TEGANGAN PERMUKAAN / TEGANGAN ANTAR PERMUKAAN

TEGANGAN PERMUKAAN /

TEGANGAN ANTAR PERMUKAAN

Batasan antara 2 fase biasanya disebut “antar

permukaan”

Bila salah satu fasenya merupakan gas maka disebut “Permukaan”

Dalam bidang farmasi fenomena antar permukaan penting dalam proses pembuatan sediaan.

Antar permukaan dapat dibagi menjadi beberapa jenis tergantung pada fase yang dipisahkan :

FASE ANTAR

PERMUKAAN

CONTOH

GAS – GAS TIDAK ADA ANTAR PERMUKAAN

GAS – CAIR PERMUKAAN CAIR UDARA DALAM GELAS

GAS – PADAT PERMUKAAN PADAT PERMUKAAN MEJA CAIR – CAIR ANTAR PERMUKAAN

CAIR-CAIR

EMULSI CAIR – PADAT ANTAR PERMUKAAN

CAIR-PADAT

SUSPENSI PADAT - PADAT ANTAR PERMUKAAN

PADAT-PADAT

Dari sekian banyak jenis antar permukaan, maka di bagi lagi atas 2 kategori :

1. Antar permukaan cair : antar permukaan cair-gas dan cair-cair

2. Antar permukaan padat : antar permukaan padat-gas, padat-cair

Sedangkan antar permukaan padat-padat sudah sering digunakan yaitu pada pembuatan tablet, proses

granulasi.

Selain itu sangat sedikit data yang membicarakan ikatan antar partikel padat, maka jarang

TEGANGAN PERMUKAAN

Pada suatu tetesa cairan , molekul-molekul yang

berada pada permukaan memiliki sifat yang berbeda dengan molekul pada bagian dalam tetesan.

Molekul dalam cairan dikelilingi oleh molekul lain dari segala arah yang memiliki daya tarik menarik yang sama.

Sedangkan molekul pada permukaan (yakni pada antar permukaan cair-udara) hanya dapat memiliki daya tarik menarik dengan molekul lain yang terletak di bawah atau disampingya.

Molekul ini dapat memiliki daya tarik menarik dengan molekul yang menyusun fase lain yang terlibat

dalam antar permukaan tersebut tapi pada antar permukaan cair-gas, antaraksi ini kecil dan bisa diabaikan.

Molekul pada permukaan tetesan tersebut akan

mengalami gaya tarik ke arah dalam sehingga akan menyusutnya permukaan.

Tegangan Permukaan (TP) adalah gaya per satuan panjang yang harus diberikan sejajar pada

permukaan untuk mengimbangi tarikan ke dalam. Tegangan Antar Permukaan (TAP) adalah gaya

persatuanpanjang yang terdapat pada antar

permukaan dua fase cair yang tidak bercampur. TP/TAP = γ = dyne/cm

TAP selalu lebih kecil dari TP karena gaya adhesi antara dua fase cair yang membentuk suatu antar permukaan lebih besar dibandingkan antar cair-gas Bila 2 cairan bercampur sempurna maka tidak ada

ENERGI BEBAS PERMUKAAN

Merupakan kerja yang dilakukan (energi) untuk memperbesar atau menambah luas permukaan cairan.

Apabila ditambahkan suatu massa untuk memperbesar permukaan dengan jarak ds, maka kerja atau energi : dw = f x ds

= γ x 2l x ds

Dan karena 2l x ds = penambahan luas permukaan

(dA) yang disebabkam oleh pelebaran filam, maka : dw = γ x dA atau bisa ditulis w = γ x dA

METODE MENGUKUR TP DAN

TAP

Ada 4 metode yang dapat digunakan : 1. Metode Kapiler

2. Metode cincin

3. Metode bobot tetes

METODE KAPILER

Apabila suatu pipa kapiler ditempatkan di dalam suatu cairan dalam gelas piala, cairan ini biasanya naik ke atas pipa sampai suatu jarak tertentu.

Hal ini terjadi bila gaya adhesif antar molekul cairan dengan dinding kapiler lebih besar dari gaya kohesi antar molekul cairan.

Cairan ini dikatakan membasahi dinding kapiler, menyebar diatasnya dan naik dalam pipa.

METODE CINCIN

Dikenal dengan nama Dunouy Tensiometer Prinsip :

Gaya yang diperlukan untuk melepaskan sebuah cincin paltinum iridium yang dicelupkan pada permukaan cairan sebanding dengan tegangan permukaan cairan tersebut.

METODE BOBOT TETES

Alat yang digunakan adalah : STALAGNOMETER Prinsip :

TP ditentukan oleh bobot jenis cairan yang menetes secara perlahan

METODE MENGHITUNG JUMLAH

TETES

Prinsip :

Menghitung jumlah tetes yang dikandung suatu volume tertentu yang akan diukur TP nya. Dalam hal ini harus diadakan perbandingan dengan suatu cairan pembanding yang TP nya kira-kira sama

dengan cairan yang akan diukur.

cairan 1 : cairan yang diukur cairan 2 : cairan pembanding

Dimana :

N = Jumlah tetes dari suatu volume cairan ρ = Bobot jenis cairan

KOEFISIEN SEBAR

BILA SUATU ZAT SEPERTI ASAM OLEAT DITARUH PADA PEMUKAAN AIR, MAKA ASAM OLEAT DAPAT MENYEBAR PADA

PERMUKAAN SEBAGAI LAPISAN FILM, BILA HARGA KOEFISIEN SEBARNYA POSITIF

S (+) WA > WC

HARGA KOEFISIEN SEBAR SANGAT

TERGANTUNG PADA GAYA ADHESI DAN GAYA KOHESI

GAYA ADHESI

Yaitu energi yang dibutuhkan untuk memisahkan /mematahkan gaya tarik menarik antara molekul-molekul yang tidak sejenis atau kerja yang

dibutuhkan untuk memisahkan 2 cairan yang tidak bercampur.

g ₁₂ g 1

Adalah kerja yang dibutuhkan untuk

memisahkan molekul cairan yang menyebar sehingga ia dapat mengalir di atas lapisan bawah.

g ₁

 SUATU CAIRAN DAPAT MENYEBAR DIATAS

CAIRAN LAIN BILA GAYA ADHESI LEBIH BESAR DARI GAYA KOHESI

Tegangan permukaan air (γ_air) pada 20o_C

72,8 dyne/cm, sedangkan permukaan CCL₄ 26,7 dyne/cm. Tegangan antar permukaan

CCL₄ – air adalah 45 dyne/cm pada suhu yang sama. Apakah CCL₄ dapat menyebar diatas

Bila maka akan terjadi penyebaran

Contoh : penyebaran asam oleat diatas permukaan air

Bila maka akan terbentuk tetesan-tetesan/lensa yang mengembang pada permukaan cairan/ gagal menyebar

Contoh : parafin lig diatas permukaan air.

Ada beberapa cairan yang mempunyai S tinggi diatas permukaan air, contoh : asam-asam lemak, minyak lemak

zat padat yang dapat berkontak dengan cairan dan molekul-molekul antar permukaan dikatakan

bahwa cairan dapat membasahi zat padat. Contoh :

Permukaan kulit diliputi oleh campuran air dan

lemak (keringat) yang bersifat polar dan non polar. Agar suatu lotio yang mengandung lemak dapat

menyebar pada permukaan kulit atau dapat

membasahi kulit dengan sempurna, maka polaritas lotio harus diperbesar agar koefisien sebarnya

bertambah besar.

zat padat banyak disuspensikan dalam cairan contoh : liquor faberi, lotio kunmerfeldi

2. Pembasahan tidak sempurna (S < 0)

Dalam peristiwa pembasahan ada 3 kemungkinan : 1. Pembasahan sempurna (S > 0,) Water Air g_ow g_oa Oil Water Air wa g_ow g_oa q_e

Wate r Air g_oa g g ow oa Oil g_oa g_wo g_wo

3. Berupa tetesan : cairan hanya berbentuk tetesan-tetesan saja

Penyebaran cairan diatas zat padat secara teoritis dapat dihubungkan dengan koefisien sebar :

CAIR – CAIR :

PADAT – CAIR :

Cairan dapat menyebar jika (+)

Tapi secara praktek penetuan TP padat dan TAP padat-cair sangat sukar dilakukan,

maka penetuan dikakukan secara tidak langsung yaitu dengan mengukur sudut kontak antar cairan – zat padat Sudut kontak : 0 – 180

Agar koefisien sebar dari zat bertambah, maka pada pembuatan sediaan ditambahkan zat pembasah (WETTING AGENT)

Zat pembasah bekerja mengecilkan sudut kontak antara zat padat dengan cairan

SUDUT KONTAK

Adalah sudut yang terbentuk antara tetesan cairan dan permukaan padatan tempat dia menyebar.

SUDUT KONTAK (θ) ARTI

0 Sangat mudah dibasahi

< 90 Permukaan zat padat bisa dibasahi tapi tidak sempurna

= 90 Cairan sukar membasahi permukaan zat padat

90 - 180 Sama sekali tidak bisa membasahi zat padat

METODE UNTUK MENGUKUR SIFAT WETING AGENT DARI SUATU ZAT

1. DRAVES TEST

PRINSIP :

Menentukan waktu yang dibutuhkan oleh larutan zat pembasah untuk membasahi suatu permukaan zat padat

CARA :

waktu yang dibutuhkan oleh 5 g wol untuk tenggelam dalam larutan yang akan diperiksa

PRINSIP : sama seperti test penetrasi CARA :

Masukkan zat uji, hitung berapa waktu yang dibutuhkan zat uji untuk melewati kapas berlemak.

Rumus ini dikembangkan oleh Thomas Young

Rumus ini mengukur tegangan permukaan zat padat berdasarkan sudut kontak antara zat padat dengan suatu cairan

q

g

g

Merupakan kombinasi antara rumus young dengan rumus kerja adhesi

Makin besar kerja adhesi (Wa) maka cairan makin mudah menyebar

SISTEM PADAT – GAS /

FENOMENA ADSORBSI

ADSORBSI :

Peristiwa penyerapan suatu zat lain pada permukaan zat.

Zat yang diadsorbsi disebut adsorbat

Zat yang mengabsorbsi disebut adsorben ADSORBSI ≠ ABSORBSI

Kedua fenomena ini bisa terjadi bersama-sama sehingga sulit dalam menentukan

fenomena apa yang terjadi, oleh karena itu

kalau belum jelas fenomena apa yang terjadi, maka dapat dikatakan dengan sorbsi

PROSES ADSORPSI

FISIKA

ADSORBSI FISIKA

1. Gaya interkasi antara adsorben dan adsorbat lemah sehingga panas

adsorbsinya kecil ± 20-40 kj/mol

2. Gaya interkasi menyebabkan kondensasi gas untuk membentuk cairan yang

umumnya disebut gaya van der walls dan bersifat reversibel

ADSORBSI KIMIA/CHEMISORPTION

1. Ditandai dengan terjadinya reaksi kimia antara adsorben dan adsorbat dimana gaya

interaksinya sangat kuat dan bersifat irreversibel.

2. Panas adsorbsinya cukup tinggi 40 – 400 kj/mol sehingga sanggup mematahkan ikatan dalam

molekul adsorbat yang mengakibatkan

terjadinya reaksi kimia antara adsorben dan adsorbat.

3. Makin naik temperatur laju adsorbsi makin besar

PENERAPAN TENTANG PROSES ADSORBSI DALAM BIDANG FARMASI

1. Formulasi sediaan penawar racun seperti pulvis

NMT (Norit, MgO, Tanin), pulvis adsorben (Mg peroksida, Norit)

2. Menghilangkan bau yang tidak enak dari ruangan 3. Penambahan adsorben ke dalam serbuk yang

mengandung zat yang mudah lembab/basah

4. Penambahan adsorben pada larutan untuk

mengadsorbsi kotoran larutan, contoh : gula

5. Pemakaian adsorben untuk membebaskan pyrogen

dari larutan injeksi

6. Menghilangkan warna larutan yang tidak

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI ADSORBSI FISIKA

1. SUHU

makin tinggi suhu, derajat adsorbsi makin kecil 2. KONSENTRASI ADSORBAT

Makin besar konsentrasi adsorbat makin besar derajat adsorbsinya

3. BM

Makin besar BM, derajat adsorbsi makin besar 4. KELARUTAN

Makin kecil kelarutan suatu zat dalam pelarut maka makin kuat diabsorsinya

5. LUAS PERMUKAAN ADSORBSI

Serbuk yang halus dan berpori mempunyai

permukaan yang luas sehingga derajat adsorbsinya tinggi

CONTOH ADSORBEN YANG SERING DIPAKAI

 Carbo adsorben (norit)  Kaolin

 Bentonit  Silica gel  Mgo

DERAJAT ADSORBSI GAS OLEH SUATU ZAT PERGANTUNG PADA

1. Sifat kimia adsorben 2. Sifat fisika adsorbat

3. Luas permukaan adsorben 4. Suhu

Hubungan antara jumlah gas yang diadsorbsi secara fisika pada suatu zat padat dengan

tekanan/konsentrasi setimbang pada suhu konstan disebut adsorbsi isotherm dari FREUNDLICH

Dengan rumus :

y = massa gas yang diadsorbsi persatuan massa dari adsorben

X = jumlah gas yang diadsorbsi M = massa adsorben

P = tekanan gas pada kesetimbangan

k dan n = konstanta yang bisa didapatkan dari hasil percobaan

Langmuir mengembangkan suatu persamaan

berdasarkan teori bahwa molekul atau atom gas akan diadsorbsi pada tempat-tempat aktif dari zat padat membentuk suatu lapisan 1 molekul

(monolayer)

Fraksi dari pusat zat padat yang ditempati oleh molekul-molekul gas pada pada tekanan p

dilukiskan dengan θ dan fraksi yang tidak ditempati molekul gas adalah 1 – θ

Kecepatan adsorbsi atau kondensasi molekul-molekul gas pada permukaan (r1) sebanding dengan tempat yang tidak ditempati

Kecepatan penguapan = kecepatan desorbsi dari molekul gas yang terikat pada permukaan

sebanding dengan fraksi permukaan yang ditempati (θ)

BERDASARKAN BENTUK KURVA INI DAPAT DIBAGI ATAS LIMA TIPE MENURUT BET (BRUNAUER – EMMET – TELLER)

Kurva berbentuk sigmoid

Terjadi ketika gas diadsorbsi pada zat padat tidak berpori untuk membentuk lapisan

monolayer kemudian diikuti dengan pembentukan multilayer.

Tipe II digambarkan dengan persamaan dari BET

Luas permukaan adsorben dapat dihitung berdasarkan rumus BET :

Prinsip :

Serbuk adsorben ditempatkan dalam suatu wadah, di alirkan gas N2 melalui serbuk tersebut. Volume gas yang diadsorbsi pada berbagai tekanan diukur pada suhu konstan.

ADSORBSI PADA ANTAR

PERMUKAAN CAIR

FAKTOR – FAKTOR YANG MEMPENGARUHI TEGANGAN PERMUKAAN

1. SUHU

TP akan turun dengan naiknya suhu.

Pada suhu kritis yaitu suhu dimana cairan menjadi gas, TP akan diabaikan.

Hubungan antara TP dengan suhu dirumuskan oleh COTVAS, RAMSAY & SCHIELDS

Dimana :

γ = Tegangan permukaan cair M= BM cairan

V = Volume cairan yang bobotnya 1 g

K = Konstanta yang tidak tergantung suhu tapi pada sifat cairan

Senyawa polar K = 2,12, senyawa non polar K < 2,12

t_c = Suhu kritis

t = Suhu percobaan G = Konstanta empiris

2. ZAT TERLARUT

Jika suatu zat terlarut dilarutkan dalam cairan murni akan terjadi perubahan pada TP cairan tersebut.

dalam hal ini ada 4 kemungkinan yang terjadi :

1. TP cairan bertambah besar dengan

bertambahnya konsentrasi zat terlarut

Hal ini dapat terjadi pada elektrolit kuat dan beberapa senyawa polar yang mengandung gugus OH dilarutkan dalam air

2. TP cairan turun secara berlahan-lahan dengan bertambahnya konsentrasi zat terlarut.

Contoh : senyawa asam lemak bila dilarutkan dalam air

3. TP tidak tergantung pada penambahan konsentrasi zat terlarut

4. TP cairan secara tiba-tiba turun dengan penambahan konsentrasi zat terlarut, sekalipun dalam konsentrasi yang kecil sekali.

Contoh : surfaktan yang dilarutkan dalam air Penurunan secara tiba-tiba ini disebabkan karena zat terlarut memekat pada permukaan cairan, jadi kadar zat pada permukaan tidak sama dengan kadar zat dalam larutan.

Pemekatan pada permukaan ini terjadi karena

medan gaya listrik antar molekul zat terlarut lebih kecil dari medan gaya listrik pelarut.

zat terlarut tidak akan terus menerus memekat pada permukaan cairan akan tetapi zat tersebut akan berdifusi ke dalam larutan.

jika pada permukaan cairan tidak jernih,

pemekatan pada permukaan disebut peristiwa ADSORBSI

Pada saat kesetimbangan, derajat adsorbsi = derajat difusi

Zat-zat yang memekat pada permukaan

larutan dan menurunkan TP walaupun dalam konsentrasi yang kecil sekali disebut zat aktif permukaan /SURFAKTAN/AMPHIPHIL

Amphiphil merupakan senyawa atau ion yang memiliki afinitas tertentu baik terhadap

pelarut polar maupun non polar. Hal ini

tergantung jumlah dan sifat dari gugus polar dan non polar yang dimiliki.

amphiphil bisa bersifat hidrofob atau hidrofil atau seimbang antara hidrofob dan hidrofil.

contoh : alkohol rantai panjang, amin dan asam, dimana akan berubah dari hidrofil menjadi lipofil dengan

bertambahnya atom C pada rantai alkil. etil alkohol : larut dalam air

setil alkohol : tidak larut dalam air

Sifat inilah yang kemudian menyebabkan amphiphil

diadsorbsi pada permukaan, terjadi pada sistem Cair-gas atau cair-cair.

SISTEM CAIR-GAS

Contoh : dispersi amyl alkohol dalam air

Gugus alkohol yang polar akan bergabung dengan mokelul air

Sedangkan gugus non polar akan ditolak.

karena daya adhesi antara molekul amyl alkohol dengan air < daya kohesi antara mokelul pelarut, maka amyl alkohol akan teradsorbsi pada

SISTEM CAIR - CAIR

Contoh : asam lemak pada capuran air dengan minyak

Rantai lipofil asam lemak akan menghadap ke fase minyak, sedangkan rantai hidrofil akan menghadap ke fase air..

Agar asam lemak bisa berkumpul pada antar

permukaan air dan minyak, maka jumlah gugus hidrofil dengan lipofilnya harus seimbang.

Jika gugus hidrofil >> : maka zat akan

larut/bercampur dengan fase air sehingga tidak terdapat zat pada permukaan

HLB (H

IDROFIL

L

IPOFIL

B

ALANCE

)

Sitem ini dikembangkan oleh GRIFFIN

Yaitu angka yang menyatakan ukuran dan kekuatan dari gugus hidrofil dan lipofil dari suatu senyawa aktif

permukaan.

KLSIFIKASI SURFAKTAN

Dari segi ionisasi, surfaktan dibagi atas 4 : 1. Surfaktan anionik

terionisasi dalam air (larutan) dimana bagian yang aktif adalah bagian anionnya, terbagi atas :

a. asam karboksilat b. ester asam sulfat c. alkil asam sulfat

2. Surfaktan Kationik

terionisasi dalam larutan (air) dimana bagian yang aktif adalah bagian kationnya,contoh : benzalkonium klorida 3. Ampoterik

kedua gugus dapat berfungsi dalam larutan (air) dimana

dalam larutan asam kationik sedangkan dalam larutan basa anionik

4. Surfaktan non ionik

tidak terionisasi dalam larutan, berfungsi secara

keseluruhan dari molekul, dibagi atas ikatan antara gugus hidrofil dan lifofil, yaitu :

a. ester sebagai ikatan antara, conth : brij b. ester sebagai ikatan antara, conth : span

c. eter ester sebagai ikatan antara, conth : tween

d. amida sebagai ikatan antara, conth ; lauril dietanol amin

Hubungan antara banyaknya zat yang teradsorbsi pada

satuan luas permukaan dan perubahan TP dirumuskan oleh GIBBS tahun 1878 yang disebut “Hukum Adsorbsi dari

GIBBS”

Γ : konsentrasi zat terlalut pada permukaan (mol/cm2₎

c : konsentrasi zat dalam larutan (g/cm2 R : Konstanta gas (8,314 x 107 _erg/mol)

T : Suhu absolut (273

dγ/dc : derajat perubahan TP dengan perubahan konsentrasi zat terlarut

Dari rumus GIBBS ini akan dihadapi 2 kemungkinan : 1. Jika terjadi adsorbsi, maka Γ (+) , berarti

konsentrasi zat pada permukaan lebih besar

dibandingkan dalam larutan, dalam hal ini dγ/dc (-) ; jadi TP turun dengan bertambahnya konsentrasi zat.

FILM BALANCE

Dikembangkan oleh Langmuir, adam, harkin

Sistem ini bisa digunakan untuk menentukan Luas

Penampang Molekul (LPM), tebal film dan panjang molekul

M = BM cairan yang disebarkan

S = Luas daerah yang ditutupi film V = Volume dari cairan yang disebar ρ = density cairan yang disebar