Roniyus MS,…Analisis dan Pemodelan Ketergantungan
ANALISIS DAN PEMODELAN KETERGANTUNGAN INDEKS BIAS LARUTAN TERHADAP KONSENTRASI ZAT TERLARUT Roniyus M.S. Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145 Diterima 4 April 2005, disetujui untuk diterbitkan.24 Juli 2005
ABSTRACT The dependence of refractive index to the solute concentration has been analyzed and simulated. The apparatus used in this research are refractometer. This research used four solutions as representatives of acid, base, salt and other kind solutions. From this investigation is obtained that the refractive index depends on the solute concentration. Solution has different dependency pattern each other, although the hypothesis is solution has the same dependency pattern, because the equality of concentration does not mean the equality of density, the density of medium has influence to the absolute refractive index of the medium. Keywords: solution, absolute refractive index, concentration
1. PENDAHULUAN Ide penelitian ini berawal dari adanya pemikiran mengenai identifikasi konsentrasi zat-zat pencemar yang ada di sumur, sungai, danau dan fasilitasfasilitas umumnya lainnya yang mengandung air. Pencemar air dapat diklasifikasikan sebagai zat organik, anorganik, radioaktif, asam dan basa. Saat ini hampir 10 juta zat kimia telah dikenal manusia, dan hampir 100.000 zat kimia telah digunakan secara komersial. Kebanyakan sisa zat kimia tersebut dibuang ke badan air atau air tanah. Beberapa diantaranya adalah pestisida, deterjen, PCBs, dan PCPs/polychlorinated phenols1. Berdasarkan pelacakan literatur yang telah dilakukan selama ini, penelitian yang memaparkan tentang ketergantungan indeks bias mutlak larutan terhadap kosentrasi larutannya masih sedikit dan belum diarahkan untuk mendapatkan bentuk umum ketergantungan tersebut untuk semua larutan, beberapa penelitian yang dimaksud seperti studi tentang kenaikan indeks bias poliektrolit dan polimer netral karena kenaikan konsentrasi2 dan pengukuran pada larutan hen-egg-white-lysozyme (HEWL) oleh Yin dkk pada tahun 20033. Hal inilah yang juga mendorong peneliti untuk melakukan penelitian mengenai hal tersebut. Bagaimanakah ketergantungan indeks bias mutlak sebuah larutan terhadap konsentrasi zat terlarutnya? Apakah ketergantungan indeks bias mutlak larutan A terhadap konsentrasi zat terlarutnya, sama seperti ketergantungan yang
84
dimiliki oleh larutan B, C, D dan sebagainya, sehingga dapat dibuat bentuk umum ketergantungan indeks bias mutlak larutan terhadap konsentrasi zat terlarutnya? Pertanyaanpertanyaan tersebut merupakan pertanyaanpertanyaan yang akan dicoba untuk dicari jawabannya dari penelitian ini. 1.1. Indeks Bias Mutlak Indeks bias adalah besaran yang menunjukkan perbandingan kelajuan cahaya pada sebuah medium dengan medium lain4, dari definisi ini maka indeks bias merupakan besaran yang tidak memiliki satuan. Indeks bias medium dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu indeks bias mutlak dan indeks bias relatif antar medium. Indeks bias mutlak (n) sebuah medium adalah perbandingan antara kelajuan cahaya di ruang vakum (c) dengan kelajuan cahaya di dalam medium tersebut (v), dengan
c n= , v
(1)
sedangkan yang dimaksud dengan indeks bias relatif medium 1 terhadap medium 2 adalah perbandingan kelajuan cahaya di medium 1 dengan kelajuan cahaya di medium 2,
n12 =
v1 . v2
(2)
Selain menggunakan persamaan 1, indeks bias mutlak medium juga dapat dihitung dengan cara
2005 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Agustus 2005, Vol. 11, No. 2
lain, yaitu dengan menggunakan Hukum Snell (Gambar 1) untuk pembiasan5, yaitu nv sin θ v = nm sin θ m (3) atau
nm =
nv sin θ v sin θ v = , sin θ m sin θ m
(4)
2.2. Bahan dan Alat 2.2.1. Bahan Larutan HCl 12 M (sampel larutan asam), larutan NaOH 1 M (sampel larutan basa), larutan NaCl 5 M (sampel larutan garam), larutan C6H12O6 5 M (sampel larutan non asam, basa maupun garam), aquades, tissue dan alkohol.
dengan nv = indeks bias mutlak ruang vakum = 1, nm = indeks bias mutlak medium, θ v = sudut datang cahaya di ruang vakum,
θm
Instrumen Jurusan Kimia FMIPA Universitas Lampung selama 8 (delapan) bulan.
= sudut bias cahaya di dalam medium.
2.2.2. Alat
Indeks bias mutlak medium tersebut sangat bergantung pada frekuensi (warna) cahaya yang digunakan.
Refractometer LEICA MARK II, labu 25 ml, gelas reaksi, pengaduk, gelas ukur dan pipet
1.2. Konsentrasi Zat Terlarut
2.3. Rancangan Penelitian dan Pengambilan Data
Konsentrasi zat terlarut adalah banyaknya mol zat terlarut dalam 1 (satu) liter zat pelarut6. Satuan konsentrasi adalah molar.
C=
mol zat terlarut . volume pelarut
(5)
Mol zat terlarut dapat dihitung dengan cara sebagai berikut6:
mol zat terlarut =
massa zat terlarut . (6) Ar / Mr zat terlarut
Empat buah larutan yaitu larutan HCl 12 M, NaOH 1 M, NaCl 5 M dan C6H12O6 5 M, masing-masing dibuat dalam 10 (sepuluh) variasi molaritas dengan cara pengenceran. Kemudian secara bergiliran setiap larutan dengan molaritas tertentu diteteskan di tempat sampel pada refractometer, lalu dicatat indeks bias mutlak larutannya.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 2. METODE PENELITIAN Hasil-hasil penelitian untuk masing-masing larutan ditampilkan pada Gambar 2 sampai dengan Gambar 5 di bawah ini:
2.1. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium
cahaya datang
θv medium
ruang vakum
θm
cahaya terbias
Gambar 1. Pembiasan di bidang batas antara medium dan ruang vakum
2005 FMIPA Universitas Lampung
85
Roniyus MS,…Analisis dan Pemodelan Ketergantungan
Larutan HCl 1,42
nm
1,4 1,38 1,36
n m = 0,0069C + 1,3337
1,34 1,32 0
5
10
15
C (Molar)
Gambar 2. Indeks bias mutlak (nm) vs konsentrasi zat terlarut (C) pada larutan HCl
Larutan NaOH 1,35
nm
1,345 1,34 n m= 0,0128C + 1,3342
1,335 1,33 0
0,5
1
1,5
C (Molar)
Gambar 3. Indeks bias mutlak (nm) vs konsentrasi zat terlarut (C) pada larutan NaOH
Larutan NaCl 1,39
nm
1,38 1,37 1,36
n m = 0,0083C + 1,3399
1,35 1,34 0
2
4
6
C (Molar)
Gambar 4. Indeks bias mutlak (nm) vs konsentrasi zat terlarut (C) pada larutan NaCl
86
2005 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Agustus 2005, Vol. 11, No. 2
Larutan C6H12O6 1,5
nm
1,45 1,4 1,35
n m = 0,0254C + 1,3258
1,3 0
2
4
6
C (Molar)
nm
Gambar 5. Indeks bias mutlak (nm) vs konsentrasi za terlarut (C) pada larutan C6H12O6.
1,48 1,46 1,44 1,42 1,4 1,38 1,36 1,34 1,32
HCl NaCl C6H12O6 NaOH
0
5
10
15
C (Molar)
Gambar 6. Indeks bias mutlak (nm) versus konsentrasi zat terlarut (C) gabungan semua larutan. Dari Gambar 2 sampai dengan Gambar 5 tampak bahwa indeks bias mutlak (nm) larutan HCl, NaOH, NaCl dan C6H12O6 berturut-turut memiliki ketergantungan dengan konsentrasi zat terlarutnya (C) dalam bentuk nm = 0,0069C + 1,3337 , nm = 0,0128C + 1,3342 , nm = 0,0083C + 1,3399 dan n m = 0,0254C + 1,3258 . Dari hasil penelitian tersebut tampak bahwa ternyata tidak terdapat kemiripan pola ketergantungan indeks bias mutlak terhadap konsentrasi zat terlarut untuk semua larutan. Bahkan untuk larutan NaCl sekalipun ternyata tidak memiliki kesamaan pola dengan larutan HCl atau NaOH, walaupun NaCl berasal dari larutan HCl dan NaOH. Ketidaksamaan tersebut semakin tampak dengan jelas pada Gambar 6 yang dihasilkan oleh gabungan data (nm) dan konsentrasi zat terlarut (C) untuk semua larutan. Ketidaksamaan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut, konsentrasi zat terlarut menunjukkan banyaknya mol zat terlarut dalam 1 liter larutan, untuk larutan-larutan yang molaritasnya sama berarti larutan-larutan tersebut memiliki jumlah
2005 FMIPA Universitas Lampung
mol yang sama dalam 1 liter larutan. Larutanlarutan yang memiliki jumlah mol yang sama berarti memiliki jumlah molekul yang sama yaitu sebanyak kelipatan dari 6,02 × 10 23 buah molekul. Walaupun jumlah molekul larutan-larutan tersebut sama, namun tidak berarti total massa molekul yang terlarut di dalam setiap 1 liter larutan tersebut sama, karena 1 molekul HCl terdiri dari 1 atom H dan 1 atom C yang massanya tidak akan sama dengan massa 1 molekul NaCl, C6H12O6, atau NaOH. Jika total massa molekulnya tidak sama maka hal ini berarti kerapatan atau massa jenis larutannya akan berbeda-beda pula meskipun molaritasnya sama. Perbedaan kerapatan larutan tentu berdampak pada perbedaan indeks bias mutlak setiap larutan, karena dari persamaan 1 tampak bahwa indeks bias mutlak medium berkaitan erat dengan kecepatan cahaya di dalam medium, sedangkan kecepatan cahaya sebagai gelombang di dalam medium sangat bergantung pada kerapatan medium tersebut7, jadi kerapatan medium berdampak langsung pada indeks bias mutlak medium. Sebagai contoh indeks bias mutlak air lebih tinggi daripada udara, hal ini dikarenakan air lebih rapat daripada udara.
87
Roniyus MS,…Analisis dan Pemodelan Ketergantungan
Ketidaksamaan pola tersebut mengakibatkan tidak adanya pola umum ketergantungan indeks bias mutlak larutan terhadap konsentrasi zat terlarutnya. Walaupun demikian, terdapat hal yang cukup menarik dibalik ketidaksamaan tersebut, yaitu gradien perubahan indeks bias mutlak terhadap perubahan konsentrasi zat terlarut atau dnm dC untuk keempat larutan memiliki pola berupa [dnm dC ]HCl < [dnm dC ]NaCl < [dnm dC ]NaOH <
[dnm
[dnm
[
]HCl = 0,0069 M-1, M-1, [dnm dC ]NaOH =
dC ]C6 H12O6 dengan dn m dC
dC ]NaCl = 0,0083 0,0128 M-1 dan [dnm dC ]C H 6
12 O6
= 0,0254 M-1.
Apakah hal ini berarti bahwa [dnm dC ]asam < [dnm dC ]garam < [dnm dC ]basa selalu berlaku untuk semua larutan garam yang dibentuk oleh pasangan asam-basa yang terkait? Secara umum, apakah [dnm dC ]asam < [dnm dC ]garam < [dnm dC ]basa <
[dnm
dC ]jenis lain ? Pertanyaan tersebut belum dapat
dijawab disini, karena yang digunakan dalam penelitian ini hanya satu contoh dari larutan asam, basa, garam dan larutan jenis lain. Untuk itu, perlu dilakukan penelitian lanjutan dengan menggunakan contoh larutan asam, basa, garam dan jenis lain yang lebih banyak lagi variasinya. Penelitian lanjutan tersebut juga bermanfaat untuk mengetahui apakah pola ketergantungan untuk semua larutan asam berbentuk sama dengan pola ketergantungan pada larutan HCl yang digunakan dalam penelitian ini, begitu pula halnya pada larutan basa, garam dan jenis lain.
[dnm [dnm
3.
4.
pola berupa [dnm dC ]HCl < [dnm dC ]NaCl <
88
[dnm
dC ]C 6 H12O6
,
dengan
-1
6
12
6
4.2. SARAN Adapun saran-saran untuk penelitian selanjutnya adalah 1. Perlunya dilakukan penelitian mengenai ketergantungan indeks bias mutlak larutan terhadap massa jenis larutan atau persentase padatan zat terlarutnya. 2. Memperbanyak contoh-contoh larutan untuk lebih memperkuat hasil penelitian ini. 3. Perlunya dilakukan variasi suhu untuk menguji ketergantungan indeks bias mutlak larutan terhadap variasi suhu.
UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini dapat dilaksanakan dengan baik berkat bantuan dana dari Proyek Pengembagan Diri (PPD) HEDS Tahun Anggaran 2004. Untuk itu, melalui tulisan ini, peneliti bermaksud mengucapkan terima kasih kepada Pimpinan PPD HEDS Project atas segala bantuan yang telah diberikan.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Suara Pembaruan. 2004. Pencemar Air, Tanggal 10 Maret 2004.
2.
Hery, K., dan Norwood, D.P. 1998. Study of the Refractive Index Increment of Polyelectrolytes and Neutral Polymers, OSCAR Journal Volume 1.
3.
Yin, D.C., Inatomi, Y., Wakayama, N.I., dan Huang, W. D. 2003. Measurement of temperature and concentration dependences of refractive index of hen-egg-white lysozyme solution, Cryst. Res. Technol. 38, 785.
4.
Guenther, R. D. 1990. Modern Optics, John Wiley and Sons, New York, USA.
5.
Halliday, D. dan Resnick, R. 1978. Physics Part II 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc.
6.
Brady, J. E. 1990. General Chemistry Principles and Structure, John Wiley & Sons, Singapore.
7.
Muslim, Z. 1994. Gelombang dan Optika, Jurusan Fisika FMIPA UGM, Indonesia.
4.1. KESIMPULAN
nm = 0,0083C + 1,3399 ; nm = 0,0254C + 1,3258 . Tidak adanya ketergantungan indeks bias mutlak larutan (nm) terhadap konsentrasi larutan (C) untuk semua larutan. Gradien perubahan indeks bias mutlak terhadap perubahan konsentrasi atau dn m dC untuk keempat larutan memiliki
<
dC ]HCl = 0,0069 M , [dnm dC ]NaCl = 0,0083 M-1, [dnm dC ]NaOH = 0,0128 M-1 dan -1 [dnm dC ]C H O = 0,0254 M .
4. KESIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil dan pembahasan di atas maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut 1. Indeks bias mutlak larutan memiliki ketergantungan terhadap konsentrasi zat terlarutnya. 2. Bentuk ketergantungan indeks bias mutlak (nm) larutan terhadap konsentrasi zat terlarutnya (C) untuk larutan HCl, NaOH, NaCl dan C6H12O6 berturut-turut adalah n m = 0,0069 C + 1,3337 n m = 0,0128C + 1,3342 ,
dC ]NaOH
2005 FMIPA Universitas Lampung
