KESETIMBANGAN FASA

KESETIMBANGAN FASA

Ø  Konsep Kaidah fase

Konsep kaidah fasa mencakup jumlah fasa (P), jumlah campuram dan jumlah kebebasan/varian (F) dalam sistem.

·         Jumlah Fasa(P)

Jumalah fasa adalah jumlah bagian –bagian yang serbasama dalam sistem. Fasa adalah bagian dari sistem yang bersifat homogen, dan dipisahkan dari bagian sistem yang lain dengan batas yang jelas.

Jumlah Fasa (P): jumlah bagian-bagian homogen itu dalam sistem.

Contoh:

Kesetimbangan air dan uapnya: P = 2

Air + alkohol dan uapnya: P = 2

Air + minyak dan uapnya: P = 3

Santan/susu/krim pembersih muka: P = banyak

• Jumlah Komponen (C)

Jumlah komponen adalah jumlah terkecil zat-zat kimia yang terdiri bebas (konsentrasinya dapat diubah dengan leluasa) yang dapat digunakan untuk menyatakan komposisi dari setiap fasa dalam sistem.

Contoh:

Sistem air                                 C=1

Sistem Etanol dalam air          C=2

Sistem yang terdiri dari PCl₅, PCl₃, dan Cl­₂

Jika pada sistem PCl₅, PCl₃, dan Cl­₂ tercapai kesetimbangan dalam wadah tertutub dengan di mulai dari PCl₅

PCl₅ ↔ PCl₃ + Cl­₂

Sistem terdiri darin 1 komponen [PCl₅] : [PCl₃] : [Cl₂]

Tetapi jika dimulai dari:

PCl₃ + Cl­₂ ↔ PCl₅

Terdiri dari dua komponen (C=2) karena pencampuran PCl₃ dan Cl₂ dapat dalam berbagai konsentrasi (perbandingan)

Cara penentuan jumlah komponen dalam kesetimbangan:

Jumlah komponen dalam sistem adalah jumlah terkecil zat-zat kimia yang terdiri bebas dengan zat-zat ini komposisi dari setiap fasa yang ada dalam sistem harus dapat dinyatakan.

Cara menentukan jumlah komponen dalam kesetimbangan ada 3 yaitu :

1. Hubungan reaksi kimia
2. Kesamaan konsentrasi
3. Kesamaan jumlah muatan listrik

Sistem kesetimbangan

CaCO₃(s) ↔ CaO_(s) + CO_{2 (g)}

C = 3 – 1 = 2

NH₄Cl_(s) ↔ NH_{3 (g)} + HCl

C = 3 – (1+1) = 1

Sistem yang terdiri dari larutan jenuh NaCl dan uapnya

C = 4- (1+1) = 2

C = 2- 0 = 2

Sistem Tembaga Sulfat – air

Dalam sistem bisa terdapat

CuSO₄

CuSO₄ . H₂O                           CuSO₄ + H₂O   → CuSO₄ . H₂O

CuSO₄ . 3H₂O                         CuSO₄ +3 H₂O → CuSO₄ . 3H₂O

CuSO₄ . H₂O                           CuSO₄ + 5H₂O     → CuSO₄ . 5H₂O

H₂O

C = 5 – 3 = 2

Jumlah komponen dalam sistem

Fasa	Komposisi
	CuSO4	H2O
H2O	0	A
CuSO4	B	O
CuSO4 . H2O	C	C
CuSO4 . 3H2O	D	3d
CuSO4 . 5H2O	E	5i
Larutan	F	G
Uap	O	H

Jumlah komponen adalah jumlah spesi kimia minimum yang

diperlukan untuk menggambarkan keadaan sistem.

Contoh:

• Campuran air, etanol dan asam asetat: C = 3, P = 1.
• Campuran N2, H2 dan NH3 (pada keadaan setimbang): C = 2
• Campuran ini dalam keadaan belum/tidak setimbang: C = 3
• Campuran setimbang ini, yang berasal dari NH3: C = 1.
• Campuran CaCO3(s) λ CaO(s) + CO2(g) (dalam keadaan setimbang), C = 2, P = 3

Jika sistem ini belum/tidak setimbang, C = 3, P = 3

• Derajat kebebasan

Derajat kebebasan (degree of freedom) didefinisikan sebagai jumlah peubah thermodinamik yang dapat divariasikan secara tidak saling bergantungan tanpa mengubah jumlah fasa yang berada dalam keseimbangan.

Derajat kebebasan f (kadang-kadang disebut varians, v) dari suatu sistem setimbang merupakan jumlah variabel intensif independen yang diperlukan untuk menyatakan keadaan sistem tersebut.

Untuk menguraikan keadaan kesetimbang dari suatu sistem yang terdiri dari beberapa fasa dengan beberapa spesi kimia, kita dapat menentukan mol masing-masing spesi dalam setiap fasa serta suhu, T dan tekanan P. Akan tetapi penentuan mol tidak akan kita lakukan karena massa setiap fasa dalam sistem tidak menjadi perhatian kita. Massa atau ukuran dari setiap fasa tidak mempengaruhi posisi kesetimbangan fasa, karena kesetimbangan fasa ditentukan fasa ditentukan oleh kesamaan potensial kima, yang merupakan variabel intensif. Sebagai contoh, dalam sistem dua fasa yang terdiri dari larutan AgBr dengan padatan AgBr pada T dan P tertentu, kondisi kesetimbangan dari AgBr yang larut (dalam larutan jenuh) tidak bergantung pada massa dari masing-masing fasa, jadi tidak penting apakah terdapat sedikit atau banyak padatan AgBr atau sevolume besar larutan, asal kedua fasa ada dalam keadaan kesetimbangan dalam larutan tersebut mempunyai nilai tertentu pada T dan P tertentu. Oleh karena itu dalam membicarakan kesetimbangan fasa, kita tidak akan meninjau variabel ekstensif yang bergantung pada setiap fasa. Kita akan meninjau variabel-variabel intensif seperti suhu, tekanan dan komposisi (fraksi mol). Jumlah variabel intensif indefenden yang di perlukan untuk menyatakan keadaan suatu sistem menyatakan keadaan suatu sistem merupakan derajat kebebasan dari sistem tersebut.

Derajat kebebasan adalah jumlah besaran makroskopik yang diperlukan untuk menggambarkan keadaan sistem.

Aturan fasa Gibbs: F = C – P + 2

Komponen : adalah logam murni atau senyawa yang menyusun suatu logam paduan.

Contoh : Cu – Zn (perunggu), komponennya adalah Cu dan Zn

Fase:

Fase didefinisikan sebagai sistem yang homogen yang mempunyai sifat kimia dan sifat fisika yang seragam/uniform.

Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan.

Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang melampaui batas kelarutan).

Sistem fase tunggal ® homogen

Sistem 2 atau lebih fase ® campuran atau sistem heterogen.

• Pengertian fasa

Fasa adalah bagian yang serbasama dari suatu sistem, yang dapat dipisahkan dari ; serbasama dalam komposisi kimia dan sifat-sifat fisika. Jadi suatu sistem yang mengandung suatu cairan dan uap mempunyai dua bagian daerah yang serbasama. Dalam fasa uap kerapatannya serbasama disemua bagian pada uap tersebut. Dalam fasa cair kerabatannya serbasama disemua bagian pada cairan tersebut, tetapi nilainya berbeda dengan kerapannya di fasa uap. Contoh lainnya adalah air yang berisi pecahan-pecahan esmerupakan suatu sistem yang terdiri dari dua fasa, yaitu fasa padat (es) dan fasa cair (air). Sistem yang hanya terdiri dari gas-gas saja, hanya terdiri dari cairan-cairan, pada kesetimbangan bisa terdapat satu fasa atau lebih tergantung pada kelarutannya. Padatan-padatan biasanya mempunyai kelarutan yang lebih terbatas pada suatu sistem padat yang setimbang bisa terdapat beberapa fasa padat setimbang bila terdapat beberapa fasa padat yang berbeda.

Fasa adalah bagian sistem dengan komposisi kimia dan sifat – sifat fisik seragam, yang terpisah dari bagian sistem lain oleh suatu bidang batas. Pemahaman perilaku fasa mulai berkembang dengan adanya aturan fasa Gibbs. Untuk sistem satu komponen, persamaan Clausius dan Clausisus – Clapeyron menghubungkan perubahan tekanan kesetimbangan dengan perubahan suhu.

Kata “fasa” berasal dari bahasa Yunani yang berarti pemunculan. Fasa adalah keadaan materi yang seragam di seluruh bagiannya, bukan hanya dalam komposisi kimianya, melainkan juga dalam keadaan fisiknya. Fasa adalah bagian system yang komposisi kimia dan sifat-sifat fisiknya seragam, yang terdapat dari bagian system lainnya oleh adanya  bidang batas. Perilaku fasa yang dimiliki oleh suatu zat murni adalah sangat beragam dan sangat rumit, akan tetapi data-datanya dapat dikumpulkan dan kemudian dengan termodinamika dapat dibuat ramalanramalan.Pemahaman mengenai perilaku fasa  berkembang dengan adanya aturan fasa gibbs.

Banyaknya fasa dalam sistem diberi notasi P, gas atau campuran gas adalah fasa tunggal. Kristal adalah fasa tunggal ; dan dua cairan yang dapat campur secara total membentuk fasa tunggal. Es adalah fasa tunggal (P = 1), walaupun e situ dapat dipotong-potong menjadi bagian-bagian kecil. Campuran es dan air adalah sistem dua fasa (P = 2) walaupun sulit untuk menentukan batas antara fasa-fasanya.

Campuran dua logam adalah sistem dua fasa (P = 2) jika logam-logam itu tak dapat campur, tetapi merupakan sistem satu fasa (P = 1) jika logam-logamnya dapat campur. Contoh ini menunjukkan bahwa memutuskan apakah suatu sistem terdiri dari satu atau dua fasa, tidak selalu mudah. Larutan padatan A dalam B-campuran yang homogen dari dua komponen-bersifat- seragam pada skala molekuler. Dalam suatu larutan, atom-atom A dikelilingi oleh atom-atom A dan B, dan sembarang sampel yang dipotong dari padatan itu, bagaimanapun kecilnya, adalah contoh yang tepat dari komposisi keseluruhannya.

Banyaknya komponen dalam sistm C adalah jumlah minimum spesises bebas yang diperlukan untuk menentukan komposisi semua fasa yang ada dalam sistem. Definisi ini mudah diberlakukan jika spesies yang ada dalam sistem tidak bereaksi, sehingga kita hanya menghitung banyaknya. Misalnya, air murni adalah sistem satu-komponen (C = 1) dan campuran etanol dan air adalah sistem satu-komponen (C = 2).

Jika spesies bereaksi dan berada pada kesetimbangan kita harus memperhitungkan arti kalimat “semua fasa” dalam definisi tersebut. Jadi untuk ammonium klorida yang dalam kesetimbangan dengan uapnya,

NH₄Cl_(s) ↔ NH₃(g) + HCl_(g)

Kedua fasa mempunyai komposisi formal “NH₄Cl” dan sistem mempunai satu komponen. Jika HCl(g) berlebih ditambahkan, sistem mempunyai dua komponen karena sekarang jumlah relative HCl dan NH₃ berubah-ubah. Sebaliknya, kalsium karbonat berada dalam kesetimbangan dengan uapnya

CaCO₃(s) ↔ CaO_(s) + CO_{2 (g)}

Adalah sistem dua komponen karena “CaCO₃” tidak menggambarkan komposisi uapnya. (Karena tiga spesies dihubungkan oleh stoikiometri reaksi maka konsentrasi kalsium bukanlah variabel bebas). Dalam hal ini C = 2, apakah kita mulai dari kalsium karbonat murni, atau jumlah yang sama dari kalsium oksida dan karbon dioksida, atau jumlah yang berubah-ubah ketiganya.

Cara praktis untuk menentukan jumlah komponen adalah dengan menentukan jumlah total spesi kimia dalam sistem dikurangi dengan jumlah reaksi-reaksi kesetimbangan yang berbeda yang dapat terjadi antara zat-zat yang ada dalam sistem tersebut.

Ø  Aturan Fasa Gibbs

Kondisi fasa – fasa dalam sistem satu komponen digambarkan dalam diagram fasa yang merupakan plot kurva tekanan terhadap suhu.

·         Penurunan hukum fasa gibbs

Dalam suatu komponen yang terdiri atas C komponen dan jumlah fasa yang berbeda dalam kesetimbangan adalah P, maka komposisi setiap fasa dapat ditentukan jika telah ditentukan fraksi mol atau konsentrasi dari ( C – 1 ) komponen, konsentrasi ( fraksi mol) satu komponen lagi tidak usah ditentukan karena dihitung dari hubungan:

= 1

Karena ada P fasa, maka besaran konsentrasi yang harus ditentukan untuk seluruh sistem adalah ( C – 1 ) P buah. Konsentrasi yang harus ditentukan tadi merupakan variabel-variabel lain yang dapat mempengaruhi keadaan sistem disamping temperatur dan tekanan. Dengan demikian jumlah variabel sistem menjadi ( C – 1 ) P+2. Akan tetapi dari syarat kesetimbangan, untuksetiap komponen terdapat kesamaan potensial kimianya atau terdapat (P-1) buah persamaan. Maka untuk C komponen akan terdapat C (P-1) buah persamaan. Persamaan ini akan menyebabkan variabel-variabel konsentrasi saling bergantung satu sama lain. Pada tahun 1876, Gibbs menurunkan hubungan sederhana antara jumlah fasa setimbang, jumlah komponen dan jumlah besaran intensif bebas yang dapat melukiskan keadaan sistem secara lengkap. Menurut Gibbs:

υ = C – P + 2

Dimana,

υ = derajat kebebasan

C = jumlah komponen

P = jumlah fasa

Gambar: Perkiraan diagram fasa kesetimbangan tekanan dan suhu untuk air murni.

Titik O pada kurva menunjukkan adanya kesetimbangan antara fasa – fasa padat, cair dan gas. Titik ini disebut sebagai titik tripel. Untuk menyatakan keadaan titik tripel hanya dibutuhkan satu variabel saja yaitu suhu atau tekanan. Sehingga derajat kebebasan untuk titik tripel adalah nol. Sistem demikian disebut sebagai sistem invarian.

Contoh:

1. Untuk air pada gambar di atas, pada titik triple jumlah fasa = 3 = P (phase)

Jumlah komponen = air saja = 1 = C (component)

υ = C – P + 2

υ = 1 – 3 + 2

υ = 0 (dengan derajat kebebasan nol)

Karena tidak ada variabel (suhu maupun tekanan) yang dapat diubah dan 3 fasa tetap ada

di titik itu, maka titik triple ini disebut invariant point (titik tetap/tak berubah = invariant).

2. Pada garis batas cair dan padat P = 2, C = 1 maka:

υ = C – P + 2

υ = 1 – 2 + 2

υ = 1

Terdapat satu variabel dapat diubah bebas dan mampu mempertahankan dua fasa yang ada dalam sistem. Yang mana bila tekanan tertentu ditentukan hanya akan ada satu temperatur yang mana fasa padat dan cair ada bersamaan.

3. Bila ada titik dimana saja yang ada dalam satu fasa, maka:

P = 1, C = 1 → υ = C – P + 2

            υ = 1 – 1 + 2

υ = 2 (dua derajat kebebasan)

Artinya dua variabel suhu dan tekanan dapat bervariasi/diubah-ubah secara bebas dan sistem tetap berada dalam satu fasa.

Ø  Sistem satu-komponen

Untuk sistem satu komponen, seperti air murni,

υ = 3 – P

Karena fasa tidak mungkin = 0, maka derajad kebebasan masimum adalah 2 artinya sistem 1 komponen paling banyak memiliki 2 variabel intensif untuk menyatakan keadaan sistem yaitu P (tekanan) dan T (suhu). Diagram fasa adalah diagram yang menggambarkan keadaan sistem (komponen dan fasa) yang dinyatakan dalam 2 dimensi. Dalam diagram ini tergambar sifat- sifat zat seperti titik didih, titik leleh, titik tripel. Sebagai contoh adalah diagram fasa 1 komponen adalah diagram fasa air.

Jika hanya ada satu fasa, υ = 2 dan P dan T dapat diubah-ubah dengan bebas. Dengan kata lain, fasa tunggal diggambarkan dengan daerah pada diagram fasa. Jika dua fasa ada dalam kesetimbangan, υ = 1, yang berarti tekanan bukanlah variabel bebas jika kita sudah menentukan temperaturnya. Jadi, kesetimbangan dua fasa diggambarkan dengan garis di dalam diagram fasa. Daripada memilih temperatur, kita dapat memilih tekanan, tetapi dengan pemilihan itu, kedua fasa mencapai kesetimbangan pada temperatur tertentu. Oleh karena itu, pembekuan (atau transisi fasa yang lain) terjadi pada temperatur tertentu pada tekanan tertentu. Jika ketiga fasa ada dalam kesetimbangan, υ = 0. Kondisi invarian yang khusus ini hanya dapat terjadi pada temperatur dan tekanan tertentu. Oleh karena itu, kesetimbangan tiga fasa itu digambarkan dengan satu titik, yaitu titik tripel, pada diagram fasa. Empat fasa tidak dapat berada pada kesetimbangan dalam sistem satu-komponen karena υ tidak dapat negatif.

Segi-segi ini digambarkan dengan diagram fasa air seperti terlihat dalam gambar di atas. Kejadian-kejadian yang berlangsung ketika sampel pada a didinginkan pada tekanan tetap. Seluruh sampel tetap berupa gas sampai temperaur mencapai b, ketika muncul cairan. Sekarang, kedua fasa dalam kesetimbangan dan υ = 1. Karena kita memutuskan untuk menentukan tekanan, sehingga kita kehilangan satu-satunya derajat kebebasan, temperatur dimana kesetimbangan ini terjadi, di luar kendali kita. Penurunan temperatur membawa sistem ke c dalam daerah cairan satu-fasa. Sekarang, temperatur dapat diubah-ubah di sekitar titik c sesuai dengan keinginkan kita, dan baru ketika es muncul di d, varian menjadi 1 lagi. Diagram di atas menggambarkan hubungan antara tekanan dan suhu pada sistem 1 komponen air. Titik tripel memperlihatkan suhu dimana air mempunyai 3 fasa yaitu padat, cair dan gas.

Disusun oleh : MOHAMMAD ROSYIDUL AQLI HS (15630074)