Tugas II
Proses Industri Kimia 2
“Pengendalian Proses Kimia”
Sangga Hadi Pratama
14/367126/TK/42362
Program S1
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada
Yogyakarta
Topik: “Pengaruh perubahan tekanan, suhu, rasio
pereaksi, faktor tumbukan, perubahan konsentrasi, dan
katalisator terhadap proses kimia”
Dalam pengendalian proses kimia, aspek yang diperhatikan antara lain laju reaksi kimia, kesetimbangan reaksi kimia, panas reaksi kimia, dan energi aktivasi. Di dalam makalah ini akan dibahas terlebih dahulu mengenai bagaimana laju dari suatu reaksi kimia dipengaruhi oleh beberapa hal seperti konsentrasi reaktan dan suhu.
A. Laju Reaksi Kimia
Dari hasil percobaan ternyata laju reaksi dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan, luas permukaan, temperatur, dan katalis (James E. Brady, 1990).
1. Konsentrasi pereaksi
Pada umumnya, reaksi akan berlangsung lebih cepat jika konsentrasi pereaksi diperbesar. Zat yang konsentrasinya besar mengandung jumlah partikel yang lebih banyak, sehingga partikel-partikelnya tersusun lebih rapat dibanding zat yang konsentrasinya rendah. Partikel yang susunannya lebih rapat, akan lebih sering bertumbukan dibanding dengan partikel yang susunannya renggang, sehingga kemungkinan terjadinya reaksi makin besar.
2. Luas Permukaan
Salah satu syarat agar reaksi dapat berlangsung adalah zat-zat pereaksi harus bercampur atau bersentuhan. Pada campuran pereaksi yang heterogen, reaksi hanya terjadi pada bidang batas campuran. Bidang batas campuran inilah yang dimaksud dengan bidang sentuh. Dengan memperbesar luas bidang sentuh, reaksi akan berlangsung lebih cepat.
3. Temperatur
Pada umumnya reaksi kimia akan berlangsung dua kali lebih cepat, apabila suhu dinaikkan 10 oC. Jika dimisalkan laju reaksi pada saat t1°C = v1 dan laju reaksi setelah dinaikkan
suhunya t2°C = v2, maka laju reaksi setelah dinaikkan suhunya atau v2 tersebut dapat dirumuskan sebagai:
V2=2
t
10x V1
4. Katalis
Katalis adalah suatu zat yang berfungsi mempercepat terjadinya reaksi, tetapi pada akhir reaksi dapat diperoleh kembali. Fungsi katalis adalah menurunkan energi aktivasi, sehingga jika ke dalam suatu reaksi ditambahkan katalis, maka reaksi akan lebih mudah terjadi. Hal ini disebabkan karena zatzat yang bereaksi akan lebih mudah melampaui energi aktivasi.
B. Teori Tumbukan dan Energi Aktivasi
Reaksi kimia terjadi karena adanya tumbukan yang efektif antara partikelpartikel zat yang bereaksi.Tumbukan efektif adalah tumbukan yang mempunyai energi yang cukup untuk memutuskan ikatan-ikatan pada zat yang bereaksi (James E. Brady, 1990).
Contoh tumbukan yang menghasilkan reaksi dan tumbukan yang tidak menghasilkan reaksi antara molekul hidrogen (H2) dan molekul iodin (I2), dapat dilihat pada gambar 3.4.
H2(g) + I2(g) → 2 HI(g)
Sebelum suatu tumbukan terjadi, partikel-partikel memerlukan suatu energi minimum yang dikenal sebagai energi pengaktifan atau energi aktivasi (Ea). Energi pengaktifan atau energi aktivasi adalah energi minimum yang diperlukan untuk berlangsungnya suatu reaksi. Sebagai contoh adalah reaksi antara hidrogen (H2) dengan oksigen (O2) menghasilkan air, dapat
Persamaan Laju Reaksi
1. Persamaan Laju Reaksi
Umumnya reaksi kimia dapat berlangsung cepat jika konsentrasi zat-zat yang bereaksi (reaktan) diperbesar (James E. Brady, 1990).
Secara umum pada reaksi: xA + yB → pC + qD
persamaan laju reaksi dapat ditulis sebagai:
y=k
[
A]
x . [B]ypereaksi yang mempunyaiorde reaksi 0, ½, atau bahkan negatif.Beberapa contoh reaksi beserta rumus laju reaksi dan orde reaksinya dapatdilihat pada tabel 3.1.
2. Makna Orde Reaksi
Orde reaksi menyatakan besarnya pengaruh konsentrasi pereaksi pada laju reaksi. Beberapa orde reaksi yang umum terdapat dalam persamaan reaksi kimia beserta maknanya sebagai berikut.
a. Reaksi Orde Nol
Suatu reaksi kimia dikatakan mempunyai orde nol, jika besarnya laju reaksi tersebut tidak dipengaruhi oleh konsentrasi pereaksi. Artinya, seberapapun peningkatan konsentrasi pereaksi
tidak akan mempengaruhi besarnya laju reaksi. Secara grafik, reaksi yang mempunyai orde nol dapat dilihat pada gambar 3.9.
b. Reaksi Orde Satu
c. Reaksi Orde Dua
Suatu reaksi dikatakan mempunyai orde dua, apabila besarnya laju reaksi merupakan
pangkat dua dari peningkatan konsentrasi pereaksinya. Artinya, jika konsentrasi pereaksi dinaikkan 2 kali semula, maka laju reaksi akan meningkat sebesar (2)2 atau 4 kali semula. Apabila konsentrasi pereaksi dinaikkan 3 kali semula, maka laju reaksi akan menjadi (3)2 atau 9 kali semula. Secara grafik, reaksi orde dua dapat digambarkan pada gambar 3.11.
d. Reaksi Orde Negatif
Suatu reaksi kimia dikatakan mempunyai orde negatif, apabila besarnya laju reaksi berbanding terbalik dengan konsentrasi pereaksi. Artinya, apabila konsentrasi pereaksi dinaikkan atau diperbesar, maka laju reaksi akan menjadi lebih kecil.
3. Menentukan Persamaan Laju Reaksi
C o n t o h
Reaksi gas bromin dengan gas nitrogen oksida sesuai dengan persamaan reaksi: 2 NO(g) + Br(g) → 2 NOBr(g)
Berdasarkan hasil percobaan diperoleh data sebagai berikut.
Tentukan:
a. orde reaksi terhadap NO d. orde reaksi total b. orde reaksi terhadap Br2 e. harga tetapan reaksi k
C. Jenis-jenis Katalis
Berdasarkan wujudnya, katalis dapat dibedakan menjadi katalis homogen dan katalis heterogen (James E. Brady, 1990).
a. Katalis Homogen
Katalis homogen adalah katalis yang dapat bercampur secara homogen dengan zat pereaksinya karena mempunyai wujud yang sama.
Contoh:
b. Katalis Heterogen
Katalis heterogen adalah katalis yang tidak dapat bercampur secara homogen dengan pereaksinya karena wujudnya berbeda.
Contoh:
Katalis berwujud padat, sedang pereaksi berwujud gas.
Autokatalis adalah zat hasil reaksi yang bertindak sebagai katalis. Contoh:
CH3COOH yang dihasilkan dari reaksi metil asetat dengan air merupakan autokatalis reaksi tersebut.
CH3COOCH3(aq) + H2O(l) → CH3COOH(aq) + CH3OH(aq) Dengan terbentuknya CH3COOH, reaksi menjadi bertambah cepat.
d. Biokatalis
Biokatalis adalah katalis yang bekerja pada proses metabolisme, yaitu enzim. Contoh:
Enzim hidrolase mempercepat pemecahan bahan makanan melalui reaksi hidrolisis.
e. Inhibitor
Inhibitor adalah zat yang kerjanya memperlambat reaksi atau menghentikan reaksi. Contoh:
I2 atau CO bersifat inhibitor bagi reaksi: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l)
f. Racun Katalis
Racun katalis adalah inhibitor yang dalam jumlah sangat sedikit dapat mengurangi atau menghambat kerja katalis.
Contoh:
CO2, CS2, atau H2S merupakan racun katalis pada reaksi:
D. Hubungan antara Katalis dengan Energi Pengaktifan
Dalam suatu reaksi, peran katalis adalah untuk menurunkan energi aktivasi dengan jalan mengubahmekanisme reaksi, yaitu dengan jalan menambah tahaptahap reaksi. Katalis ikut serta dalam suatu tahap reaksi, akan tetapi pada akhir reaksi katalis terbentuk kembali (James E. Brady, 1990).
Dengan adanya katalis ini, energi aktivasi menjadi lebih rendah, sehingga persentase partikel yang mempunyai energi lebih besar dari energi aktivasi. Hal ini mengakibatkan tumbukan efektif menjadi lebih sering terjadi, sehingga reaksi berjalan lebih cepat.
E. Perhitungan Pengendalian Proses
Untuk lebih mempermudah pemahaman, digunakan salah satu soal dari UTS Tahun 2012/2013 berikut ini:
Pada reaksi
Diketahui pada suhu 1000K tekanan 5 atm perbandingan mol CH4 : H2O = 1 : 1, konversi CH4 = 29%
a. Apabila perbandingan pereaksi CH4 : H2O digunakan berturut-turut sebesar 3:1, 2:1, 1:2 dan 1:3, berapa konversi H2O pada kesetimbangan?
b. Apabila perbandingan pereaksi CH4 : H2O sebesar 1:1, kemudian tekanan digunakan berturut-turut sebesar 3 atm, 1 atm, 1/3 atm, dan 1/5 atm, berapa konversi CH4 dan konversi H2O pada kesetimbangan?
(Petunjuk: hitung nilai K kesetimbangan pada 1000K, 5 atm CH4:H2O = 1:1)
Jawaban:
Kondisi A (Perbandingan mol yang diubah)
P 5 atm
Konvers
i 29%
CH4 H2O CO H2 Total
Awal
(mol) 1 1 0 0 2.00
Reaksi
(mol) 0.29 0.29 0.29 0.87 1.74 Akhir
Fraksi
mol 0.2752 0.2752 0.1124 0.3372 1.0000 Nilai K = 1.4228 SEBAGAI PATOKAN
Konvers
i 38.72% PALING TINGGI
CH4 H2O CO H2 Total
Awal
(mol) 1 3 0 0 4.00
mol 0.1110 0.1110 0.2766 0.8297 3 Nilai K = 1.4230
Selisih
nilai K 0.0002
-P 0.20 atm
Konvers
i 78.95% HASIL TERTINGGI
CH4 H2O CO H2 Total
Awal
(mol) 1 1 0 0 2.00
Reaksi
(mol) 0.7895 0.7895 0.7895 2.3684 4.74 Akhir
(mol) 0.2105 0.2105 0.7895 2.3684 3.58 Fraksi
mol 0.0816 0.0816 0.3060 0.9180 1.3872 Nilai K = 1.4221
Selisih
