau isotop ke unsur yang lain.
Dengan kata lain, atom dari satu elemen dapat diubah menjadi atom daripada elemen
lain dengan transmutasi. Hal ini terjadi melalui reaksi nuklear (dimana zarah luar
diperlukan), atau melalui pereputan radioaktif (di mana zarah luar tidak diperlukan).
Unsur yang mengalami tindakbalas semulajadi akibat proses pereputan setelah melalui
jangka masa yang tertentu akan berubah menjadi unsur yang lain. Contoh tindak balas
semulajadi adalah kalium-40 ke argon 40 dimana ianya membentuk sebahagian besar
argon di udara.
108
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1. Apakah yang dimaksudkan dengan keradioaktifan?
2. Tindakan balas nuklear merupakan salah satu proses dalam keradioaktifan,
Terangkan proses itu secara ringkas?
3. a) → + X
109
SOALAN
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Persamaan di atas menunjukan proses pereputan bahan radioaktif yang
membentuk sinaran reputan X. Apakah sinaran reputan X itu? Jelaskan
jawapan itu berdasarkan persamaan diatas.
b) Apabila mereput menjadi , berapakah bilangan zarah alfa
dan zarah beta yang dipancarkan?
4. → → → → →
Turutan diatas menunjukan sebahagian daripada siri reputan uranium-238 yang
radioaktif. Dalam siri pereputan itu, sinaran-sinaran itu dikeluarkan dan unsur-
unsur radioaktif yang baru dihasilkan.
a) Namakan zarah yang dikeluarkan ketika menyusut kepada
b) Apakah yang dimaksudkan dengan isotop
c) Berdasarkan siri pereputan di atas berikan satu pasangan nuklues yang
merupakan isotop
5. Proses Transmutasi nuklear adalah pernukaran satu unsur kimia ke unsur yang
lain, dengan mengambil satu contoh radioaktif yang sesuai terangkan
bagaimanakah proses ini terjadi?
110
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
TOPIK 14 :
14.1 KIMIA NUKLEAR
14.1.1 Tenaga Nuklear
14.1.2 Unit Jisim Atom (U.J.A)
14.1.3 Kadar Pereputan Radioaktif
14.1.4 Pembelahan Nukleus
14.1.5 Pelakuran Nukleus
111
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
14.1.1 TENAGA NUKLEAR
Dalam tindak balas nuklear atau reputan radioaktif, jumlah jisim zarah-zarah terhasil
adalah lebih kecil daripada jisim zarah asal.
Tindak balas nuklear atau reputan radioaktif itu mengalami suatu kehilangan jisim
atau cacat jisim.
Jisim yang hilang itu telah bertukar kepada tenaga.
Hukum keabadian jisim-tenaga Eistein menyatakan bahawa jisim m dan tenaga E
boleh bertukar anatara satu dengan yang lain.
Jumlah tenaga haba yang dibebaskan diberi oleh rumus;
E = m c 2 E = jumlah tenaga haba yang dibebaskan/ J
m = jisim nukleus yang hilang/ kg
c = halaju cahaya, 3.0 x 108 ms-1
14.1.2 UNIT JISIM ATOM (U.J.A)
Dalam tindak balas nuklear atau reputan radioaktif, jisim zarah diukur dalam unit
jisim atom (u.j.a).
1 u.j.a. = daripada jisim 1 atom karbon-12 ( )
Daripada eksperimen, jisim 1 atom karbon-12 = 1.993 x 10-26 kg
Maka 1 u.j.a. = x 1.993 x 10-26 kg
112
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Contoh 1
Pertimbangkan reputan 1 nukleus radium-226.
+
Diberi jisim setiap atom :
Radium-226 = 226.0254 u.j.a
Radon-222 = 222.0175 u.j.a.
Zarah alfa = 4.0026 u.j.a.
Dapatkan
a) Jumlah jisim sebelum dan selepas reputan
b) Cacat jisim dalam unit kg
c) Tenaga yang dibebaskan dalam unit J
Penyelesaian
a) Jisim zarah sebelum reputan = 226.0254 u.j.a.
Jumlah jisim selepas reputan
= (222.0175 + 4.0026) u.j.a
= 226.0201 u.j.a.
b) Cacat jisim = perbezaan jisim sebelum dan selepas reputan
m = 226.0254 – 226.0201
= 0.0053 u.j.a.
= 0.0053 x 1.66 x 10-27 kg
= 8.798 x 10-30 kg
c) Tenaga yang dibebaskan, E = mc2
E = 8.798 x 10-30 x (3.00 x 108) J
= 7.92 x 10-13 J
113
T T T T
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
14.1.3 KADAR PEREPUTAN RADIOAKTIF
Keaktifan suatu sampel radioaktif ialah kadar reputan sampel radioaktif tersebut.
Kadar reputan = Bilangan reputan per saat
= Bilangan zarah yang dipancarkan sesaat
Unsur radioaktif yang berlainan mereput pada kadar yang berbeza. Kadar reputan
berubah secara langsung dengan bilangan atom yang radioaktif.
Apabila suatu sampel radioaktif mereput,
bilangan atom yang belum reput semakin berkurang
bilangan atom yang sudah reput semakin bertambah
jumlah bilangan atom adalah tetap.
Keaktifan suatu bahan radioaktif bergantung kepada bilangan atom yang belum
mereput. Apabila bilangan atom yang belum reput semakin kurang dengan masa,
keaktifan berkurang dengan masa.
Setengah hayat = masa yang diambil untuk keaktifan suatu unsur radioaktif
berkurang menjadi setengah daripada nilai asalnya.
Pereputan adalah proses tertib satu
= t dimana = bilangan atom pada masa t
= = bilangan atom pada masa t=0
Contoh : Keaktifan 1 sampel radioaktif berkurang dengan masa.
Didapati selepas 288 s, Keaktifannya tinggal 6.25% daripada
nilai asalnya. Berapakah setengah hayat sampel itu?
Penyelesaian
Setengah hayat = T
114
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
100% 50% 25% 12.5% 6.25%
4T = 288 s T= 72 s
14.1.4 PEMBELAHAN NUKLEUS
Pembelahan nukleus ialah proses pemecahan satu nukleus berjisim besar
kepada dua nukleus yang lebih ringan disertai dengan pembebasan tenaga.
Nukleus-nukleus ringan itu mempunyai jisim yang hampir sama antara satu
sama lain.
Pembelahan biasaya berlaku apabila satu nukleus berjisim besar dihentam oleh
satu nuetron.
Pembelahan nukleus menghasilkan suatu cacat jisim atau jisim yang hilang.
Jisim yang hilang itu bertukar kepada tenaga kinetik nukleus hasilan
pembelahan.
Apabila satu nukleus hasilan pembelahan ini berlanggar dengan atom-atom
sekeliling, tenaga kinetikya ditukar kepada tenaga haba.
Contohnya, satu nukleus uranium-235 yang dihentam dengan satu neutron akan
dibelah kepada dua nukleus yang besar dan tiga neutron baru dihasilkan.
Tenaga yang dibebaskan oleh pembelahan nukleus adalah sangat besar
berbanding dengan tenaga yang dibebaskan oleh tindak balas kimia.
115
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
1 neutron diserap oleh nukleus uranium kemudian menjadi
tidak stabil dan membelah kepada 2 atom baru dengan
membebaskan tenaga dan beberapa neutron.
Contoh 2
+ + + tenaga
Diberi jisim setiap atom
= 235.04 u.j.a
= 140.91 u.j.a
= 91.91. u.j.a.
= 1.01 u.j.a.
Dapatkan cacat jisim dan tenaga yang dibebaskan
Penyelesaian
Cacat jisim, m =
116
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
= (235.04 + 1.01) – [140.91+ 91.91 + 3(1.01)
= 0.20 u.j.a.
= 0.20 x 1.66 x 10-27 kg
= 3.32 x 10-28 kg
Tenaga yang dibebaskan, E =
= 3.32 x 10-28 kg x (3.0 x 108)2 J
= 2.988 x 10-11 J
117
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
Tindak balas berantai
Proses pembelahan nukleus menghasilkan beberapa neutron yang baru yang
dikenali sebagai neutron belahan. Sebahagian daripada neutron belahan akan
terlepas keluar daripada permukaan sampel radioaktif itu.
Proses pembelahan itu akan berterusan jika secara purata 1 daripada neutron
belahan dapat membelah 1 nukleus baru dengan itu 1 tindak balas berantai akan
terjadi.
Tindak balas berantai hanya berlaku jika jisim sampel uranium itu melebihi suatu
nilai minimum yang tertentu yang dikenali sebagai jisim genting. Jisim genting
bagi sampel uranium itu bergantung kepada bentuknya.
Jisim genting bagi sampel berbentuk sfera lebih kecil daripada jisim genting bagi
sampel berbentuk cakera atau bentuk lain.
Kerana 1 isipadu yang berbentuk sfera mempunyai luas permukaan yang paling
kecil. Luas permukaan yang paling kecil
mengurangkan kemungkinan neutron
belahan terlepas keluar daripada sampel
radioaktif itu.
1) 1 atom Uranium-235 menyerap neutron, membelah dan membebaskan 3 neutron baru
dan tenaga.
118
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
2) 1 daripada neutron itu diserap oleh atom uranium-238 dan 1
neutron hilang dan tidak berlanggar dengan apa-apa tidak
meneruskan tindak balas. 1 neutron lagi berlanggar dengan
atom Uranium-235, membelah dan membebaskan 2 neutron
baru dan tenaga.
3) Kedua-dua neutron baru itu berlanggar dengan atom
Uranium-235. Setiap pembelahan membebaskan antara 1
hingga neutron baru. Tindak balas berlaku berterusan.
14.1.5 PELAKURAN NUKLEUS
Pelakuran nukleus ialah proses percantuman nukleus-nukleus ringan
untukmembentuk satu nukleus yang lebih berat diikuti dengan pembebasan
neutron dan tenaga haba yang besar.
Pelakuran berlaku pada suhu yang sangat tinggi supaya nukleus-nukleus
mempunyai tenaga kinetik yang cukup besar untuk mengatasi tolakan elektrik
antara satu dengan yang lain.
Tindakbalas pelakuran biasanya berlaku di permukaan matahari. kerana terdapat
banyak gas hidrogen dan suhunya yang amat tinggi.
Contoh 3
Dapatkan cacat jisim dan tenaga
yang dibebaskan.
Diberi jisim setiap atom adalah
= 2.01410 u.j.a.
= 3.01605 u.j.a.
119
TENAGA DALAM KIMIA SCE 3109
e = 4.00260 u.j.a.
= 1.00867 u.j.a.
Penyelesaian
Cacat jisim, m
= (2.01410 + 3.01605 ) – (4.00260 + 1.00867 )= 0.01888= 0.01888 x 1.66 x 10-27 kg= 3.134 x 10-29 kg
Tenaga yang dibebaskan, E= 3.134 x 10-29 x (3.0 x 108)2 J= 2.82 x 10-12
Persamaan tindak balas pembelahan dengan pelakuran nukleus.
menghasilkan jumlah tenaga yang besar.
menghasilkan neutron.
menghasilkan sinaran radioaktif.
mengalami penyusutan jisim nukleus.
Perbezaan tindak balas pembelahan dan pelakuran nukleus.
Pembelahan Pelakuran
Proses pemecahan suatu nukleus
berat kepada 2 nukleus yang lebih
ringan diikuti penghasilan neutron
pembebasan tenaga
Proses percantuman nukleus-nukleus
ringan untuk membentuk satu nukleus yang
lebih berat diikuti dengan pembebasan
neutron dan tenaga haba yang besar
Berlaku tindak balas berantai Tidak berlaku
Tidak memerlukan neutron laju Memerlukan suhu tinggi
Aplikasinya dalam reaktor nuklear dan
bom atom
Aplikasinya dalam pembuatan bom
hidrogen
120
1) Nyatakan maksud pembelahan dan pelakuran nukleus.
2) Nyatakan kesamaan-kesamaan yang terdapat antara pembelahan dan pelakuran
nukleus.
3) Nyatakan perbezaan-perbezaan yang terdapat antara pembelahan dan pelakuran
nukleus
4) Lengkapkan persamaan bagi pembelahan uranium-235
a. + + + 2 n
5) Satu daripada tindak balas pembelahan yang berlaku dalam teras reaktor nuklear
ialah + + x
a. Tentukan nilai x , iaitu bilangan neutron baru yang dibebaskan
b. Hitungkan
i. Cacat jisim dalam unit kg
ii. Tenaga yang dibebaskan apabila 1 atom uranium-235 mengalami
pembelahan seperti persamaan di atas
Jisim uranium-235 = 235.043 924 u.j.a. Xenon-140 = 139.921 620 u.j.a. Strontium-94 = 93.915 367 u.j.a. Neutron = 1.008 655 u.j.a. 1 u.j.a. = 1.66 x 10-27 kg Laju cahaya,c = 3.00 x 108 ms-1 J
6) Tindak balas pelakuran berlaku di permukaan matahari. Dua nukleus helium-3
bercantum untuk membentuk satu nukleus helium-4 dan 2 proton.
a. Tuliskan persamaan bagi pelakuran itu.b. Hitungkan
i. Cacat jisim dalam unit kgii. Tenaga yang dibebaskan dalam J
Jisim helium-3 = 3.01603 u.j.a. Helium-4 = 4.00260 u.j.a. Proton = 1.00728 u.j.a. 1 u.j.a. = 1.66 x 10-27 kg
SOALAN
Laju cahaya, c = 3.00 x 108 ms-1 J
TOPIK 15 :
15.1 KIMIA NUKLEAR
15.1.1 Mengesan dan Mengira
Radioaktiviti
15.1.2 Kesan Biologikal
15.1.3 Aplikasi Kimia Nuklear
15.1.1 MENGESAN DAN MENGIRA RADIOAKTIVITI
Sinar rarioaktif tidak berbau, tidak mempunyai rasa dan tidak dapat dikesan
dengan mata kasar
Pendedahan kepada sinar radioaktif pada dos yang tinggi atau satu jangka yang
lama boleh memudaratkan kesihatan.
Oleh itu, alat pengesan radioaktif dicipta bagi memudahkan manusia untuk
mengesan sinar radioaktif tersebut.
Alatan mengesan radioaktiviti:
1) Plat/filem fotograf
1. Merupaka alat terawal dalam mengesan sinar radioaktif.
2. Alat ini dapat mengesan ketiga-tiga jenis sinar radioaktif.
3. Digunakan sebagai lencana khas oleh pekerja yang di tempat kerja yang
mempunyai bahan radioaktif.
4. Lencana ini terdiri daripada satu filem fotograf yang disaluti dengan argentums
bromida dan pemegang plastic yang terdiri daripada beberapa jenis penapis dan
tingkap.
5. Prinsip kerja lencana ini:
o Sinar radioaktif dengan tenaga tertentu menembusi penapis dan
mengenai filem.
o Unsur argentum akan menghitamkan filem selepas diproses.
- Pengukuran darjah kehitaman pada filem member nilai keamatan sinar bagi julat
tenaga, kemudian maklumat itu akan diproses untuk pengiraan dos yang tersera
2) Elektroskop
1. Elektroskop ialah alat pengesan yang paling sesuai untuk mengesan zarah alfa,
disebabkan oleh kuasa pengionannya yang tinggi berbanding zarah beta dan
gama.
2. Prinsip Kerja elektroskop:
a. Elektroskop dicas positif dengan bahan dielektrik atau bateri. Kerajang
emas mencapah
b. Sumber alfa dibawa mendekati ceper yang terletak diatas batang besi.
c. Zarah-zarah alfa mengionkan molekul-molekul udara di sekitar ceper dan
menghasilkan pasangan ion.
d. Ion negatif yang terhasil meneutralkan cas positif pada ceper.
e. Pencapahan kerajang emas semakin berkurangan apabila semakin
banyak cas positif dineutralkan oleh ion negatif.
f. Keranjang emas menguncup apabila semua ion positif dinyahcaskan.
3. Elektroskop dapat digunakan untuk mengesan sinaran radioaktif dengan
memerhatikan pencapahan kerajang emas.
4.
3) Kebuk Awan
1. Kebuk awan dapat mengesan ketiga-tiga jenis sinaran radioaktif dengan
menunjukkan lintasan yang dilaluinya.
2. Kebuk awan terdiri daripada:
a. Sebuah kotak plastik lut cahaya berbentuk silinder
b. Tudung perspeks
c. Kepingan kain felt dibasahi alkohol dan air diletak mengelilingi bahagian
atas.
d. Satu dasar logam (plat logam hitam) ynag membahagikan kotak plastik
lut cahaya kepada dua ruang
e. Pepejal karbon dioksida di ruang bawah kebuk awan untuk menyejukkan
ruang atas.
3. Semasa menggunakan Kebuk awan, dasarnya mestilah sentiasa mendatar
untuk mengelakkan penghasilan arus olakan udara. Baji-naji getah diletakkan
pada dasar kebuk unutk memastikannya mendatar.
4. Dengan memerhatikan runut-runut yang terhasil kita akan menentukan julat
tenaga dan jenis sinaran radioaktif
1. Zaraf alfa 2. Zaraf beta 3.Sinar gama
4) Tiub Geiger-Muller (Tiub G-M)
1. Tiub G-M ialah alat pengesan yang sangat peka dan sesuai untuk mengesan zarah beta dan sinar gama kerana kuasa penembusan kedua-dua sinaran adalah tinggi.
Struktur Tiub G-M :
Satu tiub aluminium yang berisi gas neon bertekanan rendah dengan
dinding tiub bertindak sebagai katod.
Satu dawai tungsten halus di duang tengah tiub yang bertindak sebagai
anod
Tingkap mika yang nipif pada hujung hadapan tiub.
2. Prinsip kerja sebuah tiub G-M:
a. Sinaran radioktif memasuki tiub G-m melalui tingkap mika.
b. Sinaran radioaktif mengionkan atom-atom neon untuk menghasilkan
pasangan ion positif dan negative.
c. Ion-ion positif dipecutkan ke katod, manakala ion-ion negatif dipecutkan
kea nod dibawah kuasa medan elektrik.
d. ion-ion negative yang menghampiri anod mempunyai tenaga yang
mencukupi unutk menyebabkan pengionan sekunder melalui
perlanggaran dengan atom-atom neon lain. Maka, lebih banyak ion-ion
negative akan sampai ke anod
e. Semua ion negative yang terkumpuldi anod akan menghasilkan satu
denyutan arus kecil dan denyutan arus akan diperkuatkan dengan
amplifier
f. Denyutan yang telah diperkuatkan dihantar ke pembilang atau meter
kadar untuk merekodkan bilangan denyutan arus dalam selang masa
tertentu
3. Keamatan sinaran radioaktif yang memasuki tiub G-M diketahui melalui bilangan denyutan yang direkodkan.
5) Pembilang bunga api
1. Pembilang bunga api hanya sesuai digunakan untuk mengesan sinaran
radioaktif yang mempunyai kuasa pengionan yang tinggi. (zarah alfa)
2. Prinsip kerja pembilang bunga api:
a. Beza keupayaan bagi bekalan voltan lampau tinggi (VLT) ditambah
secara perlahan sehingga bunga api mula merentasi ruang dia
antara kasa dawai dengan dawai halus secara spontan. Kemudian,
voltan di kurangkan sehingga bunga api berhenti.
b. Sumber alfa didekatkan kepada kasa dawai.
c. Zarah-zarah alfa mengionkan molekul-molekul udara di ruang
antara kasa dawai dan dawai halus.
d. Ion positif tertarik ke kasa dawai dan ion negative tertarik ke dawai
halus dengan cepat
e. pengionan sekunder berlaku berhampiran kasa dawai dan dawai
halus apabila ion-ion yang bergerak dengan pantas kearah
bertentangan berlanggar dengan molekul-molekul udara lain.
f. Kadar penghasilan pasangan ion yang tinggi menyebabkan ion-ion
membentiuk satu plasma merentasi ruang diantara kasa dawai dan
dawai halus.
3. Keamatan sinaran radioaktif ditentukan oleh bilangan bunga api dan
merentasi ruang dia antara kasa dawai dan dawai halus
4. Penghasilan bunga api tidak berlaku pada selang masa yang sekata, ini
menunjukkan bahawa keradioaktifan adalah proses rawak.
15.1.1 KESAN BIOLOGIKAL
Tubuh badan manusia terdiri daripada banyak organ dan setiap organ pada
tubuh manusia di bina oleh beribu- ribu sel. Radiasi mempunyai kemungkinan besar
untuk memberi kesan yang buruk kepada tubuh badan manusia yang terdedah kepada
radiasi.
Kesan Radiasi Kepada Sel
Kesan Biologikal bermula daripada proses pengionan atom. Radiasi ion yang
diserap ke dalam badan manusia mempunyai tenaga yang cukup banyak bagi
menyingkirkan atom yang membina molekul tisu manusia. Apabila radiasi ion
berinteraksi bersama sel, ianya mungkin akan menghentam atau menyasarkan kepada
sel- sel yang kritikal. Kita menganggarkan bahawa kromosom merupakan sel kritikal
yang mengandungi maklumat genetik dan menghantar arahan kepada sel untuk
bertindak dengan berkesan.
Sinaran radioaktif yang berkeaktifan tinggi mampu memusnahkan banyak sel
badan sehingga mengakibatkan kematian. Bahaya sinaran radioaktif terhadap manusia
bergantung kepada:
a. Jenis sinaran radioaktif
i. Punca zarah alfa yang tidak berdekatan dengan badan tidak
mendatangkan kesan buruk kerana kuasa penembusannya yang
rendah di udara tidak dapat menembusi kulit manusia
ii. Zarah beta dan gama mempunyai kuasa penembusan yang tinggi
dan amat berbahaya kepada badan yang berdekatan dengan
sinaran ini.
b. Tempoh pendedahan dan kadar dos sinaran radioaktif
i. Pendedahan yang tinggi dalam masa yang singkat menimbulkan kesan
akut dengan serta merta.
ii. Pendedahan berterusan kepada dos sederhana tinggi akan
menimbulkan kesan kronik selepas beberapa tahun.
c. Cara kemasukan sinaran radioaktif ke dalam tubuh
i. Zarah alfa yang memasuki badan melalui makanan atau pernafasan
memberi kesan yang lebih serius berbanding dengan kesannya di luar
badan
ii. Ini kerana kuasa pengionannya yang tinggi akan menghasilkan
banyak pasangan ion dalam badan
iii. Ion- ion ini menyebabkan kecederaan dan kemusnahan biologi yang
parah disekitar sumber.
15.1.3 APLIKASI KIMIA NUKLEAR
Kegunaan Radioisotop
Radioisotope digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang disebabkan oleh sifat
berikut:
Memancarkan sinaran radioaktif
Mereput dengan keaktifan yang kurang terhadap masa
Mempunyai kuasa penembusan sinaran yang berbeza terhada
ketebalan dan ketumpatan bahan yang berbeza
Mempunyai sifat kimia yang sama dengan isotop- isotop lain yang bukan
radioaktif
Membunuh sel
Perubatan
A. Diagnosis Penyakit
1. Teknik penyurihan radioisotope digunakan untuk mengdiagnosis pelbagai
jenis penyakit
2. Fosforus -32 digunakan untuk mengesan tumor otak
3. Iodine-131 digunakan untuk memeriksa keadaan kelenjar tiroid.
B. Rawatan Penyakit
1. Sinar gama yang dipancarkan oleh kobalt-60 digunakan untuk
memusnahkan sel-sel kanser dalam rawatan radioterapi
C. Penghasilan Vaksin
1. Penyinaran mikroorganisma hidup dilakukan untuk menjadikannya
tidak aktif sebelum digunakan dalam penghasilan vaksin
2. Mikroorganisma yang telah disinari masih boleh menyebabkan
pembentukan antibodi yang sama banyak serta tidak menyebabkan
penyakit.
Pertanian
A.Pengawalan Serangga Perosak
1. sinar gama digunakan untuk memunuh kumbang dan serangga perosak
dalam stor bijiran
2. dos gama yang kecil juga digunakan untuk megawal pembiakan
serangga perosak di lading melalui pemandulan.
B. Meningkatkan Hasil Pertanian
1. Sinaran radioaktif digunakan untuk menyebabkan perubahan genetic dalam
tumbuhan agar menghasilkan Baka yang lebih baik dari segi penghasilan
atau ketahanan terhadap serangan penyakit
C.Pengawetan Makanan
1. Sinar gama digunakan untuk membunuh bacteria dan virus dalam
pemprosesan makanan di kilang supaya tempoh penyimpanan dapat
dipanjangkan
2. Makanan laut seperti udang dan kerang disinari sinar gama untuk
memanjangkan tempoh penyimpanan pada suhu biasa, untuk
menjimatkan kos kerana tidak perlu disejukbekukan.
1. Rajah diatas menunjukkan renut-renut yang terhasil didalam kebuk awan. Nyatakan
apakah jenis sinaran radioaktif yang ditunjukkan diatas?
A: _______________________
B: _______________________
C: _______________________
2. Rajah diatas menunjukkan sebuah elektroskop. Nyatakan bilakah kerajang emas
pada elektroskop menjauhi antara satu sama lain?
A B C
SOALAN
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________
3. Gamarajah diatas menunjukkan dua jenis alat untuk mengesan sinaran radioaktif,
namakan kedua-dua alat tersebut?
___________________________________________________________________
4. Sinar radioaktif sangat merbahaya sekiranya ia terdedah terlalu lama kepada tubuh
manusia. Terangkan secara ringkas bagaimana sinar radioaktif boleh merosakkan
tubuh manusia?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________
5. Mengapakah sinar beta dan gama lebih merbahaya daripada sinar alfa sekiranya
terkena pada tubuh badan manusia?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
_________________________________________________________
6. Berikan 2 contoh kegunaan radioisotop dalam kehidupan seharian kita dari segi:
A) Pertanian:
1) _________________________________________________________________
2) ________________________________________________________________
B) Perubatan:
1) _________________________________________________________________
2) _________________________________________________________________