KESETIMBANGAN FASA FASA
Fasa adalah bagian sistem dengan komposisi kimia dan sifat – sifat fisik seragam, yang terpisah dari bagian sistem lain oleh suatu bidang batas. Pemahaman perilaku fasa mulai berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Untuk sistem satu komponen, persamaan Clausius dan Clausisus – Clapeyron menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dengan perubahan suhu. Sedangkan pada sistem dua komponen, larutan ideal mengikuti hukum Raoult. Larutan non elektrolit nyata real real ! akan mengikuti hukum "enry. Sifat Sifat – sifat koligatif dari larutan dua komponen akan dibahas pada bab ini. 1. Sistem Satu Komponen 1.1. Aturan Fasa Gibbs
Pada tahun #$%&, Gibbs menurunkan hubungan sederhana antara 'umlah fasa setimbang, 'umlah komponen, dan 'umlah besaran intensif bebas yang dapat melukiskan keadaan sistem se(ara lengkap. )enurut Gibbs,
dimana
* + dera'at kebebasan
( + 'umlah komponen p + 'umlah fasa + 'umlah besaran b esaran intensif yang mempengaruhi sistem P, P, -! Derajat kebebasan suatu sistem adalah bilangan terke(il yang menun'ukkan 'umlah ariabel bebas suhu, tekanan, konsentrasi komponen – komponen! yang harus diketahui untuk menggambarkan keadaan sistem. Untuk /at murni, diperlukan hanya dua ariabel untuk menyatakan keadaan, yaitu P dan -, atau P dan 0, atau - dan 0. 0ariabel ketiga dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan gas ideal. Sehingga, sistem yang terdiri dari satu gas atau (airan ideal mempunyai dera'at kebebasan dua * + 1!.
2ila suatu /at berada dalam kesetimbangan, 'umlah komponen yang diperlukan untuk menggambarkan sistem akan berkurang satu karena dapat dihitung dari konstanta
kesetimbangan. )isalnya pada reaksi penguraian "13.
4engan menggunakan perbandingan pada persamaan 5.1, salah satu konsentrasi /at akan dapat ditentukan bila nilai konstanta kesetimbangan dan konsentrasi kedua /at lainnya diketahui. 6ondisi fasa – fasa dalam sistem satu komponen digambarkan dalam diagram fasa yang merupakan plot kura tekanan terhadap suhu. Gambar 1. Diagram fasa air paa tekanan rena!
-itik 7 pada kura menun'ukkan adanya kesetimbangan antara fasa – fasa padat, (air dan gas. -itik ini disebut sebagai titik tripe" . Untuk menyatakan keadaan titik tripel hanya dibutuhkan satu ariabel sa'a yaitu suhu atau tekanan. Sehingga dera'at kebebasan untuk titik tripel adalah nol. Sistem demikian disebut sebagai sistem in#arian . 1.$. Keberaaan Fasa % Fasa a"am Sistem Satu Komponen
Perubahan fasa dari padat ke (air dan selan'utnya men'adi gas pada tekanan tetap! dapat dipahami dengan melihat kura energi bebas Gibbs terhadap suhu atau potensial kimia terhadap suhu.
kesetimbangan. )isalnya pada reaksi penguraian "13.
4engan menggunakan perbandingan pada persamaan 5.1, salah satu konsentrasi /at akan dapat ditentukan bila nilai konstanta kesetimbangan dan konsentrasi kedua /at lainnya diketahui. 6ondisi fasa – fasa dalam sistem satu komponen digambarkan dalam diagram fasa yang merupakan plot kura tekanan terhadap suhu. Gambar 1. Diagram fasa air paa tekanan rena!
-itik 7 pada kura menun'ukkan adanya kesetimbangan antara fasa – fasa padat, (air dan gas. -itik ini disebut sebagai titik tripe" . Untuk menyatakan keadaan titik tripel hanya dibutuhkan satu ariabel sa'a yaitu suhu atau tekanan. Sehingga dera'at kebebasan untuk titik tripel adalah nol. Sistem demikian disebut sebagai sistem in#arian . 1.$. Keberaaan Fasa % Fasa a"am Sistem Satu Komponen
Perubahan fasa dari padat ke (air dan selan'utnya men'adi gas pada tekanan tetap! dapat dipahami dengan melihat kura energi bebas Gibbs terhadap suhu atau potensial kimia terhadap suhu.
Gambar $. Kebergantungan energi Gibbs paa fasa % fasa paat& 'air an gas ter!aap su!u paa tekanan tetap
Lereng garis energi Gibbs ketiga fasa pada gambar 5.1. mengikuti persamaan
8ilai entropi S! adalah positif. -anda -anda negatif mun(ul karena arah lereng yang turun. Sehingga, dapat disimpulkan bah9a Sg : Sl : Ss. 1.(. )ersamaan *"ape+ron
2ila dua fasa dalam sistem satu komponen berada dalam kesetimbangan, kedua fasa tersebut mempunyai energi Gibbs molar yang sama. Pada sistem yang memiliki fasa ; dan <, G; + G< =========== ================.. =====..
5.>!
?ika tekanan dan suhu diubah dengan tetap men'aga kesetimbangan, maka dG; + dG< ========== ================ ======
4engan menggunakan hubungan )aA9ell, didapat
5.@!
6arena
maka Persamaan 5.#B disebut sebagai Persamaan *"ape+ron , yang dapat digunakan untuk menentukan entalpi penguapan, sublimasi, peleburan, maupun transisi antara dua padat. ntalpi sublimasi, peleburan dan penguapan pada suhu tertntu dihubungkan dengan persamaan
1.,. )ersamaan *"ausius % *"ape+ron
Untuk peristi9a penguapan dan sublimasi, Clausius menun'ukkan bah9a persamaan Clapeyron dapat disederhanakan dengan mengandaikan uapnya mengikuti hukum gas ideal dan mengabaikan olume (airan 0l! yang 'auh lebih ke(il dari olume uap 0g!.
2ila maka persamaan 5.#B men'adi
Persamaan 5.#$ disebut )ersamaan *"ausius % *"ape+ron . 4engan menggunakan persamaan di atas, kalor penguapan atau sublimasi dapat dihitung dengan dua tekanan pada dua suhu yang berbeda. 2ila entalpi penguapan suatu (airan tidak diketahui, harga pendekatannya dapat diperkirakan dengan menggunakan Aturan Trouton , yaitu
$. Sistem Dua Komponen $.1. Kesetimbangan -ap % *air ari *ampuran Iea" Dua Komponen
?ika (ampuran dua (airan nyata real ! berada dalam kesetimbangan dengan uapnya pada suhu tetap, potensial kimia dari masing – masing komponen adalah sama dalam fasa gas dan (airnya.
?ika uap dianggap sebagai gas ideal, maka
dimana Po adalah tekanan standar # bar!. Untuk fasa (air,
Persamaan 5.1B dapat ditulis men'adi
4ari persamaan 5.15 dapat disimpulkan bah9a
Persamaan 5.1@ menyatakan bah9a bila uap merupakan gas ideal, maka aktifitas dari komponen i pada larutan adalah perbandingan tekanan parsial /at i di atas larutan Pi ! dan tekanan uap murni dari /at i Pio!. Pada tahun #$$>, Raoult mengemukakan hubungan sederhana yang dapat digunakan untuk memperkirakan tekanan parsial /at i di atas larutan Pi ! dari suatu komponen dalam larutan. )enurut Raoult,
Pernyataan ini disebut sebagai ukum /aou"t , yang akan dipenuhi bila komponen – komponen dalam larutan mempunyai sifat yang mirip atau antaraksi antar larutan besarnya sama dengan interaksi di dalam larutan 7 – 2 + 7 – 7 + 2 – 2!. Campuran yang demikian disebut sebagai 'ampuran iea"& (ontohnya (ampuran ben/ena dan toluena. Campuran ideal memiliki sifat – sifat D"miA + B D0miA + B DSmiA + – R Eni ln Ai -ekanan uap total di atas (ampuran adalah
6arena A1 + # – A#, maka
Persamaan di atas digunakan untuk membuat garis titik ge"embung bubble point line !. 4i atas garis ini, sistem berada dalam fasa (air. 6omposisi uap pada kesetimbangan ditentukan dengan (ara
6eadaan (ampuran ideal yang terdiri dari dua komponen dapat digambarkan dengan kura tekanan tehadap fraksi mol berikut.
Gambar (. Tekanan tota" an parsia" untuk 'ampuran ben0ena % to"uena paa 2 o* Gambar ,. Fasa 'air an uap untuk 'ampuran ben0ena % to"uena paa 2 o* Garis titik embun dew point line ! dibuat dengan menggunakan persamaan
4i ba9ah garis ini, sistem setimbang dalam keadaan uap. Pada tekanan yang sama, titik – titik pada garis titik gelembung dan garis titik embun dihubungkan dengan garis horisontal yang disebut tie line lihat gambar 5.>!. ?ika diandaikan fraksi mol toluena adalah x, maka 'umlah /at yang berada dalam fasa (air adalah
Sedangkan 'umlah /at yang berada dalam fas uap adalah
Penentuan 'umlah /at pada kedua fasa dengan menggunakan persamaan 5.5# dan 5.51 disebut sebagai Lever Rule. (.$.$. Tekanan -ap *ampuran Non Iea"
-idak semua (ampuran bersifat ideal. Campuran – (ampuran non ideal ini mengalami penyimpangan deiasi dari hukum Raoult. -erdapat dua ma(am penyimpangan hukum Raoult, yaitu #. Penyimpangan positif Penyimpangan positif hukum Raoult ter'adi apabila interaksi dalam masing – masing /at lebih kuat daripada antaraksi dalam (ampuran /at 7 – 7, 2 – 2 : 7 – 2!. Penyimpangan ini menghasilkan entalpi (ampuran D"miA! positif bersifat endotermik! dan mengakibatkan ter'adinya penambahan olume (ampuran D0miA : B!. Contoh penyimpangan positif ter'adi pada (ampuran etanol dan n – hekasana.
Gambar 3. )en+impangan positif !ukum /aou"t
#. Penyimpangan negatif Penyimpangan negatif hukum Raoult ter'adi apabila antaraksi dalam (ampuran /at lebih kuat daripada interaksi dalam masing – masing /at 7 – 2 : 7 – 7, 2 – 2!. Penyimpangan ini menghasilkan entalpi (ampuran D"miA! negatif bersifat eksotermik! mengakibatkan ter'adinya pengurangan olume (ampuran D0miA B!.. Contoh penyimpangan negatif ter'adi pada (ampuran aseton dan air.
Gambar . )en+impangan negatif !ukum /aou"t
Pada gambar 5.@ dan 5.& terlihat bah9a masing – masing kura memiliki tekanan uap maksimum dan minimum. Sistem yang memiliki nilai maksimum atau minimum disebut sistem a0eotrop. Campuran a/eotrop tidak dapat dipisahkan dengan menggunakan destilasi biasa. Pemisahan
komponen 1 dan a/otrop dapat dilakukan dengan destilasi bertingkat. -etapi, komponen # tidak dapat diambil dari a/eotrop. 6omposisi a/eotrop dapat dipe(ahkan dengan (ara destilasi pada tekanan dimana (ampuran tidak membentuk sistem tersebut atau dengan menambahkan komponen ketiga. $.(. ukum enr+
"ukum Raoult berlaku bila fraksi mol suatu komponen mendekati satu. Pada saat fraksi mol /at mendekati nilai nol, tekanan parsial dinyatakan dengan
yang disebut sebagai ukum enr+ , yang umumnya berlaku untuk /at terlarut. 4alam suatu larutan, konsentrasi /at terlarut dinyatakan dengan subscribe 1! biasanya lebih rendah dibandingkan pelarutnya dinyatakan dengan subscribe #!. 8ilai K adalah tetapan "enry yang besarnya tertentu untuk setiap pasangan pelarut – /at terlarut.
6elarutan gas dalam (airan dapat dinyatakan dengan menggunakan tetapan "enry. "ukum "enry berlaku dengan ketelitian # – 5H sampai pada tekanan # bar. 6elarutan gas dalam (airan umumnya menurun dengan naiknya temperatur, 9alaupun terdapat beberapa penge(ualian seperti pelarut amonia (air, lelehan perak, dan pelarut – pelarut organik. Senya9a – senya9a dengan titik didih rendah "1, 81, "e, 8e, dll! mempunyai gaya tarik intermolekular yang lemah, sehingga tidak terlalu larut dalam (airan. 6elarutan gas dalam air biasanya turun dengan penambahan /at terlarut lain khususnya elektrolit!.
$.,. Sifat Ko"igatif 4arutan
Sifat koligatif colligative properties! berasal dari kata colligatus Latin! yang berarti Iterikat bersamaI. 6etika suatu /at terlarut ditambahkan ke dalam pelarut murni 7, fraksi mol /at 7, x A, mengalami penurunan. Penurunan fraksi mol ini mengakibatkan penurunan potensial kimia. Sehingga, potensial kimia larutan lebih rendah daripada potensial pelarut murninya. Perubahan potensial kimia ini menyebabkan perubahan tekanan uap, titik didih, titik beku, serta ter'adinya fenomena tekanan osmosis. Sifat koligatif diamati pada larutan sangat e n(er, dimana konsentrasi /at terlarut 'auh lebih ke(il dari pada konsentrasi pelarutnya A1 A#!. Perubahan sifat – sifat koligatif tersebut dapat dilihat pada gambar 5.%.
$.,.1. )enurunan Tekanan -ap
2ayangkan suatu larutan yang terdiri dari /at terlarut yang tidak mudah menguap involatile solute!. 6ondisi ini umumnya berlaku untuk /at terlarut berupa padatan, tetapi tidak untuk /at (air maupun gas. -ekanan uap larutan P ! kemudian akan bergantung pada pelarut sa'a P 1!. Sehingga penurunan tekanan uap dapat dinyatakan sebagai
?ika nilai P 1 disubstitusi dengan persamaan 5.1&, maka
dimana
A# + fraksi mol pelarut
A1 + fraksi mol /at terlarut Fraksi mol xi! adalah perbandingan 'umlah mol /at i ni! terhadap 'umlah mol total ntotal ! dalam larutan. Untuk larutan yang sangat en(er, n1 n#. Sehingga,
4engan demikian,
(.$.,.$. Kenaikan Titik Dii!
an )enurunan Titik Beku
-itik didih boiling point / T b! normal (airan murni adalah suhu dimana tekanan uap (airan tersebut sama dengan # atm. Penambahan /at terlarut yang tidak mudah menguap menurunkan tekanan uap larutan. Sehingga, dibutuhkan suhu yang lebih tinggi agar tekanan uap larutan men(apai # atm. "al ini mengakibatkan titik didih larutan lebih tinggi daripada titik didih pelarut murninya. 4ari persamaan 5.5&, penurunan tekanan uap
)enurut persamaan Clausius – Clapeyron,
dapat dinyatakan sebagai
2ila
P1 + P# dan
-1 + - b
P# + P#o -# + - bo maka persamaan Clausius – Clapeyron dapat ditulis men'adi
Pada larutan en(er,
sangat ke(il, sehingga
6arena - b sangat ke(il, maka - b J - bo
dengan 9# dan )# masing – masing adalah berat dan massa molar pelarut, serta 91 dan )1 adalah berat dan massa molar /at terlarut. ?ika 9# dianggap #BBB gram,
Penambahan /at terlarut 'uga mengakibatkan ter'adinya penurunan titik beku freezing point / T f !. 4engan menggunakan (ara yang sama, didapat
$.,.(. Tekanan 5smosis 6p7
Pendekatan tekanan osmosis dapat di'elaskan sebaga i berikut. Suatu larutan terpisah dari pelarut murninya oleh dinding semi permiabel, yang dapat dilalui oleh pelarut, tetapi tidak dapat d ilalui oleh /at terlarutnya. 6arena potensial kimia larutan lebih rendah, maka pelarut murni akan (enderung bergerak ke arah larutan, melalui dinding semi permiabel.
Pada kesetimbangan, tekanan di bagian kiri adalah P dan tekanan di bagian kanan adalah P + π . Π adalah perbedaan tekanan dari kedua sisi yang dibutuhkan untuk menghindari ter'adinya aliran spontan melalui membran ke salah satu sisi. )enurut hubungan )aA9ell,
2ila V dianggap tidak bergantung pada tekanan, maka
)enurut kesetimbangan kimia,
dimana P + P# + tekanan uap larutan Po + P#o + tekanan uap pelarut murni ?ika persamaan 5.@K disamakan dengan persamaan 5.&1, maka
)enurut "k. Raoult
Sehingga, persamaan 5.&5 men'adi
Pada larutan sangat en(er, A1 sangat ke(il sehingga ln # – A1! J – A1.
dimana C1 adalah konsentrasi /at terlarut. $.3. Sistem Dua Komponen engan Fasa )aat % *air
Sistem biner paling sederhana yang mengandung fasa padat dan (air ditemui bila komponen – komponennya saling ber(ampur dalam fas (air tetapi sama sekali tidak ber(ampur pada fasa padat, sehingga hanya fasa padat dari komponen murni yang akan keluar dari larutan yang mendingin. Sistem seperti itu digambarkan dalam diagram fasa 2i d an Cd berikut.
Gambar 8. Kur#a peninginan an iagram fasa su!u % persen berat untuk sistem Bi % *
2ila suatu (airan yang mengandung hanya satu komponen didinginkan, plot suhu terhadap 9aktu memiliki lereng yang hampir tetap. Pada suhu mengkristalnya padatan yang keluar dari (airan, kura pendingina akan mendatar 'ika pendinginan berlangsung lambat. Patahan pada kura pendinginan disebabkan oleh terlepasnya kalor ketika (airan memadat. "al ini ditun'ukkan pada bagian kiri gambar 5.K, yaitu (airan hanya mengandung 2i ditandai dengan komposisi Cd BH! pada suhu 1%5oC dan (airan yang hanya mengandung Cd ditandai dengan komposisi Cd #BBH! pada suhu 515oC. ?ika suatu larutan didinginkan, ter'adi perubahan lereng kura pendinginan pada suhu mulai mengkristalnya salah satu komponen dari larutan, yang kemudian memadat. Perubahan lereng ini disebabkan oleh lepasnya kalor karena proses kristalisasi dari padatan yan gkeluar dari larutan dan 'uga oleh perubahan kapasitas kalor. "al ini dapat terlihat pada komposisi 1BH dan $BH Cd. Untuk komposisi >BH Cd pada suhu #>BoC, ter'adi pertemuan antara lereng kura pedinginan 2i dan Cd yang menghasilkan garis mendatar. Pada suhu ini, 2i dan Cd mengkristal dan keluar dari larutan, menghasilkan padatan 2i dan Cd murni. 6ondisi dimana larutan menghasilkan dua padatan ini disebut titik eutektik , yang hanya ter'adi pada komposisi dan suhu tertentu. Pada titik eutektik terdapat tiga fasa, yaitu 2i padat, Cd padat dan larutan yang mengandung >BH Cd. 4era'at kebebasan untuk titik ini adalah B, sehingga titik eutektik adalah inarian. utektik bukan merupakan fasa, tetapi kondisi dimana terdapat (ampuran yang mengandung dua fasa padat yang berstruktur butiran halus. $.3.1. )embentukan Sen+a9a
6omponen – komponen pada sistem biner dapat bereaksi membentuk senya9a padat yang berada dalam kesetimbangan dengan fas (air pada berbagai komposisi. ?ika pembentukan senya9a mengakibatkan ter'adinya daerah maksimum pada diagram suhu – komposisi, maka disebut sen+a9a bertitik "ebur sebangun congruently melting compound !. Contoh senya9a ini dapat dilihat pada diagram fas n – )g pada gambar 5.#B.
Selain melebur, senya9a 'uga dapat meluruh membentuk senya9a lain dan larutan yang setimbang pada suhu tertentu. -itik leleh ini disebut titik "e"e! tak sebangun incongruently melting point ! dan senya9a yang terbentuk disebut sen+a9a bertitik "ebur tak sebangun . "al ini ter'adi pada bagian diagram fasa 8a1S3> – "13 yang menun'ukkan pelelehan tak sebangun dari 8a1S3>.#B"13 men'adi kristal rombik anhidrat 8a1S3>.
$.3.$. 4arutan )aat
Pada umumnya, padatan murni bisa didapatkan pada saat larutan didinginkan. -etapi, pada beberapa sistem, bila larutan didinginkan, maka larutan padatlah solid solution ! yang akan keluar. Contoh sistem yang membentuk larutan padat adalah sistem Cu – 8i. Pada gambar 5.#1, terlihat adanya daerah dimana terdapat fasa (air larutan! dan fasa padat larutan padat! yang berada dalam kesetimbangan. Garis yang berbatasan dengan fasa (air disebut sebagai garis "i:uius , sedangkan garis yang berbatasan dengan fasa padat disebut garis so"ius . Larutan padat pada sistem ini disebut sebagai fasa ;. 6omposisi masing – masing fasa dapat ditentukan dengan menggunakan lever rule. 6ondisi fasa – fasa yang ada dalam sistem pada berbagai suhu dapat dilihat pada gambar #5. Sumber M httpMtheki(kerK&.9ordpress.(omkesetimbanganNfasa
Tipe;tipe iagaram fase Diagram fase 2D 4iagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekananNtemperatur dari /at tunggal, seperti air . SumbuNsumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur . 4iagram fase pada ruang tekananNtemperatur menun'ukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fase padat, (air , dan gas.
4iagram fase yang umum. Garis titikNtitik merupakan sifat anomali air. Garis ber9arna hi'au menandakan titik beku dan garis biru menandakan titik didih yang berubahNubah sesuai dengan tekanan. Penandaan diagram fase menun'ukkan titikNtitik di mana energi bebas bersifat nonNanalitis. FaseN fase dipisahkan dengan sebuah garis nonNanalisitas, di mana transisi fase ter'adi, dan disebut sebagai sempaan fase . Pada diagaram sebelah kiri, sempadan fase antara (air dan gas tidak berlan'ut sampai tak terhingga. Oa akan berhenti pada sebuah titik pada diagaram fase yang disebut sebagai titik kritis. Oni menun'ukkan bah9a pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase (air dan gas men'adi tidak dapat dibedakan#Q, yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis ada pada sekitar &>% 6 dan 11,B&> )Pa 5.1BB,# psi! 6eberadaan titik kritis (airNgas menun'ukkan ambiguitas pada definisi di atas. 6etika dari (air men'adi gas, biasanya akan mele9ati sebuah sempadan fase, namun adalah mungkin untuk memilih la'ur yang tidak mele9ati sempadan dengan ber'alan menu'u fase superkritis. 3leh karena itu, fase (air dan gas dapat di(ampur terus menerus.
Sempadan padatN(air pada diagram fase kebanyakan /at memiliki gradien yang positif. "al ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi daripada fase (air, sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh. Pada beberapa bagian diagram fase air, sempadan fase padatN(air air memiliki gradien yang negatif, menun'ukkan bah9a es mempunyai densitas yang lebih ke(il daripada air. Sifat-sifat termodinamika lainnya Selain temperatur dan tekanan, sifatNsifat termodinamika lainnya 'uga dapat digambarkan pada diagram fase. Contohnya meliputi olume 'enis, entalpi 'enis, atau entropi 'enis. Sebagai (ontoh, grafik komponen tunggal -emperatur s. ntropi 'enis - s. s! untuk airuap atau untuk refrigeran biasanya digunakan untuk mengilustrasikan siklus termodinamika seperti siklus Carnot dan siklus Rankine.
Pada grafik dua dimensi, dua kuantitas termodinamika dapat ditun'ukkan pada sumbu hori/ontal dan ertikal. 6uantitas termodinamika lainnya dapat diilustrasikan dengan bertumpuk sebagai sebuah deret garis atau kura. GarisNgaris ini me9akili kuantitas termodinamika pada nilai konstan tertentu.
4iagram fase temperatur s. entropi 'enis untuk airuap. Pada area di ba9ah kubah, air dan uap berada dalam keadaan kesetimbangan. -itik kritisnya ada di atas kubah. Gariskura biru adalah isobar yang menun'ukkan tekanan konstan. Gariskura hi'au adalah isokor yang menun'ukkan olume 'enis konstan. Garis merah menun'ukkan kualitas konstan
Diagram fase 3D 7dalah mungkin untuk membuat grafik tiga dimensi 54! yang menun'ukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai (ontoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 54 Cartesius dapat menun'ukkan temperatur -!, tekanan P!, dan olume 'enis !. Grafik 54 tersebut kadangN kadang disebut diagram PNN-. 6ondisi kesetimbangan akan ditung'ukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, (air, dan gas. Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripe" , di mana /at padat, (air, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan. -itik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan pada diagram fase 54. Proyeksi ortografi grafik PNN- 54 yang menun'ukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu ertikal dan hori/ontal akan menurunkan plot 54 tersebut men'adi diagram tekananNtemperatur 14. 6etika hal ini ter'adi, permukaan padatNuap, padatN(air, dan (airNuap akan men'adi tiga kura garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel. Sumber M httpMid.9ikipedia.org9iki4iagramfase
DIAG/AM KESEIMBANGAN FASE )ADA DISTI4ASI BINE/
4ata keseimbangan UapN(air dapat disa'ikan dalam kumpulan koordinat yang berbedda untuk men'elaskan dan mengukur tingkatan pada proses distilasi. 6ita akan menyusun masingN masing grafik menggunakan batasan yang telah ditentukan se(ara termodinamika dan menggambarkan arti fisiknya. "ubungan antara 'umlah tiap fase akan ditentukan menggunakan LeerNrule. DIAG/AM FASE Pemisahan dari (ampuran (airan men'adi komponenNkomponennya 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 (airan berada pada kondisi komposisi setimbang yang biasanya berbeda. 8yatanya, bagian yang menguap dari fase (airnya telah dihasilkan pada pemisahan parsial pada a9al pen(ampuran. -ingkat dari pemisahan akan ditentukan dengan keseimbangan antara fase uap dan (airan. "ubungan antar komposisi dari kedua fase pada keseimbangan biasanya disa'ikan dengan diagram keseimbangan fase. )etode penya'iannya harus tetap dengan 'umlah ariable yang bersangkutan. Gibbs menampilkannya dalam keadaan seimbang beserta se'umlah fase, berikut hubungan yang releanM F+ C 1 – P =========.#! 4imana F adalah 'umlah dera'at kebebasan, atau ariable bebas. C adalah 'umlah komponen dan P adalah 'umlah fase saat ini. Penya'ian grafis dari data akan bergantung dari nilai F dan kita dapat memperkirakannya dan plotting akan meningkat lebih kompleks sebagaimana membesarnya nilai F. -afsiran tampilan dari grafis biasanya membatasinya pada nilai F + 1, itulah sebabnya disebut sistem biner. 6ebanyakan proses distilasi di industri dilaksanakan pada tekanan relatie konstan, dan untuk alasan ini diagram keseimbangan fase di tampilkan pada isobar dengan suhu dan komposisi pada koordinatnya. DIAG/AM S--;K5M)5SISI 4iagram khusus suhuNkomposisi ditun'ukkan dalam Figure #. Garis lengkung 72C menun'ukkan komposisi (air 'enuh dan 7C komposisi fase uap 'enuh. Untuk alasan itu akan men'adi sedikit lebih 'elas, diagram ini 'uga disebut diagram boiling point. Untuk paham arti dari diagram kita akan menun'ukkan beberapa proses dan melihat bagaimana itu dapat disa'ikan dalam diagram suhuNkomposisi. 7nggap suatu (air (ampuran G dengan komposisi Ao dan suhu -B. ?ika mulai dipanaskan, maka suhunya akan naik men(apai nilai -# pada kura 72C. Oni menandakan bah9a (ampuran telah men(apai suhu 'enuhnya sehinggapemanasan lebih lan'ut akan menyebabkan mendidih. Suhu -# kemudian dapat di asumsikan sebagai suhu dimana pertama kali gelembung uap mun(ul, dan untuk alas an ini disebut titk didih dari (airan pada komposisi AB. 6ita telah menun'ukkan sebelumnya bah9a biasanya fase uap akan akan mempunyai perbedaan komposisi dari komposisi fase (airnya. 6omposisi ini sesuai dengan yB dan diperoleh dengan menggambar
garis mendatar hori/ontal! pada -# sampai memotong kura 72C. Pemanasan selan'utnya akan meningkatkan 'umlah fase uap saat ini dan sebagai akibatnyta akan mengubah komposisi dari fase (airnya. 7khirnya, semua fase (air akan menguap dan k arena tidak ada material yang hilang, komposisi uap akhir akan sama dengan (ampuran (air aslia9al titik !. Oni menun'ukkan bah9a 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 men(apai tahapan pada titikF. Sekarang kita dapat membalikkan proses sebagai berikut. 4imulai dengan uap le9at 'enuh F pada suhu -1 kita dinginkan sampai titik pada kura 7C. 4i sini uap men'adi 'enuh sehingga pendinginan lebih lan'ut akan menyebabkan fase (air mun(ul. Suhu -5 dapat di asumsikan sebagai suhu dimana pertama kalinya (airan tampak dan untuk alas an ini disebut titik embun dari uap pada komposisi yB. Se'ak titik a9al telah berubah ubah, beberapa penyusunan a9al komposisi AB atau yB dapat diperlakukan men'adi proses yang di'elaskan di atas. 4engan kata lain, kura 72C bias didefinisikan sebagai kura titik didih dan kura 7C sebagai kura titik pengembunan. 6emudian kita dapat membagi grafik -NANy men'adi tiga 9ilayahM #! 4i ba9ah kura 72C menun'ukkan (ampuran dalam keadaan (air dinginT b! 9ilayah di atas 7C menun'ukkan uap le9at 'enuhT (! area di antara dua kura yang berhubungan adlah (ampuran 'enuh dari keseimbanganuapN(air. Otu memungkinkan untuk menghitung proporsi relatif pada saat keduanya fase 'enuh Untuk men'a9ab pertanyaan ini, kita harus mengingat bah9a pendinginan atau pemanasan tidak mengubah komposisi keseluruhan system Calling -,A7-! 'umlah mol total dan komposisi system pada fase (air L,A7L! dan fase uap dalam keseimbangan 0,y7L!, didapatM 8era(a -otal 2ahanM - + L 0 ==============1! 8era(a 2ahan 6omponen 7M -.A7- + L.A7L 0.y70 ======5! Gantikan nilai - pada persamaan 5 dan disusun kembali, didapatM =...==.>! Persamaan > ini dikenal sebagai inerse leerNrule dan akan membantu kita menhitung 'umlah relatie dari tiap fase. DIAG/AM K5M)5SISI Cara lain untuk menggambarkan perbedaan komposisi dari fase (air dan fase uap adalah dengan menggambarkan meng plotkan satu dengan yang lain, biasanya dengan komponen yang lebih olatil. Gambar 1 menun'ukkan 'enis diagram komposisi. Garis >@V menun'ukkan uap dengan komposisi sama dengan bentuk (airnya, 'adi kura yang lebih lebar menun'ukkan pemisahan dari ini (airNuap!, bagian yang lebih lebar merupakan perbedaan diantara 1 fase. Oni harus di(atat bah9a perbedaan kesetimbangan, suhu berhubungan dengan tiap titik dalam kura.
8ormalnya suhu ini tidak terindikasi Gambar # dan 1 menun'ukkan yang disebut system normal. 2ila komponen memiliki perbedaan sifat fisik atau interaksi kimia yang kuat, maka akan ter'adi perbedaan dalam diagram suhuN komposisi dan diagram komposisinya, seperti yang ditun'ukkan dalam Gambar 5. Gambar 5 a! dan 5 b! menun'ukkan system a/eotrop. Campuran ini , dimana ada komposisi kritis Posisi Wa dimana fase uap dan fase (air mempunyai komposisi yang sama, 'adi tidak ter'adi perubahan saat pemanasan di lakukan. Larutan tersebut disebut 7/eotrop dan untuk memisahkan larutan tersebut dilakukan beberapa metode yang spe(ial. Gambar 5a! menun'ukkan bah9a titik didih dari larutan adalah maksimum, yang disebut dengan )aAimum 2oiling 7/eotrop. Gambar 5b! menun'ukkan hal yang sama, yang disebut dengan )inimum 2oiling 7/etrop. 4ari defenisi kata a/eotrop, kita dapat mengetahui bah9a kura komposisi akan menun'ukkan Cross oer point pada >@ ?ika interaksi antara komponenNkomponen (ukup kuat, pemisahan fase (air dapat ter'adi. Gambar 5(!!. 4alam immisible region 1 fase (airan ter'adi dan fase ini mengindikasikan bah9a boiling temperature dari larutan sama seperti komposisi dari fase uap yang konstan. "ubungan antara komposisi dari 1 fase ditun'ukkan dalam g ambar 5f! EFEK TEKANAN DA4AM KESETIMBANGAN FASE 6ita telah menyebutkan sebelumnya diagram fase biasanya dikonstruksikan untuk tekanan yang tetap. 7pa yang akan ter'adi bila kita mengubah tekanan operasi 4alam kondisi yang umum, kita dapat mengatakan bah9a kelakuan kualitatif dari diagram akan tetap sama sampai tekanan dari system melebihi tekanan kritis dari satu komponen. 4alam 'angkauan tekanan antara dua tekanan kritis, system akan dapat men'adi fase (airan sa'a melebihi 'angkauan komposisi dimana fase (air ter'adi. 4alam kata lain, bentuk yang umum dari diagram akan tetap sama, diagram tak digunakan untuk komposisi diba9ah B sampai #,B. 6enaikan tekanan akan menurunkan 'angkauan ini sampai suatu saat akan menghilang sempurna.
Sumber M httpMfinoyoharde.blogspot.(om1B#BB>kesetimbanganNfasaNdanNdiagramNfasa.html
Tabe" 1.1 Data kesetimbangan untuk s+stem Etano" ; Air 6 Geankoplis,
1997) Temperatur 5 5 * F
#BB K$.#
[email protected] K#.$ $%.5 $>.% $5.1 $1.B
1#1 1B$.@ 1B5.> #K%.1 #$K.1 #$>.@ #$#.% #%K.&
+A
B B.B1B B.B@B B.#BB B.1BB B.5BB B.>BB B.@BB
B B.#K1 B.5%% B.@1% B.&@& B.%#5 B.%>& B.%%#
Temperatur 5 5 * F
$#.B $B.# %K.# %$.5 %$.1 %$.# %$.1 %$.5
#%%.$ #%&.1 #%>.5 #%5.B #%1.$ #%1.% #%1.$ #%5.B
+A
B.&BB B.%BB B.$BB B.KBB B.K>B B.K&B B.K$B #.BBB
B.%K> B.$11 B.$@$ B.K#1 B.K>1 B.K@K B.K%$ #.BBB
-abel #.# di atas merupakan data harga A 7 dan y7 untuk sistem tanol – 7ir literatur pada tekanan #B#.51@ kPa # atm! dan temperatur berariasi.
SISTEM A=E5T/5) DAN )/5SES DESTI4ASI
7. )engertian 4estilasi adalah suatu proses pemisahan termal untuk memisahkan komponenN komponen yang mudah menguap dari suatu (ampuran (air dengan (ara menguapkannya, yang diikuti dengan kondensasi uap yang terbentuk dan menampung kondensat yang dihasilkan. 7pabila yang didinginkan adalah bagian (ampuran yang tidak teruapkan dan bukan destilatnya, maka proses tersebut biasanya dinamakan pengentalan dengan eaporasi. 4alam hal ini sering kali bukan pemisahan yang sempurna yang dikehendaki, melainkan peningkatan konsentrasi bahanNbahan yang terlarut dengan (ara menguapkan sebagian dari pelarut. Sering kali destilasi digunakan semtaNmata sebagai tahap a9al dari suatu proses rektifikaasi. 4alam hal ini (ampuran dipisahkan men'adi dua, yaitu bagian yang mudah menguap dan bagian yang sukar menguap. 6emudian masingNmasing bagian diolah lebih lan'ut dengan (ara rektifikasi. Uap yang dikeluarkan dari (ampuran disebut sebagai uap bebas, kondensat yang 'atuh sebagai destilat dari bagian (airan yang tidak menguap sebagai residu. 2iasanya destilat digunakan untuk menarik senya9a organi( yang titik didihnya diba9ah 1@B oC, pendestilasian senya9aNsenya9a yang titik didihnya tinggi dikuatirkan akan rusak oleh pemanasan sehingga tidak (o(ok untuk ditarik dengan teknik destilasi.
2. )rinsip an )roses Kerja Desti"asi Prinsip 4estilasi • Pada prinsipnya pemisahan dalam suatu proses destilasi ter'adi karena penguapan salah satu komponen dari (ampuran, artinya dengan (ara mengubah bagianNbagian yang sama dari keadaan (air men'adi berbentuk uap. 4engan demikian persyarannya adalah kemudahan menguap olatilitas! dari komponen yang akan dipisahkan berbeda satu dengan yang lainnya. Pada (ampuran bahan padat dalam (airan, persyaratan tersebut praktis selalu terpenuhi. Sebaliknya, pada larutan (airan dalam (airan biasanya tidak mungkin di(apai sempurna, karena semua komponen pada titik didih (ampuran akan mempunyai tekanan uap yang besar. 4estilat yang murni praktis hanya dapat diperoleh
'ika (airan yang sukar menguap mempunyai tekanan uap yang ke(il sekali sehingga dapat diabaikan. •
Proses 4estilasi Penguapan dan destilasi umumnya merupakan proses pemisahan satu tahap.
Proses ini dapat dilakukan se(ara tak kontinu atau kontinu, pada tekanan normal ataupun akum. Pada destilasi sederhana, yang paling sering dilakukan adalah operasi taak kontinu. 4alam hal ini (ampuran yang akan dipisahkan dimasukkan kedalam alat penguap dan dididihkan. Pendidihan terus dilangsungkan hingga se'umlah tertentu komponen yang mudah menguap terpisahkan. Proses pendidihan erat hubungannya dengan kehadiran udara permukaan. Pendidihan akan ter'adi pada suhu dimana tekanan uap dari larutan sama dengan tekanan udara di permukaan (airan. Secara umum proses ang ter!a"i pa"a "estilasi se"er#ana atau biasa aitu $ •
Penguapan komponen yang mudah menguap dari (ampuran dalam alat penguap
•
Pengeluaran uap yang terbentuk melalui sebuah pipa uap yang lebar dan kosong tanpa perpindahan panas dan pemindahan massa yang disenga'a atau dipaksakan yang dapat menyebabkan kondensat mengalir kembali ke lat penguap.
•
?ika perlu, tetesNtetes (airan yang sukar menguap yang ikut terba9a dalam uap dipisahkan dengan bantuan siklon dan disalurkan kembali kedalam alat penguap.
•
6ondensasi uap dalam sebuah kondensor
•
Pendingin lan'ut dari destilat panas dalam sebuah alat pendingin
•
Penampungan destilat dalam sebuah be'ana
•
Pengeluaran residu dari alat penguap
•
Pendinginan lan'ut dari residu yang dikeluarkan Penampungan residu dalam sebuah be'ana.
)E/ISTI>A ?ANG TE/@ADI )ADA )/5SES DESTI4ASI
)asalah yang ditemui dalam destilasi adalah M %terbentu&na campuran Azeotrop ang merupa&an campuran ang sulit "ipisa#&an'( Campuran Aeotrop ialah M (ampuran dengan titik didih yang konstan. C. DESTI4ASI A=E5T/5) 4istilasi 7/eotrop digunakan dalam memisahkan (ampuran a/eotrop (ampuran (ampuran dua atau lebih komponen yang sulit di pisahkan!, biasanya dalam prosesnya digunakan senya9a lain yang dapat meme(ah ikatan a/eotrop tsb, atau dengan menggunakan tekanan tinggi. 7/eotrop merupakan (ampuran 1 atau lebih komponen pada komposisi tertentu dimana komposisi tersebut tidak bisa berubah hanya melalui distilasi biasa. 6etika (ampuran a/eotrop dididihkan, fasa uap yang dihasilkan memiliki komposisi yang sama dengan fasa (airnya. Campuran a/eotrop ini sering disebut 'uga
