KIMIA UNS: APLIKASI INDUSTRI KESETIMBANGAN KIMIA PADA PEMBUATAN ASAM SULFAT

Gb7

Gb6

Gb5

Gb4

Gb3

Gb2

Gb1

Mata Kuliah : Kimia Terapan
Dosen : DR Mudjiyono

Th Heni Ambaristi
S830208024/IPA/Psains

I.Pendahuluan

Reaksi timbal balik :

Reaksi timbal balik adalah reaksi yang tergantung keadaan, dapat mengalir ke dua arah. Apabila ditiupkan uap panas ke sebuah besi yang panas, uap panas ini akan bereaksi dengan besi dan membentuk sebuah besi oksida magnetik berwarna hitam yang disebut ferri ferro oksida atau magnetit, Fe₃O₄.

Hidrogen yang terbentuk oleh reaksi ini tersapu oleh aliran uap.
Dalam keadaan lain, hasil-hasil reaksi ini akan saling bereaksi. Hidrogen yang melewati ferri ferro oksida panas akan mengubahnya menjadi besi, dan uap panas juga akan terbentuk.

Uap panas yang kali ini terbentuk tersapu oleh aliran hidrogen.

Reaksi ini dapat berbalik, tapi dalam keadaan biasa, reaksi ini menjadi reaksi satu arah. Produk dari reaksi satu arah ini berada dalam keadaan terpisah dan tidak dapat bereaksi satu sama lain sehingga reaksi sebaliknya tidak dapat terjadi.

Reaksi timbal balik yang terjadi pada sistem tertutup

Sistem tertutup adalah situasi di mana tidak ada zat yang ditambahkan atau diambil dari sistem tersebut. Tetapi energi dapat ditransfer ke luar maupun ke dalam. Pada contoh yang baru dibahas, Anda harus membayangkan sebuah besi yang dipanaskan oleh uap dalam sebuah kotak tertutup. Panas ditambahkan ke dalam sistem ini, namun tidak satu zat pun yang terlibat dalam reaksi ini dapat keluar dari kotak. Keadaan demikian disebut sistem tertutup. Pada saat ferri ferro oksida dan hidrogen mulai terbentuk, kedua zat ini akan saling bereaksi kembali untuk membentuk besi dan uap panas yang ada pada mulanya. Keadaan seperti inilah yang disebut disebut kesetimbangan dinamis.

Kesetimbangan Dinamis

Ini adalah persamaan untuk sebuah reaksi biasa yang telah mencapai kesetimbangan dinamis.

Bagaimana reaksi ini bisa mencapai keadaan tersebut? Anggap saja dimulai dengan A dan B. Pada awal reaksi, konsentrasi A dan B pada mula-mula ada pada titik maksimum, dan itu berarti kecepatan reaksi juga ada pada titik maksimum.

Seiring berjalannnya waktu, A dan B bereaksi dan konsentrasinya berkurang. Ini berarti, jumlah partikelnya berkurang dan kesempatan bagi partikel A dan B untuk saling bertumbukan dan bereaksi berkurang, dan ini menyebabkan kecepatan reaksi juga berangsur-angsur berkurang. Pada awalnya tidak ada C dan D sama sekali sehingga tidak mungkin ada reaksi di antara keduanya. Seiring berjalannya waktu, konsentrasi C dan D bertambah banyak dan keduanya menjadi mudah bertumbukan dan bereaksi. Dengan berlangsungnya waktu, kecepatan reaksi antara C dan D pun bertambah.

Akhirnya kecepatan reaksi antara keduanya mencapai titik yang sama di mana kecepatan reaksi A dan B berubah menjadi C dan D sama dengan kecepatan reaksi C dan D berubah menjadi A dan B kembali.

Pada saat ini, tidak akan ada lagi perubahan pada jumlah A, B, C, D di dalam campuran. Begitu ada partikel yang berubah, partikel tersebut terbentuk kembali berkat adanya reaksi timbal balik. Pada saat inilah kita mencapai kesetimbangan kimia. Kesetimbangan kimia terjadi pada saat reaksi timbal balik di sebuah sistem tertutup. Tidak ada yang dapat ditambahkan atau diambil dari sistem itu selain energi. Pada kesetimbangan, jumlah dari segala sesuatu yang ada di dalam campuran tetap sama walaupun reaksi terus berjalan. Ini dimungkinkan karena kecepatan reaksi ke kanan dan ke kiri sama. Apabila Anda mengubah keadaan sedemikian rupa sehingga mengubah kecepatan relatif reaksi ke kanan dan ke kiri, Anda akan mengubah posisi kesetimbangan, karena Anda telah mengubah faktor dari sistem itu sendiri. http://www.bebas.vlsm.org/v12/sponsor/Sponsor-pendamping/Praweda/Kimia/0182%20Kim%201-6e.htm

II.Dasar Teori

A. Asam Sulfat

Asam sulfat (H2SO4 ) adalah senyawa dasar yang penting dan dihasilkan dalam jumlah terbesar (ranking pertama dari segi jumlah) dari semua senyawa anorganik yang dihasilkan industri. Asam sulfat murni adalah cairan kental (mp 10.37 oC), dan melarut dalam air dengan menghasilkan sejumlah besar panas menghasilkan larutan asam kuat.

Gambar 1 : Struktur asam sulfat

Asam sulfat mempunyai rumus kimia H₂S O₄, merupakan asam mineral (anorganik) yang kuat. Zat ini larut dalam air pada semua perbandingan. Asam sulfat mempunyai banyak kegunaan, termasuk dalam kebanyakan reaksi kimia. Kegunaan utama termasuk pemrosesan bijih mineral, sintesis kimia, pemrosesan air limbah dan pengilangan minyak. Reaksi hidrasi (pelarutan dalam air) dari asam sulfat adalah reaksi eksoterm yang kuat. Jika air ditambah kepada asam sulfat pekat, terjadi pendidihan. Senantiasa tambah asam kepada air dan bukan sebaliknya. Sebagian dari masalah ini disebabkan perbedaan isipadu kedua cairan. Air kurang padu dibanding asam sulfat dan cenderung untuk terapung di atas asam.

Reaksi tersebut membentuk ion hidronium:

H₂SO₄ + H₂O → H₃O⁺ + HSO₄^-

Disebabkan asam sulfat bersifat mengeringkan, asam sulfat merupakan agen pengering yang baik, dan digunakan dalam pengolahan kebanyakan buah-buahan kering. Apabila gas SO₃ pekat ditambah kepada asam sulfat, ia membentuk H₂S₂O₇. Ini dikenali sebagai asam sulfat fuming atau oleum ( http://id.wikipedia.org/wiki/Asam_sulfat) "

B. Pergeseran Kesetimbangan

Azas Le Chatelier menyatakan: Bila pada sistem kesetimbangan diadakan aksi, maka sistem akan mengadakan reaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi itu menjadi sekecil-kecilnya. Perubahan dari keadaan kesetimbangan semula ke keadaan kesetimbangan yang baru akibat adanya aksi atau pengaruh dari luar itu dikenal dengan pergeseran kesetimbangan. Bagi reaksi :

A + B <====> C + D

KEMUNGKINAN TERJADINYA PERGESERAN

Dari kiri ke kanan, berarti A bereaksi dengan B memhentuk C dan D, sehingga jumlah mol A dan B berkurang, sedangkan C dan D bertambah.

Dari kanan ke kiri, berarti C dan D bereaksi membentuk A dan B. sehingga jumlah mol C dan D berkurang, sedangkan A dan B bertambah.

C. FAKTOR-FAKTOR YANG DAPAT MENGGESER LETAK KESETIMBANGAN

Ada tiga faktor yang dapat mempengaruhi kesetimbangan yaitu:

1. Perubahan konsentrasi salah satu zat
2. Perubahan volume atau tekanan
3. Perubahan suhu. ( http://www.bebas.vlsm.org/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Kimia/0180%20Kim%201-6c.htm

1. PERUBAHAN KONSENTRASI SALAH SATU ZAT

Berdasarkan asas Le Chatelier, apabila konsentrasi pereaksi atau produk reaksi berubah, maka kesetimbangan akan bergeser untuk mengurangi pengaruh perubahan konsentrasi yang terjadi sampai diperoleh kesetimbangan yang baru. Ada dua cara mengubah konsentrasi zat yang akan dibahas yaitu:

(i) Menaikkan/menurunkan konsentrasi pereaksi atau produk reaksi

- Jika konsentasi pereaksi dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan. Sebaliknya jika konsentrasi pereaksi diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

- Jika konsentrasi produk reaksi dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri. Sebaliknya jika konsentrasi produk reaksi diturunkan maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

Gambar 2 : Menaikkan/menurunkan konsentrasi pereaksi

(ii) Pengenceran

Pengenceran (penambahan pelarut cair seperti air) akan menurunkan konsentrasi zat-zat yang terlarut di dalamnya. Untuk reaksi kesetimbangan berikut :

aA + bB <====> cC + dD

Pengenceran hanya akan menggeser kesetimbangan apabila :

Total mol pereaksi ≠ Total mol produk reaksi

(a + b) (c + d)

Gambar 3 : Pengenceran

Arah pergeseran kesetimbangan adalah ke arah total mol yang lebih besar. Hal ini dikarenakan pengenceran akan memperkecil hasil kali konsentrasi zat-zat tersebut dalam persamaan tetapan kesetimbangan. Untuk memahami pengaruh kenaikkan/penurunan konsentrasi dan pengenceran terhadap kesetimbangan reaksi bisa dijelaskan di bawah ini :

Kesetimbangan :

[ Cu(H2O)₆] ²⁺_(aq)+ 4 Cl^- _(aq) <====> CuCl₄^2-_(aq) + 6H₂O_(l)

Gambar 4 : Pengaruh perubahan konsentrasi terhadap kesetimbangan reaksi

Keterangan :

- Penambahan Cl^-akan menaikkan konsentrasi pereaksi Cl^- sehingga kesetimbangan akan bergeser ke kanan. Larutan menjadi lebih berwarna hijau karena peningkatan ion CuCl₄^2- dalam larutan.

- Kondisi setimbang, larutan berwarna biru kehijauan

- Penambahan H₂O tidak merubah konsentrasi H₂O (zat cair murni) secara berarti, tetapi menurunkan konsentrasi pereaksi dan produk reaksi terlarut. Oleh karena itu total mol pereaksi pelarut {[ Cu(H2O)₆] ²⁺ dan Cl^-} > total mol produk reaksi terlarut { CuCl₄^2-}, maka kesetimbangan bergeser ke kiri.

Apabila dalam sistem kesetimbangan homogen, konsentrasi salah satu zat diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan dari zat tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu zat diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak zat tersebut. (Johari : 2004)

Contoh: 2SO₂(g) + O₂(g) <====> 2SO3(g)

# Bila pada sistem kesetimbangan ini ditambahkan gas SO₂, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

# Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi gas O₂, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

2. PERUBAHAN VOLUME ATAU TEKANAN

Jika dalam suatu sistem kesetimbangan dilakukan aksi yang menyebabkan perubahan volume (bersamaan dengan perubahan tekanan), maka dalam sistem akan mengadakan berupa pergeseran kesetimbangan.

Jika tekanan diperbesar = volume diperkecil, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah Koefisien Reaksi Kecil.

Jika tekanan diperkecil = volume diperbesar, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah Koefisien reaksi besar.

Pada sistem kesetimbangan dimana jumlah koefisien reaksi sebelah kiri = jumlah koefisien sebelah kanan, maka perubahan tekanan/volume tidak menggeser letak kesetimbangan.

Gambar 5 : Jika tekanan bertambah, kesetimbangan akan bergeser ke arah total mol lebih sedikit

Gambar 6 : Jika tekanan berkurang, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah dengan total mol lebih banyak.

Untuk memahami hal tersebut, perhatikan pengaruh kenaikkan tekanan sistem terhadap kesetimbangan dari reaksi yang melibatkan gas NO₂ yang berwarna coklat dan gas N₂O₄ yang tak berwarna berikut.

Gambar a : NO₂dan N₂O₄ dalam keadaan setimbang

Gambar b : Jika tekanan dinaikkan, konsentrasi NO₂ dan N₂O₄ akan ditambah. Hal ini ditunjukkan oleh warna campuran gas yang lebih gelap.

Gambar c : Setelah bebrapa waktu, kesetimbangan akan bergeser ke arah total mol yang lebih sedikit, yakni ke kanan membentuk N₂O₄yang tak berwarna. Warna campuran menjadi lebih terang.

Contoh:

N₂(g) + 3H₂(g) <====> 2NH₃(g)

Koefisien reaksi di kanan = 2
Koefisien reaksi di kiri = 4

Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperbesar (= volume diperkecil), maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperkecil (= volume diperbesar), maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

3. PERUBAHAN SUHU
Menurut Van't Hoff:

-	Bila pada sistem kesetimbangan subu dinaikkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membutuhkan kalor (ke arah reaksi endoterm).
-	Bila pada sistem kesetimbangan suhu diturunkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membebaskan kalor (ke arah reaksi eksoterm). Contoh: 2NO(g) + O₂(g) « 2NO₂(g) ; ∆H = -216 kJ
-	Jika suhu dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.
-	Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

Perubahan suhu terkait dengan pelepasan atau penyerapan kalor. Pada reaksi kesetimbangan, apabila reaksi ke kanan meyerap kalor (bersifat endotermik), maka reaksi ke kiri akan melepas kalor (bersifat eksotermik). Demikian pula sebaliknya. Meski demikian, penulisan persamaan termokimianya akan merujuk pada reaksi ke kanan, seperti ditunjukkan skema berikut:

Gambar 7 : Perubahan Suhu

Berdasarkan asas Le Chatelier :

1. Apabila suhu reaksi dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi yang menyerap kalor (reaksi endotermik)

2. Apabila suhu reaksi diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi yang melepas kalor (reaksi eksotermik)

Pengaruh perubahan suhu terhadap kesetimbangan untuk reaksi endoterm dan reaksi eksoterm dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 8 : Pengaruh perubahan suhu terhadap kesetimbangan

Untuk memahami pengaruh perubahan suhu terhadap kesetimbangan, bisa dilihat pada contoh reaksi yang melibatkan gas NO₂ yang berwarna coklat dan gas N₂O₄ yang tak berwarna berikut. Reaksi ini bersifat eksoterm seperti ditunjukkan oleh persamaan termokimianya. (Sudarmo : 2007)

Gambar 9 : Pengaruh perubahan suhu terhadap kesetimbangan

Tabel berikut memuat bebrapa contoh pengaruh perubahan suhu terhadap kesetimbangan reaksi.

Tabel 1 : Pengaruh perubahan tekanan terhadap kesetimbangan reaksi

III. Pembahasan

A. Pembuatan Asam Sulfat (H₂SO₄) Menggunakan Proses Kontak

Pembahasan asam sulfat (H₂SO₄) melalui proses kontak dibagi menjadi 3 tahap:

Tahap 1 : Pembentukan SO₂

Belerang yang sudah dilelehkan direaksikan dengan O₂ membentuk gas SO₂ :

S _(s) + O_2(g) → SO_2(g) ∆H = -296,9 kJ

Tahap 2 : Pembentukan SO₃

Gas SO₂ direaksikan dengan O₂ pada suhu -450⁰C dan tekanan 2-3 atm membentuk gas SO₃ dengan bantuan katalis V₂O₅ melalui reaksi kesetimbangan berikut :

2SO₂(g) + O₂(g) <====> _2SO3(g) ∆H = -191 kJ

Pemilihaan kondisi optimum untuk pembentukan SO₃ adalah sebagai berikut.

Tabel 3. Kondisi Optimum Pembuatan SO₃

Faktor	Reaksi : 2SO_3(g) + O_2(g) <====> 2SO₃ ₍g) ∆H = _˜ 191kJ	Kondisi Optimum
Suhu	Reaksi bersifat eksotermik. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan ke kanan. Akan tetapi, laju reaksi menjadi lambat. Pemilihan suhu juga harus juga harus memperhitungan faktor antara lain korosi pada suhu tinggi.	_˜450⁰C
Tekanan	Total mol pereaksi lebih besar dibandingkan total mol produk reaksi. Penambahan tekanan akan menggeser kesetimbangan ke kanan. Pada tekanan sedikit di atas 1 atm, reaksi sudah menghasilkan _˜97% SO₃.	2-3 atm
Katalis	Katalis tidak menggeser kesetimbangan ke kanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan	V₂O₅

Tahap 3 : Pembentukan H₂SO₄

Pada tahap ini, SO₃ tidak langsung direaksikan dengan H₂O untuk membentuk H₂SO₄,

Tetapi dilarutkan ke dalam campuran 98% H₂SO₄ dan 2% H₂O membentuk larutan yang disebut oleum

SO_3(g) + H₂SO_4(aq) → H₂S₂O₇ _(l)

Oleum kemudian diencerkan dengan air untuk membentuk lelehan H₂SO₄ pekat :

H₂S₂O₇ _(l) + H₂O _(l) → 2H₂SO_4(aq)

Gambar 10 : Proses Kontak

Disebut proses kontak karena reaksi antara SO₂ dan O₂ pada tahap 2 terjadi di permukaan katalis V₂O₅. Proses ini melibatkan reaksi-reaksi eksoterm yang melepas panas. Panas yang dihasilkan digunakan sebagai energi input untuk tahapan proses lainnya. Sebagai contoh, panas dari tahap 1 dan 2 digunakan untuk memproduksi uap air. Uap air digunakan untuk melelehkan bahan baku belerang. Hal ini merupakan efisiensi karena dapat menekan konsumsi energi dari luar.

Mengapa SO₃ tidak langsung direaksikan dengan H₂O (air) untuk membentuk H₂SO₄?

Hal ini disebabkan karena reaksi langsung SO₃ dengan H₂O akan menyebabkan terbentuknya kabut H₂SO₄. Kabut ini sulit dikumpulkan, tidak dapat terkodensasi, dan dapat menyebabkan pencemaran udara.

B. Peranan Asam Sulfat (H₂SO₄)

Asam sulfat (H₂SO₄) adalah senyawa dasar yang penting dan dihasilkan dalam jumlah terbesar (ranking pertama dari segi jumlah) dari semua senyawa anorganik yang dihasilkan industri. Asam sulfat murni adalah cairan kental (mp 10.37 oC), dan melarut dalam air dengan menghasilkan sejumlah besar panas menghasilkan larutan asam kuat. Asam sulfat mempunyai rumus kimia H₂S O₄, merupakan asam mineral (anorganik) yang kuat. Zat ini larut dalam air pada semua perbandingan. Asam sulfat mempunyai banyak kegunaan, termasuk dalam kebanyakan reaksi kimia. Kegunaan utama termasuk pemrosesan bijih mineral, sintesis kimia, pemrosesan air limbah dan pengilangan minyak. Reaksi hidrasi (pelarutan dalam air) dari asam sulfat adalah reaksi eksoterm yang kuat. Jika air ditambah kepada asam sulfat pekat, terjadi pendidihan. Senantiasa tambah asam kepada air dan bukan sebaliknya. Sebagian dari masalah ini disebabkan perbedaan isipadu kedua cairan. Air kurang padu dibanding asam sulfat dan cenderung untuk terapung di atas asam. Reaksi tersebut membentuk ion hidronium:

H₂SO₄ + H₂O → H₃O⁺ + HSO₄^-.

Disebabkan asam sulfat bersifat mengeringkan, asam sulfat merupakan agen pengering yang baik, dan digunakan dalam pengolahan kebanyakan buah-buahan kering. Apabila gas SO₃ pekat ditambah kepada asam sulfat, ia membentuk H₂S₂O₇. Ini dikenali sebagai asam sulfat fumingoleum atau, jarang-jarang sekali, asam Nordhausen. atau