Kimia Fisika : Sifat Koligatif Larutan

Sifat Koligatif Larutan

Gambaran umum sifat koligatif

Sifat  koligatif  larutan  adalah  sifat  larutan  yang  tidak tergantung pada macamnya zat terlarut tetapi semata-mata hanya ditentukan oleh banyaknya zat terlarut (konsentrasi zat terlarut).

Apabila suatu pelarut ditambah dengan sedikit zat terlarut (Gambar 6.2), maka akan didapat suatu larutan yang mengalami:

1.        Penurunan tekanan uap jenuh

2.        Kenaikan titik didih

3.        Penurunan titik beku

4.        Tekanan osmosis

Banyaknya partikel dalam larutan ditentukan oleh konsentrasi larutan dan sifat Larutan itu sendiri. Jumlah partikel dalam larutan non elektrolit tidak sama dengan jumlah partikel dalam larutan elektrolit, walaupun konsentrasi keduanya sama. Hal ini dikarenakan larutan elektrolit terurai menjadi ion-ionnya, sedangkan larutan non elektrolit tidak terurai menjadi ion-ion. Dengan demikian sifat koligatif larutan dibedakan atas sifat koligatif larutan non elektrolit dan sifat koligatif larutan elektrolit.

Penurunan Tekanan Uap Jenuh

Pada  setiap  suhu,  zat  cair  selalu  mempunyai  tekanan tertentu. Tekanan ini adalah tekanan uap jenuhnya pada suhu tertentu. Penambahan suatu zat ke dalam zat cair menyebabkan penurunan tekanan uapnya. Hal ini disebabkan karena zat terlarut itu mengurangi bagian atau fraksi dari pelarut, sehingga kecepatan penguapan berkurang.

Gambaran penurunan tekanan uap

Menurut Roult :

p = p^o . X_B

keterangan:

p     : tekanan uap jenuh larutan

po  : tekanan uap jenuh pelarut murni

XB  : fraksi mol pelarut

Karena X_A + X_B = 1, maka persamaan di atas dapat diperluas menjadi :

P = P^o (1 – X_A)

P = P^o – P^o . X_A

P^o – P = P^o . X_A

Sehingga :

ΔP = p^o . XA

keterangan:

ΔP   : penuruman tekanan uap jenuh pelarut

po    : tekanan uap pelarut murni

XA   : fraksi mol zat terlarut

Contoh :

Hitunglah penurunan tekanan uap jenuh air, bila 45 gram glukosa (Mr = 180) dilarutkan dalam 90 gram air ! Diketahui tekanan uap jenuh air murni pada 20^oC adalah 18 mmHg.

Kenaikan Titik Didih

Adanya penurunan tekanan uap jenuh mengakibatkan titik didih larutan lebih tinggi dari titik didih pelarut murni. Untuk larutan non elektrolit kenaikan titik didih dinyatakan dengan:

ΔT_b = m . K_b

keterangan:

ΔT_b = kenaikan titik didih (^oC)

m      = molalitas larutan

K_b = tetapan kenaikan titik didihmolal

(W menyatakan massa zat terlarut), maka kenaikan titik didih larutan dapat dinayatakan sebagai:

Apabila pelarutnya air dan tekanan udara 1 atm, maka titik didih larutan dinyatakan sebagai :

T_b = (100 + ΔT_b) ^oC

Penurunan Titik Beku

Untuk penurunan titik beku persamaannya dinyatakan sebagai:

ΔT_f = penurunan titik beku

m     = molalitas larutan

Kf     = tetapan penurunan titik beku molal

W     = massa zat terlarut

Mr   = massa molekul relatif zat terlarut

p      = massa pelarut

Apabila pelarutnya air dan tekanan udara 1 atm, maka titik beku larutannya dinyatakan sebagai:

Tf = (O – ΔT_f)^oC

Tekanan Osmosis

Tekanan osmosis adalah tekanan yang diberikan pada larutan yang dapat menghentikan perpindahan molekul-molekul pelarut ke dalam larutan melalui membran semi permeabel (proses osmosis) seperti ditunjukkan pada.

Menurut Van’t hoff tekanan osmosis mengikuti hukum gas ideal:

PV = nRT

Karena tekanan osmosis = Π , maka :

π° = tekanan osmosis (atmosfir)
C   = konsentrasi larutan (M)
R   = tetapan gas universal.  = 0,082 L.atm/mol K
T   = suhu mutlak (K)

Tekanan osmosis

• Larutan yang mempunyai tekanan osmosis lebih rendah dari yang lain disebut larutan Hipotonis.
• Larutan yang mempunyai tekanan lebih tinggi dari yang lain disebut larutan Hipertonis.
• Larutan yang mempunyai tekanan osmosis sama disebut Isotonis.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa larutan elektrolit  di  dalam  pelarutnya  mempunyai  kemampuan  untuk mengion. Hal ini mengakibatkan larutan elektrolit mempunyai jumlah partikel yang lebih banyak daripada larutan non elektrolit pada konsentrasi yang sama.

Contoh :

Larutan 0.5 molal glukosa dibandingkan dengan iarutan 0.5 molal garam dapur.

• Untuk larutan glukosa dalam air jumlah partikel (konsentrasinya) tetap, yaitu 0.5 molal.

• Untuk larutan garam dapur: NaCl_(aq) → Na^+(aq) + Cl^-(aq) karena terurai menjadi 2 ion, maka konsentrasi partikelnya menjadi 2 kali semula = 1.0 molal.

Yang menjadi ukuran langsung dari keadaan (kemampuannya) untuk mengion adalah derajat ionisasi. Besarnya derajat ionisasi ini dinyatakan sebagai :

α° = jumlah mol zat yang terionisasi/jumlah mol zat mula-mula

Untuk larutan elektrolit kuat, harga derajat ionisasinya mendekati 1, sedangkan untuk elektrolit lemah, harganya berada di antara 0 dan 1 (0 < α < 1). Atas dasar kemampuan ini, maka larutan elektrolit mempunyai pengembangan di dalam perumusan sifat koligatifnya.

• Untuk Kenaikan Titik Didih dinyatakan sebagai :

n menyatakan jumlah ion dari larutan elektrolitnya.

• Untuk Penurunan Titik Beku dinyatakan sebagai :

• Untuk Tekanan Osmosis dinyatakan sebagai :

π°  = C R T [1+ α(n-1)]

Contoh :

Hitunglah kenaikan titik didih dan penurunan titik beku dari larutan5.85 gram garam dapur (Mr = 58.5) dalam 250 gram air ! (untuk air, Kb= 0.52 dan Kf= 1.86)

Jawab :

Larutan garam dapur,

Catatan:

Jika di dalam soal tidak diberi keterangan mengenai harga derajat ionisasi, tetapi kita mengetahui bahwa larutannya tergolong elektrolit kuat, maka harga derajat ionisasinya dianggap 1.

PENERAPAN SIFAT KOLIGATIF LARUTAN DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI

Sifat koligatif adalah sifat-sifat fisis larutan yang hanya bergantung pada konsentrasi partikel zat terlarut, tetapi tidak pada jenisnya. Sifat koligatif larutan meliputi tekanan uap, penurunan titik beku, kenaikan titik didih, dan tekanan osmotik. Sifat koligatif terutama penurunan titik beku dan tekanan osmosis memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa penerapan penurunan titik beku dapat mempertahankan kehidupan selama musim dingin. Penerapan tekanan osmosis ditemukan di alam, dalam bidang kesehatan, dan dalam ilmu biologi. Berikut ini penjelasan mengenai penerapan sifat koligatif larutan dalam kehidupan sehari-hari.

A.              PENERAPAN PENURUNAN TEKANAN UAP

Laut mati adalah contoh dari terjadinya penurunan tekanan uap pelarut oleh zat terlarut yang tidak mudah menguap. Air berkadar garam sangat tinggi ini terletak di daerah gurun yang sangat panas dan kering, serta tidak berhubungan dengan laut bebas, sehingga konsentrasi zat terlarutnya semakin tinggi.

Pada saat berenang di laut mati, kita tidak akan tenggelam karena konsentrasi zat terlarutnya yang sangat tinggi. Hal ini tentu saja, dapat dimanfaatkan sebagai sarana hiburan atau rekreasi bagi manusia. Penerapan prinsip yang sama dengan laut mati dapat kita temui di beberapa tempat wisata di Indonesia yang berupa kolam apung.

B.              PENERAPAN PENURUNAN TITIK BEKU

1.                Membuat Campuran Pendingin

          Cairan pendingin adalah larutan berair yang memiliki titik beku jauh di bawah 0^oC. Cairan pendingin digunakan pada pabrik es, juga digunakan untuk membuat es putar. Cairan pendingin dibuat dengan melarutkan berbagai jenis garam ke dalam air.

          Pada pembuatan es putar cairan pendingin dibuat dengan mencampurkan garam dapur dengan kepingan es batu dalam sebuah bejana berlapis kayu. Pada pencampuran itu, es batu akan mencair sedangkan suhu campuran turun. Sementara itu, campuran bahan pembuat es putar dimasukkan dalam bejana lain yang terbuat dari bahan stainless steel. Bejana ini kemudian dimasukkan ke dalam cairan pendingin, sambil terus-menerus diaduk sehingga campuran membeku.

2.                Antibeku pada Radiator Mobil

Di daerah beriklim dingin, ke dalam air radiator biasanya ditambahkan etilen glikol. Di daerah beriklim dingin, air radiator mudah membeku. Jika keadaan ini dibiarkan, maka radiator kendaraan akan cepat rusak. Dengan penambahan etilen glikol ke dalam air radiator diharapkan titik beku air dalam radiator menurun, dengan kata lain air tidak mudah membeku.

3.                Antibeku dalam Tubuh Hewan

Hewan-hewan yang tinggal di daerah beriklim dingin, seperti beruang kutub, memanfaatkan prinsip sifat koligatif larutan penurunan titik beku untuk bertahan hidup. Darah ikan-ikan laut mengandung zat-zat antibeku yang mempu menurunkan titik beku air hingga 0,8^oC. Dengan demikian, ikan laut dapat bertahan di musim dingin yang suhunya mencapai 1,9^oC karena zat antibeku yang dikandungnya dapat mencegah pembentukan kristal es dalam jaringan dan selnya. Hewan-hewan lain yang tubuhnya mengandung zat antibeku antara lain serangga , ampibi, dan nematoda. Tubuh serangga mengandung gliserol dan dimetil sulfoksida, ampibi mengandung glukosa dan gliserol darah sedangkan nematoda mengandung gliserol dan trihalose.

4.                Antibeku untuk Mencairkan Salju

Di daerah yang mempunyai musim salju, setiap hujan salju terjadi, jalanan dipenuhi es salju. Hal ini tentu saja membuat kendaraan sulit untuk melaju. Untuk mengatasinya, jalanan bersalju tersebut ditaburi campuran garam NaCL dan CaCl₂. Penaburan garam tersebut dapat mencairkan salju. Semakin banyak garam yang ditaburkan, akan semakin banyak pula salju yang mencair.

5.                Menentukan Massa Molekul Relatif (M_r)

Pengukuran sifat koligatif larutan dapat digunakan untuk menentukan massa molekul relatif zat terlarut. Hal itu dapat dilakukan karena sifat koligatif bergantung pada konsentrasi zat terlarut. Dengan mengetahui massa zat terlarut (G) serta nilai penurunan titik bekunya, maka massa molekul relatif zat terlarut itu dapat ditentukan.

C.              PENERAPAN TEKANAN OSMOSIS

1.                Mengontrol Bentuk Sel

  Larutan-larutan yang mempunyai tekanan osmosis yang sama disebut isotonik. Larutan-larutan yang mempunyai tekanan osmosis lebih rendah daripada larutan lain disebut hipotonik. Sementara itu, larutan-larutan yang mempunyai tekanan osmosis lebih tinggi daripada larutan lain disebut hipertonik.

Contoh larutan isotonik adalah cairan infus yang dimasukkan ke dalam darah. Cairan infus harus isotonik dengan cairan intrasel agar tidak terjadi osmosis, baik ke dalam ataupun ke luar sel darah. Dengan demikian, sel-sel darah tidak mengalami kerusakan.

2.                Mesin Cuci Darah

Pasien penderita gagal ginjal harus menjalani terapi cuci darah. Terapi menggunakan metode dialisis, yaitu proses perpindahan molekul kecil-kecil seperti urea melalui membran semipermeabel dan masuk ke cairan lain, kemudian dibuang. Membran tak dapat ditembus oleh molekul besar seperti protein sehingga akan tetap berada di dalam darah.

3.                Pengawetan Makanan

Sebelum teknik pendinginan untuk mengawetkan makanan ditemukan, garam dapur digunakan untuk mengawetkan makanan. Garam dapat membunuh mikroba penyebab makanan busuk yang berada di permukaan makanan.

4.                Membasmi Lintah

Garam dapur dapat membasmi hewan lunak, seperti lintah. Hal ini karena garam yang ditaburkan pada permukaan tubuh lintah mampu menyerap air yang ada dalam tubuh sehingga lintah akan kekurangan air dalam tubuhnya.

5.                Penyerapan Air oleh Akar Tanaman

Tanaman membutuhkan air dari dalam tanah. Air tersebut diserap oleh tanaman melalui akar. Tanaman mengandung zat-zat terlarut sehingga konsentrasinya lebih tinggi daripada air di sekitar tanaman sehingga air dalam tanah dapat diserap oleh tanaman.

6.                Desalinasi Air Laut Melalui Osmosis Balik

Osmosis balik adalah perembesan pelarut dari larutan ke pelarut, atau dari larutan yang lebih pekat ke larutan yang lebih encer. Osmosis balik terjadi jika kepada larutan diberikan tekanan yang lebih besar dari tekanan osmotiknya.

Osmosis balik digunakan untuk membuat air murni dari air laut. Dengan memberi tekanan pada permukaan air laut yang lebih besar daripada tekanan osmotiknya, air dipaksa untuk merembes dari air asin ke dalam air murni melalui selaput yang permeabel untuk air tetapi tidak untuk ion-ion dalam air laut. Tanpa tekanan yang cukup besar, air secara spontan akan merembes dari air murni ke dalam air asin.

Penggunaan lain dari osmosis balik yaitu untuk memisahkan zat-zat beracun dalam air limbah sebelum dilepas ke lingkungan bebas.

Contoh Soal Kenaikan Titik Didih:

1. Suatu larutan mengandung 3,24 gram zat yang tak mudah menguap juga nonelektolit dan 200 gram air mendidih pada 100,130°C pada 1 atmosfer. Berapakah berat molekul zat telarut ? Kd molal air adalah 0,51?

Jawab:

∆Tb = 100,13-100 = 0,13
∆Tb = Kb x m
0,13 = 0,51 x m
m = 0,25
0,25 = mol x 1000/200
Mol = 0,25/5 = 0,05
Mr = gram/mol = 3,24/0,05 = 64,8

2. Untuk menaikkan titik didih 250 ml air menjadi 100,1°C pada tekanan 1 atm (Ka=0,50), maka jumlah gula (Mr=342) yang harus dilarutkan adalah….

Jawab:

Untuk larutan non elektrolit dapat digunakan rumus;

ΔTb = w/Mr x 1000/p x Kb

Dan ΔTb = 100,1°C – 100°C =0,1°C
0,1 = w/342 x 1000/250 x 0,5°C
w = 0,1 x 342/2 = 17,1 gram

Contoh Soal Penurunan Titik Beku:

1. Suatu zat non elektrolit sebanyak 5,23 gram dilarutkan dalam 168 gram air. Larutan ini membeku pada -0,510 derajat Celcius. Hitung massa molekul relative zat tersebut.

Jawab:

ΔTf = Kf (w/Mr) (1000/p)
Mr = 1,86 . 5,23 . 1000 / 0,51 168
= 113,5

2. Hitung titik didih air dalam radiator  mobil yang berisi cairan  dengan perbandingan  88 gram etilen glikol (Mr = 62) dan 160 gram air.
Jawab:

ΔTf = 1,86 (88/62) (1000/160)
      = 16
Jadi titik bekunya = -16 derajat Celcius

SOAL DAN PEMBAHASAN

1.    Data percobaan penurunan titik beku:

No	LARUTAN
	Zat terlarut	Jumlah mol zat	Titik beku larutan
1	CO(NH2)2	a	-toC
2	CO(NH2)2	2a	-2toC
3	C12H22O11	a	-toC
4	C12H22O11	2a	-2toC
5	NaCl	a	-2toC
6	NaCl	2a	-4toC

Berdasarkan data tersebut dapat disimpulkan bahwa penurunan titik beku larutan tergantung pada  . . . .
A. jenis zat terlarut
B. konsentrasi molal larutan
C. jenis pelarut
D. jenis partikel zat terlarut
E. jumlah partikel zat terlarut

Pembahasan:
     Penurunan titik beku merupakan sifat koligatif larutan yang bergantung pada konsentrasi partikel dalam larutan dan tidak bergantung pada jenisnya (atom, ion atau molekul), di sini larutan elektrolit pada konsentrasi yang sama mempunyai harga penurunan titik beku yang lebih besar dibandingkan larutan non elektrolit karena pada jumlah partikelnya lebih banyak (zat elektrolit dalam larutannya terurai menjadi ion-ionnya), sehingga konsentrasinya lebih besar.
Jawab: E

2. Larutan yang mengandung 20 gr zat nonelektrolit dalam 1 L air (massa jenis air 1 g/ml) mendidih pada suhu 100,052°C. Jika Kb air = 0,52°C, maka Mr zat nonelektrolit tersebut adalah  . . . .
A. 20                  C. 100             E. 200
B. 40                  D. 150

Pembahasan:
     20 gram zat nonelektrolit dalam 1 liter air
     ΔTd   = 100,052°C
     Td pelarut murni = 100°C
     Kd air    = 0,52oC
     1 liter air = 1000 gram air
     ΔTd   =   titik didih larutan – titik didih pelarut murni
              =   100,052°C – 100°C
              =   0,052°C
     ΔTd   =   Kd .m .
     0,052     =   0,52  20/Mr . 1000/1000
          Mr     =   200

Jawab: E

4. Dalam 250 gram air dilarutkan 1,9 gram MgCl2, ternyata larutan membeku pada –0,372°C. Jika tetapan titik beku molal air = 1,86°C/m, derajat ionisasi garam MgCl2 adalah  . . . .
(Ar : Mg = 24, Cl = 35,5)
A. 0,40               C. 0,75            E. 0,98
B. 0,55               D. 0,87

Pembahasan:
Tf      =   kf . m . i
 0,372 =   1,86 x 1,9/Mr x 1000/250  x  i
     i    =   2,5
     i    =   (n – 1) α + 1       n dari MgCl2 = 3
     i    =   (3 – 1) α  + 1
     2,5=   (2) α + 1
          =   0,75          
Jawab: C

5. Untuk menaikkan titik didih 250 ml air menjadi 100,1°C pada tekanan 1 atm (Kb = 0,50), maka jumlah gula     (Mr = 342) yang harus dilarutkan adalah  . . . .
A. 684 gram       C. 86 gram      E. 342 gram
B. 171 gram       D. 17,1 gram

Pembahasan:
     Kb = Kd = 0,5
     Titik didih: t  =    t.dlarutan – t.dpelarut
                        =   100,1 – 100
                        =   0,1oC
     ΔTd   =   Kd  x m 
        0,1 =   0,5  x g/342  x 1000/250
          gr =   17,1 gram
     Jumlah gula yang harus dilarutkan adalah 17,1 gram
Jawab: D

6.    Suatu larutan diperoleh dari melarutkan 6 g Urea (Mr = 60) dalam 1 liter air. Larutan yang lain diperoleh dari melarutkan 18 g glukosa (Mr = 180) dalam 1 liter air. Pada suhu yang sama berapa tekanan osmosa larutan pertama dibandingkan terhadap larutan kedua?
A. Sepertiga larutan kedua              
B. Tiga kali larutan kedua 
C. Dua pertiga larutan kedua
D. Sama seperti larutan kedua
E. Tiga perdua kali larutan kedua

Pembahasan:
     Ingat sifat Koligatif Larutan!
     6 g Urea (Mr = 60) = 6/60mol/L
                                 = 0,1mol/L
     18 g glukosa (Mr = 180) =18/180 mol/L
                                      = 0,1mol/L
   Jumlah mol sama dalam volume yang sama: (molar) tekanan osmosa kedua larutan sama.
Jawab: D

7.    Supaya air sebanyak 1 ton tidak membeku pada suhu    –5°C, ke dalamnya harus dilarutkan garam dapur, yang jumlahnya tidak boleh kurang dari (tetapan penurunan titik beku molal air 1,86; Mr NaCl = 58,5)
A. 13,4 kg          C. 58,5 kg       E. 152,2 kg
B. 26,9 kg          D. 78,6 kg

Pembahasan:
     Membeku pada suhu –5°C, maka Tb. air = 0°C – (-5°C) = 5°C. Untuk larutan elektrolit:
     ΔTb      =   Kb m. n = Kb. g/Mr 1000/p . n
     g   =   jumlah berat zat yang dilarutkan
     Mr     =   massa molekul relatif zat yang dilarutkan
     Kb     =   Tetapan bekum molal zat pelarut
     P   =   jumlah berat zat pelarut
          =   derajat ionisasi elektrolit yang dilarutkan
           n   =   jumlah mol ion yang dihasilkan oleh 1 mol elektrolit  1.
     NaCl à  Na+ + Cl+  n = 2
     Misal: NaCl yang dilarutkan x mol

ΔTb =   Kb m. n = Kb. g/Mr 1000/p . n
5     = 1,86. kg/58,5 1000/1000 . 2  
kg  =  78,620 kg
NaCl =   78.620 g  =  78,62 kg

Jadi supaya 1 ton air tidak membeku pada –5°C, harus dilarutkan garam dapur (NaCl), jumlahnya tidak boleh kurang dari 78,6 kg, sebab bila sama dengan 78,62 kg maka larutan membeku.                                                                 
Jawab: D

8.    Penambahan 5,4 gram suatu zat nonelektrolit ke dalam 300 gram air ternyata menurunkan titik beku sebesar 0,24°C.   Jika Kf   air = 1,86oC maka  Mr  zat  tersebut adalah  . . . .
A. 8,04               C. 60,96          E. 139,50
B. 12,56             D. 108,56

Pembahasan:
Δtf   =   Kf .m
    0,24   =   1,86 . 5,4/Mr 1000/300
     Mr     =   139,50       

Hitunglah penurunan tekanan uap jenuh air, bila 45 gram glukosa (Mr = 180) dilarutkan dalam 90 gram air !
Diketahui tekanan uap jenuh air murni pada 20^oC adalah 18 mmHg.
Jawab:
mol glukosa = 45/180 = 0.25 mol
mol air = 90/18 = 5 mol
fraksi mol glukosa = 0.25/(0.25 + 5) = 0.048
Penurunan tekanan uap jenuh air:
DP = P^o. X_A = 18 x 0.048 = 0.864 mmHg


(Mohon Maaf Gambar Tidak Bisa Ditampilkan Karena Masalah sistem)