SISTEM EUTEKTIK DUA KOMPONEN upah
SISTEM EUTEKTIK DUA KOMPONEN
Gambar 1 menunjukkan diagram fase 2 komponen yang paling sederhana.
Diagram ini terdiri dari komponen A dan B, dan fase yang mungkin
terbentuk adalah kristal murni A, kristal murni B, dan cairan dengan
komposisi antara A murni dan B murni. Komposisi diplotkan di bagian
bawah diagram. Sebagai catatan, komposisi dapat ditulis dengan
persentase A atau persentase B (%A atau %B dengan rentang 0-100%) atau
dapat dituliskan sebagai fraksi mol A atau B dengan total maksimum
komponen sama dengan 1. Suhu atau tekanan diplotkan pada sumbu x
(vertikal). Untuk kasus yang ditampilkan pada tulisan ini, tekanan
dianggap konstan, sehingga yang diplotkan di sumbu x adalah suhu.
!1
Kurva yang memisahkan “A + Liquid” dari “Liquid” dan “B + Liquid”
dimakana Garis Liquidus. Garis horizontal yang memisahkan bagian
“A + Liquid” dan “B + Liquid” dari “A + B all solid” dinamakan garis
solidus. Titik E, dimana garis liquidus dan solidus berpotongan disebut
dengan titik eutektik. Pada titik eutektik, ketiga fase yang terlibat (Liquid,
kristal Am dan kristal B) berada dalam kondisi kesetimbangan
(equilibrium). Untuk catatan, eutektik adalah satu satunya titik atau
kondisi pada diagram yang sesuai dengan kenyataan.
Karena kita melihat pada suatu sistem dengan tekanan konstan, maka
aturan fasa pada kondisi ini adalah F = C + 1 - P. Maka titik eutektik
merupakan titk invariant. Jika kita mengubah komposisi dari Liquid atau
mengubah suhu, maka jumlah fase yang terlibat akan berkurang menjadi 2.
Jika sistem hanya terdiri dari murni zat A, maka sistem tersebut merupakan
sistem satu komponen dan fase A akan meleleh hanya pada satu titik suhu,
yaitu suhu leleh murni zat A, TmA. Begitu pula jika sistem hanya terdiri dari
murni zat B, maka sistem tersebut merupakan sistem satu komponen dan
fase B akan meleleh hanya pada satu titik suhu, yaitu suhu leleh murni zat
B, TmB.
Untuk semua komposisi anatara murni A dan murni B, suhu leleh akan
berkurang secara drastis, dan pelelehan akan dimulai pada suhu eutektik
T . Pelelehan juga terjadi pada suatu rentang suhu antara solidus dan
liquidus untuk semua komposisi antara A dan B. Hal ini bisa diaplikasikan
untuk semua komposisi kecuali pada eutektik. Komposisi eutektik hanya
akan meleleh pada suhu eutektik, T .
E
E
Sekarang kita akan melihat proses kristalisasi suatu cairan (liquid) dengan
komposisi X di Gambar 1. Namun, pertama-tama kita harus mengikuti
aturan dibawah ini:
•
Aturan 1- In Pada kondisi equilibrium (kesetimbangan) proses
kristalisasi atau pelelehan (lawan dari kristalisasi) terjadi dalam
suatu sistem tertutup, maka komposisi akhir dari sistem akan same
dengan komposisi awal sistem.
!2
Maka dari itu, merujuk pada aturan 1, komposisi X (yang terdiri dari
campuran 80% A dan 20% B) akan mempunyai produk akhir kristal yang
terdiri dari campuran 80% kristal A dan 20% kristal B.
Komposisi X memiliki fase cair (liquid) di atas suhu T1, karena X terletak
pada bagian “all liquid”. Jika suhu diturunkan ke T1, maka pada suhu T1
kristal A mulai terbentuk.
Menurunkan suhu lebih jauh lagi akan mengakibatkan semakin banyak
kristal A yang terbentuk. Hasilnya, komposisi liquid akan lebih banyak
mengandung komponen B karena semakin banyak kristal dengan
komposisi A yan gkeluar dari sistem liquid. Karena itu, dengan
menurunkan suhu, komposisi liquid akan berubah daru titik 1 ke titik 2,
titik 3, hingga ke titik eutektik seiring dengan turunnya suhu dari T1 ke T2
ke T3 ke TE. Pada semua rentang suhu antara T1 dan TE , akan muncul dua
fase di dalam sistem, yaitu liquid dan kristal A. Pada suhu eutekti, TE,
kristal B mulai terbentuk, dan akan terbentuk 3 fase secara bersamaan di
suhu ini, yaitu kristal A, kristal B, dan liquid. Suhu harus tetap berada
dalam TE hingga satu dari ketiga fase ini menghilang. Maka, ketika seluruh
liquid telah mengkristal, hanya terdapat murni padatan A dan padatan B
yang tersisa dengan komposisi yang sama dengan komposisi awalnya,
yaitu 80% A dan 20% B.
Bisa disimpulkan bahwa histori kristalisai dari komposisi X adalah sebagai
berikut:
T > T1 -- all liquid
T1 - TE -- liquid + A
at TE -- liquid + A + B
T < TE -- A + B all solid
Jika kita mau menghentikan proses kristalisasi pada titik tertentu selama
kristalisasi dan melihat berapa banyak keterdapatan masing- masing fase,
kita bisa menggunakan contoh berikut untuk menentukan apa yang akan
kita temukan.
Contoh, pada suhu T2 , jumlah kristal A dan Liquid dapat ditentukan
dengan mengukur jarak a dan b di gambar 1 (pada suhu ini hanya terdapat
!3
2 fase). Maka persentasi antara kristal dan liquid bisa didapatkan dengan
aturan berikut:
% crystals of A = b/(a + b) x 100
% liquid = a/(a + b) x 100
100
90
Komposisi A & B di titik 2:
60% A
40% B
80
70
60
50
40
30
20
10
0
% kristal dan liquid di titik 2:
% kristal A = b/(b+a) x 100
% kristal A = 2/ (2+2) x 100
% kristal A = 50
% liquid = a/(a+b) x 100
% liquid = 50
!4
Karena jumlah kristal akan terus bertambah seiring dengan turunnya suhu,
maka jarak proporsional anata garis vertikas yang menandai komposisi
awal dan liquidus akan meningkat seiring dengan penurunan suhu. Maka
daari itu, jarak yang digunakan untuk menghitung jumlah solid selalu
diukur terhadap sisi liquid dari komposisi awal.
Pada suhu T3 , akan semakin banyak kristal yang terbentuk, bisa dilihat
dari perbandingan antara jarak d/(c+d) yang akan lebih besar dibandingkan
dengan jarak b/(b+a). Maka dari itu, pada titik T3 aturan yang berlaku
adalah sebagai berikut:
% crystals of A = d/(d + c) x 100
% liquid = c/(c + d) x 100
Komposisi A & B di titik 3:
53% A
47% B
% kristal dan liquid di titik 3:
% kristal A = d/(d+c) x 100
% kristal A = 4/ (4+2) x 100
% kristal A = 66,67
% liquid = c/(c+d) x 100
% liquid = 33,33
Pada titik T3, komposisi liquid berada pada titik 3, yaitu 53% A sementara
komposisi solid adalah murni A, dan komposisi sistem tetap 80% A dan
20% B. Bedakan antara komposisi fase dan jumlah atau peresntase fase.
Proses pelelehan merupakan kebalikan dari proses kristalisasi. Jika kita
bermula dari komposisi X pada suatu suhu dibawah TE , maka liquid
(cairan) pertama akan terbentuk pada TE. Suhu akan tetap konstan pada TE
hingga semua kristal B meleleh. Komposisi liquid akan berubah sepanjang
garis liquidus dari titik E ke titik 1 dengan naiknya suhu hingga suhu T1
dicapai. di atas T1 sistem hanya akan terdiri atas liquid dengan komposisi
80% A dan 20% B. Proses pelelehan bisa dirangkum sebagai berikut:
T < TE -- all solid A + B
at TE -- Liquid + A + B
TE - T1 -- Liquid + A
T > T1 -- all Liquid
!5
SISTEM SOLID SOLUTION
Pada sistem sebelumnya, semua mineral atau fase solid merupakan fasefase murni, yaitu hanya satu-satunya komposisi yang mungkin terbentuk.
Hal seperti ini tidak terjadi secara alami di alam karena substitusi antara
satu unsur dengan unsur lainnya seringkali terjadi karena unsur-unsur
memiliki sifat yang hampir sama secara kimia. Ketika substitusi tersebut
berlangsung, fase dapat memiliki serangkaian kemungkinan komposisi,
tergantung dari jumlah substitusi yang bisa terjadi.
Padatan yang memiliki beragam jumlah susbtitusi unsur disebut dengan
solid solution. Contoh dari olid solution mineral adalah olivine
(Mg,Fe)2SiO4. Karena Mg+2 dan Fe+2 memiliki ukuran jari jari yang hampir
sama, dan memiliki muatan yang sama (2+), mereka bisa mensubstitusi
satu sama lain dalam struktur kristal olivine. Maka dari itu olivine dapat
memiliki komposis beragam yang berada diantara hasil akhir yang murni
Mg (fosterite, Mg2SiO4), dan hasil akhir yang murni Fe (fayalite, Fe2SiO4).
Ketika semua komposisi diantara dua hasil akhir tersebut mungkin
terbentuk, solid solution dapat dikatakan suatu solid solution yang
sempurna.
Contoh lain yang bisa menggambarkan solid solution yang sempurna
ditunjukkan oleh plagioclase feldspars. Pada kasus ini, solid solution
merupakan hasil akhir albite (NaAlSi3O8) dan anorthite (CaAl2Si2O8).
Untuk menjaga keseimbangan muatan, kita tidak bisa begitu saja
mensubstitusi Na+ dengan Ca+2 , karena itu solid solution ini disebut
dengan coupled solid solution. pada kasus ini, Na+Si+4 disubstitusi dengan
Ca+2Al+3 pada struktur plagioklas untuk menghasilkan komposisikomposisi intermediate pada plagioklas. Karena unsur yang mensubstitusi
tidak memiliki ukuran yang identik(ukuran jari-jari atomnya hampir
sama), banyaknya substitusi yang mungkin terjadi tergantung dari suhu
dan tekanan, dan solid solution akan berlaku mengikuti cara yang
diilustrasikan di bawah ini.
Karena plagioklas merupakan mineral yang paling umum yang ditemukan
di kerak bumi, maka kita akan mendiskusikan diagram fase untuk sistem
plagioklas. Hubungan fase di sistem plagioklas ditunjukkan oleh Gambar 2
pada tekanan atmosfir (tekanan atmosfir = 1 bar). Dalam Gambar 2, kurva
!6
yang berada di atas disebut dengan “garis liquidus”, sementara kurva yang
berada di bawah disebut dengan “garis solidus”. Pada suhu di atas garis
liquidus semua berada dalam fase liquid, dibawah garis solidus semua
berda dalam fase solud (kristal solid solution plagioklas. Pada suhu
diantara solidus dan liquidus, kristal plagioklas berada dalam
kesetimbangan (equilibrium) dengan liquid.
Albite murni mengkristal pada suhu 1118 oC, dan anorthite murni
mengkristal pada 1500oC. Perlu diingat bahwa komposisi berapapun
diantara keduanya (albite dan anorthite) dapat mengkristal pada
serangkaian suhu yang berbeda, tidak seperti albite atau anortite yang
hanya mengkristal pada suhu yang disebut di atas. Maka dari itu, kita bisa
melihat dari diagram fase bahwa terdapa suatu solid solution yang terdiri
dari 50% albite dan 50% anorthite (Ab50An50) mulai mengkristal pada suhu
1410 oC dan akan menjadi kristal sempurna pada suhu 1220 oC.
Gambar 2
!7
Kita sekarang akan melihat histori kristalisasi dari komposisi X, eat
Ab50An50. X berada dalam fase liquid di atas garis solidus (di atas 1410o C).
Proses pendinginan menuju garis liquidus pada titik A menghasilkan
kristalisasi sebagian kecil dari solid solution plagioklas. Komposisi
plagioklas pada titik ini dapat ditemukan dengan menarik suatu garis
isoterm sepanjang suhu 1410o C (garis suhu konstan, garis horizontal dari
titik A ke B). Ketika garis ini berpotongan dengan garis solidus (di titik B),
komposisi padatan dapat ditemukan dengan menggambar garis vertikal ke
bagian dasar diagram. Maka dari itu, dapat ditemukan bahwa kristal yang
diendapkan pertama kali dari komposisi X akan memiliki komposisi
Ab10An90.
X
Komposisi kristal
awal yg terbentuk
Ab10An90
!8
Perlu diingat bahwa pada diagram ini kristal yang berada dalam
kesetimbangan (equilibrium) dengan liquid komposisinya akan selalu
diperkaya dengan komponen anorthite relatif terhadap liquid. Proses
kristalisasi terus berlangsung seiring dengan menurunnya suhu, komposisi
plagioklas akan terus berubah sepanjang garis solidus, dan kristal yang
telah terbentuk di awal akan terus bereaksi dengan liquid hingga dihasilkan
kristal yang komposisinya semakin kaya Albite. Sementara itu, komposisi
liquid akan berubah sepanjang garis liquidus, yang juga akan semakin
akaya akan komponen Albite.
Pada suhu 1395o komposisi liquid akan berada pada titik C, sementara
komposisi solid akan berada pada titik D. Kristalisasi terus berlangsung
hingga suhu kira-kira mencapai 1220o, dimana pada titik ini liquid yang
tersisa akan memiliki komposisi pada titik E, dan komposisi padatan akan
berada pada titik F, yang memiliki komposisivsama dengan komposisi
awal.
Pada titik ini semua liquid akan habis dikonsumsi dan produk akhir kristal
akan memiliki komposisi Ab50An50.
Selama kristalisasi berlangsung proporsi solid (kristal) akan terus
bertambah sementara proporsi liquid terus berkurang. Karena itu, seiring
dengan komposisi liquid semakin kaya Na, mendekati titik E, volume
liquid tersebut akan semakin berkurang. Maka kita bisa lihat bahwa jumlah
liquid yang berada dalam kesetimbangan (equilibrium) dengan padatan
yang memiliki komposisi F akan sangat kecil
Jika pada titik tertentu selama kristalisai berlangsung kita ingin
menentukan jumlah liquid dan solid yang terlibat dalam reaksi, maka kita
bisa mengaplikasikan aturan sesuai dengan contoh berikut.
Sebagai contoh, kita ingin menentukan proporsi liquid dan solid pada
sistem saat suhu mencapai 1395o C. Pada titik ini, kita mengukur jarak
antara oC, oD dan CD. Persentase liquid dan solid dapat ditentukan
dengan cara berikut:
% solid (with composition D) = [x/(x + y)] x 100
% liquid (with composition C) = [y/(x + y)] x 100
!9
Diskusi di atas mengasumsikan bahwa kesetimbangan (equlibrium) tetap
dijaga selama kristalisasi berlangsung. Hal ini berarti bawhwa seiring
dengan turunnya suhu dan berlangsungnya kristalisasi, kristal awal yang
terbentuk (kristal kaya Ca) harus bereaksi terus menerus dengan liquid,
untuk menghasilkan kristal homogen yang semakin lama akan semakin
kaya komponen Na. Jika kesetimbangan (kondisi equilibrium) tidak bisa
dijaga, maka yang terjadi adalah kristalisasi terfraksi.
Kita akan membedakan antara tiga kondisi:
1. Dalam kristalisasi setimbang, kristal yang terbentuk akan tetep berada
dalam melt, proses pendinginan dan kristalisasi akan berlangsung
cukup lambat untuk mengakomodasi terjadinya reaksi yang sempurna
antara kristal dan melt. Kristal yang pertama kali terbentuk selama
proses pendinginan akan bereaksi lagi dengan melt secara kontinyu
sehingga secara bertahap akan mengubah komposisi kristal sepanjang
garis solidus dari B ke F, begitu juga komposisi liquid yang secara
bertahap berubah sepanjang garis liquidus dari A ke E. Dalam kondisi
tertentu kristal tidak dapat mengalami perubahan komposisi lebih
lanjut setelah mencapai titik F, dan produk akhir yang dihasilkan
adalah suatu campuran kristal homogen (solid solution) yang memiliki
komposisi sama dengan komposisi melt di awal.
2. Kita asumsikan bahwa kristal terus menerus dikeluarkan dari melt
(cairan) melalui proses pengendapan atau proses penyaringan alami
lain. Reaksi antara kristal dengan melt (liquid) dihalagi, dan komposisi
liquid akan terus berubah sepanjang garis liquidus terhadap komponen
Na feldspar. Satu-satunya limit pada perubahan komposisi liquid ini
adalah komposisi Na feldspar murni, namun jumlah relatif liquid yang
kaya Na akan sangat kecil. Seiring dengan berubahnya komposisi fase
liquid yang terjadi karena kristal keluar dari sistem liquid, kristal yang
selanjutnya terbentuk akan semakin kaya Na, sehingga produk akhir
yang didapat adalah Albite murni, namun albite tersebut hanya
merupakan bagian yang sangat kecil dibandingkan dengan jumlah
awalnya.
3. Jika kristal tetap berada dalam liquid (tidak ada proses filtering alamu
yang membuat kristal keluar dari liquid seperti pada kasus 2), namun
mengalami proses kristalisasi yang relatif cepat dan tidak dapat
memfasilitasi reaksi sempurna anatara kristal dan liquid, maka efek
!10
yang terjadi akan berbeda. Hasilnya, ketidakmampuan untuk berekasi
secara sempurna akan membuat sebagian kristal yang telah terbentuk
keluar dari sistem. Liquid (melt) akan semakin kaya Na, dan kristal
kaya Ca yang terbentuk di awal akan bertindak sebagai inti kristal
yang mana kemudian kristal kaya Na akan terus bertambah dan
terkristalisasi. Kristal yang dihasilkan dari proses ini akan memiliki
zona dengan komposisi berbeda; komposisi dalam akan kaya Ca,
sementara di luaar akan kaya Na. Komposisi rata-rata dari zoned
crystal ini sama dengan komposisi awal sistem, namun rentang
komposisi antara zona luar dan zona dalam akan secara teori sama
besarnya dengan dari titik B ke Albite murni, pada contoh di gambar 2
yang menunjukkan komposisi X.
Tulisan in diterjemahkan dari:
“Two component (binary) phase diagram” oleh Prof. Stephen A. Nelson,
Tulane University, 2011.
Tulisan asli bisa diakses di:
http://www.tulane.edu/~sanelson/eens211/2compphasdiag.html
NNI
FTG UNPAD
!11
Gambar 1 menunjukkan diagram fase 2 komponen yang paling sederhana.
Diagram ini terdiri dari komponen A dan B, dan fase yang mungkin
terbentuk adalah kristal murni A, kristal murni B, dan cairan dengan
komposisi antara A murni dan B murni. Komposisi diplotkan di bagian
bawah diagram. Sebagai catatan, komposisi dapat ditulis dengan
persentase A atau persentase B (%A atau %B dengan rentang 0-100%) atau
dapat dituliskan sebagai fraksi mol A atau B dengan total maksimum
komponen sama dengan 1. Suhu atau tekanan diplotkan pada sumbu x
(vertikal). Untuk kasus yang ditampilkan pada tulisan ini, tekanan
dianggap konstan, sehingga yang diplotkan di sumbu x adalah suhu.
!1
Kurva yang memisahkan “A + Liquid” dari “Liquid” dan “B + Liquid”
dimakana Garis Liquidus. Garis horizontal yang memisahkan bagian
“A + Liquid” dan “B + Liquid” dari “A + B all solid” dinamakan garis
solidus. Titik E, dimana garis liquidus dan solidus berpotongan disebut
dengan titik eutektik. Pada titik eutektik, ketiga fase yang terlibat (Liquid,
kristal Am dan kristal B) berada dalam kondisi kesetimbangan
(equilibrium). Untuk catatan, eutektik adalah satu satunya titik atau
kondisi pada diagram yang sesuai dengan kenyataan.
Karena kita melihat pada suatu sistem dengan tekanan konstan, maka
aturan fasa pada kondisi ini adalah F = C + 1 - P. Maka titik eutektik
merupakan titk invariant. Jika kita mengubah komposisi dari Liquid atau
mengubah suhu, maka jumlah fase yang terlibat akan berkurang menjadi 2.
Jika sistem hanya terdiri dari murni zat A, maka sistem tersebut merupakan
sistem satu komponen dan fase A akan meleleh hanya pada satu titik suhu,
yaitu suhu leleh murni zat A, TmA. Begitu pula jika sistem hanya terdiri dari
murni zat B, maka sistem tersebut merupakan sistem satu komponen dan
fase B akan meleleh hanya pada satu titik suhu, yaitu suhu leleh murni zat
B, TmB.
Untuk semua komposisi anatara murni A dan murni B, suhu leleh akan
berkurang secara drastis, dan pelelehan akan dimulai pada suhu eutektik
T . Pelelehan juga terjadi pada suatu rentang suhu antara solidus dan
liquidus untuk semua komposisi antara A dan B. Hal ini bisa diaplikasikan
untuk semua komposisi kecuali pada eutektik. Komposisi eutektik hanya
akan meleleh pada suhu eutektik, T .
E
E
Sekarang kita akan melihat proses kristalisasi suatu cairan (liquid) dengan
komposisi X di Gambar 1. Namun, pertama-tama kita harus mengikuti
aturan dibawah ini:
•
Aturan 1- In Pada kondisi equilibrium (kesetimbangan) proses
kristalisasi atau pelelehan (lawan dari kristalisasi) terjadi dalam
suatu sistem tertutup, maka komposisi akhir dari sistem akan same
dengan komposisi awal sistem.
!2
Maka dari itu, merujuk pada aturan 1, komposisi X (yang terdiri dari
campuran 80% A dan 20% B) akan mempunyai produk akhir kristal yang
terdiri dari campuran 80% kristal A dan 20% kristal B.
Komposisi X memiliki fase cair (liquid) di atas suhu T1, karena X terletak
pada bagian “all liquid”. Jika suhu diturunkan ke T1, maka pada suhu T1
kristal A mulai terbentuk.
Menurunkan suhu lebih jauh lagi akan mengakibatkan semakin banyak
kristal A yang terbentuk. Hasilnya, komposisi liquid akan lebih banyak
mengandung komponen B karena semakin banyak kristal dengan
komposisi A yan gkeluar dari sistem liquid. Karena itu, dengan
menurunkan suhu, komposisi liquid akan berubah daru titik 1 ke titik 2,
titik 3, hingga ke titik eutektik seiring dengan turunnya suhu dari T1 ke T2
ke T3 ke TE. Pada semua rentang suhu antara T1 dan TE , akan muncul dua
fase di dalam sistem, yaitu liquid dan kristal A. Pada suhu eutekti, TE,
kristal B mulai terbentuk, dan akan terbentuk 3 fase secara bersamaan di
suhu ini, yaitu kristal A, kristal B, dan liquid. Suhu harus tetap berada
dalam TE hingga satu dari ketiga fase ini menghilang. Maka, ketika seluruh
liquid telah mengkristal, hanya terdapat murni padatan A dan padatan B
yang tersisa dengan komposisi yang sama dengan komposisi awalnya,
yaitu 80% A dan 20% B.
Bisa disimpulkan bahwa histori kristalisai dari komposisi X adalah sebagai
berikut:
T > T1 -- all liquid
T1 - TE -- liquid + A
at TE -- liquid + A + B
T < TE -- A + B all solid
Jika kita mau menghentikan proses kristalisasi pada titik tertentu selama
kristalisasi dan melihat berapa banyak keterdapatan masing- masing fase,
kita bisa menggunakan contoh berikut untuk menentukan apa yang akan
kita temukan.
Contoh, pada suhu T2 , jumlah kristal A dan Liquid dapat ditentukan
dengan mengukur jarak a dan b di gambar 1 (pada suhu ini hanya terdapat
!3
2 fase). Maka persentasi antara kristal dan liquid bisa didapatkan dengan
aturan berikut:
% crystals of A = b/(a + b) x 100
% liquid = a/(a + b) x 100
100
90
Komposisi A & B di titik 2:
60% A
40% B
80
70
60
50
40
30
20
10
0
% kristal dan liquid di titik 2:
% kristal A = b/(b+a) x 100
% kristal A = 2/ (2+2) x 100
% kristal A = 50
% liquid = a/(a+b) x 100
% liquid = 50
!4
Karena jumlah kristal akan terus bertambah seiring dengan turunnya suhu,
maka jarak proporsional anata garis vertikas yang menandai komposisi
awal dan liquidus akan meningkat seiring dengan penurunan suhu. Maka
daari itu, jarak yang digunakan untuk menghitung jumlah solid selalu
diukur terhadap sisi liquid dari komposisi awal.
Pada suhu T3 , akan semakin banyak kristal yang terbentuk, bisa dilihat
dari perbandingan antara jarak d/(c+d) yang akan lebih besar dibandingkan
dengan jarak b/(b+a). Maka dari itu, pada titik T3 aturan yang berlaku
adalah sebagai berikut:
% crystals of A = d/(d + c) x 100
% liquid = c/(c + d) x 100
Komposisi A & B di titik 3:
53% A
47% B
% kristal dan liquid di titik 3:
% kristal A = d/(d+c) x 100
% kristal A = 4/ (4+2) x 100
% kristal A = 66,67
% liquid = c/(c+d) x 100
% liquid = 33,33
Pada titik T3, komposisi liquid berada pada titik 3, yaitu 53% A sementara
komposisi solid adalah murni A, dan komposisi sistem tetap 80% A dan
20% B. Bedakan antara komposisi fase dan jumlah atau peresntase fase.
Proses pelelehan merupakan kebalikan dari proses kristalisasi. Jika kita
bermula dari komposisi X pada suatu suhu dibawah TE , maka liquid
(cairan) pertama akan terbentuk pada TE. Suhu akan tetap konstan pada TE
hingga semua kristal B meleleh. Komposisi liquid akan berubah sepanjang
garis liquidus dari titik E ke titik 1 dengan naiknya suhu hingga suhu T1
dicapai. di atas T1 sistem hanya akan terdiri atas liquid dengan komposisi
80% A dan 20% B. Proses pelelehan bisa dirangkum sebagai berikut:
T < TE -- all solid A + B
at TE -- Liquid + A + B
TE - T1 -- Liquid + A
T > T1 -- all Liquid
!5
SISTEM SOLID SOLUTION
Pada sistem sebelumnya, semua mineral atau fase solid merupakan fasefase murni, yaitu hanya satu-satunya komposisi yang mungkin terbentuk.
Hal seperti ini tidak terjadi secara alami di alam karena substitusi antara
satu unsur dengan unsur lainnya seringkali terjadi karena unsur-unsur
memiliki sifat yang hampir sama secara kimia. Ketika substitusi tersebut
berlangsung, fase dapat memiliki serangkaian kemungkinan komposisi,
tergantung dari jumlah substitusi yang bisa terjadi.
Padatan yang memiliki beragam jumlah susbtitusi unsur disebut dengan
solid solution. Contoh dari olid solution mineral adalah olivine
(Mg,Fe)2SiO4. Karena Mg+2 dan Fe+2 memiliki ukuran jari jari yang hampir
sama, dan memiliki muatan yang sama (2+), mereka bisa mensubstitusi
satu sama lain dalam struktur kristal olivine. Maka dari itu olivine dapat
memiliki komposis beragam yang berada diantara hasil akhir yang murni
Mg (fosterite, Mg2SiO4), dan hasil akhir yang murni Fe (fayalite, Fe2SiO4).
Ketika semua komposisi diantara dua hasil akhir tersebut mungkin
terbentuk, solid solution dapat dikatakan suatu solid solution yang
sempurna.
Contoh lain yang bisa menggambarkan solid solution yang sempurna
ditunjukkan oleh plagioclase feldspars. Pada kasus ini, solid solution
merupakan hasil akhir albite (NaAlSi3O8) dan anorthite (CaAl2Si2O8).
Untuk menjaga keseimbangan muatan, kita tidak bisa begitu saja
mensubstitusi Na+ dengan Ca+2 , karena itu solid solution ini disebut
dengan coupled solid solution. pada kasus ini, Na+Si+4 disubstitusi dengan
Ca+2Al+3 pada struktur plagioklas untuk menghasilkan komposisikomposisi intermediate pada plagioklas. Karena unsur yang mensubstitusi
tidak memiliki ukuran yang identik(ukuran jari-jari atomnya hampir
sama), banyaknya substitusi yang mungkin terjadi tergantung dari suhu
dan tekanan, dan solid solution akan berlaku mengikuti cara yang
diilustrasikan di bawah ini.
Karena plagioklas merupakan mineral yang paling umum yang ditemukan
di kerak bumi, maka kita akan mendiskusikan diagram fase untuk sistem
plagioklas. Hubungan fase di sistem plagioklas ditunjukkan oleh Gambar 2
pada tekanan atmosfir (tekanan atmosfir = 1 bar). Dalam Gambar 2, kurva
!6
yang berada di atas disebut dengan “garis liquidus”, sementara kurva yang
berada di bawah disebut dengan “garis solidus”. Pada suhu di atas garis
liquidus semua berada dalam fase liquid, dibawah garis solidus semua
berda dalam fase solud (kristal solid solution plagioklas. Pada suhu
diantara solidus dan liquidus, kristal plagioklas berada dalam
kesetimbangan (equilibrium) dengan liquid.
Albite murni mengkristal pada suhu 1118 oC, dan anorthite murni
mengkristal pada 1500oC. Perlu diingat bahwa komposisi berapapun
diantara keduanya (albite dan anorthite) dapat mengkristal pada
serangkaian suhu yang berbeda, tidak seperti albite atau anortite yang
hanya mengkristal pada suhu yang disebut di atas. Maka dari itu, kita bisa
melihat dari diagram fase bahwa terdapa suatu solid solution yang terdiri
dari 50% albite dan 50% anorthite (Ab50An50) mulai mengkristal pada suhu
1410 oC dan akan menjadi kristal sempurna pada suhu 1220 oC.
Gambar 2
!7
Kita sekarang akan melihat histori kristalisasi dari komposisi X, eat
Ab50An50. X berada dalam fase liquid di atas garis solidus (di atas 1410o C).
Proses pendinginan menuju garis liquidus pada titik A menghasilkan
kristalisasi sebagian kecil dari solid solution plagioklas. Komposisi
plagioklas pada titik ini dapat ditemukan dengan menarik suatu garis
isoterm sepanjang suhu 1410o C (garis suhu konstan, garis horizontal dari
titik A ke B). Ketika garis ini berpotongan dengan garis solidus (di titik B),
komposisi padatan dapat ditemukan dengan menggambar garis vertikal ke
bagian dasar diagram. Maka dari itu, dapat ditemukan bahwa kristal yang
diendapkan pertama kali dari komposisi X akan memiliki komposisi
Ab10An90.
X
Komposisi kristal
awal yg terbentuk
Ab10An90
!8
Perlu diingat bahwa pada diagram ini kristal yang berada dalam
kesetimbangan (equilibrium) dengan liquid komposisinya akan selalu
diperkaya dengan komponen anorthite relatif terhadap liquid. Proses
kristalisasi terus berlangsung seiring dengan menurunnya suhu, komposisi
plagioklas akan terus berubah sepanjang garis solidus, dan kristal yang
telah terbentuk di awal akan terus bereaksi dengan liquid hingga dihasilkan
kristal yang komposisinya semakin kaya Albite. Sementara itu, komposisi
liquid akan berubah sepanjang garis liquidus, yang juga akan semakin
akaya akan komponen Albite.
Pada suhu 1395o komposisi liquid akan berada pada titik C, sementara
komposisi solid akan berada pada titik D. Kristalisasi terus berlangsung
hingga suhu kira-kira mencapai 1220o, dimana pada titik ini liquid yang
tersisa akan memiliki komposisi pada titik E, dan komposisi padatan akan
berada pada titik F, yang memiliki komposisivsama dengan komposisi
awal.
Pada titik ini semua liquid akan habis dikonsumsi dan produk akhir kristal
akan memiliki komposisi Ab50An50.
Selama kristalisasi berlangsung proporsi solid (kristal) akan terus
bertambah sementara proporsi liquid terus berkurang. Karena itu, seiring
dengan komposisi liquid semakin kaya Na, mendekati titik E, volume
liquid tersebut akan semakin berkurang. Maka kita bisa lihat bahwa jumlah
liquid yang berada dalam kesetimbangan (equilibrium) dengan padatan
yang memiliki komposisi F akan sangat kecil
Jika pada titik tertentu selama kristalisai berlangsung kita ingin
menentukan jumlah liquid dan solid yang terlibat dalam reaksi, maka kita
bisa mengaplikasikan aturan sesuai dengan contoh berikut.
Sebagai contoh, kita ingin menentukan proporsi liquid dan solid pada
sistem saat suhu mencapai 1395o C. Pada titik ini, kita mengukur jarak
antara oC, oD dan CD. Persentase liquid dan solid dapat ditentukan
dengan cara berikut:
% solid (with composition D) = [x/(x + y)] x 100
% liquid (with composition C) = [y/(x + y)] x 100
!9
Diskusi di atas mengasumsikan bahwa kesetimbangan (equlibrium) tetap
dijaga selama kristalisasi berlangsung. Hal ini berarti bawhwa seiring
dengan turunnya suhu dan berlangsungnya kristalisasi, kristal awal yang
terbentuk (kristal kaya Ca) harus bereaksi terus menerus dengan liquid,
untuk menghasilkan kristal homogen yang semakin lama akan semakin
kaya komponen Na. Jika kesetimbangan (kondisi equilibrium) tidak bisa
dijaga, maka yang terjadi adalah kristalisasi terfraksi.
Kita akan membedakan antara tiga kondisi:
1. Dalam kristalisasi setimbang, kristal yang terbentuk akan tetep berada
dalam melt, proses pendinginan dan kristalisasi akan berlangsung
cukup lambat untuk mengakomodasi terjadinya reaksi yang sempurna
antara kristal dan melt. Kristal yang pertama kali terbentuk selama
proses pendinginan akan bereaksi lagi dengan melt secara kontinyu
sehingga secara bertahap akan mengubah komposisi kristal sepanjang
garis solidus dari B ke F, begitu juga komposisi liquid yang secara
bertahap berubah sepanjang garis liquidus dari A ke E. Dalam kondisi
tertentu kristal tidak dapat mengalami perubahan komposisi lebih
lanjut setelah mencapai titik F, dan produk akhir yang dihasilkan
adalah suatu campuran kristal homogen (solid solution) yang memiliki
komposisi sama dengan komposisi melt di awal.
2. Kita asumsikan bahwa kristal terus menerus dikeluarkan dari melt
(cairan) melalui proses pengendapan atau proses penyaringan alami
lain. Reaksi antara kristal dengan melt (liquid) dihalagi, dan komposisi
liquid akan terus berubah sepanjang garis liquidus terhadap komponen
Na feldspar. Satu-satunya limit pada perubahan komposisi liquid ini
adalah komposisi Na feldspar murni, namun jumlah relatif liquid yang
kaya Na akan sangat kecil. Seiring dengan berubahnya komposisi fase
liquid yang terjadi karena kristal keluar dari sistem liquid, kristal yang
selanjutnya terbentuk akan semakin kaya Na, sehingga produk akhir
yang didapat adalah Albite murni, namun albite tersebut hanya
merupakan bagian yang sangat kecil dibandingkan dengan jumlah
awalnya.
3. Jika kristal tetap berada dalam liquid (tidak ada proses filtering alamu
yang membuat kristal keluar dari liquid seperti pada kasus 2), namun
mengalami proses kristalisasi yang relatif cepat dan tidak dapat
memfasilitasi reaksi sempurna anatara kristal dan liquid, maka efek
!10
yang terjadi akan berbeda. Hasilnya, ketidakmampuan untuk berekasi
secara sempurna akan membuat sebagian kristal yang telah terbentuk
keluar dari sistem. Liquid (melt) akan semakin kaya Na, dan kristal
kaya Ca yang terbentuk di awal akan bertindak sebagai inti kristal
yang mana kemudian kristal kaya Na akan terus bertambah dan
terkristalisasi. Kristal yang dihasilkan dari proses ini akan memiliki
zona dengan komposisi berbeda; komposisi dalam akan kaya Ca,
sementara di luaar akan kaya Na. Komposisi rata-rata dari zoned
crystal ini sama dengan komposisi awal sistem, namun rentang
komposisi antara zona luar dan zona dalam akan secara teori sama
besarnya dengan dari titik B ke Albite murni, pada contoh di gambar 2
yang menunjukkan komposisi X.
Tulisan in diterjemahkan dari:
“Two component (binary) phase diagram” oleh Prof. Stephen A. Nelson,
Tulane University, 2011.
Tulisan asli bisa diakses di:
http://www.tulane.edu/~sanelson/eens211/2compphasdiag.html
NNI
FTG UNPAD
!11