TUGAS EKSTRAKSI METALURGI
Termokimia dan Termodinamika
OLEH
M. Irvan Fajar S.
03021281419083
TEKNIK PERTAMBANGAN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SRIWIJAYA
2017
KATA PENGANTARPuji syukur kita panjatkan kapada Allah Swt. Karena atas berkat dan rahmat-Nyalah penulis dapat menyelesaikan makalah ini sebagai penilaian tugas mata kuliah Ekstraksi Metalurgi, Teknik Pertambangan, Fakultas Teknik, Universitas Sriwijaya.
Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terima kasih kepada:
1. Orang tua yang selalu memberikan doa, motivasi, semangat dan dukungan depada penulis.
2. Ir. A. Taufik Arief, MS., selaku dosen pembimbing mata Ekstraksi Metalurgi.. 3. Teman-teman dan pihak lain yang membantu penyusunan penulisan makalah ini
dan memberikan informasi kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa penyusunan dalam makalah ini masih banyak kekurangan. Oleh sebab itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat konstruktif dari semua pihak agar di kemudian hari penulis dapat menyusun makalah yang lebih baik lagi.
Demikian dari penulis, semoga makalah ini digunakan sebaik-baiknya. Atas perhatian yang diberikan, penulis mengucapkan terima kasih.
Indralaya, Agustus 2017
Penulis
Termokimia adalah cabang dari termodinamika karena tabung reaksi dan isinya membentuk sistem. Jadi, kita dapat mengukur energi yang dihasilkan oleh reaksi sebagai
kalor yang dikena lsebagai q, bergantung pada kondisinya apakah dengan perubahan energi dalam atau perubahan entalpi. (Atkins, 1999). Secara umum, termokimia ialah penerapan termodinamika untuk kimia. Termokimia ialah sinonim dari termodinamika kimia.
A. TERMOKIMIA
Termokimia merupakan ilmu kimia yang mempelajari perubahan kalor atau panas suatu zat yang menyertai suatu reaksi atau proses kimia dan fisika.
Termokimia ini mempelajari hubungan antara energi panas dan energi kimia. Energi kimia merupakan energi yang dikandung setiap unsur atau senyawa, energi kimia yang terkandung dalam suatu zat adalah semacam energi potensial zat tersebut. Energi potensial kimia yang trkandung dalam suatu zat disebut panas dalam atau entalpi dan dinyatakan dengan simbol H. Selisih antara entalpi reaktan dan entalpi hasil pada suatu reaksi disebut perubahan entalpi reaksi, dan diberi simbol ΔH.
B. BAHAN KAJIAN TERMOKIMIA
Bahan kajian termokimia adalah penerapan hukum kekekalan energi dan hukum termodinamika I dalam bidang kimia.
Hukum kekekalan energi berbunyi :
1. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. 2. Energi dapat berubah bentuk menjadi energi lain.
Hukum termodinamika I berbunyi :
“Jumlah total energi dalam alam semesta konstan atau tetap” C. SISTEM DAN LINGKUNGAN TERMOKIMIA
Segala sesuatu yang menjadi pusat perhatian dalam mempelajari perubahan energi dan berubah selama proses itu berlangsung disebut dengan sistem
Sedangkan hal-hal yang tidak berubah selama proses berlangsung dan yang membatasi sistem dan juga dapat mempengaruhi sistem disebut lingkungan
Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem diagi menjadi tiga macam, yaitu 1. Sistem Terbuka
Sistem terbuka adalah suatu sistem yang memungkinkan terjadi perpindahan energi dan zat (materi) antara lingkungan dengan sistem. Pertukaran materi artinya ada reaksi yang dapat meninggalkan wadah reaksi, misalnya gas
2. Sistem tertutup
Suatu sistem yang mana antara sistem dan lingkungan dapat terjadi perpindahan energi, tapi tidak terjadi pertukaran materi
3. Sistem terisolasi
Suatu sistem yang memungkinkan terjadinya perpindahan energi dan materi antara sistem dengan lingkungan
D. REAKSI TERMOKIMIA
Reaksi pada termokimia terbagi atas reaksi eksoterm dan reaksi endoterm. 1. Reaksi Eksoterm
Reaksi yang terjadi saat berlangsungnya pelepasan panas atau kalor. Reaksi panas ditulis dengan tanda negatif.
Contoh : N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) - 26,78 Kkal Perubahan entalpi pada reaksi ini digambarkan sebagai berikut:
Menurut hukum kekekalan energi :
2. Reaksi Endoterm
Reaksi yang terjadi ketika berlangsungnya penyerapan panas atau kalor, maka perubahan entalpi reaksi bernilai positif.
Contoh : 2NH3 N2 (g) + 3H2 (g) + 26,78 Kkal
Perubahan entalpi pada reaksi endoterm dirumuskan sebagai berikut:
Kesimpulan :
Besarnya perubahan entalpi (ΔH) sama dengan besarnya panas reaksi, tapi dengan tanda berlawanan.
E. JENIS PERUBAHAN ENTALPI
1. Perubahan entalpi pembentukan (ΔHf)
Merupakan perubahan entalpi pembentukan 1 mol senyawa dari unsur-unsur penyusunnya pada keadaan standar.
Nilai entalpi pembentukan standar ditentukan menggunakan tabel data entalpi pembentukan standar.
Nilai entalpi pembentukan standar:
Bernilai positif, jika menerima energi
Bernilai negatif, jika melepas energi
Bernilai nol, jika unsur tersebut sudah terdapat di alam secara alami
Bentuk unsur yang sdah di alam terbagi atas monoatomik dan poliatomik. Poliatomik berarti unsur pembentuknya lebih dari 1 unsur.
1. Contoh monoatomik : C(s), Fe(s), H+(aq), Ba(s), Ca(s), Mg(s), Na(s), Al(s), B(s), Zn(s), P(s). Monoatomik termasuk golonga gas mulia dan logam lainnya.
2. Contoh poliatomik : O2(g), Cl2(g), P4(s), H2(g), Br2(l), N2(g), I2(g), F2(g). Poliatomiktermasuk halogaen dan gas selain gas mulia.
Semua unsur-unsur yang sudah terdapat dialam ini nilai entalpi pembentukannya nol. Misal:
2. Perubahan entalpi penguraian (ΔHd)
Adalah ΔH untuk menguraikan 1 mol suatu senyawa menjadi unsur-unsur penyusunnya pada keadaan standar.
Nilai entalpi penguraian standar berlawanan dengan nilai entalpi pembentukan standar. Pada reaksi penguraian reaktan berpindah ke kanan dan produk berpindah ke kiri.
PERUBAHAN ENTALPI PENGURAIAN 3. Perubahan entalpi pembakaran (ΔHc)
Adalah ΔH dalam pembakaran sempurna 1 mol suatu senyawa pada keadaan standar.
Nilai entalpi pembakaran standar ditentukan menggunakan tabel data entalpi pembakaran standar
Ciri utama dari reaksi pembakaran adalah:
Merupakan reaksi eksoterm
Melibatkan oksigen dalam reaksinya
Karbon terbakan menjadi CO2, hidrogen terbakar menjadi H2O, dan belerang terbakar menjadi SO2.
PERUBAHAN ENTALPI PEMBAKARAN 4. Perubahan entalpi netralisasi (ΔHn)
Termasuk reaksi eksoterm. Adalah kalor yang dilepas pada pembentukan 1 mol air dan reaksi asam-basa pada suhu 25 derjat celsius dan tekanan 1 atmosfer.
PERUBAHAN ENTALPI NETRALISASI F. PENENTUAN ENTALPI REAKSI
Penentuan ini dilakukan dengan:
Menggunakan kalorimetri
Menggunakan hukum Hess atau hukum penjumlahan
Menggunakan data tabel entalpi pembentukan
4Menggunakan data energi ikatan
1. Penentuan dengan kalorimetri
Kalorimetri adalah cara penentuan energi kalor reaksi dengan kalorimeter. Kalorimeter adalah sistem terisolasi, sehingga semua energi yang dibutuhkan atau dibebaskan tetap berada dalam kalorimeter. Dengan mengukur perubahan suhu, kita dapat menentukan jumlah energi kalor reaksi berdasarkan rumus:
Ql = energi kalor pada larutan (J) m = massa zat (kg)
c = kalor jenis zat (J/kg°C) C = kapasitas kalor (J/°C) Δt = perubahan suhu (°C)
Karena kalorimeter merupakan sistem terisolasi, maka tidak ada energi yang terbuang ke lingkungan, sehingga mlah energi kalor reaksi dan perubahan entalpi reaksi menjadi:
2. Penentuan dengan data energi ikatan
Energi ikatan (E) adalah energi yang dibutuhkan untuk memutuskan 1 mol ikatan kovalen dari suatu senyawa, setiap ikatan membutuhkan energi yang berbeda agar dapat terputus.
Reaksi berlangsung dalam dua tahap: 1) Pemutusan ikatan reaktan
2) Pembentukan ikatan produk
Artikel Penunjang : Pengertian dan Jenis – Jenis Ikatan Kimia
Tentukan perubahan entalpi reaksi dari pembakaran CH2 dibawah ini: CH2(g) + 3 /2O2(g) → CO2(g) + H2O(g) ΔH = ?
(H–C–H)+ 3 /2(O=O)→(O=C=O)+(H–O–H)
G. HUKUM TERKAIT TERMOKIMIA 1. Hukum Laplace
Hukum ini dikemukakan oleh Marquis de Laplace (1749-1827), yang berbunyi : “Jumlah kalor yang dilepaskan pada pembentukan suatu senyawa dari unsur-unsurnya sama dengan jumlah kalor yang diperlukan untuk menguraikan senyawa itu menjadi unsur-unsurnya”.
Contoh :
H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) ΔH = -68,3 kkal/mol H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) ΔH = 68,3 kkal/mol
. Hukum Hess
Hukum ini dikemukakan oleh German Hess (1840), yang berbunyi :
“Bila suatu perubahan kimia dapat dibuat menjadi beberapa jalan/cara yang berbeda, jumlah perubahan energi panas keselurahannya (total) adalah tetap, tidak bergantung pada jalan/cara yang ditempuh”.
Menurut hukum Hess, suatu reaksi dapat terjadi melalui beberapa tahap reaksi, dan bagaimanapun tahap atau jalan yang ditempuh tidak akan mempengaruhi entalpi reaksi. Perubahan entalpi reaksi hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir sistem. Bukan tahap atau jalan yang ditempuh. Perubahan entalpi ini juga merupakan penjumlahan entalpi reaksi dari setiap tahap.
Dengan demikian hukum Hess dapat digunakan untuk menghitung ΔH reaksi berdasarkan reaksi-reaksi lain yang ΔH-nya sudah diketahui.
B. TERMODINAMIKA
Pengertian TermodinamikaTermodinamika berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika adalah suatu ilmu yang menggambarkan usaha untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan termodinamika bisa terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.
Prinsip Termodinamika
Prinsip termodinamika sebenarnya yaitu hal alami yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, termodinamika direkayasa sedemikian rupa sehingga menjadi suatu bentuk mekanisme yang bisa membantu manusia dalam kegiatannya. Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena adanya perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17. Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik yakni perilaku umum partikel zat yang menjadi media pembawa energi.
Sistem-Sistem Termodinamika
Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yakni sebagai berikut :
1. Sistem terbuka
Sistem yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya suatu aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar yaitu ruang didalam silinder
mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi bisa melintasi batas sistem yang sifatnya permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume.
Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem yaitu :
Untuk panas (Q) bernilai positif jika diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem
Untuk usaha (W) bernilai positif jika keluar dari sistem dan bernilai negatif jika diberikan (masuk) kedalam sistem.
2. Sistem tertutup
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak bisa melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) bisa melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, walaupun massa tidak bisa berubah selama proses berlangsung, tapi volume bisa saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang bisa bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup yaitu suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.
Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, jika panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan mengakibatkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut dengan control mass.
Suatu sistem bisa mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik yaitu dinding yang menyababkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya suatu pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik yaitu dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).
Sistem terisolasi ialah sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak bisa terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, walaupun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut dengan property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem bisa berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, jika masing-masing jenis koordinat sistem tersebut bisa diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem memiliki nilai koordinat yang tetap. Jika koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium). 1. Dasar – DasarThermodinamika
a. Hukum Avogadro
pd 0 C dan 760 mmHg (STP), vol 1 mol gas = 22,415 Lt b. Boyle-gay lussac
PV=nRT
R: bilangan reynold = 0,082 Lt atm/ mol K = 8,3144 Nm/mol K= 8,3144 Joule/ mol K = 1,987 kalori/ mol K
c. Dalton
Tekanan total gas yg tdk saling bereaksi mrpkn jml masing2 tekanan parsialnya. P = P1+P2+…Pn
4. Divusi Graham V= 1/√d = 1/√M
V :difusi, d : kerapatan, M: berat molekul 2. Macam-Macam Hukum Termodinamika
1. Hukum I termodinamika (Kekekalan Energi dalam Sistem)
Energi tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan. Manusia hanya bisa mengubah bentuk energi dari bentuk energi satu ke energi lainnya. Dalam termodinamika, jika sesuatu diberikan kalor, maka kalor tersebut akan berguna untuk usaha luar dan
mengubah energi dalam.
Bunyi Hukum I Termodinamika
“untuk setiap proses apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ΔU = Q – W”.
Dimana U menunjukkan sifat dari sebuah sistem, sedangkan W dan Q tidak. W dan Q bukan fungsi Variabel keadaan, tetapi termasuk dalam proses termodinamika yang bisa merubah keadaan. U merupakan fungsi variabel keadaan (P,V,T,n).
W bertanda positif bila sistem melakukan usaha terhadap lingkungan dan negatif jika menerima usaha lingkungan. Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan dan negatif jika melepas kalor pada lingkungan. Perubahan energi dari sebuah sistem hanya tergantung pada transfer panas ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem dan tidak bergantung pada proses yang terjadi. Pada hukum ini tidak ada petunjuk adanya arah perubahan dan batasan-batasan lain.
Rumus Hukum Termodinamika I
Secara matematis hukum I termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut: Q = ∆U+W
Dengan ketentuan, jika:
Q(+) → sistem menerima kalor OR → sistem melepas kalor W(+) → sistem melakukan usaha W(-) → sistem dikenai usaha
∆U(+) → terjadi penambahan energi dalam ∆U(-) → terjadi penurunan energi dalam ΔU = Q − W
Keterangan :
ΔU = perubahan energi dalam (joule) Q = kalor (joule)
W = usaha (joule) Proses-proses
Isobaris → tekanan tetap
Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0
Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0 Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0
Siklus → daur → ΔU = 0 Persamaan Keadaan Gas Hukum Gay-Lussac
Tekanan tetap → V/T = Konstan → V1/T1 = V2/T2 Hukum Charles
Volume tetap → P/T = Konstan → P1/T1 = P2/T2 Hukum Boyle
Suhu tetap → PV = Konstan → P1V1 = P2V2 P, V, T Berubah (non adiabatis)
(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2) Adiabatis
P1V1 γ= P2V2γ
T1V1 γ − 1= T2V2γ − 1
γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = Cp/Cv Usaha
W = P(ΔV) → Isobaris W = 0 → Isokhoris
W = nRT ln (V2 / V1) → Isotermis
W = − 3/2 nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik) Keterangan :
T = suhu (Kelvin, jangan Celcius) P = tekanan (Pa = N/m2)
V = volume (m3) n = jumlah mol 1 liter = 10−3m3
1 atm = 105 Pa ( atau ikut soal!)
Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693 Mesin Carnot
η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 % η = ( W / Q1 ) x 100% W = Q1 − Q2
Keterangan :
η = efisiensi mesin Carnot (%) Tr = suhu reservoir rendah (Kelvin) Tt = suhu reservoir tinggi (Kelvin) W = usaha (joule)
Q1 = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule) Q2 = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule) 2. Hukum Termodinamika 2
Hukum kedua ini membatasi perubahan energi mana yang bisa terjadi dan yang tidak. Pembatasan ini dinyatakan dengan berbagi cara, yaitu :
“Hukum II termodinamika dalam menyatakan aliran kalorKalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”
Hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.
Hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi (besaran termodinamika yang menyertai suatu perubahan setiap keadaan dari awal sampai akhir sistem dan
menyatakan ketidakteraturan suatu sistem)
Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketia proses irreversible terjadi.
3. Hukum Termodinamika 3
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut (temperatur Kelvin) semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.hukum ini jugga menyatakn bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.
C. Entropi
Suatu fungsi keadaan yg mrpkn uk/keteraturan/ ketidakteratruran struktur atom suatu system. Entropi naik bila system mengalami proses menurunnya keteraturan struktur atomnya.
Pelelehan, penguapan mrpkn proses yg disertai knaikan entropy. Secara kuantitatif kenaikan entropy besarnya = jml kalor yg diserap scr isotermik dan reversible dibagi oleh T absolut system pd waktu proses berlangsung. Suatu proses berlangsung scr reversible apabila pd setiap saat selama berlangsung, system pd keadaan hanya sedikit menyimpang dr keadaan setimbang.
Diagram Ellingham : diagram yg menggambarkan harga Δ˚G (energi bebas) pembentukan oksida berbagai unsur/ logam sebagai fungsi temperatur.
Informasi yg terdapat didalamnya:
-bila harga Δ˚G<0 mk reaksi berlangsung spontan, suatu oksida akan stabil
-bila grafik perubahan energi bebas berada di bwh grs Δ˚G = 0 mk oksida logam akan stabil.
D. Pirometalurgi
Suatu proses yg dilakukan pd T tinggi .500 C Tahapan :
-preparasi (fisik, kimia) yg berlangsung dibwh ttk lelehnya.
-ekstraksi logam berlangsung pd temp tinggi disertai peleburan, penguapan utk menghasilkan logam
prinsip ekstraksi pirometalurgi
-berlangsungnya reaksi kimia yg menghasilkan logam dr senyawa
-terbtknya 2 fase / lebih à logam yg dihasilkan dpt terpisah dr senyawa yg tdk dikehendaki. Reaksi yg berlangsung : reduksi, oksidasi, netral (tanpa redoks)
Proses reduksi:
- Dalam ekstraksi metalurgi proses reduksi memegang peranan penting - Proses reduksi, proses pembentukan logam dr senyawa oksida dgn reduktor
- Oksida logam ada yg terdpt dialam sbg bijih ttp ada juga berbtk senyawa lain/ sulfida. - Reduksi beberapa logam ada yg tjd pd T dibwh ttk lelehnya (NiO, FeO) sbg reduktor : C (batubara, kokas, H2, CH4)
a. Peleburan Reduksi
Dilakukan pd bijih/ konsentrat oksida utk menghasilkan logam digunakan reduktor ( karbon hidrogen)
Reaksi :
MO + CO à M + CO2 Reaksi dgn C pdt MO+ C = M + CO
CO yg terbtk dpt mjd reduktor. Unsur pengotor ada kemungkinan ikut tereduksi XO + CO à X + CO2
b. Peleburan Besi
Dilakukan dlm tanur tiup (blast furnace) utk mendptkan besi wantah Peleburan Timbal
Ekstraksi timbal dilakukan hasil dr pemanggangan sempurna (kalsin) secara oksidasi dari konsentrat galena.
PbS + 3/2 O2 - PbO + SO2
Peleburan dilakukan pd tanur tegak penampang segiempat, menggunakan reduktor kokas dan flux mengatur komposisi teraks (slag) agar pemisahan antara logam dan pengotornya dpt baik. Pengarah pengotor Fe tdk sulit utk diatasi sebab FeO lebih stabil dr PbO
PbO + CO - Pb + CO2 Fe2O3 + CO - 2Fe + CO2 FeO + CO - Fe + CO2 c. Peleburan Timah
Peleburan dilakukan dlm tanur pantul Reverbaroty Furnace. Peleburan berbeda dg Pb sebab Fe bermasalah yaitu K Fe = K Sn. Harga kelarutan Fe dlm Sn cukup besar dpt membentuk senyawa antar logam.
-bila ingin diperoleh logam Sn tinggi ( yg berarti SnO di dlm terak kecil) mk Fe dlm Sn akan tinggi ( berarti pengotor dlm Sn tinggi)
-Bila diinginkan timah dg kemurnian tinggi mk Sn sbg SnO dlm terak akan tinggi.
terbtk hard head alloy/ seny Sn-Fe yg dilebur kembali dlm reverberatory I SnO2 + CO = SnO +CO2
SnO + C) = Sn +CO2
Reduksi menghasilkan uap logam
-Utk bbrp logam tertentu yg mpy tekanan uap relatif tinggi, ekstraksi dilakukan dg cara reduksi pdt menghasilkan uap logam tsb.
-pemisahan antara pengotor + logam dpt dilakukan dgn mudah -uap logam yg didpt dikondensikan
ZnS + 3/2 O2 = ZnO + SO2 ZnO + C = Zn + CO
Yg dominan
ZnO+CO = Zn + CO2 Didlm tanur retort tjd reaksi CO2+C=2CO
Dgn demikian gas yang dihasilkan dr proses restoring ini mrpkn campuran uap Zn, gas CO, CO2 dlm jml kecil..
E. Metalotermik
Proses peleburan reduksi suatu oksida logam dgn menggunakan logam lain sbg reduktor. Metode ini dilakukan bila logam yg direduksi sangat stabil, shg tdk dpt direduksi oleh karbon, kecuali pd temp yg sangat tinggi/ oleh hydrogen, demikian juga logam membtyk karbida tdk mungkin dihasilkan dgn reduktor karbon.
Keuntungan : sifat reaksi dr pembentukan oksida2 Al2O3 dan SiO2 eksotermik, shg keb kalor utk peleburan sebag besar tercukupi dari reaksinya
Kerugian :
Reduktor sangat mahal shg penggunaan terbatas pd logam2 yg bernilai tinggi. Cth :
Cr2O3 +2Alà2Cr + Al2O3 2MgO + Si à 2Mg +SiO2 Proses Oksidasi
Tujuan :
Mengubah senyawa sulfida (matte) logam pengotor mjd oksidaà msk ke terak Sebagai oksidator digunakan udara
Cth : Pada proses converting Peleburan Sulfidasi
Peleburan utk mendptkan matte ttp umpannya senyawa oksida. Pd bijih nikel à min garnierite
NiO+CaS = NiS(matte) + CaO
XCaO + ySiO2 = (CaO)x(SiO2)y (terak)
Matte dilakukan converting à hslnya bukan logam ttp tetap matte, dgn kandungan nikel tinggi
Proses ekstraksi berdasarkan reaksi pendesakan yaitu reaksi antara logam sulfida dgn logam lain
MS + M’ = M +M’S
PbS+Fe(scrap) = Pb+FeS (peleburan timbal) Sb2S3+3Fe=2Sb+3FeS (peleburan antimon)
F. Sifat Fisik dan Kimia Mineral yang dapat Diekstraksi
Logam adalah salah satu kelompok unsur yang sudah sangat lazim ditemui dalam kehidupan kita. Mulai dari alat tulis kantor, peralatan masak, peralatan elektronik, kendaraan, sampai bahan bangunan, semuanya menggunakan perangkat yang dibuat dengan bahan dasar logam. Sebut saja tembaga yang menjadi komponen dalam berbagai chip peralatan elektronik, ataupun besi yang menjadi bahan dasar baja. Saat ini, logam-logam yang ada kebanyakan telah dipadukan dengan logam-logam lainnya untuk menghasilkan sebuah campuran logam yang disebut alloy. Logam-logam tersebut dicampur agar didapatkan sifat logam campuran yang sesuai dengan kebutuhan manusia.
Konversi menjadi unsur
Setelah mineral dikonversi menjadi senyawa yang lebih mudah diproses, tahap selanjutnya adalah mengubah senyawa tersebut menjadi unsur logam yang dibutuhkan. Metode yang lazim digunakan adalah reaksi reduksi-oksidasi. Metode ini menggunakan dasar tingkat potensial reduksi dari logam dengan zat lain. Dalam metode ini, senyawa logam direaksikan langsung dengan agen pereduksi (potensial reduksi lebih rendah) sehingga menghasilkan logam murni. Beberapa agen pereduksi yang umum adalah karbon dan hidrogen.
Dalam proses menggunakan karbon, karbon biasanya dihadirkan dalam bentuk kokas (residu dari pembakaran tidak sempurna batubara) atau arang. Oksida logam seperti zink oksida dilebur menggunakan panas bersama karbon untuk membebaskan logamnya seperti pada reaksi berikut:
{\rm ZnO} (s) + {\rm C} (s) \rightarrow {\rm Zn}(g) + {\rm CO}_2 (g)
Setelah logam diperoleh melalui proses ini, selanjutnya logam dikondensasi dan dipadatkan. Namun, tidak semua reaksi peleburan logam menggunakan satu tahap seperti reaksi di atas. Beberapa reaksi peleburan tersebut menggunakan beberapa langkah seperti pada reaksi peleburan timah(IV) oksida yang dimulai dengan tahap awal pembentukan timah(II) oksida:
{\rm SnO}_2 (s) + {\rm C} (s) \rightarrow {\rm SnO} (s) + {\rm CO} (g) {\rm SnO} (s) + {\rm C} (s) \rightarrow {\rm Sn} (l) + {\rm CO} (g)
Reduksi dengan hidrogen dilakukan pada oksida logam yang reduksi dengan karbon justru menghasilkan karbida logam yang cenderung sulit untuk dikonversi lebih lanjut. Logam-logam jenis ini biasanya adalah logam pada grup 6B dan 7B. Contohnya adalah reaksi untuk menghasilkan tungsten (W) dan germanium (Ge) seperti berikut:
{\rm WO}_3 (s) + {\rm 3H}_2 (g) \rightarrow {\rm W} (s) + 3{\rm H}_2{\rm O} (g) {\rm GeO}_2 (s) + {\rm 2H}_2 (g) \rightarrow {\rm Ge} (s) + 2{\rm H}_2{\rm O} (g)
Selain karbon dan hidrogen, proses konversi senyawa menjadi unsurnya juga dapat dilakukan dengan menggunakan logam yang lebih aktif. Logam yang lebih aktif adalah logam yang memiliki potensial reduksi lebih rendah daripada logam dalam senyawa yang akan dikonversi seperti pada reaksi untuk menghasilkan krom ({\rm Cr}) berikut ini: {\rm Cr}_2{\rm O}_3 (s) + 2{\rm Al} (s) \rightarrow 2{\rm Cr} (l) + {\rm Al}_2{\rm O}_3 (s)
Selain dengan cara oksidasi tersebut, juga dapat dilakukan cara reduksi-oksidasi elektrokimia. Dalam metode ini, mineral diubah menjadi elemen di dalam sebuah sel elektrolisis yang telah didesain secara khusus. Terkadang, mineral murni dalam bentuk lelehan halida atau oksidanya digunakan untuk menghindari reaksi samping yang tidak diinginkan. Logam akan diproduksi dari proses reduksi di katoda. Selain itu, sebuah separator juga digunakan dalam sel untuk mencegah rekombinasi. Metode ini digunakan dengan mempertimbangkan biaya prosesnya, terutama listrik yang digunakan. Voltase dan arus yang diperlukan bergantung pada potensial elektrokimia dari mineral yang dikonversi. Pemurnian
Proses konversi dari mineral ke logam seringkali masih mengandung zat-zat pengotor yang mempengaruhi kemurnian dari logam itu sendiri. Oleh karena itu, setelah proses konversi, dilakukan proses pemurnian. Beberapa proses pemurnian yang terkenal adalah electrorefining, zone refining, dan destilasi.
Dalam electrorefining, logam yang tidak murni dijadikan sebagai anode dan sampel dari logam yang telah murni digunakan sebagai katoda pada sebuah sel elektrolisis. Nantinya logam yang tidak murni ini perlahan akan berpindah ke katode dan menempel pada logam yang telah murni. Proses destilasi digunakan untuk logam yang memiliki titik didih yang relatif rendah seperti Zink dan air raksa (Hg).
Pada proses zone refining, pengotor dihilangkan dari batangan logam yang tidak murni dengan mengkonsentrasikan pengotor-pengotor tersebut pada zona lelehan sedangkan logam yang telah dimurnikan direkristalisasi pada zona yang lain. Metaloid yang digunakan dalam semikonduktor elektronik seperti silikon (Si) dan germanium, harus dimurnikan dengan proses ini sehingga didapatkan kemurnian yang sangat tinggi.
Pemurnian adalah proses final dari rangkaian proses ekstraksi logam. Namun, saat ini kebanyakan logam yang ada adalah paduan logam sehingga setelah dimurnikan biasanya logam-logam murni ini akan digabungkan dengan logam lainnya untuk membentuk suatu paduan logam yang disebut alloy. Memadukan logam dengan logam lainnya (pada beberapa kasus dengan non-logam) ditujukan untuk mengubah titik leleh dan meningkatkan sifat-sifat dari logam murninya, seperti konduktivitas dan kekuatan logam. Sebagai contoh, besi yang merupakan logam penting dalam kehidupan kita ternyata hanya digunakan setelah dipadukan dengan logam lain. Dalam bentuk murninya besi sangat
lemah dan mudah terkorosi. Akan tetapi, jika dipadukan dengan karbon atau molibdenum (Mo), paduan besi ini menjadi sangat keras. Sementara itu, jika dipadukan dengan nikel (Ni) atau krom, besi menjadi resisten terhadap korosi.
Salah satu mineral yang dapat diekstraksi adalah aluminium. Pembuatan Aluminium terjadi dalam dua tahap yaitu sebagai berikut.
a. Proses Bayer merupakan proses pemurnian bijih bauksit untuk memperoleh aluminium oksida (alumina).
b. Proses Hall-Heroult merupakan proses peleburan aluminium oksida untuk menghasilkan aluminium murni.
Proses produksi aluminium dimulai dari pengambilan bahan tambang yang mengandung aluminium (bauksit, corrundum, gibbsite, boehmite, diaspore, dan sebagainya). Selanjutnya, bahan tambang dibawa menuju proses Bayer. Proses Bayer menghasilkan alumina (Al2O3) dengan membasuh bahan tambang yang mengandung aluminium dengan larutan natrium hidroksida Al(OH)3. Aluminium hidroksida lalu dipanaskan pada suhu sedikit di atas 1000 oC sehingga terbentuk alumina dan H2O yang menjadi uap air.
Setelah Alumina dihasilkan, alumina dibawa ke proses Heroult. Proses Hall-Heroult dimulai dengan melarutkan alumina dengan lelehan Na3AlF6, atau yang biasa disebut cryolite. Larutan lalu dielektrolisis dan akan mengakibatkan aluminium cair menempel pada anoda, sementara oksigen dari alumina akan teroksidasi bersama anoda yang terbuat dari karbon, membentuk karbon dioksida. Aluminium cair memiliki massa jenis yang lebih ringan dari pada larutan alumina, sehingga pemisahan dapat dilakukan dengan mudah.
Elektrolisis aluminium dalam proses Hall-Heroult menghabiskan energi yang cukup banyak. Rata-rata konsumsi energi listrik dunia dalam mengelektrolisis alumina adalah 15 kWh per kilogram aluminium yang dihasilkan. Energi listrik menghabiskan sekitar 20-40% biaya produksi aluminium di seluruh dunia.
Proses Bayer
Batangan cetak casting ingot aluminium. Bijih bauksit mengandung 50-60% Al2O3 yang bercampur dengan zat-zat pengotor terutama Fe2O3 dan SiO2. Untuk memisahkan Al2O3 dari zat-zat yang tidak dikehendaki, kita memanfaatkan sifat amfoter dari Al2O3. Tahap pemurnian bauksit dilakukan untuk menghilangkan pengotor utama dalam bauksit. Pengotor utama bauksit biasanya terdiri dari SiO2, Fe2O3, dan TiO2. Caranya adalah dengan melarutkan bauksit dalam larutan natrium hidroksida (NaOH),
Al2O3 (s) + 2NaOH (aq) + 3H2O(l) ---> 2NaAl(OH)4(aq)
Aluminium oksida larut dalam NaOH sedangkan pengotornya tidak larut. Pengotor-pengotor dapat dipisahkan melalui proses penyaringan. Selanjutnya aluminium diendapkan dari filtratnya dengan cara mengalirkan gas CO2 dan pengenceran.
Endapan aluminium hidroksida disaring,dikeringkan lalu dipanaskan sehingga diperoleh aluminium oksida murni (Al2O3)
2Al(OH)3(s) ---> Al2O3(s) + 3H2O(g) Proses Hall-Heroult
Selanjutnya adalah tahap peleburan alumina dengan cara reduksi melalui proses elektrolisis menurut proses Hall-Heroult. Dalam proses Hall-Heroult, aluminum oksida dilarutkan dalam lelehan kriolit (Na3AlF6) dalam bejana baja berlapis grafit yang sekaligus berfungsi sebagai katode. Selanjutnya elektrolisis dilakukan pada suhu 950 °C. Sebagai anode digunakan batang grafit.
Setelah diperoleh Al2O3 murni, maka proses selanjutnya adalah elektrolisis leburan Al2O3. Pada elektrolisis ini Al2O3 dicampur dengan CaF2 dan 2-8% kriolit (Na3AlF6) yang berfungsi untuk menurunkan titik lebur Al2O3 (titik lebur Al2O3 murni mencapai 2000 °C), campuran tersebut akan melebur pada suhu antara 850-950 °C. Anode dan katodenya terbuat dari grafit. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:
Al2O3 (l) 2Al3+ (l) + 3O2- (l) Anode (+): 3O2- (l) 3/2 O2 (g) + 6e− Katode (-): 2Al3+ (l) + 6e- 2Al (l)
Reaksi sel: 2Al3+ (l) + 3O2- (l) 2Al (l) + 3/2 O2 (g)
Peleburan alumina menjadi aluminium logam terjadi dalam tong baja yang disebut pot reduksi atau sel elektrolisis. Bagian bawah pot dilapisi dengan karbon, yang bertindak sebagai suatu elektroda (konduktor arus listrik) dari sistem. Secara umum pada proses ini, leburan alumina dielektrolisis, di mana lelehan tersebut dicampur dengan lelehan elektrolit kriolit dan CaF2 di dalam pot di mana pada pot tersebut terikat serangkaian batang karbon dibagian atas pot sebagai katoda. Karbon anoda berada dibagian bawah pot sebagai lapisan pot, dengan aliran arus kuat 5-10 V antara anoda dan katodanya proses elektrolisis terjadi. Tetapi, arus listrik dapat diperbesar sesuai keperluan, seperti dalam keperluan industri. Alumina mengalami pemutusan ikatan akibat elektrolisis, lelehan aluminium akan menuju kebawah pot, yang secara berkala akan ditampung menuju cetakan berbentuk silinder atau lempengan. Masing – masing pot dapat menghasilkan 66.000-110.000 ton aluminium per tahun(Anonymous,2009). Secara umum, 4 ton bauksit akan menghasilkan 2 ton alumina, yang nantinya akan menghasilkan 1 ton aluminium.
Sifat Mekanik Aluminium
Sifat teknik bahan aluminium murni dan aluminium paduan dipengaruhi oleh konsentrasi bahan dan perlakuan yang diberikan terhadap bahan tersebut. Aluminium terkenal sebagai bahan yang tahan terhadap korosi. Hal ini disebabkan oleh fenomena
pasivasi, yaitu proses pembentukan lapisan aluminium oksida di permukaan logam aluminium segera setelah logam terpapar oleh udara bebas. Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Namun, pasivasi dapat terjadi lebih lambat jika dipadukan dengan logam yang bersifat lebih katodik, karena dapat mencegah oksidasi aluminium.
Kekuatan tensil
Kekuatan tensil adalah besar tegangan yang didapatkan ketika dilakukan pengujian tensil. Kekuatan tensil ditunjukkan oleh nilai tertinggi dari tegangan pada kurva tegangan-regangan hasil pengujian, dan biasanya terjadi ketika terjadinya necking. Kekuatan tensil bukanlah ukuran kekuatan yang sebenarnya dapat terjadi di lapangan, namun dapat dijadikan sebagai suatu acuan terhadap kekuatan bahan.
Kekuatan tensil pada aluminium murni pada berbagai perlakuan umumnya sangat rendah, yaitu sekitar 90 MPa, sehingga untuk penggunaan yang memerlukan kekuatan tensil yang tinggi, aluminium perlu dipadukan. Dengan dipadukan dengan logam lain, ditambah dengan berbagai perlakuan termal, aluminium paduan akan memiliki kekuatan tensil hingga 580 MPa (paduan 7075).
Kekerasan
Kekerasan gabungan dari berbagai sifat yang terdapat dalam suatu bahan yang mencegah terjadinya suatu deformasi terhadap bahan tersebut ketika diaplikasikan suatu gaya. Kekerasan suatu bahan dipengaruhi oleh elastisitas, plastisitas, viskoelastisitas, kekuatan tensil, ductility, dan sebagainya. Kekerasan dapat diuji dan diukur dengan berbagai metode. Yang paling umum adalah metode Brinnel, Vickers, Mohs, dan Rockwell. Kekerasan bahan aluminium murni sangatlah kecil, yaitu sekitar 65 skala Brinnel, sehingga dengan sedikit gaya saja dapat mengubah bentuk logam. Untuk kebutuhan aplikasi yang membutuhkan kekerasan, aluminium perlu dipadukan dengan logam lain dan/atau diberi perlakuan termal atau fisik. Aluminium dengan 4,4% Cu dan diperlakukan quenching, lalu disimpan pada temperatur tinggi dapat memiliki tingkat kekerasan Brinnel sebesar 135.
Ductility
Ductility didefinisikan sebagai sifat mekanis dari suatu bahan untuk menerangkan seberapa jauh bahan dapat diubah bentuknya secara plastis tanpa terjadinya retakan. Dalam suatu pengujian tensil, ductility ditunjukkan dengan bentuk neckingnya; material dengan ductility yang tinggi akan mengalami necking yang sangat sempit, sedangkan bahan yang memiliki ductility rendah, hampir tidak mengalami necking. Sedangkan dalam hasil pengujian tensil, ductility diukur dengan skala yang disebut elongasi. Elongasi adalah seberapa besar pertambahan panjang suatu bahan ketika dilakukan uji kekuatan tensil. Elongasi ditulis dalam persentase pertambahan panjang per panjang awal bahan yang diujikan.
Aluminium murni memiliki ductility yang tinggi. Aluminium paduan memiliki ductility yang bervariasi, tergantung konsentrasi paduannya, namun pada umumnya memiliki ductility yang lebih rendah dari pada aluminium murni, karena ductility
berbanding terbalik dengan kekuatan tensil, serta hampir semua aluminum paduan memiliki kekuatan tensil yang lebih tinggi dari pada aluminium murni.
Daftar Pustaka
Brady, James .E. 1999. Kimia Universitas Azas & Struktur Jilid 1, Edisi ke-5. Jakarta : Binarupa Aksara
Dogra, SK. 1990. Kimia Fisik dan Soal-Soal. Jakarta: Universitas Indonesia
Denbigh, Kenneth. 1980. Prinsip-Prinsip Keseimbangan Kimia edisi ke-empat. Jakarta: Universitas Indonesia
Kleinfelter, Wood. 1989. Kimia Untuk Universitas Jilid 1.ed.6.Jakarta : Erlangga
Rahayu,Nurhayati,dan Jodhi Pramuji G.2009. Rangkuman Kimia SMA. Jakarta : Gagas Media
Sutresna,Nana. 2007.Cerdas Belajar Kimia untuk Kelas XI.Jakarta : Grafindo Media Pratama free.vlsm.org/v12/sponsor/.../0281%20Fis-1-4d.htm http://blog.ums.ac.id/vitasari/files/2009/06/kuliah-11_panas-reaksi.pdf http://elearning.gunadarma.ac.id/docmodul/pengantar_kimia/Bab_8 http://www.gurupendidikan.co.id/termodinamika-pengertian-prinsip-sistem-hukum-dan-rumus-beserta-contoh-soalnya-lengkap/ http://id.wikipedia.org/wiki/Hukum_Hess http://id.wikipedia.org/wiki/Kalorimeter\ https://id.wikipedia.org/wiki/Termodinamika http://www.softilmu.com/2015/11/Pengertian-Kajian-Perubahan-Entalpi-Reaksi-Hukum-Termokimia-Adalah.html http://web-amatiran.blogspot.co.id/2013/05/termokimia-dan-termodinamika.html http://www.matadunia.id/2017/01/termokimia-pengertian-dan-perbedaan.html?m=0 http://www.scribd.com/doc/20100823/Kalorimeter http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia_fisika1/termokimia/pengertian-termokimia/ http://elearning.uin-suka.ac.id/attachment/hukum_i_termo_sh8y0_11975.ppt http://mesin.brawijaya.ac.id/diktat_ajar/data/02_c_bab1n2_termo1.pdf http://ocw.gunadarma.ac.id/course/diploma-three-program/study-program-of-computer-engineering-d3/fisika-dasar-2/termokimia
Wijayanti. 2009. Penentuan Entalpi Reaksi. Kamis, 10 Desember. http://kimia-asyik.blogspot.com/2009/12/penentuan-entalpi-reaksi.html
