KESETIMBANGAN FASA

         Kata fasa berasal dari bahasa Yunani yang berarti pemunculan. Fase (P) adalah keadaan materi yang seragam di seluruh bagiannya, bukan hanya dalam komposisi kimianya melainkan juga dalam keadaan fisiknya. Sedangkan komponen (C) adalah spesies yang ada dalam sistem, seperti zat terlarut dan pelarut dalam larutan biner.

         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) akan mengikuti hukum Henry.

1.      Fasa (p)

                     Fasa adalah bagian yang serba sama dari suatu sisitem, yang dapat dipisahkan secara mekanik , serbasama dalam hal komposisi kimia dan sifat-sifat fisika. Dalam fasa uap kerapatannya serbasama disemua bagian dalam uap tersebut. Dalam fasa cair kerapatannya serbasama disemua bagian dalam cair tersebut, tetapi nilai kerapatannya berbeda dengan di fasa uap. Contoh nya air yang berisi pecahan-pecahan es merupakan suatu sistem yang terdiri atas dua fasa yang berwujud padat (es) dan fasa yang berwujud cair (air) (Atkins,1999)

                     Sistem yang hanya terdiri atas campuran wujud gas saja hanya ada satu fasa pada kesetimbangan sebab gas selalu bercampur secara homogen. Dalam sistem yang hanya terdiri atas wujud cairan-cairan pada kesetimbangan bisa terdapat satu fasa atau lebih tergantung pada kelarutannya (Atkins,1999)

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

    CaCO3(s) CO2 (g) + CaO (s

2.      Komponen (c)

                     Jumlah komponen dalam suatu sistem merupakan jumlah minimum dari spesi yang secara kimia independen yang diperlukan untuk menyatakan komposisi setiap fasa dalam sistem tersebut. Cara praktis untuk menentukan jumlah komponen adalah dengan menentukan jumlah total spesi kimia dalam system dikurangi dengan jumlah-jumlah reaksi kesetimbangan yang berbeda yang dapat terjadi antara zat-zat yang ada dalam sistem tersebut

              Contoh : 

                                    H2O (g) H2O (l) jumlah komponen C = 1

                                    2(g) + 3 H2(g)2 NH2(g)

                                    jumlah komponen C = 3 untuk perbandingan mol N2 dan H2≠ 1:3

                                    jumlah komponen C = 2 bila perbandingan mol N2: H2= 1 : 3

3.      Derajat Kebebasan

                     Dalam membicarakan kesetimbangan fasa, kita tidak akan meninjau variabel ekstensif yang bergantung pada massa dari setiap fasa tetapi meninjau variabel-variabel intensif seperti suhu, tekanan, dan komposisi (fraksi mol). Jumlah variabel intensif independen yang diperlukan untuk menyatakan keadaan suatu system disebut derajat kebebasan dari sistem tersebut (Atkins,1999)

a.       Sistem Satu Komponen

Ø  Aturan Fasa Gibbs

               Pada tahun 1876, Gibbs menurunkan hubungan sederhana antara jumlah fasa setimbang, jumlah komponen, dan jumlah besaran intensif bebas yang dapat melukiskan keadaan sistem secara lengkap. Menurut Gibbs,

                                                         

  ..........................................       (1)

     

 dimana   υ = derajat kebebasan

                     c = jumlah komponen

                     p = jumlah fasa

                 γ = jumlah besaran intensif yang mempengaruhi sistem (P, T)

Derajat kebebasan suatu sistem adalah bilangan terkecil yang menunjukkan jumlah variabel bebas (suhu, tekanan, konsentrasi komponen – komponen) yang harus diketahui untuk menggambarkan keadaan sistem. Untuk zat murni, diperlukan hanya dua variabel untuk menyatakan keadaan, yaitu P dan T, atau P dan V, atau T dan V. Variabel ketiga dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan gas ideal. Sehingga, sistem yang terdiri dari satu gas atau cairan ideal mempunyai derajat kebebasan dua (υ = 2).

Bila suatu zat berada dalam kesetimbangan, jumlah komponen yang diperlukan untuk menggambarkan sistem akan berkurang satu karena dapat dihitung dari konstanta kesetimbangan. Misalnya pada reaksi penguraian H₂O.

                                    H₂O_(g)  D  H_2(g)  +  ½ O_2(g)

                                        

.............................................       (2)

 Dengan menggunakan perbandingan pada persamaan 2, salah satu konsentrasi zat akan dapat ditentukan bila nilai konstanta kesetimbangan dan konsentrasi kedua zat lainnya diketahui.

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. Sebagai contoh adalah diagram fasa 1 komponen adalah diagram fasa air

Kondisi fasa – fasa dalam sistem satu komponen digambarkan dalam diagram fasa yang merupakan plot kurva tekanan terhadap suhu.

          Gambar 2. Diagram fasa air pada tekanan rendah

Titik A pada kurva menunjukkan adanya kesetimbangan antara fasa – fasa padat, cair dan gas. Titik ini disebut sebagai titik tripel. Untuk menyatakan keadaan titik tripel hanya dibutuhkan satu variabel saja yaitu suhu atau tekanan. Sehingga derajat kebebasan untuk titik tripel adalah nol. Sistem demikian disebut sebagai sistem invarian.

 

           

            Keberadaan Fasa – Fasa dalam Sistem Satu Komponen

Perubahan fasa dari padat ke cair dan selanjutnya menjadi gas (pada tekanan tetap) dapat dipahami dengan melihat kurva energi bebas Gibbs terhadap suhu atau potensial kimia terhadap suhu.

         Gambar 3. Kebergantungan energi Gibbs pada fasa – fasa padat, cair dan gas terhadap

                        suhu pada tekanan tetap

Lereng garis energi Gibbs ketiga fasa pada gambar 3.2. mengikuti persamaan

                                                   ............................................       (3)

Nilai entropi (S) adalah positif. Tanda negatif muncul karena arah lereng yang turun. Sehingga, dapat disimpulkan bahwa S_g > S_l > S_s.

Persamaan Clapeyron

Bila dua fasa dalam sistem satu komponen berada dalam kesetimbangan, kedua fasa tersebut mempunyai energi Gibbs molar yang sama. Pada sistem yang memiliki fasa α dan β,

                                                G_α  =  G_β   ..................................................       (4)

Jika tekanan dan suhu diubah dengan tetap menjaga kesetimbangan, maka

                                                dG_α  =  dG_β   ................................................       (5)

               ...............       (6)

Dengan menggunakan hubungan Maxwell, didapat

                                       ..............................       (7)

                                       ...........................................       (8)

Karena                                        .................................................       (9)

maka                                          .............................................       (10)

Persamaan 10 disebut sebagai Persamaan Clapeyron, yang dapat digunakan untuk menentukan entalpi penguapan, sublimasi, peleburan, maupun transisi antara dua padat. Entalpi sublimasi, peleburan dan penguapan pada suhu tertntu dihubungkan dengan persamaan

                           ..............................       (11)

                         Persamaan Clausius – Clapeyron 

            Untuk peristiwa penguapan dan sublimasi, Clausius menunjukkan bahwa persamaan Clapeyron dapat disederhanakan dengan mengandaikan uapnya mengikuti hukum gas ideal dan mengabaikan volume cairan (V_l) yang jauh lebih kecil dari volume uap (V_g).

                                                   .............................................       (12)

Bila                                                         .................................................       (13)

maka persamaan 10 menjadi

                                                               ..........................................       (14)

                                                               ........................................       (15)

                                                   .......................................       (16)

                                       ........................................       (17)

                                                   ........................................       (18)

            Persamaan 18 disebut Persamaan Clausius – Clapeyron. Dengan menggunakan persamaan di atas, kalor penguapan atau sublimasi dapat dihitung dengan dua tekanan pada dua suhu yang berbeda.

            Bila entalpi penguapan suatu cairan tidak diketahui, harga pendekatannya dapat diperkirakan dengan menggunakan Aturan Trouton, yaitu

                                       ..........................       (19)

b.      Sistem dua komponen cair-gas ideal

             Yang dimaksud dengan sistem dua komponen cair-gas adalah sistem yang terdiri dari cairan dengan uapnya. Sistem dikatakan ideal bila memenuhi hukum Raoult pada semua rentang konsentrasi. Untuk campuran biner ideal, proses pencampuran tidak menimbulkan efek kalor karena energy interaksi antara komponen 1 dan komponen 2 sama dengan energi interaksi antara sesama partikel komponen 1 maupun sesama partikel komponen 2.

     Pada tahun 1884, Raoult mengemukakan hubungan sederhana yang dapat digunakan untuk memperkirakan tekanan parsial zat i di atas larutan (P_i ) dari suatu komponen dalam larutan. Menurut Raoult,

                                                   ................................................       (20)

     Pernyataan ini disebut sebagai Hukum Raoult, yang akan dipenuhi bila komponen – komponen dalam larutan mempunyai sifat yang mirip atau antaraksi antar larutan besarnya sama dengan interaksi di dalam larutan (A – B = A – A = B – B). Campuran yang demikian disebut sebagai campuran ideal, contohnya campuran benzena dan toluena


 

Gambar 4 Tekanan total dan parsial untuk campuran benzena – toluena pada 60^oC

 

Gambar 5 Fasa cair dan uap untuk campuran benzena – toluena pada 60^oC

Hukum Henry

Hukum Raoult berlaku bila fraksi mol suatu komponen mendekati satu. Pada saat fraksi mol zat mendekati nilai nol, tekanan parsial dinyatakan dengan

                                                   ................................................       (21)

yang disebut sebagai Hukum Henry, yang umumnya berlaku untuk zat terlarut. Dalam suatu larutan, konsentrasi zat terlarut (dinyatakan dengan subscribe 2) biasanya lebih rendah dibandingkan pelarutnya (dinyatakan dengan subscribe 1). Nilai K adalah tetapan Henry yang besarnya tertentu untuk setiap pasangan pelarut – zat terlarut.

Tabel 3.1. Tetapan Henry untuk gas – gas terlarut pada 25^oC (K₂ / 10⁹ Pa)

Gas	Pelarut
	Air	Benzena
H2	7,12	0,367
N2	8,68	0,239
O2	4,40
CO	5,79	0,163
CO2	0,167	0,0114
CH4	4,19	0,569
C2H2	0,135
C2H4	1,16
C2H6	3,07

Kelarutan gas dalam cairan dapat dinyatakan dengan menggunakan tetapan Henry. Hukum Henry berlaku dengan ketelitian 1 – 3% sampai pada tekanan 1 bar. Kelarutan gas dalam cairan umumnya menurun dengan naiknya temperatur, walaupun terdapat beberapa pengecualian seperti pelarut amonia cair, lelehan perak, dan pelarut – pelarut organik. Senyawa – senyawa dengan titik didih rendah (H₂, N₂, He, Ne, dll) mempunyai gaya tarik intermolekular yang lemah, sehingga tidak terlalu larut dalam cairan. Kelarutan gas dalam air biasanya turun dengan penambahan zat terlarut lain (khususnya elektrolit

APLIKASI KESETIMBANGAN FASA

Distilasi Fraksionisasi

Fungsi distilasi fraksionasi adalah memisahkan komponen-komponen cair, dua atau lebih, dari suatu larutan berdasarkan perbedaan titik didihnya. Distilasi ini juga dapat digunakan untuk  campuran dengan perbedaan titik didih kurang dari 20°C dan bekerja pada tekanan  atmosfer atau dengan tekanan rendah.Aplikasi dari distilasi jenis ini digunakan pada  industri minyak mentah, untuk memisahkan komponen-komponen dalam minyak  mentah. Perbedaan distilasi fraksionasi dan distilasi sederhana adalah adanya kolom  fraksionasi. Di kolom ini terjadi pemanasan secara bertahap dengan suhu yang berbeda-beda  pada setiap platnya. Pemanasan yang berbeda-beda ini bertujuan untuk  pemurnian distilat yang lebih dari plat-plat di bawahnya. Semakin ke atas, semakin  tidak volatil cairannya

Nama : Luthfiyatul Azizah

Nim:15630007

Kelas: kimia A