KATALIS

Salah satu eksperimen yang cukup "favorit" di laboratorium kimia adalah pembuatan gas

O₂ dengan cara memanaskan kalium klorat (KClO₃), menurut reaksi :

2 KClO₃ (s)           2 KCl (s)   +   3O₂ (g)

Jika hanya KClO3 saja yang dipanaskan, maka gas O₂ lambat terbentuk dan harus pada suhu yang cukup tinggi. Tetapi jika sedikit batu kawi (MnO₂) ditambahkan ke dalam KClO₃, baru kemudian dipanaskan, ternyata gas O₂ cepat terbentuk pada suhu relative rendah

Apakah yang terbuat oleh MnO₂? Ia sama sekali tidak menyumbangkan oksigen, sebab gas O₂ yang terbentuk semata-mata berasal dari  penguraian KClO₃. Pada akhir reaksi. MnO₂ yang ditemukan dalam tabung dalam jumlah yang tidak berubah. Jadi hanya kehadirannya yang diperlukan untuk mempercepat reaksi tersebut. Zat-zat semacam ini disebut katalis.

Katalis didefinisikan sebagai zat yang mempercepat reaksi tetapi tidak dianggap ikur bereaksi.

Untuk memahami peranan katalis, perhatikan contoh sebagai berikut :

Misalkan, rekasi A dan B membentuk AB berlangsung lambat. Di lain pihak, A dan B masing-masing cepat bereaksi dengan zat lain, misalnya C. Maka C dapat digunakan sebagai katalis.

Reaksi Tanpa katalis C :

A    +    B      ----->      AB    (lambat)

Reaksi dengan katalis C:

-    A     +     C      ---->      AC               (cepat)

-    AC   +      B    ----->      AB   +   C    (cepat)

     A    +    B       ------>          AB       (cepat)

 Jadi suatu katalis sebenarnya terlibat dalam reaksi, tetapi pada akhir reaksi dikembalikan lagi ke bentuk semula. Karena jumlah katalis sebelum dan sesudah reaksi tetap, maka katalis dianggap tidak ikut bereaksi, sehingga tidak perlu dituliskan dalam persamaan reaksi. Katalis dituliskan di atas tanda anak panah

  A    +    B       --^t---->          AB

Ditinjau dari segi energi, reaksi A    +    B      ----->      AB memiliki Energi aktivasi (Ea) yang tinggi, sedangkan reaksi  A     +     C      ---->      AC  serta AC   +      B    ----->      AB   +   C memiliki Ea yang rendah. Jadi, katalis menyediakan tahapan reaksi (jalan) lain yang energi pengaktivannya (Ea) lebih kecil.

Dalam tubuh kita, proses pencernaan (penguraian makanan oleh air) dipercepat oleh katalis yang disebut enzim. Enzim-enzim bekerja secara spesifik: suatu reaksi hanya dapat dipercepat oleh enzim tertentu, ibarat anak kunci dan lubang kuncinya. Zat yang akan dipercepat reaksinya disebut substrat. Enzim membentuk suatu kompleks dengan substrat, lalu kompleks itu terurai menghasilkan zat yang diinginkan, dan enzim dikembalikan ke bentuk semula. Berkat adanya enzim-enzim, metabolisme tubuh kita berjalan lancar. Sebagai contoh reaksi penguraian nasi (amilum ) menjadi glukosa-glukosa berlangsung cepat pada suhu yang relatif rendah (37^oC).

Pada Bidang industri sudah tentu peranan katalis sangat penting. Dengan dipercepatnya suatu reaksi oleh katalis, biaya pembuatan suatu produk  bisa dihemat dan produk yang dihasilkan dapat dipercepat pemasarannya. Di sini kita akan membahas dua proses yang cukup penting yaitu Proses Kontak (pembuatan asam sulfat) dan Proses Haber-Bosch (pembuatan amonia)

PROSES KONTAK

Proses kontak merupakan proses pembuatan asam sulfat secara besar-besaran. Dalam industri modern, banyak sekali digunakan asam sulfat antara lain sebagai: pada pembuatan pupuk amonium sulfat dan pada proses pemurnian minyak tanah, pada industri baja untuk menghilangkan karat besi sebelum bajanya dilapisi timah atau seng, pada pembuatan zat warna, obat-obatan, pada proses pemurnian logam dengan cara elektrolisa, pada industri tekstil, cat, plastik, akumulator, bahan peledak, dll. Pendeknya, banyaknya pemakaian asam sulfat disuatunegara telah dipakai sebagai ukuran kemakmuran negara tersebut.
I. Pada pembuatan asam sulfat menurut proses kontak bahan yang dipakai adalah belerang murni yang dibakar di udara. S(s) + O₂(g) --> SO₂(g).
II. SO2 yang terbentuk di oksidasi di udara dengan memakai katalisator. Reaksinya terbentuk kesetimbangan : 2SO₂(g) + O₂(g) <==> 2SO₃(g) + 45 k kal.

III. SO₃   +   H₂O   -à H₂SO₄
Dahulu dipakai serbuk platina sebagai kontak. Tetapi sekarang dipakai katalis V₂O₅ (Vanadium penta oksida) yang lebih murah.
Menurut kesetimbangan di atas, makin rendah suhunya makin banyak SO₃ yang dihasilkan. Akan tetapi, sama seperti pembuatan amoniak pada suhu rendah reaksi berjalan lambat. Dengan memperhitungkan faktor-faktor waktu dan hasil dipilih suhu 400^oC, dan hasilnya yang diperoleh pada suhu ini kira-kira 98%. Itulah sebabnya reaksi ini tidak perlu dilaksanakan pada tekanan tinggi.
Oleh karen gas SO₂ agak sukar larut dalam air, maka SO₃ dilarutkan dalam H2SO4 pekat. Jadi pada pembuatan H₂SO₄, bahan yang ikut digunakan juga H₂SO₄ .  SO₃ + H₂SO4 --> H₂S₂O₇ asam pirosulfat Asam pirosulfat kemudian disirami air : H₂S₂O₇ + H₂O --> 2H₂SO₄  .

Proses Haber-Bosch

Frite Haber (186-1984) dari Jerman adalah orang yang mula-mula berhasil, mensintesa amoniak dari gas-gas nitrogen dan hidrogen, sehingga ia mendapat hadiah nobel tahun 1918. Proses pembuatan amoniak ini lalu disempurnakan oleh rekan senegaranya, Karl Bosch (1874-1940) yang juga meraih hadiah Nobel tahun 1931. Itulah sebabnya proses pembuatan amoniak dikenal sebagai proses Haber-Bosch.
Reaksi yang berlangsung adalah: N₂(g) + 3H₂(g) <==> 2NH₃(g) + 22 k kal
Pada suhu biasa, reaksi ini berjalan lambat sekali. Jika suhu dinaikkan reaksi akan berlangsung jauh lebih cepat. Akan tetapi, penaikan suhu menyebabkan reaksi bergeser ke kiri, sehingga mengurangi hasil NH₃. Dengan memperhitungkan, faktor-faktor waktu dan hasil, maka suhu yang digunakan adalah 500^oC.
Untuk mempercepat tercapainya keseimbangan, dipakai katalis oksida-oksida besi. Agar reaksi bergeser ke kanan, tekanan yang digunakan haruslah tinggi. Tekanan 200 atm akan memberikan hasil NH₃ 15% tekanan 350 atm menghasilkan NH₃ 30% dan tekanan 1000 atm akan menghasilkan NH₃ 40%.
Selama proses berlangsung, gas-gas nitrogen dan hidrogen terus-menerus ditambahkan ke dalam campuran apapun, sedangkan NH₃ yang terbentuk harus segera dipisahkan dari campuran dengan cara menggemburkannya, sebab titik didih NH₃ jauh lebih tinggi dari titik didih N₂ dan H₂O.
Proses Haber Bosch merupakan proses yang cukup penting dalam dunia industri, sebab amoniak merupakan bahan utama dalam pembuatan berbagai barang, misalnya pupuk urea, asam nitrat dan senyawa-senyawa nitrogen lainnya. Amoniak juga sering dipakai sebagai pelarut, karena kepolaran amonia cair hampir menyamai kepolaran air.