Penurunan titik beku

Halaman ini berisi artikel tentang fenomena yang disebabkan oleh zat terlarut. Untuk fenomena dalam fluida murni, lihat supercooling.

Penurunan titik beku adalah penurunan titik beku pelarut akibat penambahan zat terlarut yang tidak mudah menguap. Contohnya termasuk penambahan garam dalam air, alkohol dalam air, atau pencampuran dua padatan seperti pengotor menjadi obat bubuk halus. Dalam kasus terakhir, senyawa yang ditambahkan adalah zat terlarut, dan padatan asli dianggap sebagai pelarut. Larutan yang dihasilkan atau campuran padatan-padatan tersebut memiliki titik beku lebih rendah daripada pelarut atau padatan murninya. Fenomena inilah yang menyebabkan air laut, (campuran garam [dan lainnya] dalam air) tetap cair pada suhu di bawah 0 °C (32 °F), titik beku air murni.[1]

Penjelasan

Titik beku adalah suhu di mana pelarut cair dan pelarut padat berada pada kesetimbangan, sehingga tekanan uap keduanya sama. Ketika zat terlarut yang tidak mudah menguap ditambahkan ke dalam pelarut cair yang mudah menguap, tekanan uap larutan akan lebih rendah daripada zat pelarut murni. Akibatnya, padatan akan mencapai kesetimbangan dengan larutan pada suhu yang lebih rendah daripada dengan pelarut murni.[2]

Penggunaan

Es di jalan

Fenomena penurunan titik beku memiliki banyak kegunaan praktis. Cairan radiator dalam mobil adalah campuran air dan etilena glikol. Akibat penurunan titik beku, radiator tidak membeku di musim dingin (kecuali jika sangat dingin, misalnya pada suhu −30 hingga −40 °C (−22 hingga −40 °F)). Penggaraman di jalan memanfaatkan efek ini untuk menurunkan titik beku es yang diletakkan di atasnya. Menurunkan titik beku memungkinkan es jalanan mencair pada suhu yang lebih rendah, mencegah akumulasi es yang berbahaya dan licin. Natrium klorida yang umum digunakan dapat menekan titik beku air menjadi sekitar −21 °C (−6 °F). Jika suhu permukaan jalan lebih rendah, NaCl menjadi tidak efektif dan garam lain digunakan, seperti kalsium klorida, magnesium klorida atau campuran banyak. Garam-garam ini agak agresif terhadap logam, terutama zat besi, dan karenanya media yang lebih aman seperti natrium format, kalium format, natrium asetat, kalium asetat digunakan sebagai gantinya.[3]

Penurunan titik beku digunakan oleh beberapa organisme yang hidup dalam cuaca sangat ekstrem. Makhluk seperti itu berevolusi yang berarti mereka dapat menghasilkan berbagai senyawa dengan konsentrasi tinggi seperti sorbitol dan gliserol. Peningkatan konsentrasi zat terlarut ini menurunkan titik beku air di dalamnya, mencegah organisme membeku padahal air di sekitarnya membeku, atau ketika udara di sekitarnya menjadi sangat dingin. Contoh organisme yang menghasilkan senyawa antibeku termasuk beberapa spesies ikan Arktik seperti rainbow smelt, yang menghasilkan gliserol dan molekul lain untuk bertahan hidup di muara yang membeku selama bulan-bulan musim dingin.[4] Pada hewan lain, seperti katak spring peeper (Pseudacris crucifer), molalitas meningkat sementara sebagai reaksi terhadap suhu dingin. Dalam kasus katak mengintip, suhu beku memicu kerusakan skala besar glikogen di hati katak dan pelepasan glukosa dalam jumlah besar ke dalam darah.[5]

Perhitungan

Jika larutan diperlakukan sebagai suatu larutan ideal, tingkat penurunan titik beku hanya bergantung pada konsentrasi zat terlarut yang dapat diperkirakan dengan hubungan linier sederhana dengan konstanta krioskopis ("Hukum Blagden"):[6][7]

ΔT_F = K_F · b · i,

di mana:

• ΔT_F, penurunan titik beku, didefinisikan sebagai T_{F (pelarut murni)} − T_{F (larutan)}.
• K_F, tetapan krioskopis, yang tergantung pada sifat-sifat pelarut, dan bukan zat terlarut. (Catatan: Saat melakukan eksperimen, nilai K_F yang lebih tinggi membuatnya lebih mudah untuk mengamati tetes yang lebih besar pada titik beku. Untuk air, K_F = 1.853 K·kg/mol.[8])
• b adalah molalitas (mol zat terlarut per kilogram pelarut)
• i adalah faktor van 't Hoff (jumlah partikel ion per molekul individu zat terlarut, misalnya i = 2 untuk NaCl, 3 untuk BaCl₂).

Hubungan sederhana ini tidak termasuk sifat zat terlarut, sehingga persamaan ini hanya efektif dalam larutan encer. Untuk perhitungan yang lebih akurat pada konsentrasi yang lebih tinggi, untuk zat terlarut ionik, Ge dan Wang (2010)[9] mengusulkan persamaan baru:[10]

${\displaystyle \Delta T_{\text{F}}={\frac {\Delta H_{T_{\text{F}}}^{\text{fus}}-2RT_{\text{F}}\cdot \ln a_{\text{liq}}-{\sqrt {2\Delta C_{p}^{\text{fus}}T_{\text{F}}^{2}R\cdot \ln a_{\text{liq}}+(\Delta H_{T_{\text{F}}}^{\text{fus}})^{2}}}}{2\left({\frac {\Delta H_{T_{\text{F}}}^{\text{fus}}}{T_{\text{F}}}}+{\frac {\Delta C_{p}^{\text{fus}}}{2}}-R\cdot \ln a_{\text{liq}}\right)}}.}$

Dalam persamaan di atas, T_F adalah titik beku normal dari pelarut murni (273 K untuk air, contohnya); a_liq adalah aktivitas pelarut dalam larutan (aktivitas air untuk larutan berair); ΔH^fus_TF adalah perubahan entalpi fusi dari pelarut murni pada T_F, yaitu 333.6 J/g untuk air pada 273 K; ΔC^fus_p adalah perbedaan antara kapasitas panas fase cair dan padat pada T_F, yaitu 2.11 J/(g·K) untuk air.

Lihat pula

• Penurunan titik lebur
• Kenaikan titik didih
• Sifat koligatif
• Titik eutektik
• Titik tripel

Referensi

1. Greenslade, Thomas B. (1933). "Freezing-point lowering". J. Chem. Educ. (dalam bahasa Inggris). 10 (6): 353. doi:10.1021/ed010p353. 
2. Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). General Chemistry (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-8). Prentice-Hall. hlm. 557-558. ISBN 0-13-014329-4. 
3. Kine Nilssen, Alex Klein-Paste, Johan Wåhlin (2018). "The Effect of Additives on the Low Temperature Ice-Melting Capacity of NaCl" (dalam bahasa Inggris). 2672 (12). doi:10.1177/0361198118767412. Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
4. Treberg, J. R.; Wilson, C. E.; Richards, R. C.; Ewart, K. V.; Driedzic, W. R. (2002). "The freeze-avoidance response of smelt Osmerus mordax: initiation and subsequent suppression 6353". The Journal of Experimental Biology. 205 (Pt 10): 1419–1427. 
5. L. Sherwood et al., Animal Physiology: From Genes to Organisms, 2005, Thomson Brooks/Cole, Belmont, CA, ISBN 0-534-55404-0, hlm. 691–692.
6. Blagden, Charles (1788) "XVIII. Experiments on the effect of various substances in lowering the point of congelation in water". Phil. Trans. R. Soc. 78. DOI:10.1098/rstl.1788.0020.
7. Reif-Acherman, Simón (2009). "The pre-history of cryoscopy: what was done before raoult?". Quím. Nova. 32 (6). doi:10.1590/S0100-40422009000600056. 
8. Aylward, Gordon; Findlay, Tristan (2002), SI Chemical Data 5th ed. (edisi ke-5), Sweden: John Wiley & Sons, hlm. 202, ISBN 0-470-80044-5 
9. Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). "Estimation of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, and Vaporization Enthalpies of Electrolyte Solutions". Industrial & Engineering Chemistry Research. 48 (10): 5123–5123. doi:10.1021/ie900434h. ISSN 0888-5885. 
10. Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). "Calculations of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, Vapor Pressure and Enthalpies of Vaporization of Electrolyte Solutions by a Modified Three-Characteristic Parameter Correlation Model". Journal of Solution Chemistry. 38 (9): 1097–1117. doi:10.1007/s10953-009-9433-0. ISSN 0095-9782.