Kuliah ke 3 Tegangan Permukaan

TEGANGAN PERMUKAAN

Uap Cairan

Gaya F ini menyebabkan molekul pada permukaan cairan cenderung memperkecil permukaan sekecil mungkin.

Hal ini mengakibatkan tetesan zat cair akan berbentuk bola

Molekul A :

resultan gaya = 0

Molekul B,C :

Gejala tegangan permukaan yang terjadi di alam :

• Serangga dapat berjalan di atas permukaan air

• Jarum/silet dapat terapung di atas air

Resultan gaya ini disebut dengan tegangan permukaan

Untuk melawan F (gaya ke dalam cairan) _ perlu energi untuk memperluas permukaan.

Energi untuk memindahkan molekul-molekul dari dalam zat cair sampai ke permukaan.

Disebut energi bebas permukaan (dapat dilihat dari kecenderungan zat cair untuk memperkecil permukaan).

Menyebabkan permukaan dalam keadaan tegang _

Definisi Tegangan Permukaan (

_

)

Gaya yang bekerja pada permukaan cairan dengan sudut _ pada garis per satuan panjang.

P

F

F

G a s

r

P = tekanan berlebih

Cairan





Gelembung gas dalam cairan

F memisahkan bulatan menjadi 2 sebesar : F = P x luas permukaan

F = P x _ r2

F’ menyatakan kedua setengah bulatan F’ = _ x 2 _ r

Pada keadaan setimbang: F = F’

P x _ r2 _{= x 2  r}

P = 2 r

Pada P yang besar, dan r kecil. maka

berarti gelembung kecil _ hal ini terjadi pada cairan lewat didih

Bila P semakin besar _ gelembung bertambah besar

 terjadilah bumping 

Harga Tegangan Permukaan Beberapa Cairan Terhadap Udara (t=20 o_C)

Cairan _/(10-3_{N/m) Cairan /(10}-3_N/m)

Air 72,8 Aseton 23,7

Eter 17 Karbon tetraklorida 27 Benzena 28,9 Etil alkohol 22,8 Etil asetat 23,9 Metil alkohol 22,6 n-Heksana 18,4 Toluena 29

Faktor-faktor yang mempengaruhi _ : a) Gaya kohesi (F₁)

Gaya yang bekerja pada molekul yang sejenis b) Gaya adhesi (F₂)

Gaya yang bekerja pada molekul yang tidak sejenis c) Jenis ikatan dengan molekul-molekulnya :

Harga _ paling tinggi _ air raksa (ikatan logam) Harga _ tinggi _ air (ikatan hidrogen) _ polar

Harga _ rendah _ zat yang kurang polar _ van der Waals

Aksi Kapiler :

Jika suatu cairan bersentuhan dengan dinding, maka akan menimbulkan aksi kapiler.

Gaya F₁ < F₂, maka F_R diarahkan ke dinding ,

permukaan cairan cekung dan cairan membasahi dinding dengan _ < 90o

a.

G C

FR F₂



Gaya F₁ > F₂, maka F_R diarahkan ke dalam cairan, permukaan

cairan cembung dan dinding tidak dibasahi oleh cairan, _ > 90o

b.

F₂

F_R F₁

G C

Hal-hal lain yang mempengaruhi _ : a. Suhu

Makin tinggi suhu cairan, maka tegangan permukaan akan turun. Hal ini dijelaskan oleh Eötvös (tahun 1886).

Eötvös menurunkan suatu persamaan yang menyatakan hubungan antara energi permukaan molar dan suhu.

S u h u



Misalkan :

volume molar cairan = M_v, M = massa molekul cairan dan v = volume jenis cairan. Bila cairan pada volume tersebut dimisalkan berbentuk bola, maka luas bola berbanding lurus dengan (M_v)2/3. Hasil kali luas

permukaan molar dan _ (menghasilkan energi

permukaan molar _ (M_v)2/3). Besaran ini merupakan

fungsi linier suhu, sehingga bentuk persamaan

E

ötvös ialah :

a dan k = tetapan

t = suhu

Pada suhu kritik t_c, _ = 0, karena pada suhu ini bidang yang memisahkan cairan dan uap jenuhnya hilang, sehingga persamaan menjadi :

0 = a – k . t_c atau a = k . t_c

Sehingga persamaan dapat ditulis :

(M_v)2/3 = k (t

c – t)

Secara eksperimental persamaan Eötvös diselidiki oleh

Ramsay & Shields (1893) :

(Mv)2/3 = k (tc – 6 – t)

b. Tekanan uap

Semakin tinggi tekanan uap, maka tegangan permukaan akan turun

P

₁

P

₂

P = P

_{1 2}

P

₁

P

₂

P > P

_{1 2}

P

₁

P

₂

P < P

_{1 2}

P₁ = Tekanan uap di atas cairan Bila (P₁)_A > (P1)_B

maka

_

_A <

_

_B

R ₁ d _z

Permukaan digeser sejarak kecil keluar

 A = ( x+dx) (y+dy) – xy = xdy + ydx

Kerja yang dilakukan adalah sebesar :

_{(xdy + ydx)}

Bila permukaan berada dalam kesetimbangan mekanik, maka kerja (1) = (2)

d. Konsentrasi zat terlarut

Jenis zat terlarut akan mempengaruhi perubahan tegangan permukaan

ΔP

Persamaan Young & Laplace

dc

Δγ

RT

c

Γ

_

_

 _{= konsentrasi berlebih pada permukaan}

c = konsentrasi zat terlarut T = suhu absolut

1) Zat terlarut adalah surfaktan

Tegangan permukaan larutan akan turun dengan meningkatnya konsentrasi surfaktan (zat aktif permukaan),

karena harga adalah negatif sehingga _ positif. Akan terjadi kelebihan zat terlarut pada antarpermukaan. dc

Δγ

2) Zat terlarut adalah elektrolit

Beberapa cara penentuan _ :

a. Cara terbaik untuk menentukan _ ialah

penentuan kenaikan cairan dalam pipa kapiler.

Bila tinggi h ditentukan dan jari-jari r diketahui maka _ cairan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : _ = ½ h.g._.r

Dalam praktik sering digunakan cara relatif, yaitu membandingkan kenaikan kapiler cairan dengan cairan standar, misalnya air atau benzena. Misalkan h_x ialah kenaikan kapiler cairan yang dicari tegangan permukaan (_x)nya dengan massa jenis _x. Sedangkan cairan standar mempunyai kenaikan kapiler h_o, massa jenis _o dan tegangan permukaan (_o) maka hubungan yang

didapat ialah : _

x

_o =

Karena _o diketahui, maka penentuan cukup dengan menentukan kenaikan kapiler dan rapat massa sedangkan penentuan jari-jari pipa r diabaikan.

{

r sulit ditentukan, maka ditentukan

secara relatif dengan menggunakan zat standar sebagai pembanding.

_o = ½ h_o.g. _o.r

x

o

= _hhx.x

o.o

Modifikasi Cara Kapiler _ Kapiler differensial dengan

menggunakan 2 kapiler yang jari-jarinya tidak sama r_{1 } r₂

 h = h1 – h2 =

2 _

g . ρ . r₁ - g .ρ r2 ₂

= _{g . ρ}2 

(

_r1

1 - 1r2

)

 h = _{g . ρ}2 

(

r2_r – r1

)

1 r2

 = h . g . ρ₂

(

_rr1 r2

)

b. Cara lain untuk menentukan _ ialah dengan cara berat tetes, yaitu suatu cara untuk membandingkan _ cairan yang dicari terhadap cairan standar. Cara ini berdasarkan hubungan yang terdapat antara berat setetes cairan (m) yang jatuh dari pipa vertikal dengan tegangan permukaan _.

Botol timbang Botol kapiler

Bila nilai tegangan permukaan kedua cairan ialah _ dan _0 dan jumlah rata-rata tetesan yang jatuh dari pipa yang sama ialah n₁ dan n₀, maka didapat :

Cara berat tetes _ dengan menggunakan alat stalagnometer

2_R_ = mg

R 2π

mg γ 

x

= x . nx

Pada saat cairan mau menetes, terjadi kesetimbangan cairan.

1 fraksi zat : 2 _ R _ F = m . g

Fraksi

 = ₂ m g

 R F ………….. (1)

Misal : - jumlah tetesan = n tetes

- volume yang melalui batas a - b = V - _ = massa jenis

1

F . n Dari (1) dan (2) _{ } = v . g . 

2 _ R F n k

= k . p

Bila F = konstan, maka _ = k . _n

Karena penentuan k sulit, maka digunakan penentuan cara relatif.

o = k .

o

n_o

Jadi : = .

n₁ = jumlah tetesan cairan zat x n₀ = jumlah tetesan cairan standar

1 n1

c. Tegangan permukaan ditentukan secara cepat dengan hanya menggunakan cairan sedikit, yaitu dengan

tensiometer duNoüy.

Cincin kawat platina yang datar dipasang pada salah satu lengan suatu timbangan; cincin dimasukkan ke dalam cairan yang hendak diselidiki tegangan permukaannya.

Dengan menggunakan pemberat atau alat torsi, lengan lain dari timbangan diberi gaya sehingga cincin terangkat dari permukaan cairan. Karena hubungan antara cincin dan cairan harus dipecahkan pada kedua keliling cairan, yaitu keliling dalam dan keliling luar, maka gaya yang diperlukan ialah :

F = 2 x 2_R _

Dengan memakai alat Tensiometer duNoüy yang ditentukan disini ialah, gaya yang dapat memecahkan kontak antara cairan dengan cincin platina alat duNoüy.

F = 4 _{ }( R’ + r ) R’ = jari-jari cincin platina

r = jari-jari kawat platina R ’

a r

F

d. Pengukuran tegangan permukaan dapat juga dilakukan dengan metode Wilhelmy

L e m p e n g g e l a s / m i k a

Lebar lempeng tipis =



Tebal = t _ 0

Saat lempeng terlepas : F = 2_ ( + t)

_

F = 2_

_



2F

Soal :

1. Hitung tinggi etil alkohol yang harus naik dalam tabung kapiler dengan diameter 0,2 mm, _ (EtOH) = 22,75 x 10-3

N/m pada suhu 200C, _ = 0,7893 x 103 kgm-3,

g = 9,8 ms-2

2. Jika permukaan air dan benzena yang naik dalam kapiler yang sama masing-masing adalah 9,9 cm dan 4,5 cm, hitung tegangan permukaan benzena. _ H₂O 72,75 dyne/ cm pada suhu 200C. Kerapatan H

2O dan benzena pada