menentukan suhu kritik fenol-air, kelarutan timbal balik

KELARUTAN TIMBAL BALIK

Kelarutan atau solubilitas adalah kemampuan suatu zat kimia tertentu, zat terlarut (solute), untuk larut dalam suatu pelarut (solvent). Kelarutan dinyatakan dalam jumlah maksimum zat terlarut yang larut dalam suatu pelarut pada kesetimbangan. Larutan hasil disebut larutan jenuh. Zat-zat tertentu dapat larut dengan perbandingan apapun terhadap suatu pelarut. Contohnya adalah etanol di dalam air. Sifat ini lebih dalam bahasa Inggris lebih tepatnya disebut miscible.

Pelarut umumnya merupakan suatu cairan yang dapat berupa zat murni ataupun campuran. Zat yang terlarut, dapat berupa gas, cairan lain, atau padat. Kelarutan bervariasi dari selalu larut seperti etanol dalam air, hingga sulit terlarut, seperti perak klorida dalam air. Istilah "tak larut" (insoluble) sering diterapkan pada senyawa yang sulit larut, walaupun sebenarnya hanya ada sangat sedikit kasus yang benar-benar tidak ada bahan yang terlarut. Dalam beberapa kondisi, titik kesetimbangan kelarutan dapat dilampaui untuk menghasilkan suatu larutan yang disebut lewat jenuh (supersaturated) yang metastabil.

Ø  Faktor-faktor yang mempengaruhi kelarutan :

1. Temperatur

Pengaruh temperatur tergantung dari panas pelarutan. Bila panas pelarutan (∆H) negatif, maka daya larut turun dengan turunnya temperatur. Bila panas pelarutan (∆H) positif, maka daya larut naik dengan naiknya temperatur.

2. Jenis zat terlarut dan pelarut

Zat-zat dengan struktur kimia yang mirip, umumnya dapat saling bercampur baik, sedang yang tidak biasanya sukar bercampur.

3. Tekanan

Tekanan tidak begitu berpengaruh terhadap daya larut zat padat dan zat cair, tetapi berpengaruh pada daya larut gas.

Ø  Daya larut suatu zat dalam zat lain dipengaruhi oleh :

1. Jenis pelarut dan zat terlarut.

Zat-zat dengan struktur kimia yang mirip, umumnya dapat saling bercampur baik sedang yang tidak biasanya sukar bercampur. Air dan alkohol bercampur sempurna (completely misible), air dan eter bercampur sebagian (partially miscible),sedang air dan minyak sama sekali tidak bercampur (completely immiscible).

2. Temperatur.

- Zat padat dalam cairan.

Kebanyakan zat padat menjadi lebih banyak larut ke dalam suatu cairan, bila temperatur dinaikkan, misalnya kaliumnitrat (KNO3) dalam air, namun terdapat beberapa zat padat yang kelarutannya menurun bila temperatur dinaikkan misalnya pembentukan larutan air dari seriumsulfat (Ce2(SO4)3).

- Gas dalam cairan

Kelarutan suatu gas dalam suatu cairan biasanya menurun dengan naiknya temperatur.

3. Tekanan

Tekanan tidak begitu berpengaruh terhadap daya larut zat pada zat cair, tetapi berpengaruh pada daya larut gas.

Ø  Jenis-jenis larutan yang penting ada 4 yaitu :

1. Larutan gas dalam gas

Gas dengan gas selalu bercampur sempurna membentuk larutan. Sifat-sifat larutan adalah aditif, asal tekanan total tidak terlalu besar.

2. Larutan gas dalam cair

Tergantung pada jenis gas, jenis pelarut, tekanan dan temperatur. Daya larut N2, H2, O2 dan He dalam air, sangat kecil. Sedangkan HCl dan NH3 sangat besar. Hal ini disebabkan karena gas yang pertama tidak bereaksi dengan air, sedangkan gas yang kedua bereaksi sehingga membentuk asam klorida dan ammonium hidroksida. Jenis pelarut juga berpengaruh, misalnya N2, O2, dan CO2 lebih mudah larut dalam alkohol daripada dalam air, sedangkan NH3 dan  H2S lebih mudah larut dalam air daripada alkohol.

3. Larutan cairan dalam cairan

Bila dua cairan dicampur, zat ini dapat bercampur sempurna, bercampur sebagian, atau tidak sama sekali bercampur. Daya larut cairan dalam cairan tergantung dari jenis cairan dan temperatur.

Contoh :

a.       Zat-zat yang mirip daya larutnya besar.

Benzena-Toluena
Air-Alkohol
Air-Metil

b.      Zat-zat yang berbeda tidak dapat bercampur

Air-Nitro Benzena

Air-Kloro Benzena

4. Larutan zat padat dalam cairan

Daya larut zat padat dalam cairan tergantung jenis zat terlarut, jenis pelarut, temperatur, dan sedikit tekanan. Batas daya larutnya adalah konsentrasi larutan jenuh. Konsentrasi larutan jenuh untuk bermacam-macam zat dalam air sangat berbeda, tergantung jenis zatnya. Umumnya daya larut zat-zat organik dalam air lebih besar daripada dalam pelarut-pelarut organik. Umumnya daya larut bertambah dengan naiknya temperatur karena kebanyakan zat mempunyai panas pelarutan positif.

Kelarutan timbal balik adalah kelarutan dari suatu larutan yang bercampur sebagian bila temperaturnya di bawah temperatur kritis. Jika mencapai temperatur kritis, maka larutan tersebut dapat bercampur sempurna (homogen) dan jika temperaturnya telah melewati temperatur kritis maka sistem larutan tersebut akan kembali dalam kondisi bercampur sebagian lagi. Salah satu contoh dari temperatur timbal balik adalah kelarutan fenol dalam air yang membentuk kurva parabola yang berdasarkan pada bertambahnya % fenol dalam setiap perubahan temperatur baik di bawah temperatur kritis. Jika temperatur dari dalam kelarutan fenol aquadest dinaikkan di atas 50°C maka komposisi larutan dari sistem larutan tersebut akan berubah. Kandungan fenol dalam air untuk lapisan atas akan bertambah (lebih dari 11,8 %) dan kandungan fenol dari lapisan bawah akan berkurang (kurang dari 62,6 %). Pada saat suhu kelarutan mencapai 66°C maka komposisi sistem larutan tersebut menjadi seimbang dan keduanya dapat dicampur dengan sempurna.

Temperatur kritis adalah kenaikan temperatur tertentu dimana akan diperoleh komposisi larutan yang berada dalam kesetimbangan.

Ada dua macam larutan, yaitu :

1. Larutan homogen, yaitu apabila dua macam zat dapat membentuk suatu larutan yang susunannya begitu seragam sehingga tidak dapat diamati adanya bagian-bagian yang berlainan, bahkan dengan mikroskop optis sekalipun. Atau larutan dapat dikatakan dapat bercampur secara seragam (miscible).

2. Larutan heterogen, yaitu apabila dua macam zat yang bercampur masih terdapat permukaan-permukaan tertentu yang dapat terdeteksi antara bagian- bagian atau fase-fase yang terpisah.

Larutan heterogen dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu :

a.       Insoluble, yaitu jika kelarutannya sangat sedikit, yaitu kurang dari 0,1 gram zat terlarut dalam 1000 gram pelarut. Misalnya, kaca dalam air.

b.      Immisable,yaitu jika kedua zat tersebut tidak dapat larut antara zat satu ke dalam zat yang lain. Misalnya, minyak dalam air.

Kelarutan adalah banyaknya zat yang melarut dalam suatu kuantitas tertentu pelarut untuk menghasilkan larutan jenuh (gram zat terlarut/100 cm3 pelarut).

Ø  Sifat-sifat metanol :

a. Tidak bewarna

b. Larut dalam air

c. Bersifat racun

d. Mempunyai rumus molekul CH3OH

e. Mempunyai massa molar 32,04 gr/mol

f. Mempunyai titik didih 65°C

g. Mempunyai titik beku -97,8C

Ø  Sifat-sifat fenol :

a. Mengandung gugus OH, terikat pada sp2-hibrida

b. Mempunyai titik didih yang tinggi

c. Mempunyai rumus molekul C6H6O atau C6H5OH

d. Fenol larut dalam pelarut organik

e. Berupa padatan (kristal) yang tidak berwarna

f. Mempunyai massa molar 94,11 gr/mol

g. Mempunyai titik didih 181,9°C

h. Mempunyai titik beku 40,9°C

Ø  Sifat NaCl :

a) Berasal dari reaksi antara NaOH dengan HCl menjadi NaCl dan H2O.

b) Biasanya bersifat higroskopis yang artinya zat yang dapat menyerap air.

c) Aplikasi nyata adalah garam dapur, bila tidak disimpan ditempat tertutup rapat maka lama kelamaan akan basah.

Ø  Sifat-sifat air, yaitu :

−Mempunyai rumus molekul H2O. Satu molekul air tersusun atas dua molekul hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen.

−Air bersifat tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) dan temperatur 273,15 K (0°C).

−Air merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untukmelarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam pelarut organik.

−Air menempel pada sesamanya (kohesi) karena air bersifat polar.

−Air juga mempunyai sifat adesi yang tinggi disebabkan oleh sifat alamikepolarannya.

−Air memiliki tegangan permukaan yang besar yang disebabkan oleh kuatnya sifat kohesi antar molekul-molekul air

−Mempunyai massa molar :18,0153 gr/mol

−Air mempunyai densitas 0,998 gr/cm3 (berupa fase cairan pada 20°C), dan mempunyai densitas 0,92 gr/cm3 (berupa fase padatan).

−Mempunyai titik lebur : 0°C, 273,15 K, 32°F

−Mempunyai titik didih : 100°C, 373,15 K, 212°F

−Kalor jenis air yaitu 4184 J/(kg.K) berupa cairan pada 20°C.

Kesetimbangan Kimia

      Reaksi timbal balik

Reaksi timbal balik adalah reaksi yang, tergantung keadaan, dapat mengalir ke dua arah.
Apabila Anda meniupkan uap panas ke sebuah besi yang panas, uap panas ini akan bereaksi dengan besi dan membentuk sebuah besi oksida magnetik berwarna hitam yang disebut ferri ferro oksida atau magnetit, Fe₃O₄.

Hidrogen yang terbentuk oleh reaksi ini tersapu oleh aliran uap.

Dalam keadaan lain, hasil-hasil reaksi ini akan saling bereaksi. Hidrogen yang melewati ferri ferro oksida panas akan mengubahnya menjadi besi, dan uap panas juga akan terbentuk. 

Uap panas yang kali ini terbentuk tersapu oleh aliran hidrogen.

Reaksi ini dapat berbalik, tapi dalam keadaan biasa, reaksi ini menjadi reaksi satu arah.

Produk dari reaksi satu arah ini berada dalam keadaan terpisah dan tidak dapat bereaksi satu sama lain sehingga reaksi sebaliknya tidak dapat terjadi

      Reaksi timbal balik yang terjadi pada sistem tertutup

Sistem tertutup adalah situasi di mana tidak ada zat yang ditambahkan atau diambil dari sistem tersebut. Tetapi energi dapat ditransfer ke luar maupun ke dalam. Pada contoh yang baru kita bahas tadi, Anda harus membayangkan sebuah besi yang dipanaskan oleh uap dalam sebuah kotak tertutup. Panas ditambahkan ke dalam sistem ini, namun tidak satu zat pun yang terlibat dalam reaksi ini dapat keluar dari kotak. Keadaan demikian disebut sistem tertutup.
Pada saat ferri ferro oksida dan hidrogen mulai terbentuk, kedua zat ini akan saling bereaksi kembali untuk membentuk besi dan uap panas yang ada pada mulanya. Coba pikirkan, kira-kira apa yang Anda temukan ketika menganalisis campuran ini setelah beberapa saat?

Anda akan sadar, bahwa Anda telah membentuk situasi yang disebutkesetimbangan dinamis.

      Kesetimbangan Dinamis

Mempelajari kesetimbangan dinamis secara visual

Bayangkan sebuah zat yang dapat berada dalam dua bentuk/warna, biru dan merah, masing-masing dapat bereaksi untuk menjadi yang lain (biru menjadi merah, merah menjadi biru). Kita akan membiarkan mereka bereaksi dalam sistem tertutup, di mana tidak ada satu pun yang dapat keluar dari sistem ini.

Biru dapat berubah menjadi merah jauh lebih cepat daripada merah menjadi biru. Dan berikut adalah peluang (probabilitas) dari perubahan yang dapat terjadi. 3/6 biru berubah menjadi merah, dan 1/6 merah berubah menjadi biru.

Anda dapat mencobanya dengan kertas berwarna yang digunting kecil-kecil (dua warna) dan sebuah dadu.

Berikut adalah hasil dari ‘reaksi’ (simulasi) yang saya lakukan. Saya mulai dengan 16 potongan kertas biru. Saya melihat potongan-potongan itu satu per satu secara bergantian dan memutuskan apakah kertas yang saya lihat dapat berubah warna dengan melempar dadu.

Kertas biru dapat saya ganti dengan kertas merah apabila angka 4, 5 dan 6 keluar.

Kertas merah dapat saya ganti dengan kertas biru apabila angka 6 keluar pada saat saya melihat sebuah kertas merah.

Ketika saya selesai melihat ke-16 kertas itu, saya mulai lagi dari awal. Tapi tentu saja kali ini saya mulai dengan pola yang berbeda. Diagram di bawah ini menunjukkan hasil yang saya dapat setelah saya mengulang proses ini sebanyak 11 kali (dan saya tambahkan 16 potongan kertas biru yang saya punya pada awal simulasi).

Anda dapat melihat bahwa ‘reaksi’ berlangsung terus menerus. Pola yang terbentuk dari kertas merah dan biru terus berubah. Tapi, yang mengejutkan ialah, jumlah keseluruhan dari masing-masing kertas warna biru dan merah tetap sama, di mana dalam berbagai situasi, kita dapatkan 12 kertas warna merah dan 4 kertas warna biru.

Penjelasan tentang "kesetimbangan dinamis"

Reaksi (simulasi) di atas telah mencapai kesetimbangan dalam arti tidak akan perubahan lebih lanjut dalam jumlah kertas biru dan merah. Namun demikian, reaksi ini masih terus berlangsung. Untuk setiap kertas merah yang berubah warna jadi biru, ada kertas biru yang berubah jadi merah di suatu tempat dalam campuran tersebut.

Inilah yang kita kenal sebagai "kesetimbangan dinamis". Kata "dinamis" menunjukkan bahwa reaksi itu masih terus berlangsung.

Anda dapat menggunakan tanda panah khusus untuk memperlihatkan bahwa ada kesetimbangan dinamis pada persamaan reaksi. Untuk kasus yang kita bahas di atas, Anda dapat menulis seperti demikian

Yang perlu kita perhatikan di sini ialah, ini tidak hanya berarti bahwa reaksi tersebut merupakan reaksi timbal balik, tapi ini menunjukkan bahwa reaksi ini adalah reaksi timbal balik yang berada dalam kesetimbangan dinamis.

Pergeseran Kesetimbangan

Pergeseran dari kiri ke kanan dalam persamaan (dalam hal ini, dari warna biru ke warna merah) disebut ‘pergeseran kesetimbangan ke kanan’ dan dari kanan ke kiri disebut ‘pergeseran kesetimbangan ke kiri’

Posisi kesetimbangan

Dalam contoh yang kita pakai, campuran kesetimbangan terdiri dari lebih banyak warna merah daripada warna biru. Posisi kesetimbangan dapat menggambarkan situasi ini. Kita dapat mengatakan bahwa:

• Posisi kesetimbangan condong ke merah
• Posisi kesetimbangan condong ke sebelah kanan

Apabila kondisi praktikum berubah (dengan mengubah peluang terjadinya pergeseran kesetimbangan ke kanan maupun ke kiri), komposisi dari campuran kesetimbangan itu sendiri pun akan berubah.

Contohnya, apabila dengan mengubah kondisi praktikum kita dapat memproduksi lebih banyak warna biru di dalam campuran kesetimbangan, kita bisa mengatakan bahwa "Posisi kesetimbangan bergeser ke kiri" atau "Posisi kesetimbangan bergeser ke warna biru".

Mencapai kesetimbangan dari sisi yang lain

Apa yang terjadi bila Anda memulai reaksi dengan warna merah dan bukan warna biru namun tetap memberi kesempatan untuk berubah warna seperti di contoh pertama ? Ini adalah hasil dari percobaan saya.

Sekali lagi Anda dapat melihat konfigurasi yang terjadi sama persis dengan percobaan pertama di mana kita mulai dengan warna biru. Anda akan mendapat konfigurasi kesetimbangan yang sama tanpa dipengaruhi dari sisi mana Anda memulai reaksi.

Ingat: Anda tidak akan mendapat hasil yang sama bila menggunakan jumlah potongan kertas (yang melambangkan jumlah partikel) yang terlalu sedikit. Fluktuasi perubahan akan sangat mudah terlihat. Sekali lagi, apabila Anda menggunakan potongan kertas dalam jumlah besar, proporsi kesetimbangan akan menjadi 75% merah dan 25% biru. Dengan jumlah potongan kertas yang saya gunakan, kita mendapat hasil reaksi yang sangat dekat dengan proporsi rata-rata.

  Kesetimbangan Dinamis, lagi, dengan lebih formal

Kecepatan Reaksi

Ini adalah persamaan untuk sebuah reaksi biasa yang telah mencapai kesetimbangan dinamis. 

Bagaimana reaksi ini bisa mencapai keadaan tersebut? Anggap saja kita mulai dengan A dan B.
Pada awal reaksi, konsentrasi A dan B pada mula-mula ada pada titik maksimum, dan itu berarti kecepatan reaksi juga ada pada titik maksimum.

Seiring berjalannnya waktu, A dan B bereaksi dan konsentrasinya berkurang. Ini berarti, jumlah partikelnya berkurang dan kesempatan bagi partikel A dan B untuk saling bertumbukan dan bereaksi berkurang, dan ini menyebabkan kecepatan reaksi juga berangsur-angsur berkurang.

Pada awalnya tidak ada C dan D sama sekali sehingga tidak mungkin ada reaksi di antara keduanya. Seiring berjalannya waktu, konsentrasi C dan D bertambah banyak dan keduanya menjadi mudah bertumbukan dan bereaksi.

Dengan berlangsungnya waktu, kecepatan reaksi antara C dan D pun bertambah. 

Akhirnya, kecepatan reaksi antara keduanya mencapai titik yang sama di mana kecepatan reaksi A dan B berubah menjadi C dan D sama dengan kecepatan reaksi C dan D berubah menjadi A dan B kembali.

Pada saat ini, tidak akan ada lagi perubahan pada jumlah A, B, C, D di dalam campuran. Begitu ada partikel yang berubah, partikel tersebut terbentuk kembali berkat adanya reaksi timbal balik. Pada saat inilah kita mencapai kesetimbangan kimia.

      Rangkuman

Kesetimbangan kimia terjadi pada saat Anda memiliki reaksi timbal balik di sebuah sistem tertutup. Tidak ada yang dapat ditambahkan atau diambil dari sistem itu selain energi. Pada kesetimbangan, jumlah dari segala sesuatu yang ada di dalam campuran tetap sama walaupun reaksi terus berjalan. Ini dimungkinkan karena kecepatan reaksi ke kanan dan ke kiri sama.