Katalis adalah suatu zat yang ditambahkan pada sistem reaksi untuk meningkatkan laju reaksi tanpa ikut berubah secara kimia pada akhir reaksi. Dan menurut Oswald (1902) mendefinisikan katalis sebagai suatu substansi yang mengubah laju suatu reaksi kimia tanpa terdapat sebagai produk akhir reaksi. Walaupun menurut definisi jumlah katalisator tidak berubah pada akhir reaksi selama reaksi berlangsung. Katalis akan mengawali penggabungan senyawa kimia yang akan terbentuk suatu kompleks antara substansi tersebut dengan katalisator. Kompleksnya yang terbentuk hanya merupakan bentuk hasil antara yang akan terurai kembali menjadi produk reaksi dan molekul katalisator. Katalis pertama kali ditemukan oleh J.J. Berzelius pada tahun 1836 sebagai komponen yang dapat meningkatkan laju reaksi kimia
Katalis tidak mengalami perubahan pada akhir reaksi, karena itu tidak memberikan energi ke dalam sistem , tetapi akan memberikan mekanisme reaksi alternatif dengan energi aktivasi yang lebih rendah dibandingkan dengan reaksi tanpa katalis.
Ketika reaksi tidak ditambahkan katalis, tumbukan partikel yang terjadi lebih sedikit sedangkan pada saat reaksi ditambahkan dengan katalis jumlah partikel yang terjadi lebih banyak sehinnga dapat menurunkan energi aktivasi .
Jumlah katalis dalam reaksi memiliki nilai optimum. Jika jumlah katalis yang digunakan tidak mencukupi, laju reaksi akan berlangsung lambat. Jikakatalis ditambah, reaksi akan semakin cepat sehingga mencapai titik optimum. Setelah mencapai titik ini, walaupun jumlah katalis ditambah, tidak dapat lagi mempercepat reaksi .
Berdasarkan jumlah fasa yang terlibat, proses katalitik dapat dibedakan menjadi katalis homogen dan katalis heterogen. Katalis homogen jika katalis yang digunakan berfasa sama dengan fasa zat pereaksi, dan katalis heterogen bila reaksi dikatalisis oleh katalisator yang mempunyai fasa berbeda dengan zat pereaksi. Katalis heterogen merupakan katalis yang paling banyak digunakan dalam industri modern, karena walaupun katalis heterogen kurang efektif dibandingkan dengan katalis homogen tetapi katalisis heterogen lebih mudah dipisahkan dari campuran reaksinya dan juga lebih stabil terhadap perlakuan panas.
1. Katalis Homogen
Dalam suatu reaksi kimia, katalis homogen berfungsi sebagai zat perantara. Serta dalam katalis homogen, reaktan dan katalis terdispersi dalam satu fasa, biasanya cair. Sehingga sulit memisahkan katalis dari sistem reaksinya karena katalis larut dalam campuran. misalnya katalis asam basa pada reaksi esterifikasi biodisel dipisahkan dengan ekstraksi
Contoh katalis homogen lainya misalnya gas Nitrogen Monoksida ( NO ) yang
berperan untuk mengkatalisis terbentuknya ozon di atmosfer bumi. Proses reaksi
terbentuknya ozon serta peran dari gas NO sebagai katalis akan dijelaskan pada persamaan reaksi dibawah ini.
Penggunaan katalis homogen ini mempunyai kelemahan yaitu: mencemari lingkungan, dan tidak dapat digunakan kembali. Selain itu katalis homogen juga umumnya hanya digunakan pada skala laboratorium ataupun industri bahan kimia
tertentu, sulit dilakukan secara komersil, oprasi pada fase cair dibatasi pada kondisi suhu dan tekanan, sehingga peralatan lebih kompleks dan diperlukan
pemisahan antara produk dan katalis. Contoh dari katalis homogen yang biasanya
banyak digunakan dalam produksi biodiesel, seperti basa (NaOH, KOH), asam (HCl, H2SO4).
o Katalis gas NO2 pada pembuatan gas SO3.
o Katalis gas Cl2 pada penguraian N2O
Contoh lainnya dari katalis homogen dalam laboratorium yaitu reaksi antara
KMnO4 dan asam oksalat dalam suasana asam yang dikatalisis oleh ion Mn2+,
reaksi persamaan ionnya adalah
2MnO4- + 16 H+ + 5 C2O42- → 2 Mn2+ + 10 CO2 + 8 H2O
Karena dalam reaksi tersebut dihasilkan juga ion Mn2+ , dalam reaksi ini ion Mn2+
merupakan katalisator dan reaksi ini disebut sebagai otokatalisis.
Contoh reaksi kimia yang melibatkan katalis homogen Reaksi tanpa katalis :
2SO2 (g) + O2 (g) 2SO3 (g) (lambat)
Reaksi dengan katalis NO :
NO + O2 NO2 (cepat)
NO2 + 2SO2 2SO3 + 2NO (cepat)
--- +
2SO2 + O2 2SO3 (cepat)
Gas NO mudah bereaksi dengan O2menjadi NO2 yang merupakan sumber
O2bagi SO2untuk membentuk SO3dan NO kembali ,sehingga gas NO diperoleh
kembali dalam jumlah yang sama.
Pereaksi Katalis Produk Kegunaan
Propilena Kompleks Mo(VI) Propilenaoksida Busa poliester Metanol (Rh(CO)2 I2 )I- Asam Asetat Pelapisan poli (vinil
Butadiena, HCN Senyawa Ni/ P Adiponitril Nilon( Serat, plastik) α –Olefin,
CO,H2
senyawa Rh/ P Aldehid Plasticizer, peluas
a. Fase gas
Pada pembuatan asam sulfat, Katalis yang digunakan pada proses ini ialah gas NO dan NO2.
2 S(s) + 3 O2(g) + 2 H2O(l) —>2 H2SO4(aq) CH3CHO (g) → CH4 (g) + CO (g) katalis: uap I2
b. Fase cair
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 katalis: asam CH3COOC2H5 + H2O → CH3COOH + C2H5OH katalis: asam
1. Katalis Heterogen
Katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fase yang berbeda dengan pereaksi. Biasanya katalis ini berbentuk seperti padatan. Katalis heterogen banyak digunakan untuk reaksi-reaksi yang melibatkan gas seperti pada industri gas ammonia. Cara kerja katalis heterogen terhadap gas-gas pereaksi ialah dengan 2 cara, Cara pertama disebut dengan adsorpsi dan cara kedua disebut dengan absorpsi. Cara adsorpsi ialah suatu cara mengumpulkan gas-gas pereaksi untuk berkumpul dan menggumpal pada zat katalis. Sedangkan cara absorpsi ialah suatu cara mengumpulkan gas-gas pereaksi dengan jalan terserapnya gas tersebut ke dalam zat katalis. Salah satu contoh pemanfaatan katalis heterogen ialah pada proses industri gas ammonia.
Contoh-contoh dari katalis heterogen adalah zeolit, CaO, MgO, dan resin penukar ion.
Keuntungan dari katalis heterogen adalah ramah lingkungan, tidak bersifat korosif, mudah dipisahkan dari produk dengan cara filtrasi, serta dapat digunakan berulangkali dalam jangka waktu yang lama. Selain itu, katalis heterogen meningkatkan kemurnian hasil karena reaksi samping dapat dieliminasi.
o Katalis logam Rodium atau Iridium pada proses pembuatan asam etanoat. o Katalis logam Ni pada proses pembuatan mentega.
o Katalis logam V2O5 pada reaksi pembuatan asam sulfat ( proses Kontak ).
Bahan baku asam sulfat adalah gas SO2 yang diperoleh dengan pemanggangan pirit atau pembakaran arang.
Reaksinya: 4 FeS2 + 11 O2 —> 2 Fe2O3 + 8 SO2 atau: S + O2 —> SO2 Gas belerang dioksidasi yang terjadi dicampur dengan udara dialirkan melalui katalisator kontak(V2O5) pada suhu ± 400 °C.
Dalam tanur kontak, gas SO2 + O2 diembuskan ke dalam tanur hingga bersentuhan dengan lempenglempeng yang dilapis V2O5 dalam tanur tersebut sebagai zat kontak.
o Katalis logam Fe pada reaksi pembuatan amonia ( proses Haber-Bosch ) N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (g)
Contohnya yaitu Ni (padatan) dipakai sebagai katalis reaksi gas C2H4dan
H2membentuk C2H6.
Katalis padat Fe2O3-BiO2 untuk oksidasi amonia pada pembuatan asam nitrat: 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) ↔ 4 NO (g) + 6 H2O (g)
Katalis padat Ni pada hidrogenasi hidrokarbon: R1CH=CHR2 (l) + H2 (g) → R1CH2CH2R2 (l) Katalis arang (C) pada pembuatan asam khlorida: H2 (g) + Cl2 (g) → 2 HCl (g)
Katalis perengkahan dalam industri minyak bumi umumnya merupakan katalis heterogen atau padatan dengan luas permukaan dan keasaman yang tinggi serta stabilitas termal yang cukup besar.
Aplikasi zeolit : Zeolit merupakan katalis yang sangat efisien serta selektif untuk berbagai reaksi kimia, terutama di industry petrokimia. Selektivitas zeolit terhadap suatu reaksi disebabkan ukuran pori zeolit yang hanya dapat dimasuki oleh molekul tertentu yang spesifik. Sehingga, tidak setiap reaksi transisi dapat berlangsung, reaksi hanya memungkinkan berjalan satu arah (restricted
transition-state selectivity).
2.1 PRODUKSI p-XYLENE
p-xylene sangat dibutuhkan di dalam industri, salah satu cara untuk mendapatkan p-xylene adalah dengan isomerisasi dengan katalis zeolit. Isomerisasi digunaan sebagai bagian dari siklus untuk memisahkan p-xylene dari senyawa- senyawa lain. Salah satunya dengan cara disproposionasi toluen dengan katalis zeolit. Toluene dapat dikonversi menjadi campuran yang lebih bermanfaat (xylene dan benzena) dengan katalis ZSM-5. Mekanismenya adalah sebagai berikut :
C7H8 (g) + H2 (g ) C6H6 (g) + CH4 (g)
Toluene Hidrogen Benzene Methane
Zeolit dapat berperan dalam dehidrasi alkohol menjadi alkena. Contohnya adalah pada dehidrasi etanol, etanol konsentrasi rendah dapat dimanfaatkan dengan mengkonversi etanol menjadi produk yang lebih potensial melakui proses dehidrasi menjadi dietil eter. Dehidrasi etanol menjadi dietil eter dilakukan dengan menggunakan katalis zeolit, dimana zeolit berperan dalam memecah ikatan etanol dengan air melalui adsorpsi terhadap air yang terdapat dalam etanol yang menghasilkan H2O dan dietil eter. Mekanisme reaksi dehidrasi etanol menjadi
C2H5OH zeolit
→ H2O+C H3−C H2−O−CH2−CH3
Di dalam proses industri petrokimia, zeolit digunakan sebagai katalis pada proses FCC (Fluid Catalytic Cracing). Proses FCC merupakan suatu proses transformasi rantai panjang alkana menjadi alkana yang berantai pendek, proses ini berfungsi untuk meningkatkan angka oktan dari bensin dengan cara menghasilkan suatu produk yang memiliki rantai bercabang. Zeolit juga berperan dalam mencegah timbulnya coke (karbon yang meracuni katalis).
Aplikasi CaO :
Aplikasi MgO : dalam pembuatan metil ester sebagai alternatif bahan bakar diesel Aplikasi resin penukar ion : hidrolisis sukrosa akan menguragi biaya produksi gula invert
Reaksi hidrogenasi etilena menjadi etana: C2H4 (g) + H2 (g) → C2H6 (g) yang dikatalisis oleh katalis oksida Cu-Mg (CuO-MgO)