Tahukah kamu apa yang dimaksud dengan penurunan titik beku? Kita tahu bahwa air murni membeku pada suhu 0^oC, dengan adanya zat terlarut misalnya saja kita tambahkan gula ke dalam air tersebut maka titik beku larutan ini tidak akan sama dengan 0^oC, melainkan akan turun dibawah 0^oC, inilah yang dimaksud sebagai “penurunan titik beku”.

Jadi larutan akan memiliki titik beku yang lebih rendah dibandingkan dengan pelarut murninya. Sebagai contoh larutan garam dalam air akan memiliki titik beku yang lebih rendah dibandingkan dengan pelarut murninya yaitu air, atau larutan fenol dalam alkohol akan memiliki titik beku yang lebih rendah dibandingkan dengan pelarut murninya yaitu alkohol.

Mengapa hal ini terjadi? Apakah zat terlarut menahan pelarut agar tidak membeku? Penjelasan mengapa hal ini terjadi lebih mudah apabila dijelaskan dari sudut pandang termodinamik sebagai berikut.

Contoh,  air murni pada suhu 0^oC. Pada suhu ini air berada pada  kesetimbangan antara fasa cair dan fasa padat.  Artinya kecepatan air berubah wujud dari cair ke padat atau sebaliknya adalah sama, sehingga bisa dikatakan fasa cair dan fasa padat pada kondisi ini memiliki  potensial kimia yang sama, atau dengan kata lain tingkat energi kedua fasa adalah sama.

Besarnya potensial kimia dipengaruhi oleh temperatur, jadi pada suhu tertentu potensial kimia fasa padat atau fasa cair akan lebih rendah daripada yag lain, fasa yang memiliki potensial kimia yang lebih rendah secara energi lebih disukai, misalnya pada suhu 2^oC fasa cair memiliki potensial kimia yang lebih rendah dibanding fasa padat sehingga pada suhu ini maka air cenderung berada pada fasa cair, sebaliknya pada suhu -1^oC fasa padat memiliki potensial kimia yang lebih rendah sehingga pada suhu ini air cenderung berada pada fasa padat.

Apabila ke dalam air murni kita larutkan garam dan kemudian suhunya kita turunkan sedikit demi sedikit, maka dengan berjalannya waktu pendinginan maka perlahan-lahan sebagian larutan akan berubah menjadi fasa padat hingga pada suhu tertentu akan berubah menjadi fasa padat secara keseluruhan. Pada umumnya zat terlarut lebih suka berada pada fasa cair dibandingkan dengan fasa padat, akibatnya pada saat proses pendinginan berlangsung larutan akan mempertahankan fasanya dalam keadaan cair, sebab secara energi larutan lebih suka berada pada fasa cair dibandingkan dengan fasa padat, hal ini menyebabkan potensial kimia pelarut dalam fasa cair akan lebih rendah (turun) sedangkan potesnsial kimia pelarut dalam fasa padat tidak terpengaruh.

Maka akan lebih banyak energi yang diperlukan untuk mengubah larutan menjadi fasa padat karena titik bekunya menjadi lebih rendah dibandingkan dengan pelarut murninya. Inilah sebab mengapa adanya zat terlarut akan menurunkan titk beku larutannya. Rumus untuk mencari penurunan titik beku larutan adalah sebagai berikut:

Keterangan:

• delta Tf = Penuruan titik beku
• m = molalitas larutan
• Kf = Tetapan konstantat titik beku larutan

Jangan lupa untuk menambahkan faktor van hoff pada rumus diatas apabila larutan yang ditanyakan adalah larutan elektrolit.

Soal-soal kimia

Suatu larutan NaCl memiliki densitas 1,01 g/mL. Titik beku larutan ini pada 1 atm adalah -1.28⁰C. Dengan menganggap bahwa larutan bersifat ideal maka hitung berapa konsentrasi larutan NaCl tersebut dalam satuan persen massa! (Kf air = 1.86 ⁰C.Kg/mol)

Pembahasan soal-soal Kimia

Perhatikan bahwa larutan NaCl adalah larutan yang bersifat elektrolit , sehingga kita harus menambahkan faktor Van’t Hoff dalam rumus penurunan titik bekunya.

Misalkan kita memiliki 100 mL larutan NaCl
massa larutan = volume x densitas = 100 x 1,01 = 101 g
massa NaCl = x
massa air = 101 - x
Perubahan titik beku = 0 - (-1.28⁰C) = 1.28⁰C
i = 2

T = m x Kf x i
1,28 = m x 1.86 x 2
m = 0,344 molal

0,344 = (x/58,5).(1000/101-x)

dengan menyelesaikan untuk x persamaan diatas maka diperoleh hasil sebagai berikut:

x = 1.99 g

jadi prosentasi NaCl adalah
= massa NaCl/massa larutan x 100%
= 1,99/101 x 100%
= 1,97%

Untuk mengerti apa yang dimaksud dengan tekanan osmosis maka kita harus mengerti dahulu apa yang disebut sebagai “osmosis”. Perhatikan gambar dibawah ini, sebuah tabung U bagian tengahnya dibatasi dengan membrane semipermiabel ( membrane yang hanya bisa dilewati oleh molekul-molekul pelarut, dan tidak bisa dilewati oleh zat terlarut). Sebelah kiri diisi oleh larutan garam (gambar bulatan biru untuk molekul terlarut) dan sebelah kanan diisi dengan air (bulatan hijau untuk molekul air).

Setelah kita biarkan beberapa saat, maka molekul-molekul air dari kaki sebelah kanan  akan mengalir ke bagian larutan yang ada di sebelah kiri melalui membrane semipermiabel, peristiwa inilah yang disebut sebagai osmosis. Pada keadaan nyata, molekul-molekul air dari larutan juga mengalir menuju bagian kanan  akan tetapi kecepatannya lebih kecil jika dibandingkan dengan kecepatan mengalirnya molekul air menuju bagian larutan.

Sampai akhirnya pada kesetimbangan maka kedua kaki pada tabung U akan menunjukkan perbedaan ketinggian tertentu. (lihat gambar)

Perbedaan ketinggian ini tentu saja akan menimbulkan adanya perbedaan tekanan. Tekanan inilah yang disebut sebagai tekanan osmosis yang besarnya dapat dirumuskan;

Dimana phi (?) untuk tekanan osmosis dalam atm, M adalah molaritas larutan, R adalah tetapan konstanta gas 0.08206 L • atm • mol-1 • K-1 , dan T adalah suhu dalam Kelvin.

Bagiamana apabila kaki pada tabung U yang berisi larutan di beri tekanan yang besarnya lebih besar dari tekanan osmosisnya?
Makah hal sebaliknya yang akan terjadi, yaitu molekul-molekul air dari larutan akan mengalir melalui membrane semipermiabel menuju kaki pipa U yang berisi air (sebelah kanan), peristiwa inilah yang disebut sebagai “reverse osmosis atau osmosis balik”, peristiwa osmosis balik banyak dimanfaatkan untuk pembuatan air minum dari air laut.

Kemudian apa yang dimaksud dengan larutan isotonic?
Larutan isotonic adalah larutan yang mempunyai tekanan osmosis yang sama, jadi apabila kita mempunyai larutan A dan B dimana kedua larutan tersebut mempunyai tekanan osmosis yang sama, maka dikatakan larutan A isotonic dengan larutan B.

Pertama marilah kita me-refresh pikiran kita tentang apa yang dimaksud dengan “Titik Didih”? Masih ingat definisi titik didih? Yup, titik didih adalah suhu dimana terjadi perubahan wujud dari cair menjadi uap (gas). Tahukah kamu bahwa normalnya titik didih zat cair terjadi pada suhu dimana tekanan uapnya adalah 1 atm.

Apa artinya?
Apabila kita merebus air dalam panci tertutup, maka air tersebut akan mendidih saat tekanan uap dalam panci mencapai 1 atm, oleh sebab itulah merebus air dalam keadaan tertutup lebih cepat mendidih dibandingkan dengan keadaan terbuka.

Bagimana titik didih air apabila kita tambahkan garam didalamnya, apakah titik didihnya naik atau turun?
Titik didih larutan lebih tinggi dibandingkan dengan titik didih pelarut murninya. Jadi apabila kita membandingkan titik didih air murni dengan larutan garam maka titik didih larutan garam akan lebih tinggi dibandingkan dengan titik didih air murni.

Bagaimana hal ini bisa terjadi?
Dari penjelasan hokum Raoult dan tekanan uap larutan kita tahu bahwa adanya zat terlarut yang tidak mudah menguap di dalam suatu pelarut akan menurunkan tekanan uap pelarutnya, akibatnya tekanan uap larutan akan lebih kecil dibandingkan dengan tekanan uap pelarut murninya. Dengan demikian semakin banyak energi yang diperlukan untuk mencapai tekanan uap sebesar 1 atm, sehingga larutan akan memiliki titik didih yang lebih tinggi.Jadi bila di buat kesimpulan adalah sebagai berikut:

Pelarut + zat terlarut non-volatil -> larutan -> tekanan uapnya rendah -> titik didih menjadi lebih tinggi dibandingkan pelarut murni

Dari sini muncul istilah kenaikan titik didih larutan yang dirumuskan sebagai

Dimana ?T adalah kenaikan titik didih, Kb adalah konstanta kenaikan titik didih, m adalah molalitas zat terlarut. Molalitas (m) larutan dicarai dengan menggunakan rumus;

Tahukah kamu bahwa adanya zat terlarut di dalam suatu pelarut akan memperkecil tekanan uap pelarutnya. Misal kita punya air dan larutan garam yang kita letakkan dalam botol tertutup seperti gambar berikut:

Gambar sebelah kiri adalah botol yang berisi air saja dan sebelah kanan berisi larutan garam. Apabila tekanan uap masing-masing botol diukur maka kita akan memperoleh besarnya tekanan uap pelarut akan lebih besar dari tekanan uap larutan. (Hal ini digambarkan dengan bulatan merah yang menguap lebih banyak untuk botol sebelah kiri disbanding sebelah kanan).

Bagaimana hal ini bisa dijelaskan?

Sebelum kamu memahami ini lebih baik kamu memahami terlebih dahulu bagaimana proses penguapan terjadi. Penguapan terjadi apabila molekul-molekul yang ada dipermukaan larutan mulai melepaskan diridarilarutannya. (lihat gambar dibawah ini)

Dengan adanya zat terlarut di dalam suatu pelarut maka akan memperkecil jumlah molekul pelarut tiap satuan volume. Anda harus membayangkannya begini, apabila kita punya 1 cm3 air dimana 1 cm3 air ini terdapat sejumlah-x molekul air, maka apabila kita melarutkan 1 gram garam pada 1 cm3 air tersebut, jumlah molekul air yang terdapat dalam 1 cm3 tidak akan sama dengan x, akan tetapi akan berkurang. Mengapa, sebab di dalam ruangan tersebut terdapat 2 molekul yaitu molekul air dan molekul garam.

Perhatikan gambar diatas adalah penampang melintang permukaan pelarut (gambar atas) dan larutan garam (gambar bawah). Adanya molekul zat terlarut (bola hijau) akan mengurangi jumlah molekul pelarut (bola merah) akibatnya jumlah molekul pelarut yang bisa lepas dari larutan garam lebih sedikit disbanding dengan larutan murninya, Akibatnya tekanan uap pelarut akan lebih kecil dibanding tekanan uap pelarut murninya.

Semakin beasr konsentrasi zat terlarut maka tekanan uap pelarut larutannya juga akan semakin kecil mengingat jumlah molekul pelarut per satuan volumenya juga semakin berkurang.

Francois M Raoult (1830-1901) mempelajari sifat-sifat tekanan uap larutan yang mengandung zat pelarut yang bersifat nonvolatile. Secara terperinci dia menyatakan bahwa :

“tekanan uap larutan ideal dipengaruhi oleh tekanan uap pelarut dan fraksi mol zat terlarut yang terkandung dalam larutan tersebut”

Secara matematis ditulis sebagai:

P_larutan= X_terlarut . P_pelarut

Dimana
P_larutan = tekanan uap larutan
X_terlarut = fraksi mol zat terlarut
P_pelarut = tekanan uap pelarut murni

Persamaan Raoult diatas apabila kita perhatikan merupakan persamaan linear dalam bentuk y = mx, dimana y = Plarutan, m = Ppelarut, dan x = Xterlarut, sehingga apabila kita membuat grafik persamaan Raoult antara tekanan uap larutan dengan fraksi mol zat terlarut akan diperoleh garis lurus seperti gambar:

Slope atau gradient garis akan sama dengan tekanan uap pelarut. Jadi apabila kita mempunyai data antara tekanan uap larutan dengan fraksi mol zat terlarut kita bisa mengethaui tekanan uap pelarutnya dengan mencari gradient garis.

Rumus Raoult sangat penting untuk mempelajari sifat karakteristik fisik dari larutan, seperti menghitung jumlah molekul dan memprediksikan masa molar sutau zat (Mr).

Kadangkala dalam mempelajari sifat koligatif larutan maka kita sulit sekali untuk membayangkan apa yang dimaksud dengan tekanan uap pelarut murni (unutk lebih memudahkan kita sebut sebagai tekanan uap pelarut) dengan tekanan uap larutan.

Ambilah sebuah botol gelas dan isi dengan air seperempat bagian saja, kemudian tutup botol tersebut dan letakkan di meja untuk beberapa jangka waktu tertentu. Apa yang terjadi dengan air di dalam botol tersebut?

Kalau kamu berpendapat bahwa ada sebagian molekul-molekul air yang berubah wujud menjadi gas, maka jawaban kamu benar! Molekul-molekul air akan secara kontinu menguap ke ruang kosong botol hingga mencapai kesetimbangan.

Gunakan alat pengukur tekanan untuk mengukur tekanan uap air yang ada di dalam botol, Tekanan uap molekul-molekul air yang terdapat di dalam ruang kosong botol inilah yang kita sebut sebagai “tekanan uap pelarut murni”. (perhatikan gambar)

Bagaimana dengan tekanan uap larutan?Ambil botol yang lain dan isi dengan larutan garam sampai seperempat bagain saja, kemudian tutup botol tersebut dan letakkan di meja untuk beberapa saat. Dan kemudian ukur tekanan uap yang ada di dalam botol.

Tekanan uap yang ada di dalam botol yang berisi larutan garam inilah yang kita sebut sebagai “tekanan uap larutan”.Tekanan uap larutan yang kita pelajari di bab sifat koligatif larutan adalah tekanan uap untuk larutan yang zat terlarutnya adalah zat yang bersifat nonvolatile (artinya zat-zat yang tidak mudah menguap).

Contoh zat ini adalah garam dapur, gula, pupuk urea, dan sebagainya.Jadi zat-zat nonvolatil ini tidak memiliki kecenderungan unutk menguap. Jadi yang menguap pada dua percobaan diatas adalah sama-sama molekul pelarutnya yaitu air, akan tetapi bedanya adalah satu untuk tekanan uap pelarut (karena di dalam botol hanya berisi air saja), dan yang lain tekanan uap larutan (sebab dalam botol berisi larutan garam).