Sebelum kita membahas apa yang dimaksud dengan “penurunan tekanan uap” maka akan lebih mudah jika kita memahami terlebih dahulu tentang proses penguapan.
Sediakan beaker glass yang berisi air. Apa yang terjadi pada volume air jika beaker glass berisi air tersebut dibiarkan ditempat terbuka untuk beberapa jam? Saya yakin kamu pasti tahu jawabanya, tentu saja volume air akan berkurang disebabkan adanya proses penguapan.
Karena beaker glass tidak tertutup maka jika dibiarkan terus menerus air dalam beaker glass akan habis menguap semua. Hal ini berbeda jika kita melakukannya pada ruang tertutup. Sekarang sediakan air didalam wadah tertutup yang dihubungkan dengan pengukur tekanan seperti gambar dibawah ini:
Pada awal percobaan maka ketinggian dikedua kaki pipa akan sama sebab belum ada molekul air yang menguap. Bila kita biarkan beberapa jam maka terjadi perubahan ketinggian raksa pada pipa U (gambar tabung sebelah kanan).
Perubahan ketinggian kaki pada pipa U tersebut menandakan adanya tekanan yang disebabkan oleh molekul air yang telah menguap. Molekul air yang berada dipermukaan air akan mulai menguap terus menerus sampai diperoleh keadaan setimbang.
Pada keadaan setimbang ini maka jumlah molekul air yang menguap meninggalkan cairan akan sama dengan jumlah molekul air yang masuk kedalam cairan. Nah tekanan yang terjadi pada saat suatu liquid berada pada keadaan setimbang dengan uap molekul liquid yang berada diatasnya inilah yang disebut sebagai “Tekanan Uap Liquid”.
Istilah liquid yang saya pakai diatas adalah merujuk pada air, etanol, bensena, dan senyawa-senyawa lain yang berwujud cair dimana zat ini pada umumnya dipakai sebagai pelarut, maka istilah “tekanan uap liquid” untuk pembahasan selanjutnya disebut sebagai “tekanan uap pelarut”.
Besarnya tekanan uap pelarut tidak terpengaruh oleh jumlah pelarut itu sendiri melainkan dipengaruhi oleh suhu. Jadi pada temperature yang berbeda maka tekanan uap pelarut akan berbeda pula. OK, misalnya pada suhu kamar (25 C) diperoleh bahwa tekanan uap air adalah sebesar 20 mmHg.
Bagaimana jika kita melarutkan zat yang nonvolatile (zat yang tidak mudah menguap) contohnya glukosa ke dalam air dan mengukur tekanan uapnya lagi? Misalnya pada suhu yang sama kita mengukur tekanan uap larutan glukosa dan diperoleh tekanan sebesar 18.5 mmHg.
Adanya zat terlarut di dalam suatu pelarut akan menurunkan tekanan uap pelarutnya. Contoh diatas adalah pada suhu 25 C tekanan uap air murni adalah 20 mmHg dan larutan glukosa dala air pada suhu yang sama tekanan uapnya adalah 18.5 mmHg
Nilai tekanan uap yang lebih kecil untuk larutan ini menandakan bahwa molekul pelarut menguap diatas larutan jumlahnya lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah molekul yang menguap diatas pelarut murni. Lihat gambar dibawah ini agar lebih mudah memahami.
Perhatikan gambar diatas. Sebelah kiri adalah air, sedangkan disebelah kanan adalah larutan glukosa. Lingkaran putih menunjukkan molekul air yang menguap. Jumlah molekul diatas larutan jauh lebih sedikit jika dibandingkan dengan pelarut murni yang ada disebelah kiri.
Jika kita punya dua buah beaker dimana satu beaker berisi air dan yang lain berisi larutan asam sulfat, selanjutnyakeduanya kita tutup dengan penutup kaca (perhatikan gambar berikut):
Maka setelah beberapa jam volume air akan berkurang sedangkan volume larutan asam sulfat akan bertambah. Ini terjadi akibat tekanan uap pelarut murni lebih besar dibandingkan dengan tekanan uap larutan. Molekul air dari beaker yang berisi air akan terus menguap dan menuju ke permukaan larutan yang ada dibeaker berisi asam sulfat. Molekul-molekul air ini kemudian mengembun sehingga menyebabkan volume larutan asam sulfat bertambah. Hal ini akan terjadi terus menerus sampai diperoleh keadaan setimbang yaitu saat semua air habis.
Dari percobaan diatas kita tahu bahwa tekanan uap larutan adalah lebih besar dari tekanan uap pelarut oleh sebab itulah maka sifat koligatif ini disebut sebagai “Penurunan Tekanan Uap Larutan”.
Mengapa tekanan uap larutan lebih rendah dari tekanan uap pelarutnya?
1. Adanya zat terlarut di dalam suatu pelarut akan memperkecil jumlah molekul pelarut per unit volumenya, dengan semakin kecilnya jumlah molekul pelarut tiap satuan volume yang ada di dalam larutan jika dibandingkan dengan jumlah molekul pelarut yang terdapat dalam pelarut murni akan memperkecil pula jumlah molekul yang dapat menguap dengan demikian tekanan uapnya pun akan turun. Untuk mempermudah pengertian makavolume besar maka luas permukaan besar, sedangkan volume kecil maka luas permukaan kecil sehingga jumlah molekul H2O yang akan menguap pun jumlahnya berbeda.
2. Dalam bentuk energi (entropi) maka adanya zat terlarut dalam suatu pelarut akan meningkatkan ketidakteraraturan di dalam pelarut.
Campuran (contohnya larutan) memiliki entropi yang lebh besar dibandingkan dengan material tunggal (contoh pelarut murni). Kenaikkan entropi ini akan menaikkan energi yang diperlukan untuk memindahkan molekul pelarut dari fasa liguid ke fasa gas.
Bagaimana Menghitung Penurunan Tekanan Uap Larutan?
Hubungan antara tekanan uap larutan dengan tekanan uap pelarutnya dijabarkan oleh Francois M. Raoult dimana dia mengeluarkan rumus sebagai berikut:
P= Xp.Po………(1)
Dimana:
P = Tekanan uap larutan
Po = Tekanan uap pelarut murni
Xp = Fraksi mol pelarut
Fraksi mol (X) dinyatakan sebagai perbandingan antara mol suatu spesies dengan mol total dimana spesies itu berada. Jadi misalnya suatu larutan dibuat dari pelarut air dan zat terlarut berupa urea. Maka fraksi mol masing-masing dapat dinyatakan sebagai berikut:
Xair = mol air/mol air + mol urea dan Xurea = mol urea/mol air + mol urea
Jumlah fraksi mol setiap penyusun campuran jika dijumlahkan akan diperoleh nilai = 1, jadi untuk fraksimol larutan urea diatas maka :
Xair + Xurea = 1
Jika larutan hanya dibangun dari dua komponen yaitu pelarut (p) dan satu macam zat terlarut (t) maka hubungan fraksimol keduany dapat dinyatakan sebagai berikut:
Xp + Xt = 1
Xp = 1 – Xt…………(2)
Menggabungkan persamaan 1 dan 2 akan diperoleh persamaan sebagai berikut:
P= Xp.Po
Dengan Xp = 1 – Xt maka diperoleh,
P = (1 – Xt)Po
P = Po – Xt.Po
P – Po = Xt.Po
?P = Xt.Po…….(3)
Persamaan 3 inilah persamaan yang dapat dipakai untuk menghitung berapa besarnya penurunan uap suatu larutan.
Tips
Penurunan tekanan uap dapat dicari melalui persamaan 1 ataupun 3. Yang perlu diingat adalah jika Anda menggunakan rumus 1 maka fraksi mol yang dipakai adalah Xp (fraksi mol pelarut) jika menggunakan rumus 3 maka fraksi mol yang dipakai adalah Xt (fraksi mol zat terlarut).
Bagaimana jika zat terlarut di dalam suatu pelarut bersifat volatile?
Penjelasan diatas lebih kita fokuskan kepada suatu larutan yang zat terlarutnya bersifat nonvolatile, lalu bagaimana dengan larutan yag dibangun dari zat terlarut yang bersifat volatile?
Contoh campuran ini adalah air-etanol, bensena-toluena, atau aseton-etil asetat. Karena zat terlarut bersifat volatile maka uap zat terlarut ini berkontribusi terhadap total uap larutan. Uap yang terdapat didalam larutan jenis ini dibangun dari molekul zat terlarut dan molekul pelarut. Perhatikan gambar agar lebih mudah dimengerti.
Maka total tekanan uap larutan dapat dinyatakan dengan rumus:
Plarutan = P1 + P2 + P3 + ……..Pn
Dengan,
P1 = X1.P1o
P2 = X2.P2o
P3 = X3.P3o
Pn = Xn.Pno
Perlu diingat bahwa Hukum Rauolt berlaku hanya untuk larutan yang bersifat ideal atau larutan encer (dengan konsentrasi rendah. Dimana larutan ideal dicapai jika interaksi antara solute-solut, solvent-solvent, solute-solvent adalah hampir sama. Campuran yang memenuhi hukum Raoult (bersifat ideal) contohnya adalah bensena-toluena. Pencampuran keduaya menghasilkan entalpi yang hampir bernilai nol “0” sehingga campuran ini bersifat “ideal”. Grafik larutan ideal digambarkan dalam gambar berikut ini:
Jika pada waktu melarutkan zat terlarut ke dalam suatu pelarut dibebaskan panas (eksoterm) maka nilai entalpinya adalah negative maka kita dapat mengasumsikan adanya interaksi yang kuat antara pelarut dan zat terlarut hal ini menyebabkan pelarut memiliki tendensi yang kecil untuk menguap maka nilai tekanan uap larutannya akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan nilai yang diramalkan dari hukum Raoult, peristiwa ini disebut sebagai “deviasi negative hukum Raoult”. Contoh melarutkan aseton dengan air atau campuran antara kloroform dengan aseton. Interaksi kuat aseton-air atau aseto-klorofom disebabkan terbentuknya ikatan hidogen diantara keduanya. Grafik deviasi negative ini akan tampak seperti ini:
Jika kita melarutkan zat terlarut dalam pelarut dimana terjadi penurunan suhu (endoterm) nilai entalpi positif, ini mengindikasikan adanya interaksi yang lemah antara pelarut dengan zat terlarutnya. Akibatnya zat terlarut dan pelarut sama-sama memiliki tendensi untuk menguap sehingga nilai tekanan uapnya akan jauh lebih tinggi dari hasil yang diperoleh (diprediksikan) dengan hukum raoult, peistiwa ini disebut sebagai “deviasi positif hukum raoult”. Contoh melarutkan etanol dalam heksana, bensena-etil alkohol, karbondisulfida-aseton, atau klorofom-etanol. Grafik deviasi positif hukum raoult digambarkan seperti ini: