Kesetimbangan fasa dan diagram fasa

Ditulis oleh Yoshito Takeuchi pada 11-08-2008

Selama ini pembahasan perubahan mutual antara tiga wujud

materi difokuskan pada keadaan cair. Dengan kata lain,

perhatian telah difokuskan pada perubahan cairan dan

padatan, dan antara cairan dan gas. Dalam membahas

keadaan kritis zat, akan lebih tepat menangani tiga wujud zat

secara simultan, bukan membahas dua dari tiga wujud zat.

Gambar 7.5 Diagram fasa. Tm adalah titik leleh normal air, , T3

dan P3 adalah titik tripel, Tb adalah titik didih normal, Tc

adalah temperatur kritis, Pc adalah tekanan kritis.

Diagram fasa merupakan cara mudah untuk menampilkan

wujud zat sebagai fungsi suhu dan tekanan. Sebagai contoh

khas, diagram fasa air diberikan di Gambar 7.5. Dalam diagram

fasa, diasumsikan bahwa zat tersebut diisolasi dengan baik dan

tidak ada zat lain yang masuk atau keluar sistem.

Pemahaman Anda tentang diagram fasa akan terbantu dengan

pemahaman hukum fasa Gibbs, hubungan yang diturunkan

oleh fisikawan-matematik Amerika Josiah Willard Gibbs (1839-

1903) di tahun 1876. Aturan ini menyatakan bahwa untuk

kesetimbangan apapun dalam sistem tertutup, jumlah variabel

bebas-disebut derajat kebebasan F- yang sama dengan jumlah

komponen C ditambah 2 dikurangi jumlah fasa P, yakni,

F=C+2-P … (7.1)

Jadi, dalam titik tertentu di diagram fasa, jumlah derajat

kebebasan adalah 2 – yakni suhu dan tekanan; bila dua fasa

dalam kesetimbangan-sebagaimana ditunjukkan dengan garis

yang membatasi daerah dua fasa hanya ada satu derajat

kebebasan-bisa suhu atau tekanan. Pada ttik tripel ketika

terdapat tiga fasa tidak ada derajat kebebasan lagi. Dari

diagram fasa, Anda dapat mengkonfirmasi apa yang telah

diketahui, dan lebih lanjut, Anda dapat mempelajari apa yang

belum diketahui. Misalnya, kemiringan yang negatif pada

perbatasan padatan-cairan memiliki implikasi penting

sebagaimana dinyatakan di bagian kanan diagram, yakni bila

tekanan diberikan pada es, es akan meleleh dan membentuk

air. Berdasarkan prinsip Le Chatelier, bila sistem pada

kesetimbangan diberi tekanan, kesetimbangan akan bergeser

ke arah yang akan mengurangi perubahan ini. Hal ini berarti air

memiliki volume yang lebih kecil, kerapatan leb besar daripada

es; dan semua kita telah hafal dengan fakta bahwa s

mengapung di air.

Sebaliknya, air pada tekanan 0,0060 atm berada sebagai cairan

pada suhu rendah, sementara pada suhu 0,0098 °C, tiga wujud

air akan ada bersama. Titik ini disebut titik tripel air. Tidak ada

titik lain di mana tiga wujud air ada bersama.

Selain itu, titik kritis (untuk air, 218 atm, 374°C), yang telah

Anda pelajari, juga ditunjukkan dalam diagram fasa. Bila cairan

berubah menjadi fasa gas pada titik kritis, muncul keadaan

antara (intermediate state), yakni keadaan antara cair dan gas.

Dalam diagram fasa keadaan di atas titik kritis tidak

didefinisikan.

1. Fasa

         Fasa adalah bagian yang serba sama dari suatu sisitem,

yang dapat dipisahkan secara mekanik , serbasama dalam hal

komposisi kimia dan sifat-sifat fisika. Dalam fasa uap

kerapatannya serbasama disemua bagian dalam uap tersebut.

Dalam fasa cair kerapatannya serbasama disemua bagian

dalam cair tersebut, tetapi nilai kerapatannya berbeda dengan

di fasa uap. Contoh nya air yang berisi pecahan-pecahan es

merupakan suatu sistem yang terdiri atas dua fasa yang

berwujud padat (es) dan fasa yang berwujud cair (air).

         Sistem yang hanya terdiri atas campuran wujud gas saja

hanya ada satu fasa pada kesetimbangan sebab gas selalu

bercampur secara homogen. Dalam sistem yang hanya terdiri

atas wujud cairan-cairan pada kesetimbangan bisa terdapat

satu fasa atau lebih tergantung pada kelarutannya.

         2. Komponen

Jumlah komponen dalam suatu sistem merupakan jumlah

minimum dari spesi yang secara kimia independen yang

diperlukan untuk menyatakan komposisi setiap fasa dalam

sistem tersebut. Cara praktis untuk menentukan jumlah

komponen adalah dengan menentukan jumlah total spesi kimia

dalam system dikurangi dengan jumlah-jumlah reaksi

kesetimbangan yang berbeda yang dapat terjadi antara zat-zat

yang ada dalam sistem tersebut. Contoh

CaCO3 <--> CaO + CO2

         komponen reaksi diatas dapat dihitung dengan

menggunakan rumus

                  C = S – R   = 3 – 1 = 2

         3. Derajat Kebebasan

Dalam membicarakan kesetimbangan fasa, kita tidak akan

meninjau variabel ekstensif yang bergantung pada massa dari

setiap fasa tetapi meninjau variabel-variabel intensif seperti

suhu, tekanan, dan komposisi (fraksi mol). Jumlah variabel

intensif independen yang diperlukan untuk menyatakan

keadaan suatu system disebut derajat kebebasan dari sistem

tersebut.

         4. Sistem Dua Komponen Cair-Cair

  

Dua cairan dikatakan misibel sebagian jika A larut dalam

jumlah yang terbatas, dan demikian pula dengan B, larut dalam

A dalam jumlah yang terbatas. Bentuk yang paling umum dari

diagram fasa T-X cair-cair pada tekanan tetap, biasanya 1 atm

(seperti gambar diatas). Diagram diatas dapat diperoleh secara

eksperimen dengan menambahkan suatu zat cair ke dalam

cairan murni lain pada tekanan tertentu dengan variasi suhu.

Cairan B murni yang secara bertahap ditambahkan sedikit

demi sedikit cairan A pada suhu tetap (T1). Sistem dimulai dari

titik C (murni zat B) dan bergerak kea rah kanan secara

horizontal sesuai dengan penambahan zat A. Dari titik C ke titik

D diperoleh satu fasa (artinya A yang ditambahkan larut dalam

B). Di titik D diperoleh kelarutan maksimum cairan A dalam

cairan B pada suhu T1.

Penambahan A selanjutnya akan menghasilkan sistem dua

fasa (dua lapisan), yaitu lapisan pertama (L1) larutan jenuh A

dalam B dengan komposisi XA,1 dan lapisan kedua (L2) larutan

jenuh B dalam A dengan komposisi XA,2. Kedua lapisan ini

disebut sebagai lapisan konyugat ( terdapat bersama-sama di

daerah antara D dan F).Komposisi keseluruhan ada diantara

titik D dan F. Di titik E komposisi keseluruhan adalah

XA,3. Jumlah relatif kedua fasa dalam kesetimbangan ditentukan

dengan aturan lever. Di titik E lapisan pertama lebih banyak

dari lapisan kedua. Penambahan A selanjutnya akan mengubah

komposisi keseluruhan semakain ke kanan, sementara

komposisi kedua lapisan akan tetap XA,1 dan XA,2.

Perbedaan yang terjadi akibat penambahan A secara terus

menerus terletak pada jumlah relative lapisan pertama dan

kedua. Semakin ke kanan jumlah relative lapisan pertama akan

berkurang sedangkan lapisan kedua akan bertambah. Di titik F

cairan A yang ditambahkan cukup untuk melarutkan semua B

dalam A membentuk larutan jenuh B dalam A. Dengan

demikian sistem di F menjadi satu fasa. Dari F ke G,

penambahan A hanya merupakan pengenceran larutan B

dalam A. Untuk mencapai titik G di perlukan penambahan

jumlah A yang tak terhingga banyaknya atau dengan

melakukan percobaan mulai dari zat A murni yang kemudian di

tambah zat B sedikit demi sedikit sampai di capai titik F dan

seterusnya.

Jika percobaan dilakukan pada suhu tinggi akan di peroleh

batas kelarutan yang berbeda. Semakin tinggi suhu, kelarytan

masing-masing komponen satu sama lain meningkat, sehingga

daerah fasa semakin menyempit. Kurva kelarutan pada

akhirnya bertemu disuatu titik pada suhu konsolut atas, atau

disebut juga suhu kelarutan kritis (Tc). Di atas titik Tc cairan

saling melarut sempurna dalam berbagai komposisi 

KESETIMBANGAN FASA DAN DIAGRAM FASA

Cairan dan padatan, seperti halnya gas, adalah fasa,

dirincikan oleh sampel materi yang seragam di seluruh

penyususun kimia dan keadaan fisiknya. Dua atau lebih fasa

dapat berada bersamaan. Kita misalkan, sedikit air cair di

masukkan dalam labu kosong, dengan suhu di pertahankan

25oC dengan menempatkan system itu dalam penangas

bersuhu tetap. Sebuah pengukur tekanan digunakan untuk

memantau perubahan uap air di dalam labu. Segera setelah air

memasuki labu, tekanan uap air mulai naik dari nol. Semakin

lama semakin naik dan akhirnya datar pada nilai 0,03126 atm,

yaitu tekanan uap air. Pada 25oC. Isi labu telah mencapai

kesetimbangan yaitu suatu keadaan yang tidak berubah lagi

sifat makroskopisnya asalakan sistem itu tetap terisolasi. Jalan

kearah kesetimbangan ini merupakan proses spontan, terjadi

dalam sisitem tertutup tanpa pengaruh luar jika sebagian uap

air yang terbentuk tadi dipindahkan, adalah air yang menguap

dari keadaan cairnya untuk mencapai kembali tekanan uap air

yang sama, yaitu Pvap(H2O)= 0,03126atm.

Menurut teori kinetik, molekul air dalam cairan berada dalam

gerak termal yang tetap. Sebagian air di dekat permukaan

bergerak cukup cepat untuk membebaskan diri darigaya tarik

menarik yang memeganginya dalam keadaan cair, proses

penguapan ini menyebabkan tekanan uap air meningkat. Jika

jumlah molekul dalam fasa uap meningkat, proses sebaliknya

mulai terjadi : molekul dalam uap menghantam permukaan

cairan dan sebagian di tangkap, menghasilkan kondensasi. Jika

tekanan gas dinaikkan laju kondensasi meningkat sampai

tercapai laju penguapan yang berimbang dari permukaannya.

Begitu keadaan ini tercapai, tidak ada lagi aliran bersih materi

dari satu fasa ke fasa lainnya; system telah mencapai

kesetimbangan, dicirikan dari nilai tertentu oleh tekanan uap

air. Molekul air terus menguap dari permukaan cairan, tetapi

molekul air lainnya kembali ke cairan dari uapnya dengan laju

yang sama. Fasa kesetimbangan yang sama terjadi antara es

dan air cair ada titik beku.

Tekanan uap air bergantung pada ukuran dan bentuk

wadahnya. Jika percobaan itu diulangi dalam labu yang lebih

besar maka lebih banyak air menguap kea rah kesetimbangan,

tetapi tekanan akhir didalam labu pada 25oC akan tetap

0,03126 atm. Asalkan masih ada sebagian air cair dala wadah

itu. Jika eksperimen di ulangi pada suhu 30oC, hal yang sama

akan terjadi kecuali bahwa tekanan dalam ruang di atas air

mencapai 0.04187 atm. Suhu yang ebih tinggi berkaitan

dengan energy kinetic rerata yang lebih besar bagi molekul air.

Suatu imbangan baru antara laju penguapan dan kondensasi

tercapai, tetapi dengan tekanan uap yang lebih besar. Tekanan

uap air, dalam semua zat lainnya, meningkat dengan

meningkatnaya suhu.

Kesetimbangan fasa adalah proses dinamik yang sangat

berbeda dengan kesetimbangan static seperti kelereng yang

berkisar dan berhenti jika dikisarkan dalam mangkuk. Dalam

kesetimbangan air cair dan uap air, tekanan parsial

mendatar,bukan karena berhenti penguapan dan kondensasi,

tetapi karena lajunya pada kesetimbangan menjadi sama. Satu

cirri lagi dari kesetimbngan yang dinyataka oleh system cairan

– uap ialah bahwa sifat system pada kesetimbangn tidak

bergantung pada arah dari mana kesetimbangan itu tercapai.

Jika kita injeksikan cukup uap air kedalam labu kosong sehingga

tekanan uap awalnya di atas tekanan uap air cair, Pvap(H2O),

maka air cair akan terkondensasi sampai kesetimbangan

tekanan uap yang sama tercapai (0,03126 atm ada 25 oC).

tentu saja, jika kita tidak menggunakan cukup uap air untuk

melampaui tekanan 0,03126 atm, semua air akan tetap berada

dalam fasa log dan kesetimbangan dua fasa tidak akan terjadi.

Keberadaan uap air diatas larutan berair mempunyai

konsekuensi praktis. Jika suatu reaksi dalam larutan berair

menghasilkan gas, maka gas akan basa, artinya mengandun

uap air pada tekanan parsial yang diberikan oleh uap air

kesetimbnagan dari air pada suhu eksperimen. Jumlah gas

yang dihasilkan ditentukan tidak oleh tekanan total tetapi oleh

tekanan parsial gas itu.

Kesetimbangan fasa dan diagram

Pembahasan perubahan mutual antara tiga wujud materi

difokuskan pada keadaan cair. Dengan kata lain, perhatian

telah difokuskan pada perubahan cairan dan padatan, dan

antara cairan dan gas. Dalam membahas keadaan kritis zat,

akan lebih tepat menangani tiga wujud zat secara simultan,

bukan membahas dua dari tiga wujud zat.

Gambar Diagram fasa.

Tm adalah titik leleh normal air, , T3 dan P3 adalah titik tripel,

Tb adalah titik didih normal, Tc adalah temperatur kritis, Pc

adalah tekanan kritis.

Diagram fasa merupakan cara mudah untuk menampilkan

wujud zat sebagai fungsi suhu dan tekanan. Sebagai contoh

khas, diagram fasa air diberikan di Gambar 7.5. Dalam diagram

fasa, diasumsikan bahwa zat tersebut diisolasi dengan baik dan

tidak ada zat lain yang masuk atau keluar sistem.

Pemahaman Anda tentang diagram fasa akan terbantu

dengan pemahaman hukum fasa Gibbs, hubungan yang

diturunkan oleh fisikawan-matematik Amerika Josiah Willard

Gibbs (1839-1903) di tahun 1876. Aturan ini menyatakan

bahwa untuk kesetimbangan apapun dalam sistem tertutup,

jumlah variabel bebas-disebut derajat kebebasan F- yang sama

dengan jumlah komponen C ditambah 2 dikurangi jumlah fasa

P, yakni,

F = C + 2 - P

Jadi, dalam titik tertentu di diagram fasa, jumlah derajat

kebebasan adalah 2 – yakni suhu dan tekanan; bila dua fasa

dalam kesetimbangan-sebagaimana ditunjukkan dengan garis

yang membatasi daerah dua fasa hanya ada satu derajat

kebebasan-bisa suhu atau tekanan. Pada ttik tripel ketika

terdapat tiga fasa tidak ada derajat kebebasan lagi. Dari

diagram fasa, Anda dapat mengkonfirmasi apa yang telah

diketahui, dan lebih lanjut, Anda dapat mempelajari apa yang

belum diketahui. Misalnya, kemiringan yang negatif pada

perbatasan padatan-cairan memiliki implikasi penting

sebagaimana dinyatakan di bagian kanan diagram, yakni bila

tekanan diberikan pada es, es akan meleleh dan membentuk

air. Berdasarkan prinsip Le Chatelier, bila sistem pada

kesetimbangan diberi tekanan, kesetimbangan akan bergeser

ke arah yang akan mengurangi perubahan ini. Hal ini berarti air

memiliki volume yang lebih kecil, kerapatan leb besar daripada

es; dan semua kita telah hafal dengan fakta bahwa s

mengapung di air.

Sebaliknya, air pada tekanan 0,0060 atm berada sebagai

cairan pada suhu rendah, sementara pada suhu 0,0098 °C, tiga

wujud air akan ada bersama. Titik ini disebut titik tripel air.

Tidak ada titik lain di mana tiga wujud air ada bersama.

Selain itu, titik kritis (untuk air, 218 atm, 374°C), yang

telah Anda pelajari, juga ditunjukkan dalam diagram fasa. Bila

cairan berubah menjadi fasa gas pada titik kritis, muncul

keadaan antara (intermediate state), yakni keadaan antara cair

dan gas. Dalam diagram fasa keadaan di atas titik kritis tidak

didefinisikan.

Kesetimbangan dinamis adalah keadaan dimana dua

proses yang berlawanan terjadi dengan laju yang sama,

akibatnya tidak terjadi perubahan bersih dalam sistem pada

kesetimbangan.

Contoh :

Fe(s) + HCl(aq) → FeCl2(aq) + H2(g)

Reaksi dapat berlangsung tuntas, yaitu zat yang direaksikan

habis dan terbentuk zat baru.

Reaksi Tuntas

Uap mengembun dengan laju yang sama dengan air

menguap.

Pelarutan padatan, sampai pada titik laju padatan yang

terlarut sama dengan padatan yang mengendap saat

konsentrasi larutan jenuh (tidak ada perubahan konsentrasi)

Reaksi yang dapat berlangsung dalam dua arah disebut reaksi

dapat balik.

Reaksi Bolak-Balik

Reaksi dapat berlangsung bolak balik, zat semula

(reaktan) direaksikan akan habis dan terbentuk zat baru

(produk). Zat baru yang terbentuk dapat dapat direaksikan

dengan zat lain menghasilkan zat semula. Reaksi ini disebut

reaksi bolak-balik.

Hal ini juga bisa digambarkan dengan hal sebagai berikut,

yaitu apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke

kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri maka, reaksi

dikatakan dalam keadaan setimbang. Secara umum reaksii

kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai :

A + B → C + D

Mula-mula zat A dan zat B sebagai reaktan (tidak harus

dalam jumlah yang sama) dicampur dalam suatu tabung reaksi.

Konsentrasi A dan B kemudian diukur pada selang waktu

tertentu. Bila hasil pengukuran itu digambarkan dalam sebuah

grafik konsentrasi sebagai fungsi dari waktu maka akan tampak

gambar sebagai berikut:

Perubahan konsentrasi terhadap waktu

Penurunan konsentrasi A dan B mula-mula terjadi dengan

cepat, makin lama semakin lambat sampai pada akhirnya

konstan. Sebaliknya yang terjadi pada produk zat C dan D.

Pada awal reaksi konsentrasinya = 0, kemudian bertambah

dengan cepat tapi makin lama semakin lambat sampai

akhirnya menjadi konstan. Pada waktu t = t~ konsentrasi

masing-masing zat A, B, C, dan D menjadi konstan, yang berarti

bahwa laju reaksi kekiri = laju reaksi kekanan.

Karakteristik keadaan kesetimbangan

Ada empat aspek dasar keadaan kesetimbangan, yaitu :

1. Keadaan kesetimbangan tidak menunjukkan perubahan

makroskopik yang nyata

2. Keadaan kesetimbangan dicapai melalui proses yang

berlangsung spontan

3. Keadaan kesetimbangan menunjukkan keseimbangan

dinamik antara proses maju atau balik

4. Keadaan kesetimbangan adalah sama walaupun arah

pendekatannya berbeda

DIAGRAM KESEIMBANGAN FASE PADA DISTILASI BINER

Data keseimbangan Uap-cair dapat disajikan dalam

kumpulan koordinat yang berbedda untuk menjelaskan dan

mengukur tingkatan pada proses distilasi. Kita akan menyusun

masing-masing grafik menggunakan batasan yang telah

ditentukan secara termodinamika dan menggambarkan arti

fisiknya. Hubungan antara jumlah tiap fase akan ditentukan

menggunakan Lever-rule.

DIAGRAM FASE

Pemisahan dari campuran cairan menjadi komponen-

komponennya adalah salah satu proses terpenting di industri

kimia. Prosedur yang umum untuk melakukan pemisahan ini

adalah distilasi, sebuah operasi yang berdasr pada feomena

fisik dimana uap dan cairan berada pada kondisi komposisi

setimbang yang biasanya berbeda. Nyatanya, bagian yang

menguap dari fase cairnya telah dihasilkan pada pemisahan

parsial pada awal pencampuran. Tingkat dari pemisahan akan

ditentukan dengan keseimbangan antara fase uap dan cairan.

Hubungan antar komposisi dari kedua fase pada keseimbangan

biasanya disajikan dengan diagram keseimbangan fase.

Metode penyajiannya harus tetap dengan jumlah variable yang

bersangkutan. Gibbs menampilkannya dalam keadaan

seimbang beserta sejumlah fase, berikut hubungan yang

relevan:

F= C + 2 – P ……………………….(1)

Dimana F adalah jumlah derajat kebebasan, atau variable

bebas. C adalah jumlah komponen dan P adalah jumlah fase

saat ini.

Penyajian grafis dari data akan bergantung dari nilai F dan kita

dapat memperkirakannya dan plotting akan meningkat lebih

kompleks sebagaimana membesarnya nilai F. Tafsiran tampilan

dari grafis biasanya membatasinya pada nilai F = 2, itulah

sebabnya disebut sistem biner.

Kebanyakan proses distilasi di industri dilaksanakan pada

tekanan relative konstan, dan untuk alasan ini diagram

keseimbangan fase di tampilkan pada isobar dengan suhu dan

komposisi pada koordinatnya.

DIAGRAM SUHU-KOMPOSISI

Diagram khusus suhu-komposisi ditunjukkan dalam Figure

1. Garis lengkung

ABC menunjukkan komposisi cair jenuh dan AEC komposisi fase

uap jenuh. Untuk alasan itu akan menjadi sedikit lebih jelas,

diagram ini juga disebut diagram boiling point. Untuk paham

arti dari diagram kita akan menunjukkan beberapa proses dan

melihat bagaimana itu dapat disajikan dalam diagram suhu-

komposisi.

Anggap suatu cair campuran G dengan komposisi xo dan

suhu T0. Jika mulai dipanaskan, maka suhunya akan naik

mencapai nilai T1 pada kurva ABC. Ini menandakan bahwa

campuran telah mencapai suhu jenuhnya sehinggapemanasan

lebih lanjut akan menyebabkan mendidih. Suhu T1 kemudian

dapat di asumsikan sebagai suhu dimana pertama kali

gelembung uap muncul, dan untuk alas an ini disebut titk didih

dari cairan pada komposisi x0. Kita telah menunjukkan

sebelumnya bahwa biasanya fase uap akan akan mempunyai

perbedaan komposisi dari komposisi fase cairnya. Komposisi ini

sesuai dengan y0 dan diperoleh dengan menggambar garis

mendatar (horizontal) pada T1 sampai memotong kurva ABC.

Pemanasan selanjutnya akan meningkatkan jumlah fase uap

saat ini dan sebagai akibatnyta akan mengubah komposisi dari

fase cairnya. Akhirnya, semua fase cair akan menguap dan

karena tidak ada material yang hilang, komposisi uap akhir

akan sama dengan campuran cair asli/awal (titik E). Ini

menunjukkan bahwa meskipun komposisi dari tiap fase

berubah terus menerus selam proses penguapan, komposisi

keseluruhan dari system adalah tetap atau konstan.

Penambahan panas akan menyebabkan uap kelebihan beban

sampai itu mencapai tahapan pada titikF.

Sekarang kita dapat membalikkan proses sebagai berikut.

Dimulai dengan uap lewat jenuh F pada suhu T2 kita dinginkan

sampai titik E pada kurva AEC. Di sini uap menjadi jenuh

sehingga pendinginan lebih lanjut akan menyebabkan fase cair

muncul. Suhu T3 dapat di asumsikan sebagai suhu dimana

pertama kalinya cairan tampak dan untuk alas an ini disebut

titik embun dari uap pada komposisi y0.

Sejak titik awal telah berubah ubah, beberapa penyusunan

awal komposisi x0 atau y0 dapat diperlakukan menjadi proses

yang dijelaskan di atas. Dengan kata lain, kurva ABC bias

didefinisikan sebagai kurva titik didih dan kurva AEC sebagai

kurva titik pengembunan. Kemudian kita dapat membagi grafik

T-x-y menjadi tiga wilayah: 1) Di bawah kurva ABC

menunjukkan campuran dalam keadaan cair dingin; b) wilayah

di atas AEC menunjukkan uap lewat jenuh; c) area di antara

dua kurva yang berhubungan adlah campuran jenuh dari

keseimbanganuap-cair.

Itu memungkinkan untuk menghitung proporsi relatif pada

saat keduanya fase jenuh? Untuk menjawab pertanyaan ini,

kita harus mengingat bahwa pendinginan atau pemanasan

tidak mengubah komposisi keseluruhan system Calling (T,xAT)

jumlah mol total dan komposisi system pada fase cair (L,xAL)

dan fase uap dalam keseimbangan (V,yAL), didapat:

Neraca Total Bahan:

T = L + V ……………………………………(2)

Neraca Bahan Komponen A:

T.xAT = L.xAL + V.yAV ………………(3)

Gantikan nilai T pada persamaan 3 dan disusun kembali,

didapat:

…...…….(4)

Persamaan 4 ini dikenal sebagai inverse lever-rule dan

akan membantu kita menhitung jumlah relative dari tiap fase.

DIAGRAM KOMPOSISI

Cara lain untuk menggambarkan perbedaan komposisi

dari fase cair dan fase uap adalah dengan menggambarkan /

meng plotkan satu dengan yang lain, biasanya dengan

komponen yang lebih volatil. Gambar 2 menunjukkan jenis

diagram komposisi. Garis 45* menunjukkan uap dengan

komposisi sama dengan bentuk cairnya, jadi kurva yang lebih

lebar menunjukkan pemisahan dari ini (cair-uap), bagian yang

lebih lebar merupakan perbedaan diantara 2 fase. Ini harus

dicatat bahwa perbedaan kesetimbangan, suhu berhubungan

dengan tiap titik dalam kurva.

Normalnya suhu ini tidak terindikasi

Gambar 1 dan 2 menunjukkan yang disebut system normal.

Bila komponen memiliki perbedaan sifat fisik atau interaksi

kimia yang kuat, maka akan terjadi perbedaan dalam diagram

suhu-komposisi dan diagram komposisinya, seperti yang

ditunjukkan dalam Gambar 3.

Gambar 3(a) dan 3(b) menunjukkan system azeotrop.

Campuran ini , dimana ada komposisi kritis

Posisi Xa dimana fase uap dan fase cair mempunyai

komposisi yang sama, jadi tidak terjadi perubahan saat

pemanasan di lakukan. Larutan tersebut disebut Azeotrop dan

untuk memisahkan larutan tersebut dilakukan beberapa

metode yang special. Gambar 3(a) menunjukkan bahwa titik

didih dari larutan adalah maksimum, yang disebut dengan

Maximum Boiling Azeotrop.

Gambar 3(b) menunjukkan hal yang sama, yang disebut

dengan Minimum Boiling Azetrop. Dari defenisi kata azeotrop,

kita dapat mengetahui bahwa kurva komposisi akan

menunjukkan Cross over point pada 45

Jika interaksi antara komponen-komponen cukup kuat,

pemisahan fase cair dapat terjadi.(Gambar 3(c)). Dalam

immisible region 2 fase cairan terjadi dan fase ini

mengindikasikan bahwa boiling temperature dari larutan sama

seperti komposisi dari fase uap yang konstan. Hubungan antara

komposisi dari 2 fase ditunjukkan dalam gambar 3(f)

EFEK TEKANAN DALAM KESETIMBANGAN FASE

Kita telah menyebutkan sebelumnya diagram fase

biasanya dikonstruksikan untuk tekanan yang tetap. Apa yang

akan terjadi bila kita mengubah tekanan operasi? Dalam

kondisi yang umum, kita dapat mengatakan bahwa kelakuan

kualitatif dari diagram akan tetap sama sampai tekanan dari

system melebihi tekanan kritis dari satu komponen. Dalam

jangkauan tekanan antara dua tekanan kritis, system akan

dapat menjadi fase cairan saja melebihi jangkauan komposisi

dimana fase cair terjadi. Dalam kata lain, bentuk yang umum

dari diagram akan tetap sama, diagram tak digunakan untuk

komposisi dibawah 0 sampai 1,0. Kenaikan tekanan akan

menurunkan jangkauan ini sampai suatu saat akan menghilang

sempurna.

CAMPURAN BINER

Posted by boddhileader on Agustus 8, 2011

Suatu larutan dikatakan sebagai larutan ideal apabila :

Homogen pada seluruh sistem mulai dari mol fraksi 0-1

Tidak ada entalpi percampuran pada waktu komponen-

komponen dicampur membentuk larutan (H percampuran = 0)

Tidak ada beda volume pencampuran artinya volume larutan =

jumlah volume komponen yang dicampurkan (V pencampuran

= 0)

Memenuhi hukum Raoult:

P1 = X1Po  P1 : tekanan uap larutan ; P2 : tekanan uap pelarut

murni ; X1 : mol fraksi mol

 

Dalam larutan ideal sifat komponen yang satu akan

mempengaruhi sifat komponen lain, sehingga sifat larutan yang

dihasilkan terletak diantara sifat kedua komponennya. Contoh

sistem benzena-toluena, sedangkan larutan non ideal adalah

larytan yang memiliki sifat-sifat diatas, larutan ini dapat dibagi

2 golongan yaitu :

Larutan non ideal deviasi positif yang memiliki volume

ekspansi. Dimana akan menghasilkan titik didih maksimum

pada sistem campuran itu. Contoh : sistem aseton – karbon

disulfida dan sistem HCL – air

Larutan non ideal deviasi negatif yang mempunyai volume

konstraksi. Dimana akan menghasilkan titik didih minimum

pada sistem campuran. Contoh : sistem benzena-etanol, dan

sistem aseton – klorofom

 

Dalam percobaan ini komposisi larutan merupakan harga mol

fraksi larutan. Untuk membuat diagram T-X maka harga X tidak

dihitung pada tiap-tiap titik didih tetapi dengan mengukur

indeks bias pada beberapa komposisi tertentu dari larutan,

kemudian dibuat dahulu grafik standart komposisi versus

indeks bias. Komposisi dapat dihitung sebagai berikut :

Misalnya mencampurkan a ml aseton dengan masa jenis ρ1,

dengan b mol klorofom massa jenis ρ2, maka komposisinya

adalah :

 

X1  =                    a     ρ 1    /     M 1       

a ρ1/M1 + b ρ2/M2

M1 : massa molekul aseton = 58 dan M2 : massa molekul

klorofom = 119,5

Distilasi Azeotrop digunakan dalam memisahkan campuran

azeotrop (campuran campuran dua atau lebih komponen yang

sulit di pisahkan), biasanya dalam prosesnya digunakan

senyawa lain yang dapat memecah ikatan azeotrop tsb, atau

dengan menggunakan tekanan tinggi. Azeotrop merupakan

campuran 2 atau lebih komponen pada komposisi tertentu

dimana komposisi tersebut tidak bisa berubah hanya melalui

distilasi biasa. Ketika campuran azeotrop dididihkan, fasa uap

yang dihasilkan memiliki komposisi yang sama dengan fasa

cairnya. Campuran azeotrop ini sering disebut juga constant

boiling mixture karena komposisinya yang senantiasa tetap jika

campuran tersebut dididihkan. Untuk lebih jelasnya, perhatikan

ilustrasi berikut :

 

Titik A pada kurva merupakan boiling point campuran pada

kondisi sebelum mencapai azeotrop. Campuran kemudian

dididihkan dan uapnya dipisahkan dari sistem kesetimbangan

uap cair (titik B). Uap ini kemudian didinginkan dan

terkondensasi (titik C). Kondensat kemudian dididihkan,

didinginkan, dan seterusnya hingga mencapai titik azeotrop.

Pada titik azeotrop, proses tidak dapat diteruskan karena

komposisi campuran akan selalu tetap. Pada gambar di atas,

titik azeotrop digambarkan sebagai pertemuan antara kurva

saturated vapor dan saturated liquid. (ditandai dengan garis

vertikal putus-putus Etanol dan air membentuk azeotrop pada

komposisi 95.6%-massa etanol pada keadaan standar.

 

 

Jika dua pelarut dapat membentuk azeotrop positif, maka

penyulingan campuran konstituen mereka akan

mengakibatkan distilat yang lebih dekat dalam komposisi

dengan campuran azeotrop dari awal. Sebagai contoh, jika

campuran 50/50 etanol dan air suling sekali, distilat akan

etanol 80% dan 20% air (lihat etanol data halaman ), yang lebih

dekat dengan campuran azeotrop daripada yang asli.

Penyulingan campuran 80/20% menghasilkan destilat yang

etanol 87% dan 13% air. Selanjutnya distillations ulang akan

menghasilkan campuran yang semakin dekat dengan rasio

azeotrop 95.5/4.5%. Tidak ada jumlah distillations, Namun,

yang akan menghasilkan distilat yang melebihi rasio azeotrop.

Demikian juga ketika menyuling campuran etanol dan air yang

lebih kaya dalam etanol dari azeotrop tersebut, distilat

(bertentangan dengan intuisi) akan miskin dalam etanol

daripada yang asli tapi sedikit lebih kaya dari azeotrop

tersebut.

 

 

Jika dua pelarut dapat membentuk azeotrop negatif, maka

penyulingan campuran konstituen mereka akan

menghasilkan residu yang lebih dekat dalam komposisi dengan

campuran azeotrop daripada yang asli.  Sebagai contoh, jika

sebuah asam klorida larutan mengandung kurang dari

20,2% hidrogen klorida , mendidih campuran akan

meninggalkan solusi yang lebih kaya di klorida hidrogen

daripada yang asli. solusi yang awalnya mengandung hidrogen

klorida lebih dari 20,2%, kemudian mendidih akan

meninggalkan solusi yang lebih miskin di klorida hidrogen

daripada yang asli. Perebusan dari setiap larutan HCl cukup

lama akan menyebabkan solusi ditinggalkan untuk pendekatan

rasio azeotrop.