Reaksi Kesetimbangan di Industri Kimia

Nov 02, 2011 ~ Leave a Comment ~ Written by Budiyanto

Reaksi Kesetimbangan di Industri Kimia – Reaksi-reaksi yang berkesetimbangan merupakan masalah bagi industri, mengapa? Industri memerlukan produk yang efektif dan efisien dengan biaya semurah-murahnya. Dalam reaksi kesetimbangan, produk yang dihasilkan tidak efektif karena dapat membentuk kembali pereaksi. Untuk menghasilkan produksi yang maksimal diperlukan pengetahuan untuk menggeser posisi kesetimbangan ke arah produk.

1. Reaksi Kesetimbangan pada Industri Amonia. Amonia merupakan bahan dasar untuk pembuatan pupuk, sebagai pelarut, pembersih, dan banyak lagi produk sintetik yang menggunakan bahan dasar amonia. Amonia disintesis dari gas N₂ dan H₂melalui proses Haber seperti ditunjukkan pada Gambar 5.11, reaksinya membentuk kesetimbangan. Secara termokimia, pembentukan amonia bersifat eksotermis. Persamaan termokimianya sebagai berikut.

N₂(g) + 3H₂(g) ⇆ 2NH₃(g) ΔH₂5 = –92,2 kJ

Masalah utama sintesis amonia adalah bagaimana menggeser posisi kesetimbangan ke arah kanan agar dihasilkan amonia semaksimal mungkin. Apakah Anda punya gagasan atau saran untuk hal ini? Saran pertama tentu pereaksi harus dipasok terus menerus agar posisi kesetimbangan bergeser ke arah pembentukan amonia. Saran kedua, suhu dan tekanan sistem harus optimal. Bagaimana caranya?

Gambar 5.11 Diagram sintentis amonia (proses Haber)

a. Optimasi Suhu. Oleh karena pembentukan amonia bersifat eksoterm maka untuk mengoptimalkan produksi amonia, suhu reaksi harus tinggi atau rendah? Tentunya harus rendah karena suhu reaksi yang tinggi akan menggeser kesetimbangan ke arah reaksi endoterm (penguraian amonia). Jika suhu terlalu rendah, reaksi berlangsung sangat lambat (hampir tidak bereaksi). Jika suhu terlalu tinggi, reaksi bergeser ke arah penguraian amonia. Jadi, bagaimana cara yang efektif dan efisien? Dalam kasus seperti ini, perlu ditentukan suhu optimum (tidak terlalu tinggi, juga tidak terlalu rendah). Hasil penyelidikan menunjukkan bahwa suhu optimum pembentukan amonia sekitar 450oC–500oC (perhatikan Gambar 5.12).

b. Optimasi Tekanan. Selain optimasi suhu, tekanan juga perlu dioptimasi, mengapa? Ini dikarenakan sintesis amonia melibatkan fasa gas dan rasio stoikiometri antara pereaksi dan hasil reaksi tidak sama. Koefisien reaksi pembentukan amonia lebih kecil dari koefisien pereaksi sehingga tekanan harus tinggi. Dalam praktiknya, tekanan yang diterapkan sekitar 250 atm (perhatikan Gambar 5.12a).

Mengapa tekanan yang diterapkan tidak lebih tinggi lagi? Hal ini berkaitan dengan aspek teknologi. Semakin tinggi tekanan maka diperlukan peralatan yang sangat kuat agar tidak terjadi ledakan.

2. Reaksi Kesetimbangan pada Industri Asam Sulfat. Di Indonesia, asam sulfat merupakan salah satu bahan baku untuk membuat pupuk, pigmen dan cat, pembuatan besi dan baja, pembuatan pulp dan kertas, pengisi sel accumulator, pelarut, pengatur pH di dalam proses industri, pendehidrasi, serta pembuatan produk-produk kimia lainnya, seperti amonium sulfat dan kalsium hidrofosfat. Pembuatan asam sulfat di industri dikembangkan melalui proses kontak seperti pada Gambar 5.13, dengan tiga tahap utama sebagai berikut.

1. Pembentukan belerang dioksida, persamaan reaksinya adalah
S( l ) + O₂(g) → SO₂(g)
2. Pembentukan belerang trioksida, persamaan reaksinya adalah
SO₂(g) + O₂(g) ⇆ SO₃(g) ΔH = –190 kJ
3. Pembentukan asam sulfat, melalui zat antara, yaitu asam pirosulfat. Persamaan reaksinya adalah
SO₃^–(g) + H₂SO₄(aq) → H₂S₂O₇(aq)
H₂S₂O₇(aq) + ½ O(l) → 2H₂SO₄(aq)

Gambar 5.13 Diagram proses kontak (sintesis asam sulfat)

Dari ketiga tahapan tersebut, tahap dua merupakan tahap yang menentukan efisiensi produk asam sulfat sebab membentuk reaksi kesetimbangan. Jika optimasi sistem reaksi tepat maka akan diperoleh gas SO₃ yang maksimal. Bagaimana cara mengoptimasi pembentukan SO₃pada tahap kedua tersebut?

a. Optimasi Suhu

Oleh karena pembentukan SO₃ bersifat eksoterm, efektivitas pembentukan SO₃ dioperasikan pada suhu rendah. Kendalanya, sama seperti pada kasus pembuatan amonia. Jika suhu terlalu rendah maka reaksi berlangsung sangat lambat. Akan tetapi, jika suhu terlalu tinggi, reaksi bergeser ke arah penguraian SO₃. Selain itu, katalis menjadi tidak berfungsi. Berdasarkan hasil penyelidikan, suhu optimum pembentukan SO₃ sekitar 450°C – 500°C (perhatikan Gambar 5.14).

b. Optimasi Tekanan

Berdasarkan data koefisien reaksi, Anda dapat menduga bahwa tekanan yang dioperasikan harus tinggi, agar posisi kesetimbangan bergeser ke arah produk. Umumnya, tekanan yang dioperasikan berkisar antara 2–3 atm. Tekanan tinggi tidak dapat dioperasikan dalam proses ini sebab peralatannya tidak mendukung (SO₃ bersifat korosif terhadap logam).

3. Reaksi Kesetimbangan pada  Industri Asam Nitrat. Asam nitrat banyak digunakan dalam pembuatan pupuk, nitrasi senyawa organik untuk bahan eksplosif, plastik, celupan, dan pernis, juga sebagai bahan oksidator dan pelarut. Di industri, pembuatan asam nitrat menggunakan proses Ostwald, yaitu pembuatan asam nitrat dari bahan mentah amonia dan udara. Proses pembuatan asam nitrat melalui tiga tahapan, yaitu:

a. Tahap pembentukan nitrogen oksida. Campuran amonia dan udara berlebih dialirkan melewati katalis Pt–Rh pada suhu 850°C dan tekanan 5 atm. Persamaan reaksinya:

4NH₃(g) + 5O₂(g) ⇆ 4NO(g) + 6H₂O( l ) ΔH= 907 kJ (pada 25°C)
b. Tahap pembentukan nitrogen dioksida. Nitrogen monoksida dioksidasi kembali dengan udara membentuk gas nitrogen dioksida. Persamaan reaksinya:
2NO(g) + O₂(g) ⇆ 2NO₂(g) ΔH= –114,14 kJ (pada 25°C)
Tahap pembentukan asam nitrat. Nitrogen dioksida bersama-sama dengan udara berlebih dilarutkan dalam air panas 80°C membentuk asam nitrat. Persamaannya:
4NO₂(g) + O₂(g) + 2H₂O( l ) → 4HNO₃(aq)

Pada proses Ostwald, ada dua tahap reaksi yang membentuk kesetimbangan, yaitu tahap satu dan tahap dua. Kedua tahap itu bersifat eksotermis dan memiliki koefisien reaksi yang berbeda, yaitu koefisien hasil reaksi lebih kecil dari koefisien pereaksi. Pada tahap dua, reaksi tidak efisien pada suhu tinggi, sehingga gas NO panas yang terbentuk pada tahap pertama didinginkan dengan memasok udara dingin, sekaligus berfungsi untuk mengoksidasi gas NO menjadi NO₂.