Sampai di sini, yang telah dibahas adalah, cairan satu komponen,
yakni cairan murni. Fasa cair yang berupa sistem dua atau multi
komponen, yakni
larutan juga sangat penting. Larutan terdiri atas cairan yang melarutkan zat (
pelarut) dan zat yang larut di dalamnya (
zat terlarut). Pelarut tidak harus cairan, tetapi dapat berupa padatan atau gas asal dapat melarutkan zat lain. Sistem semacam ini disebut
sistem dispersi. Untuk sistem dispersi, zat yang berfungsi seperti pelarut disebut
medium pendispersi, sementara zat yang berperan seperti zat terlarut disebut dengan
zat terdispersi (dispersoid).
Baik
pada larutan ataupun sistem dispersi, zat terlarut dapat berupa
padatan, cairan atau gas. Bahkan bila zat terlarut adalah cairan, tidak
ada kesulitan dalam membedakan peran pelarut dan zat terlarut bila
kuantitas zat terlarut lebih kecul dari pelarut. Namun, bila kuantitas
zat terlarut dan pelarut, sukar untuk memutuskan manakah pelarut mana
zat terlarut. Dalam kasus yang terakhir ini, Anda dapat sebut komponen
1, komponen 2, dst.
a. Konsentrasi
Konsentrasi larutan didefinisikan dengan salah satu dari ungkapan berikut:
Ungkapan konsentrasi
- persen massa (%) =(massa zat terlarut/ massa larutan) x 100
- molaritas (konsentrasi molar) (mol dm-3) =(mol zat terlarut)/(liter larutan)
- molalitas (mol kg-1) =(mol zat teralrut)/(kg pelarut)
Contoh soal
Hitung jumlah perak nitrat AgNO
3 yang diperlukan untuk membuat 0,500 dm
3 larutan 0,150 mol.dm
-3, asumsikan massa molar AgNO
3 adalah 170 g mol
-1.
Jawab
Bila jumlah perak nitrat yang diperlukan x g, x = [170 g mol
-1 x 0,500 (dm
3) x 0,150 (mol dm
-3)]/[1 (dm
3) x 1 (dm
3)]
∴x = 12,8 mg.
b. Tekanan uap
Tekanan
uap cairan adalah salah satu sifat penting larutan. Tekanan uap larutan
juga penting dan bermanfaat untuk mengidentifikasi larutan. Dalam hal
sistem biner, bila komponennya mirip ukuran molekul dan kepolarannya,
misalnya benzen dan toluen, tekanan uap larutan dapat diprediksi dari
tekanan uap komponennya. Hal ini karena sifat tekanan uap yang aditif.
Bila larutan komponen A dan komponen B dengan fraksi mol masing-masing
adalah x
A dan x
B berada dala kesetimbangan dengan
fasa gasnya tekanan uap masing-masing komponen sebanding dengan fraksi
molnya dalam larutan. Tekanan uap komponen A, p
A,diungkapkan sebagai:
pA = pA0 xA … (7.2)
p
A0 adalah tekanan uap cairan A murni pada suhu yang sama. Hubungan yang mirip juga berlaku bagi tekanan uap B, p
B. Hubungan ini ditemukan oleh kimiawan Perancis Francois Marie Raoult (1830-1901) dan disebut dengan
hukum Raoult.
Untuk larutan yang mengikuti hukum Raoult, interaksi antara molekul
individual kedua komponen sama dengan interaksi antara molekul dalam
tiap komponen. Larutan semacam ini disebut
larutan ideal.
Gambar 7.6 menunjukkan tekanan uap larutan ideal sebagai fungsi
konsentrasi zat teralrut. Tekanan total campuran gas adalah jumlah p
A dan p
B, masing-masing sesuai dengan hukum Raoult.
Gambar 7.6 Tekanan total dan parsial larutan ideal.
Contoh soal 7.3
Tekanan
uap cairan A dan B adalah 15 Torr dan 40 Torr pada 25°C. tentukan
tekanan uap larutan ideal yang terdiri atas 1 mol A dan 5 mol of B.
Jawab
p
A = p
A0 x
A = 15 x (1/6) = 2,5 Torr
p
B = p
B0 x
B = 40 x (5/6) = 33,3 Torr P = p
A + p
B = 35,8 Torr
c. Larutan ideal dan nyata
Sebagaimana
juga perilaku gas nyata berbeda dengan perilaku gas ideal, perilaku
larutan nyata berebeda dengan perilaku larutan ideal, dengan kata lain
berbeda dari hukum Raoult. Gambar 7.7(a) menunjukkan kurva tekanan uap
sistem biner dua cairan yang cukup berbeda polaritasnya, aseton Me
2CO dan karbon disulfida CS
2.
Dalam hal ini, penyimpangan positif dari hukum Raoult (tekanan uap
lebih besar) diamati. Gambar 7.7(b) menunjukkan tekanan uap sistem biner
aseton dan khloroform CHCl
3. Dalam kasus ini, penyimpangan
negatif dari hukum Raoult diamati. Garis putus-putus menunjukkan
perilaku larutan ideal. Peilaku larutan mendekati ideal bila fraksi mol
komponen mendekati 0 atau 1. Dengan menjauhnya fraksi mol dari 0 atau 1,
penyimpangan dari ideal menjadi lebih besar, dan kurva tekanan uap akan
mencapai minimum atau maksimum.
Gambar 7.7 Tekanan total dan parsial larutan nyata (25°C).
Penyebab
penyimpangan dari perilaku ideal sebagian besar disebabkan oleh
besarnya interaksi molekul. Bila pencampuran komponen A dan B
menyebabkan absorpsi kalor dari lingkungan (endoterm), interaksi molekul
antara dua komponen lebih kecil daripada pada masing-masing komponen,
dan penyimpangan positif dari hukum Raoult akan terjadi. Sebaliknya,
bila pencampuran menghasilkan kalor ke lingkungan (eksoterm),
penyimpangan negatif akan terjadi.
Bila ikatan hidrogen terbentuk
antara komponen A dan komponen B, kecenderungan salah satu komponen
untuk meninggalkan larutan (menguap) diperlemah, dan penyimpangan
negatif dari hukum Raoult akan diamati. Kesimpulannya, penyebab
penyimpangan dari hukum Raoult sama dengan penyebab penyimpangan dari
hukum gas ideal.
d. Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku
Bila
dibandingkan tekanan uap larutan pada suhu yang sama lebih rendah dari
tekanan uap pelarutnya. Jadi, titik didih normal larutan, yakni suhu
saat fasa gas pelarut mencapai 1 atm, harus lebih tinggi daripada titik
didih pelarut. Fenomena ini disebut dengan kenaikan titik didih larutan.
Dengan menerapkan hukum Raoult pada larutan ideal, kita dapat memperoleh hubungan berikut:
pA = pA0 xA = pA0 [nA /(nA + nB)] …. (7.3)
(pA0- pA)/ pA0 = 1 – xA = xB … (7.4)
x
A dan x
B adalah fraksi mol, dan n
A dan n
B
adalah jumlah mol tiap komponen. Persamaan ini menunjukkan bahwa, untuk
larutan ideal dengan zat terlarut tidak mudah menguap, penurunan
tekanan uap sebanding dengan fraksi mol zat terlarut.
Untuk larutan encer, yakni n
A + n
B hampir sama dengan n
A, jumlah mol n
B dan massa pada konsentrasi molal m
B diberikan dalam ungkapan.
xB = nB/(nA + nB) = nB/nA= nB/(1/MA) = MAmB … (7.5)
M
A adalah massa molar pelarut A. Untuk larutan encer, penurunan tekanan uap sebanding dengan m
B, massa konsentrasi molal zat terlarut B.
Perbedaan titik didih larutan dan pelarut disebut dengan kenaikan titik didih,
T
b. Untuk larutan encer, kenaikan titik didih sebanding dengan massa konsentrasi molal zat terlarut B.
T
b = K
b m
B … (7.6)
Tetapan kesebandingan K
b khas untuk setiap pelarut dan disebut dengan
kenaikan titik didih molal.
Hubungan
yang mirip juga berlaku bila larutan ideal didinginkan sampai membeku.
Titik beku larutan lebih rendah dari titik beku pelarut. Perbedaan
antara titik beku larutan dan pelarut disebut penurunan titik beku,
T
f. Untuk larutan encer penurunan titik beku akan sebanding dengan konsentrasi molal zat terlarut m
B
T
f = K
f m
B … (7.7)
Tetapan kesebandingannya K
b khas untuk tiap pelarut dan disebut dengan penurunan titik beku molal.
Tabel 7.3 Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal.
pelarut | titik didih (°C) | Kb | pelarut | titik beku (°C) | Kf |
CS2 | 46 | 2.40 | H2O | 0 | 1.86 |
aseton 55,9 | 1,69 | benzen | 5,1 | 5,07 | |
benzen | 79,8 | 2,54 | asam asetat | 16,3 | 3,9 |
H2O | 100 | 0,51 | kamfer | 180 | 40 |
Di
Tabel 7.3 beberapa nilai umum kenaikan titik didih dan penurunan titik
beku molal diberikan. Dengan menggunakan nilai ini dan persamaan 7.6 dan
7.7 dimungkinkan untuk menentukan massa molar zat terlarut yang belum
diketahui. Kini, penentuan massa molekul lebih mudah dilakukan dengan
spektrometer massa. Sebelum spektrometer massa digunakan dengan rutin,
massa molekul umumnya ditentukan dengan menggunakan kenaikan titik didih
atau penurunan titik beku. Untuk kedua metoda, derajat kesalahan
tertentu tak terhindarkan, dan keterampilan yang baik diperlukan agar
didapatkan hasil yang akurat.
Contoh soal 7.4 Penentuan massa molekul dengan metoda penurunan titik beku.
Larutan dalam air terdiri atas 100 g H
2O
dan 5,12 g zat A (yang massa molekulnya tidak diketahui) membeku pada
-0,280°C. Dengan menggunakan data di Tabel 7.3, tentukan massa molar A.
Jawab
Massa molar A andaikan M. Dengan menggunakan persamaan 7.7, M dapat ditentukan dengan
0,280 = Kf x (m/M) x (1/W) = 1,86 x (5,12/M) x (1/0,11)
∴ M = 340 g mol
-1.
e. Tekanan osmosis
Membran
berpori yang dapat dilalui pelarut tetapi zat terlarut tidak dapat
melaluinya disebut dengan membran semipermeabel. Bila dua jenis larutan
dipisahkan denga membran semipermeabel, pelarut akan bergerak dari sisi
konsentrasi rendah ke sisi konsentrasi tinggi melalui membran. Fenomena
ini disebut osmosis. Membran sel adalah contoh khas membran
semipermeabel. Membran semipermeabel buatan juga tersedia.
Bila
larutan dan pelarut dipisahkan membran semipermeabel, diperlukan tekanan
yang cukup besar agar pelarut bergerak dari larutan ke pelarut. Tekanan
ini disebut dengan tekanan osmosis. Tekanan osmosis larutan 22,4 dm
3 pelarut dan 1 mol zat terlarut pada 0 °C adalah 1,1 x 10
5 N m
-2.
Hubungan antara konsentrasi dan tekanan osmoisi diberikan oleh hukum van’t Hoff’s.
πV = nRT … (7.8)
π
adalah tekanan osmosis, V volume, T temperatur absolut, n jumlah zat
(mol) dan R gas. Anda dapat melihat kemiripan formal antara persamaan
ini dan persamaan keadaan gas. Sebagaimana kasus dalam persamaan gas,
dimungkinkan menentukan massa molekular zat terlarut dari hubungan ini.
Contoh soal 7.5 hukum van’t Hoff
Tekanan osmosis larutan 60,0 g zat A dalam 1,00 dm
3 air adalah 4,31 x 10
5 Nm
–2. Tentukan massa molekul A.
Jawab
Dengan menggunakan hubungan πV = nRT
4,31 x 10
5 (N m
-2) x 1,00 x 10
-3 (m
3) = [60,0 (g) x 8,314 (J mol
-1 K
-1) x 298 (K)]/M (g mol
–1)
∴ M = 345 (g mol
-1)
f. Viskositas
Gaya
tarik menarik antarmolekul yang besar dalam cairan menghasilkan
viskositas yang tinggi. Koefisien viskositas didefinisikan sebagai
hambatan pada aliran cairan. Gas juga memiliki viskositas, tetapi
nilainya sangat kecil. Dalam kasus tertentu viskositas gas memiliki
peran penting, misalnya dalam peawat terbang.
Viskositas
- Viskositas
cairan yang partikelnya besar dan berbentuk tak teratur lebih tinggo
daripada yang partikelnya kecil dan bentuknya teratur.
- Semakin tinggi suhu cairan, semakin kecil viskositasnya.
Dua
poin ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik. Tumbukan antara
partikel yang berbentuk bola atau dekat dengan bentuk bola adalah
tumbukan elastik atau hampir elastik. Namun, tumbukan antara partikel
yang bentuknya tidak beraturan cenderung tidak elastik. Dalam tumbukan
tidak elastik, sebagian energi translasi diubah menjadi energi vibrasi,
dan akibatnya partikel menjadi lebih sukar bergerak dan cenderung
berkoagulasi. Efek suhu mirip dengan efek suhu pada gas.
Koefisien viskositas juga kadang secara singkat disebut dengan viskositas dan diungkapkan dalam N s m
-2
dalam satuan SI. Bila sebuah bola berjari-jari r bergerak dalam cairan
dengan viskositas ηdengan kecepatan U, hambatan D terhadap bola tadi
diungkapkan sebagai.
D = 6πhrU … (7.9)
Hubungan ini (hukum Stokes) ditemukan oleh fisikawan Inggris Gabriel Stokes (1819-1903).
g. Tegangan permukaan
Tegangan permukaan
juga merupakan sifat fisik yang berhubungan dengan gaya antarmolekul
dalam cairan dan didefinisikan sebagai hambatan peningkatan luas
permukaan cairan. Awalnya tegangan permukaan didefinisikan pada
antarmuka cairan dan gas. Namun, tegangan yang mirip juga ada pada
antarmuka cairan-cairan, atau padatan dan gas. Tegangan semacam ini
secara umum disebut dengan
tegangan antarmuka. Tarikan
antarmolekul dalam dua fas dan tegangan permukaan di antarmuka antara
dua jenis partikel ini akan menurun bila tempeartur menurun. Tegangan
antarmuka juga bergantung pada struktur zat yang terlibat. Molekul dalam
cairan ditarik oleh molekul di sekitarnya secara homogen ke segala
arah. Namun, molekul di permukaan hanya ditarik ke dalam oleh molekul
yang di dalam dan dengan demikian luas permukaan cenderung berkurang.
Inilah asal mula teori tegangan permukaan. Bentuk tetesan keringat
maupun tetesan merkuri adalah akibat adanya tegangan permukaan.
Cairan
naik dalam kapiler, fenomena kapiler, juga merupakan fenomena terkenal
akibat adanya tegangan permukaan. Semakin besar tarikan antar molekul
cairan dan kapilernya, semakin besar daya basah cairan. Bila gaya
gravitasi pada cairan yang naik dan tarikan antara cairan dan dinding
kapiler menjadi berimbang, kenaikan akan terhenti. Tegangan permukaan γ
diungkapkan sebagai.
γ = rhdg/2 …. (7.10)
h
adalah tinggi kenaikan cairan, r radius kapiler dan g percepatan
gravitasi. Jadi, tegangan permukaan dapat ditentukan dengan percobaan.
Latihan