BAHAN AJARKESETIMBANGAN KIMIA

A. Standar Kompetensi Memahami kinetika reaksi, kesetimbangan kimia, dan faktor-faktor yang mempengaruhinya, serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari dan industriB. Kompetensi Dasar3.5 Menjelaskan penerapan prinsip keseimbangan dalam kehidupan sehari-hari dan industryC. Indikator Menjelaskan kondisi optimum untuk memproduksi bahan kimia di industri yang didasarkan pada reaksi kesetimbangan melalui diskusi. D. Tujuan Setelah mempelajari materi ini siswa diharapkan dapat :1. Menjelaskan pembuatan amoniak dengan proses Haber-Bosch2. Menjelaskan pembuatan asam sulfat dengan proses Kontak3. Menjelaskan pembuatan asam nitrat dengan proses Ostwald E. Uraian Proses produksi zat-zat pada industri, khususnya industri bahan-bahan kimia, ada yang menggunakan reaksi kesetimbangan. Misalnya pada pembuatan amonia dan pembuatan asam sulfat. Pada proses industri bahan-bahan kimia dihadapkan pada masalah bagaimana mendapatkan hasil sebanyak-banyaknya sekaligus berkualitas tinggi, namun menggunakan proses yang efektif, efisien, dan biaya yang tidak terlalu besar.A. Pembuatan Amonia dengan Proses Haber-BoschUnsur nitrogen terdapat di atmosfer dan menyusun sebanyak 78% dari volumenya, tetapi karena kelembaman nitrogen, senyawa-senyawa nitrogen tidak banyak terdapat di alam. Metode untuk menyintesis senyawa-senyawa nitrogen yang dikenal sebagai fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode utama adalah mereaksikan nitrogen dan hidrogen membentuk amonia. Amonia selanjutnya diubah menjadi senyawa nitrogen lainnya, seperti asam nitrat dan garam nitrat. Pupuk urea (CO(NH2)2) merupakan bahan kimia yang terbentuk melalui reaksi NH3 dengan CO2.Amonia juga digunakan dalam pembuatan bermacam-macam monomer yang mengandung nitrogen untuk industri nilon, polimer-polimer akrilat, dan busa poliutretan. Amonia juga digunakan dalam industri farmasi, macam-macam bahan organik, anorganik, detergen dan larutan pembersih, pupuk, dan bahan peledak (TNT atau trinitrotoluena).Dasar teori dari reaksi sintesis amonia dan uji laboratorisnya merupakan penelitian Fritz Haber (1908). Usaha pengembangan proses Haber menjadi proses besar-besaran. Usaha tersebut merupakan tantangan bagi insinyurinsinyur kimia pada saat itu. Hal ini karena metode tersebut mensyaratkan reaksi kimia dalam fasa gas pada suhu dan tekanan tinggi dengan katalis yang sesuai. Pekerjaan ini dipimpin oleh Carl Bosch di Badishe Anilin and Soda Fabrik (BASF). Pada tahun 1913, pabrik beroperasi dengan produksi 30.000 kg NH3 per hari. Pabrik amonia modern saat ini mempunyai kapasitas 50 kali lebih besar.Beberapa data relevan mengenai reaksi sintesis amonia adalah:N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g)H = 92,38 kJ/mol, suhu = 298 K, Kp = 6,2 105Berdasarkan hasil eksperimen dengan mengubah variabel suhu dan tekanan diperoleh grafik sebagai berikut.

Gambar 1. Persentase amoniak pada kesetimbangan pada suhu dan tekanan yang berbeda.Grafik di atas menunjukkan bahwa pada suhu rendah, persentase NH3 yang dihasilkan akan semakin banyak. Tetapi belum tentu dengan semakin menurunkan suhu akan berjalan semakin efektif. Jika suhu semakin rendah, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan (NH3), tetapi kecepatan reaksi akan semakin lambat. Hal ini tidak efektif karena laju reaksinya lambat. Dengan demikian, ada suhu optimal yang harus dicari, agar reaksi berjalan cukup cepat dengan hasil yang besar. Dari eksperimen diketahui bahwa suhu optimal dalam reaksi pembentukan amoniak sekitar 400-600 oC.Variasi tekanan juga berpengaruh pada hasil amoniak. Terlihat dari grafik bahwa dengan semakin besar tekanan, maka NH3 yang dihasilkan akan semakin besar. Tekanan tinggi dapat menimbulkan ledakan yang membahayakan. Hal ini tidak menguntungkan bagi dunia industri.Untuk setiap 1 mol gas nitrogen dan 3 mol gas hidrogen dihasilkan 2 mol gas amonia. Peningkatan tekanan menyebabkan campuran reaksi bervolume kecil dan menyebabkan terjadinya reaksi yang menghasilkan amonia lebih besar. Reaksi ke kanan bersifat eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik terjadi jika suhu diturunkan, sehingga reaksi bergeser ke kanan menghasilkan amonia makin besar. Jadi kondisi optimum untuk produksi NH3 adalah tekanan tinggi dan suhu rendah. Tetapi, keadaan optimum ini tidak mengatasi masalah laju reaksi. Sekalipun produksi kesetimbangan NH3 lebih baik terjadi pada suhu rendah, namun laju pembentukannya sangat lambat, sehingga reaksi ini tidak layak. Salah satu cara untuk meningkatkan reaksi adalah dengan menggunakan katalis. Walaupun tidak mempengaruhi kesetimbangan, namun katalis dapat mempercepat reaksi. Keadaan reaksi yang biasa dilakukan dalam proses Haber Bosch adalah pada suhu 550 C, tekanan dari 150 sampai dengan 500 atm, dan katalis biasanya besi dengan campuran Al2O3, MgO, CaO, dan K2O. Cara lain untuk meningkatkan laju produksi NH3 adalah memindahkan NH3 dengan segera setelah terbentuk.Titik didih gas NH3 lebih tinggi daripada titik didih nitrogen dan hidrogen. Proses selanjutnya, gas amonia didinginkan sehingga mencair. Gas nitrogen dan gas hidrogen yang belum bereaksi dan gas amonia yang tidak mencair kemudian diresirkulasi, dicampur dengan gas nitrogen dan hidrogen, kemudian dialirkan kembali ke dalam tangki.Skema sintesis amonia berdasarkan proses Haber-Bosch:

Gambar 2. Skema sintesis amonia berdasarkan proses Haber-Bosch4. Pembuatan Asam Sulfat dengan Proses KontakAsam sulfat merupakan bahan kimia yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya, sebagai bahan campuran dalam detergen,cat, zat warna, fiber, plastik, industri logam, dan sebagainya.Salah satu cara pembuatan asam sulfat melalui proses industri dengan produk yang cukup besar adalah dengan proses kontak. Bahan yang digunakan pada proses ini adalah belerang dan melalui proses berikut.a. Belerang dibakar di udara, sehingga bereaksi dengan oksigen dan menghasilkan gas belerang dioksida.Reaksi yang terjadi :S(s)+ O2(g) SO2(g)b. Belerang dioksida direaksikan dengan oksigen dan dihasilkan belerang trioksida.Reaksi yang terjadi:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)Reaksi ini berlangsung lambat, maka dipercepat dengan katalis vanadium pentaoksida (V2O5) pada suhu 450 C.c. SO3 yang dihasilkan, kemudian dipisahkan, dan direaksikan dengan air untuk menghasilkan asam sulfat.Reaksi yang terjadi:SO3(g) + H2O(l) H2SO4(aq)d. Reaksi tersebut berlangsung hebat sekali dan menghasilkan asam sulfat yang sangat korosif. Untuk mengatasi hal ini, gas SO3 dialirkan melalui menara yang di dalamnya terdapat aliran H2SO4 pekat, sehingga terbentuk asam pirosulfat (H2S2O7) atau disebut oleum. Asam pirosulfat direaksikan dengan air sampai menghasilkan asam sulfat.SO3(g) + H2SO4(g) H2S2O7(aq)H2S2O7(aq) + H2O(l) 2 H2SO4(l)Dari semua tahap diatas, tahap kedua merupakan tahap yang menentukan efisiensi produk asam sulfat, karena pada tahap itu reaksinya berkesetimbangan. Jika pengendalian kondisi reaksi tepak maka akan diperoleh SO3 optimum sehingga produk asam sulfat akan maksimum.1) Rekayasa SuhuOleh karena pembentukan SO3 eksoterm, maka untuk meningkatkan produk SO3 dilakukan penurunan suhu reaksi agar posisi kesetimbangan bergeser ke arah produk, tetapi suhu lebih rendah tidak efisien sebab reaksi sangat lambat. Jika suhu terlalu tinggi, katalis yang digunakan tidak berfungsi. Dengan demikian pembentukan SO3 dioperasikan pada suhu optimum, sekira (400-450)oC.2) Rekayasa TekananBerdasarkan koefisien reaksi, tekanan yang diterapkan dalam reaktor harus tinggi agar posisi kesetimbangan bergeser kearah produk. Umumnya, tekanan yang digunakan sekira 2-3 atm. Tekanan tinggi tidak diterapkan dalam proses ini, sebab peralatannya tidak mendukung.Beberapa manfaat asam sulfat adalah untuk pembuatan pupuk, di antaranya pupuk superfosfat, detergen, cat kuku, cat warna, fiber, plastik, industri logam, dan pengisi aki. Asam sulfat kuat 93% sampai dengan 99% digunakan untuk pembuatan berbagai bahan kimia nitrogen, sintesis fenol, pemulihan asam lemak dalam pembuatan sabun, pembuatan asam fosfat dan tripel superfosfat. Oleum (H2S2O7) digunakan dalam pengolahan minyak bumi, TNT (trinitrotoluena), dan zat warna serta untuk memperkuat asam lemah.Berikut ini adalah diagram alir pabrik asam sulfat kontak yang menggunakan pembakaran belerang dan absorpsi tunggal dengan injeksi udara (pengenceran) antartahap.

Gambar 3. Proses kontak5. Pembuatan asam nitrat (HNO3) dengan proses Ostwald Asam nitrat (HNO3) merupakan asam oksidator kuat yang cukup berbahaya. Asam ini mudah bereaksi dengan logam membentuk gas beracun. Dalam kehidupan sehari-hari, asam nitrat sering digunakan sebagai dasar pembuatan pupuk sebagaimana dengan amoniak. Asam ini juga merupakan bahan dalam pembuatan bahan peledak. Pembuatan asam nitrat dikenal dengan proses Otswald. Proses ini berlangsung dalam 3 tahap, yaitu a. Pembentukan NOPada tahap ini, campuran amonia dan udara berlebih dialirkan melewati katalis Pt-Rh pada 850 oC dan 5 atm.Reaksi yang terjadi adalah4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + H2O(l) H = 907 kJb. Pembentukan NO2Setelah gas NO terbentuk, gas NO didinginkan dahulu sampai suhu mencapai 25-40 oC kemudian direaksikan dengan gas oksigen pada tekanan 7-12 atm. Reaksi yang terjadi adalah2NO(g) + O2 (g) 2NO2(g) H = 114 kJc. Pembentukan HNO3Pada tahap ini, gas NO2 direaksikan dengan air membentuk HNO3 dan NO. Reaksi yang terjadi3NO(g) + H2O (l) 2HNO3(g) + NO(g) H = 114 kJ Ada dua tahap reaksi kesetimbangan pada pembuatan asam nitrat, yakni tahap satu dan tahap dua. Pada tahap pertama, reaksi bersifat eksoterm dan koefisien produk lebih besar dari koefisien pereaksi. Oleh karena itu, diperlukan optimasi suhu dan tekanan untuk menggeser posisi kesetimbangan ke arah produk, yaitu pada suhu dan tekanan rendah. Kendalanya, pada suhu rendah reaksi tidak terjadi, sedangkan pada suhu tinggi kesetimbangan bergeser ke arah pereaksi. Untuk mengeliminasi masalah ini ditambah katalis Pt-Rh dan suhu optimum, sekira 850 oC.Pada tahap dua, reaksi kurang efisien pada suhu terlalu tinggi, sehingga gas NO panas yang terbentuk pada tahap pertama didinginkan dengan menambahkan udara dingin, sekaligus berfungsi mengoksidasi gas NO menjadi NO2. Gas NO2 yang terbentuk diserap oleh air membentuk asam nitrat secara swa-katalitik, yakni dalam reaksi tersebut digunakan NO2 sebagai katalisnya.

B. Rangkuman Proses produksi zat-zat pada industri, khususnya industri bahan-bahan kimia, ada yang menggunakan reaksi kesetimbangan. Diantaranya : pembuatan amonia dengan Proses Haber-Bosch, pembuatan asam sulfat dengan Proses Kontak dan pembuatan asam nitrat (HNO3) dengan proses Ostwald Amonia merupakan bahan dasar untuk pembuatan pupuk, sebagai pelarut, bahan utama dalam refrigator, dan bahan pembersih. Bahan utam pembuatan amonia adalah gas nitrogen dan gas hidrogen. Reaksi yang terjadi antara gas nitrogen dan gas hidrogen adalah reaksi kesetimbangan. Secara termokimia, reaksi tersebut bersifat eksoterm. Persamaan termokimianya adalah N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) H = 92,38 kJ/mol Salah satu cara pembuatan asam sulfat melalui proses industri dengan produk yang cukup besar adalah dengan proses kontak. Tiga tahap utama dalam proses kontak yaitu: pembentukan belerang dioksida, pembentukan belerang trioksida dan pembentukan asam sulfat Tahap pembentukan belerang trioksida merupakan tahap yang menentukan efisiensi produk asam sulfat, karena pada tahap itu reaksinya berkesetimbangan. Asam nitrat merupakan bahan dalam pembuatan bahan peledak. Pembuatan asam nitrat dikenal dengan proses Otswald. Proses Otswald berlangsung dalam 3 tahap, yaitu : pembentukan NO, pembentukan NO2 dan pembentukan HNO3 Ada dua tahap reaksi kesetimbangan pada pembuatan asam nitrat, yakni tahap satu dan tahap dua. Pada tahap pertama, reaksi bersifat eksoterm dan koefisien produk lebih besar dari koefisien pereaksi. Pada tahap dua, reaksi kurang efisien pada suhu terlalu tinggi, sehingga gas NO panas yang terbentuk pada tahap pertama didinginkan dengan menambahkan udara dingin, sekaligus berfungsi mengoksidasi gas NO menjadi NO2.

C. Evaluasi 1. Jelaskan cara memperoleh amonia dengan jumlah yang banyak, namun efektif dan efisien dengan proses HaberBosch!2. Jelaskan kegunaan asam sulfat pekat dalam industri !3. Asam nitrat merupakan bahan dasar pembuatan pupuk. Bagaimana cara pembuatan asam nitrat? Jelaskan !4. Jelaskan tahap-tahap pembuatan asam sulfat !5. Minyak kelapa murni dikenal dengan VCO. VCO ini dapat membantu mengatasi beberapa penyakit. Coba kalian jelaskan bagaimana cara pembuatan VCO dengan membaca literatur lainnya.

DAFTAR PUSTAKA

Petrucci, Ralph H. 1996. Kimia Dasar, Prinsip dan Terapan Modern, Jilid 2. Jakarta : ErlanggaS, Syukri. 1999. Kimia Dasar 1. Bandung : ITBSunarya, Yayan. 2010. Kimia Dasar 1, Berdasarkan Prinsip-prinsip Kimia Terkini. Bandung : Yrama Widya2