kesetimbangan dalam industri

MAKALAH KIMIA

SMAN 1 KARANGANOM

KATA PENGANTAR

Puji dan Syukur kami panjatkan ke Hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat limpahan Rahmat dan Karunia-nya sehingga kami dapat menyusun makalah ini dengan baik dan tepat pada waktunya. Dalam makalah ini kami membahas mengenai kestimbangan kimia dalam industri. 

Makalah ini dibuat dengan beberapa bantuan dari berbagai pihak untuk membantu menyelesaikan tantangan dan hambatan selama mengerjakan makalah ini. Oleh karena itu, kami mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan makalah ini. 

Kami menyadari bahwa masih banyak kekurangan yang mendasar pada makalah ini. Oleh karena itu kami mengundang pembaca untuk memberikan saran serta kritik yang dapat membangun kami. Kritik konstruktif dari pembaca sangat kami harapkan untuk penyempurnaan makalah selanjutnya. 

Akhir kata semoga makalah ini dapat memberikan manfaat bagi kita sekalian. 

Karanganom, Sabtu 23 November 2013 

Penulis 

BAB I

PENDAHULUAN

A.     LATAR BELAKANG

Pada dasarnya, istilah kesetimbangan berhubungan dengan apa yang kita sebut ”keseimbangan kimia” akan tetapi, keseimbangan ini merupakan keseimbangan Mekanik. Dalam keseimbangan mekanik, jika resultan gaya      ( net force) pada suatu benda sama dengan nol, sehingga sebuah benda dikatakan kesetimbangan mekanik jika benda tersebut tidak sedang mengalami perubahan dalam gerakannya (percepatannya sama dengan nol). Apakah kesetimbangan kimia itu? Simaklah penjelasan berikut ini!.

Ketika suatu reaksi kimia berlangsung dalam sebuah bejana yang mencegah masuk atau keluarnya zat-zat yang terlibat dalam reaksi tersebut. Maka besaran-besaran (kuantitas-kuantitas) dari komponen-komponen reaksi tersebut berubah ketika beberapa komponen tersebut digunakan dan komponen lainnya terbentuk. Akhirnya, ini akan berakhir, setelah komposisinya tetap selam sistem tersebut tidak terganggu, sehingga sistem tersebut kemudian di katakan berada dalam keadan kesetimbangan atau lebih sederhana ”berada dalam kesetimbangan” dengan kata lain, sebuah reaksi kimia berada dalam kesetimbanagan ketika tidak ada kecenderungan kuantitas-kuantitas zat-zat peraksi dan zat hasil reaksi untuk berubah.

Tetapan kesetimbangan merupakan angka yang menunjukan perbandingan antara kuantitatif antara produk dengan reaktan. Secara umum, reaksi kesetimbangan dapat ditulis sebagai berikut:

                              aA + bB ↔ cC + dD

Sesuai dengan prinsip Le Chatelier, jika dalam reaksi kesetimbangan dilakukan aksi, maka kesetimbangan akan bergeseran sekaligus mengubah komposisi zat-zat yang ada untuk kembali mencapai kesetimbangan. Secara umum dapatlah dikatakan bahwa tetapan kesetimbangan merupakan perbandingan hasil kali molaritas reaktan dengan hasil kali molaritas produk yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya.

K=[C]^c X [D]^d

     [A]^a X [B]^b

Dengan :         

      K  = tetapan kesetimbangan

      [A]= molaritas zat A……………..…………..(M)

      [B]= molaritas zat B……………..……………(M)                

      [C]= molaritas zat C………………………….(M)

      [D]= molaritas zat D………………………….(M)

      Tetapan kesetimbangan (K), sering juga dituliskan K_C.

B.     TUJUAN

Adapun tujuan dari penulisan tugas ini yaitu:

• Menjelaskan sistem kesetimbangan dalam dunia industri.
• Menjelaskan cara pembuatan Amoniak
• Menjalaskan cara pembuatan Asam sulfat

BAB II

PEMBAHASAN

SISTEM KESETIMBANGAN DALAM INDUSTRI

Reaksi-reaksi yang berkesetimbangan merupakan masalah bagi industri. Mengapa? Industry memerlukan produk yang efektif dan efisien dengan biaya semurah-murahnya. Dalam reaksi kesetimbangan produk yang dihasilkan tidak efektif karena dapat menghasilkan kembali pereaksi. Untuk menghasilkan produksi yang maksimal diperlukan pengetahuan untuk menggeser posisi kesetimbangan kearah produk.

Agar suatu zat dihasilkan sebanyak mungkin suatu reaksi kimia harus diusahakan supaya berlangsung ke arah hasil reaksi (ke arah kanan) jika reaksinya merupakan reaksi kesetimbangan, maka faktor-faktor konsentrasi, suhu, tekanan gas, serta katalis harus diperhitungkan agar reaksi itu berlangsung cepat dan ekonomis.

Dalam pasal ini, kita mencoba meninjau dua proses yang sangat penting, dibidang kimia industri, yaitu pembuatan amoniak proses Haber Bosch serta pembuatan asam sulfat menurut proses kontak.

A. Pembuatan Amoniak (Proses Haber-Bosch)

Frite Haber (186-1984) dari Jerman adalah orang yang mula-mula berhasil mensintesa amoniak dari gas-gas nitrogen dan hidrogen, sehingga ia mendapat hadiah nobel tahun 1918. Proses pembuatan amoniak ini lalu disempurnakan oleh rekan senegaranya, Karl Bosch (1874-1940) yang juga meraih hadiah Nobel tahun 1931. Itulah sebabnya proses pembuatan amoniak dikenal sebagai proses Haber-Bosch.Reaksi yang berlangsung adalah:

N2(g) + 3H2(g) <==> 2NH3(g) ∆H= + 22 k kal

Persamaan ini mengindikasikan bahwa 2 mol amoniak terbentuk dari 1 mol gas N₂ dan 3 mol gas H₂, dari persamaan ini juga mengindikasikan bahwa reaksi adalah eksoterm, sehingga amoniak akan terbentuk dengan baik pada suhu rendah.

Pada suhu biasa, reaksi ini berjalan lambat sekali. Jika suhu dinaikkan reaksi akan berlangsung jauh lebih cepat. Akan tetapi, penaikan suhu menyebabkan reaksi bergeser ke kiri (mengapa?),

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH₃) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Usaha untuk meningkatkan jumlah dengan kecepatan yang cukup dilakukan dengan mengatur tekanan dan suhu dan menambahkan katalisator.

Dengan memperhitungkan faktor-faktor waktu dan hasil, maka suhu yang digunakan adalah 500oC.

Selain optimasi suhu, tekanan juga perlu dioptimasi. Mengapa? Ini dikarenakan sitesis amonia melibatkan fasa gas dan rasio stoikometri antara pereaksi dan hasil reaksi tidak sama. Koefisien reaksi pembentukan ammonia lebih kecil dari koefisien pereaksi sehingga tekanan harus tinggi agar reaksi bergeser kekanan. Tekanan 200 atm akan memberikan hasil NH3 15% tekanan 350 atm menghasilkan NH3 30% dan tekanan 1000 atm akan menghasilkan NH3 40%.

Perhatikan gambar berikut

                                            

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.

Untuk mempercepat tercapainya keseimbangan, dipakai katalis oksida-oksida besi. Selama proses berlangsung, gas-gas nitrogen dan hidrogen terus-menerus ditambahkan ke dalam campuran apapun, sedangkan NH3 yang terbentuk harus segera dipisahkan dari campuran dengan cara menggemburkannya, sebab titik didih NH3 jauh lebih tinggi dari titik didih N2 dan H2O.

Dewasa ini, seiring dengan kemajuan teknologi, digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan.

Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia.

Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis ammonia yaitu sbb:

Proses Haber Bosch merupakan proses yang cukup penting dalam dunia industri, sebab amoniak merupakan bahan utama dalam pembuatan berbagai barang, misalnya pupuk urea, asam nitrat dan senyawa-senyawa nitrogen lainnya. Amoniak juga sering dipakai sebagai pelarut, karena kepolaran amonia cair hampir menyamai kepolaran air.

B. Pembuatan Asam Sulfat (Proses Kontak)

            Tahukah kalian apa asam sulfat itu? Asam ini dalam keadaan encer disebut accu zuur, yang dipakai sebagai pengisi aki sebagai sumber energy bagi kendaraan bermotor. Hati-hati dengan asam sulfat ini. Asam sulfat pekat digunakan dalam industry pada pelapisan logam, yang digunakan sebagai oksidator agar permukaan logam sebelum dilapisi menjadi bersih dari kotoran-kotoran karat. Asam ini juga sering digunakan dalam laboratorium.

            Di Indonesia asam sulfat merupakan salah satu bahan baku untuk membuat pupuk, pigmen dan cat, pembuatan besi dan baja, pembuatan plup dan kertas, pelaut dan pengatur pH disalam proses industry, pendehehidrasu, serta pembuatan produk-produk kimia lainnya, seperti ammonium sulfat dan kalsium hidrofosfat. Pembuatan asam sulfat di industry dikkembangkan melalui proses kontak.

Pembuatan asam sulfat melalui beberapa tahap, yaitu:

• Pembentukan SO₂

Pada pembuatan asam sulfat menurut proses kontak bahan yang dipakai adalah belerang murni yang dibakar di udara .SO2 diperoleh dengan mereaksikan lelehan belerang dengan gas oksigen. Reaksi yang terjadi adalah

                        S(l) + O2(g) → SO2 (g)          ∆H= -296,9 kJ

• Pembentukan SO3

Gas SO2 yang terbentuk kemudian direaksikan lebih lanjut dengan gas oksigen pada kondisi optimum, yaitu pada suhu ±450 ®C, tekanan 2-3 atm, dan dengan menggunakan bantuan katalis V2O5. Reaksi yang terjadi

                        2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g) ∆H= -191 kJ 

Tahap ini merupakan tahap yang menentukan efisiensi produk asam sulfat sebab membentuk reaksi kesetimbangan. Jika optimasi system reaksi tepat maka akan diperoleh gas SO₃ yang maksimal. Oleh karena itu,Belerang trioksida menjadi produk yang vital sebagai bahan pembentuk asam sulfat.

Menurut kesetimbangan di atas, makin rendah suhunya makin banyak SO3 yang dihasilkan. Selain itu, dari persamaan reaksi di atas diketahui reaksi bersifat eksoterm. Maka reaksi ini lebih baik berlangsung pada suhu rendah. Akan tetapi, sama seperti pembuatan amoniak pada suhu rendah reaksi berjalan lambat. Reaksi ini hanya berlangsung baik pada suhu tinggi. Akan tetapi pada suhu terlalu tinggi justru kesetimbangan bergeser ke kiri (kearah penguraian SO₃. Selain itu, katalis menjadi tidak berfungsi, berdasarkan penyelidikan, suhu optimum pembentukan SO₃ sekitar 450 ^oC - 500 ^oC. perhatikan gambar berikut

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

Maka untuk mempercepat reaksi pembentukan belerang trioksida dipergunakan bantuan katalis V2O5 (Vanadium penta oksida) pada kondisi optimum, yaitu pada suhu ±450 ®C, tekanan 2-3 atm.

• Pembentukan H2SO4

Setelah pembentukan gas SO3, gas ini dilarutkan terlebih dahulu pada asam sulfat dengan kadar 98 % yang sudah ada. Hal ini dilakukan dengan tujuan membentuk oleum (H2S2O7(l)). Oleh karena gas SO2 agak sukar larut dalam air, maka SO3 dilarutkan dalam H2SO4 pekat. Secara teori, SO3 yang terbentuk jika direaksikan dengan air akan langsung membentuk asam sulfat (H2SO4). Asam sulfat yang dihasilkan akan berbentuk gas (kabut) sehingga akan sulit dikumpulkan karena sulit terkondensasi dan dapat manyebabkan pencemaran udara. Reaksinya

            2SO3(g) + H2SO4(aq) → H2S2O7(l)

Baru setelah terbentuk oleum direaksikan dengan air untuk mendapatkan H2SO4 pekat. Reaksinya

            H2S2O7(l) + H2O(l) → 2H2SO4(aq)

Diagram pembuatan Asam Sulfat

C.      Pembentukan Asam Nitrat

Asam nitrat banyak digunakan dalam pembuatan pupuk, nitrasi senyawa organic untuk bahan eksplosif, plastic, celupan dan pernis, juga sebagai bahan oksidator dan pelarut. Di industry pembuatan asam nitrat menggunakan proses Otswald, yaitu pembuatan asam nitrat dari bahan mentah ammonia dan udara. Proses pembuatan asam nitrat melalui tiga tahap, yaitu:

a. Tahap pembentukan nitrogen oksida

Campuran ammonia dan udara berlebih dialirkan melewati katalis Pt-Rh pada suhu 850^oC  dan tekanan 5 atm. Persamaan reaksinya:

4NH₃(g) + 5 O₂(g)  4NO(g) + H₂O(l)   ∆H=907 kJ (pada 25^oC)

b. Tahap pembentukan nitrogen dioksida

Nitrogen monoksida dioksidasi kembali dengan udara membentuk gas nitrogen dioksida. Persamaan reaksinya:

2NO(g) + O₂ (g) NO2(g)        ∆H=-114,14 kJ (pada 25^oC)

c. Tahap pembentukan asam nitrat

Nitrogen dioksida bersama-sama dengan udara berlebih dilarutkan dalam air panas 80^oC membentuk asam nitrat. Persamaan reaksinya:

4NO₂(g) + O₂(g) + H₂O(l) 4HNO₃(aq)

Pada proses Oswald, 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 pertmama didinginkan dengan memasok udara dingin, sekaligus berfungsi untuk mengoksidasi gas NO mnjadi NO₂.

BAB IV

PENUTUP

A.       KESIMPULAN

Agar suatu zat dihasilkan sebanyak mungkin suatu reaksi kimia harus diusahakan supaya berlangsung ke arah hasil reaksi (ke arah kanan) jika reaksinya merupakan reaksi kesetimbangan, maka faktor-faktor konsentrasi, suhu, tekanan gas, serta katalis harus diperhitungkan agar reaksi itu berlangsung cepat dan ekonomis.

Dalam dunia industri kesetimbangan sangat bermanfaat. Yang sering digunakan adalah :

• Pembuatan Amoniak dengan proses Proses Haber-Bosch
• Pembuatan Asam Sulfat dengan Proses Kontak

B.       SARAN

Dari keseluruhan makalah ini penulis di sarankan bahwa dalam penulisan makalah ini, masih banyak kekurangan yang ada maka tim penulis mengharap saran dan kritikan dari para pembaca (guru, kakak atau adik kelas, serta teman-teman, dll.) sangat di harapkan untuk penulis dari penyempurnaan makalah berikutnya atau masa yang akan datang.

BAB V

Daftar Pustaka

http://aphroditestory.wordpress.com/2011/12/19/makalah-sistem-kesetimbangan-dalam-industri/

http://kushis3nthitz.blogspot.com/2010/04/sistem-kesetimbangan-dalam-industri.html

http://hidupsehati.com/reaksi-kesetimbangan-di-industri-kimia.html

http://ayups87.wordpress.com/2013/05/15/kesetimbangan-kimia-dalam-industri/