Membedah Partikel Larutan dan Sifat Koligatif

Ketika Zat Masuk ke Air

Pernahkah kamu menebak apa yang sebenarnya terjadi saat serbuk seperti kalium dikromat ($\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$) atau gula dimasukkan ke dalam air? Bayangkan air sebagai sebuah lantai dansa. Tidak semua tamu yang masuk ke lantai dansa ini akan bersikap sama.

Di sinilah kunci pentingnya: cara zat melarut bergantung pada jenis ikatannya.

Zat kovalen (non-elektrolit) seperti glukosa ibarat tamu yang masuk secara utuh. Satu molekul glukosa yang masuk ke dalam air akan tetap menjadi satu partikel tunggal. Ia tidak terbelah.

Namun, senyawa ionik seperti $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ berbeda. Begitu menyentuh air, ikatan ioniknya merenggang dan ia "pecah" membelah diri.

Jadi, dari 1 molekul $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, partikelnya hanya pecah menjadi 3 bagian:

Potassium dichromate solutions Gambar: Leiem, CC BY-SA 4.0 — Wikimedia Commons

Coba perhatikan simulasi di bawah ini untuk melihat langsung perbedaan cara kedua zat ini "terjun" ke dalam air!

Inti dari sifat koligatif adalah menghitung jumlah total "pasukan" partikel yang mengapung di air. Semakin banyak partikelnya, semakin besar efeknya terhadap sifat air!

Jika 1 unit molekul kalium nitrat ($\\text{KNO}_3$) dilarutkan ke dalam air, berapa banyak partikel yang akan menyebar di dalam larutan tersebut?

  • 1 partikel utuh
  • 2 partikel ion
  • 4 partikel ion
  • 5 partikel atom

Jawaban: 2 partikel ion

$\\text{KNO}_3$ adalah senyawa ionik dengan ion poliatomik $\\text{NO}_3^-$. Saat dilarutkan, ia pecah menjadi 2 partikel: 1 ion $\\text{K}^+$ dan 1 ion utuh $\\text{NO}_3^-$. Atom oksigen dan nitrogen dalam nitrat tidak terpisah!

Senyawa ionik dengan ion poliatomik akan pecah menjadi kation dan anion utuh, tidak terurai sampai ke tingkat atom.

Menghitung Total Pasukan Partikel

Di halaman sebelumnya kita sepakat bahwa yang paling penting dalam sifat koligatif adalah jumlah partikel, bukan jenis molekulnya.

Untuk tahu seberapa ramai partikel di dalam air, kita harus menghitung molalitas partikelnya. Di sinilah kita menggunakan faktor van 't Hoff ($i$), yaitu jumlah pecahan partikel dari suatu molekul.

Mari kita hitung satu per satu:

  1. Pasukan $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$: Karena elektrolit kuat ini pecah menjadi 3 ion ($i=3$), maka konsentrasi partikelnya berlipat ganda! $0{,}05 \text{ molal} \times 3 \text{ ion} = \mathbf{0{,}15 \text{ molal partikel}}$.

  2. Pasukan Glukosa: Karena non-elektrolit, molekulnya tetap utuh ($i=1$). $0{,}2 \text{ molal} \times 1 \text{ partikel} = \mathbf{0{,}2 \text{ molal partikel}}$.

Saat kedua larutan ini dicampur ke dalam pelarut yang sama, kita tinggal menjumlahkan total pasukannya: $0{,}15 + 0{,}2 = 0{,}35 \text{ molal}$ total partikel.

Terbukti kan? Begitu ada zat yang masuk dan terurai, jumlah (konsentrasi) partikel yang mengapung-apung di larutan otomatis meningkat tajam dibanding kondisi awal!

Dalam suatu campuran terdapat pelarut air yang ditambahkan $\\text{NaCl}$ $0{,}1 \\text{ m}$ dan Urea $0{,}1 \\text{ m}$. Berapa total konsentrasi partikel yang ada di larutan tersebut?

  • $0{,}1 \\text{ m}$
  • $0{,}2 \\text{ m}$
  • $0{,}3 \\text{ m}$
  • $0{,}4 \\text{ m}$

Jawaban: $0{,}3 \\text{ m}$

$\\text{NaCl}$ pecah jadi 2 ion ($0{,}1 \\times 2 = 0{,}2 \\text{ m partikel}$). Urea adalah non-elektrolit ($0{,}1 \\times 1 = 0{,}1 \\text{ m partikel}$). Totalnya = $0{,}2 + 0{,}1 = 0{,}3 \\text{ m}$.

Total molalitas partikel adalah hasil jumlah dari molalitas partikel nonelektrolit ditambah molalitas partikel elektrolit yang telah dikali jumlah ionnya.

Efek Keramaian pada Titik Beku

Sekarang kita sudah membuktikan bahwa ada $0{,}35 \text{ molal}$ total partikel yang berpesta di dalam air. Lalu, apa dampaknya terhadap titik beku?

Bayangkan molekul-molekul air murni sedang ingin merapatkan barisan, bergandengan tangan perlahan untuk mengeras menjadi kristal es saat suhu menyentuh $0^\circ\text{C}$.

Nah, partikel-partikel glukosa, ion kalium, dan ion dikromat yang tersebar secara acak (fraksi mol mereka secara total) akan menghalangi molekul air untuk merapat!

Secara suhu, "memaksa lebih keras" artinya suhu harus diturunkan jauh lebih dingin daripada normal. Inilah alasan fundamental kenapa kehadiran total partikel zat terlarut pasti akan menyebabkan penurunan titik beku. Semakin ramai pasukannya, semakin sulit membeku!

Karena dalam kasus kita terdapat setumpuk partikel tambahan di air, campuran tersebut jelas tidak akan membeku di $0^\circ\text{C}$ lagi, melainkan lebih rendah dari titik beku air murni.

Tentukan apakah pernyataan mengenai titik beku larutan ini benar atau salah!

  • Titik beku larutan glukosa $0{,}1\\text{ m}$ lebih rendah daripada titik beku air murni. — Benar
  • Titik beku larutan $\\text{NaCl}$ $0{,}1\\text{ m}$ sama persis dengan larutan glukosa $0{,}1\\text{ m}$. — Salah

Larutan apa pun pasti titik bekunya lebih rendah dari air murni (Pernyataan 1 Benar). Tapi $\\text{NaCl}$ pecah jadi 2 partikel, sehingga gangguannya 2x lipat lebih besar dibanding glukosa yang utuh 1 partikel. Jadi titik beku $\\text{NaCl}$ akan LEBIH merosot tajam, tidak sama persis dengan glukosa. (Pernyataan 2 Salah).

Semakin banyak jumlah total partikel dalam pelarut, semakin besar 'rintangan' yang dialami pelarut, sehingga titik beku turun semakin jauh.