LAPORAN PRAKTIKUM ANORGANIK KI-3231 STRUKTUR DAN KEREAKTIFAN ANORGANIK Percobaan 3 SINTESIS PARTIKEL Fe3O4 DENGAN METODE HIDROLISIS
Nama
: Nisrina Rizkia
NIM
: 10510002
Kelompok
:6
Tanggal Percobaan
: 03 April 2013
Tanggal Laporan
: 01 Mei 2013
Asisten Praktikum
: Ka Sandi
LABORATORIUM ANORGANIK PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2013
Abstrak
Partikel Fe3O4 yang memiliki ukuran nano berhasil disintesis dari garam feri ( FeCl3.6H2O) dan fero (FeCl 2.4H2O) menggunakan metode kopresipitasi. Zat pengendap yang digunakan adalah hidroksida dan sintesis dilakukan pada pH 10 dan 11. Partikel Fe 3O4 yang memiliki sifat ferimagnetik berhasil disintesis dengan rendemen 110,48% dan 113,02% dan berwarna hitam. Karakterisasi dilakukanmenggunakan difraksi sinar-X dan menunjukkan pola difraksi yang sama dengan referensi di mana intensitas maksimum pada 2 = 35o. Kopresipitasi, Kata kunci: Kopresipitasi,
hidroksida, hidroksida, garam feri,garam feri,garam fero, fero, difraksi sinar-X. sinar-X.
1. PENDAHULUAN Senyawa magnetik menjadi perhatian orang karena memiliki banyak aplikasi tidak saja dalam bidang perekaman magnetik tapi juga dalam pengobatan sebagai sistem pengantar obat dan penginderaan magnetik dalam bidang magnetic resonance imaging . Dalam bidang industi nanopartikel juga memiliki aplikasi di bidang industri seperti keramik, katalis, energy sorage, magnetic datastorage dan ferofluida [1]. Untuk aplikasi tersebut senyawa magnetik disintesis dalam bentuk partikel nano. Senyawa magnetik memiliki potensi aplikasi tersebut salah satunya adalah Fe 3O4 dan -Fe2O3. Sintsis material oksida ini dapat dilakukan dengan sederhana melalui proses hidrolisis dengan menggunakan garam besi sebagai prekursor. Ion Fe2+ dan Fe3+ dalam air akan mengalami proses hidrasi dan kemudian akan mengalami proses hidrolisis dan jika proses 2+ hidrolisis ini berlanjut dapat menyebabkan ion Fe 3+ dan Fe akan berubah menjadi senyawa oksida (FeO.xH2O dan Fe2O3.xH2O). Cara sederhana ini disebut juga sebagai metoda kopresipitasi yang dapat menghasilkan senyawa oksida dalam ukuran nano. Pembentukan nanopartikel dapat dilakukan dengan cara top down atau bottom up. up. Metode top down adalah dengan memecah padatan menjadi partikel-partikel berukuran nano. Sedangkan metode bottom up adalah menumbuhkan partikel partikel nano yang disusun dari prekursor molekular atau ionik. Metode dalam Pembentukan nanopartikel di antaranya adalah kopresipitasi, solgel, mikroemulsi, hidrotermal/solvotermal, cairan superkritis, sintesis cairan ionik, sintetis biomimetik, menggunakan cetakan ( templated [2] synthesis) synthesis) . Namun, pada percobaan ini digunakan metode kopresipitasi. Metode kopresipitasi merupakan metode sintesis senyawa anorganik berdasarkan pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama-sama ketika melewati titik jenuhnya. Zat
pengendap yang biasanya digunakan adalah hidroksida, karbonat, sulfat dan oksalat. Ikut sertanya pengotor pada pengendap dapat dibedakan menjadi pengendapan bersama (ko-presipitasi) dan pengendapan susulan (postpresipitasi). Pada kopresipitasi zat pengotor mengendap bersamasama dengan endapan yang diinginkan. Pengendapan susulan berupa pengendapan zat pengotor setelah seesainya pengendapan zat yang diinginkan atau terjadi endapan kedua pada permukaan endapan pertama. Pada proses ini senyawa yang diinginkan mengendap terlebih dahulu kemudian pengotor akan mengendap selanjutnya. Reaksi yang terjadi dalam sintesis partikel Fe3O4 adalah : FeCl2(aq) + FeCl3(aq) + 8 NaOH(aq) 4 H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq)
Fe3O4(s) + [3]
Sedangkan mekanisme pembentukan Fe3O4 . Fe2+ + 2OH− →Fe(OH)2 3Fe(OH)2 + 1/2O2 →Fe(OH)2 + 2FeOOH + H 2O Fe(OH) 2 + 2FeOOH→Fe3O4 + 2H2O
2. PERCOBAAN A. Bahan Pada percobaan ini menggunakan beberapa bahan seperti FeCl2.4H2O, FeCl3.6H2O, NaOH, Aqua DM, kertas saring dan kertas lakmus. B. Alat Alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah Pipet tetes, krus, pemanas, pengaduk, magnet, stirrer, gelas kimia 50 mL, gelas ukur 25 mL, buret 25 mL dan Erlenmeyer 100 mL. C. Prosedur Bagian I : Penyiapan larutan Disiapkan larutan garam besi yang mengandung 0.05 mol/L ion Fe 2+ dan Fe3+ dengan konsentrasi Fe2+ 0017 mol/L dan Fe 3+ sebanyak 0.033 moL/L. Volume total larutan adalah 100 mL. Disiapkan pula larutan NaOH 0,1 M (pH~ 12) sebanyak 100 mL.
Bagian II : Sintesis Dicatat pH larutan garam besi yang telah dibuat sebelumnya. Sambil dilakukan pengadukan tambahan larutan NaOH ke dalam larutan garam besi. Setelah terjadi endapan, diaduk larutan dengan stirrer selama 30 menit untuk memastikan bahwa semua reaksi telah berlangsung. Dibiarkan sejenak sampai diperoleh endapan. Dipisahkan antara endapan dan cairan dalam gelas kimia yang berbeda (didekantasi). Diukur pH dari larutan yang terpisah. Pada gelas kimia yang masih mengandung endapan diletakkan magnet di bawahnya dan diamati apa yang terjadi pada endapan tersebut. Disaring endapan tersebut dengan kertas saring. Dibilas endapan tersebut dengan menggunakan aqua DM untuk menghilangkan ion natrium yang tersisa. Dikeringkan endapan dalam oven dengan suhu o sekitar 80 C. Dilakukan momen magnet untuk sampel senyawa kompleks hasil sintesis sesuai dengan pengukuran momen magnet. Dilakukan pengukuran difraksi sinar-X untuk sampel yang dibuat.
Massa Fe3O4 = 0,4318 gram Warna endapan = coklat
Gambar 1. Fe3O4 hasil sintesis dan fenomena yang terjadi ketika didekatkan dengan magnet. Senyawa Fe3O4 yang dihasilkan berwarna hitam. B 500
35.358 400
34.1904 17.845 15.5099
300
Bagian III : Analisis Difraksi Sinar-X Dibandingkan data difraksi sinar-X yang diperoleh dengan bentuk standar Fe 3O4, dianalisa apakah sampel sudah sesuai dengan bentuk dasar. Dicari puncak-puncak yang mewakili puncak difraksi sinar-X dari Fe 3O4 dan dihitung lebar puncak pada nilai intensitas setengah dari nilai maksimum ( Full Width at Half Maximum ). Dicari parameter lain yang diperlukan u ntuk menghitung diameter butiran Kristal dengan menggunakan rumus Scherrer dari data difraksi sinar-X. Ditentukan ukuran butiran sampel tersebut dari masing-masing puncak dan juga rata-rata secara keseluruhan.
28.6191
19.1559 27.3286 22.3513
s a t i s n e t 200 n I
62.7028
57.07 51.9492 55.6976 63.133 40.4787 41.2981 48.3033 46.9309 67.3115
100
0
10
20
30
40
50
60
70
2 teta
Gambar 2. Spektrum difraksi sinar-X dari senyawa Fe3O4 hasil sintesis (hitam). B 400
19.9138 17.4968 15.9196
56.7627 50.454 34.723 23.0067 40.0281 33.576 28.5781 45.046554.3662 61.904 26.6937 64.0547 66.9428 48.0779 41.5439
D. Data Pengamatan Sintesis Fe3O4 pertama Massa FeCl2. 4 H2O = 0,3380 gram Massa FeCl3. 6H2O = 0.8923 gram V NaOH = 160 mL pH = 10 Massa Fe3O4 = 0,4221 gram Warna endapan = hitam
s a t i s n e t n I
200
0
10
Sintesis Fe3O4 kedua Massa FeCl2. 4 H2O = 0,3380 gram Massa FeCl3. 6H2O = 0.8921 gram V NaOH = 140 mL pH = 11
20
30
40
2 teta
50
60
70
80
Gambar 3. Spektrum difraksi sinar-X dari s enyawa Fe3O4 hasil sintesis (coklat).
E. Perhitungan
membentuk endapan berwarna hitam yang menandakan terbentuknya Fe 3O4 (lihat gambar 1). Fe3O4 bersifat ferimagnetik yaitu bahan yang sangat bersifat magnet. Struktur magnetik terdiri dari dua magnetik sublatis yang dipisahkan oleh oksigen. Pertukaran interaksi dimediasi oleh anion oksigen[4].
FeCl2(aq) + FeCl3(aq) + 8 NaOH (aq) Fe3O4(s) + 4 H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq) C FeCl2 = 0,0017 mol/ 100 ml C FeCl3 = 0,0033 mol/ 100 ml Gambar 4. Spin magnet ioksida ferimagnetik
FeCl3 merupakan pereaksi pembatas Mol Fe3O4 = ½ mol FeCl 3 Mol Fe3O4 = ½ 0.003 mol Mol Fe3O4 = 0.0165 mol Massa Fe3O4 = mol x Mr Fe 3O4 Massa Fe3O4 = 0.0165 x 231,55 Massa Fe3O4 = 0,3820575 gram Kristal Fe3O4 pertama %rendemen = %rendemen =
x 100%
x 100%
Fe3O4memiliki
struktur kristal spinel yang setiap sel unit kubik terdiri dari 32 Oksigen dan celah-celahnya ditempati oleh ion Fe 2+ dan Fe3+. Delapan ion Fe 3+ berada pada bagian tetrahedral sisanya delapan ion Fe 3+ dan Fe2+ berada pada bagian oktahedral. Setiap unit sel berisi sejumlah ion, satu unit sel terbagi menajadi delapan oktan yang masing-masing berukuran a/2 [5]. Fe3O4 adalah senyawa unik yang dapat menghantarkan listrik karena terjadi transfer elektron antara Fe2+ dengan Fe3+ di celah oktahedral [6]. Struktur spinel Fe3O4 dapat terlihat pada gambar 5.
%rendemen = 110,48 % Kristal Fe3O4 kedua %rendemen = %rendemen =
x 100%
x 100%
%rendemen = 113,02 % Gambar 5. Struktur Spinel Fe 3O4
3. HASIL DAN DISKUSI Pada sintesis partikel Fe 3O4 dengan 2+ menggunakan garam Fe dan garam Fe 3+. Campuran ion logam dengan ion klorida akan membuat ukuran partikel Fe 3O4 menjadi lebih kecil, bila menggunakan anion yang berbeda maka mekanisme reaksi yang terjadi akan berbeda dan ukuran partikel tidak sesuai dengan yang diharapkan. Perbandingan mol antara garam Fe 2+ dan garam Fe 3+ adalah 1:2, apabila perbandingan ini berbeda maka akan mempengaruhi diameter rata-rata Fe3O4. Pada percobaan ini digunakan pengendap adalah NaOH, ketika ditambahkan dengan NaOH maka terjadi kopresiptasi
Senyawa Fe3O4 yang dihasilkan memiliki respon yang kuat terhadap magnet ketika batang magnet didekatkan (lihat gambar 1). Fe 3O4 yang berhasil disintesis berwarna hitam, namun hasil sintesis lainnya berwarna coklat hal tersebut dikarenakan reaksi belum sempurna yang menghasilkan Fe 2O3. Secara teoritis kristal yang didapatkan seharusnya adalah 0,3820575 gram namun dalam percobaa ini didapatkan hasil yang melebihi seharusnya yaitu 0,4221 gram dan 0,4318 gram. Kelebihan ini dimungkinkan ada reaksi samping yang menghasilkan endapan selain Fe 3O4 yaitu Fe2O3 yang memiliki struktur sama dengan Fe 3O4.
Fe3O4 yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X untuk membuktikan senyawa yang telah disintesis adalah Fe 3O4. Pada spektrum difraksi sinar-X hasil sintesis (lihat gambar 2), hal tersebut sesuai dengan referensi memiliki intensitas yang tinggi pada 2 = 35o[6]. Namun, untuk pola difraksi bagi hasil sintesis berwarna coklat tidak menunjukkan intensitas yang maksimum pada daerah 35 o melainkan 19,9138 o.
Gambar 6. Pola difraksi sinar-X Fe3O4
4. DAFTAR PUSTAKA [1,4] Sholihah, L. K, Sintesis dan Karakteristik Partikel Nano Fe 3O4 yang Berasal dari Pasir Besi dan Fe3O4 Bahan Komersial (Aldrich), (Aldrich), [Tesis], ITS [Tesis], ITS Library, Library, 2010. [2] Rio Fernandez, Benny, Sintesis Nano Partikel , Universitas Andalas, 2011. [3] H, Iida, K. Takayanagi, T. Nakanishi dan T. Osaka. J. of Colloid and Interface Science, Science , 314, (2007), p. 274 [4] M, Rahmawati, Sintesis Partikel Magnetik Fe3O4 dengan Metode Presipitasi. Presipitasi . Mulawarman Scientifie, Volume 10, Nomor 2, Oktober 2011 ISSN 1412-498X FMIPA Universitas Mulawarman, hal. 193-198. [5] J.H.lI et al, Simple Synthesis and Magnetic Properties of Fe3O4 /BaSO4 Multi Core/Shell Particles,Material Particles,Material Chemistry and Physics 113 (2009), p.140-144 [6] Sun, J., Zhou, S., Hou, Peng., Weng, J., Li, X. dan Mingyuan. (2007) : Syntesis and Characterization of Biocompatible Fe 3O4 Nanoparticles, Nanoparticles, J. Biomed. Mater. Res. Part A, 80: 333-341
