15  Termokimia & Termodinamika (2025)

Soal #22–#27 OSN-K Kimia 2025. Coba dulu, pakai petunjuk/referensi, baru buka pembahasan.

15.1 Soal 22

Es pada suhu 0 °C ditempatkan dalam cangkir styrofoam yang berisi 361 g minuman ringan pada suhu 23 °C. Panas jenis minuman tersebut hampir sama dengan panas jenis air. Sebagian es tetap ada setelah es dan minuman ringan mencapai suhu keseimbangan 0 °C. Abaikan kapasitas panas cangkir. Jika diperlukan 334 J untuk mencairkan 1 g es pada 0 °C dan kalor jenis air 4,184 J.g–1.°C–1, maka massa es yang telah mencair adalah ….

  • A. 84 g
  • B. 94 g
  • C. 104 g
  • D. 114 g
  • E. 124 g
  • Gunakan asas Black: kalor yang dilepas minuman = kalor yang diserap es untuk meleleh. Karena suhu akhir tepat 0 °C dan es masih tersisa, kamu hanya perlu menghitung satu arah perpindahan kalor.
  • Hitung kalor yang dilepas minuman dengan rumus \(Q = m \cdot c \cdot \Delta T\), di mana \(\Delta T\) adalah selisih suhu awal dan suhu akhir kesetimbangan.
  • Setelah \(Q\) diketahui, gunakan hubungan kalor laten peleburan \(Q = m_\text{es} \cdot L_f\) untuk mencari massa es yang mencair (dengan \(L_f = 334\ \mathrm{J\,g^{-1}}\)).

Es 0 °C dimasukkan ke 361 g minuman 23 °C. Minuman mendingin sampai setimbang di 0 °C, sebagian es masih padat. Kalor yang dilepas minuman dipakai untuk mencairkan es.

Kalor dilepas minuman (turun dari 23 °C ke 0 °C, \(c = 4{,}184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,{}^\circ C^{-1}}\)):

\[Q = m\,c\,\Delta T = 361 \times 4{,}184 \times 23 = 34\,740\ \text{J}\]

Massa es yang mencair (butuh 334 J tiap gram):

\[m = \frac{Q}{334} = \frac{34\,740}{334} \approx 104\ \text{g}\]

Jadi massa es yang mencair \(\approx 104\) g. Jawaban C.

15.2 Soal 23

Jika suatu reaksi dilakukan pada 50 °C, laju reaksi meningkat sebanyak 10 x lipat dibandingkan pada 25 °C. Energi pengaktifan reaksi tersebut adalah ….

  • A. +73,71 kJ.mol⁻¹
  • B. −73,71 kJ.mol⁻¹
  • C. +147,42 kJ.mol⁻¹
  • D. −147,42 kJ.mol⁻¹
  • E. +12,15 kJ.mol⁻¹
  • Gunakan persamaan Arrhenius dua suhu: \(\ln\dfrac{k_2}{k_1}=\dfrac{E_a}{R}\!\left(\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1}{T_2}\right)\) — ubah suhu ke Kelvin terlebih dahulu (\(T = t\,°C + 273\)).
  • Perbandingan laju \(\dfrac{k_2}{k_1}\) langsung diambil dari informasi “laju meningkat 10 kali lipat”, sehingga \(\ln\dfrac{k_2}{k_1} = \ln 10 \approx 2{,}303\).
  • Hitung selisih \(\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1}{T_2}=\dfrac{T_2-T_1}{T_1 T_2}\), lalu selesaikan untuk \(E_a\); ingat \(E_a\) selalu bernilai positif (kJ mol\(^{-1}\)).

Pakai persamaan Arrhenius bentuk dua suhu:

\[\ln\frac{k_2}{k_1}=\frac{E_a}{R}\left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right)\]

Data. Laju naik 10x dari 25 °C ke 50 °C, jadi \(\dfrac{k_2}{k_1}=10\), \(T_1=298\ \text{K}\), \(T_2=323\ \text{K}\), \(R=8{,}314\ \text{J mol}^{-1}\text{K}^{-1}\).

Hitung faktor suhu.

\[\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}=\frac{T_2-T_1}{T_1 T_2}=\frac{25}{298\cdot323}=2{,}597\times10^{-4}\ \text{K}^{-1}\]

Susun ulang untuk \(E_a\).

\[E_a=\frac{R\ln 10}{\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}}=\frac{8{,}314\times 2{,}3026}{2{,}597\times10^{-4}}\approx 7{,}37\times10^{4}\ \text{J mol}^{-1}\]

Jadi \(E_a\approx +73{,}71\ \text{kJ mol}^{-1}\). Nilai energi pengaktifan selalu positif, sehingga jawabannya A.

15.3 Soal 24

Suatu gas mengembang volumenya dari 26,7 mL menjadi 89,3 mL pada suhu konstan. Kerja yang terlibat jika gas mengembang pada ruang hampa dan tekanan konstan 2,8 atm sebesar….

  • A. 0 dan −18 J
  • B. 0 dan 18 J
  • C. 0 dan −9 J
  • D. −9 dan −18 J
  • E. 9 dan 18 J
  • Gunakan rumus kerja ekspansi gas: \(w = -P_\text{luar}\,\Delta V\). Perhatikan nilai \(P_\text{luar}\) pada masing-masing kondisi — ruang hampa berarti tidak ada tekanan luar sama sekali.
  • Hitung \(\Delta V = V_\text{akhir} - V_\text{awal}\) dalam satuan liter, lalu kalikan dengan \(P_\text{luar}\) dalam atm untuk mendapat satuan L·atm.
  • Konversi hasil ke joule menggunakan faktor \(1\ \text{L·atm} = 101{,}3\ \text{J}\). Tanda negatif pada \(w\) menunjukkan gas melakukan kerja pada lingkungan.

Soal menanyakan kerja gas pada dua keadaan: mengembang ke ruang hampa, dan melawan tekanan luar konstan 2,8 atm.

Kerja ekspansi (tekanan luar konstan): \(w = -P_{luar}\,\Delta V\).

Langkah 1 — Ekspansi ke ruang hampa. Tidak ada tekanan luar, \(P_{luar}=0\), sehingga \[w = -0\cdot\Delta V = 0.\]

Langkah 2 — Hitung \(\Delta V\). \[\Delta V = 89{,}3 - 26{,}7 = 62{,}6\ \text{mL} = 62{,}6\times10^{-3}\ \text{L}.\]

Langkah 3 — Kerja melawan 2,8 atm. \[w = -P_{luar}\,\Delta V = -(2{,}8\ \text{atm})(62{,}6\times10^{-3}\ \text{L}) = -0{,}1753\ \text{L·atm}.\] Konversi \(1\ \text{L·atm} = 101{,}3\ \text{J}\): \[w = -0{,}1753 \times 101{,}3 \approx -17{,}8\ \text{J} \approx -18\ \text{J}.\]

Langkah 4 — Pasangkan. Hasilnya 0 (ke ruang hampa) dan −18 J (melawan 2,8 atm). Jawaban A.

15.4 Soal 25

Istilah hidrogen ekonomi didasarkan pada hidrogen yang diproduksi dari air menggunakan energi matahari. Gas tersebut kemudian dibakar sebagai bahan bakar: 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) Energi yang dihasilkan oleh pembakaran gas hidrogen akan disetarakan dengan pembakaran bahan bakar oktana. Diketahui massa jenis oktana adalah 2,66 kg/galon, entalpi pembentukan standar oktana adalah –249,9 kJ/mol, entalpi pembentukan standar CO2 adalah –393,5 kJ/mol, dan pembentukan standar H2O adalah –285,8 kJ/mol. Volume gas hidrogen pada 25 °C dan 1 atm yang diperlukan untuk menghasilkan sejumlah energi yang setara dengan yang dihasilkan oleh pembakaran satu galon oktan (C8H18) adalah ….

  • A. 10,89 L
  • B. 108,98 L
  • C. 497,8 L
  • D. 1089,80 L
  • E. 10898 L
  • Hitung \(\Delta H_\text{comb}\) oktana terlebih dahulu menggunakan Hukum Hess: \(\Delta H_\text{rxn} = \sum \Delta H_f^\circ(\text{produk}) - \sum \Delta H_f^\circ(\text{reaktan})\), dengan reaksi \(\ce{C8H18 + 25/2 O2 -> 8CO2 + 9H2O}\).
  • Ubah 1 galon oktana (\(2{,}66\ \text{kg}\)) ke satuan mol menggunakan \(M(\ce{C8H18}) = 114\ \text{g/mol}\), lalu kalikan dengan \(\Delta H_\text{comb}\) per mol untuk mendapat total energi yang harus disamai oleh hidrogen.
  • Karena pembakaran \(\ce{H2}\) melepas \(|\Delta H_f^\circ(\ce{H2O})|\) per mol, gunakan \(n_{\ce{H2}} = E_\text{total}/|\Delta H_\text{comb, H2}|\), kemudian terapkan Hukum Gas Ideal \(V = nRT/P\) pada \(T = 298\ \text{K}\), \(P = 1\ \text{atm}\).

Diketahui: massa jenis oktana \(2{,}66\ \text{kg/gal}\), \(\Delta H_f^\circ(\ce{C8H18})=-249{,}9\), \(\Delta H_f^\circ(\ce{CO2})=-393{,}5\), \(\Delta H_f^\circ(\ce{H2O})=-285{,}8\ \text{kJ/mol}\).

1. Energi per mol oktana terbakar. \[\ce{C8H18 + 25/2 O2 -> 8CO2 + 9H2O}\] \[\Delta H = [8(-393{,}5)+9(-285{,}8)] - (-249{,}9) = -5470{,}3\ \text{kJ/mol}\]

2. Energi satu galon oktana. \(M(\ce{C8H18})=114\ \text{g/mol}\), satu galon \(=2660\) g. \[n_{\text{okt}}=\frac{2660}{114}=23{,}33\ \text{mol}\quad\Rightarrow\quad E=23{,}33\times5470{,}3\approx1{,}276\times10^{5}\ \text{kJ}\]

3. Mol yang setara. Pembakaran \(\ce{H2 + 1/2 O2 -> H2O}\) melepas \(285{,}8\ \text{kJ/mol}\). \[n_{\ce{H2}}=\frac{1{,}276\times10^{5}}{285{,}8}\approx446{,}6\ \text{mol}\]

4. Volume gas pada \(25\ ^\circ\text{C}\), 1 atm. \[V=\frac{nRT}{P}=446{,}6\times0{,}08206\times298\approx1{,}09\times10^{4}\ \text{L}\]

Hasil \(\approx10{,}9\times10^{3}\) L, paling dekat E. 10898 L.

15.5 Soal 26

Sebanyak 200 mL HCl 0,862 M dicampur dengan 200 mL Ba(OH)2 0,431 M dalam kalorimeter bertekanan konstan dengan kapasitas kalor yang dapat diabaikan. Suhu awal larutan HCl dan Ba(OH)2 adalah sama pada 20,48 °C. Asumsikan bahwa massa jenis dan kalor jenis larutan sama dengan air (masing-masing 1,00 g/mL dan 4,184 J.g–1.°C–1), dan kalor netralisasi adalah –56,2 kJ/mol. Suhu akhir larutan tersebut adalah ….

  • A. 8,9 °C
  • B. 14,7 °C
  • C. 26,3 °C
  • D. 32,1 °C
  • E. 40,0 °C
  • Hitung mol \(\ce{H+}\) dari HCl dan mol \(\ce{OH-}\) dari \(\ce{Ba(OH)2}\) (ingat: 1 mol \(\ce{Ba(OH)2}\) menghasilkan 2 mol \(\ce{OH-}\)), lalu cek apakah keduanya habis bereaksi atau ada yang berlebih.
  • Kalor yang diserap larutan: \(q = n_{\ce{H2O}} \times |\Delta H_{\text{netralisasi}}|\) — gunakan mol air yang terbentuk dari reaksi \(\ce{H+ + OH- -> H2O}\).
  • Kenaikan suhu dihitung dari \(q = m \cdot c \cdot \Delta T\), di mana massa larutan total = volume total (mL) × massa jenis; lalu \(T_{\text{akhir}} = T_{\text{awal}} + \Delta T\).

Reaksi netralisasi: \(\ce{H+ + OH- -> H2O}\).

1. Hitung mol asam dan basa

  • \(\ce{HCl}\): \(0{,}200 \times 0{,}862 = 0{,}1724\) mol \(\Rightarrow n_{\ce{H+}} = 0{,}1724\) mol
  • \(\ce{Ba(OH)2}\): \(0{,}200 \times 0{,}431 = 0{,}0862\) mol \(\Rightarrow n_{\ce{OH-}} = 2 \times 0{,}0862 = 0{,}1724\) mol

Tepat habis bereaksi, jadi air yang terbentuk \(= 0{,}1724\) mol.

2. Kalor yang dilepas

Kalor netralisasi \(-56{,}2\) kJ/mol air (eksoterm), maka: \[q = 0{,}1724 \times 56{,}2 = 9{,}69\ \text{kJ} = 9690\ \text{J}\]

3. Kenaikan suhu

Massa larutan total \(= 400\ \text{mL} \times 1{,}00\ \text{g/mL} = 400\) g. \[\Delta T = \frac{q}{m\,c} = \frac{9690}{400 \times 4{,}184} = 5{,}79\ ^\circ\text{C}\]

4. Suhu akhir

\[T = 20{,}48 + 5{,}79 \approx 26{,}3\ ^\circ\text{C}\]

Jawaban: C.

15.6 Soal 27

Perhatikan data berikut: C(grafit, s) + O2(g) → CO2(g) ∆Hr° = –393,5 kJ/mol 2H2(g)+ O2(g) → 2H2O(g) ∆Hr° = –571,6 kJ/mol 2C2H6(g) + 7O2(g) → 4CO2(g) + 6H2O(g) ∆Hr° = –3119,6 kJ/mol Perubahan entalpi untuk reaksi 2C(grafit, s) + 2H2(g) → C2H6(g) adalah sebesar ….

  • A. +84,6 kJ/mol
  • B. −84,6 kJ/mol
  • C. +3204,2 kJ/mol
  • D. −3204,2 kJ/mol
  • E. −3798,9 kJ/mol
  • Gunakan Hukum Hess: entalpi reaksi target sama dengan jumlah entalpi reaksi-reaksi data yang disusun ulang — boleh dibalik (tanda \(\Delta H\) berubah) atau dikalikan faktor agar zat antara saling menghilangkan.
  • Tuliskan dulu reaksi target yang benar-benar setara (cek jumlah atom C dan H di \(\ce{C2H6}\)), lalu tentukan berapa kali dan arah mana tiap reaksi data harus dipakai.
  • Untuk reaksi (3), perhatikan bahwa koefisien \(\ce{C2H6}\) di data adalah 2, sedangkan target hanya menghasilkan 1 mol — sehingga reaksi (3) perlu dibalik dan dikalikan \(\tfrac{1}{2}\) sebelum dijumlahkan.

Target reaksi adalah pembentukan etana. Untuk menyetarakan, butuh 3 H\(_2\) (C\(_2\)H\(_6\) punya 6 H):

\[\ce{2C(grafit,s) + 3H2(g) -> C2H6(g)}\]

(soal menulis \(2\ce{H2}\), tetapi penyetaraan H menuntut \(3\ce{H2}\).)

Susun lewat hukum Hess dari tiga data:

  • \(2\times\) reaksi (1): \(\ce{2C + 2O2 -> 2CO2}\), \(\Delta H = 2(-393{,}5)\)
  • \(\tfrac{3}{2}\times\) reaksi (2): \(\ce{3H2 + 3/2 O2 -> 3H2O}\), \(\Delta H = \tfrac{3}{2}(-571{,}6)\) (per mol H\(_2\)O karena (2) menghasilkan 2 H\(_2\)O)
  • \(-\tfrac{1}{2}\times\) reaksi (3) (dibalik): \(\ce{2CO2 + 3H2O -> C2H6 + 7/2 O2}\), \(\Delta H = -\tfrac{1}{2}(-3119{,}6)\)

Jumlahkan:

\[\Delta H = 2(-393{,}5) + \tfrac{3}{2}(-571{,}6) - \tfrac{1}{2}(-3119{,}6)\]

\[\Delta H = -787{,}0 - 857{,}4 + 1559{,}8 = -84{,}6\ \text{kJ/mol}\]

Jawaban: B. −84,6 kJ/mol.