Menjelaskan Penerapan Prinsip Dasar Reaksi Kimia Dalam Industri + Soal & Pembahasan

Tujuan Pembelajaran :

Dengan mendalami materi kimia terapan, terutama berbagai contoh industri yang menerapkan prinsip dasar reaksi kimia, seperti prinsip pergeseran kesetimbangan, peserta dapat menjelaskan penerapan prinsip dasar reaksi kimia dalam industri.

Uraian Materi :

PENERAPAN PRINSIP REAKSI KESETIMBANGAN DALAM INDUSTRI

Beberapa penerapan prinsip dasar reaksi kimia dalam industri yang dipelajari dalam mata pelajarn kimia di SMA adalah:

1. Pembuatan Amonia dengan Proses Haber-Bosch

Fritz Haber dan Karl Bosch berhasil mensintesis amonia (NH₃) dari gas nitrogen (N₂) dan gas hidrogen (H₂). Keduanya menerima hadiah nobel pada tahun 1931. Oleh karena itu, proses pembuatan amonia sekarang dikenal dengan proses Haber-Bosch. Amonia merupakan bahan dasar dalam pembuatan pupuk, sebagai pelarut, bahan utama dalam refrigerator, bahan pembersih, dan banyak lagi produk sintetik yang menggunakan bahan dasar amonia.

Nitrogen terdapat melimpah di udara, tetapi karena nitrogen sangat sukar bereaksi, senyawa nitrogen tidak banyak terdapat di alam. Salah satu sumber nitrogen di alam yang terpenting adalah NaNO₃ yang disebut sendawa chilli.

Reaksi yang terjadi antara gas N₂ dan H₂ merupakan reaksi keseimbangan. Secara termokimia, reaksi tersebut bersifat eksoterm. Persamaan termokimianya :

N₂ (g) + 3H₂ (g) ⇌ NH₃ (g) ∆H = -92,4 kJ pada 25°C : KP = 6,2.10⁵

Jika suhu dinaikkan reaksi akan berjalan jauh lebih cepat, tetapi kenaikan suhu menyebabkan reaksi bergeser ke kiri (ingat asas Le Chatelier), sehingga mengurangi produk amonia. Dengan demikian, diperlukan suhu optimum yang menurut penelitian adalah 550°C.

Agar proses keseimbangan cepat tercapai, digunakan katalis besi yang dicampur dengan Al₂O₃, MgO, CaO, dan K₂O. Untuk menggeser reaksi ke arah produk diperlukan tekanan tinggi. Dalam proses ini digunakan tekanan 150 – 350 atm. Satu hal yang perlu diperhatikan, yaitu untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan.

2. Pembuatan Asam Sulfat dengan Proses Kontak

Asam sulfat merupakan bahan dasar pada pembuatan pupuk, deterjen, pigmen cat, pembuatan besi dan baja, pembuatan kertas, pengisi sel aki, pelarut, pengatur pH dan pembuatan senyawa kimia lain, seperti ammonium sulfat dan sebagainya.

Pembuatan asam sulfat dalam skala industri dikembangkan melalui proses kontak, yaitu 2 pereaksi dalam satu reaksi kimia berkontak dengan suatu katalis padat. Reaksi itu antara belerang oksida dengan oksigen dengan katalis vanadium pentaoksida. Asam sulfat dibuat dari belerang melalui reaksi sebagai berikut :

(1) Belerang dibakar dengan udara membentuk belerang dioksida

S (s) + O₂ (g) ⟶ SO₂ (g)

(2) Belerang dioksida dioksidasi menjadi belerang trioksida

2SO₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2SO₃ (g)

(3) Belerang trioksida dilarutkan dalam asam sulfat pekat menjadi asam pirosulfat.

H₂SO₄ (aq) + SO₃ (g) ⟶ H₂S₂O₇ (l)

(4) Asam pirosulfat direalisasikan dengan air membentuk asam sulfat pekat

H₂S₂O₇ (l) + H₂O (l) ⟶ 2 H₂SO₄ (aq)

Tahap reaksi 2 merupakan tahap yang paling penting dan kunci efisiensi pembuatan asam sulfat, karena merupakan reaksi keseimbangan yang menentukan efisiensi produk asam sulfat. Jika pengendalian reaksi tepat, maka akan diperoleh SO₃ optimum, sehingga asam sulfat yang dihasilkan juga optimum.

Reaksi ini bersifat eksoterm, maka untuk menggeser keseimbangan ke arah produk dilakukan penurunan suhu (ingat asas Le Chatelier), tetapi suhu rendah tidak efisien karena berjalan sangat lambat. Jika digunakan suhu yang terlalu tinggi justru akan menggeser keseimbangan ke kiri, sehingga berdasarkan percobaan diperoleh suhu optimum, yaitu 500°C.

Jika tekanan yang dijalankan dalam reaktor tinggi, maka keseimbangan bergeser ke produk (ingat pengaruh tekanan menurut Le Chatelier). Sebenarnya tekanan yang besar akan menguntungkan produksi SO₃, tetapi secara ekonomi peningkatan tekanan tidak seimbang dengan peningkatan produk yang dihasilkan oleh karena penambahan katalis V₂O₅ yang menjadikan reaksi ke kanan cukup sempurna. Oleh karena itu, dalam proses pembuatan asam sulfat tidak digunakan tekanan tinggi melainkan tekanan normal, 1 atm.

Soal dan Pembahasan :

Soal + Pembahasan No. 1

Pada pembuatan amonia melalui proses Haber-Bosch dengan reaksi termokimia:

N₂ (g) + 3 H₂ (g) ⟶ 2 NH₃ (g) ∆H = - 92,4 kJ pada 25°C : KP = 6,2.10⁵

Untuk menghasilkan produk amonia secara optimal, maka kondisi yang dapat dikendalikan adalah...

A. menaikkan suhu setinggi-tingginya agar reaksi berlangsung cepat

B. memperlama waktu terjadinya reaksi bertemunya N₂ dan H₂

C. menambahkan beberapa katalis agar reaksi kesetimbangan cepat tercapai

D. menaikkan tekanan dan amoniak yang terbentuk segera dipisahkan

E. menurunkan tekanan sambil terus-menerus menambahkan gas N₂ dan H₂

Pembahasan :

Dalam industri amonia menerapkan prinsip pergeseran kesetimbangan untuk memaksimalkan produk yang dihasilkan, tetapi berlangsung secara cepat. Jika dilihat reaksi kesetimbangan tersebut akan bergeser ke kanan jika tekanan diperbesar. Namun penggunaan tekanan yang terlalu besar dapat meningkatkan energi yang dibutuhkan, sehingga harus dipertimbangkan besarnya, tidak asal menaikkan melainkan penuh perhitungan dari segi bisnis dan ekonomi. Reaksi tersebut merupakan reaksi eksoterm, sehingga jika suhu yang digunakan terlalu tinggi, justru kesetimbangan akan bergeser ke kiri (ke arah endoterm). Oleh karena itu suhu dibuat tidak terlalu tinggi, tetapi cukup mempercepat produksi. Selain itu untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan.

JAWABAN : D

Soal + Pembahasan No. 2

Pembuatan asam sulfat dalam skala industri dikembangkan melalui proses kontak. Pada tahap pembuatannya, mula-mula belerang dibakar dengan udara hingga membentuk belerang dioksida (SO₂) yang kemudian dioksidasi menjadi belerang trioksida (SO₃). Anehnya, gas SO₃ ini harus direaksikan dengan asam sulfat (H₂SO₄) pekat menjadi asam pirosulfat (H₂S₂O₇). Barulah asam pirosulfat direalisasikan dengan air membentuk asam sulfat pekat. Alasan bahwa sebelum asam sulfat dihasilkan digunakan pula asam sulfat pekat adalah karena...

A. memancing pembentukan asam sulfat

B. mempercepat reaksi pembentukan asam sulfat

C. menghemat penggunaan akuades dalam industri

D. SO₃ tidak dapat larut/bereaksi langsung dengan akuades

E. SO₃ segera ditarik H₂SO₄, tak kembali menjadi SO₂

Pembahasan :

Dalam tahap pembuatan asam sulfat dengan proses kontak ada tahap reaksi dimana digunakan H₂SO₄ padahal tujuan proses ini akan membuat H₂SO₄. Ternyata hal itu disebabkan SO₃ yang dihasilkan dari tahap sebelumnya tidak dapat bereaksi atau larut dalam air, sehingga harus digunakan H₂SO₄. Namun demikian penggunaan H₂SO₄ tetap memenuhi efisiensi industri, karena 1 mol H₂SO₄ pada akhirnya akan menghasilkan 2 mol H₂SO₄ di akhir proses.

H₂SO₄ (aq) + SO₃ (g) ⟶ H₂S₂O₇ (l)

Asam pirosulfat direalisasikan dengan air membentuk asam sulfat pekat

H₂S₂O₇ (l) + H₂O (l) ⟶ 2 H₂SO₄ (aq)

JAWABAN :

Soal + Pembahasan No. 3

Pada reaksi pembuatan amonia dengan proses Haber-Bosch, reaksi yang terjadi adalah:

N₂ (g) + 3H₂ (g) ⟶ NH₃ (g) ∆H = - 92,4 kJ pada 25°C : KP = 6,2.10⁵

Pada proses tersebut dilakukan pada suhu 550°C, padahal jika dilakukan pada suhu yang lebih tinggi eaksi akan berlangsung lebih cepat. Alasan dalam industri tidak menggunakan suhu yang lebih tinggi dari 550°C adalah karena jika suhu dinaikkan...

A. amonia yang dihasilkan akan menguap

B. tabung tempat pembuatan dapat meledak

C. amonia banyak yang kembali terurai menjadi N₂ dan H₂

D. N₂ dan H₂ banyak yang menguap sebelum bereaksi

E. dapat dihasilkan gas lain di samping gas amonia

Pembahasan :

Reaksi pembuatan amonia dengan proses Haber-Bosch adalah reaksi kesetimbangan yang secara termokimia merupakan reaksi eksoterm (menghasilkan kalor). Sesuai azas pergeseran kesetimbangan Lee Chatelier, maka jika reaksi kesetimbangan eksoterm dinaikkan suhunya, reaksi akan bergeser ke arah endoterm. Hal ini berarti, jika suhu pembuatan amonia dinaikkan, banyak amonia yang terbentuk terurai kembali menjadi gan N₂ dan H₂, dan itu tidak dikehendaki dalam suatu proses industri.

Namun demikian jika suhu relatif rendah, produk amonia yang dihasilkan membutuhkan waktu yang lama. Berdasarkan pertimbangan tersebut dan hasil percobaan sebelumnya, maka diperoleh suhu optimum 550°C, dimana pada suhu ini reaksi dapat berjalan cepat, tetapi amonia yang dihasilkan relatif sedikit yang terurai kembali menjadi gas N₂ dan H₂.

JAWABAN : C

Sumber pustaka :

Supriano. 2019. Bahan Ajar Kimia. Jakarta : Kemdikbud