11

22

PHENOMENA PERMUKAAN

Kenapa insect atau peniti terapung diatas permukaan air, tidak tenggelam ?

Kenapa dalam kasus yang sama tetesan air dipermukaan kaca terkumpul dalam bentuk tetesan , sementara yang lainnya tersebar seperti lapisan film tipis.

33

Kenapa air bisa merembes naik dalam tabung kapiler yang tipis?

Kenapa kita bisa membuat gelembung dari air sabun?

Salah satu sifat permukaan yang akan kita tinjau : Tegangan Permukaan ( Surface Tension,( )γ

44

TEGANGAN PERMUKAAN Tegangan Permukaan : Banyaknya kerja yang

dibutuhkan untuk memperluas permukaan cairan sebesar satu satuan luas

Atau Tegangan Permukaan adalah : Gaya yang diberikan (F) dibagi dengan luas (W) dari permukaan membran , dibagi lagi dengan 2 karena ada dua permukaan yang terlibat

= erg cm-2 atau dyne cm-1 ==== cgs

= N m-1 ==== SI

W

F

2=γ

( )γ

( )γ( )γ

55

Tegangan permukaan terjadi karena adanya kecendrungan permukaan cairan untuk memperkecil luas permukaan secara spontan

Molekul yang berada dalam cairan akan mengalami gaya tarik menarik (gaya van Der Wall) yang sama besar kesegala arah

Molekul dipermukaan mengalami gaya resultan yang mengarah ke dalam cairan

Akibatnya molekul dipermukaan cendrung untuk meninggalkan permukaan dan masuk kedalam cairan sehingga permukaan cendrung menyusut

66

O O O O

OO

O O

Gambaran molekul yang berada di dalam

dan di permukaan cairan

77

Cara menentukan Tegangan Permukaan

Metoda kapiler (capillary rise)Metoda lempeng WilhelmyMetoda cincin Du Nouy Metoda tekanan gelembung maksimum

88

Metoda KapilerMetoda Kapiler

hh

0miniskus

Θ = Sudut kontak cairan dengan dinding kapilerr = jari-jari tabung kapilerh = tinggi cairan dalam tabung

kapiler

99

Gaya tegangan permukaan yang bekerja disekeliling tabung (ketika cairan bersentuhan dengan permukaan dinding tabung) adalah : F1 = (gaya keatas)

Gaya gravitasi adalah : F2 (gaya kebawah) dimana = volume kolom cairan

Pada keadaan setimbang : F1 = F2

θγπ cos2 r

ghr ρπ 2

ghrr ρπθγπ 2cos2 =

hr 2π

ρθγ

rgh

cos2=Sehingga :

1010

Contoh Soal Jari-jari tabung kapiler gelas 0,01 cm. Hitung tinggi

kenaikan air dalam tabung kapiler ini, bila diket :

= 72,75 dyne cm-1

g = 980,7 cm det-2

ρ = 1 gr cm-3

ρθγ

rgh

cos2=

oC

OH

25

2γ

1111

Jawab :

Sudut kontak air dan gelas <<<<< sehingga cos θ ≈ 1, maka :

h = 14,8 cm

( )( )( )( )32

1

.1det7,98001,0

.75,722−−

−

=cmgcmcm

cmdyneh

ρθγ

rgh

cos2=

1212

Metoda lempeng Wilhelmy Pada metoda ini digunakan lempeng mika tipis

atau kaca slide mikroskop, yang digantung pada neraca.

a. Detachment method b. Metoda stat ik

γ)(2det yxWW +=−

1313

Metoda Cincin Du Nouy Metoda ini dapat mengukur teg.permukaan cairan-

udara dan cairan-cairan

Gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat cincin dari perm.cairan adalah :

RF

πβγ 2.2=

Prinsip tensiometer Du nuoy adalah gaya Prinsip tensiometer Du nuoy adalah gaya yang diperlukan untuk melepaskan cincin yang diperlukan untuk melepaskan cincin platina/iridium sebanding dengan platina/iridium sebanding dengan tegangan permukaan.tegangan permukaan.

1414

Cara mengukurnya :Cara mengukurnya :1.1. Meja sampel digerakan ke bawah, cincin diambil dari Meja sampel digerakan ke bawah, cincin diambil dari

kaitnya.kaitnya.2.2. Cincin dibersihkan dengan dipanaskan pada nyala Cincin dibersihkan dengan dipanaskan pada nyala

api etanol sampai jadi merah.api etanol sampai jadi merah.3.3. Cincin didinginkan terus dipasang lagi ke kaitannya.Cincin didinginkan terus dipasang lagi ke kaitannya.4.4. Cawan petri diisi dengan sampel yang mau diuji Cawan petri diisi dengan sampel yang mau diuji

tegangan permukaannya. Lalu ditaruh di meja tegangan permukaannya. Lalu ditaruh di meja sampelsampel

5.5. Meja sampel digerakkan ke atas sampai cincin Meja sampel digerakkan ke atas sampai cincin tercelup kira-kira 2-3 mm di bawah permukaan tercelup kira-kira 2-3 mm di bawah permukaan cairan.cairan.

6.6. Meja sampel digerakkan ke bawah secara perlahan-Meja sampel digerakkan ke bawah secara perlahan-lahan sampai cincin menarik lamela ke luar lahan sampai cincin menarik lamela ke luar permukaan cairan. permukaan cairan.

1515

1616

Adsorpsi Bila pada permukaan antara dua fasa (misal fasa cair-gas

atau cair-cair) ditambahkan komponen ketiga, maka komponen ketiga tersebut akan teradsorpsi pada permukaan.

Komponen ketiga ini sangat mempengaruhi sifat permukaan, yang disebut : SURFACE ACTIVE AGENT (Surfactan)

Mis. n-pentanol yang dilarutkan dalam airPenambahan sabun/detergent

untuk menstabilkan emulsi air-minyak

1717

Surfaktan dapat dikelompokkan :

a.Larut dalam air, mis. alkohol dan asam lemak rantai pendek.

Molekul ini dalam air akan membentuk lapisan dengan ketebalan satu molekul : Lapisan mono molekuler.

Ketebalan atau konsentrasi komponen ketiga ini dapat dicari/ ditentukan

b.Tak larut dalam air, mis.pelarut organik petroleum eter atau asam stearat, yang disebarkan diatas permukaan air sehingga terbentuk lapisan mono molekuler

Adsorbsi

1818

Konsentrasi surfaktan yang terdapat pada permukaan (konsentrasi lapisan hasil adsorbsi) dapat ditentukan dengan pers. GIBBS :

Dimana :

= surface excess

C2 = konsentrasi surfaktan yang terdapat dalam larutan

R = konstanta gas

T = Temperatur absolut

TRC

dCd

.22

2

γ−=Γ2Γ

Adsorbsi

1919

Kecendrungan molekul surfaktan untuk berkumpul dipermukaan, menyebabkan turunnya tegangan permukaan. Hal ini terjadi karena surfaktan menghasilkan suatu EXPANDING PRESSURE ,

Atau tegangan permukaan yang melawan kecendrungan suatu permukaan untuk menyusut

Besarnya tegangan permukaan setelah penambahan surfaktan :

π

Adsorbsi

πγγ −= o

monolayer disebabkan yangpermukaan tegangan

monolayerrbentuk setelah tepermukaan tegangan

murnicairan permukaan tegangan

===

πγγo

2020

Kebenaran pers. GIBBS diuji oleh Mc Brain menggunakan MICROTONE, untuk mengikis suatu lapisan permukaan yang sangat tipis (0,1 mm).

Konsentrasi surfaktan yang dikikis dari permukaan dibandingkan dengan konsentrasi surfaktan dalam larutan

Contoh :

1. Dengan menggunakan microtone, suatu perm.larutan dengan luas 0,031m2, berhasil dikikis 2,30 gr larutan as.hidroksisinamat. Konsentrasi asam hasil kikisan 4,0130 gr/kg air, sedangkan konsentrasi larutan 4,000 gr/kg air pada 25 oC. Hitung konsentrasi yg terdapat pada permukaan, ,dengan metoda Langmuir (microtone)

Adsorbsi

2Γ

2121

Jawab : Perhitungan dari data microtone

- Kelebihan konsentrasi asam pada permukaan := ( 4,0130 – 4,000 ) = 0,0130 gr/kg

- Berat asam yang berhasil dikikis = (2,30 x 0,0130) / 1000

- Jumlah mol asam yang berhasil dikikis :[(2,30 x 0,0130) / 1000] x 1/150 mol = 1,992 . 10-7 mol

- Luas permukaan 0,031 m2, maka :

= (1,992 . 10-7 mol) / 0,031m2 = 6,43 . 10 -6 mol/m2

2Γ

Adsorbsi

2Γ

2222

2. Dari percobaan lain, untuk asam hidroksisinamat pada suhu 25oC diperoleh data sbb :

Hitung menggunakan pers. GIBBS Jawab:

Konsentrasi (gr/kg air) (dyne / cm)

3,50 56,0

4,00 54,0

4,50 52,0

( )γ

2Γ

262

172

2

.10.43,6

.1

4

298.10.134,8(

4

)(.

)(

)(

−−

−−

=Γ

−

−=Γ

−=Γ

mmol

cmmol

dC

d

RT

C γ

2323

Permukaan cairan-gas, cairan-Permukaan cairan-gas, cairan-cairan cairan

Tegangan permukaan yang bisa diukur, bukan hanya antara cairan dan gas, tapi juga tegangan permukaan antara permukaan dua cairan (sering disebut : tegangan antar muka)

Nilai tegangan permukaan dua cairan biasanya berada diantara nilai tegangan permukaan cairan-gas masing-masing cairan

Misal:

Cairan γ dengan udara γ dengan airAir 72,75 -

Benzen 28,88 35,0CCl4 26,80 45,1

2424

Permukaan Gas-Permukaan Gas-PadatanPadatan

Jika gas atau uap bersentuhan dengan permukaan padatan yang bersih, maka gas/uap akan teradsorpsi pada permukaan padatan tadi.

Permukaan padatan ===== AdsorbentGas/uap ===== Adsorbat

Adsorbent - sangat halus- sangat porous

Mis : arang aktif

2525

Gaya yang menyebabkan molekul gas terikat pada permukaan padatan, dapat berupa :

Gaya van Der Waals (adsorpsi fisika)-panas adsorpsi rendah (10.000 kal/mole)-kesetimbangan adsorpsi reversibel dan cepat

Misal; adsorpsi gas pada charcoal

Gaya kimiawi /chemisorption, (adsorpsi aktivasi)-panas adsorpsi tinggi (20.000–100.000 kal/mole) -adsorpsi terjadi pembentukan seny.kimia, ikatannya

lebih kuat.Misal: adsprpsi CO pada W ; H2 pada Ni

Pada keadaan setimbang, hubungan antara jumlah gas yang teradsorpsi dan tekanan gas pada suhu tertentu

ISOTERM ADSORBSI

Ada 5 bentuk adsorpsi isoterm:

2626

2727

/nk.p y 1=

Adsorpsi jenis I.Adsorpsi jenis I.Daya adsorpsi naik dgn cepat dgn bertambahnya tekanan. Daya adsorpsi naik dgn cepat dgn bertambahnya tekanan.

Menurut Freundlich, jumlah zat diserap per satuan Menurut Freundlich, jumlah zat diserap per satuan luas/berat adsorbens, dinyatakan dgn pers.Freundlich.luas/berat adsorbens, dinyatakan dgn pers.Freundlich.

a.) Persamaan a.) Persamaan Freundlich:Freundlich:

y=berat/vol gas diserap persatuan luas atau berat adsorbens.y=berat/vol gas diserap persatuan luas atau berat adsorbens.P=tekana kesetimbanganP=tekana kesetimbangank, n=tetapan, tergantung jenis adsorbens atau jenis gas dan temperatur.k, n=tetapan, tergantung jenis adsorbens atau jenis gas dan temperatur.

Rumus dapat ditulis:Rumus dapat ditulis: Log y = log k + 1/n log PLog y = log k + 1/n log P

Grafik log y terhadap log P berupa garis lurusGrafik log y terhadap log P berupa garis lurus

Persamaan yg lebih baik, didapatkan oleh IRVING Persamaan yg lebih baik, didapatkan oleh IRVING LANGMUIR LANGMUIR

b.) Isoterm Langmuir:

Didasarkan pada 2 anggapan :a. Lapisan molekul gas pada zat padat hanya 1 molekulb. Proses adsorpsi terjadi dari dua proses, yaitu kondensasi

dan desorpsi.

Grafik P/y terhadap P merupakan garis lurus

2828

Pa

b

ay

P)(

1 +=

Penurunan rumusnyaPenurunan rumusnya

Kecepatan kondensasi (1- ) P Kecepatan kondensasi (1- ) P

= k= k11 (1- ) P (1- ) PKecepatan desorpsi = kKecepatan desorpsi = k22..

=bagian ditutupi molekul =bagian ditutupi molekul (1- ) =bagian yg kosong(1- ) =bagian yg kosong

Pada kesetimbangan: kecepatan adsorpsi = kecepatan desorpsiPada kesetimbangan: kecepatan adsorpsi = kecepatan desorpsi

kk11 (1- ) P = k (1- ) P = k22..2929

KK11.P.P bPbP b =kb =k11/k/k22

= --------- = ------- = --------- = ------- KK22+k+k11PP 1+ bP1+ bP

y = jumlah gas diserap/unit area/unit massay = jumlah gas diserap/unit area/unit massa

K.bPK.bP aPaP a = k.ba = k.by= k =---------= -------y= k =---------= -------

1+ bP1+ bP 1+ bP1+ bP

3030

aPaP aa 11 bby = ---- + ----- 1/y = ----- + ----y = ---- + ----- 1/y = ----- + ----

11 bb apap aa

PP 11 bb--- = --- + ------ P--- = --- + ------ Pyy aa aa

3131

Adsorpsi Jenis II s/d VAdsorpsi Jenis II s/d V

Pada jenis II dan III dianggap terjadi lapisan multi molekuler. Brunauer, Emmett, dan Teller memberikan persamaan sbb:

c.) Isoterm BET (pengembangan pers. Langmuir):

V=volume gas diserap (0oC, 76 cmHg)P=tekananP=tekananPP00=tekanan uap jenuh gas diserap pada temperatur T=tekanan uap jenuh gas diserap pada temperatur TVVmm=volume gas diserap =volume gas diserap (0oC, 76 cmHg) bila lapisan 1 molekulC=tetapan

3232

00

11

P

P.

.Cv

)(C

.Cv-P)v(P

P

mm

−+=

C = e C = e (E(E11

–E –ELL

)/RT)/RT

EE11 = panas adsorpsi utk lapisan pertama = panas adsorpsi utk lapisan pertamaEELL = panas pencairan gas = panas pencairan gas

Jika EJika E1 1 > EEL L diperoleh jenis II, jika Ediperoleh jenis II, jika E1 1 < EEL L diperoleh jenis III diperoleh jenis III

Pada jenis IV dan V , selain terjadi lapisan multi Pada jenis IV dan V , selain terjadi lapisan multi molekuler, juga terjadi kondensasi gas pada pori-pori molekuler, juga terjadi kondensasi gas pada pori-pori adsorbens.adsorbens.

Jika EJika E1 1 > EEL L diperoleh jenis IV, dan jika Ediperoleh jenis IV, dan jika E1 1 < EEL L diperoleh diperoleh jenis V.jenis V.

3333

3434

Permukaan Padatan-CairanPermukaan Padatan-Cairan

= SUDUT KONTAK = Bila setitik cairan ditempatkan pada permukaan

padatan yang halus, maka cairan tetap berbentuk bola pipih dengan sudut kontak, θc tertentu, atau dapat tersebar pada permukaan membentuk lapisan cairan

Sudut kontak suatu cairan yang membasahi permukaan kering >>> dari permukaan basah

Misal : titik hujan yang jatuh pada kaca jendela yang kotor

Bahan dasar pembuat payung, θc dg air >>>

3535