Konstanta Kesetimbangan Fix Seriusan.docx

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen A. Judul Percobaan: Kesetimbangan Fasa Dua Komponen B. Hari/tanggal Percobaan: Rabu, 13 Maret 2019, 13.00 WIB C. Hari/tanggal Selesai Percobaan: Rabu, 13 Maret 2019, 15.30 WIB D. Tujuan Percobaan: 1. Menggambarkan kesetimbangan fase dua komponen fase cair-cair (fenolair) 2. Menentukan titik ekivalen pada kesetimbangan fase dua komopnen fase cair-cair (fenol-air) 3. Menentukan fasa, komponen, dan derajat kebebasan suatu sistem kesetimbangan fase dua komponen fase cair-cair (fenol-air) E. Dasar Teori 1. Larutan dan Kelarutan Reaksi kimia kebanyakan berlangsung dalam lingkungan berair, oleh karenanya penting untuk memahami sifat-sifat larutan. Larutan adalah campuran homogeny dari dua zat atau lebih, dimana zat yang lebih banyak disebut pelarut dan yang lebih sedikit disebut zat terlarut. Dalam cairan dan padatan, molekul-molekul yang saling terikat akibat adanya Tarik-menarik antar molekul bila suatu zat (zat terlarut) larut dalam zat lainnya (pelarut), partikel zat terlarut akan menyebar keseluruh pelarut. Partikel ini mempunyai posisi yang biasanya ditempati oleh molekul pelarut. Pelarut ini berlangsung dalam tiga tahap berbeda. Tahap kedua dalah pemisahan molekul zat terlarut. Kedua tahapan ini memerlukan input energi untuk memutuskan tarik – menarik antar molekul. Dengan demikian tahap ini adalah tahap endotermik. Pada tahap yang ketiga molekul pelarut dan molekul zat terlarut bercampur. Tahap ini dapt bersifat isotermik atau endotermik (Chang, 2004). Ukuran jumlah atau bilangan yang menyatakan rasio jumlah mol komponen terhadap jumlah mol semua komponen yang ada di sebut dengan

1

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen fraksi mol. Misalnya suatu larutan mengandung zat A dan zat B, maka fraksi mol untuk masing-masing zat yaitu:

XA =

𝑚𝑜𝑙 𝐴

XB =

𝑚𝑜𝑙 𝐴+𝑚𝑜𝑙 𝐵

𝑚𝑜𝑙 𝐵 𝑚𝑜𝑙 𝐴+𝑚𝑜𝑙 𝐵

Jumlah fraksi mol kedua zat adalah satu. Fraksi mol tidak memiliki dimensi (satuan), hal ini sesuai dengan zat diatas dimana satunya saling meniadakan (Chang, 2004). 2. Fasa Fasa (P) adalah bagian yang serba sama dari suatu sistem, yang dapat dipisahkan secara mekanik, serbasama dalam hal komposisi kimia dan sifat-sifat fisika. Dalam fasa uap kerapatannya serbasama disemua bagian dalam uap tersebut. Dalam fasa cair kerapatannya serbasama disemua bagian dalam cair tersebut, tetapi nilai kerapatannya berbeda dengan di fasa uap. Contoh nya air yang berisi pecahan-pecahan es merupakan suatu sistem yang terdiri atas dua fasa yang berwujud padat (es) dan fasa yang berwujud cair (air). Sistem yang hanya terdiri atas campuran wujud gas saja hanya ada satu fasa pada kesetimbangan sebab gas selalu bercampur secara homogen. Dalam sistem yang hanya terdiri atas wujud cairan-cairan pada kesetimbangan bisa terdapat satu fasa atau lebih tergantung pada kelarutannya (Rohman & Mulyani, 2004). Transisi dari satu fasa ke fasa lainya disebut perubahan fasa atau transisi fasa. Perubahan dari satu fasa kefasa lain umumnya berlangsung pada kondisi kesetimbangan fasa (phase equilibrium) antara dua fasa, dan untuk tekanan tertentu terjadi hanya pada suhu tertentu (Young & Freedman, 2002). Hubungan keseluruhan diantara fasa padat, cair dan gas disajikan paling baik dalam satu grafik yang dikenal sebagai diagram fasa. Diagram fasa (phase diagram) meringkaskan kondisi-kondisi saat suatu zat berada pada wujud padat, cair, atau gas (Chang, 2004). Kondisi kesetimbangan untuk sembarang sistem yaitu bahwa potensial kimia dari tiap konstituen pada seluruh sistem harus sama. Bila ada beberapa fase dari tiap konstituen, maka potensial kimia setiap 2

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen konstituen pada tiap fasae harus mempunyai nilai yang sama. Suatu fase didefinisikan sebagai bagian sistem yang seragam atau homogen diantara keadaan submakroskopisnya, tetapi benar-benar terpisah dari bagian sistem yang lain oleh batasan yang jelas dan baik. Campuran padatan atau dua cairan yang tidak dapat bercampur dapat membentuk fase terpisah, sedangkan campuran gas-gas adalah satu fase karena sistemnya yang homogen. Menurut aturan fase, derajat kebebasan diberikan oleh: F=C–P+2 =5–P Dan bila tekanan dan temperature ditetapkan, persamaan diatas menjadi F=3-P (Dogra, 2009). 3. Komponen Komponen (C) merupakan spesies yang ada dalam sistem, seperti zat terlarut dan pelarut dalam larutan biner. Banyaknya komponen dalam sistem C adalah jumlah minimum spesies bebas yang diperlukan untuk menentukan komposisi semua fase yang ada dalam sistem. Dengan kata lain, kita hanya menghitung banyaknya jika spesies yang ada dalam sistem tidak bereaksi. Misalnya, air murni adalah sistem satu-komponen (C = 1) dan campuran etanol dan air adalah sistem dua-komponen (C = 2). Biasanya untuk melakukan perhitungan banyaknya komponen bisa didefinisikan sebagai: C=S–R dengan keterangan: C: komponen S: spesies/molekul R: reaksi yang terjadi antara spesies-spesies (reaksi-reaksi pada kesetimbangan, kenetralan muatan). Dalam sistem komponen-tunggal (C = 1), tekanan dan temperatur dapat diubah secara bebas jika hanya ada satu fase (P = 1). Jika kita mendefinisikan varian F sistem sebagai banyaknya variabel intensif yang dapat diubah dengan bebas tanpa mengganggu banyaknya fase yang berada dalam kesetimbangan, maka F = 2. Jadi sistem itu bivarian dan mempunyai 3

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen dua derajat kebebasan. Berdasarkan perhitungan J.W. Gibbs tentang aturan fase yang menunjukkan hubungan umum antara varian F, jumlah komponen C, dan jumlah fase pada kesetimbangan P untuk suatu sistem dengan komposisi sembarang adalah: P+F=C+N Cara praktis untuk menentukan jumlah komponen adalah dengan menentukan jumlah total spesi kimia dalam system dikurangi dengan jumlah-jumlah reaksi kesetimbangan yang berbeda yang dapat terjadi antara zat-zat yang ada dalam sistem tersebut (Rohman & Mulyani, 2004). Jumlah komponen-komponen dalam suatu system didefinisikan sebagai jumlah minimum dari “variable bebas pilihan” yang dibutuhkan untuk menggambarkan komposisi tiap fase dari suatu sistem (Dogra, 2009). 4. Derajat Kebebasan Dalam membicarakan kesetimbangan fasa, kita tidak akan meninjau variabel ekstensif yang bergantung pada massa dari setiap fasa tetapi meninjau variabel-variabel intensif seperti: a. Suhu b. Tekanan c. Komposisi (fraksi mol) Jumlah variabel intensif independen yang diperlukan untuk menyatakan keadaan suatu sistem disebut derajat kebebasan dari sistem tersebut. Bagian sesuatu yang menjadi pusat perhatian dan dipelajari disebut sebagai sistem (Atkins, 1999). Derajat kebebasan adalah jumlah variabel intensif yang dapat dipilih agara keberadaan valid variabel intensif dapat ditetapkan. Derajat kebebasan dirumuskan sebagai berikut: F= C-P + 2 untuk 1 komponen F= C-P + 1 untuk 2 komponen F= C-P untuk 3 komponen

4

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen Untuk dua komponen dalam satu fasa, derajat kebebasannya F= CP + 1 = 2 - 1 + 1 = 2, sedangkan dalam dua fasa derajat kebebasannya adalah F= C-P + 1 = 2 - 2 + 1 =1. Untuk kesetimbangan apapun dalam sistem tertutup, jumlah variabel bebas (F) sama dengan jumlah komponen (C) ditambah 2 dikurangi fasa (P) (Atkins, 1999). Suatu sistem heterogen terdiri dari berbagai bagian yang homogen yang saling bersentuhan dengan batas yang jelas. Bagian homogen ini disebut sebagai fasa dapat dipisahkan secara mekanik. Tekanan dan temperatur menentukan keadaan suatu materi kesetimbangan fasa dari materi yang sama. Kesetimbangan fasa dari suatu sistem harus memenuhi syarat berikut: a. Sistem mempunyai lebih dari satu fasa meskipun materinya sama b. Terjadi perpindahan reversibel spesi kimia dari satu fasa ke fasa lain c. Seluruh bagian sistem mempunyai tekanan dan temperatur sama Kesetimbangan fasa dikelompokan menurut jumlah komponen penyusunnya yaitu sistem satu komponen, dua komponen dan tiga komponen. Pemahaman mengenai perilaku fasa berkembang dengan adanya aturan

fasa

Gibbs.

Sedangkan

persamaan

Clausius-Clayperon

menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dan perubahan suhu pada sistem satu komponen. Fasa dapat didefinisikan sebagai setiap bagian sistem yang: a. Homogen dan dipisahkan oleh batas yang jelas b. Sifat fisik dan sifat kimia berbeda dari bagian sistem lain c. Dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain sistem itu contoh: a. sistem satu fasa : Dua cairan yang bercampur homogen b. sistem 2 fasa : cairan polar (misal air) dan non polar (misal: minyak) c. sistem belerang padat (monoklin dan rombik) d. sistem 3 fasa : es, uap air dan air (Widjajanti, 2008). 5

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen 5. Ikatan Hidrogen Ikatan hidrogen (H) apabila berikatan dengan atom lain (X), terutama F, O, N, atau Cl sedemikian hingga ikatan X-H benar-benar polar. H mengandung muatan parsial positif, sehingga dapat berinteraksi dengan atom lain yang kaya elektron (Y), membentuk ikatan hidrogen, ditulis sebagai berikut X---H---Y. Jarak antara H-Y ikatan hidrogen umumnya jauh lebih panjang dari ikatan kovalen H-Y yang normal. Ikatan hidrogen menjadi kuat apabila jarak X terhadap Y pendek dan jarak X-H serta H-Y hampir sama besarnya (Cotton, 1989). 6. Kesetimbangan fasa Kesetimbangan fasa adalah suatu keadaan dimana suatu zat memiliki komposisi yang pasti pada kedua fasanya pada suhu dan tekanan tertentu, biasanya pada fasa cair dan uapnya. Perubahan dari keadaan kesetimbangan semula ke keadaan kesetimbangan yang baru akibat adanya aksi atau pengaruh dari luar itu dikenal dengan pergeseran kesetimbangan. Faktor-faktor yang dapat menggeser letak kesetimbangan adalah: a. Perubahan konsentrasi salah satu zat b. Perubahan volume atau tekanan c. Perubahan suhu Kesetimbangan fasa antara cairan dan uap terjadi ketika kedua proses yang berlawanan itu berlangsung dengan laju yang tepat sama. Maka jika distribusi laju molekuler diketahui untuk berbagai suhu kita dapat membuat perkiraaan teoritis dari tekanan uap sebagai fungsi dari suhu. Ketika cairan menguap molekul dengan kecepatan yang tinggilah yang lepas dari permukaaan. Sementara itu yang tertinggal rata-rata memiliki energi yang lebih sedikit; ini memberikan sudut pandang molekuler dari pendinginan dan pengembunan (Young & Freedman, 2002). 7. Kesetimbangan Fasa Dua Komponen Sistem 2 komponen dapat berupa campuran dari fasa cair- gas, caircair, fasa padat- cair, ataupun padat- padat. Karakteristik setiap campuran sangat khas, misalnya ada sistem cair- cair yang membentuk campuran yang 6

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen homogen atau 1 fasa pada segala P,T dan komposisi, tetapi ada pula yang hanya membentuk 1 fasa pada P,T atau komposisi tertentu. Diagram fasa untuk sistem dua komponen digambarkan sebagai fungsi komposisi terhadap tekanan atau komposisi terhadap suhu. Oleh sebab itu aturan fasa berubah menjadi F = C – P + 1 karena salah satu variabel (P atau T) dalam keadaan konstan. Derajat kebebasan (F) menjadi = 2- P.

Gambar 1. Diagram Timbal Balik Fenol-Air Dua cairan dikatakan misibel sebagian jika A larut dalam jumlah yang terbatas, dan demikian 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 diatas). Diagram diatas dapat diperoleh secara eksperimen dengan menambahkan suatu zat cair ke dalam cairan murni lain pada tekanan tertentu dengan variasi suhu. Cairan 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 kearah 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 7

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen diantara titik D dan F. Di titik E komposisi keseluruhan adalah XA,3. Jumlah relatif kedua fasa dalam kesetimbangan ditentukan dengan aturan lever. Di titik E lapisan pertama lebih banyak dari lapisan kedua. Penambahan A selanjutnya akan mengubah komposisi keseluruhan semakain ke kanan, sementara komposisi kedua lapisan akan tetap XA,1 dan XA,2. Perbedaan yang terjadi akibat penambahan A secara terus menerus terletak pada jumlah relative lapisan pertama dan kedua. Semakin ke kanan jumlah relative 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 di perlukan penambahan jumlah A yang tak terhingga banyaknya atau dengan melakukan percobaan mulai dari zat A murni yang kemudian di tambah zat B sedikit demi sedikit sampai di capai titik F dan seterusnya. Jika percobaan dilakukan pada suhu tinggi akan di peroleh batas kelarutan yang berbeda. Semakin tinggi suhu, kelarutan masing-masing komponen satu sama lain meningkat, sehingga daerah fasa semakin menyempit. Kurva kelarutan pada akhirnya bertemu disuatu titik pada suhu konsolut atas, atau disebut juga suhu kelarutan kritis (Tc). Di atas titik Tc cairan saling melarut sempurna dalam berbagai komposisi. Untuk sistem satu komponen, persamaan Clausius dan ClausisusClapeyron menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dengan perubahan suhu. Sedangkan pada sistem dua komponen, larutan ideal mengikuti Hukum Roult, larutan elektrolit nyata akan mengikuti Hukum Henry. Jika dua komponen ada dalam satu sistem, maka C = 2. Sementara itu derajat kebebasan (F) = 4 – P, akan tetapi untuk penyederhanaannya dibuat supaya tekanan tetap (misalnya pada 1 atm) yang berarti menghabiskan satu derajat kebebasan, dan dapat menuliskan F = 3 – P untuk varian sisanya. Salah satu derajat kebebasan ini adalah temperatur sementara yang lain adalah komposisi (yang dinyatakan dengan fraksi mol 8

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen suatu komponen). Oleh karena itu dapat digambarkan kesetimbangan fase sistem pada diagram temperatur vs komposisi. Garis vertikal dalam diagram menunjukkan sistem pada diagram temperatur vs komposisi dengan komposisi yang sama pada temperatur yang berbeda atau disebut dengan isoplet (dari bahasa Yunani yang berarti jumlah sama). Sistem dua komponen dapat berupa campuran dari fasa cair-cair, cair-gas, padat-cair, padat-padat. Karakteristik setiap campuran sangat khas misalnya ada sistem cair-cair yang membentuk campuran homogen pada segala P, T dan komposisi volum, tetapi ada pula hanya membentuk 1 fasa pada P, T atau komposisi tertentu. Jika dua komponen ada dalam satu sistem, maka C = 2. Sementara itu derajat kebebasan (F) = 4 - P, akan tetapi untuk penyederhanaannya dibuat supaya tekanan tetap (misalnya pada 1 atm) yang berarti menghabiskan 1 derajat kebebasan dan dapat menuliskan F = 3 – P untuk varian sisanya. Salah satu derajat kebebasan ini adalah temperatur sementara yang lain adalah komposisi (yang dinyatakan dengan fraksi mol suatu komponen). Oleh karena itu, dapat digambarkan kesetimbangan fasa sistem pada diagram temperatur vs komposisi. Garis vertikal dalam diagram menunjukkan sistem pada diagram temperatur vs komposisi dengan komposisi yang sama pada temperatur yang berbeda atau disebut dengan isoplet (jumlah sama). Oleh karena iu, aturan fasa berubah menjadi F = C – P + 2, karena salah satu variabel (P / T) dengan ketentuan konstan. Untuk zat murni, diperlukan hanya dua variabel untuk menyatakan keadaan yaitu P dan T atau P dan V atau T dan V. Variabel-variabel tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan gas ideal sehingga sistem yang terdiri dari satu gas atau cairan ideal mempunyai derajat kebebasan dua. Campuran dua macam senyawa cair-cair kadangkala tidak menghasilkan suatu campuran yang homogen, karena kedua cairan itu tidak larut (misibel) sempurna.

9

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen

Gambar 2. Daerah Komponen Satu Fasa Dan Dua Fasa Dua cairan dikatakan misibel sebagian jika A larut dalam B dalam jumlah yang terbatas, dan sebaliknya. Secara eksperimen dapat diperoleh diagram fasa suhu terhadap komposisi cair- cair pada tekanan tetap, seperti pada gambar berikut:

Gambar 3. Diagram Fasa T-X cair-cairuntuk Dua Cairan yang Misibel Sebagian Diagram ini diperoleh secara eksperimen dengan menambahkan suatu zat cair kedalam cairan murni lain pada tekanan tertentu dengan variasi suhu. Sebagai contoh dimulai dari cairan 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 10

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen A selanjutnya akan menghasilkan sistem dua fasa (dua lapisan), yakni 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 larutan konyugat, terdapat bersama-sama didaerah 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. Di E, lapisan pertama lebih banyak dari lapisan dua. Penambahan A selanjutnya akan mengubah komposisi keseluruhan semakin ke kanan, sementara komposisi kedua lapisan akan tetap XA,1 dan XA,2. Perbedaan 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, A yang ditambahkan cukup untuk melarutkan semua B dalam A membentuk suatu larutan jenuh B dalam A. Dengan demikian sistem 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 bisa saja melakukan percobaan mulai dari A murni pada suhu T1, di titik G. Lalu dilakukan penambahan B sedikit demi sedikit sampai dicapai titik F dan seterusnya. Jika percobaan dilakukan pada suhu yang lebih tinggi akan diperoleh batas kelarutan yang berbeda. Semakin tinggi suhu, kelarutan masingmasing komponen satu sama lain meningkat, sehingga daerah dua fasa semakin menyempit. Kurva kelarutan akhirnya bertemu di satu titik pada suhu konsolut atas, atau disebut juga suhu kelarutan titik kritis (Tc). Di atas Tc cairan saling melarut sempurna dalam berbagai komposisi. Contoh sistem yang mengikuti kurva seperti ini adalah sistem air-fenol dengan Tc = 65,85oC. TC : temperatur kritik, titik kritis yaitu suhu yang menunjukkan bahwa pada temperatur tersebut adalah batas terendah sistem dalam keadaan dua fasa , di atas temperatur tersebut kedua cairan melarut sempurna dalam segala komposisi. 8. Diagram Fase 11

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen Diagram fase adalah sejenis grafik yang digunakan untuk menunjukkan kondisi kesetimbangan antara fase-fase yang berbeda dari suatu zat yang sama. Tipe-tipe diagaram fase antara lain: a. Diagram fase 2D Diagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekanantemperatur dari zat tunggal, seperti air. Sumbu-sumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur. Diagram fase pada ruang tekanan-temperatur menunjukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fase padat, cair, dan gas. b. Diagram fase 3D Diagram fase untuk membuat grafik tiga dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat menunjukkan temperatur (T), tekanan (P), dan volume jenis (V). Grafik 3D tersebut kadang-kadang disebut diagram P – V - T. Kondisi kesetimbangan akan ditungjukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas. Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripel, di mana zat padat, cair, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan.

Gambar 4. Diagram Fasa

Tm adalah titik leleh normal air, T3 dan P3 adalah titik tripel, Tb adalah titik didih normal, Tc adalah temperatur kritis, Pc adalah tekanan kritis. Diagram fasa merupakan cara mudah untuk menampilkan wujud 12

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen zat sebagai fungsi suhu dan tekanan. Sebagai contoh khas, diagram fasa air diberikan di Gambar di atas dalam diagram fasa, diasumsikan bahwa zat tersebut diisolasi dengan baik dan tidak ada zat lain yang masuk atau keluar sistem. 9. Titik Ekivalen Fenol-Air

Kurva dari kelarutan pada akhirnya akna bertemu di suatu titik pada suhu konsolut atas, atau disebut juga suhu kelarutan kritis (Tc). Di atas titik Tc cairan akan saling melarut sempurna dalam berbagai komposisi. Contoh sistem yang mnegikuti kurva tersebut adalah sistem fenol-air dengan Tc sebesar 65,85˚C. Tc temperatur kritis, titik kritis yaitu suhu yang menunjukkan bahwa pada temperatur tersebut merupakan batas terendah sistem dalam keadaan dua fasa, di atas temperatur tersebut kedua cairan melarut sempurna dalam segala komposisi (Rohman & Mulyani, 2004). F. Alat dan Bahan a. Alat 1. Gelas kimia 250 mL iwaki pyrex

1 buah

2. Kaki tiga

1 buah

3. Kasa

1 buah

4. Pembakar spiritus

1 buah

5. Korek api

1 buah

6. Gelas ukur 10 mL herma

1 buah

7. Tabung reaksi iwaki pyrex ukuran besar

2 buah

8. Pengaduk kaca

1 buah

9. Penjepit kayu

1 buah

10. Termometer

1 buah 13

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen 11. Pipet tetes

1 buah

12. Pipet volume 10 mL

1 buah

13. Pro pipet

1 buah

b. Bahan 1. Air

200 mL

2. Aquades

22 mL

3. Fenol

22 mL

14

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen G. Alur dan Reaksi (SYAHRUL) 1. Air Panas 2. Tabung A: aquades + fenol 3. Tabung B: fenol + aquades (Tjahjani dkk, 2014) H. Rumus Perhitungan % volume fenol

=

volume fenol volume total

x 100%

15

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen I. Hasil Pengamatan (SYAHRUL) No.

Hasil Pengamatan

Prosedur Percobaan

Perc.

Sebelum

Dugaan/ Reaksi

Sesudah

1.

Air panas





2.

Tabung A: aquadesa + fenol





3.

Tabung B: fenol + aquades





16

Kesimpulan

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen J. Analisis dan Pembahasan (AUL) Percobaan yang dilalukan berjudul “Kesetimbangan Fasa Dua Komponen”. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk menggambarkan kesetimbangan fase dua komponen fase cair-cair (fenol-air), menentukan titik ekivalen pada kesetimbangan fase dua komopnen fase cair-cair (fenol-air), dan menentukan

fasa,

komponen,

dan

derajat

kebebasan

suatu

sistem

kesetimbangan fase dua komponen fase cair-cair (fenol-air). Fasa merupakan keadaan materi yang seragam diseluruh bagiannya, bukan hanya dalam komposisi kimianya, melainkan juga dalam keadaan fisiknya (Chang, 2004). Sementara komponen merupakan spesies yang ada dalam sistem, seperti zat terlarut dan pelarut dalam larutan biner (Chang,2004). Fenol dalam air maupun air dalam fenol merupakan campuran yang misibel yaitu fenol dan air dapat bercampur namun dengan jumlah yang terbatas. Kelarutan fenol dalam air dapat bercampur karena dipengaruhi oleh suhu dan komposisinya. Prinsip yang digunakan dalam praktikum ini adalah menentukan kesetimbangan fasa dua komponen berdasarkan pada titik ekivalen dan digambarkan dengan kurva fenol air. Langkah pertama adalah memasukkan air ke dalam beaker glass (± setengah volume beaker glass), lalu dididihkan dengan menggunakan pembakar spiritus. Air ini akan digunakan sebagai penangas pada percobaan ini. Pemanasan ini berfungsi untuk memutuskan ikatan hidrogen dengan adanya tumbukan-tumbukan karena pada molekul air dan molekul fenol terdapat ikatan hidrogen. 1. Tabung A Untuk mengukur T1A dan T2A (Aquades - Fenol), langkah peratama adalah 10 ml aquades dimasukkan ke dalam tabung reaksi besar yang di beri label A yang dilengkapi dengan pengaduk dan termometer, kemudian ditambahkan dengan 2 ml larutan fenol yang tak berwarna. Kemudian diaduk menggunakan pengaduk. Setelah dilakukan pengadukan, menghasilkan larutan keruh dengan 2 lapisan, lapisan atas adalah aquades sedangkan larutan bawah adalah larutan fenol. Hal ini terjadi fenol memiliki massa jenis lebih besar dibandingkan dengan massa jenis aquades. Massa jenis fenol 1070 g/cm3 dan 17

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen massa jenis air 1000 g/cm3. Hal ini menghasikan sistem dua fasa, yaitu fenolair. Kemudian dilakukan pengadukan pada larutan tersebut agar fenol dan aquades dapat tercampur secara homogen, setelah diaduk terjadi perubahan pada larutan menjadi keruh, perubahan ini terjadi karena terdapat perbedaan fasa antara fenol yang berubah menjadi fasa padat dan aquades yang berfasa cair. Fungsi pengadukan adalah untuk mempercepat proses pengeruhan campuran agar suhu yang didapatkan untuk menjadi keruh tepat. Lalu dimasukkan ke dalam beaker glass yang berisi air mendidih. Larutan setelah dipanaskan akan menjadi tak berwarna. Setelah larutan jernih (tak berwarna), tabung reaksi diangkat dari beaker glass, lalu diukur suhunya sebagai T1A. Fungsi dari pemanasan adalah karena semakin tinggi suhunya maka makin sering terjadi tumbukan yang menyebabkan ikatan hidrogen mudah putus. Pada saat suhu mencapai T1A larutan berubah menjadi jernih kembali, hal ini disebabkan oleh fasa fenol yang padat berubah menjadi fasa cair kembali. Pada saat larutan menjadi tak berwarna atau komponen berada dalam satu fasa, terjadi reaksi sebagai berikut:

Selanjutnya, tabung A diangkat dan didinginkan dengan cara dimasukkan ke dalam beaker glass yang berisi air dingin, kemudian diamati perubahan yang terjadi dan diukur suhunya. Pada saat suhu mencapai T2A larutan berubah menjadi keruh kembali. Pada saat terjadi perubahan inilah yang disebut dengan kesetimbangan dua fasa, dengan reaksi sebagai berikut:

18

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen Tujuan penambahan fenol secara terus-menerus adalah agar aquades dapat larut seluruhnya dalam fenol sehingga terjadi sistem satu fasa. Penambahan fenol dilakukan sebanyak 6 kali dengan setiap penambahan 2 ml. Jumlah total volume fenol dalam tabung reaksi adalah 12 ml, sedangkan volume aquades adalah 10 ml. Dengan T1A secara berturut-turut adalah 63°C, 63°C, 61°C, 60°C, 59°C, dan 57°C. Sedangkan T2A berturut-turut adalah 59°C, 58°C, 58°C, 57°C, 57°C, dan 53°C. Persen fenol pada tabung reaksi A dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: % 𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙 =

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

×

100% sehingga didapat data sebagai berikut % volume T1 T2 83.3 40 42 71.42 54 51 62.5 57 53 55.5 58 57 50 60.5 58 45.45 63 60 Dari perhitungan diatas, didapatkan %volume fenol yang berbeda disetiap penambahannya, dimana semakin banyak volum fenol yang ditambahkan semakin besar pula %volum fenol. Dari data yang telah kami dapatkan melalui pengukuran temperatur larutan, didapatkan hasil dari temperatur larutan saat dipanaskan yaitu t1A dan t1B berbeda dengan temperatur larutan saat di dinginkan kembali t2A dan t2B, nilai t1 cenderung lebih besar daripada t2. Dalam hal ini terjadi perubahan fasa pada larutan yaitu dari keadaan jernih pada saat dipanaskan (satu fasa) menjadi keruh pada saat didinginkan (dua fasa). Hal ini dikarenakan larutan mengalami perubahan kelarutan yang dipengaruhi oleh perubahan suhu tersebut. 2. Tabung B Untuk mengukur T1B dan T2B (Fenol-Aquades), langkah peratama adalah 10 ml Fenol dimasukkan ke dalam tabung reaksi besar yang di beri label B yang dilengkapi dengan pengaduk dan termometer, kemudian ditambahkan dengan 2 ml aquades yang tak berwarna. Kemudian diaduk menggunakan pengaduk. Setelah dilakukan pengadukan, menghasilkan larutan keruh dengan 19

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen 2 lapisan, lapisan atas adalah aquades sedangkan larutan bawah adalah larutan fenol. Hal ini terjadi fenol memiliki massa jenis lebih besar dibandingkan dengan massa jenis aquades. Massa jenis fenol 1070 g/cm3 dan massa jenis air 1000 g/cm3. Hal ini menghasikan sistem dua fasa, yaitu fenol-air. Kemudian dilakukan pengadukan pada larutan tersebut agar fenol dan aquades dapat tercampur secara homogen, setelah diaduk terjadi perubahan pada larutan menjadi keruh, perubahan ini terjadi karena terdapat perbedaan fasa antara fenol yang berubah menjadi fasa padat dan aquades yang berfasa cair. Fungsi pengadukan adalah untuk mempercepat proses pengeruhan campuran agar suhu yang didapatkan untuk menjadi keruh tepat. Lalu dimasukkan ke dalam beaker glass yang berisi air mendidih. Larutan setelah dipanaskan akan menjadi tak berwarna. Setelah larutan jernih (tak berwarna), tabung reaksi diangkat dari beaker glass, lalu diukur suhunya sebagai T1B. Fungsi dari pemanasan adalah karena semakin tinggi suhunya maka makin sering terjadi tumbukan yang menyebabkan ikatan hidrogen mudah putus. Pada saat suhu mencapai T1B larutan berubah menjadi jernih kembali, hal ini disebabkan oleh fasa fenol yang padat berubah menjadi fasa cair kembali. Pada saat larutan menjadi tak berwarna atau komponen berada dalam satu fasa, terjadi reaksi sebagai berikut:

Selanjutnya, tabung B diangkat dan didinginkan dengan cara dimasukkan ke dalam beaker glass yang berisi air dingin, kemudian diamati perubahan yang terjadi dan diukur suhunya. Pada saat suhu mencapai T2A larutan berubah menjadi keruh kembali. Pada saat terjadi perubahan inilah yang disebut dengan kesetimbangan dua fasa, dengan reaksi sebagai berikut:

20

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen

Penambahan aquades dilakukan sebanyak 6 kali dengan setiap penambahan 2 ml. Jumlah total volume fenol dalam tabung reaksi adalah 12 ml, sedangkan volume aquades adalah 10 ml. Dengan T1B secara berturut-turut adalah 40°C, 54°C, 57°C, 58°C, 60,5°C, dan 63°C. Sedangkan T2B berturutturut adalah 42°C, 51°C, 53°C, 57°C, 58°C, dan 60°C. Persen fenol pada tabung reaksi B dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: % 𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙 =

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

× 100% sehingga didapat data sebagai berikut:

% volume T1 T2 83.3 40 42 71.42 54 51 62.5 57 53 55.5 58 57 50 60.5 58 45.45 63 60 Dari data yang telah kami dapatkan melalui pengukuran temperatur larutan, didapatkan hasil dari temperatur larutan dengan variabel kontrol volume aquades saat penambahan fenol berulang hingga volume fenol yang ditambahkan 12 mL suhunya cenderung menurun sedangkan hasil dari temperatur larutan dengan variabel kontrol fenol saat penambahan air berulang hingga volume air yang ditambahkan mencapai 12 mL suhunya cenderung meningkat. Hal ini terjadi karena fenol mempunyai 1 gugus ─OH yang berarti ia hanya memiliki 1 ikatan hidrogen sedangkan air mempunyai dua ikatan hidrogen. Semakin banyak ikatan hidrogennya maka semakin tinggi pula suhu yang diperlukan untuk memutuskan ikatan hidrogen. Sehingga pada tabung A yang variabel kontrolnya volume aquades suhunya cenderung menurun sedangkan yang vaiabel kontrolnya volume fenol suhunya cenderung naik. Dari kurva kami temukan titik ekuivalen adalah pada suhu 46°C saat %volum fenol 83,30. Sedangkan titik ekuivalen dalam teori adalah suhu 65,85 21

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen °C. Ketidaksesuaian titik ekuivalen suhu pada percobaan kami dengan teori karena kurangnya pengadukan sehingga campuran membutuhkan waktu lama untuk menjadi hal ini menyebabkan suhu yang didapatkan untuk larutan keruh juga tidak sesuai. Untuk mengetahui titik ekuivalen dari kedua percobaan kami tadi kami menggunakan kurva hubungan antara suhu dengan % volume fenol. Pada percobaan kesetimbangan fasa dua komponen tekanan dianggap konstan, yaitu menggunakan tekanan ruang yang dianggap standar (1 atm). Sehingga didapatkan derajat kebebasan sebagai berikut : Derajat kebebasaan saat dipanaskan F = C- P + 1 F = 2 –1 + 1 = 2

Derajat kebebasaan saat didinginkan F = C- P + 1 F = 2 –2 + 1 = 1

Grafik 1. Kurva Hubungan antara Suhu dengan % Volume fenol Grafik %fenol dan suhu 70 54.54, 57

55.5, 58

60

62.5, 57 71.42, 51

suhu

50

83.3, 42

28.6, 58

40

71.42, 54 50, 57

30

54.54, 52 55.5, 57

45.45, 60

16.7, 59 37.5, 58

50, 58

50, 60.5

20 10

37.5, 61

28.6, 63 44.4, 60

16.7, 63

45.45, 63

50, 59

83.3, 40 62.5, 53

44.4, 57

0 16.7

28.6

37.5

44.4

45.45

50

50

54.54

55.5

62.5

71.42

83.3

% fenol Series1

Series2

Keterangan grafik: titik ekivalen pada suhu 46°C K. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari percobaan yang telah dilakukan berdasarkan tujuan adalah: Dari hasil percobaan yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan : 1. Menggambarkan kesetimbangan fasa dua komponen fasa cair-cair (fenol-air) dapat dilakukan dengan mengkonversikan data ke dalam 22

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen grafik (grafik antara % volume pada sumbu X dan temperatur pada sumbu Y). Grafik %fenol dan suhu 70 54.54, 57

55.5, 58

60

62.5, 57 71.42, 51

suhu

50

83.3, 42 28.6, 58

40

71.42, 54 50, 57

30

54.54, 52 55.5, 57

45.45, 60

16.7, 59 37.5, 58

50, 58

50, 60.5

20 10

37.5, 61

28.6, 63

45.45, 63

44.4, 60

16.7, 63

50, 59

83.3, 40 62.5, 53

44.4, 57

0 16.7

28.6

37.5

44.4

45.45

50

50

54.54

55.5

62.5

71.42

83.3

% fenol Series1

Series2

2. Titik ekivalen menurut grafik terjadi pada suhu 46°C 3. Dari percobaan yang telah dilakukan, diketahui bahwa : a. Terdapat dua jenis fasa yaitu satu fasa pada saat larutan jernih (dilakukan pemanasan) dan keadaaan dua fasa saat larutan keruh (larutan didinginkan). b. Komponen larutan pada percobaan ini ada 2 cair-cair, yaitu larutan fenol dan air. c. Derajat kebebasan sistem kesetimbangan fase dua komponen (fenol-air) didapatkan derajat kebebasan 3 saat larutan dalam keadan satu fasa (jernih), dan didapatkan derajat kebebasan 2 saat larutan dalam keadan dua fasa (keruh). L. Daftar Pustaka Atkins, P. 1999. Kimia Fisika Jilid 1 Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga. Bettelheim. 2005. Pengantar Kimia Organik dan Hayati. Bandung: ITB. Chang, Raymond. 2004. Kimia Dasar Jilid 1 Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga. Cotton, F. 1989. Kimia Anorganik Dasar. Jakarta: UI Press.

23

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen Dogra, S. K. 2009. Kimia Fisik dan Soal-Soal. Umar Mansyu, Penerjemah. Jakarta: UI Press. Frederick J & Hechf, Eugnee. 2006. Sehaum’s Outlines Teori dan Soal-soal Fisika Universitas Edisi Kesepuluh. Jakarta: Erlangga. Rohman, Ijang & Mulyani, Sri. 2004. Kimia Fisika 1. Jakarta: JICA. Tjahjani, Siti dkk. 2014. Buku Petunjuk Praktikum Kimia Fisika II. Surabaya: Laboratorium Kimia Fisika. Widjajanti, Endang. 2008. Kesetimbangan Fasa. Yogyakarta: UGM. Young, Hugh D. & Freedman. 2002. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 1. Jakarta: Erlangga. M. Lampiran 1. Jawaban pertanyaan 1) Gambarkan kesetimbangan fase 2 komponen fase cair-cair (fenol-air) dari data yang telah anda dapatkan dengan menggunakan computer (grafikantara % volume pada sumbu x dan temperature pada sumbu y). gabungkan data yang didapat dari tabung reaksi a dan tabung reaksi b pada satu grafik. Jawab: Grafik %fenol dan suhu 70 54.54, 57

55.5, 58

60

62.5, 57 71.42, 51

suhu

50

83.3, 42 28.6, 58

40

71.42, 54 50, 57

30

54.54, 52 55.5, 57

45.45, 60

16.7, 59 37.5, 58

50, 58

50, 60.5

20 10

37.5, 61

28.6, 63

45.45, 63

44.4, 60

16.7, 63

50, 59

83.3, 40 62.5, 53

44.4, 57

0 16.7

28.6

37.5

44.4

45.45

50

50

54.54

55.5

62.5

% fenol Series1

Series2

2) Dari grafik yang anda dapatkan, kapan terjadi titik ekivalen? 24

71.42

83.3

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen Jawab: Terjadi titik ekivalen saat suhu 46°C 2. Dokumentasi Peralatan yang digunakan dalam percobaan

Air Panas No. 1.

Alur

Foto

Keterangan

Air sebanyak 200

Didapatkan air

mL dimasukkan ke

panas

dalam gelas kimia dan dididihkan dengan pembakar spiritus

Tabung A: aquades + fenol No. 1.

Alur

Foto

Keterangan

10 mL aquades

Aquades

dimasukkan ke

cairan tidak

dalam tabung

berwarna

reaksi besar A

25

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen 2.

Ditambahkan 2 mL

Fenol tidak

fenol

berwarna

Setelah ditambah fenol larutan menjadi keruh

3.

Dimasukkan ke dalam beaker gelas yang berisi air mendidih dan diamati perubahan yang terjadi Larutan menjadi jernih, dan dicatat suhunya sebagai T1A

4.

Diangkat tabung

Larutan

reaksi dari beaker

menjadi keruh

glass

kembali, dan dicatat suhunya sebagai T2A Tabung B: fenol + aquades 26

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen No. 1.

Alur

Foto

Keterangan

10 mL fenol

fenol tidak

dimasukkan ke

berwarna

dalam tabung reaksi besar B

2.

Ditambahkan 2 mL

Setelah

aquades

ditambah aquades larutan menjadi keruh

3.

Dimasukkan ke dalam beaker gelas yang berisi air mendidih dan diamati perubahan yang terjadi

Larutan menjadi jernih, dan dicatat suhunya sebagai T1B

27

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen 4.

Diangkat tabung

Larutan

reaksi dari beaker

menjadi keruh

glass

kembali, dan dicatat suhunya sebagai T2B

Limbah fenol dibuang dalam botol

3. Perhitungan persentase volume fenol a. Tabung A 1) V fenol

= 2 mL

V aquades

= 10 mL

T1

= 63oC

T2

= 59oC

% volume fenol 2) V fenol

2

= 12 x 100% = 16,70%

= 4 mL

V aquades

= 10 mL

T1

= 63oC

T2

= 58oC

% volume fenol 3) V fenol

4

= 14 x 100% = 28,60%

= 6 mL

V aquades

= 10 mL

T1

= 61oC

T2

= 58oC 28

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen % volume fenol 4) V fenol

6

= 16 x 100% = 37,50%

= 8 mL

V aquades

= 10 mL

T1

= 60oC

T2

= 57oC

% volume fenol 5) V fenol

8

= 18 x 100% = 44,40%

= 10 mL

V aquades

= 10 mL

T1

= 59oC

T2

= 57oC

% volume fenol 6) V fenol

10

= 20 x 100% = 50%

= 12 mL

V aquades

= 10 mL

T1

= 57oC

T2

= 53oC

% volume fenol

12

= 22 x 100% = 54,54%

b. Tabung B 1) V fenol

= 10 mL

V aquades

= 2 mL

T1

= 40oC

T2

= 42oC

% volume fenol 2) V fenol

= 10 mL

V aquades

= 4 mL

T1

= 54oC

T2

= 51oC

% volume fenol 3) V fenol V aquades

10

= 12 x 100% = 83,30%

10

= 14 x 100% = 71.42%

= 10 mL = 6 mL 29

Laporan Praktikum Kimia Fisika II Kesetimbangan Fasa Dua Komponen T1

= 57oC

T2

= 53oC

% volume fenol 4) V fenol

= 10 mL

V aquades

= 8 mL

T1

= 58oC

T2

= 57oC

% volume fenol 5) V fenol

10

= 16 x 100% = 62,50%

10

= 18 x 100% = 55,50%

= 10 mL

V aquadest = 10 mL T1

= 60,5oC

T2

= 58oC

% volume fenol 6) V fenol

10

= 20 x 100% = 50%

= 10 mL

V aquadest = 12 mL T1

= 63oC

T2

= 60oC

% volume fenol

10

= 22 x 100% = 45,45%

30