JAWABAN PEMICU ’KESETIMBANGAN FASA’

1. Jelaskan pengertian dari variabel-variabel yang ada dalam hukum fasa Gibbs

tersebut. Berdasarkan hukum fasa Gibbs, tentukan jumlah derajat kebebasan

sistem di bawah ini:

Fasa (Phase) yaitu bagian sistem yang seragam atau homogen diantara keadaan

submakroskopinya, tetapi benar-benar terpisah dari bagian sistem yang lain oleh

batasan yang jelas dan baik. Misalnya campuran dari gas-gas adalah satu fasa,

padatan atau cairan yang tidak tercampur sempurna (memiliki batasan yang jelas)

berarti memiliki dua fasa atau lebih. Fasa dilambangkan dengan P.

Komponen (Component) yaitu jumlah minimum dari “variabel bebas pilihan” yang

dibutuhkan untuk menggambarkan komposisi tiap fasa dari suatu sistem. Misalnya

sistem air, pada kondisi es, cair maupun uap tergabung dalam suatu sistem yang

sama, berarti terdiri atas satu komponen. Komponen dilambangkan dengan C.

Derajat kebebasan (Degree of Freedom) yaitu jumlah minimum variabel intensif

yang harus dipilih agar keberadaan variabel intensif dapat ditetapkan. Dalam hal

ini jumlah minimum variabel dapat berupa temperatur, tekanan, konsentrasi dan

lain-lain. Rumus umum Derajat kebebasan adalah F = C – P + 2.

Menentukan derajat kebebasan sistem:

a. Air dan uap air dalam kondisi kesetimbangan pada tekanan 1 bar.

Air dan uap air adalah satu komponen yang sama (H2O) dengan fasa yang

terpisah. Maka C = 1 dan P = 2, derajat kebebasannya adalah F = 1 – 2 + 2 = 1,

namun karena satu-satunya variabel intensifnya sudah diketahui (yaitu tekanan 1

bar), maka derajat kebebasannya menjadi F = 0.

b. Air dan uap air dalam kondisi kesetimbangan.

Air dan uap air adalah satu komponen yang sama (H2O) dengan fasa yang

terpisah. Maka C = 1 dan P = 2, derajat kebebasannya adalah F = 1 – 2 + 2 = 1. jadi

derajat kebebasannya adalah F = 1.

c. Sistem kesetimbangan uap dari NH3, N2 dan H2.

Reaksi antara ketiga zat tersebut adalah sebagai berikut:

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

1

Jumlah C = 2 (karena hanya terdiri dari 1 fasa gas), dan P = 1, maka F = 2 – 1 + 2 = 3.

jadi derajat kebebasannya adalah F = 3.

d. Larutan H3PO4 dan NaOH pada tekanan 1 bar.

Reaksi antara zat tersebut adalah:

H3PO4(aq) + 3NaOH(aq) Na3PO4(aq) + 3H2O(aq)

Jumlah C = 2 dan P = 1 (karena terdiri atas larutan yang saling bercampur), F = 2 – 1

+2 = 3, karena salah satu variabel intensifnya sudah diketahui (tekanan 1 bar), maka

F = 2.

e. Larutan H2SO4 dalam air pada kondisi kesetimbangan dengan padatan hidrat

H2SO4.2H2O pada tekanan 1 bar.

Reaksi antara zat tersebut adalah:

H2SO4(aq) + H2O(aq) H2SO4.2H2O(s)

Jumlah C = 2 dan P = 2, maka F = 2 – 2 + 2 = 2, karena salah satu variabel intensifnya

sudah diketahui (tekanan 1 bar), maka F = 1.

2. Pada sistem dua komponen, jelaskan faktor apa saja yang menentukan

jumlah Theoritical plates yang dibutuhkan untuk mencapai pemisahan yang

diinginkan dalam distilasi fraksional

Pada dasarnya proses distilasi merupakan suatu proses komersial yang

digunakan dalam memurnikan material besar, bagi fasa cair proses ini disebut

vaporization atau penguapan dan pada fasa gas disebut sublimasi dimana keduanya

membutuhkan panas. Proses distilasi fraksionasi merupakan sebuah proses pada suatu

kolom (kolom fraksionasi) pada keadaan kesetimbangan yang banyak (multiple

equilibration), sedangkan yang dimaksud theoretical plates adalah banyaknya fraksi

kondensasi yang dibutuhkan dari suatu sistem uap cair untuk mencapai komponen

murninya.

Untuk mencapai suatu proses distilasi yang sukses sangat penting untuk

membuat suatu cairan yang terkondensasi (yang mengandung komponen volatil)

untuk kembali ke tabungnya, dalam pencapaian pemisahan yang diinginkan dalam

distilasi fraksionasi hasil pemisahan yang terbaik dapat diperoleh bila seluruh sistem

dijaga pada keadaan yang dekat dengan kesetimbangan, selain itu faktor lain juga

diakibatkan oleh faktor tekanan karena untuk menunjukkan distilasi fraksionasi pada

tekanan satu atmosfer juga dimungkinan untuk memperlakukan distilasi fraksionasi

2

pada tekanan yang lain, selain itu faktor yang menentukan jumlah Theoritical Plates

dapat ditinjau dari bentuk grafiknya yang merupakan grafik dua komponen dengan

memplot antara komposisi dengan suhu hingga mencapai proses kondensasi. Tetapi

permasalahan yang hadir disini umunya diakibatkan oleh jumlah cairan yang diterima

oleh kolom sehingga banyak kolom fraksionasi yang didesain untuk menawarkan

keuntungan untuk memperoleh theoritical plates dalam jumlah besar dengan pelarut

yang relatif sedikit.

3. Untuk percobaan yang dilakukan oleh Juli dan Agus, anggaplah bahwa

komposisi “residu” diberikan dengan kurva liquid dan komposisi “distilat”

diberikan oleh kurva uap, seperti terlihat pada gambar berikut.

200 gram campuran A dan C yang pada awalnya mendidih pada suhu 65°C,

didistilasi sampai titik didih residu yang tersisa mencapai 75°C. tentukanlah

komposisi residu pada awal dan akhir distilasi, komposisi distilat total setelah

proses distilasi dan berat total distilat. (Petunjuk: Berat total distilat + residu

adalah 200 gram)

Jika dibandingkan dengan diagram fasa yang ada dalam literatur untuk sistem

aseton-kloroform, cara apakah yang dapat untuk memisahkan 2 komponen ini?

Gambarkan dalam diagram fasanya.

Diketahui diagram distilasi aseton (A) dan Kloroform sebagai berikut :

3

berikut :

Berat campuran A dan C 200 gram

Berat total distilat + residu 200 gram

Dari diagram dapat diketahui bahwa pada suhu 75 C perbandingan antara uap dan

cairan adalah 2 : 3 (dilihat pada titik a dan b) maka dari itu kita dapat menghitung

berat residu (berupa cairan) dan berat distilat (berupa uap) dengan perbandingan

matematis berikut :

W distilat =

32+3

×200=120gr

W residu =

22+3

×200=80gr

Dari diagram dapat kita lihat bahwa residu (uap) akhir (pada titik a) perbandingan

aseton dan kloroform adalah 20 : 80 = 1 : 4. Dari sini dapat kita hitung massa

keduanya dengan persamaan sebagai berikut :

A= 11+4

⋅80=16gr

C= 41+4

⋅80=64gr

Pada kurva uap (distilat) akhir (pada titik b) dimana perbandingan aseton dan

kloroform adalah 70 : 30, sehingga kita dapat memperoleh komposisi masing-masing

sebagai berikut :

4

A=7030+70

⋅120=84gr

C=30

30+70⋅120=36

gr

Jadi komposisi masing-masing pada saat 75 C adalah :

A=84+16=100 gr

C=36+64=100 gr

Pada saat destilasi (65 C) dapat kita lihat pada titik c dimana perbandingan aseton dan

kloroform adalah 50 : 50 = 1 : 1. Kemudian pada titik d dapat kita lihat bahwa

perbandingan aseton dan kloroform adalah 90 : 10 = 9: 1. Jika kita misalkan bahwa

residu adalah x dan distilat adalah y, maka dapat dibentuk persamaan sebagai berikut :

A: 100=0,5 x+0,9 y

C: 100=0,5 x+0,1 y

Jika persamaan tersebut diselesaikan didapat nilai x ( residu ) = 200 gr dan nilai y

(distilat) = 0 gr dimana nilai tersebut adalah komposisi awal campuran.

Dari keterangan diatas dapat diketahui komposisi destilat total, yakni :

Komposisi destilat total = destilat awal + destilat akhir

= 0 + 120

= 120 gr

Dalam literatur didapat diagram fasa untuk sistem aseton kloroform adalah sebagai

berikut:

5

Dari diagram fasa tersebut terlihat bahwa campuran dua komponen aseton dan

kloroform tidak dapat dipisahkan dengan distilasi biasa, karena kedua zat tersebut

membentuk azeotrop pada titik didih maksimumnya dimana komposisi fasa cairan

dan uapnya sama dan campuran dari komposisi ini seperti senyawa murni. Metode

yang dapat digunakan untuk memisahkan campuran ini adalah dengan distilasi

azeotrop, adsorpsi, ekstraksi cair-cair dan kromatografi.

4. Dalam sistem kesetimbangan padat cair, jelaskan pengaruh penambahan

suatu senyawa terhadap titik leleh senyawa lainnya.

Misalnya kita memiliki suatu diagram fasa antara Bismuth dengan Cadmium yang

diperoleh dari literatur diagram fasanya adalah sebagai berikut:

Gambar Diagram Fasa Bi-Cd

Dari grafik di atas kita bisa tentukan bahwa titik didih masing-masing zat

murni ditunjukkan oleh A untuk Bi (271°C) dan titik C untuk Cd (321°C). Garis AB

menunjukkan konsentrasi campuran yang dijenuhi oleh Bi sedangkan sebaliknya garis

BC menunjukkan konsentrasi campuran yang dijenuhi oleh Cd.

6

Penambahan senyawa Cd terhadap leburan Bi akan menyebabkan penurunan

titik didih Bi, hal ini terlihat dari grafik yang menurun terus dari A menuju B, hingga

pada titik B campuran sudah dijenuhi oleh Bi dan Cd, dimana terdapat tiga fasa pada

kesetimbangan tersebut dan titik didih kembali naik lagi menuju C hingga konsentrasi

Cd bernilai 100% dalam artian tidak terkandung Bi lagi. Jadi dapat disimpulkan

penambahan suatu senyawa akan menurunkan titik leleh senyawa lainnya.

5. Hasil pengamatan yang dilakukan oleh Septi dan Okto memberikan informasi

sebagai berikut:

i. Kedua zat tidak membetuk senyawa

ii. NH3 membeku pada suhu -78°C

iii.N2H4 membeku pada suhu +2°C

iv.Eutektik terbentuk ketika fraksi mol N2H4 = 0,07

v. Eutektik meleleh pada suhu -80°C

Berdasarkan informasi tersebut, buatlah sketsa diagram fasa untuk sistem di

atas dan jelaskan setiap kurva yang ada dalam diagram tersebut. Jelaskan apa

yang dimaksud dengan eutektik dan tentukanlah derajat kebebasan titik

tersebut.

Berdasarkan informasi tersebut dapat dibuat diagram fasa sebagai berikut :

7

Senyawa A adalah senyawa NH3, sedangkan senyawa B adalah senyawa N2H4. Titik c

merupakan titik beku N2H4 (2 C) dan titik d merupakan titik beku NH3 (-78 C). Kurva

ce merupakan batas dimana padatan murni N2H4 (yang sedikit terkontaminasi oleh

NH3 mulai memisahkan diri dari cairan (mengendap) sedangkan pada kurva de,

padatan murni NH3 mulai memisahkan diri dari cairan. Pada daerah dibawah kurva

ce, karena N2H4 mulai mengendap, maka cairan pada posisi tersebut, semakin ke kiri,

makin banyak mengandung NH3, sedangkan pada daerah dibawah kurva de, karena

NH3 mulai mengendap, maka komposisi cairan pada daerah tersebutsemakin ke

kanan, semakin banyak mengandung N2H4. Titik e merupakan titik eutektik dimana

komposisi cairannya eutektik. Jika sisa cairan mencapai komposisi eutektik,

temperaturnya akan menjadi tetap sampai seluruh cairan memadat (sepanjang ab)

yang memakan waktu yang cukup panjang. Daerah dibawah ab (dibawah eutektik)

merupakan daerah dimana terdapat A dan B yang keduanya dalam fasa padatan.

Eutektik berasal dari bahasa Yunani yang berarti ”mudah dilelehkan”. Cairan

dengan komposisi eutektik membeku pada temperatur tertentu tanpa mengendapkan

padatan A atau B atau sebelumnya. Jika sisa cairan mencapai komposisi eutektik,

temperaturnya menjadi tetap sampai seluruh sampel memadat. Hal inilah yang disebut

pemberhentian eutektik. Pembentukan eutektik berlangsung pada kebanyakan sistem

campuran biner dan sangat penting untuk struktur mikro material padat karena

walaupun padatan eutektik merupakan sistem dua fasa, campuran ini mengkristal

menjadi campuran kristal mikro yang hampir homogen.

Jika sisa cairan menjadi komposisi eutektik, temperaturnya menjadi tetap sampai

semua sampel memadat, yang disebut dengan perhentian eutektik. Perhentian eutektik

terpanjang menunjukkan komposisi eutektik dan temperatur lelehnya.

Derajat kebebasan sistem .

Dalam sistem ada dua fasa (P=2) yakni gas dan padatan, komponen pada sistem ini

juga ada 2, yakni NH3 dan N2H4. Karena dilakukan (atau dianggap) pada tekanan

tetap, maka derajat kebebasannya menjadi :

F= C-P + 1

F= 2 -2 + 1 = 1

8

6. Untuk sistem campuran perak/timah, diperoleh diagram fasa seperti fasa

seperti gambar di bawah ini:

Tuliskanlah nama daerah-daerah tersebut dan berikan apa yang akan teramati

jika cairan komposisi a dan b didinginkan sampai suhu 200 K. jelaskan apa yang

dimaksud dengan titik leleh tak kongruen. Tunjukkan pada diagram fasa

tersebut ciri-ciri yang menyatakan kelelehan tak kongruen. Berapa komposisi

campuran eutektik dan pada suhu berapa campuran tersebut meleleh. Buatlah

sketsa kurva pendinginan untuk isoplet a dan b dalam diagram fasa tersebut.

Dari diagram fasa yang diketahui , kita mengiidentifikasi 5 bagian dalam

sistem tersebut, keterangannya adalah sebagai berikut :

I = Cairan + Ag

II = Ag3Sn + Ag

III = Sn + Ag3Sn

IV = Cairan + Ag3Sn

V = Cairan + Sn

Diagram fasanya:

9

Jika cairan didinginkan sampai 200 K maka :

a. Pada isoplet a

Ketika suhu diturunkan hingga mencapai posisi a1, maka padatan murni Ag (yang

sedikit terkontaminasi oleh Sn akan mulai memisahkan diri dari cairan

(mengendap). Sisa cairannya akan banyak mengandung Sn karena pengendapan

tersebut. Ketika suhunya diturunkan kembali sampai posisi a2, maka

komposisinya juga berubah. Pada saat itu Ag sudah mulai bereaksi dengan Sn

yang membentuk Ag3Sn. Dalam wilayah itu Ag terus mengendap menjadi

padatan. Ketika suhunya diturunkan kembali sampai 200 K maka komposisinya

berada pada a3 dimana keadannya hampir sama dengan a2, namun pada daerah ini

sudah terbentuk Ag3Sn yang lebih banyak.

b. Pada isoplet b

Ketika suhu diturunkan sampai posisi b1, padatan murni Ag yang sedikit

terkontaminasi dengan Sn mengendap, sehingga sisa cairannya akan banyak

mengandung Sn. Pada saat suhu diturunkan kembali sampai ke posisi b2, mak

komposisinya juga berubah. Pada saat itu Sn sudah mulai bereaksi dengan Ag

membentuk Ag3Sn (pada saat itu atom Sn berdifusi ke dalam mpadatan Ag) dan

terdapat cairan campuran keduanya. Setelah itu suhu diturunkan lagi sampai posisi

b2 dimana keadaannya juga berubah. Sn mulai mengendap dan tedapat Ag3Sn

pada kondisi tersebut. Pada saat ini cairan eutektik sehingga campuran tersebut

10

memadat yang nantinya akan terbentuk padatan Sn dan padatan Ag3Sn seperti

komosisi pada b3 dimana suhu sudah diturunkan mencapai 200 K

Pada diagram fasa terlihat ketika jika padatan Ag3Sn dipanaskan kembali, maka

urutan kejadiannya akan terbalik. Pada setiap tahap tidak terbentuk Ag3Sn cair

(karena zat tersebut tidak stabil dalam cairan) namun zat tersebut akan meleleh

menjadi komponen-komponennya. Hal inilah yang menjadi ciri pelelehan tidak

kongruen dimana dalam hal ini terjadi peristiwa dimana senyawa meleleh menjadi

komponen-komponennya namun senyawa tersebut tidak membentuk fasa cair.

Jika ditinjau dari diagram fasanya (untuk gambar lebih jelas, kelompok kami

melihat dari soal pada buku Atkins halama 222) dapat diperkirakan komposisi

campuran eutektiknya terjadi ketika komposisinya agalah 7 % Ag dan 93 % Sn.

Pada saat itu suhu eutektiknya sekitar 220 K sampai 250 K . Pada saat itulah

campuran mulai meleleh.

Sketsa kurva pendinginan untuk isoplet a

Sketsa kurva pendinginan untuk isoplet b

11

7. Data hasil percobaan yang dilakukan oleh Febi dan Juni adalah sebagai

berikut:

x (eter)

y

(metanol) z (air)

0.1 0.2 0.7

0.2 0.27 0.53

0.3 0.3 0.4

0.4 0.28 0.32

0.5 0.26 0.24

0.6 0.22 0.18

0.7 0.17 0.13

0.8 0.12 0.08

0.9 0.07 0.03

dengan x sebagai fraksi mol eter dan y sebagai fraksi mol metanol. Dari data

yang ada, gambarkanlah diagram fasanya, dan tandailah semua daerah fasanya.

Tentukan berapa fasa yang ada dalam campuran 5.0 g metanol, 30.0 g eter dan

50.0 g air. Untuk mengubah jumlah fasa yang ada, tentukan berapa massa air

yang harus ditambahkan atau dibuang.

a. Dengan data ini kita bias diplot ke dalam diagram terner dan menghasilkan

sebuah binodal (dome) di salah satu sisinya. Hal ini berarti salah satu

komponennya melarut / bercampur hanya sebagian ke dalam larutan total

sehingga terbentuklah sebuah dome pada grafik. Daerah di dalam dome ini

merupakan daerah yang menunjukkan terbentuknya dua lapisan zat cair atau

12

bisa disebut juga dua fasa, sedangkan daerah di luar dome artinya satu fasa

yakni seluruh zat bercampur sempurna. (grafik di bawah)

b. Sebuah campuran terdiri dari 5 g metanol, 30 g eter, 50 g air. Kita plot titik ini

ke dalam diagram terner yang sudah dibuat dengan sebelumnya menghitung

fraksi dari campuran ini:

Mr metanol = 32 ; Mr eter (dietileter) = 74 ; Mr air = 18

Jumlah mol methanol 5 / 32 = 0.15625 mol }

Jumlah mol eter 30 / 74 = 0.40541 mol } Σ mol = 3.33944 mol

Jumlah mol air 50 / 18 = 2.77778 mol }

Fraksi mol methanol 0.15625 / 3.33944 = ±0.05 (hasil pembulatan)

Fraksi mol eter 0.40541 / 3.33944 = ±0.12 (hasil pembulatan)

Fraksi mol air 2.77778 / 3.33944 = ±0.83 (hasil pembulatan)

Ketiga fraksi ini di plot pada grafik dan didapati sebuah titik di dalam dome,

hal ini berarti campuran membentuk dua fasa. Untuk mengubah jumlah fasa yakni

satu maka diusulkan untuk menambahkan atau mengurangi air. Jika diperhatikan

dari gambar, ternyata penambahan air tidak akan berpengaruh pada perubahan

jumlah fasa oleh karena itu pengurangan jumlah air adalah satu-satunya solusi

yang mungkin.

Pengurangan / penambahan air akan mengikuti garis lurus yang melalui titik

sudut air dan titik sampel. Untuk mengubah jumlah fasa maka minimal sampel

harus mencapai titik x dan selanjutnya bisa dihitung berapa air yang perlu

dibuang. Adapun titik x membacakan nilai fraksi metanol = 0.22 ; fraksi eter =

0.59 ; fraksi air = 0.19. Dengan data ini kita akan mengitung jumlah air yang

harus dibuang:

Mol air 0.19 = x / (0.56166 + x) x = 0.13175 mol air.

Mol air yang harus dibuang 2.77778 – 0.13175 = 2.646 mol

Massa air yang harus dibuang 2.646 x 18 = 47.628 gram

13

Grafik:

14