TUGAS KIMIA UNSUR KEGUNAAN ATOM HIDROGEN SHALAHUDIN NUR AYYUBI| 1412100114| KELAS B DOSEN PENGAMPU :...

TUGAS KIMIA UNSUR KEGUNAAN ATOM HIDROGEN

SHALAHUDIN NUR AYYUBI| 1412100114| KELAS B

DOSEN PENGAMPU : DJOKO HARTANTO, M.Si.

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2014

TUGAS KIMIA UNSUR KELAS B

SHALAHUDIN NUR AYYUBI 1

SEJARAH DAN PENEMUAN HIDROGEN

Gas hidrogen, H2, pertama kali dihasilkan secara artifisial oleh T. Von Hohenheim

(dikenal juga sebagai Paracelsus, 1493–1541) melalui pencampuran logam dengan asam

kuat. Dia tidak menyadari bahwa gas mudah terbakar yang dihasilkan oleh reaksi kimia ini

adalah unsur kimia yang baru. Pada tahun, Robert Boyle menemukan kembali dan

mendeskripsikan reaksi antara besi dan asam yang menghasilkan gas hidrogen. Pada tahun

1766, Henry Cavendish adalah orang yang pertama mengenali gas hidrogen sebagai zat

diskret dengan mengidentifikasikan gas tersebut dari reaksi logam-asam sebagai "udara

yang mudah terbakar". Pada tahun 1781 dia lebih lanjut menemukan bahwa gas ini

menghasilkan air ketika dibakar. Pada tahun 1783, Antoine Lavoisier memberikan unsur

ini dengan nama hidrogen (dari Bahasa Yunani hydro yang artinya air dan genes yang

artinya membentuk) ketika dia dan Laplace mengulang kembali penemuan Cavendish yang

mengatakan pembakaran hidrogen menghasilkan air.

KELIMPAHAN DI ALAM

Hidrogen adalah unsur yang paling melimpah di alam semesta ini dengan

persentase 75% dari barion berdasarkan massa dan lebih dari 90% berdasarkan jumlah

atom. Unsur ini ditemukan dalam kelimpahan yang besar di bintang-bintang dan planet-

planet gas raksasa. Awan molekul dari H2 diasosiasikan dengan pembentukan bintang.

Hidrogen memainkan peran penting dalam pemberian energi bintang melalui reaksi

proton-proton dan fusi nuklir daur CNO.

Dalam keadaan normal di bumi, unsur hidrogen berada dalam keadaan gas diatomik,

H2 (. Namun, gas hidrogen sangatlah langka di atmosfer bumi (1 ppm berdasarkan volume)

oleh karena beratnya yang ringan yang menyebabkan gas hidrogen lepas dari gravitasi

bumi. Walaupun demikian, hidrogen masih merupakan unsur paling melimpah di

permukaan bumi ini. Kebanyakan hidrogen bumi berada dalam keadaan bersenyawa

dengan unsur lain seperti hidrokarbon dan air. Gas hidrogen dihasilkan oleh beberapa jenis

bakteri dan ganggang dan merupakan komponen alami dari kentut. Penggunaan metana

sebagai sumber hidrogen akhir-akhir ini juga menjadi semakin penting.



SIFAT HIDROGEN

Hidrogen merupakan unsur pertama dalam tabel periodik. Dalam kondisi normal,

hidrogen merupakan gas yang tidak berbau dan tidak berwarna yang dibentuk oleh molekul

diatomik, H2.

Atom hidrogen, simbol H, dibentuk oleh inti dengan satu unit muatan positif dan

satu elektron. Nomor atom hidrogen adalah 1 dan berat atom 1,00797 g/mol.

Hidrogen merupakan salah satu unsur utama dalam air dan semua bahan organik

serta tersebar luas tidak hanya di bumi tetapi juga di seluruh alam semesta.

Terdapat tiga isotop hidrogen yaitu protium, massa 1, ditemukan di lebih dari

99.985% unsur alami; deuterium, massa 2, ditemukan di alam sekira 0,015%; dan tritium,

massa 3, yang muncul dalam jumlah kecil di alam, tetapi dapat diproduksi secara artifisial

oleh berbagai reaksi nuklir.

Hidrogen memiliki berat molekul 2,01594 g. Dalam bentuk gas, hidrogen memiliki

kerapatan 0,071 g/l pada 0 ºC dan 1 atm.

Kepadatan relatif hidrogen dibandingkan udara adalah 0,0695. Hidrogen adalah yang

paling mudah terbakar dari semua zat yang dikenal.

Atom hidrogen adalah agen reduktif kuat, bahkan pada suhu kamar. Unsur ini

bereaksi dengan oksida dan klorida berbagai logam, seperti perak, tembaga, timbal, bismut

dan merkuri, untuk menghasilkan logam bebas.

APLIKASI ATOM HIDROGEN

1) MANFAAAT ATOM HIDROGEN DALAM PEMBUATAN AMONIA DENGAN

PROSES HABER BOSCH

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan

reaksi ke kanan (pembentukan NH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi,

reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC

sekalipun. Dilain pihak, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan



mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar

500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur

dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O. Seiring dengan kemajuan teknologi,

digunakanlah tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk

mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula

campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai

tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan

yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-

bosch untuk sintesis amonia :

Gambar 1. Diagram alur dari proses Haber-Bosch

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz

Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan

amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang

insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah :

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4Kj Pada 25oC : Kp = 6,2×105

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk

ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi.



Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada

suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu

akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu

sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi

dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O.

Reaksi kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm

lebih baik jika suhu diturunkan, tetapi jika suhu diturunkan maka reaksi berjalan sangat

lambat . Amonia punya berat molekul 17,03. Amonia ditekanan atmosfer fasanya gas.

Titik didih Amonia -33,35 oC, titik bekunya -77,7 oC, temperatur & tekanan kritiknya

133 oC & 1657 psi. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25

oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13

kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan

tekanan 150-300 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) dapat digambarkan

pada data berikut :

Kondisi Optimum Pembuatan NH3

Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ

1. Suhu

1. Reaksi bersifat eksoterm

2. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan.

3. Kendala:Reaksi berjalan lambat 400-600Oc

2. Tekanan

1. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk.

2. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan.

3. Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan pada

150-300 atm



3. Konsentrasi

Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan

4. Katalis

Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara

keseluruhan

Fe dengan campuran Al2O3 KOH dan garam lainnya

Pengaruh katalis pada sistem kesetimbangan adalah dapat mempercepat terjadinya reaksi

kekanan atau kekiri, keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat tetapi 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 agar cepat tercapai suatu produk.

Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi memberikan mekanisme suatu

reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi

lebih rendah menyebabkan maka lebih banyak partikel yang memiliki energi kinetik yang

cukup untuk mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan

bertambah sehingga laju meningkat.

Dengan kemajuan teknologi sekarang digunakan tekanan yang jauh lebih besar,

bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk

segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi

(dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas

dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia.

Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis ammonia.

Langkah pertama dalam proses ini adalah untuk membuat kapur dari batu kapur:



Gambar 2. Proses pembuatan kapur dari batu kapur

CaCO3 + heat → CaO + CO2

ini kemudian dipanaskan dengan batu bara dalam lingkungan anoxic untuk membuat

Calcium Carbide:

CaO + 3C + heat → CaC2 + CO

Penetapan nitrogen yang sebenarnya berasal dari reaksi Kalsium Carbide dengan Nitrogen

murni, sehingga proses ini menjadi industri praktis itu diperlukan proses Linde fraksinasi

dari udara cair. Reaksi berlangsung pada 2atm atau ~ 0.2MPa, dipanaskan dengan melalui

pemanasan ohmik dari batang Carbon:

CaC2 + N2 → CaCN2 + C

Akhirnya dalam upaya untuk membuat Amoniak, Kalsium sianamida dicampur

dengan air dan NaOH (sebagai katalis) untuk hidrolisis:

CaCN2 + H2O → 2NH3 + CaCO3

Kalsium Karbonat dapat dengan mudah dipisahkan karena merupakan solid, dan Amonia

dapat disuling, memungkinkan NaOH untuk didaur ulang kembali untuk lebih hidrolisis.



Kontras ini dengan proses Haber-Bosch untuk membuat Amonia, yang pada saat itu

diperlukan banyak seperator udara cair yang sama serta seperator elektrolit untuk

menghasilkan hidrogen dan tekanan yang lebih tinggi katalitik reaktor:

Gambar 3. Finally Step

Dengan hanya melihat itu kita melihat bahwa, sebagai cara untuk membuat Amoniak,

proses Haber-Bosh adalah jauh lebih sederhana. Karena tidak memerlukan beberapa

tungku dan langkah-langkah perantara memproduksi sianamida biaya operasional harus

lebih rendah (dengan asumsi satu memiliki sistem elektrolisis efisien untuk hidrogen).

Tentu saja reaktor amoniak membutuhkan katalis dan recycle sistem mahal karena single

pass tidak terlalu efisien.

2) MANFAAT HIDROGEN DALAM PROSES PERENGKAHAN HIDROGEN ATAU

HYDROCRACKING

Pengertian Hydrocracking

Hydrocracking merupakan proses dua tahap menggabungkan catalytic cracking dan

hidrogenasi, dimana bahan baku yang lebih berat akan terpecahkan dengan adanya

hidrogen untuk menghasilkan produk yang lebih diinginkan. Proses ini menggunakan

tekanan tinggi, suhu tinggi, katalis, dan hidrogen. Hydrocracking digunakan untuk bahan

baku yang sulit untuk diproses, baik dengan catalytic cracking atau reformasi, karena bahan



baku ini biasanya ditandai dengan kandungan aromatik polisiklik tinggi dan / atau

konsentrasi tinggi dari dua racun katalis utama, sulfur dan senyawa nitrogen.

Proses hydrocracking sangat tergantung pada sifat dari bahan baku dan tingkat relatif dari

kedua reaksi, hidrogenasi dan cracking. Bahan baku aromatik dengan molekul yang berat

diubah menjadi produk yang lebih ringan dengan berbagai tekanan yang sangat tinggi

(1000-2000 psi) dan temperatur yang cukup tinggi (750 ° -1500 ° F), dengan adanya

hidrogen dan katalis khusus. Ketika bahan baku memiliki kandungan parafin tinggi, fungsi

utama dari hidrogen adalah untuk mencegah pembentukan senyawa aromatik polisiklik.

Peran penting hidrogen dalam proses hydrocracking adalah untuk mengurangi

pembentukan tar dan mencegah penumpukan coke di katalis. Hidrogenasi juga berfungsi

untuk mengkonversi senyawa sulfur dan nitrogen dalam bahan baku untuk hidrogen sulfide

dan amonia.

Proses Hydrocracking

Pada tahap pertama, bahan baku dipanaskan lalu dicampur dengan hidrogen daur ulang dan

dikirim ke reaktor tahap pertama, di mana katalis mengkonversi senyawa sulfur dan

nitrogen untuk menjadi hidrogen sulfida dan amonia. Setelah hidrokarbon meninggalkan

tahap pertama, kemudian didinginkan hingga cair dan dijalankan melalui pemisah

hidrokarbon. Hidrogen didaur ulang untuk bahan baku. Cairan dibebankan pada sebuah

fractionator. Tergantung pada produk yang diinginkan (bensin komponen, bahan bakar jet,

dan minyak gas), fractionator dijalankan untuk memotong beberapa bagian dari keluaran

reaktor tahap pertama. Range minyak tanah material dapat diambil sebagai produk samping

imbang terpisah atau termasuk dalam dasar fractionator dengan minyak gas.

Bagian bawah fractionator yang dicampur lagi dengan aliran hidrogen dan dibebankan

pada tahap kedua. Karena bahan ini telah mengalami beberapa hidrogenasi, cracking, dan

reformasi dalam tahap pertama, operasi tahap kedua yang lebih tinggi (suhu yang lebih

tinggi dan tekanan). Seperti tenaga mesin dari tahap pertama, tahap kedua produk

dipisahkan dari hidrogen dan dibebankan fractionator tersebut. Berikut data umpan dan

produk dari proses hydrocracking.



Tabel 1. Umpan dan Produk Hydrocracking

Proses hydrocracking dapat digambarkan dengan skema sebagai berikut :

Gambar 4. Proses Hydrocracking

Bersamaan dengan proses hydrocracking, impurities yang terkandung dalam feed, seperti

senyawa sulfur, nitrogen, oksigen, halide, dan metal juga dihilangkan. Selain itu senyawa

olefin juga dijenuhkan.

- Penghilangan sulfur dilakukan dengan cara mengubah senyawa sulfur organic menjadi

hydrogen sulfide dan hydrocarbon.



- Penghilangan nitrogen dilakukan dengan cara mengubah senyawa nitrogen organic

menjadi ammonia dan hydrocarbon.

- Penghilangan oksigen dilakukan dengan cara mengubah senyawa oksigen organic

menjadi air dan hydrocarbon

- Penghilangan halida dilakukan dengan cara mengubah senyawa halide menjadi chloride

acid dan hydrocarbon.

- Penjenuhan olefin dilakukan dengan cara meng-hydrogenasi senyawa olefin menjadi

parafin. Tujuan penjenuhan olefin adalah untuk peningkatan stabilitas produk saat

penyimpanan (warna dan sediment).

- Penghilangan metal : senyawa organik metal akan terdekomposisi dan metal akan secara

permanen diserap atau beraksi dengan katalis. Metal ini merupakan racun katalis yang

permanen (tidak dapat dihilangkan).

Semua reaksi di atas bersifat eksotermis sehingga temperatur akan naik saat feed melewati

unggun katalis (catalyst bed). Urutan kemudahan reaksi yang terjadi di hydrocracking

adalah sebagai berikut (mulai dari yang paling mudah hingga yang paling susah) :

- Penghilangan logam

- Penjenuhan olefin

- Penghilangan sulfur

- Penghilangan nitrogen

- Penghilangan oksigen

- Penjenuhan cincin (heteroaromatic → multiring aromatic → monoaromatic)

- Cracking naphthene (multiring naphthene → mono naphthene)

- Cracking paraffin



Berikut urutan reaksi hydrocracking pada reactor hydrocracker.

Gambar 5. Urutan reaksi hydrocracker

Katalis Hydrocracking

Katalis yang digunakan dalam proses hydrocracking adalah bi-functional catalyst

(mempunyai dua fungsi, yaitu metal function dan acid function). Metal function digunakan

untuk sulfur removal, nitrogen removal, olefin saturation, dan aromatic saturation.

Sedangkan acid function digunakan untuk hydrocracking. Berkaitan dengan katalis

hydrocracking, dikenal istilah supports dan promoters, dimana supports menyediakan acid

fuction sedangkan promoters menyediakan metal function. Umumnya katalis

hydrocracking dikelompokkan menjadi 2 tipe berdasarkan support-nya, yaitu amorphous

dan zeolite. Tipe amorphous digunakan jika diinginkan maksimasi produk distilat

(kerosene dan diesel), sedangkan tipe zeolite digunakan jika diinginkan maksimasi produk

naphtha.

3) MANFAAT HIDROGEN DALAM PEMBUATAN METANOL

Saat ini, gas sintesis umumnya dihasilkan dari metana yang merupakan komponen dari

gas alam. Terdapat tiga proses yang dipraktekkan secara komersial.

Pada tekanan sedang 1 hingga 2 MPa (10–20 atm) dan temperatur tinggi (sekitar

850 °C), metana bereaksi dengan uap air (steam) dengan katalis nikel untuk menghasilkan

gas sintesis menurut reaksi kimia berikut:

CH4 + H2O → CO + 3 H2



Reaksi ini, umumnya dinamakan steam-methane reforming atau SMR, merupakan

reaksi endotermik dan limitasi perpindahan panasnya menjadi batasan dari ukuran reaktor

katalitik yang digunakan.

Metana juga dapat mengalami oksidasi parsial dengan molekul oksigen untuk

menghasilkan gas sintesis melalui reaksi kimia berikut:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Reaksi ini adalah eksotermik dan panas yang dihasilkan dapat digunakan secara in-

situ untuk menggerakkan reaksi steam-methane reforming.

Ketika dua proses tersebut dikombinasikan, proses ini disebut sebagai autothermal

reforming. Untuk menghasilkan stoikiometri yang sesuai dalam sintesis methanol, rasio

CO and H2 dapat diatur dengan menggunakan reaksi perpindahan air-gas (the water-gas

shift reaction):

CO + H2O → CO2 + H2,

Karbon monoksida dan hidrogen kemudian bereaksi dengan katalis kedua untuk

menghasilkan metanol.

Saat ini, katalis yang umum digunakan adalah campuran tembaga, seng oksida, dan

alumina, yang pertama kali digunakan oleh ICI di tahun 1966. Pada 5–10 MPa (50–100

atm) dan 250 °C, ia dapat mengkatalisis produksi metanol dari karbon monoksida dan

hidrogen dengan selektifitas yang tinggi:

CO + 2 H2 → CH3OH

Sangat perlu diperhatikan bahwa setiap produksi gas sintesis dari metana

menghasilkan 3 mol hidrogen untuk setiap mol karbon monoksida, sedangkan sintesis

metanol hanya memerlukan 2 mol hidrogen untuk setiap mol karbon monoksida.

Salah satu cara mengatasi kelebihan hidrogen ini adalah dengan menginjeksikan

karbon dioksida ke dalam reaktor sintesis metanol, dimana ia akan bereaksi membentuk

metanol sesuai dengan reaksi kimia berikut:

CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O

Walaupun gas alam merupakan bahan yang paling ekonomis dan umum digunakan

untuk menghasilkan metanol, bahan baku lain juga dapat digunakan.



Ketika tidak terdapat gas alam, produk petroleum ringan juga dapat digunakan. Di Afrika

Selatan, sebuah perusahaan (Sasol) menghasilkan metanol dengan menggunakan gas

sintesis dari batu bara.

Gambar 6. Proses pembuatan metanol

TUGAS KIMIA UNSUR KEGUNAAN ATOM HIDROGEN SHALAHUDIN NUR AYYUBI| 1412100114| KELAS B DOSEN PENGAMPU :...

Documents

Transcript of TUGAS KIMIA UNSUR KEGUNAAN ATOM HIDROGEN SHALAHUDIN NUR AYYUBI| 1412100114| KELAS B DOSEN PENGAMPU :...