PENGARUH PENAMBAHAN ZAT ELEKTROLIT (NaOH/KOH)
advertisement
PENGARUH PENAMBAHAN ZAT ELEKTROLIT (NaOH/KOH) PADA CAMPURAN BINER ETANOL-AIR Disusun oleh : ANA ULFA ISTIQOMAH M0311006 SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia PRODI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i HALAMAN PENGESAHAN SKRIPSI PENGARUH PENAMBAHAN ZAT ELEKTROLIT (NaOH/KOH) PADA CAMPURAN BINER ETANOL-AIR ANA ULFA ISTIQOMAH M0311006 Skripsi ini dibimbing oleh : Pembimbing I Pembimbing II Dr. Fitria Rahmawati, M.Si NIP 19751010 200003 2001. Dr. Khoirina Dwi N, M.Si NIP 19740419 200003 2001 Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari : Rabu Tanggal : 20 April 2016 Anggota Tim Penguji : 1. Prof. Dra. Neng Sri Suharty, M.S., Ph.D NIP 19490816 198103 2001 1. ………………………… 2. ………………………… 2. Dr. Eddy Heraldy, M.Si NIP 19640305 200003 1002 Disahkan oleh Kepala Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si. NIP 19730124 199903 2001 ii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “PENGARUH PENAMBAHAN ZAT ELEKTROLIT (NaOH/KOH) PADA CAMPURAN BINER ETANOL-AIR” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Surakarta, Maret 2016 Ana Ulfa Istiqomah iii PENGARUH PENAMBAHAN ZAT ELEKTROLIT (NaOH/KOH) PADA CAMPURAN BINER ETANOL-AIR ANA ULFA ISTIQOMAH Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Produksi bahan bakar alternatif, seperti bioetanol saat ini menerima lebih banyak perhatian. Akan tetapi, produksi bioetanol masih perlu perbaikan untuk menghasilkan etanol dengan kemurnian tinggi. Proses pemisahan antara etanol dan air masih menghadapi masalah karena campuran etanol-air memberikan titik azeotrop. Pada titik azeotrop, molekul air dan etanol tidak dapat dipisahkan lagi. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh penambahan elektrolit yaitu KOH dan NaOH untuk pemisahan campuran etanol-air dengan metode destilasi. Penelitian ini mempelajari pengaruhnya terhadap titik azeotrop pada kurva kesetimbangan uap-cair, sifat koligatif dan sifat termodinamikanya. Sifat termodinamika yang yang dipelajari adalah perubahan energi bebas Gibbs pencampuran (ΔGmix), perubahan entropi pencampuran (ΔSmix), perubahan entalpi pencampuran (ΔHmix) dan perubahan entalpi penguapan (ΔHvap). Penelitian ini menggunakan model campuran air-etanol pada berbagai komposisi 0-100% berat etanol. Penambahan elektrolit adalah 0,1 mol elektrolit/berat total etanol-air. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan elektrolit ke dalam campuran etanolair menghilangkan titik azeotrop dan memungkinkan molekul etanol dapat terpisah dari air. Entalpi pencampuran meningkat dari 239,601 kJ/mol menjadi 259,796 kJ/mol setelah penambahan NaOH, dan menjadi 264,793 kJ/mol setelah penambahan KOH. Hal ini menunjukkan bahwa pencampuran antara air dan etanol adalah proses endotermik. Meskipun, itu adalah proses endotermik, namun, perubahan energi bebas Gibbs dari pencampuran bernilai negatif, yang menyatakan bahwa proses pencampuran terjadi secara spontan. Hal ini dikarenakan adanya peningkatan ketidakteraturan, yang dibuktikan dengan nilai positif dari perubahan entropi. Sementara itu, entalpi penguapan, ∆Hvap campuran air-etanol adalah 76,229 kJ/mol, dan masing-masing menjadi 235,366 kJ/mol dan 126,189 kJ/mol setelah penambahan NaOH dan KOH. Kata kunci: azeotrop, destilasi, etanol-air, kurva kesetimbangan uap-cair, sifat koligatif, zat elektrolit, sifat termodinamika. iv THE EFFECT OF ELECTROLYTE ADDITION (NaOH/KOH) IN AN ETHANOL-WATER BINARY MIXTURE ANA ULFA ISTIQOMAH Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University ABSTRACT The production of alternative fuel, such as bioethanol is currently receiving more attention. However, the bioethanol production still need improvement in order to produce a high-purity ethanol. Separation process between ethanol and water seems to become a problem due to the ethanol-water mixture provide an azeotropic point. At the azeotropic point, the water and ethanol molecules cannot be separated anymore. Therefore, this research aims to study the effect of electrolyte addition i.e. KOH and NaOH to the separation of ethanol-water mixture by destillation method. This research study the effect on azeotropic point of vapor-liquid equilibrium, colligative and thermodynamic properties. The thermodynamics properties are Gibbs free energy change of mixing (ΔGmix), the entropy change of mixing (ΔSmix), the entalphy change of mixing (ΔHmix) and the entalphy change of evaporation (ΔHvap). This research used a model water-ethanol mixture at various composition of 0-100 weight % of ethanol. The electrolyte addition was 0.1 mol electrolyte/total weight of ethanolwater. The results show that the addition of electrolyte into ethanol-water mixture eliminate the azeotropic point and allows the ethanol molecules to separate from water. The enthalpy of mixing increase from 239.601 kJ/mol become 259.796 kJ/mol after NaOH addition, and it become 264.793 kJ/mol after KOH addition. It indicates that the mixing between water and ethanol is an endothermic process. Eventhough, it is an endothermic process, however, the Gibbs free energy change of mixing is in a negative values, confirming that the mixing process occured spontaneously. It because of the increasing of irregularity, confirmed by the positive value of entropy change. Meanwhile, the enthalpy of vaporization, Hvap of water-ethanol mixture is 76.229 kJ/mol, and it become 235.366 kJ/mol and 126.189 kJ/mol after the addition of NaOH and KOH. Keywords: azeotrope, distillation, ethanol-water, vapor-liquid equilibrium, colligative properties, electrolyte substance, thermodynamics properties. v Motto “……….. dan bersabarlah. Sesungguhnya Allah bersama orang-orang yang sabar” (Q.S. Al-Anfal : 3) “ Maka, sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan, sesungguhnya bersama kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai dari suatu urusan, kerjakanlah dengan sungguhsungguh urusan yang lain” (Q.S. Al-Insyirah : 5-7) “Barang siapa menginginkan kebahagiaan didunia dan diakhirat maka haruslah memiliki banyak ilmu” (HR. Ibnu Asakir). “Hai orang-orang mukmin, jika kamu menolong (agama) Allah, niscaya Dia akan menolongmu dan meneguhkan kedudukanmu.” (Q.S. Muhammad : 7) vi PERSEMBAHAN Sebuah karya kecil yang aku persembahkan untuk : Bapak Muchsin, Ibu Sri Rahayu, Mbak Nurul, Mbak Ani, Keluarga, dan para Sahabat yang selalu memberi semangat, dukungan, doa, dan kasih sayang. vii KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, karunia dan ijin-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Dalam penyusunan laporan ini, penulis tidak lepas dari bimbingan, pengarahan dan bantuan dari berbagai pihak, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Ibu Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si selaku Kepala Program Studi Kimia dan kepada seluruh dosen dan staff di Program Studi Kimia FMIPA UNS atas ilmu yang berguna dalam menyusun skripsi. 2. Ibu Dr. Fitria Rahmawati, M.Si selaku pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, arahan dan kesabaran selama menyelesaikan skripsi. 3. Ibu Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si selaku pembimbing II pembimbing akademik, dan ketua Laboratorium Kimia FMIPA UNS yang telah memberikan bimbingan, motivasi dan arahan selama menyelesaikan skripsi. 4. Almarhum Bapak Drs. Mudjidjono, PhD selaku pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan dan motivasinya selama 7 semester awal. 5. Teman seperjuangan saya : Nurul, Gesti, Sakinah, Aini, dan kepada SKI FMIPA tercinta terima kasih atas segala bantuan dan kebersamaannya. 6. Semua anggota grup riset “SSC (Solid State Chemistry and Catalysis) Research“ dan teman-teman Kimia Angkatan 2011 kakak dan adik tingkat atas semua bantuan dan persahabatannya. 7. Semua pihak yang telah membantu yang tidak bisa disebutkan satu per satu. Penulis mengucapkan terima kasih untuk semua pihak yang telah berjasa dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis senantiasa mengharapkan saran dan kritik yang membangun bagi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Surakarta, Maret 2016 Ana Ulfa Istiqomah viii DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ................................................................................. HALAMAN PENGESAHAN .................................................................. HALAMAN PERNYATAAN.. ................................................................. HALAMAN ABSTRAK ........................................................................... HALAMAN ABSTRACT ......................................................................... MOTTO ..................................................................................................... PERSEMBAHAN ...................................................................................... KATA PENGANTAR ............................................................................... DARTAR ISI ............................................................................................ DAFTAR TABEL ...................................................................................... DAFTAR GAMBAR ................................................................................. DAFTAR SIMBOL ................................................................................... DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. BAB I PENDAHULUAN ....................................................................... A. Latar belakang ...................................................................... B. Perumusan masalah ............................................................ 1. Identifikasi masalah ....................................................... 2. Batasan masalah ............................................................. 3. Rumusan masalah .......................................................... C. Tujuan penelitian ................................................................. D. Manfaat penelitian ................................................................ BAB II LANDASAN TEORI .................................................................. A. Tinjauan pustaka ................................................................... 1. Etanol ................................................................................ 2. Air ..................................................................................... 3. Sistem Biner ...................................................................... 4. Campuran azeotrop ........................................................... 5. Sistem azeotrop dan proses destilasi ................................. 6. Sifat-sifat termodinamika dan sifat koligatif .................... B. Kerangka pemikiran .............................................................. C. Hipotesis ................................................................................ BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................. A. Metode penelitian ................................................................... ix i ii iii iv v vi vii viii ix xi xii xiv xv 1 1 4 4 5 6 6 6 7 7 7 9 9 12 16 22 33 36 37 37 B. Tempat dan waktu penelitian ................................................. C. Alat dan bahan........................................................................ 1. Alat .................................................................................... 2. Bahan ................................................................................ D. Prosedur penelitian ................................................................ E. Teknik pengumpulan data dan analisis data ........................... BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .......................... BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................. A. Kesimpulan ........................................................................... B. Saran ...................................................................................... DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ LAMPIRAN – LAMPIRAN …………………………………………… x 37 37 37 38 38 39 41 53 53 53 55 62 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1 Data pengukuran sistem biner metanol-air pada 1 atm .................... 11 Tabel 2 Sistem CH3OH, K2CO3, dan air pada 30oC ..................................... 19 Tabel 3 Sifat-sifat fisik etanol, air, garam KOH dan garam NaOH .............. 41 Tabel 4 Nilai energi bebas Gibbs pencampuran (∆Gmix) .............................. 49 Tabel 5 Nilai entropi pencampuran (∆S mix) .................................................. 50 xi DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1 Struktur dan bentuk molekul etanol .......................................... 7 Gambar 2 Ikatan hidrogen antar molekul etanol ........................................ 8 Gambar 3 Ikatan hidrogen antar molekul air ............................................. 9 Gambar 4 Kurva temperatur versus komposisi sistem biner ..................... 10 Gambar 5 Kurva T-x sistem biner metanol-air pada 1 atm........................ 11 Gambar 6 Kurva destilasi dari 91 AI gasoline dan 91 AI gasoline + 15% metanol ..................................................................................... 12 Gambar 7 Kurva T-x dengan titik didih maksimal dan minimal ................ 13 Gambar 8 Kurva kesetimbangan uap-cair deviasi positif sistem etanol-air ................................................................................................ 14 Gambar 9 Ikatan hidrogen antara molekul air dan etanol ........................... 15 Gambar 10 Alat destilasi sederhana .............................................................. 17 Gambar 11 Sistem CH3OH, K2CO3, dan air pada 30oC ............................... 19 Gambar 12 Struktrur geometris dari (a) etanol + KAc (b) Air + KAc ......... 22 Gambar 13 Tekanan total dan parsial dan fasa cair-uap untuk campuran benzena toluena pada 60oC ........................................................ 24 Gambar 14 Energi bebas Gibbs. (a) Keadaan awal (b) keadaan akhir ......... 25 Gambar 15 Energi Gibbs dan entropi untuk larutan ideal ............................ 27 Gambar 16 Penyimpangan positif hukum Raoult & Penyimpangan negatif hukum Raoult ............................................................................ 28 Gambar 17 Bentuk dari persamaan ∆Gmix/RT untuk campuran biner .......... 31 Gambar 18 Rangakian Alat Destilasi ............................................................ 39 Gambar 19 Diagram Th-Tk-x untuk sistem etanol-air tanpa zat elektrolit pada tekanan 1atm .............................................................................. 42 Gambar 20 Diagram Th-Tk-x sistem etanol-air-zat elektrolit pada tekanan 1 atm ................................................................................................... 44 Gambar 21 Diskripsi ikatan hidrogen antara etanol dan air ......................... 45 Gambar 22 Mekanisme pembentukan ikatan antarmolekul garam dan air ... 46 xii Gambar 23 Ilustrasi mekanisme reaksi dari (a) campuran etanol-air (b) campuran etanol-air zat elektrolit (KOH dan NaOH). .............. 46 Gambar 24 Grafik fungsi Gibbs dan Entropi Pencampuran (a) Etanol-Air (b) Etanol-Air-NaOH (c) Etanol-Air-KOH. .................................... xiii 52 DAFTAR SIMBOL A a σ b C c GE I i j Kb m me mez n n1 n2 n3 Po P1 P2 R r To T Tk Th Vr VLE x x x1 x2 x3 γ ∆Gmix ∆Gvap ∆Hmix ∆Hvap ∆P ∆Smix ∆Svap ∆Tb tetapan untuk larutan dengan pelarut air pada 25oC Intercept aktivitas pelarut slope konstanta konsentrasi ion energi Gibbs excees kekuatan ionik dari larutan faktor Van Hoff zat elektrolit (KOH dan NaOH) tetapan kenaikan titik didih molalitas zat terlarut molalitas zat terlarut (etanol) molalitas zat terlarut (etanol+zat elektrolit) Jumlah mol mol pelarut mol zat terlarut mol zat terlarut elektrolit tekanan uap pelarut murni tekanan uap jenuh pelarut tekanan uap jenuh zat terlarut tetapan umum gas jarak pisah antara dua partikel temperatur pelarut murni temperatur campuran temperatur kattle temperatur head potensial intermolecular antara dua atom atau molekul Vapour Liquid Equibilirium kadar sampel fraksi komponen dalam fase cair fraksi mol pelarut dalam fase cair fraksi mol zat terlarut dalam fase cair fraksi mol zat terlarut elektrolit dalam fase cair koefisien aktivitas komponen perubahan energi bebas Gibbs pencampuran perubahan energi bebas Gibbs penguapan perubahan energi Entalpi pencampuran perubahan energi Entalpi penguapan campuran penurunan tekanan uap jenuh pelarut perubahan Entropi pencampuran perubahan Entropi penguapan kenaikan titik didih xiv DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Membuat variasi fraksi campuran etanol-air ............................ 60 Lampiran 2. Penentuan Perubahan Entalpi Pecampuran (∆Hmix) ................. 64 Lampiran 3. Penentuan Komposisi Uap (y) Dari Kurva Kesetimbangan .... 70 Lampiran 4. Penentuan Perubahan Entalpi Penguapan Pecampuran (∆Hvap) Lampiran 5. Penentuan Koefisien Aktivitas (γ) dari Zat Elektrolit (NaOH 75 dan KOH) .............................................................................. 80 Lampiran 6. Perubahan Energi Bebas Gibbs Pencampuran (∆Gmix) dan Perubahan Entropi Pencampuran (∆Smix) .............................. xv 82
