10. CAIRAN DAN LARUTAN

7.1 Karakteristik Cairan

Dalam bab ini, Anda akan belajar tentang keadaan cairan, salah satu dari wujud zat. Kekuatan interaksi antar partikel dalam cairan pertengahan antara kekuatan interaksi dalam padatan dan gas. Aspek paling menarik di antara sifat-sifat fisik cairan adalah perubahan mutual antara gas dan cairan, yakni penguapan dan kondensasi. Hal ini digunakan meluas dalam proses kimia distilasi, salah satu metoda pemurnian cairan yang paling luas dan bermanfaat. Dalam kaitan dengan ini, Anda akan belajar hukum fasa sebagai perluasan interkonversi gas/cairan. Di setengah akhir bab ini, Anda akan belajar tentang cairan dengan dua atau lebih zat penyusun, yakni larutan. Karena larutan sering digunakan dalam laboratorium, sangat penting untuk kepentingan praktis untuk memahami larutan. Kerapatan dan tekanan uap larutan khususnya adalah sifat-sifat penting.

Gas dapat dicairkan dengan mendinginkan pada tekanan tertentu. Ketika suhunya diturunkan, energi kinetik molekul gas akan menurun, dan akan menjadi sebanding dengan gaya tarik antarmolekulnya. Akhirnya jarak antarmolekul menurun sampai titik gas berubah menjadi cairan. Cairan memiliki volume tetap pada temperatur tetap tetapi cairan tidak memiliki bentuk yang tetap. Dalam hal ini, cairan mirip gas. Namun, kalau diperhatikan jarak antarmolekulnya, terdapat perbedaan besar antara cairan dan gas. Satu gram air memiliki volume sekitar 1 cm³, tetapi uap air menempati volume 1,69 x 10³ cm³ pada 373 K dan 1 atm. Anda dapat memperikirakan jarak antarmolekul dalam kedua kasus ini, dan dengan membandingkan data ini, Anda akan menyadari perbedaan antara cairan dan gas.

Contoh soal 7.1 Perbedaan jarak antarmolekul Dengan menggunakan data di atas, tentukan rasio jarak antarmolekul air dan uap air. Jawab Ruang yang ditempati uap air dapat dianggap sebagai kubus. Panjang sisi kubus yang ditempati adalah 3√1,69 x 103 = 11,9 cm. Jadi rasio jarak antarmolekulnya adalah 11,9 cm.

Anda telah mempelajari bahwa teori kinetik mengasumsikan bahwa interaksi intermolekul dalam wujud gas sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. Dalam wujud cair, situasinya tidak begitu sederhana sebab setiap molekul dikelilingi banyak molekul lain dan dengan demikian tumbukan mungkin terjadi. Pengamatan menarik pertama adanya gerakan cairan dilakukan oleh Brown yakni adanya gerakan acak serbuk sari di permukaan air. Asal gerakan Brown adalah tumbukan antara serbuk dan molekul air dan diinterpretasikan sebagai berikut: karena besaran dan arah tiap tumbukan yang mendorong serbuk sari bervariasi, partikel sebuk akan bergerak secara random.

Sebenarnya dapat dilakukan penanganan gerakan partikel cairan dengan menggunakan model mekanik sebagai dalam kasus partikel gas. Namun, pengaruh molekul yang bertumbukan atau molekul sekitarnya sedemikian besar sehingga sukar untuk menangani cairan secara kuantitatif. Di kimia sekolah menengah, hanya penjelasan untuk caiarn hanya diberikan dengan agak samar, yakni dengan mengatakan bahwa keadaan cairan adalah pertengahan antara wujud gas dan wujud padat. Lebih lanjut juga hanya dinyatakan bahwa energi kinetik dan jarak antarmolekul partikel cairan juga pertengahan antara dalam wujud padat dan gas. Demikian juga keteraturan posisi partikelnya juga dianggap pertengahan antara gas dan padat. Demikianlah alasan mengapa tidak ada deskripsi kuantitatif cairan di buku-buku teks sekolah menengah (Gambar 7.1).

Buku ini juga tidak akan memberikan deskripsi mikroskopik cairan, dan berbagai sifat cairan hanya akan dilihat dari sudut makroskopik.

Gambar 7.1 Gambaran skematik gerakan molekul dalam padatan, cairan dan gas. Dengan meningkatnya suhu, kecepatan gerakannya akan meningkat, dan dengan demikian energi kinetiknya juga meningkat sehingga lebih besar dari gaya tarik antarmolekulnya.

Volume gas dapat ditekan sementara volume cairan hampir tidak dapat ditekan sebab jarak antarmolekul jauh lebih pendek. Dalam padatan, setiap molekul cenderung menempati posisi tertentu. Bila susunan molekul dalam padatan teratur, padatan disebut padatan kristalin. Bila tekanan diberikan pada kristal, pengaruh tekanan pada padatan lebih kecil dibandingkan pengaruhnya pada cairan. Bila cairan meleleh, dalam banyak kasus volumenya meningkat sekitar 10%. Hal ini berkaitan dengan perbedaan dalam pengepakan molekul dalam cairan dan padatan. Singkatnya, cairan lebih dekat dengan padat dibandingkan dengan gas.

Partikel gas berdifusi sebab gas bergerak dengan cepat. Molekul cairan bergerak dengan lebih lambat. Partikel dalam padat tidak pernah berdifusi sebab gaya antarmolekul demikian kuat sehingga energi kinetiknya tidak dapat mengatasinya.
Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

7.2 Sifat Cairan

a. Tekanan uap

Seperti dalam kasus gas, energi kinetik molekul cairan tidak seragam tetapi bervariasi. Terdapat keteraturan dalam keragaman ini, dan distribusi energi kinetik ditentukan oleh hukum distribusi Boltzmann. Hukum ini menyatakan bahwa partikel yang paling melimpah adalah partikel dengan energi kinetik rata-rata, dan jumlah partikel menurun dengan teratur ketika selisih energi kinetiknya dengan energi kinetik rata-rata semakin besar.

Beberapa molekul yang energi kinetiknya lebih besar dari energi kinetik rata-rata dapat lepas dari gaya tarik antarmolekul dan menguap. Bila cairan diwadahi dalam ruang tanpa tutup, cairan akan perlahan menguap, dan akhirnya habis. Bila ruangnya memiliki tutup dan cairannya terisolasi, molekulnya kehilangan energinya dengan tumbukan, dsb, dan energi kinetik beberapa molekul menjadi demikian rendah sehingga molekul tertarik dengan gaya antarmolekul pada permukaan cairan dan kembali masuk ke cairan. Ini adalah kondensasi uap dalam deskripsi makroscopik. Akhirnya jumlah molekul yang menguap dari permukaan cairan dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan menjadi sama, mencapai kestimbangan dinamik. Keadaan ini disebut kesetimbangan uap-cair (Gambar 7.2).

Tekanan gas, yakni, tekanan uap cairan ketika kesetimbangan uap-cair dicapai, ditentukan hanya oleh suhunya. Baik jumlah cairan maupun volume di atas cairan tidak mempunyai akibat asal cairannya masih ada. Dengan kata lain, tekanan uap cairan dalam ruang ditentukan oleh jenis cairan dan suhunya.

Gambar 7.2 Gambaran skematik kesetimbangan uap-cairan. Keadaan dimana jumlah molekul menguap dari permukaan cairan, dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan sama.

Tekanan uap cairan meningkat dengan meningkatnya suhu. Pola peningkatannya khas untuk cairan tertentu. Dengan meningkatnya suhu, rasio molekul yang memiliki energi yang cukup untuk mengatasi interaksi antarmolekul akan meningkat (Gambar 7.3).

Gambar 7.3 Temperatur dan energi kinetik molekul (T1 > T2). Energi kinetik molekul bergantung temperatur. Sebenarnya kecepatan molekul pada temperatur tertentu tidak seragam, keragamannya mengikuti hukum distribusi Boltzmann. Daerah yang diarsir dalam gambar berkaitan dengan molekul yang memiliki energi kinetik cukup untuk lepas dari permukaan cairan (T1(a) < T2(b)).

Tekanan uap meningkat dengan kenaikan suhu. Gambar 7.4 menunjukkan hubungan antara suhu dan tekanan uap berbagai cairan.

b. Titik didih

Tekanan uap cairan meningkat dengan kenaikan suhu dan gelembung akan akan terbentuk dalam cairannya. Tekanan gas dalam gelembung sama dengan jumlah tekanan atmosfer dan tekanan hidrostatik akibat tinggi cairan di atas gelembung. Wujud saat gelembung terbentuk dengan giat disebut dengan mendidih, dan temperatur saat mendidih ini disebut dengan titik didih. Titik didih pada tekanan atmosfer 1 atm disebut dengan titik didih normal (Gambar 7.4). Titik didih akan berubah bergantung pada tekanan atmosfer. Bila tekanan atmosfer lebih tinggi dari 1 atm, titik didih akan lebih tinggi dari titik didih normal. Sementara bila tekanan atmosfer lebih rendah dari 1 atm, titik didihnya akan lebih rendah dari titik didih normal.

Titik didih dan perubahannya dengan tekanan bersifat khas untuk tiap senyawa. Jadi titik didih adalah salah satu sarana untuk mengidentifikasi zat. Identifikasi zat kini dilakukan sebagian besar dengan bantuan metoda spektroskopi, tetapi data titik didh diperlukan untuk melaporkan cairan baru.

Titik didih ditentukan oleh massa molekul dan kepolaran molekul. Di antara molekul dengan jenis gugus fungsional polar yang sama, semakin besar massa molekulnya, semakin tinggi titik didihnya. Contoh yang baik dari hal ini adalah hidrokarbon homolog (Tabel 7.1). Di pihak lain, bahkan untuk massa molekul rendah, molekul dengan kepolaran besar akan mengalami gaya intermolekul yang kuat yang mengakibatkan titik didihnya lebih tinggi. Contoh yang baik adalah perbedaan besar antara titik didih antara berbagai gugus senyawa organik yang memiliki massa molekul sama tetapi gugus fungsi yang berbeda (Tabel 7.1). Titik didih air yang tinggi adalah contoh lain yang baik (Bab 3.4, bab 7.3).

Tabel 7.1 Titik didih beberapa senyawa organik.

senyawa	Td (°C)	senyawa			Td (°C)
pentana C5H12	36,11	butanol C4H9OH			108
heksana C6H14	68,74	dietil eter C2H5OC2H5			34,5
oktana C8H718	125,7	metil propil eterpropileter (CH3OC3H7)			39

Energi yang diperlukan untuk mengubah cairan menjadi gas pada STP12 (0°C, 1 atm) disebut dengan kalor penguapan. Bila gas mengembun menjadi cairan, sejumlah sama kalor akan dilepaskan. Kalor ini disebut dengan kalor kondensasi.

Tabel 7.2 Titik didih dan kalor penguapan berbagai beberapa cairan.

Zat	Titik didih (°C)	Kalor penguapan (J mol-1)
H2	-252.8	904
CS2	46.4	26780
CHCl3	61	29500
CCl4	77	36600
C2H5OH	78	38570
C6H6	80	30760
H2O	100	46670
CH3COOH	118	24390

Terdapat beberapa zat yang cenderung terdekomposisi secara perlahan dengan pemanasan. Beberapa zat seperti ini sukar diuapkan, walaupun zat-zat ini berwujud cair pada temperatur kamar, sebab akan terdekomposisi sebelum mencapai titik didih. Jadi, tidak semua zat memiliki titik didih normal.

Proses penguapan cairan dan mengkondensasikan uapnya di wadah lain dengan pendinginan disebut dengan distilasi. Metoda ini paling sering digunakan untuk memurnikan cairan. Asal mula teknik distilasi dapat dirunut dari zaman alkemi. Campuran cairan dapat dipisahkan menjadi cairan komponennya menggunakan perbedaan titik didihnya. Teknik ini disebut sebagai distilasi fraksional (Bab 12.3).

Selingan-Vakum

Biasanya tidak mudah membuat dan mempertahankan vakum. Alat paling sederhana menghasilkan vakum adalah aspirator air, yang dapat ditemukan di laboratorium manapun sekolah tingkat pertama, menengah. Vakum terbaik didapatkan dengan aspirator adalah tekanan uap air pada suhu tersebut. Alat yang lebih rumit adalah pompa rotary minyak yang dapat menghasilkan vakum 5 x10-1 Torr. Dengan bantuan pompa difusi minyak yang kuat atau pompa difusi merkuri, vakum sampai 10-3 Torr atau lebih baik dapat dihasilkan. Tidak mudah mempertahankan vakum. Tanpa pemeliharaan jalur vakum dengan telititi dan baik, Anda tidak dapat mendapatkan vakum yang seharusnya dapat dicapai alat tersebut. Ketika mendestilasi zat yang cenderung terdekomposisi bila mencapai titik didih, distilasi mungkin dapat dilakukan dalam sistem yang tertutup dalam vakum. Titik didih akan menjadi lebih rendah bergantung pada derajat vakum yang dicapai. Teknik ini disebut distilasi vakum.

c. Titik beku

Bila temperatur cairan diturunkan, energi kinetik molekul juga akan menurun, dan tekanan uapnya pun juga akan menurun. Ketika temperatur menurun sampau titik tertentu, gaya antarmolekulnya menjadi dominan, dan gerak translasi randomnya akan menjadi lebih perlahan. Sebagai akibatnya, viskositas cairan menjadi semakin bertambah besar. Pada tahap ini, kadang molekul akan mengadopsi susunan geometri reguler yang disebut dengan keadaan padatan kristalin. Umumnya titik beku sama dengan titik leleh, yakni suhu saat bahan berubah dari keadaan padat ke keadaan cair.
Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

7.3 Kesetimbangan fasa dan diagram fasa

Selama ini pembahasan perubahan mutual antara tiga wujud materi difokuskan pada keadaan cair. Dengan kata lain, perhatian telah difokuskan pada perubahan cairan dan padatan, dan antara cairan dan gas. Dalam membahas keadaan kritis zat, akan lebih tepat menangani tiga wujud zat secara simultan, bukan membahas dua dari tiga wujud zat.

Gambar 7.5 Diagram fasa. Tm adalah titik leleh normal air, , T3 dan P3 adalah titik tripel, Tb adalah titik didih normal, Tc adalah temperatur kritis, Pc adalah tekanan kritis.

Diagram fasa merupakan cara mudah untuk menampilkan wujud zat sebagai fungsi suhu dan tekanan. Sebagai contoh khas, diagram fasa air diberikan di Gambar 7.5. Dalam diagram fasa, diasumsikan bahwa zat tersebut diisolasi dengan baik dan tidak ada zat lain yang masuk atau keluar sistem.

Pemahaman Anda tentang diagram fasa akan terbantu dengan pemahaman hukum fasa Gibbs, hubungan yang diturunkan oleh fisikawan-matematik Amerika Josiah Willard Gibbs (1839-1903) di tahun 1876. Aturan ini menyatakan bahwa untuk kesetimbangan apapun dalam sistem tertutup, jumlah variabel bebas-disebut derajat kebebasan F- yang sama dengan jumlah komponen C ditambah 2 dikurangi jumlah fasa P, yakni,

F=C+2-P … (7.1)

Jadi, dalam titik tertentu di diagram fasa, jumlah derajat kebebasan adalah 2 – yakni suhu dan tekanan; bila dua fasa dalam kesetimbangan-sebagaimana ditunjukkan dengan garis yang membatasi daerah dua fasa hanya ada satu derajat kebebasan-bisa suhu atau tekanan. Pada ttik tripel ketika terdapat tiga fasa tidak ada derajat kebebasan lagi. Dari diagram fasa, Anda dapat mengkonfirmasi apa yang telah diketahui, dan lebih lanjut, Anda dapat mempelajari apa yang belum diketahui. Misalnya, kemiringan yang negatif pada perbatasan padatan-cairan memiliki implikasi penting sebagaimana dinyatakan di bagian kanan diagram, yakni bila tekanan diberikan pada es, es akan meleleh dan membentuk air. Berdasarkan prinsip Le Chatelier, bila sistem pada kesetimbangan diberi tekanan, kesetimbangan akan bergeser ke arah yang akan mengurangi perubahan ini. Hal ini berarti air memiliki volume yang lebih kecil, kerapatan leb besar daripada es; dan semua kita telah hafal dengan fakta bahwa s mengapung di air.

Sebaliknya, air pada tekanan 0,0060 atm berada sebagai cairan pada suhu rendah, sementara pada suhu 0,0098 °C, tiga wujud air akan ada bersama. Titik ini disebut titik tripel air. Tidak ada titik lain di mana tiga wujud air ada bersama.

Selain itu, titik kritis (untuk air, 218 atm, 374°C), yang telah Anda pelajari, juga ditunjukkan dalam diagram fasa. Bila cairan berubah menjadi fasa gas pada titik kritis, muncul keadaan antara (intermediate state), yakni keadaan antara cair dan gas. Dalam diagram fasa keadaan di atas titik kritis tidak didefinisikan.
Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

7.4 Larutan

Sampai di sini, yang telah dibahas adalah, cairan satu komponen, yakni cairan murni. Fasa cair yang berupa sistem dua atau multi komponen, yakni larutan juga sangat penting. Larutan terdiri atas cairan yang melarutkan zat (pelarut) dan zat yang larut di dalamnya (zat terlarut). Pelarut tidak harus cairan, tetapi dapat berupa padatan atau gas asal dapat melarutkan zat lain. Sistem semacam ini disebut sistem dispersi. Untuk sistem dispersi, zat yang berfungsi seperti pelarut disebut medium pendispersi, sementara zat yang berperan seperti zat terlarut disebut dengan zat terdispersi (dispersoid).

Baik pada larutan ataupun sistem dispersi, zat terlarut dapat berupa padatan, cairan atau gas. Bahkan bila zat terlarut adalah cairan, tidak ada kesulitan dalam membedakan peran pelarut dan zat terlarut bila kuantitas zat terlarut lebih kecul dari pelarut. Namun, bila kuantitas zat terlarut dan pelarut, sukar untuk memutuskan manakah pelarut mana zat terlarut. Dalam kasus yang terakhir ini, Anda dapat sebut komponen 1, komponen 2, dst.

a. Konsentrasi

Konsentrasi larutan didefinisikan dengan salah satu dari ungkapan berikut:

Ungkapan konsentrasi

1. persen massa (%) =(massa zat terlarut/ massa larutan) x 100
2. molaritas (konsentrasi molar) (mol dm^-3) =(mol zat terlarut)/(liter larutan)
3. molalitas (mol kg^-1) =(mol zat teralrut)/(kg pelarut)

Contoh soal

Hitung jumlah perak nitrat AgNO₃ yang diperlukan untuk membuat 0,500 dm³ larutan 0,150 mol.dm^-3, asumsikan massa molar AgNO₃ adalah 170 g mol^-1.

Jawab

Bila jumlah perak nitrat yang diperlukan x g, x = [170 g mol^–1 x 0,500 (dm³) x 0,150 (mol dm^–3)]/[1 (dm³) x 1 (dm³)]

∴x = 12,8 mg.

b. Tekanan uap

Tekanan uap cairan adalah salah satu sifat penting larutan. Tekanan uap larutan juga penting dan bermanfaat untuk mengidentifikasi larutan. Dalam hal sistem biner, bila komponennya mirip ukuran molekul dan kepolarannya, misalnya benzen dan toluen, tekanan uap larutan dapat diprediksi dari tekanan uap komponennya. Hal ini karena sifat tekanan uap yang aditif. Bila larutan komponen A dan komponen B dengan fraksi mol masing-masing adalah x_A dan x_B berada dala kesetimbangan dengan fasa gasnya tekanan uap masing-masing komponen sebanding dengan fraksi molnya dalam larutan. Tekanan uap komponen A, p_A,diungkapkan sebagai:

p_A = p_A⁰ x_A … (7.2)

p_A⁰ adalah tekanan uap cairan A murni pada suhu yang sama. Hubungan yang mirip juga berlaku bagi tekanan uap B, p_B. Hubungan ini ditemukan oleh kimiawan Perancis Francois Marie Raoult (1830-1901) dan disebut dengan hukum Raoult. Untuk larutan yang mengikuti hukum Raoult, interaksi antara molekul individual kedua komponen sama dengan interaksi antara molekul dalam tiap komponen. Larutan semacam ini disebut larutan ideal. Gambar 7.6 menunjukkan tekanan uap larutan ideal sebagai fungsi konsentrasi zat teralrut. Tekanan total campuran gas adalah jumlah p_A dan p_B, masing-masing sesuai dengan hukum Raoult.

Gambar 7.6 Tekanan total dan parsial larutan ideal.

Contoh soal 7.3

Tekanan uap cairan A dan B adalah 15 Torr dan 40 Torr pada 25°C. tentukan tekanan uap larutan ideal yang terdiri atas 1 mol A dan 5 mol of B.

Jawab

p_A = p_A⁰ x_A = 15 x (1/6) = 2,5 Torr

p_B = p_B⁰ x_B = 40 x (5/6) = 33,3 Torr P = p_A + p_B = 35,8 Torr

c. Larutan ideal dan nyata

Sebagaimana juga perilaku gas nyata berbeda dengan perilaku gas ideal, perilaku larutan nyata berebeda dengan perilaku larutan ideal, dengan kata lain berbeda dari hukum Raoult. Gambar 7.7(a) menunjukkan kurva tekanan uap sistem biner dua cairan yang cukup berbeda polaritasnya, aseton Me₂CO dan karbon disulfida CS₂. Dalam hal ini, penyimpangan positif dari hukum Raoult (tekanan uap lebih besar) diamati. Gambar 7.7(b) menunjukkan tekanan uap sistem biner aseton dan khloroform CHCl₃. Dalam kasus ini, penyimpangan negatif dari hukum Raoult diamati. Garis putus-putus menunjukkan perilaku larutan ideal. Peilaku larutan mendekati ideal bila fraksi mol komponen mendekati 0 atau 1. Dengan menjauhnya fraksi mol dari 0 atau 1, penyimpangan dari ideal menjadi lebih besar, dan kurva tekanan uap akan mencapai minimum atau maksimum.

Gambar 7.7 Tekanan total dan parsial larutan nyata (25°C).

Penyebab penyimpangan dari perilaku ideal sebagian besar disebabkan oleh besarnya interaksi molekul. Bila pencampuran komponen A dan B menyebabkan absorpsi kalor dari lingkungan (endoterm), interaksi molekul antara dua komponen lebih kecil daripada pada masing-masing komponen, dan penyimpangan positif dari hukum Raoult akan terjadi. Sebaliknya, bila pencampuran menghasilkan kalor ke lingkungan (eksoterm), penyimpangan negatif akan terjadi.

Bila ikatan hidrogen terbentuk antara komponen A dan komponen B, kecenderungan salah satu komponen untuk meninggalkan larutan (menguap) diperlemah, dan penyimpangan negatif dari hukum Raoult akan diamati. Kesimpulannya, penyebab penyimpangan dari hukum Raoult sama dengan penyebab penyimpangan dari hukum gas ideal.

d. Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku

Bila dibandingkan tekanan uap larutan pada suhu yang sama lebih rendah dari tekanan uap pelarutnya. Jadi, titik didih normal larutan, yakni suhu saat fasa gas pelarut mencapai 1 atm, harus lebih tinggi daripada titik didih pelarut. Fenomena ini disebut dengan kenaikan titik didih larutan.

Dengan menerapkan hukum Raoult pada larutan ideal, kita dapat memperoleh hubungan berikut:

p_A = p_A⁰ x_A = p_A⁰ [n_A /(n_A + n_B)] …. (7.3)

(p_A⁰– p_A)/ p_A⁰ = 1 – x_A = x_B … (7.4)

x_A dan x_B adalah fraksi mol, dan n_A dan n_B adalah jumlah mol tiap komponen. Persamaan ini menunjukkan bahwa, untuk larutan ideal dengan zat terlarut tidak mudah menguap, penurunan tekanan uap sebanding dengan fraksi mol zat terlarut.

Untuk larutan encer, yakni n_A + n_B hampir sama dengan n_A, jumlah mol n_B dan massa pada konsentrasi molal m_B diberikan dalam ungkapan.

x_B = n_B/(n_A + n_B) = n_B/n_A= n_B/(1/M_A) = M_Am_B … (7.5)

M_A adalah massa molar pelarut A. Untuk larutan encer, penurunan tekanan uap sebanding dengan m_B, massa konsentrasi molal zat terlarut B.

Perbedaan titik didih larutan dan pelarut disebut dengan kenaikan titik didih, T_b. Untuk larutan encer, kenaikan titik didih sebanding dengan massa konsentrasi molal zat terlarut B.

T_b = K_b m_B … (7.6)

Tetapan kesebandingan K_b khas untuk setiap pelarut dan disebut dengan kenaikan titik didih molal.

Hubungan yang mirip juga berlaku bila larutan ideal didinginkan sampai membeku. Titik beku larutan lebih rendah dari titik beku pelarut. Perbedaan antara titik beku larutan dan pelarut disebut penurunan titik beku, T_f. Untuk larutan encer penurunan titik beku akan sebanding dengan konsentrasi molal zat terlarut m_B

T_f = K_f m_B … (7.7)

Tetapan kesebandingannya K_b khas untuk tiap pelarut dan disebut dengan penurunan titik beku molal.

Tabel 7.3 Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal.

pelarut	titik didih (°C)	Kb	pelarut	titik beku (°C)	Kf
CS2	46	2.40	H2O	0	1.86
aseton 55,9	1,69	benzen	5,1	5,07
benzen	79,8	2,54	asam asetat	16,3	3,9
H2O	100	0,51	kamfer	180	40

Di Tabel 7.3 beberapa nilai umum kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal diberikan. Dengan menggunakan nilai ini dan persamaan 7.6 dan 7.7 dimungkinkan untuk menentukan massa molar zat terlarut yang belum diketahui. Kini, penentuan massa molekul lebih mudah dilakukan dengan spektrometer massa. Sebelum spektrometer massa digunakan dengan rutin, massa molekul umumnya ditentukan dengan menggunakan kenaikan titik didih atau penurunan titik beku. Untuk kedua metoda, derajat kesalahan tertentu tak terhindarkan, dan keterampilan yang baik diperlukan agar didapatkan hasil yang akurat.

Contoh soal 7.4 Penentuan massa molekul dengan metoda penurunan titik beku.

Larutan dalam air terdiri atas 100 g H₂O dan 5,12 g zat A (yang massa molekulnya tidak diketahui) membeku pada -0,280°C. Dengan menggunakan data di Tabel 7.3, tentukan massa molar A.

Jawab

Massa molar A andaikan M. Dengan menggunakan persamaan 7.7, M dapat ditentukan dengan

0,280 = Kf x (m/M) x (1/W) = 1,86 x (5,12/M) x (1/0,11)

∴ M = 340 g mol^–1.

e. Tekanan osmosis

Membran berpori yang dapat dilalui pelarut tetapi zat terlarut tidak dapat melaluinya disebut dengan membran semipermeabel. Bila dua jenis larutan dipisahkan denga membran semipermeabel, pelarut akan bergerak dari sisi konsentrasi rendah ke sisi konsentrasi tinggi melalui membran. Fenomena ini disebut osmosis. Membran sel adalah contoh khas membran semipermeabel. Membran semipermeabel buatan juga tersedia.

Bila larutan dan pelarut dipisahkan membran semipermeabel, diperlukan tekanan yang cukup besar agar pelarut bergerak dari larutan ke pelarut. Tekanan ini disebut dengan tekanan osmosis. Tekanan osmosis larutan 22,4 dm³ pelarut dan 1 mol zat terlarut pada 0 °C adalah 1,1 x 10⁵ N m^-2.

Hubungan antara konsentrasi dan tekanan osmoisi diberikan oleh hukum van’t Hoff’s.

πV = nRT … (7.8)

π adalah tekanan osmosis, V volume, T temperatur absolut, n jumlah zat (mol) dan R gas. Anda dapat melihat kemiripan formal antara persamaan ini dan persamaan keadaan gas. Sebagaimana kasus dalam persamaan gas, dimungkinkan menentukan massa molekular zat terlarut dari hubungan ini.

Contoh soal 7.5 hukum van’t Hoff

Tekanan osmosis larutan 60,0 g zat A dalam 1,00 dm³ air adalah 4,31 x 10⁵ Nm^–2. Tentukan massa molekul A.

Jawab

Dengan menggunakan hubungan πV = nRT

4,31 x 10⁵ (N m^-2) x 1,00 x 10^-3 (m³) = [60,0 (g) x 8,314 (J mol^-1 K^-1) x 298 (K)]/M (g mol^–1)

∴ M = 345 (g mol^–1)

f. Viskositas

Gaya tarik menarik antarmolekul yang besar dalam cairan menghasilkan viskositas yang tinggi. Koefisien viskositas didefinisikan sebagai hambatan pada aliran cairan. Gas juga memiliki viskositas, tetapi nilainya sangat kecil. Dalam kasus tertentu viskositas gas memiliki peran penting, misalnya dalam peawat terbang.

Viskositas

1. Viskositas cairan yang partikelnya besar dan berbentuk tak teratur lebih tinggo daripada yang partikelnya kecil dan bentuknya teratur.
2. Semakin tinggi suhu cairan, semakin kecil viskositasnya.

Dua poin ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik. Tumbukan antara partikel yang berbentuk bola atau dekat dengan bentuk bola adalah tumbukan elastik atau hampir elastik. Namun, tumbukan antara partikel yang bentuknya tidak beraturan cenderung tidak elastik. Dalam tumbukan tidak elastik, sebagian energi translasi diubah menjadi energi vibrasi, dan akibatnya partikel menjadi lebih sukar bergerak dan cenderung berkoagulasi. Efek suhu mirip dengan efek suhu pada gas.

Koefisien viskositas juga kadang secara singkat disebut dengan viskositas dan diungkapkan dalam N s m^-2 dalam satuan SI. Bila sebuah bola berjari-jari r bergerak dalam cairan dengan viskositas ηdengan kecepatan U, hambatan D terhadap bola tadi diungkapkan sebagai.

D = 6πhrU … (7.9)

Hubungan ini (hukum Stokes) ditemukan oleh fisikawan Inggris Gabriel Stokes (1819-1903).

g. Tegangan permukaan

Tegangan permukaan juga merupakan sifat fisik yang berhubungan dengan gaya antarmolekul dalam cairan dan didefinisikan sebagai hambatan peningkatan luas permukaan cairan. Awalnya tegangan permukaan didefinisikan pada antarmuka cairan dan gas. Namun, tegangan yang mirip juga ada pada antarmuka cairan-cairan, atau padatan dan gas. Tegangan semacam ini secara umum disebut dengan tegangan antarmuka. Tarikan antarmolekul dalam dua fas dan tegangan permukaan di antarmuka antara dua jenis partikel ini akan menurun bila tempeartur menurun. Tegangan antarmuka juga bergantung pada struktur zat yang terlibat. Molekul dalam cairan ditarik oleh molekul di sekitarnya secara homogen ke segala arah. Namun, molekul di permukaan hanya ditarik ke dalam oleh molekul yang di dalam dan dengan demikian luas permukaan cenderung berkurang. Inilah asal mula teori tegangan permukaan. Bentuk tetesan keringat maupun tetesan merkuri adalah akibat adanya tegangan permukaan.

Cairan naik dalam kapiler, fenomena kapiler, juga merupakan fenomena terkenal akibat adanya tegangan permukaan. Semakin besar tarikan antar molekul cairan dan kapilernya, semakin besar daya basah cairan. Bila gaya gravitasi pada cairan yang naik dan tarikan antara cairan dan dinding kapiler menjadi berimbang, kenaikan akan terhenti. Tegangan permukaan γ diungkapkan sebagai.

γ = rhdg/2 …. (7.10)

h adalah tinggi kenaikan cairan, r radius kapiler dan g percepatan gravitasi. Jadi, tegangan permukaan dapat ditentukan dengan percobaan.

Latihan

7.1 Perbandingan titik didih

Susunlah senyawa-senyawa berikut dalam urutan titik didihnya: C₂H₆, NH₃, F₂

7.1 Jawab NH₃ > C₂H₆ > F₂

7.2 Diagram fasa

Gambar 7.8 adalah diagram fasa zat tertentu. Tunjukkan fasa zat yang ada di daerah A, B, C dan H dan fasa yang ada di titik D, E, F dan G dan tunjukkan titik mana yang menyatakan titik tripel, titik didih normal, titik beku normal, dan titik kritis.

Gambar 7.8 Diagram fasa suatu senyawa.

7.2 Jawab

A: padat, B: cair，C: uap (gas), D: padat + uap, E: padat+ cair +uap，F: cair + uap, G:cair + uap, H: uap; titik tripel: E; G: titik beku normal: titik pada kurva fasa cair-padat pada 1 atm, H: titik didih normal: titik pada garis cair-gas pada 1 atm.

7.3 Konsentrasi larutan

Kerapatan asam sulfat encer (persen massa 12,00%) adalah 1,078 g cm^-3 (25°C). Nyatakan kosentrasi larutan ini dalam molar, molal dan fraksi mol.

7.3 Jawab

Jumlah H₂SO₄ alam 100 g asam sulfat encer tersebut adalah 12,00/98,08 = 0,1223 mol，dan jumlah airnya adalah 88,00/18,0 = 4,889 mol.

Jadi fraksi mol H₂SO₄ adalah 0,1223/(4,889+0,122) = 0,0244.

Karena 88,00 g H₂O melarutkan 0,1223 mol H₂SO₄, jumlah mol H₂SO₄ yang larut dalam 1 kg H₂O, adalah 0,1223 mol x (1000 g kg^–1)/(88,00 g) = 1,390 mol kg^–1. Jadi konsentrasi asam sulfat encer tersebut 1,390 m.

Jumlah H₂SO₄ yang terlarut dalam 1 dm³ asam sulfat encer (molar) adalah 0,1223 mol x (1078 g dm^–3)/(100 g) = 1,318 mol dm^–3.

7.4 Hukum Raoult

Gliserin adalah cairan tidak mudah menguap. Larutan 164 g gliserin dan 338 cm³ H₂O (kerapatan 0,992 g cm³) disimpan pada 39,8°C. Pada suhu ini, tekanan uap air murni adalah 54,74 torr. Hitung tekanan uap larutan ini.

7.4 Jawab

Jumlah gliserin adalah 1,78 mol dan H₂O adalah 18,63 mol． p = 54,74 x (18,63/(18,63+1,78)) = 54,74 x 0,913 =50,00 (Torr)

7.5 Kenaikan titik didih

Bila 0,358 g sulfur dilarutkan dalam 21,5 g CS₂, titik didihnya naik sebesar 0,151 K. Sarankan struktur sulfur dalam larutan.

7.5 Jawab

Massa sulfur = (2,40 K kg mol^–1)(0,358/1000 kg)/(0,151 K)(21,5/1000 kg) = 0,264 kg mol^–1 ．

Karena 32 x 8 = 256 ≅ 264, sulfur terlarut sebagai S₈．

7.6 Tekanan osmosis

Tekanan osmosis larutan dalam air (100 cm³) yang mengandung 0,36 g polimer adalah 3,26 x 10² Pa pada 23°C.

(1) tentukan massa molekul polimer ini.
(2) apakah akan praktis menentukan massa molekul polimer ini dengan metoda penurunan titik beku atau kenaikan titik didih?

7.6 Jawab

(1)M =[(8,31 J mol^-1 K ^-1) x (296 K)x(3,6 kg m^-3)]/(3,26 x 10² Pa) = 2,7 kg mol^-1 = 2,7 x 10⁴ gmol^– ．M = 2,7 x 10⁴ ．

(2) kenaikan titik didih larutan yang sama akan sebesar 0,693 x 10^-4 K, dan penurunan titik bekunya adalah 2,48 x 10^–4 K. Perubahan temperatur yang sangat kecil ini sukar ditentukan dengan akurat. Kedua metoda ini tidak praktis untuk menentukan massa molekul polimer.

7.7 Tegangan permukaan

Manakah dari pasangan dua zat berikut yang memiliki tegangan permukaan lebih besar: C₆H₁₄ atau H₂O?

7.7 Jawab
H₂O. Tingginya tegangan permukaan air sudah sangat terkenal.

Selingan-Es dan tekanan

Gambar kanan di Gambar 7.5 adalah perluasan diagram fasa pada 0°C, 1 atm. Bila tekanan diberikan pada titik ini, keadaan es (atau salju) bergerak vertikal mencapai titik y. Di titik ini air ada dalam fasa cair. Keriangan ice-skating karena adanya kemiringan negatif pada garis fasa es-air. Tekanan yang dihasilkan oleh pisau sepatu peselancar akibat berat badannya akan melelehkan es dan menurunkan gaya gesek antara pisau dan es.

Ice Skating artistik Michelle Kwan http://www.webwinds.com/ skating/skating.htm

Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org