Otk Ch 3.docx

Diagram Fase dalam Teknik Kimia: Aplikasi untuk Destilasi dan Ekstraksi Pelarut 1. Perkenalan Menurut definisi, diagram fase dalam kimia fisika dan teknik kimia adalah representasi grafis yang menunjukkan fase berbeda yang berada dalam kesetimbangan termodinamika. Karena hubungan kesetimbangan ini tergantung pada tekanan, suhu, dan komposisi sistem, diagram fase menyediakan visualisasi grafis dari efek variabel sistem ini pada perilaku kesetimbangan antara fase. Diagram fase sangat penting dalam pemahaman dan pengembangan proses pemisahan, terutama dalam pilihan dan desain operasi unit pemisahan, mis. pengetahuan tentang keseimbangan fase tekanan tinggi sangat penting tidak hanya dalam proses kimia dan operasi pemisahan, tetapi juga penting untuk simulasi reservoir minyak bumi, transportasi cairan minyak bumi, serta dalam industri pendingin. Untuk memanfaatkan pengetahuan perilaku fase, penting untuk merepresentasikan atau mengkorelasikan informasi fase melalui model termodinamika yang paling akurat. Model termodinamika memungkinkan representasi matematis dari diagram fase yang memastikan produksi diagram fase yang komprehensif dan dapat diproduksi ulang. Pengukuran data kesetimbangan fase diperlukan untuk mengembangkan dan memperbaiki model termodinamika, serta menyesuaikannya dengan menyesuaikan atau mengkorelasikan parameternya dengan data eksperimen. Secara umum pengukuran kesetimbangan fase dilakukan dengan menggunakan dua kategori teknik eksperimental, yaitu. metode sintetis dan analitik. Pilihan teknik tergantung pada jenis data yang akan ditentukan, kisaran suhu dan tekanan, ketelitian yang dibutuhkan, dan juga urutan besarnya konsentrasi fasa yang diharapkan.

2. Definisi fase, fase transisi dan kesetimbangan Fase adalah ruang homogen, yang dapat terdiri dari satu atau lebih komponen atau spesies kimia, di mana sifat termodinamiknya, mis. kerapatan atau komposisi, identik. Suatu sistem dapat terdiri dari satu atau beberapa fase. Bergantung pada apakah ada satu fase atau lebih, sistem dapat didefinisikan sebagai sistem homogen monofasik di mana komposisi dan sifat termodinamik identik di seluruh ruang, atau sebagai sistem heterogen multifase yang sifat termodinamika berubah secara jelas pada antarmuka fase. Fase dicirikan oleh suhu, densitas, tekanan, dan sifat termodinamika lainnya, yaitu energi Gibbs, entalpi molar, entropi, kapasitas panas, dll. Konsep fase dapat digunakan untuk membedakan berbagai kondisi materi. Materi secara umum diterima ada di tiga

negara utama, yaitu. gas, cair, dan padat. Jenis fase lain memang ada, mis. transisi fase nematik dan smektik dalam crystral cair, tetapi ini tidak akan relevan dengan bab ini. Interaksi molekuler antara komponen atau spesies kimia yang membentuk sistem bertanggung jawab atas berbagai keadaan materi. Akibatnya model termodinamika yang digunakan untuk menggambarkan fase harus memperhitungkan interaksi molekuler, atau digunakan pada kondisi di mana mereka relevan, mis. model gas ideal hanya dapat diterapkan pada fase gas pada tekanan rendah dan suhu yang cukup tinggi, karena pada kondisi ini interaksi molekuler dapat diabaikan.

2.1 Fase Transisi Ada sejumlah definisi yang bisa digunakan untuk menggambarkan cairan. Salah satu definisi, yang mudah divisualisasikan tetapi mungkin tidak sepenuhnya benar secara termodinamika, adalah bahwa cairan adalah cairan yang mengambil bentuk kontainmennya tanpa harus mengisi seluruh volume kontainmen. Karakteristik ini membedakan cairan dari padatan, juga cair dari gas. Seperti yang dinyatakan, ini bukan definisi yang akurat dan perlu untuk hati-hati memeriksa sifat-sifat mikroskopis termofisik (struktur) dan makroskopik dari keadaan materi. Perubahan fase adalah transisi antara berbagai keadaan materi. Umumnya ditandai oleh perubahan mendadak struktur mikroskopis internal dan sifat makroskopik lingkungan. Mungkin lebih baik untuk menyebutnya sebagai transisi fase daripada perubahan fase karena transisi fase tidak menyiratkan perubahan keadaan masalah, mis. transisi fase cair-cair atau padat-padat. Untuk transisi fase padat-padat dapat terjadi perubahan struktur kristal. Transisi fase dapat dipengaruhi oleh perubahan komposisi, suhu dan / atau tekanan sistem, atau dengan penerapan gaya eksternal pada sistem. Akibatnya, komposisi, kepadatan, energi internal molar, entalpi, entropi, indeks bias, dan konstanta dielektrik memiliki nilai yang berbeda di setiap fase. Namun, suhu dan tekanan identik untuk semua fase dalam sistem multifase sesuai dengan prinsip-prinsip termodinamika. Akibatnya, ketika dua fase (atau lebih) ada, kami menyebutnya sebagai fase kesetimbangan. Tabel 1 mencantumkan semua transisi fase antara fase padat, cair dan uap. LIHAT TABEL 1 Ada dua jenis transisi fase: Urutan pertama: Dalam jenis transisi ini ada diskontinuitas dalam turunan pertama energi bebas Gibbs sehubungan dengan variabel termodinamika. Untuk jenis transisi ini ada penyerapan atau pelepasan

energi dalam jumlah tetap dengan suhu tetap konstan. Urutan kedua: Untuk jenis transisi ini, ada kontinuitas dalam turunan pertama energi bebas Gibbs berkenaan dengan variabel termodinamika melintasi transisi, tetapi ada diskontinuitas dalam turunan kedua energi Gibbs sehubungan dengan sifat-sifat termodinamika.

2.2 Potensi Kimia dan Keadaan Kesetimbangan 2.2.1

Potensi Kimia Potensi kimia adalah salah satu sifat termodinamika paling penting yang digunakan dalam deskripsi kesetimbangan fasa. Jika seseorang menganggap fase dengan volume V, yang mengandung komponen nc pada suhu T dan tekanan P, i potential potensial kimia dari komponen i dalam fase ditentukan oleh Rumus Di mana G = H-TS adalah energi bebas Gibbs dari fase. Ekspresi untuk perubahan reversibel sangat kecil dalam energi bebas Gibbs diberikan oleh Rumus

2.2.2

Kondisi Kesetimbangan Mempertimbangkan sistem multikomponen dalam keseimbangan antara dua fase ( dan ), di suhu T dan tekanan P, energi bebas Gibbs dari sistem ini adalah G = G  + G , di mana G  dan G , masing-masing adalah energi bebas Gibbs dari fase  dan . Pada kesetimbangan, energi bebas Gibbs

harus

minimum,

oleh

karena

itu

(dG

=

0):

RUMUS

Akibatnya, kondisi kesetimbangan a dari campuran multifase adalah kesetaraan suhu, tekanan, dan potensi kimia  dari setiap komponen dalam semua fase dalam kesetimbangan

3. Deskripsi dari Diagram Fase 3.1 Komponen Murni 3.1.1 Deskripsi Diagram fase dari senyawa murni dicirikan oleh titik kritis, titik tripel, tekanan uap, dan kurva leleh dan sublimasi (gambar 1). Pada titik tripel, fase padat, cair, dan uap hidup berdampingan. Titik kritis dapat didefinisikan sebagai batas atas untuk kurva tekanan uap komponen murni. Untuk suhu dan tekanan di

atas kondisi kritis, tidak ada kemungkinan untuk memiliki kesetimbangan uapcair. Keadaan superkritis dapat dianggap sebagai "keadaan stabil" tanpa kemungkinan pemisahan fasa. Jumlah variabel intensif yang harus ditentukan untuk mengkarakterisasi sistem

ditentukan

dengan

aturan

fase

Gibbs

(Persamaan.

6).

F=C+2- F, adalah derajat kebebasan, C, adalah jumlah komponen dan Φ, adalah jumlah fase yang ada. Tabel 2 menggambarkan derajat kebebasan untuk sistem komponen tunggal. (TABEL2) Perilaku fase komponen murni dapat direpresentasikan dalam plot tekanan versus suhu. Dengan asumsi bahwa hanya ada dua fase co-exisiting, yaitu fase cair dan uap, kesetimbangan uap-cair dapat direpresentasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.