BAB V LARUTAN
5.7 Distribusi Suatu Zat Terlarut antara Dua Pelarut
Jika larutan encer iodium digojog dengan CCl4 , iodium didistribusikan antara dua pelarut yang tidak dapat campur. Jika dan ` adalah potensial kimia iodium dalam air dan CCl4, maka pada kesetimbangan = `. Jika kedua larutan adalah larutan encer ideal, maka dengan memilih persamaan (5.15) untuk mengungkapkan dan `, kondisi kesetimbangan menjadi * + RT ln x = ’* + RT ln x’, yang dapat disusun ulang menjadi
RT ln
x
x' = - (`* - ) (5.26) Karena `* dan bebas dari komposisi, maka
x
x' =K (5.27) dimana K adalah koefisien distribusi atau koefisien partisi, tidak tergantung dari konsentrasi iodium dalam dua lapisan. Kuantitas `* - adalah perubahan energi Gibbs standar G* untuk transformasi
I2 (dalam air) I2 (dalam CCl4) Persamaan (5. 26) menjadi
RT ln K = - G * (5.28) yang merupakan hubungan umum antara perubahan energi Gibbs standar dan tetapan keseimbangan suatu reaksi kimia
Jika larutan sangat encer, maka fraksi mol proporsional terhadap molalitas atau molaritas, sehingga
K’ =
m
m' dan K’’ =
c
c' (5.29) Dimana K’ dan K’’ tidak tergantung pada konsentrasi dalam dua lapisan.
SOAL–SOAL:
1. Campuran gas dari dua zat di bawah tekanan total 0,8 atm berada dalam kesetimbangan dengan larutan cair ideal. Fraksi mol zat A adalah 0,5 dalam fase uap dan 0,2 dalam fase cair. Berapa tekanan uap dua cairan murni tersebut?
2. Beberapa sistem nonideal dapat direpresentasikan dengan persamaan p1 = x1o p1o
dan p2 = x2o p2o. Tunjukkan bahwa jika konstanta a > 1, maka tekanan total menunjukkan harga minimum, sedangkan jika a < 1, maka tekanan total menunjukkan harga maksimum.
3. Komposisi uap di atas suatu larutan ideal biner ditentukan dengan komposisi zat cair. Jika x1 dan y1 adalah fraksi mol zat 1 dalam zat cair dan uap, tentukan harga x1
yang mana y1 – x1 memiliki harga maksimum. Berapa harga tekanan pada komposisi tersebut?
4. Konstanta hukum Henry untuk argon dalam air adalah 2,17 x 104 pada 0o C dan 3,97 x 104 pada 30o C. Hitung panas larutan standar argon dalam air.
5. Pada 800o C, 1,6 x 104 mol O2 larut dalam 1 mol perak. Hitung koefisien edsorpsi Bunsen untuk oksigen dalam perak; (Ag) = 10,0 gram/cm3.
BAB VI
KESETIMBANGAN ANTAR FASE TERKONDENSASI Setelah mempelajari bab ini, diharapkan mahasiswa dapat:
1. memahami konsep kesetimbangan antar fase 2. memahami diagram eutektik sederhana
3. menjelaskan fenomena penurunan titik beku dan kenaikan titik didih 6.1 Kesetimbangan Cair–Cair
Jika sejumlah kecil toluena ditambahkan ke dalam ‘beaker glass’ yang telah terisi benzena lalu kita perhatikan, tanpa memandang jumlah toluena yang ditambahkan, campuran yang diperoleh akan berupa satu fase. Dua cairan tersebut disebut saling melarutkan (completely miscible). Kebalikan dari sifat ini jika air dicampurkan ke nitrobenzena akan terbentuk dua lapisan cairan yang terpisah,air akan mengandung sejumlah kecil nitrobenzena yang dapat larut,demikian juga nitrobenzena mengandung hanya sedikit air yang dapat larut. Cairan semacam ini disebut tidak saling melarutkan (immiscible). Jika sejumlah phenol ditambahkan ke dalam air mula mula akan terbentuk cairan satu fase, pada penambahan phenol selanjutnya maka air akan jenuh dengan phenol dan bila terus ditambahkan phenol ke dalamnya akan terbentuk dua lapisan cairan, satu lapisan kaya dengan air lapisan yang lain kaya dengan phenol. Cairan semacam ini disebut saling melarutkan sebagian (partially miscible). Sistem semacam inilah yang akan kita bahas di sini.
Perhatikan sistem yang berada dalam kesetimbangan yang terdiri dari dua lapisan cairan atau dua fase cairan. Misalnya salah satu lapisan cairan terdiri dari cairan A murni,lapisan yang lain adalah larutan jenuh A dalam B. Kesetimbangan ini secara termodinamika dapat dinyatakan bahwa potensial kimia A dalam larutan, A, sama dengan potensial kimia A dalam cairan murninya,0A. Yaitu A =0A, atau
A - 0A =0 (6.1) Apakah persamaan (6.1) dapat memenuhi untuk larutan ideal? Di dalam larutan ideal yaitu persamaan (5.3),
A - A0 = RT ln xA (6.2) Jelas dari persamaan (6.2) bahwa RT ln xA tidak pernah nol, jika tidak demikian maka campuran A dan B akan memiliki xA = 1, yang artinya, campuran tidak mengandung B.
Dalam gambar 6.1, A - 0A diplotkan terhadap xA untuk larutan ideal (garis penuh). Nilai
A - 0A negativ untuk semua komposisi larutan ideal. Artinya zat A murni saelalu dapat ditransfer ke dalam larutan ideal dengan berkurangnya energi Gibbs. Konsekuensinya, zat yang dapat membentuk larutan ideal tentu saling melarutkan satu sama lain secara sempurna.
(i – i o)
Gambar 6.1 Potensial kimia dalam larutan nonideal
Untuk kelarutan parsial nilai A - 0A akan nol pada beberapa komposisi tertentu, sehingga A - A0akan membentuk semacam kurva seperti yang tertera pada gambar 6.1.
Pada titik x'A,nilai A-0Aadalah nol,dan sistemnya adalah larutan dengan fraksi mol A =
'
xAdan lapisan lainnya terdiri dari cairan A murni.Nilai x'A adalah kelarutan A dalam B yang dinyatakan dalam fraksi mol.Jika fraksi mol A dalam B melebihi nilai ini ,maka seperti ditunjukkan oleh gbr.6.1 tampak bahwa A-0Aakan positif sehingga A 0A.Pada keadaan ini A secara spontan akan meninggalkan larutan untuk masuk ke cairan murninya (A), sehingga mengurangi xA hingga tercapai nilai kasetimbangan x'A.
Cairan yang hanya saling melarutkan sebagian akan membentuk larutan yang jauh dari ideal sebagaimana tampak pada kurva 6.1. Untuk mempelajari hal ini kita akan membatasi deskripsi masalahnya pada interpretasi hasil hasil eksperimen dalam lingkup aturan fase.
Perhatikan jika pada suhu T1, sejumlah kecil zat A ditambahkan secara berturut turut ke dalam cairan B. Mula mula A akan larut sempurna, keadaan ini dapat dilihat sebagaimana digambarkan pada diagram T-X yaitu gambar 6.2a, yang dinyatakan pada tekanan konstan. Titik a,b,c menunjukkan komposisi setelah penembahan A pada B.
Karena semuanya larut maka titik titik tersebut terletak pada daerah satu fase. Setelah penambahan sejumlah tertentu akan dicapai suatu batas kelarutan yaitu pada titik l1. Bila penambahan dilanjutkan akan dihasilkan dua lapisan cairan karena A tidak dapat larut lagi.
Jadi daerah disebelah kanan l1 adalah daerah dua fase. Hal yang sama dapat dilakukan sebaliknya yaitu B ditambahkan ke A dan akan diperoleh kurva sebagaimana tampak pada gambar 6.2a.
Gambar 6.2
Diagram T-X untuk sistem phenol-air tampak pada gambar 6.2b, apabila suhu dinaikkan maka kelarutan masing masing zat akan berubah . Kurva kelarutan akan bertemu di titik yaitu pada suhu konsolut atas(upper consolute temperature) yang juga disebut suhu larutan kritis (critical solution temperature), tc, di atas tc air dan phenol akan larut sempurna. Sembarang titik a di bawah lengkungan menyatakan keadaan sistem yang terdiri dari dua lapisan cairan, yaitu L1 dengan komposisi l1 dan L2 dengan komposisi l2 . Massa relativ dari dua lapisan tersebut dinyatakan oleh aturan Lever, yaitu merupakan perbandingan segmen dari garis dasi (l1l2).Yaitu :
) (
) (
1 2 2
1
al al moll
moll .
Beberapa sistem diketahui kelarutannya akan berkurang dengan naiknya suhu. Pada sistem ini dapat diamati adanya suhu konsolut bawah (lower consolute temperature),sebagaimana tampak pada gambar 6.3(a) yaitu sistem trietilamin-air yang suhu konsolut bawahnya 18,5-
0C. Karena kurva yang begitu datar sehingga sulit menentukan komposisi larutan pada suhu konsolutnya, hanya tampak kira kira 30% berat trietilamina. Jika larutan pada
keadaan a dipanaskan keadaannya akan tetap homogen sampai pada suhu sedikit di atas 18,50C; kemudian pada titik a’ cairan akan memisah menjadi dua lapisan. Pada suhu yang lebih tinggi lagi misalnya a” larutan akan mempunyai komposisi l1 dan l2, menurut aturan lever l1 akan lebih besar daripada l2. Pada tipe ini kelarutan bertahan pada suhu yang rendah,sehingga pada suhu yang lebih tinggi senyawa akan terdissosiasi.
Gambar 6.3.
Beberapa zat memiliki baik suhu konsolut atas maupun bawah. Diagram untuk sistem nikotin-air tampak pada gambar 6.3(b). Suhu konsolut bawah sekitar 610C, suhu konsolut atasnya 210 0C. Semua titik di dalam lengkungan terdapat dua fase, di luarnya adalah satu fase.
Aturan fase untuk sistem pada tekanan konstan adalah F’= C-P+1, dengan F’ adalah jumlah variabel selain tekanan yang diperlukan untuk mendeskripsikan sistem.
Untuk sistem dua komponen, F’ = 3-P. Jika ada dua fase maka hanya perlu satu variabel untuk mendeskripsikan sistem. Di daerah dua fase jika suhunya ditentukan maka perpotongan garis dasi dengan kurva akan menghasilkan komposisi larutan yang bersesuaian. Jika hanya satu fase, F’ = 2 maka suhu dan komposisi telah tertentu.