Banyak proses
industri zat kimia yang didasarkan pada reaksi kesetimbangan. Agar efesien,
kondisi reaksi haruslah diusahakan sedemikian sehingga menggeser kesetimbangan
ke arah produk dan meminimalkan reaksi balik. Dalam reaksi kesetimbangan,
produk yang dihasilkan tidak efektif karena dapat membentuk kembali pereaksi.
Untuk menghasilkan produksi yang maksimal diperlukan pengetahuan untuk
menggeser posisi kesetimbangan ke arah produk.
1. Reaksi
Kesetimbangan pada Industri Amonia Dan Pembuatan Amonia
Nitrogen
terdapat melimpah di udara, yaitu sekitar 78% volume. Walaupun demikian,
senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam. Satu-satunya sumber alam yang
penting ialah NaNO3 yang disebut Sendawa Chili. Sementara itu, kebutuhan
senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya untuk industri pupuk, dan bahan
peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen, fiksasi nitrogen
buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode yang utama adalah
mereaksikan nitrogen dengan hidrogen membentuk amonia. Selanjutnya amonia dapat
diubah menjadi senyawa nitrogen lan seperti asam nitrat dan garam nitrat.
Dasar
teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen 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.
Amonia
merupakan bahan dasar untuk pembuatan pupuk, sebagai pelarut, pembersih, dan
banyak lagi produk sintetik yang menggunakan bahan dasar amonia. Amonia
disintesis dari gas N2 dan H2 melalui proses Haber
seperti ditunjukkan pada Gambar 5.11, reaksinya membentuk kesetimbangan. Secara
termokimia, pembentukan amonia bersifat eksotermis.
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. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan
eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen.
Dewasa ini, seiring dengan kemajuan teknologi, 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 sintentis amonia (proses Haber)
Gambar 5.11 Diagram
sintentis amonia (proses Haber)
Masalah utama sintesis amonia adalah bagaimana menggeser posisi
kesetimbangan ke arah kanan agar dihasilkan amonia semaksimal mungkin. Saran
pertama tentu pereaksi harus dipasok terus menerus agar posisi kesetimbangan
bergeser ke arah pembentukan amonia. Saran kedua, suhu dan tekanan sistem harus
optimal.
a.
Optimasi Suhu.
Oleh karena pembentukan amonia bersifat
eksoterm maka untuk mengoptimalkan produksi amonia, suhu reaksi harus tinggi
atau rendah? Tentunya harus rendah karena suhu reaksi yang tinggi akan
menggeser kesetimbangan ke arah reaksi endoterm (penguraian amonia). Jika suhu
terlalu rendah, reaksi berlangsung sangat lambat (hampir tidak bereaksi). Jika
suhu terlalu tinggi, reaksi bergeser ke arah penguraian amonia. Jadi, bagaimana
cara yang efektif dan efisien? Dalam kasus seperti ini, perlu ditentukan suhu
optimum (tidak terlalu tinggi, juga tidak terlalu rendah). Hasil penyelidikan
menunjukkan bahwa suhu optimum pembentukan amonia sekitar 4500C–5000C.
Selain optimasi suhu, tekanan juga
perlu dioptimasi, mengapa? Ini dikarenakan sintesis amonia melibatkan fasa gas
dan rasio stoikiometri antara pereaksi dan hasil reaksi tidak sama. Koefisien
reaksi pembentukan amonia lebih kecil dari koefisien pereaksi sehingga tekanan
harus tinggi. Dalam praktiknya, tekanan yang diterapkan sekitar 250 atm.
Tekanan yang diterapkan tidak lebih tinggi dikarenakan semakin tinggi tekanan
maka diperlukan peralatan yang sangat kuat agar tidak terjadi ledakan. Hal ini
berkaitan dengan teknologi.
2. Reaksi
Kesetimbangan pada Industri Asam Sulfat
Di
Indonesia, asam sulfat merupakan salah satu bahan baku untuk membuat pupuk,
pigmen dan cat, pembuatan besi dan baja, pembuatan pulp dan kertas, pengisi sel
accumulator, pelarut, pengatur pH di dalam proses industri, pendehidrasi, serta
pembuatan produk-produk kimia lainnya, seperti amonium sulfat dan kalsium
hidrofosfat. Pembuatan asam sulfat di industri dikembangkan melalui proses
kontak seperti pada Gambar 5.13, dengan tiga tahap utama sebagai berikut :
a.
Pembentukan belerang dioksida, persamaan
reaksinya adalah
S( l ) + O2(g) → SO2(g)
b.
Pembentukan belerang trioksida, persamaan
reaksinya adalah
SO2(g) + O2(g) ⇆
SO3(g) . ΔH = –190 kJ
c.
Pembentukan asam sulfat, melalui zat antara,
yaitu asam pirosulfat. Persamaan reaksinya adalah
SO3(g) + H2SO4(aq) →
H2S2O7(aq)
H2S2O7(aq) + ½ O(l)
→ 2H2SO4(aq)
Diagram proses kontak (sintesis asam sulfat)
Gambar 5.13 Diagram
proses kontak (sintesis asam sulfat)
Tahap
penting dalam proses ini adalah reaksi (2). Reaksi ini merupakan reaksi
kesetimbangan dan eksoterm. Sama seperti pada sintesis amonia, reaksi ini hanya
berlangsung baik pada suhu tinggi. Akan tetapi pada suhu tinggi justru
kesetimbangan bergeser ke kiri.
Cara mengoptimasi pembentukan SO3 pada tahap kedua yaitu
a.
Optimasi Suhu
Oleh karena pembentukan SO
3
bersifat eksoterm, efektivitas pembentukan SO
3 dioperasikan pada
suhu rendah. Kendalanya, sama seperti pada kasus pembuatan amonia. Jika suhu
terlalu rendah maka reaksi berlangsung sangat lambat. Akan tetapi, jika suhu
terlalu tinggi, reaksi bergeser ke arah penguraian SO
3. Selain itu,
katalis menjadi tidak berfungsi. Berdasarkan hasil penyelidikan, suhu optimum
pembentukan SO
3 sekitar 450°C – 500°C (perhatikan Gambar 5.14).
Berdasarkan data koefisien reaksi, Anda
dapat menduga bahwa tekanan yang dioperasikan harus tinggi, agar posisi
kesetimbangan bergeser ke arah produk. Umumnya, tekanan yang dioperasikan
berkisar antara 2–3 atm. Tekanan tinggi tidak dapat dioperasikan dalam proses
ini sebab peralatannya tidak mendukung (SO3 bersifat korosif
terhadap logam).
Dalam industri kimia, jika campuran reaksi kesetimbangan mencapai
kesetimbangan maka produk reaksi tidak bertambah lagi. Akan tetapi produk
reaksinya diambil atau disisihkan, maka akan menghasilkan lagi produk reaksi.
Amonia yang terbentuk dipisahkan dari campuran kesetimbangan dengan
cara pencarian dari gas nitrogen di daur ulang ke wadah reaksi untuk
menghasilkan produk reaksi. Banyak proses alamiah dalam kehidupan sehari-hari
berkaitan dengan perubahan konsentrasi pada sistem kesetimbangan. pH darah dan
jaringan badan kira-kira 7,4 . Harga ini diatur dalam darah berada dalam
kesetimbangan dengan ion hidrogen karbonat dan ion hidrogen.
Jika konsentrasi ion hidrogen bertambah, ion-ion ini bereaksi dengan
ion hidrogen karbonat. Jika konsentrasi ion hidrogen terlampau rendah, asam
karbonat bereaksi menghasilkan hidrogen. Oksigen diangkut dari paru-paru ke sel
badan oleh haemoglobin dalam sel darah merah. Dalam paru-paru, konsentrasi
oksigen cukup tinggi dan haemoglobin bereaksi dengan oksigen membentuk
oksihemoglobin. Reaksi ini dapat ditulis,
Dalam jaringan tubuh, konsentrasi oksigen rendah, sehingga reaksi
sebaliknya yang terjadi, yaitu menghasilkan oksigen untuk digunakan dalam sel
tubuh. Ketika oksigen diangkut dari paru-paru ke jaringan tubuh, karbon
dioksida yang dihasilkan oleh respirasi sel angkut dari jaringan tubuh ke
paru-paru. Dalam jaringan tubuh karbon dioksida yang konsentrasinya relatif
tinggi melarut dalam darah bereaksi dengan air membentuk asam karbonat.
Dalam paru-paru di mana konsentrasi karbon dioksida relatif rendah,
reaksi sebaliknya yang terjadi dan karbon dikeluarkan dari darah ke udara
.
Jika air tanah mengalir melalui daerah berkapur, maka batu kapur
melarut. Jika air berjumpa dengan udara yang mengandung sedikit karbondioksida
maka karbon dioksida akan dilepaskan dari larutan ke udara, sehingga kalsium
karbonat mengendap.
3. Reaksi
Kesetimbangan pada Industri Asam Nitrat
Asam
nitrat banyak digunakan dalam pembuatan pupuk, nitrasi senyawa organik untuk
bahan eksplosif, plastik, celupan, dan pernis, juga sebagai bahan oksidator dan
pelarut. Di industri, pembuatan asam nitrat menggunakan proses Ostwald, yaitu
pembuatan asam nitrat dari bahan mentah amonia dan udara. Proses pembuatan asam
nitrat melalui tiga tahapan, yaitu:
a.
Tahap pembentukan nitrogen oksida. Campuran
amonia dan udara berlebih dialirkan melewati katalis Pt–Rh pada suhu 850°C dan
tekanan 5 atm. Persamaan reaksinya:
4NH3(g) + 5O2(g) ⇆
4NO(g) + 6H2O( l ) . ΔH= 907 kJ (pada 25°C)
b.
Tahap pembentukan nitrogen dioksida. Nitrogen
monoksida dioksidasi kembali dengan udara membentuk gas nitrogen dioksida.
Persamaan reaksinya:
2NO(g) + O2(g) ⇆
2NO2(g)
. ΔH= –114,14
kJ (pada 25°C)
c.
Tahap pembentukan asam nitrat. Nitrogen dioksida
bersama-sama dengan udara berlebih dilarutkan dalam air panas 80°C membentuk
asam nitrat. Persamaannya:
4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(
l ) → 4HNO3(aq)
Pada proses Ostwald, ada dua tahap reaksi yang membentuk kesetimbangan,
yaitu tahap satu dan tahap dua. Kedua tahap itu bersifat eksotermis dan
memiliki koefisien reaksi yang berbeda, yaitu koefisien hasil reaksi lebih
kecil dari koefisien pereaksi. Pada tahap dua, reaksi tidak efisien pada suhu
tinggi, sehingga gas NO panas yang terbentuk pada tahap pertama didinginkan
dengan memasok udara dingin, sekaligus berfungsi untuk mengoksidasi gas NO
menjadi NO2.
Itulah kesetimbangan dalam industri , semoga bermanfaat dan berguna post-an saya kali ini , salam kenal :)
