Katalis Fix Baru

8/10/2019 Katalis Fix Baru

1/24

A. DEFINISI DAN PERANAN KATALIS TERHADAP PERUBAHAN ENERGI

DALAM REAKSI

Katalis pada beberapa tahun lalu disebut sebagai katalisator adalah zat atau

sepesies yang digunakan untuk mempercepat suatu reaksi. Pada awal perkembangannya,

katalis sering didefinisikan sebagai zat yang dapat mempercepat reaksi tanpa ikut

bereaksi.

Terminologi Katalis adalah istilah yang diperkenalkan oleh Berzelius pada

tahun 1836 untuk menjelaskan beberapa proses dekomposisi dan reaksi transpormasi. Dia

berasumsi bahwa katalis memiliki kekuatan dan peranan khusus yang dapat

mempengaruhi afinitas zat kimia dalam sebuah reaksi, pada perkembangan selanjutnya

Ostwald (1895) mengemukakan definisi yang dapat kita adopsi dan kita gunakan hingga

saat ini yakni bahwa katalis adalah zat yang mempercepat reaksi kimia tanpa

mempengaruhi posisi kesetimbangan . Yang dimaksud dalam definisi tersebut adalah

katalis tidak mempengaruhi energi dari reaktan dan energi dari produk. Pada awal

definisi tersebut diasumsikan bahwa katalis tetap tidak berubah dalam proses reaksi,

namun saat ini dengan berbagai instrumentasi kimia kita ketahui bahwa katalis yang

terlibat dalam sebuah reaksi mengalami serangkain perubahan ikatan kimia dengan

reaktan selama proses. Jadi katalis bukan tidak terlibat dalam reaksi tetapi terlibat dalam

reaksi, namun dikembalikan lagi ke bentuknya semula.


2/24

Dua penemuan yang dipandang penting dalam pengembangan teknologi katalis

adalah penemuan reaksi hidrogenasi katalitik Paul Sabatier dan sintesis ammonia oleh

Fritz Haber. Keduanya dikembangkan berdasarkan prinsip kesetimbangan kimia yang

dikembangkan oleh Jacobus vant Hoff dan persamaan Arrhenius. Pada aplikasinya,

menggunakan suatu katalisator memberikan keuntungan berlipat untuk industry dan

lingkungan. Didalam industri, katalis berperan tidak hanya untuk mempercepat

pembentukan produk namun juga menghasilkan selektivitas yang tinggi untuk satu jenis

produk tertentu . Dalam bidang lingkungan katalis dikembangkan dalam system reduksi

dan pengendalian polutan, bakteri pathogen dan sistem sanitasi


3/24

Prinsip dasar dari peranan suatu katalis dalam reaksi kimia adalah meningkatkan

laju sebuah reaksi melalui penurunan energi pengaktifan reaksi.

Melalui penurunan energy pengaktifan (Ea) rektan dapat melampaui dengan lebih

mudah keadaan pembentukan intermediate atau keadaan transisi untuk pembentukan

produk. Secara distribusi Maxwell, reaksi terkatalisis memiliki energy kinetik ambang

lebih rendah dibandingkan dengan keadaan tidak terkatalisis sehingga energi molekul

reaktan lebih mudah melampauinya.


4/24

Katalis dapat memiliki fase gas, cairan, atau padatan dan yang paling popular

didalam industri adalah yang berada dalam fasa cairan atau padatan, dimana aktivitas

permukaan adalah yang dibutuhkan untuk kepentingan kemudaha memisahkannya

dengan produk. Secara mendasar, katalis dapat dibedakan menurut fasanya, jenis

reaksinya serta macam macam mekanisme spesifiknya. Menurut fasanya, katalis dapat

dibagi menjadi dua jenis yaitu :

1. KATALIS HOMOGEN

Katalis yang memiliki fasa sama dengan reaktan yang katalisnya. Sebagai contoh

pada reaksi esterifikasi etil asetat, digunakan katalis HCL larutan. Oleh karena

reaktan ( asam asetat ) dan etanol memiliki fasa larutan HCL, maka HCL disebut

sebagai katalasi homogen

2. KATALIS HETEROGEN

Katalis yang memiliki fasa berbeda dengan reaktan yang dikatalisis, kebanyakan

untuk katalis ini ada pada industry besar seperti industry minyak bumi yang

menggunakan katalis silica alumina berfasa padatan untuk mengkonversi minyak

mentah yang diuapkan ( fasa gas ). Oleh karena fasa katalis berbeda dengan

reaktannya maka silica dalam alumina dalam reaksi ini disebut sebagai katalis

heterogen.

Dua fasa yang berbeda pada kedua jenis katalis umumnya berefek pada mekanisme reaksi

yang berbeda. Sebagai contoh, reaksi oksidasi TI+ oleh Ce

+berlangsung dengan

penambahan ion Mn2+

:

2Ce4+

+ TI+

2Ce3+

+ TI2+

2Ce

3+

+ Mn

2+

2Ce

3+

+ Mn

3+

2Ce4+

+ Mn3+

2Ce3+

+ Mn4+

Mn4+

+ TI+

Mn2+

+ TI2+


5/24

Mekanisme reaksi menunjukan keterlibatan ion Mn2+

dalam setiap tahap reaksi dan

dikembalikan pada bentuk semula pada akhir reaksi. Oleh karena Mn berada pada fase

yang sama dengan reaktan ( TI+

oleh Ce4+

) maka Mn disebut sebagai katalis homogen.

B.

KATALIS HOMOGEN

Dalam suatu reaksi kimia, katalis homogen berfungsi sebagai zat perantara. Serta

dalam katalis homogen, reaktan dan katalis terdispersi dalam satu fasa, biasanya cair.

Sehingga sulit memisahkan katalis dari sistem reaksinya karena katalis larut dalam

campuran. Pemisahan tidak cukup dilakukan dengan penyaringan atau dekantasi. Teknik

yang umum digunakan adalah destilasi atau ekstraksi produk dari campuran, misalnya

katalis asam basa pada reaksi esterifikasi biodisel dipisahkan dengan ekstraksi untuk

kemudian campuran sisa reaktan- katalis yang tertinggal dialirkan lagi menuju bejana

reaksi, sehingga bisa terpisah atau mengendap setelah reaksi selesai. Katalis ini

mempunyai kesamaan phase dengan reaktan dan persentuhannnya tak mempengaruhi

laju reaksi, keaddaan yang demikian disebut katalis homogen. Katalis homogen juga

dapat terjadi dalam fase gas. Sebagai contoh terkenal reaksi katalis fase gas adalah

proseslead chamber, yang selama bertahun-tahun merupakan proses utama untuk

pembuatan asam sulfat.

1. KATALIS HOMOGEN PADA FASA GAS

Contoh sederhana yang dapat digunakan untuk menggambarkan katalis homogeny

pada fasa gas adalah reaksi oksida sulfur dioksida menjadi sulfur trioksida dengan adanya

oksigen. Reaksi berlangsung lambat jika terjadi melalui persamaan berikut :

2SO2 (g)+ O2 (g)

2SO3 (g) (lambat)

Namun oleh karena kehadiran NO, reaksi berlangsung dalam dua tahap dan berlangsung

lebih cepat


6/24

Reaksi dengan katalis NO :

NO + O2NO

2(cepat)

NO2+ 2SO

22SO

3+ 2NO (cepat)

------------------------------ +

2SO2+ O

22SO

3(cepat)

Gas NO mudah bereaksi dengan O2menjadi NO

2 yang merupakan sumber O

2bagi

SO2untuk membentuk SO

3dan NO kembali ,sehingga gas NO diperoleh kembali dalam

jumlah yang sama.

Reaksi yang berlangsung dalam proses bimolekuler berlangsung dengan energi rendah,sedangkan melalui kehadiran NO yang dalam kesetimbangannya berada bersama dengan

N2O4akan membentuk intermediate sehingga NO dapat diregenerasi kembali.

Secara skematik reaksi dapat di representasikan dengan tahapan berikut :

(Tanpa Katalis ) A +Blambat

Produk

( Dengan Katalis)

A + Clambat

X

( X + B ) X + B lambat produk = C

Dengan C adalah katalis dan X adalah intermedietnya. Persamaan laju reaksinya dapat

dinyatakan sebagai

Laju = K1 [ A ] [ B ]

Contoh lain jenis reaksi terkatalisis homogen dalam fasa gas adalah kehadiran iodindalam reaksi organik fasa gas. Pada kebanyakan reaksi yang berlangsung pada

temperature tinggi, reaksi dihadapkan pada dekomposisi molekul oleh pembentukan

radikal dari proses pemutusan homolitik yang dipicu kenaikan temperatur. Keberadaan

iodin adalah menstabilkan molekul melalui penangkapan radikal.


7/24

Sebagai contoh, pada reaksi berikut :

CH3CHO H + CO

CH3 ( atau H ) CH3CHO CH4 ( atau H2 ) + CH3 + CO

Metil radikal terbentuk, dan menghasilkan karbon dioksida. Oleh keberadaan iodin,

terjadi penangkapan radikal melalui mekanisme berikut :

I2 2 I

I + CH3CHO HI + CH3+ CO

CH3 + I2 CH3I + I

CH3 + HI CH4 + I

Akhir reaksi :

CH3I + HI CH4+ I2

Lajur reaksi meningkat hingga ribuan kali dibandingkan dengan kondisi tanpa iodin, dan

pengaruh iodin dalam kinetika dapat dirumuskan dalam persamaan laju reaksi :

Laju = k [CH3CHO] [I2]

Kerusakan ozon atmosfer

Ini adalah contoh yang baik katalisis homogen dimana semuanya hadir sebagai gas.

Ozon, O 3,terus-menerus terbentuk dan dipecah lagi dalam suasana tinggi oleh aksi sinar

ultraviolet. Molekul oksigen biasa menyerap sinar ultraviolet dan istirahat menjadi atom

oksigen individu. Ini memiliki elektron tidak berpasangan, dan dikenal sebagai radikal

bebas.Mereka sangat reaktif.


8/24

Radikal oksigen kemudian dapat menggabungkan dengan molekul oksigen biasa untuk

membuat ozon.

Ozon juga dapat dibagi lagi menjadi oksigen biasa dan oksigen radikal dengan menyerap

sinar ultraviolet.

Ini pembentukan dan putus ozon yang terjadi sepanjang waktu. Secara keseluruhan,

reaksi menghentikan banyak radiasi ultraviolet yang berbahaya menembus atmosfer

untuk mencapai permukaan Bumi.

Reaksi katalitik kita tertarik menghancurkan ozon dan berhenti itu menyerap UV dengan

cara ini.

Chlorofluorocarbon (CFC) seperti CF 2 Cl 2, misalnya, digunakan secara luas dalam

aerosol dan sebagai refrigeran. Rincian lambat mereka di atmosfer menghasilkan atom

klorin - radikal bebas klorin. Ini mengkatalisis penghancuran ozon.

Hal ini terjadi dalam dua tahap. Pada bagian pertama, ozon rusak dan bebas baru yang

radikal dihasilkan.

Katalis radikal klorin dibuat ulang oleh reaksi kedua. Hal ini dapat terjadi dengan dua

cara tergantung pada apakah radikal CLO hits molekul ozon atau oksigen radikal.

Jika hits oksigen radikal (dihasilkan dari salah satu reaksi kita telah melihat sebelumnya):


9/24

Atau jika hits molekul ozon:

Karena radikal klorin yang terus diperbaharui, masing-masing dapat merusak ribuan

molekul ozon.

Beberapa keuntungan katalisis homogen dibandingkan katalisis heterogen adalah:

1. Reaksi sering dapat dilakukan dalam udara terbuka, sehingga mengurangi

biaya produksi dan meminimalkan dekomposisi produk suhu tinggi.

2. Katalis homogen seringkali dapat dirancang untuk berfungsi selektif terhadap

reaksi jenis tertentu.

3.

Biaya untuk katalis homogen lebih rendah daripada logam mulia (seperti,

platinum dan emas) yang digunakan dalam katalisis heterogen.

C. KATALIS HETEROGEN

1. Pengertian Katalis Heterogen

Katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fasa yang berbeda dengan

reaktannya atau dapat didefinisikan bahwa katalis heterogen merupakan katalis yang

fasanya tidak sama dengan reaktan dan produk. Katalis heterogen secara umum

berbentuk padat dan banyak digunakan pada reaktan berwujud cair atau gas.

Penggunaan katalis heterogen biasanya pada suhu dan tekanan tinggu. Umumnya

katalis heterogen berupa zat padat yang terdiri dari logam atau oksida logam.

Keuntungan penggunaan katalis heterogen adalah katalisnya dapat

dipisahkan dengan penyaringan dari produk bila reaksi telah selesai. Banyak proses

industry yang menggunakan katalis heterogen, sehingga proses dapat berlangsung lebih

cepat dan biaya produksi dapat dikurangi.


10/24

2. Cara Kerja Katalis Heterogen.

Katalis dapat bekerja dengan membentuk senyawa antara atau

mengabsorpsi zat yang direaksikan. Sehingga katalis dapat meningkatkan laju reaksi,

sementara katalis itu sendiri tidak mengalami perubahan kimia secara permanen.

Cara kerjanya yaitu dengan menempel pada bagian substrat tertentu dan pada akhirnya

dapat menurunkan energi pengaktifan dari reaksi, sehingga reaksi berlangsung dengan

cepat. Ada dua macam katalis, yaitu katalis positif (katalisator) yang berfungsi

mempercepat reaksi, dan katalis negatif (inhibitor) yang berfungsi memperlambat

laju reaksi. Katalis positif berperan menurunkan energi pengaktifan, dan membuat

orientasi molekul sesuai untuk terjadinya tumbukan. Akibatnya molekul gas yang

teradsorpsi pada permukaan logam ini menjadi lebih reaktif daripada molekul gas

yang tidak terabsorbsi. Prinsip ini adalah kerja dari katalis heterogen, yang banyak

dimanfaatkan untuk mengkatalisis reaksi-reaksi gas. Cara kerja katalis heterogen secara

umum :Satu atau lebih reaktan teradsorpsike permukaan katalis pada situs akti f.Sebuah

serapan d mana sesuatu menempel pada permukaan. Hal ini tidak sama dengan

penyerapan b di mana satu zat diambil dalam struktur lain. Hati-hati!

Sebuah situs aktif adalah bagian dari permukaan yang sangat baik menyerap hal-hal dan

membantu mereka untuk bereaksi. Ada semacam interaksi antara permukaan katalis dan

molekul-molekul reaktan yang membuat mereka lebih reaktif. Ini mungkin melibatkan

reaksi yang sebenarnya dengan permukaan, atau melemahnya ikatan dalam molekul.

Reaksi terjadi.

Pada tahap ini, baik dari molekul reaktan mungkin melekat pada permukaan, atau

seseorang mungkin harus terpasang dan terkena yang lain bergerak bebas dalam gas atau

cair.

Molekul-molekul produk yang desorbed.

Desorpsi hanya berarti bahwa molekul produk melepaskan diri. Ini meninggalkan situs

aktif tersedia untuk satu set baru molekul untuk menempel dan bereaksi.


11/24

Karakter utama dari katalis heterogen dicirikan melalui parameter :

1. Aktifitas

2. Selektifitas

3.

Stabilitas dan perilaku deaktivasinya

Aktivitas adalah ukuran seberapa cepat suatu reaksi berlangsung oleh adanya

penambahan katalis. Secara kinetika, aktivitas dapat ditentukan dengan pengukuran laju

reaksi (r) per satuan volume atau massa katalis dengan

r =

(mol.L

-1.jam

-1atau mol.kg

-1.jam

-1)

Ukuran lain yang dapat digunakan untuk menggambarkan aktivitas suatu katalis

adalah jumlah Turn Over Number (TON). Definisi TON sebenarnya berasal dari bidang

katalisis enzimatik dan umumnya lebih mudah diperoleh dari suatu system katalis

homogen atau katalisis dalam system larutan. Definisi dari TON adalah jumlah

maksimum molekul substrat (reaktan) yang dapat terkonversi per situs aktif katalis per

unit waktu. Dalam kasus katalis homogen, dimana baik didefinisikan molekul katalis

umumnya hadir dalam larutan, TON dapat langsung ditentukan. Hal ini karena dalam

katalis homogen kita dapat menganggap bahwa setiap molekul katalis berfungsi aktif

dalam proses katalisis. Sebaliknya untuk katalis heterogen hal ini menjadi sangat

tergantung pada banyak faktor yang membuat definisi situs aktif tidak seragam untuk

setiap sisi permukaan katalis. Untuk dapat menggunakan definisi tersebut, jumlah pusat

aktif per satuan massa atau volume katalis dapat ditentukan secara tidak langsung

melalui eksperimen kemisorpsi, misalnya penentuan kekuatan keasaman permukaan

untuk katalis asam padat.

Oleh karena kesulitan penentuan TON, aktivitas katalis heterogen sering diukur dari

berbagai parameter:

Konversi pada kondisi reaksi yang konstan

Space Time Yield (STY)

Pace Velocity pada konvesi konstan, dan

Temperature yang diperlukan untuk mencapai nilai konversi tertentu


12/24

Nilai konversi (Xo) didefinisikan sebagai fungsi dari perubahan konsentrasi reaktan

dibandingkan dengan konsentrasi mulamula :

Xo =

Untuk kondisi yang sama dari dua katalis yang diuji, konversi yang lebih besarmenunjukkan aktivitas yang lebih besar dari suatu katalis. Selanjutnya, jika konversi

tertentu ditentukan untuk membandingkan dua jenis katalis dapat dilakukan pengukuran

space velocity yaitu laju alir mula mula reaktan terhadap massa katalis. Jika laju alir

yang dibutuhkan untuk mencapai konversi tertentu adalah lebih besar maka aktivitas

katalis juga lebih besar. Kontak antara reaktan dengan permukaan katalis dapat dilalui

dengan cepat untuk membentuk produk.

Parameter STY selain digunakan untuk menguji secara kuantitatif aktivitas katalis

juga dapat digunakan untuk mempelajari performace dari reactor. Definisi matematis

dari STY adalah:

STY = (produk yang dikehendaki/ massa atau volume katalis) x 100 %

Selektifitas reaksi adalah bagian dari reaktan yang dikonversi untuk membentuk produk

yang diinginkan P. Selektivitas dinyatakan dengan rasio dari jumlah produk yang

diinginkan terhadap reaktan yang terkonversi dari sebuah reaksi.

pAA

Ap

AAA

pp

pvnn

vn

vnn

vn

s /)(/)(

/

0,0,

Secara sederhana, reaksi terkatalisis heterogen berupa padatan melibatkan interaksi

antara reaktan dengan permukaan. (i) pada tahap pertama terjadi adsorpsi reaktan

terhadap permukaan padatan (ii) dilanjutkan dengan reaksi permukaan dan menghsilkan

produk pada permukaan, serta (iii) desorpsi produk dari permukaan padatan.

3. Contoh Katalis Heterogen

Umumnya katalis heterogen berupa zat padat yang terdiri dari logam atau oksida logam.

Contoh-contoh dari katalis heterogen adalah zeolit, CaO, MgO, platina dan resin penukar

ion. Katalisis heterogen sejauh ini adalah jenis katalisis yang paling penting dalam kimia

industri. Suatu katalis yang baik perlu menyerap molekul reaktan cukup kuat bagi


13/24

mereka untuk bereaksi, tapi tidak begitu kuat bahwa molekul produk tetap lebih atau

kurang secara permanen ke permukaan. .

Contoh katalisis heterogen

Hidrogenasi i katan karbon-karbon rangkap

Contoh paling sederhana dari hal ini adalah reaksi antara etena dan hidrogen dengan

adanya katalis nikel.

Salah satu penggunaan industri yang penting adalah dalam hidrogenasi minyak nabati

untuk membuat margarin, yang juga melibatkan reaksi ikatan karbon-karbon rangkap

dalam minyak nabati dengan hidrogen dengan adanya katalis nikel.

Molekul etena yang teradsorpsi pada permukaan nikel.

Molekul Hidrogen juga teradsorpsi ke permukaan nikel. Ketika ini terjadi, molekul

hidrogen dipecah menjadi atom. Ini dapat bergerak pada permukaan nikel.

Jika atom hidrogen berdifusi dekat dengan salah satu atom karbon terikat, ikatan antara

karbon dan nikel ini diganti dengan satu ikatan antara karbon dan hydrogen. Hal yang

sama akan terjadi di ujung lain.


14/24

4. Peranan Katalis Heterogen

Katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fasa yang berbeda dengan

reaktannya. Salah satu peranan katalis heterogen adalah Al2O3sebagai katalis converter

gas buang pada kendaraan bermotor. Jenis katalis heterogen yang berfungsi disini adalah

Catalytic converter yang merupakan alat yang digunakan sebagai kontrol emisi gas

buang yang diletakkan setelah exhaust manifold pada sistem pembuangan kendaraaan

bermotor . Katalis automotive (converter) ini pertama kali didesain pada tahun 1975 di

US yang bertujuan untuk mengurangi polusi udara dengan cara mengkonversi gas

karbonmonoksida (CO), nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) yang merupakan

gas buang dari reaksi pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna pada kendaraan

bermotor. Katalis heterogen penting juga dalam industry minyak. Salah satu terapanyang menarik adalah produksi bahan bakar cair sintesis seperti bensin dari minyak diesel

dengan cara reaksi hidrogen, H2 dengan karbon monoksida, CO. Dengan suatu katalis

logam yang tepat seperti nikel atau kobalt, karbon monoksida akan bereaksi dengan

hidrogen untuk menghasilkan air dan hidrokarbon.

5. Keuntungan Katalis Heterogen

Keuntungan dari katalis heterogen adalah ramah lingkungan, tidak bersifat korosif,

mudah dipisahkan dari produk dengan cara filtrasi, serta dapat digunakan berulangkali

dalam jangka waktu yang lama. Selain itu, katalis heterogen meningkatkan kemurnian

hasil karena reaksi samping dapat dieliminasi. Keuntungan lain penggunaan katalis

heterogen adalah katalisnya dapat dipisahkan dengan penyaringan dari produk bila

reaksi telah selesai. Banyak proses industri yang menggunakan katalis heterogen,


15/24

sehingga proses dapat berlangsung lebih cepat dan biaya produksi dapat dikurangi.

Beberapa logam ada yang dapat mengikat cukup banyak molekul-molekul gas pada

permukannya, misalnya Ni, Pt, Pd dan V. Gaya tarik menarik antara atom logam

dengan molekul gas dapat memperlemah ikatan kovalen pada molekul gas, dan

bahkan dapat memutuskan ikatan itu.

D. FOTOKATALIS

Fotokatalis adalah katalis yang bekerja dengan bantuan foton atau sinar. Fotokatalis

banyak dimanfaatkan pengolahan limbah organik melalui teknologi fotooksida yakni

oksidasi dengan bantuan fotokatalis. Teknologi fotooksidasi senyawa organik saat ini

banyak dikembangkan dengan beberapa alasan antara lain prosesnya relatif murah karena

dapat memanfaatkan sinar matahari, relatif aman karena oksidasi menghasilkan CO2dan

H2O serta mineralisasi senyawa organik yang dapat dilepaskan langsung ke lingkungan

serta tidak memerlukan regenerasi dalam waktu yang singkat. Fotooksidasi senyawa

organik adalah proses oksidasi senyawa organik dengan bantuan suatu fotokatalis yang

bekerja ketika dikenai suatu foton atau sumber cahaya. Teknik ini dikembangkan

didasarkan pada prinsip fotoelektrik suatu material semikonduktor yang bersifat

fotokatalis. Jika seberkas foton dikenakan pada permukaan material fotokatalis, struktur

elektronik material akan mengalami perubahan dimana elektron pada pita valensi akan

mengalami eksitasi ke pita konduksi dan meninggalkan holebermuatan positif. Jikahole

berinteraksi dengan solven, akan dihasilkan radikal yang berenergi tinggi dan dapat

mengoksidasi senyawa organik target. Skematika fotokatalis disajikan pada gambar 6.22.


16/24

Beberapa oksidasi logam fotokatalis seperti TiO2, ZnO, CeO2, -Fe2O3 dan SnO2 serta

kalkogenida seperti ZnS, CdS, dan CdSe adalah fotokatalis yang banyak yang banyak

digunakan dalam reaksi-reaksi fotoreduksi dan fotooksidasi senyawa organik. Diantara

logam-logam semikonduktor tersebut, oksidasi titanium (TiO2) merupakan material

fotokatalis dengan energi celah pita yang cukup tinggi (3,2-3,3 eV) sehingga secara

teoritis berperan efektif dalam mekanisme fotokatalis yang melibatkan oksidasi senyawa

organik pada kondisi heterogen, fotooksidasi senyawa organik adalah proses oksidasi

senyawa organik dengan bantuan suatu fotokatalis yang bekerja ketika dikenai suatu

foton atau sumber cahaya. Teknik ini dikembangkan didasarkan pada prinsip fotoelektrik

suatu material semikonduktor yang bersifat fotokatalis. Pemanfaatan sifat semikonduktor

sebagai bahan elektroda fotokatalis pertama kali dikemukakan oleh Fujisima dan Honda

pada tahun 1972. Pada perkembangan selanjutnya, fotokatalis dimanfaatkan dalam

beberapa bidang antara lain dalam bidang lingkungan terutama untuk proses degradasi

senyawa organik dan detoksifikasi bakteri.

TiO2banyak dilaporkan efektif sebagai fotokatalis untuk kepentingan ini.

Prinsip mekanisme yang berlangsung adalah jika material fotokatalis dikenai suatu foton

dengan energi sebesar hv yang sesuai dengan energi celah pita (band gap energy), maka


17/24

akan terjadi eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi disertai pembentukan hole

pada permukaan fotokatalis. Permukaan ini akan bersifat aktif redoks dan dapat

mengoksidasi substrat organik sehingga menghasilkan radikal dari senyawa organik.

Selain itu, permukaan aktif dapat berinteraksi dengan pelarut (misal: H2O) sehingga

menghasilkan radikal OH(persamaan 1-4)

TiO2+ hv TiO2 (e-+ h

+) (1)

TiO2(h+) + RXads TiO2 + RXad

+ (2)

TiO2(h+) + H2Oads TiO2 +

HOad

++ H

+(3)

TiO2(h+) +

-OHads TiO2 +

HOad (4)

Elektron yang tereksitasi dari pita valensi dapat kembali lagi dan mereduksi O 2

membentuk radikal superoksida O2(persamaan 5-8)

TiO2(e-) + O2 TiO2+ O2

-(5)

O2-+ H

+HO

2

- (6)

O2-+ HO

2

- O2+ H2O2 (7)

TiO2(e-) + H2O2 TiO2+ OH + OH (8)

Radikal yang terbentuk (OH, RX

) akan bersifat aktif dan mengoksidasi senyawa organik

dalam sistem fotokatalis. Dalam hal ini jika sistem yang digunakan adalah sistem limbah

organik, maka proses destruksi dapat terjadi sehingga oksidasi berlanjut dapat

mendegradasi senyawa organik. Aktivitas TiO2 ditentukan oleh sifat luas permukaan

spesifik, sorptivitas serta jenis fasa kristalinnya. Terdapat dua jenis kristal TiO2 yaitu

anatase dan rutile. Anatase memiliki aktifitas fotokatalik lebih besar dibandingkan rutile

oleh karena energi celah pita yang lebih besar dari anatase (3,2-3,25 eV) dibandingkan

rutile (3,0-3,15 eV). Namun demikian pada perkembangan selanjutnya kombinasi anatase

dan rutile pada komposisi tertentu memberikan aktivitas.

E. KATALIS TRANSFER FASA

Katalis transfer fasa adalah katalis yang dapat bekerja pada dua fasa pelarut yang berbeda

kepolarannya. Katalis transfer fasa sangat berguna untuk meningkatkan evisiensi dalam

industri kimia, meningkatkan keamanan dan menurunkan dampak terhadap lingkungan.


18/24

Metode kerja katalis transfer fasa meliputi katalisis terhadap reaksi suatu substrat( terlarut

dalam lapisan organik) dan suatu reagen anionik (sering kali berupa nukleofilik) yang

terlarut dalam lapisan air. Substrat dan anion dapat bereaksi karena katalis dapat

membawa anion kedalam fasa organik.

Contoh reaksi:

(n-C4H9)4N + Cl-+ CN

-(n-C4H9)4N

+CN

-+ Cl

-

CH3(CH2)7Cl +(n-C4H9)4N+

CN-

CH3(CH2)7CN + (C4H9)N+Cl

-

Dalam contoh diatas tetrabutil amonium klorida merupakan katalis transfer fasa dalam

reaksi sianida dan klorooktana. Klorooktana adalh reaktan (substrat) yang dapat larut

dalam fasa organik karena bersifat non-polar sebaliknya sianida merupakan anion tak

larut dalam fase organik. Dengan pembentukan kompleks antara katalis dan sianida yang

dapat larut dalam fasa organik, reaksi dapat berlangsung.

Beberapa reaksi yang dikatalisis dengan KTF:

Reaksi substitusi nukleofilik seperti halogenasi dan sianasi

Alkilasi dan eaksi kondensasi

Oksidasi reduksi Reaksi eliminasi

Reaksi wittig dan wittig-horner

Pada umumnya, KTF adalah garam amonium kuartener dan fosfonium yang memiliki

kemampuan terlarut kedalam dua fasa: fasa organik dan fasa air.

F. KATALIS ENZIM

Enzim adalah makromolekul dengan berat molekul antara 104 10

5 gram/mol.

Fungsi suatu enzim ialah sebagai katalis untuk proses biokimia yang terjadi dalam sel

maupun diluar sel. Suatu enzim dapat mempercepat reaksi 10810

11kali lebih cepat dari

pada apabila reaksi tersebut dilakukan tanpa katalis. Semua enzim mengandung protein,

dan beberapa enzim memiliki bagian yang bukan enzim. Bagian yang merupakan protein

sering disebut dengan apoenzim dan bagian yang bukan protein disebut koenzim atau


19/24

group prostetik. Beberapa enzim bekerja pada substansi tunggal disebut substrat. Substrat

itu sendiri adalah senyawa yang bereaksi dengan penambahan bantuan enzim. Sebagai

contoh enzim yang menguraikan urea ( substrat ) dinamakan enzim urease, enzim

hidrolase adalah kelompok enzim yang mempunyai fungsi sebagai katalis dalam reaksi

hidrolisis. Suatu enzim bekerja secara khas terhadap suatu substrat tertentu. Kekhasan

inilah yang menjadi ciri suatu enzim. Kekhasan terhadap suatu reaksi disebut kekhasan

reaksi.

Seperti juga katalis lainnya, maka enzim dapat menurunkan energi aktivasi suatu

reaksi kimia. Dengan adanya katalis atau enzim, harga energi aktivasi diperkecil atau

diturunkan. Dengan demikian akan dapat memudahkan atau mempercepat terjadinya

suatu reaksi.

Telah dijelaskan bahwa suatu enzim mempunyai kekhasan yaitu hanya bekerja

pada satu reaksi saja. Untuk dapat bekerja terhadap terhadap suatu zat atau substrat harus

ada hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat. Suatu enzim mempunyai ukuran

yang lebih besar daripada substrat. Oleh karena itu tidak seluruh bagian enzim dapat

berhubungan dengan substrat. Hubungan antara substrat dengan enzim yang mengadakan

hubungan atau kontak dengan substrat dinamai bagian aktif ( active site ). Hubungan

hanya mungkin terjadi apabila bagian aktif mempunyai ruang yang tepat dapat

menampung substrat. Apabila substrat mempunyai bentuk atau konformasi lain, maka

tidak dapat ditampung pada bagian aktif suatu enzim. Dalam hal ini enzim itu tidak dapat

berfungsi terhadap susbstrat. Hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat

menyebabkan terjadinya kompleks enzim substrat. Kompleks ini merupakan kompleks

yang aktif, yang bersifat sementara dan akan terurai lagi apabila reaksi yang diinginkan

telah terjadi. Enzim bekerja dengan spesifik, baik jenis reaksi maupun substansi reaksi

yang dikatalisis, jika digambarkan dengan model, mekanisme reaksi enzimatik

merupakan reaksi dengan mekanisme kunci dan gembok .


20/24

Mekanisme Reaksi Enzimatik

Mekanisme paling sederhana dalam reaksi menggunakan katalis enzim adalah

mekanisme yang diusulkan L. Michaelis dan M.L. Manten (1913). Mekanisme reaksi

enzimatik adalah melalui pembentukan kompleks antara Enzim ( E ) dengan substrat ( S )

, ( ES ) melalui reaksi yang reversible dan pada akhirnya kompleks membentuk produk

dan pelepasan kembali enzim.

Sebagai contoh suatu percobaan hidrolisis sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa oleh

enzim, ternyata bahwa pada konsentrasi sukrosa rendah, kecepatan reakasi tergantung

pada konsentrasi sukrosa. Namun pada konsentrasi tinggi, kecepatan reaksinya tidak lagitergantung pada konsentrasi sukrosa. Jadi pada konsentrasi tinggi, kecepatan reaksi tidak

dipengaruhi lagi oleh pertambahan konsentrasi. Ini menunjukan bahwa enzim seolah

olah telah jenuh dengan substrat, artinya tidak dapat lagi menampung substrat. Untuk

menerangkan keadaan ini Leonor Michaelis dan Maude Menten pada tahun 1913

mengajukan suatu hipotesis bahwa dalam reaksi enzim terjadi terlebih dahulu kompleks


21/24

enzimsubstrat tersebut yang kemudian menghasilkan hasil reaksi dan enzim kembali

Secara sederhana hipotesis Michaelis dan Menten itu dapat dituliskan sebagai berikut :

Enzim ( E ) + Substrat ( S ) Kompleks enzimsubstrat ( ES )

Enzim ( E ) + Hasil reaksi ( P )

Michaelis dan Menten berkesimpulan bahwa kecepatan reaksi tergantung pada

konsentrasi kompleks enzimsubstrat [ ES ], sebab apabila tergantung pada konsentrasi

substrat [ S ], maka penambahan konsentrasi substrat akan menghasilkan pertambahan

kecepatan reaksi yang apabila digambarkan akan merupakan garis lurus. Jadi secara

umum reaksi dengan enzim dituliskan sebagai berikut :

E + SK 1

ESK 2

produk + E

K1

k1, k-1dan k2 masing masing ialah tetapan kecepatan reaksi pembentukan kompleks ES,

tetapan ( konstanta ) kecepatan reaksi pembentukan kembali E dan S, dan tetapan (

konstanta ) kecepatan reaksi penguraian kompleks ES menjadi enzim dan hasil reaksi.


22/24

Kecepatan reaksi pembentukan kompleks ES ialah :

v1= k1[ E ] [ S ]

v1= k1( [ E0 ][ES] ) [S] (1)

[ E0 ] = konsentrasi enzim total

[ E0 ][ES] menyatakan konsentrasi enzim yang masih bebas dan [S] ialah konsentrasi

substrat. Kecepatan penguraian kompleks ES menjadi E dan S kembali adalah

v-1 = k-1[ES] (2)

Sedangkan kecepatan penguraian ES menjadi E dan P ialah

v2 = k2 [ES] (3)

jadi kecepatan penguraian ES ialah

v-1 + v2 = k-1[ES] + k2 [ES] (4)

dalam keadaan kesetimbangan maka kecepatan pembentukan ES sama dengan kecepatan

penguraian ES. Jadi :

k1( [ E0 ][ES] ) [S] = k-1[ES] + k2 [ES] (5)

atau k-1[ES] + k2 [ES] = (k-1 + k2) [ES] (6)

Sehingga :

( [ E0 ][ES] ) [S] k-1 + k2 km (7)

[ES] k-1

km ialah konstanta Michaelis dan Menten

dari persamaan (7) dapat diperoleh konsentrasi kompleks enzim substrat sebagai berikut :

[ES] = ( [ E0 ][ES] ) [S] (8)


23/24

Km + [S]

Kecepatan permulaan terjadinya hasil reaksi sebanding dengan konsentrasi ES atau :

v = k2[ES] (9)

Apabila konsentrasi substrat sangat besar sehingga semua enzim membentuk kompleks

enzim substrat, maka kecepatan reaksi ialah maksimal dan dapat dinyatakan sebagai

berikut :

vmaks = k2 [E0] (10)

Harga [ES] dalam persamaan (8) dimasukan ke dalam persamaan (9), maka diperoleh :

v = k3 [][][]

(11)

Dengan jalan memasukan persamaan (10) kedalam persamaan (1) maka diperoleh :

v = []

[] (12)

persamaan diatas disebut persamaan MichaelisMenten.

Laju reaksi sebagai fungsi konsentrasi substrat ditampilkan pada grafik berikut


24/24

Dari gambar tersebut dapat terlihat bahwa suatu reaksi enzimatik memiliki laju reaksi

maksiumum tertentu. Laju reaksi maksimal dapat dirumuskan sebagai :

vmax = K2E0

Laju reaksi maksimal dapat diturunkan dari laju reaksi sebagai konsentrasi substrat

dengan persamaan :

=

+

[]

Katalis Fix Baru

Documents

Transcript of Katalis Fix Baru