XII. KESETIMBANGAN FASE

Proses-proses kesetimbangan Distilasi : kesetimbangan antara fase uap-cair Ekstraksi : kesetimbangan yang terjadi pada reaksi kimia dua arah (bolak-balik)

Peubah-peubah proses kesetimbangan Single component : T,P, “thermodynamic properties” (S,H,G, . . .) Multi component : T,P,S,H,G,. . . . dan komposisi (x)

Untuk menyelesaikan proses proses kesetimbangan dipakai sudut pandang termodinamika. Menentukan komposisi kesetimbangan (x) masing masing fase yang setimbang pada kondisi kesetimbangan (T,P tertentu) Mencari kondisi kesetimbangan (T,P) untuk mendapatkan komposisi yang diinginkan.

Kriteria kesetimbangan Terdapat driving forces yang menyebabkan terjadinya perubahan. Oleh Gibbs sebagai driving forces adalah potensial kimia (µ) µ = free energy Gibbs tiap mole gas = G/n Sehingga dapat dituliskan :

1. Untuk proses kesetimbangan fisis Misal kesetimbangan fase, maka kesetimbangannya ditandai dengan : 𝜇 𝑘 (1) = 𝜇 𝑘 (2) = 𝜇 𝑘 (3) k = komponen tertentu yang terdapat didalam masing-masing fase (1), (2) atau (3) yang setimbang satu dengan lainnya.

2. Untuk proses kesetimbangan kimia (Misal reaksi kimia bolak balik, maka kesetimbangan ditandai : ∆𝐺= ∆𝐹=0)

Didalam multi component system G, µ dinyatakan dalam nilai parsiilnya 𝐺 . 𝑘 = 𝜕𝐺 𝜕 𝑛 𝑘 . 𝑇,𝑃,𝑛 𝜇 𝑘 = 𝜕𝐺 𝜕 𝑛 𝑘 . 𝑇,𝑃,𝑛 𝜇 𝑘 = 𝐺 . 𝑘

Fugasitas Dalam praktek 𝜇 𝑘 sukar diamati sehingga diperlukan kriteria kesetimbangan yang mudah dievaluasi yaitu dengan fugasitas (f) 𝑑𝜇=−𝑆𝑑𝑇+𝑉𝑑𝑝 Untuk suhu tetap, dT=0 𝑑 𝜇 𝑇 =𝑉𝑑𝑝 𝑑𝜇 𝑑𝑃 . 𝑇 =𝑉

Untuk gas ideal 𝑑 𝜇 𝑇 =𝑉𝑑𝑃= 𝑅𝑇 𝑃 𝑑𝑃 𝑑 𝜇 𝑇 =𝑅𝑇(𝑙𝑛𝑃) 𝜇 𝑇 =𝑅𝑇 𝑙𝑛𝑃+𝜃

Untuk gas sejati G.N. Lewis mengusulkan 𝜇 𝑇 =𝑅𝑇𝑙𝑛𝑓+𝜃 f = fugasitas 𝜃 = tetapan yang harganya tergantung suhu pada keadaan setimbang.

Menghitung f untuk gas 1. Dengan residual volume (α) 𝛼= 𝑉 𝑔𝑎𝑠 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 − 𝑉 𝑔𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑗𝑎𝑡𝑖 Gas ideal 𝑑 𝜇 𝑇 = 𝑉 𝑖 𝑑𝑃=𝑅𝑇𝑑(𝑙𝑛𝑃) 𝑑 𝑙𝑛𝑃 = 𝑉 𝑖 𝑅𝑇 𝑑𝑃

Gas sejati 𝑑 𝜇 𝑇 =𝑉𝑑𝑃=𝑅𝑇𝑑(𝑙𝑛𝑓) 𝑑 𝑙𝑛𝑓 = 𝑉 𝑅𝑇 𝑑𝑃 Sehingga : 𝑑 𝑙𝑛𝑓 −𝑑 𝑙𝑛𝑃 = 𝑉− 𝑉 𝑖 𝑅𝑇 𝑑𝑃 𝑃=0 𝑃=𝑃 𝑑 𝑙𝑛 𝑓 𝑃 = 1 𝑅𝑇 𝑃=0 𝑃=𝑃 (𝑉− 𝑉 𝑖 ) 𝑑𝑃

𝑙𝑛 𝑓 𝑃 −𝑙𝑛 𝑃 𝑃 = 1 𝑅𝑇 𝑃=0 𝑃=𝑃 (𝑉− 𝑉 𝑖 ) 𝑑𝑃 Untuk P 0 : f=P 𝑙𝑛 𝑓 𝑃 = 1 𝑅𝑇 0 𝑃 (𝑉− 𝑉 𝑖 ) 𝑑𝑃 𝑙𝑛 𝑓 𝑃 =− 1 𝑅𝑇 0 𝑃 ( 𝑉 𝑖 −𝑉) 𝑑𝑃

𝑙𝑛 𝑓 𝑃 =− 1 𝑅𝑇 0 𝑃 𝛼 𝑑𝑃 dimana : 𝛼= 𝑉 𝑖 −𝑉= 𝑅𝑇 𝑃 −𝑉

α=(RT/P-V) luas= 0 P

2. Dengan faktor kompresibilitas (Z) Persamaan keadaan gas : PV=ZRT (untuk 1 mol gas) 𝑍= 𝑃𝑉 𝑅𝑇 𝑉= 𝑅𝑇 𝑃 𝑍

sehingga 𝑙𝑛 𝑓 𝑃 =− 1 𝑅𝑇 0 𝑃 ( 𝑉 𝑖 −𝑉) 𝑑𝑃 𝑙𝑛 𝑓 𝑃 =− 1 𝑅𝑇 0 𝑃 𝑅𝑇 𝑃 − 𝑅𝑇 𝑃 𝑍 𝑑𝑃 𝑙𝑛 𝑓 𝑃 =− 0 𝑃 1−𝑍 𝑃 𝑑𝑃

Hubungan Z,Pr pada fig 4-4 1,0 Tr Z Pr

𝑙𝑛 𝑓 𝑃 =− 0 𝑃𝑟 1−𝑍 𝑃𝑟 𝑑𝑃𝑟 𝑃𝑟= 𝑃 𝑃𝑐 Pr=tekanan tereduksi Pc=tekanan kritis Pr Tr Z

(1-Z/Pr) luas= Pr

Kemudian dibuat diagram : Fig 12-1,Fig 12-2 1,0 Tr f/P=Ø Ø= koefisien fugasitas Pr

Kesetimbangan cairan dengan uap Kesetimbangan ini terjadi pada T dan P tertentu Kesetimbangan cairan dengan uap ada beberapa kemungkinan :

1. Cairan ideal dan gas ideal 𝑓 𝑙= 𝑓 𝑣= 𝑃 fugasitas parsiel 𝑋 𝑓 𝑙 𝑜 =𝑋 𝑃 𝑜 =𝑦𝑃 𝑓 𝑙 𝑜 = 𝑃 𝑜 =𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑢𝑎𝑝 𝑚𝑢𝑟𝑛𝑖 𝑧𝑎𝑡=𝑓 𝑇 Dicari pada tabel Perry 𝑋 𝑃 𝑜 =𝑦𝑃 𝑦 𝑋 = 𝑃 𝑂 𝑝 =𝐾 𝑃 𝑂 =f(T) K= Konstante kesetimbangan fase

2. Cairan non ideal dan gas ideal 𝑓 𝑙= 𝑓 𝑣= 𝑃 𝑓 𝑙 𝑜 = 𝑃 𝑜 Maka : 𝜕𝑋 𝑃 𝑜 =𝑦𝑃 𝑦 𝑋 = 𝜕𝑃 𝑂 𝑝 =𝐾 𝜕=koefisien aktivitas 𝜕=f(X,T) 𝜕 biasanya dicari dengan percobaan

3. Cairan ideal dan gas sejati 𝑓 𝑙= 𝑓 𝑣 𝑋 𝑃 𝑜 =𝑦𝑓 𝑓 𝑃 =∅→𝑓=∅𝑃 f=fugasitas Maka : 𝑋 𝑃 𝑜 =𝑦∅𝑃 𝑦 𝑋 = 𝑃 𝑂 ∅𝑝 =𝐾 ∅=koefisien fugasitas , dicari pada fig 12-1, 12-2 𝑃 𝑜 =tekanan uap murni, dicari pada tabel Perry

4.Cairan non ideal dan gas sejati 𝑓 𝑙= 𝑓 𝑣 𝜕𝑋 𝑃 𝑜 =𝑦∅𝑃 𝑦 𝑋 = 𝜕𝑃 𝑂 ∅𝑝 =𝐾

Harga K dicari dengan : Menghitung Percobaan Khusus Hidrokarbon tersedia Nomograph De Priester