JAWABAN PEMICU ’KESETIMBANGAN FASA’
1. Jelaskan pengertian dari variabel-variabel yang ada dalam hukum fasa Gibbs tersebut. tersebut. Berdasarkan hukum fasa Gibbs, tentukan jumlah jumlah derajat kebebasan kebebasan sistem di bawah ini:
Fasa ( Phase) Phase) yaitu bagian sistem yang seragam atau homogen diantara keadaan submakroskopinya, tetapi benar-benar terpisah dari bagian sistem yang lain oleh batasan yang jelas dan baik. Misalnya campuran dari gas-gas adalah satu fasa, padatan atau cairan yang tidak tercampur sempurna (memiliki batasan yang jelas) berarti memiliki dua fasa atau lebih. Fasa dilambangkan dengan P. dengan P.
Komponen (Component (Component ) yaitu jumlah yaitu jumlah minimum dari “variabel bebas pilihan” yang dibutuhkan untuk menggambarkan komposisi tiap fasa dari suatu sistem. Misalnya sistem air, pada kondisi es, cair maupun uap tergabung dalam suatu sistem yang sama, berarti terdiri atas satu komponen. Komponen dilambangkan dengan C.
Derajat kebebasan ( Degree Degree of Freedom) Freedom) yaitu jumlah minimum variabel intensif yang harus dipilih agar keberadaan variabel intensif dapat ditetapkan. Dalam hal ini jumlah minimum variabel dapat berupa temperatur, tekanan, konsentrasi dan lain-lain. Rumus umum Derajat kebebasan adalah F = C – C – P P + 2.
Menentukan derajat kebebasan sistem: a. Air dan uap air dalam kondisi kesetimbangan pada tekanan 1 bar. Air dan uap air adalah satu komponen yang sama ( H2O) dengan fasa yang terpisah. Maka C = 1 dan P = 2, derajat kebebasannya adalah F = 1 – 2 + 2 = 1, namun karena satu-satunya variabel intensifnya sudah diketahui (yaitu tekanan 1 bar), maka derajat kebebasannya menjadi F = 0.
b. Air dan uap air dalam kondisi kesetimbangan. Air dan uap air adalah satu komponen yang sama ( H2O) dengan fasa yang terpisah. Maka C = 1 dan P = 2, derajat kebebasannya adalah F = 1 – 2 – 2 + 2 = 1. jadi derajat kebebasannya adalah F = 1. c. Sistem kesetimbangan uap dari NH 3, N2 dan H2. Reaksi antara ketiga zat tersebut adalah sebagai berikut: N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
1
Jumlah C = 2 (karena hanya terdiri dari 1 fasa gas), dan P = 1, maka F = 2 – 1 + 2 = 3. jadi derajat kebebasannya adalah F = 3. d. Larutan H 3PO4 dan NaOH pada tekanan 1 bar. Reaksi antara zat tersebut adalah: H3PO4(aq) + 3NaOH(aq)
Na3PO4(aq) + 3H2O(aq)
Jumlah C = 2 dan P = 1 (karena terdiri atas larutan yang saling bercampur), F = 2 – 1 +2 = 3, karena salah satu variabel intensifnya sudah diketahui (tekanan 1 bar), maka F = 2.
e. Larutan H2SO4 dalam air pada kondisi kesetimbangan dengan padatan hidrat H2SO4.2H2O pada tekanan 1 bar. Reaksi antara zat tersebut adalah: H2SO4(aq) + H2O(aq)
H2SO4.2H2O(s)
Jumlah C = 2 dan P = 2, maka F = 2 – 2 + 2 = 2, karena salah satu variabel intensifnya sudah diketahui (tekanan 1 bar), maka F = 1.
2. Pada sistem dua komponen, jelaskan faktor apa saja yang menentukan jumlah Theoritical plates yang dibutuhkan untuk mencapai pemisahan yang diinginkan dalam distilasi fraksional
Pada dasarnya proses distilasi merupakan suatu proses komersial yang digunakan dalam memurnikan material besar, bagi fasa cair proses ini disebut vaporization atau penguapan dan pada fasa gas disebut sublimasi dimana keduanya membutuhkan panas. Proses distilasi fraksionasi merupakan sebuah proses pada suatu kolom (kolom fraksionasi) pada keadaan kesetimbangan yang banyak (multiple equilibration), sedangkan yang dimaksud theoretical plates adalah banyaknya fraksi kondensasi yang dibutuhkan dari suatu sistem uap cair untuk mencapai komponen murninya. Untuk mencapai suatu proses distilasi yang sukses sangat penting untuk membuat suatu cairan yang terkondensasi (yang mengandung komponen volatil) untuk kembali ke tabungnya, dalam pencapaian pemisahan yang diinginkan dalam distilasi fraksionasi hasil pemisahan yang terbaik dapat diperoleh bila seluruh sistem dijaga pada keadaan yang dekat dengan kesetimbangan, selain itu faktor lain juga diakibatkan oleh faktor tekanan karena untuk menunjukkan distilasi fraksionasi pada tekanan satu atmosfer juga dimungkinan untuk memperlakukan distilasi fraksionasi 2
pada tekanan yang lain, selain itu faktor yang menentukan jumlah Theoritical Plates dapat ditinjau dari bentuk grafiknya yang merupakan grafik dua komponen dengan memplot antara komposisi dengan suhu hingga mencapai proses kondensasi. Tetapi permasalahan yang hadir disini umunya diakibatkan oleh jumlah cairan yang diterima oleh kolom sehingga banyak kolom fraksionasi yang didesain untuk menawarkan keuntungan untuk memperoleh theoritical plates dalam jumlah besar dengan pelarut yang relatif sedikit.
3. Untuk percobaan yang dilakukan oleh Juli dan Agus, anggaplah bahwa komposisi “residu” diberikan dengan kurva liquid dan komposisi “distilat” diberikan oleh kurva uap, seperti terlihat pada gambar berikut.
200 gram campuran A dan C yang pada awalnya mendidih pada suhu 65°C, didistilasi sampai titik didih residu yang tersisa mencapai 75°C. tentukanlah komposisi residu pada awal dan akhir distilasi, komposisi distilat total setelah proses distilasi dan berat total distilat. (Petunjuk: Berat total distilat + residu adalah 200 gram) Jika dibandingkan dengan diagram fasa yang ada dalam literatur untuk sistem aseton-kloroform, cara apakah yang dapat untuk memisahkan 2 komponen ini? Gambarkan dalam diagram fasanya.
Diketahui diagram distilasi aseton (A) dan Kloroform se bagai berikut :
3
berikut : Berat campuran A dan C 200 gram Berat total distilat + residu 200 gram
Dari diagram dapat diketahui bahwa pada suhu 75 C perbandingan antara uap dan cairan adalah 2 : 3 (dilihat pada titik a dan b) maka dari itu kita dapat menghitung berat residu (berupa cairan) dan berat distilat (berupa uap) dengan perbandingan matematis berikut : W distilat = W residu =
3 23 2 23
200 120 gr
200
80 gr
Dari diagram dapat kita lihat bahwa residu (uap) akhir (pada titik a) perbandingan aseton dan kloroform adalah 20 : 80 = 1 : 4. Dari sini dapat kita hitung massa keduanya dengan persamaan sebagai berikut : A C
1 1 4 4 1 4
80 16 gr
80
64 gr
Pada kurva uap (distilat) akhir (pada titik b) dimana perbandingan aseton dan kloroform adalah 70 : 30, sehingga kita dapat memperoleh komposisi masing-masing sebagai berikut : A
70 30 70
120
4
84 gr
C
30 30 70
120
36 gr
Jadi komposisi masing-masing pada saat 75 C adalah : A 84 16 100 gr C 36 64 100 gr
Pada saat destilasi (65 C) dapat kita lihat pada titik c dimana perbandingan aseton dan kloroform adalah 50 : 50 = 1 : 1. Kemudian pada titik d dapat kita lihat bahwa perbandingan aseton dan kloroform adalah 90 : 10 = 9: 1. Jika kita misalkan bahwa residu adalah x dan distilat adalah y, maka dapat dibentuk persamaan sebagai berikut : A: 100 0,5 x 0,9 y C: 100 0,5 x 0,1 y Jika persamaan tersebut diselesaikan didapat nilai x ( residu ) = 200 gr dan nilai y (distilat) = 0 gr dimana nilai tersebut adalah komposisi awal campuran.
Dari keterangan diatas dapat diketahui komposisi destilat total, yakni : Komposisi destilat total = destilat awal + destilat akhir = 0 + 120 = 120 gr Dalam literatur didapat diagram fasa untuk sistem aseton kloroform adalah sebagai berikut:
Dari diagram fasa tersebut terlihat bahwa campuran dua komponen aseton dan kloroform tidak dapat dipisahkan dengan distilasi biasa, karena kedua zat tersebut 5
membentuk azeotrop pada titik didih maksimumnya dimana komposisi fasa cairan dan uapnya sama dan campuran dari komposisi ini seperti senyawa murni. Metode yang dapat digunakan untuk memisahkan campuran ini adalah dengan distilasi azeotrop, adsorpsi, ekstraksi cair-cair dan kromatografi.
4. Dalam sistem kesetimbangan padat cair, jelaskan pengaruh penambahan suatu senyawa terhadap titik leleh senyawa lainnya .
Misalnya kita memiliki suatu diagram fasa antara Bismuth dengan Cadmium yang diperoleh dari literatur diagram fasanya adalah sebagai berikut:
Gambar Diagram Fasa Bi-Cd
Dari grafik di atas kita bisa tentukan bahwa titik didih masing-masing zat murni ditunjukkan oleh A untuk Bi (271°C) dan titik C untuk Cd (321°C). Garis AB menunjukkan konsentrasi campuran yang dijenuhi oleh Bi sedangkan sebaliknya garis BC menunjukkan konsentrasi campuran yang dijenuhi oleh Cd. Penambahan senyawa Cd terhadap leburan Bi akan menyebabkan penurunan titik didih Bi, hal ini terlihat dari grafik yang menurun terus dari A menuju B, hingga pada titik B campuran sudah dijenuhi oleh Bi dan Cd, dimana terdapat tiga fasa pada kesetimbangan tersebut dan titik didih kembali naik lagi menuju C hingga konsentrasi Cd bernilai 100% dalam artian tidak terkandung Bi lagi. Jadi dapat disimpulkan penambahan suatu senyawa akan menurunkan titik leleh senyawa lainnya.
5. Hasil pengamatan yang dilakukan oleh Septi dan Okto memberikan informasi sebagai berikut: i. Kedua zat tidak membetuk senyawa ii. NH3 membeku pada suhu -78°C iii.N2H4 membeku pada suhu +2°C iv.Eutektik terbentuk ketika fraksi mol N 2H4 = 0,07
6
v. Eutektik meleleh pada suhu -80°C Berdasarkan informasi tersebut, buatlah sketsa diagram fasa untuk sistem di atas dan jelaskan setiap kurva yang ada dalam diagram tersebut. Jelaskan apa yang dimaksud dengan eutektik dan tentukanlah derajat kebebasan titik tersebut.
Berdasarkan informasi tersebut dapat dibuat diagram fasa sebagai berikut :
Senyawa A adalah senyawa NH 3, sedangkan senyawa B adalah senyawa N2H4. Titik c merupakan titik beku N 2H4 (2 C) dan titik d merupakan titik beku NH 3 (-78 C). Kurva ce merupakan batas dimana padatan murni N 2H4 (yang sedikit terkontaminasi oleh NH3 mulai memisahkan diri dari cairan (mengendap) sedangkan pada kurva de, padatan murni NH3 mulai memisahkan diri dari cairan. Pada daerah dibawah kurva ce, karena N2H4 mulai mengendap, maka cairan pada posisi tersebut, semakin ke kiri, makin banyak mengandung NH 3, sedangkan pada daerah dibawah kurva de, karena NH3 mulai mengendap, maka komposisi cairan pada daerah tersebutsemakin ke kanan, semakin banyak mengandung N 2H4. Titik e merupakan titik eutektik dimana komposisi cairannya eutektik. Jika sisa cairan mencapai komposisi eutektik, temperaturnya akan menjadi tetap sampai seluruh cairan memadat (sepanjang ab) yang memakan waktu yang cukup panjang. Daerah dibawah ab (dibawah eutektik) merupakan daerah dimana terdapat A dan B yang keduanya dalam fasa padatan.
7
Eutektik berasal dari bahasa Yunani yang berarti ”mudah dilelehkan”.
Cairan
dengan komposisi eutektik membeku pada temperatur tertentu tanpa mengendapkan padatan A atau B atau sebelumnya. Jika sisa cairan mencapai komposisi eutektik, temperaturnya menjadi tetap sampai seluruh sampel memadat. Hal inilah yang disebut pemberhentian eutektik. Pembentukan eutektik berlangsung pada kebanyakan sistem campuran biner dan sangat penting untuk struktur mikro material padat karena walaupun padatan eutektik merupakan sistem dua fasa, campuran ini mengkristal menjadi campuran kristal mikro yang hampir homogen. Jika sisa cairan menjadi komposisi eutektik, temperaturnya menjadi tetap sampai semua sampel memadat, yang disebut dengan perhentian eutektik. Perhentian eutektik terpanjang menunjukkan komposisi eutektik dan temperatur lelehnya.
Derajat kebebasan sistem .
Dalam sistem ada dua fasa (P=2) yakni gas dan padatan, komponen pada sistem ini juga ada 2, yakni NH3 dan N2H4. Karena dilakukan (atau dianggap) pada tekanan tetap, maka derajat kebebasannya menjadi : F= C-P + 1 F= 2 -2 + 1 = 1
6. Untuk sistem campuran perak/timah, diperoleh diagram fasa seperti fasa seperti gambar di bawah ini:
Tuliskanlah nama daerah-daerah tersebut dan berikan apa yang akan teramati jika cairan komposisi a dan b didinginkan sampai suhu 200 K. jelaskan apa yang dimaksud dengan titik leleh tak kongruen. Tunjukkan pada diagram fasa tersebut ciri-ciri yang menyatakan kelelehan tak kongruen. Berapa komposisi
8
campuran eutektik dan pada suhu berapa campuran tersebut meleleh. Buatlah sketsa kurva pendinginan untuk isoplet a dan b dalam diagram fasa tersebut.
Dari diagram fasa yang diketahui , kita mengiidentifikasi 5 bagian dalam sistem tersebut, keterangannya adalah sebagai berikut : I = Cairan + Ag II = Ag3Sn + Ag III = Sn + Ag 3Sn IV = Cairan + Ag 3Sn V = Cairan + Sn Diagram fasanya:
Jika cairan didinginkan sampai 200 K maka : a. Pada isoplet a
Ketika suhu diturunkan hingga mencapai posisi a1, maka padatan murni Ag (yang sedikit terkontaminasi oleh Sn akan mulai memisahkan diri dari cairan (mengendap). Sisa cairannya akan banyak mengandung Sn karena pengendapan tersebut.
Ketika
suhunya
diturunkan
kembali
sampai
posisi
a2,
maka
komposisinya juga berubah. Pada saat itu Ag sudah mulai bereaksi dengan Sn yang membentuk Ag 3Sn. Dalam wilayah itu Ag terus mengendap menjadi padatan. Ketika suhunya diturunkan kembali sampai 200 K maka komposisinya berada pada a3 dimana keadannya hampir sama dengan a2, namun pada daerah ini sudah terbentuk Ag3Sn yang lebih banyak.
9
b. Pada isoplet b
Ketika suhu diturunkan sampai posisi b1, padatan murni Ag yang sedikit terkontaminasi dengan Sn mengendap, sehingga sisa cairannya akan banyak mengandung Sn. Pada saat suhu diturunkan kembali sampai ke posisi b2, mak komposisinya juga berubah. Pada saat itu Sn sudah mulai bereaksi dengan Ag membentuk Ag3Sn (pada saat itu atom Sn berdifusi ke dalam mpadatan Ag) dan terdapat cairan campuran keduanya. Setelah itu s uhu diturunkan lagi sampai posisi b2 dimana keadaannya juga berubah. Sn mulai mengendap dan tedapat Ag 3Sn pada kondisi tersebut. Pada saat ini cairan eutektik sehingga campuran tersebut memadat yang nantinya akan terbentuk padatan Sn dan padatan Ag 3Sn seperti komosisi pada b3 dimana suhu sudah diturunkan mencapai 200 K Pada diagram fasa terlihat ketika jika padatan Ag3Sn dipanaskan kembali, maka urutan kejadiannya akan terbalik. Pada setiap tahap tidak terbentuk Ag 3Sn cair (karena zat tersebut tidak stabil dalam cairan) namun zat tersebut akan meleleh menjadi komponen-komponennya. Hal inilah yang menjadi ciri pelelehan tidak kongruen dimana dalam hal ini terjadi peristiwa dimana senyawa meleleh menjadi komponen-komponennya namun senyawa tersebut tidak membentuk fasa cair.
Jika ditinjau dari diagram fasanya (untuk gambar lebih jelas, kelompok kami melihat dari soal pada buku Atkins halama 222) dapat diperkirakan komposisi campuran eutektiknya terjadi ketika komposisinya agalah 7 % Ag dan 93 % Sn. Pada saat itu suhu eutektiknya sekitar 220 K sampai 250 K . Pada saat itulah campuran mulai meleleh. Sketsa kurva pendinginan untuk isoplet a
10
Sketsa kurva pendinginan untuk isoplet b
7. Data hasil percobaan yang dilakukan oleh Febi dan Juni adalah sebagai berikut: y x (eter)
(metanol)
z (air)
0.1
0.2
0.7
0.2
0.27
0.53
0.3
0.3
0.4
0.4
0.28
0.32
0.5
0.26
0.24
0.6
0.22
0.18
0.7
0.17
0.13
0.8
0.12
0.08
0.9
0.07
0.03
dengan x sebagai fraksi mol eter dan y sebagai fraksi mol metanol. Dari data yang ada, gambarkanlah diagram fasanya, dan tandailah semua daerah fasanya. Tentukan berapa fasa yang ada dalam campuran 5.0 g metanol, 30.0 g eter dan 50.0 g air. Untuk mengubah jumlah fasa yang ada, tentukan berapa massa air yang harus ditambahkan atau dibuang.
a. Dengan data ini kita bias diplot ke dalam diagram terner dan menghasilkan sebuah binodal (dome) di salah satu sisinya. Hal ini berarti salah satu komponennya melarut / bercampur hanya sebagian ke dalam larutan total sehingga terbentuklah sebuah dome pada grafik. Daerah di dalam dome ini merupakan daerah yang menunjukkan terbentuknya dua lapisan zat cair atau 11
bisa disebut juga dua fasa, sedangkan daerah di luar dome artinya satu fasa yakni seluruh zat bercampur sempurna. (grafik di bawah)
b. Sebuah campuran terdiri dari 5 g metanol, 30 g eter, 50 g air. Kita plot titik ini ke dalam diagram terner yang sudah dibuat dengan sebelumnya menghitung fraksi dari campuran ini: Mr metanol = 32 ; Mr eter (dietileter) = 74 ; Mr air = 18 Jumlah mol methanol
5 / 32
Jumlah mol eter
30 / 74 = 0.40541 mol } Σ mol = 3.33944 mol
Jumlah mol air
50 / 18 = 2.77778 mol }
Fraksi mol methanol
0.15625 / 3.33944 =
0.05 (hasil pembulatan)
Fraksi mol eter
0.40541 / 3.33944 =
0.12 (hasil pembulatan)
Fraksi mol air
2.77778 / 3.33944 =
0.83 (hasil pembulatan)
= 0.15625 mol }
Ketiga fraksi ini di plot pada grafik dan didapati sebuah titik di dalam dome, hal ini berarti campuran membentuk dua fasa. Untuk mengubah jumlah fasa yakni satu maka diusulkan untuk menambahkan atau mengurangi air. Jika diperhatikan dari gambar, ternyata penambahan air tidak akan berpengaruh pada perubahan jumlah fasa oleh karena itu pengurangan jumlah air adalah satu-satunya solusi yang mungkin. Pengurangan / penambahan air akan mengikuti garis lurus yang melalui titik sudut air dan titik sampel. Untuk mengubah jumlah fasa maka minimal sampel harus mencapai titik x dan selanjutnya bisa dihitung berapa air yang perlu dibuang. Adapun titik x membacakan nilai fraksi metanol = 0.22 ; fraksi eter = 0.59 ; fraksi air = 0.19. Dengan data ini kita akan mengitung jumlah air yang harus dibuang:
x
Mol air yang harus dibuang
2.77778 – 0.13175 = 2.646 mol
Massa air yang harus dibuang
2.646 x 18
Mol air
0.19 = x / (0.56166 + x)
12
= 0.13175 mol air.
= 47.628 gram
Grafik:
13
