Aplikasi Kecepatan Reaksi- Semua proses kimia yang terjadi di alam maupun yang dikembangkan di industri memiliki kecepatan yang berbeda. Seringkali kecepatan reaksi ini
tidak sesuai dengan keinginan manusia. Pada umumnya, manusia akan
mempercepat reaksi-reaksi yang dianggap menguntungkan. Sebaliknya
reaksi-reaksi yang merugikan diupayakan untuk diperlambat.
1. Peranan Luas Permukaan terhadap Kecepatan Reaksi
Di Indonesia, banyak sekali industri-industri kecil, seperti industri keramik, batubata,
dan penyaring zeolit. Pernahkah Anda berkunjung ke industri kecil
pembuatan tembikar atau keramik tradisional? Untuk membuat keramik,
bahan-bahan perlu dihaluskan dengan ukuran tertentu, disebut mesh.
Ukuran material atau luas permukaan berperan penting dalam industri
keramik. Jika luas permukaan sentuhan dari bahan keramik kecil atau
butirannya kasar, akan terjadi rongga-rongga yang menyebabkan keramik
mudah retak dan terjadi pengerutan. Luas permukaan juga berperan penting
pada pembuatan semen. Jika material semen semakin halus maka luas
permukaan kontak semakin besar dan hasilnya menjadi padat dan kompak
sehingga bangunan menjadi kuat. Berbagai merek dagang jamu, umumnya
dikemas dalam bentuk serbuk halus. Hal ini dimaksudkan agar pada saat
diseduh, senyawa yang terkandung di dalam jamu mudah terekstrak dan
mudah larut dalam air panas. Jika diminum akan cepat dicerna dan diserap
oleh sistem pencernaan.
2. Peranan Katalis Heterogen terhadap Kecepatan Reaksi
Umumnya,
katalis heterogen dibuat dari unsur-unsur logam transisi sebab memiliki
sifat pengadsorpsi gas yang baik. Sejumlah pereaksi berupa gas
terkonsentrasi pada permukaan katalis heterogen dan reaksi berlangsung
pada permukaan katalis heterogen. Pada prinsipnya, mekanisme kerja katalis heterogen melibatkan empat tahap sebagai berikut:
1. adsorpsi pereaksi pada permukaan katalis heterogen;
2. migrasi pereaksi teradsorpsi pada permukaan katalis heterogen;
3. reaksi zat-zat teradsorpsi di permukaan katalis heterogen;
4. proses desorpsi hasil reaksi, produk reaksi meninggalkan permukaan katalis heterogen.
contoh mekanisme kerja katalis dapat dilihat pada Gambar 4.13.
Gambar 4.13 Mekanisme kerja katalis heterogen pada hidrogenasi etena, C2H4 + H2 C2H6
Dalam
proses di industri, walaupun dimungkinkan menerapkan suhu tinggi untuk
mempercepat reaksi, tetapi biaya operasional dan pemeliharaan akan
sangat mahal. Oleh sebab itu, penggunaan katalis heterogen bagi industri
kimia merupakan aspek yang sangat penting. Hampir semua industri kimia
(nasional maupun internasional) menggunakan katalis heterogen di dalam
prosesnya. Beberapa di antaranya adalah industri pembuatan amonia, asam
sulfat, dan asam nitrat.
Pada
sintesis amonia, katalis heterogen yang digunakan adalah besi(II) oksida
dengan promotor ganda, yaitu penambahan sekitar 4% kalium oksida dan
0,8% aluminium oksida. Promotor ini berfungsi untuk meningkatkan
aktivitas katalitik dari besi oksida. Promotor adalah
bahan yang menjadikan katalis lebih efektif. Dalam katalis padat,
sejumlah kecil promotor dapat menyebabkan pembentukan kerusakan kisi
kristal, yang menimbulkan bagian aktif pada permukaan katalis. Dalam
industri asam sulfat yang dikembangkan melalui proses kontak, untuk
mempercepat pembentukan gas SO3 dari gas SO2 dan gas O2digunakan katalis vanadium(V)oksida (V2O5). Tahap-tahap reaksi pembuatan asam sulfat sebagai berikut.
S(s) + O2(g) → SO2(g)
SO2(g) + O2(g) → SO3(g)
SO3(g) + H2SO4(aq) → H2S2O7 (aq)
H2S2O7(aq) + H2O(l ) ⎯⎯→ H2SO4(aq)
Dalam
industri asam nitrat yang dikembangkan melalui proses Ostwald digunakan
katalis Pt–Rh. Tahap-tahap reaksi pembuatan asam nitrat adalah sebagai
berikut.
4NH3(g) + 5O2(g) ⎯⎯→ 4NO(g) + 6H2O( l )
2NO(g) + O2(g) ⎯⎯→ 2NO2(g)
4NO2(g) + O2(g) + 2H2O( l ) ⎯⎯→ 4HNO3(aq)
Pada proses pembakaran yang tidak sempurna, selain gas karbon dioksida (CO2) dihasilkan juga gas karbon monoksida (CO). Berbeda dengan CO2,
karbon monoksida berbahaya bagi manusia karena bersifat racun sehingga
perlu diubah menjadi senyawa yang lebih aman. Salah satu caranya adalah
dengan mereaksikan CO dan H2 menggunakan katalis. Beberapa jenis katalis yang digunakan pada reaksi antara gas CO dan H2 dengan berbagai kondisi reaksi ditunjukkan pada Tabel 4.5 berikut.
Tabel 4.5 Beberapa Katalis untuk Reaksi CO dengan H2
Tabel 4.5 Beberapa Katalis untuk Reaksi CO dengan H2
Katalis
|
Kondisi
|
Reaksi
|
Ni | 100–200°C, 1–10 atm | CO + H2 ⎯⎯→CH4 +H2O |
ZnO, Cr2O3 | 400°C, 500 atm | CO + H2 ⎯⎯→ CH2OH + H2O |
CO, ThO2 | 190°C, 1–20 atm | CO + H2 ⎯⎯→ H2O + CH4, C2H6, |
Ru | 200°C, 200 atm | sampai C6H14 |
ThO2 | 400°C, 200 atm | CO + H2 → Hidrokarbon dengan |
Logam
nikel dapat juga digunakan sebagai katalis dalam pembuatan mentega dari
minyak nabati atau lemak takjenuh melalui proses hidrogenasi. Pada
reaksi ini, ikatan-ikatan rangkap dua karbon (C=C) dalam lemak takjenuh
diubah menjadi ikatan tunggal.
Katalis heterogen juga digunakan dalam konverter katalitik pada sistem pembuangan gas kendaraan bermotor seperti pada Gambar 4.14. Gas buang yang mengandung senyawa NO, CO, dan CHx dilewatkan melalui konverter yang berisi katalis padat.
CO(g) ⎯⎯→ CO2(g)
NO(g) ⎯⎯→ N2(g)
CHx ⎯⎯→ CO2(g) + H2O(g)
Katalis tersebut mengakibatkan cepatnya pengubahan CO menjadi CO2, CHx menjadi CO2 dan H2O, serta NO menjadi gas N2,
yang semuanya relatif ramah lingkungan. Oleh karena sifat reaksi yang
rumit dalam konverter, biasanya digunakan campuran katalis. Material
katalitik yang efektif adalah oksida logam unsur transisi dan logam
mulia seperti platina dan paladium.
Salah satu kendala dalam penggunaan katalis heterogen adalah hampir semua katalis teracuni.
Maksudnya, pengotor-pengotor dalam pereaksi melapisi permukaan katalis
atau memodifikasi permukaan katalis sehingga aktivitas katalitiknya
berkurang. Kerja katalis dapat dihambat oleh suatu inhibitor dengan cara
mengikat katalis atau mengikat pereaksi. Contoh, bau tengik pada
mentega disebabkan oleh adanya ion tembaga
yang masuk ketika pengemasan. Ion tembaga ini berperan sebagai katalis
sehingga mentega cepat teroksidasi. Bau tengik dapat dikurangi dengan
menambahkan sejumlah kecil zat organik tertentu. Penambahan zat ini
dapat mengikation tembaga sehingga efek katalitik dari ion tembaga
hilang.