SISTEM TIGA FASA
Berbagai ilmu kimia mengajarkan tentang ilmu pemisahan suatu
komponen senyawa, salah satunya adalah ekstraksi. Ekstraksi ini merupakan suatu
metoda yang didasarkan pada perbedaan kelarutan komponen campuran pada pelarut
tertentu dimana kedua pelarut tidak saling melarutkan. Apabila ada dua zat cair
dicampur dengan komposisi yang berbeda-beda maka akan ada tiga kemungkinan yang
dapat terjadi, yaitu (Ahmad, 1999) :
1.
Kedua zat dapat
tercampur dalam komponen atau komposisi
2.
Kedua zat cair
tidak dapat bercampur dengan yang lainnya atau tidak dapat bercampur sama
sekali
3.
Kedua zat dapat
tercampur dengan komposisi tertentu
Apabila suatu sistem merupakan campuran yang tidak saling bercampur
atau bercampur sebagian sehingga membentuk dua lapisan, kemudian ditambahkan
zat ketiga (pelarut) yang larut dalam campuran tersebut, maka zat/pelarut
tersebut akan terdistribusi diantara ke dua lapisan dengan perbandingan
tertentu. Didalam suatu campuran larutan akan terjadi sebuah kesetimbangan
yaitu kesetimbangan heterogen maupun homogen, baik dalam fase yang sama maupun
campuran fase yang berbeda. Jika suatu zat/pelarut ditambahkan secara terus
menerus menyebabkan komponen-komponen zatnya tida saling tercampur akibatnya
membentuk sistem tiga fasa.
Salah satu cara untuk memperlihatkan variasi kesetimbangan fase
dengan sistem komposisi digunakan diagram fase segitiga yaitu “Diagram Terner”,
berbentuk segitiga samasisi yang tiap sudut segitiganya menggambarkan suatu
komponen murni dimana kesetimbangan ini terjadi pada suhu dan tekanan yang
tetap (Alberty, 1992). Karena Diagram
fasa ini berbentuk segitiga sama sisi sehingga dapat memenuhi seluruh komponen
ini sebab jarak titik didalam segitiga sama sisi ini diukur sejajar dengan
sisi-sisinya yang sama panjangnya dengan sisi segitiga itu. Diagram terner ini juga
dapat digunakan untuk menentukan keadaan suatu zat pada suhu dan tekanan
tertentu senyawa.
Suatu fasa didefinisikan sebagai bagian sistem yang seragam atau
homogen diantara keadaan submakroskopiknya, tetapi benar-benar terpisah dari
bagian sistem yang lain oleh batasan yang jelas dan baik. Fasa dapat
didefinisikan sebagai setiap bagian sistem yang (Atkins, 2006):
a. Homogen serta dapat
dipisahkan oleh batas yang jelas
b. Sifat fisik maupun kimia
berbeda dengan sistem lain
c. Fasa daapat dipisahkan
secara mekanik dari sistem lain tersebut
Campuran dua cairan ataupun padatan yang tidak saling tercamput
atau terpisah membentuk dua lapisan umumnya sering disebut dengan campuran
heterogen. Sedangkan pada campuran gas dengan gas hanya memiliki satu fasa
yaitu homogen. Fasa sendiri didefinisikan dengan simbol P. Untuk fasa heterogen
ini biasanya terdiri dari komponen-komponen fasa homogen yang memiliki sifat
yang sangat berbeda sehingga tidak dapat bercampur. Namun, pada fasa homogen
ini dapat dipisahkan dengan cara mekanik. Dalam kesetimbangan suatu fasa
dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur dari senyawa sendiri. Suatu sistem
dapat dikatakan seimbang apabila memenuhi syarat :
1. Sistem memiliki lebih
dari satu fasa meskipun mempunyai materi yang sama
2. Terjadi perpindahan
yang sifatnya reversibel dari satu fasa ke fasa yang lain
3. Seluruh bagian sistem
ini mempunyai tekanan dan temperatur sama
Suatu sistem campuran dapat membentuk satu fasa atau lebih
tergantung pada kelarutan dari zat yang ada didalamnya. Kelarutan suatu zat merupakan
konsentrasi maksimum yang dicapai oleh zat dalam larutan tersebut.
Partikel-partikel zat terlarut baik berupa molekul maupun berupa ion selalu
berada dalam keadaan terhidrasi (terikat oleh molekul-molekul air). Makin
banyak partikel zat terlarut, maka semakin banyak juga molekul air yang
digunakan untuk menghindari partikel zat terlarut tersebut, setiap zat pelarut
memiliki perbedaan batas maksimum dalam melarutkan zat.
Sistem suatu zat merupakan kumpulan zat yang dapat diisolasikam
dari zat-zat lain dalam suatu bejana inert, sehingga dapat mengamati pengaruh
perubahan temperatur, tekanan serta konsentrasi dari suatu zat. Sedangkan komponen
adalah suatu yang ada dalam sistem tersebut, seperti zat terlarut dan pelarut
dalam senyawa. Banyaknya komponen dalam sistem adalah jumlah minimum spesies
bebas yang diperlukan untuk menentukan komposisi semua fasa yang ada dalam
sistem tersebut.
Komponen ini merupakan suatu
kumpulan zat yang biasanya terdapat di dalam suatu campuran, baik campuran yang
sifatnya cair, padat ataupun gas. Jumlah komponen – komponen dalam suatu sistem
didefinikan sebagai jumlah minimum dari “variabel bebas pilihan” yang
dibutuhkan untuk menggambarkan komposisi tiap fase dari suatu sistem. Jumlah
komponen didalam suatu campuran biasanya dilambangkan dengan C (Dogra, 2009). Sedangkan
jumlah minimum variabel intensif yang harus dipilih agar keberadaan variabel
intensif dapat ditetapkan, disebut dengan derajat kebebasan. Jumlah minimum
variabel intensif dapat berupa temperature, tekanan dan konsentrasi (Atkins,
2006). Untuk derajat kebebasan yang sifatnya invariant atau tidak bervariasi diluliskan dengan V = 0,
bila univarian dilambangkan dengan V = 1, bila bivarian dilambangkan dengan V =
2. Namun, secara umum derajat kebebasan dilambangkan dengan V atau F (Dogra,
2009).
Aturan fase gibbs memberikan suatu hubungan antar derajat kebebasan
dalam suatu sistem antara sautu komponen (C) dan fase (P). Hubungan komponen
dan fase tersebut dapat dinyatakan kedalam suatu persamaan ( Fessenden, 1999) :
V = C – P + 2 .............................................. (1)
F = C – P + 2 .............................................. (2)
dimana,
F
atau V = jumlah derajat kebebasan
C =
jumlah komponen
P =
jumlah fasa
Sedangkan menurut aturan fase gibbs, derajat kebebasan untuk sistem
tiga komponen (C = 3) dapat melalui persamaan ( Fessenden, 1999) :
F = C – P +2
= 5 – P ................................................ (3)
Sedangkan untuk
suhu dan tekanan yang tetap, sistem dengan tiga komponen akan memiliki jumlah
derajat kebebasan gibbs maksimum yang bernilai dua. Ini dikarenakan jumlah fase minimum yang tebentuk
adalah satu fase yang saling melarutkan dan homogen. Diagram fase ini digambarkan
kedalam diagram fase satu bidang, dimana dalam menggambarkan sistem tiga
komponen tersebut dapat dilakukan melalui kertas grafik segitiga atau yang
dikenal dengan istilah diagram terner. Berdasarkan teori sebelumnya
kesetimbangan fasa ini dipengaruhi oleh suhu, tekanan dan komposisi sistem.
Sehingga pada jumlah derajat kebebasan untuk sistem tiga komponen pada suhu dan
tekanan tetap dapat dinyatakan melalui persamaan(Fessenden, 1999):
F = 3
–
P...................................................(2)
Akibatnya apabila dalam sistem tersebut hanya ada satu fasa, maka
nilai derajat kebebasan bernilai dua. Sedangkan dalam sistem terdapat dua fasa
dalam kesetimbangan,maka derajat kebebasan bernilai satu. Nilai tersebut yang
menandakan jumlah suatu komponen yang dapat
ditentukan konsentrasinya. Karena sistem
tiga komponen pada suhu dan tekanan tetap tersebut memiliki nilai derajat
kebebasan paling tinggi yaitu dua, sehingga diagram fasa pada sistem tiga
komponen ini dapat tergambarkan pada satu bidang datar yang merupakan segitiga
sama sisi yang disebut dengan diagram terner.
Jumlah fasa dalam sistem tiga komponen ini tergantung pada daya
saling larut antar zat serta kalor yang
diberikan. Apabila ada tiga zat misalnya berupa zat cair A, B dan C. Pada zat A dan B dapat larut sebagian saja. Kemudian
ditambah dengan zat C kedalam campuran tersebut. Zat C ini akan memperbesar atau
memperkecil daya larut A dan B, apabila zat C ini memperbesar kelarutnya maka,
zat A dan C serta B dan C saling larut sempurna. Kelarutan cairan C dalam zat A
maupun B pada suhu yang tetap dapat digambarkan oleh diagram terner. Cara untuk
menggambarkan komposisi zat tersebut dalam diagram terner tergambarkan dalam
kedua gambar berikut (Dedi, 2011) :
Gambar 2. Diagram Terner zat
Titik A ; B ; dan C menyatakan
komponen zat murninya. Sedangkan garis Xa ; Xb ; Xc menyatakan fraksi mol dari
komponen tersebut. Fraksi mol tiga komponen dari sistem terner (C = 3) apabila
dijumlahkan akan bernilai satu (Xa + Xb + Xc = 1). Garis pada simbol Xa
merupakan campuran antara zat A dan B, Garis pada simbol Xb merupakan campuran
antara zat B dan C, sedangkan garis Xc merupakan campuran antara zat C dan A.
Satu fasa membutuhkan dua derajat kebebasan untuk menggambarkan
sistem secara sempurna, dan untuk dua fasa dalam kesetimbangan, satu derajat
kebebasan (Dogra, 2009). Fraksi mol ataupun % berat dapat menyatakan nilai dari
konsentrasi dari suatu zat. Apabila komposisi zat masing-masing dinyatakan
dalam bentuk % berat, untuk menghitung berat dari zatnya perlu mengetahui massa
jenis dari tiap zat nya. Sehingga dapat diketahui melalui persamaan berikut.
m = ρ X V............................................(3)
keterangan :
m = massa
ρ = massa
jenis
V = volume
Metode lain yang dapat digunakan untuk memisahkan campuran yang
terdiri dari dua cairan yang tidak larut sempurna yaitu dengan metode titrasi.
Prinsip kerja diagram terner yaitu pemisahan suatu campuran yang terdiri dari
dua komponen yang saling melarut sempurna. Campuran akan berubah menjadi keruh
apabila zat telah terpisah dan membentuk dua lapisan (Fessenden, 1999). Diagram
terner yang menggambarkan sistem tiga koponen secara umum terlihat seperti
berikut :
Gambar 3. Diagram Fasa Sistem Tiga Komponen
Sebagai contoh untuk diagram tiga fasa yakni pada senyawa NH4Cl
dengan (NH4)2SO yang ditambah dengan air terus menerus sehingga membentuk tiga
fasa. Hal ini terjadi karena zat
terlarut mempengaruhi kelarutan zat terlarut lainnya. Selain itu, terjadi setting-out yang mengakibatkan
berkurangnya kelarutan dari gas ( maupun zat bukan-ion lainnya) di dalam air
apabila suatu garam sebagai zat terlarut ditambahkan. Sedangkan pada setting-in
dapat juga terjadi, dimana sistem terner ini lebih pekat atau memiliki air yang
lebih sedikit dari pada sistem sebelumnya. Garam tersebut juga mempengaruhi
kelarutan elektrolit lain dan dapat digambarkan dengan diagram ternet berikut.
Gambar 4. Diagram fasa, pada temperatur dan tekanan tetap untuk
sistem terner NH4Cl / (NH4)2SO4
Daftar
Pustaka
Ahmad,
Hiskia.2001. Kimia Larutan. Bandung: Cintra Aditya Bakti.
Atkins,P.W.2006.
Kimia Fisika.Jakarta: Erlangga.
Dedi.
2011. Kimia Fisika Terapan II. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.
Dogra,
S.K.2009. Kimia Fisika dan Soal-soal.Jakarta: UI-Press.
Fessenden.
1999. Kimia Organik. Jakarta : Erlangga.
No comments:
Post a Comment