Modul Praktikum Kesetimbangan Uap Cair

LAPORAN PRAKTIKUM

ILMU DASAR TEKNIK KIMIA III

LABORATORIUM KIMIA FISIKA

Kesetimbangan Uap Cair

BAB I

PENDAHULUAN

 

1.1    Latar Belakang

Dalam kimia, suatu pencampuran adalah sebuah zat yang dibuat dengan menggabungkan dua zat atau lebih yang berbeda tanpa reaksi kimia yang terjadi (obyek tidak menempel satu sama lain). Sementara tak ada perubahan fisik dalam suatu pencampuran, properti kimia suatu pencampuran, seperti titik lelehnya, dapat menyimpang dari komponennya. Pencampuran dapat dipisahkan menjadi komponen aslinya secara mekanis. Pencampuran dapat bersifat homogen atau heterogen (Tarigan, 2011).

Pada dua fasa atau campuran yaitu campuran uap-cair pada kesetimbangan, jika semua komponen atau komposisi dapat berupa uapan dan kondensat, komponen pada satu fasa adalah setimbang dengan komposisi yang sama dengan fasa lainnya. Hubungan kesetimbangan bergantung pada suhu dan tekanan, dan terkadang komposisi dari campuran. Asam asetat mempunyai titik didih yang lebih tinggi dibandingkan dengan air sehingga dalam proses penguapan atau destilasi akan lebih dulu berbentuk uap. Dalam hal ini terdapat fasa dimana cairan  berubah pertama kali menjadi uap (bubble point) dan ketika uap pertama kali berubah menjadi menjadi cairan (dew point) (Himmelblau dan Riggs, 1989).

Destilasi sederhana atau destilasi biasa adalah teknik pemisahan kimia untuk memisahkan dua atau lebih komponen yang memiliki perbedaan titik didih yang jauh. Suatu campuran dapat dipisahkan dengan destilasi biasa ini untuk memperoleh senyawa murni. Senyawa yang terdapat dalam campuran akan menguap saat mencapai titik didih masing-masing (Walangare dkk, 2013).

Salah satu aplikasi yang memfaatkan teori kesetimbangan uap cair yaitu penyulingan minyak biji pala, dimana metode yang dapat digunakan untuk memperoleh minyak pala umumnya adalah dengan metode distilasi uap, distilasi air, distilasi uap-air dan ekstraksi dengan menggunakan pelarut. (Hidayati, 2015).

Oleh karena itu, maka pemahaman tentang kesetimbangan uap cair sangat diperlukan karena banyak proses industri kimia yang memerlukan konsep kesetimbangan uap cair dalam pengembangannya. Sehingga penting bagi seorang sarjana teknik kimia untuk mempelajari kesetimbangan uap cair karena penerapannya cukup banyak pada proses industri kimia.

 

1.2    Perumusan Masalah

Perumusan masalah dalam percobaan kesetimbangan uap cair ini adalah bagaimana cara untuk mencari hubungan antara komposisi uap dengan komposisi cairan dengan suhu dan tekanan pada kondisi kesetimbangan uap-cair.

 

1.3    Tujuan Percobaan

Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mencari hubungan antara komposisi uap dengan komposisi cairan dengan suhu dan tekanan pada kondisi kesetimbangan uap-cair.

 

1.4    Manfaat Percobaan

1.        Manfaat dari percobaan ini adalah praktikan dapat mengetahui hubungan antara komposisi uap dengan komposisi cairan dengan suhu dan tekanan pada kondisi kesetimbangan uap-cair.

2.        Mengetahui perbedaan produk yang dihasilkan pada proses percobaan kesetimbangan uap cair baik dalam skala laboratorium atau skala industri.

 

1.5    Ruang Lingkup Percobaan

Praktikum Kimia Fisika dengan modul percobaan Kesetimbangan Uap – Cair ini dilakukan di Laboratorium Kimia Fisika, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara dan dalam kondisi ruangan:

                                      Tekanan Udara :  760 mmHg

                                      Suhu Ruangan  :  30 ^oC

      Praktikum ini dilakukan dengan menggunakan bahan–bahan antara lain kalium hidroksida 1 N sebanyak 500 ml, asam asetat (CH₃COOH) sebanyak 130 ml dan aquadest (H₂O) sebanyak 130 ml dengan dan perbedaan suhu 1,5 ^°C. Sedangkan untuk peralatan digunakan alat-alat seperti labu distilasi, termometer, pendingin Leibig, gelas ukur, bunsen, erlenmeyer, buret, piknometer, corong gelas, statif dan klem.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

 

2.1  Kesetimbangan Uap Cair

Istilah "Vapor-Liquid Equilibrium (VLE)" mengacu pada sistem di mana fasa cair tunggal dikesetimbangan dengan uapnya, diagram skematik keseimbangan uap-cair. Dalam studi fase kesetimbangan, dimana fase yang mengandung gradien tidak dianggap karena di dalam gradien ada terjadi kecenderungan perubahan dengan waktu maka tidak ada keseimbangan yang terjadi. Di sisi lain, bisa ada dua atau lebih tahap, masing-masing larutan yang homogen di seluruh, tanpa ada perubahan properti dengan waktu, meskipun berada dalam fase kontak fisik satu sama lain. Yang terakhir adalah kondisi yang kita dilambangkan dengan istilah "fase kesetimbangan". Dalam kondisi fase kesetimbangan ada beberapa sifat yang sangat berbeda antara fase yang identik untuk semua fase, untuk mencegah perubahan sifat dalam fase individu. Kesetimbangan termodinamika menentukan bagaimana komponen dalam campuran didistribusikan antara fase.

Sistem ini dalam keadaan setimbang, jika hanya proses reversibel yang dapat terjadi di dalamnya. Formulasi ini memungkinkan matematis untuk mengekspresikan kondisi kesetimbangan. Dalam mempertimbangkan sistem tertutup dimana tekanan konstan bertindak sebagai satu-satunya kekuatan eksternal. Didalam proses reversibel terjadi kesetimbangan yang sangat kecil pada suhu dan tekanan konstan, entalpi bebas dari sistem ini tidak berubah (Maya, dkk. 2012).

2.2  Dew Point dan Bubble Point

Komponen tunggal refrigeran akan menguap atau mengembun pada temperatur tunggal yang disebut titik didih. Selama penguapan, cairan mencapai titik di mana gelembung mulai terbentuk dan cairan mendidih menjadi uap di titik didih.

Ketika tetes terakhir cairan menghilang, input panas tambahan menyebabkan uap menjadi superheat (mencapai suhu di atas titik didih). Selama kondensasi, uap membentuk tetes cairan dan terus mengalami kondensasi pada titik didih. Ketika uap terakhir menghilang, setiap penghapusan tambahan panas menyebabkan cairan menjadi subcool (Suhu lebih rendah dari titik didih) (Lavelle, 2006).

Temperatur dew point terjadi ketika tetesan pertama cairan muncul sebagai campuran uap yang didinginkan (pada tekanan konstan). Temperatur bubble point terjadi ketika gelembung pertama uap muncul sebagai campuran cairan yang dipanaskan (tekanan konstan).

Jika suhu aliran ini diantara dew point dan bubble point, perhitungan cepat isotermal harus dilakukan untuk menentukan kualitas streaming, entalpi dan nilai-nilai entropi (Yousif dan Hisham, 2013).

2.3    Hukum-Hukum Fasa

       Hukum-hukum untuk fasa adalah sebagai berikut:

2.3.1   Hukum Fasa Gibbs

J.W. Gibbs (1839-1903) menurunkan suatu persamaan yang mampu menghitung jumlah fasa yang ada dalam kesetimbangan pada suatu sistem yang ditentukan atau dipilih. 

P + F = C + 2                             (Irawan, 2012)

Dengan:  

   P  : jumlah fasa yang ada pada sistem terpilih

F  : derajat kebebasan (jumlah variable (tekanan, suhu, komposisi) yang   dapat

      diubah bebas tanpa mengubah jumlah fasa dalam  kesetimbangan.

C : jumlah komponen dalam sistem (suatu elemen, campuran atau larutan/ cairan).

(Irawan, 2012).

2.3.2   Hukum Raoult-Dalton

Proses pemisahan campuran cairan biner A dan B menggunakan distilasi dapat dijelaskan dengan hukum Dalton dan Raoult. Menurut hukum Dalton, tekanan gas total suatu campuran biner, atau tekanan uap suatu cairan (P), adalah jumlah tekanan parsial dari masing-masing komponen A dan B (P_A dan P_B)

P = P_A + P_B                           (Maya, dkk., 2012)

Hukum Raoult menyatakan  bahwa pada suhu dan tekanan tertentu, tekanan parsial uap komponen A (P_A) dalam campuran sama dengan hasil kali antara tekanan uap komponen murni A (P_A^murni) dan fraksi molnya X_A

P_A = P_A^murni . X_A                    (Maya, dkk., 2012)

Sedang tekanan uap totalnya adalah

                                                P_tot = P_A^murni . X_A + P_B^murni . X_B        (Maya, dkk., 2012)

Dari persamaan tersebut di atas diketahui bahwa tekanan uap total suatu campuran cairan biner tergantung pada tekanan uap komponen murni dan fraksi molnya dalam campuran.

Hukum Dalton dan Raoult merupakan pernyataan matematis yang dapat menggambarkan apa yang terjadi selama distilasi, yaitu menggambarkan perubahan komposisi dan tekanan pada cairan yang mendidih selama proses distilasi (Maya, dkk., 2012). 

2.3.3   Hukum Henry

Hukum Henry menyatakan bahwa korelasi keseimbangan untuk sistem ideal dan larutan yang cukup encer dapat dinyatakan dengan:

P_A = HC_A                                                           (Elisa, 2010)

Dengan :         

P_A =  tekanan parsial ‘A’ di fasa uap

C_A = konsentrasi ‘A’ di fasa cair

 H  = tetapan Henry

(Elisa, 2010)

2.4    Destilasi

Distilasi adalah salah satu proses pemisahan komponen-komponen kimia yang sudah sangat lama dikenal. Proses ini memanfaatkan perbedaan komposisi setimbang pad a fasa uap dan cair. Operasinya berupa penguapan dan pengembunan dan pada umumnya dijalankan berkali-kali (bertingkat). Karena melibatkan penguapan dan panas laten penguapan biasanya besar, maka proses ini memerlukan banyak energi (Sediawan, 2000).

Proses distilasi digunakan untuk memisahkan komponen dari suatu campuran berdasarkan perbedaan titik didih komponennya. Pada proses ini dihasilkan destilat yang dihasilkan mempunyai komposisi dan karakter yang berbeda dari campurannya. Klasifikasi distilasi berdasarkan jumlah komponen dalam campurannya yaitu :

a. Distilasi biner bila campuran yang akan didistilasi terdiri dari dua komponen.

b. Distilasi multi komponen bila campuran yang akan didistilasi terdiri lebih dari dua komponen.

Berdasarkan penggunaannya proses distilasi terbagi atas :

1.        Flash Distilation

Flash Distilation banyak digunakan untuk memisahkan komponen-komponen yang mempunyai titik didih yang besar, biasanya dengan cara kontinu akan terjadi penguapan suatu fraksi tertentu dari liquid dengan menggunakan separator, dengan adanya waktu kontak yang cukup dianggap bahwa uap dan liquid tersebut dalam keadaan setimbang. Uap yang keluar dari separator dikondesasikan dengan kondensor sedang liquid-nya keluar dari bagian bawah separator. Pada proses ini dianggap bahwa semua komponen yang ada pada fasa liquid dan fasa uap atau kedua fasa yang berkontak mempunyai temperatur dan tekanan yang sama.

2.        Differential Distilation

        Adalah distilasi yang dilakukan secara batch dimana campuran didistilasi berdasarkan cara yaitu dengan memanaskan campuran sampai titik didihnya. Pada saat titik didihnya tercapai campuran mulai menguap dan uap yang keluar dikondensasikan menjadi distilat dengan internal kondensor. Dalam distilasi ini titik didih liquid akan naik perlahan-lahan dengan makin berkurangnya komponen-komponen yang volatil sehingga posisi liquid  akan berubah secara kontinu, demikian juga sama halnya setiap saat terjadi kesetimbangan antara uap yang terbentuk dan liquid nya.

3.        Steam Distilation

Adalah distilasi campuran liquid dengan media pemanas steam (uap) yaitu steam yang dikontakkan secara langsung dengan sistem campuran liquid liquid yang akan didistilasi dalam suatu operasi batch atau kontinu.

4.        Vaccum Distilation

Suatu campuran yang mempunyai titik didih tinggiakan memerlukan pemanasan yang cukup besar untuk memisahkan pada tekanan atmosfer. Untuk mengurangi pemansan tersebut dilakukan pada tekanan rendah (vaccum) dimana titik didih campuran akan turun. 

(Kurniati, 2011).

Sebuah sistem destilasi umumnya mengandung beberapa komponen utama :

1.        Sebuah Shell vertikal dimana pemisahan komponen liquid terjadi, terdapat pada  bagian dalam kolom (internal column) seperti tray atau plate dan packing yang digunakan untuk meningkatkan derajat pemisahan komponen.

2.        Sebuah reboiler untuk menyediakan penguapan yang cukup pada proses destilasi.

3.        Kondenser untuk mendinginkan dan mengkondensasikan uap yang keluar dari atas kolom.

4.        Reflux drum untuk menampung uap yang terkondensasi dari top kolom sehingga liquid (reflux) dapat di recycle kembali ke kolom.

        Rumah shell vertikal bagian dalam kolom beserta kondenser dan reboiler membentuk sebuah kolom destilasi. Campuran liquid yang akan diproses dikenal sebagai feed dan diinput pada bagian tengah kolom pada sebuah tray yang dikenal sebagai feed tray. Feed tray dibagi menjadi kolom atas (enriching or rectification) dan kolom bottom (stripping). Feed mengalir ke bawah kolom dikumpulkan pada bagian bawah reboiler. Panas di suplai ke reboiler untuk menghasilkan uap. Sumber panas dapat berasal dari fluida, tetapi kebanyakan juga digunakan steam. Pada penguapan, sumber panas di dapat dari aliran keluar dari kolom lain. Uap terbentuk pada reboiler diinput kembali pada bagian bottom. Liquid dikeluarkan dari reboiler dikenal sebagai produk bottom (Komariah, dkk., 2009).

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

 

3.1    Bahan Percobaan

3.1.1   Asam Asetat (CH₃COOH)

Fungsi: sebagai sampel dalam percobaan atau campuran larutan biner.

Tabel 3.1 Sifat Fisika dan Kimia Asam Asetat.

No	Sifat Fisika	Sifat Kimia
1.	Titik didih = 116-118 oC	Korosif terhadap logam
2.	Suhu nyala = 485oC	Campuran uap/udara mudah meledak
3.	Densitas = 1,05 g/ml	Bersifat stabil
4.	Densitas uap = 2,07	Bereaksi hebat dengan alkalis kuat
5.	Kelarutan dalam air = 602,9 g/L	Bereaksi hebat dengan anhidrat

(Merck, 2016)

 

3.1.2  Aquadest (H₂O)

Fungsi: sebagai komponen pelarut campuran biner.

Tabel 3.2 Sifat Fisika dan Kimia Aquadest.

No	Sifat Fisika	Sifat Kimia
1.	Berat molekul = 18,02 g/ml	Bersifat stabil
2.	Titik didih = 100oC	Tidak terjadi reaksi polimerisasi
3.	Tekanan uap = 2,3 kPa	Tidak korosif pada kulit
4.	Densitas uap = 0,62	Tidak mengiritasi kulit
5.	pH = 7	Tidak korosif pada mata

(ScienceLab, 2013a)

 

3.1.3 Kalium Hidroksida (KOH)

Fungsi: sebagai larutan pentiter dalam percobaan.

Tabel 3.4 Sifat Fisika dan Kimia Kalium Hidroksida.

No.	Sifat Fisika	Sifat Kimia
1.	Berat molekul = 56,11 g/mol	Bersifat stabil
2.	Titik lebur = 380 oC	Sangat mudah larut dalam air
3.	Titik didih = 1.384 oC	Sangat reaktif terhadap asam
4.	pH = 13	Tidak mudah terbakar
5.	Berwujud padat	Sangat korosif pada aluminium

          (Sciencelab, 2013b)

 

3.1.4 Phenolphthalein (C₂₀H₁₄O₄)

Fungsi: sebagai indikator dalam titrasi.

Tabel 3.5 Sifat Fisika dan Kimia Phenolphthalein.

No	Sifat Fisika	Sifat Kimia
1.	Tekanan uap = 5,7kPa	Mudah larut dalam air
2.	Densitas uap = 1,59	Larut dalam aseton
3.	Titik lebur = -114,1oC	Bersifat stabil
4.	Suhu kritis = 243oC	Tidak korosif terhadap kaca
5.	Titik didih = 78,5oC	Reaktif dengan asam

(ScienceLab, 2013c)

 

3.2    Peralatan dan Fungsi

Adapun peralatan yang digunakan pada percobaan adalah:

1.       Labu distilasi

    Fungsi : wadah untuk distilasi

2.          Termometer

    Fungsi : mengukur suhu larutan ketika dipanaskan

3.    Pendingin Leibig

    Fungsi : mendinginkan distilat menjadi fase cair

4.    Gelas ukur

     Fungsi : mengukur volume larutan

5.    Bunsen

     Fungsi : sebagai sumber pemanasan

6.    Erlenmeyer

    Fungsi : wadah untuk membuat larutan

7.    Buret

    Fungsi : wadah untuk zat pentiter

8.    Piknometer

    Fungsi : mengukur densitas larutan

9.    Corong gelas

     Fungsi : memudahkan dalam penuangan larutan

10.  Klem dan statif

Fungsi : merangkai buret untuk proses pentitrasian

 

3.3         Prosedur Percobaan

Adapun prosedur percobaan adalah sebagai berikut:

1.        Asam asetat sebanyak 130 ml dicampurkan dengan aquadest 130 ml.

2.        Campuran tersebut dimasukkan ke dalam labu distilasi.

3.        Densitas larutan biner ditentukan dengan menggunakan piknometer.

4.        Larutan dari labu distilasi dipipet sebanyak 5 ml dan dipindahkan ke labu erlenmeyer.

5.        Phenolphtalein diteteskan dan kemudian dititer dengan KOH 1 N. Volume KOH yang digunakan dicatat.

6.        Kemudian campuran dalam labu distilasi dipanaskan perlahan-lahan, hingga tetes pertama distilat keluar, suhu dicatat.

7.        Distilat ditampung dalam erlenmeyer hingga mencapai kenaikan suhu 1,5^oC dari keadaan semula.

8.        Volume dan densitas distilat diukur.

9.        Distilat diambil sebanyak 5 ml ditambahkan phenolphtalein 3 tetes dan dititer dengan KOH 1 N.

10.    Selanjutnya distilat yang baru, ditampung dalam labu erlenmeyer yang lain dan lakukan hal yang sama dengan prosedur (5) dan (6), sehingga tercapai suhu konstan.