BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pengetahuan tentang kinetika kimia dan desain reaktor merupakan hal yang sangat penting yang dapat membedakan insinyur kimia dari insinyur lainnya. Hal ini dikarenakan kinetika kimia dan desain reaktor merupakan jantungnya dari proses produksi di hampir semua industri kimia. Oleh karenanya, untuk merancang reaktor suatu reaksi tertentu, diperlukan adanya data kinetis yang menyangkut persamaan laju reaksi dan konstanta laju reaksi. Ada beberapa metode yang dikenal untuk penentuan data kinetik dari suatu percobaan yaitu, metode differensial, integrasi, waktu paro, isolasi, dan metode laju awal. Namun yang paling sering digunakan adalah metode integrasi dan differensial. Sedangkan untuk mendapatkan data kinetiknya, dapat diperoleh dengan metode analogi hidrolik yang diperkenalkan oleh Zhan Guai Thai. Pemilihan sistem reaksi yang bekerja dengan cara yang paling aman dan paling efisien dapat dijadikan sebagai indikator keberhasilan industri kimia. Disamping itu, kesalahan dalam penentuan sistem reaksi dapat menyebabkan kerugian di banyak 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pengetahuan tentang kinetika kimia dan desain reaktor merupakan hal yang sangat
penting yang dapat membedakan insinyur kimia dari insinyur lainnya. Hal ini dikarenakan
kinetika kimia dan desain reaktor merupakan jantungnya dari proses produksi di hampir semua
industri kimia. Oleh karenanya, untuk merancang reaktor suatu reaksi tertentu, diperlukan
adanya data kinetis yang menyangkut persamaan laju reaksi dan konstanta laju reaksi.
Ada beberapa metode yang dikenal untuk penentuan data kinetik dari suatu percobaan
yaitu, metode differensial, integrasi, waktu paro, isolasi, dan metode laju awal. Namun yang
paling sering digunakan adalah metode integrasi dan differensial. Sedangkan untuk
mendapatkan data kinetiknya, dapat diperoleh dengan metode analogi hidrolik yang
diperkenalkan oleh Zhan Guai Thai.
Pemilihan sistem reaksi yang bekerja dengan cara yang paling aman dan paling efisien
dapat dijadikan sebagai indikator keberhasilan industri kimia. Disamping itu, kesalahan dalam
penentuan sistem reaksi dapat menyebabkan kerugian di banyak titik terutama titik finansial
bagi perusahaan atau industri kimia.
1.2 Tujuan Percobaan
Menentukan konstanta laju reaksi (k) untuk reaksi seri, reaksi pararel, reaksi
seri-pararel, dan reaksi kesetimbangan berdasarkan data percobaan yang
pararel, dan reaksi kesetimbangan berdasarkan data percobaan yang
diperoleh.
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Persamaan Laju Reaksi
Laju menyatakan seberapa cepat atau seberapa lambat suatu proses berlangsung. Laju
juga menyatakan besarnya perubahan yang terjadi dalam satu satua waktu. Satuan waktu dapat
berupa detik, menit, jam, hari atau tahun.
Reaksi kimia adalah proses perubahan zat pereaksi menjadi produk. Seiring dengan
bertambahnya waktu reaksi, maka jumlah zat peraksi semakin sedikit, sedangkan produk
semakin banyak. Laju reaksi dinyatakan sebagai laju berkurangnya pereaksi atau laju
terbentuknya produk.
Laju reaksi kimia dapat dinyatakan sebagai banyaknya pembentukan suatu
produk atau banyaknya pengurangan reaktan persatuan waktu. Persamaan reaksi secara
umum dapat ditulis sebagai berikut :
aA + bB rR + sS
Persamaan laju yang didapat dari temperature tetap per satuan volume untuk reaksi
keseluruhan di atas, mempunyai bentuk yang sederhana serta dapat ditulis :
dimana :
rA = laju reaksi A [(mol)(waktu)-1(volume)-1]
k = konstanta laju reaksi [(konsentrasi)1-n (waktu)-1]
CA, CB = konsentrasi (mol)
α, β = orde reaksi yang tak berdimensi berupa bilangan positif, negative, bulat,
3
pecahan atau nol.
2.2 Jenis-jenis Reaksi
Jenis-jenis reaksi yang akan diamati pada percobaan ini, yaitu :
Reaksi Searah
Merupakan reaksi dimana pada saat waktu tak terhingga, zat A habis bereaksi
Contoh :
Reaksi parallel
Reaksi paralel atau reaksi samping adalah reaksi yang menghasilkan dua macam
produk yang berbeda dari reaktan yang sama melalui jalur reaksi yang berbeda.
Contoh :
Reaksi seri
Merupakan reaksi yang teramati dua macam produk, yaitu R dan S, dan pada waktu
tertentu R pernah terbesar dan pada pengamatan lebih lanjut harga R mengalami
penurunan.
Contoh :
Reaksi kesetimbangan
Reaksi kesetimbangan adalah suatu reaksi apabila produk yang terbentuk sebagian
kembali lagi berubah menjadi reaktan melalui jalur reaksi yang berbeda. Laju
reaksi kekanan belum tentu sama dengan laju reaksi kekiri begitu juga nilai
konstanta laju reaksi kekanan (k1) belum tentu sama dengan laju reaksi kekiri (k2)
dan orde reaksi kekanan (n) juga belum tentu sama dengan orde reaksi kekiri (m).
Apabila laju reaksi kekanan (k1 CAn) sama dengan laju reaksi kekiri (k2 CR
m) berarti
reaksi mencapai kesetimbangan.
Contoh : A R
4
k1
k2
2.3 Beberapa Bentuk Laju Yang Didapat Dari Persamaan Reaksi
a.Searah orde satu
-rA = kCA
b.Bolak balik orde satu
-rA = k1CA – k2 CB
c. Komplek searah orde satu
- rA = (k1 + k2 ) CA
d. Seri Orde satu
-rA = K1 CA – k2 CB
2.4 Faktor – Faktor Yang Mempengaruhi Laju Reaksi
Ada sebuah contoh mengenai permasalahan laju reaksi di kehidupan sehari-hari.
Yaitu, serpihan kayu terbakar lebih cepat daripada balok kayu, hal ini menunjukan
bahwa laju reaksi yang sama dapat berlangsung dengan kelajuan yang berbeda,
bergantung pada keadaan zat pereaksi. Pengetahuan tentang ini penting sebab
memungkinkan kita dapat mengendalikan laju reaksi, yaitu melambatkan reaksi yang
merugikan dan menambah laju reaksi yang menguntungkan.
2.4.1 Konsentrasi Pereaksi
Konsentrasi memiliki peranan yang sangat penting dalam laju reaksi, sebab
semakin besar konsentrasi pereaksi, maka tumbukan yang terjadi semakin banyak,
sehingga menyebabkan laju reaksi semakin cepat. Begitu juga sebaliknya, apabila
semakin kecil konsentrasi pereaksi, maka semakin kecil tumbukan yang terjadi antar
partikel, sehingga laju reaksi pun semakin kecil.
5
2.4.2 Suhu
Suhu juga turut berperan dalam mempengaruhi laju reaksi. Apabila suhu pada
suatu rekasi yang berlangusng dinaikkan, maka menyebabkan partikel semakin aktif
bergerak, sehingga tumbukan yang terjadi semakin sering, menyebabkan laju reaksi
semakin besar. Sebaliknya, apabila suhu diturunkan, maka partikel semakin tak aktif,
sehingga laju reaksi semakin kecil.
2.4.3 Tekanan
Banyak reaksi yang melibatkan pereaksi dalam wujud gas. Kelajuan dari
pereaksi seperti itu juga dipengaruhi tekanan. Penambahan tekanan dengan
memperkecil volume akan memperbesar konsentrasi, dengan demikian dapat
memperbesar laju reaksi.
2.4.4 Katalis
Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju 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 reaksi pada suhu lebih rendah akibat
perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi. Katalis menyediakan suatu jalur pilihan
dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan
untuk berlangsungnya reaksi.
2.4.5 Luas Permukaan Sentuh
Luas permukaan sentuh memiliki peranan yang sangat penting dalam laju reaksi,
sebab semakin besar luas permukaan bidang sentuh antar partikel, maka tumbukan yang
terjadi semakin banyak, sehingga menyebabkan laju reaksi semakin cepat. Begitu juga,
apabila semakin kecil luas permukaan bidang sentuh, maka semakin kecil tumbukan
yang terjadi antar partikel, sehingga laju reaksi pun semakin kecil. Karakteristik
6
kepingan yang direaksikan juga turut berpengaruh, yaitu semakin halus kepingan itu,
maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi, sedangkan semakin kasar
kepingan itu, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi.
2.5 Penentuan Data Kinetik
Ada beberapa metode yang dikenal untuk menentukan data kinetik dari satu percobaan
adalah :
1. Metode Differensial
2. Metode Integrasi
3. Metode Waktu Paro
4. Metode Isolasi
5. Metode Laju Awal
Metode yang paling sederhana dan paling banyak digunakan adalah Metode Integrasi
dan Metode Differensial. Berikut adalah uraian langkah salah satu metode yaitu metode
Integrasi :
1. Mencocokkan data percobaan dengan fungsi laju reaksi yang telah dipilih
sebelumnya.
2. Menduga orde reaksinya
3. Mengintegrasikan persamaan laju reaksi dugaan,
4. Plot hasil Integrasi tersebut terhadap waktu
5. jika persamaan berupa garis lurus, maka persamaan laju reaksi sesuai dengan data
6. Jika condong berbentuk kurva lengkung, persamaan ditolah dan coba lagi
persamaan laju reaksi lainnya
7
Untuk mengetahui suatu reaktan apakah reaksi searah,reaksi pararel, reaksi seri, reaksi
bolak – balik maka harus dibuat grafik hubungan antara konsentrasi zat yang terlibat didalam
reaksi terhadap waktu reaksi misal:
2.6 Mengevaluasi Jenis Dari Suatu Reaksi
Untuk mengevaluasi apakah suatu reaksi itu searah, paralel, seri atau kesetimbangan.
Maka dibuat hubungan antara perubahan konsentrasi, C i dari zat yang terlibat dalam reaksi
terhadap waktu reaksi, t.
Reaksi searah Apabila pada waktu reaksi yang lama sekali (t = ∞) reaktan A habis bereaksi (CA = 0) maka kemungkinan reaksinya searah.
A R
8
k
CA0
AA t
Ci
CA = 0
R
Gambar 2.1 : hubungan antara konsentrasi zat yang terlibat dalam reaksi, Ci (A dan R) terhadap waktu reaksi, t untuk reaksi searah. A R
Reaksi paralel/samping Apabila setelah dianalisa terdapat 2 macam produk (misal zat R dan zat S) dan kemudian diamati pada waktu lebih lanjut kedua produk tersebut jumlahnya bertambah dan tidak ada yang berkurang maka kemungkinan reaksinya adalah reaksi paralel atau samping.
A R
A S
9
k1
k2
CA0
AA t
Ci
CA = 0
S
R
Gambar 2.2 : hubungan antara konsentrasi zat yang terlibat dalam reaksi Ci (A,R dan S) terhadap waktu reaksi, t untuk reaksiparalel :. A R
A S
Reaksi seri/rantai/konsekutif
Apabila setelah dianalisa terdapat dua macam produk (misal zat R dan zat S) dan pada waktu tertentu salah satu produk (misal zat R) pernah mencapai jumlah yang maksimum dan kemudian pada waktu pengamatan yang lebih lanjut ternyata jumlah mol zat yang maksimum tersebut kemudian menurun maka kemungkinan reaksinya adalah reaksi seri/konsekutif.
Reaksi Kesetimbangan/bolak-balik
10
CA = 0
S
Gambar 2.3 : hubungan antara konsentrasi zat yang terlibat dalam reaksi Ci (A, R dan S) terhadap waktu reaksi, t untuk reaksi seri :. A R S
CA0
AA t
Ci
S
R
Apabila pada waktu yang lama sekali (t = ∞) reaktan A tidak habis bereaksi (CA ≠ 0) maka kemungkinan reaksinya adalah kesetimbangan/bolak-balik.
11
CA ≠ 0
CA0
AA
t
Ci
R
Gambar 2.4 : hubungan antara konsentrasi zat yang terlibat dalam reaksi Ci (A dan R) terhadap waktu reaksi, t untuk reaksi kesetimbangan : A R
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
Percobaan ini menggunakan air dan pewarna sebagai bahan yang digunakan
untuk analisa kinetika analog dan alat yang digunakan adalah buret, selang, pipa kapiler,
corong, erlenmeyer, statif, botol semprot. Air yang digunakan adalah air biasa yang di
campur dengan pewarna sebagai penanda, Kemudian merangkai alat seperti modul
1,3,5, 8a, 11a,corong, dan erlenmeyer.
Gambar 3.1 Modul yang digunakan dalam percobaan, modul 1, 2, 3, 5, 8a, 11a, corong,
Erlenmeyer
12
Operasi yang dilakukan pada modul ini data yang didapat dalam kalibrasi di bagi
menjadi 20 data dan dilakukan secara duplo.
Gambar 3.2 Diagram alir modul 1, 2, 3, 5, 8a, 11a serta corong dan erlenmyer
13
Menyiapkan alat dan bahan berupa air yang di beri pewarna
Mengerjakan modul 1, 2, 3, 5, 8a, 11a, serta corong dan erlenmeyer
Menulis data, yang berupa waktu (t), konsentrai (CA, CR, dan CU)
Mengkalibrasi alat dengan diisi larutan pewarna,kemudian mancatat waktu yang dibutuhkan ole larutan untuk habis atau sampai setimbang. Kemudian waktu dibagi 20 data
3.1 Alat Percobaan
Alat - alat yang dipergunakan dalam percobaan ini adalah :
1. Buret biasa 50 ml
2. Buret kinetik
3. Pipa kapiler (panjang, sedang dan pendek)
4. Pipa T
5. Stopwatch
6. Corong
7. Selang
8. Pipet tetes
9. Erlenmeyer
3.2 Bahan
Bahan yang dipergunakan dalam percobaan ini adalah :
B.1.1 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama kinetik1
function minimize=kinetik1 (k)tdat=[01.693.385.076.768.4510.1411.8313.5215.2116.918.5920.2821.9723.6625.3527.0428.7330.4232.1133.8];Ydat=[50454238.3534.930.827.8525.052320.4518.616.414.3512.3510.18.25.74.15
32
31.550];%parameter ODECo=[Ydat(1,1) 50];[t,Y]=ode23('laju1',tdat,[Co(1)],[],k);%plot hasil parsial dari estimasi kplot(t,Y,'black-',tdat,Ydat,'blacko')title('plot estimasi parameter kinetika')xlabel('t[detik]')ylabel('CA [konsentrasi]')grid%akumulasi kesalahan FOBJminimize=sum(sum(Y-Ydat).^2);
B.1.2 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama laju1
function dYdt=laju1(t,Y,FLAG,k)A=Y(1);dYdt=[-k(1)*A.^k(2)];
B.1.3 Tulis di Comand window dengan nama laju1
>> k=[1 0.5];
>> konstanta=fminsearch('kinetik1',k)
konstanta =
0.5850 0.3373
B.2 Metode matlab Modul 2 reaksi paralel
B.2.1 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama kinetik2
function minimize=kinetik2 (k)tdat=[011.322.633.945.256.567.879.190.4101.7113124.3135.6
B.3.2 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama laju1
function dYdt=laju3(t,Y,FLAG,Co,k)A=Y(1);R=Co(2)+(Co(1)-A);S=Co(1)-A-R;dYdt=[-k(1)*A.^k(2) k(1)*A.^k(2)-k(3)*R.^k(4) k(3)*R.^k(4)];
B.2.3 Tulis di Comand window dengan nama laju3
>> k=[0.5 0.7 0.7 0.5];
>> konstanta=fminsearch('kinetik3',k)
konstanta =
0.0608 0.4529 0.1672 0.0281
B.4 Metode matlab Waktu paruh (corong)
B.4.1 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama corong
function minimize=corong1 (k)tdat=[04080120180
36
240];Ydat=[5042.334.726.120.615.7];%parameter ODECo=[Ydat(1,1) 50];[t,Y]=ode23('paruh1',tdat,[Co(1)],[],k);%plot hasil parsial dari estimasi kplot(t,Y,'black-',tdat,Ydat,'blacko')title('plot estimasi parameter kinetika')xlabel('t[detik]')ylabel('CA[konsentrasi]')grid%akumulasi kesalahan FOBJminimize=sum(sum(Y-Ydat).^2);
B.4.2 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama paruh1
function dYdt=paruh1(t,Y,FLAG,k)A=Y(1);dYdt=[-k(1)*A.^k(2)];
B.4.3 Tulis di Comand window
>> k=[0.2 0.5];
>> konstanta=fminsearch('corong1',k)
konstanta =
0.0334 0.4564
37
B.5 Metode matlab Waktu paruh (erlenmeyer)
B.5.1 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama erlenmeyer
function minimize=erlenmeyer (k)tdat=[04080120180240];Ydat=[5046.841.237.433.629.4];%parameter ODECo=[Ydat(1,1) 50];[t,Y]=ode23('paruh2',tdat,[Co(1)],[],k);%plot hasil parsial dari estimasi kplot(t,Y,'black-',tdat,Ydat,'blacko')title('plot estimasi parameter kinetika')xlabel('t[detik]')ylabel('CA[konsentrasi]')grid%akumulasi kesalahan FOBJminimize=sum(sum(Y-Ydat).^2);
B.5.2 Klik new m-file tulis di editorSave dengan nama paruh2
function dYdt=paruh2(t,Y,FLAG,k)A=Y(1);dYdt=[-k(1)*A.^k(2)];
B.5.3 Tulis di Comand window
>> k=[0.2 0.4];
>> konstanta=fminsearch('erlenmeyer',k)
konstanta =
0.0077 0.6686
38
LAMPIRAN C
CONTOH PERHITUNGAN
Pengambilan Data dan Pengolahan dengan Metode Matlab