Supersaturasi

kondisi suatu larutan yang mengandung zat terlarut lebih banyak daripada kemampuan larutnya pada kesetimbangan, disebut juga superjenuh

Supersaturasi adalah larutan yang mengandung lebih banyak bahan terlarut daripada yang bisa dilarutkan oleh pelarut dalam keadaan normal. Ini juga bisa merujuk pada uap suatu senyawa yang memiliki tekanan (parsial) yang lebih tinggi daripada tekanan uap senyawa itu.

Supersaturasi digunakan di bejana awan. Perangkat ini mendeteksi partikel radiasi dengan membuat lapisan uap super jenuh yang mengembun menjadi jejak awan ketika partikel melewatinya.

PersiapanSunting

Kondisi khusus perlu dipenuhi untuk menghasilkan larutan super jenuh. Salah satu cara termudah untuk melakukan ini bergantung pada kelarutan sebagai fungsi suhu. Sebagai aturan umum, semakin banyak panas ditambahkan ke suatu sistem, zat semakin mudah larut. (Ada pengecualian di mana terjadi hal sebaliknya). Oleh karena itu, pada suhu tinggi, lebih banyak zat terlarut yang dapat larut daripada suhu yang lebih rendah. Jika larutan ini tiba-tiba didinginkan dengan laju yang lebih cepat daripada laju presipitasi, larutan akan menjadi super jenuh jenuh sampai zat terlarut mengendap ke titik jenuh yang ditentukan suhu. Pengendapan atau kristalisasi zat terlarut membutuhkan waktu lebih lama daripada waktu pendinginan yang sebenarnya karena molekul-molekul harus bertemu dan membentuk endapan tanpa terbentur oleh pelarut. Dengan demikian, semakin besar molekulnya, semakin lama zat terlarut akan mengkristal karena prinsip-prinsip gerak Brown.

Kondisi super jenuh tidak harus dicapai melalui manipulasi panas. Hukum gas ideal:

 

menunjukkan bahwa tekanan dan volume juga dapat diubah untuk memaksa sistem menjadi kondisi super jenuh. Jika volume pelarut berkurang, konsentrasi zat terlarut dapat di atas titik jenuh dan dengan demikian membuat larutan super jenuh. Penurunan volume paling umum dihasilkan melalui penguapan. Demikian pula, peningkatan tekanan dapat mendorong larutan ke kondisi super jenuh. Ketiga mekanisme ini berlandaskan pada fakta bahwa kondisi larutan dapat diubah lebih cepat daripada pengendapan atau kristalisasi zat terlarut.

Perubahan fase (kristalisasi dan kondensasi)Sunting

Larutan super jenuh juga akan mengalami kristalisasi dalam kondisi tertentu.[1][2] Dalam larutan normal, sekali jumlah maksimum zat terlarut tercapai, menambahkan lebih banyak zat terlarut akan menyebabkan zat terlarut mengendap dan/atau tidak larut sama sekali.[3] Demikian pula, ada kasus-kasus di mana kelarutan larutan jenuh berkurang dengan memanipulasi suhu, tekanan, atau volume tetapi keadaan super jenuh tidak terjadi.[4] Dalam kasus ini, zat terlarut hanya akan mengendap. Ini karena larutan super jenuh berada dalam keadaan energi yang lebih tinggi daripada larutan jenuh.

Suatu larutan gas yang super jenuh dalam suatu cairan dapat membentuk gelembung jika ada tempat nukleasi yang sesuai. Supersaturasi dapat didefinisikan sebagai jumlah dari semua tekanan parsial gas dalam cairan yang melebihi tekanan sekitar dalam cairan.[5]

 
Sebuah laboratorium kimia dipraktekkan di kelas oleh mahasiswa tahun kedua di sekolah menengah untuk mempelajari lebih lanjut tentang pelarut; gambar ini adalah hasil akhir dari lab, larutan super jenuh yang telah mengkristal saat didinginkan ke suhu normal

Kristalisasi akan terjadi untuk memungkinkan larutan mencapai tingkat energi yang lebih rendah. (Perlu diingat bahwa proses ini dapat bersifat eksoterm atau endoterm). Energi aktivasi datang dalam bentuk kristal inti yang ditambahkan ke larutan cair (atau nukleus kondensasi saat larutan berbentuk gas). Nukleus ini dapat ditambahkan dari sumber lain, yang dikenal sebagai pembenihan, atau dapat secara spontan terbentuk dalam larutan sebagian karena interaksi ion dan molekul. Proses ini dikenal sebagai nukleasi primer. Nuklei harus identik dengan zat terlarut yang mengkristal.[6] Ini akan memungkinkan ion terlarut untuk terbentuk di atas nuklei dan kemudian satu sama lain mengalami proses pertumbuhan kristal atau nukleasi sekunder.[7] Ada banyak faktor yang akan mempengaruhi laju dan urutan besarnya kristalisasi yang dihasilkan serta perbedaan dalam pembentukan kristalit dan kristal tunggal.

Diagram fase kristalisasi menunjukkan kejadian kurang jenuh, jenuh, dan super jenuh pada konsentrasi tertentu. Konsentrasi di bawah kurva kelarutan menghasilkan larutan kurang jenuh. Kejenuhan terjadi ketika konsentrasi berada pada kurva kelarutan. Jika konsentrasinya di atas kurva kelarutan, solusinya dianggap super jenuh. Ada tiga mekanisme penjenuhan yang terjadi: presipitasi, nukleasi, dan metastabil. Di zona presipitasi, molekul dalam larutan berada dalam keadaan berlebih dan akan terpisah dari larutannya untuk membentuk agregat amorf. Kelebihan molekul beragregasi untuk membentuk struktur kristal ketika berada di zona nukleasi. Pada zona metastabil, larutan membutuhkan waktu untuk bernukleasi. Untuk menumbuhkan kristal saat berada di zona metastabil, kondisinya akan membutuhkan pembentukan satu nukleus saat berada di zona nukleasi, melewati wilayah metastabil. Larutan super jenuh kemudian dapat kembali ke wilayah metastabil.[8]

Supersaturasi dalam uapSunting

Supersaturasi dalam fase uap berhubungan dengan tegangan permukaan cairan melalui persamaan Kelvin, efek Gibbs–Thomson dan efek Poynting.[9]

Asosiasi Internasional untuk Sifat-sifat Air dan Uap (IAPWS) menyediakan persamaan khusus untuk energi bebas Gibbs di wilayah uap air metastabil dalam Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. Semua sifat termodinamika untuk uap air di wilayah metastabil dapat diturunkan dari persamaan ini dengan menggunakan hubungan sifat termodinamika yang sesuai dengan energi bebas Gibbs.[10]

Metodologi pengukuranSunting

Teknik pengukuran Metode pengukuran Objek pengukuran
Akustik Ultrasonik Laju sonik, pergeseran fase
Kimia Titrasi, indikator Konsentrasi, warna
Konduktometri Sel Kohlrausch, pengukuran induktif Konduktivitas elektrolit
Gravimetri Densimeter Densitas
Optik Refraktometri, interferometri, polarimetri, turbidimetri Indeks refraksi, interferensi, rotasi polarisasi bidang datar, turbiditas
Analisis partikel Particle analyzer Distribusi ukuran, densitas partikel
Viskometri Viskometer, osilator kristal kuarsa Viskositas
Potensiometri Elektrode ion spesifik, membran ion spesifik Konduktivitas ion
Radiometri Radiasi nuklir Spektrum absorpsi
Spektroskopi Spektrofotometri, spektroskopi inframerah Spektrum absorpsi

Tabel 1. Metode pengukuran supersaturasi (Profos, 1987).[11]

SejarahSunting

Supersaturasi telah menjadi topik penelitian yang banyak sepanjang sejarah. Studi awal dari larutan ini biasanya dilakukan dengan natrium sulfat, dikenal juga sebagai Garam Glauber, karena stabilitas kristal dan peningkatan perannya dalam industri. Melalui penggunaan garam ini, sebuah penemuan ilmiah penting dibuat oleh Jean-Baptiste Ziz, seorang botaniwan dari Mayence, pada tahun 1809.[12] Eksperimennya memungkinkan dia untuk menyimpulkan bahwa kristalisasi larutan super jenuh tidak hanya berasal dari agitasi, (yang dipercaya sebelumnya) tetapi dari benda padat yang masuk dan bertindak sebagai situs "awal" untuk pembentukan kristal, sekarang disebut situs nukleasi. Gay-Lussac memperluas hal ini dengan menaruh perhatian pada kinematika ion garam dan karakteristik wadah yang berdampak pada keadaan super jenuh. Dia juga dapat memperluas jumlah garam yang dapat menghasilkan larutan super jenuh. Kemudian, Henri Löwel sampai pada kesimpulan bahwa baik nuklei larutan maupun dinding wadah memiliki efek katalisis pada larutan yang menyebabkan kristalisasi. Menjelaskan dan menyediakan model untuk fenomena ini telah menjadi tugas yang diemban oleh penelitian terkini. Désiré Gernez berkontribusi pada penelitian ini dengan menemukan bahwa nukleus harus dari garam yang sama yang sedang dikristalisasi untuk menghasilkan kristalisasi.

AplikasiSunting

Supersaturasi adalah fenomena yang banyak ditemui baik dalam proses lingkungan dan dalam manufaktur komersial. Misalnya, madu, sumber makanan yang diturunkan dari nektar manis, adalah larutan gula super jenuh. Nektar sendiri adalah larutan bergula di bawah titik jenuhnya. Begitu lebah memanen nektar, mereka mengipasinya dengan cepat menggunakan sayapnya untuk memaksa penguapan. Ini memaksa larutan memasuki keadaan super jenuh, dan terciptalah madu. Ini menjelaskan mengapa madu mengkristal; larutannya hanya kembali ke keadaan jenuh.[13]

Permen tertentu dibuat dengan mengkristalkan larutan gula super jenuh. Untuk membuat gula batu, produsen dapat menaikkan pelarut ke suhu tinggi, menambahkan gula untuk mencapai konsentrasi tinggi, dan kemudian menurunkan suhu. Jika seutas tali atau stik hadir dalam larutan saat mendingin, kristalisasi akan terjadi pada padatan itu dan menciptakan permen. Ini adalah prinsip yang sama yang menyebabkan sirup mapel mengkristal.[14]

 
Supersaturasi gula dalam air memungkinkan pembentukan gula batu.

Karbonasi air juga bergantung pada perilaku larutan super jenuh. Dalam hal ini, larutannya disupersaturasi dengan gas. Untuk membuat soda dan air seltzer, gas karbon dioksida dipaksa larut dalam air melebihi titik jenuhnya. Ini dilakukan dengan memberikan tekanan tinggi ke gas dengan adanya air diikuti dengan menyegel sistem hingga kedap udara.

Karakteristik supersaturasi memiliki aplikasi praktis dalam hal obat-obatan. Dengan membuat larutan super jenuhnya, obat tertentu dapat dicerna dalam bentuk cairannya. Obat dapat dipaksa ke keadaan super jenuhnya melalui mekanisme normal apa pun dan kemudian dicegah agar tidak mengendap dengan menambahkan penghambat presipitasi.[15] Obat-obatan dalam keadaan ini disebut sebagai "sistem penghantaran obat super jenuh," atau "SDDS."[16] Konsumsi oral obat dalam bentuk ini sederhana dan memungkinkan pengukuran dosis yang sangat tepat. Terutama, itu menjadi sarana agar obat dengan kelarutan yang sangat rendah dapat dibuat menjadi larutan berair.[17][18] Selain itu, beberapa obat dapat mengalami supersaturasi di dalam tubuh meskipun diminum dalam bentuk kristal.[19] Fenomena ini dikenal sebagai supersaturasi in vivo.

Identifikasi larutan super jenuh dapat digunakan sebagai alat bagi ahli ekologi kelautan untuk mempelajari aktivitas organisme dan populasi. Organisme fotosintetik melepaskan gas O2 ke dalam air. Dengan demikian, area lautan super jenuh dengan gas O2 kemungkinan dapat ditentukan kaya dengan aktivitas fotosintesis. Meskipun beberapa O2 secara alami akan ditemukan di lautan karena sifat kimia fisiknya yang sederhana, lebih dari 70% dari semua gas oksigen yang ditemukan di daerah super jenuh dapat dikaitkan dengan aktivitas fotosintesis.[20]

Studi supersaturasi juga relevan dengan studi atmosferik. Sejak tahun 1940-an, kehadiran supersaturasi di atmosfer telah diketahui. Ketika air disuperjenuhkan dalam troposfer, pembentukan kisi es seringkali teramati. Dalam keadaan jenuh, partikel-partikel air tidak akan membentuk es di bawah kondisi troposferik. Molekul air tidak cukup untuk membentuk suatu kisi pada tekanan jenuh; mereka membutuhkan permukaan untuk berkondensasi atau konglomerasi molekul air cair untuk membeku. Berdasarkan alasan ini, kelembaban relatif es di atmosfer dapat dijumpai di atas 100%, artinya telah terjadi supersaturasi. Supersaturasi air sebetulnya sangat umum di troposfer bagian atas, terjadi antara 20% dan 40% dari waktu.[21] Ini dapat ditentukan menggunakan data satelit dari Atmospheric Infrared Sounder.[22] Bukti supersaturasi di troposfer dapat dilihat di jejak kondensasi pesawat dan roket, yang perlu mencapai kelembaban di atas kejenuhan es agar terbentuk.

Lihat jugaSunting

ReferensiSunting

  1. ^ Coquerel, Gérard (2014-03-10). "Crystallization of molecular systems from solution: phase diagrams, supersaturation and other basic concepts". Chemical Society Reviews. 43 (7): 2286–2300. doi:10.1039/c3cs60359h. PMID 24457270. 
  2. ^ Kareiva, Aivaras; Yang, Jen-Chang; Yang, Thomas Chung-Kuang; Yang, Sung-Wei; Gross, Karlis-Agris; Garskaite, Edita (2014-04-15). "Effect of processing conditions on the crystallinity and structure of carbonated calcium hydroxyapatite (CHAp)". CrystEngComm. 16 (19): 3950–3959. doi:10.1039/c4ce00119b. 
  3. ^ Linnikov, O. D. (2014). "Mechanism of precipitate formation during spontaneous crystallization from supersaturated aqueous solutions". Russian Chemical Reviews. 83 (4): 343–364. Bibcode:2014RuCRv..83..343L. doi:10.1070/rc2014v083n04abeh004399. 
  4. ^ Titaeva, E. K.; Fedoseev, V. B. (2014-05-24). "Specific features of crystallization of supersaturated solution in femtoliter-volume systems". Crystallography Reports. 59 (3): 437–441. Bibcode:2014CryRp..59..437T. doi:10.1134/S1063774514030195. ISSN 1063-7745. 
  5. ^ Conkin, Johnny; Norcross, Jason R.; Wessel, James H. III; Abercromby, Andrew F. J.; Klein, Jill S.; Dervay, Joseph P.; Gernhardt, Michael L. Evidence Report: Risk of Decompression Sickness (DCS). Human Research Program Human Health Countermeasures Element (Laporan). Houston, Texas: National Aeronautics and Space Administration. 
  6. ^ Mullin, J. (1976). Industrial Crystallization. Springer. doi:10.1007/978-1-4615-7258-9. ISBN 978-1-4615-7260-2. 
  7. ^ Takiyama, Hiroshi (May 2012). "Supersaturation operation for quality control of crystalline particles in solution crystallization". Advanced Powder Technology. 23 (3): 273–278. doi:10.1016/j.apt.2012.04.009. 
  8. ^ "1 Introduction to protein crystallisation". www.xray.bioc.cam.ac.uk. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2015-04-18. Diakses tanggal 2015-04-21. 
  9. ^ George N. Hatsopoulos & Joseph H. Keenan (1965), Principles of General Thermodynamics - John Wiley & Sons, Inc., New York, London, Sydney. Chapter 28, pages 303-309
  10. ^ Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam, IAPWS R7-97(2012) [1]
  11. ^ Löffelmann, M.; Mersmann, A. (October 2002). "How to measure supersaturation?". Chemical Engineering Science. 57 (20): 4301–4310. doi:10.1016/S0009-2509(02)00347-0. 
  12. ^ Tomlinson, Charles (1868-01-01). "On Supersaturated Saline Solutions". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 158: 659–673. doi:10.1098/rstl.1868.0028. ISSN 0261-0523. 
  13. ^ "Honey as a topical treatment for acute and chronic wounds". Cochrane. Diakses tanggal 2015-04-21. 
  14. ^ Bishop, Mark. "Supersaturation". preparatorychemistry.com. Diakses tanggal 2015-04-21. 
  15. ^ Bevernage, Jan; Brouwers, Joachim; Brewster, Marcus E.; Augustijns, Patrick (2013). "Evaluation of gastrointestinal drug supersaturation and precipitation: Strategies and issues". International Journal of Pharmaceutics. 453 (1): 25–35. doi:10.1016/j.ijpharm.2012.11.026. PMID 23194883. 
  16. ^ Brouwers, Joachim; Brewster, Marcus E.; Augustijns, Patrick (Aug 2009). "Supersaturating drug delivery systems: the answer to solubility-limited oral bioavailability?". Journal of Pharmaceutical Sciences. 98 (8): 2549–2572. doi:10.1002/jps.21650. ISSN 1520-6017. PMID 19373886. 
  17. ^ Augustijns (2011). "Supersaturating drug delivery systems: Fast is not necessarily good enough". Journal of Pharmaceutical Sciences. 101 (1): 7–9. doi:10.1002/jps.22750. PMID 21953470. 
  18. ^ "Gas Dissolving Method" CA Patent 1320934 - Fitzpatrick, Nicholas; John Kuzniarski (3 August 1993) Retrieved 2009-11-15
  19. ^ Hsieh, Yi-Ling; Ilevbare, Grace A.; Van Eerdenbrugh, Bernard; Box, Karl J.; Sanchez-Felix, Manuel Vincente; Taylor, Lynne S. (2012-05-12). "pH-Induced Precipitation Behavior of Weakly Basic Compounds: Determination of Extent and Duration of Supersaturation Using Potentiometric Titration and Correlation to Solid State Properties". Pharmaceutical Research (dalam bahasa Inggris). 29 (10): 2738–2753. doi:10.1007/s11095-012-0759-8. ISSN 0724-8741. PMID 22580905. 
  20. ^ Craig, H.; Hayward, T. (Jan 9, 1987). "Oxygen supersaturation in the ocean: biological versus physical contributions". Science. 235 (4785): 199–202. Bibcode:1987Sci...235..199C. doi:10.1126/science.235.4785.199. ISSN 0036-8075. PMID 17778634. 
  21. ^ Gettelman, A.; Kinnison, D. E. (2007). "The global impact of supersaturation in a coupled chemistry-climate model" (PDF). Atmospheric Chemistry and Physics. 7 (6): 1629–1643. doi:10.5194/acp-7-1629-2007. 
  22. ^ Gettelman, Andrew; Fetzer, Eric J.; Eldering, Annmarie; Irion, Fredrick W. (2006). "The Global Distribution of Supersaturation in the Upper Troposphere from the Atmospheric Infrared Sounder". Journal of Climate. 19 (23): 6089. Bibcode:2006JCli...19.6089G. doi:10.1175/JCLI3955.1. 
  • "Mr. Lou's Chemistry Website." Factors Affecting Solubility. N.p., n.d. Web. 20 Apr. 2015.
  • "Saturated Solutions and Solubility." Apchemchys. N.p., n.d. Web. 20 Apr. 2015.
  • "http://www.google.com/patents/CA1320934C?cl=en - Gas Dissolving Method". "Fitzpatrick, Nicholas; John Kuzniarski (3 August 1993).