Zat Cair

BAB II

ZAT CAIR

Dalam bab sebelumnya telah dipelajari gas. Di dalam keadaan gas,

molekul-molekul gas bergerak secara acak, ruang antar molekul jauh lebi besar

dari ukuran molekulnya dan gaya tarik antar molekulnya dapat diabaikan. Berbeda

dengan gas, di dalam zat cair molekul-molekulnya saling bersinggungan satu

dengan lainnya dan gaya tarik antar molekul cukup kuat untuk menjaga molekul-

molekul tersebut tetap bersama. Kesamaan keadaan gas dan cair adalah molekul-

molekul yang satu dapat bergerak melewati molekul lainnya melalui ruang yang

tersedia antara molekul. Ini berarti molekul-molekul zat cair juga bergerak secara

acak. Perbedaannya terletak bahwa pada setiap saat molekul-molekul zat cair

dapat membentuk kelompok (cluster) dan meninggalkan ruangan kosong atau

lubang ketika kelompok tersebut bergerak menutup lubang lain (lubang ini

terbentuk di beberapa bagian lain karena kelompok lain juga bergerak). Oleh

karena itu, molekul zat cair dapat dipandang sebagai sekumpulan molekul yang

saling bersentuhan satu dengan lainnya dan bergerak secara acak melalui ruangan

antar molekul. Model zat cair ini ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Model molekul zat cair dengan beberapa lubang antar molekul

Sebagian besar sifat-sifat fisik zat cair seperti tekanan uap, tegangan permukaan,

viskositas, indeks refraksi dan aktivitas optik dikontrol oleh kekuatan gaya tarik

antar molekul. Jadi gaya tarik antar molekul (intermolecular forces) akan dibahas

terlebi dahulu sebelum membahas sifat-sifat zat cair tersebut.

GAYA TARIK ANTAR MOLEKUL DALAM ZAT CAIR

Gaya tarik antar molekul dalam zat cair secara kolektif disebut gaya van

der Waals. Gaya van der Waals merupakan gaya elektrik yang dihasilkan

gaya tarik antar muatan yang berlainan tanda. Pada prinsipnya ada tiga

jenis gaya tarik intermolekul, yakni:

(1) Gaya tarik dipol-dipol

(2) Gaya London

(3) Ikatan hidrogen

Kekuatan relatif gaya intermolekul tersebut diperlukan untuk memahami

pengaruh relatifnya terhadap sifat-sifat zat cair. Kekuatan realtif interaksi

tersebut ditunjukkan dalam tabel 2.1 berikut.

Tabel 2.1 Kekuatan Realtif Berbagai Interaksi

Ikatan kovalen Ikatan hidrogen Gaya tarik dipol-dipol Gaya London

1680 kJ 50 67 kJ 2 8 kJ < 4 kJ

Dari tabel tersebut tampak bahwa kekuatan ikatan kovalen hampir 40x ikatan

hidrogen atau 200x antrakasi dipol-dipol dan hampir 400x kekuatan gaya

London.

Gaya tarik dipol-dipol

Gaya tarik dipol-dipol terjadi antar molekul-molekul yang polar. Interaksi ini

mensyaratkan adanya ikatan polar dan struktur molekul yang tidak simetris. Di

dalam molekul yang memenuhi dua syarat tersebut terjadi pemisahan muatan

positif dan negatif secara permanen. Contohnya adalah molekul HCl. Di dalam

molekul HCl, ujung H secara permanen bermuatan agak positif dan ujung Cl secara

permanen bermuatan agak negatif. Atom H dalam molekul pertama akan tertarik

dengan atom Cl dalam molekul kedua yang berdekatan dengan molekul pertama.

Walaupun interaksi ini l;emah dibanding ikatan kovalen namun interaksi dipol-

dipol ini merupakan salah satu inetraksi intermolkeul yang kuat.

Gambar 2.2 Gaya tarik dipol-dipol antar molekul HCl

Gaya London

Gaya (dispersi) London terjadi antar molekul-molekul non-polar. Gaya ini

dihasilkan oleh ketidaksetimbangan muatan yang terjadi secara temporer

(sesaat) dalam suatu molekul non-polar. Muatan temporer tersebut ada karena

elektron-elektron bergerak secara acak dalam struktur molekul (atau ion). Inti

salah satu atom menarik elektron dari inti atom tetangganya dan pada saat yang

sama, elektron dalam salah satu atom menolak elektron atom tetangganya dan

menciptakan ketidaksetimbangan muatan sesaat (dalam waktu pendek).

Muatan temporer dalam satu atom atau molekul dapat menarik muatan

temporer yang berlawana dari atom atau molekul tetangganya. Muatan agak

positif lokal + dalam satu molekul akan menarik muatan temporer agak negatif

dari molekul tetangganya.

Ikatan hidrogen

Ikatan hidrogen merupakan jenis interaksi intermolekul yang unik. Ada dua

syarat agar dapat terjadi ikatan hidrogen, yakni

(1) Ada ikatan kovalen antara atom H dengan salah satu dari tiga atom F, O

atau N. ketiga unsur tersebut merupakan unsur paling elektronegatif.

(2) Interaksi atom H yang berasal dari ikatan kovalen polar tersebut dengan

pasangan elektron menyendiri (lone pair electron) atom F, O ataui N di

dekatnya.

Ikatan hidrogen biasa dipergunakan untuk menjelaskan titik didih normal air

yang tinggi yakni 100 . Dibandingkan titik didih normal senyawa H2Te, H2Se dan

H2S, mestinya titik didih normal air sangat rendah sekitar -62. Anomali titik

didih normal air ini karena ada ikatan hidrogen antar molekul-molekul air. Ikatan

hidrogen juga merupakan faktor yang menyebabkan volume es (air beku) lebih

besar dari volume air cair. Molekul-molekul air pada keadaan padat memiliki

susunan tetrahedral yang dibentuk dari dua lone pair dan dua ikatan tunggal dari

oksigen. Lone pair pada atom O dapat menarik molekul-mokelu air didekatnya

melalui ikatan hidrogen menghasilkan struktur seperti sangkar.

TEKANAN UAP

Bila zat cair ditempatkan dalam wadah terbuka maka zat cair tersebut akan

menguap. Molekul-molekul dalam zat cair bergerak dengan energi kinetik yang

berbeda-beda. Molekul yang memiliki energi kinetik diatas rata-rata akan dapat

mengatasi gaya intermolekul yang menjaganya tetap dalam zat cair. Molekul yang

memiliki cukup energi ini akan lepas dari permukaan zat cair dan berubah jadi uap.

Proses lepasnya molekul dari fasa cair ke fasa gas (uap) disebut penguapan

(Vaporisation atau Evaporation). Proses sebaliknya, yakni perbubahan molekul gas

menjadi molekul cair disebut pengembunan (Condensation).

Gambar 2.2

Apabila zat cair ditempatkan dalam wadah tertutup seperti tampak pada gambar

2.2, molekul-molekul yang memiliki energi kinetik tinggi akan lepas menuju

ruangan diatas zat cair. Apabila jumlah molekul dalam fasa gas meningkat cukup

besar, beberapa molekul tersebut akan menumbuk permukaan zat cair dan

ditangkap kembali (terjadi kondensasi). Pada suatu saat akan tercapai keadaan,

yakni jumlah molekul yang lepas dari fasa cair sama dengan jumlah molekul yang

kembali ke fasa cair. Dengan kalimat lain, laju penguapan tepat sama dengan laju

pengembunan. Pada saat ini dikatakan telah tercapai kesetimbangan dinamik

antara zat cair dan uapnya pada suhu tertentu.

Pada kesetimbangan, konsentrasi uap diatas zat cair tetap atau tidak berubah

dengan perubahan waktu. Uap tersebut menimbulkan tekanan yang besarnya

tertentu (tetap) pada kesetimbangan. Tekanan uap zat cair didefinisikan sebagai:

tekanan yang ditimbulkan oleh uap yang berada dalam kesetimbangan dengan

zat cairnya pada suhu tertentu.

Nilai tekanan uap suatu zat cair berbeda dengan tekanan uap zat cair lain.

Perbedaan tersebut diakibatkan oleh perbedaan gaya intermolekul yang

terdapat pada zat cair. Misalnya, molekul-molekul etanol membentuk ikatan

hidrogen yang lebih lemah dibandingkan dengan ikatan hidrogen yang dibentuk

antara molekul-molekul air sehingga etanol menguap lebih cepat daripada air.

Oleh karena itu, dapat diprediksi bahwa etanol akan memiliki tekanan uap lebih

tinggi daripada air pada suhu tertentu. Seperti ditunjukkan pada gambar,

tekanan uap etanol dan air pada 60 berturut-turut adalah 350 Torr dan 150

Torr.

Pengaruh suhu pada tekanan uap

Jika suhu suatu zat cair dinaikkan, tekanan uap juga akan meningkat. Naikknya

tekanan uap ini disebabkan lebih banyak molekul dalam fasa cair yang memiliki

energi kinetik lebih besar dan mampu terlepas dan permukaan fasa cair. Oleh

karena itu konsentrasi molekul pada fasa uap akan meningkat sebelum tercapai

kesetimbangan baru. Demikian juga, pada suhu tinggi, energi kinetik molekul uap

akan meningkat. Konsentrasi uap dan energi kinetiknya, keduanya sebanding

dengan suhu. Jadi setiap kenaikan suhu akan mengakibatkan kenaikan tekanan

uap. Dari grafik diatas tampak bahwa tekanan uap etil alkohol maupun tekanan

uap air, keduanya meninkat dengan meningkatnya suhu.

Penentuan Tekanan Uap

Ada dua metode yang biasa digunakan untuk menentukan tekanan uap zat cair,

yakni metode statik dan metode dinamik.

1. Metode statik

Gambar yang disederhanakan untuk penentuan tekanan uap dengan metode

statik ditunjukkan dalam gambar di bawah. Sejumlah zat cair (secukupnya)

yang tekanan uapnya akan ditentukan, ditempatkan dalam wadah (bulb)

yang terhubung ke manometer merkuri dan pompa vakum. Semua udara

dalam ampul tersebut dihilangkan dengan menggunakan pompa vakum lalu

krannya ditutup. Sebagian zat cair dibiarkan menguap, dan sistem

dipertahankan pada suhu tertentu selama rentang waktu yang cukup hingga

tercapai kesetimbangan. Perbedaan tingkat merkuri dalam manometer sama

dengan tekanan uap zat cair. Dengan mengatur termostat pada suhu yang

berbeda, tekanan zat cair pada suhu yang lain dapat ditentukan. Metode ini

digunakan zat cair yang memiliki tekanan uap hingga satu atmosfer.

2. Metode dinamik

Gambar yang disederhanakan untuk penentuan tekanan uap dengan metode

dinamik ditunjukkan dalam gambar di bawah. Gas inert dilewatkan melalui

zat cair pada suhu konstan (). Gas inert setelah dijenuhi dengan uap zat cair

lalu dibiarkan keluar meninggalkan labu pada sisi lain. Jika volume gas yang

dilewatkan adalah , adalah massa zat cair yang terangkut gas inert, maka

tekanan uap zat cair tersebut diberikan oleh rumus

=

Dalam persamaan tersebut adalah berat molekul zat cair dan adalah

tetapan gas. Metode dinamik ini sangat cocok untuk zat cair yang tekanan

uapnya sangat rendah.

Pengaruh tekanan uap pada titik didih

Jika zat cair dipanaskan, maka akan terbentuk gelembung di dalam zat cair.

Gelembung-gelembung tesebut akan naik ke permukaan cairan dan akhirnya

pecah. Suhu pada waktu terbentuk gelembung tersebut disebut titik didih zat

cair. Apabila kita perhatikan gelembung tunggal, ketika gelembung tersebut

masih berada di dalam zat cair maka tekanan uap dalam gelembung akan

menjaga bentuk gelembung tetap. Tekanan atmosfer yang mengenai permukaan

cairan cenderung membuat gelembung tersebut pecah. Ketika gelembung

tersebut mencapai permukaan, tekanan uap dalam gelembung sama dengan

tekanan atmosfer. Jadi gelembung tersebut pe cah. Oleh karena itu, titik didih zat

cair dapat didefinisikan sebagai suhu pada saat tekanan uap zat cair sama

dengan tekanan atmosfer.

Tekanan atmosfer berbeda nilainya pada ketinggian atau kondisi yang berbeda

maka titik didih biasa dilaporkan pada tekanan 1 atm. Jadi titik didih normal zat

cair adalah suhu pada saat tekanan uap zat cair tersebut sama dengan 1 atm.

Titik didih normal etanol adalah 78 dan titik didih normal air adalah 100 .

Titik didih zat cair dapat diturunkan dengan menurunkan tekanan luar

menggunakan pompa vakum. Jadi tekanan uap zat cair akan sama dengan

tekanan luar pada suhu yang lebih rendah. Titik didih dapat dinaikkan dengan

menaikkan tekanan luar sehingga tekanan uap zat cair akan sama dengan

tekanan luar pada suhu yang lebih tinggi. Alat masak bertekanan bekerja atas

dasar prinsip ini. Tekanan dalam panci masak dipertahankan diatas 1 atm dan zat

cair dalamnya akan mendidih pada suhu lebih tinggi dari 100 . Karena makanan

di masak pada suhu lebih tinggi, maka akan lebih cepat matang.

TEGANGAN PERMUKAAN

Tegangan permukaaan (surface tension) merupakan sifat zat cair yang timbul dari

gaya tarik antar molekul (intermolecular forces). Suatu molekul yang berada di

bagian dalam suatu zat cair mengalami gaya tarik yang sama besar ke semua arah

oleh molekul lain yang mengelilinginya. Molekul yang berada pada permukaan

hanya mengalami kesamping dan kebawah. Gaya-gaya ke samping pada molekul

permukaan saling menyeimbangkan semengara gaya ke bawah tidak ada

menyeimbangkan sehingga molekul pada permukaan cenderung masuk ke bagian

dalam. Oleh karena itu, permukaan zat cair mengalami tegangan dan cenderung

menyusut atau mengkerut agar mempunyai luas yang sekecil mungkin supaya

jumlah molekul di permukaan minimum. Dengan alasan ini, tetes zat cair di udara

mempunyai bentuk sferis karena bentuk sferis mempunyai luas permukaan paling

kecil untuk sejumlah volume yang sama.

Tegangan permukaan () didefinisikan sebagai gaya (dalam dyne) yang

beraksi sepanjang permukaan zat cair pada sudut tegak lurus ke setiap garis yang

panjangnya 1 cm. Definsi lain yang mungkin lebih mudah dipahami mendefinsikan

tegangan permukaan sebagai energi yang dibutuhkan untuk untuk mengulur

(meregangkan) atau meningkatkan permukaan suatu cairan per satuan luas

(satuan luas disini bisa 1 cm2 atau 1 m2 atau satuan luas yang lain).

Tegangan permukaan disebabkan

gaya tarik ke bawah pada molekul

permukaan

Gaya ke dalam pada molekul

meminimalkan luas permukaan dan

terbentuk tetes cairan yang sferis.

Satuan tegangan permukaan

Seperti dalam definisi di atas, satuan tegangan permukaan dalam sistem cgs

adalah dyne per sentimeter (dyne cm-1). Dalam sistem SI, satuannya adalah

Newton per meter (Nm-1). Kedua satuan ini berhubungan karena 1 1 =

0,001 1.

Pengaruh suhu pada tegangan permukaan

Perubahan suhu mengakibatkan perubahan tegangan permukaan cairan. Bila suhu

meningkat, energi kinetik molekul zat cair juga meningkat dan gaya antar molekul

berkurang. Akibatnya tarikan kebawah terhadap molekul permukaan turun dan

tegangan permukaan turun. Dengan lain kalimat, tegangan permuikaan menurun

dengan naikknya suhu. Hubungan antara tegangan permukaan zat cair dan suhu

diberikan oleh W Ramsay dan J Shield sebagai

2/3( / ) ( 6)cM k t t

dengan k adalah konstanta (koefisien suhu), ct suhu kritik dan t setiap suihu,

sedangkan 2/3( / )M mewakili energi permukaan molar zat cair.

Tegangan permukaan zat cair pada berbagai suhu (dyne/cm-1)

Zat cair 20 40 60 80

Air 72,75 69,56 66,18 62,61

Etil alkohol 22,27 20,60 19,01 --

Metil alkohol 22,6 20,9 -- --

Aseton 23,7 21,2 18,6 16,2

Toluena 28,43 26,13 23,81 21,53

Benzena 28,9 26,3 23,7 21,3

Penetuan Tegangan Permukaan

Metode yang umum digunakan untuk menentukan tegangan permukaan zat cair

adalah sebagai berikut.

1. Metode kenaikan kapiler

Pipa kapiler yang memiliki jejari r dibenamkan secara vertikal dalam suatu zat

cair. Zat cair akan naik hingga setinggi h dan membentuk permukaan yang

cekung (concave meniscus). Tegangan permukaan yang beraksi sepanjang

keliling bagian dalam pipa kapiler tepat sama dengan tinggi kolom zat cair.

Menurut definisi, tegangan permukaan adalah gaya per 1 cm yang beraksi

pada garis singgung ke permukaan meniscus. Jika sudut antara garis singgung

dan dinding kapiler adalah , maka komponen tegangan permukaan adalah

cos . Tegangan permukaan total sepanjang garis kontak keliling meniskus

adalah komponen tegangan permukaan dikalikan 2 r , sehingga

2 cosGaya keatas r

Pada rumus diatas, r adalah jejari kapiler. Untuk sebagaian besar zat cair, pada

umumnya nilai adalah 0 dan cos 1 sehingga gaya keatas dapat

disederhanakan menjadi 2 r .

Gaya kebawah pada kolom cairan yang disebabkan oleh tinggi cairan adalah

massa gaya gravitasi sehingga

2Gaya kebawah h r dg

Pada rumus diatas, d adalah densitas zat cair. Oleh karena kesetimbangan

gaya mekanik mensyaratkan bahwa gaya keatas gaya kebawah maka

22 r h r dg

atau

2

hrdg

Untuk mengetahui nilai , nilai h dapat dilihat atau ditentukan dengan

bantuan mikroskop (travelling micrsocope) dan densitas zat cair ditentukan

dengan alat yang disebut pyknometer.

Contoh soal 2.1 Tabung kapiler yang mempunyai diameter internal 0,21 mm

dibenamkan ke dalam zat cair yang densitasnya 0,79 3g cm . Zat cair tersebut

naik ke kapiler setinggi 6,30 cm. hitunglah tegangan permukaan zat cair

tersebut. Anggaplah kecepatan gravitasi, 2980g cms .

Jawab

Berdasarkan rumus 2

hrdg maka dengan memasukkan nilai-nilai yang

diketahui didapatkan

3 2

2

6,30 0,21 1 0,79 980

2 2 10

151,2 51,2

hrdg cm mm cm g cm

mm cm s

gcm dyne

s cm cm

Perhatikan satuan tegangan permukaan tersebut.

2. Metode Pembentukan Tetes

Pada metode ini, tetes zat cair dibiarkan terbentuk pada ujung bawah pipa

kapiler seperti tampak pada gambar. Tetes zat cair tersebut didorong ke atas

oleh gaya yang ditimbulkan dari tegangan permukaan yang ada pada keliling

luar kapiler. Berat tetes zat cair (mg ) menarik tetes tersebut ke bawah. Ketika

dua gaya tersebut setimbang, tetes zat cair pecah. Jadi tepat pada saat tetes

zat cair pecah berlaku

2mg r

atau

2

mg

r

Pada persamaan tersebut, m adalah massa tetes zat cair, g adalat gaya

gravitasi, dan r adalah jejari luar kapiler.

Gambar. Stalagmometer dan tetes zat cair yang terbentuk

Peralatan yang digunakan untuk menentukan tegangan permukaan dengan

metode pembentukan tetes zat cair disebut Stalagmometer atau Pipet Tetes

yang ditunjukan pada gambar diatas. Alat tersebut dibersihkan, dikeringkan

dan diisi dengan zat cair yang akan diuji hingga batas penanda A. Selanjutnya

tegangan permukaan zat cair ditentukan dengan salah satu dari dua cara

berikut.

(a) Metode berat-tetes

Sebanyak 20 tetes zat cair yang keluar dari pipet tetes ditampung dalam

botol dan ditimbang. Selanjutnya bobot tiap tetes zat cair dihitung. Pipet

tetes kemudian dibersihkan dan dikeringkan kemudian diisi dengan zat cair

kedua yang digunakan sebagai rujukan (misalnya air) dan bobot satu tetes

zat cair ini juga ditentukan dengan cara yang sama. Berdasarkan

persamaan sebelumnya, 2mg r maka berlaku

1 12m g r

2 22m g r

Hasil bagi kedua persamaan tersebut adalah

1 1

2 2

m

m

Tegangan permukaan zat cair yang digunakan sebagai rujukan dapat dicari

pada tabel yang tersedia sehingga tegangan zat cair yang diuji dapat

dihitung.

(b) Metode jumlah tetes

Pipet tetes diisi dengan zat cair yang akan diuji hingga pada batas A. Jumlah

tetes zat cair yang keluar dihitung hingga meniskus turun dari batas A ke B.

Pipet tetes dibersihkan dan dikeringkan lalu diisi dengan zat cair rujukan.

Jumlah tetes zat cair rujukan yang keluar dihitung hingga meniskus turun

dari batas A ke B. Andaikan 1n dan 2n masing-masing adalah jumlah tetes

yang dihasilkan oleh kedua zat cair tersebut yang volumenya sama, yakni

V . Bila masing-masing zat cair memiliki densitas 1d dan 2d maka berlaku

1 1 1 1 2 1

2 2 2 2 1 2

( / )

( / )

m V n d n d

m V n d n d

Nilai 1d dapat ditentukan dengan pyknometer sedangkan 2d dan 2

dilihat dari tabel.

Contoh.

3. Metode Pelepasan Cincin (metode cincin du Nouy)

Di dalam metode ini, dilakukan pengukuran gaya yang diperlukan untuk

melepas cincin platina (cincin du Nouy) dari permukaan zat. Gaya ( F ) untuk

melepas cincin ini tepat sama dengan gaya tarik ke bawah yang ditimbulkan

oleh tegangan permukaan yang beraksi pada keliling cincin. Dua kali panjang

keliling lingkaran yakni 2 2 r perlu diperhitungkan karena zat cair

mengadakan kontak dengan bagian dalam maupun bagian luar cincin du Nouy.

Jadi

4F r

atau

4

F

r

Dengan r adalah jejari cincin du Nouy.

Peralatan yang digunakan untuk mengukur tegangan permukaan dengan cara

pelepasan cincin ini disebut Tensiometer du Nouy. Laboratorium Kimia Fisik

Program Studi Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang mempunyai 4 set

Tensiometer du Nouy. Tensiometer ini biasanya digunakan pada praktikum

kimia fisik 2. Gambar peralatan Tensiometer du Nouy ditunjukkan di bawah.

Pada gambar tersebut ditampakkan salah satu ujung torsi kawat posisinya

tetap sementara ujung lainnya dihubungkan dengan tombol pointer yang

dapat diubah-ubah posisinya. Pointer tersebut dapat digerakkan pada skala

yang tetap posisinya. Skala tersebut sebelumnya dikalibrasi dengan cara

mengatur posisi kawat penyangga cincin (lengan atau beam) dengan memakai

berbagai macam beban dan pembacaan skala dilakukan ketika penyangga

tersebut terangkat dari posisi horisontalnya. Zat cair yang akan ditentukan

tegangan permukaannya ditempatkan dalam kaca arloji (watch glass)

sedemikian hingga cincin-Pt hanya menyentuh permukaan zat cair tersebut.

Selanjutnya tombol torsi kawat diputar perlahan hingga cincin terlepas dari

permukaan zat cair. Pembacaan yang ditunjukkan oleh pointer pada skala yang

ada memberikan besarnya gaya F . Tegangan permukaan kemudian dihitung

dengan menggunakan persamaan / 4F r .

4. Metode tekanan gelembung maksimum

Di dalam metode ini, udara bertekanan dilewatkan secara perlahan melalui

pipa kapiler yang dibenamkan dalam zat cair uji seperti ditunjukkan pada

gambar berikut.

Akibat udara bertekanan, pada ujung kapiler akan terbentuk gelembung.

Secara perlahan gelembung tersebut akan tumbuh membesar dan menjadi

berbentuk bola (hemispherical) dan akhirnya pecah. Pada saat gelembung

tersebut pecah, tekanan yang ditunjukkan oleh manometer dicatat. Tekanan

ini merupakan tekanan maksimum yang diperlukan untuk membuat

gelembung pada ujung kapiler. Pada saat gelembung pecah, gaya karena

tekanan maksimum P sama dengan tekanan hidrostatik hP yang berlawanan

ditambah tegangan permukaan pada keliling kapiler. Jadi

2 2 2hP r P r r

atau

2hP P

r

atau

2P hdgr

VISKOSITAS

Zat cair dapat dipandang terdiri dari lapisan-lapisan molekul yang tersusun satu

diatas lainnya. Ketika gaya geser dikenakan pada suatu cairan, zat cair tersebut

mengalir namun gaya gesek antara lapisan zat cair akan menghambat aliran

tersebut. Viskositas zat cair merupakan ukuran resistensi gaya geseknya.

Perhatikan zat cair yang mengalir diatas permukaan kaca pada gambar dibawah.

Lapisan paling atas bergerak paling cepat lalu disusl lapisan dibawahnya dan

seterusnya hingga lapisan paling bawah gerakannya paling lambat.

Sekarang perhatikan dua lapisan molekul yang berdekatan seperti gambar

dibawah. Anggaplah dua lapisan ini terpisah sejauh dx dan memiliki beda

kecepatan sebesar dv . Gaya gesek ( F ) yang menghambat gerak relatif dua

lapisan tersebut sebanding dengan luas permukaan lapisan A dan beda

kecepatan dv , serta berbanding terbalik dengan jarak antara dua lapisan. Jadi

dvF Adx

atau

dv

F Adx

atau

F dx

A dv

Di dalam ledua persamaan diatas (eta) adalah tetapan kesebandingan. Tetapan

kesebandingan tersebut dikenal sebagai koefisien viskositas atau secara

sederhana disebut viskositas zat cair. memiliki nilai yang sepesifik untuk suatu

zat cair pada suhu tertentu. Berdasarkan persamaan tersebut diatas, viskositas

dapat didefinisikan sebagai resistan gaya per satuan luas untuk

mempertahankan beda kecepatan antara dua lapisan dari suatu zat cair pada

satu satuan jarak satu dengan yang lain.

Kebalikan dari viskositas disebut Fluiditas dan diberi simbol . Jadi

1

Satuan viskositas

Dimensi koefisien viskositas ( ) dapat diturunkan dari persmaan yang

bersangkutan,

gaya jarak

luas kecepatan

F dx

A dv

2

2

massa panjang waktu panjang

(panjang) panjang/waktu

Atau

1 1massa panjang waktu

Jadi dalam sistem cgs, satuan dinyatakan dalam 1 1g cm s . Satuan ini disebut

poise (P). Di dalam praktek seringkali digunakan satuan yang lebih kecil yakni

sentipoise ( 210 poise) dan milipoise ( 310 poise). Satuan SI untuk viskositas

adalah 1 1kg m s . Satu poise sama dengan sepersepuluh satuan SI, yakni

1 1 1 11 1 0,1poise g cm s kg m s

Viskositas beberapa zat cair ditunjukkan pada tabel dibawah ini.

Tabel. Koefisien Viskositas zat cair pada 293K

Zat Cair Viskositas (P), satuan

cgs

Viskositas ( 1 1kg m s ),

satuan SI

Benzena

Karbon tetraklorida

Etanol

Eter

Gliserin

air

0,00652

0,0969

0,01200

0,00233

14,9

0,0101

0,000652

0,00969

0,001200

0,000233

1,49

0,00101

Pengukuran Viskositas Metode Ostwald

Viskositas zat cair dapat ditentukan dengan bantuan persmaan Pioseulle.

Persamaan ini menyatakan aliran zat cair melalui suatu kapiler dengan

ungkapkan sebagai berikut

4

8

Pr t

lV

Di dalam persamaan tersebut V adalah volume zat cair yang melewati kapiler

dalam waktu t , P adalah tekanan pada ujung kapiler, r adalah jejari pipa kapiler

dan l adalah panjang kapiler. Secara eksperimen nilai-nilai P , r , l dan V

sangat sukar diperoleh sehingga persamaan tersebut tidak memungkinkan

dipakai untuk menentukan koefisien viskositas absolut secara langsung.

Pada umumnya, viskositas zat cair ditentukan relatif terhadap viskositas air

sehingga disebut viskositas relatif. Andaikan 1t dan 2t adalah waktu yang

diperlukan oleh zat cair untuk mengalir dengan volume tertentu dari dua zat cair

melalui pipa kapiler yang sama. Ungkapan viskositas relatif ( 1 2/ ) dapat

diturunkan sebagai berikut.

4

1 1 1 1 1

4

2 2 2 2 2

8

8

Pr t P tlV

lV P r t P t

Karena tekanan pada ujung kapiler sebanding dengan densitas zat cair, maka

1 1 1

2 2 2

d t

d t

Dengan substitusi koefisien viskositas air ( 2 ) dalam persamaan tersebut maka

viskositas absolut zat cair ( 1 ) dapat ditentukan.

Viskometer Ostwald

Perlatan yang umum digunakan untuk menentukan visdkositas relatif zat cair

dikenal sebagai Viskometer Ostwald atau viskometer. Bentuk sederhana

viskometer ditunjukkan dalam gambar dibawah. Lengan sebelah kiri pada

dasarnya merupakan pipet yangsudah dikalibrasi dengan tanda A dan B .

Lengan sebelah kiri ini tersambung dengan lengan sebelah kanan lewat kapiler hingga

bagian yang mengembung C .

Sejumlah tertentu zat cair misalkan 25 mL dituang ke dalam tabung C dengan

menggunakan pipet. Zat cair tersebut kemudian dihisap lewat lengan tabung sebelah kiri

bagian atas dengan menggunakan tabung karet yang diikatkan padanya. Zat cair

kemudian dilepaskan atau dibiarkan mengalifr kembali ke dalam tabung C . Waktu yang

diperlukan ( 1t ) dari A ke B dicatat dengan menggunakan stopwatch. Selanjutnya

peralatan tersebut dibersihkan dan percobaan diulang dengan menggunakan air dengan

memakai volume yang sama yakni 25 mL. waktu alir air dari A ke B dicatat. Densitas

zat cair (d ) dan densitas air ( wd ) ditentukan dengan pyknometer. Koefisien viskositas

relatif dihitung dengan rumus

1

2w w

d t

d t

Asalkan nilai koefisien viskositas air ( w ) pada suhu percobaan diketahui maka

koefisien viskositas absolut zat cair ( ) tersebut dapat ditentukan.

Contoh. Dalam suatu eksperimen dengan menggunakan viskometer Ostwald,

waktu alir air dan etanol masing-masing adalah 80 detik dan 175 detik pada 20.

Densitas air dan etanol pada 20 berturut-turut adalah 0,998 3/g cm dan 0,790

3/g cm . Viskositas air pada 20 adalah 0,01008 poise. Hitunglah viskositas

etanol.

Jawab. Dengan substitusi besaran-besaran yang diketahui ke dalam ungkapan

yang sesuai akan didapatkan

1

2

0,790 1750,01008

0,998 80

0,01747

w

w

dt

d t

poise

Latihan. Dalam suatu eksperimen dengan viskometer Ostwald, air murni

memerlukan waktu 1,52 menit untuk mengalir melalui kapiler pada 20. Untuk

volume yang sama dari zat cair lain yang densitasnya 0,80 3/g cm diperlukan

waktu alir 2,25 menit. Carilah viskositas relatif zat cair tersebut dan viskositas

absolutnya dalam sentipoise. Diketahui densitas air pada 20 adalah 0,9982

3/g cm dan viskositas absolutnya adalah 1,005 centipoise.

Pengaruh Suhu Pada Viskositas Zat Cair

Secara umum, viskositas zat cair menurun dengan meningkatnya suhu. Fakta

juga menunjukkan bahwa pada umumnya viskositas zat cair turun sebesar 2%

untuk tiap kenaikan suhu satu derajat. Pengaruh suhu pada viskositas zat cair

dapat dinyatakan dengan persamaan

/E RTAe

dengan A dan E adalah tetapan.

INDEKS REFRAKSI

Indeks refraksi ( n ) suatu zat didefinisikan sebagai perbandingan kecepatan

cahaya dalam vakum atau udara dengan kecepatan cahaya dalam zat tersebut:

kecepatancahayadalamzat

nkecepatancahayadalamudara

Ketika sinar cahaya melewati dua medium dari udara ke air, maka arah cahaya tersebut

akan berubah. Perubahan arah ini disebut refraksi. Indeks refraktif suatu zat cair

terhadap udara dinyatakan oleh hukum Snelle. Menurut hukum Snelle

sin

sin

in

r

dengan i adalah sudut sinar datang dan r adalah sudut refraksi.

Indeks refraksi suatu zat cair dapat dengan mudah ditentukan hingga derajat keakuratan

yang tinggi. Indeks refraksi merupakan karakteristik suatu zat cair. Besarnya indeks

refraksi tergantung pada suhu dan panjang gelombang cahaya yang digunakan.

Untuk pengukuran indeks refraksi pada umumnya digunakan garis-D dari

spektrum sinar natrium. Jika indeks refraksi suatu zat cair diukur pada 20 dan

menggunakan garis-D sinar natrium, maka indeks refraksi tersebut ditulis dengan

memakai simbol berikut

Oleh karena indeks refraksi merupakan rasio dua besaran maka indeks refraksi

tidak mempunyai sartuan.

Refraksi Spesifik

Berdasarkan pertimbangan teoritis semata, Lorenz dan Lorenz pada tahun 1880

telah berhasil menurunkan hubungan antara kekuatan refraksi suatu zat dengan

indeks refraksinya:

2

2

1 1

2s

nR

n d

Pada persamaan tersebut diatas, sR adalah refraksi spesifik, d adalah densitas

zat cair dan n adalah indeks refraksi. Nilai sR adalah konstan pada semua suhu.

Refraksi Molar

Refraksi molar didefinisikan sebagai hasil kali refraksi spesifik dan massa molar.

Jadi refraksi molar suatu zat cair adalah diperoleh dengan mengalikan persamaan

untuk refraksi spesifik dengan massa molar molekul (M ),

2

2

1

2M

n MR

n d

Nilai refraksi molar merupakan cirikhas suatu zat dan tidak tergantung pada

suhu. Refraksi molar dapat ditentukan dengan substitusi nilai n , M dan d

dalam persamaan diatas. Oleh karena nilai refraksi molar tergantung pada pada

panjang gelombang yang digunakan, maka refraksi molar pada umumnya

dilaporkan dengan memakai garis-D natrium. Nilai indeks refraksi ( n ) adalah

besaran tidak bersatuan sehingga MR (indeks refraksi molar) mempunyai satuan

volume molar, yakni 3 1cm mol .

Contoh. Indeks refraksi karbon tetraklorida yang ditentukan dengan memakai

panjang gelombang garis-D natrium adalah sebesar 1,4573. Hitunglah refraksi

molar CCl4 jika densitasnya dalah 1,595 3/g cm .

Massa molar adalah 154 sehingga

2 23 1

2 2

1 (1,4573) 1 15426,31

2 (1,4573) 2 1,595M

n MR cm mol

n d

Penentuan Indeks Refraksi

Indeks refraksi zat cair dapat ditentukan dengan bantuan alat yang disebut

Refraktometer Abbe. Laboratorium Kimia Fisik Program Studi Kimia FMIPA

Universitas Negeri Malang mempunyai 3 set Refraktometer Abbe. Refraktometer

Abbe ini biasanya digunakan pada praktikum kimia fisik 2. Gambar sekma

peralatan Refraktometer Abbe dan fotonya ditunjukkan di bawah.

Lapisan film tipis suatu zat cair ditempatkan di antara dua gabungan prisma.

Cahaya dari lampu natrium diarahkan sedemikian rupa menggunakan cermin

hingga mengenai bagian bawah dari prisma bagian bawah. Permukaan

hipotenusa dari prisma bagian bawah diputar sehingga semua berkas cahaya

datang dapat memasuki cairan pada semua sudut datang. Walaupun demikian

pemutaran tersebut dapat diatur sehingga tidak ada berkas cahaya yang dapat

memasuki prisma bagian atas dengan sudut refraksi yang lebih besar atau

berimpit dengan sudut dari sinar datang (yakni pada sudut yang sedikit lebih

kecil dari 90o. dengan cara demikian maka pandangan yang muncul atau tampak

pada teleskop terbagi menjadi dua pita, satu terang dan lainnya gelap. Gabungan

prisma tersebut diputar dengan bantuan tombol samping hingga tanda silang

dari teleskop berimpit dengan sudut pita yang terang. Indeks refraksi dapat

dibaca secara langsung pada penunjuk (pointer) yang dihubungkan dengan

gabungan prisma tersebut menunjukkan indeks refraksi pada skala yang sudah

terkalibrasi.

Refraksi Molar dan Konstituen Kimia

Refraksi molar ( MR ) adalah sifat aditif yakni refraksi molar suatu molekul adalah

jumlah refraksi molar atom-atom penyusunnya. Sifat aditif tersebut sangat

membantu dalam menentukan konstituen suatu senyawa. Nilai refraksi molar

adalah dihitung untuk berbagai kemungkinan rumus struktur dan rumus senyawa

yang sesuai dengan refraksi molar terhitung adalah rumus (struktur) senyawa

yang benar. Nilai refraksi molar untukl beberapa atom dan ikatandiberikan pada

tabel berikut.

TABEL. REFRAKSI MOLAR ( 3 1cm mol )

Carbon C

Hidrogen H

Klorin Cl

Bromin Br

Iodin I

Ikatan rangkap

Ikatan ganda tiga

2,418

1,100

5,967

8,861

13,900

1,733

2,398

Cincin 3-anggota

Cincin 4-anggota

Cincin 6-anggota

O dalam gugus

OH

O pada gugus C =

O

O dalam eter

0,710

0,480

0 0,15

1,525

2,211

1,64

Contoh. Indeks refraksi etil alkohol (CH3CH2OH) pada 295,5 K yang diukur

menggunakan garis-D natrium adalah 1,3611 dan densitasnya adalah 0,7885

3/g cm . Massa molar etil alkohol adalah 46 yakni {( 2 12 ) + (1 6 ) + (1 16 )}.

Refraksi molar dapat dihitung dengan menggunakan rumus

2 23 1

2 2

1 (1,3611) 1 4612,9105

2 (1,3611) 2 0,7885M

n MR cm mol

n d

Sekarang indeks refraksi molar tersebut dihitung dengan menggunakan nilai yang ada

dalam tabel diatas, hasilnya adalah

Sumbangan 6 atom hidrogen 6 1,100 6,600

Sumbangan 2 atom karbon 2 2,418 4,836

Sumbangan atom O dalam gugus OH 1,525

Total indeks refraksi molar 3 112,961cm mol

Nilai ini cukup sesuai dengannilai yang dihitung diatas sebelumnya sehingga struktur etil

alkohol adalah CH3CH2OH.

Indeks refraksi molar suatu larutan dapat dihitung dengan rumus

2

1 1 2 2

2

1

2M

x M x MnR

n d

Pada persamaan ini 1x dan 2x adalah fraksi mol pelarut dan zat terlarut dengan

massa molar berturut-turut 1M dan 2M , n adalah indeks refraksi larutan dan d

adalah densitas larutan.

AKTIFITAS OPTIK

Berkas sinar cahaya umumnya terdiri dari gelombang-gelombang elektromagnetik

yang berosilasi dalam banyak bidang. Apabila berkas sinar tersebut dilewatkan

melalui polarisator (seperti lensa polaroid), hanya gelombang-gelombang yang

berosilasi dalam bidang tunggal dapat melewati polarisator. Berkas cahaya

terkumpul yang hanya berosilasi dalam bidang tunggal disebut cahaya

terpolarisasi bidang.

Apabila cahaya terpolarisasi bidang melewati suatu senyawa organik tertentu,

cahaya terpolarisasi bidang tersebut akan diputar (mengalami rotasi oleh

senyawa). Senyawa yang dapat memutar cahaya terpolarisasi bidang disebut

senyawa aktif optis. Sifat senyawa ini disebut aktivitas optik.

Senyawa yang memutar bidang polarisasi cahaya ke kiri (beralwanan arah jarum

jam) disebut pemutar kiri (levoratatory). Senyawa yang memutar bidang

polarisasi cahaya ke kanan (searah jarum jam) disebut pemutar kanan

(dextrorotatory). Menurut perjanjian, rotasi ke kiri diberi tanda minus ( ) dan

rotasi ke kanandiberi tanda positif ( ). Misalnya, ( )-asam laktat adalah

pemutar kiri dan ( )-asam laktat berarti pemutar kanan.

ROTASI SPESIFIK

Rotasi bidang cahaya terpolarisasi adalah sifat intrinsik molekul yang aktif optik.

Bila berkas cahaya terpolarisasi dilewatkan melalui larutan senyawa aktif optik,

bidang tersebut akan berputar dengan sudut putar (sudut rotasi). Rotasi ini

tergantung pada jumlah molekul yang aktif optik. Olehn karena itu nilai

sebanding dengan konsentrasi larutan dan juga panjang tanumg yang ditempati

sampel larutan.

Rotasi spesifik yang merupakan karakteristik senyawa aktif optuk, dinyatakan

sebagai

l c

adalah rotasi spesifik dalam derajat

adalah sidit rotasi teramati dalam derajat

l adalah panjang larutan sampel dalam dm

c adalah konsentrasi larutan sampel dalam g/mL.

Jadi dari persamaan diatas, rotasi spesifik dapat didefinsikan sebagai sudut rotasi

yang teramati pada konsentrasi 1 g/mL dan panjang 1 dm. menurut perjanjian,

rotasi spesifik dinyatakan sebagai t

D , dengan t adalah suhu dan D adalah garis-

D natrium yang digunakan untuk penentuan.

Pengukuran Aktivitas Optik

Aktivitas optik diukur dengan bantuan alat yang disebut polarimeter. Gambar

polarimeter ditunjukkan dibawah beserta skemanya.

Polarimeter pada prinsipnya merupakan sistem polarisator dengan tabung tempat

sampel yang diletakkan di antara pokarisator. Pertama, medium yang tidak aktif

optik (air atau pelarut lain) disikan ke dalam tabung sampel dan cahaya lampu

natrium diarahakn dari polarisator melalui sampel. Analisator diputar untuk

mendapatkan daerah gelap. Hal ini menunjukkan pembacaan nol pada skala

lingkar disekitar analisator.

Selanjutnya senyawa yang aktif optik ditempatkan di dalam tabung sampel. Bidang

cahaya terpolarisasi dilewatkan dalam sampel tersebut lalu senyawa tersebut

akan memutar bidang cahaya terpolarisasi yang melewatimya. Analisator diputar

untuk mencari daerah gelap. Sudut rotasi ( ) yang ditunjukan oleh skala putar

kemudian dicatat dalam derajat. Rotasi spesifik kemudian dihitung dengan

menggunakan rumus diatas.

SOAL-SOAL LATIHAN

1. Jelaskan atau definsikan apa yang dimaksud dengan masing-masing istilah

berikut.

a. Gaya van der Waals b. Ikatan hidrogen

c. Tekanan uap d. Titik didih

e. Tegangan permukaan f. Viskositas

g. Metode Ostwald h. Indeks refraksi

i. Refraksi spesifik j. Refraksi molar

k. Aktivitas optik l. Rotasi spesifik

2.

3.

4.