Sabtu, 28 Februari 2015

Melakukan Proses Kimia Dengan Reaksi Katalitik

A.   PENGERTIAN
Katalis adalah suatu zat yang ditambahkan ke dalam suatu reaksi kimia dengan tujuan untuk memperbesar kecepatan reaksi. Katalis ikut terlibat dalam reaksi tetapi tidak mengalami perubahan kimiawi yang permanen, dengan kata lain, pada akhir reaksi katalis akan dijumpai kembali dalam bentuk dan jumlah yang sama seperti sebelum reaksi. Katalis mempercepat reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi ataupun produk. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat atau memungkinkan terjadinya reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi. Misalnya di laboratorium, untuk memperoleh molekul oksigen, suatu sampel potassium klorat dipanaskan seperti gambar.

Gambar 1. Pemanasan KClO3
Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.
2 KClO3(s)            2 KCl(s) + 3O2(g)
Tanpa keberadaan katalis, proses dekomposisi termal reaksi diatas berlangsung sangat lambat.Laju dekomposisi dapat ditingkatkan secara dramatis dengan menambahkan sejumlah kecilkatalis mangan (II) dioksida (MnO2). Semua MnO2 dapat dihasilkan kembali pada akhir reaksi, seperti semua ion I-  yang tetap ada dalam dekomposisi H2O2.
Katalis mempercepat laju reaksi dengan cara menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi. Adanya penambahan katalis akan menyebabkan terbentuknya tahap-tahap reaksi tambahan, yaitu tahap pengikatan katalis dan tahap pelepasan katalis pada akhir reaksi. Katalis ini bersifat spesifik, artinya hanya berfungsi untuk suatu reaksi tertentu. Dengan kata lain penambahan katalis memberikan jalan baru bagi reaksi yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah, sehingga lebih banyak molekul yang bertumbukan pada suhu normal dan laju reaksi semakin cepat. Jadi, penambahan katalis pada suatu reaksi kimia dapat menurunkan energy aktivasi reaksi sehingga reaksi berlangsung lebih cepat. Untuk lebih jelasnya, pengaruh katalis terhadap energy aktivasi dapat dilihat pada gambar 2. 
                                                    Gambar 2
Contoh katalis sebagai zat pengikat yakni katalis logam seperti nikel (Ni), platina (Pt), dan kromium (Cr). Permukaan logam-logam tersebut memiliki kemampuan mengikat zat yang akan beraksi sehingga terbentuk spesi yang reaktif.
Komponen inti katalis menurut derajat kepentingannya:
1. Selektifitas
Adalah kemampuan katalis untuk memberikan produk reaksi yang diinginkan (dalam jumlah tinggi) dari sekian banyak produk yang mungkin dihasilkan. Produk yang diinginkan tadi sering disebut sebagai yield sedangkan banyaknya bahan baku yang berhasil diubah menjadi aneka produk dikatakan sebagai konversi.
Yield = %selektifitas x konversi
2. Stabilitas
Kemampuan sebuah katalis untuk menjaga aktifitas, produktifitas dan selektifitasnya dalam jangka waktu tertentu
3. Aktifitas
Kemampuan katalis untuk mengubah bahan baku menjadi produk atau aneka produk yang diinginkan (lebih dari satu). Aktifitas = massa (kg) bahan baku yang terkonversi/(kg atau liter katalis x waktu) atau Konversi, yaitu persentase dari bahan baku menjadi aneka produk. Atau TON (turnover Number), yaitu banyaknya molekul yang bereaksi/(waktu, misalnya detik x setiap situs aktif)
Tiga metode untuk mengukur aktifitas katalis :
1. Aktifitas dapat dinyatakan dalam konsep kinetika. Aktifitas dapat dinyatakan dari pengukuran kecepatan reaksi dalam jangkauan tertentu suhu dan konsentrasi. Kecepatan reaksi, r, dihitung sebagai kecepatan perubahan sejumlah zat, nA dari reaktan A persatuan waktu dan per satuan volume (atau per satuan massa) katalis, sehingga r ini memiliki unit mol L-1 h-1 atau mol kg-1 h-1.
2. Aktifitas dapat pula dinyatakan oleh turnover number (TON) yang didefinisikan sebagai banyaknya molekul reaktan yang terlibat dalam reaksi tiap situs aktif dan tiap detik.
3. Dalam prakteknya, sebagai perbandingan aktifitas, ukuran-ukuran berikut ini dapat pula digunakan:
a.Konversi dalam kondisi reaksi tetap
b.Space velocity untuk konversi tetap yang tertentu
c. Space-time yield
d. Suhu yang dibutuhkan untuk suatu konversi tertentu

B.   JENIS-JENIS KATALIS
Berdasarkan wujudnya, katalis dapat dibedakan menjadi katalis homogen dan katalis heterogen (James E. Brady, 1990).
1.1. Katalis Homogen
Katalis homogen adalah katalis yang dapat bercampur secara homogen dengan zat pereaksinya karena mempunyai wujud yang sama.
Contoh Katalis Homogen :
a. Katalis dan pereaksi berwujud gas
NO(g)
2SO2(g) + O2(g)
2SO3(g)

b. Katalis dan pereaksi berwujud cair
H+(aq)
C12H22O11(aq) + H2O(l)
C6H12O6(aq)
+
C6H12O6(aq)
glukosa
fruktosa





1.2. Katalis Heterogen
Katalis heterogen adalah katalis yang tidak dapat bercampur secara homogen dengan pereaksinya karena wujudnya berbeda.
Contoh Katalis Heterogen :
Katalis berwujud padat, sedang pereaksi berwujud gas.
Ni(s)
C2H4(g) + H2(g)
C2H6(g)

1.3. Autokatalis
Autokatalis adalah zat hasil reaksi yang bertindak sebagai katalis.
Contoh Autokatalis  :
CH3COOH yang dihasilkan dari reaksi metil asetat dengan air merupakan autokatalis reaksi tersebut.
CH3COOCH3(aq) + H2O(l) → CH3COOH(aq) + CH3OH(aq)
Dengan terbentuknya CH3COOH, reaksi menjadi bertambah cepat.

1.4. Biokatalis
Biokatalis adalah katalis yang bekerja pada proses metabolisme, yaitu enzim.
Contoh Biokatalis :
Enzim hidrolase mempercepat pemecahan bahan makanan melalui reaksi hidrolisis.

1.5. Inhibitor
Inhibitor adalah zat atau senyawa yang kerjanya memperlambat reaksi atau menghentikan reaksi.
Contoh Inhibitor :
I2 atau CO bersifat inhibitor bagi reaksi:
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)

1.6. Racun Katalis
Racun katalis adalah inhibitor yang dalam jumlah sangat sedikit dapat mengurangi atau menghambat kerja katalis.
Contoh Racun Katalis :
CO2, CS2, atau H2S merupakan racun katalis pada reaksi:
Pt
2H2(g) + O2(g)
2H2O(l)


C.   MEKANISME KERJA KATALIS
Teknologi katalis telah digunakan dalam industri kimia lebih dari 100 tahun lamanya dan penelitian serta pengembangan teknologi katalis telah menjadi semacam bidang kekhususan kimia.
Suatu reaksi eksoterm AB(g) + C(g)     AC(g) + B(g). Reaksi ini berlangsung lambat, karena energi aktivasinya (Ea) lebih besar dibanding energi molekulnya. Hanya sebagian kecil molekul yang mencapai Ea.

Oleh karena itu untuk mempercepat reaksi ini, ditambahkan suatu katalis. Apa fungsi katalis? Mengapa katalis dapat mempercepat reaksi? Bagaimana cara katalis mempercepat reaksi itu? Berdasarkan diagram di atas, Ea' dengan katalis lebih rendah. Mengapa?
Katalis itu berupa zat yang dicampurkan dengan reaktan. Jika reaksi di atas tanpa katalis, AB dan C bertumbukan sampai mencapai Ea yang relatif tinggi. Karena umumnya energi molekulnya rendah, jadi tumbukan yang terjadi tidak efektif. Ea sangat sulit dicapai. Untuk itu maka ditambahkan zat yang bertindak sebagai katalis.
Ternyata pada saat katalis dicampurkan reaksi makin cepat. Jelas bahwa katalis itu dapat mempengaruhi salah satu reaktan. Misalnya dalam reaksi ini katalis cocok sifatnya dengan AB. Maka seperti robot, AB tertarik ke katalis membentuk KAB. KAB tergolong kompleks teraktivasi yang merupakan tahap reaksi hipotesis; KAB kemudian terurai menjadi KA dan B. Setelah itu terjadi tahap reaksi berikutnya, yaitu C ditarik oleh KA menjadi KAC yang kemudian langsung K lepas dan terbentuklah AC. Mekanisme reaksi di atas adalah :
K + AB --> KAB --> KA + B (lambat)
KA + C --> KAC --> K + AC (cepat)
K + AB + C --> K + AC + B
Jadi katalis ikut ambil bagian dalam reaksi, memberi jalan baru melalui mekanisme reaksi baru yang energi aktivasinya lebih rendah, kemudian terbentuk kembali dalam keadaan yang sama.


D.   ENERGI AKTIVASI
Energi Aktivasi  adalah energi minimum yang diperlukan untuk melangsungkan terjadinya suatu reaksi. Contoh yang sederhana adalah reaksi exotermal yang digambarkan seperti di bawah ini:
Jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang lebih rendah dari energi aktivasi, tidak akan terjadi reaksi. Mereka akan kembali ke keadaan semula. Anda dapat membayangkan energi aktivasi sebagai tembok dari reaksi. Hanya tumbukan yang memiliki energi sama atau lebih besar dari aktivasi energi yang dapat menghasilkan terjadinya reaksi.
Di dalam reaksi kimia, ikatan-ikatan diceraikan (membutuhkan energi) dan membentuk ikatan-ikatan baru (melepaskan energi). Umumnya, ikatan-ikatan harus diceraikan sebelum yang baru terbentuk. Energi aktivasi dilibatkan dalam menceraikan beberapa dari ikatan-ikatan tersebut.
Ketika tumbukan-tumbukan tersebut relatif lemah, dan tidak cukup energi untuk memulai proses penceraian ikatan. mengakibatkan partikel-partikel tersebut tidak bereaksi.
Karena energi aktivasi memegang peranan penting dalam menentukan suatu tumbukan menghasilkan reaksi, hal ini sangat berguna untuk menentukan bagaimana macam bagian partikel berada untuk mendapatkan energi yang cukup ketika mereka bertumbukan.
Di dalam berbagai sistem, keberadaan partikel-partikel akan memiliki berbagai variasi besar energi. Untuk gas, dapat diperlihatkan melalui diagram yang disebut dengan Distrubis Maxwell-Boltzmann dimana setiap kumpulan beberapa partikel memiliki energinya masing-masing.Luas dibawah kurva merupakan ukuran banyaknya partikel berada.
Distribusi Maxwell-Boltzmann dan energi aktivasi
Ingat bahwa ketika reaksi berlangsung, partikel-partikel harus bertumbukan guna memperoleh energi yang sama atau lebih besar daripada aktivasi energi untuk melangsungkan reaksi. Kita dapat mengetahui dimana energi aktivatisi berlangsung dari distribusi Mazwell-Boltzmann.
Perhatikan bahwa sebagian besar dari partikel-partikel tidak memiliki energi yang cukup untuk bereaksi ketika mereka bertumbukan. Untuk membuat mereka bereaksi kita dapat mengubah bentuk dari kurva atau memindahkan aktivasi energi lebih ke kanan.Hal ini akan dijelaskan lebih lanjut di halaman-halaman berikutnya.
Dalam suatu reaksi, peran katalis adalah untuk menurunkan energi aktivasi dengan jalan mengubah mekanisme reaksi, yaitu dengan jalan menambah tahap-tahap reaksi. Katalis ikut serta dalam suatu tahap reaksi, akan tetapi pada akhir reaksi katalis terbentuk kembali (James E. Brady, 1990).

Contoh :

O2(g) + 2SO2(g) → 2 SO3(g) (energi aktivasi tinggi)

Setelah ditambahkan gas NO yang bertindak sebagai katalis, tahap-tahap reaksi menjadi :

2 NO(g) + O2(g)
2 NO2(g)
(energi aktivasi rendah)
2 NO2(g) + 2 SO2(g)
2 SO3(g) + 2NO(g)
(energi aktivasi rendah)
Ni(s)
O2(g) + 2SO2(g)
2SO3(g)

Dengan adanya katalis ini, energi aktivasi menjadi lebih rendah, sehingga persentase partikel yang mempunyai energi lebih besar dari energi aktivasi.


E.    CONTOH PERHITUNGAN

1.      Cu sebesar 10oC ke, misalkan, dari 20oC ke 30oC
(293 K ke 303 K)?
(*) Faktor frekwensi, A, dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk perubahaan suhu yang kecil. Kita perlu melihat bagaimana perubahaan e-(EA/RT) – energi dari fraksi molekul sama atau lebih dengan aktivasi energi.
Mari kita ansumsikan energi aktivasi 50 kJ mol-1. Dalam persamaan, kita perlu menulisnya sebagai 50000 J mol-1. Harga dari konstanta gas, R, adalah 8.31 J K-1 mol-1.
Pada 20oC(293 K) harga dari fraksi adalah:
http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/padding.gifhttp://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/fraction1.gif
Dengan menaikkan suhu walau hanya sedikit (ke 303 K), peningkatannya:
http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/padding.gifhttp://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/fraction2.gif
Kita dapat melihat bahwa fraksi molekul-molekul mampu untuk bereaksi dua kali lipat dengan peningkatan suhu sebesar 10oC. Hal ini menyebabkan laju reaksi hampirmenjadi berlipatganda.
Pengaruh dari katalis
Katalis akan menyediakan rute agar reaksi berlangsung dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Andaikan keberadaan katalis menurunkan energi aktivasi sebesar 25 kJ mol-1. Kita ulangi perhitungan pada 293 K :
http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/padding.gifhttp://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/fraction3.gif
Jika kita membandingkan ketika harga dari aktivasi energi sebesar 50 kJ mol-1, kita dapat melihat terjadi peningkatan yang luar biasa pada fraksi molekul-molekul untuk dapat bereaksi. Hampir lebih dari 30000 lipat molekul-molekul dapat bereaksi dengan keberadaan katalis dibandingkan tanpa katalis.

F.      DAFTAR PUSTAKA
1.       Purba, Michael. 2007.KIMIA untuk SMA Kelas XI. Jakarta. Erlangga.
2.       http://hera-kimia.blogspot.com/
3.       http://id.wikipedia.org/wiki/Katalis

4.       http://ebenbohr.wordpress.com/40-laju-orde-katalis/

0 komentar:

:a: :b: :c: :d: :e: :f: :g: :h: :i: :j: :k: :l: :m: :n:

Posting Komentar