Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB -1/12- MODUL 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair I. Pendahuluan Rekayasa kimia atau chemical engineering adalah ilmu teknik tentang proses- proses dan sarana-sarana pemroses yang mengubah keadaan, kandungan energi, dan/atau komposisi suatu (kelompok) bahan dan menghasilkan produk yang memiliki nilai kemanfaatan lebih tinggi. Individu-individu yang mendapat pengakuan resmi sebagai orang yang menguasai dan mempraktikkan ilmu teknik ini disebut insinyur kimia atau sarjana teknik kimia. Tugas-tugas insinyur kimia yang berkenaan dengan penerapan reaksi kimia di dalam praktik/industri adalah: 1. menentukan ukuran-ukuran dan kondisi operasi reaktor kimia yang diperlukan untuk menghasilkan sejumlah tertentu produk reaksi 2. mengendalikan, mengevaluasi, dan mengoptimumkan kinerja (performance) reaktor yang beropersi di dalam pabrik. Pelaksanaan tugas-tugas tersebut membutuhkan data kinetika reaksi yang bersangkutan, yakni informasi kuantitatif tentang laju/kecepatan reaksi dan pengaruh variabel-variabel proses seperti temperatur dan konsentrasi terhadap kecepatan reaksi. Jika data kinetika reaksi itu sama sekali tidak tersedia, seorang insinyur kimia harus mampu secara mandiri menghimpunnya dan kemudian meringkaskan himpunan tersebut menjadi rumusan-rumusan kuantitatif yang siap pakai. Usaha pengumpulan dan peringkasan data kinetika reaksi disebut penentuan kinetika reaksi. Kegiatan ini umumnya berupa penelaahan eksperimental di laboratorium, karena perkembangan ilmu kinetika reaksi kimia belum mencapai taraf yang memungkinkan dilakukannya peramalan teoretik yang cukup teliti tentang kecepatan reaksi. Sesuai dengan tujuan di atas, praktikan harus terlebih dahulu menguasai: 1. asas-asas kekekalan massa dan energi serta penerapannya untuk menganalisa kelakukan reaksi eksoterm di dalam sistem tertutup 2. asas-asas dasar kinetika reaksi homogen

description

kinetika

Transcript of Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Page 1: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/12-

MODUL 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair

I. Pendahuluan

Rekayasa kimia atau chemical engineering adalah ilmu teknik tentang proses-

proses dan sarana-sarana pemroses yang mengubah keadaan, kandungan energi, dan/atau

komposisi suatu (kelompok) bahan dan menghasilkan produk yang memiliki nilai

kemanfaatan lebih tinggi. Individu-individu yang mendapat pengakuan resmi sebagai

orang yang menguasai dan mempraktikkan ilmu teknik ini disebut insinyur kimia atau

sarjana teknik kimia.

Tugas-tugas insinyur kimia yang berkenaan dengan penerapan reaksi kimia di

dalam praktik/industri adalah:

1. menentukan ukuran-ukuran dan kondisi operasi reaktor kimia yang diperlukan untuk

menghasilkan sejumlah tertentu produk reaksi

2. mengendalikan, mengevaluasi, dan mengoptimumkan kinerja (performance) reaktor

yang beropersi di dalam pabrik.

Pelaksanaan tugas-tugas tersebut membutuhkan data kinetika reaksi yang

bersangkutan, yakni informasi kuantitatif tentang laju/kecepatan reaksi dan pengaruh

variabel-variabel proses seperti temperatur dan konsentrasi terhadap kecepatan reaksi.

Jika data kinetika reaksi itu sama sekali tidak tersedia, seorang insinyur kimia harus

mampu secara mandiri menghimpunnya dan kemudian meringkaskan himpunan tersebut

menjadi rumusan-rumusan kuantitatif yang siap pakai.

Usaha pengumpulan dan peringkasan data kinetika reaksi disebut penentuan

kinetika reaksi. Kegiatan ini umumnya berupa penelaahan eksperimental di laboratorium,

karena perkembangan ilmu kinetika reaksi kimia belum mencapai taraf yang

memungkinkan dilakukannya peramalan teoretik yang cukup teliti tentang kecepatan

reaksi.

Sesuai dengan tujuan di atas, praktikan harus terlebih dahulu menguasai:

1. asas-asas kekekalan massa dan energi serta penerapannya untuk menganalisa

kelakukan reaksi eksoterm di dalam sistem tertutup

2. asas-asas dasar kinetika reaksi homogen

Page 2: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 2 dari 12

II. Tujuan

Praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair dilakukan dengan tujuan:

1. Mempelajari salah satu metoda eksperimen untuk menentukan kinetika reaksi

homogen fasa cair, khususnya antara H2O2 dan Na2S2O3, di dalam reaktor batch.

2. Memperkenalkan salah satu penafsiran data kinetika reaksi

III. Sasaran

Sasaran praktikum ini adalah penurunan korelasi persamaan kinetika reaksi fasa

cair dan menetukan parameter-parameter reaksi homogen

IV. Tinjauan Pustaka

IV.1 Tinjauan Kinetika Reaksi Umum

Kinetika reaksi adalah ilmu yang mempelajari kecepatan reaksi kimia serta

faktor-faktor (diantaranya konsentrasi, tekanan, temperatur, katalis, dan sebagainya) yang

mempengaruhi laju reaksi tersebut. Salah satu cara penentuan kinetika reaksi adlaah

melalui pengukuran konsentrasi selama reaksi berlangsung.

Pada percobaan dilakukan reaksi antara H2O2 dan Na2S2O3 yang merupakan

reaksi eksoterm fasa cair. Reaksi tersebut berlangsung cepat, sehingga pengukuran

konsentrasi menjadi sulit. Untuk itu, dilakukan pengukuran temperatur sistem selama

reaksi berlangsung.

Bentuk persamaan kinetika pengikuti power low sebagai berikut: b

Ba

AA .Ck.Cr =− (1)

dimana

−=

RTEaA.expk (2) .

Reaksi antara H2O2 dan Na2S2O3 dapat melalui berbagai jalur, bergantung pada

perbandingan stoikiometri (β). Setelah diketahui berapa harga β dapat ditentukan pula

besarnya kalor reaksi, energi aktivasi, dan faktor frekuensi (A) dengan menggunakan

neraca energi, yaitu:

Page 3: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 3 dari 12

[laju energi terakumulasi] = [laju energi masuk] – [laju energi keluar] +

[laju energi yang dihasilkan]

Dengan asumsi reaktor adiabatik, maka Q, laju masuk, dan laju keluar =0, sehingga:

( )dtdC∆Hr.v.

dtdT.m.Cp sistem = (3)

Dengan pendekatan dT = ∆T, maka kalor reaksinya:

322

sistemsistem

OSNa molT.(m.Cp)

Cv.T.(m.Cp)

vdtdT(m.Cp).

∆Hr ∆=

∆∆

== (4)

Untuk menentukan energi aktivasi dan faktor frekuensi (A) dilakukan penggabungan

antara persamaan laju reaksi dan persamaan neraca energi:

1. Persamaan laju reaksi (diasumsikan reaksi berorde 1 terhdap masing-masing

komponen)

.βk.C.Ck.Cdt

dCAr 2ABAA ==−=− (5)

dimana

A

B

CC

β = (6)

2. Neraca energi

( )dt

dC∆Hr.v.dtdT.m.Cp A

sistem = (7)

Dengan mensubstitusi dCA/dt pada persamaan laju reaksi ke persamaan neraca energi,

didapat:

( ) ( ) .βCRTEaA.exp ∆Hr.v..βk.C- ∆Hr.v.

dtdT.m.Cp 2

A2

Asistem

−== (8)

Dari neraca energi diperoleh definisi CA, kemudian disubstitusi dan dilinearisasi sehingga

didapat persamaan yang lebih sederhana:

∆+

−=

Hr.vβ.A.(mCp)ln

RTEa

T)2-(TadtdT

ln sistem (9)

Page 4: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 4 dari 12

IV.2 Reaksi yang Ditelaah

Masalah pokok praktikum adalah menentukan kinetika reaksi eksoterm antara

hidrogen peroksida dengan natrium tiosulfat di dalam fasa akuatik (aqueous) dengan

menggunakan reaktor batch adiabtik. Rekator adalah bejan apenyelenggara reaksi yang

tidak mempertukarkan massa maupun energi dengan lingkungannya.

Jalannya reaksi dapat diikuti dengan mengukur variasi temperatur sistem selama

reaksi berlangsung. Di atas kertas, ada tujuh jalan reaksi yang mungkin ditempuh oleh

H2O2 dan Na2S2O3 di dalam fasa akuatik:

No Reaksi β ∆H

1 2Na2S2O3 + H2O2 → Na2S4O6 + 2NaOH 0.5 -163300

2 Na2S2O3 + H2O2 → Na2S2O4 + 2 H2O 1.0 -173300

3 3Na2S2O3 + 4H2O2 → 2Na2S3O6 + 2NaOH +3H2O 1.33 -512800

4 Na2S2O3 + 4H2O2 +2NaOH→ Na2SO4 + 5H2O 4.00 -879000

5 3Na2S2O3 + 5H2O2 → 2Na2S4O6 + 2 Na2SO4 +5H2O 1.67 -432400

6 2Na2S2O3 + 4H2O2 → Na2S3O6 + 2Na2SO4 +4H2O 2.00 -596500

7 4NaOH + Na2S3O6 + 4H2O2 → 3Na2SO4 +6H2O

β = perbandingan stoikiometri H2O2 terhadap Na2S2O3 ∆H = perubahan entalpi yang menyertai reaksi (J/mol Na2S2O3)

Ketujuh reaksi ini merupakan reaksi-reaksi yang sangat eksoterm sehingga tanpa

tergantung pada reaksi mana yang sebenarnya terjadi, temperatur sistem adiabatik yang

mereaksikan H2O2 dan Na2S2O3 akan naik.

IV.2 Pokok-Pokok Tugas percobaan

Sekalipun uraian yang lebih rinci tentunya akan diberikan oleh instruktur

praktikum, pada garis besarnya masalah-masalah yang harus saudara telaah dan

selesaikan lewat percobaan-percobaan di dalam praktikum modul ini adalah:

1. Menentukan dari ketujuh reaksi di atas, mana yang merupakan jalan utama reaksi

antara H2O2 dan Na2S2O3 di dalam sistem yang sedang diteliti

2. Menentukan bentuk kuantitatif kecepatan reaksinya, dan nilai orde reaksi terhadap

H2O2 dan Na2S2O3

3. Menentukan nilai energi aktivasi reaksi pada rentang temperatur percobaan

Page 5: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 5 dari 12

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Gelas piala 100 mL (reaktor batch adiabatik)

2. Pengaduk magnetik

3. Termokopel

4. Recorder

5. Gelas ukur

6. Termometer

7. Pipet ukur

8. Perangkat titrasi

V.2 Bahan/ Zat Kimia

1. larutan H2O2

2. larutan Na2S2O3

3. larutan KMnO4

4. larutan H2SO4

V.3 Perangkat Alat

Perangkat alat praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair secara skematis dapat dilihat

pada Gambar 1 berikut:

Gambar 1 Skema sederhana peralatan Praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair

V.4 Cara Kerja

Langkah-langkah pengerjaan praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair dilakukan

sebegai berikut:

ReaktorEs Mencair Recorder

Page 6: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 6 dari 12

V.4.1 Kalibrasi Skala Alat Recorder

a. Kalibrasi Recorder terhadap temperatur

b. Kalibrasi Recorder terhadap waktu

V.4.2 Penentuan konsentrasi H2O2 dan pembuatan larutan

a. Penentuan konsentrasi H2O2

b. Pembuatan larutan H2O2

Air, T (20 0C-100 0C)

Ukur

Termokopel+recorder

Catat suhu setiap skala tertentuUkur dengan termometer

Didapat data kalibrasi termometer dengan recorder

Air dingin dan airpada Td

Ukur

Termokopel+recorder

Didapat data kalibrasi skala waktu dengan recorder

Catat waktu setiap skala tertentuUkur dengan stopwatch

Titrasi dengan KMnO4konsentrasi tertentu

Larutan H2O2 pekat

Didapat data titrasi, diketahui konsentrasi H2O2

Larutan H2O2 encer

Lar.H2O2 pekat Aqua DM

CampurkanAir yang dibutuhkan: V2 = (V1.M1) / M2

Lar.H2O2 dengan konsentrasiyang diinginkan

Page 7: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 7 dari 12

c. Pembuatan larutan Na2S2O3

V.4.3 Penentuan Kapasitas Panas Reaktor V.4.4 Penentuan Nilai β

Aqua DM

CampurkanAir yang dibutuhkan: V2 = (V1.M1) / M2

Lar.Na2s2O3 pekat

Lar.Na2s2O3 dengankonsentrasi yang diinginkan

Air dingin Td, md Air panas, Tp, mp

Campurkan

Air campuran

Ukur dengan termometer

Didapat T campuran

Analisis neraca massa,Panas akumulasi = panas masuk - panas kelua

Didapat Kapasitas Panas, Cp

Lar.H2O2, a M, x mL, To

Campurkan

Lar. campuran

Ukur suhu dengan termometer

Didapat T campuran

Perbandingan CA/ CB

Lar.Na2s2O3, y mL

Page 8: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 8 dari 12

V.4.5 Penentuan Kalor Reaksi (∆Hr)

V.4.6 Penentuan Ea dan A

Lar.H2O2, a M, x mL, To

Campurkan dengan perbandingan CA/CB

Lar.campuran H2O2 dan Na2S2O3 denganperbandingan stoikiometri

Ukur suhu dengan termometer

Didapat T campuran

Lar.Na2s2O3, y mL

Hitung selisih T

Analisis neraca massa,Panas akumulasi = panas masuk - panas kelua

Didapat Kalor Reaksi

Lar.H2O2, a M, x mL, To

Campurkan dengan perbandingan CA/CB

Lar.campuran H2O2 dan Na2S2O3 denganperbandingan stoikiometri

Ukur suhu dengan termokopeldan rekam dengan rekorder

Lar.Na2s2O3, y mL

Analisis neraca massa,Panas akumulasi = panas masuk - panas kelua

Didapat Kalor Reaksi

Data rekorder

Persamaan Kinetika dan Arhenius

Didapat Harga Ea dan A

Page 9: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 9 dari 12

V.4.7 Penentuan Densitas Campuran

V.5 Data Literatur

Data literatur yang dibutuhkan dalam praktikum ini adalah:

1. Densitas air pada berbagai temperatur

Temperatur (0C) ρair (kg/m3)

Sumber :

2. Kalor jenis air pada berbagai temperatur

Temperatur (0C) Cpair (kg/m3)

Sumber

3. Jalur reaksi H2O2 dan Na2S2O3 yang ditentukan nilai β sesuai Tabel 1

No Reaksi β ∆H

1 2Na2S2O3 + H2O2 → Na2S4O6 + 2NaOH 0.5 -163300

2 Na2S2O3 + H2O2 → Na2S2O4 + 2 H2O 1.0 -173300

3 3Na2S2O3 + 4H2O2 → 2Na2S3O6 + 2NaOH +3H2O 1.33 -512800

4 Na2S2O3 + 4H2O2 +2NaOH→ Na2SO4 + 5H2O 4.00 -879000

Lar.H2O2, a M, x mL, To

Campurkan dengan perbandingan CA/CB

Lar.campuran H2O2 dan Na2S2O3dengan perbandingan stoikiometri

Ukur suhu dengan termometerDinginkan

Lar.Na2s2O3, y mL

Lar. campurandingin Piknometer

Masukkan

Lar. dalam Piknometer

Timbang

Aqua DM. Ta Piknometer

Aqua Dm dalam Piknometer

Dapat Volume piknometerDapat massa larutan

Analisis, perhitungan

Dapat densitas larutan

Page 10: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 10 dari 12

5 3Na2S2O3 + 5H2O2 → 2Na2S4O6 + 2 Na2SO4 +5H2O 1.67 -432400

6 2Na2S2O3 + 4H2O2 → Na2S3O6 + 2Na2SO4 +4H2O 2.00 -596500

7 4NaOH + Na2S3O6 + 4H2O2 → 3Na2SO4 +6H2O

V.6 Data Percobaan

V.6.1 Kalibrasi Skala Waktu

Skala t (detik)

V.6.2 Kalibrasi Skala Temperatur

Skala Temperatur (0C)

V.6.3 Penentuan Konsentrasi H2O2 dan Na2S2O3

Volume H2O2 = mL

[KMnO4] = M

Pengenceran H2O2 kali

Volume H2O2 setelah diencerkan = mL

Pada saat titrasi dengan KMnO4 dibutuhkan KMnO4 sebanyak mL.

Pembuatan larutan H2O2

[H2O2] M Vol H2O2 (mL) Vol air yang ditambahkan (mL)

Penentuan Konsentrasi Na2S2O3

[Na2S2O3] M Massa Na2S2O3 (g) Vol air yang ditambahkan (mL)

V.6.4 Penentuan Kapasitas Panas Reaktor

air dingin air panas T awal (0C) ρ (g/mL) Cp (kal/g.0C) Volume (mL)

Page 11: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 11 dari 12

T akhir = (0C)

V.6.5 Kalibrasi Volume Piknometer

Massa piknometer kosong = g

Massa piknometer + air = g

Massa air = g

Temperatur air = 0C

Densitas air pada T = g/mL

V.6.6 Penentuan β

No. Run

[H2O2] = M

[Na2S2O3] = M

Tawal = 0C

Vol. Na2S2O3 (mL) T (0C)

V.6.7 Penentuan Densitas Campuran

Temperatur (0C) Volume Pikno (mL) (hasil kalibrasi)

Massa pikno (g) Massa pikno+campuran (g)

Massa campuran (g) ρ campuran (g/mL)

V.6.8 Penentuan Kapasitas Panas Sistem

Temperatur (0C) ρ Campuran (g/mL) Vol. campuran (mL) Cp air (kal/g) m.Cp campuran m.Cp reaktor m.Cp sistem

Page 12: Kin Kinetika Reaksi Fasa Cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 12 dari 12

Daftar Pustaka

1. Root, R.B., and Schmitz, R.A., AIChEJ, 15(5), 1969, pp.670-679

2. Coohen, W.C., and Spencer, J.L., Chem. Eng. Sci., 58 (12), 1962,pp.40-41

3. Glasser, D., and Williams, D.F., Ind. Eng. Chem. Fundamental., 10(3), 1971, pp.

516-519.