1

MAKALAH KIMIA FISIKA

PEMICU 2

KESETIMBANGAN KIMIA

Kelompok 10:

Edward Gustaf/1406531920

Elgusta Masanari/1406531901

Eliza Habna Lana/1406531611

Ilham Maulana/1406531914

Nafila Wajdi/1406531675

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK 2015

2

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat

rahmat dan karunia-Nya lah kami dapat menyelesaikan makalah Kimia Fisika Pemicu 2

dengan judul “Kesetimbangan Kimia” ini tepat pada waktunya. Penulisan makalah ini

bertujuan untuk memenuhi tugas PBL Kimia Fisika Semester Ganjil. Selain itu, tujuan kami

dalam penulisan makalah ini adalah untuk mengetahui konsep kesetimbangan kimia beserta

aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari. Dalam penyelesaian laporan ini, kami banyak

mengalami kesulitan, terutama disebabkan oleh kurangnya ilmu pengetahuan. Namun, berkat

bimbingan dari berbagai pihak, laporan ini dapat terselesaikan walaupun masih banyak

kekurangannya.

Selain itu, sebagai mahasiswa yang pengetahuannya belum seberapa dan masih perlu

banyak belajar dalam penulisan makalah, karena kami menyadari bahwa makalah ini masih

banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu, kami sangat mengharapkan adanya kritik dan

saran yang positif agar makalah ini dapat menjadi lebih baik dan berdaya guna di masa yang

akan datang.

Depok, Oktober 2015

Kelompok 10

3

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ..................................................................................................................... 1

KATA PENGANTAR ............................................................................................................... 2

DAFTAR ISI .............................................................................................................................. 3

BAB 1: DASAR TEORI ................................................................................................ 4

BAB 2: PEMBAHASAN SOAL PEMICU 2…………………………………………7

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 23

4

BAB I

DASAR TEORI

DEFINISI KESETIMBANGAN KIMIA

Keadaan kesetimbangan kimia adalah suatu keadaan di mana konsentrasi seluruh zat tidak

lagi mengalami perubahan, sebab zat-zat di ruas kanan terbentuk dan terurai kembali

dengan kecepatan yang sama. Keadaan kesetimbangan ini bersifat dinamis, artinya reaksi

terus berlangsung dalam 2 arah dengan kecepatan yang sama. Pada keadaan

kesetimbangan tidak mengalami perubahan secara mikroskopis (perubahan yang dapat

diamati atau diukur).

JENIS-JENIS KESETIMBANGAN KIMIA

a. Kesetimbangan Homogen

Semua spesi kimia berada dalam fasa yang sama. Salah satu contoh kesetimbangan

homogen fasa gas adalah sistem kesetimbangan N2O4/NO2. Reaksi yang terjadi adalah

sebagai berikut:

N2O4(g) ↔ 2NO2(g)

𝐾𝑐 = 𝑁𝑂2 2

𝑁2𝑂4

Selain kesetimbangan homogeny fasa gas, terdapat pula kesetimbangan homogeny fasa

larutan. Contohnya adalah kesetimbangan ionisasi asam asetat dalam air di mana

reaksinya sebagai berikut:

CH3COOH(aq) ↔ CH3COO-(aq) + H

+(aq)

b. Kesetimbangan Heterogen

Kesetimbangan ini melibatkan reaktan dan produk dalam fasa yang berbeda. Contohnya

saat padatan kalsium karbonat dipanaskan dalam wadah tertutup, akan terjadi reaksi

berikut:

CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)

Dalam reaksi penguraian padatan kalsium karbonat, terdapat 3 fasa yang berbeda, yaitu

padatan kalsium karbonat, padatan kalsium oksida, dan gas karbon dioksida. Dalam

kesetimbangan kimia, konsentrasi padatan dan cairan relatif konstan, sehingga tidak

disertakan dalam persamaan konstanta kesetimbangan kimia. Dengan demikian,

5

persamaan konstanta kesetimbangan reaksi penguraian padatan kalsium karbonat ialah

sebagai berikut:

Kc = [CO2]

TETAPAN KESETIMBANGAN

Dalam keadaan setimbang, perbandingan konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi tergantung

pada suhu dan jenis reaksi kesetimbangan. Cato Maximilian Guldberg dan Peter

Waage, dua ahli kimia dari Norwegia, menyatakan bahwa dalam reaksi kesetimbangan

berlaku hukum kesetimbangan.

Sementara itu, tetapan kesetimbangan berdasarkan konsentrasi (Kc) adalah hasil perkalian

konsentrasi hasil reaksi dibagi perkalian konsentrasi pereaksi yang masing-masing

dipangkatkan koefisiennya. Dalam kesetimbangan homogen, rumusan Kc dihitung dari

konsentrasi semua zat yang terlibat dalam reaksi. Perhatikan reaksi berikut.

Untuk menghitung besar Kc pada kesetimbangan homogen, dipergunakan rumus berikut.

Sedangkan untuk kesetimbangan heterogen, rumusan Kc dihitung dari:

1. Untuk campuran gas dengan padat, yang diperhitungkan hanya zat yang berfasa gas.

2. Untuk campuran larutan dengan padat, yang diperhitungkan hanya larutan saja.

KESETIMBANGAN DAN TERMOKIMIA

Reaksi kimia akan berlangsung atau tidak berlangsung karena 2 faktor:

a. Faktor entalpi (∆H)

- ∆H negatif (eksoterm) membantu reaksi bergerak ke kanan

- ∆H positif (endoterm) membantu reaksi bergerak ke kiri

b. Faktor entropi (∆S)

6

Entropi adalah probability factor. Secara umum entropi gas > cair > padat. Entropi

dapat ditulis dengan

𝑑𝑆 = 𝑑𝑞𝑟𝑒𝑣

𝑇

qrev adalah panas yang ditambahkan ke system secara reversible.

Entalpi dan entropi, jika digabung akan menjadi energi bebas atau lebih dikenal dengan

Energi Gibbs (G). Berlaku untuk reaksi yang berlangsung isothermal/suhu konstan.

∆𝐺0 = ∆𝐻0 − 𝑇∆𝑆0

∆𝐺𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖0 = ∆𝐺𝑓

0 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘

− ∆𝐺𝑓0

𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛

Jika nilainya negatif, reaksi berlangsung ke kanan. Begitu sebaliknya.

Perubahan energi bebas (∆G) berkaitan dengan quosien reaksi Q, yaitu:

∆𝐺 = ∆𝐺0 + 𝑅𝑇 ln𝑄 atau ∆𝐺 = ∆𝐺0 + 2,303 𝑅𝑇 log𝑄

Pada saat kesetimbangan, Q = K, di mana saat tersebut reaktan dan produk memiliki

energi bebas yang sama, sehingga ∆G = 0. Saat kesetimbangan:

∆𝐺0 = −𝑅𝑇 ln𝐾

∆𝐺0 = −2,303 𝑅𝑇 log𝐾

ln𝐾 = −∆𝐺0

𝑅𝑇

𝐾 = 𝑒−∆𝐺0

𝑅𝑇

APLIKASI KESETIMBANGAN KIMIA

Aplikasi kesetimbangan kimia terjadi pada berbagai proses reaksi pembentukan suatu

senyawa. Contoh aplikasi kesetimbangan kimia adalah proses pembentukan senyawa di

industry, yaitu proses pembentukan ester (esterifikasi) dan proses pembentukan

ammonium nitrat.

7

BAB II

PEMBAHASAN SOAL PEMICU 2

Soal Bagian A

1. Senyawa HNO3 merupakan bahan kimia penting yang digunakan sebagai bahan baku

untuk peledak seperti TNT (trinitotoluena). Jenis asam ini dapat menimbulkan ledakan

dahsyat. Sebagai mahasiswa Teknik Kimia, tentunya Anda harus tahu sifat fisika kimianya

dan bagaimana menanganinya, dan berdasarkan sifat-sifatnya ini, berikan analisis

mengapa HNO3 dipilih sebagai bahan baku TNT! Dan mengapa efek ledakan hanya terjadi

setelah membentuk TNT? Jelaskan pendapat Anda!

Jawab:

Sifat fisika dan kimia HNO3:

Pada 25oC berupa cairan tak berwarna hingga kekuningan

Memiliki bau asam yang tajam

Larut sempurna dalam air

Non-flammable (tidak terbakar), namun dapat terbakar/meledak jika berkontak dengan

senyawa lain

Merupakan asam kuat

Sangat korosif

Oksidator kuat

Sangat beracun

Cara penanganan HNO3

Karena sifatnya yang korosif, oksidatif, dan beracun, maka asam nitrat perlu ditangani

dengan berhati-hati. Kulit, muka, dan membran mukosa tidak boleh berkontak dengan

asam nitrat; asam nitrat akan membuatnya melepuh. Oleh karena itu, untuk melakukan

kerja dengan asam nitrat, pekerja harus menggunakan sarung tangan dan kacamata

pelindung. Menghirup asam nitrat akan menyebabkan sesak napas dan iritasi saluran

pernapasan, maka pekerja harus mengenakan masker untuk meminimalisir jumlah asam

nitrat yang terhirup.

Asam nitrat disimpan di dalam botol kaca yang warnanya kecoklatan agar tidak terlalu

tembus cahaya. Ketebalan dindig kaca juga tidak boleh terlalu tipis. Sumbat botol yang

8

terbuat dari plastik harus diganti tiap jangka waktu tertentu. Botol yang berisi asam nitrat

kuat harus ditempatkan di dalam lemari asam.

Penggunaan HNO3 sebagai bahan baku TNT

Seperti yang kita ketahui, asam nitrat bersifat sangat mengoksidasi (oksidator kuat).

Dibandingkan dengan senyawa NxOylainya, asam nitrat yang mengoksidasi paling kuat.

Toluena, sebagai bahan dasar TNT merupakan senyawa benzena yang sangat stabil, sulit

bereaksi.

Gugus hidroksil pada asam nitrat akan bereaksi dengan gugus hidrogen dari toluena

hingga membentuk air. Sisanya gugus nitrat akan berikatan dengan molekul toluena yang

telah kehilangan molekul hidrogen tersebut.

9

2. Bagaimanakah bentuk dari reaksi pembentukan pupuk amonium nitrat ? Apa bedanya

dengan proses Haber Bosch? Apa yang anda ketahui dengan reaksi kesetimbangan kimia?

Bagaimana kesetimbangan kimia terjadi? Faktor apa saja yang mempengaruhi

kesetimbangan kimia? Apa yang dimaksud dengan konstanta kesetimbangan kimia? Apa

bedanya dengan quotient reaksi? Jelaskan!

Jawab:

Proses pembuatan ammonium nitrat

Amonium Nitrat merupakan senyawa dengan rumus molekul NH4NO3 secara umum

berbentuk padatan berwarna putih, berbentuk kristal yang mudah menyerap air

(higrokopis) pada suhu ruang dan tekanan standard. Amonium nitrat didapatkan dengan

cara mereaksikan Amonia dengan Asam Nitrat sehingga menghasilkan produk berupa

amonium nitrat.Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

NH3 + HNO3 (NH4)NO3

Perbedaan proses pembentukan ammonium nitrat dengan proses Haber Bosch

Pada proses pembentukan Amonium nitrat ini, bahan baku yang berupa HNO3

didapatkan melalui proses Haber Bosch, bedanya dengan proses Haber Bosch adalah

pada pembuatan Amonium nitrat ini menggunakan proses Uhde dimana bahan baku

yang berupa amonia dan asam nitrat direaksikan melalui reaksi netralisasi pada suhu

mendekati 200oC dan tekanan antara 4 – 5 bar, lalu larutan yang keluar dari reaktor

dimasukkan ke dalam flash drum setelah itu dipompa ke evaporator untuk dipekatkan,

uap yang keluar dari evaporator sebagian digunakan sebagai media pemanas dan

sebagian lagi diumpankan ke absorber sebagai penyerap gas amoniak. Larutan yang

keluar dari evaporator masuk ke dalam prilling tower, prill amoinum nitrat yang

terbentuk didinginkan dan discreening unuk mendapatkan butir prill amonium nitrat

yang diinginkan.

Pengertian kesetimbangan kimia

Pada umumnya reaksi-reaksi kimia tersebut berlangsung dalam arah bolak-

balik (reversible), dan hanya sebagian kecil saja yang berlangsung satu arah. Pada awal

proses bolak-balik, reaksi berlangsung ke arah pembentukan produk, segera setelah

terbentuk molekul produk maka terjadi reaksi sebaliknya, yaitu pembentukan molekul

reaktan dari molekul produk. Ketika laju reaksi ke kanan dan ke kiri sama dan

konsentrasi reaktan dan produk tidak berubah maka kesetimbangan reaksi tercapai.

10

Ketika suatu reaksi kimia berlangsung, laju reaksi dan konsentrasi pereaksipun

berkurang. Beberapa waktu kemudian reaksi dapat berkesudahan, artinya semua

pereaksi habis bereaksi. Namun banyak reaksi tidak berkesudahan dan pada

seperangkat kondisi tertentu, konsentrasi pereaksi dan produk reaksi menjadi tetap.

Reaksi yang demikian disebut reaksi reversibel dan mencapai kesetimbangan.

Padareaksi semacam ini produk reaksi yang terjadi akan bereaksi membentuk kembali

pereaksi. ketika reaksi berlangsung laju reaksi ke depan (ke kanan), sedangkan laju

reaksi sebaliknya kebelakang (ke kiri) bertambah, sebab konsentrasi pereaksi berkurang

dan konsentrasi produk reaksi semakin bertambah.

Pada umumnya suatu reaksi kimia yang berlangsung spontan akan terus berlangsung

sampai dicapai keadaan kesetimbangan dinamis. Berbagai hasil percobaan

menunjukkan bahwa dalam suatu reaks kimia, perubahan reaktan menjadi produk pada

umumnya tidak sempurna, meskipun reaksi dilakukan dalam waktu yang relatif lama.

Umumnya pada permulaan reaksi berlangsung, reaktan mempunyai laju reaksi tertentu.

Kemudian setelah reaksi berlangsung konsentrasi akan semakin berkurang sampai

akhirnya menjadi konstan. Keadaan kesetimbangan dinamis akan dicapai apabila dua

proses yang berlawanan arah berlangsung dengan laju reaksi yang sama dan konsentrasi

tidak lagi mengalami perubahan atau tidak ada gangguan dari luar. Sebagai contoh

reaksi pembuatan amonia dengan persamaan reaksi kesetimbangan berikut ini :

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4 Kj

Pergeseran kesetimbangan dapat terjadi jika pada sistem kesetimbangan diberikan aksi,

maka sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi tadi diupayakan

sekecil mungkin. Aksi-aksi yang dapat mempengaruhi terjadinya pergeseraan

kesetimbangan antara lain perubahan konsentrasi, perubahan volume, perubahan

tekanan, perubahan jumlah mol, perubahan temperatur.

Faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan berdasarkan azas Le

Chatelier

a. Pengaruh temperatur

Sesuai dengan azas Le Chatelier, jika suhu atau temperatur suatu sistem

kesetimbangan dinaikkan, maka reaksi sistem menurunkan temperatur,

kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (ke pihak reaksi

endoterm). Sebaliknya jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke

pihak reaksi eksoterm.

11

b. Pengaruh konsentrasi

Sesuai dengan azas Le Chatelier (Reaksi = aksi) , jika konsentrasi salah satu

komponen tersebut diperbesar, maka reaksi sistem akan mengurangi komponen

tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu komponen diperkecil, maka reaksi

sistem adalah menambah komponen itu. Oleh karena itu, pengaruh konsentrasi

terhadap kesetimbangan.

c. Pengaruh tekanan dan volume

Penambahan tekanan dengan cara memperkecil volume akan memperbesar

konsentrasi semua komponen. Sesuai dengan azas Le Chatelier, maka sistem akan

bereaksi dengan mengurangi tekanan. Sebagaimana anda ketahui, tekanan gas

bergantung pada jumlah molekul dan tidak bergantung pada jenis gas. Oleh karena

itu untuk mengurangi tekanan maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah

yang jumlah koefisiennya lebih kecil. Sebaliknya jika tekanan dikurangi dengan cara

memperbesar volume, maka sistem akan bereaksi dengan menambah tekanan

dengan cara menambah jumlah molekul. Reaksi akan bergeser ke arah yang jumlah

koefisiennya lebih besar.

d. Pengaruh katalis

Katalis hanya berfungsi untuk mempercepat tercapainya kesetimbangan kimia dan

hanya mempengaruhi laju reaksinyab bukan reaksinya.

Pengertian konstanta kesetimbangan

Menurut Hukum kesetimbangan,” Dalam keadaan setimbang pada suhu tertentu,

perbandingan hasil kali konsentrasi – konsentrasi hasil reaksi dibagi dengan hasil kali

konsentrasi reaktan yang ada dalam sistem kesetimbangan, dimana masing-masing

komponen dipangkatkan dengan koefisiennya mempunyai harga tetap yang bisa disebut

dengan konstanta kesetimbangan”.Ungkapan Hukum Kesetimbangan Kimia dalam

suatu reaksi :

aA + bB ⇄ cC + dD

maka, 𝐾 = 𝐶 𝑐 𝐷 𝑑

𝐴 𝑎 𝐵 𝑏

Dimana [...] menunjukkan konsentrasi dan tanda ⇄ menyatakan kondisi setimbang.

Pengertian Quotient reaksi (Qc)

Quotient reaksi (Qc) merupakan ungkapan kesetimbangan yang mirip dengan Kc

(konstanta Kesetimbangan), hanya saja Qc bukan sebuah konstanta pasti seperti Kc

12

karena setiap reaksi memiliki nilai Qc yang berbeda-beda tidak sperti Kc dimana

bernilai konstan.

3. Suatu proses yang erat hubungannya dengan proses Haber Bosch yang merupakan proses

modern dalam pembuatan asam nitrat dengan katalis Pt, dikenal dengan proses ostwald,

jelaskan tentang proses ini, tuliskan reaksi apa saja yang terlibat dan kesetimbangan apa

yang terjadi, terangkan dengan video dan juga flip chart untuk bisa memahami proses ini

secara baik!

Jawab:

Proses pembuatan asam nitrat (Ostwald)

Asam nitrat dibuat dengan melalui tiga tahap, dikenal dengan proses Oswald, sebagai

berikut:

1. Oksidasi Amonia (NH3) menjadi Nitrogen monoksida (NO)

Air dipanaskan dan dicampurkan dengan amonia (yang tidak dipanaskan karena

akan terurai) dan kemudian melewati converter dimana reaksi berikut terjadi:

4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO2(g) + 6H2O(g) H -907 kJ/mol

Dalam reaksi ini, amonia mengalami oksidasi katalitik untuk membentuk nitrogen

monoksida (NO) dan air. Ini adalah awal dari proses oksidasi. Nitrogen dalam

amonia dimulai dengan bilangan oksidasi -3 dan dikonversi ke 2 dalam nitrogen

monoksida. Rasio udara dengan amonia harus diperhatikan dan dipertahankan

diantara 9 sampai 12%. Jika konsentrasi amonia meningkat lebih jauh lagi,

campuran ini akan menjadi eksplosif.

Katalis yang digunakan dalam proses ini adalah 90% platinum padatan dengan 10%

rhodium untuk meningkatkan kekuatan. Katalis terdiri dari beberapa benang

terbentuk dari padatan. Kasa tikar dipanaskan sehingga gas secara langsung

dipanaskan karena mereka melewati katalis. Katalis dapat menjadi teracuni oleh

polusi udara dan pencemaran dari amonia yang mengurangi efisiensi. Biaya katalis

ini sangat tinggi dan perlu sering diganti karena keausan yang mereka alami di

bawah berat seperti kondisi. Sebuah alternatif yang lebih murah adalah belum

dikembangkan.

Nitrogen monoksida, nitrogen dan air juga secara bersamaan terbentuk dalam

langkah ini, seperti di bawah ini

4NH3(g) + 3O2(g) → 2N2(g) + 6H2O(g) H -1267 kJ/mol

2NH3(g) + 2O2(g) → N2(g) + 3H2O(g)

13

Batasan kondisi untuk membuat NO adalah dengan suhu tinggi (820 – 930oC) dan

tekanan tinggi (11 atm). Meskipun hasil yang lebih tinggi akan diperoleh pada suhu

yang lebih rendah (reaksi ke depan adalah eksotermis), proses ini dilakukan pada

suhu tinggi (820 – 930oC). Hal ini dikarenakan tingkat di mana reaksi berlangsung

pada suhu rendah terlalu lambat untuk menjadi komersial. Untuk mengkompensasi

hilangnya resultan hasil produk, campuran gas dilewatkan di atas katalis beberapa

kali untuk menghasilkan hasil moderat NO. Pada suhu tinggi yang

digunakan, NO dibentuk terurai membentuk nitrogen dan oksigen.

2NO(g) N2(g) + O2(g)

Untuk menghindari hal ini, campuran gas melewati katalis dengan sangat cepat

(waktu kontak adalah sekitar 0,003 detik). Untuk mencapai tingkat ini, reaksi

dilakukan pada tekanan tinggi meskipun tekanan rendah akan mengakibatkan hasil

produk yang lebih tinggi.

2. Oksidasi Nitrogen oksida(NO) menjadi Nitrogen dioksida (NO2)

Limbah panas dari gas meninggalkan konverter didaur ulang dan digunakan di

bagian lain. Suhu campuran nitrogen monoksida berkurang menjadi sekitar 200-

250oC dalam proses ini. Gas-gas tersebut kemudian dialirkan melalui ruang

pendingin dan suhunya dikurangi menjadi sekitar 50oC. Air terkondensasi ditransfer

ke menara absorpsi. Sebagai gas didinginkan, yang nitrogen monoksida dioksidasi

menjadi nitrogen dioksida( biloks N dari NO dioksidasi dari +2 menjadi

+4). Oksigen yang dikonsumsi dalam langkah ini mungkin ditambahkan dari sumber

luar atau disediakan oleh kelebihan oksigen dalam campuran gas yang keluar

converter. Reaksinya adalah:

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) H -114kJ/mol

Reaksi ini merupakan reaksi eksotermis untuk mendapatkan hasil yang maksimal

dibutuhkan suhu rendah, akan tetapi jika menggunakan suhu rendah akan

membutuhkan waktu yang sangat lama sehingga suhu dinaikkan. Campuran gas

melewati katalis dengan sangat cepat (waktu kontak adalah sekitar 0,003

detik). Untuk mencapai tingkat ini, reaksi dilakukan pada tekanan tinggi meskipun

tekanan rendah akan mengakibatkan hasil produk yang lebih tinggi.

3. Absorpsi dan reaksi NO2 dengan air

Air dicampur dengan gas nitrogen dioksida di menara absorpsi untuk membentuk

larutan encer dari asam nitrat menurut reaksi seperti berikut:

14

3NO2(g) + H2O(l) 2HNO3 (aq) + NO(g)

Ini adalah reaksi redoks di mana menghasilkan nitrogen dalam keadaan nilai biloks

tertinggi(+5 dalam asam nitrat). Menara mengandung sejumlah besar padatan inert

dikemas dengan bahan granular inertdirancang untuk meningkatkan kontak antara

gas dan air.Reaksi ini eksotermis dan pendinginan terus menerus

diperlukan. Konversi dilakukan padasuhu rendah dan reaksi signifikan terjadi

sampai gas meninggalkan menara.

Gas nitrogen dioksida dipompa sekitar 5 sampai 10 atm dari zat innert yang tadi

digunakan dengan menetesi air dari atas.Reaksi antara air dan gas ini menghasilkan

asam nitrat, yang kemudian larut dalamair yang tersisa. Jumlah kecil dari NO juga

diproduksi, yang bereaksi dengan oksigen dariudara di menara untuk menghasilkan

NO2yang kemudian bereaksi seperti sebelumnya. Suatu larutan asam nitrat dapat

dihasilkan yaitu sekitar 45-60%. Hal ini dapat dengan mudahmeningkat menjadi

68% (setara dengan16 M) dengan medistilasi sebagian air. Untuk mendapatkan

konsentrasi asam nitrat hingga 98%, asam nitrat didehidrasi dengan menambahkan

asam sulfat (H2SO4) dengan menggunakan amonia dari proses Haber Bosch yang

berasal dari nitrogen, hidrogen dan oksigen yang berasal dari udara gas alam sebagai

bahan baku.

Gambar 1. Skema Pembuatan Asam Nitrat

4. Tuliskan reaksi pada proses Haber-Bosch dan terangkan secara sistematis proses

pembuatan ammonia dan penerapan azas Le Chatelier pada proses tersebut untuk

menigkatkan jumlah produk. Bagaimana pengaruh katalis terhadap reaksi di atas?

Terjemahkan proses singkatnya!

Jawab:

Proses Haber-Bosch merupakan proses pembuatan amonia dengan mereaksikan gas N2

yang diperoleh dari hasil penyulingan udara dengan gas H2 yang diperoleh dari hasil reaksi

antara gas alam dengan air.Reaksi yang terjadi pada proses ini adalah reaksi

15

kesetimbangan antara gas N2,H2 dan NH3yang bersifat eksoterm dan reversibel. Reaksi

kesetimbangan antara gas N2, H2, dan NH3 dapat ditulis sebagai berikut:

N2 + 3 H2 → 2 NH3 (ΔH = −92.4 kJ·mol−1

)

Penerapan azas Le Chatelier pada proses Haber-Bosch:

a. Temperatur

Berdasarkan azas Le Chatelier, kesetimbangan akan bergeser ke arah NH3 jika

direaksikan pada suhu rendah tetapi temperatur yang rendah ini menyebabkan laju

reaksi yang lambat sehingga proses pembuatan amonia ini dilakukan pada suhu tinggi

±450°C (suhu optimum) agar reaksi berlangsung cepat sekalipun dengan resiko

kesetimbangan akan bergeser ke arah N2dan H2.

b. Tekanan

Untuk mengimbangi pergeseran ke arah N2 dan H2 oleh suhu tinggi, maka tekanan yang

digunakan harus tinggi sampai mencapai antara 200–400 atm. Sesuai dengan azas Le

Cahtelier, karena molekul dikanan (2 molekul) lebih sedikit dari molekul dikiri reaksi

(4 molekul) maka agar kesetimbangan bergeser kea rah produk diperlukan tekanan

yang tinggi. Tekanan yang tinggi menyebabkan molekul-molekul semakin rapat

sehingga tabrakan molekul-molekul semakin sering. Hal ini mengakibatkan reaksi

bertambah cepat, sehingga NH3semakin banyak terbentuk.

c. Konsentrasi

Berdasarkan azas Le Chatelier pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser

kesetimbangan kearah kanan sehingga produk yag dihasilkan akan lebih banyak jika

pengambilan NH3dilakukan secara terus menerus.

Katalis tidak menggeser kesetimbangan ke arah produk tetapi dapat mempercepat laju

reaksi secara keseluruhan. Keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat dan katalis

tidak mengubah jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi atau dengan

kata lain katalis tidak mengubah nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan

katalis adalah mengubah mekanisme reaksi kimia dengan adanya katalismenyebabkan

energi aktivasi lebih rendah sehingga jumlah tumbukan antar partikel akan lebih banyak

dan lebih sering karena energi kinetik yang dimiliki partikel-partikel lebih besar.Katalis

yang digunakan pada proses Haber-Bosch adalah katalis yang dapat bereaksi dengan H2,

yaitu Fe yang didapat dari reduksi Fe2O3.

16

5. Jelaskan salah satu proses atau teori untuk pengambilan atau pemanfaatan nitrogen dari

udara untuk menghasilkan produk yang lebih bermanfaat dan komersial yang anda

ketahui selain untuk proses diatas?

Jawab:

PROSES FIKSASI NITROGEN DARI UDARA BEBAS

a. Filtrasi

Pada saat udara dihisap oleh compressor, terlebih dahulu udara disaring dengan

menggunakan filter, agar kotoran atau gas-gas pengotor dari udara bebas dapat disaring

dan tidak terikut dalam proses – proses selanjutnya.

Contoh gas pengotor : uap air dan karbondioksida, debu juga bisa menjadi zat pengotor

pada udara bebas. Zat pengotor ini harus dihilangkan karena dapat menyebabkan

penyumbatan pada perlatan, tingkat bahaya yang dapat ditimbulkan, korosi, dan juga

dalam batas – batas tertentu dilarang terkandung dalam spesifikasi produk akhir.

b. Kompresi

Alat yang digunakan yaitu compressor, dimana fungsinya yaitu menaikkan tekanan

udara bebas yang diserap sampai 145 – 175 Psig.atau sekitar 6 bar.

c. Cooling Water

Air umumnya digunakan sebagai pendingin pada industri sebab air tersedia jumlahya

dan mudah ditangani. Air juga mampu menyerap sejumlah besar enegi per satuan

volume dan tidak mengalami ekspansi maupun pengerutan dalam rentang temperature

yang biasanya dialaminya. Sistem penguapan terbuka merupakan tipe system pendingin

yang umumnya digunakan dalam plant pemisahan udara.

Sebagian industri menggunakan system direct cooler pada proses pendinginannya,

dimana terjadi kontak langsung antara udara dengan air pada sepanjang tray direct

cooler. Direct cooler mempunyai kelebihan dari pada proses pendinginan yang

menggunakan tube atau shell cooler, dimana temperature yang bisa dicapai yaitu 2ºC,

sedang pada tube atau shell cooler hanya sekitar 8ºC, efek pengguyuran (scrubbing)

17

dari air juga dapat membantu menurunkan kandungan partikel dan menyerap pengotor

yang terbawa udara. Namun jika direct cooler tidak terjaga,seperti ∆P tinggi (pada

aliran dan udara masuk) dan tinggi cairan (pada aliran air). Oleh karena tingginya

perbedaan temperature yang melalui tray bawah unit, maka pada tray ini sangat

mungkin terjadi pembentukan kerak. Untuk alasan itu, water treatment harus bekerja

efektif dan tray harus dibersihkan dan diperiksa jika memungkinkan.

d. Pemurnian

Pada proses ini terdapat proses penyerapan ( adsorpsi ) terhadap material / zat – zat

pengotor dari feed air , diantaranya : uap air, karbon monoksida, karbon dioksida, dan

beberapa kandungan hidrokarbon. Pada beberapa industry, menggunakan 2 layer pada

vessel pemurnian ini, layer bawah menggunakan alumina untuk menyerap /

mengadsorpsi kandungan uap air dalam udara dan bagian top / atas menggunakan

molecular sieve yang bertindak sebagai adsorben untuk menghilangkan karbondioksida.

e. Heat Exchanger (Pemindah Panas)

Melewati exchanger, udara didinginkan hingga mendekati titik pencairan. Karena udara

menjadi dingin, mula – mula uap air akan menjadi deposit, dimulai jadi cairan

kemudian berubah menjadi salju halus dengan arah yang berlawanan. Fungsi heat

exchanger untuk memudahkan pergerakan panas yang akan dipindahkan aliran

panasnya, dari zat yang memiliki panas lebih tinggi menuju daerah yang dingin hingga

temperatur keduanya sama.

f. Ekspansi

Udara yang dingin tersebut diekspansikan atau diturunkan pressure nya sampai tekanan

menjadi 70 – 80 psig hingga udara tersebut cair.

g. Distilasi

Pada proses ini final terjadi proses pemisahan antara gas – gas yang terkandung pada

udara bebas sebagai umpan melalui perbedaan titik didih (relative volatilitas). Dimana

nitrogen memiliki titik didih yang lebih tinggi dibandingkan dengan gas – gas lain yang

terkandung dalam udara yaitu -195. Bila dipisahkan masing – masing gas pada proses

vaporisasi (destilasi), maka nitrogen akan cepat menguap dan menghasilkan produk gas

yang siap digunakan.

Gas nitrogen yang dihasilkan dari proses vaporisasi bisa dirubah bentuk menjadi liquid

dengan cara dilewatkan pada kolom – kolom.

18

Soal Bagian B

1. Apa yang Anda ketahui tentang kesetimbangan dinamik (dynamic equilibrium)? Apakah

reaksi dekomposisi termal kalsium karbonat merupakan salah satu contoh kesetimbangan

dinamik? Jelaskan! Jelaskan juga tentang perbedaan kesetimbangan homogen dan

heterogen!

Jawab:

Kesetimbangan dinamis adalah suatu reaksi bolak-balik pada saat keadaan konsentrasi

tetap tapi sebenarnya tetap terjadi reaksi (terus-menerus). Kesetimbangan dinamis tidak

terjadi secara makroskopis melainkan secara mikroskopis (partikel zat). Reaksi

dekomposisi termal kalsium karbonat merupakan salah satu contoh kesetimbangan

dinamik. Reaksinya sebagai berikut:

𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠 ↔ 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 𝑔

Pada reaksi dekomposisi diatas, harga konstanta kesetimbangan hanya dipengaruhi oleh

konsentrasi gas CO2 saja.

Kesetimbangan homogen ialah kesetimbangan dimana seluruh zat yang terlibat dalam

persamaan reaksi mempunyai wujud sama. Misalnya kesetimbangan antara gas-gas

Sedangkan kesetimbangan heterogen ialah kesetimbangan dimana zat-zat yang terlibat

dalam persamaan reaksi mempunyai wujud berbeda-beda. Misalnya,

2. Terangkan mengapa metode (b) lebih berhasil untuk mendekomposisi CaCO3 dengan

mengacu pada prinsip Le Chatelier!

Jawab:

Pada metode (b) dijelaskan bahwa potongan marmer dipanaskan pada wadah terbuka

untuk mendapatkan endapan kapur tohor (CaO). Hal ini memberikan efek keberhasilan

yang besar karena dengan dipanaskannya potongan marmer pada wadah terbuka, pengaruh

kesetimbangan kimia akan bertambah dari lingkungan. Mengacu pada prinsip Le

Chatelier:

Pengaruh tekanan

19

Pada reaksi dekomposisi termal CaCO3, karena dipanaskan pada wadah terbuka, maka

tekanan yang didapat semakin berkurang. Akibatnya, reaksi akan bergeser kearah

produk yaitu endapan kapur tohor (jumlah molekul yang lebih besar).

Pengaruh suhu

Reaksi dekomposisi termal CaCO3 berlangsung secara eksoterm, karena potongan

marmer dipanaskan sehingga menghasilkan kalor (melepas kalor ke lingkungan). Jika

dipanaskan pada wadah terbuka, maka suhu system akan berkurang karena pengaruh

lingkungan di luar system. Akibatnya, reaksi akan bergeser ke arah zat yang melepas

kalor, yaitu endapan kapur tohor.

3. Tuliskan reaksinya dan turunkan persamaan untuk menentukan konstanta kesetimbangan,

apabila diketahui kalsium oksida dan kalsium karbonat adalah padat. Jelaskan bagaimana

Anda dapat menentukan derajat disosiasi untuk reaksi ini! Apabila ada kenaikan tekanan,

reaksi kesetimbangan akan bergeser kearah mana? Jelaskan mengapa demikian!

Jawab:

𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠 → 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 𝑔 𝐾 = [𝐶𝑂2]

Pada reaksi dekomposisi diatas, harga konstanta kesetimbangan hanya dipengaruhi oleh

konsentrasi gas CO2 saja. Apabila suatu reaksi melibatkan fasa padat dalam reaksinya,

maka konsentrasi dari zat yang berfasa pada tidak diperhitungkan dalam perhitungan

konstanta kesetimbangan.

Derajat disosiasi dapat dihitung dengan cara membandingkan jumlah kalsium karbonat

yang terdekomposisi dengan jumlah mula-mula kalsium karbonat yang ada. Berdasarkan

prinsip Le Chatelier, untuk reaksi dekomposisi CaCO3 apabila ada kenaikan tekanan

system, maka reaksi dekomposisi akan mengarah ke jumlah volume terkecil yaitu pada

arah reaktan, atau dengan kata lain kenaikan tekanan menyebabkan jumlah CaCO3 yang

terdekomposisi semakin kecil.

4. Andaikan reaksi dekomposisi tersebut terjadi pada suhu 1200 K dan ΔG˚ = 13,8 kJ/mol,

bagaimanakah Anda dapat menentukan nilai konstanta kesetimbangan reaksi tersebut?

Apa yang terjadi dengan reaksi tersebut jika suhunya diturunkan atau dinaikkan?

Bagaimana pengaruhnya dengan nilai konstanta keseimbangannya? Berikan satu contoh!

Jawab:

20

Kita dapat mencari nilai konstanta kesetimbangan melalui persamaan

∆𝐺 = ∆𝐺° + RT ln𝐾

Dimana pada saat setimbang nilai energi Gibbs (∆𝐺) adalah 0, sehingga

0 = ∆𝐺° + RT ln𝐾

0 = 13,8 + 0,0082 x 1200 ln𝐾

−13,8 = 9,84 ln𝐾

−13,8

9,84= ln𝐾

ln𝐾 = −1,4

𝐾 = 𝑒−1,4

𝐾 = 4,055

Jika suhu dinaikkan, konstanta kesetimbangan akan semakin kecil. Menurut Asas Le

Chatelier, jika suhu reaksi dinaikkan maka kesetimbangan akan bergerak ke arah reaksi

endoterm.

Sebagai contoh :

2NO2(g)↔ N2O4(g)ΔH = -58,8 kJ

Pada reaksi di atas bila suhu diturunkan maka kesetimbangan bergeser ke arah

eksotermik agar tercapai sistem kesetimbangan yang baru. Secara kualitatif

pergeseran kesetimbangan pada reaksi tersebut ditunjukkan oleh perubahan warna

coklat NO2 menjadi tak berwarna dari N2O4.Sebaliknya bila suhu dinaikkan

kesetimbangan bergeser kearah endotermik (ke kiri).

Soal Bagian C

1. Berikan contoh reaksi esterefikasi, dan jika diasumsikan kosentrasi awal pada molekul

produk adalah nol, apa yang dapat anda katakan untuk nilai kosentrasi produk reaksi

tersebut pada kesetimbangan?

Jawab:

21

Reaksi esterifikasi secara umum adalah suatu reaksi antara asam alkanoat dan alkanol

yang membentuk ester dan air (Fessenden, 1982). Reasi esterefikasi bersifat dapat dibalik

dan berjalan lambat sehingga memenuhi kesetimbangan kimia.

Contoh reaksi esterefikasi :

Gambar 2. Pembuatan Etil Asetat

Nilai konsentrasi produk saat kesetimbangan tetap ada karena akan tetap bejalan meskipun

konsentrasi awal produk nol. Dimana reaksi akan terjadi menuju pada kesetimbangan saat

nilai G minimal untuk reaksi kesetimbangan. Sementra nilai konsentrasi produk saat

kesetimbangan dapat diramalkan dengan mengetahui nilai K, dimana nilai K berhubungan

dengan konsentrasi dan energi bebas gibbs. Persamaan energi gibbs sebagai berikut :

∆𝐺𝑜 = −𝑅𝑇 ln𝐾

2. Selain digunakan sebagai zat aditif pada makanan, senyawa ester juga banyak digunakan

sebagai pelarut, contohnya etil etanoat. Berikan penjelasan alasan pemilihan etil etanoat

sebagai pelarut. Andaikan pada reaksi pembentukan etil etanoat, konsentrasi asam asetat

pada kesetimbangan (suhu 298K) adalah 0,24 M dan etanol adalah 0,58 M. Turunkanlah

persamaan yang dapat digunakan untuk menentukan nilai konstanta kesetimbangan untuk

reaksi tersebut. Jelaskan bagaimana Anda dapat menentukan konsentrasi akhir dari semua

spesi!

Jawab:

Etil etanoat adalah pelarut polar menengah yang volatil (mudah menguap), tidak beracun,

dan tidak higroskopis, karena alasan inilah etil etanoat digunakan sebagai pelarut.

Untuk menentukan nilai konstanta kesetimbangan reaksi dapat digunakan rumus :

∆𝐺 = ∆𝐺𝑜 + 𝑅𝑇 𝐼𝑛 𝐾 ; 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑎𝑎𝑡 𝑘𝑒𝑠𝑒𝑡𝑖𝑚𝑏𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 ∆𝐺 = 0

Sehingga, persamaan diatas dapat disusun ulang menjadi

∆𝐺𝑜 = −𝑅𝑇 𝐼𝑛 𝐾 (kJ/mol)

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

𝐴𝑐𝑂𝐻(𝑎𝑞 ) + 𝐸𝑡𝑂𝐻 𝑙 → 𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡(𝑎𝑞 ) + 𝐻2𝑂(𝑙)

Besar ∆𝐺𝑜 𝑑𝑖𝑝𝑒𝑟𝑜𝑙𝑒𝑕 𝑑𝑎𝑟𝑖

22

∆𝐺𝑜 = ∆𝐺𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 𝑎𝑞

𝑜 + ∆𝐺𝐻2𝑂 𝑙

𝑜 − ∆𝐺𝐴𝑐𝑂𝐻 𝑎𝑞 𝑜 + ∆𝐺𝐸𝑡𝑂𝐻 𝑙

𝑜

∆𝐺𝑜 = −332,7 + −237,13 − −396,46 + −174,78

∆𝐺𝑜 = 1,41𝑘𝐽

𝑚𝑜𝑙

∆𝐺𝑜 = −𝑅𝑇 𝐼𝑛 𝐾 dimana RT = 2,479 kJ/mol

−1,41

2,479= 𝐼𝑛 𝐾 𝑚𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔 −𝑚𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔 𝑟𝑢𝑎𝑠 𝑑𝑖 𝑒𝑘𝑠𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑠𝑖𝑎𝑙𝑘𝑎𝑛

𝐾 = 0,56

Untuk menentukan konsentasi produk dalam kesetimbangan :

𝐾 = 𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡

𝐴𝑐𝑂𝐻 [𝐸𝑡𝑂𝐻]

𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 = 𝐾 𝐴𝑐𝑂𝐻 [𝐸𝑡𝑂𝐻]

𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 = 0,56 . 0,24 . (0,58)

𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 = 0,08 𝑀

23

DAFTAR PUSTAKA

https://slamanto.wordpress.com/2011/12/27/proses-industri-pembuatan-nitrogen/ (diakses

pada 7 Oktober 2015)

http://www.ehs.pitt.edu/assets/docs/04-026nitricacidguidelines.pdf (diakses pada 7

Oktober 2015)

Atkins, Peter. 2006. Physical Chemistry. W.H.Freeman : NY

M. Himmelblau, David. Prinsip Dasar dan Kalkulasi dalam Teknik Kimia. Prenhallido :

Jakarta.

Lando, Jerome. 1974. Fundamental of Physical Chemistry. USA: McMillan Publishing

Co.

www.pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (diakses pada 8 Oktober 2015)

Levine, Ira. 2009. Physical Chemistry, 6th

Edition.

24

25