SURFACE TENSION ( Tegangan Permukaan ) BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Banyak fenomena-fenomena alam yang kurang kita perhatikan akan tetapi fenomena-fenomena tersbut mempunyai hubungan dengan adanya tegangan permukaan. Sering terlihat peristiwaperistiwa alam yang tidak diperhatikan dengan teliti misalnya tetes-tetes zat cair pada pipa keran yang bukan suatu aliran, laba-laba air yang berada di atas permukaan air, gelembung-gelembung sabun, pisau silet yang diletakkan perlahan-lahan di atas permukaan zat cair yang terapung, dan naiknya air pada pipa kapiler. Hal tersebut dapat terjadi karena adanya gaya-gaya yang bekerja pada permukaan zat cair atau pada batas antara zat cair dengan bahan lain. Tegangan permukaan merupakan fenomena menarik yang terjadi pada zat cair (fluida) yang berada pada k eadaan diam (statis). Suatu molekul dalam fase cair dapat dianggap secara sempurna dikelilingi oleh molekul lainnya yang secara rata-rata mengalami daya tarik yang sama ke semua arah. Gejala ini yang disebut dengan tegangan permukaan. Permukaan zat cair mempunyai sifat ingin merenggang, sehingga permukaannya seolah-olah ditutupi oleh suatu lapisan yang elastis. Hal ini disebabkan adanya gaya tarik-menarik antar partikel sejenis didalam zat cair sampai ke permukaan. Di dalam cairan, tiap molekul ditarik oleh molekul lain yang sejenis di dekatnya dengan gaya yang sama ke segala arah. Akibatnya tidak terdapat sisa (resultan) gaya yang bekerja pada masing-masing molekul. Adanya gaya atau tarikan kebawah menyebabkan permukaan cairan berkontraksi dan berada dalam keadaan tegang. tegangan ini disebut dengan tegangan permukaan.
1
Molekul-molekul yang berada dalam fasa cair seluruhnya akan dikelilingi oleh molekul-molekul dengan gaya tarik-menarik yang sama ke segala arah. Sedangkan molekul pada permukaan mengalami tarikan kedalam rongga cairan karena gaya tarik-menarik di dalam rongga cairan lebih besar daripada gaya tarik-menarik oleh molekul uap yang diatas permukaa cairan. Hal ini berakibat permukaan cenderung mengerut untuk mencapai luas yang sekecil mungkin. Tegangan permukaan bervariasi antara berbagai cairan. Air memiliki tegangan permukaan yang tinggi dan merupakan agen pembasah yang buruk karena air membentuk droplet, misalnya tetesan air hujan pada kaca depan mobil. Permukaan air membentuk suatu lapisan yang cukup kuat sehingga beberapa serangga dapat berjalan diatasnya. Tegangan yang terjadi pada air akan bertambah dengan penambahan garam-garam anorganik atau senyawa-senyawa elektrolit, tetapi akan berkurang dengan penambahan senyawa organik tertentu antara lain sabun. Didalam teori ini dikatakan bahwa penambahan emulgator akan menurunkan dan menghilangkan tegangan permukaan yang terjadi pada bidang batas sehingga antara kedua zat cair tersebut akan mudah bercampur. 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 adesi berlaku bahwa besar gaya kohesinya lebih kecil dari pada gaya adesinya dan pada zat yang non-adesi berlaku sebaliknya. Salah satu model peralatan yang sering digunakan untuk mengukur tegangan permukaan zat cair adalah pipa kapiler. Salah satu besaran yang berlaku pada sebuah pipa kapiler adalah sudut kontak, yaitu sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair yang dekat dengan dinding. Sudut kontak ini timbul akibat gaya tarikmenarik antara zat yang sama (gaya kohesi) dan gaya tarik-menarik antara molekul zat yang berbeda (adesi). Molekul biasanya saling tarik-menarik. Dibagian dalam cairan, setiap molekul cairan dikelilingi oleh molekul-molekul cairan di samping dan di bawah. Di bagian atas 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 di bagian dalam cairan. Sebaliknya molekul cairan yang terletak di permukaan di tarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan bawahnya. Akibatnya, pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah karena adanya 2
gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang terletak di permukaan cenderung memperkecil luas permukaannya dengan menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan cairan pada permukaan seolah-olah tertutup oleh selaput elastis yang tipis. B. RUMUSAN MASALAH Untuk mempersempit lingkup pembahasan dalam penyusunan makalah ini, maka penyusun membatasi masalah-masalah yang akan dibahas diantaranya:
Apa yang dimaksud dengan tegangan permukaan ? Apakah penyebab terjadinya tegangan permukaan ? Bagaimana metode pengukuran tegangan permukaan ?
C. TUJUAN PENULISAN Adapun tujuan penulisan makalah ini adalah untuk mmenuhi tugas untuk mata kuliah mekanika fluida dan untuk mengetahui pengaruh tegangan permukaan pada kondisi nyata di lingkungan. D. PEMBAHASAN Permukaan zat cair mempunyai sifat ingin merenggang, sehingga permukaannya seolah-olah ditutupi oleh suatu lapisan yang elastis. Hal ini disebabkan adanya gaya tarik-menarik antar partikel sejenis didalam zat cair sampai ke permukaan. Di dalam cairan, tiap molekul ditarik oleh molekul lain yang sejenis di dekatnya dengan gaya yang sama ke segala arah. Akibatnya tidak terdapat sisa (resultan) gaya yang bekerja pada masing-masing molekul. Adanya gaya atau tarikan kebawah menyebabkan permukaan cairan berkontraksi dan berada dalam keadaan tegang. tegangan ini disebut dengan tegangan permukaan (Herinaldi, 2004). Molekul-molekul yang berada dalam fasa cair seluruhnya akan dikelilingi oleh molekul-molekul dengan gaya tarik-menarik yang sama ke segala arah. Sedangkan molekul pada permukaan mengalami tarikan kedalam rongga cairan karena gaya tarik-menarik di dalam rongga cairan lebih besar daripada gaya tarik-menarik oleh molekul uap yang diatas permukaa cairan. Hal ini berakibat permukaan cenderung mengerut untuk mencapai luas yang sekecil mungkin (Halliday, 1991 ).
3
Tegangan permukaan bervariasi antara berbagai cairan. Air memiliki tegangan permukaan yang tinggi dan merupakan agen pembasah yang buruk karena air membentuk droplet, misalnya tetesan air hujan pada kaca depan mobil. Permukaan air membentuk suatu lapisan yang cukup kuat sehingga beberapa serangga dapat berjalan diatasnya (Suminar, 2001). Tegangan yang terjadi pada air akan bertambah dengan penambahan garam-garam anorganik atau senyawa-senyawa elektrolit, tetapi akan berkurang dengan penambahan senyawa organik tertentu antara lain sabun. Didalam teori ini dikatakan bahwa penambahan emulgator akan menurunkan dan menghilangkan tegangan permukaan yang terjadi pada bidang batas sehingga antara kedua zat cair tersebut akan mudah bercampur (Mawarda, 2009). 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 adesi berlaku bahwa besar gaya kohesinya lebih kecil dari pada gaya adesinya dan pada zat yang non-adesi berlaku sebaliknya. Salah satu model peralatan yang sering digunakan untuk mengukur tegangan permukaan zat cair adalah pipa kapiler. Salah satu besaran yang berlaku pada sebuah pipa kapiler adalah sudut kontak, yaitu sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair yang dekat dengan dinding. Sudut kontak ini timbul akibat gaya tarikmenarik antara zat yang sama (gaya kohesi) dan gaya tarik-menarik antara molekul zat yang berbeda (adesi) (Atfins, 1994). Molekul biasanya saling tarik-menarik. Dibagian dalam cairan, setiap molekul cairan dikelilingi oleh molekul-molekul cairan di samping dan di bawah. Di bagian atas 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 di bagian dalam cairan. Sebaliknya molekul cairan yang terletak di permukaan di tarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan bawahnya. Akibatnya, pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah karena adanya gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang terletak di permukaan cenderung memperkecil luas permukaannya dengan menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan cairan pada permukaan seolah-olah tertutup oleh selaput elastis yang tipis (Atfins, 1994). 4
Ada beberapa metode dalam melakukan tegangan permukaan : (Atfins, 1994). - Metode kenaikan kapiler Tegangan permukaan diukur dengan melihat ketinggian air/ cairan yang naik melalui suatu kapiler. Metode kenaikan kapiler hanya dapat digunakan untuk mengukur tegangan permukaan tidak bisa untuk mengukur tegangan permukaan tidak bisa untuk mengukur tegangan antar muka.
5
- Metode tersiometer Du-Nouy
6
Metode cincin Du-Nouy bisa digunakan untuk mengukur tegangan permukaan ataupun tegangan antar muka. Prinsip dari alat ini adalah gaya yang diperlukan untuk melepaskan suatu cincin platina iridium yang diperlukan sebanding dengan tegangan permukaan atau tegangan antar muka dari cairan tersebut (Atfins, 1994). Air mempunyai tegangan permukaan dan biasa digunakan untuk pembersihan. Molekul air yang terdapat di dalam badan air akan dikelilingi dan ditarik oleh molekul air lainnya. Akan tetapi, pada permukaan air akan ditarik oleh molekul air yang terdapat di samping dan dibawahnya. Tegangan permukaan diciptakan molekul air pada permukaan yang ditarik ke dalam badan air. Tegangan ini menyebabkan air menjadi tetesan pada permukaan sehingga pembasahannya menjadi lambat dan menghambat proses pembersihan (Kartiningsih, 2006). Menurunnya tegangan permukaan larutan gliserol menurun secara linear dengan meningkatnya temperatur. Hal ini disebabkan karena larutan gliserol merupakan campuran antara gliserol dengan akuades pada rasio v/v 1 : 2, dimana berdasarkan literatur diketahui bahwa tegangan permukaan dari akuades lebih besar daripada tegangan permukaaan gliserol. Apabila larutan gliserol mengalami peningkatan temperatur dengan jalan pemanasan, maka dapat akan terjadi penurunan konsentrasi akuades dalam larutan gliserol karena kemungkinan mengalami penguapan, dimana hal tersebut akan menurunkan tegangan permukaan larutan gliserol secara keseluruhan (Yuniawan, 2010). Molekul surfaktan yang bersifat amfifil yaitu suatu molekul yang mempunyai dua ujung yang terpisah, yaitu ujung polar (hidrofilik) dan ujung non polar (hidrifobik). Sifat surfaktan yang amfifil menyebabkan surfaktan diadsorpsi pada antar muka baik itu cair/gas (yang tidak saling bercampur). Surfaktan akan selalu berada pada antar muka suatu cairan (berbeda jenis), bila jumlah gugus hidrofil dan lipofilnya seimbang. Tapi, apabila suatu surfaktan memiliki gugus hidrofil lebih besar lipofil, maka surfaktan akan lebih berada pada fase air dan sedikit berada pada antar muka. Sebaliknya, bila suatu surfaktan memiliki gugus hid rofil lebih kecil dari lipofil maka surfaktan akan lebih berada pada fase minyak dan sedikit berada pada antar muka (Wahyuni, 2012). Surfaktan dapat digunakan menjadi dua golongan besar yaitu, surfaktan yang larut dalam minyak dan surfaktan yang larut dalam pelarut air. Surfaktan yang larut dalam minyak : Ada tiga yang termasuk dalam golongan ini, yaitu senyawa polar berantai panjang, senyawa fluorokarbon, dan senyawa silikon. Surfaktan yang larut dalam pelarut air : Golongan ini banyak digunakan antara lain sebagai zat pembasah, zat pembusa, zat pengemulsi, zat anti busa, detergen, zat flotasi, mencegah korosi, dan lain-lain. Ada empat yang termasuk dalam golongan ini yaitu surfaktan anion yang bermuatan negatif, surfaktan yang bermuatan positif, surfaktan nonion yang tak terionisasi dalam larutan, dan surfaktan amfoter yang bermuatan negatif dan positif bergantung pada pH-nya (Arbiyanti et al, 2008).
7
Surfaktan berbahan baku oleokimia memiliki beberapa keunggulan, diantaranya bersifat terbarukan (renewable resources) dan secara alami mudah terdegradasi. Surfaktan ini dapat dibuat dengan mengunakan bahan baku minyak kelapa murni dan melalui proses sebagai berikut: reaksi transesterifikasi untuk mengkonversi minyak menjadi metil ester; pemisahan metil laurat dari metil ester; reaksi hidrogenasi metil laurat menggunakan katalis Ni; reaksi sulfatasi dengan menambahkan H2SO4; serta netralisasi dengan NaOH (Arbiyanti et al, 2008). Molekul-molekul pada permukaan cairan mempunyai sifat khusus yang tidak dimiliki oleh sebagian dasar molekul-molekul dalam cairan. Salah satu sifat khusus ini adalah tegangan permukaan. Apabila jarum diletakkan secara hati-hati di atas permukaan jarum akan terapung, padahal jelas berat jenis jarum lebih besar daripada berat jenis air, sehingga diharapkan jarum akan tenggelam. Terapungnya jarum disebabkan permukaan air seolah-olah diliputi oleh selaput tipis yang berhubungan dengan tegangan permukaan adalah terbentuknya miniskus apabila dimasukkan cairan ke dalam tabung reaksi. Air yang membasahi dinding kapiler dan akan naik sehingga lebih tinggi daripada permukaan air sekitarnya. Spons yang dapat menyerap air ataupun air yang dapat meresap ke dalam tanah merupakan beberapa contoh yang menunjukkan bahwa tegangan permukaan memang ada (Bird, 1993). Bila fase-fase berada bersama-sama, batas antara keduanya disebut suatu antar muka. Sifat dari molekul-molekul yang membentuk antarmuka tersebut sering cukup berbeda dari sifat “fase antarmuka”. Walaupun istilah ini tidak benar dalam hal contoh fase, tetapi merupakan suatu konsep yang berguna. Sebagai contoh, molekul-molekul pada antarmuka cair-gas dapat berada dalam keadaan gas-dua dimensi, cair atau padat bergantung pada keadaan temperature dan tekanan biasa pada antarmuka. (Martin, 1993) Beberapa jenis antarmuka dapat terjadi, bergantung apakah kedua fase yang berdekatan adalah dalam keadaan padat, cair atau gas. Istilah permukaan biasanya dipakai bila membicarakan suatu antarmuka gas/padat atau suatu antamuka gas/cair. Setiap partikel dari zat, baik itu sel, bakteri, koloid, granul, atau manusia mempunyai suatu antarmuka pada batas sekelilingnya. Fenomena dalam farmasi dan kedokteran adalah factor-faktor yang berarti yang mempengaruhi adsorbs obat pada bahan pembantu padatdalam bentuk sediaan, penetrasi (penembusan) molekul melalui membrane biologis, pembentukan dan kestabilan emulsi, dan disperse (penyebar-rataan) dari partikel yang tidak larut dalam media cair untukmembentuk suspensi. Sifat antarmuka dari suatu zat aktif-permukaan (surface-active) yang melapisi bagian dalam dari alveoli paru-paru merupakan penyebab kerja yang efisien dari organ ini (Martin, 1993). Pada permukaan temu antara cairan dangas, atau dua cairan yang tidak dapat bercampur, seolaholah terbentuk suatu selaput atau lapisan khusus, yang nampaknya disebabkan oleh tarikan molekul-molekul cairan di bawah permukaan tersebut adalah suatu percobaan yang sederhana untuk meletakkan sebuah jarum kecil pada permukaan air yang tenang dan mengamati bahwa jarum itu didukung di sana oleh selaput tersebut (Wyle, 1988).
8
Daya tarik kapiler disebabkan oleh tegangan permukaan dan oleh nilai relatif adhesi antara cairan dan benda padat terhadap kohesi cairan. Cairan yang membasahi benda padat mempunyai adhesi yang lebih besar daripada kohesi. Kegiatan tegangan permukaan dalam hal ini menyebabkan cairan naik di dalam tabung vertical kecil yang terendam sebagian dalam cairan itu. Bagi cairan yang tidak membasahi benda padat, tegangan permukaan cenderung untuk menekan miniskus dalam tabung vertikel kecil. Bila sudut kontak antara cairan dan zat padat diketahui maka kenaikan kapiler dapat dihitung untuk bentuk miniskus yang diasumsikan (Benjamin, 1988). Bintik air yang jatuh di udara atau gelembung udara yang ada dalam air akan selalu berbentuk bola terbatas dan pengaruh gaya luas seperti gaya gravitasi akibat viskositas. Bila air dituang ke dalam gelas bersih sampai penuh maka pada batas tertentu permukaan air pada gelas dapat lebih tinggi dari permukaan dinding gelas. Bila tabung pipa kaca bersih dicelupkan tegak lurus pada permukaan air maka air pada tepi luar tabung akan naik. Lebih hingga sedikit dari permukaan air sekelilingnya. Contoh-contoh tersebut adalah efek dari adanya tegangan permukaan karena adanya tarik-menarik antara molekul-molekul dekat permukaan air sekelilingnya. Contoh-contoh tersebut adalah efek dari adanya tegangan permukaan pada zat cair. Properti ini dikenal dengan nama tegangan permukaan karena adanya tarik menarik antara molekul-molekul dalam permukaan. Kerja molekul ini terjadi untuk membawa molekul ke permukaan. Pembentukan permukaan dikenal dengan nama tegangan permukaan yang biasanya diberi notasi σ. Tegangan permukaan σ berdimensi tegangan persatuan panjang. Gaya ini selalu tegak lurus (normal) dengan setiap garis yang dapat digambar pada permukaan. Sebagai contoh tegangan permukaan dan air dalam udara sekitar 0,073 N/m (Maksud, 1992). Tegangan permukaan sebuah campuran zat cair fungsi sederhana permukaan komponen murni karena komposisi permukaan pada campuran tidak sama dengan komposisi pada cairnya. Dalam situasi begini, kita hanya mengetahui komposisi badan cair (Reed, 1991). Pada umunya oleh karena fase afinitas ditingkatkan dengan gaya tekanan antara dua fase yang berbeda (gaya adhesi) menjadi lebih besar dibandingkan gaya atraksi dua molekul yang sama (gaya kohesi).jika gaya adhesi menjadi lebih besar, missel akan terbentuk dan tegangan permukaan akan menghilang. Pembahasan ini hanya berfokus pada system yang dibatasi oleh fase afinitas, dimana sebuah tegangan permukaan tetap ada (Gannaro, 1990).
E. KESIMPULAN Tegangan permukaan adalah gaya atau tarikan kebawah yang menyebabkan permukaan cairan berkontraksi dengan benda dalam keadaan tegang. Hal ini disebabkan oleh gaya-gaya tarik yang tidak seimbang pada antar muka cairan. Gaya ini biasa segera diketahui pada kenaikan cairan 9
biasa dalam pipa kapilerdan bentuk suatu tetesan kecil cairan. tegangan permukaan merupakan fenomena menarik yang terjadi pada zat cair (fluida) yang berada dalam keadaan diam (statis). Besarnya tegangan permukaan dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti jenis cairan, suhu, dan, tekanan, massa jenis, konsentrasi zat terlarut, dan kerapatan. Jika cairan memiliki molekul besar seperti air, maka tegangan permukaannya juga besar. salah satu faktor yang mempengaruhi besarnya tegangan permukaan adalah massa jenis/ densitas (D), semakin besar densitas berarti semakin rapat muatan – muatan atau partikel-partikel 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. Sebaliknya cairan yang mempunyai densitas kecil akan mempunyai tegangan permukaan yang kecil pula. Konsentrasi zat terlarut (solut) suatu larutan biner mempunyai pengaruh terhadap sifat-sifat larutan termasuk tegangan muka dan adsorbsi pada permukaan larutan. Telah diamati bahwa solut yang ditambahkan kedalam larutan akan menurunkan tegangan muka, karena mempunyai konsentrasi dipermukaan yang lebih besar daripada didalam larutan. Sebaliknya solut yang penambahannya kedalam larutan menaikkan tegangan muka mempunyai konsentrasi dipermukaan yang lebih kecil daripada didalam larutan.
10
11
