PENGARUH SUHU TERHADAP KONSTANTA REAKSI PENYABUNAN ETIL ASETAT DENGAN NaOH PADA REAKTOR IDEAL ALIRAN KONTINYU Reyhan Zacky Rifai, Surono, Wahyu Zuli Pratiwi Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang Jl. Prof Soedharto – Soedharto – 50239 50239 Semarang, Telp./Fax. 024-7460058
Abstrak Reaktor tangki berpengaduk berpengaduk merupakan reaktor yang paling sering dijumpai dalam industri kimia. Hal ini dikarenakan kemampuan operasinya yang dapat diatur kapasitasnya. Untuk itu perlu dilakukan percobaan reaktor alir kontinyu dengan tujuan untuk menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH, mengetahui pengaruh suhu terhadap konstanta reaksi penyabunan atil asetat dengan dengan NaOH, mengetahui hubungan orde reaksi dengan harga konstanta konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH, membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu. Pada percobaan ini dilakukan 2 proses yaitu batch dan kontinyu. Variabel berubahnya adalah suhu yaitu suhu ruangan, suhu 40 oC, dan suhu 55o C. Tahapan percobaannya dimulai dengan proses batch dan dilanjutkan dengan proses kontinyu. Pada proses batch dimasukkan dimasukkan etil asetat 0,125 N dan NaOH 0,125 N sampai ketinggian ketinggian 8 cm, nyalakan pengadukan dengan kecepatan kecepatan sedang ambil sampel pada t=0 dan tiap 2 menit titrasi sampel dengan titran HCl 0,075N sampai warna merah orange hingga mencapai data 3 titik. Berdasarkan hasil percobaan yaitu konsentrasi NaOH sisa semakin sedikit seiring berjalannya waktu karena rektan sudah bereaksi dan membentuk produk. Berdasarkan jenis reaksinya merupakan reaksi eksotermis orde 2. Nilai orde reaksinya yaitu 0.983;0.863 dan 0.885 . Sedangkan konstanta konstanta laju reaksi (k) pada suhu ruangan, 40 o o C dan suhu 55 C berturut turut yaitu 0.617018, 1.20138, dan 1.686966. Ca model lebih kecil dari Ca percobaan karena karena nilai nilai dari Ca negatif.
∆
Kata kunci : Reaktor tangki berpengaduk, berpengaduk, suhu, konstanta konstanta reaksi reaksi penyabunan penyabunan
Abstract Continuous stirred tank reactor (CSTR) is one of the most used reactors in chemical industries. The reason behind this is because the reactor’s capacity is controllable. For that sole reason an experiment must be done with the aim to calculate the reaction constants (k) for the saponification process between ethyl acetate and sodium hydroxide, to determine the effect of temperature to the said reaction constants, to understand the correlation of reaction order with reaction constants, and to compare the experiment results with mathematical model calculation of saponification reaction in CSTR. The batch and the continuous processes are both done in this experiment. The independent variables are temperatures which are set at room temperature, 40 oC, and 55oC. The batch process is done first. In the batch process 0.125N ethyl acetate and 0.125N sodium hydroxide is poured into the reactor until the height of the fluids is 8 cm, then stirred at medium speed and samples are collected at t=0 and every 2 minutes. The samples are titrated using 0.075N hydrochloric acid until the colour is red-orange until there are 3 data points. Based on the results, the concentration of residual sodium hydroxide is depleted as time goes by because the reactants have reacted and formed product. According to the type of the reaction, it is a 2nd order exothermic reaction. The reaction order values are 0.983, 0.863 and 0.885. The reaction constants for room temperature, 40 oC and 55oC are 0.617018, 1.20138 and 1.686966. Theoretical CA is smaller than practical CA because of the value of ΔCA is neg ative. neg ative.
PENDAHULUAN
t = Nao Reaktor
Reaktor merupakan
tangki
reaktor
berpengaduk
yang
paling
sering
dijumpai dalam industri kimia. Pada industri berskala
besar,
berpengaduk
reaktor
lebih
alir
sering
tangki
diaplikasikan
karena kemampuan operasinya yang dapat
perlu
dipelajari
untuk
mengetahui karakteristik aliran fluida, reaksi yang terjadi secara optimasi pengoperasian reaktor. Untuk itu, dilakukan percobaan reaktor
alir
menentukan
kontinyu harga
orde
dengan
tujuan
reaksi
reaksi
penyabunan etil asetat dengan NaOH, untuk menghitung
harga
konstanta
reaksi
penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH, mengetahui
pengaruh
suhu
terhadap
konstanta reaksi penyabunan etil asetat dengan
NaOH,
percobaan
membandingkan
dengan
perhitungan
hasil model
matematis reaksi penyabunan pada reaktor
tahap
(CSTR)
merupakan
yaitu
pengisian
reaktor
tinggi
overflow, kondisi kontinyu dan kontinyu steady
state.
operasi
sangat
Evaluasi mudah
variabel-variabel dilakukan
pada
kondisi steady state (Hill, 1977). Pemodelan
matematik
diperlukan
untuk mempermudah analisa permasalahan yang timbul dalam pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk (Charles, 1987). Model matematika yang diusulkan diuji keakuratannya
dengan
membandingkan
data-data percobaan. Model matematika yang diusulkan diselesaikan dengan cara analisis
jika
persamaan
itu
mudah
diselesaikan. Namun untuk reaksi yang kompleks akan diperoleh model matematika yang kompleks juga. Penyelesaian numerik sangat dianjurkan untuk memperoleh nilai k, tetapan transfer massa, dan orde reaksi yang merupakan adjustable parameter.
ideal aliran kontinyu. Pada reaktor tangki berpengaduk
kontinyu
reaktor yang pengoperasiannya meliputi tiga
diatur kapasitasnya.Unjuk kerja reaktor alir berpengaduk
∫0 Vi (−rA)
Reaksi yang terjadi pada reaktor adalah:
dipelajari 2 macam reaktor, yaitu reaktor
CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa +
batch dan kontinyu (CSTR). Reaktor batch
C2H5OH
merupakan reaktor yang tidak ada input dan
Jika ditinjau secara thermodinamika, dengan
output selama reaksi. Sehingga didapat
harga ∆H sebagai berikut:
neraca massa reaktor batch adalah
∆H CH3COOC2H5
= -444.500 J/mol
∆H NaOH
= -425.609 J/mol
∆H CH3COONa
= -726.100 J/mol
Sifat kimia :
∆H C2H5OH
= -235 J/mol
- Dengan Pb(NO3)2 membentuk endapan
Didapat ∆H bernilai negatif, maka reaksi
Pb(OH)2 yang larut dalam
tersebut
merupakan basa kuat, mudah larut dalam air.
bersifat
eksotermis
yaitu
menghasilkan panas.
2) Etil Asetat
Jika ditinjau secara kinetika, dengan harga
Sifat fisis
∆G sebagai berikut:
Titik didih
reagen excess,
= 85 °C
∆G CH3COOC2H5
= -328 000 J/mol
Berat molekul = 88 gr/mol
∆G NaOH
= -379 494 J/mol
Titik lebur
∆G CH3COONa
= -631 200 J/mol
Sifat kimia:
∆G C2H5OH
= -168 490 J/mol
Bereaksi dengan Hg+ membentuk endapan
= -111 °C
Dan dengan menggunakan rumus mencari K
Hg2Cl2 putih yang tidak larut dalam air
standar (pada T=25oC) yaitu:
panas dan asam encer tetapi larut dalam
∆G
ammonia encer dan KCN tiosulfat, beraksi
= RT ln K
Kemudian menggunakan rumus mencari
dengan Pb2+ membentuk PbCl2 putih, mudah
harga K saat suhu operasi yaitu:
menguap apabila dipanaskan.
() = - ∆ ( )
ln
°
3) HCl
′
Maka didapat harga K > 1 artinya reaksi berlangsung searah (irreversible). Sifat fisis dan kimia reagen (NaOH dan etil asetat adalah sebagai berikut: 1) NaOH Sifat fisis : - Berat Molekul = 40 gr/mol - Titik didih = 134 °C - Titik lebur = 318, 4 °C - Berat jenis = 2, 130 gr/mol - Kelarutan dalam 100 bagian air dingin 10
Sifat fisis Titik didih
= 36,5 °C
Berat molekul = 84,9 gr/mol Titik lebur
= 3,21 °C
Sifat kimia: Bereaksi dengan NaOH membentuk garam natrium yang larut dalam air, bersifat korosif terhadap logam, sangat reaktif. Faktor yang mempengaruhi harga k (konstanta kecepatan reaksi) adalah: Persamaan Arhenius
°C = 42 - Kelarutan dalam 100 bagian air panas 100°C = 32
1. Frekuensi tumbukan
Pengadukan akan memperbesar tumbukan partikel sehingga akan menurunkan energi aktivasi,jika energi aktivasi turun, maka kecepatan reaksi juga naik. 2. Energi aktivasi Energi aktivasi merupakan energi minimum yang
diperlukan
berlangsung.
bagi
Semakin
1 [] = . 1 1 = . 1 = . + 1 y = mx + c
reaksi
untuk
Harga k didapat dari least square. Dimana
rendah
energi
harga k merupakan nilai dari m.
aktivasi, maka reaksi akan berjaan semakin
Sedangkan untuk mengetahui orde
cepat.
reaksi antara NaOH dan etil asetat dapat
3. Suhu
dihitung menggunakan cara berikut ini:
Semakin tinggi suhu, maka reaksi akan berjalan semakin cepat. 4. Katalis Katalis dapat mempercepat reaksi karena kemammpuannya
mengadakan
reaksi
dengan paling sedikit satu molekul reaktan untuk menghasilkan senyawa yang lebih
= = = + = ln = ln + ln ln = .ln + ln
aktif. Interaksi ini akan meningkatkan laju
y = mx + c
reaksi ( Setyadji dkk., 2006).
Orde reaksi didapat dari least square.
Untuk
mengetahui
harga
k
m = n = orde reaksi
Dimana orde reaksi merupakan nilai dari m
(konstanta reaksi penyabunan) dari reaksi
( Levenspiel.O., 1999).
NaOH +CH3COOC2H5 CH3COONa +
METODE DAN PROSEDUR
C2H5OH, dapat dihitung dengan cara:
1. Percobaan Batch
= = .. dimana Ca=Cb 2 = . 2 = . 2 = . 0
Gambar 1. Alat Utama Proses Batch
Keterangan :
Untuk
percobaan
kontinyu,
1. Reaktor Batch
percobaan dilakukan dengan menyiapkan
2. Stirer
reagen etil asetat 0,125 N, HCl 0,075 N, dan
3. Statif
NaOH 0,125 N. Kemudian memasukkan etil
Untuk
percobaan
batch,
percobaan
asetat dan NaOH ke dalam tangki umpan
dilakukan dengan menyiapkan reagen etil
masing-masing.
asetat 0,125 N, HCl 0,075 N, dan NaOH
dalam tangki umpan dipompa ke dalam
0,125 N. Kemudian memasukkan etil asetat
CSTR yang kosong dan menjaga konstan
dan NaOH ke dalam reaktor batch sampai
laju alirnya serta mereaksikannya. Sampel
ketinggian 8 cm. Sampel diambil pada t ke-0
diambil pada t ke-0 sebanyak 5 ml,
sebanyak 5 ml, kemudian ditambahkan
kemudian ditambahkan indikator MO 3 tetes
indikator MO 3 tetes dan dititrasi dengan
dan dititrasi dengan HCl sampai warna
HCl sampai warna merah orange. Setelah
merah orange. Setelah itu, dilakukan pada
itu, dilakukan pada variasi suhu operasi
variasi
yang berbeda, dan pengambilan sampel tiap
Pengambilan sampel tiap 2 menit kemudian
2 menit kemudian dititrasi, begitu terus
dititrasi hingga mendapatkan data 3 titik.
menerus sampai mendapatkan data 3 titik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Percobaan Kontinyu
suhu
Masing-masing
operasi
yang
reaktan
berbeda
.
Hubungan waktu vs konsentrasi tiap variabel
a. Batch 0,07 0,06 ) 0,05 L / l 0,04 o m0,03 ( a C 0,02
Gambar 2. Alat Utama Proses Kontinyu Keterangan :
0,01 0 0
10
t (menit)
1. Reaktor Kontinyu 2. Stirrer
5
Dari grafik di atas, dapat dilihat bahwa
3. Statif
konsentrasi NaOH sisa cenderung turun.
4. Tangki Reaktor
Pada variabel suhu ruangan, suhu 400C, dan suhu 550C.
Reaksi ini merupakan reaksi
reversible, sehingga konsentrasi NaOH sisa
K’ = 7, 715 . 1058 , karena harga konstanta
akan konstan setelah salah satu atau semua
keseimbanagan
pereaksi (etil asetat dan NaOH) habis.
berlangsung searah (irreversible) kearah
Sedangkan penurunan konsentrasi NaOH ,
pembentukan produk. Hal ini bermakna
sesuai dengan rumus:
pada kesetimbangan produk lebih banyak
= . + dimana
daripada
besar
reaktan.
maka
Jadi
setiap
reaksi
waktu
bertambah, konsentrasi reaktan semakin
Ca: konsentrasi NaOH sisa
berkurang dan konsentrasi produk semakin
k : konstanta kecepatan reaksi
bertambah. Oleh karena itu volume titran
t : waktu
yang dibutuhkan juga semakin berkurang.
Cao: konsentrasi NaOH mula-mula
≈
Dari persamaan di atas diketahui bahwa t
yang berarti bahwa semakin lama waktu
Jika volume titran semakin berkurang maka Ca
juga
akan
berkurang
seiring
bertambahnya waktu.
reaksi maka Ca akan semakin kecil karena akan
bereaksi
dengan
etil
asetat
dan
mencapai kesetimbangan saat Ca konstan, Ca pada suhu ruang lebih besar daripada Ca o
o
pada T=40 C C dan T=55 C karena pada T yang
lebih
tinggi,
NaOH
lebih
cepat
bereaksi sehingga NaOH yang tersisa (Ca) lebih sedikit. Suhu mempercepat laju reaksi , hal
tersebut
sesuai
dengan
persamaan
b.
Kontinyu 0,1 0,08
) L / l 0,06 o m ( 0,04 a C
0,02 0 0
2
4
6
8
t (menit)
Arhennius: Dari grafik di atas, dapat dilihat bahwa Reaksi yang terjadi: NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH ∆H reaksi = - 91600 J/mol, karena ∆H bernilai negative yang berlangsung adalah reaksi eksotermis.
konsentrasi NaOH sisa semakin turun siring bertambahnya waktu. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu reaksi maka semakin banyak NaOH yang bereaksi dengan etil asetat yang menyebabkan jumlah NaOH berkurang, reaksi yang terjadi:
reaksi
yang
terjadi:
NaOH
+
CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH NaOH bereaksi dengan etil asetat
merupakan reaksi orde 2. Dengan persamaan
=
2
reaksi orde 2 yakni, −
Hubungan suhu terhadap nilai k
dan menghasilkan produk berupa etanol dan natrium asetat. Semakin lama waktu, jumlah produk akan bertambah dan jumlah reaktan berkurang dimana
sampai
konsentrasi
terjadi
keseimbangan
NaOH
sisa
tetap
2 1,5 k 1
0,5 0
(Yuyun, 2010). Dengan semakin besar suhu,
suhu ruang
40 C suhu
maka kontak antar reaktan semakin banyak sehingga reaksi berjalan lebih cepat. Dari rumus tersebut diketahui kecepatan reaksi berbanding lurus dengan suhu. Dengan demikian semakin besar suhu maka reaksi akan berjalan lebih cepat dan menghasilkan NaOH sisa yang semakin sedikit.
55 C
Dari grafik di atas, dapat dilihat bahwa harga k mengalami kenaikan dari suhu ruang hingga ke satu
faktor
yang
suhu 55 oC. Salah
dapat
mempengaruhi
kecepatan reaksi adalah suhu. Reaksi akan berlangsung lebih cepat bila suhu dinaikkan
Harga orde reaksi penyabunan etil asetat
(Kristianingrum, 2003). Dengan menaikkan suhu maka energi kinetik molekul-molekul
dengan NaoH
zat yang bereaksi akan bertambah sehingga R 2 Orde R 2 Orde Orde
akan lebih banyak molekul yang memiliki
1
2
energi sama atau lebih besar dari Ea.
1
0.981
0.983
Orde 2
Dengan demikian lebih banyak molekul
2
0.813
0.843
Orde 2
yang dapat mencapai keadaan transisi atau
3
0.870
0.885
Orde 2
dengan kata lain kecepatan reaksi menjadi
Variabel
Dari hasil percobaan trial yang dapat dilihat pada lampiran. Pada kondisi reaksi
lebih
besar.
Sesuai
dengan
persamaan
Archenius :
orde 1 dan orde 2 didapatkan nilai regresi kuadrat yang mendekati nilai 1 yaitu pada
k A e
( Ea
)
RT
reaksi orde 2, sehingga pada variable suhu
Semakin besar suhu maka semakin besar
(suhu ruangan, suhu 40 C, dan suhu 55 C)
pula harga konstanta lajureaksi (k).
Perbandingan
Ca
model
dengan
Ca
besar dari Ca model. Hal ini dikarenakan Ca model yang diperoleh dari perhitungan
percobaan
matematis menggunakan metode Runge 0,1
a C 0,08 i s 0,06 a r t 0,04 n e s 0,02 n o 0 K
Kutta. Dipilih metode ini karena Runge Kutta dianggap metode yang memberikan keakuratan Ca 0
2
4
6
tinggi.
matematis
ini
Perhitungan
tidak
model
dipengaruhi
oleh
Ca model
t (menit)
variabel-variabel Sehingga
Gambar IV.4 Perbandingan model matematis dengan hasil percobaan pada suhu ruang
percobaan
diperoleh
merupakan
Ca
Ca
ideal.
yaitu
suhu.
model
yang
Sedangkan
Ca
percobaan diperoleh dari percobaan dengan variabel suhu sehingga keakuratannya lebih
0,08
a 0,07 C i 0,06 s a 0,05 r t 0,04 n e 0,03 s n 0,02 o 0,01 K
rendah dari Ca model. Ca model diperoleh dari data hasil percobaan yang kemudian
0 0
2
4
6
Ca
diaplikasikan ke dalam perhitungan teoritis
Ca model
metode
t (menit)
Runge
Kutta.
Karena
hasil
perhitungan k1, k2, k3, k4 adalah negatif,
Gambar IV.5 Perbandingan model matematis dengan hasil percobaan pada suhu 40 C
maka nilai
Ca
bertanda negatif, sehingga
Ca model lebih kecil daripada Ca percobaan (Supriyanto, 2006 ).
0,07
a 0,06 C 0,05 i s 0,04 a r t 0,03 n 0,02 e 0,01 s 0 n o K 0
Perbandingan
reaktor
batch
dengan
reaktor kontinyu 2
4
6
t (menit)
Gambar IV.6 P erbandingan model matematis dengan hasil percobaan pada suhu 55 C
0,1
a C i s 0,05 a r t n e s 0 n o 0 k
batch kontinyu 5
10
t (menit)
Berdasarkan grafik, dapat dilihat bahwa pada variabel suhu (suhu ruang, suhu
Pada grafik perbandingan reaktor
40oC dan suhu 50oC) Ca percobaan lebih
batch dan kontinyu kami membandingkan data Ca pada variabel suhu 55 0C . Seperti
yang terlihat pada grafik diatas, nilai Ca
Kristianingrum,
Susila.
2003. Kinetika
pada reactor batch lebih tinggi dari pada
Kimia. Workshop Guru Bidang
reactor kontinyu hal ini disebabkan karena
Studi Kimia 2003. Sidoarjo
pada reactor kontinyu, gejolak alirannya
Levenspiel. O., 1999 . Chemical Reaction
terjadi
setiap
memungkinkan
waktu molekul
sehingga untuk
Engineering 1999 3nd ed, Mc. Graw
saling
Hill Book Kogakusha Ltd, Tokyo.
bertumbukan lebih besar (Setyadji , 2006).
Supriyanto. 2006. Runge-Kutta Orde Empat .
Konversi yang dihasilkan pun juga lebih
Universitas Indonesia Jakarta.
besar sehingga konsentrasi sisa semakin
Setyadji,
sedikit dibandingkan dengan reactor batch.
Moch.,
Susiantini,
Murniasih,
S.
2006.
E.,
dan
Pengaruh
Jumlah Katalisator dan Kecepatan KESIMPULAN
Pada
Pengadukan percobaan
ini
dapat
disimpulkan bahwa nilai orde reaksi setiap
Kecepatan
Prosiding
dengan
bertambahnya
Hasil
PPI
-
PDIPTN
2006
– BATAN. ISSN 0216 – 3128. Yogyakarta
suhu, Ca percobaan lebih besar dari Ca Yuyun,
model.
dan
Pustek Akselerator dan Proses Bahan
reaksi (k) semakin besar, nilai k mengalami seiring
Reaksi
Konstanta
Esterifikasi Minyak Jarak Pagar .
variabel adalah 2, , nilai konstanta laju
kenaikan
Terhadap
Sumarno,
Mahfud.
2010.
Pemanfaatan Gliserol sebagai Hasil Samping Biodiesel Menjadi Produk
DAFTAR PUSTAKA
Kimia Charles, E. R, Harold, SM and Thomas K.S., 1987. Applied Chemical
Mathematics
Engineering .
Teknologi
2nd
Surabaya
York G.C.,
1977. An
Chemical
Introduction
Engineering
to
Kinetika
and Reactor Design. 1nd ed, John Willey, New York, N.Y.
dalam
Media
Air
Subkritis hingga Superkritis. Institut
in
end.,Mc. Graw Hill Book Ltd. New
Hill,
Lain
Sepuluh
Nopember
