Dari Neraca Massa A di Reaktor

(1)

ANALISIS & INTERPRETASI

DATA KINETIKA

SISTEM REAKTOR BATCH

-siti diyar kholisoh

Kinetika dan Katalisis

Semester Genap Tahun Akademik 2010-2011

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA – FTI UPN “VETERAN” YOGYAKARTA

Thursday, 19th_{May 2011}

PERSAMAAN KINETIKA ATAU

KECEPATAN REAKSI

Bagaimana persamaan kinetika sebuah reaksi dapat diperoleh? r = ...?

Data-data dan persamaan-persamaan kecepatan reaksi yang tersedia dari literatur

Metode-metode untuk memperoleh data kecepatan reaksi dari percobaan di laboratorium, menganalisisnya, dan menginterpretasikannya.

Postulasi mekanisme reaksi untuk memprediksi persamaan kecepatan reaksi

PERCOBAAN KINETIKA REAKSI

Pendekatan umum:

1. Pemilihan spesies (reaktan atau produk) untuk memantau atau

mengamati keberlangsungan reaksi

2. Pemilihan jenis reaktor dan mode pengoperasiannya 3. Pemilihan metode untuk mengamati keberlangsungan reaksi

terhadap waktu

4. Pemilihan strategi percobaan, yakni bagaimana cara mela-kukan percobaan kinetika, termasuk jumlah dan jenis percobaan yang diperlukan; bagaimana mengantisipasi adanya kemungkinan reaksi-reaksi samping; bagaimana kondisi operasinya; bagaimana menjamin supaya data-data yang dihasilkan mempunyai reproducibility tinggi; dsb. 5. Pemilihan metode untuk menentukan harga-harga

para-meter kecepatan reaksi secara kuantitatif/numerik.

Data Kinetika – Sistem

Batch

A + B

produk reaksi

C

_A

vs t; n

_A

vs t

X

_A

vs t; 1-X

_A

vs t

p

_A

vs t

P vs t

V vs t (sistem volume berubah)

dan lain-lain.

Perlu memahami hubungan antar

besaran tersebut di atas…!!!

Dari Neraca Massa A di Reaktor

A A

dn

r V

dt

=

0 A A A

dX

n

r V

dt

−

=

A A A

n

d

V

dC

r

dt













₌

0 A A A

dX

C

r

dt

−

=

0

1

A A A A A

C

dX

r

X

dt

ε

−

=

+

0 0

(

)

ln

A A A A A

d

V

C

d V

C

r

V

ε

dt

ε

dt

−

= −

=

1

_A A

dp

r

R T dt

=

PROSEDUR ANALISIS DAN

INTERPRETASI DATA KINETIKA

1. Metode Integral

2. Metode Diferensial

(2)

Metode Integral (Integrasi)

Didasarkan pada hasil integrasipersamaan kecepatan reaksi. Pada metode ini, analisis data kinetika dilakukan dengan mengalurkan beberapa fungsi konsentrasi reaktan versus waktu, dalam grafik-grafik yang bersesuaian. Relatif mudah digunakan dan diterapkan,

meskipun bersifat trial and error Direkomendasikan untuk:

♦pengujian sebuah mekanisme reaksi ♦persamaan kinetika yang sederhana ♦data kinetika yang persebarannya tidak

cukup baik (atau tidak menentu)

Metode Diferensial (Diferensiasi)

• Didasarkan pada diferensiasi data-data percobaan (konsentrasi versus waktu) untuk memperoleh kecepatan reaksi yang sebenarnya. Pada metode ini, analisis data kinetika dilakukan dengan menduga beberapa hubungan antara kecepatan reaksi sebagai fungsi konsentrasi, dan menguji dugaan-dugaan tersebut melalui grafik-grafik yang bersesuaian.

• Terkait langsung dengan persamaan kecepatan reaksi dalam bentuk diferensial.

• Mengevaluasi harga-harga turunan dCi/dt atau dpi/dt atau dP/dt dalam persamaan kecepatan reaksi (dari data-data percobaan)

• Dapat digunakan untuk persamaan-persamaan kinetika yang lebih kompleks

• Memerlukan data-data yang banyak dan akurat

METODE INTEGRAL

1. Metode grafik (atau grafik

pemban-ding)

2. Metode merata-ratakan harga k (k

averaging procedure)

3. Metode fractional life

(metode ini hanya bisa diterapkan

untuk model kinetika hukum

pangkat)

(trial and

error)

Prosedur

Umum

Metode

Integral

Metode Grafik Pembanding

Kelengkungan positif:orde reaksi yang ditebak (atau diasumsikan) lebih besar daripada orde reaksi sebenarnya. Kelengkungan negatif:orde reaksi yang ditebak (atau diasumsikan) lebih kecil daripada orde reaksi sebenarnya.

Metode Perata-rataan Harga k

Grafik (a):harga-harga k tidak konsisten (karena adanya variasi yang cukup lebar antara harga-harga k yang dihitung pada pasangan-pasangan data yang berbeda).

Grafik (b):harga k relatif konsisten (karena harga-harga k yang dihitung pada pasangan-pasangan data yang berbeda tidak terlalu bervariasi).

(3)

Metode

Fractional Life

Hubungan antara

fractional life suatu reaksi

(t_F) dengan konsentrasi awal reaktan (CA0):

(

)

A01n n 1 F

C

k

1 n

1 F

t

− −

−

=

(

)

(

)

A0 n 1 F

1 n

log

C

k

1 n

1 F

log

t

log

_

+

−











−

=

− (n ≠≠≠≠1) atau:

Contoh Soal 1#:

Di dalam sebuah reaktor batch bervolume-tetap, reaktan A terdekomposisi menurut persamaan reaksi homogen berikut: A produk

Komposisi A dalam reaktor (CA) yang diukur pada berba-gai variasi waktu t disajikan sebaberba-gai berikut:

Persamaan kecepatan reaksi dianggap mengikuti model hukum pangkat:

Tentukan persamaan kinetika reaksi yang merepresentasi-kan data-data kinetika tersebut di atas, dengan mengguna-kan metode integral dan metode diferensial.

t (detik) 0 20 40 60 120 180 300 CA(mol/liter) 10 8 6 5 3 2 1 n A A

k

C

r

=

−

Sumber: Levenspiel, 1999

Metode Grafik Pembanding

Jika orde yang

ditebak: n = 0

Analisis Anda…?

Metode Grafik Pembanding

Jika orde yang

ditebak: n = 1

Analisis Anda…?

Metode Grafik Pembanding

Jika orde yang

ditebak: n = 2

Analisis Anda…?

Metode Grafik Pembanding

Cek:

Jika

n = 1,4

Analisis Anda…?

Nilai k =

slope grafik

linier yang

diperoleh

(4)

Metode Perata-rataan Harga k

Analisis Anda…?

Metode Perata-rataan Harga k

Cek:

n = 1,4

Jadi: k

rata-rata

= ………..

Metode Fractional

Life (F = ½)

Penentuan n dan k:

Dengan

demiki-an, n dan k

dapat ditentukan

berdasarkan

nilai-nilai slope

dan intercept

.

( )

(

)

(

)

A0 n 1 2 1 1 nlogC k 1 n 1 2 1 log t log + −           − − = −

Jangan lupa:

Satuan k: …..?

Metode Diferensial

(de-ngan Teknik Linierisasi)

n A A A kC dt C d r =− = − A 2 A 1 A A C k 1 C k dt C d r + = − = −

Metode Diferensial

(secara

Trial and Error)

Bentuk persamaan kecepatan: f(C ) t d C d r A A A=− = − dengan f(CA) ditebak atau diasumsikan.

Bentuk persamaan kecepatan reaksi tebakan tersebut dianggap sesuai jika plot tersebut menghasilkan bentuk yang linier.

(5)

Prosedur Umum

Metode

Diferensial

Smooth-Curve

atau

Freehand-Curve

Contoh smooth-curve atau freehand-curve ditunjukkan pada kurva (a). Smooth-curve harus dibuat secara hati-hati, dengan pandangan mata. Pada umumnya kurva ini tidak akan melewati semua titik data, tetapi mampu me-nunjukkan kecenderungan (trendline) data. Banding-kanlah dengan kurva (b), yang melewati semua titik data, tetapi justru tidak menunjukkan kecenderungan data.

(a)

(b)

METODE DIFERENSIAL

Penentuan

:

t

d

C

d

_A

1. Metode Grafik

Metode garis singgung

Metode diferensiasi (sederhana; equal area)

2. Metode Numerik

Metode finite-divided difference

Metode curve-fitting

Metode diferensial yang lain:

1. Metode isolasi

2. Metode initial rate

Metode

Garis

Singgung

t (detik) CA (m o l/ L) Tangents (garis-garis singgung) pada titik-titik data yang bersesuaian

Nilai n dan k

dapat

ditentukan

Jangan lupa

satuannya!

Contoh Soal #2:

Data berikut ini diperoleh melalui eksperimen reaksi

dekomposisi reaktan A pada 0

o

_{C dalam sebuah reaktor}

batch bervolume-tetap menggunakan gas murni

(reaktan) A:

Waktu (menit) 0 2 4 6 8 10 12 14 ∞

Tekanan parsial

A (mm Hg) 760 600 475 390 320 275 240 215 150

tentukan persamaan kecepatan reaksi yang

merepresen-tasikan data-data di atas!

Jika stoikiometri reaksinya dituliskan sebagai:

A →

2,5 R

(6)

Contoh Soal:

Sucrose is readily hydrolysed to glucose and fructose in acidic solution. The hydrolysis can be monitored by measuring the angle of rotation of plane-polarized light passing through the solution. From the angle of rotation the concentration of sucrose can be determined. An experiment on the hydrolysis of sucrose in 0.50 M HCl (aq) produced the following data:

t/min 0 14 39 60 80 110

Sucrose/M 0,316 0,30 0,274 0,256 0,238 0,211

UTS KinKat – SP 2007/2008

Reaksi homogen: A →→→→1,5 Pberlangsung dalam sebuah reaktor sistem batch bervolume-tetap pada kondisi isotermal. Mula-mula: CA0= 100 mmol/liter, dan

pada berbagai waktu (t) dicatat nilai konversi reaktan A (XA) seperti tersaji pada tabel berikut ini:

a) Berdasarkan data di atas, buktikan bahwa reaksi ini berorde 1,5. (Silakan pilih sendiri metode yang akan Anda gunakan)

b) Apakah reaksi ini elementer? Berikan alasan singkat. c) Tentukan nilai kecepatan reaksi spesifiknya! Tuliskan juga satuannya.

t (menit) 15 40 65 90 120

XA(%) 37,26 65,40 78,11 84,92 89,59

UTS KinKat - Genap 2003/2004

Dimerisasi butadiena (A):

2 A

→

P

dilangsungkan secara

batch (sistem bervolume

konstan) pada 60

o

_{C, dengan reaktan awal}

berupa A murni. Keberlangsungan reaksi

diamati melalui pengukuran tekanan total

sebagai fungsi waktu sbb:

t (menit) 0 5 10 20 35 50 80

Pt (torr) 630 611 592 559 523 497 463

Jika persamaan kinetika mengikuti model

umum: -r

A

= k C

An