A. Sistem Sistem Dua kompon komponen en Padat-C Padat-Cair air
Berikut ini merupakan contoh kesetimbangan dua komponen padat-cair. 1. Kedua komponen komponen missibel missibel dalam fasa cair dan immisibel immisibel dalam dalam fasa padat
Jenis Jenis keseti kesetimba mbanga ngan n ini dimili dimiliki ki oleh oleh dua zat yang yang dapat dapat saling saling larut larut dalam dalam keadaa keadaan n cairan cairannya nya,, sement sementara ara itu itu di fasa fasa padata padatanny nnyaa terdapa terdapatt kompone komponen-k n-komp omponen onen murnin murninya ya (tida (tidak k membentuk membentuk larutan padat/tidak padat/tidak saling melarutkan) melarutkan).. Apabila Apabila larutan larutan cair A dan B diturunkan diturunkan suhunya, suhunya, pada suatu suatu saat saat akan muncul muncul padatan. padatan. uhu pada pada saat itu itu disebut disebut dengan titik titik beku laruta larutan. n. !ada suhu terseb tersebut ut terdapa terdapatt dua fasa, yaitu yaitu fasa fasa cair cair dan padat. padat. "leh karena karena itu f#cf#c p$%#%-%$%$%, sistem mempunyai dua dera&at kebebasan. Biasanya proses dilakukan pada tekanan tetap, sehingga sistem men&adi uni'arian, &adi cukup satu sa&a yang diperlukan untuk menyatakan keadan sistem (misalnya dipilih 'ariabel komposisi sa&a maka titik bekunya sudah tertentu), tertentu), setiap larutan mempunyai titik beku tertentu. tertentu. Apabila, Apabila, titik titik beku sederet larutan larutan cair dengan berbagai komposisi ditentukan ditentukan lalu dialurkan terhadap komposisi komposisi cairannya cairannya maka akan diperoleh kur'a * dan +* seperti yang ditun&ukan pada gambar 1 dibaah ini
Gambar 1. Diagram fasa padat-cair dengan senyawa bertitik leleh kongruen
itik + merupakan titik beku A murni dan B murni. !enambahan A akan menurunkan titik bekunya sepan&ang garis *, begitu pula penambahan A terhadap B akan menurunkan titik beku sepan&ang garis +*. Jika larutan yang kaya akan A, yakni larutan dengan komposisi antara A dan e, didinginkan, maka akan terpisah zat padat A, sementara larutan yang kaya akan B yakni larutan larutan dengan komposisi komposisi antara e dan B, didinginkan, didinginkan, akan terbentuk terbentuk zat padat B. Jika kur'a * dan +* dapat dipandang sebagai kondisi suhu dimana larutan (cair) pada berbagai komposisi ada dalam keadaan kesetimbangan dengan padatan A (untuk kur'a *) dan dengan padatan B
(untuk kur'a +*). +i titik * kedua kur'a bertemu, sehingga baik padatan A maupun B keduanya ada dalam kesetimbangan dengan larutannya. itik * merupakan suhu beku terendah dari setiap campur campuran an padatan padatan A dan dan B. "leh karena karena itu, itu, titik titik * disebut disebut titik titik
eutectic (unani
mudah
meleleh) dan merupakan suhu terendah bagi keberadaan fasa cair. +ari uraian di atas, menyatakan baha di atas kur'a *+ merupakan daerah cair, hanya fasa cair yang ada karena suhunya di atas titik leleh setiap campuran. +era&at kebebasan pada daaerah ini, f#c-p$%#%-0$%#1, tapi karena tekanannya sudah tertentu maka f#%, &adi perlu dinyatakan suhu dan komposisi larutan untuk menyatakan keadaan sistem. +i baah kur'a 2*3, hanya terdapat terdapat fasa padat. +i daerah ini, ada dua fasa padat, yakni A murni dan B murni. 4enurut 4enurut aturan fasa, sistem pada tekanan tetap adalah uni'arian. 5arena komposisi setiap fasa sudah tertentu, yakni masing-masing zat murni, maka 'ariabelnya hanya suhu. +aerah *2 merupakan daerah dua fasa, yakni fasa padat A murni, dan fasa cair. +aerah +*3 &uga daerah dua fasa, fasa padat B murni dan fasa cair. ekarang kita tin&au secara lebih terperinci yang ter&adi pada proses pendinginan secara isobar dari larutan A dan B dengan komposisi Al. 5ita 4ulai dari titik 6 lalu turun secara 'ertikal 'ertikal hingga titik . 3aris 67J5 disebut disebut garis isopleth yakni garis dengan komposisi tetap. +i titik 6 campuran (larutan) A dan B ada dalam keadaan cair. 5etika B membeku, nilai A dalam larutan (cair) akan meningkat, dan titik bekunya akan terus menurun. 8ntuk memperoleh padatan B yang lebih banyak, maka suhu harus terus diturunkan. !ada suhu %, terdapat kesetimbangan antara padatan B (B#0) dan larutan dengan komposisi yang dinyatakan titik 4, yakni yakni 9 A. epeti epeti telah telah dibahas dibahas dibagian dibagian sebelumny sebelumnya, a, garis garis 4J: 4J: merupa merupakan kan garis dasi. Berdasarkan aturan le'er maka nB,/(nA,l $ nB,l) # 4J/J:, dengan nB, ¨ah mol padatan B yang berkesetimbangan dengan larutan (cair) yang terdiri atas nA,l mol A dan nB,l mol B. +i titik 7, nB,#;. !enurunan suhu sepan&ang garis 7J5 menyababkan &arak horisontal terhadap 74* meningkat, artinya ter&adi peningkatan padatan B dengan berkurangnya suhu. !ada suhu 1, suhu eutectic, diperoleh titik 5. +i titik 5, larutan mempunyai komposisi e (titik *), dan A maupun
B keduanya membeku. Jumlah relatif A dan B yang membeku bergantung pada komposisi eutectic dari larutan e. 5eseluruhan larutan yang ada akan membeku pada suhu 1 tanpa
mengalami perubahan komposisi lagi. +i titik 5 ada tiga fase dalam kesetimbangan, yakni padatan A, padatan B, dan larutan. +era&at kebebasan untuk tiga fasa f#%-1$%#0, karena tekanan sudah tertentu maka tak ada dera&at kebebasan, sistem in'arian. uhu harus tetap konstan di titik
1 samp sampai ai semu semuaa laru laruta tan n memb membeku eku dan dan ¨ ¨ah ah fasa fasa berk berkur urang ang men& men&ad adii %. +i baa baah h 1 penurunan suhu hanya mendinginkan campuran padatan A dan B. Apabila proses tersebut tersebut di balik dan dimulai dari titik (padatan A dan padatan B), cairan pertama yang terbentuk akan mempunyai komposisi e. ampuran padatan tersebut akan memperoleh rentang suhu 1 sampai 0. Jika titik lelehnya ada dalam rentang suhu tertentu, artinya zat yang diu&i merupakan campuran, bukan senyaa murni. ampuran padat dengan komposisi eutktik akan akan meleleh seluruhnya pada satu suhu (1). +emikian pula larutan A dan B dengan dengan kompos komposisi isi eutektik akan membeku seluruhnya pada suhu 1 menghasilkan campuran eutektik padatan padatan A dan B. !engu&ian mikroskopis memperlihatkan baha sistem eutektik terdiri
atas campuran kristal A dan kristal B. Apabila ditin&au dari proses isotermal pada suhu tertentu, < yakni sepan&ang garis horisontal =8>?. =8>?. itik itik = menyatakan men yatakan zat A murni pada suhu <. e¨ah zat B ditambahkan kedalam zat A hingga hingga komposisinya komposisinya sampai sampai di titik 8. itik 8 ini terletak terletak di daerah % fasa, yakni fasa padat A murni murni dan larutan (cair) dengan denga n komposisi >. emua B yang ditambahkan akan meleleh &auh di baah titik lelehnya dan lelehan B akan melarutkan sebagian A sampai komposisi cairannya ada di >. +ari aturan le'er dapat diperoleh ¨ah relatif cairan yang ada di titik 8 cukup kecil. !ada penambahan B selan&utnya B akan terus meleleh dan melarutkan lebih banyak lagi A untuk membentuk larutan >, &adi titik bergerak dari 8 ke >. 5etika titik > dicapai, B yang telah ditambahkan cukup untuk melarutkan semua padatan A semula membentuk larutan &enuh A dalam dalam B. !enamba !enambahan han B selan& selan&utny utnyaa hanya hanya akan mengen mengencer cerkan kan laruta larutan n dan titik titik keadaan keadaan bergerak melalui daerah cair dari > ke ?. +i ? larutannya &enuh dengan B. !enambahan B selan& selan&utny utnyaa tidak tidak mengub mengubah ah kompos komposisi isi laruta larutanny nnya, a, zat padata padatan n B yang yang ditamba ditambahka hkan n tetap tetap sebagai padatannya. Metode percobaan
alah satu metode yang digunakan untuk menentukan diagram fasa melalui percobaan adalah adalah dengan dengan analis analisaa termal termal.. 4elalu 4elaluii metode metode ini suatu suatu campur campuran an dengan dengan kompos komposisi isi yang yang diketa diketahui hui akan akan dipanas dipanaskan kan sampai sampai suhu suhu yang yang cukup cukup tinggi tinggi sehing sehingga ga terbent terbentuk uk cairan cairan yang yang homogen. ara lain untuk menentukan diagram fasa adalah dengan membiarkan system yang diketahui komposisi keseluruhannya pada suhu tertentu dalam aktu yang cukup lama supaya kesetimbangan tercapai. 2asa-fasa yang ada ke mudian dipisahkan dan dianalisis secara kimia. %. Kedua Komponen Membentuk Senyawa dengan Titik Leleh Kongruen
Jika komponen A dan B membentuk suatu senyaa padat AB, dengan fasa cairnya misibel, sementara fasa padatnya immisibel maka diagram kesetimbangan padat-cairnya akan mengikuti mengik uti gambar @. 3ambar @ akan lebih lebih mudah dipahami dengan dengan membayangkan membayangkan baha diagram diagra m tersebut terdiri terdiri atas dua diagra diagram m eutektik seder sederhana hana yang berdampingan berdampingan antara A-AB A-AB dan AB-B.
Gambar !. Diagram fasa padat-cair dengan senyawa bertitik leleh kongruen
+isebelah kiri garis ++ merupakan gambaran dari kesetimbangan fasa dua komponen A dan AB, sementera sebelah kanan garis ++ merupakan gambaran kesetimbangan fasa AB dan B. arutan cair di bagian atas diagram merupakan campuran cair A,B dan AB. Jika larutan ini didinginkan akan terpisah padatan A, B dan AB, tergantung pada komposisi larutannya. aat mencapai salah satu dari dua suhu eutektik, barulah akan mulai muncul padatan kedua. +i titik +, fasa cair dan padatny padatnyaa mempuny mempunyai ai komposisi yang sama, sehin sehingga gga + diangg dianggap ap sebaga sebagaii titi titik k leleh senyaa AB. Jadi senyaa AB dikatakan mempunyai titik leleh yang kongruen, tidak ada perubahan komposisi padat dan cairnya. Jika kedua komponen membentuk lebih dari satu senyaa, diagram fasanya akan mempunyai kur'a yang mirip dengan gambar @. Jika senyaa yang terbentuk ada n senyaa, maka diagram fasa padat-cairnya dapat dipandang terdiri atas (n $ 0) diagram fasa eutektik sederhana yang diletakkan secara berdampingan. ebagai contoh diagram fasa untuk pembentukan dua macam senyaa A%B dan AB% dari dua kompon kom ponen en A dan B, yan yang g dapa dapatt dil diliha ihatt pada gambar gambar 0;. ont ontoh oh lai lainny nnyaa yai yaitu tu sis sistem tem airferiklorida yang dapat dilihat pada gambar 00.
Gambar ". Diagram fasa padat-cair dua komponen yang membentuk dua senyawa bertitik-leleh kongruen
3. Kedua Komponen Komponen Membentuk Membentuk Senyawa Senyawa dengan dengan Titik Titik Leleh Inkongruen Inkongruen
!ada sistem seperti yang terlihat dalam gambar @, senyaa yang terbentuk memiliki titik leleh yang lebih tinggi dari kedua komponennya. !ada keadaan ini, akan selalu diperoleh bentuk diagram fasa seperti gambar @, yaitu ada dua titik eutektik dalam diagram. :amun &ika titik leleh senyaa ada dibaah salah satu konstituen penyusunnya, maka akan muncul dua kemungkinan yaitu pertama, akan diperoleh diagram fasa seperti yang terdapat dalam gambar 00, kemungkinan kedua digambarkan dengan sistem kalium-natrium, seperti yang terlihat pada gambar 0%. Jika senyaa padat murni, :a%5, suhunya dinaikkan, titik keadaan bergerak sepan&ang garis AB. !ada titik titik B terbent terbentuk uk cairan cairan dengan komposis komposisii . airan airan ini lebih lebih kaya kaya akan akan kalium kalium dibandingkan dengan senyaa semula, sehingga akan terdapat sebagian natrium padat yang tetap tidak meleleh. Jadi pada pelelehan ter&adi disosiasi dan persamaannya sebagai berikut. :a%5 (s) DDDDDDDDDDDDDDDD DD (1) (s) C :a(s) $(l) DDDDDDDDDDDDDD
Gambar $. Sistem % !&-'e!Cl( dengan titik leleh senyawa yang kongruen
Gambar #. Sistem dengan titik leleh senyawa yang inkongruen
enyaanya, :a%5, dikatakan meleleh secara inkongruen, karena lelehannya mempunyai komposisi yang berbeda dengan senyaanya. !ada titik B ini terdapat tiga fasa, yaitu padatan :a%5, padatan padatan :a dan cairan cairan,, sehing sehingga ga dera&a dera&att kebebas kebebasanny annyaa yaitu yaitu ;. !ada !ada sistem sistem in'ari in'arian, an, meskipun terdapat sistem yang masuk ke dalam sistem, suhunya akan tetap sama, sampai semua senyaa senyaa padat padat melele meleleh, h, kemudia kemudian n suhu suhu akan naik naik kembali kembali.. itik itik keadaan keadaan akan berger bergerak ak sepan&ang garis B*2 dan sistem terdiri atas natrium padat dan larutan. +i titik 2, natrium padat tepat habis meleleh, dan di atas 2 sistem hanya terdiri atas satu fasa yaitu cair. !enurunan suhu larutan dengan komposisi 3 membalik perubahan di atas. +i 2 akan mulai muncul natrium padat. !enurunan lebih lan&ut menyebabkan ¨ah natrium padat bertambah dan komposisi cairan bergerak sepan&ang 2. +i B terdapat cairan dengan komposisi ko mposisi bersama-sama dengan padatan natrium dan padatan :a%5. =eaksi fasa yang sebaliknya dari persamaan 1 ter&adi sampai cairan dan natrium padat keduanya bereaksi secara simultan, sehingga ketika titik keadaan bergerak sepan&ang BA hanya ada :a%5 padat. Jika cairan dengan komposisi 7 didinginkan, natrium padat akan mulai muncul di J, dan komposisi cairan bergerak sepan&ang J ketika kristal natrium yang terbentuk makin banyak. !ada titik 5 terbentuk :a%5 padat karena reaksi peritektik, (l) $ :a(s) C :a%5 (s) (s) Jumlah natrium pada komposisi 7 tidak cukup untuk mengubah semua cairan men&adi senyaanya. "leh karena itu, semua kristal natrium yang ada akan bereaksi, namun (l) masih bersisa. uhu akan turu ketika natrium padat habis, :a%5 mengkristal dan komposisi cairan bergerak sepan&ang 4. +i , garis dari 4: menun&ukkan baha :a%5, titik :, terdapat bersama-sama dengan cairan 4. 5etika titik ; dicapai, d icapai, cairan mempunyai komposisi eutektik !. istem in'arian sampai cairan habis membentuk campuran kalium padat dan :a%5 padat. Jika sistem dengan komposisi E didinginkan, natrium padat mulai muncul di =. pendinginan selan& selan&utny utnyaa menyeb menyebabka abkan n natriu natrium m padat padat bertam bertambah bah banyak banyak dan kompos komposisi isi cairan cairan berger bergerak ak sepan&ang garis =. +i titik muncul padatan :a%5 hasil reaksi peritektik. airan yang ada bereaksi semua dengan :a padat karena komposisi asal (E) lebih kaya dari :a dibandingkan dengan :a%5, maka pada reaksi peritektik persamaannya sebagai berikut. :a(s) $ (l) C :a%5 (s) (s) :a padat tidak habis bereaksi, tetapi (l) habis bereaksi dan titik keadaan turun ke titik dengan penurunan suhu sehingga di terdapat campuran padat :a%5 dan natrium.
$. )ed )edua ua )ompo )omponen nen *embe *embentuk ntuk +ar +arutan utan Pad Padat at
Ada pasangan zat tertentu yang yan g dapat membentuk larutan padat. +alam larutan padat A dan B tidak ada kristal A ataupun B. arutan nikel dan tembaga adalah salah satu contohnya. 5edua zat yakni nikel dan tembaga dapat saling melarut dalam semua komposisi di fasa padatnya. +iagram fasa system tembaga-nikel dapat dilihat pada gambar (01) kur'a pada gambar 01 a merupakan kur'a cair dan kur'a baahnya merupakan kur'a padat. 7nterpretasi diagram ini sama dengan interpretasi diagram cair-uap.
3ambar F.a. +iagram fasa tembaga-nikel
3ambar G.b. arutan padat dengan titik leleh minimum.
elain el ain diagram diagram sep sepert ertii yan yang g ter terdap dapat at pad padaa gam gambar bar 01 a, dik dikenal enal pula sis sistem tem biner yang membentuk memben tuk larutan padat dengan titi titik k leleh maksimum maksimum maupun minim minimum, um, lihat gambar 01 b. +iagram fasanya mirip dengan kur'a cair-uap pada sistem yang membentuk azeotrop. Akan tetapi campuran dengan kur'a titik leleh maksimum lebih &arang ditemukan.
#. )edua komponen komponen misibel misibel dalam fasa cair cair dan misibel sebagia dalam fasa padat.
+ua zat dalam berbagai komposisi pada fasa cair saling larut, sementara pada fasa padat kedua zat saling melarutkan melarutkan hanya dalam batas-batas batas-batas tertentu. tertentu. !ada batas-batas batas-batas konsentras konsentrasii tertentu tertentu dapat diperoleh diperoleh dua larutan pada konyugat. 3e&ala ini mirip mirip dengan larutan cair yang misibel sebagian. !adatan A dapat larut dalam se¨ah padatan B membentuk suatu larutan padat, demikian pula halnya dengan padatan B yang dapat larut dalam se¨ah tertentu padatan A. etapi etapi &ika konsentrasikonsentrasi-konsent konsentrasi rasi ini dilampaui dilampaui akan diperoleh dua fasa padat, masingmasingmasing larutan padat A dalam B dan larutan padat B dalam A. Jika larutan cair dengan komposisi = didinginkan, di titik mulai terpisah fasa padat, dan disebut sebagai fasa alfa, yakni larutan padat B dalam A. 5omposisi larutan padat ini dinyatakan
dengan , di u&ung garis dasi . !endinginan selan&utnya mengakibatkan ¨ah B dalam larutan padat bertambah. +i titik , larutan cair mempunyai komposisi z dan larutan padat memp mempuny unyai ai komp kompos osis isii . !erba !erbandi nding ngan an ¨ ¨ah ah laru laruta tan n padat padat dan cair cair diny dinyat ataka akan n oleh oleh perbandingan pan&ang garis H/. H/.
Gambar ,. +iagram fasa padat-cair misibel dalam fasa cair dan misibel sebagian pada fasa
padat +i titi titik k dapat dapat dili diliha hatt bah bahaa ¨ ¨ah ah B dalam dalam laru laruta tan n padat padat ters tersebu ebutt lebi lebih h banya banyak k dibandingkan dengan larutan padat di titik . +i titik 8, lelehannya mempunyai komposisi eutektik dan kedua fasa padat sekarang membeku, yakni fasa alfa (padatan A yang &enuh dengan B) dan fasa beta (padatan B yang &enuh dengan A). +i titik ini, terdapat tiga fasa, dua fasa, dan satu fasa cair, dengan demikian dera&at kebebasan pada ! tetap adalah f# c-p$0#%-1$0#;, &adi sistem in'arian. !endinginan lebih lan&ut sampai di > diperoleh dua larutan padat bersama-sama yakni padatan alfa dengan komposisi 4 dan padatan beta dengan komposisi :. +i titik titik , padatan yang berkesetimbangan berkesetimbangan dengan lelehannya lelehannya mempunyai mempunyai komposisi komposisi , , sementara padatan yang pertama muncul mempunyai komposisi . Jadi sistem perlu dibiarkan di titik untuk aktu yang lama sebelum fasa padat men&adi homogen dengan komposisi semua. ontoh sistem yang mempunyai kur'a seperti seperti gambar di atas adalah sistem sistem emas- nikel, bismuttimbal, kadmium-timbal, perak klorida-tembaga (7) klorida dan sebagainya. Ada pula sistem padat-cair yang membentuk larutan padat, mempunyai kur'a yang berbeda dengan di atas, seperti yang terlihat pada gambar berikut.
Gambar . +iagram fasa padat-cair dengan titik peritektik
5ur'a ini dapat kita bayangkan terbentuk dari kur'a kelarutan padat-padat yang misibel sebag sebagia ian n dan dan kur'a kur'a laru laruta tan n padat padat yang yang kont kontin inu. u. Jika Jika padat padatan an alfa alfa deng dengan an kompo komposi sisi si 2 dipanaskan, maka padatan tersebut akan mulai meleleh di titik 3 membentuk campuran dua fasa
α yakni fasa padatan
dan larutan cair dengan komposisi aal :. 5etika dicapai titik 6, sisa dari
β
α fasa
mencair mencair membentu membentuk k laruta larutan n cair cair dengan dengan komposisi komposisi 4 dan padatan padatan fasa fasa
komposisi =.
dengan
