Terbuat dari Apa Gelembung Saat Air Mendidih?

Jika kita pernah merebus air, kitaa akan memperhatikan bahwa saat air memanas, gelembung-gelembung yang sangat kecil terbentuk dari bawah ke atas. Awalnya, gelembungnya sedikit dan jarang, tetapi saat air menjadi lebih panas, lebih banyak gelembung dengan ukuran lebih besar mulai terbentuk.

Meningkatkan panas lebih lanjut menghasilkan gelembung yang lebih besar yang cukup sering terbentuk dan segera naik ke atas. Peningkatan ini mencapai puncaknya ketika air mulai mendidih. Tapi mengapa air mendidih membuat gelembung?

Jawabannya ada hubungannya dengan kimia air itu sendiri. Lebih khusus lagi, ini berkaitan dengan semua zat terlarut dalam air, serta sifat ikatan antara molekul air.

Sifat Kimia Molekul Air

Setiap molekul air terdiri dari dua atom hidrogen (H) dan satu atom oksigen (O). Kedua atom H terikat secara kovalen dengan atom O tunggal. Setiap elemen di alam berusaha untuk mencapai keadaan energi serendah mungkin. Keadaan ini dicapai dengan kehilangan atau memperoleh elektron untuk mencapai konfigurasi gas mulia terdekat.

Sebuah atom oksigen memiliki enam elektron di kulit valensinya (terluar). Gas mulia terdekat, Neon, memiliki delapan elektron di kulit valensinya. Dengan demikian, O memiliki kecenderungan kuat untuk mendapatkan dua elektron dan mencapai konfigurasi elektronik yang stabil (memasuki keadaan energi terendah). Hidrogen memiliki satu elektron pada kulit valensinya, sedangkan gas mulia terdekat, Helium, memiliki dua elektron pada kulit valensinya. Dengan demikian, H cenderung memperoleh satu elektron untuk mencapai konfigurasi elektron yang stabil.

Kedua atom H berbagi elektron masing-masing dengan O, sedangkan O berbagi dua elektron, satu untuk setiap H. Ini adalah ikatan kovalen. Oksigen memiliki kecenderungan kuat untuk menarik elektron bersama ke arah dirinya sendiri, karena sifat yang disebut elektronegativitas. Dengan demikian, elektron menghabiskan lebih banyak waktu di dekat atom O daripada atom H, menghasilkan muatan negatif parsial pada O dan muatan positif parsial pada H.

Karena ikatan hidrogen lemah, air tetap cair pada suhu kamar dan ketika suhu naik, molekul mendapatkan lebih banyak energi untuk mengatasi ikatan hidrogen antarmolekul. Pada 100^oC, energinya cukup untuk molekul-molekul untuk melepaskan diri.

Zat Terlarut dalam Air

Pelarutan satu zat dalam zat lain hanya mungkin jika ada interaksi antara molekul-molekul kedua zat tersebut. Demikian juga, beberapa gas, misalnya, O2, CO2, N2, NH3, dan SO2, larut dalam air karena ada beberapa interaksi menarik antara molekul air dan molekul gas.

Ada dua cara agar gas dapat larut dalam air: ikatan van der Waals dan ikatan hidrogen. Molekul heteronuklear (yaitu, memiliki atom dari unsur yang berbeda), seperti NH₃ atau CO₂, memiliki perbedaan elektronegativitas antara atom.

N dan O masing-masing lebih elektronegatif daripada H dan C. Jadi, N dan O sebagian tetap negatif dan H dan C sebagian menjadi positif. Hal ini menyebabkan polarisasi parsial molekul NH3 dan CO2.

Ujung negatif (N dan O) tertarik ke H air yang sebagian positif, sementara itu, ujung positif (H dan C) tertarik ke O sebagian negatif dari air. Ini adalah ikatan hidrogen. Semakin besar polarisasi molekul gas, semakin baik larut dalam air.

Molekul homonuklear (yaitu, memiliki atom dari unsur yang sama), seperti O2 dan N2, bersifat non-polar dan sedikit larut (kelarutan sangat rendah) dalam air. Gaya tarik van der Waals yang lemah menahan gas-gas ini dengan molekul air.

Ini jauh lebih lemah daripada interaksi dipol-dipol.

Kelarutan gas dalam air berkurang dengan meningkatnya suhu.

Urutan Kejadian Saat Air Mendidih

Kita ambil air cair pada suhu kamar (25^oC). Pada suhu ini, kelarutan O2 adalah 8,27 mg/L dan kelarutan CO2 adalah 1,5 g/L. Ketika suhu meningkat, molekul gas dan air mendapatkan lebih banyak energi kinetik. Energi ini memudahkan semua molekul untuk mengatasi gaya tarik antarmolekul.

Pada suhu 50^oC, kelarutan O₂ menurun menjadi 2,75 mg/L dan kelarutan CO₂ menjadi 0,75 g/L. Penurunan kelarutan ini berarti bahwa molekul gas dapat mengatasi gaya tarik antarmolekul yang lemah. Karena molekul gas memiliki densitas lebih rendah daripada air, mereka naik ke atas sebagai gelembung.

Molekul homonuklear seperti N₂ dan O₂ menggelembung pada suhu yang lebih rendah karena gaya van der Waals yang lemah. Peningkatan suhu lebih lanjut menghasilkan gelembung molekul polar seperti CO₂ dan NH₃, yang ditahan oleh interaksi dipol-dipol.

Gelembung ini berlanjut sampai titik didih air tercapai. Pemanasan air tidak sepenuhnya seragam, artinya ada daerah yang suhunya lebih tinggi dan lebih rendah. Pada suhu di atas 90^oC, beberapa molekul air di dekat bagian bawah memperoleh energi yang cukup untuk bertransisi ke fase uap.

Daerah air gas terbentuk yang ditandai dengan gelembung besar yang naik dari bawah. Juga, karena gerakan molekul yang kuat, pemanasan konvektif meningkatkan suhu lebih lanjut. Pada 100^oC, hampir semua molekul air memiliki energi kinetik yang cukup untuk transisi ke fase uap dan gelembung uap air akan mulai naik dengan cepat.

Baca Juga Sebelumnya Apa itu Gliserin?