DESTILASI

A. Pendahuluan

1. Deskripsi Singkat

Bab ini akan membahas tentang pemisahan dengan cara destilasi yang didasarkan pada perbedaan titik didih cairan pada tekanan tertentu. Pemisahan dengan destilasi melibatkan penguapan diferencial dari suatu campuran cairan diikuti dengan penampungan material yang menguap dengan cara pendinginan dan pengembunan.

2. Relevansi

Pembahasan materi dalam bab ini sangat erat kaitannya dengan bab-bab selanjutnya. Dalam bab ini mahasiswa akan memahami dasar pemisahan cara destilasi serta berbagai macam cara destilasi yang digunakan dalam pemisahan kimia.

3. Tujuan

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Menguasai dan memahami teori pemisahan dengan cara destilasi

2. Menerangkan tentang a) destilasi sederhana, b) destilasi bertingkat dan c) destilasi uap.

B. Uraian

Pemisahan dengan cara destilasi yang didasarkan pada perbedaan titik didih cairan pada tekanan tertentu. Pemisahan dengan destilasi melibatkan penguapan diferencial dari suatu campuran cairan diikuti dengan penampungan material yang menguap dengan cara pendinginan dan pengembunan. Beberapa teknik destilasi lebih cocok untuk pekerjaan-pekerjaan preparatif di laboratorium dan industri. Sebagai contoh adalah pemurnian alkohol, pemisahan minyak bumi menjadi fraksi-fraksinya, pembuatan minyak atsiri dan sebagainya.

Pemisahan dengan destilasi berbeda dengan pemisahan cara penguapan. Pada destilasi semua componen yang terdapat di dalam campuran bersifat mudah menguap (volátil). Tingkat penguapan (volatilitas) masing-masing componen berbeda-beda pada suhu yang sama. Hal ini akan berakibat bahwa pada suhu tertentu uap yang dihasilkan dari suatu campuran cairan akan selalu mengandung lebih banyak componen yang lebih volátil. Sifat yang demikian ini akan terjadi sebaliknya, yakni pada suhu tertentu fasa cairan akan lebih banyak mengandung componen yang kurang volátil. Jadi cairan yang setimbang dengan uapnya pada suhu tertentu memiliki komposisi yang berbeda. Pada pemisahan dengan cara penguapan, componen volátil dipisahkan dari componen yang non volátil, karena proses pemananasan. Sebagai contoh pemisahan penguapan adalah memisahkan air dari larutan NaCl berair, sedang pemisahan dengan cara destilasi digunakan untuk memisahkan campuran alcohol dengan air. Untuk memahami proses destilasi utamanya destilasi fraksional, maka diperlukan pengetahuan tentang hubungan anatara titik didih atau tekanan uap dari campuran senyawa deserta komposisinya. Sebagai penyederhanaan , akan dibahas tentang campuran biner.

3.1. Diagram Kesetimbangan Uap Cairan Campuran Biner

Pada pemisahan cara destilasi jika pada suhu tertentu cairan setimbang dengan uapnya, maka cairan dengan uapnya mempunyai komposisi yang berbeda. Uap selalu lebih banyak mengandung componen yang lebih volátil demikian juga terjadi sebaliknya. Pada suhu berbeda komposisi uap dan cairannya akan berbeda. Dengan demikian maka komposisi uap yang setimbang dengan cairannya akan berubah sejalan dengan perubahan suhu. Perubahan komposisi sebagai fungsi suhu ini dapat digambarkan sebagai diagram kesetimbangan komposisi uap cairan. Diagram ini dapat diturunkan dari diagram titik didih sebagai fungsi komposisi. Contoh diagram titik didih sebagai fungsi komposisi untuk sistem n-heksan dan n reptan.

n-Heksan n Heptana

Fraksi mol n-heptana

Gambar 3.1 Diagram titik didih Vs Komposisi untuk sistem n-heksan dan n heptana

Gambar 3.1 merupakan diagram yang menggambarkan hubungan titik didih, komposisi uap, dan komposisi cairannya. Penggunaan diagram diatas akan mempermudah penggambaran proses destilasi.

Marilah kita perhatikan campuran n-heksan (A) dengan n-heptana (B). Senayawa A akan mempunyai tekanan uap P_A yang lebih kecil dari tekanan uap cairan murni A, yakni P^oA. Demikian juga senyawa B, P_B akan lebih kecil dari P^oB. Hubungan P_A dengan

P^oA serta P_B dengan P^oB dinyatakan dalam hukum Raoult dengan rumus sebagai berikut:

P_A = X_A P^oA dan P_B = X_B P^oB ...........................(3.1)

P_t = P_A + P_B = X_A P^oA + X_B P^oB ........................(3.2)

Dimana X_A dan X_B mol fraksi A dan B dalam larutan campuran. P_t = tekanan uap total dari fasa uap diatas cairan. Hukum Raoult tersebut hanya berlaku untuk larutan ideal, yakni larutan yang componen-komponenya mempunyai sifat-sifat nimia yang mirip.

Semarang bagaimanakah hubungan komposisi uap, tekanan uap, dan komposisi cairan pada tekanan tetap ?. Jika X_A dan X_B adalah mol fraksi A dan B dalam keadaan cair, serta Y_A dan Y_B adalah mol fraksi A dan B dalam keadaan uap, maka hubungan anatara tekanan parcial dengan komposisi dapat dituliskan sebagai berikut:

………..…………………….…………(3.3)

Dari hubungan-hubugan diatas dapat dituliskan perbandingan antara P_A dan P_B sebagai berikut.

………………………………….……(3.4)

Notasi a disebut volatilitas A relatif terhadap B, yang merupakan perbandingan tekanan uap murni masing-masing componen …………………………………….dst

Contoh soal :

Bagaimanakah komposisi uap yang setimbang dengan cairan yang berkomposisi 54 % mol zat A dan 46 % mol zat B pada titik didihnya. Diketahui titik didih cairan itu 80^oC, P^o zat A 1050 torr dan P^o zat B 427 torr, pada suhu dan tekanan tersebut.

(1 torr = 1 mmHg).

Penyelesaian :

P_A = = 0,54 x 1050 torr = 567,00 torr

P_B= = 0,46 x 427 torr = 196,42 torr

P_total = (567,00 + 196,42) torr = 763,42 torr

Komposisi uap :

a. Zat A = x 100 % = 74,27 % mol

b. Zat A = x 100 % = 25,73 % mol

Jika uap dengan komposisi seperti pada contoh soal di atas di embunkan, maka fasa air yang diperoleh (kondensat) akan mempunyai komposisi 74,27 % mol zat A, dan 25,73 % mol zat B. Dengan demikian terjadi pengayaan Zat A, yaitu dari 54% mol menjadi 74,27%.

Bagaimanakah jika kodensat dengan susunan 74,27 % mol zat A dan 25,73 mol zat B didestilasi kembali? Dengan cara perhitungan yang sama, uap yang dihasilkan akan mempunyai komposisi 87,5 % mol zat A. Bila hasil-hasil perhitungan ini dialurkan ke dalam suatu diagram titik didih sebagai fungsi komposisi, akan diperoleh seperti Gambar 3.1 di atas.

Kesimpulan yang dapat ditarik dari contoh perhitungan dan diagram tersebut ialah bahwa proses pengayaan uap akan merupakan fungsi dari tekanan uap relatif dari dua komponen. Suatu destilasi tunggal tidak dapat menghasilkan produk murni. Meskipun demikian, pengertian proses pengayaan dapat merupakan dasar untuk mempelajari destilasi fraksional atau destilasi bertingkat.

3.2 Destilasi Fraksional

Destilasi tunggal menghasilkan pemisahan parsial dari komponen dimana fasa uap diperkaya dengan zat yang lebih volatil. Dalam destilasi fraksional atau destilasi bertingkat proses pemisahan parsial diulangi berkali-kali dimana setiap kali terjadi pemisahan lebih lanjut. Hal ini berarti proses pengayaan dari uap yang lebih volatil juga terjadi berkali-kali sepanjang proses destilasi fraksional itu berlangsung. Proses pengayaan itu bila digambar akan menghasilkan Gambar 3.2 berikut :

Komposisi Uap

YB,0

YB,1

YB,2

heptana

heksana

XB,0

XB,1

XB,2

Komposisi cairan

Gambar 3.2 Proses pengayaan selama destilasi fraksionasi berlangsung untuk campuran n-heksana-n-heptana (Pecsok, 1976:20)

Menurut gambar di atas, larutan dengan komposisi X_B,0, jika dipanaskan sampai suhu T_o larutan ini akan mulai mendidih dan mengasilkan uap dengan komposisi Y_B,0. Pengembunan uap ini akan menghasilkan kondensat dengan komposisi X_B,1,. Dengan komposisi X_B,1, ini sama dengan Y_B,0, dengan titik didih T₁. Kondensat ini dijaga pada suhu T₁ dan sejumlah kecil uap dikumpulkan. Kodensat kedua mempunyai komposisi X_B,2, dan bertitik didih T_2. Langkah-langkah proses ini dapat diulang-ulang sampai didapatkan destilat murni dari komponen yang lebih volatil dan residu murni dari komponen yang kurang volatil.

3.3 Destilasi Kolom Tutup Gelembung

Gambar 3.3 Sistem Kerja Destilasi Kolom Tutup Gelembung

Proses pengayaan destilasi fraksional dimuka akan lebih dijelaskan dengan destilasi kolom tutup gelembung. Sistem kerjanya dapat dilihat seperti gambar 3.3 di atas. Campuran asli dengan susunan X_B,0, dan Y_B,0, dipanaskan pada bejana dasar (still pot) sampai titik didih. Uap yang dihasilkan melewati plat 1 kemudian disimpangkan dan didinginkan pada tutup gelembung. Plat nomor 1 dijaga pada suhu titik didih cairan yang ada di dalamnya, yang tentu saja lebih rendah dari titik didih cairan mula-mula yang ada di bejana dasar. Uap yang ada di plat 1 didinginkan pada tutup gelembung plat 2, begitu seterusnya sampai plat ke 4 yang ada di puncak kolom. Kelebihan cairan akan mengalir ke plat yang ada di bawahnya melalui pipa. Pendingin di tempatkan di puncak kolom. Ketika sistem mencapai kesetimbangan, komposisi uap dan cairan yang ada pada setiap plat akan bersesuaian dengan langkah-langkah yang ditujukan oleh Gambar 3.2. Uap pada setiap plat berangsur-angsur akan diperkaya dengan komponen yang lebih volatil. Pertanyaan yang timbul adalah “mungkinkah dua komponen dapat dipisahkan pada tingkat kemurnian yang diinginkan dengan menyediakan plat yang banyak”? sayangnya semakin banyak plat semakin banyak campuran yang tertinggal dalam plat. Pada setiap kali pengambilan hasil destilasi pada ujung kolom akan mengakibatkan terjadinya perubahan kesetimbangan pada plat tersebut, yang juga mempengaruhi keadaan kesetimbangan pada seluruh kolom. Setiap penyimpangan dari keadaan setimbang akan menghasilkan pemisahan yang kurang efektif. Jumlah plat efektif sama dengan jumlah langkah pengayaan teoritis dan selalu kurang dari jumlah plat yang sebenarnya dalam kolom.

Dalam praktek hasil destilasi bertingkat dengan cara di atas terlalu sedikit (kurang efektif). Jumlah cairan cukup banyak yang tertinggal di dalam kolom. Untuk mengatasinya kolom dapat diisi dengan padatan berpori dalam susunannya yang tidak terlalu rapat, sehingga uap akan menjadilebih muah didinginkan dan diuapkan kembali selama perjalanannya di dalam kolom.

Keefektifan kolom ditentukan oleh banyak faktor, antara lain (1) pengaturan materi dan kolom; (2) pengaturan temperatur; (3) panjang kolom; (4) dan kecepatan penghilangan hasil destilasi. Satuan dasar efesiensi adalah HETP (Heigh Equivalent to a Theoritical Plate = tinggi setara terhadap suatu plat teoritis) atau disingkat H saja. Harganya dapat dihitung dengan rumus : H = dengan : L = panjang kolom dan n = jumlah plat.

Jumlah plat teoritis yang diperlukan untuk memperkaya suatu campuran biner tertentu dapat dihitung melalui contoh berikut. Misalkan ada campuran biner A dan B dengan konsentrasi awal X_A,0, dan X_B,0, dan setelah proses destilasi didinginkan mencapai suatu derajat kemurnian sebesar X_A,f, dengan X adalah fraksi mol, maka jumlah plat teoritis dalam kolom fraksionansi dapat dihitung melalui rumusan volatilitas relatif (a). Gambaran proses dimulai dari bejana dasar. Uap di dalam bejana dasar (plat ke nol) sebagai hasil penguapan pertama memberikan rumus perhitungan :

atau …………………………….……………………(3.5)

atau ….………..………………………………(3.6)

Ketia uap bejana dasar ini mengmbun di dalam plat pertama, konsentrasinya tidak berubah , karena itu = . Bila cairan yang diperoleh itu menguap pada plat pertama akan berlaku rumus :

……………………….(3.7)

Sesudah plat ke n yang memberikan n+1 pengulangan pengembunan dan penguapan, rumus di atas menjadi :

atau

log……………………………..(3.8)

Ketika uap di dalam plat ke n ini mengembun, maka komposisi destilt akhir (final) akan menjadi Y_A,n = X_A,f, karena itu :

sehingga

Persamaan terakhir disebut persamaan Fenske, yang bisa digunakan untuk memperkirakan jumlah plat teoritis dalam suatu kolom.

Contoh soal

Hitung berapa plat teoritis diperlukan untuk memperkaya campuran benzena-toluena dengan susunan equimoar dengan harga a = 2,47. Destilat akhir yang diinginkan adalah benzena dengan X_A,f = 0,995.

Penyelesaian :

= 4,9 plat, tidak termasuk bejana dasar dan kondensat akhir.

Secara praktis diperlukan sekurang-kurangnya 6 plat untuk memisahkan campuran dengan kemurnian seperti contoh di atas. Sebagai perkiraan kasar, marilah kita asumsikan sebagai berikut : (1) pemisahan yang ”baik ” akan menghasilkan produk pada puncak kolom dengan komposisi sekurang-kurangnya 95 % komponen yang lebih volatil; (2) suatu campuran khusus akan mempunyai titik didih rata-rata 150 ^oC; (3) dan kolom dioperasikan dengan total refluk. Untuk campuran biner yang komponen-komponen murninya mempunyai perbedaan titik didih sebesar ΔTb, jumlah plat minimum yang diperlukan untuk pemisahan yang baik dapat dilihat pada tabel 3.1 sebagai berikut :

Tabel 3.1 Jumlah Plat Teoritis Yang Diperlukan Untuk Membuat Pemisahan yang ”Baik”

ΔTb (oC)	Jumlah Plat
108	1
72	2
36	5
20	10
10	20
2	100

(Pecsok, 1976:22)

3.4 Refluks Rasio

Refluks rasio (Rr) adalah perbandingan antara jumlah uap yang kembali sebagai cairan yang telah direfluks melalui kolom bertingkat dengan jumlah hasil akhir (destilat per satuan waktu. Harga refluks rasio bervariasi dari nol hingga tak terhingga. Untuk tujuan industri dengan skala besar, diinginkan suatu harga Rr rendah (sering kali lebih kecil dari satu) agar terjadi kenaikan produk dari destilat. Sedangkan untuk keperluan analisis diperlukan harga Rr besar (biasanya 10 sampai dengan 50) agar kondisi kesetimbangan dalam kolom tetap terjaga sehingga didapatkan pemisahan yang lebih baik. Sebagai dasar acuan, harga Rr kira-kira sama dengan jumlah plat di dalam kolom.

3.5 Kolom Fraksionasi

Dalam praktek kolom tutup gelembung kurang efektif untuk pekerjaan di laboratorium. Hasilnya relatif terlalu sedikit bila dibandingkan dengan besar bahan yang terkandung di dalam kolom. Dengan kata lain kolom tutup gelembung memiliki keluaran yang kecil dengan sejumlah besar bahan yang masih “tertahan” atau tertinggal di dalam kolom. Perbaikan terhadap hal ini dapat dilakukan dengan cara memasang perintang misalnya padatan berpori yang tidak disusun terlalu padat. Uap akan lebih mudah dibandingkan atau diuapkan kembali selama perjalanannya di dalam kolom.

Keefektifan kolom ini sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti cara pengaturan materi di dalam kolom, pengaturan temperatur, panjang kolom dan kecepatan penghilangan hasil destilasi. Satuan dasar efisiensi adalah tinggi setara dengan sebuah kolom dibagi dengan jumlah plat teoritis. Banyaknya plat teoritis dan juga H bergantung pada sifat campuran yang dipisahkan. Pembicaraan mengenai konsep plat teoritis akan berlanjut pada pembicaraan ekstraksi dan kromatografi.

3.6 Destilasi Uap

Destilasi uap adalah cara untuk mengisolasi dan memurnikan senyawa. Cara destilasi uap dapat digunakan untuk memisahkan :

a. senyawa yang tidak mudah menguap atau senyawa yang tidak dikehendaki, misalnya ter.

b. Campuran berair yang mengandung garam-garam anorganik terlarut.

c. Senyawa yang secara tidak langsung menguap dalam uap air misalnya; orto nitrofenol dan para nitrofenol

d. Hasil samping tertentu yang teruapkan oleh pengaruh uap air.

Dalam destilasi uap, uap yang keluar setelah kontak dengan bahan yang didestilasi merupakan campuran uap dari masing-masing komponen yang sebanding dengan volumenya.

Bila komponen A dan B membentuk suatu campuran yang tidak bercampur maka tekanan uap totalnya sama dengan penjumlahan tekanan uapnya masing-masing, Pt = P_A + P_B. Komposisi uapnya akan berbanding lurus dengan tekanan uapnya masing-masing. Jadi dimana n adalah jumlah mol dan P adalah tekanan pada volume tertentu dari fasa uap. Penjabaran rumus selanjutnya menjadi sebagai berikut :

Dari rumus tersebut dapat dikemukakan 2 hal, yaitu : (1) berat relatif dari komponen dalam fasa uap akan identik dengan berat relatif di dalam destilat; (2) berat zat cair yang tertampung di dalam penampungan destilat berbanding langsung dengan tekanan uap komponen-komponennya dikalikan dengan massa molekul relatifnya masing-masing. Dari rumus di atas dapat dihitung berat komponen yang dicari dan berat air yang diperlukan.

C. Latihan

Bagaimanakah komposisi uap yang setimbang dengan cairan yang berkomposisi 54 % mol zat A dan 46 % mol zat B pada titik didihnya. Diketahui titik didih cairan itu 80^oC, P^o zat A 1050 torr dan P^o zat B 427 torr, pada suhu dan tekanan tersebut.

(1 torr = 1 mmHg).

D. Petunjuk Soal Latihan

Untuk menjawab soal latihan, pelajari contoh-contoh yang sudah disajikan dalam uraian bab ini.

E. Rangkuman

Pemisahan dengan cara destilasi melibatkan penguapan diferencial dari suatu campuran cairan diikuti dengan penampungan material yang menguap dengan cara pendinginan dan pengembunan. Destilasi hanya merupakan salah satu langkah saja dalam pekerjaan analisis kimia. Hal ini misalnya terjadi pada analisis kadar N dan protein cara Kjeldahl. Secara umum destilasi dapat diklasifikasikan menjadi destilasi sederhana, destilasi fraksional, dan destilasi uap.

Pemisahan secara destilasi menyangkut kesetimbangan uap dan cairan pada suhu tertentu. Uap dari campuran biner selalu mengandung lebih banyak zat yang lebih volatil. Hal ini menjadi dasar proses pengayaan komponen tertentu pada destilasi fraksional.Destilasi kolom tutup gelembung merupakan wujud dari proses pengayaan destilasi fraksionaldengan teori plat. Destilasi uap digunakan untuk memisahkan zat yang tidak dapat bercampur dengan air, senyawa yang secara tidak langsung menguap dalam air, dan campuran berair yang mengandung garam-garam terlarut.

F. Tes Formatif

1. Jelaskan prinsip dasar dari pemisahan cara destilasi.

2. Apakah perbedaan pemisahan secara destilasi dan penguapan ?

3. Tuliskan perbedaan antara a) destilasi sederhana, b) destilasi bertingkat dan c) destilasi uap.

4. Apakah yang dimaksud dengan HETP?

5. Dapatkah efisiensi destilasi dipertinggi dengan memperbanyak plat?

G. Umpan Balik dan Tindak Lanjut

Untuk mengetahui tingkat keberhasilan anda dalam menjawab soal-soal yang ada, bandingkan hasil jawaban anda dengan kunci jawaban dibagian akhir modul ini. Hitunglah jawaban yang benar, kemudian gunakan rumus di bawah untuk mengetahui tingkat penguasaan anda terhadap materi ini, rumus :

Tingkat Penguasaan = Jumlah jawaban yang benar x 100 %

Jumlah soal tes formatif

Arti tingkat penguasaan yang anda capai ;

90 % - 100 % = Baik Sekali

80 % - 90 % = Baik

70 % - 80 % = Sedang

< 69 % = Kurang

Jika anda mencapai tingkat penguasaan 80 % ke atas. Anda dapat melanjutkan kegiatan belajar selanjutnya. Tetapi jika tingkat penguasaan anda masih dibawah 80 % sebaiknya anda mengulang kegiatan belajar ini dengan sungguh-sungguh, terutama bagian yang anda belum anda kuasai.

H. Jawaban Tes Formatif

1. Prinsip dasar dari destilasi adalah perbedaan titik didih cairan pada tekanan tertentu.

2. Pemisahan dengan destilasi berbeda dengan pemisahan cara penguapan. Pada destilasi semua componen yang terdapat di dalam campuran bersifat mudah menguap (volátil). Tingkat penguapan (volatilitas) masing-masing componen berbeda-beda pada suhu yang sama.. Pada pemisahan dengan cara penguapan, componen volátil dipisahkan dari componen yang non volátil, karena proses pemananasan.

3. a) destilasi sederhana melibatkan penguapan yang diferensial dari suatu campuran cairan diikuti dengan penampungan material yang menguap dengan cara pendinginan dan pengembunan. Uap selalu lebih banyak mengandung kom[ponen yang lebih volátil demikian juga terjadi sebaliknya. Pada suhu berbeda komposisi uap cairannya berbeda. Dengan demikian maka komposisi uap yang setimbang dengan cairannya akan berubah señalan dengan perubahan suhu.

b) destilasi bertingkat proses pemisahan parcial diulang berkali-kali dimana setiap kali terjadi pemisahan lebih lanjut. Hal ini berarti proses pengayaan dari uap yang lebih volátil juga terjadi berkali-kali sepanjang proses destilasi bertingkat itu berlangsung.

c) destilasi uap, adalah cara untuk mengisolasi dan memurnikan senyawa. Cara destilasi uap dapat digunakan untuk memisahkan :

- Senyawa yang tidak mudah menguap atau senyawa yang tidak dikehendaki, misalnya ter.

- Campuran berair yang mengandung garam-garam anorganik terlarut.

- Senyawa yang secara tidak langsung menguap dalam uap air misalnya; orto nitrofenol dan para nitrofenol

- Hasil samping tertentu yang teruapkan oleh pengaruh uap air.

Pada destilasi ini uap yang keluar setelah kontak dengan bahan yang didestilasi merupakan campuran uap dari masing-masing komponen yang sebanding dengan volumenya.

4. Height Equivalent to a Theoritical Plate (HETP) merupakan parameter untuk menentukan efisiensi suatu kolom untuk dapat memisahkan dengan baik.

5. Efisiensi destilasi dapat dipertinggi dengan memperbanyak plat, hal ini menyebabkan pengayaan uap yang lebih banyak.

I. Daftar Pustaka

Hadisoebroto, D.N, 1990. Dasar-Dasar Analisis dan Pemisahan Kimia , Bandung, ITB.

Skoog, D.A, 1980. Principles of Instrumental Analysis. Tokyo: Holf Saunders Editions.

Skoog, D.A, 1982. Fundamental of Analytical Chemistry New York: Holtz Saunders Company.

Soebagio, dkk., 2003. Kimia Analitik II, Malang. Universitas Negeri Malang.