2014
LABORATORIUM FISIKA MATERIAL – IHFADNI NAZWA
Penentuan Berat Molekul Polimer (Mn) Dengan Metode Viskositas Ihfadni Nazwa, Darmawan, Diana, Hanu Lutvia, Imroatul Maghfiroh, Ratna Dewi Kumalasari Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika, Departemen Fisika Universitas Airlangga Surabaya
Abstract. Telah dilakukan percobaan penentuan berat molekul polimer dengan metode viskositas. Percobaan ini bertujuan untuk mendapatkan berat molekul dari bahan polimer yaitu polistiren. Polistiren sendiri merupakan bahan polimer yang sering digunakan oleh masyarakat di dunia khususnya di Indonesia. Penggunaan polistiren yang begitu besar tersebut tidak di imbangi dengan produksi yang berlimpah di alam. Sehingga perlu dilakukan suatu upaya untuk membuat polistiren sintesis sendiri dengan mencari, mengetahui dan memahami karakteristik dari polistiren tersebut. salah satu karakteristiknya adalah bisa ditentukan dengan mencari berat molekul polimer yang bersangkutan. Penentuan berat molekul polistiren dilakukan dengan melarutkan polistiren ke dalam pelarut toluena dengan konsentrasi yang berbeda-beda yaitu 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%. Setelah itu dilakukan pengukuran waktu alir tiap larutan yang berbeda konsentrasi tersebut. kemudian dihitung viskositas larutan, viskositas spesifik, dan viskositas reduksi. Setelah diperoleh nilai viskositasnya, kemudian dibuat grafik hubungan antara viskositas reduksi terhadap konsentrasi. Berdasarkan analisis data yang telah dilakukan, diperoleh berat molekul Polistiren sebesar 59955 gr/mol Keywords: berat molekul, polimer, polistiren.
1
Pendahuluan
Polimer merupakan salah satu material yang mengalami perkembangan yang sangat cepat. Perkembangan ini meliputi Research and Development (RAD) dalam kaitannya dengan tuntutan penggunaan maupun kebutuhan untuk membantu memudahkan kehidupan manusia. Penggunaan polimer sebagai bagian kehidupan manusia sangat bergantung pada berbagai faktor. Salah satunya adalah berat molekul polimer (Mn). Faktor ini sangat berpengaruh terhadap sifat mikroskopik stuatu polimer yang meliputi sifat termal, sifat fisis, mekanik maupun sifat optik. Oleh karena itu penentuan berat molekul merupakan suatu hal yang harus dilakukan untuk dapat memperkirakan karakteristik polimer tersebut. Terdapat berbagai metode untuk menentukan berat molekul polimer. Salah satunya adalah metode viskositas. Dengan melakukan eksperimen ini diharapkan nantinya bisa menentukan Mn suatu polimer sehingga dapat memperkirakan karakteristik dari baha polimer yang digunakan.
2
Dasar Teori
Polimer adalah makromolekul yang tersusun dari satuan-satuan kimia sederhana yang disebut dengan monomer, seperti etilena, propilena, isobutilena dan butadiene. Bahan polimer ini dapat dikelompokkan atas dua bagian yaitu polimer alamiah dan polimer sintetis (Hartomo, 1995). Jika pengulangan satuan-satuan itu terstruktur secara linear maka molekul-molekul polimer sering kali digambarkan sebagai molekul rantai atau rantai polimer. Rantai polimer juga dapat bercabang. Beberapa rantai linear atau bercabang dapat bergabung melalui sambungan silang membentuk polimer bersambung silang 3 dimensi yang sering disebut sebagai polimer jaringan.
2 Ihfadni Nazwa Berat molekul merupakan salah satu faktor yang menentukan sifat polimer. Faktor penting lain yang menentukan sifat polimer adalah susunan rantai didalam polimer dan derajat kekristalannya. Pembagian polimer atau klasifikasi polimer bisa dilihat dari asal atau sumbernya, strukturnya, sifat termalnya, komposisi dan kristalinitasnya. Menurut sumbernya ada yang alami dan sintesis (seperti yang telah disebutkan diawal dasar teori). Menurut sifat termalnya, polimer memiliki 2 tipe yaitu polimertermoplastik dan termosetting. Termoplastik mempunyai sifat melunak pada pemanasan, misalkan saja polistiren( bahan yang digunakan dalam percobaan ini), sedangkan termosetting mempunyai sifat kaku dan tidak melunak pada pemanasan, misalnya bakelit, formaldehid. Jika ditinjau dari komposisinya maka polimer dibedakan menjadi 2 yaitu homopolimer dan kopolimer. Viskositas sendiri merupakan ukuran ketahanan suatu fluida terhadap gaya geser yang diberikan. Dalam prakteknya, koefisien viskositas ditentukan dengan penentuan laju aliran lewat pipa.Perbandingan antara viskositas suatu larutan polimer terhadap viskositas pelarut murni dapat dipakai untuk menentukan berat molekul suatu polimer. Viskositas intrinsik dapat dikaitkan dengan berat molekul melalui persamaan (1) berikut: η = K. M a Metode yang biasa digunakan untuk mengukur viskositas larutan adalah vikosimeter Oswald atau viskosimeter Ubbelohde. Jika viskositas larutan polimer adalah (η) dan viskositas dari pelarut murni adalah (η*) maka viskositas spesifik larutan polimer diberikan oleh persamaan (2) : η𝑠𝑝 =
η − η∗ η∗
Persamaan ini menggambarkan peningkatan viskositas yang disebabkan oleh polimer. Perbandingan (ηsp/c) pada pengenceran tak terhingga disebut sebagai viskositas intrinsic dan diberi lambang ηred. secara matematis persamaan (3) dapat dituliskan sebagai berikut : η𝑟𝑒𝑑 =
η𝑠𝑝 𝑐
Karena massa jenis berbagai larutan yang dipakai dalam suatu percobaan sama dengan massa jenis pelarut, maka sebagai pendekatan dapat diabaikan. Viskositas tiap larutan hasil pengenceran berbanding lurus dengan waktu alirnya, sehingga dapat dituliskan (persamaan (4)):
η=
𝑡1 ∗ η 𝑡∗
Dengan t merupakan waktu alir untuk larutan sedangkan t* adalah waktu alir untuk pelarut. Secara percobaan waktu alir untuk berbagai pengenceran larutan polimer dan pelarut bisa diperoleh melalui pengukuran dengan viskosimeter.
3
Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan pada eksperimen ini adalah sebagai berikut: a. Polimer yang akan diukur bobot molekulnya (Mn) yaitu polistiren
b. Pelarut (toluena) c. Stopwatch d. Gelas ukur e. Tabung reaksi f.
4
Tabung viskosimeter Oswald
Metode Eksperimen
Dalam percobaan ini, polimer yang digunakan adalah polistirena sebagai bahan yang akan di uji berat molekulnya dan toluena sebagai zat pelarutnya. Larutan campuran antara polistirena dengan toluena dibuat dengan konsentrasi yang berbeda-beda, mulai dari 1% sampai dengan 7%. Dengan volume toluena dibuat tetap sebesar 8 ml. Sedangkan massa polistirennya dibuat berbeda-beda tergantung dari konsentrasi yang dibutuhkan. Misalkan untuk konsentrasi 1% dengan volume toluena sebesar 8 ml maka massa dari polistirennya sebesar 0,08 gr agar mendapatkan konsentrasi 1% tersebut. begitu pula untuk konsentrasi lainnya. Larutan sampel tersebut kemudian dialirkan ke dalam tabung viskosimeter oswald untuk diukur berapa waktu alirnya. Dengan diperolehnya waktu alir tersebut bisa digunakan untuk menentukan viskositas larutan, viskositas spesifik dan viskositas reduksinya serta viskositas intrinsiknya sehingga nanti bisa didapatkan berat molekul dari bahan polimer yang digunakan tersebut yaitu polistirena.
5
Data Hasil Pengamatan
(terlampir) 6
Analisis Data
(Terlampir) 7
Hasil dan Pembahasan
Pada eksperimen kali ini kami mencoba menentukan berat molekul dari bahan polimer yaitu polistirene untuk mengetahui karakteristik dari bahan polimer yang digunakan. Karena dari berat molekul yang diketahui bisa diperoleh informasi mengenai sifat dan karakteristik dari suatu usur atau senyawa. Polistirene sendiri merupakan jenis bahan polimer sintesis yang dibuat dengan proses polimerisasi adisi dengan cara suspense dan terbentuk dari monomer stirene dengan rumus kimia C6H5-CH=CH2. Reaksi kimia dari polistirene ini dapat dituliskan seperti berikut :
Polistirene ini merupakan suatu bahan yang tidak bisa larut dalam air tetapi bisa larut dalam toluena, sehingga pada eksperimen kali ini kami menggunakan toluena sebagai zat pelarutnya. Setelah dilarutkan pada toluena dengan konsentrasi yang berbeda-beda, larutan sampel dialirkan pada tabung viskosimeter oswald untuk mendapatkan waktu alirnya. Dari hasil pengamatan yang kami peroleh, semakin besar konsentrasinya maka gaya geseknya semakin besar sehingga waktu yag diperlukan untuk mengalir pada tabung viskosimeter Oswald semakin lama semakin besar. Begitu pula dengan nilai viskositasnya. Semakin besar konsentrasi larutan sampel, maka viskositasnya semakin besar pula (bisa dilihat pada tabel analisis data).
4 Ihfadni Nazwa Dari hasil analisis data kemudian kami membuat sebuah grafik hubungan antara viskositas reduksi terhadap konsentrasi larutan. Berikut ini grafik yang kami peroleh :
η reduksi
Hubungan antara η reduksi dengan konsentrasi 160 140 120 100 80 60 40 20 0
y = 1737x + 29.61 R² = 0.957
η red Линейная (η red)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
konsentrasi (gr/ml)
Dari grafik diatas jelas terlihat bahwa semakin besar konsentrasinya maka nilai viskositasnya semakin besar pula. Dari grafik tersebut pula, bisa kita dapatkan besarnya berat molekul dari polistirene dengan jalan mengambil nilai viskositas intrinsik yaitu ketika konsentrasinya sama dengan nol. Ketika konsentrasinya sama dengan nol maka nilai viskositas intrinsiknya sebesar 29,61 (nilai n dari grafik). Setelah didapat nilai viskositas tersebut kemudian kita bisa menentukan berat molekul dengan menerapkan persamaan (1) sehingga berdasarkan analisis data diperoleh besarnya berat molekul polistiren sebesar 59955 gr/mol. Dengan didapatkannya berat molekul polistiren tersebut, maka jumlah rantai atau ikatan pada polistiren bisa diperkirakan dengan membagi berat molekul dengan Mr Stiren (104). Berdasarkan analisis diperoleh banyaknya ikatan pada polistiren sebesar 576 rantai stiren. Pada suhu ruangan, polistirena biasanya bersifat termoplastik padat, dapat mencair pada suhu yang lebih tinggi. Polistiren juga tahan air, bahan kimia non-organik dan alcohol. Akan tetapi bersifat rapuh, mudah terbakar dan ketahanan kerja pada suhu rendah sehingga tidak cocok untuk aplikasi luar ruangan.
8
Kesimpulan
Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, dapat kami simpulkan bahwa besarnya berat molekul dari polistiren adalah sebesar 59955 gr/mol dengan jumlah rantai stiren sebesar 576 rantai .
9 [1] [2] [3]
Daftar Pustaka Brandup, J.Immerqut, E.H.,1989,polymer handbook,john wiley & sons,inc.,New York Tim KBK Fisika Material. 2010. Buku Petunjuk Fisika Ekpserimental Lanjut. Surabaya : Universitas Airlangga http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/28424/3/Chapter%20II.pdf
LAMPIRAN 1. Data Hasil Pengamatan Waktu alir (sekon) Larutan Perc.1
Perc.2
Perc.3
Rata-rata
C1 (1%)
1,50
1,49
1,47
1,4867
C2 (2%)
2,32
2,28
2,31
2,3033
C3 (3%)
3,81
3,84
3,82
3,823
C4 (4%)
4,90
4,88
4,87
4,8833
C5 (5%)
7,43
7,49
7,48
7,467
C6 (6%)
8,93
8,90
8,88
8,903
C7 (7%) (t*)
1,05
1,03
1,01
1,03
2. Analisis Data 2.1 Menentukan Viskositas Larutan 2.1.1
Konsentrasi 1% 𝑡1 ∗ η 𝑡∗ 1,4867 η= 5,58 𝑥 107 𝑔𝑟 𝑚−1 𝑠 −1 1,03 η = 80541612 𝑔𝑟 𝑚−1 s−1 η=
2.1.2
Konsentrasi 2% 𝑡1 ∗ η 𝑡∗ 2,3033 η= 5,58 𝑥 107 𝑔𝑟 𝑚−1 𝑠 −1 1,03 η = 124780718 𝑔𝑟 𝑚−1 s −1 η=
2.1.3
Konsentrasi 3% 𝑡1 ∗ η 𝑡∗ 3,823 η= 5,58 𝑥 107 𝑔𝑟 𝑚−1 𝑠 −1 1,03 η = 207110097 𝑔𝑟 𝑚−1 s −1 η=
6
Ihfadni Nazwa
2.1.4
Konsentrasi 4% 𝑡1 ∗ η 𝑡∗ 4,8833 η= 5,58 𝑥 107 𝑔𝑟 𝑚−1 𝑠 −1 1,03 η = 264551592 𝑔𝑟 𝑚−1 s −1 η=
2.1.5
Konsentrasi 5% 𝑡1 ∗ η 𝑡∗ 7,467 η= 5,58 𝑥 107 𝑔𝑟 𝑚−1 𝑠 −1 1,03 η = 404522913 𝑔𝑟 𝑚−1 s −1 η=
2.1.6
Konsentrasi 6% 𝑡1 ∗ η 𝑡∗ 8,903 η= 5,58 𝑥 107 𝑔𝑟 𝑚−1 𝑠 −1 1,03 η = 482317864 𝑔𝑟 𝑚−1 s −1 η=
2.2 Menentukan viskositas spesifik (ηsp) 2.2.1
Konsentrasi 1% η − η∗ η∗ 80541612 − 5,58 𝑥 107 = 5,58 𝑥 107 = 0,443398
η𝑠𝑝 = η𝑠𝑝 η𝑠𝑝 2.2.2
Konsentrasi 2% η − η∗ η∗ 124780718 − 5,58 𝑥 107 = 5,58 𝑥 107 = 1,236214
η𝑠𝑝 = η𝑠𝑝 η𝑠𝑝 2.2.3
Konsentrasi 3% η𝑠𝑝 η𝑠𝑝 η𝑠𝑝
η − η∗ = η∗ 207110097 − 5,58 𝑥 107 = 5,58 𝑥 107 = 2,71165
2.2.4
Konsentrasi 4% η𝑠𝑝 η𝑠𝑝 η𝑠𝑝
2.2.5
Konsentrasi 5% η𝑠𝑝 η𝑠𝑝 η𝑠𝑝
2.2.6
η − η∗ = η∗ 264551592 − 5,58 𝑥 107 = 5,58 𝑥 107 = 3,741068
η − η∗ = η∗ 404522913 − 5,58 𝑥 107 = 5,58 𝑥 107 = 6,249515
Konsentrasi 6% η − η∗ η∗ 482317864 − 5,58 𝑥 107 = 5,58 𝑥 107 = 7,643689
η𝑠𝑝 = η𝑠𝑝 η𝑠𝑝
2.3 Menentukan viskositas reduksi (ηred) 2.3.1
Konsentrasi 1% η𝑟𝑒𝑑 = η𝑟𝑒𝑑
η𝑠𝑝
𝑐 0,443398 = 0,01
η𝑟𝑒𝑑 = 44,33981 2.3.2
Konsentrasi 2% η𝑟𝑒𝑑 = η𝑟𝑒𝑑
η𝑠𝑝
𝑐 1,236214 = 0,02
η𝑟𝑒𝑑 = 61,81068 2.3.3
Konsentrasi 3% η𝑟𝑒𝑑 =
η𝑠𝑝 𝑐
8
Ihfadni Nazwa
η𝑟𝑒𝑑
2,71165 = 0,03
η𝑟𝑒𝑑 = 90,38835 2.3.4
Konsentrasi 4% η𝑟𝑒𝑑 = η𝑟𝑒𝑑
η𝑠𝑝
𝑐 3,741068 = 0,04
η𝑟𝑒𝑑 = 93,5267 2.3.5
Konsentrasi 5% η𝑟𝑒𝑑 = η𝑟𝑒𝑑
η𝑠𝑝
𝑐 6,249515 = 0,05
η𝑟𝑒𝑑 = 124, 9903 2.3.6
Konsentrasi 6% η𝑟𝑒𝑑 = η𝑟𝑒𝑑
η𝑠𝑝
𝑐 7,643689 = 0,06
η𝑟𝑒𝑑 = 127,3948 2.4 Menentukan berat molekul Polistirena (Mn)
η reduksi
Hubungan antara η reduksi dengan konsentrasi 160 140 120 100 80 60 40 20 0
y = 1737x + 29.61 R² = 0.957
η red Линейная (η red)
0
0.02
0.04 konsentrasi
0.06
0.08
Dari grafik diperoleh nilai η sebesar 29,61. sehingga, bisa dicari berat molekul dari polistiren dengan menggunakan persamaan berikut : 𝜼 = 𝑲. 𝑴𝒂 Dimana K dan a merupakan tetapan khas untuk sistem yang besarnya masing-masing adalah 12 𝑥 10−3 𝑚𝑙/𝑔𝑟 dan 0,71. Sedangkan M merupakan berat molekul polimer. Dengan demikian : 0,71
𝑀=
0,71
𝑀=
𝜂 𝐾 29,61 12 𝑥 10−3
𝑀 = 59955 𝑔𝑟/𝑚𝑜𝑙 Sedangkan untuk menghitung banyaknya mer pada polistiren dapat dilakukan dengan membagi berat molekul polistiren dengan berat stiren. Secara matematis dituliskan : 𝑔𝑟
𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑟𝑎𝑛𝑡𝑎𝑖 =
59955 𝑚𝑜𝑙 𝑔𝑟
104 𝑚𝑜𝑙
= 576 𝑟𝑎𝑛𝑡𝑎𝑖
