Perbedaan Wujud  Zat Gas, Cair, dan Padat Beserta Sifatnya

          Padatan, cairan, dan gas dibedakan oleh sifat curahnya. Sifat curah dikaitkan dengan rakitan molekul secara keseluruhan, bukan dengan sesama anggota yang dirakit. Sifat curah mengukur  tanggapan dari rakitan itu terhadap gangguan dari luar (misalnya perubahan tekanan dan temperatur) dan mencerminkan sampai sejauh mana molekul dapat bergerak sebagai tanggapan terhadap gangguan tersebut. Tanggapan molekul bergantung pada jarak rerata antara molekul-molekul dan magnitudo gaya di antara mereka. Keterkaitan tersebut akan menghasilkan struktur  lokal, atau susunan molekul yang khas dalam setiap keadaan materi. Struktur lokal ini menentukan sifat curah materi.

          Sifat curah dari gas, cairan dan padatan meliputi beberapa penafsiran molekular, yaitu :

1.    Volume Molar

Satu mol padatan atau cairan khas menempati 10-100 cm³ pada keadaan ruang, tetapi volume molar suatu gas dibawah kondisi yang sama sekitar 24.000 cm³ mol^-1. Selisih yang besar ini menjelaskan mengapa padatan dan cairan disebut keadaan materi yang terkondensasi. Volume molar adalah kebalikan dari angka rapatan (jumlah molekul per cm³) materi. Ciran dan padatan mempunyai angka kerapatan yang tinggi, sedangkan gas memiliki angka kerapatan yang sangat rendah. Jika meleleh, volume kebanyakan padatan hanya berubah 2 sampai 10 %, menunjukkan bahwa keadaan padatan dan cairan suatu zat memang relatif terkondensasi terhadap keadaan gas dalam jumlah yang sama.

Pengukuran rapatan menunjukkan  bahwa sentuhan antar molekul, jarak antar inti atom terjauh dari satu molekul dan inti atom terdekat dari molekul tetangganya berkisar dari 3 x 10^-10 sampai 5 x 10^-10 m pada padatan dan cairan. Jarak tersebut jauh lebih pendek dibandingkan jarak pada gas, yaitu sekitar 30 x 10 ^-10 m pada kondisi kamar.

2.     Kompresibilitas

Kompresibilitas adalah kemampuan suatu zat didefinisikan sebagai fraksi penurunan volume akibat tekanan.  Padatan dan cairan, keduanya nyaris tak terkompresi , sedangkan gas kompresibilitasnya besar.kompresibilitas yang besar dalam inilah yang menyebabkan banyak ruang kosong dalam gas, namun pada keadaan terkondensasi partikel-partikel zat hampir bersentuhan atau bersentuhan.

            Gas sangat dapat terkompresi, sementara padatan dan cairan hampir tidak dapat memang taat pada asas dengan gaya antarmolekul kuat yang ada dalam keadaan terkondensasi dan tidak adanya gaya seperti itu dalam keadaan gas. Hanya energyang cukup rendah yang diperlukan untuk mendekatkan molekul-molekul yang berjauhan itu sebab gaya di antaranya dapat diabaikan.

 Upaya untuk mengkompresi padatan dan cairan memerlukan energi yang besar untuk melawan gaya tolak yang bekerja begitu molekul-molekul telah bersentuhan.

3.    Ekspansi Termal

Koefisien ekspansi termal adalah fraksi peningkatan volume zat per derajat peningkatan suhu. Hokum Charles memperlihatkan bahwa koefisien ini sama untuk gas dan besarnya yaitu 1/273,15 (⁰C)^-1 pada 0⁰C. dengan demikian peningkatan suhu sebesar 1⁰C menyebabkan gas berekspansi sebesar 1/273,15 atau 0,366 % dari volume asalnya pada 0⁰C, salkan tekanannya tetap. Sedangkan koefisien ekspansi padatan dan cairan jauh lebih kecil. Koefisien ekspansi termal padatan umumnya kurang dari 0,02 % per derajat celcius.

Meningkatnya volume volume dalam wujud padatan dan cairan mensyaratkan bahwa gaya tarik di antara molekul dan molekul tetangganya harus diatasi sebagian. Karena jarak antarmolekul padatan dan cairan berada di daerah gaya tarik yang paling kuat, ekspansi yang relative kecil dihasilkan oleh meningkatnya volume. Sebaliknya, molekul dalam keadaan gas sangat berjauhan sehingga gaya tarik antarkeduanya dapat diabaikan. Dalam suhu yang sama meningkatkan ekspansi yang jauh lebih besar dalam gas dibandingkan dalam padatan dan cairan.

4.  Fluiditas dan Kekakuan

Sifat paling menonjol dari gas dan cairan adalah fluiditasnya atau daya alirnya yang bertentangan dengan kekakuan padatan.  Cairan mempunyai volume tertentu tetapi bentuknya tidak tentu , jadi dibawah tegangan cairan mudah mengalir. Ketahanan material terhadap aliran makroskopik diukur dari viskositas sesarnya. Pada tingkat mikroskopik, viskositas sesar menyatakan ketahanan bila satu lapis molekul ditarik sejajar dari lapis tipis lainnya.viskositas sesar masing-masing cairan adalah sekitar 16 kali lebih kecil dibandingkan padatan, dan untuk gas lebih kecil. Sifat kekerasan (ketahanan terhadap takukan, indentation) dan elastisitas (daya untuk mengembaikan bentuknya bila tegangan deformasinya dihilangkan) berhubungan dengan kekakuan atau viskositas sesar yang tinggi. Dalam sifat ini, padatan mempunyai sifat yang baik, sedangkan gas dan cairan tidak.

5.  Difusi

Molekul gas pada kondisi kamar berdifusi dengan laju beberapa sentimeter per detik. sedangkan molekul cairan dan padatan berdifusi jauh lebih lambat. Tetapan difusi suatu zat mengukur laju difusi pencampuran. Pada suhu dan tekanan kamar, tetapan difusi untuk difusi cairan kedalam cairan adlah sekitar empat kali lebih kecil daripada gas ke gas, sedangkan tetapan difusi padatan ke padatan lebih kecil lagi.

Sumber : Oxtoby, David W dkk. 2001. PRINSIP-PRINSIP KIMIA MODERN EDISI KE EMPAT JILID 1 (terjemahan oleh Suminar Setiati Achmadi, Ph.D). Jakarta : Erlangga

SIFAT-SIFAT KOLOID

                Koloid merupakan campuran yang berada di antara campuran homogen dan heterogen.oleh karenanya koloid mempunyai sifat-sifat khusus yang  tidak dimiliki oleh campuran homogen dan campuran heterogen (Anas Dyah Rufaida : 82). Sifat-sifat tersebut antara lain :

1.Efek Tyndall

Efek Tyndall adalah peristiwa penghamburan cahaya oleh partikel koloid. Peristiwa ini pertama kali diamati oleh fisikawan dari Inggris yaitu John Tyndall. John Tyndall (1820-1893) mengamati seberkas cahaya putih yang dilewatkan pada system dispersi koloid. Dari pengamatan tersebut John Tyndall melihat adanya hamburan cahaya pada partikel koloid, sehingga berkas cahaya terlihat dengan jelas. Gejala ini selanjutnya dinamakan efek Tyndall.(Sandri Justiana, Chemistry for senior high school : 336)

Menurut Lord Rayleigh, ukuran partikel dan konsentrasi partikel koloid berpengaruh terhadap intensitas hamburan cahaya. Semakin besar konsentrasi dan ukuran partikel koloid, semakin bertambah intensitas cahaya yang dihamburkan.(Anis Dyah Rufaida, Kimia 2: 82).

Efek Tyndall terjadi karena partikel koloid yang berupa ion atau molekul dengan ukuran cukup besar, mampu menghamburkan cahaya yang diterimanya ke segala arah, meskipun partikel koloid tidak tampak. Namun, efek Tyndall tidak terjadi pada larutan sejati. Hal ini dikarenakan ukuran partikel zat terlarutnya terlalu kecil sehingga tidak dapat menghamburkan cahaya. Peristiwa efek Tyndall dapat diamati melalui percobaan berikut :

                               Gambar 1.1dan 1.2 Efek Tyndall   (Sahri David Miladi : http://sahri.ohlog.com)

Dalam kehidupan sehari-hari,  efek Tyndall dapat diamati dalam peristiwa-peristiwa berikut :

a.    Terjadinya warna merah dan jingga di langit pada pagi dan sore hari, serta terjadinya warna biru di langit pada siang hari.

b.    Berkas sinar matahariyang melalui celah pepohonan akan tampak lebih jelas jika udara berkabut.

c.     Sorot lampu mobil atau motor di waktu udara berkabut tampak lebih jelas.

d.    Sorot lampu proyektor akan tampak jelas saat ada asap rokok. Hal ini mengakibatkan gambar film di layar menjadi kabur.

2.Gerak Brown

                Gerak Brown merupakan gerakan acak partikel koloid dalam medium pendispersinya. Gerak acak ini disebabkan oleh tumbukan tidak seimbang antara partikel-partikel koloid yang terdispersi dengan molekul-molekul medium pendispersinya.

                Gerak Brown pada system koloid menyebabkan koloid partikel-partikel koloid tersebar merata dalam dalam medium pendispersinya. Peristiwa inilah yang menyebabkan koloid menjadi stabil dan tidak mengendap meskipun didiamkan dalam waktu lama.

                Gerak Brown pertama kali ditemukan oleh ilmuwan biologi dari inggris, Robert Brown pada tahun 1827. Robert Brown mengamati pergerakan tepung sari dalam air menggunakan mikroskop ultra. Dalam pengamatan tersebut, Brown melihat partikel tepung sari menghamburkan cahaya dan bergerak terus-menerus secara acak di dalam air. Oleh karena itu, gerakan acak partikel koloid dinamakan dengan gerak Brown. Gerak Brown dipengaruhi oleh ukuran partikel dan suhu, semakin kecil ukuran partikel koloid gerak partikel semakin cepat, semakin tinggi suhu koloid gerak Brown semakin cepat, begitu juga sebaliknya.  ( Sandri Justiana, Chemistry for senior high school : 338).                                                                    Gambar 1.3 Gerak Brown (system koloid.tripod.com)

3. Elektroforesis

                Elektroforesis adalah pergerakan partikel koloid karena pengaruh medan listrik. Adanya medan listrik mengakibatkan partikel-partikel koloid bergerak ke salah satu elektroda yang muatannya berlawanan dengan muatan listrik partikel koloid. Pergerakan pertikel koloid ini dapat diamati menggunakan alat sel elektroforesis.

Pada gambar, terlihat bahwa partikel-partikel koloid bermuatan positif tersebut bergerak menuju elektrode dengan muatan berlawanan, yaitu elektrode negatif. Jika sistem koloid bermuatan negatif, maka partikel itu akan menuju elektrode positif. Oleh karena itu, melalui sel elektroforesis jenis muatan listrik dapat diketahui. (Anis Dyah Rufaida, Kimia 2 : 84)

                                                                         Gambar 1.4 sel elektroforesis (sistemkoloid.tripod.com)

4.Adsorpsi

Adsorpsi adalah penyerapan partikel zat, berupa ion, atom, atau molekul pada permukaan zat lain. Hal itu karena permukaan koloid mempunyai luas permukaan yang besar. Jika partikel koloid menyerap ion bermuatan, kemudian ion-ion tersebut menempel pada permukaannya, pertikel koloid tersebut menjadi bermuatan. Sebagai contoh, partikel sol Fe(OH)₃ (bermuatan positif) mempunyai kemampuan untuk mengadsorpsi kation dari medium pendispersinya sehingga sol Fe(OH) ₃ bermuatan positif, sedangkan partikel sol As₂S₃ (bermuatan negatif) mengadsorpsi anion dari medium pendispersinya sehingga bermuatan negatif. Partikel koloid sol tersebut tidak selalu mengadsorpsi ion yang sama. Hal itu tergantung pada muatan yang berlebih dari medium pendispersinya. Misalnya, jika sol AgCl terdapat pada medium pendispersi dengan kation Ag⁺ berlebih, maka AgCl akan bermuatan positif. Sedangkan jika AgCl terdapat pada medium pendispersi dengan anion Cl^- berlebih, maka sol AgCl akan bermuatan negatif. Adsorpsi mengakibatkan partikel koloid menjadi bermuatan sejenis. Oleh karena itu, partikel-partikel koloid saling berjauhan sehingga tidak terjadi penggumpalan. Hal inilah yang membuat koloid menjadi stabil.

                                                                                                             

                                                                                                                              Gambar 1.4 adsorpsi ion oleh partikel koloid (sistemkoloid.tripod.com)

 Sifat adsorpsi koloid dimanfaatkan untuk proses-proses berikut :

a.       Penjernihan Air

Pada air sungai ( air sungai merupakan suatu system koloid), tanah yang terdispersi dapat diendapkan dengan penambahan tawas (KAI(SO₄)₂) atau larutan PAC (Poly Aluminum Chloride). Kedua zat ini dapat membentukkoloid Al(OH)₃. Kemudian partikel koloid Al(OH)₃ mengadsorpsi pengotor di dalam air, menggumpalkan, dan mengendapkannya sehingga air menjadi jernih (Nana Sutresna, Cerdas Belajar Kimia : 302).

b.      Pemutihan Gula Pasir

Gula pasir dapat diperoleh dari batang tebu dengan cara kristalisasi. Batang tebu dipotong-potong, dihancurkan, dan akhirnya diperas hingga diperoleh larutan gula. Kemudian larutan tersebut disaring untuk memisahkan sisa-sisa kulit tebu dan larutan gula. Larutan gula diuapkan hingga terbentuk kristal gula yang berwarna putih kecoklatan. Untuk memutihkan Kristal tersebut, digunakan sifat adsorpsi. Caranya dengan melarutkan Kristal gula yang belum murni ke dalam air panas, lalu dialirkan ke system koloid berupa mineral halus berpori. Hasilnya Kristal gula yang berwarna kecokelatan akan diserap oleh mineral halus berpori sehingga diperoleh gula yang warnanya lebih putih ( Sandri Justiana, chemistry for senior high school : 340).

c.       Pewarnaan Kain

Kain menjadi berwarna karena terlebih dahulu diwarnai dengan zat-zat pewarna dengan pencelupan. Kain yang dicelup terlebih dahulu dicampurkan dengan garam Al₂(SO₂)₃. Ketika dicelupkan ke dalam larutan zat pewarna, akan dihasilkan koloid Al(OH)₃ sehingga kain akan lebih mudah menyerap warna ( Sandri Justiana, chemistry for senior high school : 340).

d.      Penghilangan Kotoran pada Proses Pembuatan Sirup

Kadang gula yang masih mengandung pengotor sehingga jika dilarutkan , larutan tersebut tidak jernih. Pada industry pembuatan sirup, untuk menghilangkan pengotor ini biasanya digunakan putih telur. Setelah gula larut, sambil diaduk ditambahkan putih telur sehingga putih telur tersebut menggumpal dan mengadsorpsi pengotor. Selain putih telur, dapat juga digunakan zat lain, seperti tanah diatomae atau arang aktif (Nana Sutresna, Cerdas Belajar Kimia : 302).

e.      Penggunaan Arang Aktif

Arang  aktif merupakan contoh adsorben yang dibuat dengan cara memanaskan arang dalam udara kering. Arang aktif memiliki kemampuan untuk menyerap berbagai zat. Obat sakit perut (contoh norit) mengandung zat arang aktif yang berfungsi menyerap berbagai zat racun dalam usus. Arang aktif ini juga digunakan pada topeng gas, lemari es (untuk menghilangkan bau), rokok filter (untuk mengikat asap nikotin dan tar) (Nana Sutresna, Cerdas Belajar Kimia : 303).

5.Koagulasi

                Koagulasi adalah peristiwa pengendapan partikel-partikel koloid sehingga fasa terdispersi terpisah dari medium pendispersinya. Koagulasi disebut juga penggumpalan. Koagulasi terjadi karena dispersi koloid kehilangan kestabilannya dalam mempertahankan partikel-partikelnya untuk tetap tersebar di dalam mediumnya. Hilangnya kestabilan koloid dikarenakan adanya penetralan muatan partikel koloid. Keadaan ini menyebabkan penggabungan partikel-partikel koloid sehingga ukurannya menjadi lebih besar hingga menjadi ukuran suspensi (Anis Dyah Rufaida,KIMIA : 85).

                Elektroforesis dapat menyebabkan koagulasi karena endapan pada salah satu elektroda semakin lama semakin pekat, dan akhirnya membentuk gumpalan. Berikut beberapa proses koagulasi yang sengaja dilakukan dalam kehidupan sehari-hari :

a.         Perebusan Telur

Telur mentah merupakan suatu system koloid dengan fase terdispersi berupa protein. Jika telur tersebut direbus akan terjadi koagulasi sehingga telur tersebut menggumpal.

b.        Pembuatan Yoghurt

Susu dapat diubah menjadi yoghurt melalui fermentasi. Pada fermentasi susu akan terbentuk asam laktat yang menggumpal dan berasa asam.

c.         Pembuatan Tahu

Pada pembuatan tahu dari kedelai, mula-mula kedelai dihancurkan sehingga terbentuk bubur kedelai (seperti susu). Kemudian ditambahkan larutanelektrolit, yaitu CaSO₄. 2H₂O yang disebut batu tahu sehingga protein kedelai menggumpal dan membentuk tahu.

d.        Pembuatan Lateks

Lateks terbuat dari getah karet, salah satu system koloid. Pada pembuatan lateks, getah karet digumpalkan dengan penambahan asam asetat atau asam format.

e.        Penjernihan Air Sungai

Air sungai mengandung padatan lumpur yang terdispersi di dalam air (sol). Sol tanah liat dala air sungai memiliki muatan negatif sehingga dapat diendapkan dengan penambahan tawas atau PAC. Di dalam air sungai, tawas atau PAC membentuk koloid Al(OH)₃ yng bermuatan positif. Pengendapan terjadi karena koagulasi koloid yang bermuatan negatif dengan koloid yang bermuatan positif.

f.          Pembentukan Delta

Delta terbentuk dari hasil pencampuran air sungai yang mengandung koloid tanah liat dan elektrolit yang berasal dari air laut. Pencampuran tersebut menyebabkan terjadinya koagulasi sehingga terbentuk delta.

g.         Pengolahan Asap atau Debu

Asap atau debu merupakan system koloid zat padat dalam medium pendispersi gas (udara). Padatan dalam asap atau debu dapat diendapkan dengan alat Cottrel. Yakni asap atau debu dilewatkan melalui cerobong yang di dalamnya terdapat ujung-ujung elektroda bermuatan dengan tegangan antara 20.000 V hingga 75.000 V. Elektroda mengakibatkan asab dan debu menjadi bermuatan dan partikel akan tertarik pada elektroda yang lainnya dan mengendap. Endapan yang terbentuk dipisahkan secara berkala sehingga gas-gas yang keluar dari cerobong sudah terbebas dari partikel padatan yang berbahaya (Nana Sutresna, Cerdas Belajar Kimia : 304).

6. Bermuatan

                Penyarapan ion pada permukaan partikel koloid menyebabkan partikel koloid bermuatan listrik. Ada dua jenis muatan listrik yang dapat dimiliki koloid, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Contohnya, pada penyerapan ion H⁺ oleh koloid Fe(OH)₃ dalam air membuat koloid Fe(OH)₃ bermuatan positif. Adapun penyerapan ion-ion negatif oleh koloid As₂S₃ akan menyebabkan koloid As₂S₃ bermuatan negatif.