Teori Dasar Difusi

TEORI DASAR & PROSEDUR PERCOBAAN SHINTA LEONITA (0906635772)

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Difusi adalah peristiwa mengalirnya atau berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi merupakan salah satu peristiwa perpindahan massa yang prosesnya sering juga dilakukan dalam industri-industri. Proses difusi minimal melibatkan dua zat, salah satu zat berkonsentrasi lebih tinggi daripada zat lainnya atau dapat dikatakan dalam kondisi belum setimbang, Keadaan ini dapat menjadi driving force dari proses difusi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah uap air dari cerek yang berdifusi dalam udara. Lambat laun cairan menjadi manis. Contoh lain adalah pemberian gula pada cairan teh tawar. Difusi yang paling sering terjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari sebuah lapisan (layer) molekul yang diam dari solid atau fluida. Pada percobaan ini, yang diteliti ialah proses difusi gas cair dan proses difusi caircair. Pada percobaan ini digunakan cairan aseton dengan variasi temperature untuk  mengetahui pengaruhnya pengaruhnya terhadap proses difusi. Untuk difusi gas cair digunakan cairan yang mudah menguap sehingga proses difusi mudah untuk dilihat. Pada difusi cair-cair digunakan larutan yang mudah terurai ion-ionnya di dalam air sehingga proses difusi mudah untuk  diamati. Pada percobaan ini dilakukan variasi konsentrasi untuk mengetahui pengaruhnya terhadap proses difusi. Variasi ini dilakukan agar diperoleh suatu perbandingan dari kedua variasi tersebut serta pengaruhnya terhadap koefisien difusi.

I.2 Tujuan

Mahasiswa dapat menggunakan persamaan dasar perpindahan massa untuk diaplikasikan pada pengukuran koefisien difusi.

BAB II TEORI

II.1 Difusi

Proses difusi terjadi karena adanya perpindahan massa suatu zat dimana massa dapat berpindah dari kondisi dengan konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Perpindahan massa dapat terjadi dalam fasa gas maupun cair. Peristiwa difusi berakhir jika telah mencapai keadaan setimbang antara dua keadaan (pada keadaan sebelumnya terdapat perbedaan konsentrasi sehingga keadaan belum setimbang). Proses difusi dapat terus-menerus berlangsung jika perbedaan konsentrasi antara dua kondisi dipertahankan. Hal ini dapat dilakukan dengan mengalirkan fluida yang merupakan tempat akan berdifusinya suatu molekul secara terus menerus. Proses difusi akan berhenti jika kondisi dari dua fluida sudah sama atau setimbang. Difusi merupakan proses perpindahan atau pergerakan molekul zat atau gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Difusi melalui membran dapat berlangsung melalui tiga mekanisme, yaitu difusi sederhana (simple difusion),difusi melalui saluran yang terbentuk oleh protein trans membran (simple difusion by chanel formed ), ), dan difusi  fasiliated difusion). Difusi melalui membran berlangsung karena molekuldifasilitasi ( fasiliated

molekul yang berpindah atau bergerak melalui membran bersifat larut dalam lemak ( lipid ) sehingga dapat menembus lipid bilayer pada membran secara langsung. Membran sel permeabel terhadap molekul larut lemak seperti hormon steroid, vitamin A, D, E, dan K serta bahan-bahan organik yang larut dalam lemak, Selain itu, membran sel juga sangat permeabel terhadap molekul anorganik seperti O, CO 2, OH, dan H 2O. Beberapa molekul kecil khusus yang terlarut dalam serta ion-ion tertentu, dapat menembus membran melalui. Saluran ini terbentuk dari protein transmembran, semacam pori dengan diameter tertentu yang memungkinkan molekul dengan diameter lebih kecil dari diameter pori tersebut dapat melaluinya. Sementara itu, molekul –  molekul  – molekul molekul berukuran besar seperti asam amino, glukosa, dan beberapa garam  –  garam mineral, tidak dapat menembus membrane secara langsung, tetapi

memerlukan

protein

pembawa

atau

transporter

untuk

dapat

menembus

membran. Proses masuknya molekul besar yang melibatkan transporter tr ansporter dinamakan difusi difasilitasi, yaitu pelaluan zat melalui rnembran plasma yang melibatkan protein pembawa atau protein transporter. Protein transporter tergolong protein transmembran yang memiliki

tempat perlekatan terhadap ion atau molekul yang akan ditransfer ke dalam sel. Setiap molekul atau ion memiliki protein transporter yang khusus, misalnya untuk pelaluan suatu molekul glukosa diperlukan protein transporter yang khusus untuk mentransfer glukosa ke dalam sel. Protein transporter untuk glukosa banyak ditemukan pada sel-sel rangka, otot  jantung, sel-sel lemak dan sel-sel hati, karena sel  – sel  –  sel tersebut selalu membutuhkan glukosa untuk diubah menjadi energi. Walaupun penyebab difusi umumnya karena gradien konsentrasi,tetapi difusi dapat  juga terjadi karena gradien tekanan, karena gradien suhu, atau karena medan gaya yang diterapkan dari luar seperti pada pemisah sentrifugal. Difusi molekuler yang terjadi karena gradien tekanan (bukan tekanan parsial) disebut difusi tekanan ( pressure diffusion), yang disebabkan karena gradien suhu disebut difusi termal ( thermal diffusion), sedangkan yang disebabkan oleh medan gaya dari luar disebut difusi paksa ( forced diffusion). Terdapat beberapa faktor yang memengaruhi memengaruhi kecepatan difusi, yaitu : 

Ukuran partikel Semakin kecil ukuran partikel, semakin cepat partikel itu akan bergerak, sehinggak  kecepatan difusi semakin tinggi.



Ketebalan membran Semakin tebal membran, semakin lambat kecepatan difusi.



Luas suatu area Semakin besar luas area, semakin cepat kecepatan difusinya.



Jarak  Semakin besar jarak antara dua konsentrasi, semakin lambat kecepatan difusinya.



Suhu Semakin tinggi suhu, partikel mendapatkan energi untuk bergerak dengan lebih cepat. Maka, semakin cepat pula kecepatan difusinya Difusi molekular dapat didefinisikan sebagai perpindahan atau pergerakan suatu

molekul melewati suatu fluida dengan pergerakan yang acak. Dapat dibayangkan suatu molekul yang bergerak lurus dan kemudian akan bergerak dengan acak akibat tabrakan dengan molekul yang lain. Karena pergerakan melekul berlangsung dalam gerakan acak, maka pergerakan molekul sering disebut sebagai  Random-Walk Process. Difusi molekular merupakan perpindahan suatu molekul melalui suatu fluida dengan pergerakan yang acak  dalam fluida diam atau dalam fluida yang mengalir secara laminer. Suatu molekul yang bergerak lurus kemudian akan bergerak secara acak karena bertabrakan dengan molekul yang

lain, pergerakan molekul seperti ini disebut  Random-Walk Process. Laju difusi dapat dinaikkan dengan cara pengadukan sehingga kondisi kesetimbangan dapat lebih cepat tercapai.

Gambar 1. Gerakan acak pada proses difusi

Peristiwa lain yang juga termasuk sebagai peristiwa difusi adalah tinta biru yang diteteskan dalam air bening. Tinta akan berdifusi perlahan-lahan ke seluruh bagian air hingga diperoleh kondisi kesetimbangan (tidak adanya gradien konsentrasi). Untuk menaikkan laju difusi dapat dilakukan pengadukan, sehingga kondisi kesetimbanga dapat lebih cepat dicapai. Difusi tidak terbatas hanya pada perpindahan lapisan stagnant (diam) zat padat atau zat cair saja. Difusi juga terjadi dalam fase fluida pencampuran fisika dan pusaran Eddy aliran turbulen, sama seperti aliran kalor dalam fluida dapat terjadi karena konveksi. Peristiwa ini disebut difusi pusaran ( Eddy diffusion). Pada fluida yang mengandung banyak komponen yang akan berdifusi dalam keadaan diam berlaku hukum Frick untuk campuran antara hukum A dan B,yaitu : *  J   AZ   c. D AB

dx A dz

(1)

dengan : 2

J*AZ

= flux molar komponen A pada arah sumbu z untuk arah molekular molekular (kgmolA/s.m )

DAB

= difusi molekular molekul A melalui melalui B (m  /s)

z

= jarak difusi (m)

c

= konsentrasi A dan B (kgmol/m )

xA

= fraksi mol dari dari A dari campuran campuran A dan dan B.

2

3

Jika c adalah konstan, karena c A = cxA maka : cdxA = d(cxA) = dcA

(2)

Jika persamaan (1) disubstitusi ke persamaan (2) menghasilkan persamaan difusi untuk  konsentrasi yang konstan :  J 

*

. D AB

 AZ   

dc A dz

(3)

Persamaan (3) umumnya digunakan dalam berbagai aplikasi proses difusi molekular. Apabila nilai c bervariasi, maka yang digunakan digunakan dalam persamaan (3) adalah nilai rata-ratanya. r ata-ratanya. Untuk  aliran massa yang turbulen dengan konsentrasi yang konstan berlaku persamaan : *

 J 

 AZ   

( D AB

   M  )

dc A dz

(4)

dengan εM difusivitas difus ivitas massa turbulen dengan satuan m 2 /s.

II.2

Difusi Molekular pada Cairan

Laju difusi molekular untuk cairan lebih kecil apabila dibandingkan terhadap laju difusi molekul gas. gas. Hal ini disebabkan disebabkan jarak jarak antara molekul molekul dalam fasa cair lebih rapat apabila dibandingkan dalam fasa gas. Umumnya koefisien difusi untuk gas lebih besar hingga 105 kali koefisien difusi cairan. Namun fluks pada gas tidak berbeda jauh dari fluks dalam cair yaitu 100 kali lebih cepat, hal itu it u disebabkan karena konsentrasi konsentrasi cair lebih besar daripada konsentrasi dalam fasa gas. 

Persamaan difusi untuk cairan Jarak molekul dalam cairan lebih rapat daripada dalam fasa gas, maka densitas dan

hambatan difusi pada cairan akan lebih besar. Hal ini juga menyebabkan gaya interaksi antar molekul sangat penting dalam difusi cairan. Perbedaan antara difusi cairan dan difusi gas adalah bahwa pada difusi cairan difusifitas sering bergantung pada konsentrasi daripada komponen yang berdifusi. Equimolar counterdiffusion, dimulai dengan persamaan umum fick kita dapat mensubstitusi untuk NA = NB pada keadaan steady state,  N  A 

 D AB (C  A1  C  A2 )  z 2   z1



 D  AB C  AV  ( x A1  c A 2 )  z 2   z1

(5) 2

dengan, N A adalah flux komponen A dalam kgmol.A/s.m , D AB adalah difusifitas A melalui 2

3

B dalam m  /s, cA1 merupakan konsentrasi komponen A dalam kgmol/m pada keadaan 1, dan xA1 fraksi mol komponen A dalam keadaan 1, dan c AV disefinisikan sebagai :

          M   av   CAV =

    1   2       M  M  2      1 2

(6) 3

dengan c AV merupakan konsentrasi rata-rata total dari A+B dalam kgmol/m , M 1 merupakan berat molekul rata-rata rata-rata larutan pada keadaan 1 dalam kg massa/ kgmol, dan ρ 1 merupakan densitas rata-rata pada keadaan 1.

II.3 Koefisien Difusi Cairan

Pada penentuan koefisien difusi cairan digunakan sel difusi. Sel difusi tersebut terdiri atas N pipa kapiler yang panjangnya 5 mm dan diameternya 1 mm. Untuk satu pipa kapiler proses difusi dapat digambarkan pada alat :

Gambar 2. Percobaan difusi cairan

Transfer nilai difusi :   D

JA =

dc A dL



c A1



c A2

 L

(7)

Jumlah mol yang telah berdifusi selama selang waktu dt melalui N pipa kapiler adalah:

 D. .d 2  c A1  c A2    L   dt . N  4   VtangkiX.dcA = (8) dc A

Vtangki dt 

  .d 2  c A1  c A2   N   L 4   =

(9)

Jika k = CM.CA, dan dianggap C A2 pB1. Molekul A berdifusi ke kanan dan molekul B ke kiri. Karena tekanan total P konstan, maka jumlah mol A yang berdifusi ke kanan harus sama dengan jumlah mol B yang ke kiri. Jika tidak, berarti tekanan total tidak  konstan, sehingga 

 J  Az



  J  Bz

(11)

Subskrip z berlaku jika arah pergerakannya jelas. Hukum Fick untuk B pada c konstan 

 J  B

  D BA

dc B dz

(12)

Karena P = p A + pB = konstan, maka c = cA + cB

(13)

dcA = dcB

(14)

Mendiferensialkan Mendiferensialkan kedua sisi

Menyamakan Menyamakan persamaan (3) dengan persamaan (12), diperoleh : 

 J  A

  D AB

dc A dz



  D

  J  B   

dc B

 BA

dz

(15)

Mensubstitusi persamaan (14) ke (15), sehingga DAB = DBA

(16)

Hal ini menunjukkan bahwa untuk campuran gas biner A dan B, koefisien difusivitas D AB untuk A berdifusi ke B adalah sama dengan D BA untuk B yang berdifusi ke A.



Difusi Gas A dan Gas B dengan Konveksi Terjadi jika seluruh fluida berpindah dalam aliran konveksi ke arah kanan. Kecepatan

molar rata-rata seluruh fluida relatif terhadap titik diam adalah vM m/s. Komponen A tetap berdifusi ke kanan, namun sekarang kecepatan difusi vAd diukur relatif terhadap fluida yang bergerak. Kecepatan A relatif terhadap titik diam adalah jumlah dari kecepatan difusi dan kecepatan konveksi. vA = vAd + vM

(17)

Persamaan umum untuk difusi plus konveksi :  N  A  cD AB

dx A dz



c A

 N  A  N  B 

c

(18)

II.5 Koefisien Difusi Gas

Salah satu metode penentuan koefisien difusi gas adalah dengan menguapkan cairan murni dalam tabung kapiler yang diisi dengan cairan A murni. Di atas bibir tabung dialirkan gas B secara horizontal.

Gambar 4. Difusi gas dengan menguapkan cairan ke udara

Laju transfer massa penguapan adalah :  N  A



 D AB .PT  P A1  R.T . z



P A 2 

P MB

(19)

Akibat penguapan yang terjadi, maka jumlah cairan A dalam tabung akan berkurang. Laju pengurangan cairan A dalam tabung adalah sama dengan fluks N A dikalikan luas area penampang tabung.  N  A . A 

   A

 BM  A

 A

dz dt 

(20)

Dengan menggabungkan menggabungkan persamaan (19) dan (20) menghasilkan :  M 

   A

 BM  A dt 

 D AB .PT 

P A1  P A 2 

 R.T . L.P MB

 z

   A

Mengintegrasikan Mengintegrasikan :



(21) t 

 D AB .PT 





 z dz  P A1  P A2  dt   BM  A  z 0  R.T .P BM  0

(22)

diperoleh waktu penurunan level cairan, t F, sebesar : t F  

  A

 z 2   z 0  R.T .P BM  2

2. BM  A . D AB .PT  P A1

 z 2   z 0  2

 P A2 

2. BM  A . D AB .PT 

 R.T .P BM 

(23)

P A1  P A2  (24)

Dikarenakan gas B terus menerus mengalir, maka konsentrasi gas A di bibir tabung selalu sama dengan nol atau P A2 = 0. 2

2

Dengan memplot z  – z  – z0 vs t akan memberikan persamaan garis dengan slope S. S  

2. BM  A . D AB .PT 

P 1   A

   A . R.T .P BM 

(25)

atau  D AB



  A . R.T .P BM  .S 

2. BM  A .PT  .P A1

(26)

dengan : A

= densitas cairan A

P B1  P B 2  PBM

  P B1    ln  P =    B 2  

PA1

= tekanan uap cairan A

DAB

= koefisien difusi A dalam B

BMA

= berat molekul A

PT

= tekanan total

T

= temperatur absolute

Tabel 2. Koefisien Difusi Gas pada T ekanan 101.32 kPa

Sistem

Temperatur o

C

Difusivitas K

(cm (cm /s) /s)

Udara - NH3

0

273

0.198

Udara - H2O

0

273

0.22

Udara - CO2

25 42 3

298 315 276

0.26 0.288 0.142

Udara - H2

44 0

317 273

0.177 0.611

Udara - C2H5OH

25

298

0.135

Udara - n-heksana Udara - benzene Udara - toluena Udara- n-butanol H2 - CH4

21 25 25.9 0 25.9 25

294 298 298.9 273 298.9 298

0.08 0.0962 0.086 0.0703 0.087 0.726

H2 - N2

25

298

0.784

H2 - benzena

85 38.1

358 311.1

1.052 0.404

BAB III PROSEDUR PERCOBAAN III.1 Percobaan Difusi Gas-Cair :

1. Mengisi kapiler n 35 mm dengan cairan aseton murni, sebelum diisi tabung kapiler dicuci terlebih dahulu dengan cairan sabun encer. 2. Merendam tabung kapiler dalam wadah waterbath, dan memasang termometernya pada waterbath. 3. Mengatur jarak mikroskop dengan tangki (20-30 mm). Mengatur lensa agar fokus pada tabung kapiler agar miniskus terlihat (miniskus akan terbalik). 4. Mengatur sliding vernier scale pada skala tertentu 5. Menyalakan Menyalakan pompa udara, kemudian mencatat level cairan. 0

6. Menyalakan temperatur kontroler dan mengatur pada temperatur 50 C, kemudian menunggu hingga temperatur dalam keadaan steady state 7. Mencatat waktu (t) dan level cairan setiap interval waktu 4 menit selama 1jam. 0

8. Mengulangi percobaan percobaan 1-7 untuk suhu aseton 60 C

III.2 Percobaan Difusi Cair-Cair :

1. Mengisi sel difusi dengan KCL 1 M 2. Membersihkan cairan yang berlebih pada luar sel difusi 3. Menempatkan sel difusi ke dalam tangki, kemudian mengatur kedudukan sel horizontal dan n 5mm di bawah garis tangki. 4. Mengisi tangki dengan aquades, mula-mula pembacaan adalah sekitar 10 μS (apabila tidak, berarti airnya kurang baik) 5. Memasang konduktometer 6. Menyalakan Menyalakan pengaduk agar konsentrasi konsentrasi merata mer ata 7. Mencatat konduktifitas setiap interval 4 menit dalam waktu 60 menit 8. Mengulangi langkah 1-7 untuk konsentrasi KCL 2M