KESETIMBANGAN FASA

KESETIMBANGAN FASA FASA

Fasa adalah bagian sistem dengan komposisi kimia dan sifat – sifat fisik seragam, yang terpisah dari bagian sistem lain oleh suatu bidang batas. Pemahaman perilaku fasa mulai berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Untuk sistem satu komponen, persamaan Clausius dan Clausisus – Clapeyron menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dengan perubahan suhu. Sedangkan pada sistem dua komponen, larutan ideal mengikuti hukum Raoult. Larutan non elektrolit nyata real  real ! akan mengikuti hukum "enry. Sifat Sifat – sifat koligatif dari larutan dua komponen akan dibahas pada bab ini. 1. Sistem Satu Komponen 1.1. Aturan Fasa Gibbs

Pada tahun #$%&, Gibbs menurunkan hubungan sederhana antara 'umlah fasa setimbang, 'umlah komponen, dan 'umlah besaran intensif bebas yang dapat melukiskan keadaan sistem se(ara lengkap. )enurut Gibbs,

dimana

* + dera'at kebebasan

( + 'umlah komponen  p + 'umlah fasa  + 'umlah besaran b esaran intensif yang mempengaruhi sistem P, P, -! Derajat kebebasan  suatu sistem adalah bilangan terke(il yang menun'ukkan 'umlah ariabel  bebas suhu, tekanan, konsentrasi komponen – komponen! yang harus diketahui untuk menggambarkan keadaan sistem. Untuk /at murni, diperlukan hanya dua ariabel untuk menyatakan keadaan, yaitu P dan -, atau P dan 0, atau - dan 0. 0ariabel ketiga dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan gas ideal. Sehingga, sistem yang terdiri dari satu gas atau (airan ideal mempunyai dera'at kebebasan dua * + 1!.

2ila suatu /at berada dalam kesetimbangan, 'umlah komponen yang diperlukan untuk menggambarkan sistem akan berkurang satu karena dapat dihitung dari konstanta

kesetimbangan. )isalnya pada reaksi penguraian "13.

4engan menggunakan perbandingan pada persamaan 5.1, salah satu konsentrasi /at akan dapat ditentukan bila nilai konstanta kesetimbangan dan konsentrasi kedua /at lainnya diketahui. 6ondisi fasa – fasa dalam sistem satu komponen digambarkan dalam diagram fasa yang merupakan plot kura tekanan terhadap suhu. Gambar 1. Diagram fasa air paa tekanan rena!

-itik 7 pada kura menun'ukkan adanya kesetimbangan antara fasa – fasa padat, (air dan gas. -itik ini disebut sebagai titik tripe" . Untuk menyatakan keadaan titik tripel hanya dibutuhkan satu ariabel sa'a yaitu suhu atau tekanan. Sehingga dera'at kebebasan untuk titik tripel adalah nol. Sistem demikian disebut sebagai sistem in#arian . 1.$. Keberaaan Fasa % Fasa a"am Sistem Satu Komponen

Perubahan fasa dari padat ke (air dan selan'utnya men'adi gas pada tekanan tetap! dapat dipahami dengan melihat kura energi bebas Gibbs terhadap suhu atau potensial kimia terhadap suhu.

kesetimbangan. )isalnya pada reaksi penguraian "13.

4engan menggunakan perbandingan pada persamaan 5.1, salah satu konsentrasi /at akan dapat ditentukan bila nilai konstanta kesetimbangan dan konsentrasi kedua /at lainnya diketahui. 6ondisi fasa – fasa dalam sistem satu komponen digambarkan dalam diagram fasa yang merupakan plot kura tekanan terhadap suhu. Gambar 1. Diagram fasa air paa tekanan rena!

-itik 7 pada kura menun'ukkan adanya kesetimbangan antara fasa – fasa padat, (air dan gas. -itik ini disebut sebagai titik tripe" . Untuk menyatakan keadaan titik tripel hanya dibutuhkan satu ariabel sa'a yaitu suhu atau tekanan. Sehingga dera'at kebebasan untuk titik tripel adalah nol. Sistem demikian disebut sebagai sistem in#arian . 1.$. Keberaaan Fasa % Fasa a"am Sistem Satu Komponen

Perubahan fasa dari padat ke (air dan selan'utnya men'adi gas pada tekanan tetap! dapat dipahami dengan melihat kura energi bebas Gibbs terhadap suhu atau potensial kimia terhadap suhu.

Gambar $. Kebergantungan energi Gibbs paa fasa % fasa paat& 'air an gas ter!aap su!u paa tekanan tetap

Lereng garis energi Gibbs ketiga fasa pada gambar 5.1. mengikuti persamaan

 8ilai entropi S! adalah positif. -anda -anda negatif mun(ul karena arah lereng yang turun. Sehingga, dapat disimpulkan bah9a Sg : Sl : Ss. 1.(. )ersamaan *"ape+ron

2ila dua fasa dalam sistem satu komponen berada dalam kesetimbangan, kedua fasa tersebut mempunyai energi Gibbs molar yang sama. Pada sistem yang memiliki fasa ; dan !

?ika tekanan dan suhu diubah dengan tetap men'aga kesetimbangan, maka dG; + dG< ========== ================ ======

4engan menggunakan hubungan )aA9ell, didapat

5.@!

6arena

maka Persamaan 5.#B disebut sebagai Persamaan *"ape+ron , yang dapat digunakan untuk menentukan entalpi penguapan, sublimasi, peleburan, maupun transisi antara dua padat. ntalpi sublimasi, peleburan dan penguapan pada suhu tertntu dihubungkan dengan persamaan

1.,. )ersamaan *"ausius % *"ape+ron

Untuk peristi9a penguapan dan sublimasi, Clausius menun'ukkan bah9a persamaan Clapeyron dapat disederhanakan dengan mengandaikan uapnya mengikuti hukum gas ideal dan mengabaikan olume (airan 0l! yang 'auh lebih ke(il dari olume uap 0g!.

2ila maka persamaan 5.#B men'adi

Persamaan 5.#$ disebut )ersamaan *"ausius % *"ape+ron . 4engan menggunakan persamaan di atas, kalor penguapan atau sublimasi dapat dihitung dengan dua tekanan pada dua suhu yang  berbeda. 2ila entalpi penguapan suatu (airan tidak diketahui, harga pendekatannya dapat diperkirakan dengan menggunakan Aturan Trouton , yaitu

$. Sistem Dua Komponen $.1. Kesetimbangan -ap % *air ari *ampuran Iea" Dua Komponen

?ika (ampuran dua (airan nyata real ! berada dalam kesetimbangan dengan uapnya pada suhu tetap, potensial kimia dari masing – masing komponen adalah sama dalam fasa gas dan (airnya.

?ika uap dianggap sebagai gas ideal, maka

dimana Po adalah tekanan standar # bar!. Untuk fasa (air,

Persamaan 5.1B dapat ditulis men'adi

4ari persamaan 5.15 dapat disimpulkan bah9a

Persamaan 5.1@ menyatakan bah9a bila uap merupakan gas ideal, maka aktifitas dari komponen i pada larutan adalah perbandingan tekanan parsial /at i di atas larutan Pi ! dan tekanan uap murni dari /at i Pio!. Pada tahun #$$>, Raoult mengemukakan hubungan sederhana yang dapat digunakan untuk memperkirakan tekanan parsial /at i di atas larutan Pi ! dari suatu komponen dalam larutan. )enurut Raoult,

Pernyataan ini disebut sebagai ukum /aou"t , yang akan dipenuhi bila komponen – komponen dalam larutan mempunyai sifat yang mirip atau antaraksi antar larutan besarnya sama dengan interaksi di dalam larutan 7 – 2 + 7 – 7 + 2 – 2!. Campuran yang demikian disebut sebagai 'ampuran iea"& (ontohnya (ampuran ben/ena dan toluena. Campuran ideal memiliki sifat – sifat D"miA + B D0miA + B DSmiA + – R Eni ln Ai -ekanan uap total di atas (ampuran adalah

6arena A1 + # – A#, maka

Persamaan di atas digunakan untuk membuat garis titik ge"embung  bubble point line !. 4i atas garis ini, sistem berada dalam fasa (air. 6omposisi uap pada kesetimbangan ditentukan dengan (ara

6eadaan (ampuran ideal yang terdiri dari dua komponen dapat digambarkan dengan kura tekanan tehadap fraksi mol berikut.

Gambar (. Tekanan tota" an parsia" untuk 'ampuran ben0ena % to"uena paa 2 o* Gambar ,. Fasa 'air an uap untuk 'ampuran ben0ena % to"uena paa 2 o* Garis titik embun  dew point line ! dibuat dengan menggunakan persamaan

4i ba9ah garis ini, sistem setimbang dalam keadaan uap. Pada tekanan yang sama, titik – titik pada garis titik gelembung dan garis titik embun dihubungkan dengan garis horisontal yang disebut tie line lihat gambar 5.>!. ?ika diandaikan fraksi mol toluena adalah x, maka 'umlah /at yang berada dalam fasa (air adalah

Sedangkan 'umlah /at yang berada dalam fas uap adalah

Penentuan 'umlah /at pada kedua fasa dengan menggunakan persamaan 5.5# dan 5.51 disebut sebagai Lever Rule. (.$.$. Tekanan -ap *ampuran Non Iea"

-idak semua (ampuran bersifat ideal. Campuran – (ampuran non ideal ini mengalami  penyimpangan  deiasi dari hukum Raoult. -erdapat dua ma(am penyimpangan hukum Raoult, yaitu #. Penyimpangan positif  Penyimpangan positif hukum Raoult ter'adi apabila interaksi dalam masing – masing /at lebih kuat daripada antaraksi dalam (ampuran /at  7 – 7, 2 – 2 : 7 – 2!. Penyimpangan ini menghasilkan entalpi (ampuran D"miA! positif bersifat endotermik! dan mengakibatkan ter'adinya penambahan olume (ampuran D0miA : B!. Contoh penyimpangan positif ter'adi pada (ampuran etanol dan n – hekasana.

Gambar 3. )en+impangan positif !ukum /aou"t

#. Penyimpangan negatif  Penyimpangan negatif hukum Raoult ter'adi apabila antaraksi dalam (ampuran /at lebih kuat daripada interaksi dalam masing – masing /at  7 – 2 : 7 – 7, 2 – 2!. Penyimpangan ini menghasilkan entalpi (ampuran D"miA! negatif bersifat eksotermik! mengakibatkan ter'adinya  pengurangan olume (ampuran D0miA  B!.. Contoh penyimpangan negatif ter'adi pada (ampuran aseton dan air.

Gambar . )en+impangan negatif !ukum /aou"t

Pada gambar 5.@ dan 5.& terlihat bah9a masing – masing kura memiliki tekanan uap maksimum dan minimum. Sistem yang memiliki nilai maksimum atau minimum disebut sistem a0eotrop. Campuran a/eotrop tidak dapat dipisahkan dengan menggunakan destilasi biasa. Pemisahan

komponen 1 dan a/otrop dapat dilakukan dengan destilasi bertingkat. -etapi, komponen # tidak dapat diambil dari a/eotrop. 6omposisi a/eotrop dapat dipe(ahkan dengan (ara destilasi pada tekanan dimana (ampuran tidak membentuk sistem tersebut atau dengan menambahkan komponen ketiga. $.(. ukum enr+

"ukum Raoult berlaku bila fraksi mol suatu komponen mendekati satu. Pada saat fraksi mol /at mendekati nilai nol, tekanan parsial dinyatakan dengan

yang disebut sebagai ukum enr+ , yang umumnya berlaku untuk /at terlarut. 4alam suatu larutan, konsentrasi /at terlarut dinyatakan dengan subscribe 1! biasanya lebih rendah dibandingkan pelarutnya dinyatakan dengan subscribe #!. 8ilai K  adalah tetapan "enry yang  besarnya tertentu untuk setiap pasangan pelarut – /at terlarut.

6elarutan gas dalam (airan dapat dinyatakan dengan menggunakan tetapan "enry. "ukum "enry berlaku dengan ketelitian # – 5H sampai pada tekanan # bar. 6elarutan gas dalam (airan umumnya menurun dengan naiknya temperatur, 9alaupun terdapat beberapa penge(ualian seperti pelarut amonia (air, lelehan perak, dan pelarut – pelarut organik. Senya9a – senya9a dengan titik didih rendah "1, 81, "e, 8e, dll! mempunyai gaya tarik intermolekular yang lemah, sehingga tidak terlalu larut dalam (airan. 6elarutan gas dalam air biasanya turun dengan  penambahan /at terlarut lain khususnya elektrolit!.

$.,. Sifat Ko"igatif 4arutan

Sifat koligatif colligative properties! berasal dari kata colligatus Latin! yang berarti Iterikat  bersamaI. 6etika suatu /at terlarut ditambahkan ke dalam pelarut murni 7, fraksi mol /at 7, x A, mengalami penurunan. Penurunan fraksi mol ini mengakibatkan penurunan potensial kimia. Sehingga, potensial kimia larutan lebih rendah daripada potensial pelarut murninya. Perubahan  potensial kimia ini menyebabkan perubahan tekanan uap, titik didih, titik beku, serta ter'adinya fenomena tekanan osmosis. Sifat koligatif diamati pada larutan sangat e n(er, dimana konsentrasi /at terlarut 'auh lebih ke(il dari pada konsentrasi pelarutnya A1  A#!. Perubahan sifat – sifat koligatif tersebut dapat dilihat pada gambar 5.%.

$.,.1. )enurunan Tekanan -ap

2ayangkan suatu larutan yang terdiri dari /at terlarut yang tidak mudah menguap involatile  solute!. 6ondisi ini umumnya berlaku untuk /at terlarut berupa padatan, tetapi tidak untuk /at (air maupun gas. -ekanan uap larutan  P ! kemudian akan bergantung pada pelarut sa'a  P 1!. Sehingga penurunan tekanan uap dapat dinyatakan sebagai

?ika nilai P 1 disubstitusi dengan persamaan 5.1&, maka

dimana

A# + fraksi mol pelarut

A1 + fraksi mol /at terlarut Fraksi mol  xi! adalah perbandingan 'umlah mol /at i ni! terhadap 'umlah mol total ntotal ! dalam larutan. Untuk larutan yang sangat en(er, n1  n#. Sehingga,

4engan demikian,

(.$.,.$. Kenaikan Titik Dii!

an )enurunan Titik Beku

-itik didih boiling point / T b! normal (airan murni adalah suhu dimana tekanan uap (airan tersebut sama dengan # atm. Penambahan /at terlarut yang tidak mudah menguap menurunkan tekanan uap larutan. Sehingga, dibutuhkan suhu yang lebih tinggi agar tekanan uap larutan men(apai # atm. "al ini mengakibatkan titik didih larutan lebih tinggi daripada titik didih pelarut murninya. 4ari persamaan 5.5&, penurunan tekanan uap

)enurut persamaan Clausius – Clapeyron,

dapat dinyatakan sebagai

2ila

P1 + P# dan

-1 + - b

P# + P#o -# + - bo maka persamaan Clausius – Clapeyron dapat ditulis men'adi

Pada larutan en(er,

sangat ke(il, sehingga

6arena - b sangat ke(il, maka - b J - bo

dengan 9# dan )# masing – masing adalah berat dan massa molar pelarut, serta 91 dan )1 adalah berat dan massa molar /at terlarut. ?ika 9# dianggap #BBB gram,

Penambahan /at terlarut 'uga mengakibatkan ter'adinya penurunan titik beku  freezing point / T  f !. 4engan menggunakan (ara yang sama, didapat

$.,.(. Tekanan 5smosis 6p7

Pendekatan tekanan osmosis dapat di'elaskan sebaga i berikut. Suatu larutan terpisah dari pelarut murninya oleh dinding semi permiabel, yang dapat dilalui oleh pelarut, tetapi tidak dapat d ilalui oleh /at terlarutnya. 6arena potensial kimia larutan lebih rendah, maka pelarut murni akan (enderung bergerak ke arah larutan, melalui dinding semi permiabel.

Pada kesetimbangan, tekanan di bagian kiri adalah P  dan tekanan di bagian kanan adalah P + π .  Π  adalah perbedaan tekanan dari kedua sisi yang dibutuhkan untuk menghindari ter'adinya aliran spontan melalui membran ke salah satu sisi. )enurut hubungan )aA9ell,

2ila V  dianggap tidak bergantung pada tekanan, maka

)enurut kesetimbangan kimia,

dimana P + P# + tekanan uap larutan Po + P#o + tekanan uap pelarut murni ?ika persamaan 5.@K disamakan dengan persamaan 5.&1, maka

)enurut "k. Raoult

Sehingga, persamaan 5.&5 men'adi

Pada larutan sangat en(er, A1 sangat ke(il sehingga ln # – A1! J – A1.

dimana C1 adalah konsentrasi /at terlarut. $.3. Sistem Dua Komponen engan Fasa )aat % *air

Sistem biner paling sederhana yang mengandung fasa padat dan (air ditemui bila komponen – komponennya saling ber(ampur dalam fas (air tetapi sama sekali tidak ber(ampur pada fasa  padat, sehingga hanya fasa padat dari komponen murni yang akan keluar dari larutan yang mendingin. Sistem seperti itu digambarkan dalam diagram fasa 2i d an Cd berikut.

Gambar 8. Kur#a peninginan an iagram fasa su!u % persen berat untuk sistem Bi % *

2ila suatu (airan yang mengandung hanya satu komponen didinginkan, plot suhu terhadap 9aktu memiliki lereng yang hampir tetap. Pada suhu mengkristalnya padatan yang keluar dari (airan, kura pendingina akan mendatar 'ika pendinginan berlangsung lambat. Patahan pada kura  pendinginan disebabkan oleh terlepasnya kalor ketika (airan memadat. "al ini ditun'ukkan pada  bagian kiri gambar 5.K, yaitu (airan hanya mengandung 2i ditandai dengan komposisi Cd BH!  pada suhu 1%5oC dan (airan yang hanya mengandung Cd ditandai dengan komposisi Cd #BBH!  pada suhu 515oC. ?ika suatu larutan didinginkan, ter'adi perubahan lereng kura pendinginan pada suhu mulai mengkristalnya salah satu komponen dari larutan, yang kemudian memadat. Perubahan lereng ini disebabkan oleh lepasnya kalor karena proses kristalisasi dari padatan yan gkeluar dari larutan dan 'uga oleh perubahan kapasitas kalor. "al ini dapat terlihat pada komposisi 1BH dan $BH Cd. Untuk komposisi >BH Cd pada suhu #>BoC, ter'adi pertemuan antara lereng kura pedinginan 2i dan Cd yang menghasilkan garis mendatar. Pada suhu ini, 2i dan Cd mengkristal dan keluar dari larutan, menghasilkan padatan 2i dan Cd murni. 6ondisi dimana larutan menghasilkan dua  padatan ini disebut titik eutektik , yang hanya ter'adi pada komposisi dan suhu tertentu. Pada titik eutektik terdapat tiga fasa, yaitu 2i padat, Cd padat dan larutan yang mengandung >BH Cd. 4era'at kebebasan untuk titik ini adalah B, sehingga titik eutektik adalah inarian. utektik  bukan merupakan fasa, tetapi kondisi dimana terdapat (ampuran yang mengandung dua fasa  padat yang berstruktur butiran halus. $.3.1. )embentukan Sen+a9a

6omponen – komponen pada sistem biner dapat bereaksi membentuk senya9a padat yang  berada dalam kesetimbangan dengan fas (air pada berbagai komposisi. ?ika pembentukan senya9a mengakibatkan ter'adinya daerah maksimum pada diagram suhu – komposisi, maka disebut sen+a9a bertitik "ebur sebangun congruently melting compound !. Contoh senya9a ini dapat dilihat pada diagram fas n – )g pada gambar 5.#B.

Selain melebur, senya9a 'uga dapat meluruh membentuk senya9a lain dan larutan yang setimbang pada suhu tertentu. -itik leleh ini disebut titik "e"e! tak sebangun  incongruently melting point ! dan senya9a yang terbentuk disebut sen+a9a bertitik "ebur tak sebangun . "al ini ter'adi pada bagian diagram fasa 8a1S3> – "13 yang menun'ukkan pelelehan tak sebangun dari 8a1S3>.#B"13 men'adi kristal rombik anhidrat 8a1S3>.

$.3.$. 4arutan )aat

Pada umumnya, padatan murni bisa didapatkan pada saat larutan didinginkan. -etapi, pada  beberapa sistem, bila larutan didinginkan, maka larutan padatlah solid solution ! yang akan keluar. Contoh sistem yang membentuk larutan padat adalah sistem Cu – 8i. Pada gambar 5.#1, terlihat adanya daerah dimana terdapat fasa (air larutan! dan fasa padat larutan padat! yang berada dalam kesetimbangan. Garis yang berbatasan dengan fasa (air disebut sebagai garis "i:uius , sedangkan garis yang berbatasan dengan fasa padat disebut garis so"ius . Larutan padat pada sistem ini disebut sebagai fasa ;. 6omposisi masing – masing fasa dapat ditentukan dengan menggunakan lever rule. 6ondisi fasa – fasa yang ada dalam sistem  pada berbagai suhu dapat dilihat pada gambar #5. Sumber M httpMtheki(kerK&.9ordpress.(omkesetimbanganNfasa

Tipe;tipe iagaram fase Diagram fase 2D 4iagram fase yang paling sederhana adalah diagram tekananNtemperatur dari /at tunggal, seperti air . SumbuNsumbu diagram berkoresponden dengan tekanan dan temperatur . 4iagram fase pada ruang tekananNtemperatur menun'ukkan garis kesetimbangan atau sempadan fase antara tiga fase  padat, (air , dan gas.

4iagram fase yang umum. Garis titikNtitik merupakan sifat anomali air. Garis ber9arna hi'au menandakan titik beku dan garis biru menandakan titik didih yang berubahNubah sesuai dengan tekanan. Penandaan diagram fase menun'ukkan titikNtitik di mana energi bebas bersifat nonNanalitis. FaseN fase dipisahkan dengan sebuah garis nonNanalisitas, di mana transisi fase  ter'adi, dan disebut sebagai sempaan fase . Pada diagaram sebelah kiri, sempadan fase antara (air dan gas tidak berlan'ut sampai tak  terhingga. Oa akan berhenti pada sebuah titik pada diagaram fase yang disebut sebagai titik kritis. Oni menun'ukkan bah9a pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi, fase (air dan gas men'adi tidak dapat dibedakan#Q, yang dikenal sebagai fluida superkritis. Pada air, titik kritis ada  pada sekitar &>% 6 dan 11,B&> )Pa 5.1BB,# psi! 6eberadaan titik kritis (airNgas menun'ukkan ambiguitas pada definisi di atas. 6etika dari (air  men'adi gas, biasanya akan mele9ati sebuah sempadan fase, namun adalah mungkin untuk  memilih la'ur yang tidak mele9ati sempadan dengan ber'alan menu'u fase superkritis. 3leh karena itu, fase (air dan gas dapat di(ampur terus menerus.

Sempadan padatN(air pada diagram fase kebanyakan /at memiliki gradien yang positif. "al ini dikarenakan fase padat memiliki densitas yang lebih tinggi daripada fase (air, sehingga  peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh. Pada beberapa bagian diagram fase air, sempadan fase padatN(air air memiliki gradien yang negatif, menun'ukkan bah9a es mempunyai densitas yang lebih ke(il daripada air. Sifat-sifat termodinamika lainnya Selain temperatur dan tekanan, sifatNsifat termodinamika lainnya 'uga dapat digambarkan pada diagram fase. Contohnya meliputi olume 'enis, entalpi 'enis, atau entropi 'enis. Sebagai (ontoh, grafik komponen tunggal -emperatur s. ntropi 'enis - s. s! untuk airuap atau untuk  refrigeran  biasanya digunakan untuk mengilustrasikan siklus termodinamika seperti siklus Carnot dan siklus Rankine.

Pada grafik dua dimensi, dua kuantitas termodinamika dapat ditun'ukkan pada sumbu hori/ontal dan ertikal. 6uantitas termodinamika lainnya dapat diilustrasikan dengan bertumpuk sebagai sebuah deret garis atau kura. GarisNgaris ini me9akili kuantitas termodinamika pada nilai konstan tertentu.

4iagram fase temperatur s. entropi 'enis untuk airuap. Pada area di ba9ah kubah, air dan uap berada dalam keadaan kesetimbangan. -itik kritisnya ada di atas kubah. Gariskura biru adalah isobar yang menun'ukkan tekanan konstan. Gariskura hi'au adalah isokor yang menun'ukkan olume 'enis konstan. Garis merah menun'ukkan kualitas konstan

Diagram fase 3D 7dalah mungkin untuk membuat grafik tiga dimensi 54! yang menun'ukkan tiga kuantitas termodinamika. Sebagai (ontoh, untuk sebuah komponen tunggal, koordinat 54 Cartesius dapat menun'ukkan temperatur -!, tekanan P!, dan olume 'enis !. Grafik 54 tersebut kadangN kadang disebut diagram PNN-. 6ondisi kesetimbangan akan ditung'ukkan sebagai permukaan tiga dimensi dengan luas permukaan untuk fase padat, (air, dan gas. Garis pada permukaan tersebut disebut garis tripe" , di mana /at padat, (air, dan gas dapat berada dalam kesetimbangan. -itik kritis masih berupa sebuah titik pada permukaan bahkan pada diagram fase 54. Proyeksi ortografi grafik PNN- 54 yang menun'ukkan tekanan dan temperatur sebagai sumbu ertikal dan hori/ontal akan menurunkan plot 54 tersebut men'adi diagram tekananNtemperatur 14. 6etika hal ini ter'adi, permukaan padatNuap, padatN(air, dan (airNuap akan men'adi tiga kura garis yang akan bertemu pada titik tripel, yang merupakan proyeksi ortografik garis tripel. Sumber M httpMid.9ikipedia.org9iki4iagramfase

DIAG/AM KESEIMBANGAN FASE )ADA DISTI4ASI BINE/ 

4ata keseimbangan UapN(air dapat disa'ikan dalam kumpulan koordinat yang berbedda untuk men'elaskan dan mengukur tingkatan pada proses distilasi. 6ita akan menyusun masingN masing grafik menggunakan batasan yang telah ditentukan se(ara termodinamika dan menggambarkan arti fisiknya. "ubungan antara 'umlah tiap fase akan ditentukan menggunakan LeerNrule. DIAG/AM FASE Pemisahan dari (ampuran (airan men'adi komponenNkomponennya adalah salah satu  proses terpenting di industri kimia. Prosedur yang umum untuk melakukan pemisahan ini adalah distilasi, sebuah operasi yang berdasr pada feomena fisik dimana uap dan (airan berada pada kondisi komposisi setimbang yang biasanya berbeda. 8yatanya, bagian yang menguap dari fase (airnya telah dihasilkan pada pemisahan parsial pada a9al pen(ampuran. -ingkat dari pemisahan akan ditentukan dengan keseimbangan antara fase uap dan (airan. "ubungan antar komposisi dari kedua fase pada keseimbangan biasanya disa'ikan dengan diagram keseimbangan fase. )etode penya'iannya harus tetap dengan 'umlah ariable yang bersangkutan. Gibbs menampilkannya dalam keadaan seimbang beserta se'umlah fase, berikut hubungan yang releanM F+ C  1 – P =========.#! 4imana F adalah 'umlah dera'at kebebasan, atau ariable bebas. C adalah 'umlah komponen dan P adalah 'umlah fase saat ini. Penya'ian grafis dari data akan bergantung dari nilai F dan kita dapat memperkirakannya dan  plotting akan meningkat lebih kompleks sebagaimana membesarnya nilai F. -afsiran tampilan dari grafis biasanya membatasinya pada nilai F + 1, itulah sebabnya disebut sistem biner. 6ebanyakan proses distilasi di industri dilaksanakan pada tekanan relatie konstan, dan untuk  alasan ini diagram keseimbangan fase di tampilkan pada isobar dengan suhu dan komposisi pada koordinatnya. DIAG/AM S--;K5M)5SISI 4iagram khusus suhuNkomposisi ditun'ukkan dalam Figure #. Garis lengkung 72C menun'ukkan komposisi (air 'enuh dan 7C komposisi fase uap 'enuh. Untuk alasan itu akan men'adi sedikit lebih 'elas, diagram ini 'uga disebut diagram boiling point. Untuk paham arti dari diagram kita akan menun'ukkan beberapa proses dan melihat bagaimana itu dapat disa'ikan dalam diagram suhuNkomposisi. 7nggap suatu (air (ampuran G dengan komposisi Ao dan suhu -B. ?ika mulai dipanaskan, maka suhunya akan naik men(apai nilai -# pada kura 72C. Oni menandakan bah9a (ampuran telah men(apai suhu 'enuhnya sehinggapemanasan lebih lan'ut akan menyebabkan mendidih. Suhu -# kemudian dapat di asumsikan sebagai suhu dimana pertama kali gelembung uap mun(ul, dan untuk alas an ini disebut titk didih dari (airan pada komposisi AB. 6ita telah menun'ukkan sebelumnya bah9a biasanya fase uap akan akan mempunyai perbedaan komposisi dari komposisi fase (airnya. 6omposisi ini sesuai dengan yB dan diperoleh dengan menggambar 

garis mendatar hori/ontal! pada -# sampai memotong kura 72C. Pemanasan selan'utnya akan meningkatkan 'umlah fase uap saat ini dan sebagai akibatnyta akan mengubah komposisi dari fase (airnya. 7khirnya, semua fase (air akan menguap dan k arena tidak ada material yang hilang, komposisi uap akhir akan sama dengan (ampuran (air aslia9al titik !. Oni menun'ukkan bah9a meskipun komposisi dari tiap fase berubah terus menerus selam proses penguapan, komposisi keseluruhan dari system adalah tetap atau konstan. Penambahan panas akan menyebabkan uap kelebihan beban sampai itu men(apai tahapan pada titikF. Sekarang kita dapat membalikkan proses sebagai berikut. 4imulai dengan uap le9at 'enuh F  pada suhu -1 kita dinginkan sampai titik  pada kura 7C. 4i sini uap men'adi 'enuh sehingga  pendinginan lebih lan'ut akan menyebabkan fase (air mun(ul. Suhu -5 dapat di asumsikan sebagai suhu dimana pertama kalinya (airan tampak dan untuk alas an ini disebut titik embun dari uap pada komposisi yB. Se'ak titik a9al telah berubah ubah, beberapa penyusunan a9al komposisi AB atau yB dapat diperlakukan men'adi proses yang di'elaskan di atas. 4engan kata lain, kura 72C bias didefinisikan sebagai kura titik didih dan kura 7C sebagai kura titik pengembunan. 6emudian kita dapat membagi grafik -NANy men'adi tiga 9ilayahM #! 4i ba9ah kura 72C menun'ukkan (ampuran dalam keadaan (air dinginT b! 9ilayah di atas 7C menun'ukkan uap le9at 'enuhT (! area di antara dua kura yang berhubungan adlah (ampuran 'enuh dari keseimbanganuapN(air. Otu memungkinkan untuk menghitung proporsi relatif pada saat keduanya fase 'enuh Untuk men'a9ab pertanyaan ini, kita harus mengingat bah9a pendinginan atau pemanasan tidak  mengubah komposisi keseluruhan system Calling -,A7-! 'umlah mol total dan komposisi system pada fase (air L,A7L! dan fase uap dalam keseimbangan 0,y7L!, didapatM  8era(a -otal 2ahanM - + L  0 ==============1!  8era(a 2ahan 6omponen 7M -.A7- + L.A7L  0.y70 ======5! Gantikan nilai - pada persamaan 5 dan disusun kembali, didapatM =...==.>! Persamaan > ini dikenal sebagai inerse leerNrule dan akan membantu kita menhitung  'umlah relatie dari tiap fase. DIAG/AM K5M)5SISI Cara lain untuk menggambarkan perbedaan komposisi dari fase (air dan fase uap adalah dengan menggambarkan  meng plotkan satu dengan yang lain, biasanya dengan komponen yang lebih olatil. Gambar 1 menun'ukkan 'enis diagram komposisi. Garis >@V menun'ukkan uap dengan komposisi sama dengan bentuk (airnya, 'adi kura yang lebih lebar menun'ukkan  pemisahan dari ini (airNuap!, bagian yang lebih lebar merupakan perbedaan diantara 1 fase. Oni harus di(atat bah9a perbedaan kesetimbangan, suhu berhubungan dengan tiap titik dalam kura.

 8ormalnya suhu ini tidak terindikasi Gambar # dan 1 menun'ukkan yang disebut system normal. 2ila komponen memiliki perbedaan sifat fisik atau interaksi kimia yang kuat, maka akan ter'adi perbedaan dalam diagram suhuN komposisi dan diagram komposisinya, seperti yang ditun'ukkan dalam Gambar 5. Gambar 5 a! dan 5 b! menun'ukkan system a/eotrop. Campuran ini , dimana ada komposisi kritis Posisi Wa dimana fase uap dan fase (air mempunyai komposisi yang sama, 'adi tidak  ter'adi perubahan saat pemanasan di lakukan. Larutan tersebut disebut 7/eotrop dan untuk  memisahkan larutan tersebut dilakukan beberapa metode yang spe(ial. Gambar 5a! menun'ukkan bah9a titik didih dari larutan adalah maksimum, yang disebut dengan )aAimum 2oiling 7/eotrop. Gambar 5b! menun'ukkan hal yang sama, yang disebut dengan )inimum 2oiling 7/etrop. 4ari defenisi kata a/eotrop, kita dapat mengetahui bah9a kura komposisi akan menun'ukkan Cross oer point pada >@ ?ika interaksi antara komponenNkomponen (ukup kuat, pemisahan fase (air dapat ter'adi. Gambar 5(!!. 4alam immisible region 1 fase (airan ter'adi dan fase ini mengindikasikan bah9a  boiling temperature dari larutan sama seperti komposisi dari fase uap yang konstan. "ubungan antara komposisi dari 1 fase ditun'ukkan dalam g ambar 5f! EFEK TEKANAN DA4AM KESETIMBANGAN FASE 6ita telah menyebutkan sebelumnya diagram fase biasanya dikonstruksikan untuk  tekanan yang tetap. 7pa yang akan ter'adi bila kita mengubah tekanan operasi 4alam kondisi yang umum, kita dapat mengatakan bah9a kelakuan kualitatif dari diagram akan tetap sama sampai tekanan dari system melebihi tekanan kritis dari satu komponen. 4alam 'angkauan tekanan antara dua tekanan kritis, system akan dapat men'adi fase (airan sa'a melebihi 'angkauan komposisi dimana fase (air ter'adi. 4alam kata lain, bentuk yang umum dari diagram akan tetap sama, diagram tak digunakan untuk komposisi diba9ah B sampai #,B. 6enaikan tekanan akan menurunkan 'angkauan ini sampai suatu saat akan menghilang sempurna.

Sumber M httpMfinoyoharde.blogspot.(om1B#BB>kesetimbanganNfasaNdanNdiagramNfasa.html

Tabe" 1.1 Data kesetimbangan untuk s+stem Etano" ; Air 6 Geankoplis,

1997) Temperatur 5 5 * F

#BB K$.# [email protected] K#.$ $%.5 $>.% $5.1 $1.B

1#1 1B$.@ 1B5.> #K%.1 #$K.1 #$>.@ #$#.% #%K.&

BB B.@BB

B B.#K1 B.5%% B.@1% B.&@& B.%#5 B.%>& B.%%#

Temperatur 5 5 * F

$#.B $B.# %K.# %$.5 %$.1 %$.# %$.1 %$.5

#%%.$ #%&.1 #%>.5 #%5.B #%1.$ #%1.% #%1.$ #%5.B

B B.K&B B.K$B #.BBB

B.%K> B.$11 B.$@$ B.K#1 B.K>1 B.K@K B.K%$ #.BBB

-abel #.# di atas merupakan data harga A 7 dan y7 untuk sistem tanol – 7ir  literatur pada tekanan #B#.51@ kPa # atm! dan temperatur berariasi.

SISTEM A=E5T/5) DAN )/5SES DESTI4ASI

7. )engertian 4estilasi adalah suatu proses pemisahan termal untuk memisahkan komponenN komponen yang mudah menguap dari suatu (ampuran (air dengan (ara menguapkannya, yang diikuti dengan kondensasi uap yang terbentuk dan menampung kondensat yang dihasilkan. 7pabila yang didinginkan adalah bagian (ampuran yang tidak teruapkan dan  bukan destilatnya, maka proses tersebut biasanya dinamakan pengentalan dengan eaporasi. 4alam hal ini sering kali bukan pemisahan yang sempurna yang dikehendaki, melainkan peningkatan konsentrasi bahanNbahan yang terlarut dengan (ara menguapkan sebagian dari pelarut. Sering kali destilasi digunakan semtaNmata sebagai tahap a9al dari suatu proses rektifikaasi. 4alam hal ini (ampuran dipisahkan men'adi dua, yaitu bagian yang mudah menguap dan bagian yang sukar menguap. 6emudian masingNmasing bagian diolah lebih lan'ut dengan (ara rektifikasi. Uap yang dikeluarkan dari (ampuran disebut sebagai uap bebas, kondensat yang 'atuh sebagai destilat dari bagian (airan yang tidak  menguap sebagai residu. 2iasanya destilat digunakan untuk menarik senya9a organi( yang titik didihnya diba9ah 1@B oC, pendestilasian senya9aNsenya9a yang titik didihnya tinggi dikuatirkan akan rusak oleh pemanasan sehingga tidak (o(ok untuk ditarik dengan teknik destilasi.

2. )rinsip an )roses Kerja Desti"asi Prinsip 4estilasi • Pada prinsipnya pemisahan dalam suatu proses destilasi ter'adi karena penguapan salah satu komponen dari (ampuran, artinya dengan (ara mengubah bagianNbagian yang sama dari keadaan (air men'adi berbentuk uap. 4engan demikian persyarannya adalah kemudahan menguap olatilitas! dari komponen yang akan dipisahkan berbeda satu dengan yang lainnya. Pada (ampuran bahan padat dalam (airan, persyaratan tersebut  praktis selalu terpenuhi. Sebaliknya, pada larutan (airan dalam (airan biasanya tidak  mungkin di(apai sempurna, karena semua komponen pada titik didih (ampuran akan mempunyai tekanan uap yang besar. 4estilat yang murni praktis hanya dapat diperoleh

 'ika (airan yang sukar menguap mempunyai tekanan uap yang ke(il sekali sehingga dapat diabaikan. •

Proses 4estilasi Penguapan dan destilasi umumnya merupakan proses pemisahan satu tahap.

Proses ini dapat dilakukan se(ara tak kontinu atau kontinu, pada tekanan normal ataupun akum. Pada destilasi sederhana, yang paling sering dilakukan adalah operasi taak  kontinu. 4alam hal ini (ampuran yang akan dipisahkan dimasukkan kedalam alat  penguap dan dididihkan. Pendidihan terus dilangsungkan hingga se'umlah tertentu komponen yang mudah menguap terpisahkan. Proses pendidihan erat hubungannya dengan kehadiran udara permukaan. Pendidihan akan ter'adi pada suhu dimana tekanan uap dari larutan sama dengan tekanan udara di permukaan (airan. Secara umum proses ang ter!a"i pa"a "estilasi se"er#ana atau biasa aitu $ •

Penguapan komponen yang mudah menguap dari (ampuran dalam alat penguap

•

Pengeluaran uap yang terbentuk melalui sebuah pipa uap yang lebar dan kosong tanpa  perpindahan panas dan pemindahan massa yang disenga'a atau dipaksakan yang dapat menyebabkan kondensat mengalir kembali ke lat penguap.

•

?ika perlu, tetesNtetes (airan yang sukar menguap yang ikut terba9a dalam uap dipisahkan dengan bantuan siklon dan disalurkan kembali kedalam alat penguap.

•

 6ondensasi uap dalam sebuah kondensor 

•

Pendingin lan'ut dari destilat panas dalam sebuah alat pendingin

•

 Penampungan destilat dalam sebuah be'ana

•

Pengeluaran residu dari alat penguap

•

Pendinginan lan'ut dari residu yang dikeluarkan Penampungan residu dalam sebuah  be'ana.

)E/ISTI>A ?ANG TE/@ADI )ADA )/5SES DESTI4ASI

)asalah yang ditemui dalam destilasi adalah M %terbentu&na campuran Azeotrop  ang merupa&an campuran ang sulit "ipisa#&an'( Campuran Aeotrop ialah M (ampuran dengan titik didih yang konstan. C. DESTI4ASI A=E5T/5) 4istilasi 7/eotrop digunakan dalam memisahkan (ampuran a/eotrop (ampuran (ampuran dua atau lebih komponen yang sulit di pisahkan!, biasanya dalam prosesnya digunakan senya9a lain yang dapat meme(ah ikatan a/eotrop tsb, atau dengan menggunakan tekanan tinggi. 7/eotrop merupakan (ampuran 1 atau lebih komponen  pada komposisi tertentu dimana komposisi tersebut tidak bisa berubah hanya melalui distilasi biasa. 6etika (ampuran a/eotrop dididihkan, fasa uap yang dihasilkan memiliki komposisi yang sama dengan fasa (airnya. Campuran a/eotrop ini sering disebut 'uga