Kimia fisika 1

cairan

CAIRAN

• Cairan memiliki molekul yang berdekatan shg hy tersisa sedikit ruang kosong, shg lbh sulit dimampatkan dibanding gas dan jauh lebih rapat pada keadaan normal.

• Cairan memiliki volume tertentu, karena molekul-molekul dalam cairan tidak saling memisah karena adanya gaya tarik. Molekul-molekulnya dapat bertukar tempat dg bebas, sehingga cairan dapat mengalir, dapat dituang, dan memiliki bentuk seperti wadahnya.

• Padatan, molekulnya terikat kaku pada tempatnya tanpa bebas bergerak

Gaya Antar Molekul

• Gaya antar molekul adalah gaya tarik diantara molekul-molekul tersebut (intermolecular forces)

• Gaya intramolekul (intramolecular forces) mengikat atom-atom dalam molekul. Gaya intramolekul menstabilkan molekul masing-masing, sedang gaya antarmolekul menyebabkan sifat-sifat materi dalam jumlah besar misalnya titik didih, titik leleh.

• Gaya antar molekul jauh lebih lemah daripada gaya intramolekul, jadi biasanya diperlukan energi yg jauh lebih kecil untuk menguapkan cairan daripada untuk memutuskan ikatan dalam molekul cairan.

Contoh: untuk menguapkan air 1 mol pada titik didihnya = 41 kJ, untuk memutuskan ikatan O-H dalam 1 molekul air = 930 kJ

Jenis gaya antar molekul

a. Gaya dipol-dipol (dipole-dipole forces)- Merupakan gaya yang bekerja antar molekul polar, yaitu antara

molekul-molekul yang memiliki momen dipol (gaya elektrostatik)- Makin besar momen dipolnya, makin kuat gayanya.

Gambar tersebut menunjukkan orientasi molekul-molekul polar dalam suatu padatan. Dalam cairan molekul tidak terikat sekaku seperti padatan, tetapi molekul tersusun sedemikian rupa sehingga interaksi tarik menarik secara maksimum.

+ - + - + -

- + - + - +

- Molekul diatomik seperti HCl, CO, NO (mengandung unsur-unsur berbeda) memiliki momen dipol dan disebut molekul polar. Molekul diatomik mengandung unsur-unsur yg sama , contoh H2, N2, dan O2 adalah non polar karena tidak memiliki momen dipol.

- Molekul yg tersusun atas tiga atau lebih atom, adanya momen dipol ditentukan oleh kepolaran ikatan dan geometri molekul.

Contoh: CO2, geometrinya linier atau menekuk? C O = C = O O O Molekul linier molekul menekuk (tdk ada momen dipol (memiliki momen dipol)

Dalam percobaan, CO2 tidak memiliki momen dipol, shg dapat disimpulkan bahwa molekul CO2 adalah linier.Kepolaran ikatan (momen dipol) adalah: µ = Q x r Q=muatan, r=jarak antar muatanMomen dipol dinyatakan dalam satuan debye (D), dimana 1 D=3,336x10-30 CmC=coulomb, m=meter

Untuk SO2 memiliki geometri menekuk, jadi molekul ini polar karena kedua momen ikatan tidak saling meniadakan satu sama lain.

S

O O

Momen dipol SO2 = 1,6 D

Jumlah momen

dipol

Daftar beberapa momen dipol molekul polar:

Molekul Geometri Momen dipol

HFHClHBrHI

H2OH2SNH3SO2

LinierLinierLinierLinier

MenekukMenekuk

Segitiga piramidamenekuk

1,921,080,780,381,871,101,461,60

Contoh Soal

Ramalkan apakah molekul-molekul di bawah ini memiliki momen dipol?a. IBr, BF3, CH2Cl2

b. AlCl3, CHCl3, dan CCl4 ?

B. Gaya ion dipol (ion dipole forces)

• Ikatan yg terjadi antara sutu ion (bisa kation atau anion) dg suatu molekul polar.

Na+

I-

Gambar interaksi ion-dipole

- +

+ -

• Kekuatan interaksi ini tergantung pada muatan dan ukuran ion. Muatan kation umumnya lebih terpusat karen lebih kecil drpd anion. Jadi untuk muatan yg sama, kation berinteraksi lebih kuat daripada anion.

C. Gaya dispersi (dispersion forces)

- Gaya tarik menarik yg timbul akibat/hasil dipol-dipol yg terinduksi sementara dalam atom atau molekul, dikemukakan oleh Fritz London.

- Gaya dispersi dapat dipelajari pada senyawa non polar

(A) Kation dipol terinduksi dipol dipol terinduksi

+ - + - + - +

Jika kita menempatkan ion atau molekul polar didekatkan pada suatu atom (molekul non polar) distribusi elektron pada atom (molekul) akan terganggu oleh gaya yg dilakukan oleh ion atau molekul polar. Dipol yg dihasilkan disebut “dipol terinduksi”Jadi dipol terinduksi: pemisahan muatan positif dan negatif dalam atom (molekul non polar) disebabkan oleh kedekatannya dg suatu ion atau molekul polar.

• Interaksi tarik menarik antara ion dan dipole terinduksi disebut ion-dipol terinduksi, sedang antara molekul polar dan dipol terinduksi disebut interaksi dipol-dipol terinduksi

• momen dipol terinduksi dapat pula disebabkan oleh kepolaran atom atau molekul. Kepolaran (polarizability) adalah kemudahan terganggunya distribusi elektron dalam suatu atom (molekul). Semakin banyak jumlah elektron dan semakin menyebar awan elektron dalam suatu atom (molekul) akan semakin besar kepolarannya.

Awan yg menyebar adalah awan elektron yg tersebar dalam volume yg ckp besar, sehingga elektron-elektron tsb tidak terikat kuat oleh inti

D. Ikatan hidrogen

Ikatan hidrogen termasuk jenis interaksi dipol-dipol khusus antara atom hidrogen dalam ikatan polar seperti pada N-H, O-H, F-H dg atom elektronegatif O, N, atau F H – O---H – O H H H H H – N ---H - N H H

H H H H – O --- H – N H – F---H – N H H

Tekanan Uap Cairan

• Pada saat molekul-molekul cairan di permukaan cairan meninggalkan cairan maka terjadi penguapan

• Molekul-molekul tersebut mempunyai tenaga yg lebih besar daripada tenaga rata-rata dalam cairan.

• Bila kecepatan penguapan dan pengembunan sama, maka terjadi kesetimbangan, dan tekanan uapnya disebut tekanan uap jenuh pada temperatur tersebut (tekanan uap)

• Banyaknya panas yg diperlukan untuk menguapkan cairan tergantung: jenis cairan, banyaknya cairan, dan temperatur

• Pada temperatur tertentu, banyaknya panas yg diperlukan untuk menguapkan 1 mol cairan disebut panas penguapan molar △Hv = Hv – Hl karena △H = △E + P △V maka △Hv = △E + P △V Hv = entalpi uap Hl = entalpi cairan △Hv = berharga positif P= tekanan uap cairan

Tekanan uap terhadap temperatur

• Tekanan uap cairan tergantung pada suhu, makin tinggi suhu makin besar tekanan uap dan mencapai harga maksimal pada suhu kritis

• Bila suhu diperbesar, maka molekul-molekul cairan tenaganya bertambah sehingga banyak meninggalkan cairan, akibatnya tekanan uap lebih besar (teori kinetik gas)

• Pada temperatur kritis kehendak untuk menjadi gas sangat besar dan pada saat tersebut tidak ada fase cair lagi

• Perubahan tekanan uap terhadap suhu dapat dinyatakan dengan persamaan Clausius-Clapeyron:

== Pada temperatur jauh dari kritis Vl <<<Vg dan bila uap

dianggap ideal, maka: == Persamaan di atas dapat diselesaikan dengan cara lain: d ln P = ln=) log =)

Tegangan permukaan

• Yaitu adanya gaya-gaya ke arah dalam yg menyebabkan adanya kecenderungan untuk mengerut, menyebabkan permukaan cairan seakan-akan berada dalam ketegangan. Tegangan ini disebut “tegangan muka” yg didefienisikan sebagai gaya dalam dyne yg bekerja sepanjang 1 cm pada permukaan zat cair (satuan : dyne/cm)

• Tenaga permukaan: kerja yg diperlukan untuk memperbesar luas permukaan cairan sebesar 1 cm2

Gbr. 1 . Tegangan muka

Bila pada kawat ABCD terdapat lapisan zat cair, kawat CD dapat bergerak bebas dan dianggap tdk mempunyai gesekan.F=gaya yg diperlukan untuk menggeser DC ke EG, maka kerja yg diperlukan: W=(F)(X)Gaya F diperlukan untuk melawan gaya akibat tegangan muka.Bila γ = tegangan muka, maka besarnya gaya akibat tegangan muka adalah = 2γl (sebab ada 2 lapisan) Jadi F= 2γl atau W=FX = 2γlX,

Jadi γ=F/2l=dyne/cm=N/m

Karena 2lx = △A, maka W=γ2lx W=γ△A γ = W/△A, dimana γ=gaya dalam dyne yg bekerja sepanjang 1 cm pada permukaan cairan = usaha dalam erg yg diperlukan untuk memperluas permukaan cairan sebesar 1 cm2

• Cairan cenderung mengikuti bentuk wadahnya. Mengapa air membentuk butiran-butiran di atas mobil yg baru digosok dengan zat pengkilap dan tidak membentuk lapisan di atas permukaan?

Jawab: karena adanya gaya antar molekul -molekul-molekul dalam cairan ditarik ke segala arah oleh gaya antar molekul (tidak ditarik ke arah tertentu). Molekul-molekul pada permukaan ditarik ke bawah dan ke samping oleh molekul-molekul lainnya, tetapi tidak ke atas ke luar permukaan

Gambar 2. gaya antar molekul yg bekerja pada suatu molekul pada lapisan permukaan suatu cairan dan dalam cairan

Jadi, tarik menarik antar molekul ini cenderung menarik molekul-molekul ke dalam cairan dan menyebabkan permukaan menegang seperti lapisan tipis elastis.Terdapat sedikit atau tidak ada tarik menarik antara molekul air polar dengan molekul pelapis cat mobil (non polar) yg baru digosok, tetesan air membentuk tetesan kecil.Ukuran gaya elastis pada permukaan cairan adalah tegangan permukaan.

Jadi tegangan permukaan (surface tension) suatu cairan: Jumlah energi yang dibutuhkan untuk menarik/memperluas permukaan sebesar satu satuan luas.

Zat cair γ (dyne/cm)Air

BenzenaEtanolAseton

KloroformAir raksa

72,828,922,323,227,146,0

Tegangan permukaan dapat dipelajari dalam aksi kapiler.- Gaya yg berperan adalah gaya kohesi dan adhesi

b

a bPada gambar a. lapisan tipis air merayap ke dinding tabung kaca. Tegangan permukaan ini menyebabkan lapisan air mengerut, ketika hal ini terjadi, lapisan menarik air ke atas tabung.Gaya yang bekerja pada (a) adalah adhesi dimana terjadi tarik menarik antar molekul yg berbeda (antara air dan tepi tabung kaca/adhesi lebih kuat daripada kohesi) sampai pada gaya adhesi diseimbangkan oleh berat air dalam tabung

• Pada gambar (b), merkuri memiliki gaya kohesi lebih kuat daripada adhesi antara mekuri dan kaca, sehingga terjadi penurunan permukaan cairan ketika tabung kapiler dicelupkan ke dalam merkuri

Pengukuran tegangan permukaan

• Cara kapilerDalam hal ini jika cairan membasahi dinding maka permukaan berbentuk cekung (concave), bila tidak membasahi dinding maka permukaan berbentuk cembungCekung : gaya adhesi > kohesiCembung: gaya adhesi < kohesi

h ∅ F1 =2r γ cos∅ F1 = gaya ke atas r = jari-jari kapiler γ = tegangan muka ∅ = sudut kontak

Kenaikan cairan akan berhenti setelah cairan mencapai tinggi h (gaya F1 diimbangi oleh F2 akibat berat cairan) F2 = r2 hdg

d= kerapatan cairan g = percepatan gravitasi bumi h = tinggi cairan F1 = F2

r2 hdg= r2 hdg/ = rhdg/ Untuk cairan yg membasahi gelas =0, jadi cos =1=

Cara tensiometer (cara du NuOy):

Suatu cincin Pt dimasukkan dalam cairan yg diselidiki dan gaya yg diperlukan untuk memisahkan cincin dari permukaan diukur.Besarnya gaya ke bawah akibat tegangan muka, F2 = 2l ,

dimana = tegangan muka, l=keliling lingkaran, 2=2 permukaan (luar dan dalam)

F1

F1=F2

= 2l

= F1/2l

VISKOSITAS

• Viskositas adalah ukuran hambatan suatu fluida untuk mengalir. Makin besar viskositas, makin lambat aliran cairan. Viskositas cairan biasanya turun dg meningkatnya suhu. Sirup gula panas lebih cepat mengalir daripada sirup gula dingin.

• Cairan yg mempunyai gaya antar molekul yg kuat memiliki viskositas yg lbh besar dibanding cairan yg memiliki gaya antar molekul yg lemah.

• Air memiliki viskositas yg lbh besar dibanding kebanyakan cairan karena kemampuannya membentuk ikatan hidrogen.

Yang menarik, gliserol memiliki viskositas jauh lebih besar daripada semua cairan. CH2-OH

CH-OH

CH2-OHSeperti air, gliserol membentuk ikatan hidrogen. Setiap molekul gliserol memiliki 3 gugus –OH yg dapat turut serta dalam ikatan hidrogen dg molekul gliserol yg lain.Selain itu, karena bentuk molekulnya sehingga memiliki kecenderungan untuk menyangkut daripada menggelincir antara molekul satu dgn molekul yg lain.

Viskositas beberapa cairan yg umum pada suhu 200C

cairan Viskositas (Ndet/m2 )

Aseton (C3H6O)Benzena (C6H6)Karbon tetraklorida (CCl4)Etanol (C2H5OH)Dietileter (C2H5OC2H5)Gliserol (C3H8O3)Merkuri (Hg)Air (H2O)darah

3,16 x 10-4 6,25 x 10-4 9,69x10-4 1,20x10-3 2,33x10-4 1,491,55x10-3

1,01x10-3

4x10-3

• Ada dua tipe aliran cairan: laminar dan turbulen

• Aliran laminar (aliran kental) secara umum menggambarkan laju aliran yg kecil melalui sebuah pipa dengan garis tengah kecil

• Aliran turbulen (laju aliran yg besar) melalui pipa dengan diameter yg lebih besar

• Aliran Laminer• Setiap partikel bergerak dalam satu arah horisontal

sehingga terjadi lapisan-lapisan fluida dengan kecepatan berbeda

• Distribusi kecepatan tidak merata dan kuadratis• Bila pada aliran laminer disemprotkan cairan berwarna,

maka cairan tadi akan bergerak horisontal searah dengan aliran

• Aliran laminer terjadi bila :• Viskositas cairan tinggi• Kecepatan aliran rendah• Luas penampang pipa kecil

• Aliran Turbulen• Ada partkel-partikel yang bergerak ke arah lain sehingga tidak ada lagi

lapisan-lapisan dengan kecepatan berbeda• Bila pada aliran turbulen disemprotkan cairan berwarna, maka cairan

tersebut selain bergerak searah aliran juga ada yang bergerak ke arah radial sehingga akan memenuhi seluruh penampang pipa

• Distribusi kecepatan lebih homogen• Aliran turbulen terjadi bila :

• Viskositas cairan rendah• Kecepatan aliran tinggi• Luas penampang pipa besar

• Pengelompokan aliran cairan dapat diketahui menurut bilangan Reynoldnya, yaitu:

RN = Dimana: R=jari-jari pipa, d=kerapatan cairan, v=kecepatan rata-rata cairan sepanjang pipa, n = koefisien viscositasJika RN 4000 maka aliran turbulen˃Jika RN 2100 maka aliran laminer˂

• Contoh soal:1. Cari apakah aliran turbulen atau laminar dari data berikut: l=1 m, R=2.10-3 m, v=2.102 m/s, d=1,2 kgm-3 dan n=1,001.10-3 Pl (Nsm-2 ) Jawab: RN =

= 4,795.105 (turbulen)

-Volume cairan yang lewat dalam suatu penampang melintang per detik adalah: V= …......persamaan 1 Dimana = penurunan tekanan sepanjang l

-Profil kecepatan dalam aliran laminar: v= ……persamaan 2Contoh soal: Berapa kecepatan bila n-C4H9OH mengalir dalam pipa dengan jari-jari 2 cm. n pada 20oC=2,948.10-3 Pl, penurunan tekanan darah adalah 2.105 Nm-2 dan l=1mJawab: persamaan 2 dapat digunakan untuk menghitung v untuk berbagai harga r. Misalkan r = 0,2 cm = 2.10-3 m v==67,162.102 m/s

Penetapan viskositas cairan ( )ƞ• Viskositas cairan ditentukan berdasarkan

persamaan Poiseuille. =Ƞ V= volume cairan = viskositasȠ r=jari-jari l= panjang P= tekanan (dyne/cm2 )

Untuk dua zat cair dg tabung kapiler sama, maka = = Tekanan berbanding lurus dengan kerapatan, maka: = =

Contoh soal:

• Dalam viskometer Oswald, air membutuhkan waktu 25 detik untuk mengalir melalui tanda bawah dan atas, sedangkan cairan A membutuhkan waktu 38 detik. Kerapatan air dan cairan A pada 20oC masing-masing adalah 0,9982 dan 0,78945 kgdm3-. Jika air=1,005 ƞcP, hitung cairan A.ƞJawab:

ȠA=(1,005cP) =1,208cP

• Penetapan dapat dilakukan dengan viskometer Oswald

Gambar 3. viscometer oswaldSejumlah cairan dimasukkan dalam viskometer dalam termostat. Cairan diisap dg pompa ke dalam bola B, hingga permukaan di atas a. Cairan dibiarkan mengalir ke bawah dan waktu yg diperlukan untuk mengalir dari a ke b dicatat dengan stopwatch. Percobaan dilakukan dengan cairan pembanding setelah dibersihkan, sehingga dapat ditentukan t1 dan t2 =

*Penetapan berdasarkan hukum Stokes• Hukum Stokes berdasarkan bendah jatuh dalam

suatu medium zat cair• Benda bulat dengan radius (r) dan rapat (d), yg

jatuh karena gaya gravitasi fluida dg rapat dm maka akan dipengaruhi gaya gravitasi sebesar

F1 = 4/3 r3 (d-dm)g

Benda yg jatuh mempunyai kecepatan yg makin lama makin besar. Dalam medium ada gaya gesek, yg makin besar bila kecepatan benda jatuh makin besar.Pada saat setimbang, kecepatan benda jatuh tetap (v)

Besarnya gaya gesek menurut George G. Stokes, untuk benda bulat besarnya: F2 = 6 r

F1 = F2

4/3 r3 (d-dm)g = 6 r

= Rumus ini berlaku bila jari-jari benda yg jatuh relatif besar bila dibandingkan dg jarak antar molekul-molekul fluida

a

bViskometer bola jatuh

Bola jatuh dengan kerapatan (d) dan diameter (r) dijatuhkan ke dalam tabung dan waktu yg diperlukan untuk jatuh antara a & b, dicatat dg stopwatch

Dimana, s=jarak bola jatuh dm = rapat cairan

r= jari-jari bola t=waktu bola jatuh R=jari-jari tabung viskometer 2,4r/R= faktor koreksi untuk bejana dan tidak berlaku jika R>>>> r

Untuk 2 cairan: = (d-dm1)t1 / (d-dm2)t2

Sehingga dapat ditentukan bila , dm1 , dm2 , t1,t2 diketahui tanpa mencari S, V, R

Sedangkan harga fluiditas ( ) kebalikan dari Ɵviskositas = 1/Ɵ

Contoh Soal No. 1Bila sepanjang pipa berdiameter 150 mm mengalir gliserin pada 25 oC dengan kecepatan 3,6 m/s tentukan apakah jenis alirannya laminer atau turbulen

jawab:

2000708

708

96,0

)150,0)(6,3)(1258(

.1060,9

1258

1

3

R

R

N

VDN

sPax

m

kg

SATUAN VISKOSITAS DINAMIK

sPasm

N

smm

m

N

v

y

yv

22

Satuan viskositas yang sering digunakan adalah poise

sPampoisecentipoise

sPapoise

.1100

1

.1,0

Viskositas dinamik air sekitar 1 cp

Latihan soal 2

Jika: a. CHCl3 pada 20o C adalah 27,4

dyne/cm=27,4.10-3 N/m. d20 (H2O) = 0.9982 kg/dm3 dan d20 (CHCl3)=1,595 kg/dm3 . Jika kenaikan CHCl3 dan H2O dalam kapiler dengan garis tengah tertentu adalah 2,33 10-2 m dan 9,9 .10-2 m , hitung tegangan permukaan H2O

b. Hitung jari-jari pipa

a)

= 72,86.10-3 N/mr===1,55.10-4 m