Laporan Praktikum Kimia Fiska II (kesetimbangan fasa dua komponen)

LAPORAN RESMI

PRAKTIKUM KIMIA FISIKA II

KESETIMBANGAN FASA DUA KOMPONEN

A.    Tujuan Percobaan

1.      Menggambarkan fasa dua komponen cair-cair

2.      Menentukan titik kelarutan kritis pada kesetimbangan fasa dua komponen fasa cair-cair

3.      Menentukan fasa komponen dan derajat kebebasan suatu sistem kesetimbangan fasa dua komponen fasa cair-cair

B.     Dasar Teori

1.      Kelarutan

Istilah kelarutan digunakan untuk menyatakan jumlah maksimum zat yang dapat larut dalam jumlah tertentu ke dalam zat pelarut atau larutan. Kelarutan suatu zat tergantung pada jenis zat terlarut, ada zat yang mudah larut ada juga yang banyak sedikit larut. Konsentrasidari larutan jenuh yaitu kelarutan, tergantung pada:

a.       Sifat solvent (pelarut)

Kelarutan yang besar terjadi bila molekul-molekul solute (zat terlarut) mempunyai keseragaman dalm struktur dan sifat-sifat kelistrikan dari molekul-molekul solvent. Jika terdapat kesamaan sari sifat-sifat kelistrikan, misalnya momen dipol yang tinggi, antara solvent-solvent, maka gaya-gaya Tarik yang terjadi antara solute-solvent adalah kuat. Sebaliknya, bila tidak ada kesamaan, maka gaya-gaya terik solute-solvent lemah. Secara umum, padatan ionik mempunyai kelarutan yang lebih tinggi dalam solvent polar dari pada dalam pelarut non-polar. Juga, jika solvent lebih polar, maka kelarutan dari padatan-padatan ionik akan lebih besar.

b.      Sifat Solute (zat terlarut)

Penggantian solute berarti pengubahan interaksi-interaksi solute-solute dan solute-solvent.

c.       Suhu

Kelarutan gas dalam air biasanya menurun jika suhu larutan dinaikkan. Gelembung-gelembung kecil yang dibentuk bila air dipanaskan adalah kenyataan bahwa udara yang terlarut menjadi kurang larut pada suhu-suhu yang lebih kecil. Hal yang serupa, tidak ada aturan yang umum untuk perubahan suhu terhadap kelarutan cairan-cairan dan padatan-padatan (Rahman, 2004).

Daya larut zat padat dalam cairan tergantung jenis zat terlarut, jenis pelarut, temperatur dan sedikit tekanan. Batas daya larutnya adalah konsentrasi larutan jenuh. Konsentrasi larutan jenuh untuk bermacam-macam zat dalam air sangat berbeda, tergantung jenis zatnya. Umumnya daya larut bertambah dengan naiknya temperature karena kebanyakan zat mempunyai panas pelarutan positif (Voight, 1994).

Kelarutan timbal balik adalah kelarutan dari suatu larutan yang bercampur sebagian bila temperaturnya dibawah temperatur kritis. Jika mencapai temperature kritis, maka larutan tersebut dapat bercampur sempurnya (homogen) dan jika temperaturnya telah melewati temperatur kritis maka sistem larutan tersebut akan kembali dalam kondisi bercampur sebagian lagi. Salah satu contoh dari temperatur timbal balik adalah kelarutan fenol dalam air yang membentuk kurva parabola yang berdasarkan pada bertambahnya % fenol dalam setiap perubahan temperatur baik dibawah temperatur kritis maupun sampai mencapai dan setelah melewati temperatur kritis. Jika temperatur dari dalam kelarutan fenol aquades dinaikkan diatas 50⁰C, maka komposisi larutan dari sistem larutan tersebut akan berubah. Kandungan fenol dalam air untuk lapisan atas akan bertambah lebih dari 11,8% dan kandungan fenol dari lapisan bawah akan berkurang dari 62,6%. Pada saat suhu kelarutan mencapai 66⁰C maka komposisi sistem larutan tersebut menjadi seimbang dan keduanya dapat dicampur dengan sempurna (Voight, 1994).

Zat-zat dengan strukturkimia yang mirip umumnya dapat saling bercampur dengan baik, sedangkan zat-zat yang struktur kimianya berbeda umumnya kurang dapat saling bercampur (like dissolves like). Senyawa yang bersifat polar akan mudah larut dalam pelarut polar, sedangkan senyawa nonpolar akan mudah larut dalam pelarut nonpolar. Contohnya alcohol dan air bercampur sempurna (completely miscible), air dan eter bercampur sebagian (partially miscible), sedangkan minyak dan air tidak bercampur (completely immiscible) (Sukardjo, 2004).

2.      Diagram Terner

Suatu fase didefinisikan sebagai bagian sistem yang seragam atau homogen diantara keadaan submakroskopiknya, tetapi benar-benar terpisah dari bagian sistem yang lain oleh batasan yang jelas dan baik. Campuran padatan antara dua cairan yang tidak saling bercampur dapt membentuk fasa terpisah. Selain itu, campuran gas-gas adalah satu fasa karena sistem yang homogen. Simbol umum untuk jumlah fasa adalah P (Dogra, 2008).

Jumlah komponen dalam suatu sistem didefinisikan sebagai jumlah minimum dari “variabel bebas pilihan” yang dibutuhkan untuk menggambarkan komposisi tiap fasa dari suatu sistem (Dogra, 2008).

Temperatur kritis (Tc)adalah batas atas temperatur yang mana terjadi penyatuan fasa. Temperatur ini terjadi kelarutan kedua komponen hingga benar-benar bercampur. Temperatur ini ada gerakan termal yang lebih besar menghasilkan kemampuan campur yang lebih besar pada kedua komponen (Attkins, 1999).

Beberapa sistem memperlihatkan temperatur kritis (Tc), dimana dibawah temperatur itu kedua komponen bercampur dalam segala perbandingan dan diatas temperatur itu kedua komponen membentuk dua fasa, salah satu contohnya air-trietilamina. Kasus ini pada temperatur rendah untuk kedua komponen lebih mudah bercampur, karena komponen-komponen itu membentuk kompleks yang lemah, pada temperatur lebih tinggi kompleks itu terurai dan kedua komponen kurang dapat bercampur (Attkins, 1999).

Menurut Tim dosen kimia fisik, 2010, pasangan cairan yang bercampur sebagian dapat dibagi dalam empat tipe:

1.      Tipe I, campuran dengan temperatur kelarutan kritis maksimum, misalnya sistem air-fenol

2.      Tipe II, campuran dengan temperatur kelarutan kritis minimum, misalnya sistem air-trimetilamin

3.      Tipe III, campuran dengan temperatur kelarutan kritis maksimum dan minimum, misalnya sistem air-nikotin

4.      Tipe IV,campuran yang tidak mempunyai temperatur kelarutan kritis

Dua cairan dikatakan misibel sebagian jika A larut dalam B dalam yang terbatas dan demikian pula dengan B, larut dalam A dengan jumlah yang terbatas. Bentuk yang paling umum dari diagram fasa T – X cair – cair pada tekanan tetap, biasanya 1 atm. Diagram ini dapat diperoleh secara ekperimen dengan menambahkan suatu zat cair ke dalam cairan murni lain pada tekanan tertentu dengan variasi suhu (Rahman, 2004).

Jika percobaan dilakukan pada suhu yang lebih tinggi, maka akan diperoleh batas kelarutan yang berbeda. Semakin tinggi suhu, kelarutan masing-masing komponen satu sama lain meningkat sehingga daerah dua fasa menyempit. Kurva kelarutan pada akhirnya bertemu di satu titik pada konsulat atas atau dapat disebut juga suhu kelarutan kritis, Tc. Diatas Tc cairan saling melarut sempurna dalam berbagai komposisi. Contoh sistem mengikuti kurva seperti ini adalah sistem air-fenol dengan Tc = 65,85⁰C (Rahman, 2004).

Aturan fasa untuk satu sistem pada tekanan tetap adalah f = C – p + 1 untuk sistem dua komponen, f = 3 – p didaerah dua fasa =1 hanya diperlukan satu variabel saja untuk menentukan keadaan sistem. Jika variabel yang dipilih adalah suhu, maka titik potong garis dengan kurva menghasilkan komposisi kedua larutan konjugat, sama halnya jika variabel yang dipilih adalah komposisi salah satu larutan konjugat, maka dapat ditentukan suhu dan komposisi larutan konjugat, maka dapat ditentukan suhu dan komposisi larutan konjugat lainnya. Untuk daerah satu fasa, f =2, ada dua variabel yang diperlukan untuk menyatakan keadaan sistem. Sehingga suhu dari kedua komponen larutan hasur dinyatakan dengan jelas (Rahman, 2004).

Hubungan antar komposisi dari kedua fasa pada kesetimbangan biasanya disajikan dengan diagram keseimbangan fasa. Metode penyajiannya harus tetap dengan jumlah variabel yang bersangkutan., Gibbs menampilkannya dalam keadaan setimbang beserta jumlah variabel yang bersangkutan, berikut hubungan yang relevan:

F= C + 2 – p

Keterangan bahwa Fadalah jumlah derajat kebebasan, sedangkan C merupakan jumlah fasa saat ini. Penyajian grafik dari data akan bergantung dari nilai F dan dapat diperkirakan plotting akan meningkatkan lebih kompleks sebagaimana membesarnya nilai F. Tafsiran tampilan dari garis biasanya membatasinya pada nilai F = 2, itu sebabnya disebut sistem biner (Anonim a, 2009).

Pada perhitungan-perhitungan yang melibatkan keseimbangan uap cair, sering kali disebut dalam membuat diagram T-xy, dengan diagram tersebut kita dapat menentukan temperatur Bobble dan dew pada berbagai komposisi senyawa yang lebih ringan (more volatile) dari campuran tersebut. Pada diagram T-xy, tekanan sistem sudah ditentukan terlebih dahulu. Sehingga dengan demikian komposisi dan temperatur yang akan dihitung (Anonim b ,2010).

Gambar 1. Diagram biner

Kesetimbangan cair-cair yaitu dua cairan dikatakan misibel sebagian jika A larut dalam jumlah yang terbatas, dan demikina pula dengan B, larut dalam A dalam jumlah yang terbatas. Bentuk yang paling umum dari diagram fasa T-X cair-cair pada tekanan tetap, biasanya 1 atm (seperti gambar 1). Pada gambar 1 dapat diperoleh secara eksperimen dengan menambahkan suatu zat cair ke dalam cairan murni lain pada tekanan tertentu dengan variasi suhu (Rahman, 2004).

Cairab B murni yang secara bertahap ditambahkan sedikit demi sedikit cairan A pada suhu tetap (T1). Sistem dimulai dari titik C (murni zat B) dan bergerak ke arah kanan secara horizontal sesuai dengan penambahan zat A. Dari titik C ke titik D diperoleh satu fasa (artinya A yang ditambahkan larut dalam B). Di titik D diperoleh kelarutan maksimum cairan A dalam cairan B pada suhu T1. Penambahan A selanjutnya akan menghasilkan sistem dua fasa (dua lapisan), yaitu lapisan pertama (L1) larutan jenuh A dalam B dengan komposisi XA,1 dan lapisan kedua (L2) larutan jenuh B dalam A dengan komposisi XA,2, kedua lapisan ini disebut sebagai lapisan konjugat (terdapat bersama-sama di daerah antara D dan F). Komposisi keseluruhan ada diantara titik D dan F. Di titik E komposisi keseluruhan adalah XA,3, jumlah relatif kedua fasa dalam kesetimbangan ditentukan dengan aturan lever. Pada titik E lapisan pertama lebih banyak dari lapisan kedua. Penambahan A selanjutnya akan mengubah komposisi keseluruhan semakin ke kanan, sementara komposisi kedua lapisan akan tetap XA,1 dan XA,2 (Rahman, 2004).

Perbedaan yang terjadi akibat penambahan A secara terus menerus terletak pada jumlah relatif lapisan pertama dan kedua. Semakin ke kanan jumlah relatif lapisan pertama akan berkurang sedangkan lapisan kedua akan bertambah. Di titik F cairan A yang ditambahkan cukup untuk melarutkan semua B dalam A membentuk larutan jenuh B dalam A. Dengan demikian sistem di F menjadi satu fasa. Dari F ke G, penambahan A hanya merupakan pengenceran larutan B dalam A. Untuk mencapai titik G diperlukan penambahan jumlah A yang tak terhingga banyaknya atau dengan melakukan percobaan mulai dari zat A murni yang kemudian ditambah zat B sedikit demi sedikit sampai dicapai titik F dan seterusnya. Jika percobaan dilakukan pada suhu tinggi akan diperoleh batas kelarutan yang berbeda. Semakin tinggi suhu, kelarutan masing-masing komponen satu sama lain meningkat, sehingga daerah fasa semakin menyempit. Kurva kelarutan yang bertemu di suatu titik pada suhu konsolut atas atau disebut juga suhu kelarutan kritis (Tc). Titik Tc campuran akan saling melarut sempurna dalam berbagai komposisi(Rahman, 2004).

C.     Alat dan Bahan

Alat yang digunakan dalam percobaan antara lain : gelas piala 500 ml, termometer150⁰C, gelas arloji besar, spatula, statif +klem, botol aquades, pipet ukur 5 ml, bola hisap, tabung reaksi besar, hot plate dan gelas piala 100 ml.

Bahan yang digunakan antara lain : fenol, NaCl dan aquades.

D.    Cara Kerja

Langkah pertama adalah pembuatan campuran fenol dan air, pertama fenol ditimbang sebanyak 2 gram dengan gelas arloji besar. Air sebanyak 1 ml disiapkan ke dalam tabung reaksi besar untuk dicampur dengan fenol yang telah ditimbang. Larutan keruh dari campuran di dalam tabung reaksi besar, langsung dimasukan ke dalam penangas air. Pengukuran suhu ke dalam gelas piala 500 ml dilengkapi dengan thermometer. Larutan keruh dikocok sampai campuran menjadi bening, kemudian diatat suhu saat larutan bening. Langkah diatas diulang kembali dengan ditambahkan 2 ml aquades dan didinginkan sampai larutan keruh. Penambahan aquades yang dilakukan yaitu 1 ml, 3 ml, 5 ml, 7 ml, 9 ml, 11 ml, 13 ml, 15 ml dan 17 ml.

Langkah kedua adalah pembuatan campuran fenol, NaCl dan air, pertama fenol dan NaCl masing-masing ditimbang sebanyak 2 gram dengan gelas arloji besar. Air sebanyak 1 ml disiapkan ke dalam tabung reaksi besar untuk dicampur dengan fenol dan NaCl yang telah ditimbang. Larutan keruh yang dihasilkan campuran di dalam tabung reaksi besar dimasukan ke dalam penangas air. Pengukuran suhu larutan campuran yaitu dengan dimasukan thermometer kedalam penangas air. Larutan keruh sesekali sedikit diaduk dengan digoyangkan sampai larutan menjadi bening, kemudian dicatat suhu saat larutan bening. Langkah diatas diulang kembali dengan ditambahkan 2 ml aquades, kemudian didinginkan sampai larutan keruh. Penambahan aquades yang dilakukan yaitu 1 ml, 3 ml, 5 ml, 7 ml, 9 ml, 11 ml, 13 ml, 15 ml dan 17 ml.

E.     Hasil Pengamatan

Tabel 1 Campuran fenol dan air

Fenol		Air			Mol Total	Fraksi Mol Fenol	Temperatur Larut (0C)
Masa (g)	Mol	Volume (ml)	Massa (g)	Mol
2	0,0212	17	16,949	0,936	0,958	0,0222	-
2	0,0212	15	14,955	0,826	0,847	0,0251	-
2	0,0212	13	12,961	0,716	0,737	0,0288	0
2	0,0212	11	10,967	0,606	0,627	0,0339	26
2	0,0212	9	8,973	0,496	0,517	0,0411	40
2	0,0212	7	6,979	0,386	0,407	0,0522	50
2	0,0212	5	4,985	0,275	0,297	0,0716	62
2	0,0212	3	2,991	0,165	0,186	0,1139	67
2	0,0212	1	0,997	0,055	0,076	0,2782	58

Tabel 2 Campuran fenol, NaCl dan air

Fenol		Air			NaCl		Mol Total	Fraksi Mol Fenol	Temperatur Larut (0C)
Masa (g)	Mol	Volume (ml)	Massa (g)	Mol	Volume (ml)	Mol
2	0,0212	17	16,949	0,936	0,05	0,000855	0,958	0,0222	0
2	0,0212	15	14,955	0,826	0,05	0,000855	0,848	0,0250	17
2	0,0212	13	12,961	0,716	0,05	0,000855	0,738	0,0288	64
2	0,0212	11	10,967	0,606	0,05	0,000855	0,628	0,0338	69
2	0,0212	9	8,973	0,496	0,05	0,000855	0,518	0,0410	74
2	0,0212	7	6,979	0,386	0,05	0,000855	0,408	0,0521	80
2	0,0212	5	4,985	0,275	0,05	0,000855	0,298	0,0714	93
2	0,0212	3	2,991	0,165	0,05	0,000855	0,187	0,1133	94
2	0,0212	1	0,997	0,055	0,05	0,000855	0,077	0,2751	95

Gambar 2. Grafik campuran fenol dan air (kurva 1a)

Gambar 3. Grafik campuran fenol, NaCl dan air (kurva 1b)

Gambar 4. Perbandingan gambar 2 dan gambar 3

F.      Pembahasan

Percobaan ini berjudul kesetimbangan fasa dua komponen dengan tujuan untuk menggambarkan fasa dua komponen cair-cair, menentukan titik kelarutan kritis pada kesetimbangan fasa dua komponen fasa cair-cair, terakhir untuk menentukan fasa komponen dan derajat kebebasan suatu sistem kesetimbangan fasa dua komponenfasa cair-cair. Kelarutan yang terjadi merupakan kelarutan timbal balik berupa campuran homogen atau heterogen, yang bergantung pada suhu. Jika suatu zat dipanaskan mencapai suhu larut (suhu), maka zat tersebut akan menjadi satu fasa atau dapat dikatakan homogen. Namun, saat zat tersebut didinginkan kembali, maka zat tersebut akan berubah menjadi dua fasa atau dapat dikatakan heterogen, sama seperti sebelum pemanasan.

Prinsip percobaan pada kelarutan sistem biner ini adalah proses pemanasan larutan untuk mengetahui kelarutan suatu zat pada saat sebelum dan setelah mencapai suhu larut. Suatu zat akan menjadi dua fasa seperti percampuran air-fenol diperoleh larutan yang tidak saling bercampur dan terbentuk dua lapisan berupa larutan keruh, lapisan atas berupa air kemudian lapisan bawah adalah fenol, hal ini disebabkan oleh massa jenis masing-masing seperti air yang memiliki massa jenis yang lebih rendah dari pada fenol. Campuran larutan air-fenol yang dipanaskan, menjadikan campuran tersebut bercampur menjadi satu fasa berupa larutan bening. Sistem pada fenol-aquades diperoleh hasil bahwa semakin banyak aquades yang ditambahkan pada setiap tahap pencampuran dengan fenol menjadikan sebab terjadinya kenaikan suhu larut. Kenaikan suhu ini disebabkan oleh semakin besarnya tumbukan yang dibutuhkan antara fenol dan aquades, dimana perbandingan fenol yang masih lebih besar dari pada aquades, yang dapat ditunjukan pada Tabel 1 yaitu penambahan 1 ml dan 3 ml aquades. Sedangkan penurunan suhu derastis yang terjadi disebabkan oleh semakin banyak aquades yang bertambah sehingga kelarutan antara fenol dengan aquades menjadi lebih mudah.

Gambar 2 menunjukkan bahwa suhu berbanding terbalik dengan fraksi mol fenol yang didapatkan. Suhu yang dimaksud adalah pada saat sistem fenol-aquades membentuk satu fasa, pada keadaan ini terjadi efek salting in, yakni adanya zat terlarut tertentu yang menyebabkan kelarutan zat utama dalam pelarut menjadi lebih besar, seperti perbandingan fenol yang dibuat tetap dan ditambahkan air berlebih. Sehingga nilai fraksi mol fenol menurun seiring meningkatnya volume pelarut, sedangkan suhu akan menurun ketika pelarut yang ditambahkan banyak. Gambar 2 menunjukkan adanya temperatur kritis (terjadi satu fasa), temperatur ini menjelaskan ke dua komponen benar-benar bercampuran, karena terjadi gerakan termal dan kemampuan campuran yang lebih besar pada ke dua komponen tersebut.

Pencampuran fenol, NaCl dan air didapatkan bahwa dengan pertambahan NaCl dalam larutan fenol membuat kenaikan suhu secara bertahap, sehinggasulit menentukan titik kritis dari campuran fenol, NaCl dan air. Hal ini dikarenakan ( tidak ada reaksi) besarnya energy aktivasi yang dibutuhkan antara larutan NaCl dan fenol untuk dapat saling melarutkan saat mencapai suhu larut. Suhu larut (kritis) adalah kenaikan suhu tertentu dimana akan diperoleh komposisi larutan yang berbeda dalam kesetimbangan. Gambar 3 menunjukkan bahwa fraksi mol fenol menurun seiring bertambahnya larutan aquades, alasannya karena terjadi salting in antara fenol, NaCl dan pertambahan aquades. Tabel 1 dan 2 menunjukkan bahwa fraksi mol fenol menurun dengan pertambahan NaCl dibandingkan fraksi mol fenol dengan aquades. Hal ini dikarenakan salting out, yaitu peristiwa adanya zat terlarut tertentu yang mempunya kelarutan lebih besar dibandingkan zat utama akan menyebabkan penurunan kelarutan zat utama atau terbentuk endapan karena adanya reaksi kimia. Contohnya fenol dengan air terjadi penurunan kelarutan dengan ditambah NaCl, selain itu fenol tidak melarut sempurna ketika dilarutkan dalam aquades dan NaCl. Hal ini dikarenakan fenol bersifat nonpolar sedangkan NaCl dan aquades bersifat polar. Campuran homogen fenol yang menyebabkan fenol tidak akan membentuk campuran homogen kecuali dengan pemanasan yang ditunjukkan dengan menurunnya fraksi mol fenol dengan NaCl dan air dari pada fraksi mol fenol dengan air.

Gambar 4 menunjukkan adanya perbedaan dalam menentukan titik kritis yaitu campuran fenol dengan air terdapat titik krtisterjadinya satu frasa pada suhu 67⁰C sedangkan campuran fenol, NaCl dan air belum terdapat titik kritis terjadinya satu frasa. Hal ini disebabkan oleh pertambahan NaCl yang memperpanjang titik kritis sehingga tidak terlihat ada gambar 4. Selain itu didapatkan suhu terendah pada grafik -2⁰C baik pada campuran fenol dengan air maupun fenol, NaCl dengan air, walaupun pada table 2 dibuat 0⁰C.

Hal ini disebabkan oleh penggunaan aquades, dimana kandungan aquades sendiri berpengaruh pada suhu yang diperoleh pada reaksi kimia.

G.    Kesimpulan

Pembahasan yang telah dijelaskan diatas dapat disimpulkan bahwa gambar fasa dua komponen cair-cair dapat digambarkan sebagai fungus T dan X. Titik kritis campuran fenol dengan air terdapat pada suhu 67⁰C sedangkan campuran fenol, NaCl dan air belumterdapat titik kritisnya (larut). Campuran fenol dan air maupun fenol, NaCl dengan air pada awalnya berwarna keruh yang menandakan dua fasa, sedangkan saat campuran dididihkan terjadi percampuran menjadi satu fasa yang ditandai dengan titik kritis campuran.

H.    Daftar Pustaka

Dogra. 2008. Kimia Fisika dan Soal-Soal. UI – Press : Jakarta.

P.W Attkins. 1991. Kimia Fisika . Erlangga : Jakarta.

Rahman, Ijang. 2004. 1991. Kimia Fisika 1 . Jakarta : JICA.

Sukardjo. 2004. Kimia Fisika . Jakarta : Bineka Cipta.

Tim dosen kimia fisik. 2010. Penuntun Praktikum Kimia Fisik I . FMIPA UNM : Makassar.

Voight, R. 1994. Teknolohi Farmasi. Yogyakarta : UGM press.