Penurunan Titik Beku

Penurunan Titik Beku

Titik beku adalah suhu dimana tekanan uap cairan sama dengan tekanan uap padatannya. Titik beku larutan lebih rendah daripada titik beku pelarut murni. Hal ini disebabkan zat pelarutnya harus membeku terlebih dahulu, baru zat terlarutnya. Jadi larutan akan membeku lebih lama daripada pelarut. Setiap larutan memiliki titik beku yang berbeda.

Titik beku suatu cairan akan berubah jika tekanan uap berubah, biasanya diakibatkan oleh masuknya suatu zat terlarut atau dengan kata lain, jika cairan tersebut tidak murni, maka titik bekunya berubah (nilai titik beku akan berkurang).(Aprilia, 2012)

Penurunan titik beku adalah selisih antara titik beku pelarut dan titik beku larutan dimana titik beku larutan lebih rendah dari titik beku pelarut. Titik beku pelarut murni seperti yang kita tahu adalah 0⁰C. dengan adanya zat terlarut misalnya saja gula yang ditambahkan ke dalam air maka titik beku larutan ini tidak akan sama dengan 0^oC melainkan akan menjadi lebih rendah di bawah 0^oC itulah penyebab terjadinya penurunan titik beku yaitu oleh masuknya suatu zat terlarut atau dengan kata lain cairan tersebut menjadi tidak murni, maka akibatnya titik bekunya berubah (nilai titik beku akan berkurang) (Taufik, 2012)

Proses pembekuan suatu zat cair terjadi bila suhu diturunkan, sehingga jarak antarpartikel sedemikian dekat satu sama lain dan akhirnya bekerja gaya tarik menarik antarmolekul yang sangat kuat. Adanya partikel-partikel dari zat terlarut akan mengakibatkan proses pergerakan molekul-molekul pelarut terhalang, akibatnya untuk dapat lebih mendekatkan jarak antarmolekul diperlukan suhu yang lebih rendah. Jadi titik beku larutan akan lebih rendah daripada titik beku pelarut murninya. Perbedaan titik beku akibat adanya partikel-partikel zat terlarut disebut penurunan titik beku (∆T_f). Penurunan titik beku larutan sebanding dengan hasil kali molalitas larutan dengan tetapan penurunan titik beku pelarut (K_f), dinyatakan dengan persamaan :

∆T_f = K_f m atau ∆T_f = K_f (n x 1000/p)

Dimana :

∆T_f = penurunan titik beku

K_f = tetapan penurunan titik beku molal

n = jumlah mol zat terlarut

p = massa pelarut

Titik beku larutan merupakan titik beku pelarut murni dikurangi dengan penurunan titik bekunya atau Tf = T_f^o - ∆T_f.  (Pratiwi, 2013)

Penurunan titik beku ( DT_f ) bila kebanyakkan larutan encer didinginkan, pelarut murni terkritalisasi lebih dahulu sebelum ada zat terlarut yang mengkristalisasi suhu dimana kristal-kristal pertama dalam keseimbangan dengan larutan disebut titik beku larutan. Titik beku larutan demikian selalu lebih rendah dari titik beku berbanding lurus dengan banyaknya molekul zat terlarut (molnya) di dalam massa tertentu pelarut. Jadi penurunan titik beku (DT_f ) = K_f . m, dimana m ialah molalitas larutan. Jika persamaan ini berlaku sampai konsentrasi satu molal, penurunan titik beku 1 m tiap non-elektrolit yang tersebut  didalam pelarut itu = K_f yang karena itu dinamakan tetapan titik beku molal (molal freesinapoint constant) pelarut itu. Nilai numerik K_f  = khas pelarut itu masing-masing (Anonim, 2013).

Titik beku merupakan suhu pada saat tekanan uap cairan sama dengan tekanan uap padatnya, atau dengan kata lain titik beku adalah suhu dimana pada suhu tersebut, zat cair berubah menjadi padat. Sebagai contoh, suhu air ketika air tersebut berubah menjadi es disebut titik beku air. Titik beku suatu pelarut dalam larutannya juga bergantung pada konsentrasi zat terlarut dan sifat pelarut tersebut. Pada tekanan 1 atm, air membeku pada suhu 0^°C karena pada suhu itu tekanan uap air sama dengan tekanan uap es. Keberadaan zat terlarut dalam suatu larutan menyebabkan terjadinya penurunan tekanan uap jenuh pelarutnya dalam larutan tersebut dan hal ini menyebabkan titik beku larutan berkurang. Besarnya pengurangan titik beku suatu pelarut dalam larutannya tersebut kemudian dikenal dengan sebagai penurunan titik beku (êTf). Jika zat telarutnya merupakan zat non elektrolit, maka penurunan titik bekunya sebanding dengan molalitas larutan (m). Titik beku (Tf) pelarut murni lebih tinggi daripada titik beku larutan.

Ini diakibatkan karena sebagian partikel air dan sebagian partikel – partikel terlarut membentuk ikatan baru. Sehingga ketika membeku, yang memiliki titik beku paling tinggi yaitu air akan membeku terlebih dahulu kemudian diikuti oleh molekullarutan. Penambahan zat terlarut dalam pelarut akan mengakibatkan peningkatan konsentrasi yang mengakibatkan semakin rendah titik bekunya.

Jadi, makin besar molaritas larutan, makin tinggi kenaikan titik didih larutan dan makin tinggi pula penurunan titik beku larutan. Jumlah partikel yang lebih banyak, akan membuat larutan elektrolit lebih sukar membeku, sehingga membutuhkan suhu yang lebih rendah, dan waktu yang lama. Hal inilah yang membuat titik beku larutan elektrolit lebih rendah.

Apabila suatu zat dilarutkan dalam suatu pelarut, maka sifat larutan itu berbeda dari sifat pelarut murni. Contohnya, larutan urea yang berbeda sifat dengan air murni biasa. Sifat-sifat larutan yang ada, seperti rasa, warna, pH, dan kekentalan bergantung pada jenis dan konsentrasi zat yang terlarut. Pengaruh jenis zat ya ng terlarut kecil sekali sejauh zat yang terlarut itu tergolong nonelektrolit dan tidak mudah menguap. Sedangkan sifat-sifat yang tiak bergantung pada jenis zat yang terlarut tetapi hanya pada konsentrasi partikelnya disebut dengan sifat-sifat koligatif suatu larutan.

      Sifat koligatif larutan adalah sifat fisis larutan yang hanya tergantung pada jumlah partikel zat terlarut dan tidak tergantung dari jenis zat terlarut. Banyaknya partikel dalam larutan ditentukan oleh konsentrasi larutan ditentukan oleh konsentrasi larutan dan sifat koligatif itu sendiri. Jumlah partikel dalam larutan elektrolit tidak sama dengan jumlah larutan non elektrolit, walaupun konsentrasi keduanya sama.

      Pada larutan nonelektrolit seperti gula, sifat-sifat koligatif berbanding lurus dengan molalitas larutan menurut hukum Raoult dan Henry. Larutan elektrolit memperlihatkan penurunan titik beku lebih besar. Dalam larutan elektrolit terurai menjadi ion-ion sehingga molalitas pertikel menjadi bertambah. Meskipun jumlah partikel dalam larutan elektrolit bertambah besar, tetapi perubahan sifat-sifat koligatif larutan tidak sebanding dengan perhitunagn jumlah partikel. Hal ini disebabkan terjadinya gaya tarik menaik antarionik. Ion-ion yang bermuatan positif tidak sepenuhnya merupakan satuan-satuan bebas. Setiap ion positif dari larutan akan dikelilingi oleh ion negatif, begitu pula sebaliknya.

Sifat koligatif adalah sifat yang disebabkan oleh kebersamaan jumlah partikel dan bukan ukurannya. Zat terlarut mempengaruhi sifat larutan dan besar pengaruh itu bergantung pada jumlah partikel. Sifat koligatif larutan dapat digunakan untuk menentukan berat molekul dari zat terlarut. Penurunan titik beku dari suatu larutan,T_f berbanding lurus dengan konsentrasi molal (m) dari suatu larutan. Setiap pelarut mempunyai konstanta tertentu yang

Besarnya penurunan tiitk beku larutan begantung pada konsentrasi zat terlarut. Semakin berat larutan, maka semakin rendah titk bekunya dan perubahannya hampir sebanding dengan perubahan konsentrasi. Penurunan titik beku juga bergantung pada jumlah pertikel zat terlarut dalam larutan.

Penurunan titik beku adalah selisih antara titik beku pelarut dan titik beku larutan dimana titik beku larutan lebih rendah dari titik beku pelarut. Titik beku pelarut murni seperti yang kita tahu adalah 0^oC. dengan adanya zat terlarut misalnya saja gula yang ditambahkan ke dalam air maka titik beku larutan ini tidak akan sama dengan 0^oC melainkan akan menjadi lebih rendah di bawah 0^oC itulah penyebab terjadinya penurunan titik beku yaitu oleh masuknya suatu zat terlarut atau dengan kata lain cairan tersebut menjadi tidak murni, maka akibatnya titik bekunya berubah (nilai titik beku akan berkurang). Apabila suatu zat dilarutkan dalam suatu pelarut, maka sifat larutan itu berbeda dari sifat pelarut murni. Contohnya, larutan urea yang berbeda sifat dengan air murni biasa. Sifat-sifat larutan yang ada, seperti rasa, warna, pH, dan kekentalan bergantung pada jenis dan konsentrasi zat yang terlarut. Pengaruh jenis zat ya ng terlarut kecil sekali sejauh zat yang terlarut itu tergolong nonelektrolit dan tidak mudah menguap. Sedangkan sifat-sifat yang tiak  bergantung pada jenis zat yang terlarut tetapi hanya pada konsentrasi partikelnya disebut dengan sifat-sifat koligatif suatu larutan. Sifat koligatif larutan adalah sifat fisis larutan yang hanya tergantung pada jumlah  partikel zat terlarut dan tidak tergantung dari jenis zat terlarut. Banyaknya partikel dalam larutan ditentukan oleh konsentrasi larutan ditentukan oleh konsentrasi larutan dan sifat koligatif itu sendiri. Jumlah partikel dalam larutan elektrolit tidak sama dengan jumlah larutan non elektrolit, walaupun konsentrasi keduanya sama. Pada larutan nonelektrolit seperti gula, sifat-sifat koligatif berbanding lurus dengan molalitas larutan menurut hukum Raoult dan Henry. Larutan elektrolit memperlihatkan  penurunan titik beku lebih besar. Dalam larutan elektrolit terurai menjadi ion-ion sehingga molalitas pertikel menjadi bertambah. Meskipun jumlah partikel dalam larutan elektrolit  bertambah besar, tetapi perubahan sifat-sifat koligatif larutan tidak sebanding dengan  perhitunagn jumlah partikel. Hal ini disebabkan terjadinya gaya tarik menaik antarionik. Ion-ion yang bermuatan positif tidak sepenuhnya merupakan satuan-satuan bebas. Setiap ion  positif dari larutan akan dikelilingi oleh ion negatif, begitu pula sebaliknya. Sifat koligatif adalah sifat yang disebabkan oleh kebersamaan jumlah partikel dan bukan ukurannya. Zat terlarut mempengaruhi sifat larutan dan besar pengaruh itu bergantung pada  jumlah partikel. Sifat koligatif larutan dapat digunakan untuk menentukan berat molekul dari zat terlarut. Penurunan titik beku dari suatu larutan,Tf berbanding lurus dengan konsentrasi molal (m) dari suatu larutan. Setiap pelarut mempunyai konstanta tertentu yang besarnya  penurunan tiitk beku larutan begantung pada konsentrasi zat terlarut. Semakin berat larutan, maka semakin rendah titk bekunya dan perubahannya hampir sebanding dengan perubahan konsentrasi. Penurunan titik beku juga bergantung pada jumlah pertikel zat terlarut dalam larutan.

Penurunan Titik Beku Larutan-Definisi dan Penyebabnya

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.

Penurunan titik beku larutan mendiskripsikan bahwa titik beku suatu pelarut murni akan mengalami penurunan jika kita menambahkan zat terlarut didalamnya. Sebagai contoh air murni membeku pada suhu 0 C akan tetapi jika kita melarutkan contoh sirup atau gula didalamnya maka titik bekunya akan menjadi dibawah 0 C. Sebagai contoh larutan garam 10% NaCl akan memiliki titik beku -6 C dan 20% NaCl akan memiliki titik beku -16 C.

·         Fenomena Penurunan Titik Beku Larutan

Fenomena penurunan titik beku larutan sangat menarik perhatian para ilmuwan karena hal ini bersinggungan langsung dengan kehidupan manusia contohnya, penggunaan etilen glikol sebagai agen “antibeku” yang dipakai di radiator mobil sehingga air ini tidak beku saat dipakai dimusim dingin. beberapa ikan didaerah artik mampu melepaskan sejumlah senyawa untuk menghindari darahnya beku, atau dengan menggunakan teknik penurunan titik beku kita dapat menentukan massa molar atau menentukan derajat disosiasi suatu zat.

·        Mengukur Penurunan Titik Beku Larutan

Penurunan titik beku larutan adalah salah satu sifat koligatif larutan. Untuk mengukur besarnya titik beku larutan kita membutuhkan dua hal berikut:

1.     Konsentrasi molal suatu larutan dalam molalitas.

2.     Konstanta penurunan titik beku pelarut atau Kf.

Rumus mencari perubahan titik beku larutan adalah sebagai berikut:

?Tf = m. Kf. i

dan titik beku larutan dicari,

Tf = Tpelarut murni – Tf

dimana:

?Tf = penurunan titik beku larutan

Tf = titik beku larutan

m = molalitas larutan

Kf = konstanta titik beku pelarut

i = Faktor Van’t Hoff

Di bidang themodinamika konstanta titik beku pelarut, Kf lebih dikenal dengan istilah “Konstanta Krioskopik“. Krioskopik berasal dari bahasa Yunani yang artinya “mengukur titik beku”.

Faktor Van’t Hoff (i) adalah parameter untuk mengukur seberapa besar zat terlarut berpengaruh terhadap sifat koligatif (penurunan tekanan uap, kenaikan titik didih, penurunan titik beku, dan tekanan osmotik). Faktor Van’t Hoff dihitung dari besarnya konsentrasi sesunguhnya zat terlarut yang ada di dalam larutan dibanding dengan konsentrasi zat terlarut hasil perhitungan dari massanya. Untuk zat non elektrolit maka vaktor Van’t Hoffnya adalah 1 dan nonelektrolit adalah sama dengan jumlah ion yang terbentuk didalam larutan. Faktor Van’t Hoff secara teori dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

i = 1 + (n-1)?)

dengan ? adalah derajat ionisasi zat terlarut dan n jumlah ion yang terbentuk ketika suatu zat berada didalam larutan. Untuk non elektrolit maka alfa = o dan n adalah 1 dan untuk elektrolit dicontohkan sebagai berikut:

C6H12O6 -> C6H12O6 n = 1

NaCl -> Na+ + Cl- n = 2

CaCl2 -> Ca2+ + 2Cl- n = 3

Na3PO4 -> 3Na+ + PO4- n = 4

Cu3(PO4)2 -> 3Cu2+ + 2PO43- n = 5

Data nilai Kf beberapa pelarut adalah sebagai berikut:

Jika dilihat persamaan ?Tf = m.Kf.i maka kita bisa menentukan besarnya Faktor Van’t Hoff dari suatu zat terlarut dalam suatu pelarut dengan menggambar grafik antara ?Tf dengan m maka kita akan mendapatkan slope (gradien garis) yang setara dengan ixKf. Bila harga Kf pelarut diketahui maka kita pun dapat mencari nilai i-nya.

Kegunaan dalam kehidupan sehari-hari

Berikut ini merupakan penerapan atau aplikasi dari prinsip penurunan titik beku diantaranya ;

1)    Membuat es krim yang lembut. Perbedaan antara es batu dan es krim adalah es batu sangat padat dan tidak berasa karena es batu hanyalah air yang membeku tanpa tambahan apa-apap sedangkan es krim terasa lembut dan lezat karena berbagai bahan pembuat es krimlah yang membuatnya demikian. Bahan –bahan tersebut antara lain adalah gula, susu, cokelat, mentega, dan garam.  Bahan –bahan tambahan tersebut terutama garam dapat menurunkan  titik beku air. Sehingga es krim terasa lembut dan tidak membeku  dingin meskipun.
            2) Antibeku pada radiator mobil di daerah-daerah  beriklim dingin air radiator mudah membeku. Jika keadaan ini dibiarkan terus menerus maka mesin kendaraan akan cepat rusak. Untuk mengatasinya maka dengan menambah etilen glikol  diharapkan titik beku air akan menurun sehingga meskipun cuaca dingin air radiator tidak mudah membeku.

3)    Antibeku dalam tubuh hewan. Hewan-hewan di daerah dingin misalnya daerah kutub utara juga memanfaatkan prinsip koligatif penurunan titik beku untuk bertahan hidup. Darah  ikan-ikan laut mengandung zat-zat antibeku  yang mampu  menurunkan titik beku air hingga 0,8oC , dengan demikian, ikam laut dapat bertahan di musim dingin yang  suhunya mencapai 1,90C karena zat antibeku yang dikandungnya dapat mencegah pembentukan kristal es dalam jaringan dan selnya.

4)    Antibeku untuk mencairkan salju. Di daerah yang mempunyai musim salju setiap hujan salju terjadi jalananan akan dipenuhi oleh salju.hal ini tentu sangat membuat kendaraan sulit untuk melaju.Untuk mengatasinya, jalanan bersalju tersebut ditaburi dengan campuran NaCl dan CaCl2. Penaburan garam tersebut dapat mencairkan salju. Semakin banyak garam  yang ditaburkan maka semakin banyak pula salju yang mencair.

5)    Es batu pengawet ikan. Nelayan membutuhkan es batu untuk mengawetkan ikan. Agar suhunya lebih rendah maka ditambahkan sejumlah garam  pada es batu tersebut. Maka es batu yang dicampur dengan garam akan menjadi lebih dingin sehingga lebih efektif untuk mengawetkan ikan.

Itulah diantaranya pemanfaatan prinsip sifat koligatif terutama pada subbab penurunan titik beku yang sering kita temui di kehidupan kita sehari – hari.