A.
REAKSI
HETEROGEN KATALISIS
Reaksi heterogen
adalah reaksi yang berlangsung dalam
suatu sistem yang
heterogen, yaitu sistem yang
di dalamnya terdapat
dua atau lebih fasa.
Banyak reaksi-reaksi kimia
fasa cair maupun gas yang hanya dapat berlangsung pada permukaan
padatan. Karena sifat reaksinya hanya bergantung pada
fasa padat, maka reaksi
tersebut dikatakan berkatalisis dengan fasa padat sebagai
katalisnya. Ada lima tahapan
dalam reaksi heterogen (Rahayu, Susanto Imam, 1995) :
a. Difusi molekul-molekul pereaksi
menuju permukaan,
b. Adsorpsi molekul-molekul pereaksi
pada permukaan,
c. Reaksi
berlangsung di permukaan,
d. Desorpsi
hasil reaksi dari permukaan,
e. Difusi hasil-hasil
reaksi meninggalkan permukaan
menuju sistem keseluruhan.
B.
KATALIS
Penggunaan
katalis dalam reaksi kimia bertujuan untuk mempercepat jalannya reaksi. Katalis
berperan dalam pembentukan senyawa antara reaktan-reaktan yang bereaksi.
Katalis berfungsi untuk menurunkan energi aktivasi dan meningkatkan frekuensi
reaksi. Sifat-sifat katalis yang penting adalah sebagai berikut :
· Aktivitas
: Kemampuan katalis untuk mengubah bahan mentah menjadi produk, misalnya
dinyatakan dalam kg reaktan yang terkonversi per kg (atau per lt) katalis per
jam; persen reaktan yang berubah (konversi); jumlah molekul yang bereaksi per
detik.
· Selektivitas
: Kemampuan katalis untuk menghasilkan produk yang ‘diinginkan’, terhadap semua
produk yang mungkin dihasilkan.
· Umur
: Umur dimana katalis dapat mempertahankan tingkat aktivitas dan / atau
selektivitas yang cukup.
C.
Katalis
Heterogen
Katalis
heterogen adalah katalis yang ada dalam fase berbeda dengan pereaksi dalam reaksi yang
dikatalisisnya. Penggunaan katalis
heterogen biasanya pada
suhu dan tekanan tinggu. Umumnya
katalis heterogen berupa zat padat yang terdiri dari logam atau oksida logam.
Keuntungan penggunaan katalis heterogen adalah katalisnya dapat dipisahkan dengan
penyaringan dari produk
bila reaksi telah
selesai. Banyak proses industri yang
menggunakan katalis heterogen,
sehingga proses dapat
berlangsung lebih cepat dan biaya produksi dapat dikurangi. Beberapa
logam ada yang dapat mengikat cukup banyak molekul-molekul
gas pada permukannya, misalnya Ni,
Pt, Pd dan
V. Gaya tarik
menarik antara atom
logam dengan molekul gas
dapat memperlemah ikatan
kovalen pada molekul
gas, dan bahkan dapat
memutuskan ikatan itu.
Satu contoh sederhana
untuk katalisis heterogen yaitu
bahwa katalis menyediakan
suatu permukaan di
mana pereaksi-pereaksi (atau substrat)
untuk sementara terjerap.
Ikatan dalam substrat-substrat menjadi sedemikian lemah
sehingga memadai terbentuknya produk baru. Ikatan atara produk dan katalis
lebih lemah, sehingga akhirnya terlepas.
Katalis dapat
bekerja dengan membentuk
senyawa antara atau
mengabsorpsi zat yang
direaksikan. Sehingga katalis dapat
meningkatkan laju reaksi, sementara katalis itu
sendiri tidak mengalami
perubahan kimia secara
permanen. Cara kerjanya
yaitu dengan menempel pada bagian substrat tertentu dan pada akhirnya
dapat menurunkan energi pengaktifan dari reaksi, sehingga reaksi berlangsung
dengan cepat. Suatu reaksi yang
menggunakan katalis disebut
reaksi katalis dan prosesnya disebut katalisme. misalnya :
2
KClO3 (g) → 2KCl (s) + 3 O2 (g)
H2
(g) + Cl2 (g) arang
2 HCl(g)
Secara
umum proses suatu reaksi kimia dengan penambahan katalis dapat dijelaskan sebagai
berikut. Zat A dan zat B yang direaksikan
membentuk zat AB dimana zat C sebagai katalis.
A + B
→ AB (reaksi lambat)
Bila tanpa
katalis diperlukan energi
pengaktifan yang tinggi
dan terbentuknya zat AB lambat.
Namun, dengan adanya katalis
C, maka terjadilah reaksi :
A +
C → AC
(reaksi cepat) Energi pengaktifan
diturunkan, maka AC terbentuk
cepat dan seketika
itu juga AC
bereaksi dengan B
membentuk senyawa ABC. AC
+ B ABC
(reaksi cepat). Energi pengaktifan
reaksi ini rendah
sehingga dengan cepat
terbentuk ABC yang kemudian mengurai menjadi AB dan C. sesuai reaksi ABC
→ AB +
C (reaksi cepat)
Ada
dua macam katalis,
yaitu katalis positif
(katalisator) yang berfungsi mempercepat reaksi,
dan katalis negatif
(inhibitor) yang berfungsi
memperlambat laju reaksi.
Katalis positif berperan
menurunkan energi pengaktifan, dan membuat orientasi molekul
sesuai untuk terjadinya
tumbukan. Akibatnya
molekul gas yang teradsorpsi pada
permukaan logam ini
menjadi lebih reaktif
daripada molekul gas yang
tidak terabsorbsi. Prinsip
ini adalah kerja
dari katalis heterogen,
yang banyak dimanfaatkan untuk
mengkatalisis reaksi-reaksi gas.
D.
KATALIS
PADAT
Logam transisi
yang dapat mengkatalis
reaksi kimia merupakan
dasar yang sangat penting dalam
proses industri seperti pada reaksi hidrogenasi, karbonilasi dan reaksi polimerisasi
bertekanan rendah untuk
etilena dan propena. Semua proses
ini berlangsung secara heterogen
dimana suatu bahan
yang padat digunakan
sebagai katalis.
Unsur
unsur transisi mempunyai sifat-sifat tertentu yaitu :
1 Semua unsur transisi adalah logam.
2 Hampir semua unsur transisi bersifat keras,
kuat, titik lelehnya tinggi, titik didih tinggi serta penghantar panas dan
listrik yang baik.
3 Unsur
tansisi dapat membentuk
campuran satu dengan
yang lain dan dengan unsur yang mirip logam
4 Banyak
diantaranya cukup elektropositif sehingga
dapat larut dalam
asam mineral, walau beberapa
diantaranya bersifat mulia
sehingga tidak terpengaruh oleh
asam.
5 Senyawa
unsur transisi umumnya
berwarna dengan valensi
yang beragam dan memiliki
beberapa macam valensi.
6 Karena
kulit yang terisi
elektron sebagian, maka
unsur ini kebanyakan bersifat paramagnetik.
Pada beberapa
kasus, logam transisi
yang memiliki berbagai
valensi dapat membentuk suatu
senyawa intermediet yang
tidak stabil, pada
kasus lain, logam transisi memberikan
reaksi permukaanyang sesuai.
sehingga banyak logam
logam unsur transisi dan senyawanya bersifat katalitik. Beberapa logam
transisi yang berguna sebagai katalis adalah sebagai berikut :
Ni Raney
nikel, pada proses
reduksi seperti pembuatan
heksametilendiamin, pembuatan
H2 dari NH3
dan mereduksi antraquinon
menjadi antraquinol pada H2O2.
Komplek Ni
digunakan pada sintesis
Reppe ( polimerisasi alkena
menghasilkan benzene atau siklooktatetraena).
Pd →
Digunakan untuk reaksi hidrogenasi
PdCl2
→ Pada proses Wacker untuk mengubah
etilena menjadi methanol
Cu →
Digunakan pada proses langsung untuk pembuatan (CH3)2SiCl2
CuCl2
→ Pada proses Deacon untuk membuat Cl2
dari HCl
Salah satu
kegunaan yang penting
dari unsur-unsur transisi
dalam reaksi katalitik adalah untuk mengatomisasi
molekul-molekul diatomik dan menyalurkan atom-atom tersebut pada
reaktan yang lain dan
reaksi intermediet.Gas H2,
O2, N2 dan
Co adalah molekul
diatomik yang penting. Kekuatan ikatan
H, O, N
dan C pada permukaan logam-logam
transisi memberikan daya
dorong temodinamik untuk atomisasi dan juga untuk pelepasan atom
dalam reaksi dengan molekul-molekul yang lain. Permukaan
logam juga memiliki
sifat-sifat yang unik
lainnya yang dapat mengkatalisis serangkaian
reaksi-reaksi kompleks yang
dimulai dengan disosiasi adsorbsi yang
diikuti dengan penataan
ulang kompleks melalui
formasi dan pemutusan ikatan,
yang terakhir proses adsorbsi dari produk.
E.
MEKANISME
KATALIS HETEROGEN
Adapun
mekanisme reaksi katalisis heterogen secara umum adalah sebagai
berikut:
1. Difusi molekul reaktan ke permukaan katalis
2. Adsorpsi reaktan pada permukaan katalis.
3. Reaksi difusi reaktan pada permukaan katalis.
4. Reaksi dalam lapisan adsorpsi.
5. Desorpsi
produk reaksi dari permukaan katalis.
6. Abfusi pada produk keluar dari permukaan
katalis
Mekanisme
katalisis heterogen menurut Langmuir-hinshelwood
1. Atom A dan B teradsorpsi kepermukaan katalis.
2. Atom A dan B berdifusi melalui permukaan.
3. Atom A dan B berinteraksi satu sama lain.
4. Sebuah molekul terbentuk dan terjadi desorpsi
Mekanisme
katalisis heterogen menurut Rideal-Eley
1. Atom A diadsorpsi oleh permukaan katalis (k).
Difusi
adalah peristiwa mengalirnya / berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian
berkonsentrasi tinggi ke bagian berkonsentrasi rendah. Proses difusi molekul reaktan
kepermukaan atau difusi pada produk desorpsi merupakan proses yang paling lambat
dan tidak dapat ditentukan kecuali pada penentuan proses teknik yang melibatkan
penyerapan katalis.
2. Atom B lewat, kemudian berinteraksi dengan
atom A yang ada dipermukaan katalis (k). Katalis menyediakan suatu permukaan
dimana pereaksi-pereaksi (atau substrat) untuk sementara terjerap.
3. Atom A dan B saling berinteraksi satu sama
lain
4. Sebuah molekul terbentuk dan terjadi
desorpsi.
Terbentuk
molekul produk dalam permukaan katalis kemudian terlepas molekul produk dari
permukaan katalis. Ikatan dalam substrat-substrat menjadi lemah sehingga
memadai terbentuknya produk baru. Ikatan antara produk baru dan katalis lebih lemah
sehingga akhirnya terlepas.
Permukaan
padatan yang kontak dengan suatu larutan cenderung untuk menghimpun lapisan
dari molekul-molekul zat terlarut pada permukaannya akibat ketidakseimbangan gaya-gaya pada permukaan. Difusi adalah peristiwa mengalirnya /
berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi
ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Proses difusi
molekul
reaktan kepermukaan atau difusi pada produk desorpsi kedalam gas utama merupakan
proses yang paling lambat dan tidak dapat ditentukan kecuali pada penentuan
proses teknik yang melibatkan penyerapan katalis.
Permukaan
spesifik, Specific surface yang besar lebih diharapkan karena laju perpindahan
massa akan meningkat sehingga akan meningkatkan laju reaksi kimia secara keseluruhan.
Permukaan spesifik yang besar ini berhubungan dengan diameter partikel yang
kecil dan seluruh permukaan porinya. Pori yang kecil membatasi kemampuan
senyawa mendifusi ke dalam permukaan sebelah dalam, internal surface, demikian juga difusi produk
keluar dari
pori.
Sehingga didalam pemilihan diameter pori dan keseragaman diameter pori untuk menyediakan
specific surface dan tahanan difusi didalam permukaan sebelah dalam perlu
diperhatikan. Tahanan difusi yang
terjadi di dalam katalis disebabkan karena gesekan antar molekul maupun dengan
dinding pori. Proses heterogen selalu melibatkan energi aktivasi yang cukup
besar sedang difusi dalam gas tidak melibatkan energi aktivasi. Didalam
adsorpsi dan desorpsi sangat lambat didalam poses heterogen karena keduanya
melibatkan energi aktivasi yang cukup besar.
Secara
umum, apabila suatu partikel padat terdispersi dalam suatu media cair, maka
partikel tersebut dapat melalui beberapa mekanisme, yaitu :
1.
Terjadinya peristiwa adsorpsi yang bersifat selektif terhadap spesies bermuatan
yang terdapat didalam dispersi tersebut.
2.
Terjadinya peristiwa ionisasi gugus-gugus yang terdapat pada permukaan padatan,
sehingga meninggalkan muatan tertentu pada permukaan padat
tersebut. Mekanisme ini sering terjadi ketika pada suatu permukaan partikel padat terdapat gugus yang mudah terionisasi,
misalnya –COOH.
Adsorpsi
kimia menghasilkan pembentukan lapisan
monomolekular adsorbat pada permukaan
melalui gaya-gaya dari valensi sisa dari molekul-molekul pada permukaan. Adsorpsi
fisika diakibatkan kondensasi molekular dalam kapiler-kapiler dari
padatan. Secara umum, unsur-unsur dengan berat molekul yang lebih besar akan lebih
mudah diadsorpsi. Terjadi pembentukan yang
cepat sebuah kesetimbangan konsentrasi antar-muka, diikuti dengan difusi lambat
ke dalam partikel-partikei. Laju adsorpsi keseluruhan dikendalikan oleh
kecepatan difusi dari molekul-moleku l
zat terlarut dalam pori-pori
kapiler dari partikel.
Bila
digunakan logam atau oksidanya sebagai katalis maka kita berusaha untuk membuat permukaan yang dapat
bekerja secara katalisis sebesar-besarnya. Untuk keperluan itu sering kali
dipergunakan pendukung. Pendukung disini adalah dengan permukaan yang besar
seperti batu apung, arang aktif oksida, aluminium, kalium oksida dan silikat
oleh pelekatan bagian-bagian logam diatas bahan pendukung ini. Permukaan aktif
kadang-kadang diperbesar sampai seratus
kali lipat atau lebih. Karena itu bobot dari katalis dari yang sesungguhnya
kadang-kadang hanya berjumlah sebagaian kecil dari seluruh bobot dari katalis
yang sesungguhnya. Pada umumnya inhibitor adalah suatu zat kimia yang dapat
menghambat atau
memperlambat
suatu reaksi kimia. Reaksi permukaan katalis dapat terhambat jika suatu
substansi asing berikatan pada sisi aktif katalis sehingga memblok kepada
subtrat molekul-molekul. Jenis penghambatan ini disebut peracunan dan
penghambat atau katalis negatif tersebut merupakan racun katalis. Suatu katalis
jika sudah terpakai beberapa kali maka aktivitasnya akan berkurang. Ini berarti
bahwa kemampuan untuk mempercepat reaksi tertentu telah berkurang. Gejala ini
dapat disebabkan oleh beberapa faktor diantaranya oleh suhu yang terlalu tinggi
katalis dapat lumer sebagaian atau disenter, penyebab lain yaitu katalis dapat
bereaksi dengan produk atau kotoran yang terdapat didalam bahan dasar. Penyebab
yang terkenal dari pengurangan aktivitas katalis adalah belerang dan persenyawaan belerang, air lembab (vouch) dan uap minyak dapat dapat dimasukkan
kedalam kelompok ini yang dikenal dengan racun katalis atau poisoning catalyst.
Bila setelah beberapa waktu, aktivitas katalis telah turun sampai dibawah minimum
yang dapat diterima, katalis itu harus apkir atau berhenti. Beberapa katalis yang
tidak aktif dapat diperbaiki kembali dengan jalan regenerasi. Dalam hal ini dipergunakan
uap, zat cair, zat asam atau gas lain. Katalis sering juga digenerasi dengan
pengolahan memakai asam mineral, dimana logamnya dapat larut.
Didalam
dunia industri katalis yang digunakan:
1. Harus murni
2. Stabil tehadap panas
3. Memiliki waktu hidup yang panjang
4. Dapat diregenerasi
5. Tahan terhadap keracunan
6. Kesederhanaan dalam cara pembuatannya
7. Mudah didapat
8. Harganya murah
Tidak ada komentar:
Posting Komentar