A. Judul Percobaan: Menentukan tegangan permukaan zat cair dengan pipa

kapiler

B. Tujuan : Mengukur tegangan permukaan larutan dengan metode pipa kapiler

C. Dasar Teori:

1. Pengertian Tegangan Permukaan.

Tegangan permukaan terjadi karena permukaan zat cair cenderung

untuk menegang sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis. Hal

ini dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi antara molekul air. Agar semakin

memahami penjelasan ini, perhatikan ilustrasi berikut. Kita tinjau cairan

yang berada di dalam sebuah wadah.

Molekul cairan biasanya saling tarik

menarik. Di bagian dalam cairan, setiap molekul

cairan dikelilingi oleh molekul-molekul lain di

setiap sisinya; tetapi di permukaan cairan, hanya

ada molekul-molekul cairan di samping dan di

bawah. Di bagian atas tidak ada molekul cairan

lainnya. Karena molekul cairan saling tarik menarik satu dengan lainnya,

maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada di

bagian dalam cairan. Sebaliknya, molekul cairan yang terletak dipermukaan

ditarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan bawahnya.

Akibatnya, pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke

bawah. Karena adanya gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang

terletak di permukaan cenderung memperkecil luas permukaannya, dengan

menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan cairan pada

permukaan seolah-olah tertutup oleh selaput elastis yang tipis. Fenomena ini

kita kenal dengan istilah Tegangan Permukaan.

2. Persamaan Tegangan Permukaan

Pada pembahasan sebelumnya, kita telah mempelajari konsep

tegangan permukaan secara kualitatif (tidak ada persamaan matematis). Kali

ini kita tinjau tegangan permukaan secara kuantitatif. Untuk membantu kita

menurunkan persamaan tegangan permukaan, kita tinjau sebuah kawat yang

dibengkokkan membentuk huruf U. Sebuah kawat lain yang berbentuk lurus

dikaitkan pada kedua kaki kawat U, di mana kawat lurus tersebut bisa

digerakkan.

Jika kawat ini dimasukan

ke dalam larutan sabun, maka

setelah dikeluarkan akan

terbentuk lapisan air sabun pada

permukaan kawat tersebut.

Mirip seperti ketika kamu

bermain gelembung sabun. Karena kawat lurus bisa digerakkan dan

massanya tidak terlalu besar, maka lapisan air sabun akan memberikan gaya

tegangan permukaan pada kawat lurus sehingga kawat lurus bergerak ke

atas (perhatikan arah panah). Untuk mempertahankan kawat lurus tidak

bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan), maka diperlukan gaya total

yang arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total adalah F = w + T.

Dalam kesetimbangan, F = gaya tegangan permukaan yang dikerjakan oleh

lapisan air sabun pada kawat lurus.

Misalkan panjang kawat lurus adalah l. Karena lapisan air sabun yang

menyentuh kawat lurus memiliki dua permukaan, maka gaya tegangan

permukaan yang ditimbulkan oleh lapisan air sabun bekerja sepanjang 2l.

Tegangan permukaan pada lapisan sabun merupakan perbandingan antara

Gaya Tegangan Permukaan (F) dengan panjang permukaan di mana gaya

bekerja (d). Untuk kasus ini, panjang permukaan adalah 2l. Secara

matematis, ditulis :

Karena tegangan permukaan

merupakan perbandingan antara Gaya

tegangan permukaan dengan Satuan panjang, maka satuan tegangan

permukaan adalah Newton per meter (N/m) atau dyne per centimeter

(dyn/cm).

1 dyn/cm = 10-3 N/m = 1 mN/m

Berikut ini beberapa nilai Tegangan Permukaan yang diperoleh berdasarkan

percobaan.

Zat cair yang

bersentuhan dengan udara

Suhu (oC) Tegangan Permukaan

(mN/m = dyn/cm)

Air 0 75,60

Air 20 72,80

Air 25 72,20

Air 60 66,20

Air 80 62,60

Air 100 58,90

Air sabun 20 25,00

Minyak Zaitun 20 32,00

Air Raksa 20 465,00

Oksigen -193 15,70

Neon -247 5,15

Helium -269 0,12

Aseton 20 23,70

Etanol 20 22,30

Gliserin 20 63,10

Benzena 20 28,90

Berdasarkan data Tegangan Permukaan, tampak bahwa suhu mempengaruhi

nilai tegangan permukaan fluida. Umumnya ketika terjadi kenaikan suhu,

nilai tegangan permukaan mengalami penurunan (Bandingkan nilai

tegangan permukaan air pada setiap suhu. Lihat tabel). Hal ini disebabkan

karena ketika suhu meningkat, molekul cairan bergerak semakin cepat

sehingga pengaruh interaksi antar molekul cairan berkurang. Akibatnya nilai

tegangan permukaan juga mengalami penurunan.

3. Metode penentuan tegangan permukaan diantaranya ialah metode

kenaikan pipa kapiler

Seperti yang telah dijelaskan pada pokok bahasan Tegangan

Permukaan, pada setiap permukaan cairan terdapat tegangan permukaan.

Apabila gaya kohesi cairan lebih besar

dari gaya adhesi, maka permukaan cairan akan

melengkung ke atas. Ketika kita memasukan

tabung atau pipa tipis (pipa yang diameternya

lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk

bagian cairan yang lebih tinggi. Dengan kata lain, cairan yang ada dalam

wadah naik melalui kolom pipa tersebut. Hal ini disebabkan karena gaya

tegangan permukaan total sepanjang dinding tabung bekerja ke atas.

Ketinggian maksimum yang dapat dicapai cairan adalah ketika gaya

tegangan permukaan sama atau setara dengan berat cairan yang berada

dalam pipa. Jadi, cairan hanya mampu naik hingga ketinggian di mana

gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan yang ada dalam

pipa.

Sebaliknya, jika gaya adhesi lebih besar

daripada gaya kohesi cairan, maka permukaan cairan

akan melengkung ke bawah. Ketika kita memasukan

tabung atau pipa tipis (pipa yang diameternya lebih

kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan yang lebih rendah.

Efek ini dikenal dengan julukan gerakan kapiler alias kapilaritas dan

pipa tipis tersebut dinamakan pipa kapiler. Perlu diketahui bahwa pembuluh

darah kita yang terkecil juga bisa disebut pipa kapiler, karena peredaran

darah pada pembuluh darah yang kecil juga terjadi akibat adanya efek

kapilaritas. Demikian juga fenomena naiknya leleh lilin atau minyak tanah

melalui sumbu. Selain itu, kapilaritas juga diyakini berperan penting bagi

perjalanan air dan zat bergizi dari akar ke daun melalui pembuluh xylem

yang ukurannya sangat kecil. Bila tidak ada kapilaritas, permukaan tanah

akan langsung mengering setelah turun hujan atau disirami air. Efek penting

lainnya dari kapilartas adalah tertahannya air di celah-celah antara partikel

tanah.

Persamaan Kapilaritas

Pada penjelasan sebelumnya, dikatakan

bahwa ketinggian maksimum yang dapat dicapai

cairan ketika cairan naik melalui pipa kapiler

terjadi ketika gaya tegangan permukaan

seimbang dengan berat cairan yang ada dalam

pipa kapiler. Nah, bagaimana kita bisa menentukan ketinggian air yang naik

melalui kolom pipa kapiler ? Untuk membantu kita menurunkan persamaan,

perhatikan gambar.

Tampak bahwa cairan naik pada kolom pipa kapiler yang memiliki

jari-jari r hingga ketinggian h. Gaya yang berperan dalam menahan cairan

pada ketinggian h adalah komponen gaya tegangan permukaan pada arah

vertikal : F cos teta

Bagian atas pipa kapiler terbuka sehingga terdapat tekanan atmosfir

pada permukaan cairan. Panjang permukaan sentuh antara cairan dengan

pipa adalah 2 phi r (keliling lingkaran). Dengan demikian, besarnya gaya

tegangan permukaan komponen vertikal yang bekerja sepanjang permukaan

kontak adalah :

Keterangan :

Apabila permukaan cairan yang melengkung ke atas diabaikan, maka

volume cairan dalam pipa adalah :

Apabila komponen vertikal dari Gaya Tegangan Permukaan seimbang

dengan berat kolom cairan dalam pipa kapiler, maka cairan tidak dapat naik

lagi. Dengan kata lain, cairan akan mencapai ketinggian maksimum, apabila

komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat

cairan setinggi h. Komponen vertikal dari Gaya tegangan permukaan

adalah :

Ketika cairan mencapai

ketinggian maksimum (h),

Komponen vertikal dari gaya

tegangan permukaan harus sama

dengan berat cairan yang ada dalam

pipa kapiler. Secara matematis,

ditulis :

Dimana:

h = Selisih tinggi permukaan zat cair dalam pipa kapiler dan tabung

reaksi

Dimasukkan dalam tabung reaksiDimasuki pipa kapiler Ditentukan tinggi air dalam pipa kapilerDitentukan tinggi selisih air dengan pipa dengan tinggi air dalam tabunr reaksiDihitung berat air dalam pipa kapilerDihitung volume air dalam pipa kapilerDihitung tegangan permukaan zat cair

Tegangan permukaan larutan volatil

Ditentukan berat jenisnya dengan piknometer dan neraca MohrLarutan Volatil

Berat Jenis larutan volatil

Larutan Volatil

ρ = Massa jenis zat cair

g = Gaya gravitasi

r = Jari-jari pipa kapiler

γ = Tegangan permukaan

θ = Sudut kontak

D. Alat dan Bahan

1. Alat :

a. Pipa kapiler

b. Neraca Mohr

c. Tabung reaksi

d. Piknometer

2. Bahan

a. Aquades

b. Larutan volatile (ethanol)

E. Alur Kerja

Dimasukkan dalam tabung reaksiDimasuki pipa kapiler Ditentukan tinggi air dalam pipa kapilerDitentukan tinggi selisih air dengan pipa dengan tinggi air dalam tabunr reaksiDihitung berat air dalam pipa kapilerDihitung volume air dalam pipa kapilerDihitung tegangan permukaan zat cair

Tegangan permukaan zat cair

Ditentukan berat jenisnya dengan piknometer dan neraca MohrAir

Berat Jenis

Air

Dimasukkan dalam tabung reaksiDimasuki pipa kapiler Ditentukan tinggi air dalam pipa kapilerDitentukan tinggi selisih air dengan pipa dengan tinggi air dalam tabunr reaksiDihitung berat air dalam pipa kapilerDihitung volume air dalam pipa kapilerDihitung tegangan permukaan zat cair

Tegangan permukaan larutan volatil

Ditentukan berat jenisnya dengan piknometer dan neraca MohrAir + Alkohol

Berat Jenis larutan volatil

Air + Alkohol

G. ANALISIS DAN PEMBAHASAN

Percobaan yang berjudul “Menentukan Tegangan Permukan Zat

Cair dengan Pipa Kapiler” ini bertujuan untuk mengukur tegangan permukaan

larutan dengan metode ipa kapiler. Zat yaang diukur tegangan permukaannya

adalah air, aetanol, dan etanol yang dicampur dengan air dengan perbandingan

50:50.

Yang pertama adalah mengukur tegangan permukaan air. Langkah

pertama yang dilakukan adalah menentukan berat jenis air menggunakan

piknometer dan neraca Mohr. Dari proses ini diperoleh nilai massa jenis air

sebesar 0,99 g/ml. Langkah kedua adalah mengukur selisih tinggi air dalam

pipa kapiler dengan tinggi air dalam gelas kimia. Caranya adalah dengan

mengisi gelas kimia dengan 50 ml air, kemudian memasukkan pipa kapiler

(yang telah diberi tanda batas sepanjang 1 cm dari ujug bawah pipa) kedalam

gelas kimia yang telah berisi air tersebut sedalam 1 cm dari permukaan air.

Setelah itu mengukur selisih tinggi air dalam pipa kapiler dengan tinggi air

dalam gelas kimia. Dari pengukuran tersebut diperoleh selisih sebesar 4mm,

sehingga dapat dihitung tinggi air dala pipa kapiler sebesar 1,4 cm. Langkah

ketiga adalah menentukan jari-jari pipa kapiler dari rumus volume tabung. Ini

dilakukan dengan menimbang pipa kapiler yang kosong dan diperoleh massa

sebesar 0,067 gram. Kemudian menimbang pipa kapiler yang telah diisi dengan

air setinggi 3,2 cm dan diperoleh massa sebesar 0,098 gram. Maka dapat

dihitung massa air dalam pipa kapiler sebesar 0,031 gram. Kemudian dengan

rumus massa jenis dapat ditentukan volume air dalam pipa kapiler sebesar

0,0313 ml. Dari data volume dan tinggi air dalam pipa kapiler, maka dapat

ditentukan nilai jari-jari pipa kapiler sebesar 0,056 cm. Setelah menentukan

nilai massa jenis air, tinggi permukaan air dalam pipa kapiler dan jari-jari pipa

kapiler, maka langkah keempat adalah menghitung tegangan permukaan air

dengan rumus γ=r . h . ρ . g2cosθ

dan diperoleh nilai tegangan permukaan air

sebesar 38,03 Dyne/cm.

Larutan kedua yang diukur tegangan permukaannya adalah etanol.

Menggunakan langkah yang sama seperti di atas, diperoleh nilai massa jenis

etanol adalah 0,79 g/ml, tinggi permukaan etanol dalam pipa kapiler sebesar

1,8 cm. Dari data tersebut dapat dihitung tegangan permukaan etanol sebesar

39,01 Dyne/cm.

Larutan ketiga yang diukur tegangan permukaannya adalah etanol yang

dicampur dengan air dengan perbandingan volume 50:50. Menggunakan

langkah yang sama seperti di atas, diperoleh nilai massa jenis etanol+air adalah

0,92 g/ml, tinggi permukaan etanol dalam pipa kapiler 2 cm. Dari data tersebut

dapat dihitung tegangan permukaan etanol sebesar 50,48 Dyne/cm.

Berdasarkan hasil percobaan yang telah dilakukan, dapat terlihat

bahwa tegangan permukaan zat cair (air, etanol, air+etanol) berbeda-beda. Hal

ini disebabkan karena interaksi molekul-molekul zat cair yang berbeda-beda

ula (jenisnya berbeda). Tegangan permukaan disebabkan oleh interaksi

molekul-molekul zat cair dipermukaan zat cair. Molekul-molekul zat cair yang

berada di bagian dalam dari fasa cair seluruhnya akan dikelilingi oleh molekul-

molekul zat cair yang lain, yang akan mengalami gaya tarik-menarik yang

sama ke segala arah. Berbeda halnya dengan molekul-molekul zat cair pada

permukaan yang hanya dikelilingi oleh molekul-molekul zat cair pada bagian

bawah, sedang pada bagian atas dikelilingi oleh molekul-molekul uap yang

jauh lebih renggang, sehingga gaya tarik kebawah lebih kuat dibanding gaya

tarik ke atas. Hal ini menyebabkan sifat kecenderungan zat cair untuk

memperkecil luas permukaanya. Dari uraian di atas, maka gaya antar molekul

masing-masing larutan saling mempengaruhi, sehingga larutan mengalami

kenaikan yang berbanding lurus dengan gaya antara molekulnya yang tinggi.

Artinya, semakin besar gaya yang bekerja maka semakin tinggi pula larutan

tersebut kenaikan.

Dari percobaan yang kami lakukan, ada beberapa hal yang tidak sesuai

dengan teori, diantaranya :

1. Secara teori, nilai tegangan permukaan air murni atau akuades pada suhu

kamar (27˚C) adalah 72 Dyne/cm sedangkan peda percobaan kimi

didapatkan nilai tegangan permukaan sebesar 30,03 Dyne/cm.

2. Secara terori, nilai tegangan permukaan etanol lebih kecil dari pada air,

namun pada percobaan kami yang terjadi adalah nilai tegangan permukaan

etanol lebih besar dari pada air

3. Secara teori, penambahan etanol terhadap air akan menurunkan tegangan

permukaan air secara drastis, sedangkan pada percobaan kami, camuran

alkohol dan iir justru memiliki nilai tegangan permukaan palinh tinggi.

Kesalahan dalam percobaan ini kemungkinan dipengaruhi oleh beberapa

faktor, diantaranya : aquadest yang kemungkinan terkontaminasi oleh senyawa

organik, kekurangbersihan dalam membilas gelas kimia yang sebelumya dicuci

dengan sabun, serta kekurangtelitian praktikan dalam mengamati dan

mengukur kenaikan zat cair dalam pipa kapiler.

H. SIMPULAN

Berdasarkan hasil percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:

1. Tegangan permukaan (g) didefinisikan sebagai gaya tiap satuan panjang

yang bekerja pada permukaan untuk melawan pembesaran permukaan, atau

sebagai energi persatuan luas yang diperlukan untuk memperluas

permukaan sebesar satu satuan luas pada suhu, tekanan, dan komposisi

tetap.

2. Berdasarkan praktikum kami, nilai tegangan permukann air, etanol,

air+etanol berturut-turut adalah 38,03 Dyne/cm; 39,01 Dyne/cm; dan 50,48

Dyne/cm

3. Tegangan permukaan air akan berkurang dengan penambahan etanol.

I. DAFTAR PUSTAKA

Bird, Tony. 1987. “Penuntun Praktikum Kimia Fisika untuk Universitas”. Alih

bahasa: Kwe Ie Tjien, Cet. 1. Jakarta: Gramedia.

Castellan, G.W. 1971. “Physical Chemistry”. 2nd ed.

Daniel et al. 1970. “Experimental Physical Chemistry”. 7th ed. McGraw Hill.

http://aktifisika.wordpress.com/2008/11/25/tegangan-permukaan-dan-kapila-

ritas/

http://www.gurumuda.com/tegangan-permukaan.html

http://www.gurumuda.com/kapilaritas.html

PERHITUNGAN

Menghitung massa jenis air

massa piknometer kosong = 28,435 gram

massa piknometer + air = 78,145 gram

massa air dalam piknometer = 78,145 + 28,435 = 49,71 gram

ρair=mV

=49,71 gram50 ml

=0,99g

ml

Menghitung jari-jari pipa kapiler

Massa pipa kapiler kosong = 0,067 g

Massa pipa kapiler + air = 0,098 g

Tinggi air dalam pipa = 3,2 cm

Massa air dalam pipa kapiler = 0,098 g - 0,067 g = 0,031 g

Volume air dalam pipa kapiler =

0 , 031 g

0 ,99g

ml

=0 , 0313 ml

V .tabung=π . r2 . t0 ,0313 cm3=3 ,14 .r2 .3,2 cmr=0 , 056 cm

Menghitung tegangan permukaan air

γ air =

r .h . ρ . g2

=

0 , 056 cm . 1,4cm . 0 ,99g

ml. 980

cm

s2

2

= 38,03 Dyne/cm

Menghitung tegangan permkaan etanol

ρ etanol = 0,79 g/ml

h = 1,8 cm

γ etanol =

r .h . ρ . g2

=

0 , 056 cm . 1,8 cm . 0 , 79g

ml. 980

cm

s2

2

= 39,01 Dyne/cm

Menghitung tegangan permukaan etanol + air

massa piknometer +etanol = 74,321 gram

massa air + etanol dalam piknometer = 74,321 + 28,435 = 45,886 gram

ρair +etanol=mV

=45,886 gram50 ml

=0,92g

ml

h = 2cm

γ etanol + air =

r .h . ρ . g2

=

0 , 056 cm . 2 cm . 0 , 92g

ml. 980

cm

s2

2

= 50,48 Dyne/cm

F. Hasil Percobaan :

No. Perlakuan Hasil Pengamatan Dugaan Simpulan

1. Aquades

- Mengukur berat piknometer kosong

-

-

Massa piknometer = 28,435 g

Massa pikno + air = 78,145 g

Massa pipa kosong = 0,067 g

Massa pipa + air = 0,098 g

Tinggi pipa = 3,2 cm

h = 1,4 cm

Kenaikan zat cair pada

pipa kapiler untuk

tiap-tiap zat cair

berbeda-beda karena

tegangan permukaan-

nya berbeda-beda

Bahwa tegangan permu-

kaan tiap-tiap zat ber-

beda. Ini ditunjukkan

dengan perbedaan kenai-

kan zat cair pada pipa

kapiler

Aquades

- Dimasukkan dalam pikno- meter

- Ditimbang beratnya

Massa

Aquades

-Dimasukkan dalam gelas kimia

- Dimasuki pipa kapiler

- Diukur selisih tinggi per-mukaan

h

- Menimbang berat pipa kapiler kosong

- Mengukur berat pipa kapiler yang terisi air

2. Air + Alkohol

-

-

Massa piknometer + air +

alcohol = 74,321 gram

h = 2 cm

Air + Alkohol

- Dimasukkan dalam pikno- meter

- Ditimbang beratnya

Massa

Air + Alkohol

- Dimasukkan dalam gelas kimia

- Dimasuki pipa kapiler

- Diukur selisih tinggi per-mukaan

h

3. Ethanol

ρ alkohol (ethanol) = 0,79 g/ml

h = 1,8 cm

Ethanol