Terbit di : Prosiding SemNas Jasakiai Agustus 2009 ISSN 0854-4778, hal 385-390

Kendra Hartaya, Jr

PEMBUATAN NITROGLISERIN DARI GLISERIN TEKNIS

Kendra HartayaPusat Teknologi Dirgantara Terapan

LAPAN Rumpin Bogor 021-75790383, 021-70895998E-mail : kendra19838@yahoo.co.id

Abstrak

Telah dilakukan pembuatan nitrogliserin dari bahan baku teknis asam sulfat, asam nitrat, dan gliserin yang mana bahan-bahan ini murah dan mudah diperoleh di pasaran. Nitrogliserin merupakan komponen utama propelan (bahan bakar) roket senjata FFAR (Fin Folded Aerial Rocket). Nitrogliserin (NG) dihasilkan dengan proses kimia secara nitrasi sederhana terhadap gliserin dalam media asam sulfat.

Hasilnya, kondisi reaksi nitrasi untuk menghasilkan nitrogliserin yang optimal adalah pada rasio Sulfat-Nitrat (S/N)=1,41, dan. rasio nitrat-gliserin (N/G)= 5,0, pada suhu di bawah 15oC dan tenggang waktu 1 jam. Pada kondisi ini menghasilkan nitrogliserin 24 gram. Uji kualitas produk dilakukan dengan uji bakar dengan merujuk pada sifat fisik propelan menghasilkan nyala menjilat yang khas bagi propelan. Juga dilakukan uji secara kimia dengan Fourier Transform Infrared (FTIR) adanya puncak gugus –NO2 pada 1390-1260 cm-1 . Uji kuantitas nitrogliserin dilakukan dengan menentukan konversi produk NG adalah 51% dengan kadar N 9,43%. Reaksi diperkirakan sempurna pada waktu 40 menit.

Abstract

Nitroglycerine had been synthesized technical grade raw materials, these are H2SO4, HNO3, and glycerine. The raw materials is easy to attain in free market. The nitroglycerine is one of main component in propellant for Fin Folded Aerial Rocket (FFAR), millitary rocket. The nitroglycerine chemically is made by nitration to glycerine in media H2SO4.

As a result, the optimal process condition for yielding the nitroglycerine is mol ratio sulphuric acid to nitric acid (S/N)=1,41, mol ratio nitric acid to glycerine (N/G)= 5,0, raction temperature below 15oC, process period one hour. At the condition, it is resulted nitroglycerine 24 gram. Qualitative analysis is conducted by burning test with refferencing on propellant phisycal properties, that is striking burning. Chemically analysis is conducted by FTIR test that showing a peak for –NO2 at 1390-1260 cm-1. Quantitative analysis is conducted by indirect method, that is by determining the quantity of initial and final reactant. From this analysis, it is resulted reaction convertion to the nitroglycerine 51% with 9,435%N. The complete reaction is prerdicted as long 40 minutes.

1. PENDAHULUAN

Salah satu kegiatan yang dilakukan Lapan adalah pengembangan roket yang dilakukan di kedeputian Teknologi Dirgantara. Roket bisa digunakan untuk keperluan penelitian dan untuk keperluan senjata. Roket untuk penelitian meliputi roket cair dan roket padat. Roket padat berbahan bakar komposit dengan fuel hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) dan oksidator amonium perklorat (AP, NH4ClO4).

Fin Folded Aerial Rocket (FFAR) adalah roket senjata yang digunakan oleh TNI. Roket ini menggunakan bahan bakar dengan komposisi utama nitroselulos (NC) dan nitrogliserin (NG). Pembuatan roket ini telah dilakukan sejak 1981 di dalam negeri dengan komponen lokal dan impor. Pembuatan roket ini dengan teknologi lisensi dari Belgia. Komponen roket yang tidak mudah didapatkan di dalam negeri adalah bahan bakar dan bahan-bahan penyusunnya. Komponen bahan bakar ini dalam proses pengadaannya mendapat pengawasan yang ketat oleh dunia internasional.

Bahan bakar adalah komponen yang vital bagi roket, sedang komponen lainnya mudah diperoleh di dalam negeri. Namun begitu tidak banyak penelitian yang mengembangkan bahan bakar, maka Lapan mencoba melakukan penelitian tersebut. Hal ini dilakukan karena bahan, alat, dan sarana murah dan mudah diperoleh.

Makalah ini menyajikan penelitian pembuatan nitrogliserin sebagai salah satu komponen utama bahan bakar roket FFAR. Pembuatan nitrogliserin dilakukan dengan cara proses nitrasi terhadap gliserin dalam media asam sulfat. Penelitian ini dilakukan dengan menentukan rasio optimal antara asam sulfat-asam nitrat, asam nitrat-gliserin, suhu reaksi, dan waktu reaksi untuk menghasilkan nitrogliserin yang maksimal.

2. TINJAUAN PUSTAKA2.1.Nitrogliserin

Tahun 1846 ahli kimia yang berasal dari italy Ascanio Sobrero berhasil membuat nitrigliserin dengan cara nitrasi langsung gliserin menggunakan asam nitrat pekat dalam media asam sulfat berdasarkan reaksi di bawah (gambar 1). Secara komersial diproduksi oleh Alfred Nobel pada tahun 1884. Dia membuat flegmtisasi nitrogliserin (mengisi interstisi dengan inert plasticizer) yang lebih sensitif terhadap gesekan mekanis yang secara luas digunakan untuk dinamit dalam aplikasi pertambangan.

CH2OH

CHOH

CH2OHGliserin

+ 3HNO3

H2SO4

CH2ONO2

CHONO2

CH2ONO2

Nitrogliserin

+ 3H2O

Gambar 1. Reaksi nitrasi gliserin

Analisis hasil NG bisa dilakukan secara langsung atau tak langsung. Analisis langsung dilakukan dengan menguji secara kimia terhadap hasil NG. Sedang analisis tak langsung bisa dilakukan dengan reaktan sebelum dan sesudah proses pembuatan. Selain itu analisis tak langsung juga dilakukan dengan merubah NG menjadi hasil lain, sebagaimana dilakukan Fainer mereduksi NG menjadi bahan lain dengan berbagai metode.

2.2.Sifat-sifat Nitrogliserin

Tabel 1. sifat kimia nitrogliserinRumus kimia C3H5N3O9

Struktur molekul CH2ONO2

CHONO2

CH2ONO2

Berat molekul 227.09Densitas 1.59 g/mlTekanan uap 0.00026 mm of Hg at 20oC

Kelarutan dalam air 1.95 g/L (Rosenblatt)1.25 g/L (Windholz)

Panas detonasi 218oCTitik lebur 2.8oC (bentuk kristal labile)

13.5oC (bentuk kristal stable)Tabel 1. di atas menyajikan sifat-sifat kimia nitrgliserin. Sifat-sifat lainnya adalah sebagai berikut :

Memiliki banyak nama, diantaranya gliserin trinitrat Cairan kental seperti minyak, sangat ekxplosif Tidak berwarna, tak larut dalam air, larut dalam eter, aseton, bensena, kloroform Aroma saat terbakar manis dan agak beracun Strukturnya memiliki dua bentuk kristal Terdekomposisi dengan ledakan keras saat ada panas atau guncangan Kecepatan ledakan 7700 m /dt Suhu dekomposisi 50-60 °C Indeks bias pada suhu 15oC adalah 1,3751

2.3.Penggunaan Nitrogliserin

Nitrogliserin yang dikenal secara kimia sebagai 1,2,3-propanatriol trinitrat atau gliserol trinitrat adalah eksplosiv. Nitrogliserin bila dicampur dengan bahan lain akan menghasilkan bahan bakar roket double base atau triple base dan digunakan dalam roket senjata atau proyektil. Nitrogliserin juga digunakan sebagai komponen bubuk bebas asap (smokeless powder). Dalam bidang kesehatan nitrogliserin digunakan untuk memperlebar labu darah (blood vessel) terutama untuk menenangkan kejang jantung (angina pectoris).

3. PERCOBAAN

3.1. Bahan-bahan

Bahan-bahan yang digunakan meliputi Asam nitrat teknis Asam sulfat teknis Gliserin teknis Natrium bikarbonat Kertas lakmus / kertas pH Akuades dan air panas

3.2. Alat-alat

Peralatan pokok yang digunakan meliputi Freezer untuk menghasilkan air dingin suhu di bawah 15oC Labu leher-3 sebagai reaktor

Corong pisah / corong biasa Termokopel / termometer Pencatat waktu Pengaduk konvensional

3.3. Cara Kerja

Pembuatan nitrogliserin dilakukan dengan langkah sebagai berikut : Susunlah peralatan untuk percobaan agar siap digunakan Kondisikan reaktor pada suhu di bawah 15oC Masukkan asam sulfat kedalam reaktor dan pengaduk dihidupkan Masukkan tetes demi tetes asam nitrat dan jaga suhu tetap di bawah 15oC Masukkan tetes demi tetes gliserin dan jaga suhu tetap di bawah 15oC Setelah 15 menit matikan pengaduk, biarkan hingga waktu reaksi1 jam Pisahkan hasil dan netralkan

4. HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

Tabel 1 di bawah ini menyajikan variasi rasio S/N terhadap hasil NG. Tabel 2 menyajikan variasi rasio N/G pada rasio S/N maksimum. Tabel 3 merupakan variasi periode reaksi pada rasio optimum.

Tabel 1. Rasio S/N pada rasio N/G tetapRasio S/N Gram NG Rasio S/N Gram NG0,56 3,08 1,10 18,740,63 3,94 1,23 21,570,71 6,12 1,41 22,90,78 7,68 1,76 20,680,85 11,23 2,12 17,81

Tabel 2. Variasi rasio N/G pada rasio S/N maksimumRasio N/G Gram NG Rasio N/G Gram NG2 3,42 7 163 22,9 8 19,334 22,02 9 16,525 24,12 10 21,496 24,08 11 8,40

Tabel 3. Variasi periode reaksi terhadap Hasil NGPeriode reaksi Gram NG Periode reaksi Gram NG1 jam 24,12 3 jam 19,002 jam 22,12 4 jam 24,33

Gambar 1 di bawah ini memperlihatkan kurva NG hasil nitrasi pada variabel rasio asam sulfat-asam nitrat (S/N) pada rasio N/G tetap. Gambar 2 memperlihatkan kurva NG dengan variabel pada variasi asam nitrat-giserin (N/G) pada rasio S/N maksimum. Gambar 3 memperlihatkan kurva NG dengan variabel lama waktu reaksi pada rasio S/N dan N/G maksimum. Gambar 4 menunjukkan nyala pembakaran NG di yang diletakkan kedalam

spatula dengan pemanasan dari bawah spatula. Tidak dilakukan penyalaan langsung api kepada NG.

Gambar 5 (terlampir) adalah kurva Fourier Transfor Infrared (FTIR) untuk nitrogliserin hasil sintesis melalui reaksi nitrasi. Tabel 1 menyajikan komposisi reaktan nitrasi gliserol. Uji kualitas pembuatan nitrogliserin dilakukan untuk menunjukkan adanya NG hasil reaksi nitrasi. Dari uji dengan FTIR, menunjukkan bahwa adanya puncak gugus nitro pada daerah 1390-1260 cm-1. Maka disimpulkan bahwa reaksi nitrasi gliserin telah menghasilkan NG. Selanjutnya uji kuantitas dilakukan dengan mengukur banyaknya reaktan sebelum dan sesudah reaksi.

Gram NG Vs Rasio S/N

3

8

13

18

23

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Rasio S/N

Gra

m N

G

Gambar 1. NG sebagai fungsi rasio S/N

Gram NG Rasio N/G

3

8

13

18

23

1 2 3 4 5 6 7 8 9Rasio N/G

Gra

m N

G

Gambar 2. NG sebagai fungsi rasio N/G

Gambar 4. Nyala pembakaran NG

Gram NG Vs lama waktu reaksi

18

19

20

21

22

23

24

25

1 2 3 4lama waktu reaksi, jam

gram

NG

Gambar 3. NG sebagai fungsi waktu reaksi

Gambar 5 di bawah ini memperlihatkr yang digunakan dalam pembuatan NG yang terlihat pengaduk dan rekator dengan freezer terlihat sedikit di samping sebelah kanan.

Gambar 5. Rangkaian peralatan proses nitrasi gliserin atau nitrasi selulos

Tabel 1. Komposisi reaktan nitrasi gliserinDensitas, gr/cc

Kadar, %Sebelum

Kadar %Sesudah

Vol real reaksi, ml

Mol awal Mol sisa

Alat Pembuatan Nitrogliserin dan Nitroselulos

HNO3 1.392 17,5 5,976 39 0.86 0,13H2SO4 1.827 31 6,912 66 1,23 1,23

Gliserol 1.27 8 - 15 0,21 -

Kadar masing-masing sebelum dicampur adalah 54,3% (asam nitrat), 56% (asam sulfat), 66,25% (gliserin). Kadar dalam tabel 1 di atas adalah kadar secara keseluruhan dengan air terlibat di dalamnya. Terlihat bahwa gliserin yang digunakan jauh lebih sedikit dibanding asam nitrat, sehingga reaksi nitrasi bisa berlangsung sempurna dan gliserin akan habis bereaksi menghasilkan nitrogliserin. Dari tabel 1 dapat dihitung, HNO3 yang digunakan adalah tiga kali mol gliserin yaitu 0,63 mol. Banyaknya gliserol yang digunakan sama dengan banyaknya nitrogliserin yang terbentuk.

Nitrat yang digunakan sebanyak 0,73 mol, dan bereaksi dengan gliserin sebesar 0,73/3=0,24 mol, lebih besar dari pada mol gliserin, dan dikatakan reaksi telah berlangsung sempurna. Dengan kata lain semua gugus hidrogen -H dalam gliserin telah disubstitusi oleh gugus –NO2, sehingga kadar N mencapai maksimum, yaitu (BM Nitrogen dibagi BM NG=227)= 18,5%.

Dari gambar 3, nampak bahwa makin banyak waktu makin berkurang hasil NG. Ini kemungkinan reaksi adalah reversibel dalam arti dengan bertambahnya waktu hasil reaksi akan mengalami dekomposisi menjadi reaktan, demikian seterusnya reaktan akan maksimum dan berjalan lagi menghasilkan NG. Dengan melihat mol gliserin, maka banyaknya NG yang terbentuk adalah 0,21 x 227 = 47,67 gr. Dari sini nampak bahwa reaksi sempurna tercapai kurang daripada satu jam. Andaikan kecepatan reaksi maju (arah pembentukan produk) dan mundur (arah dekomposisi produk) adalah sama, maka laju pembentukan NG adalah (47,67 / 71,8)x60 menit = 40 menit. Jadi, reaksi sempurna berlangsung selama 40 menit, sehingga dikatakan NG telah mengalami dekomposisi menyisakan 24,12 gram. Dengan hasil ini kadar konversi hanya 51% dengan kadar N 9,43%.

Dari gambar 1 nampak jelas perubahan banyaknya NG sebagai variasi rasio S/N, yaitu hasil maksimum 23 gram dicapai pada rasio S/N=1,4. Pada rasio S/N ini memberikan rasio N/G optimal =5 dengan hasil NG=24 gram (lihat gambar 2). Pada gambar 3 di atas, reaksi selama 1 jam menghasilkan 24 gram NG paling banyak dibanding waktu-waktu lainnya.

Gambar 4, adalah nyala bakar nitrogliserin. Ini dilakukan dengan menaruh nitrogliserin dalam sendok kecil (spatula stainless) yang dipanasi dari arah bawah (api dan sampel NG tidak terjadi kontak), sehingga nitrogliserin terbakar dengan nyala menjilat. Nyala yang menjilat ini khas untuk nyala propelan atau bahan eksplosif. Uji ini dilakukan tanpa menggunakan bahan standar sebagai pembanding karena sangat sulit mendapatkan bahan nitrogliserin standar di pasaran. Bahan-bahan ini termasuk dalam pengawasan ketat peredarannya.

5. KESIMPULANDari uraian terhadap data hasil yang diperoleh dalam penelitian di sini dapat ditarik

kesimpulan sebagai berikut : Nitrogliserin dapat dihasilkan melalui reaksi nitrasi terhadap gliserin dalam media

asam sulfat pada suhu di bawah 15oC selama waktu reaksi 40 – 60 menit. Kondisi reaksi optimal untuk menghasilkan nitrogliserin maksimal adalah rasio asam

sulfat-asam nitrat = 1,41, rasio asam nitrat-gliserin =5 Uji kualitas terhadap nitrogliserin yang dihasilkan dengan menggunakan Fourier

Transfor Infrared menunjukkan puncak-puncak serapan gugus nitro (-NO2) yang ada dalam nitrogliserin.

Uji bakar menunjukkan nyala yang menjilat yang khas untuk sifat-sifat fisik bahan bakar roket (propelan).

Kadar Nitrogen 18,5% dicapai dengan reaksi sempurna selama 40 menit, sedang reaksi yang berlangsung 1 jam memberikan kadar NG 51% dengan kadar N 9,43%. Untuk mencapai kadar maksimum maka reaksi dijalankan selama 40 menit.

DAFTAR PUSTAKASally Yost. 2004, Effects of Redox Potential and pH on the Fate of Nitroglycerine in a

Surface and Aquifer Soil (Thesis), Purdue Universityhttp://www.bumn-ri.com/news.detail.html?news_id=19024, PT Dirgantara Produksi 10.000

Roket FFARFordham, S., 1980, High Explosives and Propellants, Edisi II, Pergamon Press, Englandwww.enegrgetic_material.com, An Introduction to Energetic materials, SNPE ParisRinkenbach, W.H., Analysis of Mixtures of Aliphatic Nitrates by Means of the

Refractometer, Irtd. Ertg. Chem., 1927, 19, 1291-1292Fainer, P, 1950, The Reduction of Nitroglycerine with Titanous Sulphate, the Defcnce

Research Board, Canadian Artnnment Research and Derielopment Estabbishnrent,.SARAN-SARAN

Perlu melakukan penelitian lebih lanjut dengan periode reaksi 40 menit dan menentukan kadar hasil dan kadar N.

Perlu melakukan penelitian pada suhu di bawah 5oC untuk pencampuran kedua asam, diharapkan pada suhu ini banyaknya nitro maksimum untuk substitusi gugus H dalam gliserin.

DISKUSI

Bambang G SasmitoPertanyaanPenelitian ini sesuatu awal yang sangat baik untuk membuat propelan senjata. Apakah penelitian ini akan dilanjutkan dengan studi kelayakan secara teknis dan ekonomis untuk mendirikan pabrik ini di masa yang akan datang ? Belum dijelaskan dalan penelitian ini, bagaimana dengan konstruksi alat penelitian yang digunakan?

JawabPembuatan NG disini masih sebatas skala laboratorium. Untuk studi kelayakan produksi baik secara teknis atau ekonomis belum dilakukan. Secara teknis untuk memproduksi bahan ini mudah dan murah, namun untuk memenuhi kebutuhan aplikasi, perlunya produksi NG mengarah kepada specisifasi tertentu. Misalnya spek NG yang digunakan bidang munisi, akan kemungkinan berbeda dengan yang digunakan untuk peroketan atau untuk kesehatan. Mengenai aspek ekonomi, saya rasa kebutuhan dalam negeri masih sebatas menengah (belum banyak) sehingga kalau dilakukan produksi secara nasional belum tentu menguntungkan. Selain itu secara militer kebutuhan ini bersifat strategis, artinya pertahanan negara adalah mutlak dilakukan. Oleh karena itu meski kurang menguntungkan secara ekonomis, pemenuhan kebutuhan ini tetap dilakukan, efek dari pemenuhan kebutuhan ini akan berdampak secara tidak langsung pada kebutuhan-kebutuhan lainnya.Mengenai konstruksi alat penelitiannya, sangat sederhana sekali hanya sebuah reaktor labu leher tiga yang dikondisikan dalam air dingin, yang mana air dingin dihasilkan /dialirkan dari dalam freezer. Setelah tercapai suhu rendah (15oC) baru reaksi dijalankan.

Damunir

PertanyaanApakah pada campuran gliserin dengan asam nitrat, asam sulfat tidak terjadi peledakan ?

JawabBelum pernah terjadi peledakan dalam pelaksanaan penelitian selama ini. Memang pernah sekali kejadian tapi bukan peledakan, yaitu saat campuran reaksi masih berlangsung tiba-tiba timbul buih yang sangat banyak bahkan meluap sampai keluar dari reaktor (labu leher tiga). Ini terjadi saat suhu mendadak naik di atas 30oC. Waktu itu memang untuk membuat suasana dingin dalam reaktor, reaktor dimasukkan dalam air es, yang mana air es ini dibuat dengan chealler. Sejak kejadian tersebut fungsi chealler digantikan dengan freezer (yang berkemampuan mencapai suhu 30oC di bawah nol) dengan air es dialirkan dari dalam freezer, selain itu disiapkan es untuk mengantisipasi jika suhu mendadak naik.