Larutan

Sampai di sini, yang telah dibahas adalah, cairan satu komponen, yakni cairan murni. Fasa cair yang berupa sistem dua atau multi komponen, yakni larutan juga sangat penting. Larutan terdiri atas cairan yang melarutkan zat (pelarut) dan zat yang larut di dalamnya (zat terlarut). Pelarut tidak harus cairan, tetapi dapat berupa padatan atau gas asal dapat melarutkan zat lain. Sistem semacam ini disebut sistem dispersi. Untuk sistem dispersi, zat yang berfungsi seperti pelarut disebut medium pendispersi, sementara zat yang berperan seperti zat terlarut disebut dengan zat terdispersi (dispersoid).
Baik pada larutan ataupun sistem dispersi, zat terlarut dapat berupa padatan, cairan atau gas. Bahkan bila zat terlarut adalah cairan, tidak ada kesulitan dalam membedakan peran pelarut dan zat terlarut bila kuantitas zat terlarut lebih kecul dari pelarut. Namun, bila kuantitas zat terlarut dan pelarut, sukar untuk memutuskan manakah pelarut mana zat terlarut. Dalam kasus yang terakhir ini, Anda dapat sebut komponen 1, komponen 2, dst.

a. Konsentrasi

Konsentrasi larutan didefinisikan dengan salah satu dari ungkapan berikut:
Ungkapan konsentrasi

1. persen massa (%) =(massa zat terlarut/ massa larutan) x 100
2. molaritas (konsentrasi molar) (mol dm^-3) =(mol zat terlarut)/(liter larutan)
3. molalitas (mol kg^-1) =(mol zat teralrut)/(kg pelarut)

Contoh soal
Hitung jumlah perak nitrat AgNO₃ yang diperlukan untuk membuat 0,500 dm³ larutan 0,150 mol.dm^-3, asumsikan massa molar AgNO₃ adalah 170 g mol^-1.
Jawab
Bila jumlah perak nitrat yang diperlukan x g, x = [170 g mol^-1 x 0,500 (dm³) x 0,150 (mol dm^-3)]/[1 (dm³) x 1 (dm³)]
∴x = 12,8 mg.

b. Tekanan uap

Tekanan uap cairan adalah salah satu sifat penting larutan. Tekanan uap larutan juga penting dan bermanfaat untuk mengidentifikasi larutan. Dalam hal sistem biner, bila komponennya mirip ukuran molekul dan kepolarannya, misalnya benzen dan toluen, tekanan uap larutan dapat diprediksi dari tekanan uap komponennya. Hal ini karena sifat tekanan uap yang aditif. Bila larutan komponen A dan komponen B dengan fraksi mol masing-masing adalah x_A dan x_B berada dala kesetimbangan dengan fasa gasnya tekanan uap masing-masing komponen sebanding dengan fraksi molnya dalam larutan. Tekanan uap komponen A, p_A,diungkapkan sebagai:

p_A = p_A⁰ x_A … (7.2)

p_A⁰ adalah tekanan uap cairan A murni pada suhu yang sama. Hubungan yang mirip juga berlaku bagi tekanan uap B, p_B. Hubungan ini ditemukan oleh kimiawan Perancis Francois Marie Raoult (1830-1901) dan disebut dengan hukum Raoult. Untuk larutan yang mengikuti hukum Raoult, interaksi antara molekul individual kedua komponen sama dengan interaksi antara molekul dalam tiap komponen. Larutan semacam ini disebut larutan ideal. Gambar 7.6 menunjukkan tekanan uap larutan ideal sebagai fungsi konsentrasi zat teralrut. Tekanan total campuran gas adalah jumlah p_A dan p_B, masing-masing sesuai dengan hukum Raoult.

Gambar 7.6 Tekanan total dan parsial larutan ideal.

Contoh soal 7.3
Tekanan uap cairan A dan B adalah 15 Torr dan 40 Torr pada 25°C. tentukan tekanan uap larutan ideal yang terdiri atas 1 mol A dan 5 mol of B.
Jawab
p_A = p_A⁰ x_A = 15 x (1/6) = 2,5 Torr
p_B = p_B⁰ x_B = 40 x (5/6) = 33,3 Torr P = p_A + p_B = 35,8 Torr

c. Larutan ideal dan nyata

Sebagaimana juga perilaku gas nyata berbeda dengan perilaku gas ideal, perilaku larutan nyata berebeda dengan perilaku larutan ideal, dengan kata lain berbeda dari hukum Raoult. Gambar 7.7(a) menunjukkan kurva tekanan uap sistem biner dua cairan yang cukup berbeda polaritasnya, aseton Me₂CO dan karbon disulfida CS₂. Dalam hal ini, penyimpangan positif dari hukum Raoult (tekanan uap lebih besar) diamati. Gambar 7.7(b) menunjukkan tekanan uap sistem biner aseton dan khloroform CHCl₃. Dalam kasus ini, penyimpangan negatif dari hukum Raoult diamati. Garis putus-putus menunjukkan perilaku larutan ideal. Peilaku larutan mendekati ideal bila fraksi mol komponen mendekati 0 atau 1. Dengan menjauhnya fraksi mol dari 0 atau 1, penyimpangan dari ideal menjadi lebih besar, dan kurva tekanan uap akan mencapai minimum atau maksimum.

Gambar 7.7 Tekanan total dan parsial larutan nyata (25°C).

Penyebab penyimpangan dari perilaku ideal sebagian besar disebabkan oleh besarnya interaksi molekul. Bila pencampuran komponen A dan B menyebabkan absorpsi kalor dari lingkungan (endoterm), interaksi molekul antara dua komponen lebih kecil daripada pada masing-masing komponen, dan penyimpangan positif dari hukum Raoult akan terjadi. Sebaliknya, bila pencampuran menghasilkan kalor ke lingkungan (eksoterm), penyimpangan negatif akan terjadi.
Bila ikatan hidrogen terbentuk antara komponen A dan komponen B, kecenderungan salah satu komponen untuk meninggalkan larutan (menguap) diperlemah, dan penyimpangan negatif dari hukum Raoult akan diamati. Kesimpulannya, penyebab penyimpangan dari hukum Raoult sama dengan penyebab penyimpangan dari hukum gas ideal.

d. Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku

Bila dibandingkan tekanan uap larutan pada suhu yang sama lebih rendah dari tekanan uap pelarutnya. Jadi, titik didih normal larutan, yakni suhu saat fasa gas pelarut mencapai 1 atm, harus lebih tinggi daripada titik didih pelarut. Fenomena ini disebut dengan kenaikan titik didih larutan.
Dengan menerapkan hukum Raoult pada larutan ideal, kita dapat memperoleh hubungan berikut:

p_A = p_A⁰ x_A = p_A⁰ [n_A /(n_A + n_B)] …. (7.3)

(p_A⁰- p_A)/ p_A⁰ = 1 – x_A = x_B … (7.4)

x_A dan x_B adalah fraksi mol, dan n_A dan n_B adalah jumlah mol tiap komponen. Persamaan ini menunjukkan bahwa, untuk larutan ideal dengan zat terlarut tidak mudah menguap, penurunan tekanan uap sebanding dengan fraksi mol zat terlarut.
Untuk larutan encer, yakni n_A + n_B hampir sama dengan n_A, jumlah mol n_B dan massa pada konsentrasi molal m_B diberikan dalam ungkapan.

x_B = n_B/(n_A + n_B) = n_B/n_A= n_B/(1/M_A) = M_Am_B … (7.5)

M_A adalah massa molar pelarut A. Untuk larutan encer, penurunan tekanan uap sebanding dengan m_B, massa konsentrasi molal zat terlarut B.
Perbedaan titik didih larutan dan pelarut disebut dengan kenaikan titik didih, T_b. Untuk larutan encer, kenaikan titik didih sebanding dengan massa konsentrasi molal zat terlarut B.

T_b = K_b m_B … (7.6)

Tetapan kesebandingan K_b khas untuk setiap pelarut dan disebut dengan kenaikan titik didih molal.
Hubungan yang mirip juga berlaku bila larutan ideal didinginkan sampai membeku. Titik beku larutan lebih rendah dari titik beku pelarut. Perbedaan antara titik beku larutan dan pelarut disebut penurunan titik beku, T_f. Untuk larutan encer penurunan titik beku akan sebanding dengan konsentrasi molal zat terlarut m_B

T_f = K_f m_B … (7.7)

Tetapan kesebandingannya K_b khas untuk tiap pelarut dan disebut dengan penurunan titik beku molal.

Tabel 7.3 Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal.

pelarut	titik didih (°C)	Kb	pelarut	titik beku (°C)	Kf
CS2	46	2.40	H2O	0	1.86
aseton 55,9	1,69	benzen	5,1	5,07
benzen	79,8	2,54	asam asetat	16,3	3,9
H2O	100	0,51	kamfer	180	40

Di Tabel 7.3 beberapa nilai umum kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal diberikan. Dengan menggunakan nilai ini dan persamaan 7.6 dan 7.7 dimungkinkan untuk menentukan massa molar zat terlarut yang belum diketahui. Kini, penentuan massa molekul lebih mudah dilakukan dengan spektrometer massa. Sebelum spektrometer massa digunakan dengan rutin, massa molekul umumnya ditentukan dengan menggunakan kenaikan titik didih atau penurunan titik beku. Untuk kedua metoda, derajat kesalahan tertentu tak terhindarkan, dan keterampilan yang baik diperlukan agar didapatkan hasil yang akurat.
Contoh soal 7.4 Penentuan massa molekul dengan metoda penurunan titik beku.
Larutan dalam air terdiri atas 100 g H₂O dan 5,12 g zat A (yang massa molekulnya tidak diketahui) membeku pada -0,280°C. Dengan menggunakan data di Tabel 7.3, tentukan massa molar A.
Jawab
Massa molar A andaikan M. Dengan menggunakan persamaan 7.7, M dapat ditentukan dengan
0,280 = Kf x (m/M) x (1/W) = 1,86 x (5,12/M) x (1/0,11)
∴ M = 340 g mol^-1.

e. Tekanan osmosis

Membran berpori yang dapat dilalui pelarut tetapi zat terlarut tidak dapat melaluinya disebut dengan membran semipermeabel. Bila dua jenis larutan dipisahkan denga membran semipermeabel, pelarut akan bergerak dari sisi konsentrasi rendah ke sisi konsentrasi tinggi melalui membran. Fenomena ini disebut osmosis. Membran sel adalah contoh khas membran semipermeabel. Membran semipermeabel buatan juga tersedia.
Bila larutan dan pelarut dipisahkan membran semipermeabel, diperlukan tekanan yang cukup besar agar pelarut bergerak dari larutan ke pelarut. Tekanan ini disebut dengan tekanan osmosis. Tekanan osmosis larutan 22,4 dm³ pelarut dan 1 mol zat terlarut pada 0 °C adalah 1,1 x 10⁵ N m^-2.
Hubungan antara konsentrasi dan tekanan osmoisi diberikan oleh hukum van’t Hoff’s.

πV = nRT … (7.8)

π adalah tekanan osmosis, V volume, T temperatur absolut, n jumlah zat (mol) dan R gas. Anda dapat melihat kemiripan formal antara persamaan ini dan persamaan keadaan gas. Sebagaimana kasus dalam persamaan gas, dimungkinkan menentukan massa molekular zat terlarut dari hubungan ini.
Contoh soal 7.5 hukum van’t Hoff
Tekanan osmosis larutan 60,0 g zat A dalam 1,00 dm³ air adalah 4,31 x 10⁵ Nm^–2. Tentukan massa molekul A.
Jawab
Dengan menggunakan hubungan πV = nRT
4,31 x 10⁵ (N m^-2) x 1,00 x 10^-3 (m³) = [60,0 (g) x 8,314 (J mol^-1 K^-1) x 298 (K)]/M (g mol^–1)
∴ M = 345 (g mol^-1)

f. Viskositas

Gaya tarik menarik antarmolekul yang besar dalam cairan menghasilkan viskositas yang tinggi. Koefisien viskositas didefinisikan sebagai hambatan pada aliran cairan. Gas juga memiliki viskositas, tetapi nilainya sangat kecil. Dalam kasus tertentu viskositas gas memiliki peran penting, misalnya dalam peawat terbang.
Viskositas

1. Viskositas cairan yang partikelnya besar dan berbentuk tak teratur lebih tinggo daripada yang partikelnya kecil dan bentuknya teratur.
2. Semakin tinggi suhu cairan, semakin kecil viskositasnya.

Dua poin ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik. Tumbukan antara partikel yang berbentuk bola atau dekat dengan bentuk bola adalah tumbukan elastik atau hampir elastik. Namun, tumbukan antara partikel yang bentuknya tidak beraturan cenderung tidak elastik. Dalam tumbukan tidak elastik, sebagian energi translasi diubah menjadi energi vibrasi, dan akibatnya partikel menjadi lebih sukar bergerak dan cenderung berkoagulasi. Efek suhu mirip dengan efek suhu pada gas.
Koefisien viskositas juga kadang secara singkat disebut dengan viskositas dan diungkapkan dalam N s m^-2 dalam satuan SI. Bila sebuah bola berjari-jari r bergerak dalam cairan dengan viskositas ηdengan kecepatan U, hambatan D terhadap bola tadi diungkapkan sebagai.

D = 6πhrU … (7.9)

Hubungan ini (hukum Stokes) ditemukan oleh fisikawan Inggris Gabriel Stokes (1819-1903).

g. Tegangan permukaan

Tegangan permukaan juga merupakan sifat fisik yang berhubungan dengan gaya antarmolekul dalam cairan dan didefinisikan sebagai hambatan peningkatan luas permukaan cairan. Awalnya tegangan permukaan didefinisikan pada antarmuka cairan dan gas. Namun, tegangan yang mirip juga ada pada antarmuka cairan-cairan, atau padatan dan gas. Tegangan semacam ini secara umum disebut dengan tegangan antarmuka. Tarikan antarmolekul dalam dua fas dan tegangan permukaan di antarmuka antara dua jenis partikel ini akan menurun bila tempeartur menurun. Tegangan antarmuka juga bergantung pada struktur zat yang terlibat. Molekul dalam cairan ditarik oleh molekul di sekitarnya secara homogen ke segala arah. Namun, molekul di permukaan hanya ditarik ke dalam oleh molekul yang di dalam dan dengan demikian luas permukaan cenderung berkurang. Inilah asal mula teori tegangan permukaan. Bentuk tetesan keringat maupun tetesan merkuri adalah akibat adanya tegangan permukaan.
Cairan naik dalam kapiler, fenomena kapiler, juga merupakan fenomena terkenal akibat adanya tegangan permukaan. Semakin besar tarikan antar molekul cairan dan kapilernya, semakin besar daya basah cairan. Bila gaya gravitasi pada cairan yang naik dan tarikan antara cairan dan dinding kapiler menjadi berimbang, kenaikan akan terhenti. Tegangan permukaan γ diungkapkan sebagai.

γ = rhdg/2 …. (7.10)

h adalah tinggi kenaikan cairan, r radius kapiler dan g percepatan gravitasi. Jadi, tegangan permukaan dapat ditentukan dengan percobaan.
Latihan
7.1 Perbandingan titik didih
Susunlah senyawa-senyawa berikut dalam urutan titik didihnya: C₂H₆, NH₃, F₂
7.1 Jawab NH₃ > C₂H₆ > F₂
7.2 Diagram fasa
Gambar 7.8 adalah diagram fasa zat tertentu. Tunjukkan fasa zat yang ada di daerah A, B, C dan H dan fasa yang ada di titik D, E, F dan G dan tunjukkan titik mana yang menyatakan titik tripel, titik didih normal, titik beku normal, dan titik kritis.

Gambar 7.8 Diagram fasa suatu senyawa.

7.2 Jawab
A: padat, B: cair，C: uap (gas), D: padat + uap, E: padat+ cair +uap，F: cair + uap, G:cair + uap, H: uap; titik tripel: E; G: titik beku normal: titik pada kurva fasa cair-padat pada 1 atm, H: titik didih normal: titik pada garis cair-gas pada 1 atm.
7.3 Konsentrasi larutan
Kerapatan asam sulfat encer (persen massa 12,00%) adalah 1,078 g cm^-3 (25°C). Nyatakan kosentrasi larutan ini dalam molar, molal dan fraksi mol.
7.3 Jawab
Jumlah H₂SO₄ alam 100 g asam sulfat encer tersebut adalah 12,00/98,08 = 0,1223 mol，dan jumlah airnya adalah 88,00/18,0 = 4,889 mol.
Jadi fraksi mol H₂SO₄ adalah 0,1223/(4,889+0,122) = 0,0244.
Karena 88,00 g H₂O melarutkan 0,1223 mol H₂SO₄, jumlah mol H₂SO₄ yang larut dalam 1 kg H₂O, adalah 0,1223 mol x (1000 g kg^–1)/(88,00 g) = 1,390 mol kg^–1. Jadi konsentrasi asam sulfat encer tersebut 1,390 m.
Jumlah H₂SO₄ yang terlarut dalam 1 dm³ asam sulfat encer (molar) adalah 0,1223 mol x (1078 g dm^–3)/(100 g) = 1,318 mol dm^–3.
7.4 Hukum Raoult
Gliserin adalah cairan tidak mudah menguap. Larutan 164 g gliserin dan 338 cm³ H₂O (kerapatan 0,992 g cm³) disimpan pada 39,8°C. Pada suhu ini, tekanan uap air murni adalah 54,74 torr. Hitung tekanan uap larutan ini.
7.4 Jawab
Jumlah gliserin adalah 1,78 mol dan H₂O adalah 18,63 mol． p = 54,74 x (18,63/(18,63+1,78)) = 54,74 x 0,913 =50,00 (Torr)
7.5 Kenaikan titik didih
Bila 0,358 g sulfur dilarutkan dalam 21,5 g CS₂, titik didihnya naik sebesar 0,151 K. Sarankan struktur sulfur dalam larutan.
7.5 Jawab
Massa sulfur = (2,40 K kg mol^–1)(0,358/1000 kg)/(0,151 K)(21,5/1000 kg) = 0,264 kg mol^-1 ．
Karena 32 x 8 = 256 ≅ 264, sulfur terlarut sebagai S₈．
7.6 Tekanan osmosis
Tekanan osmosis larutan dalam air (100 cm³) yang mengandung 0,36 g polimer adalah 3,26 x 10² Pa pada 23°C.
(1) tentukan massa molekul polimer ini.
(2) apakah akan praktis menentukan massa molekul polimer ini dengan metoda penurunan titik beku atau kenaikan titik didih?
7.6 Jawab
(1)M =[(8,31 J mol^-1 K ^-1) x (296 K)x(3,6 kg m^-3)]/(3,26 x 10² Pa) = 2,7 kg mol^-1 = 2,7 x 10⁴ gmol^– ．M = 2,7 x 10⁴ ．
(2) kenaikan titik didih larutan yang sama akan sebesar 0,693 x 10^-4 K, dan penurunan titik bekunya adalah 2,48 x 10^–4 K. Perubahan temperatur yang sangat kecil ini sukar ditentukan dengan akurat. Kedua metoda ini tidak praktis untuk menentukan massa molekul polimer.
7.7 Tegangan permukaan
Manakah dari pasangan dua zat berikut yang memiliki tegangan permukaan lebih besar: C₆H₁₄ atau H₂O?
7.7 Jawab
H₂O. Tingginya tegangan permukaan air sudah sangat terkenal