Kuliah ke 3 Tegangan Permukaan

TEGANGAN PERMUKAAN
Uap
Cairan

Molekul A :
resultan gaya = 0
Molekul B,C :
resultan gaya  0

Gaya F ini menyebabkan molekul
pada permukaan cairan cenderung
memperkecil permukaan sekecil
mungkin.
Hal ini mengakibatkan tetesan zat cair akan berbentuk bola

Resultan gaya ini disebut dengan tegangan permukaan
Gejala tegangan permukaan yang terjadi di alam :
•

Serangga dapat berjalan di atas permukaan air

•

Jarum/silet dapat terapung di atas air
Untuk melawan F (gaya ke dalam cairan)  perlu energi
untuk memperluas permukaan.
Energi untuk memindahkan molekul-molekul dari dalam zat
cair sampai ke permukaan.
Disebut energi bebas permukaan (dapat dilihat dari
kecenderungan zat cair untuk memperkecil permukaan).
Menyebabkan permukaan
tegangan permukaan

dalam

keadaan

tegang



Definisi Tegangan Permukaan ()
Gaya yang bekerja pada permukaan cairan dengan
sudut  pada garis per satuan panjang.
Satuan : newton/meter

P = tekanan berlebih
P



Cairan

F

r
F
G as

Gelembung gas dalam cairan

F memisahkan bulatan menjadi 2 sebesar :
F = P x luas permukaan
F = P x  r2
F’ menyatakan kedua setengah bulatan
F’ =  x 2  r
Pada keadaan setimbang:
F = F’
P x  r2 =  x 2  r
P = 2
r
Pada P yang besar, dan r kecil. maka
berarti gelembung kecil  hal ini terjadi pada cairan
lewat didih
Bila P semakin besar  gelembung bertambah besar
 terjadilah bumping

Harga Tegangan Permukaan Beberapa Cairan Terhadap Udara (t=20 oC)
Cairan

/(10-3N/m)

Air

72,8

Eter

17

Cairan
Aseton
Karbon tetraklorida

/(10-3N/m)
23,7
27

Benzena

28,9

Etil alkohol

22,8

Etil asetat

23,9

Metil alkohol

22,6

n-Heksana

18,4

Toluena

29

Faktor-faktor yang mempengaruhi  :
a) Gaya kohesi (F1)
Gaya yang bekerja pada molekul yang sejenis
b) Gaya adhesi (F2)
Gaya yang bekerja pada molekul yang tidak sejenis
c) Jenis ikatan dengan molekul-molekulnya :
Ikatan hidrogen, ikatan logam, ikatan van der Waals

Harga  paling tinggi  air raksa (ikatan logam)
Harga  tinggi  air (ikatan hidrogen)  polar
Harga  rendah  zat yang kurang polar  van der Waals
Aksi Kapiler :
Jika suatu cairan bersentuhan dengan dinding, maka akan
menimbulkan aksi kapiler.
a. Gaya F1 < F2, maka FR
diarahkan ke dinding ,
permukaan cairan cekung
F2
G

dan cairan membasahi
C
dinding dengan  < 90o

FR

F1

b. Gaya F1 > F2, maka FR diarahkan
ke dalam cairan, permukaan
cairan cembung dan dinding tidak
dibasahi oleh cairan,  > 90o

F2

G
C


FR

F1

Hal-hal lain yang mempengaruhi  :
a. Suhu
Makin tinggi suhu cairan, maka tegangan permukaan
akan turun. Hal ini dijelaskan oleh Eötvös (tahun
1886).
Eötvös menurunkan suatu

persamaan yang menyatakan
hubungan antara energi
permukaan molar dan suhu.

T

C

Suhu

Misalkan :
volume molar cairan = Mv, M = massa molekul cairan
dan v = volume jenis cairan. Bila cairan pada volume
tersebut dimisalkan berbentuk bola, maka luas bola
berbanding lurus dengan (Mv)2/3. Hasil kali luas
permukaan molar dan  (menghasilkan energi
permukaan molar  (Mv)2/3). Besaran ini merupakan
fungsi linier suhu, sehingga bentuk persamaan
Eötvös ialah :
 (Mv)2/3 = a – k . t
a dan k = tetapan
t

= suhu

Pada suhu kritik tc,  = 0, karena pada suhu ini bidang yang
memisahkan cairan dan uap jenuhnya hilang, sehingga
persamaan menjadi :
0 = a – k . tc
atau

a=k.
tc
Sehingga persamaan
dapat ditulis :
(Mv)2/3 = k (tc – t)
Secara eksperimental persamaan Eötvös diselidiki oleh
Ramsay & Shields (1893) :
(Mv)2/3 = k (tc – 6 – t)
Ini berarti  = 0 pada suhu 6 derajat dibawah titik kritik.

b. Tekanan uap
Semakin tinggi tekanan uap, maka
tegangan permukaan akan turun

P

1

P

2

P 1= P

P
P
2

P1> P

P

1

P

2
2

1

P 1< P

2
2

B

A

P1 = Tekanan uap di atas cairan
Bila
(P1)A > (P1)B
maka

A < B

c. Lengkungan permukaan
Lengkungan permukaan yang ditentukan oleh jari-jari
lengkungan R1 dan R2 akan mempengaruhi tegangan
permukaan

R

1

dz
x + d x

x
R

2

y
y +dy

Bila R1 sama dengan R2 = R, maka permukaan berbentuk sferik,
ΔP 

2γ
R

dengan
R1 sama dengan R2 =  maka permukaan datar

Permukaan digeser sejarak kecil keluar
 A = ( x+dx) (y+dy) – xy = xdy + ydx
Kerja yang dilakukan adalah sebesar :
(xdy + ydx)
P(xy dz)

………………….. (1) atau
………………….. (2)

x  dx
x
xdz ………………….. (3)

 dx 
R 1  dz R 1
R1
y  dy
y
ydz
………………….. (4)

 dy 
R 2  dz R 2
R2
Bila permukaan berada dalam kesetimbangan mekanik,
maka kerja (1) = (2)
(xdy + ydx) = P(xy dz)

γxdy  ydx 
ΔP 
xydz
Subtitusi ke (3) dan (4), diperoleh :

1
1 
ΔP  γ
R  R 

2 
 1

Persamaan Young & Laplace

d. Konsentrasi zat terlarut
Jenis zat terlarut akan mempengaruhi perubahan
tegangan permukaan

c Δγ
Γ 
RT dc

Persamaan isoterm adsorpsi Gibbs
 = konsentrasi berlebih pada permukaan
c = konsentrasi zat terlarut
T = suhu absolut

1) Zat terlarut adalah surfaktan
Tegangan permukaan larutan akan turun dengan
meningkatnya konsentrasi surfaktan (zat aktif
permukaan), Δγ
karena harga dc adalah negatif sehingga  positif. Akan
terjadi kelebihan zat terlarut pada antarpermukaan.
2) Zat terlarut adalah elektrolit
Hal yang sebaliknya terjadi yaitu tegangan permukaan
akan meningkat dengan bertambahnya konsentrasi
elektrolit dalam larutan

Beberapa cara penentuan  :
a. Cara terbaik untuk menentukan  ialah
penentuan kenaikan cairan dalam pipa kapiler.
Bila tinggi h ditentukan dan jari-jari r diketahui maka 
cairan dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan :  = ½ h.g..r
Dalam praktik sering digunakan cara relatif, yaitu
membandingkan kenaikan kapiler cairan dengan cairan
standar, misalnya air atau benzena. Misalkan hx ialah
kenaikan kapiler cairan yang dicari tegangan permukaan
(x)nya dengan massa jenis x. Sedangkan cairan
standar mempunyai kenaikan kapiler ho, massa jenis o
dan tegangan permukaan (o) maka hubungan yang
didapat ialah :
x hx x
=
o ho o

Karena o diketahui, maka penentuan cukup dengan
menentukan kenaikan kapiler dan rapat massa
sedangkan penentuan jari-jari pipa r diabaikan.

{

r sulit ditentukan, maka ditentukan
secara relatif dengan menggunakan
zat standar sebagai pembanding.
x = ½ hx.g. x.r
o = ½ ho.g. o.r

hx.x
x
=
o ho.o

Modifikasi Cara Kapiler  Kapiler differensial dengan
menggunakan 2 kapiler yang jari-jarinya tidak sama r1  r2

{

}

h1

I

h = h1 – h2
=½h.g..r

h

}
II

h2

I.  = ½ h1 . g .  . r1
2
h1 = g . .
r1
II.  = ½ h2 . g .  . r2
2
h2 = g . .
r2

2
2
 h = h1 – h2 = g . ρ . r - g .ρ r
1
2
2
= g.ρ
2
h=g.ρ

(

r2 – r 1
r1 r2

h.g.ρ
 =
2

(

(

1 - 1
r1 r 2

)
r 1 r2
r2 – r 1

)

)

b. Cara lain untuk menentukan  ialah dengan cara berat
tetes, yaitu suatu cara untuk membandingkan  cairan
yang dicari terhadap cairan standar. Cara ini
berdasarkan hubungan yang terdapat antara berat
setetes cairan (m) yang jatuh dari pipa vertikal dengan
tegangan permukaan .
R

Botol kapiler

Botol timbang

2R = mg
mg
γ
2π R

Bila nilai tegangan permukaan kedua cairan ialah 
dan 0 dan jumlah rata-rata tetesan yang jatuh dari
pipa yang sama ialah n1 dan n0, maka didapat :
x
x
nx
.
=
o
o
no
Cara berat tetes  dengan menggunakan alat
stalagnometer

Pada saat cairan mau menetes, terjadi
kesetimbangan cairan.
1 fraksi zat : 2  R  F = m . g
Fraksi
m g ………….. (1)
=
2RF
Misal : - jumlah tetesan = n tetes
- volume yang melalui batas a - b = V
-  = massa jenis
V. 
m untuk satu tetes = n

……………(2)

Dari (1) dan (2)   =

v.g.
p
=k.
F.n
2RFn

k

Bila F = konstan, maka  = k . n
Karena penentuan k sulit, maka digunakan penentuan
cara relatif.
o
o = k . n
o

1
1
n1
.
Jadi :  = 
no
o
o
n1 = jumlah tetesan cairan zat x
n0 = jumlah tetesan cairan standar

c.

Tegangan permukaan ditentukan secara cepat dengan
hanya menggunakan cairan sedikit, yaitu dengan
tensiometer duNoüy.
Cincin kawat platina yang datar dipasang pada salah
satu lengan suatu timbangan; cincin dimasukkan ke
dalam cairan yang hendak diselidiki tegangan
permukaannya.
Dengan menggunakan pemberat atau alat torsi, lengan
lain dari timbangan diberi gaya sehingga cincin terangkat
dari permukaan cairan. Karena hubungan antara cincin
dan cairan harus dipecahkan pada kedua keliling cairan,
yaitu keliling dalam dan keliling luar, maka gaya yang
diperlukan ialah :
F = 2 x 2R 
2R ialah keliling cincin yang berjari-jari R. Jadi bila gaya
diukur, maka  dapat dihitung.

F

ar

R’

Dengan memakai alat Tensiometer
duNoüy yang ditentukan disini ialah,
gaya yang dapat memecahkan kontak
antara cairan dengan cincin platina
alat duNoüy.
F = 4  ( R’ + r )
R’ = jari-jari cincin platina
r = jari-jari kawat platina

F = lingkaran silinder dalam + lingkaran silinder luar
= 2  R’  + 2  (R’ + 2 r) 
= 2  R’  + 2  R’  + 4  r 
= 4  R’  + 4  r  = 4   (R’ + r)

F
γ
4πR'r 

d. Pengukuran tegangan permukaan dapat juga dilakukan
dengan metode Wilhelmy
Lebar lempeng tipis = 
Tebal = t  0

L e m p e n g g e la s/
m ik a

Saat lempeng terlepas :

F = 2 (+ t)
F = 2 

γ

F
2

Soal :
1. Hitung tinggi etil alkohol yang harus naik dalam tabung
kapiler dengan diameter 0,2 mm,  (EtOH) = 22,75 x 10-3
N/m pada suhu 200C,  = 0,7893 x 103 kgm-3,
g = 9,8 ms-2

2. Jika permukaan air dan benzena yang naik dalam kapiler
yang sama masing-masing adalah 9,9 cm dan 4,5 cm,
hitung tegangan permukaan benzena.  H2O 72,75 dyne/
cm pada suhu 200C. Kerapatan H2O dan benzena pada
suhu tersebut masing-masing 0,9982 g/mL dan 0,8785 g/
mL. Hitung juga jari-jari tabung.