Mengapa dalam air mendidih bila ditambahkan suatu zat terlarut titik didihnya semakin tinggi?

Titik didih dan kenaikan Titik didih

Titik didih suatu zat adalah suhu pada saat zat tersebut mendidih. Proses pendidihan sendiri merupakan penguapan yang terjadi di seluruh bagian cairan. Hal ini ditandai dengan adanya gelembung yang keluar dari dalam cairan.

Apakah titik didih semua zat sama? Tentu tidak, tergantung pada dua hal, yaitu tekanan uap zat yang bersangkutan, dan lokasi di mana zat tersebut berada. Suatu zat akan mendidih jika tekanan uapnya sama dengan tekanan udara luar. Cara untuk menyamakan tekanan uap zat dengan tekanan udara luar adalah dengan memberikan energi (kalor) kepada zat tersebut. Sebagaimana kita ketahui, semakin besar suhu, maka tekanan uap pun akan semakin besar, sehingga dengan membesarnya tekanan uap, maka ada pada saat tertentu tekanan uapnya akan menyamai tekanan uadra luar. Nah pada saat tekanan uap sama dengan tekanan udara luar inilah, maka terjadilah proses pendidihan.

Faktor yang kedua adalah lokasi di mana zat cair tersebut berada. Hal ini karena tekanan udara di setiap tempat tidaklah sama. Semakin tinggi suatu tempat dari permukaan laut, maka tekanan udaranya semakin kecil. Hal ini dapat difahami karena jumlah udara semakin berkurang seiring dengan bertambahnya ketinggian. Semakin tinggi suatu tempat (seperti di pegunungan), maka tekanan udaranya pun semakin rendah, sehingga semakin mudah pula tekanan uapnya sama dengan tekanan udara luar. Akibatnya, titik didihnya pun semakin rendah. Sebagai contoh, air yang dipanaskan di daerah pantai akan mendidih pada suhu 100 oC, sedangkan air yang dipanaskan di puncak everest di pegunungan himalaya, akan mendidih pada suhu dibawah 75 oC.

Semakin rendah titik didih air di suatu tempat, maka memasak makanan di tempat tersebut semakin lama, bahkan jika titik didihnya rendah sekali seperti di puncak-puncak gunung yang tinggi, maka makanan tidak dapat dimasak sama sekali. Sebaliknya, jika titik didih air semakin tinggi, maka memasak makanan semakin cepat. Sebagai contoh, panci presto dibuat sedemikian rupa supaya tekanannya meningkat sehingga titik didih air menjadi sangat tinggi dan makanan pun semakin cepat matang. Untuk panci presto dengan kualitas yang bagus, tekanan udara di dalamnya dapat mencapai 6 atm. Dengan tekanan yang sebesar ini, selain makanan cepat matang, tulang-tulang pun dapat menjadi lunak.

Karena perbedaan tempat artinya perbedaan tekanan udara, maka biasanya data-data titik didih yang ada pada tabel-tabel, merujuk pada titik didih normal, yaitu titik didih pada saat tekanan udara luar 1 atm. Daerah yang memiliki tekanan udara sebesar 1 atm adalah daerah pantai atau dataran rendah dengan ketinggian 0 meter diatas permukaan laut.

Suatu zat cair murni (misalkan air) yang memiliki titik didih tertentu, akan mengalami perubahan pada titik didihnya ketika ditambahkan suatu zat terlarut nonvolatil seperti gula. Hal ini terjadi, karena dengan adanya zat terlarut, maka tekanan uap larutan akan menurun. Akibatnya, proses penguapan menjadi lebih sulit (ingat konsep tekanan uap!). Hasilnya, dibutuhkan energi yang lebih tinggi (suhu yang lebih besar) untuk menguapkan larutan tersebut.

Secara logika hal ini juga bisa difahami. Ketika suatu zat terlarut seperti gula dimasukkan ke dalam air, maka gula akan membentuk larutan yang homogen dalam air. Partikel gula akan menyebar ke seluruh bagian cairan termasuk di bagian permukaan. Partikel-partikel gula yang ada di bagian permukaan akan menghalangi proses penguapan air, sehingga jumlah uap air yang dihasilkan semakin sedikit. Akibatnya, tekanan uapnya pun akan menurun. Tekanan uap yang lebih rendah akan menyebabkan kebutuhan energi yang lebih tinggi untuk menyamakan tekanan uapnya dengan tekanan udara luar. Alhasil, energi yang dibutuhkan semakin bertambah sehingga suhu pendidihan pun semakin membesar.

Titik Beku dan Penurunan Titik Beku

Titik beku adalah suhu pada saat suatu cairan membeku. Pada suhu ini, fasa cair suatu zat berada dalam kesetimbangan dengan fasa padatannya. Proses pembekuan sendiri adalah suatu proses dimana gerakan partikel-partikel zat cair melambat sehingga mereka memiliki kesempatan untuk berikatan dengan partikel-partikel sesamanya untuk membentuk suatu kristal padatan.

Sama halnya dengan titik didih, titik beku normal didefinisikan sebagai titik beku pada tekanan udara 1 atm. Untuk air (murni), titik beku normal adalah sebesar 0 oC. (meskipun sebenarnya, tekanan udara luar tidak banyak berpengaruh pada titik beku, namun untuk keseragaman dengan titik didih, maka digunakan patokan tekanan udara 1 atm).

Sekarang kita lihat, titik beku air murni adalah 0 oC. Bagaimana jika ada zat terlarut dalam air tersebut, apa yang akan terjadi dengan titik bekunya? Jawabannya titik beku akan turun menjadi di bawah 0 oC (titik beku normal).

Mengapa hal ini bisa terjadi?

Ketika suatu zat cair melarutkan suatu padatan (misalnya air melarutkan gula), maka ketika larutan ini akan membeku, partikel air akan membeku terlebih dahulu sebelum partikel gula. Partikel-partikel air akan berkumpul sesamanya, dan partikel gula pun akan berkumpul dengan sesamanya pula, masing-masing membentuk kristal yang kompak. Hal ini harus dilakukan, karena ukuran kristal air dan kristal gula tidaklah sama, dan padatan kristal tidak akan terbentuk jika partikel-partikel penyusun kristalnya tidak sama.

Nah, karena larutan gula merupakan larutan yang homogen, maka ketika dilakukan proses pembekuan (suhunya diturunkan), masing-masing partikel (air dan gula) akan berusaha berkumpul dengan “kawan-kawannya”. Pada titik beku air (0 °C), hal ini mustahil terjadi, karena proses pembekuan air terhalangi oleh adanya partikel gula. Akibatnya, supaya pembekuan dapat berlangsung, maka suhu harus diturunkan beberapa derajat lagi agar gerakan partikel semakin melambat sehingga proses pembekuan (paksa) dapat terjadi.

Maka dari itu, larutan gula ini akan membeku di bawah titik beku normal air, sehingga kita sekarang memahami mengapa suatu larutan memiliki titik beku yang lebih kecil daripada titik beku pelarutnya (dalam keadaan murni). Dan inilah penjelasan dari konsep penurunan titik beku. 

Gb. Proses pembekuan adalah proses berkumpulnya partikel-partikel sejenis untuk membentuk kristal padatan yang homogen. Ketika ada dua partikel atau lebih dalam suatu campuran, maka partikel-partikel sejenis akan berusaha berkumpul satu sama lain. Gambar diatas menunjukkan pembekuan campuran air dengan pewarna. Air membeku di daerah pinggir dekat dengan kaca tabung reaksi, sedangkan zat pewarna berkumpul dan membeku di tengah. Sumber : General Chemistry, Whitten et. al

@IF'38

Suhu yang dibutuhkan untuk merebus akan meningkat sekitar 0,5 C untuk setiap 58 gram garam terlarut per kilogram air. Ini adalah contoh elevasi titik didih , dan tidak eksklusif untuk air. Ini terjadi setiap kali Anda menambahkan zat terlarut yang tidak mudah menguap seperti garam ke pelarut seperti air.

Air mendidih bila molekulnya mampu mengatasi tekanan uap udara di sekitarnya untuk berpindah dari fase cair ke fase gas. Saat Anda menambahkan zat terlarut yang meningkatkan jumlah energi (panas) yang dibutuhkan air untuk melakukan transisi, beberapa proses terjadi.

Bagaimana cara kerjanya?

Saat Anda menambahkan garam ke air, natrium klorida terdisosiasi menjadi ion natrium dan klorin. Partikel bermuatan ini mengubah gaya antarmolekul antara molekul air.

Selain mempengaruhi ikatan hidrogen antar molekul air, terdapat interaksi ion-dipol yang perlu diperhatikan: Setiap molekul air adalah dipol, yang berarti satu sisi (sisi oksigen) lebih negatif dan sisi lainnya (sisi hidrogen) adalah lebih positif. Ion natrium yang bermuatan positif sejajar dengan sisi oksigen molekul air, sedangkan ion klor yang bermuatan negatif sejajar dengan sisi hidrogen. Interaksi ion-dipol lebih kuat daripada ikatan hidrogen antar molekul air, sehingga dibutuhkan lebih banyak energi untuk memindahkan air dari ion menuju fase uap.

Bahkan tanpa zat terlarut bermuatan, menambahkan partikel ke air akan meningkatkan titik didih karena bagian dari tekanan larutan di atmosfer sekarang berasal dari partikel zat terlarut, bukan hanya molekul pelarut (air). Molekul air membutuhkan lebih banyak energi untuk menghasilkan tekanan yang cukup untuk melepaskan diri dari batas cairan. Semakin banyak garam (atau zat terlarut) yang ditambahkan ke air, semakin Anda menaikkan titik didih. Fenomena tersebut bergantung pada jumlah partikel yang terbentuk dalam larutan.

Depresi titik beku adalah sifat koligatif lain yang bekerja dengan cara yang sama: Jika Anda menambahkan garam ke air, Anda menurunkan titik bekunya sekaligus menaikkan titik didihnya.

Titik didih NaCl

Saat Anda melarutkan garam dalam air, garam akan pecah menjadi ion natrium dan klorida. Jika Anda merebus semua air, ion-ion akan bergabung kembali untuk membentuk garam padat. Namun, tidak ada bahaya mendidih NaCl: Titik didih natrium klorida adalah 2575 F atau 1413 C. Garam, seperti padatan ionik lainnya, memiliki titik didih yang sangat tinggi.