Download - Makalah Kimia Fisika Pemicu 2
1
MAKALAH KIMIA FISIKA
PEMICU 2
KESETIMBANGAN KIMIA
Kelompok 10:
Edward Gustaf/1406531920
Elgusta Masanari/1406531901
Eliza Habna Lana/1406531611
Ilham Maulana/1406531914
Nafila Wajdi/1406531675
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK 2015
2
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat
rahmat dan karunia-Nya lah kami dapat menyelesaikan makalah Kimia Fisika Pemicu 2
dengan judul “Kesetimbangan Kimia” ini tepat pada waktunya. Penulisan makalah ini
bertujuan untuk memenuhi tugas PBL Kimia Fisika Semester Ganjil. Selain itu, tujuan kami
dalam penulisan makalah ini adalah untuk mengetahui konsep kesetimbangan kimia beserta
aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari. Dalam penyelesaian laporan ini, kami banyak
mengalami kesulitan, terutama disebabkan oleh kurangnya ilmu pengetahuan. Namun, berkat
bimbingan dari berbagai pihak, laporan ini dapat terselesaikan walaupun masih banyak
kekurangannya.
Selain itu, sebagai mahasiswa yang pengetahuannya belum seberapa dan masih perlu
banyak belajar dalam penulisan makalah, karena kami menyadari bahwa makalah ini masih
banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu, kami sangat mengharapkan adanya kritik dan
saran yang positif agar makalah ini dapat menjadi lebih baik dan berdaya guna di masa yang
akan datang.
Depok, Oktober 2015
Kelompok 10
3
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL ..................................................................................................................... 1
KATA PENGANTAR ............................................................................................................... 2
DAFTAR ISI .............................................................................................................................. 3
BAB 1: DASAR TEORI ................................................................................................ 4
BAB 2: PEMBAHASAN SOAL PEMICU 2…………………………………………7
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 23
4
BAB I
DASAR TEORI
DEFINISI KESETIMBANGAN KIMIA
Keadaan kesetimbangan kimia adalah suatu keadaan di mana konsentrasi seluruh zat tidak
lagi mengalami perubahan, sebab zat-zat di ruas kanan terbentuk dan terurai kembali
dengan kecepatan yang sama. Keadaan kesetimbangan ini bersifat dinamis, artinya reaksi
terus berlangsung dalam 2 arah dengan kecepatan yang sama. Pada keadaan
kesetimbangan tidak mengalami perubahan secara mikroskopis (perubahan yang dapat
diamati atau diukur).
JENIS-JENIS KESETIMBANGAN KIMIA
a. Kesetimbangan Homogen
Semua spesi kimia berada dalam fasa yang sama. Salah satu contoh kesetimbangan
homogen fasa gas adalah sistem kesetimbangan N2O4/NO2. Reaksi yang terjadi adalah
sebagai berikut:
N2O4(g) ↔ 2NO2(g)
𝐾𝑐 = 𝑁𝑂2 2
𝑁2𝑂4
Selain kesetimbangan homogeny fasa gas, terdapat pula kesetimbangan homogeny fasa
larutan. Contohnya adalah kesetimbangan ionisasi asam asetat dalam air di mana
reaksinya sebagai berikut:
CH3COOH(aq) ↔ CH3COO-(aq) + H
+(aq)
b. Kesetimbangan Heterogen
Kesetimbangan ini melibatkan reaktan dan produk dalam fasa yang berbeda. Contohnya
saat padatan kalsium karbonat dipanaskan dalam wadah tertutup, akan terjadi reaksi
berikut:
CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)
Dalam reaksi penguraian padatan kalsium karbonat, terdapat 3 fasa yang berbeda, yaitu
padatan kalsium karbonat, padatan kalsium oksida, dan gas karbon dioksida. Dalam
kesetimbangan kimia, konsentrasi padatan dan cairan relatif konstan, sehingga tidak
disertakan dalam persamaan konstanta kesetimbangan kimia. Dengan demikian,
5
persamaan konstanta kesetimbangan reaksi penguraian padatan kalsium karbonat ialah
sebagai berikut:
Kc = [CO2]
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 ahli kimia dari Norwegia, menyatakan bahwa dalam reaksi kesetimbangan
berlaku hukum kesetimbangan.
Sementara itu, tetapan kesetimbangan berdasarkan konsentrasi (Kc) adalah hasil perkalian
konsentrasi hasil reaksi dibagi perkalian konsentrasi pereaksi yang masing-masing
dipangkatkan koefisiennya. Dalam kesetimbangan homogen, rumusan Kc dihitung dari
konsentrasi semua zat yang terlibat dalam reaksi. Perhatikan reaksi berikut.
Untuk menghitung besar Kc pada kesetimbangan homogen, dipergunakan rumus berikut.
Sedangkan untuk kesetimbangan heterogen, rumusan Kc dihitung dari:
1. Untuk campuran gas dengan padat, yang diperhitungkan hanya zat yang berfasa gas.
2. Untuk campuran larutan dengan padat, yang diperhitungkan hanya larutan saja.
KESETIMBANGAN DAN TERMOKIMIA
Reaksi kimia akan berlangsung atau tidak berlangsung karena 2 faktor:
a. Faktor entalpi (∆H)
- ∆H negatif (eksoterm) membantu reaksi bergerak ke kanan
- ∆H positif (endoterm) membantu reaksi bergerak ke kiri
b. Faktor entropi (∆S)
6
Entropi adalah probability factor. Secara umum entropi gas > cair > padat. Entropi
dapat ditulis dengan
𝑑𝑆 = 𝑑𝑞𝑟𝑒𝑣
𝑇
qrev adalah panas yang ditambahkan ke system secara reversible.
Entalpi dan entropi, jika digabung akan menjadi energi bebas atau lebih dikenal dengan
Energi Gibbs (G). Berlaku untuk reaksi yang berlangsung isothermal/suhu konstan.
∆𝐺0 = ∆𝐻0 − 𝑇∆𝑆0
∆𝐺𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖0 = ∆𝐺𝑓
0 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘
− ∆𝐺𝑓0
𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛
Jika nilainya negatif, reaksi berlangsung ke kanan. Begitu sebaliknya.
Perubahan energi bebas (∆G) berkaitan dengan quosien reaksi Q, yaitu:
∆𝐺 = ∆𝐺0 + 𝑅𝑇 ln𝑄 atau ∆𝐺 = ∆𝐺0 + 2,303 𝑅𝑇 log𝑄
Pada saat kesetimbangan, Q = K, di mana saat tersebut reaktan dan produk memiliki
energi bebas yang sama, sehingga ∆G = 0. Saat kesetimbangan:
∆𝐺0 = −𝑅𝑇 ln𝐾
∆𝐺0 = −2,303 𝑅𝑇 log𝐾
ln𝐾 = −∆𝐺0
𝑅𝑇
𝐾 = 𝑒−∆𝐺0
𝑅𝑇
APLIKASI KESETIMBANGAN KIMIA
Aplikasi kesetimbangan kimia terjadi pada berbagai proses reaksi pembentukan suatu
senyawa. Contoh aplikasi kesetimbangan kimia adalah proses pembentukan senyawa di
industry, yaitu proses pembentukan ester (esterifikasi) dan proses pembentukan
ammonium nitrat.
7
BAB II
PEMBAHASAN SOAL PEMICU 2
Soal Bagian A
1. Senyawa HNO3 merupakan bahan kimia penting yang digunakan sebagai bahan baku
untuk peledak seperti TNT (trinitotoluena). Jenis asam ini dapat menimbulkan ledakan
dahsyat. Sebagai mahasiswa Teknik Kimia, tentunya Anda harus tahu sifat fisika kimianya
dan bagaimana menanganinya, dan berdasarkan sifat-sifatnya ini, berikan analisis
mengapa HNO3 dipilih sebagai bahan baku TNT! Dan mengapa efek ledakan hanya terjadi
setelah membentuk TNT? Jelaskan pendapat Anda!
Jawab:
Sifat fisika dan kimia HNO3:
Pada 25oC berupa cairan tak berwarna hingga kekuningan
Memiliki bau asam yang tajam
Larut sempurna dalam air
Non-flammable (tidak terbakar), namun dapat terbakar/meledak jika berkontak dengan
senyawa lain
Merupakan asam kuat
Sangat korosif
Oksidator kuat
Sangat beracun
Cara penanganan HNO3
Karena sifatnya yang korosif, oksidatif, dan beracun, maka asam nitrat perlu ditangani
dengan berhati-hati. Kulit, muka, dan membran mukosa tidak boleh berkontak dengan
asam nitrat; asam nitrat akan membuatnya melepuh. Oleh karena itu, untuk melakukan
kerja dengan asam nitrat, pekerja harus menggunakan sarung tangan dan kacamata
pelindung. Menghirup asam nitrat akan menyebabkan sesak napas dan iritasi saluran
pernapasan, maka pekerja harus mengenakan masker untuk meminimalisir jumlah asam
nitrat yang terhirup.
Asam nitrat disimpan di dalam botol kaca yang warnanya kecoklatan agar tidak terlalu
tembus cahaya. Ketebalan dindig kaca juga tidak boleh terlalu tipis. Sumbat botol yang
8
terbuat dari plastik harus diganti tiap jangka waktu tertentu. Botol yang berisi asam nitrat
kuat harus ditempatkan di dalam lemari asam.
Penggunaan HNO3 sebagai bahan baku TNT
Seperti yang kita ketahui, asam nitrat bersifat sangat mengoksidasi (oksidator kuat).
Dibandingkan dengan senyawa NxOylainya, asam nitrat yang mengoksidasi paling kuat.
Toluena, sebagai bahan dasar TNT merupakan senyawa benzena yang sangat stabil, sulit
bereaksi.
Gugus hidroksil pada asam nitrat akan bereaksi dengan gugus hidrogen dari toluena
hingga membentuk air. Sisanya gugus nitrat akan berikatan dengan molekul toluena yang
telah kehilangan molekul hidrogen tersebut.
9
2. Bagaimanakah bentuk dari reaksi pembentukan pupuk amonium nitrat ? Apa bedanya
dengan proses Haber Bosch? Apa yang anda ketahui dengan reaksi kesetimbangan kimia?
Bagaimana kesetimbangan kimia terjadi? Faktor apa saja yang mempengaruhi
kesetimbangan kimia? Apa yang dimaksud dengan konstanta kesetimbangan kimia? Apa
bedanya dengan quotient reaksi? Jelaskan!
Jawab:
Proses pembuatan ammonium nitrat
Amonium Nitrat merupakan senyawa dengan rumus molekul NH4NO3 secara umum
berbentuk padatan berwarna putih, berbentuk kristal yang mudah menyerap air
(higrokopis) pada suhu ruang dan tekanan standard. Amonium nitrat didapatkan dengan
cara mereaksikan Amonia dengan Asam Nitrat sehingga menghasilkan produk berupa
amonium nitrat.Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
NH3 + HNO3 (NH4)NO3
Perbedaan proses pembentukan ammonium nitrat dengan proses Haber Bosch
Pada proses pembentukan Amonium nitrat ini, bahan baku yang berupa HNO3
didapatkan melalui proses Haber Bosch, bedanya dengan proses Haber Bosch adalah
pada pembuatan Amonium nitrat ini menggunakan proses Uhde dimana bahan baku
yang berupa amonia dan asam nitrat direaksikan melalui reaksi netralisasi pada suhu
mendekati 200oC dan tekanan antara 4 – 5 bar, lalu larutan yang keluar dari reaktor
dimasukkan ke dalam flash drum setelah itu dipompa ke evaporator untuk dipekatkan,
uap yang keluar dari evaporator sebagian digunakan sebagai media pemanas dan
sebagian lagi diumpankan ke absorber sebagai penyerap gas amoniak. Larutan yang
keluar dari evaporator masuk ke dalam prilling tower, prill amoinum nitrat yang
terbentuk didinginkan dan discreening unuk mendapatkan butir prill amonium nitrat
yang diinginkan.
Pengertian kesetimbangan kimia
Pada umumnya reaksi-reaksi kimia tersebut berlangsung dalam arah bolak-
balik (reversible), dan hanya sebagian kecil saja yang berlangsung satu arah. Pada awal
proses bolak-balik, reaksi berlangsung ke arah pembentukan produk, segera setelah
terbentuk molekul produk maka terjadi reaksi sebaliknya, yaitu pembentukan molekul
reaktan dari molekul produk. Ketika laju reaksi ke kanan dan ke kiri sama dan
konsentrasi reaktan dan produk tidak berubah maka kesetimbangan reaksi tercapai.
10
Ketika suatu reaksi kimia berlangsung, laju reaksi dan konsentrasi pereaksipun
berkurang. Beberapa waktu kemudian reaksi dapat berkesudahan, artinya semua
pereaksi habis bereaksi. Namun banyak reaksi tidak berkesudahan dan pada
seperangkat kondisi tertentu, konsentrasi pereaksi dan produk reaksi menjadi tetap.
Reaksi yang demikian disebut reaksi reversibel dan mencapai kesetimbangan.
Padareaksi semacam ini produk reaksi yang terjadi akan bereaksi membentuk kembali
pereaksi. ketika reaksi berlangsung laju reaksi ke depan (ke kanan), sedangkan laju
reaksi sebaliknya kebelakang (ke kiri) bertambah, sebab konsentrasi pereaksi berkurang
dan konsentrasi produk reaksi semakin bertambah.
Pada umumnya suatu reaksi kimia yang berlangsung spontan akan terus berlangsung
sampai dicapai keadaan kesetimbangan dinamis. Berbagai hasil percobaan
menunjukkan bahwa dalam suatu reaks kimia, perubahan reaktan menjadi produk pada
umumnya tidak sempurna, meskipun reaksi dilakukan dalam waktu yang relatif lama.
Umumnya pada permulaan reaksi berlangsung, reaktan mempunyai laju reaksi tertentu.
Kemudian setelah reaksi berlangsung konsentrasi akan semakin berkurang sampai
akhirnya menjadi konstan. Keadaan kesetimbangan dinamis akan dicapai apabila dua
proses yang berlawanan arah berlangsung dengan laju reaksi yang sama dan konsentrasi
tidak lagi mengalami perubahan atau tidak ada gangguan dari luar. Sebagai contoh
reaksi pembuatan amonia dengan persamaan reaksi kesetimbangan berikut ini :
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4 Kj
Pergeseran kesetimbangan dapat terjadi jika pada sistem kesetimbangan diberikan aksi,
maka sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi tadi diupayakan
sekecil mungkin. Aksi-aksi yang dapat mempengaruhi terjadinya pergeseraan
kesetimbangan antara lain perubahan konsentrasi, perubahan volume, perubahan
tekanan, perubahan jumlah mol, perubahan temperatur.
Faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan berdasarkan azas Le
Chatelier
a. Pengaruh temperatur
Sesuai dengan azas Le Chatelier, jika suhu atau temperatur suatu sistem
kesetimbangan dinaikkan, maka reaksi sistem menurunkan temperatur,
kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (ke pihak reaksi
endoterm). Sebaliknya jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke
pihak reaksi eksoterm.
11
b. Pengaruh konsentrasi
Sesuai dengan azas Le Chatelier (Reaksi = aksi) , jika konsentrasi salah satu
komponen tersebut diperbesar, maka reaksi sistem akan mengurangi komponen
tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu komponen diperkecil, maka reaksi
sistem adalah menambah komponen itu. Oleh karena itu, pengaruh konsentrasi
terhadap kesetimbangan.
c. Pengaruh tekanan dan volume
Penambahan tekanan dengan cara memperkecil volume akan memperbesar
konsentrasi semua komponen. Sesuai dengan azas Le Chatelier, maka sistem akan
bereaksi dengan mengurangi tekanan. Sebagaimana anda ketahui, tekanan gas
bergantung pada jumlah molekul dan tidak bergantung pada jenis gas. Oleh karena
itu untuk mengurangi tekanan maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah
yang jumlah koefisiennya lebih kecil. Sebaliknya jika tekanan dikurangi dengan cara
memperbesar volume, maka sistem akan bereaksi dengan menambah tekanan
dengan cara menambah jumlah molekul. Reaksi akan bergeser ke arah yang jumlah
koefisiennya lebih besar.
d. Pengaruh katalis
Katalis hanya berfungsi untuk mempercepat tercapainya kesetimbangan kimia dan
hanya mempengaruhi laju reaksinyab bukan reaksinya.
Pengertian konstanta kesetimbangan
Menurut Hukum kesetimbangan,” Dalam keadaan setimbang pada suhu tertentu,
perbandingan hasil kali konsentrasi – konsentrasi hasil reaksi dibagi dengan hasil kali
konsentrasi reaktan yang ada dalam sistem kesetimbangan, dimana masing-masing
komponen dipangkatkan dengan koefisiennya mempunyai harga tetap yang bisa disebut
dengan konstanta kesetimbangan”.Ungkapan Hukum Kesetimbangan Kimia dalam
suatu reaksi :
aA + bB ⇄ cC + dD
maka, 𝐾 = 𝐶 𝑐 𝐷 𝑑
𝐴 𝑎 𝐵 𝑏
Dimana [...] menunjukkan konsentrasi dan tanda ⇄ menyatakan kondisi setimbang.
Pengertian Quotient reaksi (Qc)
Quotient reaksi (Qc) merupakan ungkapan kesetimbangan yang mirip dengan Kc
(konstanta Kesetimbangan), hanya saja Qc bukan sebuah konstanta pasti seperti Kc
12
karena setiap reaksi memiliki nilai Qc yang berbeda-beda tidak sperti Kc dimana
bernilai konstan.
3. Suatu proses yang erat hubungannya dengan proses Haber Bosch yang merupakan proses
modern dalam pembuatan asam nitrat dengan katalis Pt, dikenal dengan proses ostwald,
jelaskan tentang proses ini, tuliskan reaksi apa saja yang terlibat dan kesetimbangan apa
yang terjadi, terangkan dengan video dan juga flip chart untuk bisa memahami proses ini
secara baik!
Jawab:
Proses pembuatan asam nitrat (Ostwald)
Asam nitrat dibuat dengan melalui tiga tahap, dikenal dengan proses Oswald, sebagai
berikut:
1. Oksidasi Amonia (NH3) menjadi Nitrogen monoksida (NO)
Air dipanaskan dan dicampurkan dengan amonia (yang tidak dipanaskan karena
akan terurai) dan kemudian melewati converter dimana reaksi berikut terjadi:
4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO2(g) + 6H2O(g) H -907 kJ/mol
Dalam reaksi ini, amonia mengalami oksidasi katalitik untuk membentuk nitrogen
monoksida (NO) dan air. Ini adalah awal dari proses oksidasi. Nitrogen dalam
amonia dimulai dengan bilangan oksidasi -3 dan dikonversi ke 2 dalam nitrogen
monoksida. Rasio udara dengan amonia harus diperhatikan dan dipertahankan
diantara 9 sampai 12%. Jika konsentrasi amonia meningkat lebih jauh lagi,
campuran ini akan menjadi eksplosif.
Katalis yang digunakan dalam proses ini adalah 90% platinum padatan dengan 10%
rhodium untuk meningkatkan kekuatan. Katalis terdiri dari beberapa benang
terbentuk dari padatan. Kasa tikar dipanaskan sehingga gas secara langsung
dipanaskan karena mereka melewati katalis. Katalis dapat menjadi teracuni oleh
polusi udara dan pencemaran dari amonia yang mengurangi efisiensi. Biaya katalis
ini sangat tinggi dan perlu sering diganti karena keausan yang mereka alami di
bawah berat seperti kondisi. Sebuah alternatif yang lebih murah adalah belum
dikembangkan.
Nitrogen monoksida, nitrogen dan air juga secara bersamaan terbentuk dalam
langkah ini, seperti di bawah ini
4NH3(g) + 3O2(g) → 2N2(g) + 6H2O(g) H -1267 kJ/mol
2NH3(g) + 2O2(g) → N2(g) + 3H2O(g)
13
Batasan kondisi untuk membuat NO adalah dengan suhu tinggi (820 – 930oC) dan
tekanan tinggi (11 atm). Meskipun hasil yang lebih tinggi akan diperoleh pada suhu
yang lebih rendah (reaksi ke depan adalah eksotermis), proses ini dilakukan pada
suhu tinggi (820 – 930oC). Hal ini dikarenakan tingkat di mana reaksi berlangsung
pada suhu rendah terlalu lambat untuk menjadi komersial. Untuk mengkompensasi
hilangnya resultan hasil produk, campuran gas dilewatkan di atas katalis beberapa
kali untuk menghasilkan hasil moderat NO. Pada suhu tinggi yang
digunakan, NO dibentuk terurai membentuk nitrogen dan oksigen.
2NO(g) N2(g) + O2(g)
Untuk menghindari hal ini, campuran gas melewati katalis dengan sangat cepat
(waktu kontak adalah sekitar 0,003 detik). Untuk mencapai tingkat ini, reaksi
dilakukan pada tekanan tinggi meskipun tekanan rendah akan mengakibatkan hasil
produk yang lebih tinggi.
2. Oksidasi Nitrogen oksida(NO) menjadi Nitrogen dioksida (NO2)
Limbah panas dari gas meninggalkan konverter didaur ulang dan digunakan di
bagian lain. Suhu campuran nitrogen monoksida berkurang menjadi sekitar 200-
250oC dalam proses ini. Gas-gas tersebut kemudian dialirkan melalui ruang
pendingin dan suhunya dikurangi menjadi sekitar 50oC. Air terkondensasi ditransfer
ke menara absorpsi. Sebagai gas didinginkan, yang nitrogen monoksida dioksidasi
menjadi nitrogen dioksida( biloks N dari NO dioksidasi dari +2 menjadi
+4). Oksigen yang dikonsumsi dalam langkah ini mungkin ditambahkan dari sumber
luar atau disediakan oleh kelebihan oksigen dalam campuran gas yang keluar
converter. Reaksinya adalah:
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) H -114kJ/mol
Reaksi ini merupakan reaksi eksotermis untuk mendapatkan hasil yang maksimal
dibutuhkan suhu rendah, akan tetapi jika menggunakan suhu rendah akan
membutuhkan waktu yang sangat lama sehingga suhu dinaikkan. Campuran gas
melewati katalis dengan sangat cepat (waktu kontak adalah sekitar 0,003
detik). Untuk mencapai tingkat ini, reaksi dilakukan pada tekanan tinggi meskipun
tekanan rendah akan mengakibatkan hasil produk yang lebih tinggi.
3. Absorpsi dan reaksi NO2 dengan air
Air dicampur dengan gas nitrogen dioksida di menara absorpsi untuk membentuk
larutan encer dari asam nitrat menurut reaksi seperti berikut:
14
3NO2(g) + H2O(l) 2HNO3 (aq) + NO(g)
Ini adalah reaksi redoks di mana menghasilkan nitrogen dalam keadaan nilai biloks
tertinggi(+5 dalam asam nitrat). Menara mengandung sejumlah besar padatan inert
dikemas dengan bahan granular inertdirancang untuk meningkatkan kontak antara
gas dan air.Reaksi ini eksotermis dan pendinginan terus menerus
diperlukan. Konversi dilakukan padasuhu rendah dan reaksi signifikan terjadi
sampai gas meninggalkan menara.
Gas nitrogen dioksida dipompa sekitar 5 sampai 10 atm dari zat innert yang tadi
digunakan dengan menetesi air dari atas.Reaksi antara air dan gas ini menghasilkan
asam nitrat, yang kemudian larut dalamair yang tersisa. Jumlah kecil dari NO juga
diproduksi, yang bereaksi dengan oksigen dariudara di menara untuk menghasilkan
NO2yang kemudian bereaksi seperti sebelumnya. Suatu larutan asam nitrat dapat
dihasilkan yaitu sekitar 45-60%. Hal ini dapat dengan mudahmeningkat menjadi
68% (setara dengan16 M) dengan medistilasi sebagian air. Untuk mendapatkan
konsentrasi asam nitrat hingga 98%, asam nitrat didehidrasi dengan menambahkan
asam sulfat (H2SO4) dengan menggunakan amonia dari proses Haber Bosch yang
berasal dari nitrogen, hidrogen dan oksigen yang berasal dari udara gas alam sebagai
bahan baku.
Gambar 1. Skema Pembuatan Asam Nitrat
4. Tuliskan reaksi pada proses Haber-Bosch dan terangkan secara sistematis proses
pembuatan ammonia dan penerapan azas Le Chatelier pada proses tersebut untuk
menigkatkan jumlah produk. Bagaimana pengaruh katalis terhadap reaksi di atas?
Terjemahkan proses singkatnya!
Jawab:
Proses Haber-Bosch merupakan proses pembuatan amonia dengan mereaksikan gas N2
yang diperoleh dari hasil penyulingan udara dengan gas H2 yang diperoleh dari hasil reaksi
antara gas alam dengan air.Reaksi yang terjadi pada proses ini adalah reaksi
15
kesetimbangan antara gas N2,H2 dan NH3yang bersifat eksoterm dan reversibel. Reaksi
kesetimbangan antara gas N2, H2, dan NH3 dapat ditulis sebagai berikut:
N2 + 3 H2 → 2 NH3 (ΔH = −92.4 kJ·mol−1
)
Penerapan azas Le Chatelier pada proses Haber-Bosch:
a. Temperatur
Berdasarkan azas Le Chatelier, kesetimbangan akan bergeser ke arah NH3 jika
direaksikan pada suhu rendah tetapi temperatur yang rendah ini menyebabkan laju
reaksi yang lambat sehingga proses pembuatan amonia ini dilakukan pada suhu tinggi
±450°C (suhu optimum) agar reaksi berlangsung cepat sekalipun dengan resiko
kesetimbangan akan bergeser ke arah N2dan H2.
b. Tekanan
Untuk mengimbangi pergeseran ke arah N2 dan H2 oleh suhu tinggi, maka tekanan yang
digunakan harus tinggi sampai mencapai antara 200–400 atm. Sesuai dengan azas Le
Cahtelier, karena molekul dikanan (2 molekul) lebih sedikit dari molekul dikiri reaksi
(4 molekul) maka agar kesetimbangan bergeser kea rah produk diperlukan tekanan
yang tinggi. Tekanan yang tinggi menyebabkan molekul-molekul semakin rapat
sehingga tabrakan molekul-molekul semakin sering. Hal ini mengakibatkan reaksi
bertambah cepat, sehingga NH3semakin banyak terbentuk.
c. Konsentrasi
Berdasarkan azas Le Chatelier pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser
kesetimbangan kearah kanan sehingga produk yag dihasilkan akan lebih banyak jika
pengambilan NH3dilakukan secara terus menerus.
Katalis tidak menggeser kesetimbangan ke arah produk tetapi dapat mempercepat laju
reaksi secara keseluruhan. Keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat dan 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 dengan adanya katalismenyebabkan
energi aktivasi lebih rendah sehingga jumlah tumbukan antar partikel akan lebih banyak
dan lebih sering karena energi kinetik yang dimiliki partikel-partikel lebih besar.Katalis
yang digunakan pada proses Haber-Bosch adalah katalis yang dapat bereaksi dengan H2,
yaitu Fe yang didapat dari reduksi Fe2O3.
16
5. Jelaskan salah satu proses atau teori untuk pengambilan atau pemanfaatan nitrogen dari
udara untuk menghasilkan produk yang lebih bermanfaat dan komersial yang anda
ketahui selain untuk proses diatas?
Jawab:
PROSES FIKSASI NITROGEN DARI UDARA BEBAS
a. Filtrasi
Pada saat udara dihisap oleh compressor, terlebih dahulu udara disaring dengan
menggunakan filter, agar kotoran atau gas-gas pengotor dari udara bebas dapat disaring
dan tidak terikut dalam proses – proses selanjutnya.
Contoh gas pengotor : uap air dan karbondioksida, debu juga bisa menjadi zat pengotor
pada udara bebas. Zat pengotor ini harus dihilangkan karena dapat menyebabkan
penyumbatan pada perlatan, tingkat bahaya yang dapat ditimbulkan, korosi, dan juga
dalam batas – batas tertentu dilarang terkandung dalam spesifikasi produk akhir.
b. Kompresi
Alat yang digunakan yaitu compressor, dimana fungsinya yaitu menaikkan tekanan
udara bebas yang diserap sampai 145 – 175 Psig.atau sekitar 6 bar.
c. Cooling Water
Air umumnya digunakan sebagai pendingin pada industri sebab air tersedia jumlahya
dan mudah ditangani. Air juga mampu menyerap sejumlah besar enegi per satuan
volume dan tidak mengalami ekspansi maupun pengerutan dalam rentang temperature
yang biasanya dialaminya. Sistem penguapan terbuka merupakan tipe system pendingin
yang umumnya digunakan dalam plant pemisahan udara.
Sebagian industri menggunakan system direct cooler pada proses pendinginannya,
dimana terjadi kontak langsung antara udara dengan air pada sepanjang tray direct
cooler. Direct cooler mempunyai kelebihan dari pada proses pendinginan yang
menggunakan tube atau shell cooler, dimana temperature yang bisa dicapai yaitu 2ºC,
sedang pada tube atau shell cooler hanya sekitar 8ºC, efek pengguyuran (scrubbing)
17
dari air juga dapat membantu menurunkan kandungan partikel dan menyerap pengotor
yang terbawa udara. Namun jika direct cooler tidak terjaga,seperti ∆P tinggi (pada
aliran dan udara masuk) dan tinggi cairan (pada aliran air). Oleh karena tingginya
perbedaan temperature yang melalui tray bawah unit, maka pada tray ini sangat
mungkin terjadi pembentukan kerak. Untuk alasan itu, water treatment harus bekerja
efektif dan tray harus dibersihkan dan diperiksa jika memungkinkan.
d. Pemurnian
Pada proses ini terdapat proses penyerapan ( adsorpsi ) terhadap material / zat – zat
pengotor dari feed air , diantaranya : uap air, karbon monoksida, karbon dioksida, dan
beberapa kandungan hidrokarbon. Pada beberapa industry, menggunakan 2 layer pada
vessel pemurnian ini, layer bawah menggunakan alumina untuk menyerap /
mengadsorpsi kandungan uap air dalam udara dan bagian top / atas menggunakan
molecular sieve yang bertindak sebagai adsorben untuk menghilangkan karbondioksida.
e. Heat Exchanger (Pemindah Panas)
Melewati exchanger, udara didinginkan hingga mendekati titik pencairan. Karena udara
menjadi dingin, mula – mula uap air akan menjadi deposit, dimulai jadi cairan
kemudian berubah menjadi salju halus dengan arah yang berlawanan. Fungsi heat
exchanger untuk memudahkan pergerakan panas yang akan dipindahkan aliran
panasnya, dari zat yang memiliki panas lebih tinggi menuju daerah yang dingin hingga
temperatur keduanya sama.
f. Ekspansi
Udara yang dingin tersebut diekspansikan atau diturunkan pressure nya sampai tekanan
menjadi 70 – 80 psig hingga udara tersebut cair.
g. Distilasi
Pada proses ini final terjadi proses pemisahan antara gas – gas yang terkandung pada
udara bebas sebagai umpan melalui perbedaan titik didih (relative volatilitas). Dimana
nitrogen memiliki titik didih yang lebih tinggi dibandingkan dengan gas – gas lain yang
terkandung dalam udara yaitu -195. Bila dipisahkan masing – masing gas pada proses
vaporisasi (destilasi), maka nitrogen akan cepat menguap dan menghasilkan produk gas
yang siap digunakan.
Gas nitrogen yang dihasilkan dari proses vaporisasi bisa dirubah bentuk menjadi liquid
dengan cara dilewatkan pada kolom – kolom.
18
Soal Bagian B
1. Apa yang Anda ketahui tentang kesetimbangan dinamik (dynamic equilibrium)? Apakah
reaksi dekomposisi termal kalsium karbonat merupakan salah satu contoh kesetimbangan
dinamik? Jelaskan! Jelaskan juga tentang perbedaan kesetimbangan homogen dan
heterogen!
Jawab:
Kesetimbangan dinamis adalah suatu reaksi bolak-balik pada saat keadaan konsentrasi
tetap tapi sebenarnya tetap terjadi reaksi (terus-menerus). Kesetimbangan dinamis tidak
terjadi secara makroskopis melainkan secara mikroskopis (partikel zat). Reaksi
dekomposisi termal kalsium karbonat merupakan salah satu contoh kesetimbangan
dinamik. Reaksinya sebagai berikut:
𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠 ↔ 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 𝑔
Pada reaksi dekomposisi diatas, harga konstanta kesetimbangan hanya dipengaruhi oleh
konsentrasi gas CO2 saja.
Kesetimbangan homogen ialah kesetimbangan dimana seluruh zat yang terlibat dalam
persamaan reaksi mempunyai wujud sama. Misalnya kesetimbangan antara gas-gas
Sedangkan kesetimbangan heterogen ialah kesetimbangan dimana zat-zat yang terlibat
dalam persamaan reaksi mempunyai wujud berbeda-beda. Misalnya,
2. Terangkan mengapa metode (b) lebih berhasil untuk mendekomposisi CaCO3 dengan
mengacu pada prinsip Le Chatelier!
Jawab:
Pada metode (b) dijelaskan bahwa potongan marmer dipanaskan pada wadah terbuka
untuk mendapatkan endapan kapur tohor (CaO). Hal ini memberikan efek keberhasilan
yang besar karena dengan dipanaskannya potongan marmer pada wadah terbuka, pengaruh
kesetimbangan kimia akan bertambah dari lingkungan. Mengacu pada prinsip Le
Chatelier:
Pengaruh tekanan
19
Pada reaksi dekomposisi termal CaCO3, karena dipanaskan pada wadah terbuka, maka
tekanan yang didapat semakin berkurang. Akibatnya, reaksi akan bergeser kearah
produk yaitu endapan kapur tohor (jumlah molekul yang lebih besar).
Pengaruh suhu
Reaksi dekomposisi termal CaCO3 berlangsung secara eksoterm, karena potongan
marmer dipanaskan sehingga menghasilkan kalor (melepas kalor ke lingkungan). Jika
dipanaskan pada wadah terbuka, maka suhu system akan berkurang karena pengaruh
lingkungan di luar system. Akibatnya, reaksi akan bergeser ke arah zat yang melepas
kalor, yaitu endapan kapur tohor.
3. Tuliskan reaksinya dan turunkan persamaan untuk menentukan konstanta kesetimbangan,
apabila diketahui kalsium oksida dan kalsium karbonat adalah padat. Jelaskan bagaimana
Anda dapat menentukan derajat disosiasi untuk reaksi ini! Apabila ada kenaikan tekanan,
reaksi kesetimbangan akan bergeser kearah mana? Jelaskan mengapa demikian!
Jawab:
𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝑠 → 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 𝑔 𝐾 = [𝐶𝑂2]
Pada reaksi dekomposisi diatas, harga konstanta kesetimbangan hanya dipengaruhi oleh
konsentrasi gas CO2 saja. Apabila suatu reaksi melibatkan fasa padat dalam reaksinya,
maka konsentrasi dari zat yang berfasa pada tidak diperhitungkan dalam perhitungan
konstanta kesetimbangan.
Derajat disosiasi dapat dihitung dengan cara membandingkan jumlah kalsium karbonat
yang terdekomposisi dengan jumlah mula-mula kalsium karbonat yang ada. Berdasarkan
prinsip Le Chatelier, untuk reaksi dekomposisi CaCO3 apabila ada kenaikan tekanan
system, maka reaksi dekomposisi akan mengarah ke jumlah volume terkecil yaitu pada
arah reaktan, atau dengan kata lain kenaikan tekanan menyebabkan jumlah CaCO3 yang
terdekomposisi semakin kecil.
4. Andaikan reaksi dekomposisi tersebut terjadi pada suhu 1200 K dan ΔG˚ = 13,8 kJ/mol,
bagaimanakah Anda dapat menentukan nilai konstanta kesetimbangan reaksi tersebut?
Apa yang terjadi dengan reaksi tersebut jika suhunya diturunkan atau dinaikkan?
Bagaimana pengaruhnya dengan nilai konstanta keseimbangannya? Berikan satu contoh!
Jawab:
20
Kita dapat mencari nilai konstanta kesetimbangan melalui persamaan
∆𝐺 = ∆𝐺° + RT ln𝐾
Dimana pada saat setimbang nilai energi Gibbs (∆𝐺) adalah 0, sehingga
0 = ∆𝐺° + RT ln𝐾
0 = 13,8 + 0,0082 x 1200 ln𝐾
−13,8 = 9,84 ln𝐾
−13,8
9,84= ln𝐾
ln𝐾 = −1,4
𝐾 = 𝑒−1,4
𝐾 = 4,055
Jika suhu dinaikkan, konstanta kesetimbangan akan semakin kecil. Menurut Asas Le
Chatelier, jika suhu reaksi dinaikkan maka kesetimbangan akan bergerak ke arah reaksi
endoterm.
Sebagai contoh :
2NO2(g)↔ N2O4(g)ΔH = -58,8 kJ
Pada reaksi di atas bila suhu diturunkan maka kesetimbangan bergeser ke arah
eksotermik agar tercapai sistem kesetimbangan yang baru. Secara kualitatif
pergeseran kesetimbangan pada reaksi tersebut ditunjukkan oleh perubahan warna
coklat NO2 menjadi tak berwarna dari N2O4.Sebaliknya bila suhu dinaikkan
kesetimbangan bergeser kearah endotermik (ke kiri).
Soal Bagian C
1. Berikan contoh reaksi esterefikasi, dan jika diasumsikan kosentrasi awal pada molekul
produk adalah nol, apa yang dapat anda katakan untuk nilai kosentrasi produk reaksi
tersebut pada kesetimbangan?
Jawab:
21
Reaksi esterifikasi secara umum adalah suatu reaksi antara asam alkanoat dan alkanol
yang membentuk ester dan air (Fessenden, 1982). Reasi esterefikasi bersifat dapat dibalik
dan berjalan lambat sehingga memenuhi kesetimbangan kimia.
Contoh reaksi esterefikasi :
Gambar 2. Pembuatan Etil Asetat
Nilai konsentrasi produk saat kesetimbangan tetap ada karena akan tetap bejalan meskipun
konsentrasi awal produk nol. Dimana reaksi akan terjadi menuju pada kesetimbangan saat
nilai G minimal untuk reaksi kesetimbangan. Sementra nilai konsentrasi produk saat
kesetimbangan dapat diramalkan dengan mengetahui nilai K, dimana nilai K berhubungan
dengan konsentrasi dan energi bebas gibbs. Persamaan energi gibbs sebagai berikut :
∆𝐺𝑜 = −𝑅𝑇 ln𝐾
2. Selain digunakan sebagai zat aditif pada makanan, senyawa ester juga banyak digunakan
sebagai pelarut, contohnya etil etanoat. Berikan penjelasan alasan pemilihan etil etanoat
sebagai pelarut. Andaikan pada reaksi pembentukan etil etanoat, konsentrasi asam asetat
pada kesetimbangan (suhu 298K) adalah 0,24 M dan etanol adalah 0,58 M. Turunkanlah
persamaan yang dapat digunakan untuk menentukan nilai konstanta kesetimbangan untuk
reaksi tersebut. Jelaskan bagaimana Anda dapat menentukan konsentrasi akhir dari semua
spesi!
Jawab:
Etil etanoat adalah pelarut polar menengah yang volatil (mudah menguap), tidak beracun,
dan tidak higroskopis, karena alasan inilah etil etanoat digunakan sebagai pelarut.
Untuk menentukan nilai konstanta kesetimbangan reaksi dapat digunakan rumus :
∆𝐺 = ∆𝐺𝑜 + 𝑅𝑇 𝐼𝑛 𝐾 ; 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑎𝑎𝑡 𝑘𝑒𝑠𝑒𝑡𝑖𝑚𝑏𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 ∆𝐺 = 0
Sehingga, persamaan diatas dapat disusun ulang menjadi
∆𝐺𝑜 = −𝑅𝑇 𝐼𝑛 𝐾 (kJ/mol)
Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
𝐴𝑐𝑂𝐻(𝑎𝑞 ) + 𝐸𝑡𝑂𝐻 𝑙 → 𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡(𝑎𝑞 ) + 𝐻2𝑂(𝑙)
Besar ∆𝐺𝑜 𝑑𝑖𝑝𝑒𝑟𝑜𝑙𝑒 𝑑𝑎𝑟𝑖
22
∆𝐺𝑜 = ∆𝐺𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 𝑎𝑞
𝑜 + ∆𝐺𝐻2𝑂 𝑙
𝑜 − ∆𝐺𝐴𝑐𝑂𝐻 𝑎𝑞 𝑜 + ∆𝐺𝐸𝑡𝑂𝐻 𝑙
𝑜
∆𝐺𝑜 = −332,7 + −237,13 − −396,46 + −174,78
∆𝐺𝑜 = 1,41𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
∆𝐺𝑜 = −𝑅𝑇 𝐼𝑛 𝐾 dimana RT = 2,479 kJ/mol
−1,41
2,479= 𝐼𝑛 𝐾 𝑚𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔 −𝑚𝑎𝑠𝑖𝑛𝑔 𝑟𝑢𝑎𝑠 𝑑𝑖 𝑒𝑘𝑠𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑠𝑖𝑎𝑙𝑘𝑎𝑛
𝐾 = 0,56
Untuk menentukan konsentasi produk dalam kesetimbangan :
𝐾 = 𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡
𝐴𝑐𝑂𝐻 [𝐸𝑡𝑂𝐻]
𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 = 𝐾 𝐴𝑐𝑂𝐻 [𝐸𝑡𝑂𝐻]
𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 = 0,56 . 0,24 . (0,58)
𝐴𝑐𝑂𝐸𝑡 = 0,08 𝑀
23
DAFTAR PUSTAKA
https://slamanto.wordpress.com/2011/12/27/proses-industri-pembuatan-nitrogen/ (diakses
pada 7 Oktober 2015)
http://www.ehs.pitt.edu/assets/docs/04-026nitricacidguidelines.pdf (diakses pada 7
Oktober 2015)
Atkins, Peter. 2006. Physical Chemistry. W.H.Freeman : NY
M. Himmelblau, David. Prinsip Dasar dan Kalkulasi dalam Teknik Kimia. Prenhallido :
Jakarta.
Lando, Jerome. 1974. Fundamental of Physical Chemistry. USA: McMillan Publishing
Co.
www.pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (diakses pada 8 Oktober 2015)
Levine, Ira. 2009. Physical Chemistry, 6th
Edition.
24
25