Makalah Surfaktan [PDF]

Citation preview

MAKALAH KIMIA FISIKA II SURFAKTAN (surface active agent)



Nurdiyanto 116185 Akademi Kimia Analisis Bogor Industrialisasi Menuju Kehidupan yang Lebih Baik



I.



Pendahuluan Surfaktan (surface active agent) atau zat aktif permukaan,adalah senyawa kimia yang terdapat pada konsentrasi rendah dalam suatu system, mempunyai sifat teradsorpsi pada permukaan antarmuka pada system tersebut. Energi bebas permukaan-antarmuka adalah kerja minimum yang diperlukan untuk merubah luas permukaan-antarmuka.



II.



Jenis-Jenis Surfaktan Surfaktan anionik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu anion. Contohnya adalah garam alkana sulfonat, garam olefin sulfonat, garam sulfonat asam lemak rantai panjang. Surfaktan kationik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu kation. Contohnya garam alkil trimethil ammonium, garam dialkil-dimethil ammonium dan garam alkil dimethil benzil ammonium. Surfaktan nonionik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya tidak bermuatan. Contohnya ester gliserin asam lemak, ester sorbitan asam lemak, ester sukrosa asam lemak, polietilena alkil amina, glukamina, alkil poliglukosida, mono alkanol amina, dialkanol amina dan alkil amina oksida. Surfaktan amfoter



1.



2.



3.



4.



yaitu surfaktan yang bagian alkilnya mempunyai muatan positif dan negatif. Contohnya surfaktan yang mengandung asam amino, betain, fosfobetain. 5) Surfaktan Alkanolamida Amida adalah turunan asam karboksilat yang paling tidak reaktif, karena itu golongan senyawa ini banyak terdapat di alam. Amida yang terpenting adalah protein. Amida dapat bereaksi dengan asam dan reaksi ini tidak membentuk garam karena amida merupakan basa yang sangat lemah. Selain itu senyawa amida merupakan nukleofilik yang lemah dan bereaksi sangat lambat dengan alkil halida. Amida asam lemak pada industri oleokimia dapat dibuat dengan mereaksikan amina dengan trigliserida, asam lemak atau metil ester asam lemak. Senyawa amina yang digunakan dalam reaksi amidasi sangat bervariasi seperti etanolamina dan dietanolamina, yang dibuat dengan mereaksikan amonia dengan etilen oksida. Alkanolamina seperti etanolamina, jika direaksikan dengan asam lemak akan membentuk suatu alkanolamida dan melepaskan air. Alkanolamida merupakan kelompok surfaktan nonionik yang berkembang dengan pesat.



III.



Surfaktan dapat digolongkan menjadi dua golongan besar, yaitu surfaktan yang larut dalam minyak dan surfaktan yang larut dalam air. 1. Surfaktan yang larut dalam minyak Ada tiga yang termasuk dalam golongan ini, yaitu senyawa polar berantai panjang, senyawa fluorokarbon, dan senyawa silikon. 2. Surfaktan yang larut dalam pelarut air Golongan ini banyak digunakan antara lain sebagai zat pembasah, zat pembusa, zat pengemulsi, zat anti busa, detergen, zat flotasi, pencegah korosi, dan lain-lain. Ada empat yang termasuk dalam golongan ini, yaitu surfaktan anion yang bermuatan negatif, surfaktan yang bermuatan positif, surfaktan nonion yang tak terionisasi dalam larutan, dan surfaktan amfoter yang bermuatan negatif dan positif bergantung pada pH-nya. Surfaktan menurunkan tegangan permukaan air dengan mematahkan ikatan-ikatan hidrogen pada permukaan. Hal ini dilakukan dengan menaruh kepala-kepala hidrofiliknya pada permukaan air dengan ekor-ekor hidrofobiknya terentang menjauhi permukaan air. Sabun dapat membentuk misel (micelles), suatu molekul sabun mengandung suatu rantai hidrokarbon panjang plus ujung ion. Bagian hidrokarbon dari molekul sabun bersifat hidrofobik dan larut dalam zat-zat non polar, sedangkan ujung ion bersifat hidrofilik dan larut dalam air. Karena adanya rantai hidrokarbon, sebuah molekul sabun secara keseluruhan tidaklah benar-benar larut dalam air, tetapi dengan mudah akan tersuspensi di dalam air. Struktur Pembentuk dan Pembuatan Surfaktan Surfaktan (surfactant = surfactive active agent) adalah zat seperti detergent yang ditambahkan pada cairan utuk meningkatkan sifat penyebaran atau pembasahan dengan menurunkan tegangan permukaan caira khususnya air. Sufaktan mempunyai struktur molekul yang terdiri dari gugus hydrophobic dan hydrophilic. Gugus hydrophobic merupakan gugus yang sedikit tertarik/menolak air sedangkan gugus hydrophilic tertarik kuat pada molekul air. Sturktur ini disebut juga dengan struktur amphipatic. Adanya dua gugus ini menyebabkan penurunan tegangan muka dipermukaan cairan. Gugus hidrofilik pada surfaktan bersifat polar dan mudah bersenyawa dengan air, sedangkan gugus lipofilik bersifat non polar dan mudah bersenyawa



dengan minyak. Di dalam molekul surfaktan, salah satu gugus harus lebih dominan jumlahnya. Bila gugus polarnya yang lebih dominan, maka molekul-molekul surfaktan tersebut akan diabsorpsi lebih kuat oleh air dibandingkan dengan minyak. Akibatnya tegangan permukaan air menjadi lebih rendah sehingga mudah menyebar dan menjadi fase kontinu. Demikian pula sebaliknya, bila gugus non polarnya lebih dominan, maka molekul molekul surfaktan tersebut akan diabsorpsi lebih kuat oleh minyak dibandingkan dengan air. Akibatnya tegangan permukaan minyak menjadi lebih rendah sehingga mudah menyebar dan menjadi fase kontinu. Penambahan surfaktan dalam larutan akan menyebabkan turunnya tegangan permukaan larutan. Setelah mencapai konsentrasi tertentu, tegangan permukaan akan konstan walaupun konsentrasi surfaktan ditingkatkan. Bila surfaktan ditambahkan melebihi konsentrasi ini maka surfaktan mengagregasi membentuk misel. Konsentrasi terbentuknya misel ini disebut Critical Micelle Concentration (CMC). Tegangan permukaan akan menurun hingga CMC tercapai. Setelah CMC tercapai, tegangan permukaan akan konstan yang menunjukkan bahwa antar muka menjadi jenuh dan terbentuk misel yang berada dalam keseimbangan dinamis dengan monomernya (Genaro, 1990).



IV.



Cara Kerja Surfaktan dalam Menurunkan Tegangan Muka Cairan Cara kerja dari surfaktan sangatlah unik karena bagian yang hidrofilik akan masuk kedalamlarutan yang polar dan bagian yang hirdrofilik akan masuk kedalam bagian yang non polar sehinggasurfaktan dapat menggabungkan (walaupun sebenarnya tidak bergabung) kedua senyawa yangseharusnya tidak dapat bergabung tersebut. Namun semua tergantung pada komposisi darikomposisi dari surfaktan tersebut. Jika bagian hidrofilik lebih dominan dari hidrofobik maka ia akan melarut kedalam air, sedangkan jika ia lebih banyak bagian hidrofobiknya maka ia akan melarutdalam lemak dan keduanya tidak dapat berfungsi sebagai surfaktan.Bagian liofilik molekul surfaktan adalah bagian nonpolar, biasanya terdiri dari persenyawaanhidrokarbon aromatik atau kombinasinya, baik jenuh maupun tidak jenuh. Bagian hidrofilik merupakan bagian polar dari molekul, seperti gugusan sulfonat, karboksilat, ammonium kuartener,hidroksil, amina bebas, eter, ester, amida.Biasanya, perbandingan bagian hidrofilik dan liofilik dapat diberi angka yang disebutkeseimbangan Hidrofilik dan Liofilik yang disingkat KHL, dari surfaktan.



V.



Sifat Larutan Yang Mengandung Surfaktan Larutan surfaktan dalam air menunjukkan perubahan sifat fisik yang mendadak pada daerah konsentrasi yang tertentu. Perubahan yang mendadak ini disebabkan oleh pembentukan agregat



atau penggumpalan dari beberapa molekul surfaktan menjadi satu, yaitu pada konsentrasi kritik misel (CMC) . Pada konsentrasi kritik misel terjadi penggumpalan atau agregasi dari molekul-molekul surfaktan membentuk misel. Misel biasanya terdiri dari 50 sampai 100 molekul asam lemak dari sabun Sifat-sifat koloid dari larutan elektrolit sodium dedosil sulfat dapat dilihat pada gambar 2.4, dibawah ini: Ada beberapa faktor yang mempengaruhi nilai cmc, untuk deret homolog surfaktan rantai hidrokarbon, nilai cmc bertambah 2x dengan berkurangnya satu atom C dalam rantai. Gugus aromatik dalam rantai hidrokarbon akan memperbesar nilai cmc dan juga memperbesar kelarutan. Adanya garam menurunkan nilai cmc surfaktan ion. Penurunan cmc hanya bergantung pada konsentrasi ion lawan, yaitu makin besar konsentrasinya makin turun cmc-nya.Secara umum misel dibedakan menjadi dua, yaitu: struktur lamelar dan sterik seperti telihat pada gambar dibawah ini: VI.



Struktur misel, (a) sterik (b) lamelar



VII.



Surfaktan dalam Kehidupan



1. PENGGUNAAN SURFAKTAN DALAM KOSMETIKA 1.Pembasah Umumnya, penggunaan surfaktan sebagai pembasah untuk memudahkanpencampuran padatan dengan cairan pada pembuatan sediaan kosmetika. Padatan yangsusah dibasahi dengan cairan akan sukar terdispersi dengan baik dalam cairan, denganpenambahan surfaktan yang cocok maka padatan tersebut akan lebih mudah didispersikandan terdispersi dengan baik. Sebagai pembasah, biasanya tidak melebihi kadar misel kritisdari surfaktan tersebut. Surfaktan jarang digunakan untuk maksud memudahkan pembasahan sediaankosmetika pada tempat penggunaan, misalnya sabun atau kreim cukur, pewarna rambutatau pengikal dingin. Untuk menguji efek pembasahan surfaktan, cara yang paling umumdilakukan dengan melakukan 5 gram gulungan benang kapas pada larutan surfaktan yangdiuji, catat beberapa lama benang



tersebut tenggelam dalam larutan, makin cepattenggelam makin baik efek pembasah surfaktn tersebut. 2. Pembentuk Busa Jika larutan surfaktan dikocok, akan menghasilkan busa. Pembentukan busa padapenggunaan zat pembersih, sesungguhnya tidak begitu penting karena hanya sedikitpengaruhnya pada proses pembersihan. Biasanya sabun tidak berbusa sehingga tidakmemuaskan, sehingga produsen kosmetik memasukkan zat pembentuk busa untukkosmetika pembersih. Ada sediaan kosmetika yang menggunakan zat ini untuk tujuan lainseperti pembentuk busa halus pada sabun pencukur untuk membuat jenggot berdirisehingga mudah dicukur. Cara yang paling umum untuk menguji efek pembentukan busa surfaktan adalah dengan cara masukkan 50 ml larutan surfaktan yang diuji ke dalam bejanagelas setinggi 100 cm, diameter dalam 5 cm. Tegakkan pipet 200ml dengan lubangpenetesan berdiameter 2,9 mm sedimikian rupa sehingga ujung paling bawah tepat 90 cm diatas permukaan cairan dalam bejana gelas. Isi pipet dengan larutan ynag di uji, biarkanlarutan ini turun bebas dan jatuh dalam bejana gelas.ukur segera tinggi busa yang terjadi,setelah 5 menit ukur lagi untuk mengetahui kemantapan busa. Suhu selama pengujian harus sama. 1.



Pelarutan Kadang-kadang, dalam sediaan kosmetika yang berbentuk larutan air, diperlukan zatpendispersi yang tidak larut dalam air, tetapi tidak menimbulkan kabutan, misalnyapemberian parfum pada sediaan ikal dingin, atau sediaan yang mengandung alkohol kadarrendah, misalnya lotio wajah dan lotio cukur. Pada minyak mandi larut-air, penambahanparfum pada zat manfaat utama memerlukan surfaktan larut. Sebenarnya, efek larut tidakmempengaruhi tegangan permukaan, tetapi berfungsi pada formasi misel. Untukmendispersikan minyak kedalam air dapat ditambahkan surfaktan misel sperik atau linear.Dahulu untuk maksud tersebut banyak digunakan minyak jarak tersulfonkan, tetapi sekarangsudah banyak digunakan surfaktan non-ion, misalnya polioksietilen sorbitan monolauret.Jumlah surfaktan yang diperlukan untuk melarutkan minyak tergantung dari sifat minyak.Efek larut juga penting pada aktifitas pembersih larutan surfaktan kental, jikasurfaktan ini dilarutkan dalam air dapat melarutkan sebagian lemak atau minyak. 4.Pengemulsi Untuk memilih surfaktan yang tepat sebagai emulgator sehingga diperoleh emulsistabil, maka KHL surfaktan dapat dihitung dari suatu formula.Faktor lain yang mempengaruhi stabilitas emulsi adalah ada atau tidak adanyakepolaran dalam zat yang di emulsikan. Nilai KHL yang diperlukan, tergantung dari tipe emulsi yang dikendaki. Karena nilaiKHL saling mempengaruhi satu dengan yang lain, maka untuk memilih lebih dari satuemulgator yang tepat untuk emulsi, dapat dilakukan dengan memilih satu emulgator yangnilai KHLnya lebih rendah dan satu emulgator yang nilai KHLnya lebih tinggi dari nilai KHLyang dihitung. 5. Dispersi Dispersi adalah system dimana partikel padatan kecil berada dalam cairan suspensi.Sistem ini mirip emulsi, bedanya fase dispersinya adalah padatan. Dalam kosmetika, dispersitidak begitu penting, biasanya terdapat dalam tat arias, cairan dan krim, serbuk padatanterdispersi cairan pembawa. Dalam lipstik, zat warna yang tidak larut dapat terdispersidalam lemak. Zat pendispersi sering kali ditambahkan kedalam sabun sampo untukmencegah sabun calcium, yang terdapat dalam air bilasan atau air cucian sadah kuat, padarambut.



YANG PERLU DIPERHATIKAN DALAM MEMILIH SURFAKTAN UNTUK KOSMETIKA 1.Surfaktan harus stabil efektivitasnya selama dalam penyimpanan maupun selama digunakan. Pengaruh pH dan kadar asam tidak boleh menghambatefektivitasnya, dan tidak boleh bereaksi dengan zat manfaat. 2.Kadar surfaktan yang digunakan tidak boleh mengiritasi, melukai atau sensitisasipada kulit; misalnya sediaan yang kontak dengan mata, seperti sampo, atauyang diabsorpsi oral, seperti lipstik, pasta gigi. 3.Surfaktan harus tidak mempunyai efek samping yang tidak diinginkan, misalnyadalam aerosol tidak boleh merusak logam, dalam disifektan tidak bolehmenghambat efektivitasnya. 4.Surfaktan tidak boleh mempengaruhi bau dan warna sediaan.



2. Perbedaan antara surfaktan anionik dan kationik, dan penerapannya pada detergen. Surfaktan adaalah zat yang memiliki gugus hidrofilik dan gugus hidrofobik. 1. Berdasarkan namanya, surfaktan yang berdisosiasi dalam air dan melepaskan kation dan anion (atau zwitterions) diistilahkan sebagai surfaktan ionik (kationik, anionik, zwitterionik). Di sisi yang lain, surfaktan yang tidak berdisosiasi disebut surfaktan nonionik. 2. Surfaktan anionic memiliki gugus hidrofilik anionik. Contoh surfaktan anionic biasa disebut “sabun” (sabun asam lemak), garam asam alkilsulfonat (komponen utama deterjen sintetis, seperti alkil benzene sulfonat (LAS) )lemak alcohol sulfat (komponen utama shampoo atau deterjen netral) dan lain-lain. 3. Karena sabun asam lemak adalah garam dari asam lemak dan logam basa (garam asam lemah dan basa kuat), maka sabun ini terhidrolisis dalam air dan larutannya menjadi sedikit basa. Namun, larutan dari surfaktan anionik lainnya adalah netral. Larutan deterjen sintetis diatur agar sedikit basa, tapi bukan disebabkan oleh deterjen itu sendiri (deterjennya netral) melainkan karena efek dari zat tambahan (natrium karbonat dan lain-lain). Ini merupakan perbedaan utama antara sabun dan deterjen sintetis. 4. Telah diketahui sejak awal bahwa kotoran data dicuci oleh basa, seperti larutan alkali dan soda pencuci. Deterjen di pasaran (baik sabun bubuk dan deterjen sintetis) akan memiliki efek yang sama, karena larutan dalam air yang dihasilkan adalah basa. Diduga bahwa serat (pakaian)



menjadi lembut karena basa, sehingga melepaskan kotoran. Jadi tidak efektif untuk mencuci serat hewani tahan basa, seperti sutra dan bol dengan alkali. Diduga bahwa alkali membersihkan kotoran berminyak dengan reaksi saponifikasi (pembentukan sabun yang mudah larut), yang merupakan prinsip yang sama dengan pembuatan sabun. Tetapi, sangat diragukan apakah reaksi ini benar-benar terjadi selama pencucian di rumah. 5. Serat hewani, seperti sutra dan wol, disebut serat amfoter, yang artinya bahwa serat data menjadi kationik dan anionik, tergantung ada sifat larutan pencucinya. Bila detergen basa (baik sabun bubuk atauun deterjen sintetis) digunakan untuk mencuci serat macam ini, surfaktan anionik akan menyerap gugus kationik (gugus amino) pada serat. Sangat mungkin untuk mencuci serat tahan basa dengan menjaga pH tetap netral. Namun, kitatidak dapat melakukan apapu tentang masalah penyerapan surfaktan ionic pada serat. Ini merupakan kelebihan surfaktan nonionik. Ada deterjen yang dapat mencuci pakaian dengan tanda “dry cleaning” (pencucian kering), dengan gambar merekomendasikan bahwa pencucian kering bisa dilakukan untuk produk sutra dan wol) dengan air di rumah. Sebagaimana telah Anda sadari, komponen utama dari deterjen ini adalah surfaktan nonionik. Karena gaya elektrostatik tidak bekerja ada surfaktan non ionic, jumlah deterjen yang tersisa setelah pencucian adalah sedikit untuk kain lain seperti untuk pencucian sutra dan wol. 6. Ada kemungkinan bahwa surfaktan anionik dengan ion kationik, sebagai contoh, ion kalsium dalam air sadah. Khususnya dalam hal sabun bubuk, asam lemak bergabung dengan ion kalsium dan membentuk kekam, yang tidak larut dalam air dan mengenda, mengurangi efek pencucian. Surfaktan anionik lainnya juga bergabung dengan kalsium, tapi jumlahnya sangat sedikit. Lagian, tidak ada pengendapan yang terjadi jika surfaktan non ionik digunakan. Jadi titik ini juga merupakan kelebihan surfaktan non ionik. 7. “Two in One (Conditioner dan Shampoo)”popular beberapa waktu yang lalu. Ini sebenarnya shampoo, yang tidak membutuhkan kondisioner lain. Kondisioner berfungsi seperti elembut dalam pencucian pakaian, jadi komponen utama kondisioner adalah surfaktan kationik, yang merupakan pelembut pakaian. Hal ini berarti tidak mungkin untuk menyatukan zat kondisioner dengan shampoo biasa. Jika Anda mencampur shampoo biasa dan kondisioner di kamar mandi, Anda akan melihat pengendapan seperti kekam. Hal ini disebabkan gabungan surfaktan kationik dengan surfaktan anionik. Tentu saja, pengendapan ini tidak akan berefek apa-apa. Ada tiga jenis “Two in One (Conditioner dan Shampoo)”: a. KOndisioner saja dengan surfaktan kationik yang memiliki daya cuci. b. Shampoo saja dengan kandungan minyak. c. “Kondisioner dan Shampoo” sebenarnya, sebagai contoh surfaktan utama shampoo tidak bergabung dengan surfaktan kationik dalam kondisioner.



Anda bisa menebak dengan mudah bahwa surfaktan yang digunakan pada jenis ketiga adalah surfaktan non ionik. Konsep yang sama digunakan pada deterjen untuk mencuci akaian, dan sekarang deterjen mengandung pelembut pakaian yangbanyak dijual. Komponen utama dari deterjen ini adalah surfaktan non ionik. Surfaktan non ionik data digunakan untuk banyak zat tambahan, membuat surfaktan non ionik sangat berguna dengan kelebihannya. Penerapan Surfaktan non ionik untuk Deterjen Pakaian 8. Mari pikirkan mengapa surfaktan non ionik, yang tampaknya memiliki banyak kelebihan, tidak digunakan sebagai bahan deterjen hingga sekarang. Semua surfaktan yang bisa digunakan untuk makanan (berdasarkan peraturan kebersihan makanan di Jepang) adalah surfaktan non ionik, kecuali untuk fosfolipid kacang kedelai (lesitin, surfaktan amfoter). Diduga bahwa mereka tidak berbhaya karena senyawa tersebut adalah ester polialkohol asam lemak seerti sorbitan, sukrosa dan gliserin. Jadi sangat luar biasa bila kita mnggunakan surfaktan jenis ini untuk pakaian. Saya melakukan percobaan – bagaimanapun, segala kotoran sangat sulit dihilangkan dengan ester asam lemak sukrosa. Jadi, daya bersih surfaktan non ionik sangat lemah. Saya melakukan percobaan lebih jauh dan menemukan bahwa surfaktan non ionik yang memiliki daya bersih tertentu. Bagaimanapun, surfaktan ini bentuknya cair, membuatnya sangat sulit digunakan. Surfaktan ini bia sangat berguna bila dipakai dalam deterjen cair, tapi ini bukanlah tren untuk menggunakan deterjen cair, dan penambahannya harus diteteskan, membuatnya sulit untuk ditangani, sehingga membuatnya sangat tidak umum. Karena surfaktan non ionik dapat dengan mudah disintesis, maka surfaktan ini banyak digunakan dalam berbagai bidang sekarang ini. Namun, surfaktan non ionik tidak akan digunakan sebagai surfaktan deterjen sintetis untuk akaian hingga dikembangkan surfaktan non ionik (polioksietilena)dalam bentuk bubuk. 9. Saya menemukan bahwa Kristal cair terbentuk selama proses pencucian kotoran berminyak dan Kristal cair ini berkontribusi dalam menghilangkan kotoran. Dan saya mengembangkan metode baru untuk menunjukkan efektivitas pencucian (kinetika pencucian). Saya mengukur kecepatan pembentukan Kristal cair dan kecepatan pencucian. Ketika saya menggunakan surfaktan non ionik (olioksietilena) untuk percobaan, saya menemukan bahwa Kristal cair terbentuk pada konsentrasi dan suhu yang lebih rendah (dibandingkan dengan surfaktan anionik). Percobaan ini dipublikasikan, dan pada waktu yang sama, produsen mengembangkan bentuk bubuk dari surfaktan non ionik (polioksietilena). Jadi, deterjen padat serbuk, yang komonennya adalah surfaktan non ionik, dikembangkan oleh produsen deterjen dengan motto “Kristal cair membersihkan kotoran”. Bagaimanapun, deterjen ini tidak dilanjutkan selama beberapa tahun setelah dilepas kea saran, mungkin karena konsumen saat itu belum sadar akan lingkungan. 10. Penggunaan deterjen yang komponen utamanya adalah surfaktan non ionik semakin meningkat. Peningkatan tidak hanya terkait dengan kelebihan yang disebutkan di atas, tapi juga ada efek



yang baik. Karena baru-baru ini kebanyakan pakaian tidak sekotor seperti kondisi sebelumnya, dan kesadaran lingkungan juga bertambah, maka deterjen yang ramah lingkungan, bahkan dengan kemampuan daya bersih yang berkurang, dapat diterima di kehidupan modern.