Kimia Permukaan dan Koloid

SISTEM KOLOID

1. Pengertian Koloid

Sistem koloid merupakan suatu bentuk campuran yang keadaannya terletak antara larutan dan suspensi (campuran kasar), contohnya lem, kanji, santan, dan jeli. Istilah koloid berasal dari bahasa Yunani, yaitu "kolla" dan "oid". Kolla berarti lem sedangkan oid berarti seperti. Dalam hal ini yang dikaitkan dengan lem adalah sifat difusinya, sebab sistem koloid mempunyai nilai difusi yang rendah seperti lem. Untuk memahami sistem koloid, kita dapat mencampurkan susu (misalnya susu bubuk) dalam air, ternyata susu larut tetapi larutan itu tidak bening melainkan keruh. Jika didiamkan campuran itu tidak memisah dan juga tidak dapat dipisahkan dengan penyaringan (hasil penyaringan tetap keruh). Secara makroskopik, campuran ini homogen. Akan tetapi, jika diamatidengan mikroskop ultra ternyata masih dapat dibedakan partikel-partikel lemak susu tersebar dalam air. Campuran seperti ini yang disebut koloid. ukuran partikel koloid berkisar antara 1 nm-100 nm.

Jadi, koloid adalah campuran heterogen dan merupakan sistem dua fase. Dua fase ini meliputi zat terlarut sebagai partikel koloid atau yang sering dikenal dengan fase terdispersi serta zat yang merupakan fase kontinu dimana partikel koloid terdispersi yang disebut medium pendispersi. Ukuran partikel koloid berkisar antara 10-7 -- 1---5 (1-100 nm). Ukuran inilah yang membedakan koloid dengan larutan dan suspensi

2.Sifat Koloid

Koloid sebagai campuran yang berada di antara larutan dan suspensi tentunya memiliki sifat serta karakter yang khas yang berbeda dengan sifat larutan maupun suspensi.

a. Efek Tyndall

    Efek Tyndall adalah efek penghamburan cahaya yang disebabkan oleh partikel-partikel koloid. Apabila seberkas cahaya misalnya dari lampu senter, dilewatkan pada 3 gelas yang masing-masing berisi suatu dispersi, koloid dan larutan; maka jika dilihat secara tegak lurus dari arah datangnya cahaya, akan jelas terlihat bahwa cahaya yang melewati dispersi dan koloid mengalami peristiwa penghamburan dan pemantulan. Sedangkan berkas cahaya yang melewati larutan tidak akan mengalami peristiwa penghamburan dan pemantulan tersebut ( berkas cahaya diteruskan ).

b. Gerak Brown

   Gerak Brown adalah gerak acak atau gerak zig-zag yang dilakukan oleh partikel- partikel koloid. Pertama kali disampaikan oleh Robert Brown (1827), seorang ahli biologi dari Inggris. Dia mengamati pergerakan tepung sari yang terus-menerus di dalam air melalui mikroskop ultra. Gerakan ini dapat terjadi karena disebabkan oleh adanya tumbukan antara partikel-partikel pendispersi terhadap partikel-partikel zat terdispersi, sehingga partikel-partikel zat terdispersi akan terlontar. Lontaran tersebut akan mengakibatkan partikel terdispersi menumbuk partikel terdispersi yang lain dan akibatnya partikel yang tertumbuk akan terlontar juga. Peristiwa tersebut akan terus berulang dan hal itu dapat terjadi karena ukuran partikel terdispersi yang relatif lebih besar dibandingkan dengan ukuran partikel pendispersinya.

3. Pembuatan Koloid

Koloid dapat dibuat dengan 2 cara utama yaitu:

A. Kondensasi

Kondensasi merupakan cara memperoleh koloid dengan jalan memperbesar ukuran partikel larutan sejati, di mana spesi molekul atau ion bergabung membentuk partikel koloid. Pembuatan koloid dengan cara ini dapat dilakukan dengan 2 macam cara yaitu kimia dan fisika.

• Kimia.

Pembuatan partikel koloid dari partikel larutan sejati melalui reaksi kimia, meliputi reaksi Hidrolisis. Reaksi hidrolisis merupakan reaksi yang terjadi antara  suatu spesi dengan air.

• Fisika.

Adalah cara pembuatan partikel koloid dengan cara mengkondensasikan partikel melalui:

a. Penggantian Pelarut

Pembuatan sol belerang

Sol belerang dalam air dapat dibuat dengan cara melarutkan belerang ke dalam alkohol hingga larutan menjadi jenuh. Selanjutnya larutan jenuh yang terbentuk diteteskan ke dalam air sedikit demi sedikit.

Pembuatan gel kalsium asetat

Kalsium asetat sukar larut dalam alkohol, tetapi mudah larut dalam air. Oleh karena itu, gel kalsium asetat dibuat dengan cara melarutkan kalsium asetat dalam air sehingga membentuk larutan jenuh. Selanjutnya larutan jenuh tersebut ditambahkan ke dalam alkohol hingga terbentuk gel.

Pembuatan sol damar

Damar larut dalam alkohol, tetapi sukar larut dalam air. Mula-mula damar dilarutkan dalam alkohol hingga diperoleh larutan jenuh. Selanjutnya larutan jenuh tersebut ditambah air hingga diperoleh sol damarb

b. Pengembunan Uap

Sol raksa (Hg) dibuat dengan cara menguapkan raksa. Setelah itu, uap raksa dialirkan melalui air dingin hingga akhirnya diperoleh sol raksa

B. Cara Dispersi

Cara ini, partikel koloid diperoleh dengan cara memperkecil ukuran partikel dari suspensi kasar menjadi partikel berukuran koloid. Pembuatan koloid dengan cara dispersi dapat dilakukan melalui beberapa metode yaitu:

1. Cara Mekanik

Pembuatan koloid secara mekanik dilakukan dengan cara menggerus/ menghaluskan partikel-partikel kasar menjadi partikel-partikel halus. Selanjutnya didispersikan ke dalam medium pendispersi. Pada umumnya ke dalam sistem koloid yang terbentuk ditambahkan zat penstabil yang berupa koloid pelindung. Zat penstabil ini berfungsi untuk mencegah terjadinya koagulasi. Contoh: Sol belerang dapat dibuat dengan cara menggerus serbuk belerang bersama-sama dengan zat inert (misalnya gula pasir) kemudian mencampur serbuk halus tersebut dengan air.

2. Cara Peptisasi

Cara peptisasi adalah cara pembuatan koloid dari butir-butir kasar atau dari suatu endapan dengan bantuan suatu zat pemecah (zat pemeptisasi). Zat pemeptisasi akan memecahkan butir-butir kasar menjadi butir-butir koloid. Istilah peptisasi dihubungkan dengan istilah peptonisasi yaitu proses pemecahan protein (polipeptida) dengan menggunakan enzim pepsin sebagai katalisatornya. Contoh: Agar-agar dipeptisasi oleh air, Nitroselulosa oleh aseton, Karet oleh bensin,  Endapan NiS dipeptisasi oleh H2S,  Endapan Al(OH)3 dipeptisasi oleh AlCl.

3. Cara Busur Bredig

Cara ini digunakan untuk membuat sol-sol logam (koloid logam). Logam yang akan dijadikan koloid digunakan sebagai elektrode yang dicelupkan ke dalam medium pendispersi. Kemudian dialiri arus listrik yang cukup kuat sehingga terjadi loncatan bunga api listrik. Suhu tinggi akibat adanya loncatan bunga api listrik mengakibatkan atom-atom logam akan terlempar ke dalam medium pendispersi (air), lalu atom-atom tersebut akan mengalami kondensasi sehingga membentuk suatu koloid logam.Jadi, cara busur Bredig merupakan gabungan antara cara dispersi dan kondensasi. Contoh: Pembuatan sol platina dalam sol emas.

4. Cara Homogenisasi

Adalah suatu cara yang digunakan untuk membuat suatu zat menjadi homogen dan berukuran partikel koloid. Cara ini banyak dipakai untuk membuat koloid jenis emulsi, misalnya susu. Pada pembuatan susu, ukuran partikel lemak pada susu diperkecil hingga berukuran partikel koloid. Caranya dengan melewatkan zat tersebut melalui lubang berpori bertekanan tinggi. Jika partikel lemak dengan ukuran partikel koloid sudah terbentuk, zat tersebut kemudian didispersikan ke dalam medium pendispersinya.

5. Cara Dispersi dalam Gas

Pada prinsipnya, cara ini dilakukan dengan menyemprotkan cairan melalui atomizer. Menggunakan sprayer pada pembuatan koloid tipe aerosol, misalnya obat asma semprot, hair spray dan parfum.

4. Macam-Macam Koloid

Koloid dapat dibagi tiga berdasarkan cara pembentukannya yaitu: dispersi koloid, larutan makromolekul, dan koloid asosiasi.

• Dispersi Koloid

Contoh dari koloid ini adalah minyak dalam air dan koloid emas. Sistem ini merupakan sistem yang irreversible dan tidak stabil secara termodinamika karena energi permukaannya tinggi. Sistem ini dapat berupa air dalam minyak (w/o) atau minyak dalam air (o/w).

• Larutan Makromolekul

Sistem ini merupakan larutan material makromolekul (alamiah atau sintetik) stabil secara termodinamika dan bersifat reversibel. Contoh protein dan larutan karet.

• Koloid Asosiasi

Sistem ini terbentuk akibat agregasi dari molekul-molekul yang sama misalnya larutan sabun dan detergen. Koloid ini stabil secara termodinamika. Sistem koloid dapat dibuat dengan beberapa metode yaitu metode dispersi (cara mekanis dan listrik) dan metode kondensasi, pembuatan sol perak-iodida adalah contoh pembuatan koloid dengan metode kondensasi yaitu perak nitrat dan kalium iodida (10-3 sampai 10-2 mol dm-3) dicampurkan dengan volume yang sama.

Pemurnian yang bisa dilakukan terhadap sistem koloid adalah dengan cara dialisis (penyaringan menggunakan kertas saring yang permeabel terhadap partikel koloid tidak bisa digunakan sehingga dipakai membran). Cara yang kedua adalah ultrafiltrasi dengan menggunakan tekanan atau penghisap yang dapat memaksa molekul pelarut dan molekul kecil keluar dari membran. Elektrodialisis adalah cara ketiga yaitu modifikasi dialisis.

KIMIA PERMUKAAN

Batasan antara 2 fase biasanya disebut "antar permukaan". Bila salah satu fasenya merupakan gas maka disebut "Permukaan". Dalam bidang farmasi fenomena antar permukaan penting dalam proses pembuatan sediaan.

Dari sekian banyak jenis antar permukaan, maka dibagi lagi atas 2 kategori:

1. Antar permukaan cair: antar permukaan cair-gas dan cair-cair

2. Antar permukaan padat : antar permukaan padat-gas dan padat-cair

Sedangkan antar permukaan padat-padat sudah sering digunakan yaitu pada pembuatan tablet, proses granulasi. Selain itu sangat sedikit data yang membicarakan ikatan antar partikel padat, maka jarang dibicarakan.

Tegangan Permukaan

Fenomena tegangan permukaan timbul karena adanya ketidakseimbangan gaya yang dialami oleh molekul cairan yang berada pada permukaan. Ada dua istilah yaitu tegangan permukaan (untuk antarmuka cair-gas) dan tegangan antarmuka (untuk antarmuka cair-cair) atau dua fasa yang terlibat merupakan fasa selain gas. Tegangan permukaan disimbolkan dengan yang merupakan energi bebas persatuan luas atau gaya persatuan panjang.

Faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan permukaan adalah temperatur, tekanan uap permukaan lengkung, energi adhesi dan kohesi, umur larutan dan zat aditif (elektrolit atau surfaktan). Ada beberapa metoda untuk menentukan tegangan permukaan yaitu metode kenaikan kapiler, metode berat tetes, metode pelepasan dan lainlain. Metoda kenaikan kapiler dan berat tetes sama-sama menggunakan pipa kapiler, yang diukur pada metode kenaikan kapiler adalah tinggi cairan di dalam kapiler dari permukaan cairan dalam wadah (kapiler dimasukkan ke dalam wadah yang telah berisi cairan) dan tegangan permukaan.

Antar Muka Padat-Gas

Isoterm Adsorpsi

a. Isoterm adsorpsi Langmuir

Langmuir mengemukakan hipotesa mengenai adsorpsi padat-gas yaitu tumbukan antara adsorbat dan adsorben bersifat kenyal, tidak ada pertukaran energi, laju adsorpsi sama dengan laju desorpsi, bersifat monolayer, antaraksi antara molekul-molekul adsorbat diabaikan dan permukaan adsorben dianggap homogen, adsorpsi yang dikemukakan Langmuir dinamakan juga dengan adsorpsi ideal. 

b. Isoterm adsorbsi Freundlich

Freundlich mengemukakan persamaan isotherm adsorpsi : V = k P 1/n

c. Isoterm adsorpsi BET (Brunauer Emmet Teller)

Menurut BET adsorpsi bersifat multilayer atau lapisan adsorbat yang teradsorpsi adalah ganda.

Antarmuka Padat-Cair

Pembasahan

Pembasahan adalah penyebaran suatu cairan pada permukaan substrat atau penggantian suatu fluida oleh fluida lain. Proses pembasahan dapat dilihat pada gambar berikut dimana pembasahan sempurna bila sudut kontak antara cairan dengan substrat sebesar 0.

Pembasahan dapat ditinjau dari tiga aspek, yaitu:

1. Pembasahan karena penyebaran.

Zat cair (L) menyebar pada permukaan substrat (S) dari posisi O ke N atau dari M ke N  sehingga menutupi permukaan zat padat seluas a, pada proses ini penurunan energi bebas sistem karena berkurangnya luas antarmuka substrat-udara adalah a x SG dimana SG adalah tegangan permukaan substrat. Pada waktu bersamaan energi bebas sistem naik karena bertambahnya antarmuka cairan-substrat dan cairan-udara sebesar a x SL dan a x LG.

2. Pembasahan karena gaya adesi

3. Pembasahan karena pencelupan

Flotasi Bijih

Proses flotasi sangat penting tetapi aplikasinya pada kimia permukaan agak kompleks. Guna proses ini adalah memisahkan tipe-tipe partikel zat padat yang bervariasi satu sama lain dalam suatu campuran.

Flotasi partikel zat padat dapat dilakukan tergantung kepada sudut kontak antara partikel tersebut dengan zat cair, bila sudut kontaknya kecil atau mendekati nol maka dikatakan bahwa partikel ini sangat terbasahi oleh air atau suka air, sehingga pada proses flotasi, sudut kontak harus dimodifikasi misalnya dengan penambahan surfaktan dan kondisi flotasi juga dapat dikontrol.

Pada prinsipnya suatu bijih dapat dipisahkan dari bijih lainnya bila mempunyai sifat yang berbeda terutama kemampuannya untuk mengapung atau lari dari air, suatu bijih akan dapat lari dari air atau tidak suka air bila mempunyai permukaan yang berdifat hidrofob oleh karena itu pada proses flotasi, permukaan bijih yang akan dipisahkan tersebut dibuat menjadi hidrofob dan modifikasi ini dapat dilakukan dengan penambahan zat aditif. Zat aditif yang memegang peranan penting adalah kolektor yang akan mengumpulkan bijih dan zat pembusa yang akan membantu mengangkat bijih ke permukaan air dan busa-busa pada permukaan air.

SURFAKTAN

Saat ini, pemakaian terbesar surfaktan adalah untuk aplikasi pencucian dan pembersihan (washing and cleaning aplication), contohnya yaitu sebagai bahan utama pada industri detergen, serta bahan pembusaan dan pengemulsi pada industri sabun.

Surfaktan adalah suatu zat yang mempunyai kemampuan untuk menurunkan tegangan permukaan (surface tension) suatu medium dan menurunkan tegangan antarmuka (inerfacial tension) antar dua fasa yang berbeda derajat polaritasnya. Istilah antarmuka menunjuk pada sisi antara dua fasa yang tidak saling melarutkan, sedangkan istilah  permukaan menunjuk pada antarmuka di mana salah satu fasanya berupa udara (gas) (Rosen 2004). Jika dilarutkan ke dalam pelarut pada konsentrasi rendah akan memiliki kemampuan untuk menempatkan diri pada antarmuka dua jenis media yang tidak saling melarut sehingga secara signifikan mengubah karakteristik fisik antarmuka tersebut. Antarmuka adalah batas  antara dua sistem seperti cairan-cairan, padatan-cairan, padatan-padatan, dan gas-cairan. Suatu senyawa disebut sebagai surfaktan didasarkan pada  kemampuannya untuk membentuk lapisan tunggal (monolayer) yang terorientasi pada antarmuka (udara/air/ atau minyak/air), dan yang lebih penting adalah kemampuannya untuk membentuk struktur misel atau gelembung pada suatu fasa.

Struktur molekul surfaktan dapat divisualisasikan seperti berudu ataupun bola raket mini yang terdiri atas bagian kepala dan ekor. Bagian kepala dan ekor memiliki sifat yang berbeda karena struktur molekulnya (konfigurasi kepala-ekor) yang tidak seimbang. Bagian kepala yang bersifat hidrofilik (suka air) merupakan bagian yang sangat polar dan kompatibel dengan air. Sementara bagian ekor bersifat hidrofobik (benci air) merupakan bagian nonpolar dan lebih tertarik ke minyak/lemak.

Sifat-sifat surfaktan dipengaruhi oleh adanya bagian hidrofilik dan hidrofilik yang berada dalam satu molekul menyebabkan pembagian surfaktan cenderung berada pada antarmuka antara fasa yang berbeda derajat polaritas dan ikatan hidrogen seperti minyak/air atau udara/air. Pembentukan film pada antarmuka ini mampu menurunkan energi antarmuka dan menyebabkan sifat-sifat khas pada molekul surfaktan.

Gaya dispersi dan ikatan hidrogen menyebabkan terbentuknya interaksi yang sangat kuat antara molekul-molekul air. Interaksi antar molekul air yang sangat kuat antara molekul-molekul air. Interaksi antar molekul air yang sangat kuat menyebabkan bagian ekor yang hidrofobik terdorong menjauhi air. Dalam suatu larutan pencuci, bagian ujung ekor hidrofobik pada molekul surfaktan akan mengarah ke pengotor (tanah, minyak). Surfaktan dapat diproduksi dari bahan petrokimia maupun dari bahan alami.

Surfaktan berbasis bahan alami dapat dibagi ke dalam empat kelompok besar, yaitu (Flider 2001):

• Surfaktan berbasis minyak-lemak, seperti poligliserol ester, fatty alkohol sulfat, fatty alkohol etoksilat, metil ester sulfonat, dietanolamida, sukrosa ester, dan sebagainya.
• Surfaktan berbasis karbohidrat, seperti alkil poliglikosida dan N-metil glukoamida.
• Surfaktan berbasis ekstrak bahan alami, seperti lesitin dan saponin.

Surfaktan berbasis mikroba yaitu surfaktan yang diproduksi oleh mikroorganisme, seperti rhamnolipida, sophorolipida, lipopeptida, thehaloslipida, dan sebagainya.