SISTEM TIGA FASA
Berbagai ilmu kimia mengajarkan tentang ilmu pemisahan suatu
komponen senyawa, salah satunya adalah ekstraksi. Ekstraksi ini merupakan suatu
metoda yang didasarkan pada perbedaan kelarutan komponen campuran pada pelarut
tertentu dimana kedua pelarut tidak saling melarutkan. Bila dua zat cair
dicampur dengan komposisi yang berbeda-beda maka akan terdapat tiga kemungkinan
yang terjadi, yaitu :
1.
Kedua zat cair dapat bercampur dalam tiap komposisi
2.
Kedua zat cair tidak dapat bercampur dengan yang lainnya tidak
bercampur sama sekali
3.
Zat cair dapat bercampur hanya pada komposisi tertentu
Kemudian bila suatu sistem terdiri dari dua lapisan cairan yang
tidak bercampur atau bercampur sebagian, jika ditambahkan zat ketiga yang larut
dalam kedua lapisan tersebut, maka zat tersebut akan terdistribusi diantara
kedua lapisan dengan perbandingan tertentu, selain itu dalam larutan terdapat
dua macam kemungkinan terjadinya
kesetimbangan antara lain yaitu kesetimbangan yang terbentuk dapat berupa
kesetimbangan heterogen atau homogen, dimana kesetimbangan yang terjadi
terdapat pada campuran dalam fase yang sama maupun dua fase yang berbeda. Jika
zat tersebut ditambahkan terus menerus sehingga menyebabkan komponen-komponen
atau zat nya tida saling tercampur akibatnya membentuk tiga fasa.
Salah satu cara untuk memperlihatkan variasi kesetimbangan fase
dengan sistem komposisi digunakan diagram fase segitiga, diagram ini berupa
satu segitiga sama sisi yang disebut “Diagram Terner”, dengan tiap sudut
segitiga tersebut menggambarkan suatu komponen murni dimana kesetimbangan ini
terjadi pada suhu dan tekanan yang tetap. Diagram fasa yang digambarkan sebagai
segi tiga sama sisi menjamin dipenuhinya sifat ini secara otomatis sebab jumlah
jarak ke sebuah titik didalam segitiga sama sisi diukur sejajar dengan
sisi-sisinya sama dengan panjang sisi segitiga itu yang dapat diambil sebagai
satuan panjang. Diagram fasa ini digunakan untuk menentukan keadaan suatu zat
pada suhu dan tekanan tertentu.
Suatu fasa didefinisikan sebagai bagian sistem yang seragam atau
homogen diantara keadaan submakroskopiknya, tetapi benar-benar terpisah dari
bagian sistem yang lain oleh batasan yang jelas dan baik. 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
Campuran padatan atau dua cairan yang tidak saling bercampur dapat
membentuk fasa terpisah atau heterogen. Sedangkan, campuran gas-gas adalah satu
fase karena sistemnya homogen (simbol umum fase adalah P). Fasa
heterogenterdiri dari berbagai bagian homogen yang batasannya tidak saling
bercampur. Bagian homogen ini disebut fasa yang dapat dipisahkan secara
mekanik. Tekanan dan temperatur menentukan keadaan suatu materi kesetimbangan
fasa dari materi yang sama. Kesetimbangan fasa dari suatu sistem harus memenuhi
syarat berikut :
1. Sistem mempunyai
lebih dari satu fasa meskipun materinya sama
2. Terjadi perpindahan
reversibel spesi kimia dari satu fasa ke fasa lain
3. Seluruh bagian sistem
mempunyai tekanan dan temperatur sama
Suatu sistem campuran dapat membentuk satu fasa atau lebih
tergantung pada kelarutan dari zat yang ada didalamnya. Kelarutan suatu zat
adalah suatu konsentrasi maksimum yang dicapai suatu zat dalam suatu larutan.
Partikel-partikel zat terlarut baik berupa molekul maupun berupa ion selalu
berada dalam keadaan terhidrasi (terikat oleh molekul-nolekul air). Makin
banyak partikel zat terlartu makin banyak pula molekul air yang diperlukan
untuk menghindari partikel zat terlarut tersebut, setiap pelarut memiliki batas
maksimum dalam melarutkan zat.
Sistem zat adalah suatu zat yang dapat diisolasikam dari zat-zat lain
dalam suatu bejana inert, yang menjadi pusat perhatian dalam mengamati pengaruh
perubahan temperatur, tekanan serta konsentrasi zat tersebut. Sedangkan komponen
adalah yang ada dalam sistem, seperti zat terlarut dan pelarut dalam senyawa
biner. Banyaknya komponen dalam sistem adalah jumlah minimum spesies bebas yang
diperlukan untuk menentukan komposisi semua fasa yang ada dalam sistem.
Komponen merupakan suatu hal
yang biasanya terdapat didalam suatu campuran, baik cairan, padatan maupun gas.
Jumlah komponen – komponen dalam suatu sistem didefinikan sebagai jumlah
minimum dari “variabel bebas pilihan” yang dibutuhkan untuk menggambarkan
komposisi tiap fase dari suatu sistem. Jumlah komponen didalam suatu campuran
dilambangkan dengan C . Jumlah minimum variabel intensif yang harus dipilih
agar keberadaan variabel intensif dapat ditetapkan, disebut dengan derajat
kebebasan. Jumlah minimum variabel intensif dapat berupa temperature, tekanan
dan konsentrasi. Untuk derajat kebebasan
yang invariant dilambangkan dengan V = 0, bila univarian dilambangkan dengan V
= 1, bila bivarian dilambangkan dengan V = 2. Namun, secara umum derajat
kebebasan dilambangkan dengan V atau F.
Aturan fase gibbs memberikan suatu hubungan antar derajat kebebasan
dalam suatu sistem dengan komponen (C) dan fase (P). Hubungan komponen dan fase
tersebut dapat dinyatakan kedalam suatu persamaan :
V = C – P + 2 .............................................. (1)
F = C – P + 2 .............................................. (2)
dimana,
F
atau V = jumlah derajat kebebasan
C =
jumlah komponen
P =
jumlah fasa
Sedangkan menurut aturan fase gibbs, derajat kebebasan untuk sistem
tiga komponen (C = 3) dapat melalui persamaan :
F = C – P +2
= 5 – P ................................................ (3)
Untuk suhu dan
tekanan yang tetap, sistem dengan tiga komponen akan memiliki jumlah derajat
kebebasan gibbs maksimum = 2. Hal ini dikarenakan jumlah fase minimum yang
tebentuk adalah 1 fase (saling melarutkan dan homogen). Diagram fase ini dapat
kita gambarkan dalam sebuah diagram fase satu bidang. Dimana dalam
menggambarkan sistem tiga komponen dapat dilakukan dengan mendapatkan sebuah
kertas grafik segitiga atau yang dikenal dengan istilah diagram terner. Diagram
terner adalah diagram fasa sistem yang digambarkan dalam satu bidang datar
berupa segitiga sama sisi dan dapat menggambarkan sistem tiga komponen zat
dalam berbagai fasa. Dalam ungkapan diatas, kesetimbangan dipengaruhi oleh
suhu, tekanan dan komposisi sistem. Jumlah derajat kebebasan untuk sistem tiga
komponen pada suhu dan tekanan tetap dapat dinyatakan sebagai :
F = 3
–
P...................................................(2)
Jika dalam sistem hanya terdapat satu fasa, maka F = 2, berarti
untuk menyatakan keadaan sistem dengan tepat perlu ditentukan konsentrasi dari
dua komponennya. Sedangkan bila dalam sistem terdapat dua fasa dalam
kesetimbangan,maka F = 1, berarti hanya satu komponen yang harus ditentukan konsentrasinya dan
konsentrasi komponen yang lain sudah tertentu berdasarkan diagram fasa untuk
sistem tersebut. Oleh karena sistem tiga kompoen pada suhu dan tekanan tetap
mempunyai jumlah derajat kebebasan paling banyak dua, maka diagram fasa sistem
ini dapat digambarkan dalam satu bidang datar berupa suatu segitiga samasisi
yang disebut diagram terner.
Jumlah fasa dalam sistem zat cair tiga kompoen tergantung pada daya
saling larut antar zat cair tersebut dan suhu percobaan. Andaikan ada tiga zat
cair A, B dan C. A dan B saling larut sebagian. Penambahan zat C kedalam
campuran A dan B akan memperbesar atau memperkecil daya saling larut A dan B. Ditinjau
dari sistem yang memperbesar daya saling larut A dan B. Dalam hal ini A dan C
serta B dan C saling larut sempurna. Kelarutan cairan C dalam berbagai
komposisi campuran A dan B pada suhu tetap dapat digambarkan pada suatu diagram
terner. Prinsip menggambarkan komposisi dalam diagram terner dapat dilihat pada
gambar (1) dan (2) di bawah ini.
Gambar 1. Diagram Terner
secara umum
Gambar 2. Diagram Terner
Titik A, B dan C menyatakan
kompoenen murni. Titik-titik pada sisi AB, BC dan AC menyatakan fraksi dari dua
komponen, sedangkan titik didalam segitiga menyatakan fraksi dari tiga
komponen. Fraksi mol tiga komponen dari sistem terner (C = 3) sesuai dengan Xa
+ Xb + Xc = 1. Titik pada sisi AB merupakan campuran biner A dan B, titik pada
sisi BC merupakan campuran biner B dan C, sedangkan titik pada sisi CA merupakan
campuran biner C dan A.
Satu fasa membutuhkan dua derajat kebebasan untuk menggambarkan
sistem secara sempurna, dan untuk dua fasa dalam kesetimbangan, satu derajat
kebebasan. Jadi, dapat digambarkan diagram fasa dalam satu bidang. Cara terbaik
untuk menggambarkan sistem tiga komponen adalah dengan mendapatkan suatu kertas
grafik segitiga. Konsentrasi dapat dinyatakan dalam istilah % berat atau fraksi
mol. Bila komposisi masing-masing dinyatakan dalam persen berat masing-masing
komponen, maka perlu diketahui massa jenis tiap komponen untuk menghitung
beratnya masing-masing.
m = ρ X V............................................(3)
keterangan :
m = massa
ρ = massa
jenis
V = volume
Konsentrasi dapat dinyatakan dalam istilah presentase % berat atau
fraksi mol. Sistem tiga komponen pada suhu dan tekanan tetap mempunyai jumlah
derajat kebebasan paling banyak. Jumlah fase dalam sistem zat cair tiga
komponen bergantung pada daya paling larut antar zat cair tersebut dan suhu.
Metode titrasi digunakan untuk memisahkan campuran yang terdiri dari dua cairan
yang saling melarut sempurna . Prinsip kerja diagram terner yaitu pemisahan
suatu campuran yang terdiri dari dua komponen yang saling melarut sempurna.
Campuran akan berubah menjadi keruh apabila zat telah terpisah dan membentuk
dua lapisan. Oleh karena itu, sistem
tiga komponen pada temperatur dan tekanan tetap mempunyai jumlah derajat
kebebasan paling banyak dua, maka diagram fasa sistem ini dapat digambarkan
dalam fasa bidang datar berupa suatu segitiga sama sisi yang disebut diagram. Oleh
karena itu, sistem tiga komponen pada temperatur dan tekanan tetap mempunyai
jumlah derajat kebebasan paling banyak dua, maka diagram fasa sistem ini dapat
digambarkan dalam fasa bidang datar berupa suatu segitiga sama sisi yang
disebut diagram Terner. Dengan ini dapat digambarkan diagram fasa yang
menyatakan susunan dua komponen. Diagram ini digambarkan sebagai segitiga sama
sisi.
Gambar 3. Diagram Fasa Sistem Tiga Komponen
Sebagai contoh untuk diagram tiga fasa yakni terdapat suatu zat
terlarut mempengaruhi kelarutan zat terlarut lainnya. Efek garam-keluar
(setting-out) adalah berkurangnya kelarutan suatu gas (atau zat bukan-ion
lainnya) di dalam air jika suatu garam ditambahkan. Efek garam ke dalam
(setting-in) juga dapat terjadi, dimana sistem terner lebih pekat (dalam arti
mempunyai air lebih sedikit) dari pada sistem biner. Garam juga dapat
mempengaruhi kelarutan elektrolit lain, seperti amonium klorida, aluminium
sulfat dan air. Titik b menunjukkan kelarutan klorida dalam air: campuran dengan
komposisi b1 terdiri atas klorida yang tak larut dan larutan jenuh dengan
komposisi b.
Gambar 4. Diagram fasa, pada temperatur dan tekanan tetap untuk
sistem terner NH4Cl / (NH4)2SO4
Dewi Elok Rahmawati (15630016)
Leave a Comment