Ditulis oleh Yoshito Takeuchi pada 15-02-2009
Karena struktur senyawa anorganik biasanya lebih sederhana
daripada senyawa organik, sintesis senyawa anorganik telah berkembang dengan
cukup pesat dari awal kimia modern. Banyak pengusaha dan inventor secara
ekstensif mengeksplorasi sintesis berbagai senyawa yang berguna. Dengan kata
lain sintesis senyawa anorganik bermanfaat besar secara aktif dilakukan sebelum
strukturnya atau mekanisme reaksinya diklarifikasi. Beberapa contoh khas
diberikan di bawah ini.
a. Natrium karbonat Na2CO3
Sepanjang sejarah industri kimia, persediaan natrium
karbonat Na2CO3, soda, merupakan isu penting. Soda adalah bahan dasar penting
bukan hanya untuk keperluan sehari-hari (seperti sabun) tetapi juga untuk
produk industri yang lebih canggih (seperti gelas).
Di waktu lampau soda didapatkan dari sumber alami, dan
kalium karbonat K2CO3, yang juga digunakan dalam sabun, didapatkan dalam bentuk
abu kayu. Setelah revolusi industri, kebutuhan sabun meningkat dan akibatnya
metoda sintesis baru dengan bersemangat dicari. Waktu itu telah dikenali bahwa
soda dan garam (NaCl) mengandung unsur yang sama, natrium, dan penemuan ini
mengakibatkan banyak orang berusaha membuat soda dari garam. Di awal abad 19,
suatu proses baru dikembangkan: natrium sulfat yang merupakan produk samping
produksi asam khlorida (yang digunakan untuk serbuk pengelantang, bleaching),
batu bara dan besi dinyalakan. Namun, hasilnya, rendah dan tidak cocok untuk
produksi skala besar .
Inventor Perancis Nicolas Leblanc (1742-1806) mendaftar
suatu kontes yang diselenggarakan oleh Académie des Sciences, untuk
menghasilkan secara efektif soda dari garam. Esensi dari prosesmua adalah
penggunaan marmer (kalsium karbonat) sebagai ganti besi.
|
Proses Leblanc dapat menghasilkan soda dengan kualitas lebih
baik daripada metoda sebelumnya. Namun, proses ini menghasilkan sejumlah produk
samping seperti asam sulfat, asam khlorida, kalsium khlorida, kalsium sulfida
dan hidrogen sulfida. Bahkan waktu itu pun, pabrik menjadi target kritik
masyarakat. Peningkatan kualitas proses Leblanc sangat diperlukan khususnya
dari sudut pandang penggunaan ulang produk sampingnya, yang jelas akan
menurunkan ongkos produksi.
Satu abad setelah usulan proses Leblanc, inventor Belgia
Ernest Solvay (1838-1922) mengusulkan proses Solvay (proses soda-amonia), yang
lebih maju dari aspek kimia dan teknologi. Telah diketahui sejak awal abad 19
bahwa soda dapat dihasilkan dari garam denagn amonium karbonat (NH4)2CO3.
Solvay yang berpengalaman dengan mesin dan dapat mendesain proses produksi
tidak hanya dari sudut pandang kimia tetapi juga dari sudut pandang teknologi
kimia. Dia berhasil mengindustrialisasikan prosesnya di tahun 1863.
Keuntungan terbesar proses Solvay adalah penggunaan reaktor
tanur bukannya reaktor tangki. Air garam yang melarutkan amonia dituangkan dari
puncak tanur dan karbondioksida ditiupkan keda lam tanur dari dasar sehingga
produknya akan secara kontinyu diambil tanpa harus menghentikan reaksi. Sistem
Solvay menurunkan ongkos secara signifikan, dan akibatnya menggantikan proses
Leblanc.
Reaksi utama
|
|
NaCl + NH3 + CO2 + H2O –> NaHCO3 + NH4Cl
|
(11.4)
|
2NaHCO3 –> Na2CO3 + CO2 + H2O
|
(11.5)
|
Sirkulasi amonia
|
|
2NH4Cl + CaO –> 2NH3 + CaCl2 + H2O
|
(11.6)
|
Pembentukan karbon dioksida CO2 dan kalsium oksida CaO
|
|
CaCO3 –> CaO+CO2
|
(11.7)
|
Satu-satunya produk samping proses Solvay adalah kalsium
khlorida, dan amonia dan karbondioksida disirkulasi dan digunakan ulang. Dalam
produksi soda dari garam, poin penting adalah pembuangan khlorin. Dalam proses
Leblanc, khlorin dibuang sebagai gas asam khlorida, namun di proses Solvay,
khlorin dibuang sebagai padatan tak berbahaya, kalsium khlorida. Karena
keefektifan dan keefisienan prosesnya, proses Solvay dianggap sebagai contoh
proses industri kimia.
b. Asam sulfat
Sejak akhir pertengahan abad 16, kimiawan Jerman Andreas
Libavius (1540?-1616) memaparkan proses untuk mendapatkan asam sulfat H2SO4 dengan
membakar belerang dalam udara basah.
S + O2 –> SO2 (11.8)
2SO2+O2 –> 2SO3 (11.9)
Glauber, insinyur kimia pertama, menemukan di pertengahan
abad 17 proses untuk mendapatkan asam khlorida dengan memanaskan garam dan asam
sulfat. Asam khlorida yang didapatkannya memiliki konsentrasi yang lebih tinggo
daripada yang didapatkan dalam proses sebelumnya.
2NaCl+H2SO4 –> Na2SO4+2HCl (11.10)
Reaksi yang dibahas di buku teks sekolah menengah itu
digunakan di sini. Glauber mengiklankan natrium sulfat sebagai obat dengan efek
yang menakjubkan dan mendapatkan banyak keuntungan dari penjualan garam ini.
Proses yang lebi praktis untuk menghasilkan asam sulfat
dikenalkan yakni dengan cara memanaskan belerang dengan kalium nitrat KNO3.
Awalnya pembakaran dilakukan di wadah gelas besar yang mengandung air.
Asam sulfat yang terbentuk terlarut dalam air. Walaupun
proses kedua (SO2 –>SO3) lambat dan endotermik, dalam proses ini oksida
nitrogen nampaknya berfungsi sebagai katalis yang mempromosikan reaksi ini.
Dengan meningkatnya kebutuhan asam sulfat khususnya dengan
berkembangnya proses Leblanc yang membutuhkan asam sulfat dalam kuantitas
besar, alat baru, proses kamar timbal yang menggunakan ruangan yang dilapisi
timbal sebagai ganti wadah gelas dikenalkan yang membuat produksi skala besar
dimungkinkan. Produksi asam sulfat skala besar otomatis berarti pembuangan
nitrogen oksida yang besar juga. Sedemikian besar sehingga pada waktu itupun
bahaya ke lingkungannya tidak dapat diabaikan.
Berbagai perbaikan proses dilakukan dengan menggunakan tanur
Gay-Lussac dan Glover. Yang terakhir ini digunakan dengan luas karena nitrogen
oksida dapat digunakan ulang dan rendemen n itratnya lebih besar.
Ide penggunaan katalis dalam produksi asam sulfat, atau
secara khusus dalam oksidasi belearng dioksida telah dikenali sejak kira-kira
tahun 1830. Katalis platina terbuki efektif tetapi sangat mahal sehingga tidak
digunakan secara meluas. Seteleah setengah abad kemudian, ketika kebutuhan asam
sulfat meningkat banyak, ide penggunaan katalis muncul kembali. Setelah masalah
keracunan katalis diselesaikan, proses penggunaan katalis platina, yakni proses
kontak, menjadi proses utama dalam produksi asam sulfat. Proses kontak masih
digunakan sampai sekarang walaupun katalisnya bukan platina, tetapi campuran
termasuk vanadium oksida V2O5.
c. Amonia dan asam nitrat
Nitrat (garam dari asam nitrat) sejak zaman dulu dibutuhkan
banyak sebagai bahan baku serbuk mesiu. Namun, persediaannya terbatas, dan
kalium nitrat yang ada secara alami adalah bahan baku utama yang tersedia. Di
abad 19 ketika skala perang menjadi besar, kebutuhan nitrat menjadi membesar,
dan kalium nitrat yang ada secara alami tidak dapat memenuhi permintaan.
Selain itu, nitrat diperlukan sebagai bahan baku pupuk
buatan. Di akhir pertengahan abad 19 kimiawan Jerman Justus von Liebig
(1803-1873) membuktikan kefektifan dan pentingnya pupuk buatan. Masalah yang
menghalangi pemakaian bear-besaran pupuk buatan adalah harganya yang tinggi,
khususnya pupuk nitrogen.
Di akhir abad 19, fisikawan Inggris William Crookes
(1832-1919) meramalkan peningkatan jumlah makanan yang diproduksi tidak dapat
mengejar peningkatan populasi dunia dan dunia akan berakhir menjadi katastropi.
Situasi semacam memicu ilmuwan untuk menyelidiki fiksasi
nitrogen artifisial atau menemukan proses untuk mengubah nitrogen yang tidak
terbatas persediaanya di udara menjadi senyawa yang dapat digunakan. Jelas
diperlukan cara untuk melakukan fiksasi dalam skala besar. Jadi, percobaannya
harus dimulai di skala laboratorium untuk dapat diperbesar ke skala pabrik.
Fiksasi nitrogen berhasil dilakukan oleh kimiawan Jerman
Fritz Haber (1868-1934) dan insinyur kimia Jerman, yang bekerja untuk BASF,
Carl Bosch (1874-1940)??ersamaan reaksi untuk
proses Haber-Bosch sangat sederhana, tetapi secara teknis
terdapat berbagai kesukaran. Prosesnya dielaborasi sehingga reaksi eksoterm ini
akan berlangsung ke sisi kanan dengan mulus.
N2 + 3H2 –> 2NH3 + 22,1 kkal (11.11)
Dalam praktek, beberapa modifikasi dibuat. Misalnya, rasio
molar nitrogen : hidrogen bukan 1:3, tetapi 1:3.3. Kondisi reaksi yang dipilih
adalah 300°C pada 500 atm. Hidrogen digunakan berlebih pada tekanan tinggi
sehingga kesetimbangannya bergeser ke kanan. Karena reaksinya eksoterm, reaksi
ini lebih baik dilakukan pada temperatur yang lebih rendah sesuai dengan azas
Le Chatelier. Di pihak lain, laju reaksi akan terlalu rendah pada temperatur
rendah. Jadi suhunya dibuat agak tinggi ( yakni, dengan tetap mempertimbangkan
agar dekomposisi NH3 tidak terjadi). Katalis yang dibuat dari besi
digunakan dengan ekstensif.
Proses Haber-Bosch menjadi terkenal sebagai contoh pertama
teori kesetimbangan diaplikasikan dalam produksi. Di satu sisi fiksasi nitrogen
dengan proses Haber-Bosch membawa banyak manfaat karena kemudahan mendapat
pupuk. Di sisi lain amonia berarti bahan baku mesiu dapayt diperoleh dengan
mudah pula.
Proses modern untuk menghasilkan asam nitrat HNO3 adalah
okidasi amonia di udara. Dalam proses ini, amonia dicampur dengan udara
berlebih, dan campurannya dipanaskan sampai temperatur tinggi dengan katalis
platina. Amonia akan diubah menjadi nitrogen oksida NO, yang kemudian
dioksidasi lebih lanjut di udara menjadi nitrogen dioksida NO2. Nitrogen
dioksida direaksikan dengan air menghasilkan asam nitrat. Metoda ini
dikembangkan oleh Ostwald, kimiawan yang banyak memberikan kimia katalis, dan
disebut proses Ostwald.
Proses ini diungkapkan dalam persamaan reaksi berikut.
4NH3 + 5 O2 –> 4NO + 6 H2O (11.12)
2NO+O2 –> 2NO2 (11.13)
3NO2+H2O –> 2HNO3+NO (11.14)
Sumber: Situs
Kimia Indonesia
Tidak ada komentar:
Posting Komentar