Post on 08-Dec-2015
description
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Analisis termal dapat didefinisikan sebagai pengukuran sifat-sifat suatu
materi sebagai fungsi terhadap temperatur. Dalam prakteknya, istilah analisis
termal digunakan hanya untuk menutupi sifat-sifat spesifik tertentu. Sifat-sifat
tersebut antara lain entalpi, kapasitas panas, massa, dan koefisien ekspansi termal.
Pengukuran koefisien ekspansi termal logam adalah contoh sederhana dari analisis
termal. Contoh lain adalah pengukuran perubahan massa dari oksida garam atau
garam terhidrat saat garam-garam tersebut terurai karena panas. Dengan peralatan
modern, materi dalam skala yang luas dapat dipelajari.
Apabila material dipanaskan dengan laju pemanasan tetap, terjadi perubahan
kimia, seperti oksidasi dan degradasi, dan atau perubahan fisika, seperti transisi
gelas pada polimer, konversi/inversi pada keramik dan perubahan fase pada
logam. Analisis termal digunakan sebagai pelengkap analisis difraksi sinar-X.
Mikroskopi optik dan elektron digunakan untuk pengembangan material baru dan
untuk pengendalian produksi, kadang-kadang digunakan untuk menetapkan
perubahan temperatur dan energi berkaitan dengan perubahan struktural; pada
kesempatan lain digunakan secara kualitatif untuk menetapkan jejak ”sidik jari”
karakteristik material tertentu.
Berbagai teknik analisis termal digunakan untuk mengukur satu atau lebih
sifat fisik dari sampel sebagai fungsi temperatur. Salah satunya adalah DTA yang
mengukur perubahan aliran energi. Pada metode tersebut dapat dilakukan
pemanasan dan pendinginan tepogram, akan tetapi pada umumnya operasi
dilakukan degan menaikkan temperatur secara perlahan-lahan. Ruang sampel
dapat mengandung udara, oksigen, nitrogen, argon dan lain-lain atau vakum.
Sampel dalam jumlah beberapa puluh miligram cukup memadai.
Dalam bidang metalurgi dan ilmu material kegunaan dari DTA ini adalah
untuk mempelajari transisi fasa yang terjadi dibawah pengaruh atmosfer,
temperatur, laju pemanasan atau pendinginan.
1
B. Tujuan Penulisan
Tujuan ditulisnya makalah ini selain untuk memenuhi tugas mata kuliah
Kimia Anorganik III adalah untuk:
(1) memberikan pengenalan terhadap instrumen analisis termal DTA;
(2) memberikan gambaran fisik instrumen DTA;
(3) menjelaskan cara mengoperasikan instrumen DTA; dan
(4) memberikan informasi mengenai pengolahan data DTA.
2
BAB II
PEMBAHASAN
A. Pengenalan DTA
Salah satu teknik yang digunakan dalam analisis termal yakni analisis
termal diferensial (DTA) yang mengukur perbedaan temperatur, ΔT, antara
sampel dan material pembanding yang inert sebagai fungsi waktu; untuk itu DTA
digunakan untuk mendeteksi perubahan panas. Material referensi (referent inert)
yang biasa digunakan adalah almina (Al2O3). Hal ini dikarenakan termogram
alumina menunjukkan konstan sampai suhu 1000an oC, berarti alumina tidak
mengalami perubahan sampai suhu tersebut. Sementara material sampel
merupakan bahan yang akan diuji secara termal. Temperatur sampel dan blanko
harus sama hingga terjadi suatu kondisi termal, seperti peleburan, dekomposisi,
atau perubahan dalam struktur kristal, yang terjadi dalam sampel, dimana dalam
kasus ini dapat terjadi perubahan yang sifatnya eksotermik (suhu sampel berada di
atas referen) atau pun endotermik (suhu sampel berada di bawah referen)
Perbedaan temperatur dapat juga timbul di antara dua sampel yang inert
ketika respon keduanya terhadap pemanasan tidaklah sama. Sehingga dengan
demikian, DTA dapat digunakan untuk mempelajari sifat-sifat termal dan
perubahan fase yang tidak menjurus pada suatu perubahan di dalam entalpi. Garis
dasar (base line) pada kurva DTA memperlihatkan proses yang terputus
(diskontinu) pada saat terjadinya transisi temperatur dan slope pada kurva tersebut
pada beberapa titik akan bergantung pada konstitusi mikrostruktural pada
temperatur tersebut.
Kurva DTA dapat digunakan untuk tujuan identifikasi, sebagai contoh, pada
penelitian terhadap lempung dimana kesamaan stuktur dari pandangan wujud
difraksi yang berbeda sulit untuk diinterpretasikan. Daerah di bawah puncak
(peak) DTA dapat dirujuk pada suatu perubahan entalpi dan ini tidaklah
dipengaruhi oleh kapasitas panas dari sampel.
Instrumen DTA komersial tersedia dengan skala temperatur -190 sampai
1600ºC. Ukuran sampel biasanya kecil, beberapa miligram, karena akan lebih
sedikit masalah dengan gradien termal dalam sampel yang mungkin akan
3
mengurangi sensitivitas dan akurasi. Rangkaian DTA biasanya didesign dengan
sensitivitas maksimum untuk perubahan termal, tapi rangkaian ini seringkali
kehilangan respon dari kalorimeter. Jika data kalorimetri dibutuhkan, biasanya
akan lebih baik dan lebih mudah untuk menggunakan Pembacaan Diferensial
Kalorimetri (DSC).
B. Deskripsi Fisik (Gambar) DTA
Gambar 1. Alat DTA
Beberapa fitur kunci dari suatu analisis termal diferensial adalah sebagai
berikut:
a. Wadah cuplikan yang di dalamnya terdapat termokopel, kontainer
sampel dan blok logam atau blok keramik
b. Tanur
c. Pengatur suhu
d. Sistem pencatat (recorder)
Manfaat atau kegunaan utama dari tanur yaitu menyediakan kondisi atau
daerah panas yang stabil dan besar dan harus mampu menanggapi dengan cepat
terhadap perubahan dari pengatur suhu (temperature programmer). Pengaturan
suhu sangatlah penting untuk memperoleh laju pemanasan yang konstan. Sistim
perekaman harus mempunyai suatu inersia yang rendah untuk tetap tanggap
4
terhadap variasi reproduksi di dalam percobaan (eksperimen) yang bersifat
membangun.
Wadah cuplikan terdiri dari beberapa thermokopel, masing-masing untuk
sampel yang dianalisis dan untuk pembanding, yang dikelilingi oleh suatu blok
untuk memastikan proses distribusi panas. Sampel diletakkan pada cawan
peleburan yang kecil dengan satu lekukan yang dirancang pada bagian alasnya
untuk memastikan peletakan yang pas dan nyaman di atas bead termokopel.
Cawan peleburan itu bisa dibuat dari bahan-bahan seperti Pyrex, silika, nikel atau
platinum, tergantung pada suhu dan sifat alami dari test/uji yang dilibatkan.
Penempatan termokopel-termokopel tersebut harusnya tidak boleh berkontakkan
langsung dengan sampel untuk menghindari kontaminasi dan degradasi sampel,
meskipun sensitivitas dalam hal ini bisa dikompromi.
Blok-blok logam bersifat sedikit lebih cenderung akan mengapung pada
base-line (garis dasar) jika dibandingkan dengan keramik yang memiliki porositas
tertentu. Sebaliknya, konduktivitas termalnya yang tinggi memberikan puncak
(peak) yang lebih kecil.
Selama percobaan-percobaan pada range temperatur 200 sampai 500oC,
permasalahan yang ditemui yakni di dalam mentransfer panas yang bersesuaian
dari benda uji. Ini bisa diatasi dengan menggunakan thermokopel-thermokopel
berbentuk cakram datar (flat discs) untuk memastikan kontak optimum dengan
alas datar dari kontainer sampel yang dibuat dari aluminium atau platinum foil.
Untuk memastikan reproduksibilitas, yang perlu dipastikan kemudian yaitu
termokopel dan kontainer sampel secara konsisten ditempatkan dengan tanggapan
satu sama lain.
DTA bekerja dengan software Proteus® pada MS windows®. Software
Proteus® memiliki segala yang dibutuhkan untuk membuat pengukuran dan
menghitung data hasil. Melalui kombinasi menus yang mudah dipahami dan
rutinitas otomatis, suatu alat diciptakan, yaitu yang sangat mudah digunakan, dan
pada saat yang sama memungkinkan analisis yang canggih. Software Proteus®
dilisensikan dengan instrument dan tentu saja dapat diinstal pada sistem komputer
lain.
5
Pengontrol aliran gas untuk satu gas tersedia untuk aliran gas yang dapat
dihasilkan berulangkali. Ukuran yang luas dari wadah (dapat terbuat dari
aluminium, platinum, alumina, dll) tersedia untuk material dan aplikasi yang
paling mungkin. Rangkaian lengkap dari standar untuk wadah sampel metal
(logam) dan keramik tersedia untuk kalibrasi temperatur dan nilai entalpi.
C. Prinsip Kerja DTA
Prinsip kerja DTA yaitu apabila temperatur sampel dan material diferen
dipanaskan pada temperatur konstan maka material diferen akan mengalami
kenaikan suhu sesuai dengan kenaikan suhu yang mengenainya, sementara itu
pada sampel akan terjadi kenaikan suhu atau penurunan suhu pada batas tertentu
sesuai dengan peristiwa yang terjadi pada sampel. Jika perubahan pada sampel
telah sempurna maka temperatur sampel akan konstan kembali, seiring dengan
material diferennya.
Ketika peristiwa yang terjadi adalah eksotermal, maka panas akan
dilepaskan oleh sampel sehingga dalam sampel akan terjadi kenaikan temperatur
yang ditandai dengan dengan satu puncak maksimum pada kurva DTA. Sedang
apabila perubahan terjadi pada sampel adalah proses endotermal maka akan
terjadi penyerapan panas oleh sampel yang ditandai dengan penurunan temperatur
dari sampel sehingga kurva DTA yang diperoleh adalah sebagai puncak
minimum.
Alat-alat yang digunakan dari DTA adalah sebagai berikut :
a. Sample holder beserta thermocouples, sample containers dan blok
keramik atau logam. Yang banyak digunakan adalah Al2O3
b. Furnace (tanur): furnace yang digunakan harus stabil pada zona panas
yang besar dan harus mampu merespon perintah dengan cepat dari
temperatur programmer
c. Temperature programmer: penting untuk menjaga laju pemanasan agar
tetap konstan
d. Sistem perekaman (recording)
6
Sample holder terdiri dari thermocouple yang masing-masing terdapat pada
material sampel dan reference. Thermocouple ini dikelilingi oleh sebuah blok
untuk memastikan tidak ada kebocoran panas. Sampel ditaruh di kubikel kecil
dimana bagian bawahnya dipasangkan thermocouple. Thermocouple diletakkan
langsung berkontakan dengan sampel dan material referensi. Gambar 2
menunjukkan skematis dari DTA yang digunakan untuk mengkarakterisasi
sampel.
Gambar 2. Gambar skematis sel DTA
Blok logam cenderung lebih bagus dibandingkan dengan keramik, karena
keramik mengandung banyak porositas. Namun di lain hal, konduktivitas thermal
mereka terlalu tinggi sehingga peaks yang ditimbulkan oleh kurva DTA lebih
rendah.
Pemasangan sampel diisolasi dari pengaruh listrik dapur dengan semacam
pembungkus yang biasanya terbuat dari platinum-coated ceramic material. Selama
eksperimen temperatur yang digunakan sampai 1500°C dengan laju pemanasan
dan pendinginan 50 K/menit. Dalam sumber yang berbeda di sebutkan bahwa
DTA dapat mencapai rentang temperatur dari -150-2400°C. Dapur crucible dibuat
7
dari tungsten atau grafit. Sangat penting untuk menggunakan atmosfer inert untuk
mencegah degradasi dari dapur crucible.
Tahap kerja DTA adalah sebagai berikut :
1. Memanaskan heating block
2. Ukuran sampel dengan ukuran material referensi sedapat mungkin identik
dan dipasangkan pada sampel holder
3. Thermocouple harus ditempatkan berkontakan secara langsung dengan
sampel dan material referensi
4. Temperatur di heating block akan meningkat, diikuti dengan peningkatan
temperatur sampel dan material referensi
5. Apabila pada thermocouple tidak terdeteksi perbedaan temperatur antara
sampel dan material referensi, maka tidak terjadi perubahan fisika dan
kimia pada sampel. Apabila ada perubahan fisika dan kimia, maka akan
terdeteksi adanya ΔT.
D. Penanganan Data DTA
Kurva DTA secara garis besar adalah kurva perbedaan temperatur antara
material sampel dengan material referensi. Kurva DTA dapat digunakan
sebagai finger print untuk tujuan identifikasi. Area dibawah peak kurva DTA
dapat diidentifikasi sebagai perubahan entalpi dan tidak dipengaruhi oleh
kapasitas panas sampel. Pada Gambar 2 ditunjukkan contoh kurva DTA dari perak
murni.
Gambar 3. Kurva DTA perak murni
8
DTA banyak digunakan untuk mengkarakterisasi sampel yang terbuat dari
clay atau material karbonat. Keterbatasan dari DTA ini adalah sensitivitasnya
yang cukup rendah. Seperti contoh pada Gambar 4, peak kurva DTA dari mineral
limonite yang ditunjukkan hanya satu, hal ini diakibatkan oleh kecilnya kuantitas
panas yang dikeluarkan sehingga sulit untuk dideteksi.
Gambar 4. Kurva pemanasan DTA pada mineral limonite
Meskipun begitu, kurva DTA dapat merekam transformasi apakah panas
didalam chamber itu diserap atau dikeluarkan. DTA sangat membantu untuk
memahami hasil dari XRD, analisis kimia dan mikroskopi. Keuntungan dari DTA
adalah :
a. dapat menentukan kondisi eksperimental sampel (baik dengan tekanan
tinggi atau vakum)
b. instrument dapat digunakan dalam temperatur tinggi
c. karakteristik transisi dan reaksi pada temperatur tertentu dapat dideteksi
dengan baik
DTA juga dapat digunakan untuk menghitung ukuran kuantitatif seperti
pengukuran entalpi. DTA dapat mendeteksi perubahan yang instan pada massa
sampel. Karena DTA mengijinkan sampel mengalami kehilangan berat saat
pengukuran, DTA sangat berguna untuk material dengan dekomposisi yang cukup
9
intensif seperti elastomer, material eksotermik, dll. Berikut faktor-faktor yang
mempengaruhi hasil pengujian DTA :
a. Berat sampel
b. Ukuran partikel
c. Laju pemanasan
d. Kondisi atmosfir
e. Kondisi material itu sendiri
Jadi dapat didefinisikan kalau DTA adalah teknik untuk merekap perbedaan
temperatur antara sampel material dengan material referensi terhadap waktu atau
temperatur, dimana kedua spesimen diperlakukan dibawah temperatur yang
identik didalam lingkungan pemanasan atau pendinginan pada laju yang dikontrol.
Plot lainnya yang juga bermanfaat adalah mengikuti perubahan termal pada
pendinginan dan pemanasan. Pada penggunaan keduanya, pemisahan antara
proses-proses reversibel, seperti pelelehan/pemadatan, dan proses-proses
irreversibel, seperti reaksi-reaksi dekomposisi, dimungkinkan. Sekuen skematik
DTA yang mengilustrasikan perubahan reversibel dan irreversibel diperlihatkan
pada Gambar 5. dimulai dengan material terhidrasi, dehidrasi menjadi proses
pertama yang terjadi pada pemanasan dan ditunjukkan oleh suatu endoterm.
Material terdehidrasi mengalami transisi polimorfik, yang juga endoterm, pada
suhu yang lebih tinggi.
10
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Berdasarkan uraian-uraian di atas dapat diambil kesmipulan berikut ini:
1. Analisis termal adalah pengukuran sifat-sifat suatu materi sebagai
fungsi terhadap temperatur.
2. Salah satu teknik yang digunakan dalam analisis termal yakni
analisis termal diferensial (DTA) yang mengukur perbedaan
temperatur, ΔT, antara sampel dan material pembanding yang inert
sebagai fungsi waktu; untuk itu DTA digunakan untuk mendeteksi
perubahan panas.
3. Beberapa fitur kunci instrument DTA adalah wadah cuplikan yang
di dalamnya terdapat termokopel, kontainer sampel dan blok
logam atau blok keramik, tanur, pengatur suhu, dan sistem pencatat
(recorder).
4. DTA banyak digunakan untuk mengkarakterisasi sampel yang
terbuat dari clay atau material karbonat. Keterbatasan dari DTA ini
adalah sensitivitasnya yang cukup rendah.
11
DAFTAR PUSTAKA
Berger K.G., Akehurst E.E, 1969. Some Applications of Differential Thermal
Analysis to Oils and Fats. International Journal of Food Science &
Technology.
Currel, 1997. Principles of Thermal Analysis, TGA, DSC, STA, NETZSCH
Instruments. Newyork: Marcel Dekker.
Klancnik Grega, Jozef Medved and Primoz Mrvar, 2009. Differential Thermal
Analysis (DTA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) as A
Method Of Material Investigation. Slovenia
Schilling A. And M. Reibelt, 2007. Low-Temperature Differential-Thermal
Analysis to Measure Variations in Entropy. Zurich.
West A.R., 1984. Solid State Chemistry and Its Application, John Wiley and Sons,
Singapore.
12