STUDI PENGARUH PENAMBAHAN ZAT ELEKTROLIT KOH DAN KCL TERHADAP PEMISAHAN CAMPURAN BINER ETANOL-AIR
Disusun oleh :
AVRINA KUMALASARI M0311015
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016 i
ii
PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ”STUDI PENGARUH
PENAMBAHAN
ZAT
ELEKTROLIT
KOH
DAN
KCL
TERHADAP PEMISAHAN CAMPURAN BINER ETANOL-AIR” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, 14 Januari 2016
AVRINA KUMALASARI
iii
STUDI PENGARUH PENAMBAHAN ZAT ELEKTROLIT KOH DAN KCL TERHADAP PEMISAHAN CAMPURAN BINER ETANOL-AIR
AVRINA KUMALASARI Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan zat elektrolit, KOH dan KCl, terhadap titik azeotrop kurva kesetimbangan uap-cair, kadar destilat etanol, sifat koligatif dan sifat termodinamik yang meliputi konstanta titik didih, perubahan energi bebas Gibbs pencampuran, perubahan entropi pencampuran, dan perubahan entalpi penguapan pada campuran biner etanol-air. Perubahan titik azeotrop dianalisis melalui kurva temperatur versus komposisi campuran (T-x). Pengukuran temperatur titik didih dan titik embun dari masing-masing komposisi dilakukan selama proses destilasi dengan menggunakan kolom vigreux. Komposisi dari etanol-air-zat elektrolit divariasi antara 0-100% berat etanol dan zat elektrolit sebanyak 1 mol/kg etanol pada tekanan atmosfer. Kurva T-x hasil destilasi menunjukkan tidak adanya titik azeotrop pada campuran etanol-air-zat elektrolit. Sementara itu, titik azeotrop terlihat pada campuran etanol-air tanpa penambahan zat elektrolit. Kadar destilat etanol meningkat pada campuran dengan penambahan zat elektrolit. Konstanta titik didih, Kb, pada campuran etanol-air, etanol-air-KOH, dan etanol-air-KCl masingmasing bernilai -0,175; -0,011; -0,028. Energi bebas Gibbs pencampuran, Gmix, etanol-air-zat elektrolit bernilai negatif, mengindikasikan bahwa reaksi pencampuran terjadi secara spontan. Spontanitas ini didukung dengan nilai entropi pencampuran, Smix, bernilai positif, menunjukkan adanya peningkatan ketidakteraturan sistem. Entalpi penguapan, Hvap, pada campuran etanol-air adalah 300,1105 kJ/mol. Entalpi penguapan naik menjadi 738,4329 kJ/mol ketika campuran ditambah KOH dan 340,2338 kJ/mol ketika ditambah KCl yang mengindikasikan bahwa air merupakan komponen utama dalam campuran menjadi lebih sulit untuk menguap dan etanol lebih mudah melepas secara bebas melalui penguapan tunggal. Kata kunci: azeotrop, destilasi, etanol-air, kurva kesetimbangan uap-cair, sifat koligatif, sifat termodinamik, zat elektrolit
iv
STUDY OF EFFECT OF KOH AND KCL ELECTROLYTE SUBSTANCE ADDITION TO SEPARATION OF ETHANOL-WATER BINARY MIXTURE AVRINA KUMALASARI Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences Sebelas Maret University ABSTRACT The objective of this research is to analyze the effect of electrolyte addition i.e. KOH and KCl toward azetrope point of vapor-liquid equilibrium, the ethanol yield, colligative and thermodynamic properties are boiling point elevation constant, Gibbs free energy change of mixing, entropy change of mixing andenthalpy of evaporation ethanol-water binary mixture. The change of azeotropic point is analyzed through the plot of curve of the composition of the mixture versus temperature curve (T-x). Boiling point and dew point temperature of each compositions were measured during distillation process. The distillation was conducted in a vigreux column. The composition of ethanol-water-electrolyte mixture was varied between 0-100 weight % of ethanol and 1 mol/kg ethanol of electrolyte at atmospheric pressure. The T-x distillation curves shows that the azeotrope point is not existed in ethanol-water-electrolyte mixture. Meanwhile, the azeotrope point is existed in ethanol-water without electrolyte addition. The yield of ethanol increased due to electrolyte addition. The boiling point elevation constant, Kb, of ethanol-water, ethanol-water-KOH, ethanol-water-KCl mixture are -0,175; -0,011; -0,02, respectively. The Gibbs free energy change of mixing, Gmix, of ethanol-waterelectrolyte mixture is negative. It indicate that mixing process occurred spontaneously. The spontaneity is also supported by the value of the entropy of mixing, Smix, which is positive. It refers to the increasing of irregularity, confirming the spontaneity of mixing process. Meanwhile, the enthalpy of evaporation, Hvap, of ethanol-water mixture 300,1105 kJ/mol. The enthalpy increase to 738,4329 kJ/mol when KOH was added and the enthalpy value is340,2338 kJ/mol when KCl was added. It indicate that water as main component in the mixture became more difficult to vaporize and led ethanol to be freely released through single evaporation. Keywords: azeotrope, colligative properties, distillation, electrolyte substance, ethanol-water, vapor-liquid equilibrium curve, thermodynamic properties
v
MOTTO
…Allah akan mengangkat (derajat) orang-orang yang beriman di antaramu dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat. Dan Allah Mahateliti apa yang kamu kerjakan (Al Mujadilah: 11) Ketika engkau sudah berada di jalur menuju Allah, maka berlarilah. Jika sulit bagimu, maka berlari kecil lah. Jika kamu lelah berjalanlah. Jika itupun tak mampu, merangkaklah. Namun, jangan pernah berbalik arah atau berhenti (Imam Syafi’i). …Dan Dia mendapatimu sebagai seorang yang bingung, lalu Dia memberikan petunjuk. Dan Dia mendapatimu sebagai seorang yang kekurangan, lalu Dia memberikan kecukupan (AdhDhuhaa: 7-8)
vi
PERSEMBAHAN Teriring rasa syukur, karya kecil ini saya persembahkan untuk : Ibu dan kakek tercinta, Sri Setyowati dan Marjuki yang tak henti memberikan kasih sayang, motivasi dan doa yang tulus ikhlas dan penuh kesabaran Keluarga besar di Semarang yang ikut mendukung dan mendoakanku Dosen-dosen yang telah membimbingku Sahabat sepanjang masa, Ira Sari Natasya, Dine Wahyu Prima, Aulia Fitri Jayanti, Rahayu Manolita, Diana Ghozali, Donny Fisca, Imroatu Sholihah, yang ikut menyemangati, menghibur dan mendoakanku Teman-teman Astatin Forces, Az-Zafiroh dan tim KKN Desa Brajan Kecamatan Mojosongo, Boyolali yang ikut mendukung dan menyemangatiku
vii
KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat memperoleh gelar sarjana. Sholawat serta salam senantiasa penulis haturkan kepada suri tauladan terbaik, Nabi Muhammad SAW. Penulis menyadari bahwa penyelesaian skripsi ini tidak terlepas dari bantuan pihak-pihak lain, oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Prof. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D selaku Dekan FMIPA UNS. 2. Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si selaku Kepala Program Studi Kimia FMIPA UNS. 3. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M.Si selaku Pembimbing I skripsi yang telah memberikan banyak bimbingan dan bantuan dalam penyelesaian skripsi. 4. Dr. Fitria Rahmawati selaku Pembimbing II skripsi yang selalu memberikan banyak bimbingan dan bantuan dalam penyelesaian skripsi. 5. Dr. Eddy Heraldy, M.Si selaku Pembimbing Akademis yang telah memberikan saran dan motivasinya selama konsultasi. 6. Seluruh dosen Kimia FMIPA UNS yang telah mencurahkan ilmu kimia dan ilmu tentang kehidupan. 7. Ibu, kakek dan seluruh keluarga yang selalu mendoakan dan menyemangati. 8. Sahabat-sahabat di Semarang, teman-teman tim penelitian katalis, temanteman Kimia 2011, kakak-kakak dan adik-adik tingkat Kimia FMIPA UNS atas dukungan dan bantuannya. 9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini.Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi menunjang skripsi ini menjadi lebih baik.Semoga ini bermanfaat bagi pembaca. Surakarta, 14 Januari 2016 Avrina Kumalasari
viii
DAFTAR ISI Halaman
HALAMAN JUDUL ..................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................
ii
HALAMAN PERNYATAAN ...................................................................
iii
HALAMAN ABSTRAK .............................................................................
iv
HALAMAN ABSTRACT ..........................................................................
v
HALAMAN MOTTO .................................................................................
vi
PERSEMBAHAN ......................................................................................
vii
KATA PENGANTAR ................................................................................
viii
DAFTAR ISI ..............................................................................................
ix
DAFTAR TABEL .......................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR .................................................................................
xii
DAFTAR LAMPIRAN ..............................................................................
xiii
DAFTAR SIMBOL ....................................................................................
xiv
BAB I PENDAHULUAN .......................................................................
1
1.1
Latar Belakang Masalah .....................................................
1
1.2
Perumusan Masalah ............................................................
3
1.3
Tujuan Penelitian .................................................................
5
1.4
Manfaat Penelitian ...............................................................
5
BAB II LANDASAN TEORI ....................................................................
6
2.1
Tinjauan Pustaka .................................................................
6
2.1.1 Sistem Biner ........................................................................
6
2.1.2 Azeotrop .............................................................................
11
2.1.3 Metode Pemisahan Sistem Biner .........................................
12
2.1.4 Sifat Koligatif dan Sifat Termodinamik ..............................
18
2.1.5 Kromatografi Gas.................................................................
24
2.2
Kerangka Pemikiran ............................................................
25
2.3
Hipotesis ..............................................................................
26
ix
BAB III METODOLOGI PENELITIAN....................................................
27
3.1
Metode Penelitian ................................................................
27
3.2
Tempat dan Waktu Penelitian .............................................
27
3.3
Alat dan Bahan ....................................................................
27
3.4
Prosedur Penelitian ..............................................................
27
3.5
Teknik Pengumpulan dan Analisis Data .............................
28
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.....................................................
30
4.1
Kesetimbangan Uap-Cair Sistem Biner Etanol-Air ............
30
4.2
Kesetimbangan Uap-Cair Etanol-Air-Zat Elektrolit ...........
32
4.3
Konstanta Titik Didih (Kb) Campuran Etanol-Air dan Etanol-AirZat Elektrolit ........................................................................
4.4
Energi Bebas Gibbs dan Entropi Campuran Etanol-Air dan EtanolAir-Zat Elektrolit .................................................................
4.5
35
37
Entalpi Penguapan Campuran Etanol-Air dan Etanol-Air - Zat Elektrolit ..............................................................................
40
BAB V PENUTUP.....................................................................................
43
5.1
Kesimpulan ..........................................................................
43
5.2
Saran ....................................................................................
43
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................
44
LAMPIRAN ................................................................................................
48
x
DAFTAR TABEL Halaman
Tabel 2.1 Data pengukuran sistem biner methanol-air pada 1 atm ............
8
Tabel 2.2 Energi ikat antara entrainer dengan air atau etanol ....................
15
Tabel 4.1 Nilai energi bebas Gibbs pencampuran (ΔGmix) .........................
37
Tabel 4.2 Nilai entropi pencampuran (ΔSmix) .............................................
38
xi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Kurva temperatur versus komposisi sistem biner ..................
8
Gambar 2.2 Kurva T-x sistem biner methanol-air pada 1 atm ...................
9
Gambar 2.3 Kurva destilasi 91 Al Gasoline ..............................................
9
Gambar 2.4 Kurva destilasi dan T-x campuran biner etanol-benzena .......
10
Gambar 2.5 Kurva T-x dengan titik didih maksimal dan minimal ............
11
Gambar 2.6 Kurva kesetimbangan uap-cair campuran etanol-air .............
12
Gambar 2.7 Selektivitas etanol terhadap air pada konsetrasi tertentu dengan berbagai campuran entrainer pada 298,2 K ........................... Gambar 2.8 Kurva x-y dan volatilitas relatif etanol-air+[EMIM]+[Ac]-+KAc
14 15
Gambar 2.9 Struktur geometri dari (a)etanol+air (b) etanol+KAc (c) air+KAc (d) etanol+[EMIM]+[Ac]- (e) air+[EMIM]+[Ac]- (f) etanol+[EMIM]+[Ac]- +KAc (g) air+[EMIM]+[Ac]-+KAc ...
16
Gambar 2.10 Kurva fungsi Gibbs dan entropi pencampuran dari campuran biner ideal ........................................................................................
22
Gambar 4.1 Kurva kesetimbangan uap-cair sistem biner etanol-air..........
31
Gambar 4.2 Kurva Kesetimbangan Etanol-Air-Zat elektrolit ...................
32
Gambar 4.3 Ilustrasi mekanisme reaksi dari (a) campuran etanol-air (b) campuran etanol-air-zat elektrolit ...........................................................
33
Gambar 4.4 Grafik molalitas zat terlarut (etanol) versus kenaikan titik didih pada campuran etanol-air ...............................................................
35
Gambar 4.5 Grafik molalitas zat terlarut (etanol+zat elektrolit (KOH dan KCl)) versus kenaikan titik didih pada campuran etanol-air-zat elektrolit 36 Gambar 4.6 Grafik Fungsi Gibbs dan Entropi Pencampuran ....................
39
Gambar 4.7 Grafik 1/T versus ln 𝑎 etanol campuran etanol-air ................
40
Gambar 4.8 Grafik 1/T versus ln 𝑎 etanol campuran etanol-air-zat elektrolit (KOH dan KCl) ......................................................................
xii
41
DAFTAR LAMPIRAN Halaman
Lampiran 1. Penentuan Volume Etanol dan Air dari Perbandingan Berat
48
Lampiran 2. Penentuan Koefisien Aktivitas (γ) dari Zat Elektrolit ...........
49
Lampiran 3. Penentuan Konstanta Titik Didih (Kb) Campuran .................
50
Lampiran 4. Penentuan Perubahan Energi Bebas Gibbs Pencampuran (∆Gmix) dan Perubahan Entropi Pencampuran (∆Smix) ...............................
55
Lampiran 5. Penentuan Perubahan Entalpi Penguapan Campuran (∆Hvap)
58
Lampiran 6. Hasil Kromatografi Gas .........................................................
60
Lampiran 7. Penentuan Kadar Destilat Etanol Hasil Kromatografi Gas ....
64
xiii
DAFTAR SIMBOL
A
tetapan untuk larutan dengan pelarut air pada 25 oC
a
intercept
ɑ
aktivitas pelarut
b
slope
C
konstanta
c
konsentrasi ion
I
kekuatan ionik dari larutan
i
faktor Van Hoff
j
zat elektrolit (KOH dan KCl)
Kb
tetapan kenaikan titik didih
m
molalitas zat terlarut
me
molalitas zat terlarut (etanol)
mez
molalitas zat terlarut (etanol+zat elektrolit)
n
jumlah mol
n1
mol pelarut
n2
mol zat terlarut
n3
mol zat terlarut elektrolit
Po
tekanan uap pelarut murni
P1
tekanan uap jenuh pelarut
P2
tekanan uap jenuh zat terlarut
R
tetapan umum gas
r
jarak pisah antara dua partikel
T0
temperatur pelarut murni
T
temperatur campuran
𝑉𝑟
potensial intermolecular antara dua atom atau molekul
x
kadar sampel
x
fraksi mol komponen dalam fase cair
x1
fraksi mol pelarut dalam fase cair
x2
fraksi mol zat terlarut dalam fase cair
xiv
x3
fraksi mol zat terlarut elektrolit dalam fase cair
y
luas area sampel
y
fraksi mol komponen dalam fase uap
z
muatan ion
z+
muatan ion positif
z-
muatan ion negatif
γ
koefisien aktivitas komponen
ΔGmix
perubahan energi bebas Gibbs pencampuran
ΔGvap
perubahan energi bebas Gibbs penguapan
ΔHvap
perubahan entalpi penguapan campuran
ΔP
penurunan tekanan uap jenuh pelarut
ΔSmix
perubahan entropi pencampuran
ΔSvap
perubahan entropi penguapan
ukuran kekuatan tarik-menarik dari masing-masing partikel
θ
kenaikan titik didih
ν
jumlah muatan positif dan negative
σ
ukuran dari kedekatan dua partikel nonbonding
xv
