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)?
(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.gif](file:///C:/DOCUME~1/ORION03/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.png)
![http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/fraction1.gif](file:///C:/DOCUME~1/ORION03/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif)
Dengan menaikkan suhu walau hanya
sedikit (ke 303 K), peningkatannya:
![http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/padding.gif](file:///C:/DOCUME~1/ORION03/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.png)
![http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/fraction2.gif](file:///C:/DOCUME~1/ORION03/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.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.gif](file:///C:/DOCUME~1/ORION03/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.png)
![http://www.chem-is-try.org/wp-content/migrated_images/belajar_kfisika01/fraction3.gif](file:///C:/DOCUME~1/ORION03/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.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:
Posting Komentar