Sifat Koligatif Larutan

Es krim adalah salah satu makanan yang disukai semua kalangan dan semua jenjang usia. Siapa yang tak kenal dengan makanan yang lembut di mulut dan memiliki berbagai jenis rasa ini. Namun tak banyak yang mengetahui, penambahan garam sering dilakukan pada proses pembuatannya. Penambahan garam ini sebenarnya memanfaatkan salah satu jenis sifat koligatif larutan yaitu penurunan titik beku. Sifat koligatif larutan yang lainnya yaitu, kenaikan titik didih, tekanan osmotic, dan penurunan tekann uap.

Pada kesempatan ini akan membahas 3 sifat koligatif larutan yaitu, penurunan tekanan uap, kenaikan titik didih dan penurunan titik beku.

Sebelum mempelajari sifat koligatif larutan ini terlebih dahulu kita harus menguasai konsep molalitas.

Dalam larutan, terdapat beberapa sifat zat yang hanya ditentukan oleh banyaknya partikel zat terlarut.  Oleh karena sifat koligatif larutan ditentukan oleh banyaknya partikel zat terlarut, maka perlu diketahui tentang konsentrasi larutan.

Molalitas (m)

Molalitas (kemolalan) adalah jumlah mol zat terlarut dalam 1 kg (1000 gram) pelarut. Molalitas didefinisikan dengan persamaan berikut :

·        m = molalitas larutan (mol/kg)

·        n = jumlah mol zat terlarut (g/mol)

·        P = jumlah massa zat (kg)

Fraksi Mol

Fraksi mol merupakan satuan konsentrasi yang semua komponen larutannya dinyatakan berdasarkan mol. Fraksi mol komponen i, dilambangkan dengan  Xi adalah jumlah mol komponen i dibagi dengan jumlah mol semua komponen dalam larutan. Fraksi mol j adalah Xj dan seterusnya. Jumlah fraksi mol  dari semua komponen adalah 1. Persamaannya dapat ditulis dengan:

A.       Diagram Fase atau Diagram P - T pada Pelarut H₂O

Mengapa larutan (pelarut + zat terlarut) mendidih pada suhu yang lebih tinggi dan membeku pada suhu yang lebih rendah dari pada pelarutnya? Pertanyaan ini dapat dijelaskan secara teoritis dengan membandingkan diagram fase pelarut dengan diagram fase larutannya.

Diagram fase atau biasa disebut juga diagram P - T adalah diagram yang menyatakan hubungan antara suhu (T) dan tekanan P dengan fase zat (padat, cair, dan gas). Diagram fase menyatakan batas-batas suhu dan tekanan di mana suatu bentuk fase dapat stabil. Diagram fase H₂O dapat dilihat pada gambar di bawah ini. 

Berikut penjelasan diagram P - T dengan pelarut H₂O:

1.         Garis didih 

Garis B - C pada gambar di atas disebut garis didih. Garis didih merupakan transisi fase cair - gas. Setiap titik pada garis ini menyatakan suhu dan tekanan di mana air akan mendidih. Seperti yang kita ketahui bahwa titik didih tergantung pada tekanan gas di permukaan. Pada tekanan 1 atm atau 760 mmHg, air mendidih pada suhu 100^oC. Jika terdapat tempat di bumi ini yang mempunyai tekanan4,58 mmHg, maka sudah dipastikan air akan mendidih pada kisaran 0,0098^oC.

2.         Garis beku 

Garis B - D pada gambar di atas disebut garis beku. Garis beku merupakan transisi fase cair - padat. Setiap titik pada garis ini menyatakan suhu dan tekanan di mana air dapat membeku (es mencair). Pada tekanan 1 atm atau 760 mmHg, air membeku pada suhu 0^oC, dan jika terdapat tempat di bumi ini yang mempunyai tekanan 4,58 mmHg, maka sudah dipastikan air akan membeku pada kisaran0,0098^oC. titik beku dan titik didih pada tekanan 4,58 mmHg mempunyai nilai yang sama, artinya titik didh = titik beku pelarut. Perhatikan bahwa tekanan permukaan berpengaruh besar pada titik didih, tetapi sangat kecil pengaruhnya terhadap titik beku. Garis B - D nyaris vertical terhadap sumbu suhu.

3.         Garis sublimasi 

Garis A - B pada diagram fase di atas disebut garis sublimasi. Garis sublimasi merupakan transisi fase pada gas. Setiap titik pada pada garis sublimasi menyatakan suhu dan tekanan di mana zat padat dan uapnya dapat menyublim.

4.         Titik trpel 

Perpotongan antara garis didih dengan garis beku dan garis sublimasi disebut titik tripel. Titik tripel air adalah 0,0098^oC pada tekanan 4,58 mmHg. Pada titik tripelnya, ketiga bentuk fase, yaitu padat, cair, dan gas berada dalam kesetimbangan. 

Diagram fase atau biasa disebut juga diagram P - T adalah diagram yang menyatakan hubungan antara suhu (T) dan tekanan P dengan fase zat (padat, cair, dan gas). Diagram fase menyatakan batas-batas suhu dan tekanan di mana suatu bentuk fase dapat stabil. Diagram fase H₂O dapat dilihat pada gambar di bawah ini. 

Berikut penjelasan diagram P - T dengan pelarut H₂O:

1.         Garis didih 

Garis B - C pada gambar di atas disebut garis didih. Garis didih merupakan transisi fase cair - gas. Setiap titik pada garis ini menyatakan suhu dan tekanan di mana air akan mendidih. Seperti yang kita ketahui bahwa titik didih tergantung pada tekanan gas di permukaan. Pada tekanan 1 atm atau 760 mmHg, air mendidih pada suhu 100^oC. Jika terdapat tempat di bumi ini yang mempunyai tekanan4,58 mmHg, maka sudah dipastikan air akan mendidih pada kisaran 0,0098^oC.

2.         Garis beku 

Garis B - D pada gambar di atas disebut garis beku. Garis beku merupakan transisi fase cair - padat. Setiap titik pada garis ini menyatakan suhu dan tekanan di mana air dapat membeku (es mencair). Pada tekanan 1 atm atau 760 mmHg, air membeku pada suhu 0^oC, dan jika terdapat tempat di bumi ini yang mempunyai tekanan 4,58 mmHg, maka sudah dipastikan air akan membeku pada kisaran0,0098^oC. titik beku dan titik didih pada tekanan 4,58 mmHg mempunyai nilai yang sama, artinya titik didh = titik beku pelarut. Perhatikan bahwa tekanan permukaan berpengaruh besar pada titik didih, tetapi sangat kecil pengaruhnya terhadap titik beku. Garis B - D nyaris vertical terhadap sumbu suhu.

3.         Garis sublimasi 

Garis A - B pada diagram fase di atas disebut garis sublimasi. Garis sublimasi merupakan transisi fase pada gas. Setiap titik pada pada garis sublimasi menyatakan suhu dan tekanan di mana zat padat dan uapnya dapat menyublim.

4.         Titik trpel 

Perpotongan antara garis didih dengan garis beku dan garis sublimasi disebut titik tripel. Titik tripel air adalah 0,0098^oC pada tekanan 4,58 mmHg. Pada titik tripelnya, ketiga bentuk fase, yaitu padat, cair, dan gas berada dalam kesetimbangan. 

 Diagram fase atau biasa disebut juga diagram P - T adalah diagram yang menyatakan hubungan antara suhu (T) dan tekanan P dengan fase zat (padat, cair, dan gas). Diagram fase menyatakan batas-batas suhu dan tekanan di mana suatu bentuk fase dapat stabil. Diagram fase H₂O dapat dilihat pada gambar di bawah ini. 

Berikut penjelasan diagram P - T dengan pelarut H₂O:

1.         Garis didih 

Garis B - C pada gambar di atas disebut garis didih. Garis didih merupakan transisi fase cair - gas. Setiap titik pada garis ini menyatakan suhu dan tekanan di mana air akan mendidih. Seperti yang kita ketahui bahwa titik didih tergantung pada tekanan gas di permukaan. Pada tekanan 1 atm atau 760 mmHg, air mendidih pada suhu 100^oC. Jika terdapat tempat di bumi ini yang mempunyai tekanan4,58 mmHg, maka sudah dipastikan air akan mendidih pada kisaran 0,0098^oC.

2.         Garis beku 

Garis B - D pada gambar di atas disebut garis beku. Garis beku merupakan transisi fase cair - padat. Setiap titik pada garis ini menyatakan suhu dan tekanan di mana air dapat membeku (es mencair). Pada tekanan 1 atm atau 760 mmHg, air membeku pada suhu 0^oC, dan jika terdapat tempat di bumi ini yang mempunyai tekanan 4,58 mmHg, maka sudah dipastikan air akan membeku pada kisaran0,0098^oC. titik beku dan titik didih pada tekanan 4,58 mmHg mempunyai nilai yang sama, artinya titik didh = titik beku pelarut. Perhatikan bahwa tekanan permukaan berpengaruh besar pada titik didih, tetapi sangat kecil pengaruhnya terhadap titik beku. Garis B - D nyaris vertical terhadap sumbu suhu.

3.         Garis sublimasi 

Garis A - B pada diagram fase di atas disebut garis sublimasi. Garis sublimasi merupakan transisi fase pada gas. Setiap titik pada pada garis sublimasi menyatakan suhu dan tekanan di mana zat padat dan uapnya dapat menyublim.

4.         Titik trpel 

Perpotongan antara garis didih dengan garis beku dan garis sublimasi disebut titik tripel. Titik tripel air adalah 0,0098^oC pada tekanan 4,58 mmHg. Pada titik tripelnya, ketiga bentuk fase, yaitu padat, cair, dan gas berada dalam kesetimbangan. 

 B.    Diagram Fase atau Diagram P - T pada Larutan

Mari kita bandingkan dengan diagram fase larutan dengan diagram fase pelarutnya yaitu H₂O, seperti tampak pada diagram P - T larutan berikut.

Larutan mempunyai tekanan uap lebih rendah dari pada pelarut murninya (dalam hal ini air) yang dinyatakan sebagai. Oleh karena itu garis didih dan garis beku larutan berada di bawah garis didih dan garis beku pelarutnya. Penurunan tekanan uap tersebut berpengaruh terhadap titik didih dan titik beku larutan. seperti yang tampak pada diagram P - T larutan di atas, tekanan uap larutan belum 760 mmHg pada suhu 100^oC. oleh karena itu belum mendidih. Larutan akan mendidih pada suhu di atas 100^oC yaitu ketika tekanan uapnya mencapai 760 mmHg. Dengan kata lain, larutan mempunyai titik didih lebih tinggi dari pada pelarutnya. Sebaliknya, penurunan tekanan uap menyebabkan titik beku larutan lebih rendah dibandingkan dengan titik beku pelarutnya.

         C.    Tekanan Uap

Menguap adalah gejala yang terjadi pada molekul-molekul zat cair meninggalkan permukaan cairan membentuk fasa gas. Gejala ini disebabkan oleh molekul-molekul pada bagian permukaan cairan memiliki energi yang dapat mengatasi gaya antar aksi di antara molekul-molekul cairan. Gaya antar aksi antarmolekul pada permukaan cairan dinamakan tegangan permukaan. Jadi, molekul-molekul yang menguap memiliki energi lebih besar daripada tegangan permukaan.

Kemudahan suatu zat menguap ditentukan oleh kekuatan gaya antarmolekul (tegangan permukaan). Semakin lemah gaya antarmolekul semakin mudah senyawa itu menguap.

Pada suhu rendah, molekul-molekul zat dapat meninggalkan permukaan cairan membentuk kesetimbangan dengan cairan yang berada di permukaanya . Molekul-molekul fasa uap menimbulkan tekanan yang disebut tekanan uap.

Apa yang terjadi dengan tekanan uap jika ke dalam suatu cairan (misalnya, air) dimasukkan zat yang tidak mudah menguap (misalnya, gula pasir)?

Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa jumlah partikel pelarut pada pelarut murni (Gambar A) di permukaan lebih banyak dibandingkan pada larutan (Gambar B). Partikel-partikel pada larutan lebih tidak teratur dibandingkan partikel-partikel
pada pelarut murni. Hal ini menyebabkan tekanan uap larutan lebih kecil daripada pelarut murni. Inilah yang dinamakan penurunan tekanan uap jenuh. Selisih antara tekanan uap murni dengan tekanan uap larutan jenuh dapat dituliskan secara
matematis seperti berikut.

ΔP = P0 – P

Keterangan:
ΔP = penurunan tekanan uap
P0 = tekanan uap pelarut murni
P = tekanan uap jenuh larutan

Bagaimana hubungan penurunan tekanan uap dengan jumlah partikel? Menurut Raoult, besarnya tekanan uap pelarut di atas suatu larutan (P) sama dengan hasil kali tekanan uap pelarut murni (P0) dengan fraksi mol zat pelarut dalam larutan (xB).

P = xB . P0

Persamaan di atas dikenal dengan hukum Raoult. Hukum Raoult hanya berlaku pada larutan ideal dan larutan tersebut merupakan larutan encer tetapi pada larutan encer yang tidak mempunyai interaksi kimia di antara komponen-komponennya, hukum Raoult berlaku pada pelarut saja. Adapun banyaknya penurunan tekanan uap ( ΔP ) sama dengan hasil kali fraksi mol terlarut (xA) dan tekanan uap pelarut murni (P0). Pernyataan ini secara matematis dapat dituliskan seperti berikut.

ΔP = xA  . Po

Keterangan:
xA = fraksi mol zat terlarut
xB = fraksi mol zat pelarut

   D. Kenaikan Titik Didih

Pendidihan terjadi karena panas meningkatkan gerakan atau energi kinetik, dari molekul yang menyebabkan cairan berada pada titik di mana cairan itu menguap, tidak peduli berada di permukaan teratas atau di bagian terdalam cairan tersebut. Apabila sebuah larutan mempunyai tekanan uap yang tinggi pada suhu tertentu, maka molekul-molekul yang berada dalam larutan tersebut mudah untuk melepaskan diri dari permukaan larutan. Atau dapat dikatakan pada suhu yang sama sebuah larutan mempunyai tekanan uap yang rendah, maka molekulmolekul dalam larutan tersebut tidak dapat dengan mudah melepaskan diri dari larutan. Jadi larutan dengan tekanan uap yang lebih tinggi pada suhu tertentu akan memiliki titik didih yang lebih rendah.

Cairan akan mendidih ketika tekanan uapnya menjadi sama dengan tekanan udara luar. Titik didih cairan pada tekanan udara 760 mmHg disebut titik didih standar atau titik didih normal. Jadi yang dimaksud dengan titik didih adalah suhu pada saat tekanan uap jenuh cairan itu sama dengan tekanan udara luar (tekanan pada permukaan cairan). Tekanan uap larutan lebih rendah dari tekanan uap pelarutnya. Hal ini disebabkan karena zat terlarut itu mengurangi bagian atau fraksi dari pelarut sehingga kecepatan penguapan berkurang.

Kenaikan titik didih terjadi ketika titik didih larutan menjadi lebih tinggi dari titik didih pelarut murni. Suhu pelarut untuk mendidih meningkat dengan penambahan zat terlarut non-volatile. Hal ini terjadi karena larutan (yang memiliki tekanan uap rendah) perlu dipanaskan sampai suhu yang lebih tinggi agar tekanan uap untuk menjadi sama dengan tekanan udara luar (yaitu, titik didih).Sebuah contoh umum dari kanaikan titi didih dapat diamati dengan menambahkan garam ke air. Titik didih air meningkat.

Kenaikan titik didi adalah sifat koligatif materi. Sifat Koligatif larutan tergantung pada jumlah partikel dalam larutan dan tidak bergantung pada jenis partikel atau massa partikel.

Larutan dapat diproduksi untuk tujuan meningkatkan titik didih dan menurunkan titik beku, seperti dalam penggunaan etilen glikol dalam sistem pendingin mobil. Etilena glikol (antibeku) melindungi terhadap pembekuan dengan menurunkan titik beku dan memungkinkan suhu operasi yang lebih tinggi dengan menaikkan titik didih.

     E.    Penurunan Titik Beku

Penurunan titik beku terjadi ketika titik beku cairan diturunkan dengan menambahkan senyawa lain. Larutan memiliki titik beku yang lebih rendah dibandingkan dengan pelarut murni.

Sebagai contoh, titik beku air laut lebih rendah dari air murni. Titik beku air yang telah ditambahkan antibeku lebih rendah dari air murni.

Penurunan titik beku adalah salah satu sifat koligatif materi. Sifat Koligatif tergantung pada jumlah partikel, bukan pada jenis partikel atau massa partikel.

Contoh lainnya adalah titik beku air murni adalah 0 ° C, tetapi ketika ditambahkan pelarut garam maka titik bekunya dapat mengalami penurunan. Penggunaan garam biasa (natrium klorida, NaCl) salah satunya pada jalan yang tertutup es di musim dingin untuk mencairkan es dari jalan-jalan dengan menurunkan titik leleh es. Larutan biasanya memiliki titik leleh lebih rendah dari pelarut murni.Proses ini dapat dijelaskan sebagai berikut : Pada suhu 0 ° C air berada pada  kesetimbangan antara fasa cair dan fasa padat.  Artinya kecepatan air berubah wujud dari cair ke padat atau sebaliknya adalah sama, sehingga bisa dikatakan fasa cair dan fasa padat pada kondisi ini memiliki  potensial kimia yang sama, atau dengan kata lain tingkat energi kedua fasa adalah sama.

Besarnya potensial kimia dipengaruhi oleh temperatur, jadi pada suhu tertentu potensial kimia fasa padat atau fasa cair akan lebih rendah daripada yag lain, fasa yang memiliki potensial kimia yang lebih rendah secara energi lebih disukai, misalnya pada suhu 2^oC fasa cair memiliki potensial kimia yang lebih rendah dibanding fasa padat sehingga pada suhu ini maka air cenderung berada pada fasa cair, sebaliknya pada suhu -1^oC fasa padat memiliki potensial kimia yang lebih rendah sehingga pada suhu ini air cenderung berada pada fasa padat.

Apabila ke dalam air murni kita larutkan garam dan kemudian suhunya kita turunkan sedikit demi sedikit, maka dengan berjalannya waktu pendinginan maka perlahan-lahan sebagian larutan akan berubah menjadi fasa padat hingga pada suhu tertentu akan berubah menjadi fasa padat secara keseluruhan. Pada umumnya zat terlarut lebih suka berada pada fasa cair dibandingkan dengan fasa padat, akibatnya pada saat proses pendinginan berlangsung larutan akan mempertahankan fasanya dalam keadaan cair, sebab secara energi larutan lebih suka berada pada fasa cair dibandingkan dengan fasa padat, hal ini menyebabkan potensial kimia pelarut dalam fasa cair akan lebih rendah (turun) sedangkan potesnsial kimia pelarut dalam fasa padat tidak terpengaruh.

Maka akan lebih banyak energi yang diperlukan untuk mengubah larutan menjadi fasa padat karena titik bekunya menjadi lebih rendah dibandingkan dengan pelarut murninya. Inilah sebab mengapa adanya zat terlarut akan menurunkan titk beku larutannya. Rumus untuk mencari penurunan titik beku larutan adalah sebagai berikut:

Penurunan titik beku dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Clausius-Clapeyron dan hukum Raoult. Dalam larutan encer  ideal titik beku adalah:

          F.    Aplikasi

• Membuat Campuran Pendingin Cairan pendingin adalah larutan berair yang memiliki titik beku jauh di bawah 0 derajat Celcius. Cairan pendingin digunakan pada -pabrik Es, juga digunakan untuk membuat es putar. Cairan pendingin dibuat dengan melarutkan berbagai jenis garam ke dalam air. Pada pembuatan Es Putar, Cairan pendingan dibuat dengan mencampurkan garam dapur dengan kepingan Es  batu dalam sebuah bejana berlapis kayu, pada pencampuran itu, es batu akan mencair sementara suhu turun . Selanjutnya, campuran bahan pembuat es putar dimasukan ke dalam cairan pendingin, sambil terus-menerusdiaduk sehingga campuran membeku.
  
  
• Laut mati adalah contoh dari terjadinya penurunan tekanan uap pelarut oleh zat terlarut yang tidak mudah menguap. Air berkadar garam sangat tinggi ini terletak di daerah gurun yang sangat panas dan kering, serta tidak berhubungan dengan laut bebas, sehingga konsentrasi zat terlarutnya semakin tinggi. Pada saat berenang di laut mati, kita tidak akan tenggelam karena konsentrasi zat terlarutnya yang sangat tinggi. Hal ini tentu saja, dapat dimanfaatkan sebagai sarana hiburan atau rekreasi bagi manusia. Penerapan prinsip yang sama dengan laut mati dapat kita temui di beberapa tempat wisata di Indonesia yang berupa kolam apung.
  
  
• Pencairan Salju di Jalan RayaLapisan salju di jalan raya dapat membuat kendaraan tergelincir atau selip, sehingga perlu disingkirkan. Lapisan salju tersebut sebagian besar dapat disingkirkan dengan buldoser, namun untuk membersihkana digunakan garam dapur atau urea. Prinsip dasar dari proses ini juga berdasarkan penurunan titik beku.
  
  
• Membuat Cairan FisiologiCairan infus dan berbagai cairan fisiologilainya, seperti obat tetes mata, harus isotonik dengan cairan tubuh kita. Oleh karena itu , konsentrasinya perlu disesuaikan. Anda tentu mengetahui bahwa salah satu masalah yang dihadapi korban kecelakaan ditengah laut yang terpaksa harus terapung-apung berhari-hari yaitu rasa haus. Meminum air laut tidak akan menghilangkan rasa haus, malah sebaliknya akan menambah rasa haus. Hal itu terjadi karena air laut hipertonik terhadap cairan tubuh kita. Akibatnya air laut justru akan menarik air dari jaringan tubuh.
  
  
• Di daerah beriklim dingin, ke dalam air radiator biasanya ditambahkan etilen glikol. Di daerah beriklim dingin, air radiator mudah membeku. Jika keadaan ini dibiarkan, maka radiator kendaraan akan cepat rusak. Dengan penambahan etilen glikol ke dalam air radiator diharapkan titik beku air dalam radiator menurun, dengan kata lain air tidak mudah membeku.
  
  

Ingin Tahu bagaimana garam mencairkan es? Let's enjoy this video 

sumber : http://www.youtube.com/watch?v=Z4oB4Sv2Yzs