Kesetimbangan Fasa (power Point).pptx

KESETIMBANGAN FASA DALAM SISTEM SEDERHANA 1. Kondisi Kesetimbangan Sistem

Kesetimbangan Kimia * µ tiap zat harus sama dimana saja dalam sistem Kesetimbangan fasa * µ tiap zat sama dalam setiap fasa dimana zat tersebut ada

Untuk sistem dengan satu komponen

G   n

1

Persamaan dasar :

d  S dT  V dp

……………(1)

Dimana : S = entropi molar V = volume molar maka :

      S  T  P

…………… (2a)

      V  p T

…...............(2b)

2

2. Stabilitas dari Fasa Zat Murni Karena persamaan    = Selalu negatif (- )  T  P Akibatnya slope (Tangen arah ) kurva hubungan µ vs T pada P konstan akan mempunyai harga negatif (-) Untuk 3 fase dari zat tunggal berlaku :   pdt     S pdt  T  P  cair     S cair  T  P

  gas     S gas  T  P

Fasa padat Fasa Cair

….. (3)

Fasa gas 3

Pada beberapa suhu :

S gas  Scair  S padat Jika persamaan (3) dibuat kurva  vs T pada P konstan maka : µ

S (padat) L (cair) G (Gas) Tl

Td

Gambar 1

T

4

Bila: Fasa Padat

Fasa cair, maka

Bila :

pdt = cair

pada Tl

fasa gas, maka cair = gas

Fasa cair

pada Td

Sumbu suhu dibagi atas 3 bagian yaitu : 1. Dibawah Tl

Padatan mempunyai  terendah

2. Antara Tl – Td

Cairan mempunyai  terendah

3. diatas Td

Gas mempunyai  terendah

Catatan : Fase dengan µ terendah adalah fase stabil µ Jika zat dalam sistem berada di bawah µa µb

a (cair)

b ( padat)

suhu lebur ( Tl ) maka : Diketahui :

Tl Gambar 2.

cair pdt

= =

a b

pdt

Jika cairan dalam sistem berada pada • suhu dibawah Tl Maka : pada suhu ini cairan akan membeku secara spontan & Energi bebas akan < cair turun.

• suhu di atas Tl maka :

pdt > cair

Pada suhu ini padatan akan meleleh secara spontan & Energi bebas akan turun.

• Jika suhu pada titik Tl maka :

pdt = cair

Terjadi kesetimbangan

3. Pengaruh Tekanan Pada Kurva µ vs T Bila P berubah maka digunakan persamaan 2b yaitu :

     V  P T

atau

d = VdP

µ c a a’

padat

b  b’

 c’

cair gas

Gambar 3a.

T

Jika tekanan diturunkan : dP = ( - ), maka

d = ( - )

µ

padat

gas Tl , Tl

Td ,

Td

Gambar 3b.

cair

T

• Penurunan  sebanding dengan volume fasa karena : Volume cairan dan padatan adalah kecil maka penurunan  juga kecil. Dari a a’ dan b b’ Sebaliknya :

Volume gas adalah besar maka penurunan  juga besar. Dari c c’ • Gambar 3 menjelaskan pengaruh perubahan tekanan terhadap Tl dan Td Penurunan P

Tl’ < Tl ( Tl Td’ < Td ( Td

Tl’ ) Td’ )

Persamaan untuk pengaruh P terhadap Tl dan Td sesuai dengan rumus Trouton yaitu :  Td  Tl Ln P = - 10,8   Tl

  

.....................(4)

Jika tekanan diturunkan sampai nilai yang cukup rendah, maka suhu didih cairan bisa berada dibawah suhu lebur padatan. Sehingga tidak ada suhu dimana cairan stabil. Padatan dapat langsung berubah menjadi gas. Pada temperatur Ts, padatan dan gas berada bersama dalam kesetimbangan. µ S L

Temperatur Ts adalah temperatur sublimasi dari padatan

G Ts

Gambar . Kurva µ vs T

T

4. Persamaan Clapeyron Bila dua fasa dalam keadaan setimbang maka :  ( T, P) =  (T, P) ..................(5) Jika terjadi perubahan P menjadi P + dP maka pada kesetimbangan itu suhu pun berubah dari T menjadi T + dT dan  menjadi  + d. Dengan demikian pada kesetimbangan terjadi perubahan sistem  ( T, P)

+ d =

 (T, P) + d ...................(6)

Subtitusi persamaan (5) ke (6)  ( T, P) + d =  (T, P) + d d = d

...............................(7)

Jika persamaan (1) dimasukkan ke pers (7) diperoleh : d

= - SdT + VdP

d = - SdT + VdP Sehingga

- SdT + VdP = - SdT + VdP - SdT + SdT = (S - S)dT Bila :

VdP - VdP

= ( V - V)dP

V = S =

V - V S - S

……….(8)

maka

S. dT = V. dP

Bila ada transformasi  dT V  dP S

, maka :

………………………………..(9)

dP S ............................................(10)  dT V Persamaan (9) dan (10) di sebut Pers. Clapeyron.

5. Penerapan Persamaan Clapeyron a. Kesetimbangan Padat

Cair

Penerapan persamaan Clapeyron untuk perubahan padat ke cair

S = Scair – Spadat = S peleburan V = Vcair - Vpadat = V peleburan

Pada suhu kesetimbangan, proses transformasinya reversibel sehingga S peleburan =

HPeleburan T

Karena Pada : Proses peleburan, Padat energi sehingga :

Cair , selalu menyerap

• H = (+) juga S = (+) untuk semua zat •Vpeleburan

V >0, Pd umumnya Bergantung ρ V < 0, Mis :H2O Karena ρ padat < ρ cair

Maka : dP Speleburan Hpeleburan   dT Vpeleburan T .Vpeleburan

P

Padat

Gambar 4. Padat- Cair Cair T

b. Kesetimbangan Cair

Gas

Perubahan Cair ke Gas S = Sgas – Scair = S penguapan V = Vgas - Vcair = V penguapan Pada suhu kesetimbangan, proses transformasinya reversibel sehingga S penguapan = HPenguapan T

Karena Pada : Proses penguapan, Cair gas , selalu menyerap energi sehingga : • H = (+) juga S = (+) • Vpenguapan = (+) untuk semua zat

Maka :

dP Spenguapan Hpenguapan   dT Vpenguapan T .Vpenguapan

P Padat

Cair

Gambar 5. Cair – Uap

Gas

T

c. kesetimbangan Padat

Gas

Perubahan Padat ke Gas

S = Sgas – Spadat = S Sublimasi V = Vgas - Vpadat = V Sublimasi Pada suhu kesetimbangan, proses transformasinya reversibel sehingga : S sublimasi=

Hsublimasi T

Karena Pada : Proses Sublimasi, Padat gas , selalu menyerap energi sehingga : • H = (+) juga S = (+) • VSublimasi = (+) untuk semua zat

Maka :

dP Ssub. Hsub   dT Vsub. T .Vsub.

P padat

Cair gas

TP Tl

Td

T

Gambar 6. Diagram Fasa • Pada Triple Point

H Sub. = H Peleburan + H Penguapan

6. Diagram Fasa Diagram Fasa adalah : hubungan antara fasa, suhu, dan Tekanan. P(atm)

B

C

1 Cair 0,006

Padat

O Gas

A

0

0,0098

100

Gambar 7. Diagram Fasa H2 O

T (0 C)

P (atm)

B

67 Padat

C Cair

O

5,11

Gas 1 A

-78,2

-56,6

25

Gambar 8. Diagram Fasa CO2

T( 0 C)

Kegunaan diagram fasa : •Menentukan suhu lebur (Tl) atau suhu didih (Td) dalam berbagai tekanan •Menentukan perubahan fasa akibat perubahan suhu atau tekanan •Menentukan fasa zat pada suhu dan tekanan tertentu. •Menjelaskan sifat anomali air ( penyimpangan sifat air)

1. Garis kesetimbangan, Padat

Cair

Untuk air adalah condong kekiri, akibatnya bila P meningkat, maka Tl menurun. Demikian sebaliknya. 2. Garis kesetimbangan, Padat Cair Untuk zat lain condong ke kanan, akibatnya bila P meningkat, makaTl juga meningkat. Demikian sebaliknya.

7. Pengaruh Tekanan Thd Tekanan uap Pada Kesetimbangan cair Uap diasumsikan ada dua fasa pada tekanan yang sama. Dari gambar dapat dilihat : Andaikan Suatu ruang tertutup berisi cairan dan cairan tsb akan menguap sampai ruangan jenuh dan saat itu terjadi kesetimbangan antara cairan dengan uap.

Uap + gas lain P = puap + p Cairan

 Cairan berada dibawah tekanan P  uap berada dibawah tekanan uap p tetapi bergantung pada P.

Pada kesetimbangan Cair

uap, maka

uap (T,p ) = cair(T, P ) ...............(11) Pada T tetap , p = f (P) . Jika persamaan (11) didefrensialkan terhadap P pada T tetap maka,

 uap   p   cair         p T   T   T dengan menggunakan persamaan (2b), diperoleh:

 p  Vuap    Vcair   T

Vcair ......................(12)  p     Vuap   T Persamaan (12) menunjukkan bahwa : tekanan uap(p) meningkat dengan tekanan total (P) pada cairan. tetapi : peningkatannya sangat kecil karena Vcair < V uap Jika uapnya bersifat ideal maka :

RT dp  Vcair dP p p

RT

 pO

P

dp  Vcair  dP p pO

 p  o  RT ln   V (   p ) cair  po    Dimana : p = Tekanan Uap dibawah suatu tekanan P p0 = Tekanan uap ketika cairan dan uap dibawah tekanan yang sama

8. Aturan Fasa • Fasa adalah bagian dari sistem yang secara kimia dan fisika sama (homogen) di seluruh bagian sistem tersebut dan benar-benar terpisah dari bagian yang lain oleh batasan yang jelas. Misalnya : Minyak Air

Jumlah fasa Fase tidak selamanya sama dengan wujud Wujud zat = 3 ( padat, cair, dan gas) Fase = 3 atau lebih gas, cairan murni, larutan, dan padatan murni adalah satu fase Sedangkan : Padatan yang mempunyai dua bentuk kristal atau lebih adalah lebih dari satu fasa. Misal: Karbon mempunyai dua bentuk kristal: •Intan •Grafit

•Konstituen adalah banyaknya spesies kimia,molekul,ion atau atom yang terdapat dalam suatu sistem Misal : Campuran alkohol dan Air (saling melarutkan) Fasa : 1 Konstituen :2 (air dan alkohol) •Komponen adalah jumlah minimum Konstituen yang secara bebas (independent) diperlukan untuk menentukan komposisi dari semua fasa yang ada dalam suatu sistem

Misal : 1. CaCO3(P)

CaO(P) + CO2 (g)

Fasa 3 yaitu :( 2 padat dan 1 gas ) Konstituen 3 yaitu :(CaCO3(P), CaO(P), dan CO2 (g) Komponen 2 yaitu:(CaCO3(P) = CaO(P)) dan CO2 (g)

2. NH4Cl(s)

NH3(g) + HCl(g)

Fasa : 2 yaitu :( padat dan gas ) Konstituen 3 yaitu :(NH4Cl(s), NH3(g), dan HCl(g)) Komponen 1 yaitu : NH4Cl(s)

•Derajat kebebasan (Variance =F) Adalah jumlah variabel intensif yang dapat diubah secara bebas tanpa mengganggu jumlah fasa dalam kesetimbangan sistem tersebut 1. Variabel Intensif : variabel yang tidak dipengaruhi oleh ukuran. Misal: Suhu, Tekanan,dan konsentrasi 2. Variabel Ekstensif : Variabel yang dipengaruhi oleh ukuran. Misal: massa , Volume, dll. Menurut Aturan Fasa Gibbs :

F=C–P+2 Dimana: F = Derajat kebebasan C = Komponen P = Fasa

Untuk sistem satu komponen a. Jika 1 fasa F=C–P+2 F=1–1+2 F=2 Sistem mempunyai 2 derajat kebebasan(bivarian) berarti ada 2 variabel intensif, misalnya T dan P b. Jika 2 Fasa F=C–P+2 F=1–2+2 F=1 Sistem mempunyai 1 derajat kebebasan (Univarian) berarti hanya diperlukan 1 variabel intensif misal : T atau P

c. Jika 3 Fasa F=C–P+2 F=1–3+2 F=0 Sistem tidak mempunyai derajat kebebasan (invarian) Kesimpulan : Untuk sistem dengan satu komponen Jumlah Fasa

Derajat kebebasan

1

2

2

1

3

0