PEMANFAATAN KESETIMBANGAN KIMIA DALAM INDUSTRI AMONIA DAN ASAM SULFAT

Mata Kuliah : Kimia Terapan

Dosen : DR Mudjiyono

Fatchur Rochman

S830208008/IPA/Psains

BAB I

PENDAHULUAN

Bila korek api digesekkan pada zat kimia yang umumnya menempel pada salah satu sisi kotak korek api, maka dalam sekejap kepala korek api akan habis terbakar, tetapi batang korek api membutuhkan waktu yang cukup lama untuk terbakar seluruhnya menjadi karbon. Perkaratan besi merupakan reaksi yang berlangsung lebih lama lagi. Cepatnya reaksi kimia dari kembang api dapat kita amati dari menyalanya kembang api hingga matinya. Begitu pula dengan beberapa reaksi kimia yang kita laksanakan di laboratorium. Selesainya sebuah reaksi ditandai dengan terbentuknya produk yang sebagian besar dapat kita amati. Untuk mengetahui berapa kecepatan reaksi kimia yang kita lakukan dapat diketahui dari konsentrasi pereaksinya atau hasil reaksinya. Konsentrasi ini biasa dinyatakan dengan satuan molaritas.

Pengisian aki merupakan salah satu aktivitas yang sering dilakukan di bengkel. Bagaimana reaksi kimia yang terjadi saat pengisian aki? Reaksi tersebut berjalan dua arah, sehingga tercapai kesetimbangan pada kondisi tertentu. Suatu reaksi kimia dikatakan setimbang, jika jumlah unsur-unsur pereaksi dan hasil reaksi adalah sama. Kesetimbangan dalam reaksi kimia meliputi kesetimbngan dinamis, homogen, dan heterogen. Dalam kesetimbangan tersebut berlaku tetapan kesetimbangan yang dinyatakan dengan Kc dan Kp.

Dalam industri, amonia dibuat dari gas nitrogen dan gas hidrogen menurut persamaan N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g) H = -92 kJ

Stoikiometri reaksi menunjukkan bahwa 1 mol nitrogen bereaksi dengan 3 mol hidrogen membentuk 2 mol amonia. Akan tetapi, dari percobaan diketahui bahwa 1 mol nitrogen direaksikan dengan 3 mol hidrogen tidak dapat membentuk 2 mol amonia. Hal ini terjadi karena reaksi berlangsung tidak tuntas. Reaksi seperti berhenti setelah sebagian nitrogen dan hidrogen bereaksi. Reaksi berakhir dengan suatu campuran yang mengandung baik zat pereaksi maupun hasil reaksi. Keadaan seperti itu disebut keadaan setimbang.

BAB II

DASAR TEORI

A. Kesetimbangan Kimia

Terbentuknya kesetimbangan reaksi dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor-faktor itu bisa digunakan untuk menentukan arah pergeseran kesetimbangan reaksi. Prinsip kesetimbngan reaksi tidak hanya kita temui dalam bidang studi kimia saja, tetapi juga di bidang industri. Sebagai contoh, yaitu pemilihan suhu optimum dalam memproduksi bahan-bahan kimia. Sehingga produk yang dihasilkan mempunyai nilai ekonomis yang tinggi.

1. Kesetimbangan Homogen

Artinya, seluruh zat yang terlibat dalam persamaan reaksi mempunyai wujud sama. Misalnya:

* Kesetimbangan antara gas-gas

N₂ (g) + 3 H₂ (g) 2 NH₃ (g)

* Kesetimbangan antara ion-ion dalam larutan

Fe₃⁺ (aq) + SCN (aq) Fe (SCN)²⁺ (aq)

2. Kesetimbangan Heterogen

Artinya, zat-zat yang terlibat dalam persamaan reaksi mempunyai wujud berbeda-beda.. Misalnya:

CaO (s) + SO₂ (g) CaSO₃ (s)

Fe₃O₄ (s) + 4 CO (g) 3 Fe(s) + 4 CO₂ (g)

Pada saat terjadi kesetimbangan reaksi, ada beberapa kemungkinan perubahan konsentrasi pada pereaksi dan hasil reaksi. Beberapa kemungkinan yang terjadi pada kesetimbangan P + Q R + S , lihat gambar berikut!

Dari gambar grafik, diketahui 3 kemungkinan yang terjadi pada pereaksi dan hasil reaksi saat tercapai keadaan setimbang, yaitu:

1). Pada grafik a, konsentrasi hasil reaksi lebih besar daripada konsentrasi pereaksi.

2). Pada grafik b, konsentrasi hasil reaksi lebih kecil daripada konsentrasi pereaksi.

3). Pada grafik c, konsentrasi hasil reaksi sama dengan konsentrasi pereaksi.

B. Konsep Kesetimbangan Dinamis

1. Reaksi Bolak Balik

Seperti reaksi pembakaran, dan korosi besi tidak dapat balik atau irreversible, artinya hasil dari reaksi tidak dapat diubah lagi menjadi zat pereaksi. Demikian halnya dengan kertas atau kayu yang terbakar. Abu atau arang hasil pembakaran tidak dapat diubah kembali menjadi kertas atau kayu seperti semula. Contoh yang lain, jika kita mereaksikan larutan asam klorida (HCl) dengan larutan natrium hidroksida (NaOH), maka akan dihasilkan larutan natrium klorida (NaCl) dan air (H₂O). Reaksi yang terjadi antara larutan HCl dan NaOH adalah sebagai berikut:

HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H₂O (l)

Apabila dipanaskan sampai jenuh, larutan NaCl dari hasil reaksi di atas akan berubah menjadi kristal putih yang rasanya asin. Tetapi, jika kita mereaksikan kristal putih tersebut dengan air, maka tidak akan terbentuk asam klorida (HCl) dan natrium hidroksida (NaOH). Reaksi tersebut dinamakan reaksi satu arah (irreversible), karena hasil reaksi tidak dapat diubah kembali menjadi pereaksi (reaktan).

Di lain pihak banyak reaksi yang banyak balik atau reversible, artinya hasil reaksi dapat bereaksi kembali membentuk zat pereaksi. Sebagai contoh, antara nitrogen dengan hidrogen. Berikut dua contoh lain yang dapat balik.

a. Tembaga(II) sulfat pentahidrat, CuSO₄ . 5H₂O(s), yang berwarna biru, jika dipanaskan akan kehilangan air kristalnya dan menjadi putih.

CuSO₄ . 5H₂O(s) CuSO₄(s) + 5H₂O(I) ………………(2.1)

Biru Putih

Jika serbuk CuSO₄ yang berwarna ini diberi air warnanya kembali biru karena membentuk CuSO₄ . 5H₂O(s).

CuSO₄(s) + 5H₂O(I) CuSO₄ . 5H₂O(s) ………….........(2.2)

Putih Biru

Reaksi (2.2) adalah kebalikan dari reaksi (2.1). Kedua reaksi itu dapat digabungkan dengan menggunakan tanda panah bolak-balik ( ), sebagai berikut:

CuSO₄ . 5H₂O(s) CuSO₄(s) + 5H₂O(I) ……………....(2.3)

b. Serbuk timbal (II) sulfat direaksikan dengan larutan natrium iodida, akan terbentuk endapan kuning dari timbal (II) iodida sebagai berikut:

PbSO₄(s) + 2NaI(aq) PbI₂(s) + Na₂SO₄(aq) .........................(2.4)

Putih Kuning

Sebaliknya, jika endapan timbal(II) iodida direaksikan dengan larutan natrium sulfat akan terbentuk endapan timbal(II) sulfat yang berwarna putih:

PbI₂(s) + Na₂SO₄(aq) PbSO₄(s) + 2NaI(aq) ………………...(2.5)

Kuning Putih

Reaksi 2.4 dan 2.5 tersebut dapat digabungkan sebagai berikut:

PbSO₄(s) + 2NaI(aq) PbI₂(s) + Na₂SO₄(aq) …………..(2.6)

Selanjutnya, reaksi ke kanan disebut reaksi maju sedangkan reaksi ke kiri disebut reaksi balik.

2. Keadaan Setimbang

Misalnya, suatu ruangan tertutup di mana 1 mol gas nitrogen dipanaskan bersama 3 mol gas hidrogen. Pada awalnya, hanya terjadi satu reaksi yaitu pembentukan amonia.

N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g) ............................................(2.7)

Segara setelah terbentuk, sebagian amonia itu terurai kembali membentuk gas nitrogen dan gas hidrogen.

2NH₃(g) N₂(g) + 3H₂(g) ............................................(2.8)

Hal itu terjadi karena reaksi pembentukan amonia merupakan reaksi dapat balik. Kedua reaksi tersebut dapat digabungkan sebagai berikut:

N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g) ............................................(2.9)

Pada beberapa percobaan menunjukkan bahwa dalam keadaan setimbang reaksi tetap berlangsung pada tingkat molekul. Oleh karena itu, kesetimbangan kimia disebut kesetimbangan dinamis.

Untuk memahami proses menuju kesetimbangan serta keadaan setimbang, dapat melakukan kegiatan berikut: zat pereaksi dianalogikan dengan jumlah cairan pada sebuah tabung reaksi R, sedangkan produk berupa cairan dalam tabung reaksi P. Perhatikan gambar berikut:

Laju reaksi maju digambarkan oleh jumlah cairan yang dipindahkan oleh pipa X, sedangkan laju reaksi balik oleh jumlah cairan yang dipindahkan oleh Y. Jumlah cairan dalam R makin lama makin sedikit sedangkan cairan dalam tabung P makin banyak. Seiring dengan jumlah cairan yang dipindahkan oleh pipa X semakin sedikit sedangkan cairan yang dipindahkan oleh pipa Y makin banyak. Pada suatu saat jumlah cairan yang dipindahkan dari tabung R sama dengan jumlah cairan yang ditambahkan ke dalamnya sehingga jumlah cairan dalam tabung R tidak berubah lagi. Pada saat yang sama juga terjadi pada tabung P. Sejak saat itu jumlah cairan pada kedua tabung tidak berubah lagi walaupun pemindahan cairan tetap dilanjutkan. Proses tersebut dikatakan sudah mencapai kesetimbangan.

C. Tetapan Kesetimbangan

Dalam keadaan setimbang, perbandingan konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi tergantung pada suhu dan jenis reaksi kesetimbangan. Cato Maximilian Guldberg dan Peter Waage, dua orang ahli kimia dari Norwegia, menyatakan bahwa dalam reaksi kesetimbangan berlaku hukum kesetimbangan.

Hukum Guldberg dan Wange:

Dalam keadaan kesetimbangan pada suhu tetap, maka hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi dibagi dengan hasil kali konsentrasi pereaksi yang sisa dimana masing-masing konsentrasi itu dipangkatkan dengan koefisien reaksinya adalah tetap.

Pernyataan tersebut juga dikenal sebagai hukum kesetimbangan.
Untuk reaksi kesetimbangan: a A + b B « c C + d D maka:

Kc = (C)c x (D)d / (A)a x (B)b

K_c adalah konstanta kesetimbangan yang harganya tetap selama suhu tetap

D. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Pergeseran Kesetimbangan

Suatu sistem kesetimbangan dapat berubah, jika mendapat pengaruh dari luar. Perubahan tersebut bertujuan untuk mencapai kesetimbangan baru, sehingga disebut pergeseran kesetimbangan. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Henry Louis Le Chatelier.

Asas Le Chatelier, menyatakan bahwa:

Jika suatu sistem kesetimbangan mendapat pengaruh dari luar, maka sistem akan bergeser, sehingga dapat meminimalisir pengaruh dari luar. Dengan demikian, sistem akan mencapai kesetimbangan kembali.

1. Perubahan Konsentrasi Salah Satu Zat

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.

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.

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 diperbesar (= volume diperkecil), maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

3. Perubahan Suhu

Menurut Van't Hoff:

a. Bila pada sistem kesetimbangan subu dinaikkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membutuhkan kalor (ke arah reaksi endoterm).

b. 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) ; DH = -216 kJ

c. Jika suhu dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.
d. Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

4. Pengaruh Katalisator Terhadap Kesetimbangan

Fungsi katalisator dalam reaksi kesetimbangan adalah mempercepat tercapainya kesetimbangan dan tidak merubah letak kesetimbangan (harga tetapan kesetimbangan K_c tetap),hal ini disebabkan katalisator mempercepat reaksi ke kanan dan ke kiri sama besar.

Hubungan Antara Harga K_c Dengan K_p
Untuk reaksi umum:
a A(g) + b B(g) « c C(g) + d D(g)
Harga tetapan kesetimbangan:

K_c = [(C)^c . (D)^d] / [(A)^a . (B)^b]

K_p = (P_C^c x P_D^d) / (P_A^a x P_B^b)

dimana: P_A, P_B, P_C dan P_D merupakan tekanan parsial masing-masing gas A, B. C dan D.

Secara matematis, hubungan antara K_c dan K_p dapat diturunkan sebagai:

K_p = K_c (RT) ^Dn

dimana Dn adalah selisih (jumlah koefisien gas kanan) dan (jumlah koefisien gas kiri).

Kesetimbangan Disosiasi

Disosiasi adalah penguraian suatu zat menjadi beberapa zat lain yang lebih sederhana.

Derajat disosiasi adalah perbandingan antara jumlah mol yang terurai dengan jumlah mol mula-mula. Contoh: 2NH₃(g) « N₂(g) + 3H₂(g), besarnya nilai derajat disosiasi (a):

a = mol NH3 yang terurai / mol NH3 mula-mula

Harga derajat disosiasi terletak antara 0 dan 1, jika:

a = 0 berarti tidak terjadi penguraian
a = 1 berarti terjadi penguraian sempurna
0 < a <>berarti disosiasi pada reaksi setimbang (disosiasi sebagian).

BAB III

PEMBAHASAN

A. Kesetimbangan Dalam Industri

Banyak pembuatan zat kimia yang didasarkan pada reaksi kesetimbangan. Agar efisien, kondisi reaksi harus diusahakan atau diatur sehingga menggeser kesetimbangan ke arah produk dan meminimalkan reaksi balik.

B. Pembuatan Amonia Menurut Proses Haber-Bosch

Nitrogen terdapat melimpah di udara sekitar 78%. Meskipun demikian, karena nitrogen sangat sulit bereaksi, sehingga senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam. Satu-satunya sumber alam yang penting ialah NaNO₃ yang disebut sendawa chili. Sementara kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya, untuk industri pupuk, mesiu, dan bahan peledak. Oleh karena itu proses sintesis senyawa nitrogen disebut 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 lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.

Pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen ditemukan oleh Fritz Haber pada tahun 1908. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch.

Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah:

N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g) H = -92,4 kJ Pada 25 ^oC : Kp = 6,2 X 10⁵

Reaksi dilangsungkan pada suhu dan tekanan tinggi dengan katalisator yang terdiri atas serbuk besi dengan campuran Al₂O₃, MgO, CaO, dan K₂O. Sebenarnya suhu tinggi tidak menguntungkan karena pada suhu tinggi kesetimbangan akan bergeser ke kiri. Tetapi jika suhu rendah reaksi berlangsung sangat lambat. Dengan memperhitungkan waktu dan kecepatan reaksi maka dipilih suhu sekitar 550^oC. Pada tekanan yang besar sangat menguntungkan, karena semakin besar tekanan makin besar fraksi NH3 yang terbentuk. Pada proses Haber-Bosch yang mula-mula digunakan tekanan sekitar 150-350 atm. Meskipun tidak mempengaruhi kesetimbangan, katalisator sangat penting untuk mempercepat reaksi dan supaya reaksi berlangsung lebih cepat pada suhu yang tidak terlalu tinggi. Untuk mengurangi reaksi balik, amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Diagram alur dari proses Haber-Bosch untuk sintesis amonia adalah sebagai berikut:

Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi hingga mencapai tekanan 150-350 atm. Campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Campuran gas kemudian didinginkan sehingga amonia mencair. Gas nitrogen dan hidrogen yang belum bereaksi serta amonia yang tidak mencair diresirkulasi, sehingga pada akhirnya semua diubah menjadi amonia.

C. Pembuatan Asam Sulfat Menurut Proses Kontak

Asam sulfat dibuat dari belerang melalui reaksi sebagai berikut:

1. Belerang dibakar dengan udara membentuk belerang dioksida.

S(s) + O₂(g) SO₂(g)

2. Belerang dioksida dioksidasi lebih lanjut menjadi belerang trioksida

2SO₂(g) + O₂(g) 2SO₃(g)

3. Belerang trioksida dilarutkan dalam asam sulfat pekat membentuk asam pirosulfat.

H₂SO₄(aq) + SO₃(g) H₂S₂O₇(l)

4. Asam pirosulfat direaksikan dengan air membentuk asam sulfat pekat

H₂S₂O₇(l) + H₂O(l) H₂SO₄(aq)

Tahap penting dalam proses ini adalah reaksi (2). Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan dan eksoterm. Seperti pada sintesis amonia, reaksi ini hanya berlangsung baik pada suhu tinggi. Tetapi pada suhu tinggi kesetimbangan akan bergeser ke kiri. Pada proses kontak digunakan suhu 500^oC. Sebenarnya tekanan besar akan menguntungkan produksi SO₃, tetapi penambahan tekanan tidak diimbangi penambahan hasil yang memadai, karena tanpa tekanan besar pun, dengan adanya katalisator V₂O₅ reaksi ke kanan sudah cukup sempurna. Oleh karena itu pada proses kontak tidak digunakan tekanan besar melainkan tekanan normal, 1 atm.

BAB IV

KESIMPULAN

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

2. Terbentuknya kesetimbangan reaksi dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor-faktor itu bisa digunakan untuk menentukan arah pergeseran kesetimbangan reaksi.

3. Faktor-faktor yang dapat menggeser letak kesetimbangan adalah :

a. Perubahan konsentrasi salah satu zat
b. Perubahan volume atau tekanan
c. Perubahan suhu

4. Kondisi reaksi menentukan hasil reaksi kesetimbangan dalam industri.

5. Hukum Guldberg dan Wange, yang selanjutnya dikenal dengan hukum kesetimbangan yaitu: ”Dalam keadaan kesetimbangan pada suhu tetap, maka hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi dibagi dengan hasil kali konsentrasi pereaksi yang sisa dimana masing-masing konsentrasi itu dipangkatkan dengan koefisien reaksinya adalah tetap.”

6. Asas Le Chatelier, menyatakan bahwa: ”Jika suatu sistem kesetimbangan mendapat pengaruh dari luar, maka sistem akan bergeser, sehingga dapat meminimalisir pengaruh dari luar.” Dengan demikian, sistem akan mencapai kesetimbangan kembali.

DAFTAR PUSTAKA

Benny Karyadi, 1997, Kimia 2, P.T. Balai Pustaka, Jakarta

Hart Harold, 2007, Kimia Organik, Edisi II, Erlangga, Jakarta.

Michael Purba, 2000, Kimia 2000, Erlangga, Jakarta.

Oxtoby, D.W., Gillis, H.P., Nachtrieb, N.H. (2001) Prinsip-prinsip Kimia Modern. Edisi ke-4. Jilid 1. Diterjemahkan oleh S.S. Achmadi. Jakarta: Erlangga.

Petrucci H. Raplh. Suminar, 1987, Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern, Jilid 2, Erlangga, Jakarta.

Shidiq Premono, Anis Wardani, Nur Hidayati, 2007, Kimia, P.T .Pustaka Insan Madani, Yogyakarta.