PERTEMUAN KE 1 LARUTAN DAN GAYA ANTARMOLEKUL Tujuan Pembelajaran: Mahasiswa mampu menjelaskan gaya antar molekul, jenis larutan, proses pelarutan dari sudut pandang molekul, satuan konsentrasi larutan, dan perubahan energi yang menyertai kelarutan, serta pengaruh suhu dan tekanan terhadap kelarutan 1 Molekul-molekul dalam cairan berinteraksi melalui satu atau lebih jenis gaya tarik. Cairan juga memiliki volume tertentu, karena molekul-molekul dalam cairan tidak saling memisah karena adanya gaya tarik tersebut. Tetapi, molekul-molekul tersebut dapat bertukar tempat dengan bebas, sehingga cairan dapat mengalir, dapat dituang, dan memiliki bentuk seperti wadahnya. 1. Gaya Antarmolekul Gaya tarik di antara molekul-molekul, disebut gaya antarmolekul (intermolecular forces), menyebabkan perilaku gas non ideal, dan menentukan keberadaan materi terkondensasi, berupa cairan dan padatan. Ketika suhu gas turun, energi kinetik ratarata molekulnya turun. Akhirnya, pada suhu cukup rendah, molekul-molekul itu tidak lagi memiliki cukup energi untuk memisahkan diri dari tarikan molekul lainnya. Pada titik ini, molekul-molekul mengelompok untuk membentuk tetes-tetes cairan yang kecil. Fenomena perubahan wujud gas menjadi cair dikenal sebagai pengembunan. Berbeda dengan gaya antarmolekul, gaya intramolekul (intramolecular forces) adalah gaya yang mengikat atom-atom dalam molekul. Gaya intramolekul, misalnya ikatan kovalen, menstabilkan molekul masing-masing, sedangkan gaya antarmolekul terutama menyebabkan sifat-sifat materi dalam jumlah besar (misalnya: titik leleh dan titik didih). Umumnya, gaya antarmolekul jauh lebih lemah daripada gaya intramolekul. Misalnya, diperlukan sekitar 41 kJ energi untuk menguapkan 1 mol air pada titik didihnya; sedangkan energi yang diperlukan untuk memutuskan dua ikatan O―H dalam 1 molekul air adalah sebesar 930 kJ. Berbagai jenis gaya antarmolekul, yaitu: gaya dipol-dipol (dipol permanen), gaya dipol-dipol terinduksi, dan gaya antar dipol-terinduksi (disebut juga gaya dispersi atau gaya London) tercakup dalam gaya van der Walls. Gaya antar molekul lainnya yang tidak termasuk ke dalam kelompok gaya van der Walls, yaitu gaya ion-dipol dan ikatan hidrogen. Tarik-menarik antara ion dan dipol dengan gaya elektrostatik disebut gaya 2 ion-dipol. Sedangkan ikatan hidrogen merupakan interaksi dipol-dipol yang cukup kuat. Gaya antarmolekul, misalnya antar molekul H2O dalam air atau es batu, seringkali disebut gaya tarik fisik, karena pemutusan interaksi antar molekul tersebut hanya berupa perubahan fisika (penguapan) dan bukan perubahan kimia. Berbeda dengan ikatan kovalen yang termasuk ikatan kimia. Tapi dalam sistem tertentu yang lebih kompleks, pemutusan gaya antarmolekul bisa pula menyebabkan terjadinya perubahan sifat kimia. 1.1 Gaya Dipol-Dipol Gaya dipol-dipol (dipole-dipole forces) merupakan gaya yang bekerja antara molekul-molekul polar, yaitu antara molekul-molekul yang memiliki momen dipol. Asal gaya ini adalah gaya elektrostatik. Makin besar momen dipolnya, makin kuat gayanya. Gambar 1.1.1 menunjukkan orientasi molekul polar dalam suatu padatan. Dalam cairan, molekul-molekul tidak terikat sekaku seperti pada padatan, tetapi molekul-molekul cenderung tersusun sedemikian rupa sehingga, secara rata-rata, interaksi tarik-menarik pada keadaan maksimum. Gambar 1.1.1 Molekul-molekul yang memiliki momen dipol permanen cenderung mengatur diri dengan kepolaran yang berlawanan dalam fasa padat untuk menghasilkan interaksi tarikan yang maksimum. 1.2 Gaya Ion-Dipol Interkasi elektrostatik juga menjelaskan gaya ion-dipol (ion-dipole forces) yang terjadi antara suatu ion (bisa kation atau anion) dengan suatu molekul polar (Gambar 1.2.1). 3 Kekuatan interaksi ini bergantung pada muatan dan ukuran ion dan pada besarnya momen dipol dan ukuran molekul. Muatan kation umumnya lebih terpusat, karena kation biasanya lebih kecil daripada anion. Jadi untuk muatan yang sama, kation berinteraksi lebih kuat daripada anion. Gambar 1.2.1 Dua jenis interaksi ion-dipol Hidrasi, yang telah dibahas sebelumnya, adalah salah satu contoh interaksi ion-dipol. Dalam larutan NaCl dalam air, ion-ion Na+ dan Cl- dikelilingi oleh molekul air, yang memiliki momen dipol yang besar (1,87 D). Bila senyawa ionik seperti NaCl dilarutkan, molekul-molekul air bertindak sebagai isolator listrik yang mempertahankan ion-ion saling berjauhan. Di sisi lain, karbon tetraklorida (CCl4) adalah molekul nonpolar, dan karena itu tidak memiliki kemampuan untuk terlibat dalam interaksi ion-dipol. Yang kita temukan dalam prakteknya adalah bahwa karbon tetraklorida merupakan pelarut yang buruk untuk senyawa ionik, seperti kebanyakan cairan nonpolar lainnya. Salah satu contoh interaksi ion-dipol lainnya yaitu hidrasi antara ion Na+ dan Mg2+ dikelilingi oleh molekul air, yang memiliki momen dipol yang besar (1,87 D). Karena ion Mg2+ memiliki muatan yang lebih besar dan jari-jari ion yang lebih kecil (78pm) dibanding ion Na+- (98 pm), maka ion Mg2+ memiliki interaksi yang lebih kuat dibanding Na+ dengan molekul air (Gambar 1.2.2). Gambar 1.2.2 Interaksi ion-dipol antara ion Na+ dan Mg2+ dengan molekul air 4 1.3 Gaya Dispersi Sejauh ini hanya spesi-spesi ion dan molekul polar yang telah dibahas. Interaksi tarikmenarik seperti apa yang ada antara molekul nonpolar? Untuk belajar menjawab pertanyaan ini, perhatikan susunan yang ditunjukkan oleh Gambar 1.3.1. Jika kita menempatkan ion atau molekul polar di dekat suatu atom (atau molekul nonpolar), maka distribusi elektron pada atom (atau molekul) itu akan terganggu dengan gaya yang dilakukan oleh ion atau molekul polar tersebut. Dipol yang dihasilkan dalam atom (atau molekul) itu disebut dipol terinduksi (induced dipole) sebab pemisahan muatan positif dan negatif dalam atom (atau molekul nonpolar) itu disebabkan oleh kedekatannya dengan suatu ion atau molekul polar. Interaksi tarik-menarik antara ion dan dipol terinduksi disebut interaksi ion-dipol terinduksi, dan interaksi tarik antara dipol dan dipol terinduksi disebut interaksi dipol-dipol terinduksi. Gambar 1.3.1 (a) Distribusi muatan bola pada atom helium, (b) Gangguan yang disebabkan oleh mendekatnya kation, (c) Gangguan yang disebabkan oleh mendekatnya suatu dipol Kemungkinan momen dipol akan terinduksi bergantung bukan hanya pada muatan ion atau kekuatan dipol tetapi juga bergantung pada kepolaran atom atau molekul. Keterpolaran (polarizability) adalah kemudahan terganggunya distribusi elektron dalam suatu atom (atau molekul). Umumnya, semakin banyak jumlah elektron dan semakin menyebar awan elektron dalam suatu atom atau molekul, akan semakin besar keterpolarannya. Yang dimaksud dengan awam yang menyebar adalah awan elektron 5 yang tersebar dalam volume yang cukup besar, sehingga elektron-elektron tersebut tidak terikat kuat oleh inti. Keterpolaran kemungkinan gas-gas yang mengandung atom atau molekul nonpolar (misalnya He dan N2) untuk mengembun. Dalam atom helium elektron-elektron bergerak pada jarak tertentu dari inti. Pada saat tertentu mungkin saja atom ini memiliki momen dipol yangdihasilkan oleh letak tertentu elekton-elektron tersebut. Momen dipol ini disebut dipol sesaat karena dipol ini hanya berlangsung sepersekian detik yang sangat singkat. Pada saat berikutnya elektron-elektron berada pada tempat yang bebeda dan atom ini memiliki dipol sesaat yang baru, dan seterusnya. Tetapi, jika dirata-ratakan terhadap waktu (yaitu, waktu yang diperlukan untuk melakukan pengukuran momen dipol), atom tersebut tidak memiliki momen dipol karena dipoldipol sesaat saling menghilangkan satu sama lain. Dalam kumpulan atom-atom He, dipol sesaat suatu atom He dapat menginduksi dipol pada setiap atom tetangga terdekatnya (Gambar 1.3.2). Pada saat berikutnya, dipol sesaat yang berbeda dapat menciptakan dipol-dipol sementara pada atom-atom He di sekitarnya. Hal penting di sini adalah bahwa interaksi semacam ini menghasilkan tarik-menarik antara atom-atom He. Pada suhu yang sangat rendah (dan laju gerak atom turun), tarik-menarik ini cukup untuk mengikat atom-atom itu, menyebabkan gas helium untuk mengembun. Tarikmenarik antara molekul-molekul nonpolar dapat dijelaskan dengan cara serupa. Gambar 1.3.2 Dipol terinduksi yang berinteraksi satu sama lain. Pola tersebut hanya ada sesaat; susunan baru terbentuk pada saat berikutnya. Jenis interaksi ini menyebabkan pengembunan gas-gas nonpolar 6 Seorang fisikawan Jerman, London, menunjukkan bahwa besarnya tarik-menarik ini berbanding lurus dengan keterpolaran atom atau molekul. Gaya tarik-menarik yang timbul sebagai hasil dipol-dipol yang terinduksi sementara dalam atom atau molekul, yang disebut gaya dispersi (dispersion forces), kemungkinan cukup lemah. Hal tersebut benar untuk helium, yang memiliki titik didih hanya 4,2 K atau -269 °C. Jadi, atom helium memiliki keterpolaran yang kecil. Gaya dispersi biasanya meningkat dengan meningkatnya ukuran molekul karena molekul-molekul dengan ukuran yang lebih besar cenderung semakin mudah untuk terjadi pemisahan muatan positif dan negatif, dan semakin mudah untuk menjadi dipol terinduksi. Tabel 1.3.1 membandingkan titik leleh beberapa zat yang terdiri atas molekul-molekul nonpolar. Titik leleh meningkat dengan bertambahnya ukuran molekul. Karena semuanya adalah molekul nonpolar, satu-satunya gaya tarik-menarik antarmolekul yang ada adalah gaya dispersi. Tabel 1.3.1 Titik leleh senyawa-senyawa nonpolar yang serupa Dalam banyak kasus, gaya dispersi sebanding atau bahkan lebih besar daripada gaya dipol-dipol antara molekul-molekul polar. Sebagai contoh, perbandingan titik didih CH3 F (-78,4 °C) dan CCl4 (76,5 °C). Walaupun CH3F memiliki momen dipol sebesar 1,8 D, zat ini mendidih pada suhu yang lebih rendah daripada CCl4, suatu molekul nonpolar yang mengandung lebih banyak elektron. Sebagai hasilnya, gaya dispersi antara molekul CCl4 lebih kuat daripada daripada gaya dispersi dan gaya dipol-dipol antara molekul CH3F. 7 Latihan 1. Jenis gaya antarmolekul apa yang ada di antara pasangan-pasangan ini? (a) HBr dan H2S, (b) Cl2 dan CBr4, (c) I2 dan NO3-, dan (d) NH3 dan C6H6, (e) LiF, (f) CH4, dan (g) SO2. 1.4 Ikatan Hidrogen Bukti awal adanya ikatan hidrogen berasal dari kajian mengenai titik didih senyawa. Biasanya, titik didih sederet senyawa yang mengandung unsur-unsur dalam golongan yang sama meningkat dengan meningkatnya massa molar. Tetapi, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1.4.2, senyawa hidrogen unsur-unsur golongan 5A, 6A, dan 7A tidak mengikuti kecenderungan ini. Dalam setiap deret ini, senyawa yang paling ringan (NH3, H2O, dan HF) memiliki titik didih tertinggi. Alasannya adalah adanya ikatan hidrogen yang meluas antara molekul-molekul dalam senyawa ini. Gambar 1.4.2 Titik didih senyawa hidrogen untuk unsur-unsur golongan 5A, 6A, dan 7A Ikatan hidrogen (hydrogen bond) adalah jenis khusus interaksi dipol-dipol antara atom hidrogen dalam ikatan polar, seperti N―H, O―H, atau F―H, dengan atom elektronegatif O, N, atau F (Gambar 1.4.1). 8 Gambar 1.4.1 Ikatan hidrogen antar molekul-molekul air, amonia, dan hidrogen flourida. Garis tidak putus-putus mewakili ikatan kovalen, dan garis putus-putus mewakili ikatan hidrogen. Energi rata-rata satu ikatan hidrogen cukup besar untuk satu interaksi dipol-dipol hingga 40 kJ/mol. Kekuatan ikatan hidrogen ditentukan oleh interaksi coulomb antara pasangan elektron bebas pada atom elektronegatif dan inti hidrogen. Agak aneh mengetahui titik didih HF yang lebih rendah dari air. Flourin lebih elektronegatif dibandingkan oksigen, sehingga diharapkan ikatan hidrogen yang lebih kuat terdapat dalam cairan HF daripada dalam H2O. Tetapi H2O termasuk unik karena molekulmolekulnya terlibat dalam empat ikatan hidrogen antarmolekul dan karena itu molekul H2O saling terikat lebih kuat. Latihan 2. 1. Manakah di antara yang berikut yang dpaat membentuk ikatan hidrogen dengan air? (a) CH3OCH3, (b) CH4, (c) F-, (d) HCOOH, (e) Na+. 2. Manakah di antara spesi-spesi berikut yangdapat berikatan hidrogen antar sesamanya? (a) H2S, (b) C6H6, (c) CH3OH. 9 Kebanyakan reaksi kimia berlangsung bukan antara padatan murni, cairan murni, atau gas murni, melainkan antara ion-ion dan molekul-molekul yang terlarut dalam air atau pelarut yang lain. Penerapan yang luas dalam kemampuan cairan untuk dalam melarutkan zat terlarut. Sebagai contoh, air dan gasolin tidak dapat melarutkan satu sama lain, tetapi air dan etanol dapat larut dalam berbagai perbandingan. Hal yang sama, yaitu garam seperti kalium bromida dapat larut dalam air tetapi tidak dapat larut dalam hidrokarbon cair. Untuk dapat memahami alasan perbedaan kedua contoh di atas, kita dapat memepelajari faktor pendorong atau penghambat dalam pembentukkan larutan. 2. Jenis Larutan Larutan ialah campuran homogen dari dua zat atau lebih. Karena definisi ini tidak menyatakan batasan mengenai jenis zat yang terlibat, kita dapat membedakan enam jenis larutan, bergantung pada wujud asal (padatan, cairan, dan gas) komponen larutan (Tablel 2.1). Kimiawan juga membedakan larutan berdasarkan kemampuannya melarutkan zat terlarut. Larutan yang mengandung jumlah maksimum zat terlarut di dalam pelarut, pada suhu tertentu, dinamakan larutan jenuh (saturated solution). Sebelum titik jenuh tercapai, larutannya disebut larutan tak jenuh (unsaturated solution); larutan ini mengandung zat terlarut lebih sedikit dibandingkan dengan kemampuannya untuk melarutkan. Jenis ketiga, larutan lewat jenuh (supersaturated solution), mengandung lebih banyak zat terlarut dibandingkan yang terdapat di dalam larutan jenuh, walaupun keadaan ini sulit untuk dicapai. Larutan lewat jenuh bukanlah larutan yang sangat stabil. Pada saatnya, sebagian zat terlarut akan terpisah dari larutan lewat jenuh sebagai kristal. Proses terpisahnya zat terlarut dari larutan dan membentuk kristal dinamakan pengkristalan (crystallization). Pengendapan dan pengkristalan kedua-duanya menjelaskan terpisahnya zat 10 padat berlebih dari larutan lewat jenuh. Namun, padatan yang terbentuk berbeda penampilannya. Endapan berbentuk partikel kecil dan kristal berukuran besar dan bentuknya bagus. Tabel 2.1 Jenis-jenis larutan 3. Proses Pelarutan dari Sudut Pandang Molekul Dalam cairan dan padatan, molekul-molekul saling terikat akibat adanya tarik-menarik antarmolekul. Gaya ini yang memainkan peranan penting dalam pembentukkan larutan. Bila suatu zat (zat terlarut) larut dalam zat lainnya (pelarut), partikel zat terlarut akan menyebar ke seluruh pelarut. Partikel zat terlarut ini menempati posisi yang biasanya ditempati molekul pelarut. Kemudian zat terlarut menggantikan molekul pelarut bergantung pada kekuatan relatif dari tiga jenis interaksi: a. Interaski pelarut-pelarut b. Interaski zat terlarut-zat terlarut c. Interaski pelarut- zat terlarut Gambar 3.1 Proses pelarutan dari sudut pandang molekul digambarkan berlangsung dalam tiga tahap 11 Untuk sederhananya, kita dapat membayangkan proses pelarutan ini berlangsung dalam tiga tahap berbeda (Gambar 3.1). Tahap 1 ialah pemisahan molekul pelarut, dan tahap 2 adalah pemisahan molekul zat terlarut. Kedua tahap ini memerlukan input energi untuk memutuskan tarik-menarik antarmolekul; dengan demikian tahap ini adalah tahap endoterm. Pada tahap 3 molekul pelarut dan molekut zat terlarut becampur. Tahap ini dapat bersifat eksoterm atau endoterm. Kalor pelarutan ∆Hlarutan mengikuti rumus: ∆Hlarutan = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3 Jika tarik-menarik zat terlarut-pelarut lebih kuat dibandingkan tarik-menarik pelarutpelarut dan tarik-menarik zat terlarut- zat terlarut, maka proses pelarutanlah yang akan berlangsung; dengan kata lain, proses eksoterm (∆Hlarutan < 0). Jika tarik-menarik zat terlarut-pelarut lebih lemah dibandingkan tarik-menarik pelarut-pelarut dan tarikmenarik zat terlarut-zat terlarut, maka prosesnya endoterm (∆Hlarutan > 0). Mengapa zat terlarut larut seluruhnya dalam pelarut padahal tarik-menarik antara sesama molekulnya lebih kuat dibandingkan tarik-menarik antara molekul-molekul zat telarut dengan molekul pelarut? Proses pelarutan, seperti halnya semua proses fisis dan kimia, dipengaruhi oleh dua faktor. Faktor pertama adalah energi, yang menentukan apakah proses pelarutan bersifat eksoterm atau endoterm. Faktor kedua ialah kecenderungan hakiki menuju ketidakteraturan dalam semua kejadian di alam. Ketika molekul zat terlarut dan molekul pelarut bercampur membentuk larutan, ketidakteraturan akan meningkat. Dalam keadaan murni, pelarut dan zat terlarut memiliki derajat keteraturan yang cukup tinggi, tampak dari cukup teraturnya susunan atom, molekul atau ion dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan yang tinggi ini akan hancur bila zat terlarut larut dalam pelarut (Gambar 3.1). Jadi, proses pelarutan diiringi oleh peningkatan ketidakteraturan atau keacakan. Meningkatnya ketidakteraturan sistem inilah yang menyebabkan zat apapun larut, sekalipun proses pelarutannya bersifat endoterm. 12 Kelarutan merupakan ukuran banyaknya zat terlarut yang akan melarut dalam pelarut pada suhu tertentu. Ungkapan “yang sejenis melarutkan yang sejenis/like dissolved like” membantu kita memprediksikan kelarutan zat dalam pelarut. Ungkapan ini menyatakan bahwa dua zat dengan jenis dan besar gaya antarmolekul yang sama akan cenderung saling melarutkan. Sebagai contoh, baik CCl 4 maupun C6H6 adalah cairan nonpolar. Gaya-gaya antarmolekul yang ada dalam kedua zat ini hanyalah gaya dispersi. Bila kedua cairan dicampurkan, keduanya segera saling melarutkan, sebab tarik-menarik antara molekul CCl4 dan C6H6 setara besarnya dengan tarik-menarik antara sesama molekul CCl4 dan antara sesama molekul C6H6. Bila dua cairan saling melarutkan dengan sempurna dalam segala perbandingan, keduanya disebut mampu bercampur (miscible). Alkohol seperti metanol, etanol, dan etilena glikol mampu bercampur dengan air karena kemampuannya membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air. Bila natrium klorida dilarutkan dalam air, ion-ionnya distabilkan dalam larutan melalui hidrasi, yang melibatkan interaksi ion-dipol. Secara umum, kita meramalkan bahwa senyawa ionik akan jauh lebih larut dalam pelarut polar, seperti amonia, dan cairan hidrogen flourida, dibandingkan dalam pelarut nonpolar, seperti benzena dan karbon tetraklorida. Karena molekul pelarut nonpolar tidak memiliki momen dipol, molekul seperti ini tidak dapat secara efektif mensolvasi ion Na + dan Cl-. Solvasi (solvation) ialah proses di mana ion atau molekul dikelilingi oleh molekul pelarut yang memiliki susunan tertentu. Bila pelarutnya air, prosesnya dinamakan hidrasi. Interaksi antarmolekul yang menonjol antara ion-ion dan senyawa nonpolar ialah interaksi ion dipol terinduksi, yang jauh lebih lemah dibandingkan interaksi ion-dipol. Akibatnya, senyawa ionik biasanya memiliki kelarutan yang sangat rendah dalam pelarutan nonpolar. 13 Latihan 3. 1. Apakah iodin (I2) lebih larut dalam air atau dalam karbon disulfida (CS2)? 2. Prediksikan kelarutan relatif molekul urea dalam dalam karbon disulfida (CS2). 4. Satuan Konsentrasi Studi kuantitatif larutan mengharuskan kita untuk mengetahui konsentrasi larutan, yaitu banyaknya zat terlarut yang ada dalam sejumlah larutan tertentu. Kimiawan menggunakan beberapa satuan konsentrasi, yaitu: persen berdasarkan massa, fraksi mol, kemolaran, dan kemolalan. 4.1 Persen berdasar Massa Persen berdasar massa (percent by mass) dengan simbol besaran %m, dan didefinisikan sebagai: 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑒𝑛 𝑏𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑎𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑧𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 (%𝑚) = = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑧𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 × 100% 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑧𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 + 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑧𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 × 100% Persen berdasar massa tidak mempunyai dimensi sebab merupakan perbandingan dari dua besaran yang sama. 4.2 Fraksi Mol Fraksi mol didefiniskian sebagai ukuran konsentrasi larutan yang menyatakan perbandingan jumlah mol sebagian zat terhadap jumlah mol total komponen larutan. Fraksi mol zat terlarut (Xt) dan fraksi mol pelarut (Xp) dirumuskan sebagai berikut: 𝑋𝑡 = 𝑛𝑡 𝑛𝑡 +𝑛𝑝 dan 𝑋𝑝 = 𝑛𝑝 𝑛𝑡 +𝑛𝑝 14 nt = jumlah mol zat terlarut np = jumlah mol pelarut 4.3 Kemolaran (CM) Satuan kemolaran telah dipelajari sebelumnya, didefinisikan sebagai banyaknya mol zat terlarut dalam 1 L larutan, artinya: 𝐾𝑒𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝑎𝑛 = 𝑚𝑜𝑙 𝑧𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 Jadi, kemolaran mempunyai satuan mol per liter (mol/L) atau molar (M). 4.4 Kemolalan (Cm) Kemolalan (molality) ialah banyaknya mol zat terlarut dalam 1 kg (1000 g) pelarut, artinya: 𝐾𝑒𝑚𝑜𝑙𝑎𝑙𝑎𝑛 = 𝑚𝑜𝑙 𝑧𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡 (𝑘𝑔) Misalnya, untuk menyiapkan 1 molal atau 1 m larutan natrium sulfat (Na2SO4), perlu melarutkan 1 mol (142,0 g) zat tersebut dalam 1000 g (1 kg) air. Bergantung pada jenis interaksi zat terlarut-pelarut, volume akhir larutan bisa lebih atau kurang dari 1000 mL. 4.5 Perbandingan Satuan-satuan Konsentrasi Pemilihan satuan konsentrasi dilakukan berdasarkan tujuan pengukuran. Keuntungan penggunaan kemolaran ialah karena biasanya lebih mudah untuk mengukur volume larutan dengan menggunakan labu ukur yang telah dikalibrasi secara cermat, dibandingkan dengan menimbang larutan. Dengan alasan ini, kemolaran seringkali 15 lebih disukai dibandingkan kemolalan. Sebaliknya, kemolalan tidak bergantung pada suhu, sebab konsentrasi dinyatakan dalam jumlah mol zat terlarut dan massa pelarut, sedangkan volume larutan umumnya meningkat dengan meningkatnya suhu. Latihan 4. 1. Hitunglah kemolaran dari 1,74 m larutan sukrosa yang kerapatannya adalah 1,12 g/mL. 2. Hitunglah kemolalan larutan 5,86 M etanol yang kerapatannya adalah 0,927 g/mL. 3. Berapa kemolalan larutan yang mengandung 7,78 g urea dalam 203 g air? 5. Pengaruh Suhu terhadap Kelarutan Kelarutan didefinisikan sebagai jumlah maksimum zat terlarut yang akan melarut dalam sejumlah tertentu pelarut pada suhu tertentu. 5.1 Kelarutan Padatan dan Suhu Gambar 5.1.1 menunjukkan pengaruh suhu terhadap kelarutan beberapa senyawa ionik dalam air. Secara umum, kelarutan zat padatan meningkat dengan meningkatnya suhu. Secara umum, pengaruh suhu terhadap kelarutan lebih baik ditentukan melalui percobaan. Gambar 5.1.1 Kelarutan beberapa senyawa ionik dalam air terhadap suhu 16 5.2 Kelarutan Gas dan Suhu Kelarutan gas dalam air biasanya menurun dengan meningkatnya dengan suhu (Gambar 5.2.1). Bila air dipanaskan dalam beaker, dapat terlihat gelembung udara yang terbentuk di sisi kaca sebelum air mendidih dengan meningkatnya suhu, molekul udara yang terlarut mulai “mendidih” dan keluar dari larutan jauh sebelum air itu sendiri mendidih. Menurunnya kelarutan molekul oksigen dalam air panas menyebabkan polusi termal, yaitu memanasnya lingkungan ke suhu yang membahayakan bagi makhluk hidup di dalamnya. Gambar 5.2.1 Kelarutan gas O2 dalam air yang bergantung pada suhu Pengetahuan tentang variasi kelarutan gas terhadap suhu dapat meningkatkan hasil tangkapan ikan ketika memancing. Pada hari yang panas, seorang pemancing berpengalaman biasanya melempar umpan di bagian dalam dari sungai atau danau. Karena kandungan oksigen lebih banyak di bagian yang lebih dalam dan lebih dingin. 6. Pengaruh Tekanan terhadap Kelarutan Gas Hubungan kuantitatif antara kelarutan gas dan tekanan ditunjukkan oleh hukum Henry (Henry’s Law), yang menyatakan bahwa kelarutan gas dalam cairan berbanding lurus dengan tekanan gas di atas larutannya: CM = kP CM = kemolaran (mol/L) gas yang terlarut 17 P = tekanan gas di atas larutan (atm) k = konstanta (mol/L.atm) Hukum Henry dapat dipahami secara kualitatif ditinjau dari segi teori kinetik molekul. Banyaknya gas yang akan terlarut dalam pelarut bergantung pada seberapa sering molekul-molekul dalam fasa gas bertumbukkan dengan permukaan cairan dan terjebak oleh fasa cairan. Andaikan kita mempunyai gas dalam kesetimbangan dinamis dengan larutan (Gambar 6.1a). Pada setiap saat, jumlah molekul gas yang memasuki larutan sama dengan jumlah molekuk terlarut yang bergerak memasuki fasa gas. Bila tekanan parsial dinaikkan, semakin banyak molekul yang larut dalam cairan karena semakin banyak molekul yang menabrak permukaan cairan. Proses ini terus berlanjut sampai konsentrasi larutan kembali sedemikian rupa sehingga jumlah molekul yang meninggalkan larutan per detik sama dengan jumlah molekul yang memasuki larutan (Gambar 6.1b). Karena meningkatnya konsentrasi molekul dalam fasa gas dan juga dalam fasa larutan, jumlah molekul akan lebih banyak dalam (b) dibandingkan dalam (a), di mana tekanan parsialnnya lebih rendah. Gambar 6.1 Interpretasi molekular berdasarkan hukum Henry. Bila tekanan parsial gas di atas larutan meningkat dari (a) ke (b), konsentrasi gas terlarut juga meningkat 18 Contoh praktis dari hukum Henry ialah pembuihan minuman berkarbonasi bila tutup botol dibuka. Sebelum botol ditutup, botol diberi tekanan berupa campuran udara dan CO2 yang dijenuhkan dengan uap air. Karena tingginya tekanan parsial CO2 di dalam campuran gas penekan, jumlah CO2 yang terlarut dalam minuman berkarbonasi beberapa kali lebih tinggi dibandingkan yang terlarut pada kondisi atmosfer normal. Bila tutup dibuka, gas yang tertekan akan terlepas, pada akhirnya tekanan dalam botol menurun mencapai tekanan atmosfer, dan banyaknya CO2 yang tersisa dalam minuman ditentukan hanya oleh tekanan parsial atmosfer normal dari CO2, yaitu 0,0003 atm. Kelebihan CO2 yang terlarut akan keluar dari larutan, menyebabkan pembuihan. Latihan 5. Hitunglah kemolaran oksigen dalam air pada 25 °C untuk tekanan parsial 0,22 atm. Konstanta hukum Henry untuk oksigen ialah 1,3 x 10-3 mol/L.atm. TUGAS Selamat mengerjakan. 1. Susunlah senyawa-senyawa berikut berdasarkan meningkatnya kelarutan dalam air: O2, LiCl, Br2, dan CH3OH. 2. Hitunglah kemolaran dan kemolalan NH3 dalam larutan yang mengandung 30 g NH3 dalam 70 g air. Kerapatan larutannya adalah 0,982 g/mL. 3. Kerapatan larutan yang mengandung 10 persen etanol berdasar massa ialah 0,984 g/mL. (a) Hitunglah kemolalan larutan, (b) Hitunglah kemolaran, (c) Berapa volume larutan yang mengandung 0,125 mol etanol? 19 4. Seorang pria membeli seekor ikan mas di toko hewan. Setelah kembali ke rumah, ia meletakkan ikan tersebut dalam mangkok yang berisi air yang telah didinginkan dan didinginkan dengan cepat. Beberapa menit kemudian ikan tersebut mati. Jelaskan apa yang terjadi dengan ikan tersebut. 5. Seorang penambang yang bekerja 260 meter di bawah permukaan laut membuka minuman berkarbonasi sewaktu istirahat siangnya. Ia heran karena minumannya terasa agak “hambar”. Segera setelah itu, ia naik ke permukaan, selama perjalanannya ke atas, ia tidak berhenti bersendawa. Mengapa? 6. Kelarutan CO2 dalam air pada 25 °C dan 1 atm ialah 0,034 mol/L. Berapa kelarutannya pada kondisi atmosfer? (tekanan parsial CO2 di udara ialah 0,0003 atm). Asumsikan bahwa CO2 mematuhi hukum Henry. 7. Kelarutan KNO3 ialah 155 g per 100 g air pada 75 °C dan 38 g pada 25 °C. Berapa massa (dalam gram) KNO3 yang akan mengkristal dari larutan jika tepat 100 g larutan jenuhnya pada 75 °C didinginkan menjadi 25 °C? 20
