Embed Size (px)
Citation preview
BUKU AJAR
KIMIA DASAR : APLIKASI REKAYASA KIMIA
FITRIA HIDAYANTI
LP UNAS
Kimia Dasar: Aplikasi Rekayasa Kimia
Oleh : Fitria Hidayanti
Hak Cipta© 2016 pada Penulis
Editor : Erna Kusuma Wati
Penyunting : Hendra Mahendrata Desain Cover : Rudi Ristanto
ISBN:
Hak Cipta dilindungi Undang-undang.
Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau
seluruh isi buku ini dalam bentuk apapun, baik secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotocopy, merekam
atau dengan sistem penyimpanan lainnya, tanpa izin dari
Penulis.
Penerbit : LP_UNAS Jl.Sawo Manila, Pejaten Pasar Minggu, Jakarta Selatan
Telp. 021-78067000 (Hunting) ext.172
Faks. 021-7802718 Email : [email protected]
KATA PENGANTAR
Dalam pembuatan buku ajar Kimia Dasar: Aplikasi
Rekayasa Kimia ini, penulis mengucapkan terima kasih
kepada beberapa pihak yang telah banyak membantu.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Dr. El Amry Bermawi Putra, MA selaku
Rektor Universitas Nasional
2. Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada
Masyarakat Universitas Nasional
3. LP Unas
4. Jajaran dosen dan karyawan di lingkungan
Universitas Nasional
Demikianlah semoga buku ajar Kimia Dasar: Aplikasi
Rekayasa Kimia ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa
termasuk mahasiswa Program Studi Teknik Fisika
Universitas Nasional. Tentunya dalam pembuatan buku
ajar ini, tidak luput dari kesalahan. Untuk itu, kami
mohon masukan dari para pembaca untuk perbaikan
buku ajar ini.
Jakarta, 25 November 2016
Penulis
Fitria Hidayanti
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ............................................................ iii
Daftar Isi ....................................................................... v
Bab 1. Bahan Bakar ...................................................... 1
1.1 Pendahuluan ................................................ 1
1.2 Klasifikasi Bahan Bakar ................................. 2
1.3 Klasifikasi Bahan Bakar ................................ 3
1.4 Nilai Kalori ................................................... 5
1.5 Penentuan Nilai Kalori ................................. 9
1.6 Bahan Bakar Padat ..................................... 21
1.7 Analisis Batubara ....................................... 23
1.8 Sumber Energi Terbarukan ........................ 33
Bab 2. Air ................................................................... 49
2.1 Pendahuluan .............................................. 49
2.2 Sumber Air ................................................ 50
2.3 Pengaruh Air pada Batu dan Mineral ......... 51
2.4 Ketidakmurnian Umum Air ........................ 52
2.5 Standar Kualitas Air ................................... 54
Bab 3. Korosi .............................................................. 56
3.1 Pendahuluan .............................................. 56
3.2 Efek Korosi ................................................ 57
3.3 Teori/Mekanisme Korosi ........................... 58
3.4 Jenis Korosi ............................................... 68
3.5 Perlindungan terhadap Korosi ................... 74
Bab 4. Sifat Periodic ................................................... 76
4.1 Pendahuluan .............................................. 75
4.2 Konsep Dasar ............................................. 76
4.3 Jenis Elemen berdasarkan Konfigurasi
Elektrik ............................................................ 80
4.4 Tren Periodic Properti Elemen ................... 82
4.5 Elektronegativitas ..................................... 88
Bab 5. Struktur Atom dan Ikatan Kimia ...................... 89
5.1 Pendahuluan .............................................. 89
5.2 Sifat Radiasi Ganda ................................... 90
5.3 Sifat Ganda Materi:
Persamaan de Broglie ..................................... 91
5.4 Partikel dalam Kotak Satu Dimensi ............ 92
5.5 Ikatan Kimia .............................................. 94
5.6 Hibridisasi Orbital ..................................... 95
5.7 Teori Orbital Molekular ............................ 100
Daftar Pustaka .......................................................... 101
Tentang Penulis ........................................................ 102
Bab 1
Bahan bakar
1.1 Pendahuluan
Bahan bakar adalah zat yang menghasilkan energi yang
berguna baik melalui pembakaran atau melalui reaksi nuklir.
Properti penting dari bahan bakar adalah bahwa energi
dilepaskan dengan cara yang terkendali dan dapat
dimanfaatkan secara ekonomi untuk tujuan domestik dan
industri. Kayu, batu bara, arang, bensin, diesel, minyak tanah,
gas produsen dan gas minyak adalah beberapa contoh umum
bahan bakar. Bahan bakar yang menghasilkan energi panas
dengan pembakaran disebut sebagai bahan bakar kimia.
Selama pembakaran, karbon, hidrogen, belerang dan fosfor
yang ada dalam bahan bakar dikombinasikan dengan oksigen
dan melepaskan energi.
Bahan Bakar + O2 → Produk + Panas
C + O2 → CO2 + Panas
2H2 + O2 → 2H2O + Panas
Namun, pembakaran tidak selalu diperlukan bahan bakar
untuk menghasilkan panas. Energi juga dapat dibebaskan oleh
fisi atau perpaduan nuklei. Energi ini jauh lebih besar daripada
energi yang dilepaskan oleh bahan bakar kimia, dan bahan
bakar tersebut disebut sebagai bahan bakar nuklir. Misalnya,
plutonium, tritium, uranium, dll.
2
1.2 Klasifikasi Bahan Bakar
Bahan bakar dapat diklasifikasikan berdasarkan kejadian (I)
keadaan fisik (II) mereka
(I) Berdasarkan kejadian, bahan bakar tebanyak dua jenis
(a) Bahan Bakar Primer atau Bahan Bakar Alami Ini
ditemukan terjadi di alam dan digunakan seperti itu tanpa
diproses atau setelah diproses sampai batas tertentu, yang
tidak mengubah konstitusi kimia bahan bakar. Ini juga dikenal
sebagai bahan bakar fosil. Contohnya termasuk kayu, gambut,
lignite, batubara, minyak bumi, gas alam, dll
(b) Bahan Bakar Sekunder atau Bahan Bakar Turunan Ini
adalah bahan bakar yang berasal dari bahan bakar primer
dengan pengolahan kimia lebih lanjut, misalnya, kokas, arang,
minyak tanah, gas produsen, gas air, dll
(II) Berdasarkan kondisi fisiknya, bahan bakar dapat
diklasifikasikan sebagai berikut:
(a) Bahan bakar padat
(b) Bahan bakar cair
(c) Bahan bakar gas
Klasifikasi dapat diringkas seperti yang ditunjukkan dalam
diagram berikut.
3
Gambar 1.1 Klasifikasi bahan bakar
1.3 Karakteristik Bahan Bakar
1. Nilai Kalori Tinggi. Bahan bakar yang baik harus memiliki
nilai kalori yang tinggi karena nilai kalori menentukan efisiensi
bahan bakar. Lebih tinggi nilai kalori, lebih besar adalah panas
yang dibebaskan per massa unit atau volume.
2. Suhu Pengapian. Ini adalah suhu terendah di mana bahan
bakar harus dipanaskan sehingga mulai terbakar dengan
lancar. Bahan bakar yang ideal harus memiliki suhu pengapian
sedang. Suhu pengapian yang rendah dapat menyebabkan
bahaya kebakaran, membuat penyimpanan dan transportasi
menjadi sulit. Bahan bakar dengan suhu pengapian rendah
dapat terbakar secara spontan menyebabkan ledakan. Suhu
pengapian tinggi, di sisi lain, membuatnya sulit untuk
menyalakan (menyalakan) bahan bakar.
3. Kandungan kelembaban. kandungan harus rendah karena
adanya kelembaban menurunkan nilai kalori bahan bakar.
4. Materi yang Tidak Mudah Terbakar Setelah pembakaran,
materi yang tidak mudah terbakar ditinggalkan sebagai abu
4
atau denting. Materi yang tidak mudah terbakar mengurangi
nilai kalori bahan bakar dan juga membutuhkan investasi uang
tambahan untuk penyimpanan, penanganan, dan
pembuangan produk limbah yang dihasilkan.
5. Kecepatan Pembakaran Jika kecepatan pembakaran
rendah, maka sebagian dari panas yang dibebaskan dapat
terpancar alih-alih menaikkan suhu; oleh karena itu, suhu
tinggi yang diperlukan mungkin tidak tercapai. Di sisi lain, jika
kecepatan pembakaran sangat tinggi maka laju pembakaran
mungkin menjadi tidak terkendali. Untuk pasokan panas terus
menerus, bahan bakar harus terbakar dengan laju sedang.
6. Produk Pembakaran Produk yang diperoleh selama
pembakaran bahan bakar harus tidak berbahaya dan tidak
berpolusi. Gas berbahaya seperti CO2 , SO2 , H2 S, PH3 dan
PbBr2 tidak boleh diproduksi, dan juga jumlah asap yang
dihasilkan harus kurang.
7. Biaya Bahan Bakar Bahan bakar yang baik harus tersedia
dengan biaya rendah.
8. Penyimpanan dan Transportasi Bahan bakar yang baik
harus mudah ditangani, disimpan, dan diangkut dengan biaya
rendah.
9. Ukuran Dalam kasus bahan bakar padat, ukurannya harus
seragam sehingga pembakaran teratur.
10. Pembakaran Harus Dapat Dikontrol Proses pembakaran
harus dapat dikontrol, yaitu dapat dimulai atau dihentikan
ketika diperlukan.
5
Tabel 1.1 Perbandingan bahan bakar padat, cair, dan gas
1.4 Nilai Kalori
Ini didefinisikan sebagai jumlah total panas yang dibebaskan
ketika massa unit atau volume bahan bakar dibakar
sepenuhnya.
Satuan panas
(i) Kalori Ini didefinisikan sebagai jumlah panas yang
diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g air sebesar
1 °C ( dari 15 °C hingga 16 °C) 1 kalori = 4,185 Joule
= 4,185 × 107 ergs.
6
(ii) Kilocalorie Ini didefinisikan sebagai jumlah panas
yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg air
sebesar 1 °C (dari 15 °C hingga 16 °C). 1 kkal = 1000
kal.
(iii) British Thermal Unit (BTU) Ini didefinisikan
sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk
menaikkan suhu 1 pon (lb) air sebesar 1 °F (dari 60
°F hingga 61 °F) 1 BTU = 252 kal = 0,252 kkal =
1054,6 Joule = 1054,6 × 107
(iv) Centigrade Heat Unit (CHU) Ini didefinisikan
sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk
menaikkan suhu satu pon air sebesar 1 °C (dari 15
°C hingga 16 °C). 1 kkal = 3,968 BTU = 2,2 CHU
Satuan nilai kalori
Unit-unit bernilai kalori untuk bahan bakar padat, cair, dan gas
diberikan di bawah ini.
Unit-unit ini dapat diselingi sebagai berikut
1 cal/g =1 kkal/kg = 1,8 BTU/lb
1 kkal = 0,1077 BTU/ft3
1 BTU/ft3 = 9,3 kkal/m3
7
Nilai Kalori Kotor dan Bersih
Gross Calorific Value (GCV) Ini juga disebut nilai kalori yang
lebih tinggi (HCV) dan didefinisikan sebagai jumlah total panas
yang dihasilkan ketika jumlah unit (massa / volume) bahan
bakar dibakar sepenuhnya, dan produk pembakaran
didinginkan hingga suhu kamar
Biasanya semua bahan bakar mengandung hidrogen. Selama
pembakaran, hidrogen yang ada dalam bahan bakar diubah
menjadi uap. Ketika produk pembakaran didinginkan hingga
suhu kamar, uap terkondensasi menjadi air dan panas yang
sama dengan panas laten kondensasi uap berevolusi. Panas ini
termasuk dalam panas yang diukur, dan nilainya tinggi; oleh
karena itu, itu disebut nilai kalori yang lebih tinggi.
Nilai Kalori Rendah (LCV)
Ini juga disebut sebagai nilai kalori bersih (NCV) dan
didefinisikan sebagai panas yang dihasilkan ketika kuantitas
unit (massa / volume) bahan bakar dibakar sepenuhnya dan
produk pembakaran panas diizinkan untuk melarikan diri.
Dalam praktik aktual, ketika bahan bakar uap air yang dibakar
melarikan diri bersama dengan gas pembakaran panas; oleh
karena itu, panas yang tersedia lebih rendah dari nilai kalori
kotor. Oleh karena itu, ini disebut nilai kalori rendah atau nilai
kalori bersih.
Dengan demikian LCV = HCV - Panas laten uap air terbentuk.
Sebagai 1 bagian dengan berat hidrogen memberikan 9 bagian
dengan berat air,
8
H2 + 1/2 O2 → H2O
LCV = HCV – Berat hidrogen dalam massa unit/volume bahan
× 9 × panas laten uap
Contoh
1. 2 kg sampel batu bara dibakar dalam kalorimeter
bom. Panas yang dibebaskan diperkirakan dan
ditemukan 14114 kkal. Hitung nilai kalori sampel batu
bara.
Solusi
Panas dibebaskan pada pembakaran 2 kg batubara =
14.114 kkal.
Oleh karena itu, panas yang dibebaskan pada
pembakaran batubara 1 kg = 14114/2 = 7057 kkal.
[Ans Nilai kalori batubara = 7057 kkal/kg]
2. Nilai kalori kotor bahan bakar yang mengandung 8%
hidrogen ditemukan 9225,9 kkal/kg. Cari tahu nilai
kalori bersihnya jika panas laten uap adalah 587
kkal/kg.
Solusi
NCV = GCV – 0,09 H × Panas laten uap (H = % hidrogen
dalam bahan bakar).
NCV = 9225,9 – 0,09 × 8 × 587. = 9225,9 – 422,64 =
8803,26 kkal/kg
[Ans LCV/NCV = 8803,26 kkal/kg]
9
Masalah praktis
1. Hitung GCV sampel batubara jika LCV-nya adalah
6767,45 kal/g dan jika mengandung 5% hidrogen.
(Panas laten uap adalah 587 kal / g).
[Ans GCV = 7031,6 kal/g]
2. Nilai kalori kotor bahan bakar yang mengandung 6% H
ditemukan 9804,6 kkal/kg. Temukan nilai kalori bersih
jika panas laten uap adalah 587 kal /g.
[Ans 9487,62 kkal/kg]
1.5 Penentuan Nilai Kalori
Nilai kalori bahan bakar cair padat dan non-volatil ditentukan
oleh kalorimeter bom, sedangkan nilai kalori bahan bakar gas
ditentukan oleh kalori Junkers.
Kalorimeter bom
Prinsip
Sejumlah bahan bakar yang diketahui dibakar melebihi
oksigen dan panas yang dibebaskan diserap dalam jumlah air
yang diketahui. Panas yang dibebaskan ini diukur dengan
mencatat perubahan suhu. Nilai kalori bahan bakar kemudian
dihitung dengan menerapkan prinsip berikut:
Panas dibebaskan oleh bahan bakar = Panas diserap oleh air
dan kalorimeter.
10
Konstruksi
Sketsa sederhana kalorimeter bom ditunjukkan pada Gambar
1.2.
Gambar 1.2 Kalorimeter bom
Ini terdiri dari bagian-bagian berikut:
(i) Bom Stainless Steel
Ini terdiri dari wadah silinder panjang yang terdiri
dari stainless steel. Ini memiliki tutup yang dibuat
udara ketat dengan bantuan sekrup. Tutupnya
dilengkapi dengan dua lubang untuk elektroda
dan memiliki katup masuk oksigen. Cincin kecil
melekat pada salah satu elektroda. Cincin ini
bertindak sebagai dukungan untuk nikel atau
stainless steel crucible di mana bahan bakar
dibakar. Magnesium kawat menyentuh sampel
11
bahan bakar memanjang di elektroda. Bom baja
dilapisi di dalam dengan platinum untuk menahan
aksi korosif uap HNO3 dan H2SO4 yang terbentuk
karena pembakaran bahan bakar dan dirancang
untuk menahan tekanan tinggi (25–50 atm).
(ii) Kalorimeter Tembaga
Bom ditempatkan dalam kalorimeter tembaga
yang berisi sejumlah air yang diketahui.
Kalorimeter disediakan dengan pengaduk listrik
dan termometer Beckmann yang dapat membaca
perbedaan suhu yang akurat hingga 1/100
derajat.
(iii) Jaket Udara dan Jaket Air
Kalorimeter tembaga dikelilingi oleh jaket udara
dan jaket air untuk mencegah hilangnya panas
karena radiasi. Bekerja Sejumlah bahan bakar
yang diketahui (0, 5–1 g) diambil dalam crucible
bersih yang didukung di atas ring. Kawat
magnesium halus, menyentuh sampel bahan
bakar, kemudian direntangkan di elektroda.
Sekitar 10 mL air suling dimasukkan ke dalam bom
untuk menyerap uap asam sulfat dan asam nitrat
yang terbentuk selama pembakaran, dan tutup
bom disekrup erat. Bom diisi dengan oksigen pada
25 tekanan atmosfer dan ditempatkan di
kalorimeter tembaga yang mengandung berat air
yang dikenal. Pengaduk dimulai dan suhu awal air
di mencatat. Elektroda kemudian terhubung ke
baterai 6 volt untuk menyelesaikan sirkuit. Sampel
12
luka bakar dan panas dibebaskan. Panas ini
diserap oleh air. Suhu maksimum yang
ditunjukkan oleh termometer direkam. Waktu
yang diambil untuk mendinginkan air di
kalorimeter dari suhu maksimum hingga suhu
kamar juga di mencatat. Nilai kalori kotor bahan
bakar dihitung sebagai berikut.
Cara kerja
Sejumlah bahan bakar yang diketahui (0, 5–1 g) diambil dalam
crucible bersih yang didukung di atas ring. Kawat magnesium
halus, menyentuh sampel bahan bakar, kemudian
direntangkan di elektroda. Sekitar 10 mL air suling dimasukkan
ke dalam bom untuk menyerap uap asam sulfat dan asam
nitrat yang terbentuk selama pembakaran, dan tutup bom
disekrup erat. Bom diisi dengan oksigen pada 25 tekanan
atmosfer dan ditempatkan di kalorimeter tembaga yang
mengandung berat air yang dikenal. Pengaduk dimulai dan
suhu awal air di mencatat. Elektroda kemudian terhubung ke
baterai 6 volt untuk menyelesaikan sirkuit. Sampel luka bakar
dan panas dibebaskan. Panas ini diserap oleh air. Suhu
maksimum yang ditunjukkan oleh termometer direkam.
Waktu yang diambil untuk mendinginkan air di kalorimeter
dari suhu maksimum hingga suhu kamar juga di mencatat.
Nilai kalori kotor bahan bakar dihitung sebagai berikut.
13
Perhitungan
Katakan
Berat sampel bahan bakar yang diambil = x g
Berat air dalam kalorimeter = W g
Setara air* kalorimeter,
pengaduk, termometer, bom dll = w g
Suhu awal air dalam kalorimeter = t1 ºC
Suhu akhir air dalam kalorimeter = t2 ºC
Nilai kalori bahan bakar yang lebih tinggi = H kalori / g
Panas dibebaskan oleh pembakaran bahan bakar = x × H
Panas yang diperoleh dengan air = W × ∆T × spesifik
Panas air = W (t2 – t1) × 1 kal
Panas yang diperoleh oleh kalorimeter = w (t2 – t1)
Total panas yang diperoleh = W (t2 – t1) + w (t2 – t1)
= (W + w) (t2 – t1)
Tapi
Panas yang dibebaskan oleh bahan bakar = Panas diserap oleh
air dan kalorimeter.
14
Nilai kalori bersih (bawah)
LCV = HCV – 0,09 H × 587 kal/g atau kkal/kg
(Panas laten kondensasi uap = 587 kkal/kg).
Koreksi
Koreksi berikut diterapkan untuk mendapatkan hasil yang
lebih akurat
(a) Koreksi Kawat Sekering
Nilai kalori kotor yang dihitung di atas termasuk panas
yang dibebaskan oleh pengapian kawat sekering Mg;
oleh karena itu, jumlah panas ini harus dikurangi dari
nilai total.
(b) Koreksi Asam
Selama pembakaran, belerang dan nitrogen yang ada
dalam bahan bakar teroksidasi ke H2 SO4 dan HNO3,
masing-masing:
S + O2 → SO2
2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4 ∆H = – 144000 kal
2N2 + 5O2 + 2H2O → 4HNO3 ∆H = – 57160 kal
Oleh karena itu, pembentukan asam adalah
eksotermia dan ini harus dikurangi dari nilai GCV yang
diperoleh.
15
(c) Pemanasan dan pendinginan
Koreksi Pendinginan adalah proses simultan. Ketika
suhu naik di atas suhu kamar, hilangnya panas terjadi
karena radiasi dan suhu tertinggi yang dicatat akan
sedikit lebih sedikit daripada yang diperoleh jika tidak
ada kehilangan panas. Oleh karena itu, koreksi suhu
(koreksi pendinginan) diperlukan untuk mendapatkan
kenaikan suhu yang benar.
Jika waktu yang diperlukan untuk air dalam kalorimeter untuk
mendinginkan dari suhu maksimum yang dicapai ke suhu
kamar adalah 'x' menit dan tingkat pendinginan adalah
dt/menit, maka koreksi pendinginan adalah x × dt dan ini akan
ditambahkan ke kenaikan suhu.
Contoh
1. 0,72 g bahan bakar yang mengandung karbon 80%,
ketika dibakar dalam kalorimeter bom, meningkatkan
suhu air dari 27,3 °C menjadi 29,1 °C. Jika kalorimeter
mengandung 250 g air dan setara airnya adalah 150 g,
hitung HCV bahan bakar. Berikan jawaban Anda dalam
kJ / kg.
16
Solusi
Di sini x = 0,72 g, W = 250 g, w = 150 g, t1 = 27,3 °C, t2 = 29,1 °C
Oleh karena itu, HCV bahan bakar
Nilai Kalori Bahan Bakar Gas
Kalorimeter Gas Junker
Ini digunakan untuk mengukur nilai kalori bahan bakar cair gas
dan volatil.
Prinsip
Volume gas yang diketahui dibakar pada tekanan yang
diketahui di ruang pembakaran tertutup kecil. Panas yang
dibebaskan diserap oleh air yang mengalir pada tingkat
konstan melalui jaket air. Dengan mengetahui suhu awal dan
akhir air, jumlah air dan berat air kental, nilai kalori dapat
ditentukan.
Konstruksi
Ini terdiri dari bagian-bagian berikut:
1. Pembakar Bunsen. Ini digunakan untuk pembakaran
bahan bakar gas. Itu dijepit di bagian bawah dan dapat
17
ditarik keluar atau didorong ke dalam ruangan selama
pembakaran.
2. Gasometer. Ini mengukur volume pembakaran gas
per unit waktu. Ini melekat dengan manometer yang
dilengkapi dengan termometer untuk merekam
tekanan dan suhu gas sebelum terbakar.
3. Pressure Govenor. Ini mengatur pasokan bahan bakar
gas pada tekanan konstan.
4. Gas Calorimeter. Ini terdiri dari ruang pembakaran
silinder vertikal di mana pembakaran bahan bakar gas
dilakukan. Ruang pembakaran dikelilingi oleh ruang
air annular di mana air dibuat untuk bersirkulasi.
Kehilangan panas oleh radiasi dan konveksi dicegah
oleh jaket luar, yang berlapis kromium. Selain itu,
jaket luar mengandung udara yang merupakan
isolator panas yang sangat baik. Ada bukaan di
tempat-tempat yang tepat di mana termometer
ditempatkan untuk mengukur suhu saluran masuk
dan air outlet.
18
Gambar 1.3 Junker's gas calorimeter
Cara kerja
Volume gas yang diketahui dibakar pada tingkat konstan di
ruang pembakaran di hadapan udara berlebih. Semua panas
yang dihasilkan diserap oleh air yang beredar di ruang annular
di sekitar ruang pembakaran.
Pengamatan
(i) Volume bahan bakar gas yang terbakar pada suhu
dan tekanan tertentu dalam waktu tertentu = V
m3
19
(ii) Berat air yang diedarkan melalui kumparan tepat
waktu t = W g
(iii) Suhu air masuk = t1 °C
(iv) Suhu air outlet = t2 °C
(v) Berat uap condensed dalam waktu t dalam silinder
= m kg.
Katakan
GCV bahan bakar = H
Panas yang dihasilkan oleh pembakaran bahan
bakar = V × H
Panas diserap oleh air yang beredar = W (t2 - t1)
Dengan asumsi tidak ada kehilangan panas, V × H
= W (t2 – t1) HCV atau GCV
Berat uap condensed dalam waktu tertentu t oleh
pembakaran V m3 bahan bakar = m kg
Massa H2O condensed per m3 bahan bakar = m/V kg
Panas laten uap per m3 bahan bakar
oleh karena itu, NCV atau LCV
20
Calorimeter Gas Boy
Seperti kalorimeter Junker, kalorimeter gas Boy juga
digunakan untuk menemukan nilai kalori bahan bakar cair gas
dan volatil. Ini terdiri dari bagian-bagian berikut.
1. Gas Burner. Gas burner digunakan untuk pembakaran
volume gas yang diketahui pada tekanan yang diketahui.
Volume gas yang terbakar diukur dengan bantuan gasometer
dan tekanan gas dipantau menggunakan pressure governor.
2. Ruang Pembakaran. Ruang pembakaran atau cerobong
asap memiliki tabung tembaga yang dikompil di dalam dan di
luar ruang pembakaran. Air bersirkulasi di kumparan ini. Itu
masuk dari bagian atas kumparan luar, melewati kumparan
luar, bergerak ke bagian bawah cerobong asap dan kemudian
bergerak ke atas melalui kumparan bagian dalam dan keluar
dari atas.
3. Termometer Dua termometer t1 dan t2 mengukur suhu air
yang masuk dan keluar.
4. Beaker ditempatkan di bagian bawah untuk mengumpulkan
uap kental yang diproduksi selama pembakaran.
Cara kerja
Cara kerjanya mirip dengan kalorimeter Junker. Air diedarkan
dan bahan bakar dibakar untuk memberikan periode
pemanasan awal 15 menit. Ketika kalorimeter dihangatkan,
laju aliran gas disesuaikan dan dibakar di dalam kalorimeter.
Panas yang dihasilkan oleh pembakaran diserap oleh air yang
beredar di tabung tembaga. Kenaikan suhu, volume gas yang
terbakar, volume air yang beredar di kumparan pada
21
waktunya t dan massa uap mengembun bantuan dalam
menemukan nilai kalori dari sampel bahan bakar yang
diberikan (untuk pengamatan dan perhitungan merujuk kalori
Junker).
Gambar 1.4 Boy's gas calorimeter
1.6 Bahan Bakar Padat
Bahan bakar padat mengacu pada berbagai jenis bahan padat
yang digunakan sebagai bahan bakar untuk menghasilkan
energi. Bahan bakar padat primer yang biasa digunakan
adalah kayu dan batu bara.
Wood digunakan sebagai bahan bakar dari zaman dahulu.
Kayu yang baru dipotong mengandung 25 hingga 50%
kelembaban yang berkurang hingga 15% setelah
mengeringkan kayu di udara. Komposisi rata-rata kayu adalah:
22
C = 55%; H = 6%; O = 43%; abu = 1%. Nilai kalorinya sekitar
3500–4500 kkal/kg. Api terbakar dengan api panjang dan tidak
berasap meninggalkan sejumlah kecil abu. Penyulingan kayu
yang merusak sekitar 500 ° C menghasilkan arang yang
merupakan bahan bakar yang sangat baik setara dengan
bahan bakar terbaik.
Batubara Batubara diproduksi ketika tanaman dan puing-
puing hewan mengalami kondisi suhu tinggi dan tekanan
selama jutaan tahun. Oleh karena itu, itu dianggap sebagai
bahan bakar fosil. Ini terutama terdiri dari C, H, N dan O selain
materi yang tidak mudah terbakar.
Klasifikasi dan batubara
Berbagai jenis batubara dalam meningkatkan urutan
perubahan adalah gambut, lignite (belum matang batubara
coklat), sub-bituminous, bituminous dan antracite (dewasa).
Batu bara dimulai sebagai gambut. Setelah mengalami panas
dan tekanan untuk waktu yang cukup lama, itu
bermetamorfosis dari gambut ke lignite. Lignite disebut
sebagai batu bara coklat karena warnanya agak terang dan
tetap lembut. Seiring berjalannya waktu, lignite meningkat
dalam kematangan dengan menjadi lebih gelap dan lebih
keras dan kemudian diklasifikasikan sebagai batu bara sub-
bituminous. Ketika proses penguburan dan perubahan ini
berlanjut, lebih banyak perubahan kimia dan fisik terjadi dan
batu bara diklasifikasikan sebagai aspal. Pada titik ini batu
bara gelap dan keras. Anthracite adalah tahap terakhir
pembentukan batubara. Batubara antrasat sangat keras dan
berkilau.
23
Tabel 1.2 Persentase komposisi bahan bakar padat (dasar
bebas abu kering
1.7 Analisis Batubara
Komposisi batubara sangat bervariasi. Penting untuk
menganalisis dan menafsirkan hasilnya untuk tujuan fiksasi
harga, klasifikasi komersial dan pemanfaatan industri yang
tepat. Kualitas batubara dipastikan oleh dua jenis analisis:
• Analisis proximate
• Analisis akhir
Analisis Proximate
Ini adalah analisis empiris tetapi penting yang berurusan
dengan penentuan kadar air, materi yang mudah menguap,
kandungan abu dan karbon tetap. Ini disebut analisis
proximate karena data bervariasi dengan prosedur yang
diadopsi. Analisis ini menyediakan data untuk penilaian umum
kualitas dan jenis batubara. Ini melibatkan penentuan berikut:
24
1. Kadar Air
Berat batu bara yang dikenal (dikeringkan udara) diambil
dalam crucible dan dipanaskan dalam oven udara panas listrik
pada sekitar 105 ° C - 110 ° C selama sekitar satu jam.
Setelah 1 jam, itu diambil dari oven dan didinginkan dalam
dessicator dan ditimbang. Penurunan berat sampel ditemukan
dan persentase kelembaban dihitung sebagai berikut:
Katakana berat sampel batubara = W g
Berat setelah pemanasan selama 1 jam = W1 g
Penurunan berat badan, yaitu berat badan kelembaban = (W
– W1) g
Signifikansi
• Kadar air yang tinggi tidak diinginkan karena mengurangi
nilai kalori dan meningkatkan biaya transportasi.
• Adanya kelembaban yang berlebihan memuaskan api di
tungku.
• Sejumlah besar panas terbuang dalam menguapkan
kelembaban selama pembakaran.
25
2. Materi Volatil
Bahan volatil yang ada di batubara mungkin merupus gas yang
mudah terbakar seperti H2, CO, CH4 dan hidrokarbon lainnya
atau gas yang tidak mudah terbakar seperti CO2 dan N2.
Ini tidak termasuk kelembaban batu bara.
Ini ditentukan dengan memanaskan berat batu bara bebas
kelembaban yang dikenal dalam silika crucible yang ditutupi
dengan tutup berventilasi pada 950 ± 20 °C selama 7 menit
dalam tungku muffle. Crucible kemudian dibawa keluar dan
didinginkan di dalam dessicator dan ditimbang lagi.
Penghapusan total materi volatil dinilai dengan mendidihkan
gas melalui water seal. Penurunan berat memberikan berat
materi yang mudah menguap dan persentase materi volatil
dihitung sebagai berikut:
Katakan
Berat sampel setelah penghapusan materi volatil = W2 g
Berat materi volatil = (W1 - W2) g.
Perlu diketahui di sini bahwa tidak benar untuk mengatakan
batubara dengan 20% bahan volatil atau batubara yang
mengandung 20% materi volatil karena materi volatil tidak
ada seperti dalam batubara tetapi itu adalah produk
dekomposisi termal batubara; oleh karena itu, harus secara
26
akurat digambarkan sebagai batubara menghasilkan 20%
materi volatil meskipun istilah sebelumnya banyak digunakan
dalam analisis batubara
Signifikansi
Batubara yang mengandung persentase tinggi dari bahan
volatil terbakar dengan api panjang dan asap tinggi dan
memiliki nilai kalori rendah. Bara dengan persentase bahan
volatil yang tinggi menyala dengan mudah tetapi membakar
dengan sangat cepat.
• Persentase materi volatil yang tinggi menunjukkan bahwa
sebagian besar bahan bakar dibakar sebagai gas.
• Kehadiran gas yang tidak mudah terbakar tidak diinginkan
karena mereka tidak menambah nilai panas.
• Untuk penggunaan bahan bakar yang efisien, gas keluar yang
mudah terbakar (volatile matter) harus dibakar dengan
memasok udara sekunder. Ini membutuhkan ruang
pembakaran yang besar.
• Jika volume tungku kecil atau api pendek, sebagian besar
materi volatil akan lolos dari terbakar.
• Batubara dengan persentase materi volatil yang lebih tinggi
tidak kue dengan baik, sedangkan batubara volatil menengah
yang mengandung 20-30% materi volatil mampu membentuk
kokas keras dan kuat pada karbonisasi.
• Materi volatil rendah yang mengandung batu bara tidak kue
sama sekali dan dengan demikian tidak cocok untuk
pembuatan kokas.
27
• Materi volatil tinggi diinginkan dalam pembuatan gas
batubara karena materi volatile dalam batubara menunjukkan
proporsi batubara yang akan diubah menjadi produk gas dan
tar dengan panas.
• Namun, untuk pembuatan kokas metalurgi, batubara
dengan kandungan bahan rendah volatile lebih disukai.
3. Abu
Abu adalah bahan yang tidak mudah terbakar dan tidak
berguna yang tertinggal ketika semua zat yang mudah
terbakar telah terbakar dari batu bara.
Abu biasanya terdiri dari silika, alumina, oksida besi dan
sejumlah kecil kapur, magnesia, dll. Kandungan abu
ditentukan dengan memanaskan residu yang diperoleh
setelah pengangkatan kelembaban dan bahan yang mudah
menguap pada 700 ± 50 ° C selama setengah jam tanpa tutup
dalam tungku muffle. Residu yang tersisa didinginkan dalam
dessicator dan ditimbang. Dari berat residu, persentase abu
dihitung sebagai
Katakan berat abu terbentuk = W3 g.
28
Signifikansi
• Persentase abu yang tinggi tidak diinginkan karena
mengurangi nilai kalori bahan bakar.
• Kehadiran abu meningkatkan biaya pengangkutan,
penanganan, dan penyimpanan.
• Ini juga melibatkan biaya tambahan pembuangan abu.
• Benjolan abu menyatu (denting) memblokir interspaces
parut di mana batu bara sedang dibakar. Hal ini menyebabkan
terhambatnya pasokan udara. Oleh karena itu, pembakaran
batu bara menjadi tidak teratur. Oleh karena itu, turunkan
kandungan abu lebih baik kualitas batubara.
4. Karbon Tetap
Karbon tetap adalah bahan yang tersisa setelah penentuan
kelembaban, bahan yang mudah menguap dan kandungan
abu. Ini ditentukan secara tidak langsung oleh rumus:
Persentase karbon tetap = 100 - persentase (kelembaban +
bahan volatil + abu).
Signifikansi
• Lebih tinggi persentase karbon tetap, lebih besar adalah nilai
kalori.
• Batu bara dengan kandungan karbon tetap tinggi sulit
dinyalakan tetapi terbakar perlahan.
29
• Persentase karbon tetap membantu dalam merancang
tungku karena itu adalah karbon tetap yang terbakar dalam
keadaan padat.
Analisis Akhir
Ini juga disebut analisis unsur dan digunakan untuk penentuan
karbon, hidrogen, nitrogen, belerang dan oksigen. Analisis ini
membutuhkan keterampilan tingkat tinggi dan peralatannya
mahal. Namun, memberikan hasil yang tepat yang berguna
dalam menghitung nilai kalori batubara menggunakan
formula Dulong.
1. Karbon dan Hidrogen
Karbon dalam sampel batu bara terjadi dalam bentuk
gabungan dalam bahan organik yang kompleks dan juga dapat
hadir sebagai karbonat mineral. Hidrogen di sisi lain
ditemukan dalam bahan organik dalam batu bara dan juga
ditemukan terkait dengan kelembaban yang ada dalam batu
bara. Untuk memperkirakan sampel batu bara yang ditimbang
secara karbon dan hidrogen dibakar dalam tabung
pembakaran dalam arus O2 (bebas dari CO2 dan kelembaban).
Karbon dan hidrogen yang ada dalam bahan bakar diubah
menjadi CO2 dan H2O, masing-masing. Ini kemudian diserap
oleh tabung yang sebelumnya ditimbang yang mengandung
KOH dan anhidrat CaCl2. Peningkatan bobot tabung ini
memberikan jumlah CO2 dan H2O yang terbentuk. Persentase
C dan H kemudian dihitung sebagai berikut
30
Signifikansi
• Nilai kalori bahan bakar terkait langsung dengan kandungan
karbon; oleh karena itu, lebih besar persentase karbon, lebih
besar adalah nilai kalori bahan bakar.
31
• Persentase peningkatan karbon dari lignite ke antrasit;
dengan demikian, persentase karbon membentuk dasar
klasifikasi batubara.
• Persentase hidrogen yang tinggi juga meningkatkan nilai
kalori batubara. Namun, hidrogen sebagian besar dikaitkan
dengan bahan yang mudah menguap dan mempengaruhi
penggunaan batu bara mana yang diletakkan.
• Dalam industri karbonisasi dan gasifikasi, hidrogen batubara
bertanggung jawab atas produksi banyak bahan yang berguna
seperti hidrogen gas, metana, dll.
Gambar 1.5 Penentuan karbon dan hidrogen
2. Nitrogen
Semua nitrogen yang ada dalam batu bara diasumsikan terjadi
dalam bahan organik batu bara. Nitrogen yang ada dalam
sampel batu bara diperkirakan dengan metode Kjehldahl.
• Sampel batu bara yang ditimbang secara akurat dipanaskan
dengan H2SO4 terkonsentrasi di hadapan K2SO4 dalam termos
berleher panjang yang dikenal sebagai termos Kjehldahl.
Nitrogen yang ada dalam batu bara dikonversi ke (NH4)2SO4
secara kuantitatif.
32
Ketika solusi yang jelas diperoleh (yaitu, nitrogen utuh
dikonversi menjadi amonium sulfat), isinya ditransfer ke
dalam termos bawah bulat dan solusinya dipanaskan dengan
kelebihan NaOH untuk membebaskan NH3.
• NH3 dengan demikian dibebaskan diserap dalam volume
yang diketahui dari solusi H2SO4 standar (N/10).
• Volume H2SO4 yang tidak digunakan ditentukan dengan
titrating terhadap solusi NaOH standar (N/10). Perbedaan
memberikan volume asam yang digunakan. Dari volume asam
yang digunakan oleh NH3, persentase nitrogen dapat dihitung.
Gambar 1.6 Estimasi nitrogen
33
1.8 Sumber Energi Terbarukan
Berbagai sumber energi seperti batu bara, bensin, solar yang
dibahas di bagian sebelumnya berasal dari fosilisasi sisa-sisa
tanaman dan hewan yang terkubur di bawah bumi jutaan
tahun yang lalu. Sumber daya ini terbatas, dan dengan
permintaan energi yang berkembang pesat, mereka
cenderung segera habis. Untuk memenuhi permintaan energi
global yang meningkat, sangat penting untuk fokus pada
sumber daya energi yang tidak habis-habisnya dan tersedia
secara berlimpah. Sumber energi ini disebut sebagai sumber
energi terbarukan atau non-konvensional. Berbagai sumber
energi non-konvensional
1. Energi Matahari
2. Energi Angin
3. Energi dari air/Hidroenergi
4. Energi Pasang Surut
5. Energi Gelombang
6. Energi dari Biomassa
7. Konversi Energi Termal Laut
8. Energi Panas Bumi
9. Energi Hidrogen
Energi Matahari
Matahari adalah sumber energi utama di bumi. Ini
memberikan 1000 kali lebih banyak energi daripada yang kita
34
butuhkan. Jika energi ini terperangkap secara ekonomi krisis
energi dunia akan terpecahkan. Energi matahari dapat
digunakan baik
(i) Langsung seperti energi termal seperti pada
kompor surya, pemanas air surya, pengering
matahari, desalinasi air laut, dll.
(ii) Secara tidak langsung menggunakan sel
fotovoltaik untuk mengubah energi matahari
menjadi listrik. Ini dilakukan dengan
menggunakan sel surya silikon. Listrik yang
dihasilkan dapat digunakan untuk penerangan
jalan, rumah dan bangunan kilat, motor lari,
pompa, peralatan listrik, dll. Meskipun biaya
instalasi awal pabrik surya tinggi, itu adalah energi
bersih, tidak mengeluarkan produk berbahaya di
udara dan setelah dipasang biaya berjalan kurang
dan karenanya murah.
Aplikasi Energi Surya
1. Pemanasan Air Surya
Ini menggunakan sinar matahari untuk memanaskan
air. Unit pemanas air surya terdiri dari kolektor logam
pelat datar menghitam dengan tabung logam terkait
yang menghadap matahari. Kolektor piring memiliki
penutup transparan dan lapisan isolasi termal di
bawahnya. Tabung logam kolektor dihubungkan oleh
pipa ke tangki penyimpanan terisolasi. Kolektor
menyerap radiasi matahari dan mentransfer panas ke
air yang bersirkulasi melalui tabung. Air panas ini
35
dipasok ke tangki penyimpanan melalui tabung logam.
Sistem pemanas air ini digunakan di hotel, wisma,
bungalow wisata, rumah sakit, kantin serta unit
domestik dan industri.
2. Kompor Surya
Di sini energi matahari digunakan untuk memasak
makanan. Kompor surya sederhana adalah jenis kotak
datar yang menghitam dari sisi dalam. Radiasi
matahari memasuki kotak melalui dua penutup kaca.
Ini diserap oleh pot menghitam dari luar. Area
kolektor ditingkatkan dengan menyediakan cermin
reflektor pesawat.
3. Penerangan Surya
Listrik diproduksi langsung dari energi matahari
dengan cara sel fotovoltaik. Sel fotovoltaik adalah
perangkat konversi energi yang digunakan untuk
mengubah foton sinar matahari langsung menjadi
listrik. Ini dapat digunakan untuk mengoperasikan
pompa irigasi, sinyal penyeberangan jalan kereta api,
untuk menjalankan kalkulator, jam tangan, dll. Ini juga
dapat digunakan untuk menyediakan listrik di daerah
pedesaan, yaitu untuk menyalakan lampu jalan.
Deskripsi terperinci tentang prinsip dan kerja sel
fotovoltaik dibahas di bagian yang akan datang.
4. Kolam Surya
Kolam surya adalah tubuh alami atau buatan air yang
digunakan untuk mengumpulkan dan menyerap
radiasi matahari dan menyimpannya sebagai panas.
Ini sangat dangkal (kedalaman 5-10 cm) dan memiliki
bagian bawah menyerap radiasi yang terbuat dari
plastik hitam. Ini memiliki penutup serat kaca
36
melengkung di atasnya untuk memungkinkan
masuknya radiasi matahari dan mengurangi hilangnya
energi oleh radiasi dan konveksi. Kehilangan panas ke
tanah diminimalkan dengan menyediakan tempat
tidur bahan isolasi di bawah kolam. Kolam surya
memanfaatkan air untuk mengumpulkan dan
menyimpan energi matahari yang digunakan untuk
banyak aplikasi seperti pemanasan ruang, untuk
proses industri untuk menghasilkan listrik dengan
mengendarai turbin yang ditenagai dengan
menguapkan cairan organik dengan titik didih rendah.
5. Rumah Hijau Surya (Solar Green House)
Ini adalah rumah besar yang terbuat dari kaca untuk
menyimpan energi matahari. Mereka menggunakan
prinsip efek rumah kaca dan digunakan untuk
menanam tanaman di negara-negara dingin atau
dalam kondisi iklim dingin.
6. Penyulingan Surya
Energi matahari digunakan untuk mengubah air
garam menjadi air minum di daerah gersang, semi
gersang dan pesisir.
7. Pemompaan Surya
Daya yang dihasilkan oleh energi matahari digunakan
untuk memompa air untuk keperluan irigasi.
8. Pengeringan Solar Produk Pertanian dan Hewani
Produk pertanian, buah-buahan, dll dikeringkan
dengan menyimpannya di lemari besar yang terbuat
dari kaca.
37
Sel Fotovoltaik Surya
Sel fotovoltaik adalah perangkat yang mengubah energi
matahari langsung menjadi energi listrik. Ketika radiasi
matahari jatuh pada perangkat ini mereka dikonversi langsung
ke listrik DC.
Sel surya terdiri dari fotodiode persimpangan p-n sensitif
ringan. Photodiode terbuat dari bahan semikonduktor seperti
silikon, cadmium telluride, gallium arsenide, dll., yang mampu
menyerap foton sinar matahari. Namun sel surya silikon
adalah yang paling umum digunakan. Sel surya silikon adalah
wafer tipis sekitar 250 μm ketebalan. Dioda persimpangan p-
n dibentuk oleh doping sebagian wafer ini dengan
ketidakmungadaan trivalen (untuk tipe p) dan bagian lain
dengan ketidakmungharusan pentavalen (untuk tipe n). Untuk
detail lebih lanjut tentang persimpangan p-n dan
semikonduktor. Kontak logam terpasang di sisi depan dan
belakang sel. Kontak depan adalah dalam bentuk kisi logam
untuk memungkinkan sinar matahari melewatinya dan kontak
di sisi belakang benar-benar menutupi permukaan. Silikon tipe
n berada di sisi depan dan silikon tipe p berada di sisi belakang.
Lapisan antirefleksi nirida silikon atau titanium oksida dengan
ketebalan sekitar 0,1 μm diterapkan pada permukaan atas
(Gambar 1.7).
Ketika sel ini disinerasi dengan radiasi matahari di sisi depan
(silikon tipe n) elektron tersingkir dari pita valensi ke pita
konduksi. Elektron ini mengalir dari semikonduktor tipe n ke
semikonduktor tipe p sehingga menyelesaikan sirkuit dan arus
mengalir dari tipe p ke wilayah tipe n.
38
Dalam praktik aktual sejumlah besar sel surya diatur dalam
pola yang pasti untuk membentuk panel surya yang
membantu mencapai tegangan yang diinginkan.
Gambar 1.7 Diagram skematik sel surya
Energi Angin
Energi angin adalah energi yang dihasilkan dengan
memanfaatkan energi angin, biasanya oleh kincir angin. Angin
disebabkan oleh pemanasan dan pendinginan permukaan
bumi yang tidak merata dan rotasi bumi. Pemanasan dan
pendinginan atmosfer menghasilkan arus konveksi dan
dengan demikian menghasilkan angin. Angin juga disebabkan
karena pergerakan udara yang alami melintasi darat dan laut.
Teknologi Dasar
Energi kinetik linear angin diubah menjadi gerakan rotasi yang
diperlukan untuk mengubah turbin listrik. Rotor yang memiliki
satu, dua atau tiga bilah digunakan untuk membawa
39
transformasi ini. Rotor turbin angin memutar menghasilkan
daya. Energi yang dihasilkan ini dapat dimanfaatkan dengan
berbagai cara:
(a) Dalam Baterai. Daya yang dihasilkan dari turbin angin
dapat digunakan untuk mengisi daya baterai yang dapat
menyimpan energi dalam bentuk energi kimia untuk
digunakan nanti.
(b) Pemanasan. Daya yang dihasilkan dapat digunakan untuk
memanaskan air baik dengan melewati daya melalui resistensi
atau dengan mengeluarkan air.
(c) Sel bahan bakar. Daya yang dihasilkan dapat digunakan
untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen oleh elektrolisis air.
Gas-gas ini kemudian dapat digunakan untuk menghasilkan
listrik menggunakan sel bahan bakar.
(d) Pompa angin. Turbin angin dapat digunakan untuk
menghasilkan tenaga mekanik untuk memompa air. Ini
disebut pompa angin dan air yang dipompa dapat digunakan
untuk irigasi, pasokan air domestik atau dapat disimpan dalam
tangki overhead besar untuk digunakan nanti.
(e) Integrasi dengan grid. Output daya turbin angin dapat
diintegrasikan dengan jaringan listrik yang akan digunakan
nanti selama periode tidak ada angin.
Energi dari Air/Hidroenergi
Ini adalah energi yang dihasilkan dari air yang mengalir dan
jatuh. Air disimpan di bendungan yang dibangun di seberang
sungai yang mengalir. Hal ini meningkatkan ketinggian air
sehingga meningkatkan potensi energi atau kepala
40
hidroliknya. Air jatuh pada turbin hidrolik yang mengubah
tekanan dan energi kinetik air menjadi energi kinetik rotasi.
Poros turbin yang berputar menggerakkan generator yang
mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Energi listrik
kemudian ditransmisikan menggunakan saluran transmisi
(Gambar 1.8).
Gambar 1.8 Diagram skematik pembangkit listrik tenaga air
Keuntungan dan kerugian dari hidroelektrik
Saat ini hidroelektrik adalah satu-satunya sumber daya energi
terbarukan yang digunakan untuk menghasilkan listrik dalam
skala besar. Ini tidak menyebabkan polusi dan lebih dapat
diandalkan daripada angin atau energi matahari atau
gelombang. Namun melibatkan pembangunan bendungan
yang sangat mahal dan menyebabkan penyiutan area
berbaring rendah, hilangnya lahan hutan dan pertanian dan
41
kebutuhan untuk merehabilitasi orang yang tinggal di zona
terendam. Selain itu air yang disita juga meningkatkan seismik
wilayah.
Energi Pasang Surut
Semua benda langit di alam semesta saling menarik. Matahari
dan bulan mengerahkan tarikan gravitasi di bumi. Hal ini
menyebabkan air permukaan di bumi naik dan menonjol ke
arah bulan yang mengarah pada pembentukan pasang surut.
Pasang surut terbentuk secara berkala di lautan karena
berbagai posisi bulan dan matahari yang berputar.
Pembentukan air pasang membawa perbedaan ketinggian air
di lautan. Tingkat air pasang tertinggi dikenal sebagai air
pasang atau air pasang dan tingkat terendah dikenal sebagai
air surut atau surut. Perbedaan ketinggian air pasang dan air
surut ini disebut kisaran pasang surut dan mengandung
sejumlah besar energi potensial. Kisaran pasang surut sekitar
5 m ke atas dapat digunakan untuk menggerakkan turbin
ditambah dengan generator untuk menghasilkan listrik.
Teknologi Dasar
Pembangkit listrik pasang surut terdiri dari waduk atau
cekungan untuk menahan air saat air pasang. Bendungan atau
tanggul bertindak sebagai penghalang antara laut dan waduk
/ baskom. Bendungan ini dilengkapi dengan serangkaian pintu
air untuk memungkinkan masuknya air ke cekungan selama
pasang tinggi (Gambar 1.9). Ketika ada air pasang ketinggian
naik dan air memasuki waduk / cekungan melalui gerbang
sluice. Air yang disita ditahan di sana sampai air pasang surut
menciptakan kepala yang cocok. Air kemudian dilepaskan
melalui turbin sehingga menghasilkan listrik. Air dilepaskan
42
sampai kepala jatuh ke titik operasi minimum. Ketika air naik
lagi selama air pasang cekungan diisi lagi sehingga mengulangi
siklus.
Gambar 1.9 Diagram skematik pembangkit listrik pasang
surut
Keuntungan dan Kerugian
Energi pasang surut seperti sumber energi terbarukan lainnya
tidak menyebabkan polusi dan tidak habis. Namun itu
dihasilkan di daerah yang jauh dari pusat beban sehingga
meningkatkan biaya transmisi.
Energi Gelombang
Gelombang berasal karena perpindahan energi angin ke
permukaan air laut. Ketinggian dan kekuatan gelombang
tergantung pada kecepatan angin dan jarak di mana ia
berinteraksi dengan air. Gelombang memiliki energi kinetik
43
dan potensial - yang pertama karena pergerakan gelombang
dan yang terakhir karena pengangkatan massa air di atas
permukaan laut. Gelombang dapat naik dari ketinggian 10 m
hingga 100 m di atas permukaan laut. Kekuatan gelombang
dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik.
Teknologi dasar
Teknologi untuk memanfaatkan energi dari gelombang
berbeda dari pasang surut karena pasang surut memberikan
kepala air yang jauh lebih besar daripada gelombang dan
pasang surut berkala sedangkan gelombang berfluktuasi.
Perangkat umum yang digunakan untuk mengkonversi energi
gelombang ke energi listrik dijelaskan di bawah ini:
(1) Jenis float Heaving. Perangkat ini mengapung di
permukaan air dan bergerak naik dan turun dengan gerakan
vertikal ombak. Gerakan vertikal ini digunakan untuk
mengoperasikan piston pompa udara yang menyimpan energi
sebagai udara bertekanan. Udara bertekanan digunakan
untuk menghasilkan listrik menggunakan turbin udara
ditambah dengan generator. Perangkat mengambang
disimpan di tempat dengan menjangkarnya ke dasar laut.
(2) Jenis pitching. Dalam perangkat ini gelombang menyerang
secara horizontal menyebabkan flap perangkat berayun bolak-
balik. Gerakan ini digunakan untuk menyalakan pompa
hidrolik ditambah dengan generator untuk menghasilkan
listrik.
(3) Tipe heaving dan pitching float. Dalam jenis perangkat ini
baik gerakan gelombang horizontal maupun vertikal
digunakan untuk menghasilkan daya. Gerakan ini diubah
44
menjadi gerakan unidirectional dengan bantuan ratchet dan
pengaturan roda. Gerakan ini kemudian menggerakkan
generator mengambang dan stasioner.
Meskipun energi gelombang memiliki potensi besar tetapi
teknologi ini baru-baru ini dan membutuhkan penelitian untuk
memungkinkan kita menghasilkan listrik dalam skala
komersial.
Energi dari Biomassa
Biomassa adalah salah satu sumber energi tertua. Kayu telah
digunakan untuk menghasilkan energi dari zaman dahulu. Saat
ini banyak sumber biomassa seperti tanaman, limbah
pertanian, sampah organik dari industri dan kota, limbah
padat kota, residu hutan digunakan untuk menghasilkan
energi. Tanaman energi khusus seperti pohon yang tumbuh
cepat dan rumput dapat digunakan sebagai sumber biomassa
jangka panjang yang berkelanjutan. Minyak yang diperoleh
dari pabrik petro juga digunakan sebagai sumber bioenergi.
Energi Panas Bumi
Energi panas bumi adalah energi yang tertanam dalam kerak
bumi. Suhu bumi meningkat dengan kedalaman di bawah
permukaan. Semua panas yang tersimpan di kerak bumi
sebagai energi termal merupakan sumber energi yang tak
habis-habisnya yang disebut sebagai energi panas bumi.
Batuan cair panas yang disebut 'magma' hadir pada
kedalaman 25–40 km di bawah permukaan bumi. Magma cair
ini kadang-kadang didorong ke permukaan yang
mengakibatkan letusan gunung berapi. Ketika air tanah
bersentuhan dengan magma itu akan memanas. Di beberapa
45
tempat, uap atau air panas keluar dari tanah secara alami
melalui retakan dalam bentuk geyser alami; air panas bumi
atau uap ini digunakan untuk mengoperasikan turbin untuk
menghasilkan listrik.
Energi panas bumi cukup besar untuk memenuhi kebutuhan
energi selama hampir 3.50.000 tahun tetapi keterbatasannya
adalah teknologi untuk memanfaatkannya secara ekonomi.
Meskipun tidak seperti energi matahari dan angin, energi
panas bumi tersedia sepanjang waktu dan tidak tergantung
pada kondisi cuaca; namun ada kerugian tertentu juga.
Ekstraksi terus menerus air panas dari tanah dapat
menyebabkan subsidensi tanah di daerah itu. Apalagi air
panas bumi disertai dengan gas terlarut yang berujung pada
polusi udara.
Gambar 1.10 Diagram skematik pembangkit listrik tenaga
panas bumi
Konversi Energi Termal Laut
Perbedaan suhu ada antara permukaan dan air laut dalam.
Perbedaan suhu antara permukaan dan air laut dalam ini
46
digunakan untuk menghasilkan listrik. Proses ini didasarkan
pada prinsip termodinamika yang menyatakan bahwa jika
sumber panas (air permukaan laut hangat) tersedia pada suhu
yang lebih tinggi dan wastafel panas (air dingin dalam) pada
suhu yang lebih rendah maka dimungkinkan untuk
memanfaatkan perbedaan suhu untuk mengubah bagian
panas dari sumber menjadi energi mekanis dengan
menghubungkan turbin ke generator. Sisa panas dalam
dibuang ke wastafel yang berada pada suhu yang lebih rendah.
Perbedaan suhu minimum 20 ° C diperlukan untuk membawa
konversi energi yang berguna.
Energi Hidrogen
Hidrogen sering dianggap sebagai bahan bakar non-
konvensional karena dihasilkan dari air yang dapat dibagi
menjadi hidrogen gas dan oksigen oleh proses listrik yang
disebut elektrolisis. Hidrogen juga dapat dihasilkan dari
sumber daya gas alam dan biomassa. Hidrogen dianggap
sebagai bahan bakar terbarukan karena pasokan air bumi
tidak terbatas. Gas hidrogen dapat digunakan seperti gas
alam. Ini dapat dibakar untuk memanaskan bangunan,
memasak makanan dan menghasilkan listrik di pembangkit
listrik. Hidrogen juga dapat digunakan sebagai bahan bakar
dalam mobil, dalam pesawat jet (hidrogen cair). Hidrogen juga
dapat digunakan dalam perangkat sel bahan bakar yang
menggabungkan hidrogen dan oksigen untuk menghasilkan
listrik.
Keuntungan dan kerugian
Ini adalah sumber energi terbarukan dan bersih karena
hidrogen terbakar untuk menghasilkan air saja dan dalam
47
beberapa kasus jumlah nitrogen oksida yang sangat kecil
dapat terbentuk. Namun gas hidrogen sangat meradang dan
produksi, transportasi dan penyimpanan hidrogen
membutuhkan investasi modal yang besar.
Keuntungan dan Kekurangan Energi Terbarukan
Keuntungan dari Energi Terbarukan
1. Salah satu keuntungan utama energi terbarukan
adalah bahwa, karena terbarukan, itu berkelanjutan
dan karenanya tidak akan pernah habis.
2. Fasilitas energi terbarukan membutuhkan perawatan
lebih sedikit daripada generator tradisional.
3. Karena bahan bakar mereka berasal dari sumber alami
dan tersedia, biaya operasi kurang.
4. Energi terbarukan menghasilkan sedikit atau tidak ada
produk limbah seperti karbondioksida atau polutan
kimia lainnya, sehingga memiliki dampak minimal
pada lingkungan.
Kerugian energi terbarukan
1. Sulit untuk menghasilkan jumlah listrik sebesar yang
dihasilkan oleh generator bahan bakar fosil
tradisional.
2. Ini bisa tidak dapat diprediksi dan tidak konsisten.
Pasokan dari sumber terbarukan tidak dapat
diandalkan, karena bergantung pada cuaca untuk
sumber dayanya. Generator hidro membutuhkan
hujan untuk mengisi bendungan, turbin angin
membutuhkan angin untuk memutar bilah dan
kolektor matahari membutuhkan langit cerah dan
48
sinar matahari untuk mengumpulkan panas dan
menghasilkan listrik.
3. Biaya teknologi energi terbarukan saat ini jauh
melebihi energi tradisional. Ini karena ini adalah
teknologi baru dan karenanya memiliki biaya modal
yang sangat besar.
49
Bab 2
Air
2.1 Pendahuluan
Air adalah karunia alam yang paling berharga, indah, dan
berguna. Ini adalah sumber daya alam yang paling melimpah
dan esensial. Ini mencakup hampir 70% dari permukaan bumi.
Diperkirakan hidrosfer mengandung sekitar 1360 juta
kilometer kubik (1,3 ×1018 m3) air. Dari jumlah tersebut,
sekitar 97% berada di lautan dan laut pedalaman, yang tidak
cocok untuk dikonsumsi manusia karena kandungan
garamnya yang tinggi. Dari 3% sisanya, 2% terkunci di gletser
dan hanya 1% yang tersedia sebagai air tawar di sungai, danau,
sungai, waduk dan air tanah, yang cocok untuk dikonsumsi
manusia.
50
2.2 Sumber Air
Sumber utama air
1. Air permukaan
2. Air tanah
3. Air hujan
(1) Sumber air permukaan. Ini termasuk danau, kolam,
waduk, sungai, sungai, laut dan lautan. Air sungai Ini
mengandung mineral terlarut dari tanah seperti klorida, sulfat
dan bikarbonat natrium, kalsium, magnesium dan zat besi. Ini
juga mengandung bahan organik yang berasal dari tanaman
dan hewan yang mati dan membusuk; selain itu, mengandung
pasir dan tanah dalam suspensi. Air danau, kolam dan waduk
Mereka mengandung lebih sedikit mineral terlarut tetapi kaya
akan bahan organik. Air laut Ini adalah bentuk air alami yang
paling tidak murni. Ini mengandung rata-rata 3,5% garam
terlarut, di mana sekitar 2,6% adalah natrium klorida. Garam
lain yang ada adalah sulfat natrium; bikarbonat kalium,
magnesium dan kalsium; bromida kalium dan magnesium dan
sejumlah senyawa lainnya.
(2) Sumber air bawah tanah. Ini adalah air yang terakumulasi
di bawah tanah melalui mulasan. Ini diperoleh dari sumur,
sumur tabung, mata air, dll. Air bawah tanah relatif bebas dari
pengotor yang ditangguhkan karena disaring saat air bergerak
turun melalui berbagai lapisan tanah. Penyaringan juga
menghilangkan kontaminasi biologis. Namun, air bawah tanah
kaya akan garam terlarut.
51
(3) Air hujan. Ini dianggap sebagai bentuk air yang paling
murni. Namun, itu melarutkan sejumlah besar gas dan
menangguhkan partikel padat dari atmosfer. Air hujan dibagi
antara kedua sumber, sebagian merembes ke meja air bawah
tanah dan sebagian masuk ke sumber permukaan seperti
sungai, kolam, danau dan waduk.
2.3 Pengaruh Air pada Batu dan Mineral
Air membawa tentang penikuk batuan oleh berbagai proses
kimia seperti
1. Dissolution. Mineral dan garam tertentu larut
dalam air menciptakan lubang di batu. Hal ini
menyebabkan melemahnya batuan yang pada
akhirnya dapat menyebabkan keruntuhannya.
Mineral seperti halit larut langsung dalam air.
2. Hidrasi. Dalam kondisi lembab dan di hadapan
kelembaban, mineral pembentukan tanah di
bebatuan membengkak yang menyebabkan
peningkatan volume mereka. Ini lebih lanjut
mengarah pada disintegrasi batuan di mana
mineral ini hadir. Beberapa contoh umum adalah
sebagai berikut:
52
3. Hidrolisis. Air disosiasikan ke dalam H + dan OH -
ion yang menggabungkan dengan mineral untuk
membentuk senyawa baru. Silikat dikombinasikan
dengan air, membentuk tanah liat.
2.4 Ketidakmurnian Umum Air
Karakteristik yang diberikan oleh ketidakmurnian dalam air Air
adalah pelarut yang sangat baik dan melarutkan berbagai
53
pengotor di dalamnya. Zat-zat yang ada dalam air ini
mempengaruhi karakteristik air dengan berbagai cara. Mereka
mengubah karakteristik fisik, kimia dan biologis air. Mari kita
bahas mereka satu per satu.
Karakteristik fisik
• Kehadiran garam seperti zat besi, mangan, limbah industri,
pewarna dari industri dan garam lainnya memberikan warna
pada air.
• Kehadiran pasir dan lumpur membuat air keruh.
• Garam juga mengubah rasa air. Kehadiran garam natrium
dan kalium membuat air asin. Aluminium, mangan, dan besi
membuat air pahit. Kehadiran natrium bikarbonat
memberikan rasa sabun pada air.
• Bahan organik, vegetasi membusuk, ganggang, jamur dan
limbah memberikan bau busuk yang khas untuk air.
Karakteristik kimia
Limbah, termasuk bahan kimia organik dan anorganik seperti
pewarna, molase, pupuk, asam, alkali dari industri insektisida,
pestisida, minuman keras, limbah dari penyamakan kulit dan
gas seperti NH3 dan H2S yang diproduksi oleh dekomposisi
anaerobik, mengubah pH, alkalinitas, keasaman, kekerasan
dan karakteristik kimia air dan membuatnya tidak layak untuk
domestik dan industri
Karakteristik biologis
Ketidakmurnian biologis seperti ganggang, jamur, patogen
dan mikroorganisme lain yang ada dalam air baik secara alami
54
atau karena debit limbah organik dari limbah domestik, rumah
industri atau diproduksi oleh pembusukan alami bahan
organik semua berdampak buruk pada karakteristik biologis
air dan membuatnya tidak layak untuk penggunaan domestik,
mempengaruhi kesehatan manusia, flora air dan fauna.
Tabel 2.1 Ketidakmurnian umum dalam air dan efeknya
2.5 Standar Kualitas Air
Pentingnya standar kualitas air
Air banyak digunakan baik dalam kehidupan domestik
maupun industri. Air alami, tidak peduli seberapa murni,
55
mengandung beberapa atau pengotor lainnya. Standar
kualitas air penting karena membantu mengidentifikasi
kualitas air, masalah yang disebabkan oleh pengolahan debit
air limbah yang tidak tepat, run off, penambahan pupuk,
bahan kimia dari daerah pertanian dan sebagainya. Parameter
untuk kualitas air diputuskan sesuai dengan penggunaannya.
Pekerjaan di bidang kualitas air cenderung difokuskan pada
apakah air dirawat untuk konsumsi manusia atau tujuan
lingkungan. Penting untuk menentukan standar kualitas air
untuk tujuan keselamatan manusia, karakteristik minum dan
untuk kesehatan ekosistem.
Kualitas air lingkungan juga disebut kualitas air sekitar
menentukan kualitas air di badan air seperti danau, sungai,
dan lautan. Standar kualitas air sekitar bervariasi secara
signifikan karena kondisi lingkungan, ekosistem, dan
penggunaan manusia yang berbeda.
Parameter atau karakteristik kualitas air yang analisisnya
dilakukan umumnya termasuk dalam tiga kelompok:
1. Karakteristik fisik
2. Karakteristik kimia
3. Karakteristik biologis
56
Bab 3
Korosi
3.1 Pendahuluan
Kita semua telah melihat bahwa ketika sepotong besi atau
artikel yang terbuat dari besi dibiarkan di tempat terbuka, ia
mengembangkan lapisan coklat kemerahan. Jika ini dibiarkan
tanpa pengawasan untuk waktu yang lama, maka logam
menjadi lemah dan rapuh dan putus. Fenomena serupa
diamati dalam tembaga yang mengembangkan lapisan
kehijauan; demikian pula perak kehilangan kilaunya dan
sebagainya. Dengan demikian, logam merosot di hadapan
kelembaban dan udara. Ini disebut korosi, yang dapat
didefinisikan sebagai proses kemerosotan spontan atau
disintegrasi logam (kecuali emas dan platinum) yang
disebabkan oleh serangan kimia langsung atau elektrokimia
tidak langsung oleh reaksi dengan lingkungan. Berkarat besi
dan pembentukan lapisan hijau karbonat dasar pada
permukaan tembaga seperti yang dibahas di atas adalah
contoh umum korosi. Perhatikan bahwa istilah berkarat
berlaku untuk korosi paduan dasar besi dan besi. Paduan
nonferrous korosi tetapi tidak karat.
Mengapa korosi terjadi?
Logam ada di alam dalam bentuk gabungan seperti oksida,
sulfida, sulfat, karbonat, dll. Negara-negara gabungan (ores)
ini adalah keadaan logam yang stabil secara
termodinerogenik. Energi dipasok untuk mengekstrak logam
57
tersebut dari bijihnya. Logam yang diekstraksi berada pada
tingkat energi yang lebih tinggi dan karenanya dalam keadaan
termodinasi tidak stabil. Logam mencoba untuk kembali ke
keadaan stabil mereka dengan menggabungkan dengan
elemen lain, dan dalam proses ini, korosi terjadi dan oksida,
sulfida, klorida, sulfat, dan sebagainya terbentuk.
Meskipun logam terkorosi secara termodinasi lebih stabil
daripada logam murni, korosi mempengaruhi sifat-sifat yang
berguna dari logam seperti malleability, ductility dan
konduktivitas listrik.
3.2 Efek Korosi
Proses korosi, meskipun lambat, mempengaruhi logam secara
drastis. Gravitasi masalah dapat diwujudkan oleh fakta bahwa
perkiraan kerugian karena korosi logam adalah 2 hingga 2,5
miliar dolar per tahun di seluruh dunia. Konsekuensi umum
dari korosi adalah sebagai berikut:
(i) Korosi menyebabkan ekonomi yang parah
kehilangan dan menghambat keselamatan
peralatan. Hal ini menyebabkan kerugian
ekonomi langsung yang terjadi karena uang yang
dihabiskan untuk pemeliharaan dan penggantian
suku cadang yang terkorosi. Melukis, memelihara
perangkat perlindungan cathodic, biaya yang
terlibat dalam teknik perlindungan, seperti
58
galvanisasi, memodifikasi lingkungan eksternal
dengan deaerasi dan dehumidifikasi, semua
menimbulkan kerugian finansial yang berat.
(ii) Logam kehilangan sifat yang berguna karena
korosi. Ini bisa menjadi rapuh, yang menyebabkan
kegagalan bagian mesin.
(iii) Penggantian dan pemeliharaan suku cadang yang
terkorosi yang sering menyebabkan kerugian
finansial tidak langsung, yang mencakup kerugian
produksi selama penggantian dan pemeliharaan.
(iv) Pipa yang terkorosi dapat menyebabkan
kebocoran gas yang meradang dan beracun yang
mengakibatkan bahaya kebakaran; gas beracun
menyebabkan pencemaran lingkungan dan
mempengaruhi populasi manusia dan hewan
secara merugikan.
(v) Ini menyebabkan kontaminasi produk. Misalnya
jejak logam dapat mengubah warna pewarna.
Artikel makanan dalam wadah yang terkorosi
mungkin dimanjakan karena kontaminasi.
(vi) Diperkirakan hampir 25% dari produksi tahunan
besi terbuang sia-sia karena korosi.
Dari diskusi di atas, jelas bahwa studi korosi dan
pencegahannya sangat penting bagi insinyur dan metalurgis.
3.3 Teori/Mekanisme Korosi
Beberapa teori korosi telah diusulkan dari waktu ke waktu.
Dua teori dasar korosi adalah
• Korosi kering atau kimia.
59
• Korosi basah atau elektrokimia.
Korosi kering atau kimia
Juga disebut korosi langsung, itu terjadi karena tindakan kimia
langsung lingkungan pada permukaan logam tanpa adanya
kelembaban atau elektrolit cair. Umumnya terjadi pada suhu
yang lebih tinggi dari 100 ° C ketika tidak mungkin untuk
mengembangkan lapisan air permukaan. Umumnya dari tiga
jenis:
(a) Korosi oksidasi
Ini dibawa oleh aksi langsung oksigen pada permukaan logam
pada suhu tinggi atau rendah. Pada suhu rendah, logam tanah
alkali dan basa teroksidasi dan pada suhu tinggi kecuali Ag, Au
dan Pt, semua logam lainnya teroksidasi. Ini umumnya terjadi
tanpa adanya kelembaban. Misalnya, tembaga mengoksidasi
udara pada suhu rendah sekitar 260 °C membentuk film Cu2O.
Pada suhu antara 260 °C dan 1025 °C lapisan Cu2O dilapisi oleh
lapisan film CuO. Demikian pula, zat besi mengoksidasi pada
suhu rendah sekitar 250 °C, membentuk oksida yang sebagian
besar terdiri dari Fe3O4.
Mekanisme
Permukaan logam bereaksi langsung dengan oksigen
membentuk lapisan oksida. Lapisan oksida ini bertindak
sebagai penghalang dan mencegah oksidasi logam lebih
60
lanjut. Agar oksidasi lebih lanjut terjadi, baik logam harus
menyebar ke luar melalui lapisan oksida atau oksigen harus
menyebar ke dalam. Kedua transfer terjadi, tetapi difusi luar
ion logam lebih cepat karena ukuran ion logam lebih kecil
daripada atom oksigen atau ion O2 -.
Reaksi kimia terlibat
Agar korosi berlanjut lebih jauh, sifat film oksida sangat
penting. Mereka dari empat jenis.
(i) Stabil
Ini halus beruban, menempel erat dan tahan
lama, misalnya, Al, Sn, Pb dan Cu. Ini bertindak
sebagai lapisan pelindung dan mencegah korosi
lebih lanjut.
Gambar 3.1 Lapisan oksida stabil
61
(ii) Tidak stabil. Oksida yang terbentuk terurai
kembali menjadi logam dan oksigen, misalnya, Ag,
Pt dan Au. Akibatnya, tidak ada korosi.
Gambar 3.2 Lapisan oksida tidak stabil
(iii) Volatile. Lapisan oksida terbentuk volatilisasi
segera setelah terbentuk. Permukaan logam segar
terbuka untuk serangan lebih lanjut. Ini
menyebabkan korosi yang cepat dan terus
menerus, misalnya, molybdenum.
Gambar 3.3 Lapisan oksida volatil
(iv) Porous. Film oksida berpori, yaitu memiliki pori-
pori atau retakan. Di sini O2 menembus ke dalam
dan menyerang logam yang mendasarinya dan
62
karenanya korosi terus menerus terjadi, misalnya,
besi dan baja.
Gambar 3.4 Lapisan oksida berpori
Tingkat perlindungan yang diberikan oleh film oksida atau
produk korosi ke logam yang mendasarinya diatur oleh Aturan
Pilling-Bedworth. Bahkan itu adalah parameter yang
membantu memprediksi tingkat korosi logam.
Definisi
Jika volume film oksida kurang dari volume peletakan logam
di bawahnya maka lapisan oksida berpori, mengandung
retakan dan karenanya nonprotektif, dan jika volumenya sama
dengan atau lebih besar dari volume logam yang
mendasarinya, film oksida berkesinambungan, nonporous dan
protektif, yaitu korosi lebih lanjut tidak terjadi.
Misalnya,
Kasus I Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, dll.
Kasus II Al, Cu, dll.
Rasio volume oksida logam terhadap volume logam yang
mendasarinya disebut rasio Pilling– Bedworth atau rasio
63
volume spesifik. Rasio ini membantu memprediksi tingkat
korosi logam. Nilai yang lebih besar dari rasio Pilling-
Bedworth, lebih rendah adalah tingkat korosi. Tabel 3.1
memberikan rasio Pilling-Bedworth untuk beberapa oksida
logam. Tabel menunjukkan bahwa rasio Pilling-Bedworth
untuk oksida kalsium dan magnesium adalah 0,6 dan 0,8, dan
karenanya mereka nonprotektif, sedangkan aluminium
dengan rasio Pilling-Bedworth 1,3 membentuk film oksida
pelindung. Demikian pula rasio Pilling-Bedworth untuk W, Cr
dan Ni masing-masing adalah 3,6, 2,0 dan 1,7, dan karenanya
korosi akan paling sedikit di tungsten karena rasio Pilling-
Bedworth adalah yang tertinggi.
Tabel 3.1 Rasio oksida logam Pilling –Bedworth
(b) Korosi oleh gas lainnya. Dalam hal ini, gas kering seperti
H2, Cl2, F2, SO2 dan CO2 langsung menyerang permukaan
logam. Tingkat korosi tergantung pada afinitas kimia antara
logam dan gas dan juga pada sifat film yang terbentuk.
Misalnya,
(i) 2Ag + Cl2 → 2AgCl.
64
Film AgCl tidak berpori dan protektif (volume film
> volume logam) dan dengan demikian
melindungi logam dari serangan lebih lanjut.
(ii) Sn + 2Cl2 → SnCl4. SnCl4 menjadi volatil, Sn
mengalami korosi berlebihan. Sisa mekanismenya
sama dengan korosi oksidasi.
(iii) H2S menyerang baja membentuk lapisan FeS,
yang berpori di alam.
(c) Korosi logam cair. Ini terjadi ketika cairan anhidrat
menyerang permukaan logam. Ketika logam cair mengalir di
atas logam padat pada suhu tinggi itu melemahkan logam
padat karena
• Pelarutan dalam logam cair.
• Penetrasi logam cair ke dalam logam padat.
Misalnya, natrium logam (pendingin) menyebabkan korosi
kadmium dalam reaktor nuklir.
Korosi basah atau elektrokimia
Jenis korosi ini terjadi dalam kondisi basah atau lembab, dan
lebih umum daripada korosi kering. Ini terjadi ketika
(i) Logam bersentuhan dengan cairan konsentr atau
(ii) Ketika logam dari berbagai reaktivitas
bersentuhan dengan solusi.
Berkarat zat besi adalah contoh paling umum dari korosi
elektrokimia. Kondisi berikut harus dipenuhi untuk
pembentukan sel elektrokimia.
65
(i) Harus ada area anodik dan cathodic terpisah.
(ii) Harus ada potensi elektroda antara anoda dan
katoda.
(iii) Harus ada jalur logam yang menghubungkan
anoda dan katoda.
(iv) Melakukan cairan harus ada di antara dua
elektroda
Setelah kondisi di atas terpenuhi "sel korosi" terbentuk dan
korosi berlangsung seperti yang dibahas di bawah ini. Reaksi
yang terjadi di anoda dan katoda adalah sebagai berikut.
(a) Reaksi anodik. Oksidasi terjadi di anoda; logam
kehilangan elektron dan meneruskannya ke
dalam larutan. Dengan demikian, logam di anoda
dihancurkan dengan melarutkan atau dengan
berubah menjadi ion logam. Oleh karena itu,
korosi selalu terjadi di daerah anodik.
(b) Reaksi cathodic. Elektron yang dilepaskan di
daerah anodik dikonsumsi dalam reaksi di katoda.
Tergantung pada sifat lingkungan, reaksi cathodic
adalah dari dua jenis
66
(i) Evolusi hidrogen.
Mekanisme ini biasanya terjadi ketika area anodik besar dan
daerah katodik kecil dan oksigen tidak ada. Ketika lingkungan
bersifat asam, H+ ion asam mengambil elektron dan gas
hidrogen berevolusi.
Dalam media netral dan basa, reaksinya akan
Misalnya, karat zat besi terjadi dalam media asam tanpa
adanya oksigen sebagai berikut
Ion Fe2+ bereaksi dengan anion asam untuk membentuk
produk korosi. Dalam media netral atau basa, reaksi berikut
terjadi
Fe2+ terbentuk di anoda dan OH- dibentuk di katoda difus
terhadap satu sama lain dan bertemu untuk membentuk
Fe(OH)2.
67
Gambar 3.5 (a) Korosi elektrokimia/basah oleh evolusi
hidrogen (dalam lingkungan asam)
Gambar 3.5 (b) Korosi elektrokimia/basah oleh evolusi
hidrogen (dalam lingkungan netral atau basa)
68
Tabel 3.2 Perbedaan antara korosi kimia dan korosi
elektrokimia
3.4 Jenis Korosi
Korosi juga terjadi dengan pembentukan sel suhu diferensial.
Dalam sel-sel ini elektroda terbuat dari logam yang sama yang
masing-masing pada suhu yang berbeda direndam dalam
elektrolit umum. Sel-sel seperti itu umumnya terbentuk di
dalam penukar panas, boiler, pemanas perendaman, dll
meskipun kerja sel-sel ini tidak dipahami dengan jelas.
1. Korosi galvanis. Ini juga disebut korosi bimetal atau
korosi logam diferensial. Ini terjadi ketika dua logam
berbeda (misalnya, Zn dan Cu) terhubung secara
69
elektrik dan terkena elektrolit dan kemudian logam
lebih tinggi dalam seri elektrokimia mengalami korosi.
Gambar 3.6 Korosi Galvanis
2. Konsentrasi korosi sel. Korosi sel konsentrasi terjadi ketika
berbagai area permukaan logam bersentuhan dengan
elektrolit konsentrasi yang berbeda (embrittlement kaustik)
atau berbagai aerasi (mengadu korosi, korosi garis air, korosi
di bawah balok kayu atau setetes air, dll). Perbedaan
konsentrasi elektrolit/udara mungkin karena perbedaan suhu
lokal atau pengadukan yang tidak memadai atau difusi ion
logam yang lambat.
Korosi terjadi di anoda. Beberapa contoh umum korosi aerasi
diferensial dikutip di bawah ini.
(a) Korosi garis air. Jika logam Zn sebagian direndam
dalam larutan netral (katakanlah NaCl) dan solusinya
tidak diaduk, bagian-bagian di atas dan dekat dengan
garis air terkatakan dengan baik dan bertindak
sebagai katoda. Area jauh di dalam larutan anodik,
70
karena konsentrasi oksigen kurang. Dengan demikian,
potensi berkembang yang menyebabkan arus antara
dua area dengan logam yang sama. Zn larut di daerah
anodik.
Gambar 3.7 Korosi garis air
(b) Pitting corrosion.
Ini juga merupakan contoh korosi aerasi diferensial.
Ini adalah jenis korosi yang di lokal dan terjadi di area
lubang, rongga dan lubang jarum yang menembus
jauh di dalam logam. Lubang ini kekurangan oksigen
dan bertindak sebagai anoda, sedangkan permukaan
pesawat kaya oksigen dan bertindak sebagai katoda.
Karena luas anoda kecil tingkat korosi akan tinggi.
Logam anodik larut dan lubang secara bertahap
memperdalam mengakibatkan melemahnya logam di
daerah-daerah ini. Jika lubangnya kecil, mereka
mungkin ditutupi oleh produk korosi. Oleh karena itu,
sulit untuk mendeteksi mengadu korosi sampai
kegagalan logam yang tiba-tiba terjadi.
71
Pitting adalah umum dalam paduan aluminium, paduan
tembaga, baja tahan karat dan beberapa paduan nikel. Lubang
dimulai dengan mengaktifkan ion seperti ion klorida. Lubang
mungkin dangkal atau dalam. Besi yang terkubur di tanah
umumnya terkorosi oleh pembentukan lubang dangkal
sedangkan stainless steel yang direndam dalam korosi air laut
dengan pembentukan lubang dalam.
Figure 3.8 Pitting corrosion
c) sDrop Corrosion atau korosi di bawah blok kayu, daun,
logam, batu, dll
Jika setetes larutan elektrolit, blok kayu, daun, logam atau
batu bersentuhan dengan permukaan logam, berkarat terjadi
di wilayah tengah di bawah tetesan, blok kayu, daun, logam
atau batu. Daerah di sekitar benda-benda ini kaya oksigen dan
karenanya menjadi kaodik, sedangkan wilayah pusat di bawah
benda-benda ini tidak teroksigenasi / aerasi dan karenanya
menjadi anodik. Di wilayah ini, Fe2+ dioksidasi ke Fe3+ dan
terkorosi. (Untuk persamaan, lihat korosi garis air).
72
Gambar 3.9 Mekanisme korosi aerasi diferensial
(d) Korosi stres (season cracking). Ini terjadi karena efek
gabungan dari
• Stres tarik statis dan
• Lingkungan korosif di dekat logam.
Logam mengembangkan stres internal selama proses
pembuatan seperti fabrikasi, perlakuan panas, bergulir, anil
tidak mencukupi, dll. Secara termodinasi, area di bawah
tekanan berada pada tingkat energi yang lebih tinggi. Oleh
karena itu, mereka memiliki potensi elektroda yang tinggi dan
bertindak sebagai anoda. Area bebas stres berada pada
potensi elektroda yang lebih rendah dan bertindak sebagai
katoda. Perbedaan potensi keduanya cukup rendah dan korosi
terkonsentrasi di jalur kecil yang anodik. Area anodik menjadi
sangat reaktif dan diserang bahkan oleh lingkungan korosif
ringan, mengakibatkan pembentukan retakan. Contoh korosi
stress,
73
(i) Alkali kaustik dan larutan nitrat yang kuat untuk
baja ringan. Ketika baja ringan di bawah stres
terkena basa terkonsentrasi panas atau larutan
nitrat terkonsentrasi panas (seperti mendidih 60%
Cr (NO3)2 + 3% NH4NO3) retak di sepanjang jalur
intergranular oleh retak korosi stres.
(ii) Pipa baja bawah tanah yang digunakan untuk
mentransmisikan minyak dan gas berada di
bawah tekanan internal yang tinggi dan
karenanya gagal oleh retak korosi stres. Retakan
intergranular baja stres juga terjadi ketika baja
bersentuhan dengan SbCl2 + HCl + AlCl3 dalam
pelarut hidrokarbon.
Gambar 3.10 Stress corrosion
€ Korosi celah. Ini diproduksi pada celah di wilayah kontak
antara logam dengan logam atau nonmetal. Kesenjangan
sangat sempit sehingga cairan menembus di dalamnya dan
stagnan. Ini terjadi pada celah antara benda logam yang
berbeda seperti baut, paku keling, mesin cuci, kacang-
kacangan, dll. Pasokan oksigen dibatasi di area celah-celah;
oleh karena itu, korosi aerasi diferensial terjadi. Area celah
menjadi anodik dan mengalami korosi. Korosi lebih lanjut
dipercepat oleh pengendapan pengotor, sisik, puing-puing,
74
dll. Korosi celah dipengaruhi oleh beberapa faktor metalurgi,
fisik dan lingkungan, yang paling penting adalah kesenjangan
celah.
Gambar 3.11 Crevice corrosion/korosi celah
3.5 Perlindungan terhadap Korosi
Berbagai metode di mana korosi dapat dikontrol dan dicegah
adalah sebagai berikut
1. Perlindungan dengan mendesain yang tepat
2. Pemilihan materi
3. Memodifikasi lingkungan
4. Modifikasi sifat logam
5. Penggunaan inhibitor
6. Perlindungan cathodic atau perlindungan elektrokimia
7. Penggunaan lapisan pelindung.
75
Bab 4
Sifat Periodic
4.1 Pendahuluan
Kejadian klasifikasi elemen berasal dari awal 1800-an ketika
ahli kimia Jerman Johann Dobereiner melakukan upaya
pertama untuk mensismatisasi studi sifat-sifat elemen dan
memberi dobereiners hukum triad. Ini diikuti oleh hukum
Oktaf Newlands. Klasifikasi elemen terperinci pertama
diusulkan oleh ahli kimia Rusia Dmitri Mendeleev (1837–1907)
dan ahli kimia Jerman Lothar Meyer (1830–1895). Kedua
ilmuwan ini bekerja secara independen dan pada tahun 1869
mengusulkan bahwa ketika elemen diatur dalam urutan
peningkatan bobot atom mereka, kesamaan muncul dalam
sifat fisik dan kimia mereka secara berkala. Namun, tabel
periodik Mendeleev memiliki anomali tertentu, yang ditangani
pada waktunya. Perbaikan bertahap melihat perkembangan
hukum berkala modern (diberikan oleh Henry Moseley) di
mana elemen diatur dalam urutan peningkatan jumlah atom.
Elemen diatur dalam tabel periodik dalam urutan
meningkatkan jumlah atom. Mereka dibagi menjadi 18 kolom
vertikal yang disebut grup dan tujuh baris horizontal yang
disebut sebagai titik. Menurut rekomendasi IUPAC, kelompok-
kelompok tersebut bernomor dari 1 hingga 18, menggantikan
notasi kelompok IA yang lebih tua... VIIA, IB... VIIB dan nol.
Ketujuh periode tersebut masing-masing memiliki 2, 8, 8, 18,
18 dan 32 unsur. Periode ketujuh tidak lengkap dan secara
teoritis akan terdiri dari 32 elemen. Sifat elemen bervariasi
76
secara berkala karena variasi berkala dalam konfigurasi
elektronik mereka. Dalam bab ini, kita akan mempelajari
variasi konfigurasi elektronik, ukuran atom dan ionik, energi
ionisasi dan sifat terkait lainnya.
4.2 Konsep Dasar
Sebelum mempelajari periodisitas dalam sifat elemen, penting
untuk memiliki pengetahuan tentang beberapa istilah dan
konsep dasar.
• Dalam atom, orbital diisi dalam urutan peningkatan energi
(prinsip Aufbau), yaitu, elektron pertama-tama akan
memasuki orbital energi terendah. Urutan orbital dalam
urutan meningkatkan energi adalah sebagai berikut: 1s, 2s, 2p,
3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s.
77
Aturan lain yang mengatur pengisian orbital adalah
• Prinsip pengecualian Pauli: Itu diberikan oleh ilmuwan
Austria Wolfgang Pauli (1925). Ini menyatakan bahwa dalam
atom, tidak ada dua elektron yang dapat memiliki set yang
sama dari keempat nomor kuantum. Jika angka kuantum
kepala sekolah, azimuthal dan magnetik sama, elektron akan
memiliki putaran yang berbeda.
• Aturan Hund tentang kekalian maksimum: Ini menyatakan
bahwa elektron dalam subshell yang sama (p, d dan f) tidak
berpasangan sampai semua orbital energi serupa
mendapatkan masing-masing satu elektron.
• Muatan nuklir yang efektif: Atom hidrogen hanya memiliki
satu elektron, tingkat energi yang ditentukan oleh nomor
kuantum utamanya n. Semua orbital di dalam cangkang ini
memiliki energi yang sama dan satu-satunya kekuatan yang
dialami oleh elektron adalah kekuatan yang menarik menuju
inti bermuatan positif. Situasinya, bagaimanapun, berbeda
dalam kasus atom multielekron. Elektron dalam atom seperti
itu tidak hanya mengalami kekuatan inti yang menarik tetapi
juga tolakan di antara mereka sendiri dan masing-masing
tetangga mereka. Tolakan elektron kulit luar oleh elektron
cangkang dalam sangat penting, karena elektron kulit luar
didorong menjauh dari inti karena tolakan elektron cangkang
dalam. Akibatnya, muatan nuklir yang dirasakan oleh elektron
kulit luar kurang dari apa yang akan terjadi jika tidak ada
elektron dalam. Muatan bersih ini dirasakan oleh elektron
valensi disebut sebagai muatan nuklir yang efektif, diwakili
oleh simbol (Zeff), dan tolakan yang dialami karena elektron
bagian dalam adalah efek perisai. Efek perisai disebut
78
demikian karena elektron dalam perisai / layar elektron luar
dari mengalami muatan nuklir yang sebenarnya (Zeff = Zactual -
perisai elektron).
• Pertimbangkan contoh fluor (nomor atom = 9); ada dua
elektron dalam shell 1 (n=1) dan tujuh elektron dalam shell 2
(n = 2). Tujuh elektron dalam n = 2 akan ditolak oleh dua
elektron di n = 1 karenanya mereka akan mengalami lebih
sedikit daya tarik daripada apa yang akan mereka alami tanpa
adanya dua elektron ini. Oleh karena itu, kedua elektron
dalam cangkang ini melindungi atau menyaring elektron luar
dari kekuatan inti yang menarik, dan karena perisai ini,
kekuatan menarik yang efektif yang dirasakan oleh elektron
valensi berkurang. Efek perisai umumnya tetap sama dalam
periode, karena pada periode jumlah cangkang sama dan
meningkat ke bawah kelompok.
• Efek penetrasi: Ini adalah kecenderungan elektron dalam
orbital untuk tertarik ke arah inti. Dalam sistem multielekron,
penetrasi adalah kepadatan elektron relatif elektron
(kerapatan probabilitas) di dekat inti dan juga dapat dianggap
sebagai keberadaan elektron di dalam cangkang elektron
lainnya. Ini dapat dijelaskan dengan mempertimbangkan
bentuk orbital dan kurva distribusi radial mereka. Orbital 1s
secara bulat simetris tanpa node, oleh karena itu kita dapat
melihat dari kurva bahwa ia memiliki kepadatan probabilitas
maksimum di dekat inti. Pada membandingkan orbital 2s dan
2p, kita melihat bahwa 2s secara bulat simetris memiliki bola
dalam bola. Ini memiliki dua wilayah probabilitas tinggi yang
dipisahkan oleh permukaan probabilitas nol yang disebut
node, dan orbital 2p berbentuk lonceng bodoh dengan
distribusi elektron di lobus identik di kedua sisi inti dan
79
dipisahkan oleh pemotongan node melalui inti. Ini dapat
dilihat di Gambar 4.1, yang menunjukkan bahwa 2s
menembus di dalam 1s (lihat loop kecil 2s di dalam orbital 1s
di Gambar 4.1). 2p tidak menembus secara efektif karena
fungsi gelombangnya menjadi nol di inti. Dengan demikian 2s
lebih terikat erat ke inti dan memiliki energi yang lebih rendah
daripada orbital 2p. Dengan demikian penetrasi 2 lebih besar
dari 2p dan elektron dalam 2s mengalami nilai besar Zeff
daripada elektron di orbital 2p. Untuk subshell dalam shell
yang sama (n), daya penetrasi elektron mengikuti urutan s > p
> d > f. Ketika nilai shell (n) dan subshell (l) berbeda kekuatan
penetrasi elektron mengikuti tren
Gambar 4.1 Fungsi distribusi radial orbital
80
4.3 Jenis Elemen berdasarkan Konfigurasi Elektronik
Tergantung pada orbital di mana elektron terakhir masuk,
elemen diklasifikasikan ke dalam empat blok, viz s-block, p-
block, d-block dan elemen f-block.
1. elemen s-blok: Mereka adalah elemen kelompok 1 (logam
alkali) dan 2 (logam tanah basa) di mana elektron valensi
memasuki s-orbital. Konfigurasi elektronik luar mereka
masing-masing adalah ns1 dan ns2. Mereka adalah logam lunak
dengan titik leleh dan mendidih rendah, reaktif karena mereka
memiliki enthalpies ionisasi rendah dan agen pengurang yang
kuat karena mereka kehilangan elektron dengan mudah untuk
memperoleh konfigurasi gas mulia yang stabil. Keadaan
oksidasi umum mereka masing-masing adalah +1 dan +2.
Reaktivitas mereka meningkat ke bawah kelompok dan
sebagian besar dari mereka membentuk senyawa ionik,
dengan pengecualian lithium dan berilium.
2. elemen p-block: Mereka adalah elemen kelompok 13
hingga 18, di mana elektron valensi memasuki p-orbital.
Konfigurasi elektronik terluar mereka bervariasi dari ns2 np1
hingga ns2 np6 . Elemen p-block bersama dengan elemen s-
block disebut sebagai elemen perwakilan atau elemen
kelompok utama. Elemen p-block termasuk logam dan
nonmetal. Karakter nonmetal meningkat saat kita bergerak
dari kiri ke kanan sepanjang periode dan karakter metalik
meningkat saat kita bergerak dari atas ke bawah dalam
kelompok. Entalpikan ionisasi mereka lebih tinggi daripada
elemen blok. Unsur kelompok 18 (gas mulia) dengan
konfigurasi elektronik ns2 np6 sangat stabil karena elektron
valensi yang terisi total. Mereka memiliki reaktivitas kimia
81
yang sangat rendah. Elemen kelompok 17 (halogen) dengan
konfigurasi elektronik ns2 np5 dan kelompok 16 (chalcogen)
dengan konfigurasi elektronik ns2 np4 memiliki enthalpies
perolehan elektron yang sangat negatif (sebelumnya disebut
sebagai afinitas elektron) dan mereka mendapatkan satu dan
dua elektron, masing-masing, untuk memperoleh konfigurasi
gas mulia yang stabil. Beberapa elemen ini menunjukkan lebih
dari satu keadaan oksidasi.
3. elemen d-block: Mereka adalah elemen kelompok 3 hingga
12, di mana elektron terakhir memasuki d-orbital tingkat
energi terakhir (penultimate) kedua mereka. Konfigurasi
elektronik luar mereka adalah (n-1) d1–10ns0–2 Elemen-elemen
ini sebagian besar adalah logam, memiliki titik leleh dan
mendidih yang tinggi, umumnya membentuk kompleks
berwarna, menunjukkan valensi variabel (negara oksidasi) dan
menunjukkan magnet para, dan banyak elemen seperti Mn,
Ni, Co, Cr, V dan Pt dan senyawa mereka digunakan sebagai
katalis. Ini disebut sebagai elemen transisi karena mereka
bertindak sebagai jembatan antara elemen kelompok yang
sangat reaktif 1 dan 2 dan elemen kelompok 13 dan 14 yang
kurang reaktif.
4. elemen f-block: elemen f-block terdiri dari dua baris elemen
yang ditempatkan di bagian bawah tabel periodik. Dalam
elemen-elemen ini, elektron terakhir memasuki f-orbital.
Namun, elektron terakhir ditambahkan ke tingkat energi
terluar (antepenultimate) ketiga; (n-2)f, karenanya elemen-
elemen ini disebut sebagai elemen transisi dalam. Elemen-
elemen ini dicirikan oleh konfigurasi elektronik umum (n-2)
f1–14(n – 1)d0or1ns2.
82
4.4 Tren Periodik Properti Elemen
Sifat fisik dan kimia elemen bervariasi secara berkala. Ini telah
dikaitkan dengan kesamaan dalam konfigurasi elektronik luar
setelah interval reguler. Mari kita bahas tren berkala dari
beberapa properti penting:
Radius Atom dan Atom Radii Ionik adalah jarak dari pusat inti
ke cangkang terluar elektron. Karena sulit untuk mendapatkan
atom yang terisolasi, dan awan elektron di sekitar atom tidak
memiliki batas yang tajam, tidak mungkin untuk mendapatkan
radii atom dengan pengukuran langsung untuk atom individu.
Untuk nonmetal, radius atom dianggap setengah jarak antara
inti dari dua atom serupa yang terikat bersama oleh ikatan
kopvalen tunggal (radius valen) dan untuk logam itu adalah
setengah jarak antara pusat tetangga terdekat dalam kristal
logam (radius logam). Radii metalik dan valen bersama-sama
disebut sebagai radii atom.
Gambar 4.2 Penggambaran tentang van der Waals radii
Radius atom dapat ditemukan dengan difraksi sinar-X, difraksi
elektron dan teknik spektroskopi lainnya.
83
Tren dalam radii atom dan ionik: radii atom dari beberapa
elemen dalam periode dan kelompok, masing-masing. Diamati
bahwa radii atom meningkat ke bawah kelompok dan
menurun dari kiri ke kanan melintasi periode dalam blok s dan
p. Radius atom meningkat ke bawah kelompok karena ketika
seseorang bergerak ke bawah kelompok elektron valensi
menempati orbital dari nomor kuantum utama berturut-turut
lebih tinggi. Elektron valensi di Li, Na, K, Rb, Cs, Fr menempati
kedua (2s1), ketiga (3s1), keempat (4s1), kelima (5s1), keenam
(6s1), dan ketujuh (7s1), kerang, masing-masing. Karena
cangkang yang lebih besar ditempati, maka ukuran atom
meningkat ke bawah kelompok.
Radius atom menurun di seluruh periode, karena elektron
valensi dalam periode menempati cangkang yang sama tetapi
muatan nuklir meningkat secara progresif sehingga
meningkatkan muatan nuklir yang efektif pada elektron
valensi yang menarik mereka lebih dekat ke inti dan
mengurangi radii atom. Namun, diamati bahwa radius atom
baris kedua dan ketiga dari elemen d-block hampir serupa. Hal
ini disebabkan oleh kontraksi lanthanide. Elemen baris ketiga
elemen blok d (periode keenam) disangkuti oleh 14 lanthanoid
di mana orbital 4f ditempati. Karena orbital ini memiliki sifat
perisai yang buruk, elektron valensi mengalami daya tarik
yang lebih besar terhadap inti. Tolakan antara elektron gagal
mengimbangi peningkatan muatan nuklir, sehingga Zeff
meningkat dari kiri ke kanan, mengakibatkan penurunan radii
atom, dan ukuran elemen baris kedua dan ketiga dari elemen
d-block tetap hampir sama.
84
Gambar 4.3 Tren dalam radius atom dan nomor atom
Tabel 4.1 Radii atom elemen dalam pm
85
Gambar 4.5 Variasi enhalpies ionisasi pertama dengan
nomor atom untuk elemen dengan Z = 1 hingga 60
Variasi dalam kelompok
Enthalpi ionisasi menurun saat kita turun ke bawah grup. Pada
memindahkan ke bawah grup, faktor-faktor berikut menjadi
efektif:
• Muatan nuklir meningkat.
• Kerang baru ditambahkan.
• Perisai elektron terluar meningkat karena peningkatan
jumlah elektron dalam. Faktor pertama lebih besar dari faktor
kedua dan ketiga, akibatnya enthalpy ionisasi menurun pada
turun ke bawah kelompok. Variasi ionisasi enthalpy dari
elemen kelompok 1.
86
Variasi dalam periode
Dalam periode enthalpy ionisasi umumnya meningkat dari kiri
ke kanan. Ini karena muatan nuklir meningkat dalam satu
periode dan elektron berturut-turut ditambahkan dalam
orbital dengan tingkat kuantum utama yang sama yang
mengakibatkan peningkatan Zeff.
Akibatnya elektron lebih erat dipegang oleh inti,
mengakibatkan peningkatan ionisasi enthalpy. Variasi ionisasi
enhalpy dari elemen periode kedua.
Namun, ada beberapa penyimpangan dalam tren umum ini.
Meskipun muatan nuklir B lebih besar dari Be, enthalpy
ionisasi pertama B (Z = 5) sedikit lebih sedikit daripada Be (Z =
4). Ini karena fakta bahwa dalam berilium elektron dikeluarkan
dari orbital s, sedangkan dalam boron elektron dikeluarkan
dari orbital p. Karena penetrasi elektron 2s ke inti lebih dari
elektron 2p, lebih mudah untuk menghilangkan elektron dari
orbital 2p, dan karenanya ionisasi enthalpy boron kurang dari
itu dari Be. Demikian pula O (Z=8) memiliki enthalpy ionisasi
yang lebih rendah daripada N (Z=7). Ini karena nitrogen
memiliki orbital 2p setengah terisi yang berada di orbital atom
yang berbeda sedangkan dalam oksigen, dua dari empat
orbital 2p berada di orbital yang sama sehingga meningkatkan
tolakan elektron-elektron. Oleh karena itu lebih mudah untuk
menghilangkan elektron 2p oksigen. Selain itu, orbitalal p
nitrogen yang setengah terisi adalah konfigurasi yang stabil.
87
Tabel 4.2 Ionisasi ionisasi pertama dan kedua dari elemen
dalam kJ mol–1
Gambar 4.6 (a) Ionisasi pertama enthalpies dari elemen
periode kedua sebagai fungsi nomor atom (Z) dan (b) Di H
dari logam alkali sebagai fungsi Z.
88
4.5 Elektronegativitas
Elektronegativitas (chi) didefinisikan sebagai kemampuan
atom berikat untuk menarik sepasang elektron bersama ke
arah dirinya sendiri.
Pertimbangkan pembentukan ikatan valen antara dua atom
serupa dari molekul seperti hidrogen. Dalam hal ini pasangan
elektron yang berpartisipasi dalam pembentukan obligasi
dibagi secara merata oleh kedua atom, tetapi ini tidak terjadi
ketika ikatan valen terbentuk di antara dua atom yang
berbeda, seperti HCl. Dalam hal ini, klorin memberikan daya
tarik yang lebih besar pada pasangan elektron; Akibatnya
pasangan elektron terletak lebih dekat ke atom Cl. Oleh
karena itu kita dapat mengatakan bahwa Cl memiliki
elektronegativitas yang lebih besar daripada H. Karena
pasangan elektron terletak lebih dekat ke Cl, ia
mengembangkan muatan negatif parsial (d-) dan atom
hidrogen mengembangkan muatan positif parsial (d+) dan
ikatan kopvalen sehingga memperoleh karakter ionik.
89
Bab 5
STRUKTUR ATOM DAN IKATAN KIMIA
5.1 Pendahuluan
Kata atom berutang asal-usulnya ke kata Yunani (atomos 'tak
terpisahkan'). Diyakini bahwa atom adalah partikel terkecil
yang tidak dapat dibagi lebih lanjut. Kemudian terbukti bahwa
atom dapat dibagi, dan karenanya namanya mungkin tidak
pantas; namun, itu dipertahankan. Partikel atom terdiri dari
tiga partikel subatom dasar: elektron, proton dan neutron.
Partikel-partikel ini dianggap sebagai partikel mendasar.
Banyak ilmuwan berusaha menjelaskan pengaturan partikel-
partikel ini di dalam atom. Thomson pada tahun 1898
menyarankan bahwa atom adalah bola padat bermuatan
positif dan elektron tertanam di dalamnya. Ini adalah model
puding prem karena menyerupai puding dengan prem yang
tertanam di dalamnya. Kemudian, Rutherford mengusulkan
model lain yang dikenal sebagai model atom Rutherford.
Menurut model ini, atom terdiri dari pusat bermuatan positif
yang disebut inti. Intinya berisi hampir semua massa atom.
Elektron, yang bermuatan negatif, bergerak di sekitar inti di
jalur tetap. Ruang antara inti dan elektron kosong. Pada tahun
1913, Bohr memberikan konsep tingkat energi stasioner yang
disebut orbital. Dia mendalilkan bahwa
• Elektron berputar di sekitar inti di orbital tertentu. Selama
elektron tetap berada di orbital tertentu tidak kehilangan atau
mendapatkan energi.
90
• Namun, ketika elektron melompat dari satu orbital ke orbital
lain itu dapat menyerap energi atau kehilangan energi. Energi
(sebagai foton) dipancarkan jika elektron melompat dari
orbital energi yang lebih tinggi ke orbital energi yang lebih
rendah. Energi ini diberikan oleh E2 − E1, dan panjang
gelombang radiasi yang dipancarkan diberikan oleh
persamaan Einstein-Planck.
5.2 Sifat Radiasi Ganda
Pandangan cahaya paling awal, seperti yang ditemukan oleh
Newton, dianggap ringan sebagai terdiri dari partikel-partikel
kecil (biasa disebut sebagai corpuscles of light). Sifat cahaya ini
dapat menjelaskan fenomena efek fotolistrik tetapi tidak
dapat menjelaskan refleksi, pembiasan, dispersi dan
gangguan. Kemudian, Huygen mengusulkan karakter cahaya
seperti gelombang. Sifat gelombang cahaya dapat
menjelaskan fenomena refleksi, pembiasan, dispersi dan
gangguan. Namun, efek fotolistrik dan radiasi tubuh hitam
tidak dapat dijelaskan oleh sifat gelombang cahaya. Pada
tahun 1856, James Maxwell mengusulkan bahwa cahaya dan
bentuk radiasi lainnya merambat melalui ruang angkasa dalam
bentuk gelombang. Gelombang ini memiliki medan listrik dan
magnet yang terkait dengan mereka. Oleh karena itu, radiasi
ini dikenal sebagai radiasi elektromagnetik. Einstein, pada
tahun 1905, menyarankan bahwa cahaya dapat berperilaku
baik sebagai partikel maupun gelombang, yaitu memiliki sifat
ganda. Sifat partikel cahaya berhasil menjelaskan beberapa
sifat cahaya, sedangkan sifat lain dan temuan eksperimental
dapat berhasil dijelaskan dengan bantuan sifat gelombang
cahaya.
91
5.3 Sifat Ganda Materi: Persamaan de Broglie
Ketika elektron ditemukan, berbagai penelitian eksperimental
membuktikan bahwa mereka berperilaku seperti partikel.
Bohr juga memperlakukan elektron sebagai partikel. Namun,
pada tahun 1924, Louis de Broglie (yang menerima hadiah
Nobel untuk fisika pada tahun 1929) menyarankan bahwa
sama seperti cahaya menunjukkan sifat gelombang dan
partikel, semua partikel mikroskopis bergerak seperti
elektron, proton, atom, ion, dan molekul, dll., juga memiliki
karakter ganda. Dengan demikian, menurut de Broglie, semua
partikel material yang bergerak memiliki karakteristik
gelombang.
Verifikasi Eksperimental Sifat Ganda Elektron
Sifat ganda elektron dikonfirmasi oleh baris eksperimental
berikut bukti
1. Partikel sifat elektron. Ketika berkas elektron
menyerang layar sulfida seng neon, itu menghasilkan
titik cahaya yang dikenal sebagai scintillation. Telah
diamati bahwa setiap elektron mencolok hanya
menghasilkan satu titik scintillation. Ini membuktikan
bahwa scintillation dan, oleh karena itu, elektron yang
mencolok harus di lokalisasi dan tidak menyebar
seperti gelombang. Ini menunjukkan bahwa elektron
berperilaku sebagai partikel.
2. Gelombang alami elektron. Sifat gelombang elektron
diverifikasi secara eksperimental oleh C.P. Davisson
dan L.H. Germer pada tahun 1927. Mereka
menemukan bahwa ketika balok elektron dibuat
untuk menyerang kristal nikel, cincin gelap dan cerah
92
konsentris terbentuk. Cincin ini disebut cincin difraksi
dan polanya mirip dengan yang diamati oleh difraksi
sinar-X (de Broglie). Seperti pola yang diperoleh oleh
difraksi elektron mirip dengan sinar-X, elektron
memiliki karakter gelombang yang mirip dengan sinar-
X. Selanjutnya, panjang gelombang elektron yang
dihitung oleh eksperimen difraksi dan yang dihitung
oleh persamaan de Broglie ditemukan sesuai
kesepakatan satu sama lain. Pola difraksi serupa
diperoleh untuk proton, neutron, atom hidrogen, dll.
Ini membuktikan bahwa semua partikel material
memiliki karakter seperti gelombang dan karenanya
sifat ganda.
Gambar 5.1 Eksperimen difraksi elektron oleh Davisson dan
Germer
5.4 Partikel dalam Kotak Satu Dimensi
Partikel dalam kotak satu dimensi menyediakan salah satu
aplikasi mekanika gelombang yang paling sederhana. Ini
menjelaskan mengapa energi terkait diukur dan merupakan
penerapan persamaan gelombang Schrodinger ke gerakan
terjemahan partikel seperti elektron, atom dll. Ini juga berlaku
93
untuk sistem sederhana seperti poliene konjugasi (yang paling
sederhana adalah butadiena) di mana elektron p mudah
dimodelkan untuk perkiraan pertama dengan persamaan yang
mirip dengan partikel dalam satu dimensi.
Gambar 5.2 Partikel dalam kotak
Bayangkan partikel yang dibatasi untuk bergerak hanya di
sepanjang sumbu x dan terbatas antara x = 0 dan x = a dengan
dinding yang sangat kaku. Partikel memantul bolak-balik di
antara dinding kotak dan tidak memiliki kesempatan untuk
menembusnya. Misalkan partikel tidak kehilangan energi
karena bertabrakan dengan dinding sehingga total energinya
tetap konstan. Kotak ini dapat, kemudian, diwakili oleh sumur
potensial atau kotak lebar 'a' dengan dinding potensial dengan
tinggi tak terbatas pada x = 0 dan x = a, sehingga energi
potensial V dari partikel tidak terbatas di kedua sisi kotak dan
di dalam kotak V konstan. Demi kenyamanan kami berasumsi
V = 0 di dalam kotak (Gbr. 10.3). Agar partikel tetap berada di
dalam kotak, sangat penting untuk mengasumsikan bahwa
energi potensial di atau di luar dinding sangat tinggi ( = ∞)
sehingga segera setelah partikel mencapai dinding, itu
94
dipantulkan kembali ke dalam kotak dan tidak dapat
melarikan diri dari kotak.
5.5 Ikatan Kimia
Materi terdiri dari atom. Atom bergabung untuk membentuk
molekul, yang pada gilirannya membentuk semua materi.
Atom-atom dalam molekul disatukan oleh kekuatan yang
menarik. Kekuatan-kekuatan menarik ini, yang memegang
partikel konstituen molekul bersama-sama, dikenal sebagai
ikatan kimia.
Ikatan kimia dapat dibentuk oleh daya tarik elektrostatik
antara atom atau ion (ikatan ionik) atau dengan berbagi
elektron antara partikel konstituen (ikatan valenen). Sifat
logam tidak dapat dijelaskan dalam hal ikatan ionik atau valen.
Mereka dijelaskan oleh berbagai jenis obligasi yang disebut
obligasi logam. Molekul memperoleh bentuk yang berbeda
karena pembentukan ikatan. Teori yang berbeda telah
diusulkan untuk menjelaskan distribusi elektron dan bentuk
molekul. Untuk menggambarkan ikatan dalam molekul, teori
ikatan valensi berdasarkan model mekanik kuantum pertama
kali diusulkan oleh W. Heitler dan F. London pada tahun 1927
dan kemudian dikembangkan oleh Pauling dan Slater.
Teori ikatan valensi membantu memvisualisasikan berbagi
elektron dalam ikatan yang valen. Teori mengatakan bahwa:
(i) Pembentukan ikatan kovalen terjadi ketika
keduanya menggabungkan atom mendekat satu
sama lain sehingga orbital satu tumpang tindih
dengan yang lain.
95
(ii) Orbital atom yang tumpang tindih harus memiliki
elektron yang tidak berperedar dengan spin yang
berlawanan.
(iii) Karena tumpang tindih orbital obligasi lokal baru
terbentuk di mana kemungkinan menemukan
pasangan elektron maksimum.
(iv) Kekuatan ikatan tergantung pada tingkat
tumpang tindih orbital. Lebih besar tumpang
tindih lebih kuat adalah semakin kuat. Kecuali
orbital, orbital lainnya tumpang tindih untuk
membentuk ikatan dengan karakter terarah.
(v) Lebih besar yang tumpang tindih lebih sedikit
adalah panjang obligasi.
5.6 Hibridisasi Orbital
Konfigurasi elektronik karbon dalam keadaan dasar adalah
[He] 2s2 2px1 2py1 . Hal ini dapat dinyatakan sebagai,
Kita dapat melihat dari konfigurasi di atas bahwa karbon
hanya memiliki dua elektron yang belum dibayar; oleh karena
itu, seharusnya hanya membentuk dua ikatan valen. Namun,
karbon dikenal tetracovalent, yang dapat dijelaskan dengan
menarik salah satu dari dua elektron 2s ke orbital 2pz kosong
seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
96
Konfigurasi elektronik yang ditunjukkan di atas
mengungkapkan bahwa ada dua jenis elektron yang belum
dibayar (satu 2s dan tiga 2p) yang harus membentuk dua jenis
ikatan valen. Tetapi diketahui fakta bahwa di sebagian besar
senyawa karbon seperti CH4, CCl4, dll keempat obligasi setara.
Hal ini dijelaskan oleh Linus Pauling pada tahun 1931 dengan
bantuan konsep baru yang dikenal sebagai hibridisasi.
Dalam hibridisasi, ada intermixing orbital dari berbagai
bentuk tetapi energi yang hampir sama. Jumlah orbital baru
yang terbentuk sama dengan jumlah orbital atom intermixing
dan orbital baru memiliki energi dan bentuk yang setara.
Orbital yang terbentuk disebut orbital hibrida.
Karakteristik Hibridisasi
(i) Jumlah orbital hibrida yang terbentuk sama
dengan jumlah orbital atom yang mengalami
hibridisasi.
(ii) Orbital atom dari atom yang sama untuk
membentuk orbital hibrida dengan energi dan
bentuk yang setara. Namun mereka berbeda satu
sama lain.
97
(iii) Ikatan yang dibentuk oleh orbital hibrida lebih
stabil daripada yang dibentuk oleh orbital atom
murni.
(iv) Jenis hibridisasi membantu dalam memprediksi
geometri molekul.
Jenis Hibridisasi
1. Hibridisasi sp3 (hibridisasi tetrahedral). Ketika
hibridisasi melibatkan satu s dan tiga p orbital atom
itu disebut sebagai sp3 (dibaca sebagai sp tiga dan
bukan sp kubus) hibridisasi. Empat orbit hibrida sp3
terbentuk yang disusun secara tetrahedrally, karena
dalam pengaturan tetrahedral keempat orbital
memiliki sudut ikatan maksimum 109,5° dan dengan
demikian ada tolakan minimum antara orbital.
Gambar 5.3 Pembentukan hibridisasi sp3
98
2. Hibridisasi sp2 (hibridisasi trigonal) Dalam hibridisasi
sp2 (dibaca sebagai sp dua dan bukan sp square) tiga
orbital hibrida sp2 dibentuk oleh tumpang tindih satu
s dan 2p orbital atom murni. sp2 orbital hibrida yang
dibentuk adalah koplanar dan terletak di bidang yang
sama pada sudut 120 ° satu sama lain dalam
pengaturan trigonal. Orbital p ketiga tidak
berpartisipasi dalam hibridisasi dan mempertahankan
bentuk dump-bell shape. Hal ini berorientasi tegak
lurus dengan pesawat yang berisi tiga sp2 orbital
hibrida.
Gambar 5.4 (a) Pembentukan orbital hibridisasi sp2 (b)
Orbital p yang tidak dihibridisasi
3. Hibridisasi sp. Kombinasi linier dari orbital atom satu
s dan satu p menimbulkan dua orbital hibrida sp. Dua
99
orbital hibrida sp yang terbentuk berada pada sudut
180°, yaitu, mereka berada dalam garis lurus
(pengaturan linear atau diagonal).
Gambar 5.5 (a) Pembentukan hibrida sp, (b) Orbital p
yang tidak dihibridisasi
Hibridisasi yang melibatkan d orbital
Selain orbital s dan p, elemen periode ketiga mengandung d
orbital. Energi orbital 3d sebanding dengan energi orbital 3s
dan 3p; oleh karena itu, elemen-elemen ini dapat memperluas
oktet mereka dan menunjukkan covalencies 5, 6 dan bahkan
7. Namun, dengan tidak adanya d mengorbit elemen yang
sesuai dari periode kedua seperti N dan O tidak dapat
memperluas oktet mereka. Mari kita bahas beberapa jenis
hibridisasi umum yang melibatkan d orbital.
100
5.7 Teori Orbital Molekuler
Pada tahun 1932, Hund dan Mulliken telah mengedepankan
teori orbital molekuler. Fitur utama dari teori ini adalah
sebagai berikut
(i) Orbital baru yang disebut sebagai orbital molekul
terbentuk oleh tumpang tindih orbital atom dari
atom penggabungan. Orbital atom kehilangan
identitas individu mereka setelah pembentukan
orbital molekul.
(ii) Jumlah orbital molekuler yang terbentuk sama
dengan jumlah orbital atom yang terlibat dalam
pembentukannya.
(iii) Elektron dalam orbital atom dipengaruhi oleh
hanya satu inti positif atom, yaitu, itu
monosentris, sedangkan tergantung pada jumlah
atom dalam molekul elektron orbital molekul
berada di bawah pengaruh lebih dari satu inti,
yaitu polisentris.
(iv) Mirip dengan orbital atom, pengisian elektron
dalam orbital molekuler juga mengikuti prinsip
Aufbau, aturan Hunds dengan kesesat maksimum
dan prinsip pengecualian Pauli.
(v) Orbital atom dengan energi yang sebanding serta
orientasi yang tepat digabungkan untuk
membentuk orbital molekul.
101
Daftar Pustaka
1. Kokate, S. J. (2020). Corrosion Science-
Engineering Chemistry.
2. Kokate, S. J. (2020). Fuels and Combustion-Engineering Chemistry-First Year Engineering (Engineering Sciences).
3. Krishnamurthy, N., Vallinayagam, P., & Madhavan, D. (2019). Engineering chemistry. PHI Learning Pvt. Ltd.
4. Agarwal, S. (2019). Engineering Chemistry:
Fundamentals and Applications. Cambridge
University Press.
5. Sharma, D. (2017). Engineering chemistry.
Scientific International.
102
Tentang Penulis
Fitria Hidayanti menyelesaikan pendidikan Kimia dari
Institut Teknologi Bandung (2002), Magister Material
Science dari Universitas Indonesia (2006). Sejak tahun
2009, menekuni bidang Teknik Fisika di Universitas
Nasional, Jakarta.
