KESETIMBANGAN FASA

1. PengertianFasa adalah bagian sistem dengan komposisi kimia dan sifat – sifat fisik

seragam, yang terpisah dari bagian sistem lain oleh suatu bidang batas. Pemahaman perilaku fasa mulai berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Untuk sistem satu komponen, persamaan Clausius dan Clausisus – Clapeyron menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dengan perubahan suhu.

Jika campuran dua cairan nyata (real) berada dalam kesetimbangan dengan uapnya pada suhu tetap, potensial kimia dari masing – masing komponen adalah sama dalam fasa gas dan cairnya. Sistem biner paling sederhana yang mengandung fasa padat dan cair ditemui bila komponen – komponennya saling bercampur dalam fas cair tetapi sama sekali tidak bercampur pada fasa padat, sehingga hanya fasa padat dari komponen murni yang akan keluar dari larutan yang mendingin.

Jika suatu larutan dari dua zat A dan B didinginkan sampai suhu yang cukup rendah, akan muncul suatu padatan. Suhu ini adalah titik beku larutan, yang bergantung pada komposisi.

2. Kesetimbangan Uap – Cair dari Campuran Ideal Dua KomponenJika campuran dua cairan nyata (real) berada dalam kesetimbangan

dengan uapnya pada suhu tetap, potensial kimia dari masing – masing komponen adalah sama dalam fasa gas dan cairnya.

μi(g )=μi( l) ............................................. (2.1)Jika uap dianggap sebagai gas ideal, maka

μi(g )=μi( g)o +RT ln

Pi

Po ..................................... (2.2)

dimana Po adalah tekanan standar (1 bar). Untuk fasa cair,

μi( l)=μ i(l)o + RT ln ai ......................................... (2.3)

Persamaan 3.20 dapat ditulis menjadi

μi(g )o +RT ln

Pi

Po=μ i( l)

o +RT ln ai .................................. (2.4)

Dari persamaan 3.23 dapat disimpulkan bahwa

RT lnPi

P io=RT ln ai

........................................... (2.5)

a i=Pi

Pio

.................................................. (2.6)

1

Persamaan 2.6 menyatakan bahwa bila uap merupakan gas ideal, maka aktifitas dari komponen i pada larutan adalah perbandingan tekanan parsial zat i di atas larutan (Pi) dan tekanan uap murni dari zat i (Pi

o). Pada tahun 1884, Raoult mengemukakan hubungan sederhana yang dapat

digunakan untuk memperkirakan tekanan parsial zat i di atas larutan (Pi ) dari suatu komponen dalam larutan. Menurut Raoult,

Pi=xi Pio ................................................ (2.7)

Pernyataan ini disebut sebagai Hukum Raoult, yang akan dipenuhi bila komponen – komponen dalam larutan mempunyai sifat yang mirip atau antaraksi antar larutan besarnya sama dengan interaksi di dalam larutan (A – B = A – A = B – B). Campuran yang demikian disebut sebagai campuran ideal, contohnya campuran benzena dan toluena. Campuran ideal memiliki sifat – sifat

ΔHmix = 0ΔVmix = 0ΔSmix = - R Σni ln xi

Tekanan uap total di atas campuran adalahP=P1+P2

=x1 P1o+x2 P2

o .................................... (2.8)

Karena x2 = 1 – x1, maka

P=P2o+( P1

o−P2o ) x1 ......................................... (2.9)

Persamaan di atas digunakan untuk membuat garis titik gelembung (bubble point line). Di atas garis ini, sistem berada dalam fasa cair. Komposisi uap pada kesetimbangan ditentukan dengan cara

x i'=

Pi

P ................................................... (2.10)Keadaan campuran ideal yang terdiri dari dua komponen dapat

digambarkan dengan kurva tekanan tehadap fraksi mol berikut.

2

Gambar 2.1. Tekanan total dan parsial untuk campuran benzena – toluena pada 60oC

Gambar 2.2. Fasa cair dan uap untuk campuran benzena – toluena pada 60oC

Garis titik embun (dew point line) dibuat dengan menggunakan persamaan

P=P1

o P2o

P1o+(P2

o+P1o) x1

o

....................................... (2.11)Di bawah garis ini, sistem setimbang dalam keadaan uap.

3

3. Tekanan Uap Campuran Non IdealTidak semua campuran bersifat ideal. Campuran – campuran non ideal ini

mengalami penyimpangan / deviasi dari hukum Raoult. Terdapat dua macam penyimpangan hukum Raoult, yaitua. Penyimpangan positif

Penyimpangan positif hukum Raoult terjadi apabila interaksi dalam masing – masing zat lebih kuat daripada antaraksi dalam campuran zat ( A – A, B – B > A – B). Penyimpangan ini menghasilkan entalpi campuran (ΔHmix) positif (bersifat endotermik) dan mengakibatkan terjadinya penambahan volume campuran (ΔVmix > 0). Contoh penyimpangan positif terjadi pada campuran etanol dan n – hekasana.

Gambar 3.1. Penyimpangan positif hukum Raoult

b. Penyimpangan negatifPenyimpangan negatif hukum Raoult terjadi apabila antaraksi dalam campuran zat lebih kuat daripada interaksi dalam masing – masing zat ( A – B > A – A, B – B). Penyimpangan ini menghasilkan entalpi campuran (ΔHmix) negatif (bersifat eksotermik) mengakibatkan terjadinya pengurangan volume campuran (ΔVmix < 0).. Contoh penyimpangan negatif terjadi pada campuran aseton dan air.

4

Gambar 3.2. Penyimpangan negatif hukum Raoult

Pada gambar 3.5 dan 3.6 terlihat bahwa masing – masing kurva memiliki tekanan uap maksimum dan minimum. Sistem yang memiliki nilai maksimum atau minimum disebut sistem azeotrop. Campuran azeotrop tidak dapat dipisahkan dengan menggunakan destilasi biasa. Pemisahan komponen 2 dan azotrop dapat dilakukan dengan destilasi bertingkat. Tetapi, komponen 1 tidak dapat diambil dari azeotrop. Komposisi azeotrop dapat dipecahkan dengan cara destilasi pada tekanan dimana campuran tidak membentuk sistem tersebut atau dengan menambahkan komponen ketiga.

4. Sistem Azeotrop dan Proses DestilasiDestilasi adalah suatu proses pemisahan termal untuk memisahkan

komponen-komponen yang mudah menguap dari suatu campuran cair dengan cara menguapkannya, yang diikuti dengan kondensasi uap yang terbentuk dan menampung kondensat yang dihasilkan.a. Prinsip dan Proses Kerja Destilasi

Prinsip DestilasiPada prinsipnya pemisahan dalam suatu proses destilasi terjadi karena

penguapan salah satu komponen dari campuran, artinya dengan cara mengubah bagian-bagian yang sama dari keadaan cair menjadi berbentuk uap. Dengan demikian persyarannya adalah kemudahan menguap (volatilitas) dari komponen yang akan dipisahkan berbeda satu dengan yang lainnya. Pada campuran bahan padat dalam cairan, persyaratan tersebut praktis selalu terpenuhi. Sebaliknya, pada larutan cairan dalam cairan biasanya tidak mungkin dicapai sempurna, karena semua komponen pada titik didih campuran akan mempunyai tekanan uap yang besar. Destilat yang murni

5

praktis hanya dapat diperoleh jika cairan yang sukar menguap mempunyai tekanan uap yang kecil sekali sehingga dapat diabaikan.Proses Destilasi

Penguapan dan destilasi umumnya merupakan proses pemisahan satu tahap. Proses ini dapat dilakukan secara tak kontinu atau kontinu, pada tekanan normal ataupun vakum. Pada destilasi sederhana, yang paling sering dilakukan adalah operasi taak kontinu. Dalam hal ini campuran yang akan dipisahkan dimasukkan kedalam alat penguap dan dididihkan. Pendidihan terus dilangsungkan hingga sejumlah tertentu komponen yang mudah menguap terpisahkan. Proses pendidihan erat hubungannya dengan kehadiran udara permukaan. Pendidihan akan terjadi pada suhu dimana tekanan uap dari larutan sama dengan tekanan udara di permukaan cairan.

Secara umum proses yang terjadi pada destilasi sederhana atau biasa yaitu :

Penguapan komponen yang mudah menguap dari campuran dalam alat penguap

Pengeluaran uap yang terbentuk melalui sebuah pipa uap yang lebar dan kosong tanpa perpindahan panas dan pemindahan massa yang disengaja atau dipaksakan yang dapat menyebabkan kondensat mengalir kembali ke  lat penguap.

Jika perlu, tetes-tetes cairan yang sukar menguap yang ikut terbawa dalam uap dipisahkan dengan bantuan siklon dan disalurkan kembali kedalam alat penguap.

 Kondensasi uap dalam sebuah kondensor Pendingin lanjut dari destilat panas dalam sebuah alat pendingin  Penampungan destilat dalam sebuah bejana Pengeluaran residu dari alat penguap Pendinginan lanjut dari residu yang dikeluarkan Penampungan residu dalam

sebuah bejana.

Masalah yang ditemui dalam destilasi adalah : “terbentuknya campuran Azeotrop yang merupakan campuran yang sulit dipisahkan”. Campuran Azeotrop ialah : campuran dengan titik didih yang konstan.

5. Destilasi AzeotropDistilasi Azeotrop digunakan dalam memisahkan campuran azeotrop

(campuran campuran dua atau lebih komponen yang sulit di pisahkan), biasanya dalam prosesnya digunakan senyawa lain yang dapat memecah ikatan azeotrop tsb, atau dengan menggunakan tekanan tinggi. Azeotrop merupakan campuran 2 atau lebih komponen pada komposisi tertentu dimana komposisi tersebut tidak

6

bisa berubah hanya melalui distilasi biasa. Ketika campuran azeotrop dididihkan, fasa uap yang dihasilkan memiliki komposisi yang sama dengan fasa cairnya. Campuran azeotrop ini sering disebut juga constant boiling mixture karena komposisinya yang senantiasa tetap jika campuran tersebut dididihkan.

Cara yang ditempuh untuk mengatasi campuran azeotrop yaitu :1. Menambahkan zat ketiga, sehingga terjadi campuran azeotrop baru. Campuran

azeotrop baru direfluks dan di destilasi kembali. Contoh : alkohol + air –> azeotrop Alkohol + air + benzene –> azeotrop baru

2. Menambahkan suatu zat yang dapat mengikat salah satunya. Cnth : alkohol dan air Alkohol + air + CaO –> alkohol + Ca(OH)2.

7