TEGANGAN PERMUKAAN CAIRAN
CARA CINCIN DU NUOY
Septianingtyas Lestari (10508042), Sasmaya (10508044), Fitri Widya Hartanti (10508046),
Nuritriani (10508048), Novelita (10508050), Daniel (10508052) Tiara Pelangi (10507066), Endang Trisia (10508059)
danielhombing@yahoo.com Ketua: Daniel
Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Abstrak
Tujuan dari percobaan ini adalah menentukan tegangan permukaan cairan tunggal dan tegangan antarmuka pada dua larutan yang tak saling campur. Penentuan tegangan permukaan ini dilakukan menggunakan metode cincin du nuoy dengan cara mencelupkan cincin Pt-Ir ke dalam cairan. Kemudian penentuan didasarkan atas gaya yang diperlukan untuk menarik cincin Pt-Ir tersebut ke permukaan cairan. Nilai yang tertera pada pembacaan akan naik sampai mencapai nilai maksimumnya yaitu sesaat sebelum lamela pecah. Namun, nilai maksimum ini adalah tegangan permukaan cairan yang belum dikoreksi. Pada saat pengangkatan cincin, ada sebagian cairan yang terangkat sebelum permukaan cairan terpecahkan. Selain itu, ada beberapa faktor yang tidak diperhitungkan, seperti jari-jari kawat, dan volume cairan yang tumpah saat cincin dikeluarkan, sehingga diperlukan adanya suatu faktor koreksi. Faktor yang mempengaruhi tegangan permukaan itu sendiri adalah suhu, tekanan jenis, komposisi cairan (konsentrasi), dan massa jenis. Percobaan ini diamati dari suatu alat tensiometer dimana nilai P nyata pada masing-masing larutan yang diukur setelah dilakukan faktor koreksi adalah air 21.07473429, etanol 7.38073973, NaCl 22.90765484, MgCl2 27.13503959, kloroform 9.49591261, air+NaCl (1:3) 25.40868749, air+NaCl (3:1) 7.079807265, air+kloroform (1:1) 6.078806553. MgCl2 dengan massa jenis yan tinggi menghasilkan nilai tegangan permukaan yang tinggi pula.
Kata kunci: tegangan permukaan, cincin du nuoy, faktor koreksi,
Pendahuluan
Para ilmuwan menggunakan tensiometer untuk mengukur tegangan permukaan dan tegangan antar muka cairan dengan menggunakan liontin atau metode drop sessile. Perangkat lunak kemudian menganalisa profil drop dan membuat serangkaian pengukuran kritis. Dengan liontin tetes, misalnya, diameter maksimum dan rasio antara parameter dan diameter pada jarak dari diameter
maksimum dari apeks drop dievaluasi dan formula yang digunakan atas dasar persamaan tegangan permukaan Young-Laplace. Seiring dengan perkembangan jaman, software canggih mengotomatisasi proses komputasi secara intensif. The Advanced DROPimage program lisensi dari perusahaan instrumen Rame-hart (Netcong, NJ, USA) adalah contoh dari perangkat lunak yang digunakan untuk
mengukur permukaan dan tegangan antar muka menggunakan analisis bentuk drop.
Penentuan tegangan permukaan dilakukan menggunakan alat tensiometer dengan metode cincin du Nouy. Prinsipnya, gaya yang diperlukan untuk mengangkat cincin tersebut sampai ke permukaan cairan dijadikan dasar penentuan nilai tegangan permukaan ini (P baca). Gaya yang diperlukan untuk melepaskan cincin dari permukaan cairan secara ideal adalah :
f=4π R γ
Dengan R = jari-jari cincin. Keliling 2 π R harus dikalikan 2 mengingat bahwa ada batas dalam dan batas luar antara cairan dan kawat. Perlakuan ini berlaku untuk cairan dengan sudut kontak, θ= 0.
Nilai yang tertera pada pembacaan akan naik sampai mencapai nilai maksimumnya yaitu sesaat sebelum lamela pecah. Namun, nilai maksimum ini adalah tegangan permukaan cairan yang belum dikoreksi. Pada saat pengangkatan cincin, ada sebagian cairan yang terangkat sebelum permukaan cairan terpecahkan. Selain itu, ada beberapa faktor yang tidak diperhitungkan, seperti jari-jari kawat, dan volume cairan yang tumpah saat cincin
dikeluarkan. Metode ini menuntut proses yang sempurna. Cacat atau kesalahan kecil sekalipun dapat mengubah keakuratan hasil, sehingga diperlukan adanya suatu faktor koreksi (Fr)
Fr=0.7250+ 0.01452 Pc2(D-d) +0.4534- 1.679 rR
Dengan c adalah keliling cincin, r adalah jari-jari kawat, R adalah jari-jari cincin, P adalah nilai tegangan permukaan yang diukur, D adalah rapat fasa dibawah antar muka, dan d adalah rapat fasa diatas antar muka. Metode ini dianggap usang dan tidak lagi banyak digunakan.
Dalam percobaan ini, praktikan menentukan tegangan permukaan cairan tunggal dan tegangan antarmuka pada dua larutan yang tak saling campur. Cincin Pt-Ir dicelupkan ke dalam cairan. Kemudian, gaya diukur pada saat cincin diangkat ke permukaan cairan sampai film/lamella cairan yang diukur pecah. Setelah itu, skala dibaca. Nilai yang tertera pada pembacaan akan naik sampai mencapai nilai maksimumnya yaitu sesaat sebelum lamela pecah. Namun, nilai maksimum ini adalah tegangan permukaan cairan yang belum dikoreksi.
Percobaan
Mula-mula alat tensiometer dikalibrasi terlebih dahulu agar bisa memperkecil kemungkinan kesalahan yang terjadi karena alat, yaitu dengan cara berat beban diukur terlebih dahulu. Sebelum beban digantungkan, pembacaan di-nol-kan terlebih dahulu, dilihat dari kedudukan jarum yang berhimpit dengan garis yang berada di tengah cermin. Kemudian, beban tersebut digantungkan pada lengan torsi. Lalu, tegangan permukaan (P baca) ditentukan dengan tetap mempertahankan jarum penunjuk tetap berhimpit pada garis di tengah cermin.
Setelah dilakukan factor kalibrasi, cincin Pt-Ir dibersihkan terlebih dahulu dengan dicelupkan ke dalam alcohol. Setelah itu, cincin digantungkan pada lengan torsi dalam keadaan teraretir. Cairan yang akan diukur nilai tegangan permukaannya ditempatkan dalam gelas kimia dan diletakkan di atas penyangga. Penyangga ini diposisikan sedemikian rupa sehingga bila diturunkan, cincin yang semula tercelup di dalam cairan dapat mencapai permukaan. Kemudian, penyangga dinaikkan sampai cincin sampai ke permukaan antara udara dan cairan atau antarmuka antar kedua cairan yang tidak
saling campur. Setelah itu, cincin diangkat sampai film/lamela cairan yang diukur pecah. Skala pembacaan dibaca saat film tersebut pecah.
Setelah percobaan dilakukan, nilai tegangan permukaan dihitung dengan mengalikan nilai tegangan permukaan yang terbaca (P baca) dengan faktor kalibrasi dan factor koreksi. Faktor koreksi diperlukan karena pada saat
pengangkatan cincin, ada sebagian cairan yang terangkat sebelum permukaan cairan terpecahkan. Selain itu, ada beberapa faktor yang tidak diperhitungkan, seperti jari-jari kawat, dan volume cairan yang tumpah saat cincin dikeluarkan, sehingga diperlukan adanya suatu faktor koreksi.
Hasil dan Diskusi
Temperatur ruang : 25.80C
R/r : 53.748890
c : 6.000 cm
1. Penentuan massa jenis larutan Massa pikno kosong = 19.53 g
No . Larutan Massa pikno + larutan (g) 1 Air 44.85 2 NaCl 45.86 3 MgCl2 46.65 4 Kloroform 56.88 5 Etanol 40.00 6 Air + NaCl = 1 : 3 45.53 7 Air + NaCl = 3 : 1 40.05 8 Air + kloroform = 1 : 1
-2. Penentuan Faktor Kalibrasi No . Beba n Massa beban (g) P baca (dyne/cm) 1 I 0.0505 8 2 I + II 0.1516 16 3 I + 0.3032 28.1
3. Penentuan Tegangan Permukaan Cairan No . Larutan P baca (dyne/cm) 1 Air 57 2 NaCl 21 3 MgCl2 71 4 Kloroform 61.9 5 Etanol 71 6 Air + NaCl = 1 : 3 27.1 7 Air + NaCl = 3 : 1 68 8 Air + kloroform = 1 : 1 20 Pengolahan Data
1. Penentuan volume piknometer
Vpiknometer=Wpikno+air- Wpikno kosongρair pada 25.80
=44.85 g- 19.53 g0.9978399gmL=25.375 mL
2. Penentuan ρ larutan
ρzat pada masing-masing suhu=Wzat+pikno-Wpikno kosongVpikno No Larutan ρlarutan (g/mL) 1 NaCl 1.037635 2 MgCl2 1.068768 3 Etanol 0.806700 4 CHCl3 1.471921 5 Air + NaCl = 1:3 1.024631 6 Air + NaCl = 3:1 0.808670
3. Penentuan faktor kalibrasi
Pnyata=mg2 c
Keterangan : m = massa beban (g) g = gaya gravitasi (m/s2) c = keliling cincin (cm) No Massa beban (g) Pbaca (dyne/cm ) Pnyata (dyne/cm) 1 0.0505 8.00 4.1241666 67 2 0.1011 16.00 8.2565 3 0.1516 28.10 12.380666 67 Kurva : Persamaan : y = mx + c Pnyata = 0.4051x + 1.2181
m = nilai faktor kalibrasi = 0.4051 4. Penentuan faktor koreksi
Fr=0.7250+ 0.01452 PC2(D-d) +0.4534- 1.679 rR N o Larutan Fr 1 Air 0.91269360 8 2 Etanol 0.86759762 2 3 NaCl 0.91354035 9 4 MgCl2 0.94343040 3 5 Kloroform 0.86497822 6 6 Air + NaCl = 1:3 0.92238254 5 7 Air + NaCl = 3:1 0.87383451 8 8 Air + kloroform = 1:1 0.88791087 5
5. Penentuan tegangan permukaan larutan, γ:
γ=Pbacax faktor kalibrasi x Fr
N o Larutan γ (dyne/cm) 1 Air 21.0747342 9 2 Etanol 7.38073973 3 NaCl 22.9076548 4 4 MgCl2 27.1350395 9 5 Kloroform 9.49591261 6 Air + NaCl = 1:3 25.4086874 9 7 Air + NaCl = 3:1 7.07980726 5 8 Air + kloroform = 1:1 6.07880655 3
Tegangan permukaan adalah suatu kemampuan atau kecenderungan zat cair untuk selalu menuju ke keadaan yang luas pemukaannya lebih kecil yaitu permukaan datar, atau bulat seperti bola atau ringkasnya didefinisikan sebagai usaha untuk membentuk luas permukaan baru. Dengan sifat tersebut zat cair mampu untuk menahan benda-benda kecil di permukaannya. Tegangan terjadi karena adanya gaya kohesi yaitu gaya tarik-menarik antara partikel sejenis. Kita dapat memisalkannya A mewakili partikel di dalam zat cair sedangkan B mewakili partikel di permukaan zat cair. Partikel A ditarik oleh gaya yang sama besar ke segala arah oleh partikel-partikel yang ada di dekatnya. Hasilnya, resultannya adalah sama dengan nol. Sedangkan partikel B ditarik oleh partikel-partikelyang ada disamping dan dibawahnya dengan gaya yang sama besar.sehingga resultannya berarah ke bawah. Resultan ini menyebabkan lapisan atas seakan tertutup selaput elastic. Inilah yang disebut dengan tegangan permukaan. Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi tegangan permukaan, antara lain adalah suhu. Dengan naiknya suhu, nilai tegangan permukaan akan semakin menurun. Hal ini disebabkan karena ketika suhu meningkat, ada energi tambahan yang diberikan ke dalam cairan sehingga meninkatkan energi kinetik molekul-molekul dalam cairan, menyebabkan pengaruh interaksi antar cairan berkurang. Kemudian, factor lain yang mempengaruhi adalah tekanan jenis. Penaruh tekanan jenis berhubungan dengan volume molar. Semakin besar volume, maka tegangan permukaannya semakin besar. Faktor selanjutnya adalah pengaruh dari komposisi cairan (konsentrasi). Semakin tinggi konsentrasi suatu zat, maka tegangan permukaannya semakin tinggi. Kemudian, massa jenis suatu zat juga berpengaruh pada tegangan permukaan. Massa jenis berhubungan dengan kerapatan suatu zat. Semakin rapat zat tersebut, maka tegangan permukaannya semakin besar.
Aplikasi tegangan permukaan pada dunia nyata dapat kita jumpai di kehidupan sehari-hari, yaitu saat mencuci pakaian. Agar pakaian yang kita cuci benar-benar bersih, maka air harus melewati harus melewati celah yang sangat sempit pada serat pakaian. Untuk itu diperlukan penambahan luas permukaan air. Namun, hal ini sangat sukar dilakukan karena adanya tegangan permukaan, sehingga nilai tegangan permukaan air harus diturunkan terlebih dahulu. Salah satu caranya adalah dengan menaikkan suhu, yaitu menambahkan air panas. Cara lainnya bisa dengan menambahkan sabun. Gelembung dari sabun itulah yang dapat berfungsi menurunkan tegangan permukaan.
Gelembung sabun memiliki dua selaput tipis pada permukaannya dan di antara kedua selaput tersebut terdapat lapisan air tipis. Adanya tegangan permukaan menyebabkan selaput berkontraksi dan cenderung memperkecil luas permukaannya. Ketika selaput air sabun berkontraksi dan berusaha memperkecil luas permukaannya, timbul perbedaan tekanaan udara di bagian luar selaput (tekanan atmosfir) dan tekanan udara di bagian dalam selaput. Tekanan udara yang berada di luar selaput ikut mendorong selaput air sabun ketika ia melakukan kontraksi, karena tekanan udara di bagian dalam selaput lebih kecil. Setelah selaput berkontraksi, maka udara di dalamnya (udara yang terperangkap di antara dua selaput) ikut tertekan, sehingga menaikan tekanan udara di dalam selaput sampai tidak terjadi kontraksi lagi. Dengan kata lain, ketika tidak terjadi kontraksi lagi, besarnya tekanan udara di antara selaput sama dengan tekanan atmosfir + gaya tegangan permukaan yang mengerutkan selaput. Kontraksi selaput inilah yang menimbulkan adanya gelembung sabun. Aplikasi lainnya yaitu dengan adanya surfaktan yang mampu menurunka tegangan permukaan, tegangan antarmuka, dan meningkatkan kestabilan system emulsi. Sifat aktif permukaan surfaktan tersebut membuat surfaktan
banyak digunakan pada berbagai bidang industry sabun, deterjen, produk perawatan diri, dan kosmetika. Kemudian aplikasi lain yang disebabkan karena adanya tegangan permukaan adalah tetesan air dari kran dan tetesan embun berbentuk bola karena dengan itu terbentuk permukaan yang sempit untuk memudahkan tegangan. Selain itu, serangga dapat berjalan di atas air karena berat serangga dapat diatasi oleh kulit yaitu saat cairan membentuk kulit penutup.
Dari hasil pengolahan data, didapat kurva yang linear dengan R² = 0.986 dan persamaan y = 0.405x + 1.218. Dari tabel penentuan tegangan permukaan, diketahui bahwa MgCl2 memiliki nilai tegangan permukaan yang paling tinggi, yaitu 27.13503959. Padahal, yang memiliki massa jenis paling tinggi adalah kloroform dari perhitungan massa pikno. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan permukaan tidak hanya dipengaruhi oleh massa jenis saja. Konsentrasi dari masing-masing larutan dan volume yang digunakan juga turut mempengaruhi nilai tegangan permukaan. Kemudian, tegangan permukaan pada dua larutan yang saling campur menunjukkan bahwa air + NaCl dengan perbandingan 1:3 memiliki tegangan yang paling besar. Hal ini karena perbandingan NaCl yang lebih besar komposisinya dalam larutan dibandingkan dengan air. Massa jenis NaCl juga lebih besar daripada air, sehingga air+NaCl dengan perbandingan 1:3 menunjukkan nilai tegangan permukaan yang lebih besar. Sedangkan, nilai tegangan permukaan pada dua larutan yang tidak saling campur menunjukkan nilai yang paling kecil di antara larutan-larutan lainnya yang diukur. Hal ini disebabkan gaya kohesif yang ditimbulkan kecil dan gaya adhesinya besar karena molekul tidak sejenis. Partikel kloroform yang massa jenisnya lebih besar akan ditarik ke antarmuka antara kloroform dan air, namun karena tidak sejenis, maka partikel tersebut akan bersiat adhesive (menyebar) sehingga resultan yang dihasilkannya kecil, menyebabkan tegangan permukaan yang dihasilkannya juga kecil.
Sebenarnya, penentuan nilai tegangan permukaan tidak hanya ditentukan dengan metode cinci du Nouy saja. Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk menentuka tegangan permukaan. Metode-metode tersebut antara lain metode pipa kapiler, metode maximum Bubble Pressure, metode Drop-Weight, metode Wilhelmy Plate tensiometer, dan metode Du Noüy-Padday Rod Pull tensiometer.
Pada metoda pipa kapiler, tegangan permukaan zat cair dan sudut kelengkungannya diukur dengan memakai pipa berdiameter. Salah satu ujung pipa tersebut dicelupkan kedalam permukaan zat cair maka zat cair tersebut permukaannya akan naik sampai ketinggian tertentu. Pada percobaan ini salah satu aspek yang mudah diamati adalah tentang sifat zat cair yaitu apakah zat cair itu adhesive atau non-adhesive. Kemudian, pada metode maximum Buble Pressure, gelembung akan bergantung pada tekanan yang diberikan. Saat tekanan ditambahkan maka jari – jari gelembung akan membesar. Saat gelembung membesar, pertama – tama jari – jari akan mengecil sampai mencapai minimum saat gelembung membentuk setengah lingkaran dengan jari – jari yang sama dengan jari – jari tube. Tambahan tekanan akan menyebabkan gelembung terlepas dari tube. Lalu pada metode Drop-Weight tegangan permukaan dan berat tetesan cairan sampel dibandingkan dengan tegangan permukaan dan berat cairan standar yang telah diketahui. Selanjutnya, pada metode piringan Wilhelmy (Wilhelmy Plate tensiometer), gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat piring diukur dan tegangan permukaan ditentukan. Namun, metode ini tidak lagi banyak digunakan. Kemudian metode Du Noüy-Padday Rod Pull tensiometer menggunakan batang yang diturunkan ke dalam cairan uji. Batang tersebut kemudian ditarik keluar dari cair dan gaya yang dibutuhkan untuk menarik batang justru diukur. Ini adalah metode yang agak baru yang akurat dan berulang. Du Noüy-Padday Rod Tarik tensiometer akan melakukan pengukuran cepat dan tidak seperti metode cincin dan plat, akan bekerja dengan cairan dengan berbagai
viskositas. Metode yang terakhir inilah merupakan metode yang paling efektif
untuk menentukan nilai tegangan permukaan.
Kesimpulan 1.
2. Tegangan permukaan pada cairan tunggal No Larutan γ (dyne/cm) 1 Air 21.0747342 9 2 Etanol 7.38073973 3 NaCl 22.9076548 4 4 MgCl2 27.1350395 9 5 Kloroform 9.49591261 6 Air + NaCl = 1:3 25.4086874 9 7 Air + NaCl = 3:1 7.07980726 5
3. Tegangan permukaan antar muka pada 2 larutan yang tidak saling campur
Air + kloroform = 1 : 1 P = 6.078806553 dyne/cm
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan syukur dan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa yang selalu memberikan kekuatan dan petunjuk dalam mencari bahan untuk mengerjakan laporan ini. Penulis juga menyampaikan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada teman-teman Kimia ITB 2008, terutama rekan-rekan satu kelompok praktikum Kimia Fisik ini, yang telah membantu dan bekerja sama dalam menyelesaikan laporan ini.
Referensi
1. http://www.nikhef.nl/~h73/kn1c/praktik um/phywe/LEP/Experim/1_4_05.pdf (tanggal akses : 28 Oktober 2010 pukul15.17)
2. http://www.qclabequipment.com/cscte nsiometer.html (tanggal akses : 28 Oktober 2010 pukul 16.14)
3. Daniels et al. 1970. “Experimental Physical Chemistry 7th Ed.” p.357-365 4. F. Daniels, R. A. Alberty. “Physical
Lampiran
A. Jawaban Pertanyaan
1. γ I lebih kecil daripada γ cairan – cairan murninya karena adanya gaya adhesi antara cairan tersebut dengan cincin. Partikel yang massa jenisnya lebih besar akan ditarik ke antarmuka kedua cairan, namun karena tidak sejenis, maka partikel tersebut akan bersiat adhesive (menyebar) sehingga resultan yang dihasilkannya kecil, menyebabkan tegangan permukaan yang dihasilkannya juga kecil.
2. Cara penentuannya dengan metode Maximum Bubble Pressure. Pada metode maximum Buble Pressure, gelembung akan bergantung pada tekanan yang diberikan. Saat tekanan ditambahkan maka jari – jari gelembung akan membesar. Saat gelembung membesar, pertama – tama jari – jari akan mengecil sampai mencapai minimum saat gelembung membentuk setengah lingkaran dengan jari – jari yang sama dengan jari – jari tube. Tambahan tekanan akan menyebabkan gelembung terlepas dari tube. Pmax = 2γ /r + gh(ρ -ρ 0).
3. Penentuan γ dengan prinsip yang sama diterapkan juga pada penentuan tegangan permukaan zat cair dengan menggunakan kawat lurus yang dibengkokkan.
larutan sabun kawat bengkok
kawat yang bisa digeser W1
W2
Kawat digeser sejauh s maka ada tambahan luas = l . s.
Untuk menambah luas tersebut perlu dilakukan usaha dari luar W = F . s
Usaha yang dilakukan per satuan luas adalah
2.l.s
F.s
=2l
F
= γUsaha yang dilakukan per satuan luas adalah tegangan permukaan = besarnya energi per satuan luas
Satuan tegangan permukaan =
meter
Newton
= 2m
Joule
Alat untuk menentukan tegangan permukaan disebut Neraca Torsi.
Gaya yang digunakan untuk menahan kawat supaya kawat dalam keadaan setimbang.
F = W1 + W2
γ =
2l
1. Ramsay Shields merupakan persamaan yang menghubungkan tegangan permukaan dengan temperature.
γ ( Mv)2/3 = k(tc – 6 – t)
dengan tc adalah temperatur kritis dan M adalah berat molekul.