Kimia permukaan

11

Disusun olehYelmida A.

22

PHENOMENA PERMUKAANKenapa insect ataupeniti terapung diataspermukaan air, tidaktenggelam ? Kenapa dalam kasusyang sama tetesan air dipermukaan kacaterkumpul dalam bentuktetesan , sementara yang lainnya tersebar sepertilapisan film tipis.

33

Kenapa air bisamerembes naik dalamtabung kapiler yang tipis? Kenapa kita bisamembuat gelembungdari air sabun? Salah satu sifatpermukaan yang akankita tinjau : TeganganPermukaan ( Surface Tension,( )γ

44

TEGANGAN PERMUKAANTegangan Permukaan : Banyaknya kerja yang dibutuhkan untuk memperluas permukaan cairansebesar satu satuan luas

Atau Tegangan Permukaan adalah : Gaya yang diberikan(F) dibagi dengan luas (W) dari permukaanmembran , dibagi lagi dengan 2 karena ada 2 permukaan yang terlibat

= erg cm-2 atau dyne cm-1 ==== cgs= N m-1 ==== SI

WF

2=γ

( )γ

( )γ( )γ

55

Tegangan permukaan terjadi karena adanyakecendrungan permukaan cairan untuk memperkecilluas permukaan secara spontanMolekul yang berada dalam cairan akan mengalamigaya tarik menarik (gaya van Der Wall) yang samabesar kesegala arahMolekul dipermukaan mengalami gaya resultan yang mengarah ke dalam cairanAkibatnya molekul dipermukaan cendrung untukmeninggalkan permukaan dan masuk kedalam cairansehingga permukaan cendrung menyusut

66

Gambaran molekul yang berada di dalamdan di permukaan cairan

O O O O

OO

O O

77

Cara menentukan Tegangan Permukaan

Metoda kapiler (capillary rise)Metoda lempeng WilhelmyMetoda cincin Du NouyMetoda tekanan gelembung maksimum

88

MetodaMetoda KapilerKapiler

hh

0miniskus

Θ = Sudut kontak cairandengan dinding kapiler

r = jari-jari tabung kapilerh = tinggi cairan dalam tabung

kapiler

99

Gaya tegangan permukaan yang bekerja disekelilingtabung (ketika cairan bersentuhan dengan permukaandinding tabung) adalah :

Gaya gravitasi adalah :dimana = volume kolom cairan

Pada keadaan setimbang :

θγπ cos2 r

ghr ρπ 2

ghrr ρπθγπ 2cos2 =

hr 2π

1010

Sehingga

Contoh SoalJari-jari tabung kapiler gelas 0,01 cm. Hitung tinggikenaikan air dalam tabung kapiler ini, bila diket :

= 72,75 dyne cm-1

g = 980,7 cm det-2

ρ = 1 gr cm-3

ρθγ

rgh cos2=

oC

OH

25

2γ

1111

Jawab :Sudut kontak air dan gelas <<<<< sehingga cos θ≈ 1, maka :

h = 14,8 cm

( )( )( )( )32

1

.1det7,98001,0.75,722

−−

−

=cmgcmcm

cmdyneh

ρθγ

rgh cos2=

1212

Metoda lempeng WilhelmyPada metoda ini digunakan lempeng mika tipisatau kaca slide mikroskop, yang digantung padaneraca.

a. Detachment methodb. Metoda statik

γ)(2det yxWW +=−

1313

Metoda Cincin Du NouyMetoda ini dapat mengukur teg.permukaan cairan-udara dan cairan-cairan

Gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat cincin dariperm.cairan adalah :

RF

πβγ 4=

1414

AdsorbsiBila pada permukaan antara dua fasa (misal fasa cair-gas atau cair-cair) ditambahkan komponen ketiga, makakomponen ketiga tersebut akan teradsorbsi padapermukaan.

Komponen ketiga ini sangat mempengaruhi sifatpermukaan, yang disebut : SURFACE ACTIVE AGENT (Surfactan)

Mis. n-pentanol yang dilarutkan dalam airPenambahan sabun/detergent untuk menstabilkan emulsi air-minyak

1515

Adsorbsi

Surfaktan dapat dikelompokkan : a.Larut dalam air, mis. alkohol dan asam lemak

rantai pendek.Molekul ini dalam air akan membentuk lapisandengan ketebalan satu molekul : Lapisan mono molekuler. Ketebalan atau konsentrasi komponen ketiga inidapat dicari/ ditentukan

b.Tak larut dalam air, mis.pelarut organik petroleum eter atau asam stearat, yang disebarkan diataspermukaan air sehingga terbentuk lapisan mono molekuler

1616

Adsorbsi

Konsentrasi surfaktan yang terdapat pada permukaan(konsentrasi lapisan hasil adsorbsi) dapat ditentukandengan pers. GIBBS :

Dimana := surface excess

C2 = konsentrasi surfaktan yang terdapat dalamlarutan

R = konstanta gasT = Temperatur absolut

TRC

dCd

.2 22

γ−=Γ2Γ

1717

Kecendrungan molekul surfaktan untuk berkumpuldipermukaan, menyebabkan turunnya teganganpermukaan. Hal ini terjadi karena surfaktanmenghasilkan suatu EXPANDING PRESSURE,Atau tegangan permukaan yang melawankecendrungan suatu permukaan untuk menyusutBesarnya tegangan permukaan setelah penambahansurfaktan :

π

Adsorbsi

πγγ −= o

monolayer disebabkan yangpermukaan tegangan monolayerrbentuk setelah tepermukaan tegangan

murnicairan permukaan tegangan

===

πγγo

1818

Adsorbsi

Kebenaran pers. GIBBS diuji oleh Mc Brain menggunakan MICROTONE, untuk mengikis suatulapisan permukaan yang sangat tipis (0,1 mm).Konsentrasi surfaktan yang dikikis dari permukaandibandingkan dengan konsentrasi surfaktan dalamlarutan

Contoh :1. Dengan menggunakan microtone, suatu perm.larutan

dengan luas 0,031m2, berhasil dikikis 2,30 gr larutanas.hidroksisinamat. Konsentrasi asam hasil kikisan4,0130 gr/kg air, sedangkan konsentrasi larutan4,000 gr/kg air pada 25 oC. Hitung denganmetoda Langmuir (microtone)

2Γ

1919

Adsorbsi

Jawab : Perhitungan dari data microtone

- Kelebihan konsentrasi asam pada permukaan := ( 4,0130 – 4,000 ) = 0,0130 g/kg

- Berat asam yang berhasil dikikis = (2,30 x 0,0130) / 1000

- Jumlah mol asam yang berhasil dikikis :[(2,30 x 0,0130) / 1000] x 1/150 mol = 1,992 . 10-7 mol

- Luas permukaan 0,031 m2, maka :

= (1,992 . 10-7 mol) / 0,031m2 = 6,43 . 10 -6 mol/m2

2Γ

2Γ

2020

2. Dari percobaan lain, untuk asam hidroksisinamat padasuhu 25oC diperoleh data sbb :

Hitung menggunakan pers. GIBBS Jawab:

Konsentrasi (gr/kg air) (dyne / cm)3,50 56,04,00 54,04,50 52,0

( )γ

2Γ

262

172

2

.10.43,6

.14

298.10.134,8(4

)(.)(

)(

−−

−−

=Γ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=Γ

−=Γ

mmol

cmmol

dCd

RTC γ

2121

PermukaanPermukaan cairancairan--gas, gas, cairancairan--cairancairanTegangan permukaan yang bisa diukur, bukan hanyaantara cairan dan gas, tapi juga tegangan permukaanantara permukaan dua cairan (sering disebut : tegangan antar muka) Nilai tegangan permukaan dua cairan biasanya beradadiantara nilai tegangan permukaan cairan-gas masing-masing cairanMisal:

Cairan γ dengan udara γ dengan airAir 72,75 -

Benzen 28,88 35,0CCl4 26,80 45,1

2222

PermukaanPermukaan GasGas--PadatanPadatan

Jika gas atau uap bersentuhan denganpermukaan padatan yang bersih, maka gas/uapakan teradsorbsi pada permukaan padatan tadi.

Permukaan padatan ===== AdsorbentGas/uap ===== Adsorbat

Adsorbent - sangat halus- sangat porous

Mis : arang aktif

2323

Gaya yang menyebabkan molekul gas terikatpada permukaan padatan, dapat berupa :

Gaya van Der Waals (adsorbsi fisika)Gaya kimiawi (chemisorption, adsorbsi aktivasi)

Pada keadaan setimbang, hubungan antarajumlah gas yang teradsorbsi dan tekanan gas pada suhu tertentu

ISOTERM ADSORBSI

2424

Persamaan yang sering digunakan untukmenyatakan adsorbsi gas pada permukaanpadatan adalah :

a.) Isoterm Langmuir :

b.) Isoterm Freundlich :

c.) Isoterm BET (pengembangan pers. Langmuir):

mm vavP

vP

.1

+=

/nk.p v 1=

00

11PP.

.Cv)(C

.Cv-P)v(PP

mm

−+=

2525

PermukaanPermukaan PadatanPadatan--CairanCairan

= SUDUT KONTAK =Bila setitik cairan ditempatkan pada permukaanpadatan yang halus, maka cairan tetap berbentukbola pipih dengan sudut kontak, θc tertentu, ataudapat tersebar pada permukaan membentuklapisan cairan

2626

Sudut kontak suatu cairan yang membasahipermukaan kering >>> dari permukaan basahMisal :

titik hujan yang jatuh pada kaca jendela yang kotorBahan dasar pembuat payung, θc dg air >>>