FENOMENA ANTARMUKA. Farmasi Fisika

Transkripsi

1 FENOMENA ANTARMUKA Farmasi Fisika

2 Antarmuka : batas antara 2 fase atau lebih Klasifikasi : Fase Teg antarmuka contoh Gas-gas - - Gas-cairan LV Perm. Air - udara Gas-padatan SV Perm meja Cairan-cairan LL emulsi Cairan-padatan LS suspensi Padatan-padatan SS Partikel serbuk

3 Aplikasi dalam farmasi : adsorpsi obat penetrasi molekul melalui membran biologis pembentukan dan kestabilan emulsi suspensi

4 A. ANTARMUKA CAIRAN Tegangan permukaan (surface tension): yaitu gaya per satuan panjang yang harus diberikan sejajar pada permukaan untuk mengimbangi tarikan ke dalam.

5 Tegangan antarmuka (interfacial tension): yaitu gaya per satuan panjang yang terdapat pada antarmuka 2 fase cair yang tidak bercampur.

6 Tegangan permukaan Model 1 : Kawat 3 sisi B A L C D f b 2L f Energi bebas permukaan : W x A Tegangan permukaan : Perubahan energi bebas permukaan per satuan kenaikan luas.

7 Model 2 : gelembung sabun. Perbedaan Tekanan Pada Antarmuka Yang Melengkung W = 4 r 2 dr Mengkerut r berkurang dr W = 8 (r dr) 2 r = 8 r 2-8 r dr + 4 (dr) 2 Perub. W = - 8 r dr W = P x 4 r 2 x dr Pada kesetimbangan : -8 r dr = -4 P r 2 dr P 2 r

8 Pengukuran tegangan muka dan tegangan antarmuka 1. Metode kenaikan kapiler Digunakan untuk mengukur tegangan permukaan. Prinsip : Bila suatu kapiler dimasukkan dalam labu berisi zat cair, maka pada umumnya zat cair akan naik di dalam tabung sampai jarak tertentu. Dengan mengukur kenaikan ini, tegangan muka dapat ditentukan.

9 2r h liquid

10 Komponen gaya ke atas sebagai hasil tegangan muka zat cair pada sembarang titik di sekeliling dinding kapiler adalah : a =. cos Gaya ke atas total di seputar keliling tabung bagian dalam = 2 r cos Gaya gravitasi ( massa x percepatan) yang menentang gaya total ke atas = r 2 h ( - 0 ) g + W Pada kesetimbangan : 2 r cos = r 2 h g = ½ r h g

11 Contoh soal : Suatu sampel kloroform naik 3,67 cm pada 20 0 C dalam suatu tabung kapiler dengan jari-jari dalam 0,01 cm. Berapa tegangan muka kloroform pada suhu tersebut? Kerapatan kloroform adalah 1,476 g/cm 3.

12 2. Metode Cincin Du Nouy Dapat digunakan untuk mengukur tegangan muka dan tegangan antarmuka Prinsip kerja: Gaya yang dibutuhkan untuk memisahkan (mengangkat) cincin platina-iridium yang dicelupkan pada permukaan atau antarmuka adalah berbanding lurus dengan tegangan muka atau tegangan antarmuka. pembacaan dial (dyne ) 2 x kelilingcincin x faktor koreksi

13

14 Kerja adhesi : KOEFISIEN PENYEBARAN Energi yang diperlukan untuk mematahkan gaya tarik-menarik antara molekul-molekul tak sejenis. Kerja kohesi : Energi yang diperlukan untuk memisahkan molekul-molekul cairan yang menyebar sehingga cairan tersebut dapat mengalir di atas lapisan bawah tersebut.

15 Kerja kohesi Kerja adhesi

16 Koefisien penyebaran S = Wa Wc = ( L + S - LS ) 2 L = S - L - LS = S ( L + LS ) Harga S bisa positif atau negatif : Positif : terjadi penyebaran di permukaan Negatif : terjadi gelembung

17 Soal : Bila tegangan permukaan air S = 72,8 dyne/cm pada 20 0 C, tegangan permukaan benzena L = 28,9 dyne/cm; tegangan antarmuka benzena dan air LS = 35,0. Berapa koefisien sebar awal? Sesudah terjadi kesetimbangan S = 62,2 dyne/cm, L = 28,8. Berapa koefisien sebar akhir?

18 Tabel : koefisien sebar awal pada 20 0 C Zat S (dyne/cm) Etil alkohol 50,4 Asam propionat 45,8 Etil eter 45.5 Asam asetat 45.2 Aseton 42.4 Asam undesilenat 32 (25 0 C) Asam oleat 24.6 Kloroform 13 Benzene 8.9 Heksana 3.4 Oktana 0.22 Etilen dibromida Petrolatum cair -13.4

19 Penerapan dalam farmasi : salep Emulsi Permukaan kulit camp. asam2 lemak Lotion mengandung minyak mineral sukar diratakan krn S << Untuk menaikkan koefisien sebar, dapat ditambahkan surfaktan.

20 ADSORPSI PADA ANTARMUKA CAIRAN Energi bebas permukaan : Kerja yang harus dilakukan untuk memperbesar permukaan dengan satu satuan luas. Adsorpsi positif Bila molekul-molekul bergerak/membagi diri ke arah antarmuka, sehingga menurunkan energi bebas permukaan dan tegangan permukaan. Contoh : surfaktan Adsorpsi negatif Bila molekul-molekul lebih suka membagi diri ke arah bulk, sehingga menaikkan energi bebas permukaan dan tegangan permukaan. Contoh : NaCl, elektrolit2

21 SURFAKTAN Amfifil, mempunyai gugus hidrofil dan lipofil, sehingga mempunyai afinitas thd solven polar & non polar

22 Klasifikasi HLB : Menurut GRIFFIN HLB = 20 ( 1 S/A ) S = bilangan penyabunan dari ester A = bilangan asam dari asam lemak Contoh: Tween 20 (Polioksietilen sorbitan monolaurat) S = 45,5 A = 276 HLB = 20 ( 1 45,5/276 ) = 16,7

23 Skala HLB menurut Griffin

24 HLB CAMPURAN HLB camp. X W tot. = (HLB 1 x W 1 ) + (HLB 2 x W 2 ) R/ Parafin oil 35 Lanolin 1 Cetil alkohol 1 Emulsifier 7 Aqua ad 100 Diketahui RHLB untuk parafin oil, lanolin, dan cetil alkohol masing-masing adalah 12, 10 dan 15. Jika digunakan tween 60 (HLB=14,9) dan span 60 (HLB=4,7), berapa masing-masing yang harus ditimbang?

25 LAPISAN TUNGGAL PADA PERMUKAAN CAIR Bahan yang diadsorpsi : Lapisan tunggal larut (mis : amil alkohol) Film tidak larut ( mis : setil alkohol) LAPISAN TUNGGAL LARUT Persamaan adsorpsi GIBBS : c RT = konsentrasi berlebih di permukaan c = konsentrasi amfifil dalam bulk cairan R = konstanta gas T = temperatur absolut = tegangan muka d dc

26 Suatu penurunan per satuan perubahan dalam konsentrasi amfifil memberikan harga positif, yang berarti bahwa zat yang berlebih terpusat pada antarmuka cair udara. Penerapan : aktivitas antibakteri dari amfifil tertentu foaming agent

27 Contoh soal : Dengan melihat gambar di bawah, tegangan permukaan air pada 25 0 C ( 0 ) = 72,0 dyne/cm dikurangi sampai 58,5 dyne/cm ( C ). Bila konsentrasi dari amfifil rantai lurus yang ditambahkan (C) = 3x10-3 mol/liter, hitung : a. Konsentrasi berlebih di permukaan dari amfifil pada konsentrasi bulk ini! b. Luas yang ditempati oleh tiap molekul pada antarmuka tersebut!

28 0 Gb. 0 C Menurunnya tegangan permukaan air bila suatu konsentrasi, C = 3x10-3 g molekul/liter, dari suatu amfifil rantai lurus ditambahkan pada 25 0 C.

29 LAPISAN TUNGGAL TIDAK LARUT DAN NERACA FILM Sejarah : 1757/1765 : Benjamin Franklin 1899 : Lord Rayleigh 1883 : Agnes Pockels 1910 : Langmuir, Adam, Harkins (neraca film)

30 Jika diket : L film V cairan penyebar Tebal film/ Panjang molekul BM molekul minyak Luas penampang molekul

31 Contoh soal : Benjamin F. Menaruh 1 sendok teh (~5 cm 3 ) minyak asam lemak ke atas kolam dengan luas 2x10 7 cm 2. Diketahui BM asam = 300 dan = 0,9 g/cm 3. Asam lemak tersebut persis membentuk film molekul tunggal. Berapa panjang dan luas penampang melintang dari molekul asam lemak tersebut? Lpenampang molekul = M. S V.. N Dimana : M = berat molekul S = Luas permukaan yang tertutup film V = volume cairan yang menyebar = kerapatan cairan N = bilangan Avogadro

32 NERACA FILM Prinsip kerja : Surfaktan dilarutkan dalam solven yang mudah menguap (mis : heksana), diteteskan pada bak, kemudian batas yang dapat berpindah ditarik hingga dalam bak terbentuk satu lapis molekul yang tersusun rapat.

33 Dicari hubungan antara luas bak dan tegangan permukaannya, dan diperoleh kurva. = ( 0 - ) dimana : = tekanan permukaan 0 = tegangan permukaan substrat = tegangan permukaan dengan film atasnya murni menyebar di

34 Kegunaan neraca film : mengetahui BM protein mengkaji hubungan suatu protein dan aktivitas biologisnya mengetahui ukuran dan bentuk molekul steroid, hormon, enzim dan interaksinya dengan obat pada antarmuka

35 Perubahan fase yg tjd jk suatu film cairan disebarkan pada antarmuka dan ditekan.

36 Untuk suatu gas ideal : P V = n R T Untuk suatu lapisan tunggal : A = n R T Tabel. Dimensi molekul senyawa organik hasil penentuan dengan neraca film Nama bahan Rumus kimia Panjang molekul Luas Asam stearat C 17 H 35 COOH 25 Å 22 Å 2 Tristearin (C 18 H 35 O 2 ) 3 C 3 H 5 25 Å 66 Å 2 Setil alkohol C 16 H 33 OH 22 Å 21 Å 2 Mirisil alkohol C 30 H 61 OH 41 Å 27 Å 2 Na lauril sulfat CH 3 (CH 2 ) 11 SO 4 Na 22 Å 2

37 Soal : Diketahui Natrium lauril sulfat, BM = 288 g mol -1, dengan luas penampang melintang 22 Å 2. Jika 100 ml minyak diemulsikan dan diharapkan menghasilkan globul dengan diameter 1 m. Berapa gram jumlah surfaktan (NLS) yang diperlukan? Volume globul =... Jumlah globul =... Luas perm. 1 globul =... Luas perm. seluruh globul =... Jumlah surfaktan = =...molekul =...mol =...gram L permukaan total L penampang surfaktan

38 Guna : penghilangan bau ADSORPSI PADA ANTARMUKA ZAT PADAT adsorpsi toksin-toksin kerja gas di permukaan serbuk (ukuran partikel) proses penghilangan warna kerja amfifil sebagai wetting agent kromatografi adsorpsi Prinsip : dengan menurunkan energi bebas permukaan

39 A. ANTARMUKA ZAT PADAT DENGAN GAS Faktor-faktor yang mempengaruhi : L permukaan suhu tekanan Proses adsorpsi: fisika : adanya ikatan Van der Waals (reversibel) kimia : kemosorpsi (irreversibel) desorpsi : temp, tekanan

40 ISOTERM ADSORPSI x/m Log x/m p Log p x = juml. gas yg diadsorpsi, m = massa adsorben

41 ISOTERM FREUNDLICH : y = x/m = k p 1/n Log x/m = log k + 1/n log p

42 ISOTERM LANGMUIR Molekul/atom gas diadsorpsi pada tempat-tempat aktif dari padatan membentuk monomolekul (lapisan tunggal) p = 1 + p y b y m y m Persamaan Langmuir tentang adsorpsi gas pada zat padat = isoterm tipe 1 = isoterm Langmuir

43 Dikembangkan oleh BET (Brunauer, Emmet dan Teller) Persamaan BET : p = 1 + b 1. p y(p 0 -p) y m.b y m.b p 0 p = tekanan adsorbat dalam mm Hg y = massa adsorben p 0 = tekanan uap bila adsorbat dijenuhkan dengan uap y m = banyak uap yang diadsorpsi per satuan massa adsorben bila permukaan ditutup lapisan molekul tunggal b = konstanta yang sebanding dengan perbedaan antara panas adsorpsi gas dalam lapisan 1 dan panas laten terkondensasi dari lapisan-lapisan berikutnya

44 Berbagai tipe isoterm adsorpsi

45 Guna : menentukan Lperm total zat padat (tipe I, II dan IV) di mana pembentukan lapisan molekul tunggal dapat terdeteksi. Luas permukaan total zat padat jumlah molekul total dalam volume gas yang diadsorpsi X Luas penampang melintang tiap molekul. LAJU DISSOLUSI

46 B. ANTARMUKA PADAT CAIR Persamaan Langmuir Contoh : c = 1 + c y b ym ym adsorpsi strichnin, atropin, quinin dari larutanlarutan air dengan berbagai tanah liat makin kecil slope, adsorpsi makin baik. Senyawa amonium kuartener (antibakteri), inaktif bila diadsorpsi zat lain

47

48 Setilpiridinium klorida dan benzalkonium klorida, diadsorpsi oleh kaolin dan talk Adsorpsi arang (karbon)/alumina terhadap : zat warna, alkaloid, asam lemak, asam/basa anorganik Kromatografi adsorpsi Kromatografi pertukaran ion Efek wetting agent

49 Wetting agent Prinsip : surfaktan akan menurunkan sudut kontak antara zat padat dengan zat cair Contoh : Dispersi obat-obat dalam air : sulfur, arang, vioform Pemindahan udara dari kapas/perban Detergen Lotio/spray obat pada permukaan kulit dan selaput lendir

50 Sudut kontak dari

51 SIFAT LISTRIK ANTAR MUKA Muatan-muatan partikel dalam media cair, terjadi karena : Adsorpsi selektif terhadap ion tertentu dalam larutan Ionisasi gugus-gugus pada permukaan partikel Perbedaan konstanta dielektrik antara partikel dan medium dispers

52

53

54 Potensial elektrotermodinamik (Nernst), E : Perbedaan dalam potensial antara permukaan yang sebenarnya dan daerah netral listrik dari larutan tersebut. (pada aa ) Potensial elektrokinetik / potensial zeta, : Perbedaan potensial antara permukaan dan lapisan yang terikat dengan erat (bidang iris) dan daerah netral listrik dari larutan tersebut. Penerapan : kestabilan suspensi Jika potensial zeta turun, gaya tarik-menarik > tolak-menolak, sehingga terjadi flokulasi. Pengaruh elektrolit : potensial zeta turun lebih cepat.

55 SOAL-SOAL 1. Bila 1x10-4 cm 3 asam stearat, yg dilarutkan dalam benzen ditaruh di atas permukaan air dalam suatu bak, asam stearat menyebar ke atas perm. dan benzen hilang menguap. Lapisan molekul tunggal dr asam yg terbentuk menutupi daerah seluas 400 cm 2. Hitung panjang molekul asam stearat dalam Angstrom!

56 2. Asam sterat memp. BM 284,3 dan Bj 0,85 g/cm 3. Dengan menggunakan data pd soal 1, hitung luas penampang melintang molekul asam tersebut dalam Angstrom kuadrat! 3. Hitung tegangan permukaan dari suatu cairan yg memp. kerapatan 1,008 g/cm 3 dan naik setinggi 6,60 cm pada pipa kapiler yg memp. jari-jari dalam 0,02 cm!

57 4. Tegangan permukaan dari suatu cairan organik adl 25 erg/cm 2 ; teg. permukaan air adl 72,8 erg/cm 2 pada 20 0 C. Berapakah kerja kohesi dari cairan organik tsb; kerja adhesi antara cairan organik dan air; dan koefisien sebar mula-mula dari cairan tersebut di atas perm. air pada 20 0 C?

58 5. Dengan analogi film molekul tunggal pada gas dua dimensi, BM suatu zat padat diperoleh dengan neraca film menggunakan persamaan : A w M R T Dengan memplot hasil kali tekanan film dan luas A terhadap dan mengekstrapolasikan ke =0, suatu harga A/w = 2,4 x 10 6 erg/g pada 292 K diperoleh untuk w gram suatu gom sintetik. Hitung BM (M) gom tersebut! (R = 8,31 x 10 7 erg/g molekul derajat)

59 6. Tegangan permukaan para-toluidin diukur pada berbagai konsentrasi pada 25 0 C (298 K) dan hasilnya diplot. Kemiringan d /dc dari garis pada C = 5x10-3 g/cm 3 didapati 32,800 cm 3 /dt 2. Dengan menggunakan persamaan adsorpsi Gibbs, hitung konsentrasi berlebih di permukaan dalam mol/cm 2 dan dalam g/cm 2! BM p-toluidin adalah 107,15.

60 7. R/ Beeswax 15 9 Lanolin Parafin wax Cetil alkohol 5 15 Emulsifier 2 Aqua ad 100 RHLB Berapa RHLB total? Jika digunakan tween 80 (HLB=15) dan span 80 (HLB=4,3) sebagai emulgator, berapa masing-masing yang harus ditimbang?

61 8. Tegangan muka asam aminobutirat dalam air (25 0 C) sebagai fungsi konsentrasi (% berat) diketahui sbb: % berat w/w (dyne/cm) 4,96 71,91 9,34 71,67 13,43 71,40

62 a. Plot data tsb dan hitung slopenya (d /dc) dengan analisis regresi. (C % berat) b. Hitung konsentrasi berlebih di permukaan ( ) untuk masing-masing konsentrasi. c. Berapa luas yang ditempati oleh masing-masing molekul di permukaan air?

63 9. Data berikut merupakan adsorpsi timolol (suatu antihipertensi) dari larutan berair oleh kaolin (37 0 C) x/m (mg /g) c (mg/100 ml) 3,1 20 2,8 17 1,8 9 0,84 3,0

64 a. Hitung harga n dan k dengan persamaan isotherm Freundlich (di sini p-tekanan digantikan dengan c-konsentrasi) b. Plotkan c/(x/m) pada sumbu y dan c pada sumbu x sesuai dengan plot Langmuir. Hitung b dan ym.