REAKSI PERTUKARAN KATION

I. Tujuan
a. Menentukan konsentrasi total kation di dalam air alami
b. Memahami Prinsip-prinsip reaksi pertukaran kation
c. Memahami faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi pertukaran kation

II. Teori
Kromatografi penukar kation merupakan metode yang tepat untuk mengukur total kation atau anion di dalam larutan berair. Jika air dilewatkan melalui kolom penukar kation dengan resin H+, maka kation-kation di dalam air akan akan menghalangi pertukaran dengan ion H+ dari resin. Ion hydrogen yang dibebaskan dihitung melalui titrasi dengan standar alkali. Di dalam analisis air dikenal satuan “keasaman mineral ekivalen” (sma) yang menyatakan konsentrasi total kation sebagai ppm dari CaCO3 (mg CaCO3 perliter air) (Tim Labor Kimia Fisika, 2010)
Resin penukar ion merupakan salah satu metoda pemisahan menurut perubahan kimia. Resin penukar ion ada dua macam yaitu resin penukar kation dan resin penukar anion. Jika disebut resin penukar kation maka kation yang terikat pada resin akan digantikan oleh kation pada larutan yang dilewatkan. Begitupun pada resin penukar anion maka anion yang terikat pada resin akan digantikan pleh anion pada larutan yang dilewatkan ( Wahono,2007 ).
Prinsip dari percobaan ini adalah mengganti atau mempertukarkan ion yang terikat pada polimer pengisi resinnya dengan ion yang dilewatkan. Selain itu jangan melakukan kesalahan ataupun kecerobohan sehingga dapat merusak peralatan yang digunakan ( Wahono,2007 ).
Pengertian Penukar Ion
Penukar ion dapat berupa suatu zat dan penukar itu sendiri adalah zat padat tertentu yang dapat membebaskan ionnya kedalam larutan ataupun menggantikan ion lain dari ion larutan. Berupa butiran, biasa disebut resin yang tidak larut dalam air. Dalam strukturnya, resin ini mempunyai gugus ion yang dapat dipertukarkan. Contoh : pengolahan air dengan penukaran ion untuk produksi uap didalam sebuah ketel uap. Air umumnya mengandung ion kalsium. Karena terjadi penguapan,konsentrasi kapur didalam ketel akan meningkat sehingga menimbulkan kerak. Kerak ini akan menyebabkan pemborosan bahan bakar,karena menghambat panas. Oleh karena itu kadar kapur harus seminimal mungkin. Salah satu caranya adalah dengan penukar ion dengan penukar resin yang mengandung gugus natrium. Air dilewatkan ke dalam tumpukan butiran resin.
Alat penukar ion organik banyak sekali digunakan pada industri-industri. Dan hanya terbagi menjadi dua macam yaitu :
a. Resin Penukar Kation
Adalah resin yang akan menukar atau mengambil kation dari larutan. Apabila yang dialirkan larutan garam, MX kedalam buret yang telah berisi resin penukar kation, maka akan terjadi suatu reaksi pertukaran :
MX (aq) + Res-H → HX (aq) + Res- M
b. Resin Penukar Anion
Adalah resin yang akan menukar dan mengambil anion dari larutan. Apabila dialirkan suatu larutan dalam buret yang telah berisi resin penukar anion, maka akan terjadi suatu reaksi penukaran :
MX (aq) + Res-H → H2O (aq) + Res-X
Resin penukar anion yang positif adalah gugus yang dapat terionisasi memberikan ionnya, misalnya penukar anion amkuartener, merupakan penukar anion yang sangat kuat, sedangkan resin penukar anion basa lemah yang mengandung gugus ion. Baik penukar anion maupun penukar kation dapat dianggap sebagai resin suatu senyawa asam atau basa yang tidak larut dan dapat berreaksi sebagai asam atau basa. Tetapi bagian yang terikat pada struktur atomnya tidak dapat lepas.
Ion yang dapat menggantikan muatannya dengan ion disebut counter ion, digunakan untuk penukar kation dalam kation dan penukar anion dalam anion. Tipe penukar ion dalam suatu reaksi tertentu, misalnya resin asam salah satu caranya adalah H+ atau muatan lain yang sama muatannya, penukar ion kita pilih sedemikian rupa sehingga ion yang digantikan adalah H+ atau OH-.
Dalam pertukaran ion, suatu larutan resin dibiarkan mengalir melewati suatu susunan bahan yang terbuat dari butiran zeolit atau suatu resin pertukaran ion. Ion-ion dalam larutan menjadi terikat pada bahan itu dan kemudian menggeser ion yang sama tandanya. Pertukaran ion digunakan dalam pelunakan ion. Pertukaran ion dalam desalinasi adalah sebagian pasangan dari salah satu proses lain.
Resin pertukaran ion organik menunjukkan sifat-sifat yang menguatkan untuk tujuan-tujuan pemisahan. Untuk memisahkan ion sering digunakan resin penukar anion, hal ini disebabkan pada kondisi tertentu ion-ion logam dapat membentuk senyawa komplek anion dengan ciri-cirinya ion yang bermuatan negatif, dan memiliki pasangan ion yang dapat disumbangkan untuk membentuk ikatan koordinasi yang baik ( Hiskia, 1994 ).
Resin penukar ion merupakan suatu polimer dengan berat molekul yang cukup tinggi dan memiliki gugus-gugus tertentu . Resin penukar kation mengandung gugus karboksilat, sufanoat, fenolat atau gugus lain dan sejumlah kation ekivalen. Resin penukar kation mengandung kation bebas yang dapat dipertukarkan dengan kation dalam suatu larutan. resin penukar kation dapat dipertukarkan dengan kation lain, seperti reaksi:
2(Res. SO3-)H+ + Na+(lar) —–> 2(Res. SO3-)Na+ + H+(lar)
Dalam reaksi diatas, kation H dapat ditukar dengan kation Na secara ekivalen. Pertukaran ion terjadi secara stoikiometri deimana setiap satu ion H diganti oleh satu ion Na. Sedangkan dua atom H diganti dengan satu ion Ca(II) dan seterusnya. Ion yang dapat ditukar merupakan ion lawan yang tidak terikat dengan kuat pada matrik polimer.
Apabila larutan NaCl dialirkan melalui kolom resin penukar kation, maka dapat terjadi peristiwa:

NaCl + H-Res —–> Na-Res + HCl
Reaksi kesetimbangan di atas menunjukkan bahwa H-Res menggambarkan resin dalam lingkar hidrogen. Dari reaksi tersebut terlihat bahwa jumlah ion Na+ diganti dengan jumlah ion H+ setara dengan jumlah Na+ tersebut. Kesimpulannya adalah bahwa meskipun dimasukkan larutan NaCl, larutan yang keluar adalah HCl.
Jumlah NaCl yang dapat diubah menjadi HCl, tergantung pada kapasitas resin dan jumlah resin yang terdapat dalam kolom. Apabila resin mencapai batas kapasitas penukaran, arah reaksi dapat dibalik (seperti diatas) yang disebut dengan proses regenerasi.
Resin penukar kation dapat dibagi menjadi dua yaitu asam kuat dan asam lemah. Resin penukar kation asam kuat misalnya yang mengandung gugus sulfanoat sehingga atom H dapat diganti oleh atom Na dari NaCl. Resin penukar kation asam lemah mengandung gugus karboksilat yang memerlukan larutan dengan pH>7 untuk dapat mengganti atom H.

III. Alat dan Bahan

a. Peralatan yang digunakan
1. Kolom penukar kation 1 buah
2. Erlemeyer 250 ml 3 buah
3. Erlemeyer 50 ml 1 buah
4. Pipet tetes 3 buah
5. Gelas ukur 10 ml 1 buah
6. Gelas ukur 50 ml 1 buah
7. Gelas ukur 100 ml 1 buah
8. Beaker glass 250 ml 2 buah
9. Spatula 2 buah
10. Statip 2 buah
11. Corong kaca 1 buah
12. Botol semprot 1 buah
13. Batang pengaduk 1 buah
14. Labu ukur 25 ml 1 buah
15. Labu ukur 50 ml 1 buah
16. Labu ukur 250 ml 1 buah
17. Labu ukur 500 ml 2 buah

b. Bahan Kimia yang digunakan
1. Resin penukar kation
2. NaOH 0,002 N
3. HCl 2 N dan 0,02 N
4. Indikator Phenil Phtalein
5. Indikator Methyl orange

TEGANGAN PERMUKAAN

Daerah Antar Muka

Pada pembahasan termodinamika terdahulu, setiap fasa dari suatu sistem termodinamika dianggap sangat homogen, dengan sifat – sifat intensif yang dianggap tetap. Tetapi jika efek permukaan diperhitungkan, maka terlihat bahwa sifat – sifat molekul atau atom pada permukaan tidak sama jika dibandingkan dengan molekul atau atom pada fasa ruah. Daerah tiga dimensi yang membatasi dua fasa yang berbeda disebut sebagai daerah antar muka (interphase / interface / interfacial region). Bila salah satu fasa yang terlibat adalah fasa gas (udara), maka daerah antar muka dapat disebut permukaan (surface region).

Gambar 5.1. Ilustrasi sistem dua fasa dengan dan tanpa daerah antar muka

α dan β merupakan fasa ruah. Daerah antar muka  adalah daerah terarsir antara kedua fasa ruah, dengan ketebalan kurang lebih 3 molekul. Efek permukaan / daerah antar muka sangat berpengaruh untuk sistem – sistem seperti koloid (dimana perbandingan permukaan terhadap volume tinggi) atau sistem gas – padat (dimana sejumlah gas dapat teradsorpsi pada padatan). Pengetahuan tentang efek permukaan sangat penting dalam dunia industri dan biologi. Banyak reaksi kimia yang berlangsung dengan bantuan katalis heterogen, yang berfungsi sebagai permukaan tempat terjadinya reaksi.

Tegangan Permukaan

            Untuk mendefinisikan tegangan permukaan, digambarkan suatu rangka kawat yang disusun seperti piston. Di dalam rangka kawat tersebut terdapat film permukaan yang luasnya dapat berubah bila tangkai piston ditarik.

Gambar 5.2. Rangka kawat piston dengan film permukaan

Gaya (F) yang diperlukan untuk meregang film permukaan berbanding lurus dengan panjang piston (l). Karena terdapat dua permukaan (depan dan belakang) pada film, maka

                                                   ..............................................       (5.1)

atau                                            ...................................................       (5.2)

dimana γ adalah tegangan permukaan. Satuan tegangan permukaan adalah kerja (energi) per satuan luas. Satuan SI untuk γ adalah adalah J/m² atau N/m, sedangkan satuan cgs untuk γ adalah erg/cm² atau dyn/cm.

            1 erg/cm² = 1 dyn/cm = 10^-3 J/m² = 10^-3 N/m = 1 mN/m = 1 mJ/m²

A adalah luas daerah antar muka antara fasa α dan β, maka dengan memberi kerja mekanik pada piston akan mengakibatkan perubahan luas area sebesar dA. Jika P adalah tekanan sistem dan V adalah volume total sistem, maka total kerja reversibel yang terjadi pada sistem α dan β adalah

                                       ...........................................       (5.3)

Persamaan (5.3) berlaku untuk daerah antar muka / permukaan planar, dimana sudut kontak adalah nol. Tegangan permukaan dapat ditentuka dengan berbagai macam metoda. Tetapi, pada pembahasan ini, hanya akan dibahas penentuan tegangan permukaan dengan menggunakan metode kenaikan kapiler (capillary – rise method).

Penentuan Tegangan Permukaan

            Penentuan tegangan permukaan dengan menggunakan metode kenaikan kapiler melibatkan permukaan lengkung dengan sudut kontak tidak sama dengan nol. Kenaikan cairan pada pipa kapiler dapat diasumsikan sebagai terjadinya lapisan tipis film cairan yang teradsorpsi pada dinding kapiler. Untuk mengurangi daerah permukaan yang terkena udara, cairan akan naik pada pipa. Kesetimbangan akan tercapai bila energi bebas mencapai nilai minimum.

Gambar 5.3. Kenaikan dan penurunan cairan dalam kapiler

Anggap terdapat cairan berjari  - jari r dan tekanan P pada kesetimbangan dalam pipa kapiler. Adanya tegangan permukaan menyebabkan cairan mengkerut menjadi r – dr dan tekanan uap bertambah menjadi P + ΔP. Besarnya penambahan tekanan (ΔP) harus sebanding dengan perubahan luas permukaan. Bila cairan dianggap berbentuk bola (spheric), maka

                                                   ..................................................       (5.4)

                                                         .............................................       (5.5)

Karena perubahan luas permukaan (dA) akan sebanding dengan perubahan volume (dV),

                                                   ...........................................       (5.6)

maka kerja yang dilakukan adalah

                                               

                                                       .......................................       (5.7)

Nilai kerja (w) harus sebanding dengan perubahan tegangan permukaan

                                       ..........................................       (5.8)

                                                   ..................................................       (5.9)

dengan r adalah jari – jari cairan dalam pipa kapiler. Persamaan (5.9) disebut sebagai persamaan La Place. Untuk menentukan nilai r digunakan persamaan

                                                   ................................................       (5.10)

                                                   ........................................       (5.11)

Adanya tekanan atmosfer mendorong cairan dalam pipa ke atas sampai perbedaan tekanan cairan pada permukaan lengkung dan permukaan planar dapat diimbangi oleh tekanan hidrostatik akibat kenaikan cairan setinggi h pada pipa.

                                       ......................................       (5.12)

Jika ρ_l adalah rapat massa cairan dan ρ_v adalah rapat massa uap, maka ρ_v « ρ_l. Sehingga persamaan (5.12) menjadi

   ......................................       (5.13)

   ......................................................       (5.14)

Tegangan Permukaan dan Tekanan Uap

            Tinjau suatu sistem dimana terdapat tetesan cairan sebanyak dn mol (dari fasa ruahnya) dengan jari – jari r di atas permukaan. Tekanan uap normal cairan adalah P⁰ dan tekanan uap tetesan adalah P. Karena , maka perubahan energi bebas Gibbs untuk sistem di atas dapat dinyatakan sebagai

                                       .................................................     (5.15)

Perubahan energi bebas juga dapat ditentukan dari perubahan energi permukaan cairan yang terjadi akibat kenaikan area permukaan  karena penambahan sejumlah dn mol senyawa dengan massa molar M. Penambahan ini menyebabkan kenaikan volume sebesar M dn/ρ yang besarnya sebanding dengan perubahan jari – jari tetesan berluas 4πr² sebanyak dr.

                                       ..................................................       (5.16)

                                       ...................................................       (5.17)

            Perubahan energi permukaan nilainya sama dengan tegangan permukaan dikalikan perubahan daerah permukan yang merupakan hasil dari perubahan jari – jari tetesan.

                                       ............................................     (5.18)

Substitusi dr dengan menggunakan persamaan (5.17) menghasilkan

                                       .........................................       (5.19)

                                                   .........................................       (5.20)

Dengan menggabungkan persamaan (5.15) dan (5.20), didapat

                                       ........................................     (5.21)

                                                   ........................................       (5.22)

Karena M/ρ adalah volume molar (V_m), maka persamaan (5.22) menjadi

                                                   ........................................       (5.23)

Persamaan (5.23) disebut sebagai persamaan Kelvin. Menurut persamaan ini, tetesan berjari – jari kecil akan memiliki tekanan uap yang besar

Termodinamika Permukaan

Untuk mempelajari sifat – sifat terodinamika dari permukaan, terdapat dua pendekatan yang berlaku. Menurut Gibbs (1878), daerah antar muka dapat dianggap sebagai permukaan dua dimensi dengan V = 0 tetapi sifat – sifat termodinamikanya ≠ 0. Sedangkan Guggenheim (1940) menyatakan bahwa daerah antar muka merupakan daerah tiga dimensi dengan volume dan sifat – sifat termodinamika ≠ 0. Tinjauan termodinamika permukaan lebih sering menggunakan pendekatan Gibbs.

            Pada pendekatan Gibbs, daerah antar muka diasumsikan sebagai daerah planar dan dilambangkan dengan superscript σ.

daerah antar muka Gibbs

Sistem permodelan Gibbs

Sistem sesungguhnya

Gambar 5. 4. Pendekatan termodinamika Gibbs

Daerah antar muka Gibbs mempunyai ketebalan nol sehingga volumenya adalah nol (V^σ = 0). Total volume untuk sistem Gibbs adalah

                                    V = V^α  +  V^β   ..................................................        (5.24)

Energi dalam fasa α pada sistem Gibbs dinyatakan sebagai

                                    U^α =  ...............................................        (5.25)

Indeks ”ruah” menyatakan fasa α yang berada pada sistem sesungguhnya. Nilai  /  disebut sebagai energi per unit volume (energy density) dalam fasa ruah α. Dengan cara yang sama, maka nilai U^β dapat ditentukan. Total energi dalam pada sistem Gibbs dinyatakan sebagai

                        U = U^α  +  U^β  +  U^σ   atau   U^σ = U  +  U^α  –  U^β ............        (5.26)

Nilai entropi sistem dihitung dengan cara yang sama, yaitu

S^α = ,   S^β = ,   S^σ = S  +  S^α  –  S^β ............        (5.27)

Jumlah komponen sistem ditentukan dengan cara

                        ,        ............................................        (5.28)

               atau     ............................        (5.29)

Menurut Hk. I Termodinamika, pada sistem terbuka yang melibatkan 2 fasa

            dU = TdS – PdV + γdA +   ...........................................        (5.30)

Pada daerah antar muka dimana V^σ = 0

            dU^σ = TdS^σ + γdA^σ +  ..................................................        (5.31)

Bila sistem diubah dari keadaaan 1 ke keadaan 2 dengan P, T, dan c, tetap maka

              ......................................        (5.32)

Indeks 1 menyatakan kondisi dengan nilai yang mendekati nol dan dapat dieliminasi sehingga persamaan 5.9 menjadi

              ...........................................................       (5.33)

Diferensial total untuk persamaan (5.33) adalah

             .........       (5.34)

Dengan menggabungkan persamaan 5.31 dan 5.34 didapat persamaan

                           .........................................       (5.35)

Pada temperatur tetap,

                                       ..............................................       (5.36)  

Ungkapan di atas disebut persamaan isoterm adsorpsi Gibbs.

Bila nilai konsentrasi permukaan () dinyatakan sebagai

                                       .....................................................       (5.37)

maka persamaan isoterm adsorpsi Gibbs menjadi

                           ..........................................................       (5.38)

Aplikasi paling umum dari isoterm adsorpsi Gibbs adalah pada sistem dua fasa dimana konsentrasi komponen 1 dan i pada fasa β jauh lebih kecil daripada fasa α,  << ,  << . Contoh aplikasi ini meliputi :

a)      Sistem cair – uap dengan tekanan uap rendah atau sedang, dimana konsentrasi fasa uap jauh lebih rendah daripada konsentrasi fasa cairnya.

b)      Sistem cair – cair dimana pelarut 1 dan zat terlarut i pada fasa α tidak terlarut pada fasa β.

c)      Sistem padat – cair dimana pelarut 1 dan zat terlarut i pada fasa cair tidak terlarut pada fasa padat (prinsip ini sangat penting dalam elektrokimia).

Untuk sistem – sistem tersebut, berlaku persamaan

                           .................................................       (5.39)

dimana Γ_i(1) adalah adsorpsi relatif komponen i terhadap komponen 1 (pelarut),  dan  adalah jumlah mol senyawa i dan 1 di daerah antar fasa pada sistem sesungguhnya,  dan  adalah jumlah mol senyawa i dan 1 pada fasa ruah α dalam sistem sesungguhnya.

a)      Bila nilai Γ_i(1) dari zat terlarut i positif, maka komponen i teradsorpsi positif pada daerah antar muka.

b)      Bila nilai Γ_i(1) dari zat terlarut i negatif, maka komponen i teradsorpsi negatif pada daerah antar muka.

Adsorpsi adalah peristiwa penyerapan senyawa pada daerah antar muka dibandingkan dengan jumlah senyawa tersebut di daerah fasa ruahnya.

            Untuk sistem dua fasa dua komponen, persamaan isoterm adsorpsi Gibbs dapat dinyatakan sebagai

                                       ....................................................       (5.40)

Bila fasa α dinyatakan sebagai fasa padat atau cair, maka

                           ...............................................       (5.41)

Ketergantungan  terhadap tekanan sangat kecil untuk fasa terkondensasi. Pada suhu konstan,  dan persamaan 5.18 menjadi

                           .................................................       (5.42)

Jika fasa α sangat encer sehingga  ( dimana c^o = 1 mol/dm³), maka

                           ...........................................       (5.43)

Persamaan 5.20 menyatakan bahwa nilai Γ₂₍₁₎ akan positif bila tegangan permukaan (γ) menurun dengan naiknya konsentrasi zat terlarut. Perilaku zat terlarut dalam larutan encer dapat digolongkan menjadi tiga jenis, yaitu :

a)      Tipe I : kenaikan konsentrasi zat terlarut mengakibatkan kenaikan γ dengan laju yang rendah

Contoh : larutan garam – garam anorganik dan gula

b)      Tipe II : kenaikan konsentrasi zat terlarut mengakibatkan penurunan γ dengan laju tertentu

Contoh : senyawa – senyawa organik yang memiliki bagian yang larut dalam air

c)      Tipe III : kenaikan konsentrasi zat terlarut menyebabkan penurunan tajam nilai γ hingga mencapai nilai konstan

Contoh : garam – garam yang terbentuk dari asam organik rantai sedang (sabun, RCOO^-Na⁺)

  

Gambar 5. 5. Kurva tegangan permukaan terhadap konsentrasi untuk larutan encer

Film Permukaan pada Cairan

            Senyawa hidrokarbon rantai sedang yang mempunyai gugus polar di salah satu ujungnya secara spontan akan membentuk lapisan tipis di atas air, contohnya CH₃(CH₂)₁₆COOH (asam stearat), CH₃(CH₂)₁₁OH (lauryl alcohol), dan CH₃(CH₂)₁₄COOC₂H₅ (etil palmitat). Lapisan tipis ini disebut film permukaan atau film Langmuir, dengan ketebalan umumnya satu molekul. Rantai hidrokarbon yang tidak pendek membuat kelarutan senyawa – senyawa tersebut dalam air cukup rendah. Pada  suhu ruang, ketiga senyawa tersebut berupa padatan atau cairan dengan titik didih tinggi dan tekanan uap sangat rendah. Karena itu, jumlah senyawa terlarut (i) dalam fasa ruah air dan udara sangat kecil (sehingga dapat diabaikan) bila dibandingkan dengan jumlah senyawa (i) pada daerah antar muka. Karena , maka  dan . Nilai adalah positif, sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa adanya film permukaan akan menurunkan tegangan permukaan (lihat persamaan 5.43).

            γ^o dan γ dinyatakan sebagai tegangan permukaan air murni dan air yang ditutupi oleh film permukaan. Karena film permukaan menurunkan tegangan permukaan, maka γ akan lebih kecil daripada γ^o. Selisih gaya per unit panjang antara γ^o dan γ disebut tekanan permukaan (suface pressure, π).

                                                   ..............................................       (5.44)

Ada dua cara untuk menyatakan data pada film permukaan :

a)      Sebagai persamaan keadaan permukaan

   .............................................      (5.45)

            Persamaan ini digunakan untuk film di atas permukaan cair.

b)      Sebagai isoterm adsorpsi

P = Kf ^’(Γ)  ................................................       (5.46)

      dimana P adalah tekanan atau konsentrasi dalam fasa ruah dari zat yang teradsorpsi dan K adalah tetapan pembanding.

            Persamaan ini digunakan untuk film pada permukaan padat.

  

Adsorpsi

Adsorpsi adalah peristiwa penyerapan / pengayaan (enrichment) suatu komponen di daerah antar fasa. Pada peristiwa adsorpsi, komponen akan berada di daerah antar muka, tetapi tidak masuk ke dalam fasa ruah. Komponen yang terserap disebut adsorbat (adsorbate), sedangkan daerah tempat terjadinya penyerapan disebut adsorben (adsorbent / substrate). Berdasarkan sifatnya, adsorpsi dapat digolongkan menjadi adsorpsi fisik dan kimia.

Tabel 5.1. Perbedaan adsorpsi fisik dan kimia

Adsorpsi Fisik	Adsorpsi Kimia
Molekul terikat pada adsorben oleh gaya van der Waals	Molekul terikat pada adsorben oleh ikatan kimia
Mempunyai entalpi reaksi – 4 sampai – 40 kJ/mol	Mempunyai entalpi reaksi – 40 sampai – 800 kJ/mol
Dapat membentuk lapisan multilayer	Membentuk lapisan monolayer
Adsorpsi hanya terjadi pada suhu di bawah titik didih adsorbat	Adsorpsi dapat terjadi pada suhu tinggi
Jumlah adsorpsi pada permukaan merupakan fungsi adsorbat	Jumlah adsorpsi pada permukaan merupakan karakteristik adsorben dan adsorbat
Tidak melibatkan energi aktifasi tertentu	Melibatkan energi aktifasi tertentu
Bersifat tidak spesifik	Bersifat sangat spesifik

5.8. Isoterm Adsorpsi

Percobaan adsorpsi yang paling umum adalah menentukan hubungan jumlah gas teradsorpsi (pada adsorben) dan tekanan gas. Pengukuran ini dilakukan pada suhu tetap, dan hasil pengukuran digambarkan dalam grafik dan disebut isoterm adsorpsi.

Isoterm Adsorpsi Langmuir

Pada tahun 1918, Langmuir menurunkan teori isoterm adsorpsi dengan menggunakan model sederhana berupa padatan yang mengadsorpsi gas pada permukaannya. Pendekatan Langmuir meliputi lima asumsi mutlak, yaitu

1.      Gas yang teradsorpsi berkelakuan ideal dalam fasa uap

2.      Gas yang teradsorpsi dibatasi sampai lapisan monolayer

3.      Permukaan adsorbat homogen, artinya afinitas setiap kedudukan ikatan untuk molekul gas sama

4.      Tidak ada antaraksi lateral antar molekul adsorbat

5.      Molekul gas yang teradsorpsi terlokalisasi, artinya mereka tidak bergerak pada permukaan

Gambar 5.6. Pendekatan isoterm adsorpsi Langmuir

Pada kesetimbangan, laju adsorpsi dan desorpsi gas adalah sama. Bila θ menyatakan fraksi yang ditempati oleh adsorbat dan P menyatakan tekanan gas yang teradsorpsi, maka

                                                   .....................................       (5.47)

dengan k₁ dan k₂ masing – masing merupakan tetapan laju adsorpsi dan desorpsi. Jika didefinisikan a = k₁ / k₂, maka

                                                   ............................................       (5.48)

Pada adsorpsi monolayer, jumlah gas yang teradsorpsi pada tekanan P (y) dan jumlah gas yang diperlukan untuk membentuk lapisan monolayer dihubungkan dengan θ melalui persamaan

                                                   ...................................................       (5.49)

                                                   ...............................................       (5.50)

Teori isoterm adsorpsi Langmuir berlaku untuk adsorpsi kimia, dimana reaksi yang terjadi adalah spesifik dan umumnya membentuk lapisan monolayer.

Isoterm Adsorpsi BET

Teori isoterm adsorpsi BET merupakan hasil kerja dari S. Brunauer, P.H. Emmet, dan E. Teller. Teori ini menganggap bahwa adsorpsi juga dapat terjadi di atas lapisan adsorbat monolayer. Sehingga, isoterm adsorpsi BET dapat diaplikasikan untuk adsorpsi multilayer. Keseluruhan proses adsorpsi dapat digambarkan sebagai

a.       Penempelan molekul pada permukaan padatan (adsorben) membentuk lapisan monolayer

b.      Penempelan molekul pada lapisan monolayer membentuk lapisan multilayer

                                                                                    

Gambar 5.7. Pendekatan isoterm adsorpsi BET

Pada pendekatan ini, perbandingan kekuatan ikatan pada permukaan adsorben dan pada lapisan adsorbat monolayer didefinisikan sebagai konstanta c. Lapisan adsorbat akan terbentuk sampai tekanan uapnya mendekati tekanan uap dari gas yang teradsorpsi. Pada tahap ini, permukaan dapat dikatakan ”basah (wet)”. Bila V menyatakan volume gas teradsorpsi, V_m menyatakan volume gas yang diperlukan untuk membentuk lapisan monolayer, dan x adalah P/P^*, maka isoterm adsorpsi BET dapat dinyatakan sebagai

   ......................................       (5.51)

            Kesetimbangan antara fasa gas dan senyawa yang teradsorpsi dapat dibandingkan dengan kesetimbangan antara fasa gas dan cairan dari suatu senyawa. Dengan menggunakan analogi persamaan Clausius – Clapeyron, maka

   .............................................       (5.52)

dimana ΔH_ads adalah entalpi adsorpsi. Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa tekanan kesetimbangan dari gas teradsorpsi bergantung pada permukaan dan entalpi adsorpsi.

Isoterm Adsorpsi Freundlich

Adsorpsi zat terlarut (dari suatu larutan) pada padatan adsorben merupakan hal yang penting. Aplikasi penggunaan prinsip ini antara lain penghilangan warna larutan (decolorizing) dengan menggunakan batu apung (charcoal?) dan proses pemisahan dengan menggunakan teknik kromatografi.

Pendekatan isoterm adsorpsi yang cukup memuaskan dijelaskan oleh H. Freundlich. Menurut Freundlich, jika y adalah berat zat terlarut per gram adsorben dan c adalah konsentrasi zat terlarut dalam larutan, maka

                                    y = k c^1/n   .................................................       (5.53)

                           ........................................       (5.54)

dimana k dan n adalah konstanta empiris. Jika persamaan (5.53) diaplikasikan untuk gas, maka y adalah jumlah gas yang teradsorpsi dan c digantikan dengan tekanan gas. Plot log y terhadap log c atau log P menghasilkan kurva linier. Dengan menggunakan kurva tersebut, maka nilai k  dan n dapat ditentukan.

Gambar 5.8. Plot isoterm Freundlich untuk adsorpsi H₂ pada tungsten (suhu 400^oC)