ABSTRAK Tegangan merupakan suatu kerja yang dilakukan dalam memperluas permukaan cairan dengan satu satuan luas. Tujuan dari percobaan ini adalah menentukan tegangan permukaan suatu fluida dengan menggunakan metode cincin du’Nouy. Dalam percobaan ini digunakan empat jenis zat cair yaitu air biasa, minyak goreng, oli dan larutan gula. Tegangan permukaan terjadi karena pada permukaan adanya gaya adhesi (antara cairan dan udara) lebih kecil dari pada gaya kohesi antara molekul-molekul cairan sehingga menyebabkan terjadinya gaya kedalam pada permukaan cairan. Tegangan permukaan terjadi karena permukaan zat cair cenderung untuk menegang sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis. Hal ini dipengaruhi oleh gaya kohesi antara molekul air. Satuan untuk tegangan permukaan (ɤ) adalah Jm -2 atau dyne cm-1 atau Nm-1Faktor-faktor yang mempengari tegangan permukaan suatu zat cair adalah massa jenis, surfaktan, suhu, dan zat terlarut. Suhu, apabila suhu meningkat maka tegangan permukaan zat cair akan menurun. Kata Kunci : Tegangan permukaan, cincin Newton, selaput cairan.
PERCOBAAN 6 TEGANGAN PERMUKAAN
6.1
PENDAHULUAN
6.1.1
Tujuan Percobaan Tujuan dari percobaan ini adalah menentukan tegangan permukaan suatu
fluida dengan menggunakan metode cincin du’ Nouy.
6.1.2
Latar Belakang Cairan akan bersifat menekan ke atas seperti yang dimaksud pada hukum
Stokes, dan hal ini bergantung pada kekentalan atau viskositas cairan. Tegangan permukaan suatu zat cair terjadi karena perbedaan resultan gaya tarik-menarik molekul yang berbeda di permukaan zat cair tersebut. Tegangan permukaan cairan banyak aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari, contohnya pada penggunaan deterjen. Pada permukaan temu antara zat cair dan gas atau antara dua zat cair yang tidak bercampur, timbul gaya-gaya dipermukaan cair yang menyebabkan permukaan tersebut berperilaku seakan-akan merupakam suatu kulit atau membran yang membentang pada seluruh massa fluida. Beberapa fenomena yang diakibatkan oleh tegangan permukaan seperti sebuah jarum baja yang akan terapung di atas air jika dletakkan dengan hati-hati pada permukaannya karena tegangan permukaan pada permukaan cairan seolah-olah menopang jarum tersebut. Minyak dan air yang tidak dapat bercampur menjadi satu apabila diamati seperti ada kulit yang
memisahkan kedua zat tersebut dan butiran air yang
berbentuk ketika terpisah. Dalam bidang teknik kimia, tegangan permukaan berpengaruh pada proses penyaringan dan pemisahan bahan.
6.2
DASAR TEORI Pada permukaan temu (antarmuka) antara zat cair dan gas, atau antara dua
zat cair yang tidak bercampur, timbul gaya-gaya di permukaan cairan yang menyebabkan permukaan tersebut berperilaku seakan-akan merupakan suatu “kulit” atau “membran” yang membentang pada seluruh massa fluida. Meskipun kulit seperti itu tidak benar-benar ada, analogi konseptual ini memungkinkan untuk digunakan sebagai penjelasan mengenai beberapa fenomena yang biasa terlihat, sebagai contoh, sebuah jarum baja akan terapung di atas air jika diletakkan dengan hati-hati pada permukaannya karena tegangan di atas air yang timbul (pada kulit hipotesis) tersebut menopang jarum itu. Tetesan kecil air raksa akan terbentuk bola jika diletakkan di atas sebuah permukaan yang mulus karena gaya-gaya kohesi di permukaan cenderung untuk memegang seluruh molekul bersama-sama dalam bentuk yang ringkas, sama halnya, butiran air yang terpisah akan terbentuk apabila diletakkan di atas permukaan yang baru dilapisi lilin. Berbagai jenis fenomena permukaan ini disebabkan oleh ketidakseimbangan gaya-gaya kohesi yang bekerja pada molekul-molekul cairan pada permukaan fluida. Molekul-molekul di bagian dalam dari massa fluida dikelilingi oleh molekul-molekul yang tertarik satu sama lain sama kuatnya. Namun, molekulmolekul di sepanjang permukaan mengalami gaya netto yang mengarah ke dalam (Munson, 2004 : 30). Tegangan permukaan adalah gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang bekerja pada permukaan zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda itu. Tegangan permukaan dapat dirumuskan sebagai berikut :
γ=
F L
Keterangan : F = Gaya (Newton) L = Panjang (m) ᵟ = Tegangan permukaan
(6.1)
(Freedman : 2002) Tegangan permukaan suatu zat cair terjadi karena ada perbedaan resultan gaya tarik menarik molekul-molekul yang berada di permukaan zat cair tersebut. Untuk mengeluarkan sebuah molekul dari bagian permukaan zat cair diperlukan usaha, karena molekul-molekul yang berada di perbatasan memiliki energi potensia (Freedman, 2002). Permukaan cairan adalah seperti selaput elastik yang direnggangkan. Gaya yang diperlukan untuk memecahkan permukaan dapat diukur. Gaya ini ditemukan sebanding dengan panjang permukaan yang pecah, yang adalah dua kali panjang jarum karena terdapat selaput permukaan pada kedua sisi jarum. Bila jarum mempunyai massa m dan panjang L, gaya F yang dibutuhkan untuk mengangkatnya lepas dari permukaan adalah: F = γ2L + mg……………………………………..(6.2) Dengan γ adalah koefisien tegangan permukaan, yaitu gaya persatuan panjang yang diberikan oleh selaput. Nilai γ untuk air sekitar 0,073 N/m. Tegangan permukaanlah yang menyebabkan tetes-tetes cairan cenderung berbentuk bola. Ketika tetesan itu terbentuk, tegangan permukaan menarik permukaannya bersama-sama, dengan meminimumkan luas permukaan dan membuat tetesan itu berbentuk bola (Tipler, 1998). Tegangan permukaan didefinisikan sebagai kerja yang dilakukan dalam memperluas permukaan cairan dengan satu satuan luas. Satuan untuk tegangan permukaan (γ) adalah Jm-2 atau dyne cm-1 atau Nm-1. Metode yang paling umum untuk mengukur tegangan permukaan adalah kenaikkan atau penurunan cairan dalam pipa kapiler, yaitu: γ
drgl 2
..............................................................................................(6.3)
di mana d adalah kerapatan cairan, r adalah jari-jari kapiler, l adalah panjang cairan yang ditekan atau yang akan naik, dan g adalah konstanta gravitasi (Dogra, 1990). Ada beberapa cara untuk menerapkan tegangan muka cairan. Di sini diberikan dua cara, yaitu cara kenaikan kapiler dan cara du’Nouy. a. Cara kenaikan kapiler Bila cairan membasahi gelas diberikan pipa kapiler dari gelas maka permukaan cairan akan naik. Kenaikan cairan ini disebabkan karena adanya tegangan muka cairan. b. Cara du Nouy Cara ini lebih cepat dari cara pertama, karena alatnya lebh praktis. Alat dari du Nouy disebut tensiometer, terdiri atas cincin platina dimasukkan dalam cairan yang diselidiki. (Sukardjo, 1990). Suatu percobaan sederhana dilakukan untuk memperlihatkan efek tegangan permukaan. Mulanya mengambil sebuah cincin kawat, dan mengikat seutas benang membentuk kalung. Jika cincin ini dicelupkan kedalam larutan air sabun dan kemudian dikeluarkan, akan terjadi suatu selaput air sabun, dan kalung akan bergerak bebas di dalamnya. Jika selaput sabun yang di dalam kalung benang ditusuk dengan jarum hingga pecah, maka benang akan terentang membentuk suatu lingkaran. Jelas bahwa ini berarti pada benang sekarang bekerja gaya-gaya keluar pada arah radial. Sebelum selaput air sabun dipecahkan, pada benang bekerja gaya oleh zat cair di kedua belah pihak benang, dan setelah selaput sabun di dalam benang menjadi hilang, gaya tariknya juga hilang (Sutrisno, 1997). Pada prinsipnya, dengan metode ini pada cara yang pertama, tegangan permukaan zat cair diperoleh dengan cara membandingkan gaya yang diperlukan untuk mengangkat sebuah benda dari permukaan zat cair itu dengan gaya yang diperlukan untuk mengankat benda yang sama dari permukaan zat cair sudah diketahui tegangan permukaannya sebagai standar pengukuran. ᵞ = ᵞ0 Keterangan :
Ө Ө0
………………………………………………………………………………………………….
(6.4)
γ 0= tegangan permukaan zat cair standar γ = tegangan permukaan
Ө0 = sudut puntiran zat cair standar Ө = sudut puntiran (Staf Pengajar Teknik Kimia : 2014). Sabun dan deterjen mempunyai efek menurunkan tegangan permukaan air. Hal ini diinginkan untuk mencuci dan membersihkan karena tegangan permukaan air murni yang tinggi mencegahnya masuk dan dengan mudah di antara serat-serat materi dn lekuk-lekuk yang kecil. Zat-zat yang memperkecil tegangan permukaan zat cair disebut surfaktan (Giancolli, 2001). Pada dasarnya tegangan permukaan suatu zat cair dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya suhu dan zat terlarut. Dimana keberadaan zat terlarut dalam suatu cairan akan mempengaruhi besarnya tegangan permukaan terutama molekul
zat
yang
berada
pada
permukaan
cairan
berbentuk
lapisan
monomolekular yang disebut dengan molekul surfaktan. Faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan permukaan adalah sebagai berikut: a. Suhu Tegangan permukaan menurun dengan meningkatnya suhu, karena dengan bertambahnya suhu molekul-molekul cairan bergerak lebih cepat dan pengaruh
interaksi
antar
molekul
berkurang
sehingga
tegangan
permukaannya menurun. b. Zat terlarut (solute) Keberadaan zat terlarut dalam suatu cairan akan mempengaruhi tegangan permukaan. Penambahan zat terlarut akan meningkatkan viskositas larutan, sehingga tegangan permukaan akan bertambah besar. Tapi apabila zat yang berada dipermukaan cairan membentuk lapisan monomolekular, maka akan menurunkan tegangan permukaan zat tersebut yang biasa disebut dengan surfaktan. c. Surfaktan Surfaktan adalah zat yang dapat mengaktifkan permukaan, karena cenderung untuk terkonsentrasi pada permukaan atau antar muka. Surfaktan mempunyai orientasi yang jelas sehingga cenderung pada rantai lurus. Sabun merupakan salah satu contoh dari surfaktan. Surfaktan
menurunkan tegangan permukaan air dengan mematahkan ikatan-ikatan hidrogen pada permukaan (Giancolli,2001). 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. Pada zat cair yang adesiv berlaku bahwa besar gaya kohesinya lebih kecil daripada gaya adhesinya dan pada zat yang non adesiv berlaku sebaliknya. Molekul biasanya saling tarik menarik. Dibagian dalam cairan, setiap molekul cairan dikelilingi oleh molekul-molekul cairan disamping dan dibawah. Dibagian tidak ada molekul cairan lainnya karena molekul cairan tarik-menarik satu dengan yang lainnya, maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada dibagian dalam cairan. Sebaliknya molekul cairan yang terletak dipermukaan ditarik oleh molekul cairan yang berada disamping dan bawahnya. Akibatnya, pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah, maka cairan yang terletak dipermukaan cenderung memperkecil luas permukaannya dengan menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan cairan pada permukaan seolah-olah tertutup oleh selaput elastis yang tipis (Atkins, 1994).
6.3
METODOLOGI
6.3.1
Alat Alat-alat yang digunakan adalah :
6.3.2
du’Nouy tester Termometer Gelas beker Gelas arloji Neraca analitik Sudip Oven Gelas ukur
Bahan Bahan-bahan yang digunakan adalah :
Aquadest Minyak goreng Oli Larutan gula
6.3.3
Prosedur Percobaan
1.
Memeriksa set alat pengukur tegangan permukaan du Nouy yang akan digunakan sudah lengkap dan terpasang dengan benar
2.
Menggantung cincin sedemikian rupa hinggan tepat berada di permukaan aquadest
3.
Mengangkat cincin dari permukaan aquadest dan mencatat sudut puntiran yang dihasilkan selama pengangkatan
4.
Mengulangi langkah 2 dan 3 dengan mengganti aquadest dengan minyak, oli, larutan gula bergantian untuk menentukan tegangan permukaan masing-masing cairan.
6.3.4 Flowchart
du’nouy tester
Disiapkan Diperiksa dan dipasang dengan benar
Aquadest, minyak goreng, oli, air gula
Dituangkan kedalam gelas bekker sebanyak 25 mL Diukur suhu aquadest Cincin kawat Hasil
Digantungkan pada alat du’nouy tester Diposisikan tepat dipermukaan fluida Diangkat secara perlahan-lahan Dicatat sudut puntiran
6.4
HASIL DAN PEMBAHASAN
6.4.1
Hasil Pengamatan
Tabel 6.1 Data Hasil Pengamatan pada Aquadest Percobaan ke1 2 3 Jumlah Rata-rata
Skala (Ө) 3,1 3,0 2,9 9,0 3,0
Tabel 6.2 Data Hasil Pengamatan pada Oli Percobaan ke1 2 3 Jumlah Rata-rata
Skala (Ө) 2,2 2,1 2,5 6,8 2,267
Tabel 6.3 Data Hasil Pengamatan pada Minyak Percobaan ke1 2 3 Jumlah Rata-rata
Skala (Ө) 1,2 1,9 2,0 5,1 1,7
Tabel 6.4 Data Hasil Pengamatan pada Larutan Gula Percobaan ke1 2 3 Jumlah Rata-rata
Skala (Ө) 2,1 2,0 1,9 6,0 2,0
Table 6.5 Data Hasil Perhitungan Tegangan Permukaan (ᵞ) dn Densitas() Cairan Cairan Aquadest Oli Minyak Larutan Gula
6.4.2
ᵞ (dyne/cm) 71,474 54,01 40,5 47,65
(gram/mL) 0,986 0,8297 0,91329 0,9831
Pembahasan Tegangan permukaan adalah gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang
bekerja pada permukaan zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda itu. Tegangan ini menyebabkan benda dapat mengapung pada suatu permukaan cairan. Karena tegangan permukaan merupakan perbandingan antara gaya tegangan permukaan dengan satuan panjang, maka satuan tegangan permukaan adalah Newton per meter (dyne/m) atau dyne per centimeter (dyne/cm). Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, didapatkan pada Gambar 6.1: 80 70 60 50 40 30 20 10 0
71.47 54.01
47.65
40.5
Aquadest
Oli
Oli
Larutan Gula
Tegangan Permukaan (dyne/cm)
Gambar 6.1 Grafik Perbandingan Tegangan Permukaan Setiap Cairan Digunakan empat macam cairan, yaitu aquadest, minyak goreng, oli dan larutan gula. Keempat cairan digunakan dalam uji kemampuan tegangan
permukaan dengan mencelupkan cincin dari du’Nouy tester pada masing-masing cairan, sehingga diketahui permukaan yang lebih besar di antara keempat cairan tersebut. Nilai tegangan permukaan cairan pada aquadest, oli, minyak, dan larutan gula berturut-turut adalah 71,474 dyne/cm; 54,01 dyne/cm ; 40,5 dyne/cm ; 47,65 dyne/cm. Berdasarkan data teoritis nilai tegangan permukaan pada air biasa/aquadest lebih besar daripada oli, minyak dan larutan gula. Besar kecilnya koefisien tegangan permukaan suatu zat cair ditentukan oleh interaksi antar molekul, semakin besar interaksi molekulnya maka semakin besar tegangan permukaan dan sebaliknya. Oli dan minyak berifat menurunkan tegangan permukaan. Sedangkan pada larutan gula gaya interaksi molekulnya kecil sehingga tegangan permukaan kecil. Faktor yang mempengaruhi besarnya tegangan permukaan antara lain, temperatur, sifat cairan, pengotor dalam cairan, tekanan, dan massa jenis/densitas. Semakin besar densitas berarti semakin rapat muatan-muatan atau partikelpartikel dari cairan tersebut. Kerapatan partikel ini menyebabkan makin besarnya gaya yang diperlukan untuk memecahkan permukaan cairan tersebut. Hal ini karena partikel yang rapat mempunyai gaya tarik menarik antar partikel yang kuat.
6.4
PENUTUP
6.4.1
Kesimpulan Kesimpulan yang didapat dari percobaan ini adalah :
1. Tegangan permukaan pada cairan aquadest, oli, minyak, dan larutan gula berturut-turut adalah 71,474 dyne/cm; 54,01 dyne/cm ; 40,5 dyne/cm ; 47,65 dyne/cm. 2. Tegangan permukaan pada aquadest adalah yang paling tinggi dari cairan minyak, oli , dan larutan gula. Tegangan permukaan pada minyak merupakan yang paling rendah. 3. Faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan permukaan pada suatu cairan yaitu temperatur, sifat cairan, pengotor dalam cairan, tekanan dan densitas cairan. 6.4.2
Saran Saran yang dapat diberikan adalah :
1. Sebaiknya praktikan harus lebih teliti dalam mengamati skala yang tertera sehingga hasil yang didapat akurat. 2. Praktikan harus menjaga kebersihan alat terutama di bagian cincin yang dicelupkan agar pembacaan alat akurat.
DAFTAR PUSTAKA
Atkins, P.W.1994. “Kimia Fisika Edisi ke-4 Jilid 1”. Jakarta : Erlangga. Freedman dan Young. 2002.” Fisika Universitas Jilid 1”. Jakarta : Erlangga Giancolli, D.C. 2001. Fisika Jilid 1. Jakarta : Erlangga Munson, Bruce R., Donald F. Young, dan Theodore H. Okiishi. 2003.” Mekanika Fluida”. Jakarta : Erlangga Sears dan Zemansky. 1982.” Fisika Untuk Universitas”. Bandung : Binacipta Staf Pengajar Teknik Kimia. 2014. “Penuntun Praktikum Dasar Teknik Kimia”. Banjarbaru Sukardjo. 1990. “Kimia Anorganik”. Jakarta : Rineka Cipta Sutrisno. 1997. “Fisika Dasar”. Bandung : Penerbit ITB
LAMPIRAN 1. Tegangan permukaan aquadest Diketahui : T aquadest : 280c T01 : 250c T02 : 300c ɤ1 : 71,96 ɤ2 : 71,15 Ditanyakan ɤaquadest ? Jawab : 30 28 25 71,15 ɤ 71,96 T 0 2−T T 02−T 0 1 = ɤ 2−ɤ ɤ2−ɤ1 30−28 30−25 = 71,15−ɤ 71,15−71,96 2 5 = 71,15−ɤ −0,81 355,75−5 ɤ=−1,62 −5 ɤ=−1,62−355,75
−5 ɤ=−357,37
ɤ=
357,37 5
ɤ=71,474 dyne/cm
Jadi tegangan permukaan aquadest adalah sebesar 71,474 dyne/cm.
2. Tegangan permukaan oli Diketahui : ɤ0 : 71,474 dyne/cm θ0 :3 θ : 2,267 Ditanyakan : ɤoli? Jawab : ɤ=ɤ0 .
θ θ0
ɤ=71,474.
2,267 3
ɤ=54,01 dyne /cm
Jadi tegangan permukaan oli adalah sebesar 62,111 dyne/cm. 3. Tegangan permukaan minyak Diketahui : ɤ : 71,474 dyne/cm 0
θ0 :3 θ : 1,7 Ditanyakan : ɤminyak ? Jawab : θ ɤ=ɤ0 . θ0 ɤ=71,474.
1,7 3
ɤ=40,5 dyne /cm Jadi tegangan permukaan minyak adalah sebesar 62,111 dyne/cm.
4. Tegangan permukaan larutan gula Diketahui : ɤ0 : 71,474 dyne/cm θ0 :3 θ :2 Ditanyakan : ɤlarutan gula? Jawab :
ɤ=ɤ0.
θ θ0
ɤ=71,474.
2 3
ɤ=47,65 dyne /cm Jadi tegangan permukaan larutan gula adalah sebesar 62,111 dyne/cm.
