fenomena permukaan

77

Click here to load reader

Upload: bangkit99

Post on 18-Dec-2015

444 views

Category:

Documents


219 download

DESCRIPTION

farfis

TRANSCRIPT

FENOMENA PERMUKAAN

FENOMENA PERMUKAANPhysical pharmacy teamManfaat Fenomena PermukaanFenomena permukaan sangat mempengaruhi :Penetrasi obat melalui membran biologisDalam pembuatan sediaan farmasi dengan sistem dispersi (suspensi, emulsi, koloid) dan stabilisasinya

Jenis Antar Permukaan

Istilah permukaan digunakan pada : padat gas atau cairan gas untuk fase lainnya sering disebut fenomena antar permukaan3GASCAIRGASPADATCAIRCAIRPADATCAIRPADAT

PADATPERMUKAAN(Surface)ANTARMUKA(Interface)

Molekul-molekul di permukaan mengalami gaya tarik antar mole-kular di sekitarnya baik dengan sesama molekul (kohesif) mau-pun dengan molekul-molekul lain di atasnya (adhesif)Molekul-molekul di bagian bawah mengalami gaya tarik dengan kekuatan yang sama ke segala arah oleh sesama molekulFenomena PermukaanTegangan PermukaanTegangan permukaan () dapat di-gambarkan seperti seseorang yang mengangkat beban dari samping lembah menggunakan tali dengan menariknya secara horisontal.

Sehingga didefinisikan sebagai :Gaya per satuan panjang yang bekerja sejajar dengan permukaan untuk mengimbangi gaya kohesi dari molekul dalam cairan terhadap molekul di permukaan cairan.

= f . L

Persamaan Tegangan PermukaanKerja yang dibutuhkan hingga film hilang pada jarak ds :W = f x ds dan f = x 2LW = x 2L x dsW= dA = W/ A

dengan kata lain, adalah energi yang dibutuhkan untuk meningkat-kan luas permukaan pada satu unitGaya : mg [N, Newton] Gaya: 2Lg g units: [N/m]L

dsSecara termodinamika pun dinyatakan :

7Contoh Soal :Jika panjang kawat L 5 cm dan massa yang diperlukan untuk memecahkan film sabun 0,50 g. Hitung tegangan permukaan larutan sabun. Gravitasi : 981 cm/sek2

Hitung usaha (kerja,work) untuk menarik kawat 1 cm ke bawah.

Persamaan Young & LaplacePersamaan Young & Laplace diturunkan dari lengkungan di pipa kapiler. Bila permukaan dipindah dari kiri ke kanan maka :A = (x + dx)(y + dy) - xy = x dy + y dxDan energi yang dibutuhkan untuk menambah luas permukaan :

Bersamaan dengan penambahan luas permukaan, terdapat perbedaan tekanan pada xy disepanjang jarak dz, maka : W = P xy dz

Dari gambar segitiga diperoleh :Persamaan Young & Laplace

dan

Bila permukaan dalam kesetimbangan maka kedua persamaan bernilai sama, sehingga diperoleh :

Non spherisSphericalContoh Tegangan permukaan Zat dan Tegangan antarmuka Zat terhadap Air

Pengukuran Tegangan PermukaanBeberapa metode yang sering digunakan :Metode kenaikan kapilerMetode berat tetesanMetode cincin Du NouyMetode lempeng WilhelmyMetode Kenaikan KapilerKenaikan cairan pada dinding kapiler berhenti saat kesetimbangan tercapai.Gaya keatas :Gaya kebawah :

Pada puncak, dimana tercapai kesetimbangan :=

maka persamaan menjadi :

Fkoh < FadhFkoh > Fadh

Kloroform dalam kapiler berjari-jari dalam 0,01 cm naik sampai 3,67 cm. Kerapatan kloroform 1,476 g/cm3. Hitung tegangan permukaan kloroform, jika g=981 cm/sek2

Contoh Soal :Metode Berat Tetesan

W = 2 p r gW = berat droplet r = jari-jari dropletf = r / V g = tegangan permukaanPengerjaan :Total jumlah tetesan yang jatuh dihitung dan ditimbang beratnya Hukum Tates :Harkins & Brown :

Metode cincin Du Nouy

wttotal = berat total , wtcincin = berat cincinR = jari-jari cincin , g = tegangan permukaan

Harkins & Jordan : terdapat kesalahan hampir sebesar 25 %

Metode Lempeng Wilhelmy

g = tegangan permukaanq = sudut kontakwttotal = berat total wtplate = berat lempengb = gaya apungl = panjang lempeng

Normal platinum biasa digunakan agar 0 dan lempeng saat menyentuh cairan memiliki gaya apung yang sangat kecil18Persamaan Etvs :

Pengaruh Suhu pada Tegangan Permukaan

V : volume molarK : konstanta yang besarnya hampir sama untuk semua cairan, yaitu = 2,1 ergs/KTc : Temperatur kritik

Jadi V = energi bebas permukaan per mol

Kenaikan T menurunkan Koefisien SebarBilamana suatu cairan immiscible (misalkan asam oleat) disebarkan pada permukaan air, maka akan terbentuk sebaran dan lapisan (film) jika gaya adhesi antara kedua cairan > gaya kohesi pada cairan immiscible tersebut.Asumsi pada tabung dengan luas area sekitar 1 cm2 :cairan immiscible : Lair : SKerja adhesi : energi yang dibutuhkanuntuk memisahkan molekul berbeda

Wa= L + S LS Wa = x AKerja kohesi : energi yang dibutuhkanuntuk memisahkan molekul sejenis daricairan immiscible. Wk = 2 L

Koefisien Sebar (S) :S = Wa Wk = L + S LS 2 L S = S (L + LS)Bila nilai S = : cairan immiscible akan membentuk globul atau mengapung dalam air, gagal menyebar di permukaan+ : cairan immiscible akan menyebar di permukaanKoefisien Sebar

21Hubungan antara struktur & koefisien sebar Cairan immiscible dapat menyebar umumnya karena memiliki gugusan polar seperti COOH atau OH.

Bila rantai karbon meningkat, maka kepolaran menurun demikian pula dengan koefisien sebar semakin menurun.

Kebanyakan senyawa non polar gagal menyebar di permuka-an air, kecuali benzen karena fkoh < fadh

23Tegangan permukaan air S =72,8 dyne/cm pada suhu kamar, tegangan prmukaan benzena L =28,9, dan tegangan antarmuka antara benzena dan air LS =35,0. Berapakah koefisien sebar awal (initial)? Setelah terjadi kesetimbangan, S =62,2 dyne/cm dan L= 28,8. Berapakah koefisien sebar akhir?S = S (L + LS)

S = 72,8 (28,9 + 35,0) = 8,9 dyne/cm (atau 8,9 erg/cm2)Setelah kesetimbangan,S = 62,2 (28,8 + 35,0) = -1,6 dyne/cm

Pembasahan (Wetting)LVSVSolida, SLiquida, LUap (Vapour), VSLSudut kontak, (menunjukkan derajat pembasahan)SolidaLiquidUapLVSVSLPersamaan Young:

Koefisien Sebar:Usaha (kerja) adhesi:

Contoh Soal :Tegangan permukaan air pada 200C adalah 72,8 dyne/cm. Tegangan permukaan laktosa adalah 71,6 dyne/cm. Tegangan antarmuka air dan laktosa adalah 8,55 dyne/cm. Berapa sudut kontak antara laktosa dan air?

Contoh Soal :Esezobo et al. : (tablet binder) (wettability) tablet asetaminofen sudut kontak air pada tablet, tegangan permukaan cairan, dan waktu hancur tablet.Pengikat (Nm-1)Cos t (menit)Povidon71,230,745517,0Gelatin71,230,723023,5Tapioka71,230,75702,0Koefisien sebar, S; dan usaha (kerja) adhesi, WSL. ?Koefisien sebar S = (cos - 1)PVPS = 71,23 (0,7455 1) = -18,13GelatinS = 71,23 (0,7230 1) = -19,73TapiokaS = 71,23 (0,7570 1) = -17,33Usaha adhesiWSL.= (1 + cos )PVPWSL.= 71,23 (1 + 0,7455) =124,23 Nm-1GelatinWSL.= 71,23 (1 + 0,7230) =122,73 Nm-1TapiokaWSL.= 71,23 (1 + 0,7570) =125,33 Nm-1Harga negatif S yang paling kecil: tapioka, PVP, dan gelatin, sesuai dengan harga usaha adhesi yaitu tapioka>PVP>gelatin. Lebih besar harga usaha adhesi menunjukkan zat tersebut lebih kuat daya ikatnya antara air dengan permukaan tablet dan lebih baik pembasahannya.Pembasahan lebih baik waktu hancur lebih pendekJawabPengukuran kesetimbangan film

Pengukuran kesetimbangan film

Perubahan fase yang terjadi bila suatu film cair disebarkan pada antarmuka dan dikempa (compress). G, gas dua dimensi; L1 - G, fase cair yang berkesetimbangan dengan gas dua dimensi; L1 cairan encer atau wujud cairan curah dua dimensi; I, wujud antara; L2 , wujud cairan pekat; S, wujud padat dua dimensi. Bilamana dikempa dengan gaya yang lebih besar dari yang diperlukan untuk membentuk suatu permukaan padat maka film akan ambruk.Pengukuran Sudut KontakDynamic contact angle analysis

F = tekananL = panjangT = Tebal = Tegangan permukaanPengukuran Sudut KontakDynamic contact angle analysis

Changes in the contact angle of amylobarbitone with the pressure used to form the compact (from Buckton et al. Powder Technology 1986; 46: 201-208, with permission from Elsevier Science).Pengukuran Sudut KontakWashburn method

Where L is the length penetrated in time t, r is the radius of the capillaries, is the liquid viscosity and and are the surface tension and the contact angle of the liquid,

Sudut kontak beberapa bahan farmasiBahan Aktif Permukaan (SURFAKTAN)Bahan aktif permukaan yang bila dilarutkan dalam pelarut akan terkonsentrasi pada permukaan

Hydrophilic ( lyophobic, water-loving) head containing a charged functional group Hydrophobic ( lyophilic, water-fearing ) tail containing a hydrocarbon chain

Penjerapan molekul asam lemak (a) pada antarmuka udara-air; (b) pada antarmuka minyak-air(a)(b)

Bahan Aktif Permukaan (SURFAKTAN)Klasifikasi SurfaktanAnionic

Cationic

Zwitterionic

Nonionic

Sodium dodecylsulfate (SDS)Cetylpyridinium bromide

Dipalmitoylphosphatidylcholine (lecithin)

Polyoxyethylene(4) lauryl ether (Brij 30)

SoapAccording to their pharmaceutical use, surfactants can be divided into the following groups: Wetting agents Solubilizing agents Emulsifying agents Dispersing, Suspending and Defloculating agents Foaming and antifoaming agents Detergents

Kontribusi gugus fungsi memberikan HLBHARGA HLB SURFAKTANHARGA HLB BUTUH BAHAN

Emulgator: kombinasi Tween 80 (HLB=15,0) dengan Span 80 (HLB=4,3). Hitunglah berapa surfaktan yang diperlukan.

Bobot total fase minyak = 50 g, maka:Malam15/50 X 9 = 2,700Lemak bulu domba10/50 X 12 = 2,40Parafin20/50 X 10 = 4,00Setilalkohol5/50 X 15 = 1,50 HLBB total untuk emulsi =10,60

Contoh SoalTw 80 = 0,59 X 2 = 1,18 gSp 80 = 2 - 1,18 = 0,82 g

Cara aligasi:Tween 80 (HLB 15,0)10,6Banyaknya Tw 80 = 6,3/10,7 X 2 g = 1,18 gBanyaknya Sp 80 = 4,4/10,7 X 2 g = 0,82 g15,06,3Span 80 (HLB 4,3)4,34,410,742MENENTUKAN JUMLAH MINIMUM CAMPURAN SURFAKTAN OLEH BONADEO:

Qs : jumlah surfaktan minimum, S: kerapatan campuran surfaktan; : kerapatan fase terdispersi (internal); Q : persen dispersan (fase kontinu); HLBB: HLB Butuh.Akan dibuat produk emulsi A/M mengandung 40 g campuran minyak 70% parafin dan 30% beeswax. Kerapatan fase minyak= 0,85 g/cm3 dan kerapatan fase air = 1 g/cm3. Kerapatan campuran surfaktan = 0,87 g/cm3. HLBB parafin=4; HLBB beeswax=5. Surfaktan yang digunakan campuran sorbitan tristearat (HLB=2,1) dan dietilenglikol monostearat (HLB= 4,7)HLBB = (4X0,70) + (5 X 0,30) = 4,3

Sorbitan tristearat=0,82-0,697= 0,123 gMISELJika konsentrasi surfaktan cukup tinggi, maka surfaktan akan berkumpul membentuk agregat di dalam larutan micelles.Typically spheroidal particles of 2.5-6 nm diameter.McBainLamellarMicelleHydrocarbon LayerWater LayerWater LayerHartleySpherical Micelle++++++++----------------

Bentuk Kumpulan Surfaktan4 nmUnimers (monomers)Normal micellessphericalcylindricalBilayer lamellaReverse micellesInverted hexagonal phaseKonsentrasi Misel Kritis (Critical Miccele Concentration)0246810121401Surfactant concentrationCMCg CMCBelow CMC only unimers are presentAbove CMC there are micelles in equilibrium with unimers Onset of micellization observed by sudden change in measured properties of solution at characteristic surfactant concentration critical micelle concentration (CMC).

( From: Klimpel, Intro to ChemicalsUsed in Particle Systems, p. 29, 1997, Fig 20 )Pengaruh KMK pada larutanBusa (Foam)Gas yang terdispersi dalam cairan yang membentuk lapisan atau lamellae berdimensi koloidal dengan bentuk gelembungFaktor yang mempengaruhi stabilitas busa :Kemampuan lapisan cairan bertahan dari pengeringanKemampuan lapisan cairan bertahan dari gangguan mekanis, panas atau difusi gasAntifoam agentFoam breakers, such as ether and n-octanol.Foam inhibitors, such as polyamides and silicones.Surface ExcessMassa partikel yang berkumpul di permukaan memberikan pengaruh (excess) pada antar permukaan, sejauhmana pengaruhnya diten-tukan dengan persamaan surface excess ( G ):

Cinitial = konsentrasi awal adsorbatCafter adsorption= konsentrasi adsorbat setelah adsorpsi Volume = volume larutan adorbatSurface area= luas area adsorbat Hubungan G dan mi = the molar free energy of solute i. Ci = the bulk concentration of this soluteDidefinikan pada persamaan Gibbs :

results in increases in G results in decrease in GPersamaan Penjerapan (adsorpsi) Gibbs :Soluble Monolayer (Lapisan Tunggal Terlarut)Saat surfaktan dilarutkan dalam air, maka terbentuk lapisan tipis yang teradsorp (terjerap ) di permukaan. Sehingga surface excess yang dihasilkan oleh surfaktan :

: konsentrasi permukaan atau permukaan berlebih; c : konsentrasi amfifil dalam bulk cairan; R: konstanta gas; T: suhu absolut; d/dc : perubahan tegangan permukaan karena perubahan konsentrasi bulk zat.

Dimana c = konsentrasi diganti dengan a2 = aktivitas surfaktanContoh Soal :Diketahui dari grafik slope = - 5,2937 dyne/cm untuk surfaktan non ionik C12H25O(CH2CH2O)12H2 pada suhu 23oC .Hitung 2 dan area per molekul dari surfaktan ini !Jawab2 = (- 5,2937) = 2,15 x 1010 mol/cm2 Area/molekul = = 7,72 x 1015 cm2/molekul = 77 2/molekulInsoluble Monolayer (Lapisan Tunggal Tak Terlarut)Dimana :M : Berat molekul cairan yang tersebarS : luas area permukaan yang ditutupi cairan tersebarV : Volume cairan yang tersebar : densitas cairan yang tersebarN : Bilangan Avogadro SIFAT ELEKTRIK DI PERMUKAAN

The electric double layer, (a) Schematic representation; (b) changes in potential with distance from particle surface.

SIFAT ELEKTRIK DI PERMUKAANTerdapat 2 fase lapisan :Lapisan adsorpsi ion yang terikatLapisan diffuse ion, ion terdistribusiThe electrical double layer

Distribution of chargesat the surface of a negativelycharged solid.SIFAT ELEKTRIK DI PERMUKAANTerdapat 2 jenis potensial :Potensial elektrodinamik (Nernst) berlangsung diatas permukaan / surface potentialPotensial elektrokinetik Stern potential : berlangsung di stern planeZeta potential (): berlangsung di shear plane

The electrical double layerSurface ions = - ve ionsInner region n+ >>> n-Diffuse region n+ > n-continues to the distance where there is n+ = n-Surface potential = = Stern potential at the surface of the particleShear plane potential = = zeta potential at the boundary of the inner region or shear plane thickness of the electrical double layer = the DebyeHckel length = 1/ = the distance from the stern plane (i.e. mid inner region) to electrically neutral regionAn approximate equation for the repulsive interactions for small surface potentials and low values of is :

Where 0 is the permittivity of a vacuum, is the dielectric constant (or relative permittivity) of the dispersion medium and is the Stern poten-tial, which can be approximated to the zeta potential () measured by microelectrophoresis.

Pengaruh pH terhadap Zeta potensialLow pH: not enough OH- so there is an excess positive charge.There is a point at which there are enough OH- and H+ ions to completely balance out the surface chargeHigh pH: not enough H+ so there is an excess negative charge.

Pengaruh pH terhadap Zeta potensial

Electrophoresis a suspended, charged particle moves as a result of an applied electrical field

Sedimentation potential an electrical potential created by the movement of charged particles through a liquid by gravity

Electrosmosis a liquid flows along a charged surface when an electric field is applied parallel to the surface

Streaming potential an electric potential created when a liquid is forced to move along a charged surfaceFenomena ElektrokinetikADSORPSI (Penjerapan)gassolidAdsorption of gas moleculesAdsorbed molecules Adsorbate: the material being adsorbed. Adsorbent: the material doing the adsorbing. Physical vs Chemical Adsorption

Physisorption :no activation barrier, fast, reversible, surface symmetry insensitive, multilayer formation possible, Tsurface < TcondensationChemisorption :activation barrier possible (b), variable uptake kinetics, covalent / ionic / metallic bonding, often irreversible, surface symmetry specific, limited to monolayer, wide range of TsurfacesorptionphysisorptionchemisorptioninteractionVan der Waals force, hydrogen bondChemical bondThermal effectCondensation heat < 40 kJ mol-1Chemical reaction heat > 80 kJ mol-1temperatureAround b.p.Relative higherAdsorbed layermultilayermonolayerreversibilityReversible. equilibrium established rapidly.Less reversibleselectivitypoorgoodPhysical vs Chemical AdsorptionAdsoption Condition

isobarAs temperature increases, adsorption decrease.

isochore Adsorption heat can be determined from isochore on the base of Clausius-Clappeyron equation equation.

Adsorption increases with increase of pressure under low pressure. While at high pressure, adsorption attains maximum value.isotherm an expression that gives the fraction of a surface that is covered by adsorbed molecules in equilibrium at constant temperature as a function of pressure or concentration.adsorption isotherm:Adsoption ConditionPENJERAPAN PADA ANTARMUKA ZAT PADATANTARMUKA GAS-ZAT PADAT (Isotherm)

Isoterm Freundlich

Isoterm Langmuir

Persamaan BET

Persamaan Langmuir:

c: konsentrasi kesetimbangan (mg) alkaloidal per 100 ml larutan; y : jumlah basa alkaloid x (mg) yang terjerap per m g lempung; b dan ym : tetapan

Contoh Soal :Diperoleh data dari adsorpsi solidsolid cephalexin monohydrate dengan sorbitol sebagai berikut :c (% w/w) 510 15 20c/y (% w/w) 54,8584,5114,15 143,8Hitung b dan ymTRIBOLOGIAsal kata dari Yunani :Tribo = menggosok Logi = Logos = Ilmu tentang .. Atau pengetahuan tentang..

Pembahasan dalam tribologi adalah fenomena antar muka dari padatan yang menimbulkan penghilangan bagian (wear) pada saat gesekan (friction, abrasion, erosion, corrosion). Penghila-ngan bagian antar muka ini dapat dikurangi bahkan dihilangkan dengan penambahan pelincir (lubricant)

Kenapa mempelajari Tribologi ?Membantu untuk mengurangi akibat gesekan dan penghilangan bagianMemperoleh pelincir yang sesuai Meningkatkan efisiensi mesin atau produk.

FRIKSI dan LUBRIKASIF = A {Sm + (1 - ) Si } Dimana :F : Kekuatan friksi A : Luas permukaan padatan yg bergesekan: Rasio kontak antar muka padatanSm : shear strength ikatan permukaan padatanSi : shear strength dari lapisan lubrikanBila Si