TEKNIK REAKSI KIMIA I
9
PERTEMUAN KE I
Pendahuluan
Setiap proses kimia industri dirancang untuk memproduksi hasil
yang diinginkan secara ekonomis dari berbagai bahan baku melalui
serangkaian tahapan pengolahan (fisik dan kimia). Bahan baku
mengalami sejumlah tahapan pengolahan fisik agar sesuai dengan
spesifikasi reaksi untuk selanjutnya direaksikan secara kimia di
dalam reaktor. Produk reaksi harus diolah lebih lanjut secara
fisik, antara lain seperti pemisahan, pemurnian, dan lain-lain
melalui proses distilasi, absorpsi, kristalisasi, dan lain-lain
agar diperoleh produk akhir sesuai spesifikasi yang diinginkan.
Perancangan peralatan untuk pengolahan secara fisik dipelajari pada
Operasi Teknik Kimia (Unit Operation). Tahapan proses kimia adalah
jantung dari proses yang menentukan ekonomis atau tidaknya suatu
proses tersebut. Proses pengolahan secara kimia dipelajari pada
Kinetika Kimia dan Teknik Reaksi Kimia. Kinetika Kimia adalah studi
tentang laju reaksi kimia dan mekanisme reaksi. Teknik Reaksi Kimia
adalah studi yang menggabungkan kinetika kimia dengan perancangan
reaktor, dimana reaksi terjadi secara kimia. Kinetika kimia dan
perancangan reaktor merupakan jantung keseluruhan proses pada semua
industri proses kimia. Perancangan reaktor menggunakan informasi,
knowledge, dan pengalaman dari cabang-cabang ilmu dasar seperti
termodinamika, kinetika kimia, mekanika fluida, perpindahan panas,
perpindahan masa, dan ekonomi. Pada perancangan reaktor salah satu
hal yang perlu diketahui adalah data-data kinetika reaksi berupa
laju reaksi dari suatu sistem reaksi yang ditinjau. Oleh karena itu
pengetahuan tentang kinetika reaksi kimia mutlak diperlukan.
Pengetahuan tentang kinetika reaksi kimia ini terutama penting
untuk reaksi-reaksi yang berlangsung lambat, dimana waktu reaksi
akan secara lansung mempengaruhi besarnya konversi. Sedangkan untuk
reaksi-reaksi yang berlangsung sangat cepat sehingga sistem dengan
segera berada dalam keseimbangan, maka yang diperlukan terutama
adalah data-data termodinamika tentang keseimbangan dan panas
reaksi. Pengetahuan tentang kinetika kimia dan perancangan reaktor
inilah yang membedakan chemical engineers dari engineers (bidang
engineering) yang lain, yakni berkaitan dengan kemampuannya
menganalisis sebuah proses kimia.
PENGERTIAN LAJU REAKSI
Konsep laju reaksi sangat diperlukan pada perancangan reaktor
karena laju reaksi sangat mempengaruhi jumlah maupun ukuran reaktor
yang diperlukan untuk memproduksi hasil dengan kapasitas
tertentu.
Laju reaksi menyatakan seberapa cepat sejumlah mole spesies
kimia yang sedang dikonsumsi untuk membentuk spesies kimia yang
lain. Chemical species (spesies kimia) yaitu merujuk pada sembarang
senyawa kimia atau unsur dengan sebuah identitas tertentu. The
identity of a chemical species (identitas dari sebuah spesies
kimia) ditentukan oleh jenis, jumlah, dan konfigurasi dari
atom-atom spesies itu. A chemical reaction (reaksi kimia) sudah
berlangsung bila sejumlah molekul-molekul dari satu atau lebih
spesies yang dapat dideteksi sudah kehilangan identitasnya dan yang
diasumsikan sebuah bentuk baru oleh sebuah perubahan pada jenis
atau jumlah dari atom-atom dalam senyawa dan/ atau oleh sebuah
perubahan pada struktur atau konfigurasi dari atom-atomnya. Saat
perubahan kimia (reaksi kimia) terjadi maka jumlah total masa
adalah tetap, hal ini sesuai dengan hukum konservasi masa yang
menyatakan bahwa masa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dimusnahkan. Massayang dimaksud adalahmassakolektif total
semuaspesies yang berbedadalam sistem.Namunmengingatspesiesindividu
yang terlibatdalam reaksitertentu, menyatakan tingkat
penghilanganmassadarispesiestertentu pula. Laju penghilangan suatu
spesies i adalah jumlah molekul i yang hilang identitas kimianya
per satuan waktu per satuan volume melalui pemutusan dan
pembentukan kembali ikatan kimia selama reaksi berlangsung. Ada
tiga cara dasar suatu spesies kehilangan identitas kimianya, yaitu:
dekomposisi, penggabungan, dan isomerisasi. Pada dekomposisi,
molekul kehilangan identitasnya dengan cara diputus menjadi
molekul-molekul, atom-atom lebih kecil. Sebagai contoh adalah bila
benzen dan propilen dibentuk dari molekul cumene,
Molekul cumene kehilangan identitasnya (penghilangan) dengan
pemutusan ikatannya untuk membentuk molekul-kolekul benzen dan
propilen. Cara kedua dimana molekul dapat kehilangan identitas
spesiesnya adalah melalui penggabungan molekul atau atom yang lain.
Contohnya molekul propilen kehilangan identitas spesiesnya bila
reaksi diatas dibalik arahnya, sehingga propilen digabungkan dengan
benzen untuk membentuk cumene. Cara ketiga dimana molekul dapat
kehilangan identitas spesiesnya adalah melalui isomerisasi,
contohnya adalah reaksi berikut ini:
Pada reaksi tersebut tidak ada terjadi penambahan molekul lain,
dan tidak ada pemutusan ikatan molekul menjadi molekul yang lebih
kecil, namun tetap dikatakan sudah terjadi kehilangan identitas
spesiesnya melalui perubahan pada konfigurasinya. Dapat disimpulkan
bahwa sejumlah molekul tertentu dari suatu spesies kimia tertentu
telah beraksi atau telah dihilangkan/dikonsumsi bila
molekul-molekul tersebut telah kehilangan identitas kimianya. Laju
reaksi, -rA adalah jumlah mol A yang bereaksi atau yang dikonsumsi
per satuan waktu per satuan volume (mol/dm3.detik). Laju reaksi
kimia (laju reaksi pembentukan komponen i, ri ) dapat dinyatakan
pada beberapa cara berikut: Bila didasarkan pada satuan volume
fluida yang bereaksi,
....................................... (1.1).
Bila didasarkan pada satuan massa padatan dalam sistem
fluida-padat, ....................................... (1.2).
Bila didasarkan pada satuan luas permukaan interfasial dalam
sistem dua-fluida (atau, berdasarkan satuan luas permukaan padatan
dalam sistem gas-padat):
..........................................(1.3).
Bila didasarkan pada satuan volume padatan dalam sistem
gas-padat, ..................................... (1.4).Bila
didasarkan pada satuan volume reaktor, dan apabila berbeda dengan
laju reaksi yang didasarkan atas satuan volume fluida,
...................................... (1.5).
Pada sistem homogen, volume fluida dalam reaktor seringkali sama
dengan volume reaktor sehingga V dan VR adalah sama. Persamaan
laju, ri adalah suatu persamaan aljabar yang merupakan sebuah
fungsi propertis material yang bereaksi dan kondisi reaksi (yaitu
konsentrasi spesies, temperatur, tekanan, dan katalis bila ada).
Persamaan laju tidak bergantung pada tipe reaktor (contohnya batch
atau alir kontinu) dimana reaksi dilangsungkan. Akan tetapi, karena
propertis dan kondisi reaksi dari material yang bereaksi dapat
berubah dengan posisi di dalam reaktor kimia, ri sebaliknya dapat
menjadi suatu fungsi posisi dan dapat berubah dari titik ke titik
dalam sistem tersebut. Hukum laju Reaksi kimia dasarnya adalah
persamaan aljabar yang melibatkan konsentrasi,bukanpersamaan
diferensial. Contoh, bentuk aljabar dari hukum laju, -rA untuk
reaksi: A Produk, merupakan suatu fungsi linier dengan konsentrasi,
-rA = k CA, atau -rA = k CA2, atau . Untuk reaksi tertentu
ketergantungan hukum laju terhadap konsentrasi harus ditentukan
dari pengamatan percobaan.
Apabila bahan A dan bahan B direaksikan membentuk C dan D maka
setelah terbentuk hasil C dan D ada dua kemungkinan yang bisa
terjadi antara lain :
C dan D tidak bereaksi (disebut reaksi searah) C dan D bereaksi
membentuk A dan B kembali (disebut reaksi bolak balik)
Persamaan reaksi bisa dituliskan sebagai berikut : Reaksi searah
(irreversible)
A + B C + DReaksi bolak balik (reversible)
A + B C + D
Untuk reaksi yang homogen (satu fasa) dan reaksi sederhana (
tidak melalui tahapan reaksi ) maka persamaan laju reaksi :
a. Untuk reaksi searah dapat dinyatakan : -rA = k CA CB-rA=
lajuA bereaksi , mol /(waktu volume)k = konstanta laju reaksi,
(satuan tergantung order reaksinya)CA,CB= konsentrasi reaktan,
mol/volume, = order reaksi (untuk reaksi elementer order reaksi
sama dengan koefisien reaksi)rB = (/) rA rC = - (/) rA rD = - (/)
rA
b. Untuk reaksi bolak balik dinyatakan dengan persamaan : rA =
k1 CA CB- k2 CC CD
rA= lajuA bereaksi , mol /(waktu volume)k1 = konstanta laju
reaksi ke kanank2 = konstanta laju reaksi ke kiriCA,CB= konsentrasi
reaktan, mol/volumeCC,CD= konsentrasi produk, mol/volume, = order
reaksi ke kanan , = order reaksi ke kiri
Faktor faktor yang berpengaruh terhadap laju reaksi :
1. Konstanta laju reaksi
Semakin besar konstanta laju reaksi maka semakin besar laju
reaksinya.
Konstanta laju reaksi dipengaruhi oleh beberapa faktor antara
lain suhu, frekuensi tumbukan dan energi aktivasi. Persamaan
hubungan konstanta laju reaksi dengan faktor yang berpengaruh dapat
dinyatakan (persamaan Arrhenius):
k= konstanta laju reaksiA= frekuensi tumbukan E= energi
aktivasiT= suhu mutlakR= tetapan gas
Pertanyaan : Jelaskan bagaimana pengaruh suhu terhadap konstanta
laju reaksiJelaskan bagaimana pengaruh energi aktivasi terhadap
konstanta laju reaksi.
Besarnya energi aktivasi tergantung pada reaksi yang terjadi,
dan dapat diturunkan nilainya dengan menggunakan katalisator atau
dapat dinaikkan dengan menggunakan inhibitor.
Katalisator biasanya digunakan untuk mempercepat reaksi pada
reaksi yang lambat biasanya pada reaksi untuk memproduksi suatu
produk agar diperoleh hasil yang sebanyak- banyaknya dalam waktu
yang sesingkat-singkatnya.
Inhibitor biasanya digunakan untuk reaksi-reaksi yang sangat
cepat misalnya pada reaksi nuklir yang bila terjadi sangat cepat
akan menghasilkan tenaga yang sangat besar yang mungkin sangat
berbahaya apabila tidak terkendali maka reaksi harus
diperlambat.
2. Konsentrasi reaktan
Semakin besar konsentrasi reaktan maka semakin besar laju
reaksinya.
Biasanya pada awal reaksi laju reaksi paling besar, kemudian
semakin lama konsentrasi reaktan semakin kecil sehingga laju reaksi
semakin kecil.
Contoh :Suatu reaktor mula-mula berisi larutan yang terdiri atas
bahan A dengan konsentrasi 10 gmol/Liter dan B dengan kosentrasi
25gmol/Liter bereaksi menjadi C dan D mengikuti persamaan reaksi
elementer :A +2B k C + 3D 9irreversibel).dengan nilai konstanta
laju reaksi, k = 2,5 (10-5 )e(-10.000/T). apabila reaksi dijalankan
pada suhu konstan 300 K (isotermal)a.Berapa laju reaksi pada awal
reaksib.Berapa laju reaksi pada saat konversi 50 %c.Berapa laju
reaksi pada awal reaksi apabila suhu reaksi 350 K (isotermal)
HUBUNGAN KONVERSI DENGAN WAKTU PADA REAKSI DENGAN LAJU REAKSI
TERTENTU.
Reaksi Order 1Persamaan hubungan konversi atau konsentrasi suatu
bahan dalam reaktor dengan waktu reaksi dapat dinyatakan
berdasarkan neraca massa dalam reaktor yang digunakan. Misalkan
suatu larutan A dengan konsentrasi CA0 gmol/L dalam reaktor batch
dengan volume larutan VL bereaksi membentuk B dengan persamaan
reaksi A B, reaksi merupakan reaksi order 1 dengan laju reaksi -rA=
kCA, maka dapat dibuat persamaan hubungan konversi dengan waktu
menggunakan neraca massa pada reaktor batch :
Laju bahan masuk Laju bahan keluar Laju bahan bereaksi = Laju
akumulasi.
apabila volume larutan dianggap konstan maka :
Jadi persamaan hubungan konsentrasi A dengan waktu :
Dengan persaman ini dapat diketahui konsentrasi A (CA) pada
setiap saat. Atau bisa dinyatakan hubungan antara konversi dengan
waktu :
Konsentrasi bahan-bahan yang lain bisa dihitung berdasarkan
hukum stoichiometris :
CB = CB0 + CA0X
Contoh soal :Suatu larutan A dengan konsentrasi 0,5 gmol/L dalam
reaktor batch dengan volume larutan 2,5 L bereaksi membentuk B
dengan persamaan reaksi A B, reaksi merupakan reaksi order 1 dengan
laju reaksi rA= kCA, dengan nilai k= 0,01 1/menit berapa
konsentrasi A, konversi A serta konsentrasi B,C maupun D setelah 3
menit :
Penyelesaian :Dengan penjabaran neraca massa A seperti di atas
diperoleh persamaan :
=0,029CB = CB0 - CA0X = 0 + 0,5(0,029 ) = 0,0145 gmol/L
TUGAS 1Suatu larutan A dengan konsentrasi 10 gmol/L dalam
reaktor batch dengan volume larutan 2,5 L bereaksi membentuk B
dengan persamaan reaksi A 3B, reaksi merupakan reaksi order 1
dengan laju reaksi rA= kCA, dengan nilai k= 0,02 1/menit, berapa
konsentrasi A, konversi A serta konsentrasi B, C maupun D setelah 3
menit
