LAJU REAKSI DAN KECEPATAN REAKSI

LAJU REAKSI

DAN

KECEPATAN REAKSI

•      Kecepatan reaksi (velocity) adalah perubahan konsentrasi molar zat-zat yang bereaksi pada selang waktu tertentu (laju reaksi rata-rata).

v = ∆[N₂O₅]/∆t = [N₂O₅]₁ – [N₂O₅]₂

                             t₂ – t₁

•      Laju reaksi (speed) adalah perubahan konsentrasi molar zat-zat yang bereaksi pada setiap waktu (laju reaksi sesaat). Perubahan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi dapat diukur setiap saat, misalnya setiap detik, setiap menit, setiap jam, dan seterusnya.

r = -d[N₂O₅]/dt

KATALIS

KATALIS

A. Pengertian Katalis

Katalis adalah suatu zat yang ditambahkan ke dalam suatu reaksi kimia dengan tujuan untuk memperbesar kecepatan reaksi. Katalis ikut terlibat dalam reaksi tetapi tidak mengalami perubahan kimiawi yang permanen, dengan kata lain, pada akhir reaksi katalis akan dijumpai kembali dalam bentuk dan jumlah yang sama seperti sebelum reaksi. Katalis mempercepat reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi ataupun produk. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat atau memungkinkan terjadinya reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi. Misalnya di laboratorium, untuk memperoleh molekul oksigen, suatu sampel potassium klorat dipanaskan seperti gambar.

 

Gambar 1. Pemanasan KClO₃

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut.

2 KClO_{3(s)            2} KCl_(s) + 3O_2(g)

Tanpa keberadaan katalis, proses dekomposisi termal reaksi diatas berlangsung sangat lambat. Laju dekomposisi dapat ditingkatkan secara dramatis dengan menambahkan sejumlah kecil katalis mangan (II) dioksida (MnO₂₎. Semua MnO₂ dapat dihasilkan kembali pada akhir reaksi, seperti semua ion I^-  yang tetap ada dalam dekomposisi H₂O₂.

Katalis mempercepat laju reaksi dengan cara menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi. Adanya penambahan katalis akan menyebabkan terbentuknya tahap-tahap reaksi tambahan, yaitu tahap pengikatan katalis dan tahap pelepasan katalis pada akhir reaksi. Katalis ini bersifat spesifik, artinya hanya berfungsi untuk suatu reaksi tertentu. Dengan kata lain penambahan katalis memberikan jalan baru bagi reaksi yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah, sehingga lebih banyak molekul yang bertumbukan pada suhu normal dan laju reaksi semakin cepat. Jadi, penambahan katalis pada suatu reaksi kimia dapat menurunkan energy aktivasi reaksi sehingga reaksi berlangsung lebih cepat. Untuk lebih jelasnya, pengaruh katalis terhadap energy aktivasi dapat dilihat pada gambar 2. 

                                                    Gambar 2

Contoh katalis sebagai zat pengikat yakni katalis logam seperti nikel (Ni), platina (Pt), dan kromium (Cr). Permukaan logam-logam tersebut memiliki kemampuan mengikat zat yang akan beraksi sehingga terbentuk spesi yang reaktif.

A. Klasifikasi Katalis

Katalis dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu:

v  Katalis Homogen.

Adalah katalis yang wujudnya sama dengan wujud reaktannya.

Dalam reaksi kimia, katalis homogen berfungsi sebagai zat perantara ( fasilitator ).

Contohnya :

o Katalis gas NO₂ pada pembuatan gas SO₃.

o Katalis gas Cl₂ pada penguraian N₂O

v  Katalis Heterogen.

Adalah katalis yang wujudnya berbeda dengan wujud reaktannya.

Reaksi zat-zat yang melibatkan katalis jenis ini, berlangsung pada permukaan katalis tersebut.

Contohnya :

o Katalis logam Ni pada reaksi hidrogenasi etena ( C₂H₄ ).

o Katalis logam Rodium atau Iridium pada proses pembuatan asam etanoat.

o Katalis logam Ni pada proses pembuatan mentega.

o Katalis logam V₂O₅ pada reaksi pembuatan asam sulfat ( proses Kontak ).

o Katalis logam Fe pada reaksi pembuatan amonia ( proses Haber-Bosch )

v  Biokatalis ( enzim ).

§ Adalah katalis yang dapat mempercepat reaksi-reaksi kimia dalam tubuh makhluk hidup.

§ Mekanisme kerjanya dengan metode “ kunci dan gembok “ atau “ lock and key “ yang dipopulerkan oleh Emil Fischer.

§ Contohnya :

Enzim amilase    = membantu menghidrolisis amilum menjadi maltosa.

Enzim katalase   = menguraikan H₂O₂ menjadi O₂ dan H₂O

Enzim lipase = menguraikan lipid menjadi gliserol dan asam lemak.

v  Autokatalis.

Adalah zat hasil reaksi yang berfungsi sebagai katalis. Artinya, produk reaksi yang terbentuk akan mempercepat reaksi kimia.

Contohnya :

Reaksi antara kalium permanganat ( KMnO₄ ) dengan asam oksalat ( H₂C₂O₄ ) salah satu hasil reaksinya berupa senyawa mangan sulfat ( MnSO₄ ).

Semakin lama, laju reaksinya akan semakin cepat karena MnSO₄ yang terbentuk berfungsi sebagai katalis

B.  Fungsi Katalis

Fungsi katalis adalah memperbesar kecepatan reaksinya (mempercepat reaksi) dengan jalan memperkecil energi pengaktifan suatu reaksi dan dibentuknya tahap-tahap reaksi yang baru. Dengan menurunnya energi pengaktifan maka pada suhu yang sama reaksi dapat berlangsung lebih cepat. Reaksi yang berlangsung lambat dapat dipercepat dengan menambahkan katalis yang sesuai untuk reaksi tersebut. Katalis akan mempercepat reaksi karena katalis akan mencari jalan dengan energi aktivasi yang lebih rendah sehingga reaksinya akan berlangsung lebih cepat.

Satu hal yang harus diketahui tentang prinsip kerja katalis adalah bahwa katalis tersebut tetap ikut dalam jalannya reaksi, tetapi pada kondisi akhir, katalis akan keluar lagi dalam bentuk yang sama. Sifat-sifat kimia katalis akan sama sebelum dan sesudah mengkatalis suatu reaksi. Pentingnya katalis ditunjukkan oleh kenyataan bahwa lebih dari 75% proses produksi bahan kimia di Industri di sintesis dengan bantuan katalis. Contoh proses kimia yang sangat penting misalnya sintesis metanol dari syngas (CO dan H₂) dikatalisis oleh ZnO/Cr₂O₃, dan reaksi water gas shift (WGS ),

CO + 2H₂O          CO₂ + H₂     dikatalisis oleh besi oksida atau oksida campuran Zn, Cu maupun Cr.

C. Prinsip Kerja Katalis

Teknologi katalis telah digunakan dalam industri kimia lebih dari 100 tahun lamanya dan penelitian serta pengembangan teknologi katalis telah menjadi semacam bidang kekhususan kimia.   

Suatu reaksi eksoterm AB(g) + C(g)     AC(g) + B(g). Reaksi ini berlangsung lambat, karena energi aktivasinya (Ea) lebih besar dibanding energi molekulnya. Hanya sebagian kecil molekul yang mencapai Ea.

Oleh karena itu untuk mempercepat reaksi ini, ditambahkan suatu katalis. Apa fungsi katalis? Mengapa katalis dapat mempercepat reaksi? Bagaimana cara katalis mempercepat reaksi itu? Berdasarkan diagram di atas, Ea' dengan katalis lebih rendah. Mengapa?

Katalis itu berupa zat yang dicampurkan dengan reaktan. Jika reaksi di atas tanpa katalis, AB dan C bertumbukan sampai mencapai Ea yang relatif tinggi. Karena umumnya energi molekulnya rendah, jadi tumbukan yang terjadi tidak efektif. Ea sangat sulit dicapai. Untuk itu maka ditambahkan zat yang bertindak sebagai katalis.

Ternyata pada saat katalis dicampurkan reaksi makin cepat. Jelas bahwa katalis itu dapat mempengaruhi salah satu reaktan. Misalnya dalam reaksi ini katalis cocok sifatnya dengan AB. Maka seperti robot, AB tertarik ke katalis membentuk KAB. KAB tergolong kompleks teraktivasi yang merupakan tahap reaksi hipotesis; KAB kemudian terurai menjadi KA dan B. Setelah itu terjadi tahap reaksi berikutnya, yaitu C ditarik oleh KA menjadi KAC yang kemudian langsung K lepas dan terbentuklah AC. Mekanisme reaksi di atas adalah :

K + AB --> KAB --> KA + B (lambat)

KA + C --> KAC --> K + AC (cepat)

K + AB + C --> K + AC + B

Jadi katalis ikut ambil bagian dalam reaksi, memberi jalan baru melalui mekanisme reaksi baru yang energi aktivasinya lebih rendah, kemudian terbentuk kembali dalam keadaan yang sama.

A.                Katalis Logam Mulia

Logam mulia seperti platinum, palladium, ruthenium, rhodium, Au, Ag, baik tunggal atau kombinasi merupakan jenis katalis yang banyak dipergunakan sebagai katalis.Keuntungan penggunaan katalis logam mulia karena memiliki tingkat aktivitas yang tinggi,selektifitas yang baik, dan daya tahan yang baik sehingga jangka waktu penggantiannya lama. Logam mulia yang banyak digunakan sebagai katalis antara lain: 

 Platinum :

merupakan katalis logam mulia yang paling banyak dipergunakan. Katalis inimemiliki aktivitas yang tinggi dalam proses hidrogenasi, dehidrogenasi, oksidasi, dll. Biasanyamerupakan katalis pertama yang dipilih sebelum memperoleh katalis yang lebih tepat. Saat ini penggunaannya makin meluas, termasuk dibidang kimia khusus untuk reduksi alkilasi,hidrogenasi karbonil dan hidrogenasi selektif senyawa nitro tanpa dehalogenasi. 

 Ruthenium :

katalis ruthenium memiliki aktivitas yang tinggi dalam hidrogenasi senyawa karbonilalifatik dan cincin aromatik pada kondisi medium tanpa reaksi sampingan. Jika terdapat air dalam system reaksi, katalis ini akan memberikan aktivitas yang lebih tinggi lagi. Katalis initahan senyawa sulfuric yang biasanya merupakan racun bagi katalis logam mulia. Katalis inistabil dalam pelarut asam dan basa, dan dapat digunakan untuk reaksi dalam asam kuat. 

 Rhodium :

merupakan katalis yang memiliki aktivitas tinggi dalam hidrogenasi senyawaaromatik. Katalis ini menghidrogenasi banyak senyawa aromatik pada suhu ruang dan tekanannormal. Katalis ini juga memiliki aktivitas lebih tinggi dibanding katalis logam palladium yang biasa dipergunakan dalam hidrogenasi olefin. 

 Iridium :

meskipun katalis iridium memiliki aktivitas yang rendah dan aplikasi yang terbatasmengingat kelangkaannya, katalis ini mulai mendapat perhatian karena sifat reaksinya yang unik  Logam-logam lain seperti Sn, Pb, Ni, Co, Ge digunakan sebagai promotor. Logam-logam ini dilapisi berbagai carrier/pembawa seperti alumina, silica, zeolit dan karbon

B.                 Aplikasi Katalis dalam Industri

Katalis terutama banyak dipergunakan untuk membantu dalam proses industri seperti dalam pengilangan minyak bumi dan proses produksi bahan kimia umum atau kimia khusus. Selain dikedua jenis industri tersebut, katalis juga dipergunakan  dalam proses produksi produk makanan, pembangkit listrik tenaga nuklir, kendaraan, dan untuk kegiatan pengendalian pencemaran.

Dalam proses di kilang minyak bumi, katalis yang banyak dipergunakan adalah katalis reforming, isomerasi dan hydrocracking. Fungsi katalis-katalis tersebut pada dasarnya untuk membantu memecah rantai senyawa karbon. Dengan bantuan katalis tersebut minyak mentah (crude oil) dapat diproses sehingga dapat diperoleh variasi turunannya seperti premium, kerosin, avtur, dan produk lainnya tergantung tingkat pemutusan rantai karbonnya.

Untuk industri kimia, kebanyakan katalis yang digunakan adalah katalis yang membantu pembentukan (syntetic catalysts) seperti katalis hidrogenasi, katalis oksidasi, dll. Beberapa katalis yang sering dipakai dalam produksi bahan kimia antara lain: Vynil acetate monomer (VAM), purified terepthalic Acid (PTA) dan proses hidrogenisasi.

Untuk bidang lingkungan, katalis tertentu dapat digunakan untuk mendestruksi senyawa yang menghasilkan bau sehingga berfungsi sebagai deodorant. Ada juga katalis yang bisa memecah rantai senyawa organic volatile (VOC) sehingga dapat digunakan untuk destruksi senyawa berbahaya tersebut.

Penyebab Kerusakan Aktivitas Katalis.

Berbeda dengan spent katalis yang merupakan katalis yang telah kehilangan fungsinya akibat berakhirnya umur pemakaian, kerusakan aktivitas katalis biasanya terjadi pada katalis baru atau katalis yang sebenarnya belum habis umur pemakaiannya. Kerusakan aktivitas katalis ditunjukkan dengan adanya peningkatan aktivitas berlebih atau penghambatan aktivitas. Kerusakan aktivitas katalis dapat disebabkan karena adanya kerusakan fisik atau kerusakan kimia katalis. Kerusakan fisik katalis misalnya dapat disebabkan oleh pengkristalan material pendukung katalis atau kerusakan fisik pas katalisnya sendiri. Pengikatan logam berat seperti merkuri, arsen, timah hitam dll. merupakan contoh kerusakan kimia katalis dan biasanya bersifat permanen.

 Jika sifat kerusakannya tidak permanen, maka katalis tersebut biasanya masih dapat diregenerasi. Jika kerusakan aktivitas katalis disebabkan oleh kerusakan pada pendukung yang tahan panas, seperti alumina, yang disebabkan oleh penjerapan karbon atau tar, maka pembakaran alumina pada suhu dibawah 500^oC dapat menghilangkan karbon dan tar tersebut. Selanjutnya, melalui serangkaian pengolahan reduksi, aktivitas katalis akan dapat dimunculkan kembali.

 Nomor HS Katalis.

Dalam system perdagangan internasional, katalis memiliki nomor harmonisasi sendiri. Ada dua kategori katalis yang secara jelas diberikan nomor HS-nya, yaitu: 3815.11 untuk katalis dengan Nikel atau senyawa Nikel sebagai bahan aktif, dan 3815.12 untuk katalis dengan logam mulia atau senyawa logam mulia sebagai bahan aktif. Diluar kedua bahan aktif tersebut, katalis dikelompokan dalam nomor HS 3815.19.

SPENT KATALIS

Spent Katalis

Katalis yang banyak digunakan di industri kimia dan industri minyak secara bertahap akan kehilangan kemampuan katalitiknya akibat perubahan struktur, keracunan, atau karena permukaan aktifnya tertutup oleh material lain. Penggantian katalis dilakukan bila tingkat aktivitasnya sudah tidak memenuhi kriteria yang dibutuhkan dalam proses oleh penggunanya. Katalis yang sudah jenuh atau sudah tidak berfungsi sebagaimana mestinya biasa disebut spent katalis.

Komposisi Spent Katalis

 Komposisi spent katalis akan menentukan cara reklamasi atau proses recovery yang dapat dilakukan, dan perusahaan mana yang mungkin dapat memprosesnya. Komposisi asli katalis dapat diperoleh dari supplier. Namun informasi tersebut masih perlu di kombinasikan dengan potensi kontaminan yang muncul dari proses produksi yang memungkinkan perubahan kimia atau fisika yang dialami katalis. Ketika spent katalis dihasilkan, spent katalis perlu dianalisis dan diuji agar dapat memberikan informasi yang jelas untuk pengamanan, laporan kepada pengawas dan untuk perusahaan yang rencananya akan terlibat dalam pengangkutan dan pengolahan spent katalis.

 Bahaya Spent Katalis

Tingkat bahaya katalis dapat diperoleh melalui MSDS. Namun perlu dipahami bahwa informasi tersebut bukan untuk spent katalis, yang mungkin memiliki property bahaya berbeda dibanding dengan katalis aslinya. Pengujian spent katalis dapat meliputi komposisi spent katalis dan potensi bahayanya. Secara umum, para pengguna katalis perlu memperhatikan hal-hal berikut sebelum spent katalis dihasilkan dan dibuang:

•         Komposisi spent katalis

•         Bagaimana perlakuan sebelum dan ketika dibuang?

•         Apakah katalis terkontaminasi dalam penggunaannya?

•         Perkiraan karakteristik kimia-fisika spent katalis?

•         Apakah spent katalis memiliki potensi bahaya?

•        Bagaimana spent katalis dikelompokan, dikemas, ditandai, disimpan dan diangkut setelah dihasilkan?

 PENGELOLAAN SPENT KATALIS

 Terhadap spent katalis, ada beberapa alternative pengelolaan yang dapat dilakukan, namun semuanya tergantung pada perubahan kimia atau struktur yang terjadi dalam spent katalis. Alternatif pengelolaan yang dapat dilakukan yaitu:

•         Melakukan regenerasi dan penggunaan kembali bahan katalis

•         Pengambilan sebagian atau seluruh komponen dalam bahan katalis

•         Penggunaan kembali untuk kegiatan/proses yang berbeda, atau

•         Pembuangan

 Regenerasi dan penggunaan kembali katalis

 Jika katalis menjadi tidak berfungsi karena ada deposisi bahan asing pada permukaannya atau disebabkan oleh racun (gangguan dari senyawa lain yang menghambat berfungsinya katalis) yang dapat dihilangkan, maka sangat memungkinkan bagi spent katalis tersebut untuk diregenerasi atau diaktifkan kembali kemampuan katalitiknya. Regenerasi katalis biasanya dilakukan dengan cara pembakaran pengotor katalis.

Jika secara teknis memungkinkan, maka regenerasi katalis merupakan pilihan terbaik bagi Lingkungan dan (mungkin) disukai secara ekonomi karena memperpanjang umur katalis, meminimalkan penggunaan bahan baku baru, serta mengurangi kebutuhan untuk proses daur ulang atau pembuangan.

Spent katalis dari proses hydrotreating di pengilangan perlu dicek kelayakan teknis untuk diregenerasi. Kegiatan ini biasanya dilakukan oleh perusahaan regenerasi menggunakan kombinasi uji coba skala lab bersamaan dengan analisis kimia-fisika yang tepat. Evaluasi merupakan dasar apakah spent katalis dapat diregenerasi atau tidak.  Katalis yang dapat diregenerasi biasanya dapat dipergunakan beberapa kali siklus produksi.

 Pengambilan Komponen dalam Spent Katalis

 Perubahan struktur katalis secara signifikan atau keracunan yang parah akibat penggunaan seringkali bersifat tidak berbalik. Kondisi ini menyebabkan katalis tidak memungkinkan untuk diregenerasi untuk digunakan kembali. Pada kondisi ini, katalis harus dikeluarkan dari unit operasi, dan jika memungkinkan dikirim untuk pengambilan  sebagian atau seluruh komponen, atau digunakan sebagai bahan baku proses yang lain seperti fluid cracking catalyst untuk pembuatan semen, misalnya.

Penghancuran spent katalis dengan diikuti pengambilan kembali material tertentu merupakan metode yang telah diterapkan secara meluas dalam penanganan spent katalis. Banyak katalis memiliki kandungan logam dalam jumlah yang signifikan yang dapat diperoleh melalui berbagai metode pengolahan. Reklamasi menawarkan alternative ramah Lingkungan dibandingkan dengan metode pembuangan karena tidak hanya mengurangi jumlah limbah yang harus dibuang tetapi juga menghemat sumber daya alam, selain memberikan keuntungan ekonomi bagi pelakunya.

Disamping nilai kandungan logam mulia, spent katalis juga dapat mengandung campuran kompleks bahan-bahan yang berbeda seperti:

•         Base metal dan promotor seperti: Sn, Pb, Ni, Co, dan lain-lain;

•         Fe, Ni, Cr dari korosi dinding dan tabung reaktor;

•         Unsur-unsur berbahaya berasal dari umpan bahan atau crude oil (As, Hg, dll) yang mengkontaminasi;

•         Halogen (Cl, F, dll) seperti yang ditemukan dalam katalis isomerasi

•         Karbon (misalnya, high cooked “heel” CCR catalyst) dan kontaminasi hidrokarbon dari proses katalitik

 Rantai daur ulang spent katalis tidak hanya berurusan dengan logam mulia tapi juga harus bertanggung jawab terhadap seluruh “kontaminan” yang terdapat dalam spent katalis tersebut.