Fase benda

Dalam ilmu fisik, suatu fase adalah suatu wilayah ruang (suatu sistem termodinamika), di mana sifat fisik benda pada dasarnya seragam.^[1]^[2]^:86^[3]^:3. Contoh sifat fisik meliputi densitas, indeks bias, magnetisasi dan komposisi kimia. Penjelasan sederhana adalah bahwa fasa adalah wilayah benda yang seragam secara kimia, berbeda secara fisik, dan (sering kali) dapat dipisahkan secara mekanis. Dalam sistem yang terdiri dari es dan air dalam toples kaca, es batu adalah satu fasa, air adalah fase kedua, dan udara lembap di atas air adalah fase ketiga. Gelas toples adalah fase terpisah lainnya. (Lihat wujud materi#Kaca)

Istilah fase kadang-kadang digunakan sebagai sinonim untuk wujud materi, tetapi ada beberapa fase yang tak dapat campur dari wujud materi yang sama. Selain itu, istilah fase kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada seperangkat keadaan kesetimbangan yang dibatasi dalam hal variabel keadaan seperti tekanan dan suhu oleh batas fase pada diagram fase. Karena batas fase berhubungan dengan perubahan dalam pengorganisasian materi, seperti perubahan dari cairan menjadi padat atau perubahan yang lebih halus dari satu struktur kristal ke kristal lainnya, penggunaan yang terakhir ini serupa dengan penggunaan "fase" sebagai sinonim untuk wujud materi. Namun, wujud materi dan penggunaan diagram fase tidak sepadan dengan definisi formal yang diberikan di atas dan makna yang dimaksud harus ditentukan sebagai sebagian dari konteks penggunaan istilah tersebut.

Jenis fase

Fase yang berbeda dapat dijelaskan sebagai wujud materi yang berbeda seperti gas, cairan, padat, plasma atau kondensat Bose-Einstein. Mesofase yang berguna antara padat dan cair membentuk wujud materi lainnya.

Fase yang berbeda mungkin juga ada dalam wujud materi tertentu. Seperti ditunjukkan dalam diagram fase paduan besi, beberapa fase ada dalam wujud padat dan cair sekaligus. Fase juga dapat dibedakan berdasarkan kelarutan seperti pada polar (hidrofilik) atau non-polar (hidrofobik). Campuran air (cairan polar) dan minyak (cairan non-polar) akan terpisah secara spontan menjadi dua fase. Air memiliki kelarutan yang sangat rendah (tidak larut) dalam minyak, dan minyak memiliki kelarutan yang rendah dalam air. Kelarutan adalah jumlah maksimum zat terlarut yang dapat larut dalam suatu pelarut sebelum zat terlarut berhenti larut dan tetap dalam fase terpisah. Suatu campuran dapat dipisahkan menjadi lebih dari dua fase cair dan konsep pemisahan fase meluas ke padatan, yaitu padatan dapat membentuk larutan padat atau mengkristal menjadi fase kristal yang berbeda. Pasangan logam yang saling melarutkan bisa membentuk logam paduan, sedangkan pasangan logam yang saling tidak larut tidak bisa.

Sebanyak delapan fasa cair yang tidak bercampur telah diamati.^[a] Fase cair yang tidak bercampur terbentuk dari air (fasa berair), pelarut organik hidrofobik, perfluorokarbon (fasa fluor), silikon, beberapa logam berbeda, dan juga dari fosforus cair. Tidak semua pelarut organik benar-benar bercampur, mis. campuran etilena glikol dan toluena dapat dipisahkan menjadi dua fase organik yang berbeda.^[b]

Fase tidak perlu secara makroskopik spontan terpisah secara. Emulsi dan koloid adalah contoh kombinasi pasangan fase yang tidak bercampur tapi juga tidak terpisah secara fisik.

Kesetimbangan fase

Pada kesetimbangan, banyak komposisi akan membentuk fasa tunggal yang seragam, tetapi tergantung pada suhu dan tekanannya, bahkan satu zat pun dapat terpisah menjadi dua (atau lebih) fase yang berbeda. Dalam setiap fase, sifat-sifatnya seragam namun berbeda antara dua fasa.

Air dalam toples tertutup dengan ruang udara di atasnya membentuk sistem dua fasa. Sebagian besar air berada dalam fase cair, yang dipertahankan oleh daya tarik molekul air. Bahkan pada kesetimbangan, molekul terus bergerak dan, sesekali, molekul dalam fase cair memperoleh energi kinetik yang cukup untuk melepaskan diri dari fase cair dan memasuki fase gas. Demikian juga, sesekali molekul uap bertumbukan dengan permukaan cairan dan terkondensasi ke dalam cairan. Pada kesetimbangan, evaporasi dan kondensasi benar-benar seimbang dan tidak ada perubahan volume bersih dalam kedua fase.

Pada suhu dan tekanan ruang, stoples air mencapai kesetimbangan saat udara di atas air memiliki kelembaban sekitar 3%. Persentase ini meningkat seiring kenaikan suhu. Pada suhu 100 °C dan tekanan atmosfer, kesetimbangan tidak tercapai sampai udaranya adalah 100% air. Jika cairan dipanaskan sedikit di atas 100 °C, transisi dari cairan ke gas terjadi tidak hanya di permukaan, tapi di seluruh volume cairan: air mendidih.

Jumlah fase

Diagram fase khas untuk materi komponen tunggal, menunjukkan fase padat, cair dan gas. Garis hijau menunjukkan bentuk garis umum fase cair-padat. Garis hijau putus-putus menunjukkan perilaku anomali air saat tekanan meningkat. Titik tripel dan titik kritis ditunjukkan sebagai titik merah.

Untuk komposisi tertentu, hanya fase tertentu yang mungkin pada suhu dan tekanan tertentu. Sulit untuk memprediksi jumlah dan jenis fase yang akan terbentuk dan biasanya ditentukan melalui percobaan. Hasil eksperimen semacam itu dapat dialurkan dalam diagram fase.

Diagram fase yang ditunjukkan di sini adalah untuk sistem komponen tunggal. Dalam sistem sederhana ini, fase yang mungkin terjadi hanya tergantung pada tekanan dan suhu. Tanda batas (garis) menunjukkan titik-titik di mana dua atau lebih fase dapat terjadi bersamaan pada kesetimbangan. Pada suhu dan tekanan yang jauh dari tanda, hanya terdapat satu fase pada kesetimbangan.

Dalam diagram tersebut, garis biru yang membatasi antara cairan dan gas tidak kontinu tak terbatas, tetapi berakhir pada titik yang disebut titik kritis. Seiring suhu dan tekanan mendekati titik kritis, sifat cairan dan gas secara progresif menjadi lebih mirip. Pada titik kritis, cairan dan gas menjadi tak dapat dibedakan. Di atas titik kritis, tidak ada lagi pemisahan fase gas dan cairan; hanya ada fase fluida generik yang disebut sebagai fluida superkritis. Untuk air, titik kritis terjadi di sekitar suhu 647 K (374 °C; 705 °F) pada tekanan 22.064 MPa.

Fitur tak biasa pada diagram fase air adalah bahwa garis fase padat–cair (ditunjukkan oleh garis titik-titik hijau) memiliki kemiringan (slope) negatif. Untuk sebagian besar zat, slopenya positif seperti dicontohkan pada garis hijau tua. Fitur air yang tak biasa ini terkait dengan es yang mempunyai densitas lebih rendah daripada air sebagai cairan. Peningkatan tekanan mendorong air ke arah fase dengan densitas yang lebih tinggi, yang menyebabkan es meleleh.

Hal menarik lainnya meski bukan fitur diagram fase yang lazim adalah titik di mana garis fase padat–cair bertemu dengan garis fase cair–gas. Perpotongan ini dirujuk sebagai titik tripel. Pada titik tripel, ketiga fase terjadi secara bersamaan.

Secara eksperimen, garis-garis fase relatif mudah dipetakan karena kesalingtergantungan antara suhu dan tekanan yang berkembang ketika banyak fase terbentuk. Lihat kaidah fase Gibbs [en]. Pertimbangkan suatu peralatan pengujian yang terdiri dari tabung tertutup dan kedap dengan sebuah piston. Dengan mengisikan air dalam jumlah yang tepat dan mengaplikasikan panas, sistem dapat dibawa ke titik manapun di wilayah gas diagram fase. Jika piston perlahan bergerak turun, sistem akan melacak kurva kenaikan suhu dan tekanan dalam wilayah gas diagram fase. Pada titik di mana gas mulai terkondensasi menjadi cairan, arah kurva suhu dan tekanan akan berubah mendadak menjejak sepanjang garis fase sampai semua air terkondensasi.

Fenomena antarmuka

Di antara dua fase pada kesetimbangan terdapat wilayah sempit di mana sifat-sifatnya bukan merupakan sifat salah satu fase. Meskipun wilayah ini sangat tipis, ia dapat memiliki efek yang signifikan dan mudah diamati, seperti menyebabkan cairan menunjukkan tegangan permukaan. Dalam campuran, beberapa komponen cenderung bergerak menuju antarmuka. Dalam hal pemodelan, penjelasan, atau pemahaman perilaku sistem tertentu, lebih mudah memperlakukan wilayah antarmuka sebagai fase terpisah.

Fase kristal

Material tunggal dapat memiliki beberapa wujud padatan berbeda yang mampu membentuk fase terpisah. Air adalah contoh material semacam ini yang paling populer. Sebagai contoh, es air biasanya dijumpai dalam bentuk heksagonal es I_h, tetapi juga ada dalam bentuk kubik es I_c, rombohedral es II, dan banyak bentuk lainnya. Polimorfisme adalah kemampuan padatan berada dalam lebih dari satu bentuk kristal. Untuk unsur kimia murni, polimorfisme dikenal sebagai alotropi. Misalnya, intan, grafit, dan fulerena adalah alotrop karbon yang berbeda.

Transisi fase

Ketika sebuah zat mengalami transisi fase (perubahan dari satu wujud materi ke wujud lainnya) biasanya akan memakan atau melepaskan energi. Misalnya, ketika air menguap, terjadi peningkatan energi kinetik karena molekul yang menguap lolos dari kekuatan tarik menarik yang tercermin dalam penurunan suhu. Energi yang dibutuhkan untuk menginduksi transisi fase diambil dari energi termal internal air, yang mendinginkan cairan ke suhu yang lebih rendah; maka penguapan berguna untuk pendinginan. Lihat Entalpi penguapan. Proses sebaliknya, kondensasi, melepaskan panas. Energi panas, atau entalpi, yang terkait dengan transisi padat ke cair adalah entalpi peleburan [en] dan yang terkait dengan transisi padat ke gas adalah entalpi sublimasi.

Lihat juga

Antarmuka (kimia) [en]
Batas fase [en]

Catatan

^ Salah satu sistem tersebut adalah, dari atas: minyak mineral, minyak silikon, air, anilina, perfluoro(dimetilsikloheksana), fosforus putih, galium, dan raksa. Sistem ini tetap tidak dapat dipisahkan pada 45 °C, di mana galium dan fosforus berada dalam keadaan cair.^[4]
^ Fenomena ini dapat digunakan untuk membantu daur ulang katalis dalam vinilasi Heck.^[5]

Referensi

^ Modell, Michael; Robert C. Reid (1974). Thermodynamics and Its Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-914861-2.
^ Enrico Fermi (25 April 2012). Thermodynamics. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-13485-7.
^ Clement John Adkins (14 July 1983). Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-27456-2.
^ Reichardt, C. (2006). Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH. hlm. 9–10. ISBN 3-527-60567-3.
^ Bhanage, B.M.; et al. (1998). "Comparison of activity and selectivity of various metal-TPPTS complex catalysts in ethylene glycol — toluene biphasic Heck vinylation reactions of iodobenzene". Tetrahedron Letters. 39 (51): 9509–9512. doi:10.1016/S0040-4039(98)02225-4.