aspek listrik pada permukaan

8/18/2019 Aspek Listrik Pada Permukaan

1/25

ASPEK LISTRIK KIMIA

PERMUKAAN

1. Konsekuensi adanya muatan listrik pada permukaan yangmelibatkan suatu larutan elektrolit

2. Adanya potensial yang terjadi pada daerah antarfase


2/25

Lapisan Rangkap Listrik

Adanya suatu medan listrik menyebabkan distribusi ion-ion dalam suatu larutan. Diambil

contoh permukaan datar dengan densitas muatan yang merata di seluruh permukaan karena

kontak dengan sebuah larutan elektrolit (mengandung ion positif dan negatif.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

+-

-

-

+

-

-

-

+

+

+

+

-

-

+

-

-

-

+

-

+-

Potensial listrik pada permukaan dinyatakan dengan ψ o dan

potensial ini menurun seiring dengan jarak dari permukaan.

Pada setiap titik dari permukaan besarnya ψ menentukan energi potensial ( zeψ ) dari ion di dalam medan listrik dimana z !alensi ion dan e muatan elektron. "emungkinan menemukan sebuah ion pada titik tertentu akan

sebanding dengan faktor #olt$mann e-$eψ %k& . 'al analog dengan

suatu gas dalam pengaruh medan gra!itasi dimana energi

potensial mgh. ehingga konsentrasi ion terhadap jarak adalah

Dimana no konsentrasi ion pada altitute nol

*ntuk suatu larutan elektrolit yang mengandung ion positif dan ion negatif


3/25

Ada beberapa kondisi yang harus dipertimbangkan pada kasus gra!itasi

+. ,uatan positif akan ditolak dari permukaan sementara muatran negatif akan ditarik.

. ecara keseluruhan sistem harus bermuatan listrik netral sehingga pada jarak yang jauh

dari permukaan n n- . Namun pada daerah yang dekat dengan permukaan akan adakelebihan muatan negatif sehingga muatan netto menjadi negatif. &otal muatan netto

dalam larutan akan diseimbangkan dengan muatan positip netto pada permukaan.

/. Potensial lokal akan dipengaruhi oleh densitas muatan lokal.

Densitas muatan netto (0) pada setiap titik dari permukaan dinyatakan dengan

1ntegral dari 0 terhadap 2 akan menghasilkan kelebihan muatan total di dalam larutan

per unit area yang nilainya sama dengan densitas muatan permukaan (3) tetapi dengantanda yang berla4anan.

"esimpulan terdapat lapisan rangkan dari muatan5 dimana satu lapisan terlokalisasi pada

permukaan dan lapisan lain berada pada daerah difusi sampai pada larutan

(+)


4/25


5/25

=ika diasumsikan bah4a $eψ terlalu kecil dibandingkan k& maka

=ika melibatkan ion-ion yang berbagai muatan

Penyelesaian dari persamaan (/) untuk ion ke-j adalah

(/)

Dari penyelesaian ini terlihat bah4a nilai potensial akan semakin berkurang dengan jarak

dari permukaan. "uantitas sekarang diasosiasikan dengan ukuran atmosfir ion disekitar

ion dan +% umumnya disebut sebagai jari-jari atmosfir ion.


6/25

Perlakukan terhadap kasus sebuah permukaan datar bermuatan dan menghasilkan lapisan

rangkap difusi (7ouy and 8hapmann). ,aka ∇ψ dapat digantikan dengan dψ %d6 sehinggadiperoleh

Dari (+) dan () diperoleh

,enggunakan batas y > dan dy%d6 > untuk 6 25 maka integrasi pertama diperoleh

dan jika menggukan batas y yo pada 6 > maka diperoleh

(?)

(@)


7/25

*ntuk kasus yo + (bagi ion-ion bermuatan + pada suhu kamar5 ψ o @ m:)5 maka (@)

menjadi

(B)

Pada jarak 6 +%κ diambil sebagai ketebalan efektif dari lapisan rangkap difusi.

*ntuk yo CCC + dan 6 CCC +%κ 5 persamaan (@) menjadi

()

yang berarti bah4a potensial pada jarak yang jauh dari permukaan akan mengikuti persamaan

(B) sementara pada permukaan ψ o bernilai ?k&%$e yang tidak tergantung pada nilai aktual.

*ntuk ion-ion mono!alensi pada suhu kamar ψ o +>> m:.


8/25

*ntuk harga yo yang kecil maka


9/25


10/25


11/25


12/25

=ika ketebalan lapiasan compact adalah δ dimana dψ %d6 dinyatakan dengan (ψ o - ψ δ)%δ maka

"apasitas dari lapisan compact5 D’/4πδ dapat diperkirakan dari elektrokapilaritas.

&otal densitas muatan permukaan σ merupakan jumlah dari σs dan σd5 dan total kapasitas

listrik menjadi

Pada larutan yang pekat5 d menjadi besar sehingga = s


13/25

Perlakuan Lebih Lanjut Lapisan tern tentang Lapisan Difusi

,isalkan sebuah sol Ag1 dalam kesetimbangan dengan larutan jenuhnya. "onsentrasi

Ag dan 1- di dalam larutan adalah sama 4alaupun partikel sol sendiri bermuatan negatif

karena lebih banyak mengadsorpsi ion 1-.

AgII-I

-

I-I-

I- I-

I-

Ag+ Ag+

Ag+ Ag+

Ag+ Ag+

=ika konsentrasi Ag dinaikkan +> kali (misalnya dengan

menambahkan AgE;/)5 potensial termodinamika dari Ag

meningkat sebesar

Fang dinyatakan dengan potensial sebesar @ m: pada @o8.

Akibatnya beberapa ion Ag teradsorpsi pada permukaan dari

Ag1 dan berbaur dengan ion Ag yang sudah ada di permukaan.

Potensial kimia dari ion Ag secara nyata tidak berubah. Dilain pihak5 potensial total dari Ag

harus sama dengan di kedua fase dan ini hanya benar apabila potensial permukaan meningkat

menjadi sebesar @ m:. "arena konsentrasi Ag di dalam larutan dapat dengan mudah diubah

dengan kelipatan +>5 maka ψ o dapat diubah sebesar ratusan m:. ehingga Ag disebut sebagai

ion penentu potensial. Pengukuran e!ectromoti"e #orce (emf) dari sebuah sel yang mempunyai

elektroda Ag < Ag1 memungkinkan untuk mengukur konsentrasi Ag sebelum dan sesudah

penambahan AgE;/. ehingga jumlah yang teradsorpsi dan muatan permukaan5 maupun

perubahan potensial permukaan dapat ditentukan.


14/25

*ntuk kasus oksida5 protein dan material biologis5 ' sering menjadi ion penentu

potensial kerena ketergantungan dari derajat dissosiasi asam atau basa terhadap p'.

#erikutnya5 mungkin ada sebuah lapisan yang terikat secara kimia5 ion-ion terdesol!asi

seperti ' atau ;'- pada permukaan oksida (atau 8l- pada Au). =ika lapisan seperti itu

ada5 ψ o akan dipengaruhi oleh lapisan tersebut beserta sebuah densitas muatan permukaan 3>. Lapisan berikutnya merupakan lapisan tern yang terikat secara ketat

tetapi lebih atau kurang merupakan ion-ion tersol!asi pada potensial GH dengan densitas

muatan permukaan netto 3H.

Potensial pada lapisan

Shear ini dikenal

sebagai potensial I(Jeta) dan merupakan

potensial yang terlibat

dalam fenomena

elektrokinetik.


15/25

&olakan antara Lapisan Rangkap Listrik Datar

Langmuir (+K/)5 gaya total yang bekerja dapat

dipandang sebagai jumlah dari sebuah gaya

tekanan osmosis (karena konsentrasi ion berbeda pada daerah badan medium dengan yang di

daerah medan listrik. &otal gaya harus konstan

diseluruh 4ilayah yang berada di antara kedua

bidang datar. "arena dψ %d6 > pada titik tengah5total gaya diberikan oleh tekanan osmosis netto

pada titik tengah ini.

=ika larutan cukup encer5 maka

Dimana ψ , merupakan potensial pada daerah titik tengah (pertemuan). Apabila nilai ψ

cukup besar maka

()

1ntegrasi persamaan (?) dengan kombinasi dari pers () memberikan


16/25

*ntuk air pada >o85

Mnergi potensial di antara kedua bidang datar adalah

Perlakuan di atas hanya berlaku untuk kasus ψ , yang besar dan κ d lebih besar dari /. *ntuk

kasus dimana permukaan datar berada pada jarak yang lumayan jauh5 dimana ψ , kecil dan

interaksinya lemah5 maka "ruyt memberikan persamaan

dimana

ζ


17/25

Potensial Jeta (-ζ)

Ada sejumlah fenomena elektrokinetik yang mempunyai kesamaan berupa pergerakan relatif

antara permukaan yang bermuatan dengan badan larutan. ebuah permukaan yang bermuatan

akan memberikan gaya di dalam medan listrik dan sebaliknya sebuah medan listrik akan

dihasilkan dari pergerakan relatif dari permukaan yang bermuatan.

Potensial $eta (-ζ) dapat dipandang sebagai perbedaan potensial di antara suatu titik terhadap permukaan dengan sebuah titik pada 4ilayah shear$

Mlektroforesis Perbedaan potensial di dalam sebuah larutan yang mengandung partikel bermuatan menyebabkan partikel tersebut bergerak sehingga dapat

ditentukan kecepatan pergerakannya. =ika partikel berupa molekul ion yang

kecil5 fenomena ini disebut konduktansi ionik dan molekul cukup besar

seperti protein atau partikel koloid5 maka disebuk elektroforesis.

*ntuk ion-ion5 kecepatan gerak ini adalah " = ze ω % dimana N adalah medan listrik yangdikenakan (!olts%cm atau esu%cm) dan ω adalah mobilitas intrinsik (untuk 'ukum tokes bagi sebuah sphere adalah +%Bπηr. =ika N diberikan sebesar nilai yang biasa5 maka

Dimana u adalah mobilitas elektrokimia.


18/25

"onduktansi eki!alen (kecepatan per unit gradien potensial di dalam larutan) adalah

Dimana F adalah bilangan Naraday.

Pada kasus partikel bermuatan5 total muatan tidak diketahui5 tetapi jika lapisan rangkap

difusi sampai lapisan shear dapat di anggap se&agai se&uah #!at para!e!' maka

Dimana τ ada!ah kete&a!an e#ekti# !apisan rangkap dari !apisan !uar shear ' &iasanyadiam&i! se&agai / κ $ aya yang ditim&u!kan pada permukaan per cm* ada!ah σ % danni!ai ini diim&angi o!eh tahanan "iskositas η "/ τ dimana η ada!ah "iskositas !arutan$

Sehingga+


19/25


20/25

Mlektroosmosis "etika suatu medan listrik dikenakan5 permukaan atau partikel

bermuatan akan bergerak relatif terhadap pelarut. Eamun =ika

permukaannya tiradak dapat bergerak (fi6ed) lapisan difusi akan

bergerak memba4a larutan bersamanya.

*ntuk air pada @o85 medan sebesar +@>> :%cm diperlukan untuk

menghasilkan pergerakan sebesar + cm%det jika ζ sebesar +>> m:.

;leh molucho4ski !olume aliran (, 5 cm/%det) untuk sebuah tabung berjari-jari r dengan

menggunakan kecepatan linier " terhadap badan cairan dalam tabung5

, = π r *" atau


21/25

&ekanan P dihubungkan dengan counter#!o- oleh persamaan Poiseuille

Dimana ! adalah panjang tabung. Dengan menggunakan keadaan steady-state maka

Dengan . = %! atau total potensial yang dikenakan.


22/25

Potesial, Muatan Permukaan, dan Stabilitas Suspensi Koloid

apisan Stern dan lapiasa rangkap listrik mempunyai peranan yang sangat penting

dalam mempengaruhi stabilitas suspensi koloid. Penelitian-peneltian terhadap

suspensi telah memberikan banyak informasi mengenai keberadaan lapisan listrik

pada antarmuka. Khususnya! sol liofobik umumnya distabilkan oleh adanya muatanpermukaan ini. "ntuk menjadikannya terflokulasi! kedua partikel harus berada

#ukup dekat sehingga sangat dipengaruhi oleh lapisar rangkap listrik dari kedua

partikel.

I-potensial dari Ag1 dapat di!ariasikan pada daerah O @ m: dengan cara mem!ariasikan

konsentrasi Ag atau 1- (ion-penentu potensial). ehingga dalam titrasi 1- dengan AgE;/

selalu diamati bah4a koagulasi terjadi segera setelah kelebihan sedikit Ag . (aatdimana point o# zero charge dile4ati).


23/25

Mlektrolit umumnya mempunyai efek flokulasi terhadap sol liofobik dan nilai flokulasi

dapat dinyatakan sebagai konsentrasi (misalnya mmol%L) yang diperlukan untuk

mengkoagulasi sol dalam 4aktu tertentu. ,uatan dari ion sangat mempengaruhi

kemampuan ion tersebut untuk mengkoagulasi (Aturan Schu!ze0ardy).

,ono!alensi +> 6Di!alensi +>> 6


24/25

1soelectric point (iep) pada !apisan

Shear+ p0 dimana ni!ai potensia! 1

se&esar no!$


25/25

2oint o# zero sur#ace charge (pzc)

aspek listrik pada permukaan

Documents