KESETIMBANGAN INDUSTRI

                                    

1.       Proses Haber-Bosch

Berbagai jenis pupuk (urea dan sejenisnya) sangat vital bagi peningkatan produksi pangan serta beranekaragam serat sintetik (nilon dan sejenisnya) yang banyak dipakai sebagai busana modern, semua dihasilkan dari bahan baku gas amonia NH₃  . Amonia merupakan bahan baku untuk membuat seluruh senyawa nitrogen lainnya, mulai dari bahan peledak TNT (trinitrotoluena) dan nitrogliserin sampai kepada hidrazin N₂H₄ , yang digunakan sebagai bahan bakar pesawat antariksa Columbia.

Namun amonia berasal dari masyarakat Mesi kuno, tatkala mereka memperoleh gas ini dari hasil pelapukan hewan kurban untuk memuja dewa amon. Akan tetapi rumus amoniak   , baru ditemukan pada tahun 1875 oleh Claude Louis Berthollet dari Perancis.

Pada abad ke-19, sumber nitrogen yang dikenal adalah sendawa chili. Mineral ini ditambang di Chili. Aerika Selatan. Garam nitrat diekstraksi melalui kristalisasi nertingkat dan diangkut ke Eropa melalui Lautan Atlantik. Pada akhir abad ke -19 penggunaan pupuk niterogen berkembang pesat, sedagkan persediaan pupuk makin berkurang. Oleh karena itu orang mulai mempelajari dan mengembangkan cara untuk menghasilkan senyawa nitrogen dari nitrogen di atmosfer. Pada saat itu Inggris lebih memusatkan perhatiannya pada pembuatan pupuk, sedangkan Jerman tertarik untuk membuat asam nitrat sebagai bahan baku pembuatan bahan peledak.

Kepala staff Angkatan Bersenjata Jerman sangat menyadari bahwa jika angkatan laut kerajaan Inggris memblokade pelabuhan di Jerman, maka Jerman tidak dapat mengimpor garam Chili dari Amerika Serikat.

Menjelang Perang Dunia Pertama, setelah empat tahun Fritz Haber (1868 - 1934) mempelajari pembuatan amonia di laboratorium, pada bulan Juni 1908, ia mendemonstrasikan sebuah alat pembuatan amonia kepada sejumlah industriawan. Kepala staff Angkatan Bersenjata Jerman sangat tertarik pada penemuan Haber itu dan memberikan bantuan untuk mempelajari dan meningkatkan amonia dalam skala industri.
Pabrik yang pertama mulai beroperasi pada tahun 1911, dan menjelang 1914 telah dibangun pabrik amonia. Orang yang ditunjuk untuk memimpin kelompok yang mengembagkan proses Haber adalah Carl Bosch (1874 - 1940).
Ketika Perang Dunia pecah pada bula Agustus 1914. orang mengira Jerman akan kekurangan bahan peledak sehingga perang dapat berakhir dalam setahun. Namun hasil penemuan Haber telah memperpanjang masa perag sehingga menambah jumlah korban peperangan. Sebaliknya proses Haebr ini juga telah dimanfaatkan untuk menghasilkan bahan pangan pembuatan pupuk, sehingga dapat digunakan untuk memproduksi makanan bagi penduduk dunia.

Atas keberhasilan mensintesis amonia, Haber dan Bosc dianugerahi hadiah Nobel. Haber memperoleh nobel di tahun 1918 untuk karyanga dalam bidang kimia, sedagkan Bosch di tahui 1931 untuk karnyanya dalam teknik tekanan tinggi

Proses Haber-Bosch adalah proses pembuatan amoniak dari nitrogen (N₂) dan hidrogen (H₂) di industri. Amoniak adalah zat yang penting digunakan antara lain untuk membuat pupuk urea. Menurut reaksi:

N₂ (g) + 3H₂ (g)  <==========>    2NH₃(g)     ΔH = -92 kJ                

Untuk memperbesar hasil reaksi pembuatan amoniak tersebut :

-          karena jumlah koefisien sebelah kiri > jumlah koefisien sebelah kanan, maka untuk menggeser kesetimbangan ke kanan tekanan harus diperbesar atau volume diperkecil.

-          Penambahan gas nitrogen atau hidrogen atau kedua-duanya

-          Pengurangan gas amoniak yang terjadi Karena reaksi eksoterm, maka reaksi sebaliknya dilakukan pada suhu rendah. Namun laju reaksi pada suhu rendah reaksi berjalan lambat maka untuk mengatasi ditambahkan katalis Fe. Kondisi optimal  yang dipakai dalam industri adalah tekanan tinggi ( 200-400 atm), suhu tinggi     500° C ( karena katalis Fe aktif pada suhu tinggi ) dan konversi 30 %..

2.       Proses Kontak

Dibidang industri, asam sulfat merupakan senyawa yang paling banyak dipakai, sehingga dijuluki the lifeblood of industry. Cara pembuatan asam sulfat yang paling murah adalah Proses Kontak yang menggunakan bahan baku belerang, udara dan air.
Proses kontak adalah proses pembuatan belerang trioksida (SO₃) dari belerang oksida (SO₂) dan oksigen (O₂).Asam sulfat merupakan senyawa yang paling banyak digunakan dalam industri.  Pembuatan  asam sulfat yang paling murah ( di industri ) menggunakan proses kontak.

  S_(l)   +  O_2(g)   <==========>      SO_2(g)              ΔH = -298 kJ 
Kalor yang sangat besar yang dihasilkan ini digunakan untuk memanaskan alat pendidih (boiler) yang berbentuk silinder yang dilengkapi pipa air sepanjang aliran campuran gas. Setelah suhu campuran gas turun sampai 400^oC, campuran gas disaring menggunakan penyaring gas karena campuran gas ini masih mengandung debu dari pembakar.
Gas SO₂ yang sudah murni dialirkan ke dalam ruangan yang dilengkapi dengan katalis agar bereaksi dengan oksigen dalam udara. Disini berlangsung proses kontak, yaitu kontak antara campuran gas dengan katalis. Reaksi yang terjadi sebagai berikut :

2SO_2(g) + O_2(g)  <=========>         2SO_3(g)   ΔH = -190 kJ

Menurut Asas Le Chatelier agar dapat terbentuk gas SO₃ sebanyak mungkin, maka kesetimbangan tersebut harus diberi perlakuan, suhu harus rendah, tekanan harus tinggi. Namun demikian untuk menanti sampai mencapat keadaan setimbang, secara industry proses tersebut menjadi tidak ekonomis. Selain itu, jika suhu diperkecil, reaksi akan lambat. Hal penting yang lain, biaya menjadi sangat mahal karena proses dalam suatu pabrik berlangsung pada tekanan tinggi.

Masalah diatas dapat diatasi dengan ,enggunakanan katalis Vanadium (V) oksida V₂O₅. Tetapan kesetimbangan pada 400^oC delapan kali lebih besar dar ipada jika diberlakukan pada suhu 500^oC dan 40 kali lebih besar dari pada diperlakukan pada suhu600^oC. Eksperimen menunjukkan bahwa suhu yang effisien adalah 550^oC dengan hasil 70%. Suatu keuntungan bahwa dengan menggunakan udara yang terdiri atas nitrogen dan oksigen, maka penggunaan volume campuran pada pembentukan SO₃ hanya 8,3%, sehingga proses kontak cukup dilaksanakan pada tekanan atmosfer. Sebagai pembanding, proses Haber-Bosch pada suhu 500^oC dan tekanan biasa, hanya menghasilkan NH₃ sebesar 30%, pada umumnya pabrik ammonia menggunakan tekanan antara 150 sampai 300 atm.

Pada tahap berikutnya untuk mendapatkan asam sulfat, SO₃ dapat direaksikan dengan air sesuai dengan persamaan reaksi berikut :

SO₃ (g)   +   H₂O   (l) ---->   H₂SO₄(aq)

Reaksi ini berlangsung sangat hebat dan menghasilkan uap asam sulfat yang sagat korosif. Untuk mengatasi hai ini gas SO₃ dialirkan melalui menara yang didalamnya terdapat aliran H₂SO₄ pekat, dan hasilnya yaitu H₂S₂O₇ atau disebut “oleum” yang ditampung di menara dasar.

 SO_3(g) + H₂SO_4(l)  <=========>             H₂S₂O_7(l)

H₂S₂ O_7 (l) + H₂O_(l) <=========>         H₂SO_4(aq)

Pada pembentukan senyawa SO₃ terjadi reaksi kesetimbangan, menurut asas Le Chartier  untuk mendapatkan hasil SO₃ sebanyak-banyaknya dengan cara dilakukan pada suhu rendah (ingat! eksotermis ), tekanan tinggi . Namun dalam praktek ( menimbang dari sisi ekonomis ) hasil optimum dicapai pada suhu tinggi ( 550 °C ), tekanan 1 atm, dengan katalis V₂O₃ dan hasil 70%.   

D.  KESETIMBANGAN GAS 

1. Tetapan Kesetimbangan Parsial (Kp)   
Jika suatu campuran gas memiliki tekanan total P atm, maka jumlah tekanan parsial  masing-masing gas sebesar P atm
 P_total = P_a + P_b + P_c + ….. 
                P_a     =          mol A   x P_total 
                                   mol A + mol B + mol C +…
Tetapan kesetimbangan berdasarkan tekanan parsial gas 
 

m A_(g) +  n B_(g)   <========>   p C_(g) +    qD_(g)   

2. Hubungan Kp dengan Kc 
m A_(g) +  n B_(g)  ------------->  p C_(g) +    qD_(g) 
Dari rumus  PV = nRT, dapat disusun    P  = (n/V)RT       
dengan (n/V) = konsentrasi i
Dengan mensubstitusi  kedalam rumus,P = (n/V)RT  Kp akan diperoleh

Δn = jumlah koefisien gas kanan–jumlah koefisien gas kiri
Jika jumlah koefisien gas diruas kanan sama dengan diruas kiri, maka :   Kp = Kc 
 Contoh :
 Pada suhu 500^oK terdapat kesetimbangan
        2SO₂(g)   +   O₂ (g)    <=====>      2SO³(g)    Kc  = 25       
         Jika R = 0,08, Hitung 
         Jawab : 
       Kp   =   Kc (RT) ^Δn 
         = 25 ( 0,08 x 500)^{-1  = 25/40   =   0,625}   
  
3. Tetapan Kesetimbangan Gas ( Kp) untuk Kesetimbangan Heterogen 
Reaksi kesetimbangan heterogen adalah reaksi kesetimbangan yang terdiri dari zat-zat yang berbeda wujudnya. Pada kesetimbangan heterogen, persamaan kesetimbangan gas Kp ditentukan dari zat-zat yang wujudnya gas. 
Contoh

4. Kesetimbangan Dissosiasi 
Kesetimbangan Dissosiasi adalah reaksi kesetimbangan dari reaksi penguraian gas yang merupakan reaksi reversible berarti setiap penguraian gas tidak pernah habis. Sehingga mempunyai harga yangh menyatakan bagian yang terdissosiasi.  Derajat disosiasi ( disimbolkan dengan α )  adalah
 α     =   jumlah mol zat yang terurai   
         jumlah mol zat mula-mula
Contoh :
Sebanyak 0,2 mol HI dimasukkan dalam bejana 1 liter, lalu mengalami reaksi   kesetimbangan  
2HI_(g) <=========>      H_{2 (g)} + I_2 (g)          
Jika derajat disosiasi adalah 0,25,hitunglah tetapan kesetimbangan !
HI mula-mula = 0,2 mol
HI yang terurai = α .a  = 0,25 . 0,2  = 0,05 mol 
                          2HI_{(g)  <=======>}   H_{2 (g)}       +     I_2 (g) 
Mula-mula  :        0,2 
Terurai   :            0,05 
Setimbang :         0,15                0,025            0,025           

Arti Nilai Tetapan Kesetimbangan 
 Memberi petunjuk tentang keadaan kesetimbangan 
1. Jika nilai  Kc ata u Kpsangat besar, menunjukkan bahwa reaksi berjalan kekanan / reaksi berlangsung sempurna / mendekati sempurna
2. Jika nilai  Kc atau Kp sangat kecil, menunjukkan bahwa reaksi berjalan kekanan / rekasi tidak berlangsung sempurna 

Meramalkan arah reaksi 
Jika kedalam suatu tabung dimasukkan zat-zat yang merupakan zat peraksi dan zat hasil reaksi dari suatu reaksi kesetimbangan dalam konsentrasi sembarang maka dapat dipastikan : 
Jika Q > Kc reaksi akan berlangsung dari kanan ke kiri sampai dengan tercapai keadaan setimbang.
Jika Q < Kc reaksi akan berlangsung dari kiri ke kanan sampai dengan tercapai keadaan setimbang

MATERI DAN SOAL KESETIMBANGAN KIMIA

1. C. KESETIMBANGAN INDUSTRI
2. KEADAAN SETIMBANG DAN PERGESERAN KESETIMBANGAN
3. PERHITUNGAN KONSENTRASI DAN KESETIMBANGAN Kc
4. Soal Kesetimbangan
5. TETAPAN KESETIMBANGAN
6. soal keadaan setimbang dan pergeseran kesetimbangan
7. soal kesetimbangan kimia (2)

Sumber:
KIMIA untuk SMA kelas X, Unggul Sudarmo, Penerbit Erlangga, 2004
KIMIA 1 SMU, untuk Kelas 1, Irfan Anshori dan Hiskia Ahmad, Penerbit Erlangga, 1999
KIMIA untuk SMA/MA, kelas X, Tarti Harjani, dkk,  Penerbit Masmedia, 2012