MAKALAH KIMIA SINTETIK ANORGANIK “
KARAKTERISASI KRISTAL DENGAN INSTRUMEN DTA DAN TGA”
OLEH NURLAILA 1513141011 SAINS
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR 2018
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala limpahan Rahmat, Inayah, Taufik dan Hidayahnya sehingga saya dapat menyelesaikan penyusunan makalah ini dalam bentuk maupun isinya yang sangat sederhana. Semoga makalah ini dapat dipergunakan sebagai salah satu acuan, petunjuk maupun pedoman bagi pembaca dalam menambah pengetahuan mengenai mengenai instrumen DTA dan TGA Makalah ini saya akui masih banyak kekurangan karena pengalaman yang saya miliki sangat kurang. Oleh karena itu saya harapkan kepada para pembaca untuk
memberikan
masukan-masukan
yang
bersifat
membangun
untuk
kesempurnaan makalah ini. Makassar, April 2018
Penyusun
BAB I PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG
Analisis termal adalah teknik yang mempelajari sifat-sifat fisik bahan yang berubah terhadap suhu. Analisis termal dilakukan untuk mempelajari sifat-sifat fisik materi terhadap kontrol temperatur program. Apabila material dipanaskan dengan laju pemanasan tetap, terjadi perubahan kimia, seperti oksidasi dan degradasi, dan atau perubahan fisika, seperti transisi gelas pada polimer, konversi/inversi pada keramik dan perubahan fase pada logam. Analisis termal digunakan sebagai pelengkap analisis difraksi sinar-X. Mikroskopi optik dan elektron digunakan untuk pengembangan material baru dan untuk pengendalian produksi, kadang-kadang digunakan untuk menetapkan perubahan te mperatur dan energi berkaitan dengan perubahan struktural; pada kesempatan lain digunakan secara secara kualitatif untuk menetapkan jejak ”sidik jari” karakteristik material tertentu. Berbagai tekhnik analisis termal digunakan untuk mengukur satu atau lebih sifat fisik dari sampel sebagai fungsi temperatur. Beberapa metode umum yang dapat digunakan untuk menganalisis sifat bahan secara termal yaitu Differential Thermal Analysis (DTA), Analysis (DTA), Differential Scanning Calorimeter (DSC), (DSC), Thermogravimetric Analysis Analysis (TGA), Dilatometry Dilatometry (DIL), Evolved Gas Analysis (EGA), Dynamic (EGA), Dynamic Mechanical Analysis (DMA), Analysis (DMA), Dielectric Dielectric Analysis (DEA). Analysis (DEA). DTA dan TGA merupakan teknik analisa termal, yaitu analisa yang berkaitan dengan panas. Setiap perubahan akan melibatkan panas atau energi sehingga perubahan panas atau energi dapat dijadikan dasar untuk analisa kualitatif maupun kuantitatif kuantitatif khususnya dalam dalam bidang kimia. kimia. Kelompok teknik teknik analisa ini menggunakan temperatur atau perubahan temperatur yang dimanipulasi untuk menghasilkan parameter yang dapat diukur. B. RUMUSAN MASALAH
1. Apa pengertian DTA dan TGA? 2. Apa prinsip dari instrumen DTA dan TGA? 3. Apa saja penyusun dari instrumen DTA dan TGA?
4. Apa saja kelebihan dan kekurangan dari instrumen DTA dan TGA?
C. TUJUAN PENULISAN
1. Mahasiswa dapat mengetahui pengertian DTA dan TGA 2. Mahasiswa dapat mengetahui prinsip dari instrumen DTA dan TGA 3. Mahasiswa dapat mengetahui instrumentasi DTA dan TGA 4. Mahasiswa dapat mengetahui kelebihan dan kekurangan instrumen DTA dan TGA.
BAB I PEMBAHASAN 1. Pengertian Pengertian DTA dan TGA
DTA
merupakan
analisis
termal
menggunakan
referensi
(bahan
pembanding) dimana sampel dan bahan referensi yang dipanaskan dalam satu tungku. Perbedaan suhu sampel dan suhu bahan referensi dicatat dalam program selama siklus pemanasan dan pendinginan dimana laju pemanasan yang dilakukan konstan. dengan laju pemanasan konstan. Ketika struktur kristal atau ikatan kimia dari suatu material berubah, perubahan tersebut akan berimbas kepada perubahan penyerapan atau pelepasan panas yang mengakibatkan perubahan suhu material yang terjadi tidak linier/tidak sebanding dengan referensi inert. Dengan menganalisa data rekam perubahan tersebut, dapat diketahui suhu di mana suatu struktur kristal atau ikatan kimia berubah, perhitungan kinetik energi, entalpi energi dll. DTA dapat digunakan untuk analisa struktur gelas, transisi fasa polimorfik, penentuan diagram fasa, jalur dekomposisi, dekomposisi, kinetika energi, perhitungan entalpi dan kapasitas panas. Data yang dihasilkan berupa kurva aliran panas ke sampel minus aliran panas ke reference terhadap waktu atau temperatur. TGA merupakan pengukuran perubahan berat suatu bahan sebagai fungsi waktu. Hasil analisis berupa rekaman diagram yang kontinu dimana reaksi dekomposisi. Berat suatu bahan yang dibutuhkan saat dianalisis beberapa milligram, yang dipanaskan pada laju konstan. Karakterisasi ini digunakan untuk mengetahui berapa hilangnya berat (emisi uap) ataupun bertambahnya berat sampel materi (fiksasi gas). Teknik ini biasa digunakan untuk mengetahui kemurnian sampel, perilaku dekomposisi, degradasi thermal, reaksi kimia yang melibatkan perubahan berat materi akibat adsorpsi, desorpsi dan kinetika kimia. Data yang dihasilkan berupa kurva berat terhadap waktu maupun temperatur. 2. Prinsip instrumen DTA dan TGA
Prinsip analisis DTA adalah pengukuran perbedaan temperatur yang terjadi antara material sampel dan pembanding sebagai hasil dari reaksi dekomposisi. Sampel adalah material yang akan dianalisis, sedangkan material
referensi adalah material dengan substansi yang diketahui dan tidak aktif secara termal. Dengan menggunakan DTA, material akan dipanaskan pada suhu tinggi dan mengalam reaksi dekomposisi. Dekomposisi material ini diamati dalam bentuk kurva DTA sebagai fungsi temperatur yang diplot terhadap waktu. Reaksi dekomposisi dipengaruhi oleh efek spesi lain, rasio ukuran dan volume, serta komposisi materi. Prinsip penggunaan TGA ialah mengukur kecepatan rata-rata perubahan massa suatu bahan/cuplikan sebagai fungsi dari suhu s uhu atau waktu pada atmosfir yang terkontrol. Pengukuran digunakan khususnya untuk menentukan komposisi dari suatu bahan atau cuplikan dan untuk memperkirakan stabilitas termal pada suhu lebih besar dari 1000 oC. Metode ini dapat mengarakterisasi suatu bahan atau cuplikan yang dilihat dari kehilangan massa atau terjadinya dekomposisi, oksidasi atau dehidrasi. Mekanisme perubahan massa pada TGA ialah bahan akan mengalami kehilangan maupun kenaikan massa. Proses kehilangan massa terjadi karena adanya proses dekomposisi yaitu pemutusan ikatan kimia, evaporasi yaitu kehilangan atsiri pada peningkatan suhu, reduksi yaitu interaksi bahan dengan pereduksi, dan desorpsi. Sedangkan kenaikan massa disebabkan oleh proses oksidasi yaitu interaksi bahan dengan suasana pengoksidasi, dan absorpsi. 3. Penyusun instrumen instrumen DTA dan TGA
A. Instrumentasi DTA
Alat-alat yang digunakan dari DTA adalah sebagai berikut :
a. Sample holder beserta beserta thermocouples, thermocouples, sample containers dan blok keramik atau logam. b. Furnace (dapur): Furnace (dapur): furnace furnace yang yang digunakan harus stabil pada zona panas yang besar dan harus mampu merespon perintah dengan cepat dari temperatur Programme c. Temperature programmer : penting untuk menjaga laju pemanasan agar tetap konstan d. Sistem perekaman (recording (recording ) Sample holder terdiri holder terdiri dari thermocouple yang masing-masing terdapat pada material sampel dan reference. reference. Thermocouple ini Thermocouple ini dikelilingi oleh sebuah blok untuk memastikan tidak ada kebocoran panas. Sampel ditaruh di kubikel kecil dimana bagian bawahnya dipasangkan thermocouple. Thermocouple diletakkan Thermocouple diletakkan langsung berkontakan dengan sampel dan material referensi. Gambar berikut menunjukkan skematis dari DTA yang digunakan untuk mengkarakterisasi sampel.
Gambar skematis sel DTA Pemasangan sampel diisolasi dari pengaruh listrik dapur dengan semacam pembungkus yang yang biasanya terbuat dari platinum-coated dari platinum-coated ceramic material. ceramic material. Selama eksperimen temperatur yang digunakan sampai 1500°C dengan laju pemanasan dan pendinginan 50 K/menit. DTA dapat mencapai rentang temperatur dari -1502400°C. Dapur crucible dibuat dari tungsten atau grafit. Sangat penting untuk menggunakan atmosfer inert untuk mencegah degradasi dari dapur crucible.
Tahap kerja DTA adalah sebagai berikut : 1. Memanaskan heating block 2. Ukuran sampel dengan ukuran material referensi sedapat mungkin identik dan dipasangkan pada sampel holder 3. Thermocouple harus Thermocouple harus ditempatkan berkontakan secara langsung l angsung dengan sampel dan material referensi 4. Temperatur di heating block akan meningkat, diikuti dengan peningkatan temperatur sampel dan material referensi 5. Apabila pada thermocouple thermocouple tidak terdeteksi perbedaan temperatur antara sampel dan material referensi, maka tidak terjadi perubahan fisika dan kimia pada sampel. Apabila ada perubahan fisika dan kimia, maka akan terdeteksi adanya ΔT.
Kurva DTA secara garis besar adalah kurva perbedaan temperatur antara material sampel dengan material referensi. Kurva DTA dapat digunakan sebagai finger sebagai finger print untuk untuk tujuan identifikasi. Area di bawah peak kurva DTA dapat diidentifikasi sebagai perubahan entalpi dan tidak dipengaruhi oleh kapasitas panas sampel.[2] Pada Gambar 1 ditunjukkan contoh kurva DTA dari perak murni
Temperatur sampel dan sampel referensi (a) sinyal DTA berdasarkan temperatur dan waktu
DTA banyak digunakan untuk mengkarakterisasi mengkarakterisasi sampel yang terbuat dari clay atau material karbonat.
B. Instrumentasi TGA Instrumentasi yang digunakan pada analisa termogravimetri (TGA) dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Instrumen TGA Instrumen yang digunakan pada termogravimetri (TG) disebut termobalance. termobalance. Termobalance Termobalance terdiri dari beberapa komponen utama yang tersedia untuk menghasilkan data dalam bentuk kurva TGA. Komponen utama dari termobalance seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini:
Komponen Utama Termobalance Komponen utama dari termobalance yaitu: 1. Timbangan ( Balance Control ) Timbangan yang digunakan pada instrumen TGA terbagi menjadi 2 jenis, yaitu timbangan vertikal dan timbangan horizontal, yaitu: a. Instrumen timbangan vertikal Instrumen timbangan vertikal memiliki suatu tempat sampel yang bergantung pada timbangan yang diperlukan untuk untuk mengalibrasi instrumen dari efek buoyancy pada variasi densitas gas dengan temperatur, seperti variasi jenis gas. Instrumen timbangan vertikal biasanya tidak mempunyai tempat referensi dan tidak dapat digunakan untuk pengukuran DTA atau DSC dengan benar. Instrumen timbangan vertikal memiliki dua tempat (sampel dan referensi) dan dapat digunakan untuk pengukuran DTA dan DSC. Instrumen ini bebas dari efek buoyancy, tetapi memerlukan kalibrasi untuk ekspansi perbedaan panas neraca timbangan. b. Instrumentasi timbangan horizontal 2. Furnace Furnace dan sistem kontrol harus didesain untuk menghasilkan pemanasan yang linear pada seluruh temperatur range pada furnace dan dibuat tetap pada temperatur yang tetap. Range temperatur pada TGA umumnya -150 oC hingga 2000oC. Pada setiap instrumen memiliki range temperatur yang berbeda, tergantung dari model instrumennya. Range temperatur dari furnace biasanya tergantung pada jenis pemanas yang digunakan. Umumnya kecepatan rata-rata pemanasan atau pendinginan pada furnace furnace dapat dipilih antara 0-200oC/menit.
Insulasi dan pendinginan pada bagian luar furnace dibuat untuk menghindari oksidasi cuplikan. Berikut ini merupakan beberapa jenis furnace, yaitu:
3. Pengukur dan kontrol Temperatur Pengukur temperatur biasanya dilakukan menggunakan thermocouples. thermocouples. Jenis thermocouples thermocouples yang digunakan pada temperatur lebih dari 1000 oC yaitu chromal-alumel sedangkan Pt/(Pt-10% Rh) digunakan untuk temperatur diatas 1750 oC. Temperatur mungkin dikontrol atau divariasikan menggunakan program controller dengan dua thermocouples, thermocouples, signal dari menjalankan sistem kontrol meskipun thermocouples yang thermocouples yang kedua digunakan untuk merekam temperatur.
Pengatur dan Kontrol Temperatur
4. Recorder Recorder X-Y biasanya digunakan untuk membuat plot antara berat dengan temperatur. Saat ini instrumen menggunakan microprocessor operasi kontrol dan data digital tambahan dan proses menggunakan komputer dengan perbedaan tipe recorder dan plotter dan plotter untuk untuk menghasilkan data yang lebih baik. Keseluruhan sistem dari Balance dibungkus dengan glass untuk melindungi dari debu dan inert atmosfer. Terdapat kontrol mekanisme untuk mengatur aliran gas inert yang tersedia pada inert atmosfer dan air untuk mendinginkan furnace. Temperatur sensor furnace yang dihubungkan dengan pengontrol pemanasan. Balance output dan thermocouple thermocouple signal mungkin ditangkap recorder untuk untuk mencatat kurva TG.
5. Kurva TG dan Interpretasi kurva TG Kurva yang dihasilkan pada analisis (TGA) adalah perubahan perubahan massa vs vs temperatur sebagai kurva TG. Kurva TG merupakan plot dari % penurunan massa pada sumbu y dan peningkatan peningkatan temperatur pada sumbu x. Terkadang Terkadang kita juga dapat memplotkan waktu pada sumbu y. Kurva TG dapat membantu menyatakan tingkat kemurnian sampel yang dianalisa dan menentukan tranformasi dalam sampel dalam range temperatur spesifik.
Plot Kurva TG Beberapa tipe kurva TGA dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini:
Tipe Kurva TGA Adapun interpretasi kurva TG dapat digunakan sebagai teknik analisa kuantitatif dan kualitatif yang dapat dijelaskan seperti berikut: a) Teknik Kuantitatif Kurva TG komponen murni adalah karakteristik untuk setiap komponen tertentu. Penggunaan kurva ini dapat menghubungkan perubahan massa d engan stoikiometri yang terlibat, sehingga kurva TG dapat digunakan sebagai teknik kuantitatif dimana komposisi kuantitatif sampel dapat diketahui. Sebagai ilustrasi interpretasi kurva TG, berikut ini akan dijelaskan kurva TG CaCO 3 pada 800 oC dan 900 oC untuk membentuk oksida CaO yang stabil dan gas CO 2. Adapun reaksinya adalah sebagai berikut : CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) Mr 100.1
56.1
44
Kurva TG dan DTG CaCO 3 berbagai suhu pemanasan.
Berdasarkan kurva TG menunjukkan bahwa persen massa yang hilang pada sampel adalah 44 % (100.1-56.1) pada antara suhu 800 oC dan 900 oC. Hal ini sesuai untuk menghitung perubahan massa berdasarkan stokiometri dekomposisi CaCO 3 melalui persamaan: m% = m% =
CO2 CaCO3 44 ,
× 100% 100%
× 100% 100% = 44
b) Teknik Kualitatif Kurva TG juga dapat digunakan sebagai analisis kualitatif dengan cara membandingkan stabilitas termal suatu material. Informasi yang dihasilkan oleh kurva TG dapat digunakan untuk memilih material yang cocok pada penggunaan akhir aplikasi, memprediksi performa produk dan meningkatkan kualitas produk. Berikut ini merupakan contoh interpretasi kurva TG yang digunakan sebagai teknik analisis kualitatif pada berbagai sampel polimer.
Kurva TG dari berbagai sampel polimer Kurva TG di atas mengindikasikan bahwa polimer PVC memiliki kestabilan termal yang paling rendah dan PS memiliki kestabilan paling tinggi. Polimer PS tidak kehilangan berat di bawah suhu 500 oC dan dekomposisi terjadi pada suhu 600 oC. Tiga polimer yang lain sudah terdekomposisi sekitar suhu 450 oC. Polimer PMMA dekomposisinya lebih lambat, hal ini diindikasikan dari slop kurva TG. Kurva TG polimer PMMA memiliki slop yang lebih rendah dari sebelumnya. 4. Kelebihan dan kekurangan instrumen DTA dan TGA.
A. Kelebihan dan kekurangan DTA
Kelebihan dari DTA adalah :
1) Dapat menentukan kondisi eksperimental sampel (baik dengan tekanan tinggi atau vakum) 2) Instrumen dapat digunakan dalam temperatur tinggi 3) Karakteristik transisi dan reaksi pada temperatur tertentu dapat dideteksi dengan baik.
Kekurangan dari DTA adalah :
1) Keterbatasan dari DTA ini adalah sensitivitasnya sensiti vitasnya yang cukup rendah.
B. Kelebihan dan kekurangan TGA Kelebihan dari TGA adalah :
1) Dapat digunakan pada suhu yang sangat tinggi
Kekurangan Kekurangan dari TGA adalah :
1) Memerlukan kalibrasi untuk ekspansi perbedaan panas neraca timbangan
BAB III PENUTUP A. Kesimpulan
1. DTA
merupakan
analisis
termal
menggunakan
referensi
(bahan
pembanding) dimana sampel dan bahan referensi yang dipanaskan dalam satu tungku. TGA merupakan pengukuran perubahan berat suatu bahan sebagai fungsi waktu. 2. Prinsip analisis DTA adalah pengukuran perbedaan temperatur yang terjadi antara material sampel dan pembanding sebagai hasil dari reaksi dekomposisi. Prinsip penggunaan TGA ialah mengukur kecepatan ratarata perubahan massa suatu bahan/cuplikan sebagai fungsi dari suhu atau waktu pada atmosfir yang terkontrol. 3. Alat-alat yang digunakan dari DTA antara lain Sample holder, Furnace, Temperature Programme, Programme, Sistem perekaman (recording (recording ). ). Alat-alat yang digunakan dari TGA Timbangan ( Balance Control ), Furnace ), Furnace,, Pengukur dan kontrol Temperatur, Recorder. Temperatur, Recorder. 4. Kelebihan dari instrumen DTA adalah dapat menentukan kondisi eksperimental dari sampel, dapat digunakan pada temperatur yang tinggi, serta Karakteristik transisi dan reaksi pada temperatur tertentu dapat dideteksi dengan baik, sedangkan kekurangannya adalah dari segi sensitivitas yang cukup rendah. Kelebihan dari instrumen TGA adalah dapat digunakan pada suhu tinggi, sedangkan kekurangannya memerlukan kalibrasi untuk ekspansi perbedaan panas neraca timbangan.
DAFTAR PUSTAKA
Christian, Christian, D.G., and O’Reilly, J.E. 1986. Instrumental Analysis 2nd edition. edition . Allyn and Bacon:Boston Prasetyoko, D., Fansuri, H., Ni’mah, Y. L., dan Fadlan, A. 2016. Karakterisasi Struktur Padatan Edisi 1. 1 . Deepublish:Yogyakarta. Sembiring, S. 2014. Preparasi dan Karakterisasi Bahan. Bahan. Universitas Lampung: Bandar Lampung. Wismogroho,
Agus
Sukarto
dan
Wahyu
Bambang
Widayatno.
2012.
Pengembangan Alat Differential Thermal Analysis untuk Analisa Termal Material Ca(OH)2. Jurnal Ilmu Pengetahuan Pengetahuan dan dan Teknologi. ISSN : 01259121.
