8

PENENTUAN TEGANGAN PERMUKAAN DENGAN METODE

CINCIN DU-NOUY

Tujuan

Menentukan besarnya tegangan permukaan pada beberapa campuran melalui metode cincin Du-Nouy.

Dasar Teori

Tegangan permukaan merupakan fenomena menarik yang terjadi pada zat cair (fluida) yang berada pada keadaan diam (statis). Tegangan permukaan cairan () adalah kerja yang dilakukan suntuk memperluas permukaan cairan dalam satuan luas. Tegangan permukaan terjadi karena permukaan zat cair cenderung untuk menegang sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis. Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi antara molekul air. Berikut ini adalah ilustrasinya, jika ditinjau dari suatu cairan yang berada di dalam sebuah wadah.

Gambar 1. Gaya antar molekul pada lapisan suatu cairan

Pada cairan, setiap molekul akan bergerak dibawah pengaruh molekul sekelilingnya. Sebuah molekul yang terletak di dalam cairan sepenuhnya dikelilingi oleh molekul lain yang akan menariknya (Brady, 1999).

Molekul cairan biasanya saling tarik menarik. Di bagian dalam cairan, setiap molekul cairan dikelilingi oleh molekul-molekul lain di setiap sisinya; tetapi di permukaan cairan, hanya ada molekul-molekul cairan di samping dan di bawah. Di bagian atas tidak ada molekul cairan lainnya. Karena molekul cairan saling tarik menarik satu dengan lainnya, maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada di bagian dalam cairan. Sebaliknya, molekul cairan yang terletak dipermukaan ditarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan bawahnya. Akibatnya, pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah. Karena adanya gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang terletak di permukaan cenderung memperkecil luas permukaannya, dengan menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan cairan pada permukaan seolah-olah tertutup oleh selaput elastis yang tipis. Fenomena ini kita kenal dengan istilah tegangan permukaan (surface tension) suatu cairan, yaitu jumlah energi yang dibutuhkan untuk menarik atau memperluas permukaan sebesar satu satuan luas (Chang, 2003).

Dalam hal ini, energi yang paling terndah (paling stabil) untuk sejumlah volume cairan adalah bila luas permukaannya paling minimum. Pada keadaan ini molekul permukaan dengan energi tinggi paling sedikit jumlahnya. Disamping itu, semua cairan akan berusaha memperkecil luas permukaannya. Sifat cenderung untuk memperkecil permukaan inilah yang mungkin dalam laboratorium. Dimana besarnya tegangan permukaan cairan tergantung dari kekuatan gaya tarik antar molekul-molekulnya. Bila gaya tarik besar, maka tegangan permukaannya juga besar.

Bila permukaan gelas mengandung lemak yang terbuat dari molekul-molekul nonpolar, maka air sukar menyebar sebab lemak tak mengandung molekul polar yang dapat diikat oleh molekul air untuk membentuk ikatan hydrogen sehingga diperlukan usaha yang lebih besar untuk memperluas permukaan air. Dalam hal ini untuk memperkecil usahanya untuk memperluas permukaan, maka diperlukannya larutan detergen sehingga dapat dengan mudah menyebar pada permukaan yang berlemak. Dimana detergen mengandung zat-zat yang disbut surfaktan yang dapat menurunkan tegangan permukaan (Brady, 1999).

Persamaan Tegangan Permukaan

Dalam membantu menurunkan persamaan tegangan permukaan, kita tinjau sebuah kawat yang dibengkokkan membentuk huruf U. Sebuah kawat lain yang berbentuk lurus dikaitkan pada kedua kaki kawat U, di mana kawat lurus tersebut bisa digerakkan (lihat gambar di bawah).

Jika kawat ini dimasukan ke dalam larutan sabun, maka setelah dikeluarkan akan terbentuk lapisan air sabun pada permukaan kawat tersebut. Karena kawat lurus bisa digerakkan dan massanya tidak terlalu besar, maka lapisan air sabun akan memberikan gaya tegangan permukaan pada kawat lurus sehingga kawat lurus bergerak ke atas (perhatikan arah panah). Untuk mempertahankan kawat lurus tidak bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan), maka diperlukan gaya total yang arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total adalah F = w + T. Dalam kesetimbangan, F = gaya tegangan permukaan yang dikerjakan oleh lapisan air sabun pada kawat lurus.

Misalkan panjang kawat lurus adalah l. Karena lapisan air sabun yang menyentuh kawat lurus memiliki dua permukaan, maka gaya tegangan permukaan yang ditimbulkan oleh lapisan air sabun bekerja sepanjang 2l. Tegangan permukaan pada lapisan sabun merupakan perbandingan antara gaya tegangan permukaan (F) dengan panjang permukaan di mana gaya bekerja (d). Untuk kasus ini, panjang permukaan adalah 2l. Secara matematis, ditulis sebagai berikut.

Karena tegangan permukaan merupakan perbandingan antara gaya tegangan permukaan dengan satuan panjang, maka satuan tegangan permukaan adalah newton per meter (N/m) atau dyne per centimeter (dyn/cm).

1 dyn/cm = 10-3 N/m = 1 mN/m

Berikut ini beberapa nilai tegangan permukaan yang diperoleh berdasarkan percobaan.

Tabel 1. Tegangan permukaan beberapa zat cair

Zat cair yang

bersentuhan dengan udara

Suhu (oC)

Tegangan Permukaan

(mN/m = dyn/cm)

Air

0

75,60

Air

20

72,80

Air

25

72,20

Air

60

66,20

Air

80

62,60

Air

100

58,90

Air sabun

20

25,00

Minyak Zaitun

20

32,00

Air Raksa

20

465,00

Oksigen

-193

15,70

Neon

-247

5,15

Helium

-269

0,12

Aseton

20

23,70

Etanol

20

22,30

Gliserin

20

63,10

Benzena

20

28,90

Berdasarkan data tegangan permukaan, tampak bahwa suhu mempengaruhi nilai tegangan permukaan fluida. Umumnya ketika terjadi kenaikan suhu, nilai tegangan permukaan mengalami penurunan (bandingkan nilai tegangan permukaan air pada setiap suhu adalam tabel di atas). Hal ini disebabkan karena ketika suhu meningkat, molekul cairan bergerak semakin cepat sehingga pengaruh interaksi antar molekul cairan berkurang. Akibatnya nilai tegangan permukaan juga mengalami penurunan (Lohat, 2009).

Cara Menentukan Tegangan Permukaan dengan Metode Cincin Duncan

Prinsip dari metode cincin ini adalah gaya yang diperlukan untuk melepaskan cincin sebanding dengan tegangan permukaan. Adapun cara pengukurannya adalah sebagai berikut.

Cincin dibersihkan kemudian dipasang lagi pada kaitnya.Cawan petri diisi dengan sampel yang akan diuji.Cincin dicelupkan kira-kira 2-3 mm di bawah permukaan cairan. Cincin ditarik ke atas secara perlahan-lahan sampai cincin keluar dari permukaan cairan. Nilai yang tertera di layar akan naik sampai mencapai nilai maksimumnya yaitu sesaat sebelum lamela pecah.

Alat dan Bahan

Alat

Jumlah

Bahan

Jumlah

Cincin Metal

1 buah

Air suling

Secukupnya

Gelas Kimia 100 mL

2 buah

Larutan deterjen 0,05%; 0,10%; dan 0,15%

Secukupnya

Statif dan Klem

1 set

Minyak goreng

Secukupnya

Cawan Petri

2 buah

Kloroform murni

Secukupnya

Labu ukur 100 mL

2 buah

Prosedur Kerja dan Hasil Pengamatan

No.

Prosedur Kerja

Hasil Pengamatan

1

Alat praktikum disusun seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Alat praktikum yang digunakan diantaranya adalah cawan petri yang bersih dan kering, cincin beserta kaitnya. Diameter cincin yang digunakan adalah 5,9 m.

2

Air suling dimasukkan ke dalam cawan petri.

Aquades dimasukkan ke dalam cawan petri sampai memenuhi wadah.

3

Cicin logam dicelupkan kedalam larutan secara merata.

Cincin logam dicelupkan ke dalam cawan petri yang telah berisi aquades.

4

Cincin logam tersebut ditarik ke atas secara perlahan-lahan dan skala dinamometer dicatat tepat ketika cincin lepas dari permukaan air.

Perubahan skala (gaya tegangan permukaan) yang terjadi setelah cincin logam ditarik dari air suling adalah sebesar 4 mN.

5

Cincin logam dibersihkan dan dikeringkan. Selanjutnya ulangi langkah 2 sampai 4 dengan mengganti air suling tersebut dengan larutan deterjen 0,05%; 0,10%; dan 0,15%, minyak goreng, dan kloroform.

Berikut ini adalah gaya tegangan permukaan yang diperoleh dari percobaan yang telah dilakukan.

Campuran

Gaya Tegangan Permukaan (F)

Aquades

4mN

Larutan detergen 0,05%

2 mN

Larutan detergen 0,10%

2 mN

Larutan detergen 0,15%

1 mN

Kloroform murni

1 mN

Kloroform + air

5 mN

Kloroform + air + detergen

3 mN

Minyak goreng

1 mN

Minyak + air suling

4 mN

Minyak + air + detergen

3 mN

Pembahasan

Pada praktikum ini dilakukan pengukuran tegangan permukaan dari beberapa campuran menggunakan metode cincin Duncan. Dimana campuran yang diukur tegangan permukaannya adalah larutan detergen dengan konsentrasi 0,05%; 0,10%; dan 0,15% serta kloroform murni, aquades, minyak + aquades, minyak + aquades + detergen, kloroform + aquades, kloroform +aquades + detergen.

Dalam percobaan ini, pertama-tama dipersiapkan larutan detergen dengan konsentrasi 0,05%; 0,10%; dan 0,15% dengan cara melarutkan detergen masing-masing sebanyak 0,05 g; 0,10 g; dan 0,15 g ke dalam 100 mL aquades. Setelah larutan detergen tersebut siap, selanjutnya dilakukan pengukuran tegangan permukaannya dengan cara mencelupkan cincin ke dalam larutan detergen kemudian menarik cincin tersebut ke atas dan dilihat skala yang tertera pada alat ukur pada saat cincin terlepas dari larutan yang diuji.

Pada percobaan ini juga dilakukan pengukuran tegangan permukaan beberapa campuran lainnya dengan cara yang sama. Adapun hasil yang gaya diperoleh dalam pengukuran tegangan permukaan beberapa campuran adalah sebagai berikut.

Tabel 2. Gaya tegangan permukaan beberapa campuran hasil percobaan

Campuran

Gaya Tegangan Permukaan (F)

Aquades

4 mN

Larutan detergen 0,05%

2 mN

Larutan detergen 0,10%

2 mN

Larutan detergen 0,15%

1 mN

Kloroform murni

1 mN

Kloroform + air

5 mN

Kloroform + air + detergen

3 mN

Minyak goreng

1 mN

Minyak + air suling

4 mN

Minyak + air + detergen

3 mN

Dari hasil yang diperoleh tentang gaya tegangan permukaan untuk beberapa campuran pada tabel 2 di atas, maka besarnya tegangan permukaan () dapat diketahui melalui perhitungan sebagai berikut.

Untuk Aquades

r)

2(2

F

2l

F

p

=

=

, dimana diameter cincin = 5,9 cm;

sehingga jari-jarinya = 2,95 cm = 2,95 x 10-2m

mN/m

79

,

10

m)

10

x

2,95

x

x

2(2

mN

4

2

-

=

=

=

Dengan cara yang sama, dapat juga diketahui besarnya tegangan permukaan untuk campuran yang lainnya. Besarnya tegangan permukaan () dapat dilihat pada tabel berikut ini.

Tabel 3. Nilai tegangan permukaan pada hasil percobaan

Campuran

Tegangan Permukaan ()

Aquades

10,79 mN/m

Larutan detergen 0,05%

5,39 mN/m

Larutan detergen 0,10%

5,39 mN/m

Larutan detergen 0,15%

2,69 mN/m

Kloroform murni

2,69 mN/m

Kloroform + air

13,48 mN/m

Kloroform + air + detergen

8,09 mN/m

Minyak goreng

2,69 mN/m

Minyak + air suling

10,79 mN/m

Minyak + air + detergen

8,09 mN/m

Berdasarkan hasil yang diperoleh mengenai tegangan permukaan () beberapa campuran pada tabel di atas, dapat diketahui bahwa tegangan permukaan yang dimiliki suatu campuran tidak sama antara yang satu dengan yang lainnya. Dimana besarnya tegangan permukaan dipengaruhi oleh kekuatan gaya tarik antara molekul-molekunya. Dalam hal ini, tegangan permukaan berbanding lurus dengan besarnya gaya tarik antar molekul, yaitu tegangan permukaan akan semakin besar seiring dengan semakin besarnya gaya tarik antar permukaannya.

Tegangan permukaan suatu cairan terjadi disebabkan karena molekul-molekul dalam suatu cairan ditarik ke segala arah oleh gaya antar molekul, dan tidak ada kecenderungan untuk ditarik ke arah tertentu. Tetapi molekul-molekul pada permukaan ditarik ke bawah dan ke samping oleh molekul-molekul lainnya, tetapi tidak ke atas keluar permukaan. Oleh karena itu, tarik menarik antar molekul ini cenderung menarik molekul-molekul ke dalam cairan dan menyebabkan tegangan permukaan menegang seperti lapisan tipis elastis. Dimana ukuran gaya elastis pada permukaan cairan tersebut disebut dengan tegangan permukaan.

Dari hasil percobaan, dapat dibandingkan besarnya tegangan permukaan antara aquades, kloroform murni, dan minyak goreng. Tegangan permukaan aquades lebih besar jika dibandingkan dengan besarnya tegangan permukaan kloroform murni dan minyak goreng. Hal tersebut disebabkan karena pada aquades tedapat ikatan hidrogen yang menyebabkan kekuatan gaya tarik menarik antara molekul H2O (air) lebih besar dibandingkan dengan gaya tarik antara molekul-molekul pada kloroform murni atau pun pada minyak goreng.

Pada percobaan ini juga diketahui bahwa penambahan detergen ke dalam cairan dapat memperkecil besarnya tegangan permukaan. Hal ini terbukti dengan hasil yang didapatkan, dimana setelah detergen ditambahkan ke dalam campuran air-minyak, air-kloroform, serta pada larutan aquades (larutan detergen 0,05%; 0,10%; dan 0,15%), besarnya tegangan permukaan lebih kecil daripada sebelum detergen ditambahkan. Hal tersebut disebabkan karena adanya surfaktan yang terkandung dalam detergen. Dimana surfaktan dapat menurunkan besarnya tegangan permukaan.

Ketika deterjen dimasukkan ke dalam air, maka akan menyebabkan tegangan permukaan berkurang. Hal ini karena dalam deterjen mengandung surfaktan yang molekul-molekulnya bersifat hidrofilik. Dimana molekul deterjen dalam air akan membentuk misel, dimana gugus polar deterjen terepresentasi pada permukaan misel, sedangkan gugus hidropobiknya di dalam misel. Hal ini mengakibatkan misel sendiri akan bersifat hidrofilik. Dalam air, misel akan menarik molekul air yang juga bersifat polar (like dissolve like), sehingga molekul air yang semula terakumulasi banyak pada permukaan banyak yang tertarik ke misel. Hal ini disebabkan oleh gaya adesi air menyebabkan permukaan misel terlapisi oleh molekul air. Hal ini selanjutnya menyebabkan tegangan permukaan air berkurang.

Simpulan

Berdasarkan pembahasan dapat ditarik beberapa simpulan yaitu sebagai berikut.

Besarnya tegangan permukaan suatu campuran dapat ditentukan dengan menggunakan metode cincin yaitu dengan mencelupkan cincin yang dikaitkan ke dalam cairan kemudian cincin tersebut ditarik ke atas dan dilihat skala yang tertera pada alat ukur pada saat cincin terlepas dari larutan yang diuji. Besarnya tegangan permukaan suatu campuran berbeda-beda yang dipengaruhi oleh besarnya gaya tarik menarik diantara molekul-molekulnya.Penambahan detergen dapat menurunkan tegangan permukaan cairan.

Daftar Pustaka

Brady, James. 1999. Kimia Universitas Asas dan Struktur Edisi Kelima Jilid Satu. Alih bahasa Sukmariah Maun, dkk. Jakarta: Binarupa Aksara.

Chang, Raymond. 2003. Kimia Dasar Edisi Ketiga Jilid Satu. Alih bahasa Muhamad Abdulkadir, dkk. Jakarta: Erlangga.

Lohat, Alexander. 2009. Tegangan Permukaan. Tersedia pada http://www.gurumuda.com/tegangan-permukaan/. Diakses pada 25 Mei 2010.

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga