TUGAS TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA II

KESETIMBANGAN FASA

DISUSUN OLEH:

NAMA : CIPTA BESTARI

NIM : 14521307

KELAS : C

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA

2016

DAFTAR ISI

BAB I. PENDAHULUAN .................................................................1

1.1 Definisi Fasa.......................................................................................1

1.2 Aturan Fasa........................................................................................1

1.3 Diagram Fasa.....................................................................................1

1.4 Campuran zat....................................................................................1

1.5 Gambaran Termodinamika Teantang Campuran...............................2

BAB II. ISI......................................................................................3

2.1 Kesetimbangan Fasa dan Diagram Fasa.............................................3

2.2 Tipe – tipe Diagram Fasa....................................................................4

2.3 Aplikasi Kesetimbangan Fasa.............................................................8

BAB III. PENUTUP

3.1 Kesimpulan......................................................................................11

3.2 Saran................................................................................................11

DAFTAR PUSTAKA.......................................................................12

BAB 1

PENDAHULUAN

I.1. Definisi Fasa

Fasa adalah bagian sistem yang komposisi kimia dan sfat-sifat fisiknya seragam, yang terdapat dari bagian sistem lainnya oleh adanya bidang batas. Perilaku fasa yang dipunyai suatu zat murni adalah sangat beragam dan rumit, akan tetapi data-datanya dapat dikumpulkan dan kemudian dengan teermodinamika dapat dibuat ramalan-ramalan. Pemahaman mengenai perilaku fasa berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Persamaan Claussius dan persamaan Clausius-Clapeyron menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dengan pengaruh suhu.

I.2. Aturan Fasa

Pada tahun 1876, Gibbs menurunkan hubungan sederhana antara jumlah fasa yang setimbang, jumlah komponennya dan jumlah besaran intensif yang bebas yang harus dinyatakan untuk melukiskan keadaan sistem secara lengkap. Jumlah komponen ,c, dalam suatu sistem ialah bilangan terkecil, yang menyatakan macam kelompok zat; dimana bagi tiap kelompok, komposisi dalam tiap-tiap fasanya dapat dilukiskan sendiri. Jumlah komponen dapat lebih kecil daripada macam zat,s, yang berada dalam sistem, karena mungkin saja terdapat hubungan antara konsentrasi kesetimbangan berbagai zat dalam sistem hingga untuk melukiskan sistem secara lengkap tidak perlu dinyatakan sebanyak s kali. Terdapat dua macam hubungan antara konsentrasi komponen-komponen yaitu kesetimbangan kimia dan keadaan awal. Bagi tiap kesetimbangan kimia jumlah konsentrasi yang bebas berkurang sebuah. Sebagai contoh, ila kalsium oksida padat, kalsium karbonat padat, dan gas karbon dioksida berada dalam kesetimbangan, jumlah komponen berkurang dengan satu oleh adanya kesetimbangan kimia. Jumlah derajat kebebasan atau varian v suatu sistem ialah bilangan terkecil yang menunjukkan jumlah variable bebas (tekanan, suhu, konsentrasi berbagai fasa) yang harus diberi harga untuuk melukiskan keadaan sistem.

I.3. Diagram Fasa

Diagram fase adalah sejenis grafik yang digunakan untuk menunjukkan kondisi kesetimbangan antara fase-fase yang berbeda dari suatu zat yang sama. Dalam matematika dan fisika, diagram fase juga mempunyai arti sinonim dengan ruang fase. Komponen-komponen umum diagram fase adalah garis kesetimbangan fase, yang merujuk pada garis yang menandakan terjadinya transisi fase.

I.4. Campuran zat

Campuran zat terdiri dari:

Campuran kasar Disperse koloid Larutan sejati

Larutan bersifat:

Jenuh Tak jenuh Lewat jenuh

I.5. Gambaran termodinamika tentang campuran

Kuantitas molar parsial Termodinamika pencampuran Potensial kimia pencampuran Campuran cairan Sifat koligatif

BAB II

ISI

2.1. Kesetimbangan Fasa Dan Diagram Fasa

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 ar 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.

2.2. Tipe-Tipe Diagram Fase

1. Diagram Fase 2 D (Dimensi)

Diagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekanan-temperatur dari zat tunggal, sepertiair. Sumbu-sumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur. Diagram fase pada ruang tekanan-temperatur menunjukkan garis kesetimbangan atau kesetimbangan fase antara tiga fase padat, cair, dan gas.

Diagram fase yang umum. Garis titik-titik merupakan sifat anomali air. Garis berwarna hijau menandakan titik beku dan garis biru menandakan titik didih yang berubah-ubah sesuai dengan tekanan.

Penandaan diagram fase menunjukkan titik-titik dimana energi bebas bersifat non-analitis. Fase-fase dipisahkan dengan sebuah garis non-analisitas, dimana transisi fase terjadi, dan disebut sebagai kesetimbangan fase.

Pada diagaram diatas, kesetimbangan fase antara cair dan gas tidak berlanjut sampai tak terhingga. Ia akan berhenti pada sebuah titik pada diagram fase yang disebut sebagai titik kritis. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan, yang dikenal sebagai fluida super kritis. Pada air, titik kritis ada pada sekitar 647K dan 22,064 Mpa (3.200,1psi).

Keberadaan titik kritis cair-gas menunjukkan ambiguitas pada definisi di atas. Ketika dari cair menjadi gas, biasanya akan melewati sebuah kesetimbangan fase, namun adalah mungkin untuk memilih lajur yang tidak melewati kesetimbangan dengan berjalan menuju fase super kritis. Oleh karena itu, fase cair dan gas dapat dicampur terus menerus.

Kesetimbangan padat-cair pada diagram fase kebanyakan zat memiliki gradien yang positif. Hal ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi daripada fase cair, sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh.

Pada beberapa bagian diagram fase air, kesetimbangan fase padat-cair air memiliki gradien yang negatif, menunjukkan bahwa es mempunyai densitas yang lebih kecil daripada air.

2. Diagram Fase 3 D (Dimensi)

Adalah mungkin untuk membuat grafik tiga dimensi (3D) yang menunjukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai contoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 3D Cartesius dapat menunjukkan temperatur(T), tekanan(P), dan volume jenis(v). Grafik 3D tersebut kadang-kadang disebut diagram P-v-T. Kondisi kesetimbangan akan ditunjukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, cair, dan gas.

Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripel, dimana zat padat, cair, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan. Titik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan pada diagram fase 3D. Proyeksi ortografi grafik P-v-T 3D yang menunjukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu vertikal dan horizontal akan menurunkan plot 3D tersebut menjadi diagram tekanan-temperatur 2D. Ketika hal ini terjadi, permukaan padat-uap, padat-cair, dancair-uap akan menjadi tiga kurva garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel.

3. Diagram Fasa Biner

4. Diagram Fasa Senyawa dengan Titik Lebur Sebangun (Kongruen)

5. Diagram Fasa Senyawa dengan Titik Lebur Tak Sebangun (Inkongruen)

6. Diagram Larutan Padat

Sifat-sifat Larutan padat adalah sebagai berikut :

a) Terbentuk dalam sistem kristal yang sama, ukuran ion atau molekul yang (relatif) samab) Membentuk seri dengan perubahan sifat fisik dan kimiawi yang menerus.c) Membentuk seri menerus dalam Deret Bowend) Larutan homogen, komponen yang satu terbagi secara merata dalam kisi kristal

komponen yang lain.

7. Diagram Terner (Ternary Diagram)

2.3. Aplikasi Kesetimbangan Fasa

Contoh Penerapan Kesetimbangan Kimia di Dalam Industri, Aplikasi, Pembuatan Amonia dan Asam Sulfat - Proses produksi zat-zat pada industri, khususnya industri bahan-bahan kimia, ada yang menggunakan reaksi kesetimbangan. Misalnya pada pembuatan amonia dan pembuatan asam sulfat. Pada proses industri bahan-bahan kimia dihadapkan pada masalah bagaimana mendapatkan hasil sebanyak-banyaknya sekaligus berkualitas tinggi, namun menggunakan proses yang efektif, efisien, dan biaya yang tidak terlalu besar.

A. Pembuatan Amonia dengan Proses Haber-BoschUnsur nitrogen terdapat di atmosfer dan menyusun sebanyak 78% dari volumenya, tetapi

karena kelembaman nitrogen, senyawa-senyawa nitrogen tidak banyak terdapat di alam. Metode untuk menyintesis senyawa-senyawa nitrogen yang dikenal sebagai fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode utama adalah mereaksikan nitrogen dan hidrogen membentuk amonia. Amonia selanjutnya diubah menjadi senyawa nitrogen lainnya, seperti asam nitrat dan garam nitrat. Pupuk urea (CO(NH2)2) merupakan bahan kimia yang terbentuk melalui reaksi NH3 dengan CO2.

Amonia juga digunakan dalam pembuatan bermacam-macam monomer yang mengandung nitrogen untuk industri nilon, polimer-polimer akrilat, dan busa poliutretan. Amonia juga digunakan dalam industri farmasi, macam-macam bahan organik, anorganik, detergen dan larutan pembersih, pupuk, dan bahan peledak (TNT atau trinitrotoluena).

Dasar teori dari reaksi sintesis amonia dan uji laboratorisnya merupakan penelitian Fritz Haber (1908). Usaha pengembangan proses Haber menjadi proses besar-besaran. Usaha tersebut merupakan tantangan bagi insinyurinsinyur kimia pada saat itu. Hal ini karena metode tersebut mensyaratkan reaksi kimia dalam fasa gas pada suhu dan tekanan tinggi dengan katalis yang sesuai. Pekerjaan ini dipimpin oleh Carl Bosch di Badishe Anilin and Soda Fabrik (BASF). Pada tahun 1913, pabrik beroperasi dengan produksi 30.000 kg NH3 per hari. Pabrik amonia modern saat ini mempunyai kapasitas 50 kali lebih besar.

Beberapa data relevan mengenai reaksi sintesis amonia adalah:

N2(g) + 3H2(g) D 2NH3(g)

(ΔH = –92,38 kJ/mol, suhu = 298 K, Kp = 6,2 × 105)Untuk setiap 1 mol gas nitrogen dan 3 mol gas hidrogen dihasilkan 2 mol gas amonia.

Peningkatan tekanan menyebabkan campuran reaksi bervolume kecil dan menyebabkan terjadinya reaksi yang menghasilkan amonia lebih besar. Reaksi ke kanan bersifat eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik terjadi jika suhu diturunkan, sehingga reaksi bergeser ke kanan menghasilkan amonia makin besar. Jadi kondisi optimum untuk produksi NH3 adalah tekanan tinggi dan suhu rendah. Tetapi, keadaan optimum ini tidak mengatasi masalah laju reaksi. Sekalipun produksi kesetimbangan NH3 lebih baik terjadi pada suhu rendah, namun laju pembentukannya sangat lambat, sehingga reaksi ini tidak layak. Salah satu cara untuk meningkatkan reaksi adalah dengan

menggunakan katalis. Walaupun tidak mempengaruhi kesetimbangan, namun katalis dapat mempercepat reaksi. Keadaan reaksi yang biasa dilakukan dalam proses Haber–Bosch adalah pada suhu 550 °C, tekanan dari 150 sampai dengan 500 atm, dan katalis biasanya besi dengan campuran Al2O3, MgO, CaO, dan K2O. Cara lain untuk meningkatkan laju produksi NH3 adalah memindahkan NH3 dengan segera setelah terbentuk.

Titik didih gas NH3 lebih tinggi daripada titik didih nitrogen dan hidrogen. Proses selanjutnya, gas amonia didinginkan sehingga mencair. Gas nitrogen dan gas hidrogen yang belum bereaksi dan gas amonia yang tidak mencair kemudian diresirkulasi, dicampur dengan gas nitrogen dan hidrogen, kemudian dialirkan kembali ke dalam tangki. (Baca juga materi lainnya tentang proses Haber–Bosch)

B. Pembuatan Asam Sulfat dengan Proses KontakSalah satu cara pembuatan asam sulfat melalui proses industri dengan produk yang cukup

besar adalah dengan proses kontak. Bahan yang digunakan pada proses ini adalah belerang dan melalui proses berikut.

a. Belerang dibakar di udara, sehingga bereaksi dengan oksigen dan menghasilkan gas belerang dioksida.

S(s) + O2(g) → SO2(g)

b. Belerang dioksida direaksikan dengan oksigen dan dihasilkan belerang trioksida.

SO2(g) + ½ O2(g) D SO3(g)

Reaksi ini berlangsung lambat, maka dipercepat dengan katalis vanadium pentaoksida (V2O5) pada suhu ± 450 °C.

c. SO3 yang dihasilkan, kemudian dipisahkan, dan direaksikan dengan air untuk menghasilkan asam sulfat.

SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)

d. Reaksi tersebut berlangsung hebat sekali dan menghasilkan asam sulfat yang sangat korosif. Untuk mengatasi hal ini, gas SO3 dialirkan melalui menara yang di dalamnya terdapat aliran H2SO4 pekat, sehingga terbentuk asam pirosulfat (H2S2O7) atau disebut “oleum”. Asam pirosulfat direaksikan dengan air sampai menghasilkan asam sulfat.

SO3(g) + H2SO4(g) → H2S2O7(aq)H2S2O7(aq) + H2O(l) → 2H2SO4(l)

Beberapa manfaat asam sulfat adalah untuk pembuatan pupuk, di antaranya pupuk superfosfat, detergen, cat kuku, cat warna, fiber, plastik, industri logam, dan pengisi aki. Asam sulfat kuat 93% sampai dengan 99% digunakan untuk pembuatan berbagai bahan kimia nitrogen, sintesis fenol, pemulihan asam lemak dalam pembuatan sabun, pembuatan asam fosfat dan tripel superfosfat. Oleum (H2S2O7) digunakan dalam pengolahan minyak bumi, TNT (trinitrotoluena), dan zat warna serta untuk memperkuat asam lemah.

Berikut ini adalah diagram alir pabrik asam sulfat kontak yang menggunakan pembakaran belerang dan absorpsi tunggal dengan injeksi udara (pengenceran) antar tahap. (Baca juga materi lainnya tentang proses kontak)

Gambar 1. Proses kontak. Sumber: Austin, Goerge T. E. Jasjfi. 1996.

BAB IIIPENUTUP

3. 1 KESIMPULANDari hasil makalah yang kami buat ini, kami menyimpulkan bahwa kesetimbangan fasa

sipengaruhi oleh campuran zat, sifat zat.

Komponen-komponen umum diagram fase adalah garis kesetimbangan fase, yang merujuk pada garis yang menandakan terjadinya transisi fase.

Pemahaman mengenai perilaku fasa berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Persamaan Claussius dan persamaan Clausius-Clapeyron menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dengan pengaruh suhu.

3. 2 SARANMasih banyak hal – hal yang menarik mengenai kesetimbangan fasa yang belum dituangkan

penulis di dalam makalah ini, semoga pembaca maupun pembuat makalah selanjutnya memuatkan hal – hal yang lebih menarik tentang kesetimbangan fasa di dalam makalahnya.

Penulis juga berharap makalah ini dapat menjadi bahan pegangan buat makalah selanjutnya yang berhubungan dengan ikatan logam.

DAFTAR PUSTAKA

Siti Jahro, Iis. 2010. Ikatan Kimia. Medan: FMIPA-UNIMED

Sukadjo. 1985. Ikatan Kimia. Yogyakarta: Rineka Cipta

Sunarya, Yayan. 2002. Ikatan Kimia. Bandung: UPI

Syarifuddin, Nuraini. 1994. Ikatan Kimia. Bandung: Gadjah Mada University Press

http://www.chem-is-try.org

http://www.googlerumah kimia.blogspot.com

http://www.wikipedia.free encyclopedia.org

http://www.wikipedia.ikatan logam.org