MAKALAH KIMIA FISIKA KINETIKA KIMIA KONSEP ENERGI PENGAKTIFAN DAN KATALIS KATALIS
DISUSUN OLEH : KELOMPOK 1
Choiriah Nur Fitriani Yosy Andy Yonatan Yan Aji Bintang Buwono
TEKNIK PERMINYAKAN SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI MINYAK DAN GAS BUMI BALIKPAPAN 2014
A. ENERGI AKTIVASI
Energi aktivasi adalah energi minimum yang harus ada pada sistem kimia untuk melangsungkan reaksi kimia. Energi aktivasi diperkenalkan oleh saintis dari Swedia bernama Svante Arrhenius pada tahun !!". Energi aktivasi juga dapat dide#inisikan sebagai energi minimum yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia. Energi aktivasi suatu reaksi biasanya dilambangkan dengan E a dalam satuan kilojoule per mol $k%&mol'. Energi aktivasi dapat dianggap sebagai penghalang potensial $hambatan energi' yang memisahkan energi potensial reaktan dan produk dari reaksi. (ntuk melangsungkan reaksi) setidaknya harus ada energi yang sama atau lebih dari energi aktivasi.
B. ENERGI AKTIVASI NEGATIF
*alam beberapa kasus) laju reaksi menurun seiring meningkatnya suhu. +al ini menyebabkan adanya energi aktivasi negati#. ,eaksi seperti ini disebut dengan reaksi tak berhalangan. *alam kasus seperti ini) peningkatan suhu justru menyebabkan menurunnya kemungkinan tumbukan molekul satu sama lain.
C. PERSAMAAN ARHENIUS
-ersamaan Arrhenius menyatakan hubungan antara energi aktivasi dan laju reaksi. *ari persamaan Arrhenius) energi aktivasi dapat dinyatakan sebagai
k / Ae0 E a&,1 dimana A adalah #aktor #rekuensi untuk reaksi) , adalah konstanta gas universal) 1 adalah suhu $dalam 2elvin') dan k adalah koe#isien laju reaksi. -ersamaan ini menunjukkan bahwa energi aktivasi tergantung pada suhu.
D. KATALIS
2atalis adalah suatu 3at yang dapat menurunkan energi aktivasi. *i dalam biologi) ada 3at katalis yang disebut en3im . -enting untuk di4atat bahwa katalis meningkatkan laju reaksi) namun pada akhir reaksi katalis tetap seperti keadaan awalnya $seakan0akan tidak ikut bereaksi'. 5alaupun katalis menurunkan energi aktivasi) hal itu tidak mengubah energi asli dari suatu reaktan maupun produk.
1. Penge!"#n K#!#$"%
6enurut de#inisi) katalis adalah suatu senyawa kimia yang dapat mengarahkan sekaligus
meningkatkan kinetika suatu
reaksi
$jika
reaksi tersebut se4ara
termodinamika memungkinkan terjadi'. Namun senyawa tersebut $katalis' tidak mengalami perubahan kimiawi diakhir reaksi) dan tidak mengubah kedudukan kesetimbangan kimia dari reaksi. 2atalis sangat penting dalam proses kimia. -entingnya katalis ditunjukkan oleh kenyataan bahwa lebih dari 789 proses produksi bahan kimia di industri disintesis dengan bantuan katalis. Contoh proses kimia yang sangat penting misalnya sintesis metanol dari syngas $C: dan + ;' dikatalisis oleh ;+ ;: // C:; > +; dikatalisis oleh besi oksida atau oksida 4ampuran
menyebutkan bahwa 2atalis
adalah suatu
3at
yang
memper4epat laju reaksi kimia pada suhu tertentu) tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri $lihat pula katalisis'. Suatu katalis berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi ataupun produk. 2atalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih 4epat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipi4unya terhadap pereaksi. 2atalis menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. 2atalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi.
2atalis dapat dibedakan ke dalam dua golongan utama katalis homogen dan katalis heterogen. 2atalis heterogen adalah katalis yang ada dalam #ase berbeda dengan pereaksi dalam reaksi yang dikatalisinya) sedangkan katalis homogen berada dalam #ase yang sama. Satu 4ontoh sederhana untuk katalisis heterogen yaitu bahwa katalis menyediakan suatu permukaan di mana pereaksi0pereaksi $atau substrat' untuk sementara terjerap. @katan dalam substrat0substrat menjadi lemah sedemikian sehingga memadai terbentuknya produk baru. katan atara produk dan katalis lebih lemah) sehingga akhirnya terlepas. 2atalis homogen umumnya bereaksi dengan satu atau lebih pereaksi untuk membentuk suatu perantara kimia yang selanjutnya bereaksi membentuk produk akhir reaksi) dalam suatu proses yang memulihkan katalisnya. Berikut ini merupakan skema umum reaksi katalitik) di mana C melambangkan katalisnya A > C AC $' B > AC AB > C $;' 6eskipun katalis $C' termakan oleh reaksi ) namun selanjutnya dihasilkan kembali oleh reaksi ;) sehingga untuk reaksi keseluruhannya menjadi A > B > C AB > C 2atalis tidak termakan atau pun ter4ipta. En3im adalah biokatalis. -enggunaan istilah katalis dalam konteks budaya yang lebih luas) se4ara bisa dianalogikan dengan konteks ini. beberapa katalis ternama yang pernah dikembangkan di antaranya katalis
yang
digunakan
untuk
produksi
masal polietilen dan polipropilen. ,eaksi katalitik yang paling dikenal ialah proses +aber untuk
sintesis amoniak )
yang
menggunakan besi biasa
sebagai
katalis. 2onverter katalitik Dyang dapat menghan4urkan produk samping knalpot yang paling bandelDdibuat dari platinadan rodium. *e#inisi lain tentang katalis. 2atalis adalah 3at yang ditambahkan ke dalam suatu reaksi dengan maksud memperbesar ke4epatan reaksi. 2atalis terkadang 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. 2atalis memper4epat 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.
2atalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih 4epat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipi4unya terhadap pereaksi. 2atalis menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. 2atalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi. Adanya penambahan
katalis
akan
menyebabkan
terbentuknya
tahap0tahap
reaksi
tambahan)yaitu tahap pengikatan katalis dan tahap pelepasan katalis pada akhir reaksi. 2atalis ini bersi#at spesi#ik) artinya hanya ber#ungsi untuk suatu reaksi tertentu. *engan 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 4epat.
a. Selektifitas Adalah kemampuan katalis untuk memberikan produk reaksi yang diinginkan $dalam jumlah tinggi' dari sekian banyak produk yang mungkin dihasilkan. -roduk yang diinginkan tadi sering disebut sebagai yield sedangkan banyaknya bahan
baku
yang
berhasil
diubah
menjadi
aneka
produk
dikatakan
sebagai konversi. b. Stabilitas 2emampuan
sebuah
katalis
untuk
menjaga
akti#itas)
produkti#itas
dan
selekti#itasnya dalam jangka waktu tertentu 4. Aktifitas 2emampuan katalis untuk mengubah bahan baku menjadi produk atau aneka produk yang diinginkan $lebih dari satu'. Akti#itas / massa $kg' bahan baku yang terkonversi&$kg atau liter katalis waktu' atau 2onversi) yaitu persentase dari bahan baku menjadi aneka produk. Atau 1:N $turnover Number ' ) yaitu banyaknya molekul yang bereaksi&$waktu) misalnya detik setiap situs akti#'
,. Penge$&'(&-#n K#!#$"%
-erlu diingat bahwa yang dimaksud katalis homogen artinya adalah katalis yang memiliki atau bisa membentuk satu #asa dengan reaktan dan pelarutnya $misal #asa 4air04air pada sistem katalis asam untuk reaksi esteri#ikasi'. Sedangkan katalis heterogen tidak memiliki #asa yang sama dengan reaktan maupun pelarut $misalnya #asa padat04air pada sistem katalis 3eolit untuk perengkahan hidrokarbon'. T"(e K#!#$"%
2atalis +omogen 2atalis asam&basa 2ompleks
2atalis +omo0+eterogen Biokatalis $en3im'
logam Fungsional
transisi
nanopartikel
2atalis +eterogen Bulk
katalis
$alloy
logam' 2atalis yang diemban
2atalis adalah 3at yang dapat memper4epat jalannya reaksi $tidak ikut bereaksi'. -eran katalis sebenarnya adalah menurunkan energi akti#asi reaksi. -emilihan katalis untuk proses dapat didasarkan pada beberapa hal berikut a. Berumur panjang b.
+arganya murah
4. 6udah diregenerasi d.
*apat diproduksi dalam jumlah besar
e. 1ahan terhadap ra4un #. 6emiliki tahanan #isik yang besar
4. Ke$e'##n K#!#$"%
Alangkah indahnya bila sebuah reaksi kimia tidak membutuhkan katalis agar bisa berlangsung. 1api kenyataannya jenis reaksi seperti ini jarang ditemui. 2eberadaan katalis dalam 4ampuran reaksi kimia tentu saja memberikan masalah tersendiri. *i industri kimia) masalah terutama berkaitan dengan pemisahan $ separation') daur ulang $recycle') usia $life time') dan deakti#asi katalis merupakan isyu0isyu penting. -roblem pemisahan katalis dari 3at pereaksi maupun produk lebih sering ditemui pada sistem katalis homogen. 2arena katalis homogen larut dalam 4ampuran) pemisahan tidak 4ukup dilakukan dengan penyaringan atau dekantasi. 1eknik yang
umum digunakan adalah destilasi atau ekstraksi produk dari 4ampuran) misalnya katalis asam0basa pada reaksi esteri#ikasi biodiesel dipisahkan dengan ekstraksi untuk kemudian 4ampuran sisa reaktan0katalis yang tertinggal dialirkan lagi menuju bejana reaksi. Namun demikian) ada beberapa katalis istimewa dari senyawa komplek logam yang didesain sedemikian rupa sehingga bisa terpisah atau mengendap setelah reaksi tuntas. 2asus pemisahan untuk katalis heterogen lebih mudah ditanggulangi karena sudah terpisah dengan sendirinya tanpa membutuhkan usaha lain. *aur ulang dan usia katalis memiliki kaitan. Selama bisa dipisahkan) katalis homogen boleh dikatakan tetap akti# dan memiliki usia yang sangat panjang bahkan nyaris tak terhingga dan bisa digunakan berulang0ulang. Nyawa katalis homogen mungkin tamat jika mengalami deakti#asi akibat tera4uni atau perubahan struktur akibat proses ektrim. 2atalis heterogen memiliki takdir berbeda. Sering kali katalis heterogen harus diakti#asi dulu sebelum siap digunakan) misalnya dengan jalan direduksi atau dioksidasi. Setelah mengalami proses reaksi berkali0kali) kereakti#an katalis tersebut pelan0pelan menurun akibat perubahan mikrostruktur maupun kimianya) misal terjadi penggumpalan $clustering ') migrasi partikel akti# membentuk kristal baru $ sintering ') oksidasi) karbonisasi) maupun tera4uni $ poisoned '. (ntuk mengembalikan reakti#itas katalis heterogen perlu dilakukan regenerasi dengan 4ara) misalnya kalsinasi) reduksi0oksidasi kembali) atau pen4u4ian dengan larutan akti#. Seringkali proses regenerasi tidak dapat mengembalikan ??9 kereakti#an katalis sehingga pada saatnya nanti katalis tersebut akhirnya mati juga dan perlu diganti yang baru.
/. F)'g%" K#!#$"%
Fungsi katalis adalah memperbesar ke4epatan reaksinya $memper4epat reaksi' dengan jalan memperke4il energi pengakti#an suatu reaksi dan dibentuknya tahap0 tahap reaksi yang baru. *engan menurunnya energi pengakti#an maka pada suhu yang sama reaksi dapat berlangsung lebih 4epat. Fungsi utama dari katalis ini adalah menyediakan reaksi alternative dalam suatu reaksi kimia. *engan peranan yang sangat penting ini) maka katalis sangat di perlukan oleh tubuh dalam proses pen4ernaan makanan di dalam tubuh. Fungsi penting katalis $en3im' ini memberikan dampak besar terhadap kelan4arna pen4ernaan makanan di dalam tubuh.6isalnya saja adalah en3im amylase di dalam mulut $air liur' yang
membantu meme4ah amilosa menjadi maltosa. Selain peranan katalis di dalam tubuh) katalis juga berperan dalam proses kimia lainnya ,eaksi yang berlangsung lambat dapat diper4epat dengan menambahkan katalis yang sesuai untuk reaksi tersebut. 2atalis akan memper4epat reaksi karena katalis akan men4ari jalan dengan energi aktivasi yang lebih rendah sehingga reaksinya akan berlangsung lebih 4epat. Satu 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. Si#at0si#at kimia katalis akan sama sebelum dan sesudah mengkatalis suatu reaksi. -entingnya katalis ditunjukkan oleh kenyataan bahwa lebih dari 789 proses produksi bahan kimia di @ndustri disintesis dengan bantuan katalis. Contoh proses kimia yang sangat penting misalnya sintesis metanol dari syngas $C: dan +;' dikatalisis oleh ;+;: // C:; > +; dikatalisis oleh besi oksida atau oksida 4ampuran C$g' D AC$g' > B$g'. ,eaksi ini berlangsung lambat) karena energi aktivasinya $Ea' lebih besar dibanding energi molekulnya. +anya sebagian ke4il molekul yang men4apai Ea.
:leh karena itu untuk memper4epat reaksi ini) ditambahkan suatu katalis. Apa #ungsi katalisG 6engapa katalis dapat memper4epat reaksiG Bagaimana 4ara katalis memper4epat reaksi ituG Berdasarkan diagram di atas) EaH dengan katalis lebih rendah. 6engapaG 2atalis itu berupa 3at yang di4ampurkan dengan reaktan. %ika
reaksi di atas tanpa katalis) AB dan C bertumbukan sampai men4apai Ea yang relati# tinggi. 2arena umumnya energi molekulnya rendah) jadi tumbukan yang terjadi tidak e#ekti#. Ea sangat sulit di4apai. (ntuk itu maka ditambahkan 3at yang bertindak sebagai katalis. 1ernyata pada saat katalis di4ampurkan reaksi makin 4epat. %elas bahwa katalis itu dapat mempengaruhi salah satu reaktan. 6isalnya dalam reaksi ini katalis 4o4ok si#atnya dengan AB. 6aka seperti robot AB tertarik ke katalis membentuk 2AB. 2AB tergolong kompleks teraktivasi yang merupakan tahap reaksi hipotesisI 2AB kemudian terurai menjadi 2A dan B. Setelah itu terjadi tahap reaksi berikutnya) yaitu C ditarik oleh 2A menjadi 2AC yang kemudian langsung 2 lepas dan terbentuklah AC. 6ekanisme reaksi di atas adalah 2 > AB D 2AB D 2A > B $lambat' 2A > C D 2AC D 2 > AC $4epat' 2 > AB > C D 2 > AC > B %adi 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.
E. HUBUNGAN ANTARA KATALIS DENGAN ENERGI AKTIVASI
*alam suatu reaksi) peran katalis adalah untuk menurunkan energi aktivasi dengan jalan mengubah mekanisme reaksi) yaitu dengan jalan menambah tahap0tahap reaksi. 2atalis ikut serta dalam suatu tahap reaksi) akan tetapi pada akhir reaksi katalis terbentuk kembali $%ames E. Brady) ""?'. Contoh :;$g' > ;S:;$g' ; S: =$g' $energi aktivasi tinggi' Setelah ditambahkan gas N: yang bertindak sebagai katalis) tahap0tahap reaksi menjadi
; N:$g' > :;$g'
; N:;$g'
; N:;$g' > ; S: ;$g'
; S:=$g' > ;N:$g'
:;$g' > ;S:;$g'
;S:=$g'
$energi aktivasi rendah' $energi aktivasi rendah'
*engan adanya katalis ini) energi aktivasi menjadi lebih rendah) sehingga persentase partikel yang mempunyai energi lebih besar dari energi aktivasi.
