KESETIMBANGAN KIMIA DALAM INDUSTRI

Banyak proses industri zat kimia yang didasarkan pada reaksi kesetimbangan. Agar efesien, kondisi reaksi haruslah diusahakan sedemikian sehingga menggeser kesetimbangan ke arah produk dan meminimalkan reaksi balik. Misalnya:

1.      Pembuatan Amonia menurut proses Haber-Bosch
Nitrogen terdapat melimpah di udara, yaitu sekitar 78% volume. Walaupun demikian, senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam. Satu-satunya sumber alam yang penting ialah NaNO₃ yang disebut Sendawa Chili. Sementara itu, kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya untuk industri pupuk, dan bahan peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen, fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode yang utama adalah mereaksikan nitrogen dengan hidrogen membentuk amonia. Selanjutnya amonia dapat diubah menjadi senyawa nitrogen lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman.

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH₃) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi
tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500^o C sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen.

Dewasa ini, seiring dengan kemajuan teknologi, digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan.
Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia.

Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia

 

a.      Optimasi Suhu.

Oleh karena pembentukan amonia bersifat eksoterm maka untuk mengoptimalkan produksi amonia, suhu reaksi harus tinggi atau rendah? Tentunya harus rendah karena suhu reaksi yang tinggi akan menggeser kesetimbangan ke arah reaksi endoterm (penguraian amonia). Jika suhu terlalu rendah, reaksi berlangsung sangat lambat (hampir tidak bereaksi). Jika suhu terlalu tinggi, reaksi bergeser ke arah penguraian amonia. Jadi, bagaimana cara yang efektif dan efisien? Dalam kasus seperti ini, perlu ditentukan suhu optimum (tidak terlalu tinggi, juga tidak terlalu rendah). Hasil penyelidikan menunjukkan bahwa suhu optimum pembentukan amonia sekitar 450 ^oC–500 ^oC.

b.      Optimasi Tekanan.

Selain optimasi suhu, tekanan juga perlu dioptimasi, mengapa? Ini dikarenakan sintesis amonia melibatkan fasa gas dan rasio stoikiometri antara pereaksi dan hasil reaksi tidak sama. Koefisien reaksi pembentukan amonia lebih kecil dari koefisien pereaksi sehingga tekanan harus tinggi. Dalam praktiknya, tekanan yang diterapkan sekitar 250.

Mengapa tekanan yang diterapkan tidak lebih tinggi lagi? Hal ini berkaitan dengan aspek teknologi. Semakin tinggi tekanan maka diperlukan peralatan yang sangat kuat agar tidak terjadi ledakan.

2.      Pembuatan Asam Sulfat Menurut Proses Kontak
Industri lainnya yang berdasarkan reaksi kesetimbangan yaitu pembuatan asam sulfat yang dikenal dengan proses kontak. Reaksi yang terjadi dapat diringkas sebagai berikut ;

1.    Pembentukan belerang dioksida, persamaan reaksinya adalah

S_{( l )} + O_2(g) → SO_2(g)

2. Pembentukan belerang trioksida, persamaan reaksinya adalah
SO_2(g) + O_2(g) ⇆ SO_3(g)       ΔH = –190 kJ

3.    Pembentukan asam sulfat, melalui zat antara, yaitu asam pirosulfat.

Persamaan reaksinya adalah

SO₃^–_(g) + H₂SO_4(aq) → H₂S₂O_7(aq)
H₂S₂O_7(aq) + ½ O_(l) → 2H₂SO_4(aq)

Tahap penting dalam proses ini adalah reaksi (b). Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan dan eksoterm. Sama seperti pada sintesis amonia, reaksi ini hanya berlangsung baik pada suhu tinggi. Akan tetapi pada suhu tinggi justru kesetimbangan bergeser ke kiri.

Dalam industri kimia, jika campuran reaksi kesetimbangan mencapai kesetimbangan maka produk reaksi tidak bertambah lagi. Akan tetapi produk reaksinya diambil atau disisihkan, maka akan menghasilkan lagi produk reaksi.

Amonia yang terbentuk dipisahkan dari campuran kesetimbangan dengan cara pencarian dari gas nitrogen di daur ulang ke wadah reaksi untuk menghasilkan produk reaksi.

Banyak proses alamiah dalam kehidupan sehari-hari berkaitan dengan perubahan konsentrasi pada sistem kesetimbangan. pH darah dan jaringan badan kira-kira 7,4 . Harga ini diatur dalam darah berada dalam kesetimbangan dengan ion hidrogen karbonat dan ion hidrogen.

Jika konsentrasi ion hidrogen bertambah, ion-ion ini bereaksi dengan ion hidrogen karbonat. Jika konsentrasi ion hidrogen terlampau rendah, asam karbonat bereaksi menghasilkan hidrogen. Oksigen diangkut dari paru-paru ke sel badan oleh haemoglobin dalam sel darah merah. Dalam paru-paru, konsentrasi oksigen cukup tinggi dan haemoglobin bereaksi dengan oksigen membentuk oksihemoglobin. Reaksi ini dapat ditulis,

Dalam jaringan tubuh, konsentrasi oksigen rendah, sehingga reaksi sebaliknya yang terjadi, yaitu menghasilkan oksigen untuk digunakan dalam sel tubuh.
Ketika oksigen diangkut dari paru-paru ke jaringan tubuh, karbon dioksida yang dihasilkan oleh respirasi sel angkut dari jaringan tubuh ke paru-paru.
Dalam jaringan tubuh karbon dioksida yang konsentrasinya relatif tinggi melarut dalam darah bereaksi dengan air membentuk asam karbonat.

Dalam paru-paru di mana konsentrasi karbon dioksida relatif rendah, reaksi sebaliknya yang terjadi dan karbon dikeluarkan dari darah ke udara.

Jika air tanah mengalir melalui daerah berkapur, maka batu kapur melarut. Jika air berjumpa dengan udara yang mengandung sedikit karbondioksida maka karbon dioksida akan dilepaskan dari larutan ke udara, sehingga kalsium karbonat mengendap.

3. Reaksi Kesetimbangan pada Industri Asam Nitrat.

Asam nitrat banyak digunakan dalam pembuatan pupuk, nitrasi senyawa organik untuk bahan eksplosif, plastik, celupan, dan pernis, juga sebagai bahan oksidator dan pelarut. Di industri, pembuatan asam nitrat menggunakan proses Ostwald, yaitu pembuatan asam nitrat dari bahan mentah amonia dan udara. Proses pembuatan asam nitrat melalui tiga tahapan, yaitu:

a.      Tahap pembentukan nitrogen oksida.

Campuran amonia dan udara berlebih dialirkan melewati katalis Pt–Rh pada suhu 850°C dan tekanan 5 atm. Persamaan reaksinya:

4NH_3(g) + 5O_2(g) ⇆ 4NO_(g) + 6H₂O_{( l )}      ΔH= 907 kJ (pada 25°C)

b.      Tahap pembentukan nitrogen dioksida.

Nitrogen monoksida dioksidasi kembali dengan udara membentuk gas nitrogen dioksida. Persamaan reaksinya:

2NO_(g) + O_2(g) ⇆ 2NO_2(g)           ΔH= –114,14 kJ (pada 25°C)

c.     Tahap pembentukan asam nitrat.

Nitrogen dioksida bersama-sama dengan udara berlebih dilarutkan dalam air panas 80°C membentuk asam nitrat. Persamaannya:

4NO_2(g) + O_2(g) + 2H₂O_{( l )} → 4HNO_3(aq)

Pada proses Ostwald, ada dua tahap reaksi yang membentuk kesetimbangan, yaitu tahap satu dan tahap dua. Kedua tahap itu bersifat eksotermis dan memiliki koefisien reaksi yang berbeda, yaitu koefisien hasil reaksi lebih kecil dari koefisien pereaksi. Pada tahap dua, reaksi tidak efisien pada suhu tinggi, sehingga gas NO panas yang terbentuk pada tahap pertama didinginkan dengan memasok udara dingin, sekaligus berfungsi untuk mengoksidasi gas NO menjadi NO₂.