Reaksi Kesetimbangan dalam Industri

Reaksi kesetimbangan dalam industri. Dalam industri, ada bahan-bahan yang dihasilkan melalui reaksi-reaksi kesetimbangan, misalnya industri pembuatan ammonia, pembuatan asam nitrat dan pembuatan asam sulfat. Masalah yang dihadapi adalah bagaimana memperoleh hasil yang berkualitas tinggi dalam jumlah banyak dengan menggunakan proses efisien dan efektif. Untuk memecahkan masalah tersebut, pengetahuan tentang kesetimbangan kimia sangat diperlukan. Berikut ini akan dibahas cara pembuatan ammonia, asam sulfat, dan asam nitrat yang efisien, efektif dan biaya yang tidak terlalu besar.

Pembuatan Amonia dengan Proses Haber-Bosch

Unsur nitrogen terdapat di atmosfer dan menyusun sebanyak 78% dari volumenya, tetapi karena kelembaman nitrogen, senyawa-senyawa nitrogen tidak banyak terdapat di alam. Metode untuk menyintesis senyawa-senyawa nitrogen yang dikenal sebagai fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode utama adalah mereaksikan nitrogen dan hidrogen membentuk amonia. Amonia selanjutnya diubah menjadi senyawa nitrogen lainnya, seperti asam nitrat dan garam nitrat. Pupuk urea (CO(NH$_2)_2$) merupakan bahan kimia yang terbentuk melalui reaksi NH$_3$ dengan CO$_2$.

       Amonia juga digunakan dalam pembuatan bermacam-macam monomer yang mengandung nitrogen untuk industri nilon, polimer-polimer akrilat, dan busa poliutretan. Amonia juga digunakan dalam industri farmasi, macam-macam bahan organik, anorganik, detergen dan larutan pembersih, pupuk, dan bahan peledak (TNT atau trinitrotoluena).

       Dasar teori dari reaksi sintesis amonia dan uji laboratorisnya merupakan penelitian Fritz Haber (1908). Usaha pengembangan proses Haber menjadi proses besar-besaran. Usaha tersebut merupakan tantangan bagi insinyur-insinyur kimia pada saat itu. Hal ini karena metode tersebut mensyaratkan reaksi kimia dalam fasa gas pada suhu dan tekanan tinggi dengan katalis yang sesuai. Pekerjaan ini dipimpin oleh Carl Bosch di Badishe Anilin and Soda Fabrik (BASF). Pada tahun 1913, pabrik beroperasi dengan produksi 30.000 kg NH$_3$ per hari. Pabrik amonia modern saat ini mempunyai kapasitas 50 kali lebih besar.

Beberapa data relevan mengenai reaksi sintesis amonia adalah:
$N_2(g) + 3 H_2(g) \rightleftharpoons 2 NH_3(g) $
$ \Delta H $ = -92,38 kJ/mol, suhu = 298 K, Kp = 6,2 $\times 10^5 $

       Untuk setiap 1 mol gas nitrogen dan 3 mol gas hidrogen dihasilkan 2 mol gas amonia. Peningkatan tekanan menyebabkan campuran reaksi bervolume kecil dan menyebabkan terjadinya reaksi yang menghasilkan amonia lebih besar. Reaksi ke kanan bersifat eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik terjadi jika suhu diturunkan, sehingga reaksi bergeser ke kanan menghasilkan ammonia makin besar. Jadi kondisi optimum untuk produksi NH$_3$ adalah tekanan tinggi dan suhu rendah. Tetapi, keadaan optimum ini tidak mengatasi masalah laju reaksi. Sekalipun produksi kesetimbangan NH$_3$ lebih baik terjadi pada suhu rendah, namun laju pembentukannya sangat lambat, sehingga reaksi ini tidak layak. Salah satu cara untuk meningkatkan reaksi adalah dengan menggunakan katalis. Walaupun tidak mempengaruhi kesetimbangan, namun katalis dapat mempercepat reaksi. Keadaan reaksi yang biasa dilakukan dalam proses Haber-Bosch adalah pada suhu 550 $^\circ$C, tekanan dari 150 sampai dengan 500 atm, dan katalis biasanya besi dengan campuran Al$_2$O$_3$, MgO, CaO, dan K$_2$O. Cara lain untuk meningkatkan laju produksi NH$_3$ adalah memindahkan NH$_3$ dengan segera setelah terbentuk.

       Titik didih gas NH$_3$ lebih tinggi daripada titik didih nitrogen dan hidrogen. Proses selanjutnya, gas amonia didinginkan sehingga mencair. Gas nitrogen dan gas hidrogen yang belum bereaksi dan gas amonia yang tidak mencair kemudian diresirkulasi, dicampur dengan gas nitrogen dan hidrogen, kemudian dialirkan kembali ke dalam tangki.
Sumber: Kimia Dasar, Prinsip dan Terapan Modern, Jilid 2, Ralph H. Petrucci, 1996.

Bagan pembuatan amonia secara sederhana dapat dilihat pada gambar berikut ini:

Pembuatan asam sulfat dengan proses kontak

       Salah satu cara pembuatan asam sulfat melalui proses industri dengan produk yang cukup besar adalah dengan proses kontak. Bahan yang digunakan pada proses ini adalah belerang dan melalui proses berikut:
a. Belerang dibakar di udara, sehingga bereaksi dengan oksigen dan menghasilkan gas belerang dioksida.
$S(s) + O_2(g) \rightarrow SO_2(g) $
b. Belerang dioksida direaksikan dengan oksigen dan dihasilkan belerang trioksida.
$SO_2(g) + \frac{1}{2} O_2(g) \rightleftharpoons SO_3(g) $
Reaksi ini berlangsung lambat, maka dipercepat dengan katalis vanadium pentaoksida (V$_2$O$_5$) pada suhu $\pm$ 450 $^\circ$C.
c. SO$_3$ yang dihasilkan, kemudian dipisahkan, dan direaksikan dengan air untuk menghasilkan asam sulfat.
$SO_3(g) + H_2O(l) \rightarrow H_2SO_4(aq) $
d. Reaksi tersebut berlangsung hebat sekali dan menghasilkan asam sulfat yang sangat korosif. Untuk mengatasi hal ini, gas SO$_3$ dialirkan melalui menara yang di dalamnya terdapat aliran H$_2$SO$_4$ pekat, sehingga terbentuk asam pirosulfat (H$_2$S$_2$O$_7$) atau disebut "oleum". Asam pirosulfat direaksikan dengan air sampai menghasilkan asam sulfat.
$SO_3(g) + H_2SO_4(g) \rightarrow H_2S_2O_7(aq) $
$H_2S_2O_7(aq) + H_2O(l) \rightarrow 2 H_2SO_4(l) $

       Beberapa manfaat asam sulfat adalah untuk pembuatan pupuk, di antaranya pupuk superfosfat, detergen, cat kuku, cat warna, fiber, plastik, industri logam, dan pengisi aki. Asam sulfat kuat 93% sampai dengan 99% digunakan untuk pembuatan berbagai bahan kimia nitrogen, sintesis fenol, pemulihan asam lemak dalam pembuatan sabun, pembuatan asam fosfat dan tripel superfosfat. Oleum (H$_2$S$_2$O$_7$) digunakan dalam pengolahan minyak bumi, TNT (trinitrotoluena), dan zat warna serta untuk memperkuat asam lemah.

Berikut ini adalah diagram alir pabrik asam sulfat kontak yang menggunakan pembakaran belerang dan absorpsi tunggal dengan injeksi udara (pengenceran) antartahap.

 Gambar: proses kontak
Sumber: Austin, Goerge T. E. Jasjfi. 1996.

Pembuatan asam nitrat (HNO$_3$) dengan proses Ostwald

       Asam nitrat (HNO$_3$) merupakan asam oksidator kuat yang cukup berbahaya. Asam ini mudah bereaksi dengan logam membentuk gas beracun. Dalam kehidupan sehari-hari, asam nitrat sering digunakan sebagai dasar pembuatan pupuk sebagaimana dengan amoniak. Asam ini juga merupakan bahan dalam pembuatan bahan peledak. Pembuatan asam nitrat dikenal dengan proses Otswald. Proses ini berlangsung dalam 3 tahap, yaitu :
a. Pembentukan NO
Gas NO diperoleh dari mereaksikan amoniak dengan oksigen pada suhu 900 $^\circ$C tekanan 4 atm sampai 10 atm dengan adanya katalis Pt-Rh. Reaksi yang terjadi adalah
$4NH_3(g) + 5O_2(g) \rightleftharpoons 4NO(g) + H_2O(l) \, \, \Delta H$ = -907 kJ

b. Pembentukan NO$_2$
Setelah gas NO terbentuk, gas NO didinginkan dahulu sampai suhu mencapai 25-40 $^\circ$C kemudian direaksikan dengan gas oksigen pada tekanan 7-12 atm. Reaksi yang terjadi adalah
$2NO(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g) \, \, \, \, \Delta H $ = -114 kJ

c. Pembentukan HNO$_3$
Pada tahap ini, gas NO$_2$ direaksikan dengan air membentuk HNO$_3$ dan NO. Reaksi yang terjadi
$3NO(g) + H_2O(l) \rightleftharpoons 2HNO_3(g) + NO(g) \, \, \, \Delta H $ = -114 kJ

Demikian pembahasan materi Reaksi Kesetimbangan dalam Industri dan contoh-contohnya.