Seperti halnya pada kenaikan titik didih, adanya zat terlarut dalam larutan akan mengakibatkan titik beku larutan lebih kecil daripada titik beku pelarutnya. Penurunan titik beku, ΔTf (f berasal dari kata freeze) berbanding lurus dengan molalitas (m) larutan:

dengan Kf adalah tetapan penurunan titik beku molal pelarut (°C/m). Penurunan titik beku (Tf) adalah titik beku pelarut murni (Tf°) dikurangi titik beku larutan (Tf).

Berikut ini adalah beberapa harga tetapan penurunan titik beku (Kf) dari beberapa pelarut.

Contoh 1:

Contoh 2:

Contoh 3:

     Banyak ion yang dihasilkan dari zat elektrolit tergantung pada derajat ionisasinya (α). Larutan elektrolit kuat mempunyai derajat ionisasi lebih besar daripada larutan elektrolit lemah, yaitu mendekati satu untuk larutan elektrolit kuat dan mendekati nol untuk larutan elektrolit lemah. Derajat ionisasi dirumuskan sebagai berikut.

Penurunan Titik Beku

Dirumuskan sebagai:

APLIKASI SIFAT KOLIGATIF LARUTAN: MELELEHKAN SALJU

Penambahan garam dapur akan menyebabkan titik beku air turun di bawah 0°C. Hal ini sesuai dengan salah satu sifat koligatif larutan, dimana jika kadar zat terlarut (dalam hal ini garam) dalam larutan (larutan garam-air) bertambah, larutan menjadi lebih sulit membeku.

Untuk dapat membeku, jarak antarmolekul dalam suatu substansi harus dirapatkan hingga tidak dimungkinkan adanya perpindahan tempat dari molekul-molekul tersebut. Semakin dingin suhu, pergerakan molekul makin berkurang sehingga kemungkinan molekul menjadi rapat satu sama lain semakin besar.

Adanya partikel-partikel zat terlarut (garam) akan mengakibatkan proses pergerakan molekul-molekul pelarut (air) terhalang. Akibatnya, untuk dapat lebih mendekatkan jarak antarmolekul sejenis diperlukan suhu yang lebih rendah dari normal. Jadi, titik beku larutan akan lebih rendah daripada titik beku pelarut murninya (air).

Air murni akan membeku pada suhu 0°C, sehingga bila suhu udara mencapai 0°C, air hujan akan berubah menjadi salju. Misalnya dengan penambahan sejumlah garam titik beku air menjadi -2°C, maka pada suhu lingkungan 0°C salju yang ada di jalanan akan segera mencair.

Akan tetapi, penggunaan natrium klorida, meskipun murah, namun kurang efektif. Hal ini karena kelarutan garam dapur dalam air yang tidak terlalu besar. Larutan garam dapur akan membeku pada suhu sekitar -18 ^oC. Artinya, jika suhu udara di bawah -18 ^oC, katakanlah -25 ^oC, maka garam dapur tidak dapat “melaksanakan tugasnya”. Belum lagi sifat korosif dari garam dapur yang dapat menyebabkan karat pada logam terutama besi. Padahal, sebagaimana kita ketahui, mobil, jembatan, dan hampir semua barang-barang yang ada di sekitar kita tersusun oleh logam terutama besi.

Untuk mengatasi hal ini, banyak fihak yang kemudian menggunakan garam lain yang lebih mahal yaitu kalsium klorida dan magnesium klorida. Kedua senyawa ini, karena memiliki jumlah ion yang lebih banyak daripada NaCl, tidak hanya menurunkan temperatur lebih besar daripada NaCl, tapi juga proses pelarutannya bersifat eksoterm, sehingga panas yang dihasilkan dapat membantu melelehkan salju dengan lebih cepat dan efektif.

Cara lain adalah dengan menggunakan senyawa organik yang dicampur dengan kalium klorida (garam batu), dan magnesium klorida. Campuran ini terbukti efektif menurunkan suhu sampai -34 ^oC. 

Dari bagan di atas sudah jelas, bahwa pada suhu -18 ^oC, larutan NaCl sudah membeku (berwujud padat), bagaimana dia mau mencairkan es yang suhunya -25 ^oC, dia saja berbentuk padat pada suhu di bawah -18 ^oC. Lain halnya dengan campuran zat organik yang bersuhu -34 ^oC, pada suhu -25 ^oC, dia berada dalam keadaan cair, jadi dia dapat mencairkan es yang ada di sekitarnya (istilah lainnya, mentransfer energi yang dia miliki supaya es-nya mencair).

1. Molalitas (m) 

   Molalitas menyatakan jumlah mol zat terlarut dalam 1000 gram pelarut. Molalitas dapat dinyatakan dengan rumus:

       Jika zat terlarut bersifat non-volatil (tidak mudah menguap; tekanan uapnya tidak dapat terukur), tekanan uap dari larutan akan selalu lebih rendah dari tekanan uap pelarut murni yang volatil. Secara ideal, tekanan uap dari pelarut volatil di atas larutan yang mengandung zat terlarut non-volatil berbanding lurus terhadap konsentrasi pelarut dalam larutan. Hubungan dalam sifat koligatif larutan ini dinyatakan secara kuantitatif dalam hukum Raoult: tekanan uap dari pelarut di atas larutan, Plarutan sama dengan hasil kali fraksi mol dari pelarut, Xpelarut dengan tekanan uap dari pelarut murni, P°pelarut. Penurunan tekanan uap, ΔP, yaitu P°pelarut−Plarutan berbanding lurus terhadap fraksi mol dari Xterlarut.

.

.

       Titik didih dari suatu larutan adalah temperatur ketika tekanan uapnya sama dengan tekanan eksternal. Oleh karena terjadinya penurunan tekanan uap larutan oleh keberadaan zat terlarut non-volatil, dibutuhkan kenaikan temperatur untuk menaikkan tekanan uap larutan hingga sama dengan tekanan eksternal. Jadi, keberadaan zat terlarut dalam pelarut mengakibatkan terjadinya kenaikan titik didih; titik didih larutan, Tb, lebih tinggi dari titik didih pelarut murni, Tb°. Kenaikan titik didih, ΔTb, yaitu Tb−Tb° berbanding lurus terhadap konsentrasi (molalitas, m) larutan, sebagaimana:

.

di mana Kb adalah konstanta kenaikan titik didih molal (dalam satuan °C/m) dan m adalah molalitas larutan. 

        Pada larutan dengan pelarut volatil dan zat terlarut non-volatil, hanya partikel-partikel pelarut yang dapat menguap dari larutan sehingga meninggalkan partikel-partikel zat terlarut. Hal serupa juga terjadi dalam banyak kasus di mana hanya partikel-partikel pelarut yang memadat (membeku), meninggalkan partikel-partikel zat terlarut membentuk larutan yang konsentrasinya lebih pekat. Titik beku dari suatu larutan adalah temperatur di mana tekanan uap larutan sama dengan tekanan uap pelarut murni. Pada temperatur ini, dua fasa – pelarut padat dan larutan cair – berada dalam kesetimbangan.

Oleh karena terjadinya penurunan tekanan uap larutan dari tekanan uap pelarut, larutan membeku pada temperatur yang lebih rendah dibanding titik beku pelarut murni — titik beku larutan, Tf, lebih rendah dari titik beku pelarut murni, Tf°. Dengan kata lain, jumlah partikel-partikel pelarut yang keluar dan masuk padatan yang membeku per satuan waktu menjadi sama pada temperatur yang lebih rendah. Sifat koligatif larutan berupa penurunan titik beku, ΔTf, yaitu Tf° – Tf berbanding lurus terhadap konsentrasi (molalitas, m) larutan, sebagaimana:

di mana Kf adalah konstanta penurunan titik beku molal (dalam satuan °C/m) dan m adalah molalitas larutan.

Berikut ini disajikan tetapan titik didih dan titik beku molal (Kb dan Kf) untuk beberapa pelarut.

        Ketika dua larutan dengan konsentrasi yang berbeda dipisahkan oleh suatu membran semipermeabel — membran yang hanya dapat dilewati partikel pelarut namun tidak dapat dilewati partikel zat terlarut—maka terjadilah fenomena osmosis. Osmosis adalah peristiwa perpindahan selektif partikel-partikel pelarut melalui membran semipermeabel dari larutan dengan konsentrasi zat terlarut yang lebih rendah ke larutan dengan konsentrasi zat terlarut yang lebih tinggi.

Gambar 1. Ilustrasi peristiwa osmosis pada bejana U
(Sumber: Silberberg, Martin S. 2009. Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change (5th edition). New York: McGraw Hill)

Perhatikan Gambar 1. Tekanan osmosis didefinisikan sebagai tekanan yang diberikan untuk menahan perpindahan netto partikel pelarut dari larutan dengan konsentrasi pelarut tinggi menuju larutan dengan konsentrasi pelarut rendah. Bila tekanan eksternal sebesar tekanan osmosis diberikan pada sisi larutan, maka ketinggian pelarut dan larutan akan kembali seperti semula.

Contoh Soal 1.5

B. Sifat Koligatif Larutan Elektrolit 

   Berbeda dengan zat nonelektrlit, zat elektrolit dalam air akan terurai menjadi ion-ion sehingga dengan jumlah mol yang sama, zat elektrolit akan menghasilkan konsentrasi partikel yang lebih banyak dibandingkan zat nonelektrolit. Satu mol zat nonelektrolit dalam larutan menghasilkan 6,02 × 1023 partikel. Sedangkan satu mol zat elektrolit menghasilkan partikel yang lebih banyak, apalagi zat elektrolit kuat yang dalam air terionisasi seluruhnya. Satu mol NaCl bila terionisasi seluruhnya akan menghasilkan 6,02 × 1023 ion Cl- sehingga jumlah partikel zat terlarut dua kali lebih banyak daripada satu mol zat nonelektrolit. Dengan demikian dengan konsentrasi larutan yang sama, larutan elektrolit memiliki sifat koligatif yang lebih besar daripada larutan nonelektrolit.

    Bila percobaan Anda lakukan dengan benar dan teliti maka '∆Tb dan ∆Tf larutan NaCl akan lebih besar dibandingkan ∆Tb dan ∆Tf larutan dengan molalitas sama. Masih ingatkah konsep larutan elektrolit dan nonelektrolit? Bila NaCl dilarutkan dalam air akan terionisasi menjadi ion Na+ dan Cl–. Bila derajat ionisasi NaCl,  α = 1, maka seluruh NaCl terionisasi menjadi Na+ dan Cl–.

Sifat koligatif adalah sifat-sifat fisis larutan yang hanya bergantung pada konsentrasi partikel zat terlarut, tetapi tidak pada jenisnya. Sifat koligatif larutan meliputi tekanan uap, penurunan titik beku, kenaikan titik didih, dan tekanan osmotik. Berikut ini penjelasan mengenai penerapan sifat koligatif larutan dalam kehidupan sehari-hari.

  Molekul–molekul zat cair yang meninggalkan permukaan menyebabkan adanya tekanan uap zat cair. Semakin mudah molekul – molekul zat cair berubah menjadi uap, makin tinggi pula tekanan uap zat cair. Apabila tekanan zat cair tersebut dilarutkan oleh zat terlarut yang tidak menguap, maka partikel–partikel zat terlarut ini akan mengurangi penguapan molekul–molekul zat cair. Laut mati adalah contoh dari terjadinya penurunan tekanan uap pelarut oleh zat terlarut yang tidak mudah menguap. Air berkadar garam sangat tinggi ini terletak di daerah gurun yang sangat panas dan kering, serta tidak berhubungan dengan laut bebas, sehingga konsentrasi zat terlarutnya semakin tinggi.

  Cairan pendingin adalah larutan berair yang memiliki titik beku jauh di bawah 0oC. Cairan pendingin digunakan pada pabrik es, juga digunakan untuk membuat es putar. Cairan pendingin dibuat dengan melarutkan berbagai jenis garam ke dalam air. Pada pembuatan es putar cairan pendingin dibuat dengan mencampurkan garam dapur dengan kepingan es batu dalam sebuah bejana berlapis kayu. Pada pencampuran itu, es batu akan mencair sedangkan suhu campuran turun. Sementara itu, campuran bahan pembuat es putar dimasukkan dalam bejana lain yang terbuat dari bahan stainless steel. Bejana ini kemudian dimasukkan ke dalam cairan pendingin, sambil terus-menerus diaduk sehingga campuran membeku.

  Hewan-hewan yang tinggal di daerah beriklim dingin, seperti beruang kutub, memanfaatkan prinsip sifat koligatif larutan penurunan titik beku untuk bertahan hidup. Darah ikan-ikan laut mengandung zat-zat antibeku yang mempu menurunkan titik beku air hingga 0,8oC. Dengan demikian, ikan laut dapat bertahan di musim dingin yang suhunya mencapai 1,9oC karena zat antibeku yang dikandungnya dapat mencegah pembentukan kristal es dalam jaringan dan selnya. Hewan-hewan lain yang tubuhnya mengandung zat antibeku antara lain serangga , ampibi, dan nematoda. Tubuh serangga mengandung gliserol dan dimetil sulfoksida, ampibi mengandung glukosa dan gliserol darah sedangkan nematoda mengandung gliserol dan trihalose.

    Di daerah yang mempunyai musim salju, setiap hujan salju terjadi, jalanan dipenuhi es salju. Hal ini tentu saja membuat kendaraan sulit untuk melaju. Untuk mengatasinya, jalanan bersalju tersebut ditaburi campuran garam NaCL dan CaCl2. Penaburan garam tersebut dapat mencairkan salju. Semakin banyak garam yang ditaburkan, akan semakin banyak pula salju yang mencair.

    Pemanfaatan sifat ini untuk menjaga ikan agar tetap segar dengan menurunkan suhu es balok menggunakan garam dapur.

  Pasien penderita gagal ginjal harus menjalani terapi cuci darah. Terapi menggunakan metode dialisis, yaitu proses perpindahan molekul kecil-kecil seperti urea melalui membran semipermeabel dan masuk ke cairan lain, kemudian dibuang. Membran tak dapat ditembus oleh molekul besar seperti protein sehingga akan tetap berada di dalam darah.

    Salah satu cara pengawetan makanan menggunakan garam. Menjaga keadaan ikan akan bertahan lama. Garam dapat membunuh mikroba penyebab makanan busuk yang berada di permukaan makanan.

 Tanaman membutuhkan air dari dalam tanah. Air tersebut diserap oleh tanaman melalui akar. Tanaman mengandung zat-zat terlarut sehingga konsentrasinya lebih tinggi daripada air di sekitar tanaman sehingga air dalam tanah dapat diserap oleh tanaman.

   Larutan-larutan yang mempunyai tekanan osmosis yang sama disebut isotonik. Larutan-larutan yang mempunyai tekanan osmosis lebih rendah daripada larutan lain disebut hipotonik. Sementara itu, larutan-larutan yang mempunyai tekanan osmosis lebih tinggi daripada larutan lain disebut hipertonik.Contoh larutan isotonik adalah cairan infus yang dimasukkan ke dalam darah. Cairan infus harus isotonik dengan cairan intrasel agar tidak terjadi osmosis, baik ke dalam ataupun ke luar sel darah. Dengan demikian, sel-sel darah tidak mengalami kerusakan