Kinetika Reaksi Fasa Cair
Transcript of Kinetika Reaksi Fasa Cair
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
-1/12-
MODUL 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair
I. Pendahuluan
Rekayasa kimia atau chemical engineering adalah ilmu teknik tentang proses-
proses dan sarana-sarana pemroses yang mengubah keadaan, kandungan energi, dan/atau
komposisi suatu (kelompok) bahan dan menghasilkan produk yang memiliki nilai
kemanfaatan lebih tinggi. Individu-individu yang mendapat pengakuan resmi sebagai
orang yang menguasai dan mempraktikkan ilmu teknik ini disebut insinyur kimia atau
sarjana teknik kimia.
Tugas-tugas insinyur kimia yang berkenaan dengan penerapan reaksi kimia di
dalam praktik/industri adalah:
1. menentukan ukuran-ukuran dan kondisi operasi reaktor kimia yang diperlukan untuk
menghasilkan sejumlah tertentu produk reaksi
2. mengendalikan, mengevaluasi, dan mengoptimumkan kinerja (performance) reaktor
yang beropersi di dalam pabrik.
Pelaksanaan tugas-tugas tersebut membutuhkan data kinetika reaksi yang
bersangkutan, yakni informasi kuantitatif tentang laju/kecepatan reaksi dan pengaruh
variabel-variabel proses seperti temperatur dan konsentrasi terhadap kecepatan reaksi.
Jika data kinetika reaksi itu sama sekali tidak tersedia, seorang insinyur kimia harus
mampu secara mandiri menghimpunnya dan kemudian meringkaskan himpunan tersebut
menjadi rumusan-rumusan kuantitatif yang siap pakai.
Usaha pengumpulan dan peringkasan data kinetika reaksi disebut penentuan
kinetika reaksi. Kegiatan ini umumnya berupa penelaahan eksperimental di laboratorium,
karena perkembangan ilmu kinetika reaksi kimia belum mencapai taraf yang
memungkinkan dilakukannya peramalan teoretik yang cukup teliti tentang kecepatan
reaksi.
Sesuai dengan tujuan di atas, praktikan harus terlebih dahulu menguasai:
1. asas-asas kekekalan massa dan energi serta penerapannya untuk menganalisa
kelakukan reaksi eksoterm di dalam sistem tertutup
2. asas-asas dasar kinetika reaksi homogen
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 2 dari 12
II. Tujuan
Praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair dilakukan dengan tujuan:
1. Mempelajari salah satu metoda eksperimen untuk menentukan kinetika reaksi
homogen fasa cair, khususnya antara H2O2 dan Na2S2O3, di dalam reaktor batch.
2. Memperkenalkan salah satu penafsiran data kinetika reaksi
III. Sasaran
Sasaran praktikum ini adalah penurunan korelasi persamaan kinetika reaksi fasa
cair dan menetukan parameter-parameter reaksi homogen
IV. Tinjauan Pustaka
IV.1 Tinjauan Kinetika Reaksi Umum
Kinetika reaksi adalah ilmu yang mempelajari kecepatan reaksi kimia serta
faktor-faktor (diantaranya konsentrasi, tekanan, temperatur, katalis, dan sebagainya) yang
mempengaruhi laju reaksi tersebut. Salah satu cara penentuan kinetika reaksi adlaah
melalui pengukuran konsentrasi selama reaksi berlangsung.
Pada percobaan dilakukan reaksi antara H2O2 dan Na2S2O3 yang merupakan
reaksi eksoterm fasa cair. Reaksi tersebut berlangsung cepat, sehingga pengukuran
konsentrasi menjadi sulit. Untuk itu, dilakukan pengukuran temperatur sistem selama
reaksi berlangsung.
Bentuk persamaan kinetika pengikuti power low sebagai berikut: b
Ba
AA .Ck.Cr =− (1)
dimana
−=
RTEaA.expk (2) .
Reaksi antara H2O2 dan Na2S2O3 dapat melalui berbagai jalur, bergantung pada
perbandingan stoikiometri (β). Setelah diketahui berapa harga β dapat ditentukan pula
besarnya kalor reaksi, energi aktivasi, dan faktor frekuensi (A) dengan menggunakan
neraca energi, yaitu:
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 3 dari 12
[laju energi terakumulasi] = [laju energi masuk] – [laju energi keluar] +
[laju energi yang dihasilkan]
Dengan asumsi reaktor adiabatik, maka Q, laju masuk, dan laju keluar =0, sehingga:
( )dtdC∆Hr.v.
dtdT.m.Cp sistem = (3)
Dengan pendekatan dT = ∆T, maka kalor reaksinya:
322
sistemsistem
OSNa molT.(m.Cp)
Cv.T.(m.Cp)
vdtdT(m.Cp).
∆Hr ∆=
∆∆
== (4)
Untuk menentukan energi aktivasi dan faktor frekuensi (A) dilakukan penggabungan
antara persamaan laju reaksi dan persamaan neraca energi:
1. Persamaan laju reaksi (diasumsikan reaksi berorde 1 terhdap masing-masing
komponen)
.βk.C.Ck.Cdt
dCAr 2ABAA ==−=− (5)
dimana
A
B
CC
β = (6)
2. Neraca energi
( )dt
dC∆Hr.v.dtdT.m.Cp A
sistem = (7)
Dengan mensubstitusi dCA/dt pada persamaan laju reaksi ke persamaan neraca energi,
didapat:
( ) ( ) .βCRTEaA.exp ∆Hr.v..βk.C- ∆Hr.v.
dtdT.m.Cp 2
A2
Asistem
−== (8)
Dari neraca energi diperoleh definisi CA, kemudian disubstitusi dan dilinearisasi sehingga
didapat persamaan yang lebih sederhana:
∆+
−=
Hr.vβ.A.(mCp)ln
RTEa
T)2-(TadtdT
ln sistem (9)
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 4 dari 12
IV.2 Reaksi yang Ditelaah
Masalah pokok praktikum adalah menentukan kinetika reaksi eksoterm antara
hidrogen peroksida dengan natrium tiosulfat di dalam fasa akuatik (aqueous) dengan
menggunakan reaktor batch adiabtik. Rekator adalah bejan apenyelenggara reaksi yang
tidak mempertukarkan massa maupun energi dengan lingkungannya.
Jalannya reaksi dapat diikuti dengan mengukur variasi temperatur sistem selama
reaksi berlangsung. Di atas kertas, ada tujuh jalan reaksi yang mungkin ditempuh oleh
H2O2 dan Na2S2O3 di dalam fasa akuatik:
No Reaksi β ∆H
1 2Na2S2O3 + H2O2 → Na2S4O6 + 2NaOH 0.5 -163300
2 Na2S2O3 + H2O2 → Na2S2O4 + 2 H2O 1.0 -173300
3 3Na2S2O3 + 4H2O2 → 2Na2S3O6 + 2NaOH +3H2O 1.33 -512800
4 Na2S2O3 + 4H2O2 +2NaOH→ Na2SO4 + 5H2O 4.00 -879000
5 3Na2S2O3 + 5H2O2 → 2Na2S4O6 + 2 Na2SO4 +5H2O 1.67 -432400
6 2Na2S2O3 + 4H2O2 → Na2S3O6 + 2Na2SO4 +4H2O 2.00 -596500
7 4NaOH + Na2S3O6 + 4H2O2 → 3Na2SO4 +6H2O
β = perbandingan stoikiometri H2O2 terhadap Na2S2O3 ∆H = perubahan entalpi yang menyertai reaksi (J/mol Na2S2O3)
Ketujuh reaksi ini merupakan reaksi-reaksi yang sangat eksoterm sehingga tanpa
tergantung pada reaksi mana yang sebenarnya terjadi, temperatur sistem adiabatik yang
mereaksikan H2O2 dan Na2S2O3 akan naik.
IV.2 Pokok-Pokok Tugas percobaan
Sekalipun uraian yang lebih rinci tentunya akan diberikan oleh instruktur
praktikum, pada garis besarnya masalah-masalah yang harus saudara telaah dan
selesaikan lewat percobaan-percobaan di dalam praktikum modul ini adalah:
1. Menentukan dari ketujuh reaksi di atas, mana yang merupakan jalan utama reaksi
antara H2O2 dan Na2S2O3 di dalam sistem yang sedang diteliti
2. Menentukan bentuk kuantitatif kecepatan reaksinya, dan nilai orde reaksi terhadap
H2O2 dan Na2S2O3
3. Menentukan nilai energi aktivasi reaksi pada rentang temperatur percobaan
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 5 dari 12
V. Rancangan Percobaan
V.1 Perangkat dan Alat Ukur
1. Gelas piala 100 mL (reaktor batch adiabatik)
2. Pengaduk magnetik
3. Termokopel
4. Recorder
5. Gelas ukur
6. Termometer
7. Pipet ukur
8. Perangkat titrasi
V.2 Bahan/ Zat Kimia
1. larutan H2O2
2. larutan Na2S2O3
3. larutan KMnO4
4. larutan H2SO4
V.3 Perangkat Alat
Perangkat alat praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair secara skematis dapat dilihat
pada Gambar 1 berikut:
Gambar 1 Skema sederhana peralatan Praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair
V.4 Cara Kerja
Langkah-langkah pengerjaan praktikum Kinetika Reaksi Fasa Cair dilakukan
sebegai berikut:
ReaktorEs Mencair Recorder
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 6 dari 12
V.4.1 Kalibrasi Skala Alat Recorder
a. Kalibrasi Recorder terhadap temperatur
b. Kalibrasi Recorder terhadap waktu
V.4.2 Penentuan konsentrasi H2O2 dan pembuatan larutan
a. Penentuan konsentrasi H2O2
b. Pembuatan larutan H2O2
Air, T (20 0C-100 0C)
Ukur
Termokopel+recorder
Catat suhu setiap skala tertentuUkur dengan termometer
Didapat data kalibrasi termometer dengan recorder
Air dingin dan airpada Td
Ukur
Termokopel+recorder
Didapat data kalibrasi skala waktu dengan recorder
Catat waktu setiap skala tertentuUkur dengan stopwatch
Titrasi dengan KMnO4konsentrasi tertentu
Larutan H2O2 pekat
Didapat data titrasi, diketahui konsentrasi H2O2
Larutan H2O2 encer
Lar.H2O2 pekat Aqua DM
CampurkanAir yang dibutuhkan: V2 = (V1.M1) / M2
Lar.H2O2 dengan konsentrasiyang diinginkan
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 7 dari 12
c. Pembuatan larutan Na2S2O3
V.4.3 Penentuan Kapasitas Panas Reaktor V.4.4 Penentuan Nilai β
Aqua DM
CampurkanAir yang dibutuhkan: V2 = (V1.M1) / M2
Lar.Na2s2O3 pekat
Lar.Na2s2O3 dengankonsentrasi yang diinginkan
Air dingin Td, md Air panas, Tp, mp
Campurkan
Air campuran
Ukur dengan termometer
Didapat T campuran
Analisis neraca massa,Panas akumulasi = panas masuk - panas kelua
Didapat Kapasitas Panas, Cp
Lar.H2O2, a M, x mL, To
Campurkan
Lar. campuran
Ukur suhu dengan termometer
Didapat T campuran
Perbandingan CA/ CB
Lar.Na2s2O3, y mL
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 8 dari 12
V.4.5 Penentuan Kalor Reaksi (∆Hr)
V.4.6 Penentuan Ea dan A
Lar.H2O2, a M, x mL, To
Campurkan dengan perbandingan CA/CB
Lar.campuran H2O2 dan Na2S2O3 denganperbandingan stoikiometri
Ukur suhu dengan termometer
Didapat T campuran
Lar.Na2s2O3, y mL
Hitung selisih T
Analisis neraca massa,Panas akumulasi = panas masuk - panas kelua
Didapat Kalor Reaksi
Lar.H2O2, a M, x mL, To
Campurkan dengan perbandingan CA/CB
Lar.campuran H2O2 dan Na2S2O3 denganperbandingan stoikiometri
Ukur suhu dengan termokopeldan rekam dengan rekorder
Lar.Na2s2O3, y mL
Analisis neraca massa,Panas akumulasi = panas masuk - panas kelua
Didapat Kalor Reaksi
Data rekorder
Persamaan Kinetika dan Arhenius
Didapat Harga Ea dan A
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 9 dari 12
V.4.7 Penentuan Densitas Campuran
V.5 Data Literatur
Data literatur yang dibutuhkan dalam praktikum ini adalah:
1. Densitas air pada berbagai temperatur
Temperatur (0C) ρair (kg/m3)
Sumber :
2. Kalor jenis air pada berbagai temperatur
Temperatur (0C) Cpair (kg/m3)
Sumber
3. Jalur reaksi H2O2 dan Na2S2O3 yang ditentukan nilai β sesuai Tabel 1
No Reaksi β ∆H
1 2Na2S2O3 + H2O2 → Na2S4O6 + 2NaOH 0.5 -163300
2 Na2S2O3 + H2O2 → Na2S2O4 + 2 H2O 1.0 -173300
3 3Na2S2O3 + 4H2O2 → 2Na2S3O6 + 2NaOH +3H2O 1.33 -512800
4 Na2S2O3 + 4H2O2 +2NaOH→ Na2SO4 + 5H2O 4.00 -879000
Lar.H2O2, a M, x mL, To
Campurkan dengan perbandingan CA/CB
Lar.campuran H2O2 dan Na2S2O3dengan perbandingan stoikiometri
Ukur suhu dengan termometerDinginkan
Lar.Na2s2O3, y mL
Lar. campurandingin Piknometer
Masukkan
Lar. dalam Piknometer
Timbang
Aqua DM. Ta Piknometer
Aqua Dm dalam Piknometer
Dapat Volume piknometerDapat massa larutan
Analisis, perhitungan
Dapat densitas larutan
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 10 dari 12
5 3Na2S2O3 + 5H2O2 → 2Na2S4O6 + 2 Na2SO4 +5H2O 1.67 -432400
6 2Na2S2O3 + 4H2O2 → Na2S3O6 + 2Na2SO4 +4H2O 2.00 -596500
7 4NaOH + Na2S3O6 + 4H2O2 → 3Na2SO4 +6H2O
V.6 Data Percobaan
V.6.1 Kalibrasi Skala Waktu
Skala t (detik)
V.6.2 Kalibrasi Skala Temperatur
Skala Temperatur (0C)
V.6.3 Penentuan Konsentrasi H2O2 dan Na2S2O3
Volume H2O2 = mL
[KMnO4] = M
Pengenceran H2O2 kali
Volume H2O2 setelah diencerkan = mL
Pada saat titrasi dengan KMnO4 dibutuhkan KMnO4 sebanyak mL.
Pembuatan larutan H2O2
[H2O2] M Vol H2O2 (mL) Vol air yang ditambahkan (mL)
Penentuan Konsentrasi Na2S2O3
[Na2S2O3] M Massa Na2S2O3 (g) Vol air yang ditambahkan (mL)
V.6.4 Penentuan Kapasitas Panas Reaktor
air dingin air panas T awal (0C) ρ (g/mL) Cp (kal/g.0C) Volume (mL)
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 11 dari 12
T akhir = (0C)
V.6.5 Kalibrasi Volume Piknometer
Massa piknometer kosong = g
Massa piknometer + air = g
Massa air = g
Temperatur air = 0C
Densitas air pada T = g/mL
V.6.6 Penentuan β
No. Run
[H2O2] = M
[Na2S2O3] = M
Tawal = 0C
Vol. Na2S2O3 (mL) T (0C)
V.6.7 Penentuan Densitas Campuran
Temperatur (0C) Volume Pikno (mL) (hasil kalibrasi)
Massa pikno (g) Massa pikno+campuran (g)
Massa campuran (g) ρ campuran (g/mL)
V.6.8 Penentuan Kapasitas Panas Sistem
Temperatur (0C) ρ Campuran (g/mL) Vol. campuran (mL) Cp air (kal/g) m.Cp campuran m.Cp reaktor m.Cp sistem
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.12 Kinetika Reaksi Fasa Cair Halaman 12 dari 12
Daftar Pustaka
1. Root, R.B., and Schmitz, R.A., AIChEJ, 15(5), 1969, pp.670-679
2. Coohen, W.C., and Spencer, J.L., Chem. Eng. Sci., 58 (12), 1962,pp.40-41
3. Glasser, D., and Williams, D.F., Ind. Eng. Chem. Fundamental., 10(3), 1971, pp.
516-519.