Diagram fasa dan kesetimbangan fasa RAUDAH, ST., M. Sc

Kesetimbangan Fasa Pendahuluan Bagian sesuatu yang menjadi pusat perhatian dan dipelajari disebut sebagai sistem. Suatu sistem heterogen terdiri dari berbagai bagian yang homogen yang saling bersentuhan dengan batas yang jelas. Bagian homogen ini disebut sebagai fasa dapat dipisahkan secara mekanik.

Lanjutan… Tekanan dan temperatur menentukan keadaan suatu materi kesetimbangan fasa dari materi yang sama. Kesetimbangan fasa dari suatu sistem harus memenuhi syarat berikut : a. Sistem mempunyai lebih dari satu fasa meskipun materinya sama b. Terjadi perpindahan reversibel spesi kimia dari satu fasa ke fasa lain c. Seluruh bagian sistem mempunyai tekanan dan temperatur sama

Istilah dalam kesetimbangan Fasa Fasa (P) Sering istilah fasa diidentikkan dengan wujud atau keadaan suatu materi,misalnya es berwujud padat, air berwujud cair atau uap air yang berwujud gas. Konsep ini tidak benar karena sistem padatan dan sistem cairan dapat terdiri dari beberapa fasa. Sedangkan gas cenderung bercampur sempurna sehingga dalam sistem gas hanya terdapat satu fasa.

Fasa dapat didefinisikan sebagai setiap bagian sistem yang : a. homogen dan dipisahkan oleh batas yang jelas b. sifat fisik dan sifat kimia berbeda dari bagian sistem lain c. dapat dipisahkan secara mekanik dari bagian lain sistem itu Contoh sistem satu fasa : Dua cairan yang bercampur homogen sistem 2 fasa : cairan polar (misal air) dan non polar (misal :minyak) sistem belerang padat (monoklin dan rombik) sistem 3 fasa : es, uap air dan air

Contoh soal: Berapa fasa yang ada dalam kesetimbangan berikut? CaCO3 (s) CO2 (g) + CaO (s) Jawab: Dalam persamaan di atas, dua buah padatan mempunyai struktur yang berbeda dan dipisahkan oleh batasan yang jelas. Maka seluruhnya ada tiga fasa, yaitu dua padat dan satu gas.

Contoh soal: Sebuah gunung es mengapung di danau. Bila kita menganggap danau, gunung es, dan atmosfir sebagai satu sistem. Berapa jumlah fasa yang ada? Jawab: gunung es adalah sebuah bentuk padat dari air, danau adalah larutan air dan atmosfir terdiri dari uap air dan gas lainnya. Maka disini ada tiga fasa (padat , cair dan gas).

Komponen (C) Jumlah komponen suatu sistem dinyatakan sebagai jumlah minimum spesi kimia yang membentuk sistem tersebut yang dapat menentukan susunan setiap sistem fasa dari sistem. Contoh : H2O (g) H2O (l ) jumlah komponen C = 1 N2 (g) + 2 H2 (g) 2 NH2 (g) jumlah komponen C = 3 untuk perbandingan mol N2 dan H2 ≠ 1:3 (bila tidak berada dalam kesetimbangan) jumlah komponen C = 2 bila perbandingan mol N2 : H2 = 1 : 3 ( bila berada dalam kesetimbangan)

Contoh soal: Berapa jumlah komponen yang ada dalam kesetimbangan berikut? CaCO3 (s) CO2 (g) + CaO (s) Jawab: Dalam hal ini ada tiga zat yang berbeda secara kimiawi yaitu CaCO3 (s),CO2 (g) dan CaO (s). Tetapi sistem ini berada dalam kesetimbangan sehingga jumlah komponen menjadi dua. Hal ini di sebabkan bila komposisi kedua jenis zat adalah tetap dan tertentu, maka jenis yang ketiga secara otomatis ditetapkan.

Contoh soal: Hitunglah jumlah komponen dari Sebuah gunung es mengapung di danau. Bila kita menganggap danau, gunung es, dan atmosfir (hanya terdiri dari uap air) sebagai satu sistem. Jawab: Karena gunung es, larutan air dan uap air semua terdiri dari satu macam zat kimia, maka hanya ada satu komponen yaitu H2O.

Derajad Kebebasan (F) Derajad kebebasan (F) dari suatu sistem setimbang merupakan variabel intensif independen yang diperlukan untuk menyatakan keadaan sistem tersebut. Untuk menentukan derajad kebebasan dibutuhkan aturan fasa. Aturan Fasa Aturan fasa mengatur hubungan antara jumlah komponen, jumlah fasa dan derajad kebebasan suatu sistem. Menurut aturan fasa F = C-P+2

Contoh Soal: Dalam gelas tertutup terdapat kesetimbangan antara es dan air maka derajad kebebasan sistem tersebut : F = 1 – 2 + 2 = 1 artinya jika temperatur tertentu, maka tekanan dan komposisi tertentu.

Contoh soal: Hitunglah derajad kebebasan dalam sistem yang ada dalam kesetimbangan berikut? CaCO3 (s) CO2 (g) + CaO (s) Jawab:

Contoh soal: Hitunglah derajad kebebasan dari Sebuah gunung es mengapung di danau. Bila kita menganggap danau, gunung es, dan atmosfir (hanya terdiri dari uap air) sebagai satu sistem. Jawab

Aturan Fasa untuk satu komponen Untuk sistem 1 komponen aturan fasa berubah menjadi F= 3-P Karena fasa tidak mungkin = 0, maka derajad kebebasan maksimum adalah 2 artinya sistem 1 komponen paling banyak memiliki 2 variabel intensif untuk menyatakan keadaan sistem yaitu P (tekanan) dan T (suhu). Diagram fasa adalah diagram yang menggambarkan keadaan sistem (komponen dan fasa) yang dinyatakan dalam 2 dimensi. Dalam diagram ini tergambar sifat- sifat zat seperti titik didih, titik leleh, titik tripel.

Diagram Fasa satu komponen Sebagai contoh adalah diagram fasa 1 komponen adalah diagram fasa air. Diagram ini menggambarkan hubungan antara tekanan dan suhu pada sistem 1komponen air. Titik tripel memperlihatkan suhu dimana air mempunyai 3 fasa yaitu padat, cair dan gas.

Aturan fasa sistem dua komponen Sistem 2 komponen dapat berupa campuran dari fasa cair- gas, cair- cair, fasa padat- cair, ataupun padat- padat. Karakteristik setiap campuran sangat khas, misalnya ada sistem cair- cair yang membentuk campuran yang homogen atau 1 fasa pada segala P,T dan komposisi, tetapi ada pula yang hanya membentuk 1 fasa pada P,T atau komposisi tertentu. Diagram fasa untuk sistem dua komponen digambarkan sebagai fungsi komposisi terhadap tekanan atau komposisi terhadap suhu. Oleh sebab itu aturan fasa berubah menjadi F = C –P+1 karena salah satu variabel (P atau T) dalam keadaan konstan. Derajad kebebasan (F) menjadi = 2-P

Aturan Lever untuk fasa dua komponen Dalam diagram fasa dua komponen ada daerah dimana terdapat dua fasa, misalnya cairan-uap. v T v 0 1 T L 0 1 x Komposisi seluruh sistem yaitu dari fasa cairan dan fasa uap dapat dihitung dengan aturan lever. Prosedurnya adalah : ambillah sembarang titik misalnya ‘a’ dalam daerah dua fasa. Gambarlah suatu garis horizontal yang disebut tie line (garis pengikat), dan biarkan garis tersebut bertemu kurva kesetimbangan cair-uap cair pada l dan kurva uap-uap cair pada v. kemudian perbandingan jumlah fasa cair terhadap fasa uap di sebut sebagai n cair = av n uap al

Contoh soal: Diagram fasa cair-cair 25 g A dan 60 g B dicampur pada 25 oC, dan pada temperatur ini sistem membentuk dua fasa. Bila berat B pada fasa I 15% dan pada fasa II 80%, hitung massa tiap fasa dalam kesetimbangan. Jawab: m1 = cb (% berat dari B)2 – (% berat B)AB m2 ac (% berat B)AB - (% berat B)1 Sekarang (% berat B)AB = 60 g = 0,706 = 70,6 % 25 g + 60 g Juga m1 + m2 = 25 + 60 = 85 g m1 = 80 – 70,6 = 9,4 = 0,169 m2 70,6 – 15 55,6 m1 = 0,169 m2 0,169 m2 + m2 = 85 g m2 = 85 g = 72,79 1,169 m1 = 85 – 72,79 = 12,21 g

Contoh soal: Diagram fasa cair-cair 40 g A dan 55 g B dicampur pada 25 oC, dan pada temperatur ini sistem membentuk dua fasa. Bila berat B pada fasa I 18% dan pada fasa II 75%, hitung massa tiap fasa dalam kesetimbangan.

Hukum Roult Pada larutan ideal yang dalam keadaan seimbang antara larutan dan uapnya, maka perbandingan antara tekanan uap salah satu komponennya ( misal A) PA/PAo sebanding dengan fraksi mol komponen (XA) yang menguap dalam larutan pada suhu yang sama. Misalkan suatu larutan yang terdiri dari komponen A dan B menguap, maka tekanan uap A (PA) dinyatakan sebagai : PA = PAo. XA Dimana: PA adalah tekanan uap jenuh di atas larutan XA adalah fraksi mol komponen A PAo adalah tekanan uap A murni Larutan yang memenuhi hukum ini disebut sebagai larutan ideal. Pada kondisi ini, maka tekanan uap total (Pt) akan berharga Pt = PA + PB = XA. PA o + XB. PB

Hukum Roult lanjutan… Teori ini merupakan dasar bagi metode pemisahan kimia, misalnya destilasi untuk memurnikan atau mengisolasi suatu senyawa. Banyaknya destilat yang dihasilkan dapat dihitung dengan membandingkan antara tekanan parsial senyawa yang diinginkan dengan tekanan total campuran. Secara matematis dapat dituliskan sebagai : XA,V = PA/ Pt atau XB,V = PB/Pt (26) dengan XA,V = fraksi mol A bentuk uap PA, V = Tekanan uap parsial A Pt = tekanan total A dan B

Contoh soal: 3 mol aseton dan 2 mol kloroform dicampur pada suhu 35 oC . Tekanan uap jenuh aseton dan kloroform pada suhu tersebut adalah 360 dan 250 torr a. Bila larutan tersebut dianggap ideal, hitung tekanan uap larutan tersebut b. Bila larutan tersebut mempunyai tekanan uap sebesar 280 torr, bagaimanakah komposisi cairan awal campuran tersebut

Jawab: a. Xaseton = 3/5 = 0,6 Xklorofom = 2/5 = 0,4 Ptotal = Xaseton .Poaseton + Xklorofom Po klorofom Ptotal = 0,6 x 360 torr + 0,4 x 250 torr = 316 torr b. Ptotal = 280 torr Ptotal = Xaseton. Poaseton + Xklorofom Po klorofom Ptotal = Xasetonx 360 + (1-Xaxeton) x 250 280 = 360 Xaseton + 250 – 250 Xaseton 30 = 110 X aseton Xaseton = 30/110 = 0,273 X klorofom = 0, 727

Sistem dua komponen cair-cair missibel sebagian Campuran dua macam senyawa cair- cair kadangkala tidak menghasilkan suatu campuran yang homogen, karena kedua cairan itu tidak larut (misibel) sempurna. Dua cairan dikatakan misibel sebagian jika A larut dalam B dalam jumlah yang terbatas, dan sebaliknya.

SISTEM DUA KOMPONEN PADAT- CAIR Kesetimbangan fasa sistem 2 komponen padat- cair banyak digunakan dalam proses pembuatan logam paduan. Ada banyak macam jenis kesetimbangan dua komponen padat- cair , misalnya :  Kedua komponen misibel dalam fasa cair dan imisibel dalam fasa padat  Kedua komponen membentuk senyawa dengan titik leleh yang kongruen  Kedua komponen membentuk senyawa dengan titik leleh yang inkongruen  Kedua komponen membentuk larutan padat  Kedua komponen misibel dalam fasa cair dan misibel sebagian dalam fasa padat

Sistem 2 komponen yang kedua komponennya misibel dalam fasa cair dan imisibel dalam fasa padat Jenis kesetimbangan ini banyak dijumpai dalam kehidupan sehari- hari,misalnya ada 2 macam logam yang dalam keadaan padat tidak bercampur tetapi ketika dicairkan keduanya akan bercampur homogen membentuk 1 fasa. Diagram fasanya digambarkan seperti pada gambar 4. Titik TA dan TB adalah suhu leleh A dan B murni. Sedangkan titik E adalah titik eutektik yaitu suhu terendah dimana masih terdapat komponen cair. Sedangkan derajad kebebasan untuk setiap daerah mempunyai harga yang berbeda- beda, misalnya daerah larutan cair mempunyai fasa = 1, maka derajad kebebasan pada P tetap akan berharga F = 2

pendahuluan Diagram fasa adalah suatu grafik yang menunjukkan hubungan dari sebuah fungsi pada tekanan dan temperatur tertentu. Pada umumnya diagram fasa dibangun pada keadaan kesetimbangan (kondisinya adalah pendinginan yang sangat lambat). Diagram ini dipakai untuk mengetahui dan memprediksi banyak aspek terhadap sifat material. contoh pada saat penentuan proses perlakuan panas baik proses anil, normalizing maupun proses pengerasan.

Informasi yang dapat kita ketahui dari suatu diagram fasa adalah: 1. Memperlihatkan fasa-fasa yang terjadi pada perbedaan komposisi dan temperatur dibawah kondisi pendinginan yang sangat lambat. 2. Mengindikasikan kesetimbangan kelarutan padat satu unsur atau senyawa pada unsur lain. 3. Mengindikasikan pengaruh temperatur dimana suatu paduan dibawah kondisi kesetimbangan mulai membeku dan pada rentang temperatur tertentu pembekuan terjadi. 4. Mengindikasikan temperatur dimana perbedaan fasa-fasa mulai mencair.

Ada beberapa istilah dalam pembacaan diagram fasa diantaranya adalah : Titik Tripel Pada titik ini semua fasa berada dalam kesetimbangan temperatur dan tekanan tetap, maksudnya disini adalah titik pertemuan dimana titik potong dari garis-garis kesetimbangan antara tiga fase benda berbeda, biasanya padat, cair, dan gas. Gambar  1.1  Diagram fasa untuk air Titik tripel untuk air ada pada temperatur 0,01C dan tekanan 4,58mmHg. Titik tripel untuk air , 276.16K digunakan dalam penentuan temperatur skala kelvin.

Titik Kritik Titik kritik adalah titik dimana bagian ujung kurva tekanan dari uap air, ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase cair dan gas menjadi tidak dapat dibedakan. Yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis ada pada sekitar 647 K dan 22,064 MPa (3.200,1 psi). Gambar 1.2 Diagram fasa selain air;CO2

Beberapa istilah lain: Temperatur Kritik, Tc : Temperatur pada titik kritik. Tekanan kritik, Pc : Tekanan pada titik kritik. Pada temperatur diatas Tc, tidak mungkin untuk mencair gas, berapapun besarnya tekanan yang diberikan. Fluida superkritik adalah suatu gas yang memiliki kerapatan serupa dengan zat cair dan memiliki viskositas yang serupa dengan gas.

Kriteria kesetimbangan Kesetimbangan antara beberapa fasa dapat dinyatakan dengan besaran- besaran intensif T (suhu), P (tekanan) dan μ (potensial kimia). Kriteria suatu kesetimbangan diperlihatkan oleh perubahan energi bebas Gibbs (ΔG) yang dinyatakan melalui persamaan : dG = - SdT + VdP + iμi dni dengan potensial kimia (μ) :