TUJUAN Mempelajari kesetimbangan fasa sistem biner cair-cair dari campuran fenol-air dan karakteristiknya. DASAR TEORI Fase adalah keadaan materi yang seragam di seluruh bagiannya, bukan hanya dalam komposisi kimia, tetapi juga dalam keadaan fisiknya. Gas atau campuran gas adalah fase tunggal, kristal fase tunggal, 2 cairan yang dapat campur total membentuk fase tunggal. Campuran dua logam adalah sistem 2 fase bila logam tidak dapat campur dan fase tunggal bila logam-logam tersebut dapat campur. Contoh-contoh yang ada menunjukkan bahwa menentukan sebuah sistem apakah satu atau dua fase tidak selalu mudah. Larutan padatan A dalam padatan B (campuran homogen dari 2 komponen) bersifat seragam pada skala molekuler. Dalam larutan, atom A dikelilingi oleh atom A dan B. Dispersi adalah seragam pada skala makroskopik tetapi tidak seragam pada skala mikroskopik, karena dispersi terdiri atas butiran-butiran atau tetesan-tetesan suatu kompon en di dalam matriks komponen lain. Banyaknya komponen dalam suatu sistem adalah jumlah minimum spesies bebas yang diperlukan untuk menentukan komposisi semua fase yang ada dalam sistem Pada tekanan konstan, daya saling campur (miscibility) dari dua cairan (sistem biner cair) yang saling campur sebagian (partial miscibility, sehingga menjadi campuran homogen, sangat dipengaruhi oleh komposisi dan temperatur cairan. Jadi, pada komposisi campuran yang tertentu, daya saling campur dari kedua cairan dibatasi oleh temperatur. Untuk sistem biner, pada tekanan konstan, kaidah fasa Gibbs dapat ditulis sebagai:
F = 3 – 3 – P………… P…………(1) (1) dengan F : derajat kebebasan dan P : jumlah fasa. Pada 2 fase seperti campuran fenol dan air, maka F=1 maka kedua fase mencapai kesetimbangan pada temperatur tertentu pada kondisi tekanan tetap. Derajat kebebasan memberi kita informasi variable bebas yang dapat diubah untuk menemukan perubahan/pemisahan fase. Salah satu sistem perubahan fase adalah sistem biner yang terdiri atas pasangan cairan campur sebagian, yaitu cairan yang tidak bercampur dalam semua proporsi pada semua temperatur. Contohnya adalah campuran fenol dan air. Pada pemisahan fase kita misalkan sedikit larutan B ditambahkan pada sampel larutan A pada suhu (T) tertentu. Larutan B akan melarut sempurna dan sistem biner tetap satu fase. Bila larutan B ditambahkan terus menerus akan ada tahap dimana larutan B tidak akan larut lagi sehingga campuran berada dalam kondisi dua fase dalam kesetimbangan satu sama lain. Fase yang paling banyak mengandung A dan dijenu hi oleh B dan fase lainnya adalah B yang sedikit dan dijenuhi oleh A.
Garis yang menghubungkan komposisi fase pertama (a’) dan komposisi fase kedua (a”) menghubungkan 2 fase yang berada dalam kesetimbangan satu sama lain. Ju mlah relatif dua fase yang dihubungkan dengan garis hubung dinyatakan dengan : " ′
=
ℎ ′ ℎ "
Jika B lebih banyak ditambah, maka A sedikit larut di dalam campuran. Komposisi kedua fase dalam kesetimbangan tetap a’ dan a”, tetapi jumlah fase kedua bertambah dengan berkurangnya fase pertama. Saat B bertambah hingga melarutkan semua A akan membuat sistem kembali menjadi berfase tunggal dan bila ditambahkan terus menerus akan mengencerkan larutan. Temperatur mempengaruhi komposisi kedua fase pada kesetimbangan. Bila temperatur naik, maka kemampuan bercampurnya sebuah campuran akan bertambah. Oleh karena itu, sistem dua-fase tidak begitu luas karena setiap fase dalam kesetimbangan lebih kaya akan kedua komponen : fase yang banyak mengandung A lebih kaya akan B dan fase yang banyak mengandung B lebih kaya akan A. Temperatur kritis atas (Tuc) adalah batas atas temperatur dimana terjadi pemisahan fase. Di atas temperatur batas atas , kedua komponen benar-benar bercampur. Temperatur ini ada karena gerakan termal yang lebih besar menghasilkan kemampuan campur yang lebih besar pada kedua komponen. Beberapa sistem mempunyai temperatur kritis atas dan temperatur kritis bawah. Sebabnya, sesudah kompleks yang lemah terurai, sehingga kedua komponen dapat campur sebagian, pada temperatur yang lebih tinggi, gerakan termal membuat campuran homogen kembali, seperti halnya dalam cairan campur sebagian biasa.
PROSEDUR PERCOBAAN
START
Fenol dicampur dengan air pada 10 tabung reaksi dengan komposisi sesuai table petunjuk
Semua campuran diaduk
Campuran heterogen?
Ya
Tidak
suhu campuran diatur menurut rentang suhu petunjuk dimulai dari suhu terendah hingga larutan homogen
Suhu campuran diatur menurut rentang suhu petunjuk dimulai dari suhu tertinggi hingga larutan heterogen
suhu perubahan dicatat
suhu perubahan dicatat
suhu diatur kembali dimulai dari suhu tertinggi hingga larutan heterogen kembali
Suhu diatur kembali dimulai dari suhu tertinggi hingga larutan homo en kembali
Temperatur perubahan dicatat
Temperatur perubahan dicatat
Selesai
DATA PENGAMATAN
Hasil pengukuran suhu larutan saat berubah fase Komposisi No Keadaan Awal Fenol (g) Air (g) 1 2.5 1 Heterogen 2 2.5 1.25 Heterogen 3 2.5 1.5 Homogen 4 2.5 2 Heterogen 5 2.5 3 Heterogen 6 2.5 3.75 Heterogen 7 1.25 2.5 Heterogen 8 1.25 3.75 Homogen 9 1.25 6.25 Homogen 10 0.625 5 Heterogen 11 0.625 6.25 Homogen
Perubahan Fase Perubahan 1 (oC) Perubahan 2 (oC) 22 25 49 46 46 51 66.7 55.3 67.7 62.3 73.4 66.3 66.9 54.3 64.3 62.3 54.3 58.8 40 38.7 10.3 12.6
ANALISIS DATA Fraksi Mol Persamaan Fraksi Berat adalah X(T) = Berat komponen Berat Total
Melalui persamaan ini didapat Fraksi mol Fenol dan Air untuk setiap variasi komposisi sebagai berikut (perhitungan menggunakan Microsoft Excel) :
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Komposisi (g) Fenol Air Total
Fraksi Berat Fenol Air
2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 1.25 1.25 1.25 0.625 0.625
0.71 0.67 0.63 0.56 0.45 0.4 0.33 0.25 0.17 0.11 0.09
1 1.25 1.5 2 3 3.75 2.5 3.75 6.25 5 6.25
3.50 3.75 4.00 4.50 5.50 6.25 3.75 5.00 7.50 5.63 6.88
0.29 0.33 0.38 0.44 0.55 0.6 0.67 0.75 0.83 0.89 0.91
Suhu Perubahan fase 1 22 49 46 66.7 67.7 73.4 66.9 64.3 54.3 40 10.3
Grafik Biner Fenol-Air
Grafik Biner Fenol-Air 80 70 60
r u 50 t a r e 40 p m e 30 T 20 10 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Fraksi Berat Fenol
PEMBAHASAN Berdasarkan dasar teori yang ada, larutan akan berada dalam satu fase (homogen) pada daerah di atas grafik dan akan berada dalam dua fase (heterogen) pada daerah di bawah grafik. Fase homogen adalah fase di saat campuran dari kedua komponen larut dan tidak membentuk lapisan yang membatasi kedua komponen, sedangkan heterogen adalah fase di saat cairan membentuk 2 lapisan terpisah saat dicampur. Larutan membentuk fase heterogen ataupun homogen didasarkan pada massa jenis air yang lebih rendah dari fenol. Pada temperatur tertentu, larutan akan bercampur dan akan membentuk 2 fase lagi (heterogen). Fenol dan air kelarutannya akan berubah apabila ke dalam campuran itu ditambah dengan salah satu komponen penyusunnya. Perubahan warna larutan dari keruh menjadi jernih dan dari jernih menjadi keruh mendakan bahwa zat tersebut mengalami perubahan kelarutan yang dipengaruhi oleh perubahan temperatur. Pada percobaan ini, komponen fenol dan air bervariasi dan perubahan fase terjadi pada temperatur yang berubah-ubah. Perubahan tersebut bergantung pada komposisi atau fraksi berat maupun fraksi mol kedua komponen penyusun zat. Ketika fenol dicampur dengan air maka akan terbentuk larutan 2 fasa yang keduanya tidak saling melarutkan. Hal ini disebabkan karena kedua komponen memiliki ikatan hidrogen yang sangat kuat. Ikatan hidrogen men jadi kuat apabila jarak X terhadap Y pendek, dan jarak X – H serta H – Y hampir sama besarnya (Cotton, 1989).
X
H ̵ ̵ ̵ Y
Pemanasan dan pengadukan akan menyebabkan molekul dalam campuran bergerak lebih cepat sehingga ikatan mudah lepas. Pemanasan dilakukan untuk menghomogenkan larutan yang heterogen. Sedangkan pendinginan dilakukan untuk mengheterogenkan larutan yang homogen. Kedua hal tersebut dilakukan guna mengetahui titik kritisnya.
Dari data percobaan yang diperoleh, didapati grafik hasil percobaan berupa grafik parabola yang tidak sempurna dan memiliki titik puncak pada temperature sebesar 73,4oC dengan fraksi berat fenol sebesar 0,4 dimana titik puncak merupakan temperature kritis sebuah sistem biner. Hal ini menunjukkan bahwa pada temperatur 73,4oC komponennya yang berada di dalam kurva merupakan sistem satu fase. Apabila temperatur dinaikkan maka kelarutan air dalam fenol akan bertambah, demikian pula kelarutan fenol dalam air, hal ini sesuai dengan teori hukum tuas. Pada daerah di bawah kurva larutan akan memiliki dua fase (heterogen) dan di atas kurva akan membentuk satu fase (homogen) yang menyebabkan sebuah larutan akan melarut jika larutan tersebut berada dalam kondisi temperatur batas ataupun di atas temperatur batas. Temperatur batas adalah temperatur minimal yang dibutuhkan sebuah larutan sehingga kelarutan larutan akan meningkat sehingga kedua komponen bercampur sempurna. Grafik yang terbentuk dari analisis data hasil percobaan ini kurang sempurna. Hal ini mungkin disebabkan oleh karena beberapa faktor, salah satunya adalah kurang teliti. Pada percobaan ini, pengukuran berat fenol dilakukan menggunakan neraca analitik dan fenol diletakkan di dalam botol timbang. Besar kemungkinan pada saat menimbang, praktikan kurang teliti membaca skala atau memastikan bahwa botol timbang bersih saat dihitung pada kondisi kosong, sehingga berat awal botol timbang berubah sehingga berat fenol yang ditimbang menjadi berbeda. Hal lain yang memungkinkan terjadinya kesalahan adalah praktikan kurang teliti membaca skal thermometer dan juga kurang teliti memperhatikan perubahan fase dari larutan saat dipanaskan sehingga temperatur yang tercatat bukan temperatur saat larutan tepat berubah. Faktor lain yang mungkin membuat hasil data kurang sesuai dengan teori yang ada adalah validitas alat yang digunakan terutama neraca analitik yang kondisinya menurut saya kurang bagus sehingga mempengaruhi hasil percobaan. KESIMPULAN Sistem biner-fenol air akan menghasilkan dua keadaan yaitu heterogen (dua fasa) dan homogen (satu fasa). Keadaan tersebut tergantung pada komposisi atau fraksi dari masing-masing komponen. Titik kritis terjadi pada temperature 73,4oC dengan fraksi berat fenol sebesar 0,4 Daerah di bawah kurva merupakan larutan 2 fasa sedangkan daerah di atas kurva merupakan larutan yang memiliki 1 fasa. Data yang diperoleh kurang sesuai dengan teori yang ada karena bentuk grafiknya kurang simetris. Semakin tinggi temperatur, maka kelarutan sebuah komponen akan semakin meningkat Larutan akan semakin homogen pada temperatur larutan yang semakin besar dan semakin heterogen pada temperatur larutan yang semakin rendah.
DAFTAR PUSTAKA
Atkins, P.W. 1996. Kimia Fisika Edisi Keempat Jilid 1. Jakarta: Erlangga Cotton, F. A. 1989. Kimia Anorganik Dasar . Jakarta: UI-Press. Rahmadi, R.B. 2013. Laporan Resmi Praktikum Kimia Fisika: Keseimbangan fasa dua komponen. Yogyakarta: UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta. LAMPIRAN
Larutan pada fase heterogen
Penambahan air pada fenol di lemari asam
Beberapa hasil percobaan
Larutan pada fase homogen
Pendinginan dan pengukuran suhu larutan
Penimbangan Fenol
Pemanasan dan pengukuran suhu larutan
LAPORAN PRAKTIKUM TERMODINAMIKA LABORATORIUM FUNDAMENTAL KIMIA PERCOBAAN 5 DIAGRAM FASA BINER FENOL-AIR
Nama Praktikan NRP Kelompok Asisten Lab Tanggal Praktikum
: Frans Josaphat : 01211640000051 :8 : Evanisiah More : 10 Oktober 2017
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS ILMU ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017
