Tujuan Instruksional Umum (TIU):
Mahasiswa mampu menjelaskan beberapa konsep-konsep dasar ilmu kimia.
(Gambar 1.1 adalah struktur 3-dimensi molekul glukosa dan segmen dimer selulosa, salah satu contoh zat terlarut).
Tujuan Instruksional Khusus (TIK):
Bila mahasiswa diberikan suatu zat atau campuran dua atau lebih zat
maka mahasiswa mampu menjelaskan kelarutan, jenis dan sifat campurannya.
1.1 Pendahuluan
Mengapa perlu mempelajari sifat-sifat fisik larutan dan koloid?
Umumnya reaksi kimia terjadi dalam larutan, antara ion atau molekul yang
terlarut dalam air atau pelarut lain. Selain itu, pemanfaatan suatu
zat tidak selalu dalam keadaan murni tetapi dilarutkan ke dalam zat
lain. Atau ketika memanfaatkan suatu zat maka zat tersebut harus berada
dalam media lain atau media dimana zat lain berada. Oleh karena itu
sebelum zat dimanfaatkan atau bereaksi dengan zat lain maka perlu
dipahami lebih dahulu: (a) sifat-sifat
makroskopik
keadaan murni masing-masing zat pembentuk larutan, dan (b) apa yang
terjadi bila masing-masing zat pembentuk larutan tersebut yang disebut
zat terlarut dan pelarut dicampurkan.
Mengapa zat dapat bercampur atau berada dalam zat lain? Atau mengapa zat yang disebut
zat terlarut dapat larut di dalam zat lain yang disebut
pelarut?
Salah satu konsep dasar yang penting untuk memahami ini adalah adanya
gaya-gaya atau energi interaksi antarmolekul antara zat terlarut dan
pelarut. Salah satu hukum yang menjelaskan gaya-gaya interaksi
antarmolekul adalah
potensial Lennard-Jones(1). Hasil pencampuran dapat mempengaruhi sifat-sifat zat murni seperti kelarutan, titik didih, dan titik leleh.
Salah satu zat yang banyak digunakan sebagai pelarut adalah air. Air
mempunyai kemampuan melarutkan berbagai jenis zat menghasilkan suatu
campuran homogen. Pada campuran homogen yang melibatkan air, air disebut
sebagai pelarut. Air mempunyai rumus molekul H2O dengan massa molekul
18 g/mol dan kerapatan 1 g/mL atau 1000 g/L. Jadi konsentrasi molar air
murni adalah 55,6 mol/L. Konsentrasi molar zat yang dilarutkan dalam air
adalah pada orde 10-6-10 molar. Jadi konsentrasi molar zat yang
dilarutkan jauh lebih rendah dan disebut dengan zat terlarut.
Bagaimana air dapat melarutkan zat terlarut? Berdasarkan
struktur Lewis
molekul H2O, atom oksigen adalah sebagai pusat dan mempunyai geometri
tetrahedral terhadap pasangan elektron valensi. Jadi molekul air
akhirnya mempunyai struktur geometri bengkok, yang juga didukung dengan
teori
VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion).
Oksigen dengan skala keelektronegatifan 3,5 adalah lebih elektronegatip
dibandingkan dengan hidrogen dengan skala keelektronegatifan 2,1
menghasilkan ikatan O-H sebagai ikatan kovalen polar. Berdasarkan ikatan
kovalen polar pada O-H dan geometri molekul H2O yang bengkok akan
menghasilkan molekul air dengan momen dipol total adalah polar. Jadi,
H2O dapat melakukan berbagai jenis
interaksi non-kovalen
berikut: (a) gaya-gaya dispersi London, (b) interaksi dipol-dipol, (c)
interaksi ion-dipol dengan ion-ion, dan (d) ikatan hidrogen.
Berdasarkan struktur Lewis dan geometrinya, air adalah suatu dipol
sehingga dapat melakukan interaksi ion-dipol. Molekul-molekul air akan
berada disekitar suatu ion dan mengarahkan muatan parsial dipol air ke
arah muatan yang berlawanan. Molekul-molekul air akan memisahkan,
mengelilingi dan mendispersi ion-ion dari suatu padatan ionik. Meskipun
air adalah penghantar listrik yang lemah, ion-ion yang terlarut dalam
larutan air dapat menghantarkan listrik. Larutan ionik dalam air disebut
elektrolit. Suatu larutan elektrolit (larutan ion) dapat digambarkan
dengan konsentrasi senyawa ionik yang terlarut atau konsentrasi komponen
anion dan kation.
Bila senyawa molekular terlarut dalam air maka interaksi molekul
dengan H2O tidak akan memutus ikatan kovalen apapun. Jadi, kemampuan air
melarutkan suatu senyawa molekular didasarkan pada interaksi
non-kovalen antara H2O dengan senyawa molekular. Misalnya bila metanol,
CH3OH, bercampur dengan air, H2O, maka H2O dapat membentuk ikatan
hidrogen dengan gugus alkohol, O-H, dari metanol. Dan dalam hal ini
molekul air dapat memisahkan, mengelilingi dan mendispersi molekul
metanol.
Senyawa ionik terlarut dalam air dapat dikelompokkan menjadi
elektrolit kuat dan lemah. Beberapa senyawa dalam larutan air
terdissosiasi sempurna menjadi ion-ion. Ini dapat terjadi pada
kebanyakan senyawa ionik, dan beberapa senyawa molekular seperti H-Cl.
Senyawa lain hanya mempunyai sedikit kecenderungan terionisasi dalam
larutan air. Dengan kata lain, hanya beberapa molekul dalam larutan akan
terionisasi, dan kebanyakan molekul akan tetap sebagai senyawa netral,
meskipun senyawa tersebut larut sempurna dalam air. Senyawa yang
terionisasi sempurna disebut elektrolit kuat. Senyawa yang terionisasi
hanya sebagian disebut elektrolit lemah. Contoh senyawa elektrolit kuat
adalah HCl dan elektrolit lemah adalah asam asetat, CH3COOH.
Uraian tambahan 1:
Struktur geometri molekul, yang telah dibahas pada Kimia Dasar I,
sangat penting untuk menentukan kepolaran suatu molekul. Molekul dapat
membentuk berbagai jenis struktur, dan salah satu diantaranya adalah
yang paling stabil, misalnya
glukosa, tabel 1.1.
Berikut adalah struktur geometri molekul H2O, gambar 1.2, dan interaksi
antarmolekul H2O, gambar 1.3, yang diperoleh dengan pemodelan
perhitungan komputasi (1):
Uraian tambahan 2:
Berikut adalah struktur geometri molekul NH3, gambar 1.3, dan interaksi
antarmolekul antar NH3, gambar 1.5, yang diperoleh dengan pemodelan
perhitungan komputasi (1):
Gambar 1.4. Struktur 3-dimensi molekul NH3
Gambar 1.5. Struktur 3-dimensi antarmolekul NH3
Uraian tambahan 3:
Berikut adalah struktur geometri segmen polimer selulosa, gambar 1.6,
kitin, gambar 1.7, dan kitosan, gambar 1.8, yang diperoleh dengan
pemodelan perhitungan komputasi (2-8):
Gambar 1.6. Struktur 3-dimensi segmen polimer selulosa
Gambar 1.7. Struktur 3-dimensi segmen polimer kitosan
Gambar 1.8. Struktur 3-dimensi segmen polimer kitin
Tabel 1.1. Beberapa kemungkinan struktur geometri molekul glukosa(1)
Uraian di atas adalah deskripsi singkat tentang molekul dan interaksi
antarmolekul yang menjadi landasan terjadinya larutan dengan
sifat-sifat fisik yang dihasilkannya. Sifat-sifat larutan pada tingkat
molekul sangat sukar diukur sehingga harus diukur pada tingkat
makroskopik atau “bulk”. Oleh karena itu pembahasan sifat-sifat fisik larutan akan diawali dari sifat-sifat fisik makroskopik zat dalam keadaan murni.
Zat dapat berada dalam keadaan murni dan campuran. Sifat-sifat fisik
yang dipelajari dari zat dalam keadaan murni adalah berhubungan dengan
fasanya meliputi: (a)
fasa gas, (b)
fasa cair, dan (c)
fasa padat.
Dalam aktivitas kehidupan sehari-hari atau di laboratorium jarang
terdapat zat dalam keadaan murni, tetapi biasanya merupakan campuran
dari beberapa jenis zat.
Sifat fisik campuran berbeda dari komponen murninya, dan dapat lebih
menguntungkan dari pada keadaan murninya. Contohnya baja, adalah
campuran besi dan unsur lain seperti karbon dan logam-logam lain, bila
dicampur dengan perbandingan tertentu mempunyai sifat-fisik lebih baik
dari besi, seperti sifat-sifat: (a) kekerasan, dan (b) kekuatan.
Terdapat beberapa jenis campuran yang dapat terjadi dan ukuran
partikel (ingat: saat ini sedang berkembang material dengan ukuran
partikel nano meter) mempunyai pengaruh pada sifat-sifat campuran. Salah
satu dari jenis campuran itu adalah larutan dengan salah satu kegunaan
adalah sebagai medium melakukan reaksi kimia.
Komponen paling banyak dari larutan disebut pelarut, dan komponen
lebih sedikit disebut zat terlarut. Zat terlarut dapat mempengaruhi
sifat-fisik pelarut. Fenomena pengaruh zat terlarut dalam larutan sangat
bermanfaat di laboratorium seperti: (a) penentuan massa molekul, (b)
penyulingan minyak, dan (c) desalinasi (penghilangan garam) air laut.
1.2 Jenis-Jenis Campuran
Zat murni A dapat dibedakan dari zat murni B atau C berdasarkan
komposisi penyusunnya yang konstan (hanya tersusun dari zat itu
sendiri), tetapi tidak demikian dengan campuran. Untuk membedakan
berbagai jenis campuran digunakan ukuran partikel, dan dapat
dikelompokkan menjadi tiga bagian yaitu: (a)
suspensi, (b)
koloid, dan (c)
larutan.
Pada
suspensi setidaknya satu komponan mempunyai
ukuran partikel relatif lebih besar dan terdistribusi dalam partikel
lainnya. Contohnya adalah: (a) pasir halus dalam air, (b) asap di udara,
dan (c) endapan dalam campuran reaksi. Pada semua contoh di atas ukuran
partikal cukup besar sehingga dapat dilihat apakah dengan mata
telanjang atau dengan mikroskop. Bila suspensi tidak digoyang, atau
dibiarkan, maka partikel tersuspensi akan mengendap karena pengaruh
gravitasi, meskipun kecepatan pengendapan tergantung pada ukuran
partikel. Contohnya, pasir kasar (ukuran partikel lebih besar) akan
lebih cepat mengendap dibandingkan dengan lumpur halus.
Di laboratorium, endapan tersuspensi dapat dipisahkan dari campuran
reaksi dangan metoda filtrasi yaitu dengan melewatkannya melalui filter
atau penyaring. Sering juga hanya dengan memanfaatkan kecenderungan
suspensi mengendap dibawah pengaruh gravitasi, dan proses ini dapat
dibantu dengan menggunakan sentrifuge. Pada sentrifuge, campuran diputar
dengan cepat, dan akan menghasilkan gaya sentrifugal (gaya keluar) yang
merupakan gravitasi tambahan sebagai penggerak endapan ke dasar tabung
sentrifuge. Sifat fisik suspensi (atau suspensi padat dalam cairan)
seperti titik beku dan tekanan uap tidak banyak dipengaruhi atau
mengalami perubahan oleh partikel tersuspensi (berbeda dengan dalam
larutan). Jadi, misalnya titik beku air yang mengandung lumpur tetap
pada O°C, sama seperti air murni, tetapi air yang mengandung garam NaCl
(membentuk larutan dan bukan suspensi) akan membeku di bawah 0oC
(disebut penurunan titik beku).
Pada
larutan, ukuran partikel pelarut dan zat
terlarut adalah pada dimensi atau sebesar molekul tunggal atau ion.
Jadi, molekul-molekul tidak bergabung membentuk partikel yang lebih
besar. Partikel terdistribusi satu sama lain secara serba sama (uniform)
menghasilkan fasa homogen. Distribusi uniform menyebabkan sifat fisik
larutan menjadi berbeda dari pelarutnya. Misalnya, air membeku pada 0oC,
tetapi dengan penambahan NaCl, larutan NaCl akan membeku pada kurang
dari 0oC. Perubahan sifat fisik yang besar antara pelarut dan larutan
menyebabkan larutan lebih banyak dipelajari dari pada suspensi.
Selain suspensi dan larutan terdapat jenis campuran ketiga yaitu koloid.
Koloid, juga disebut dispersi koloid atau suspensi koloid, adalah suatu campuran peralihan antara larutan dan suspensi, tabel 1.2.
Tabel 1.2. Perbandingan antara larutan, koloid, dan suspensi
| LARUTAN |
KOLOID |
SUSPENSI |
| Ukuran partikel: tidak terlihat dengan mata telanjang |
Ukuran partikel (solute-like):tidak terlihat dengan mata telanjang (1-1000 nm) |
Ukuran partikel: tidak terlihat dengan mata telanjang atau mikroskop |
Salah satu contoh koloid adalah susu yang dihomogenkan. Koloid ini
terdiri atas tetesan butterfat dengan ukuran sangat kecil dan
terdispersi dalam fasa air. Koloid susu juga mengandung kasein (protein)
dan sedikit ingredient (zat lain). Pada koloid seperti susu, ukuran
partikel terlarut (solute-like) lebih besar dibandingkan dengan larutan
tetapi lebih kecil dibandingkan dengan suspensi. Berdasarkan
perbandingan ukuran partikel, koloid adalah dimensi partikel medium,
sehingga dalam koloid tidak digunakan istilah pelarut dan zat terlarut
tetapi istilah
medium pendispersi dan f
asa terdispersi.
Jadi, dapat dikatakan bahwa (a) ukuran pertikel koloid adalah 1 – 1000
nm, (b) partikel koloid biasanya merupakan kumpulan molekul atau ion,
dan (c) terdapat pertikel tunggal seukuran koloid seperti protein.
Zat terlarut bila bertumbukan dapat bergabung menghasilkan partikel
dengan ukuran yang lebih besar dan menghasilkan endapan. Pada suspensi
bila partikel bertumbukan memerlukan waktu relatif lebih singkat untuk
mengendap. Pada koloid, dengan ukuran pertikel lebih besar dari larutan,
dapat tersuspensi dalam waktu yang cukup lama dalam medium pendispersi
sehingga sukar dihasilkan endapan. Dengan demikian, satu sifat umum
koloid adalah tidak mudah dipisahkan oleh pengaruh gravitasi, sehingga
ada istilah kestabilan koloid. Sama seperti suspensi, jumlah relatif
partikel koloid dalam campuran adalah kecil dibandingkan dengan jumlah
medium pendispersi. Oleh karena itu sifat fisik koloid tidak jauh
berbeda dengan medium pendispersi.
Jenis-jenis koloid dibedakan berdasarkan wujud fasa terdispersi dan
wujud medium pendispersi. Ada 3 wujud zat sehingga ada 9 jenis koloid.
Tetapi semua gas bercampur secara uniform dengan gas lain, sehingga
jenis koloid yang ada adalah 8. Partikel koloid terlalu kecil sehingga
tidak dapat dilihat oleh mata telanjang atau mikroskop biasa. Partikel
koloid dapat menghamburkan cahaya datang dengan sudut hambur besar, dan
bila konsentrasi besar maka cahaya tidak dapat menembusnya.
Cahaya yang dilewatkan pada koloid dapat diserap dan dihamburkan oleh
partikel. Bila agak pekat maka koloid tampak seperti awan dan jika
sangat encer akan tampak transfaran. Contoh koloid transfaran adalah
dispersi koloid kanji encer dalam air. Perbedaan antara koloid dapat
dipelajari dengan cara melewatkan cahaya. Pada koloid, jalannya sinar
dapat terlihat karena cahaya dihamburkan, dan fenomena ini disebut efek
Tyndall. Pada larutan, partikel zat terlarut terlalu kecil sehingga
tidak dapat menghamburkan cahaya, oleh karena itu tidak dapat
menunjukkan efek Tyndall.
1.3 Tekanan Uap Larutan
Efek pembuatan suatu larutan pada sifat kimia komponen-komponennya
adalah kecil. Contohnya, Na akan bereaksi dengan air menghasilkan Na+
bila dimasukkan ke dalam larutan, dan akan memberikan hasil yang sama
bila Na dimasukkan ke dalam air destilasi. Tetapi sifat fisik zat sering
berubah bila menjadi bagian dari larutan. Contohnya, air akan membeku
dan dapat meretakkan blok mesin mobil bila t=0°C, tetapi air yang sama
tidak akan membeku pada t=0°C bila ke dalamnya ditambahkan etilen
glikol, yang disebut zat anti beku.
Salah satu sifat fisik larutan yang dapat dipengaruhi oleh zat
terlarut adalah tekanan uap. Jika zat terlarut adalah non-volatile (zat
yang tidak mudah menguap) maka tekanan uap pelarut turun. Jika zat
terlarut dikeluarkan maka tekanan kesetimbangan yang disebabkan olen uap
pelarut, Plarutan, berbanding lurus dengan fraksi mol pelarut,
Xpelarut, gambar 1.9, dan dikenal dengan hukum Raoult:
dengan P°pelarut adalah tekanan uap pelarut murni.
Gambar 1.9. Grafik hubungan tekanan uap dengan fraksi mol pelarut adalahberbanding lurus
Contoh 1:
Suatu larutan mengandung 95% air dan 5% gula, tentukan tekanan uap larutan. Tekanan uap air adalah 1 atm.
Penyelesaian:
Berdasarkan komposisi larutan maka fraksi mol pelarut, Xpelarut = 0,95.
Pada temperatur dimana tekanan uap air adalah l atm, tekanan larutan di
atas adalah,
P larutan = 0,95 x l atm = 0,95 atm
Hukum Raoult dapat dijelaskan dengan mudah dari sudut pandang
molekul. Misalnya, kita membuat larutan dari zat terlarut non-volatile
dengan fraksi mol pelarut sebesar 0,6. Pada larutan terdapat 60% molekul
pelarut, sehingga untuk permukaan dengan luas tertentu terdapat 60%
molekul pelarut dan 40% molekul zat terlarut. Ini berarti hanya 60%
molekul yang dapat menguap dibandingkan dengan pelarut murninya,
sehingga tekanan uap larutan turun hingga 60% dari tekanan uap pelarut.
Inilah sebenarnya yang dimaksud dengan hukum Raoult.
1.3.1 Larutan lebih dari satu komponen volatile
Pada beberapa larutan, seperti benzena dan CCl4, pelarut dan zat
terlarut adalah mudah menguap. Dalam hal ini uap mengandung kedua jenis
zat dan tekanannya adalah jumlah tekanan parsial masing-masing komponen.
Tekanan parsial juga memenuhi hukum Raoult, sehingga bila ada komponen A
dan B maka tekanan parsial A dan B masing-masing PA dan PB adalah
(1.2a)
(1.2b)
dan tekanan total adalah
(1.3)
1.3.2 Larutan ideal dan non-ideal
Bila digambarkan hubungan antara PA dengan XA, PB dengan XB, dan PT
yaitu penjumlahan PA dan PB, maka diperoleh garis lurus, gambar 1.10.
Pasangan dua komponen zat yang mudah menguap membentuk larutan dengan
sifat seperti pada gambar l.10 disebut
larutan ideal. Salah satu contoh larutan yang mendekati sifat demikian adalah pasangan benzena-CCl4.
Gambar 1.10. Grafik tekanan uap sistem dua komponen larutan idea
Gambar 1.11. Grafik tekanan uap sistem dua komponen larutan non ideal: (a) deviasi negatip, (b) deviasi positip.
Uraian tambahan 4:
Kompetisi interaksi zat terlarut…pelarut, zat terlarut…zat terlarut, dan
pelarut…pelarut campuran volatile-volatile (A-B) dapat digambarkan
dengan H2O…C2H5OH, C2H5OH…C2H5OH, dan H2O…H2O, gambar 1.12, yang
diperoleh dengan pemodelan perhitungan komputasi (1):
(a) E=-22,740 kJ/mol
(b) E=-23,850 kJ/mol
(c) E=-23,183 kJ/mol
Gambar 1.12. Interaksi (a) H2O…C2H5OH,
(b) C2H5OH…C2H5OH, dan (c) H2O…H2O, masing-masing dengan energi -22,740,
-23,850, dan -23,183 kJ/mol
Uraian tambahan 5:
Contoh lain campuran volatile-volatile (A-B) adalah H2O…C2H6O,
C2H6O…C2H6O, dan H2O…H2O, gambar 1.13, yang diperoleh dengan pemodelan
perhitungan komputasi (1):
(b)E=-21,887 kJ/mol
(c) E=-7,539 kJ/mol
Gambar 1.13. Interaksi (a) H2O…C2H6O, (b) C2H6O…C2H6O, masing-masing dengan energi -21,887 dan -7,539 kJ/mol
Uraian tambahan 6:
Potensial interaksi H2O…C2H5OH, C2H5OH…C2H5OH, dan H2O…H2O, dapat
digambarkan dengan gambar 1.14, yang diperoleh dengan pemodelan
perhitungan komputasi (1):
(a) (b)
(c)
Gambar 1.14. Potensial Interaksi (a) H2O…H2O, (b) H2O…C2H6O, dan (c) C2H6O…C2H6O
Dari hasil percobaan, hanya sedikit campuran volatile-volatile (A-B)
pada semua komposisi yang memenuhi hukum Raoult. Biasanya tekanan uap
terukur lebih besar atau lebih kecil dari perkiraan hukum Raoult. Jika
tekanan uap lebih besar dari perkiraan hukum Raoult maka disebut
deviasi positip, gambar 1.11(a), jika lebih rendah disebut
deviasi negatip, gambar 1.11(b).
Sifat non-ideal larutan disebabkan oleh kekuatan relatif
tarik-manarik antara molekul zat terlarut dan pelarut. Bila gaya
tarik-menarik antara
zat terlarut…pelarut lebih lemah dari gaya tarik-menarik antara
zat terlarut…zat terlarut atau antara
pelarut…pelarut
maka partikel zat terlarut atau pelarut lebih kuat terikat dalam
keadaan murni dari pada dalam larutan. Dengan demikian kecenderungan
meninggalkan sistem lebih besar pada larutan daripada zat terlarut murni
atau pelarut murni. Akibatnya, tekanan parsial lebih besar dari
perkiraan hukum Raoult sehingga tekanan uap total lebih besar dari yang
diperkirakan. Sistem ini disebut memperlihatkan
deviasi positip.
Hal sebaliknya akan dihasilkan bila tarik-menarik zat terlarut…pelarut
lebih besar daripada tarik-menarik zat terlarut…zat terlarut dan
pelarut…pelarut. Sistem ini disebut memperlihatkan
deviasi negatip.
Bila molekul tarik-menarik maka dapat membebaskan atau menyerap
panas. Dengan kata lain, terdapat korelasi antara panas larutan dan
deviasi dari hukum Raoult.
1.3.3 Destilasi terfraksinasi
Sifat tekanan uap larutan dapat dimanfaatkan pada proses pemisahan, dan disebut
destilasi.
Bila ingin memisahkan NaCl dari air untuk mendapatkan air murni maka
dapat dilakukan dangan menguapkan pelarut air dan kemudian
dikondensasikan. Proses ini disebut
destilasi biasa.
Bila pemisahan dilakukan pada campuran komponen yang mudah menguap, cara
yang digunakan agar dapat berhasil memisahkan semua komponen-komponen
campuran disebut
destilasi terfraksi. Teori proses
pemisahan dengan cara destilasi dibahas lebih mendalam pada matakuliah
kimia fisik, sedangkan pengalaman pemisahan dangan cara destilasi dapat
diperoleh pada matakuliah praktikum kimia organik.
1.4 Penurunan Titik Beku dan Kenaikan Titik Didih
Pada sub-bab 1.3 telah dibahas bahwa zat tarlarut non-volatile dapat
menurunkan tekanan uap larutan. Fenomena penambahan zat terlarut
non-volatile juga mempengaruhi sifat-sifat fisik larutan seperti
titik beku dan
titik didih.
Gambar 1.15 memperlihatkan diagram fasa air. Dari grafik ini dapat dibaca
titik beku dan
titik didih normal.
Titik beku normal, Tb, adalah temperatur dimana garis kesetimbangan
padat-cair memotong garis tekanan 1 atmosfer, sedangkan titik didih
normal adalah temperatur dimana garis kesetimbangan gas-cair memotong
garis tekanan 1 atmosfer.
Gambar 1.15. Diagram fasa air: (a) grafik garis (─) pelarut murni, (b) grafik titik-titik (…) larutan.
Pada gambar 1.15 dapat juga diplot kurva tekanan uap larutan yang
mengandung zat terlarut non-volatile. Pada temperatur berapa pun,
tekanan uap larutan lebih rendah dari pelarut murni. Pada larutan,
temperatur untuk mencapai tekanan 1 atmosfer lebih besar daripada
pelarut murni. Dengan kata lain, titik didih larutan, Td-l, lebih tinggi
daripada pelarutnya, Td-p. Pada gambar terlihat bahwa besarnya
kenaikan titik didih didefinisikan dengan ΔTd, yaitu Td-l dikurangi Td-p.
Pada gambar 1.15 juga ditemukan titik tripel baru, Tr’, yang terjadi
pada perpotongan kurva tekanan uap larutan dengan kurva tekanan uap
padatan untuk pelarut murni. Biasanya, partikel zat terlarut tidak dapat
masuk ke kisi yang terbentuk karena pembekuan pelarut, sehingga padatan
yang terbéntuk adalah pelarut murni. Akibatnya, kurva tekanan uap
bagian padatan untuk larutan dan pelarut adalah
berimpitan.
Garis kesetimbangan padat-cair, yang menyatakan titik beku sebagai
fungsi tekanan, diperoleh dari titik tripel. Karena titik tripel baru
untuk larutan berada di kiri pelarut murni maka titik beku larutan lebih
rendah daripada pelarut murni. Besarnya
penurunan titik beku ini didefinisikan dengan ΔTb, yaitu Tb-l dikurangi Tb-p.
Jadi, adanya zat terlarut akan memperbesar daerah cairan diagram fasa
larutan dengan cara kenaikan titik didih dan penurunan titik beku.
Salah satu penggunaan paling umum fenomena ini adalah pemakaian
larutan anti beku (antifroezo) di dalam
radiator mobil.
Zat terlarut yang biasa digunakan adalah etilen glikol, C2H4(OH)2, yang
larut sempurna dalam air dan mempunyai tekanan uap sangat rendah. Pada
musim dingin,
etilen glikol melindungi mobil melalui poncegahan pembekuan air dalam
radiator. Pada musim panas, zat anti beku juga melindungi radiator dari
pendidihan yang lebih mudah bila diisi dengan air murni. Pada larutan
encer, besarnya kenaikan titik didih dan penurunan titik beku tergantung
pada
molalitas zat terlarut dalam larutan,
dengan Kd dan Kb masing-masing adalah konstanta kenaikan titik didih
dan penurunan titik beku molal, dan khas untuk setiap pelarut, tabel
1.3.
Contoh 2:
Tentukan titik didih dan titik beku larutan 1 mol gula dalam 1000 g air.
Konstanta Kd dan Kb masing-masing adalah 0,51 dan 1,86, tabel 1.3.
Penyelesaian:
Berdasarkan komposisi larutan maka konsentrasi molal larutan, m = 1.
Pada tekanan l atm, titik didih dan titik beku air masing-masing adalah
100 oC dan 0 oC. Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku
masing-masing adalah:
Titik beku turun 1,86 °C dan titik didih naik 0,51°C. Larutan membeku
pada -0,86 °C dan mendidih pada 100,51 °C bila tekanan udara 1 atm.
Tabel 1.3. Harga konstanta Kd dan Kb beberapa pelarut
Massa molekul dapat ditentukan melalui pengukuran penurunan titik
beku dan kenaikan titik didih. Bila zat terlarut adalah non-volatile
maka dapat menghasilkan efek-efek pada larutan yaitu: (a)
penurunan tekanan uap, (b) penurunan titik beku, dan (c) kenaikan
titik didih. Sifat-sifat larutan yang tergantung hanya pada jumlah
relatif partikel zat terlarut dan pelarut disebut
sifat-sifat koligatif larutan.
Pada sifat koligatif larutan yang penting adalah
konsentrasi atau
jumlah relatif dan
bukan jumlah absolut. Oleh karena itu fenomena ini dapat digunakan untuk mengukur massa molekul zat.
1.5 Tekanan Osmosa
Proses dimana pelarut bergerak dari larutan encer ke larutan lebih pekat
melalui lapisan atau film tipis yang secara selektif dapat melewatkan
pelarut tetapi menahan zat terlarut disebut
osmosis. Lapisan tipis demikian disebut
membran semipermiabel. Contohnya adalah jenis
kertas dari kulit dan zat anorganik seperti
gelatin.
Proses yang sama seperti osmosis, tetapi disamping dapat melewatkan
pelarut juga dapat melewatkan ion dan molekul kecil kecuali molekul
besar seperti
protein (polimer asam amino), tabel 1.4, disebut dialisis. Dialisis biasanya terjadi pada
dinding sel tumbuhan dan hewan. Jadi proses osmosis adalah proses dialisis terbatas.
Pada proses osmosis terdapat gerakan untuk menyamakan konsentrasi
antara dua larutan yang bersentuhan satu sama lain melewati membran.
Kecepatan bergerak molekul
pelarut melalui membran ke arah larutan yang pekat adalah lebih besar
daripada kecepatan bergerak ke arah yang berlawanan, diduga karena
konsentrasi pelarut pada permukaan membran lebih besar di sisi larutan
encer, gambar 1.16.
Gambar 1.16. Proses osmosis: →, pergerakan pelarut melalui membran (…).
Tabel 1.4. Struktur Lewis beberapa asam amino (9-10)
*) Dibahas pada matakuliah Analisis Organik dan Spektroskopi Kimia
Hal yang sama akan terjadi pada sistem dua larutan dengan konsentrasi
zat terlarut non-vo1atile tidak sama yang ditempatkan dalam ruang
tertutup, gambar 1.17. Kecepatan penguapan larutan encer lebih besar
daripada larutan pekat, tetapi kecepatan kembali ke masing-masing
larutan adalah sama (kedua larutan bersentuhan dengan fasa gas yang
sama). Akibatnya, kedua larutan tidak setimbang dengan uapnya. Pada
larutan encer kecepatan penguapan lebih besar daripada kondensasi,
tetapi pada larutan pekat kecepatan kondensasi lebih besar daripada
penguapan. Secara keseluruhan adalah perpindahan pelarut dari larutan
encer ke larutan pekat hingga kedua larutan mencapai konsentrasi yang
sama.
Gambar 1.17. Tekanan uap larutan encer lebih besar daripada larutan pekat menyebabkan pergerakan pelarut melalui membran.
Eksperimen osmosis dapat dilakukan dengan menggunakan alat seperti
pada gambar l.18, dengan menempatkan larutan di bagian tengah dan
pelarut murni di bagian luar, sehingga aliran total yaitu pelarut ke
dalam larutan melalui dinding semipermiabel akan menaikkan volume bagian
dalam. Proses ini menyebabkan tinggi cairan dalam kolom kapiler naik.
Cairan dalam kolom kapiler yang naik melebihi permukaan pelarut akan
menghasilkan tekanan sama seperti merkuri dalam barometer. Tekanan ini
cenderung meningkatkan kecepatan aliran pelarut dari larutan ke pelarut
murni, sehingga kecepatan total osmosis menurun jika tinggi cairan makin
naik. Pada akhirnya proses osmosis berhenti, dan tekanan di dalam
larutan pada titik setimbang ini, yang sebanding dengan ketinggian
cairan dalam kapiler, h, disebut
tekanan osmosis larutan, π.
Gambar 1.18. Metode penguluran tekanan osmosis.
Untuk larutan encer, tekanan osmosis sebanding dengan molaritas, M,
dengan konstanta proporsional RT dimana R adalan tetapan gas dan T
adalah temperatur absolut, atau:
Contoh 3:
Tentukan tekanan osmosis larutan 0,01 mol/l pada T kamar (298 K).
Penyelesaian:
Tekanan osmosis larutan adalah:
Tekanan ini cukup untuk mendorong naiknya air dalam kolom setinggi 8,1 kaki.
Tekanan osmosis sangat besar meskipun larutannya cukup encer. Karena
tekanan osmosis berubah sangat besar hanya dengan perubahan konsentrasi
yang sangat kecil, maka sangat penting untuk diperhatikan agar fluida
yang ditambahkan ke dalam tubuh secara intravena tidak mengubah tekanan
osmosis darah. Jika fluida darah terlalu encer, tekanan osmosis dalam
sel darah dapat merusak sel darah itu sendiri. Sebaliknya, jika fluida
darah terlalu pekat, air akan berdifusi keluar sel dan tidak dapat
berfungsi lagi. Oleh sebab itu, perhatikan agar larutan yang digunakan
mempunyai tekanan osmosis yang sama dengan larutan dalam sel. Larutan
demikian disebut larutan isotonik.
Perbedaan tekanan osmosis yang besar antara dua larutan dengan perbedaan
konsentrasi kecil, dapat dimanfaatkan sebagai metoda penentuan massa
molekul polimer yang sangat besar (polimer sintetik atau biologis).
Penentuan massa molekul juga dapat ditentukan dengan penurunan titik
beku dan kenaikan titik didih.
Contoh 4:
Tentukan penurunan titik beku larutan dengan massa zat terlarut 15 g dan massa molekul 30.000 dalam 1000 g air.
Penyelesaian:
Konsentrasi larutan adalah 0,0005 molal. Penurunan titik beku larutan adalah:
Penurunan temperatur sebesar ini boleh dikatakan tidak terdeteksi atau tidak terukur.
Contoh 5:
Tentukan tekanan osmosis larutan dengan massa zat terlarut 15 g dan massa molekul 30.000 dalam 1000 g air.
Penyelesaian:
Pelarut adalah air dan sangat encer maka molalitas sama dengan
molaritas. Tekanan osmosis larutan pada temperatur kamar (298 K) adalah:
Tekanan osmosis 0,012 atm setara dengan 9,1 mmHg. Jika larutan mempunyai
kerapatan 1 g/mL, maka tekanan ini dapat menghasikan ketinggian larutan
dalam kolom 12,3 cm. Ketinggian sebesar ini mudah diukur, sehingga
metoda pengukuran tekanan osmosis sangat baik digunakan untuk menentukan
massa molekul yang besar.
1.6 Osmosa Balik dan Pemurnian Air
Proses osmosis dapat dibalik jika diberikan tekanan dari luar yang
lebih besar dari tekanan osmosis. Fenomena ini dapat digunakan untuk
pemurnian air, khusus desalinasi air laut, dengan alat seperti pada
gambar 1.19. Jika tidak ada tekanan diberikan dari luar ke dalam larutan
air garam, osmosis akan memindahkan air ke dalam larutan dan
berangsur-angsur bertambah encer. Bila diberikan tekanan dari luar, P,
yang lebih besar dari tekanan osmosis, maka osmosis digerakkan pada arah
berlawanan yaitu dari larutan ke air murni.
Tekanan yang diperlukan untuk proses osmosis balik cukup besar
sehingga diperlukan membran yang mampu menahan tekanan. Bahan untuk ini
adalah film
selulosa asetat. Selulosa asetat adalah
permiabel terhadap air tetapi tidak permiabel terhadap ion-ion dan
pengotor dalam air laut. Perusahaan desalinasi dapat menghasilkan
3.000.000 galon air segar per hari.
1.7 Larutan Elektrolit
Hingga sub-bab 1.7 pembahasan dibatasi pada larutan non-e1ektrolit.
Sifat koligatif larutan tergantung pada jumlah partikel yang ada pada
larutan. Bila 1 mol larutan non-elektrolit seperti gula dimasukkan ke
dalam air akan menghasilkan 1 mol partikel dan membeku pada 1,86 °C di
bawah titik beku air murni. Tetapi 1 mol larutan e1ektrolit seperti NaCl
mengandung 2 mol partikel yaitu 1 mol Na+ dan 1 mol ion Cl- sehingga
secara teoritik titik bekunya turun dua kali larutan gula atau sebesar
3,72 °C bila dilarutkan dalam 1000 g air. Satu molal larutan CaC12 di
dalam 1000 g air mengalami penurunan titik beku 3 kali dari larutan 1
molal glukosa.
Gambar 1.19. Proses osmosis balik dengan tekanan P: →, pergerakan pelarut melalui membran (…) dari air laut menuju air segar.
1.8 Koloid
Zat terlarut dalam larutan yang telah dibahas hingga pada sub bab 1.7
adalah ion-ion atau molekul-molekul kecil. Ion atau molekul demikian
membentuk larutan homogen dengan pelarut. Ion atau molekul demikian
tidak mengendap dari larutan, atau tenggelam ke dasar larutan, setelah
dalam selang waktu tertentu. Gaya
gravitasi kecil dibandingkan dengan
energi kinetik
molekul dalam larutan. Jika zat terlarut menjadi lebih besar, pada
titik tertentu zat terlarut mulai mengendap, atau tenggelam ke dasar
pelarut.
Gaya-gaya gravitasi lebih besar dibandingkan dengan energi kinetik
molekul dalam larutan. Dalam hal ini, larutan tidak homogen lagi, tetapi
adalah campuran heterogen. Sifat lain molekul zat terlarut ukuran
besar, atau komponen dengan berat molekul besar dalam campuran, adalah
interaksi molekul demikian dengan cahaya. Interaksi cahaya dengan
molekul dapat mengeksitasi elektron dan menghasilkan
emisi foton.
Jadi cahaya dihamburkan dengan berinteraksinya dengan molekul. Jika
sampel adalah homogen, maka gelombang cahaya sekunder ini menunjukkan
interferensi konstruktif dan destruktif yang acak dan homogen dalam
semua arah. Hasil keseluruhan adalah bahwa gelombang cahaya sekunder
adalah terang.
Jika sampel tidak homogen, dalam hal ukuran partikel terhadap panjang
gelombang cahaya, maka gelombang cahaya sekunder mempunyai interferensi
konstruktif dan destruktif tidak homogen. Hasilnya adalah bahwa cahaya
tampak terhamburkan pada arah acak, dan sampel adalah tak tembus cahaya,
dan larutan koloid tampak seperti awan.
Tabel 1.5. Jenis-Jenis Koloid (11,12)
1.9 Kestabilan Dispersi Koloid
Agar koloid tetap stabil (tidak mengendap atau menggumpal), maka
partikel-partikelnya harus dicegah agar tidak melekat (berinteraksi)
satu dengan yang lain setelah bertumbukan. Jika melekat maka ukuran
partikel bertumbuh makin basar dan berangsur-angsur terpisah dari
campuran. Koloid emulsi (cairan terdispersi dalam cairan) akan stabil
bila ditambahkan
zat pengemulsi. Dua contoh koloid
emulsi adalah susu dan buah selada. Kedua jenis koloid di atas adalah
dispersi minyak dalam air. Minyak dan air adalah dua cairan
(masing-masing non polar dan polar) yang tidak saling barcampur, dan
setelah campuran diaduk akan cenderung terpisah dengan cepat menjadi dua
fasa terpisah. Pada buah selada pemisahan ini dicegah dengan penambahan
kuning telur yang membentuk lapisan pelindung di sekitar
tetesan-tetesan minyak.
Kuning telur berfungsi sebagai penstabil koloid emulsi buah selada. Pada susu zat pengemulsi adalah
kasein.
Koloid dari zat padat yang terdispersi dalam cairan (sol) biasanya
distabilkan dengan adsorpsi ion pada permukaan partikel koloid.
Contohnya adalah sol berwarna merah yang terbentuk jika larutan FeC13
ditambahkan ke dalam air mendidih. Koloid dapat menjadi tidak stabil
dengan menghilangkan pengaruh zat penstabil. Bila ini dilakukan maka
partikel akan berkumpul dan bertumbuh makin besar hingga akhirnya
terpisah atau
terkoagulasi.
Sol yang terbentuk dari oksida Fe(III) terhidrat dapat dikoagulasi
dengan penambahan elektrolit yang mampu menetralkan muatan pada
permukaan partikelnya. Contohnya, penambanan larutan yang mengandung ion
fosfat akan mengendapkan sol Fe(III). Ion PO43+ yang bermuatan negatif
berkumpul di sekitar ion Fe3+ yang bermuatan positif yang ada pada
parmukaan partikel koloid. Penetralan muatan pada partikel koloid
menyebabkan partikel bertumbukan dan bertumbuh dan akhirnya akan
mengendap.
Soal-Soal
1. Jelaskan proses pelarutan pada tingkat molekul zat padat dalam cairan.
2. Jelaskan “like dissolves like” berdasarkan gaya-gaya intermolekul.
3. Apa yang dimaksud dengan larutan. Apa faktor yang mempengaruhi
terjadinya larutan? Berikan dua contoh larutan yang
melibatkan: (a) interaksi dipol ion dan (b) gaya-gaya dispersi.
4. Proses larutan dapat terjadi secara eksoterm. Berikan uraian interpretasi molekular proses tersebut.
5. Jelaskan mengapa proses larutan akan menuju kenaikan ketidakteraturan.
6. Jelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi kelarutan zat padat dalam cairan.
7. Apa yang dimaksud dengan: dua cairan adalah miscible.
8. Mengapa naftalen lebih larut dari pada CsF dalam benzena.
9. Jelaskan mengapa etanol tidak larut dalam sikloheksana.
10. Susunlah senyawa-senyawa berikut berdasarkan kenaikan kelarutan dalam air: O2, LiCl, Br2, dan metanol.
11. Jelaskan variasi kelarutan alkohol berikut dalam:
Senyawa Kelarutan dalam air, 20oC, g/100 g
CH3OH ∞
CH3CH2OH ∞
CH3CH2CH2OH ∞
CH3CH2CH2CH2OH ∞
CH3CH2CH2CH2CH2OH 2,7
12. Sebutkan dan jelaskan alkohol mana pada daftar soal 11.11 yang
diharapkan dapat menjadi pelarut terbaik untuk setiap senyawa berikut:
I2, KBr, dan CH3CH2CH2CH2CH3.
13. Garam NaCl dan CaCl2 digunakan untuk melelehkan es di jalan raya
dan pejalan kaki pada musim dingin. Apa keuntungan kedua garam ini
dibandingkan dengan sukrosa dan urea untuk menurunkan titik beku air?
14. Apa yang dimaksud dengan polusi termal? Apa bahayanya pada kehidupan di dalam air?
15. Seorang siswa mengamati dua buah beker gelas berisi air. Beker
gelas pertama dipanaskan hingga 30 oC sedangkan beker gelas yang kedua
hingga 100 oC. Pada masing-masing beker terbentuk gelembung dalam air.
Apakah gelembung pada kedua beker ini mempunyai sumber yang sama?
Jelaskan.
16. Sebuah beker gelas mula-mula jenuh dengan udara terlarut.
Jelaskan apa yang terjadi bila gas He pada 1 atm digelembungkan melalui
larutan dalam waktu yang cukup lama.
17. Seorang ahli kimia forensik memperoleh sampel bubuk putih untuk
dianalisis. Dia melarutkan 0,5 g zat terzebut di dalam 8,0 g benzena.
Larutan membeku pada 3,9 oC. Apakah ahli kimia tersebut dapat
menyimpulkan bahwa senyawa dalam bubuk adalah kokain (C17H21NO4)? Asumsi
apa yang harus dibuat pada analisis tersebut.
18. Jelaskan mengapa cairan yang digunakan pada injeksi intravena harus sama dengan tekanan osmosis darah?
19. Jelaskan mengapa amonia (NH3) sangat larut dalam air, tetapi tidak untuk nitrogen triklorida (NCl3).
20. Jika soft drink kaleng digoncang dan kemudian dibuka, minuman
akan keluar secara tiba-tiba. Tetapi, jika setelah digoncang kaleng
dipukul-pukul beberapa kali dengan sendok logam tidak terjadi ledakan
minuman. Jelaskan, mengapa?
21. Ikan di lautan antartika berenang di dalam air pada suhu
sekitar -2 oC. (a) Untuk mencegah pembekuan darah pada ikan, berapa
seharusnya konsentrasi darah (molal)? Apakah ini adalah konsentrasi
fisiologis yang sesuai? (b) Baru-baru ini, ahli telah menemukan sejenis
protein khusus di dalam darah ikan yang meskipun konsentrasinya sangat
kecil (≤0,001 m), tetapi mampu mencegah pembekuan darah. Jelaskan
mekanisme tersebut.
22. Obat dengan time-release mempunyai keuntungan dalam melepaskan
obat ke dalam tubuh yaitu pada kecepatan konstan. Akibatnya
konsentrasi obat setiap saat tidak terlalu tinggi untuk menyebabkan efek
samping membahayakan atau terlalu sedikit sehingga tidak efektif. Skema
diagram di bawah ini menunjukkan cara bekerja pil obat dengan
time-release. Jelaskan bagaimana pill bekerja.
