TUGAS AKHIR MODUL 3-KIMIA ANDY F P.pdf

TUGAS AKHIR MODUL KIMIA-3 PROFESIONAL MATERI : LAJU REAKSI DAN KESETIMBANGAN INSTRUKTUR : IBU YUSMANIAR

Disusun oleh:

 Nama  No. Peserta PPG Mata Pelajaran Asal Sekolah Alamat

: ANDY FEBRUANA PUTRA : 19016018710206 : Kimia : SMA Negeri 4 Jakarta : Jl. Batu No. 3, Gambir, Jakarta Pusat.

PPG DALAM JABATAN JABATAN TAHUN 2019

TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

1

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. Misalnya:

1. PEMBUATAN AMONIA

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. Proses pembuatan amonia (NH3) menurut Proses Haber   – Bosch Bosch dibuat melalui reaksi sebagai berikut:

 N2(g) + 3H2(g)  2NH3(g)

∆H = -92 kJ

Gas N2 pada reaksi di atas diperoleh dari udara, sedangkan gas H2 diperoleh dari hasil reaksi gas alam dan air. Untuk menghindari reaksi bolak-balik, kesetimbangan reaksi harus diusahakan bergeser ke arah terbentuknya 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 Alur Proses Sintesis Amonia Oleh Haber-Bosch

Sesuai Asas Le Chatelier, maka harus dilakukan usaha-usaha berikut: a. Memperbesar tekanan Koefisien produk (NH3) lebih kecil daripada koefisien pereaksi (N2 dan H2). Agar kesetimbangan selalu  bergeser ke arah terbentuknya produk (NH3), maka tekanan harus diperbesar. Tekanan yang biasa digunakan adalah 150-300 atm.

 b. Menurunkan suhu Reaksi ke kanan (ke arah terbentuknya produk) merupakan reaksi merupakan reaksi eksoterm. Supaya eksoterm. Supaya reaksi selalu bergeser ke kanan, suhu harus diturunkan. Karena suhu rendah menyebabkan reaksi berlangsung lambat, maka TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

2

dipilihlah suhu optimum, yaitu suhu 400 – 500 500 oC. Pemilihan suhu optimum bertujuan memaksimalkan laju reaksi dan mencegah reaksi bergeser ke kiri.

c. Menambahkan katalis Katalis yang digunakan yaitu Fe3O4 yang mengandung K 2O, CaO, MgO, Al2O3, dan SiO2. Penggunaan katalis dimaksudkan agar reaksi ke kanan berlangsung cepat.

Walaupun sudah diatur dengan maksimal, ternyata hanya 15% amonia yang bisa diambil. Sementara itu, 85% sisa amonia kembali lagi ke arah N2 dan H2 yang akan ak an bereaksi lagi membentuk NH3. Secara sederhana,  proses pembuatan amonia digambarka n dalam skema berikut.

Gambar 1. Skema pembuatan gas amonia.

Adapun kegunaan amonia di antaranya adalah untuk pembuatan pupuk urea, bahan peledak, dan asam nitrat (HNO3). Carl Bosch (1870-1940), menerima hadiah Nobel karena perannya dalam menemukan dan mengembangkan metode-metode tekanan tinggi. Fritz Haber (1868-1934), menerima hadiah Nobel karena  berhasil mensintesis amonia dari unsur-unsurnya, yaitu nitrogen dan hidrog en.

2. PEMBUATAN ASAM SULFAT (PROSES KONTAK)

Asam Sulfat (H2SO4) merupakan bahan kimia yang sangat penting dan sering digunakan dalam berbagai industri. Asam Sulfat merupakan senyawa kimia dasar yang sangat aktif sehingga biasa digunakan untuk reaksi TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

3

sulfatasi. Senyawa ini kerap digunakan untuk membuat pupuk ZA, Kalsium Sulfat, asam campuran, pembersih logam, air keras, air aki, dan deterjen. Hingga sekarang, asam sulfat banyak dilibatkan dalam berbagai reaksi kimia, kebanyakan digunakan sebagai katalis reaksi. Pembuatan Asam Sulfat dapat dilakukan dengan Proses Kontak maupun Proses Kamar Timbal. Namun sekarang proses yang lebih dominan digunakan adalah Proses Kontak karena dianggap lebih efektif daripada Proses Kamar Timbal. Proses Kontak dapat timbul karena penemuan proses antara SO2 dan O2 membentuk SO3 dengan katalisator serbuk platina, vanadium, atau Fe2 O3 . Proses kontak ini pertama-tama ditemukan oleh Phillips (Inggris) pada tahun 1831, yang dilakukan dengan cara melakukan gas SO2  diatas katalisator Pt menghasilkan gas SO3 yang kemudian diserap oleh H2SO4 pekat dari 98.5% - 99%. Reaksi diatas berdasarkan prinsip “Lechatelier” maka pada kenaikan suhu konversinya turun, dan karena reaksinya setimbang akan mempunyai harga ketetapan setimbang (k). Suhu reaksi harus dicari yang optimal, sebab pada kenaikan suhu kecepatan reaksi naik tetapi konversinya turun. Penggunaan katalis pada proses ini diperlukan karena reaksi antara SO2 dan O2sangat sulit dilakukan jika tanpa katalis serta pada suhu yang tinggi. Pembuatan asam sulfat dapat menghasilkan tiga produk yang berbeda sekaligus, yaitu Oleum, Asam Sulfat  pekat, dan Asam Sulfat encer. Tahapan Proses KontaK Pada KontaK  Pada dasarnya, Proses kontak terdiri dari tiga tahap yang secara ringkas dituliskan sebagai berikut: 1) Pembentukan belerang dioksida,  persamaan reaksinya adalah: ada lah: S( l ) + O2( g ) → SO2( g )

2)

ada lah: Pembentukan belerang trioksida,  persamaan reaksinya adalah: SO2( g   g ) + O 2( g   g ) ⇆ SO 3( g )

ΔH = ΔH = –   – 190 190 kJ

Pembentukan asam sulfat, melalui zat antara, antara, yaitu asam pirosulfat. Persamaan reaksinya 3) Pembentukan

adalah: SO3( g  4(aq)) → H 2S2O7(aq) 7(aq)  g ) + H2SO4(aq H2S2O7(aq 7(aq)) + ½ O(l ) → 2H2SO4(aq 4(aq)) 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.

TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

4

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. Ko ndisi optima o ptimalisasi lisasi proses pro ses ko ntak dapat d apat dilihat dalam dala m tabe l berikut: beriku t:

3. PEMBUATAN ASAM NITRAT

Asam nitrat banyak digunakan dalam pembuatan pupuk, nitrasi nitrasi senyawa senyaw a organik untuk bahan eksplosif,  plastik, celupan, dan pernis, juga sebagai sebag ai bahan oksidator dan pelarut. Di industri, pembuatan asam nitrat menggunakan

proses Ostwald, yaitu pembuatan

asam nitrat dari bahan mentah

amonia

dan

850°C

dan

udara. Proses pembuatan asam nitrat melalui tiga tahapan, yaitu: 1) Tahap pembentukan nitrogen monoksida. Campuran amonia dan udara berlebih dialirkan melewati katalis Pt –   – Rh Rh

pada

suhu

tekanan 5 atm. atm. Persa maan reaksinya: 4NH3(g) + 5O2(g) ⇆ 4NO(g) + 6H2O(l)

ΔH= 907 kJ (pada 250C)

2) Tahap pembentukan pembentukan nitrogen d i oksida.  Nitrogen monoksida dioksidasi kembali dengan udara membentuk gas nitrogen dioksida. Persamaan reaksinya: 2NO(g) + O2(g) ⇆ 2NO2(g)

ΔH= – 114,14 114,14 kJ (pada 25°C)

3) 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) TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

5

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. Kondisi khas untuk tahap pertama, yang berkontribusi  pada hasil keseluruhan sekitar 98%, adalah: 1) Optimasi Tekanan Reaksi pada tahap pertama merupakan reaksi pembentukan gas NO yang bersifat eksoterm. Agar hasil reaksi optimasi, maka pada tahap ini tekanan diatur antara 4 dan 10 atmosfer (sekitar 400-1010 kPa atau 60-145 psig)

2) Optimasi Suhu Karena reaksi pada tahap pertama merupakan reaksi pelepasan kalor, sehingga untuk memperoleh hasil gas NO dalam jumlah yang optimum maka suhu reaksi diusahakan sekitar 500 K (kira-kira 217 oC atau 422,6 oF).

4. PEMBUATAN UREA

Bahan baku amoniak (NH3) dan karbondioksida (CO2). Tahapan pembuatan urea terbagi menjadi menjadi 3 tahap utama, yaitu:

1) Tahap pertama :

2NH 3(g) 3(g)  + CO2(g)   NH 2COONH 2(s) ∆H = - 159,7 kJ 

2) Tahap kedua :

 NH 2COONH 2(s)   NH 2CONH 2(aq) + H 2O(l) ∆H = + 41,43 kJ 

3) Reaksi keseluruhan :

2NH 3(g) + CO2(g)   NH 2CONH 2(aq) + H 2O(l) ∆H = - 118,27 kJ 

Untuk mengoptimasi urea yang dihasilkan dari sintesa urea yang berlangsung secara eksoterm , maka yang  perlu diperhatikan bahwa : 

Fase zat hasil sintesa (NH 2CONH2) berada pada fase cair pada interval suhu antara 170 –  170  –  190   190 oC. dan tekanan tinggi antara 130  –   200 bar. Sehingga proses sintesa urea harus diusahakan pada kondisi tersebut agar reaksi pembentukan NH2CONH2 berada pada kondisi optimum.



Langkah reaksi pada tahap kedua yang menentukan kecepatan reaksi dikarenakan reaksi ini berlangsung lebih lambat daripada reaksi pada tahap pertama.

TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

6

5. PEMBUATAN KAPUR

Produk batu kapur atau kalsium kalsium karbonat (CaCO3) dibedakan menjadi dua jenis yaitu heavy  heavy  dan light types. types. Kalsium karbonat heavy type  type  diproduksi dengan cara menghancurkan batu kapur hasil penambangan menjadi powder halus, lalu disaring sampai diperoleh ukuran powder yang diinginkan. Kalsium karbonat light type diperoleh type diperoleh setelah melalui proses produksi yang agak rumit dibandingkan dengan heavy type. type.

1) Langkah pertama :

Batu kapur dibakar dalam tungku berukuran raksasa, untuk mengubah CaCO3 menjadi CaO (kalsium oksida) dan gas karbondioksida (CO2) CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)

2) Langkah kedua :

Kalsium oksida (CaO) yang terbentuk kemudian dicampur dengan air (H2O) dan diaduk. Maka terbentuklah senyawa kalsium hidroksida (Ca(OH)2 CaO(s) + H2O(l)   Ca(OH)2(s)

3) Langkah ketiga :

Kalsium hidoksida yang telah terbentuk kemudian disaring untuk memisahkan senyawa-senyawa  pengotor lalu direaksikan dengan gas karbondioksida karbo ndioksida (CO2) Ca(OH)2(s) + CO2(g)   CaCO3(s) + H2O(l)

4) Langkah keempat :

Endapan kalsium karbonat (CaCO3) hasil reaksi disaring dan dikeringkan, lalu dihaluskan untuk menghasilkan CaCO3  powder.

Langkah untuk mengoptimasi hasil kalsium karbonat (CaCO3) antara lain : 

Pada langkah pertama yang perlu diperhatikan adalah suhu, waktu, kepekatan suspensi,dan suspensi,dan kecepatan  pengadukan. Reaksi pada tahap pertama merupakan reaksi bolak-balik untuk itu diusahakan agar CO2 yang keluar tidak terhambat, sehingga keseimbangan reaksi dapat bergeser kekanan,



Pada langkah kedua agar reaksi yang terjadi berjalan sempurna maka berat CaO yang direaksikan adalah dua kali dari berat air yang ditambahkan. Reaksi dilakukan dalam tempat tertutup, dikarenakan terjadi reaksi eksoterm yang menimbulkan panas sehingga dapat mengakibatkan terjadinya penguapan air.



Pada tahap ketiga, pengaliran gas CO2 ke dalam kalsium hidroksida merupakan peristiwa absorbsi yang disertai reaksi kimiadan dapat menghasilkan kalsium karbonat dan air. Reaksi akan dapat berjalan dengan baik, karena daya larut CaCO3  dalam air jauh lebih kecil dari daya larut Ca(OH)2  dalam air. Dengan kenaikan suhu kelarutankalsium hidroksida [Ca(OH)2] dalam air makin berkurang, sedangkan kelarutan CaCO3 dalam air makin bertambah.

Kelarutan Ca(OH)2 dalam air pada suhu : 25°C= 0,158 gr/100 ml, 100°C= 0,077 gram/ 100 ml. Kelarutan CaCO3 dalam air pada suhu : 25°C= 0,0014gr/ 100 ml, 100oC = 0,002 gram/100 ml

TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

7

6. PEMBUATAN ETANOL DARI ETENA DAN AIR

Etanol diproduksi oleh hidrasi katalitik langsung etena dengan adanya uap, menggunakan asam fosfat teradsorpsi pada permukaan padat (silika) sebagai katalis. Reaksi ini reversibel dan eksotermik: C2H4(g) + H2O(g) ↔ C2H5OH(g) ∆H = - 44,3 kJ/mol Dari persamaan kesetimbangan, dapat dilihat bahwa optimasi hasil dapat dilakukan pada: 

Suhu rendah, tekanan tinggi dan konsentrasi uap tinggi. Untuk mencapai laju reaksi diterima, suhu 500 K digunakan dengan adanya katalis.



Meningkatkan tekanan mendorong reaksi ke sisi produk, tetapi juga menyebabkan polimerisasi etena. Tekanan yang lebih tinggi juga berarti peningkatan biaya modal dan operasional. Dalam prakteknya,  proses ini umumnya dioperasikan di bawah tekanan t ekanan 60-70 atm.



Konversi etena lebih tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan air berlebih (steam). Tapi pada tekanan tinggi katalis mengambil air, aktivitas turun dan larut. Rasio mol air: etena sekitar 0,6: 1 yang  biasa digunakan.



Perawatan teratur dilaksanakan untuk meminimalkan emisi etanol dari pabrik, bersama-sama dengan sejumlah kecil oleh-produk yang dihasilkan, terutama etanal (asetaldehida) dan dietil eter. Pekerjaan yang cukup sedang dilakukan untuk meningkatkan katalis sehingga suhu tungku dapat dikurangi. Ini  berarti bahwa lebih sedikit bahan bakar akan digunakan untuk memanaskan tungku, dan posisi kesetimbangan akan ‘bergeser’ untuk mendukung produk. Dengan kondisi di atas, atas, konversi sekitar 5% diperoleh. Untuk mendapatkan hasil 95% tercapai, etena yang tidak bereaksi dipisahkan dari produk cair dan daur ulang.



Produk tersebut mengandung proporsi yang tinggi untuk menghasilkan 95% (b / b) larutan etanol.

7. PEMBUATAN SYN-GAS

Gas sintesis (synthetic gas / syngas) merupakan gas yang diperoleh dari suatu proses sintesis, misalnya dari  proses penyulingan minyak bumi atau dari proses gasifikasi batubara. Gas sintesis yang ya ng diperoleh merupakan  bahan antara atau intermediate material pada pembuatan ammonia dan karbondioksida merupakan hasil sampingnya yang digunakan dalam proses pembutan pupuk. Gas sintesis terdiri dari beberapa senyawa kimia, yakni Hidrogen (H 2)56,4%, Nitrogen (N2) 33,1%, Metana (CH4) 7,1%, Uap air (H2O) 1,7%, Karbon monoksida (CO) 1,3% dan Karbon dioksida (CO2) 0,4%. Pembuatan gas sintesis dapat juga berasal dari gas alam. Proses pembuatan gas sintesis salah satunya adalah  steam reforming . Gas alam sekarang menjadi bahan baku dominan dengan steam reforming sebagai metode dasar yang digunakan industri dalam pembuatan gas sintesis (dan hidrogen). Steam reforming   merupakan reaksi endotermis antara gas alam (metana) dengan steam menghasilkan hidrogen dan karbon monoksida, yang disebut juga gas sintesis (syngas). CH4(g) + H2O(g)  CO(g) + 3H2(g)

H298=

+206 kJ/mol

Steam reforming , yaitu reaksi antara gas alam (metana) dengan steam yang bersifat sangat endotermis (H298=206 kJ/mol), menghasilkan karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2), atau sebutan lain water gas (H2). Untuk Optimasi hasil Produksi, maka reaksi untuk produksi syngas produksi syngas berl  berlangsung angsung dalam kondisi suhu antara 700 oC dan 850C, tekanan antara 3 dan 25 bar, dan menggunakan katalis berbasis Ni. Karena steam Karena steam reforming  gas alam memiliki rasio H 2/CO tinggi (stoikhiometri H 2/CO = 3), maka reaksi ini dimanfaatkan untuk TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

8

mendapatkan aliran gas hidrogen dengan kemurnian tinggi. Selanjutnya, dalam meningkatkan konsentrasi H2 dalam campuran produk,  steam   steam  ditambahkan sehingga terjadi reaksi water gas. gas. Dalam industri, penyesuaian rasio H2/CO berdasarkan reaksi : CO + H 2O   CO  CO2+ H 2

 H    298=   

CH 4(g)  CO(g) + 3H 2(g) 4(g)  + H 2O(g)   CO 2(g)

-41 kJ/mol

 H    298=   

+206 kJ/mol

Kelemahan reaksi steam reforming ini, ialah adanya penggabungan reaksi sebagai penyesuaian rasio H2/CO akan menambah banyak biaya dan proses keseluruhan menjadi lebih mahal. Selain itu, agar konversi metana lebih besar membutuhkan lebih banyak panas/ energi. Panas/ energi yang tersedia berasal dari  pembakaran  feedstock   gas alam yang baru masuk (  25%) atau dari pembakaran gas buang. Oleh karena itu, terdapat pengurangan jumlah CO2 yang besar, antara 0,35 hingga 0,42 m3 CO2  per m3 H2  terproduksi, disebabkan oleh baik reaksi maupun kebutuhan panas/ energi.

TUGAS AKHIR MODUL-3 KIMIA (ANDY FEBRUANA PUTRA/ 19016018710206)

9