Kalkulator Penurunan Titik Beku | Sifat Koligatif

Apa yang dimaksud dengan penurunan titik beku?

Penurunan titik beku adalah turunnya suhu beku suatu cairan ketika zat lain dilarutkan di dalamnya. Air murni membeku pada 0 °C, tetapi air garam membeku di bawah suhu itu karena garam terlarut menghambat pembentukan es. Kalkulator ini menentukan berapa derajat titik beku suatu larutan turun untuk pelarut, zat terlarut, dan konsentrasi tertentu.

Efek ini merupakan sifat koligatif. Artinya, efek tersebut bergantung pada jumlah partikel terlarut dalam cairan, bukan pada jenis partikelnya. Satu mol molekul gula terlarut dan satu mol ion natrium terlarut menurunkan titik beku kira-kira dalam jumlah yang sama, karena yang menentukan adalah jumlah partikel, bukan identitas kimianya.

Mengapa partikel terlarut menurunkan titik beku

Cairan membeku ketika molekul-molekulnya tersusun menjadi kristal yang teratur. Partikel zat terlarut berada di antara molekul pelarut dan menghambat keteraturan itu, sehingga cairan harus didinginkan lebih lanjut sebelum keteraturan yang cukup dapat terbentuk. Partikel terlarut juga meningkatkan entropi, atau ketidakteraturan, larutan sehingga keadaan cair lebih menguntungkan pada suhu tertentu. Kedua efek ini menurunkan titik beku.

Rumus penurunan titik beku

Penurunan titik beku, ΔTf, dihitung dengan:

$\Delta T_f = i \times K_f \times m$

Untuk zat terlarut yang tetap berupa molekul utuh, i = 1 dan rumus menyederhana menjadi bentuk buku teks ΔTf = Kf × m.

• ΔTf: penurunan titik beku, dalam °C
• i: faktor van't Hoff, yaitu jumlah partikel yang dihasilkan satu unit zat terlarut ketika larut
• Kf: konstanta penurunan titik beku molal, khusus untuk pelarut, dalam °C·kg/mol
• m: molalitas, yaitu mol zat terlarut per kilogram pelarut

Titik beku baru larutan adalah titik beku normal pelarut dikurangi ΔTf:

$T_f(\text{larutan}) = T_f(\text{pelarut}) - \Delta T_f$

Titik beku normal air adalah 0 °C, sehingga ΔTf dapat langsung dikurangkan dari 0 untuk larutan berair. Pelarut lain membeku pada suhu yang berbeda, jadi langkah ini penting bagi pelarut tersebut. Benzena normalnya membeku pada 5,5 °C, asam asetat pada 16,6 °C, dan sikloheksana pada 6,55 °C.

Tiga variabel yang dijelaskan

Konstanta penurunan titik beku molal (Kf)

Kf adalah sifat tetap dari setiap pelarut. Nilai ini adalah penurunan titik beku yang dihasilkan oleh larutan 1 molal dari zat terlarut yang tidak terurai menjadi ion (i = 1). Nilai untuk air, benzena, dan asam asetat di bawah ini sesuai dengan tabel konstanta OpenStax. Nilai sikloheksana sebesar 20,0 sesuai dengan tabel HyperPhysics.

Molalitas (m)

Molalitas adalah jumlah zat terlarut, dalam mol, dibagi massa pelarut, dalam kilogram:

$m = \frac{\text{mol zat terlarut}}{\text{kilogram pelarut}}$

Kimiawan menggunakan molalitas, bukan molaritas (mol per liter larutan), dalam rumus ini karena molalitas tidak berubah terhadap suhu. Volume larutan mengembang saat dipanaskan, sehingga mengubah molaritas, tetapi massa pelarut tetap.

Faktor van't Hoff (i)

Faktor van't Hoff adalah jumlah partikel yang dihasilkan satu unit rumus zat terlarut dalam larutan. Molekul yang tetap utuh, seperti gula, memiliki i = 1. Garam dapur (NaCl) terurai menjadi ion natrium dan ion klorida, sehingga i = 2. Kalsium klorida (CaCl₂) terurai menjadi tiga ion, sehingga i = 3.

Larutan nyata sering kali menyimpang dari nilai teoretis, terutama pada konsentrasi yang lebih tinggi. Ion-ion yang bermuatan berlawanan dapat berpasangan dan berperilaku seperti satu partikel, sehingga menurunkan nilai i efektif. Bahkan pada 0,05 mol/kg, nilai i terukur untuk NaCl adalah 1,9, bukan 2.

Cara menghitung penurunan titik beku: contoh perhitungan

Petugas jalan melarutkan NaCl dalam air hingga mencapai molalitas 1,0 mol/kg.

• Kf (air) = 1,86 °C·kg/mol
• m = 1,0 mol/kg
• i (NaCl) = 2

ΔTf = 2 × 1,86 × 1,0 = 3,72 °C

Titik beku baru = 0 °C − 3,72 °C = −3,72 °C

Air bergaram tetap berwujud cair hingga sekitar −3,7 °C, kira-kira empat derajat di bawah titik beku air murni.

Untuk pelarut yang tidak membeku pada 0 °C, pengurangan yang sama diterapkan pada titik beku pelarut itu sendiri. Zat terlarut dalam asam asetat (titik beku normal 16,6 °C) yang menghasilkan ΔTf sebesar 2 °C memberikan titik beku baru sebesar 16,6 − 2 = 14,6 °C, bukan −2 °C.

Cara menggunakan kalkulator ini

1. Pilih pelarut, atau masukkan nilai Kf dan titik beku normalnya secara langsung.
2. Masukkan molalitas larutan.
3. Masukkan faktor van't Hoff untuk zat terlarut: 1 untuk nonelektrolit, dan lebih tinggi untuk garam yang terurai menjadi ion.
4. Baca penurunan titik beku dan titik beku baru.

Penggunaan penurunan titik beku

Pencairan es di jalan. Garam batu (NaCl, i = 2) praktis digunakan hingga suhu permukaan jalan sekitar 15 sampai 20°F (-6,7 °C), kira-kira −9 sampai −7 °C. Petugas jalan menambahkan kalsium klorida (i = 3) atau magnesium klorida pada suhu yang lebih rendah karena kedua senyawa itu menurunkan titik beku lebih jauh.

Antibeku otomotif. Etilena glikol yang dicampur dengan air menurunkan titik beku cairan pendingin jauh di bawah 0 °C, sekaligus menaikkan titik didihnya. Seberapa jauh penurunannya bergantung pada rasio campuran.

Es krim. Gula dan garam susu yang terlarut dalam adonan menurunkan titik bekunya hingga di bawah 0 °C. Pada suhu freezer, adonan hanya membeku sebagian, dan itulah yang membuatnya tetap mudah disendok.

Air laut. Air laut membeku pada sekitar 28,4°F (-2 °C), kira-kira −2 °C, bukan 0 °C. Salinitas laut biasanya berkisar dari 32 sampai 37 PSU, yaitu gram garam per kilogram air laut. Pada 35 g/kg, dengan menganggap garamnya NaCl, molalitasnya mendekati 0,6 mol/kg. Memasukkan m = 0,6 mol/kg dan i teoretis = 2 ke dalam rumus menghasilkan ΔTf = 2 × 1,86 × 0,6 ≈ 2,2 °C, sedikit lebih besar daripada penurunan sebenarnya sekitar 2 °C. Selisih ini muncul karena sebagian ion natrium dan klorida berpasangan alih-alih bertindak sebagai partikel terpisah, sehingga faktor van't Hoff efektifnya kurang dari 2.

Keterbatasan rumus

Rumus ini mengasumsikan larutan ideal yang encer dan paling akurat pada molalitas rendah. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, pembentukan pasangan ion dan interaksi lain antara zat terlarut dan pelarut membuat penurunan sebenarnya lebih kecil daripada prediksi teoretis, seperti ditunjukkan contoh air laut. Kf sendiri didefinisikan di sekitar titik beku normal pelarut, sehingga rumus ini menjadi kurang andal jauh dari suhu tersebut.

Pertanyaan yang sering diajukan

Apa yang dimaksud dengan penurunan titik beku? Penurunan titik beku adalah berkurangnya suhu beku cairan akibat zat terlarut. Ini merupakan sifat koligatif, yang berarti bergantung pada jumlah partikel terlarut, bukan identitasnya.

Mengapa garam mencairkan es di jalan? Garam tidak mencairkan es secara langsung. Garam larut dalam lapisan tipis air cair yang ada di permukaan es bahkan di bawah 0 °C, dan larutan garam yang terbentuk memiliki titik beku lebih rendah daripada air murni. Karena titik beku larutan itu kini berada di bawah suhu es di sekitarnya, semakin banyak es yang terus larut ke dalamnya sampai garam habis atau suhu turun terlalu jauh. Lembaga pengelola jalan menganggap sekitar 15 sampai 20°F (−9 sampai −7 °C) sebagai suhu permukaan jalan terendah yang praktis untuk penaburan garam, meskipun garam masih dapat mencairkan sebagian es hingga sekitar −6°F (−21 °C).

Mengapa air laut membeku pada suhu yang lebih rendah daripada air tawar? Garam-garam terlarut, terutama natrium klorida, menurunkan titik beku air laut hingga sekitar −2 °C. Prediksi ideal dari rumus tersebut, dengan molalitas 0,6 mol/kg dan i = 2, menghasilkan penurunan sekitar 2,2 °C. Penurunan sebenarnya sedikit lebih kecil karena sebagian ion berpasangan alih-alih bertindak sendiri-sendiri.

Apa perbedaan antara penurunan titik beku dan kenaikan titik didih? Keduanya bergantung pada jumlah partikel terlarut. Penurunan titik beku menurunkan suhu saat larutan membeku, sedangkan kenaikan titik didih menaikkan suhu saat larutan mendidih. Rumusnya memiliki bentuk yang sama, ΔT = i × K × m, tetapi menggunakan konstanta yang berbeda, Kf dan Kb.

Dapatkah penurunan titik beku digunakan untuk mengukur massa molar zat terlarut yang tidak diketahui? Ya. Jika massa zat terlarut dan pelarut diketahui, pengukuran ΔTf dan penyelesaian rumus untuk mendapatkan molalitas, lalu jumlah mol, dapat menentukan massa molar zat terlarut.

Apakah faktor van't Hoff yang lebih tinggi selalu berarti titik beku yang lebih rendah? Pada molalitas dan Kf yang sama, ya: i yang lebih tinggi menghasilkan ΔTf yang lebih besar. Menaikkan molalitas dengan menambahkan lebih banyak zat terlarut memberikan efek serupa, sehingga keduanya tidak boleh disamakan. Larutan CaCl₂ yang encer dapat menghasilkan penurunan titik beku yang lebih kecil daripada larutan NaCl yang lebih pekat, meskipun CaCl₂ memiliki faktor van't Hoff yang lebih tinggi.

Referensi

1. OpenStax. Chemistry 2e, 11.4 Colligative Properties. Chemistry 2e: Colligative Properties — ΔTf = Kf m; Kf dan titik beku untuk air (1,86, 0,0 °C), asam asetat (3,9, 16,6 °C), dan benzena (5,12, 5,5 °C); faktor van't Hoff, pasangan ion, dan i terukur = 1,9 untuk NaCl 0,05 m.
2. HyperPhysics, Georgia State University. Freezing Point Depression and Boiling Point Elevation. HyperPhysics constants table — titik leleh sikloheksana 6,55 °C dan Kf 20,0.
3. Minnesota Department of Transportation. Maintenance FAQ. MnDOT maintenance FAQ — rentang praktis garam adalah suhu permukaan jalan 15–20 °F (-9,44–-6,7 °C) ke atas; garam masih mencairkan es hingga −6 °F (-21 °C); klorida seperti kalsium klorida ditambahkan pada suhu yang lebih rendah.
4. NOAA National Ocean Service. Can the ocean freeze?. Can the ocean freeze? — air laut membeku pada sekitar 28,4 °F (-2 °C) karena kandungan garamnya.
5. National Snow and Ice Data Center. Science of Sea Ice. Science of Sea Ice — salinitas laut biasanya berkisar dari 32 sampai 37 PSU, dan natrium klorida adalah garam yang paling melimpah.