Pembuatan Amonia

Pembuatan Amonia dengan Proses Haber Bosch

_{Pembuatan Amonia menurut proses Haber-Bosch, Nitrogen terdapat melimpah di udara, yaitu sekitar 78% volume. Walaupun demikian, senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam. Satu-satunya sumber alam yang penting ialah NaNO3 yang disebut Sendawa Chili. Sementara itu, kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya untuk industri pupuk, dan bahan peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen, fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode yang utama adalah mereaksikan nitrogen dengan hidrogen membentuk amonia. Selanjutnya amonia dapat diubah menjadi senyawa nitrogen lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.}

_{Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah :}

_{Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dilain pihak, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O. Seiring dengan kemajuan teknologi, digunakanlah tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia :}

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah :

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4Kj Pada 25oC : Kp = 6,2×105

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O.

Reaksi kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik jika suhu diturunkan, tetapi jika suhu diturunkan maka reaksi berjalan sangat lambat . Amonia punya berat molekul 17,03. Amonia ditekanan atmosfer fasanya gas. Titik didih Amonia -33,35 oC, titik bekunya -77,7 oC, temperatur & tekanan kritiknya 133 oC & 1657 psi. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25 oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan tekanan 150-300 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) dapat digambarkan pada tabel berikut :

Kondisi Optimum Pembuatan NH3

Reaksi : N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H= -924 kJ

1.         Suhu

1. Reaksi bersifat eksoterm

2. Suhu rendah akan menggeser kesetimbangan kekanan.

3. Kendala:Reaksi berjalan lambat 400-600Oc

2.         Tekanan

1. Jumlah mol pereaksi lebih besar dibanding dengan jumlah mol produk.

2. Memperbesar tekanan akan menggeser kesetimbangan kekanan.

3. Kendala Tekanan sistem dibatasi oleh kemampuan alat dan faktor keselamatan pada 150-300 atm

3.         Konsentrasi

Pengambilan NH3 secara terus menerus akan menggeser kesetimbangan kearah kanan

4.         Katalis

Katalis tidak menggeser kesetimbangan kekanan, tetapi mempercepat laju reaksi secara keseluruhan

Fe dengan campuran Al2O3 KOH dan garam lainnya

Pengaruh katalis pada sistem kesetimbangan adalah dapat mempercepat terjadinya reaksi kekanan atau kekiri, keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat tetapi katalis tidak mengubah jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi atau dengan kata lain katalis tidak mengubah nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan katalis adalah mengubah mekanisme reaksi kimia agar cepat tercapai suatu produk.

Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi memberikan mekanisme suatu reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi lebih rendah menyebabkan maka lebih banyak partikel yang memiliki energi kinetik yang cukup untuk mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan bertambah sehingga laju meningkat. Perbandingan reaksi dengan katalis dan tanpa katalis dapat dilihat pada gambar dihalaman berikut:

Dengan kemajuan teknologi sekarang digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia

Proses pembuatan Al dengan proses Hall-Heroult

Sifat-sifat yang dimilki aluminium antara lain :

1.      Ringan, tahan korosi dan tidak beracun maka banyak digunakan untuk alat rumah tangga

seperti panci, wajan dan lain-lain.

2.      Reflektif, dalam bentuk aluminium foil digunakan sebagai pembungkus makanan, obat, dan rokok.

3.      Daya hantar listrik dua kali lebih besar dari Cu maka Al digunakan sebagai kabel tiang listrik.

4.      Paduan Al dengan logam lainnya menghasilkan logam yang kuat seperti Duralium (campuran Al, Cu, mg) untuk pembuatan badan peswat.

5.      Al sebagai zat reduktor untuk oksida MnO₂ dan Cr₂O₃.

Pengolahan Alumininum

Aluminium dibuat menurut proses Hall-heroult yang ditemukan oleh Charles M. Hall di Amerika Serikat dan Paul Heroult tahun 1886.

Bahan dasar pembuatan Al adalah Al₂O₂ (Bauksit)

                        Dalam Al₂O₃ terdapat beberapa kandungan diantaranya : 50 – 60% Al , 1 – 20% Besi , 1 – 10% Silikon

Proses pembuatan :

1.      Bauksit kotor dicuci dengan larutan Natrium Hidroksida pekat sehingga dihasilkan larutan Natrium Alumina pengotornya tidak larut ( mengendap ).

Reaksi yang terjadi :

                  Al₂O₃ + 2NaOH   2Na AlO₂ + H₂O

2.      Filtrate Natrium Alumina diencerkan sehingga dihasilkan endapan Alumina Hidroksida.

Reaksi yang terjadi :

                  Na AlO₂ + H₂O           Al (OH) ₃ + NaOH

3.      Alumina Hidroksida yang terbentuk dipanaskan, sehingga dihasilkan Al₂O₃ murni.

Al (OH) ₃                Al₂O₃ + H₂O

4.      Peleburan Alumina

Peleburan ini menggunakan sel elektrolisis yang terdiri atas wadah dari besi berlapis grafit yang sekaligus berfungsi sebagai katode (-) sedang anode (+) adalah grafit. Campuran Al₂O₃ dengan kriolit dan AlF₃ dipanaskan hingga mencair dan pada suhu 950 C kemudian dielektrolisis . Al yang terbentuk berupa zat cair dan terkumpul di dasar wadah lalu dikeluarkan secara periodik ke dalam cetakan untuk mendapat aluminium batangan (ingot). Anode grafit terus menerus dihabiskan karena bereaksi dengan O₂ sehingga harus diganti dari waktu ke waktu. Untuk mendapat 1 Kg Al dihabiskan 0,44 anode grafit. 2 Al₂O₃ +3C 4Al + 3CO₂

Beberapa bijih Al yang utama :

1. Bauksit (Al₂O₃. 2H₂O)

2. Mika (K-Mg-Al-Slilkat)

3. Tanah liat (Al₂Si₂O₇.2H₂O)

Aluminium ada di alam dalam bentuk silikat maupun oksida, yaitu antara lain :

-          sebagai silikat misal feldspar, tanah liat, mika

-          sebagai oksida anhidrat misal kurondum (untuk amril)

-          sebagai hidrat misal bauksit

-          sebagai florida misal kriolit.

     Penggunaan Aluminium

Beberapa penggunaan aluminium antara lain:

1. Sektor industri otomotif, untuk membuat bak truk dan komponen kendaraan bermotor.

2. untuk membuat badan pesawat terbang.

3. Sektor pembangunan perumahan;untuk kusen pintu dan jendela.

4. Sektor industri makanan ,untuk kemasan berbagai jenis produk.

5. Sektor lain, misal untuk kabel listrik, perabotan rumah tangga dan barang kerajinan.

6. Membuat termit, yaitu campuran serbuk aluminium dengan serbuk besi (III) oksida, digunakan untuk mengelas baja ditempat, misalnya untuk menyambung rel kereta api.

Produk yang dihasilkan oleh aluminium

1.      Peralatan rumah tangga

2.      Botol minuman

3.      Aluminium foil, dll.

Aluminium
Dibuat dengan elektrolisis dari bauksit yang murni.
1) Al2O3 murni dicampur dengan Na3AIF (kriolit) untuk menurunkan titik leleh Al2O3 dan bertindak sebagai pelarut untuk pemurnian Al2O3.
2) Dielektrolisis, reaksi yang terjadi:

Al2O3 –>Al³⁺ + O^2–

Katode (grafit) : 4 Al³⁺ + 12 e^– –>4 Al
Anode (grafit) : 3 C + 6 O^2– —>3 CO2 + 12 e^–

3 C + 4 Al³⁺ + 6 O^2– —>4 Al + 3 CO2

Pembuatan Belerang dari Asam Sulfat

Asam sulfat merupakan bahan kimia yang banyak digunakan sebagai bahan baku dan bahan penolong dalam berbagai industri, sehingga perkembangan pemakaiannya dapat merupakan indikator bagi perkembangan perindustrian di suatu negara.

Bahan baku utama pembuatan asam sulfat adalah sulfur atau belerang, yang berwarna kuning. Biasanya ditambang dari pegunungan, seperti di tangkuban perahu, dieng, atau bromo (ini lokasi - lokasi yang orang awam biasanya tahu. masih banyak lainnya).


Saat ini belerang termurah dihasilkan dari China dan India. Sebagian dari sulfur ini berupa sulfur alam (56%), dari senyawa – senyawa sulfur seperti pyrite atau batuan sulfida / sulfat lainnya (19%), dan dari gas buangan industri minyak bumi / batu bara (H2S, SO2) (25%). 70 – 85% dari produksi sulfur tersebut digunakan untuk pembuatan asam sulfat. Dalam pengambilan sulfur, terdapat beberapa proses yang lazim digunakan, yakni :

1. Proses Frasch

Diagram skema proses frasch

Dasar pengambilan sulfur menurut proses ini adalah pencairan sulfur di bawah tanah / laut dengan air panas, lalu mamompanya ke atas permukaan bumi. Untuk maksud itu digunakan 3 pipa konsentris 6”, 3”, dan 1”. Air panas (325oC) dipompakan ke dalam batuan S melalui bagian pipa 6”, sehingga S akan meleleh (235oF). Lelehan S yang lebih berat dari air akan masuk ke bagian bawah antara pipa 3” dan 1”, dan dengan tekanan udara yang dipompakan melalui pipa 1”, air yang bercampur dengan S akan naik ke atas sebagai “crude S”, untuk kemudian diolah menjadi “crude bright” atau “refined S”.

2. Pengambilan S dari batuan sulfida / sulfat

S dapat pula diambil dari batuan sulfida atau sulfat, seperti pyrite FeS2, chalcopyrite CuFeS2, covelita CuS, galena PbS, Zn blende ZnS, gips CaSO4, barire BaSO4, anglesite PbSO4, dan lain – lain.

3. Pengambilan Sulfur Alamiah dari deposit gunung berapi (Indonesia)

Deposit S di gunung berapi dapat berupa batuan, lumpur sedimen atau lumpur sublimasi, kadarnya tidak begitu tinggi (30 – 60 %) dan jumlahnya tidak begitu banyak (600 – 1000 juta ton, total)
Di gunung Talaga Bodas di dapat dalam bentuk lumpur dengan kadar S (30 – 70 %) dan jumlah deposit 300 juta ton.

Tempat – tempat lainnya adalah : kawah Ijen, Gunung Welirang, Gunung Dieng dan Gunung Tangkuban Perahu. Untuk pemanfaatan sumber alam ini diperlukan peningkatan kadar S terlebih dahulu, antara lain dengan cara flotasi dan benefication.

Dalam flotasi dilakukan penambahan air dan ‘frother’ sehingga S akan terapung dan dapat dipisahkan. Sedangkan dalam ‘benefication proses’ S setelah ditambahkan air dan reagen – reagen dipanaskan dalam autoclave selama ½ - ¾ jam pada 3 atm, setiap partikel – partikel kecil S terkumpul, kemudian dilakukan pencucian dengan air untuk menghilangkan tanah, lalu dipanaskan kembali dalam autoclave sehingga S terpisah sebagai lapisan S dengan kadar 80 – 90 %.

4. Pengambilan S dari gas buang

S diperoleh dari flue gas asal pembakaran batu bara atau penyilangan minyak bumi, yang tidak boleh dibuang ke udara karena dapat menimbulkan pencemaran. Gas – gas tersebut terlebih dahulu di absorpsi dengan menggunakan etanolamin dan sebagainya, kemudian dipanaskan kembali untuk mendapatkan gasnya kembali untuk diproses lebih lanjut.

Reaksi utama yang digunakan (proses claus)

i. 2 H2S(g) + 3 O2(g) → 2 SO2(g) + 2H2O(l) ΔHo = - 247,89 KJ
ii. 4 H2S(g) + 2SO2(g) → S6(g) + 4H2O(l) ΔHo = - 42,24 KJ

Proses pembuatan asam sulfat

Ada 2 macam proses untuk membuat Asam Sulfat :

Pembuatan H2SO4 dengan proses timbal

Proses tersebut menggunakan ruang reaktor yang dindingnya dilapisi timbal ( Pb ) oleh sebab itu dinamakan proses kamar timbal / bilik timbal.

Reaksi yang terjadi:
2S(s) + 2 O2(g) → 2 SO2(g)
2 SO2(g) + 2 NO2(g) → 2 SO3(g) + 2 NO(g)
Gas NO dialirkan ke suatu tempat reaksi ( reactor ) dan dioksidasi kembali menjadi NO2
2 NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)
Gas SO3 di kamar timbal direaksikan dengan air yang disemprotkan
SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(l)
Kepekatan H2SO4 yang dihasilkan kira-kira 62,5 % dan dipekatkan lagi hingga 77,6 %

Pembuatan H2SO4dengan proses kontak

Pada tahun 1831 seorang ahli kimia berkebangsaan Inggris, Philips telah berhasil mensintesis belerang menjadi H2SO4 sebagai katalis digunakan V2O5
Reaksi yang terjadi :

S(s) + O2(g) → SO2(g)
2 SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) ΔH = - 98,3 KJ
Sulfur trioksida diserap ke dalam 97-98% H2SO4 menjadi oleum (H2S2O7), juga dikenal sebagai asam sulfat berasap. Oleum kemudian diencerkan ke dalam air menjadi asam sulfat pekat.
H2SO4 (l) + SO3(g) → H2S2O7 (l)
H2S2O7 (l) + H2O (l) → 2 H2SO4 (l)

Asam Sulfat yang dihasilkan dari proses tersebut , mempunyai massa jenis 1,84 dan bersifat higroskopis. Apabila H2SO4 pekat dicampur dengan air , akan bersifat eksoterm dan bebbahaya. H2SO4 25 % banyak dijual di pasaran dengan nama accu zuur untuk mengisi aki.

Sebenarnya, asam sulfat dapat dibuat dengan cara melarutkan gas SO3. Namun, perhatikan bahwa pelarutan langsung SO3 ke dalam air tidaklah praktis karena reaksi sulfur trioksida dengan air yang bersifat eksotermik. Reaksi ini akan membentuk aerosol korosif yang akan sulit dipisahkan.

SO3(g) + H2O (l) → H2SO4(l)

Ide penggunaan katalis dalam produksi asam sulfat, atau secara khusus dalam oksidasi belerang dioksida telah dikenali sejak kira-kira tahun 1830. Katalis platina terbuki efektif tetapi sangat mahal sehingga tidak digunakan secara meluas.

Setelah 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. Dari proses kontak ini lalu akan terbentuk asam sulfat pekat dgn kadar 98% .

Pada proses kontak digunakan suhu sekitar 500 C dengan katalisator V2O5 ,sebenarnya tekanan besar akan menguntungkan produksi SO3, tetapi penambahan tekanan ternyata tidak diimbangi penambahan hasil yang memadai. Oleh karena itu, pada proses kontak tidak digunakan tekanan besar melainkan tekanan normal, 1 atm.

Kegunaan Belerang

1. Untuk membuat asam sulfat
2. Untuk membuat gas SO2 yang biasa dipakai untuk mencuci bahan yang terbuat dari wool dan sutera.
3. Pada industri ban , belerang untuk vulkanisasi karet yang berkaitan agar ban bertambah ketegangannya serta kekuatannya.
4. Belerang juga digunakan pada industri obat-obatan, bahan peledak, dan industri korek api yang menggunakan Sb2S3

Asam sulfat merupakan komoditas kimia yang sangat penting, dan sebenarnya pula, produksi asam sulfat suatu negara merupakan indikator yang baik terhadap kekuatan industri negara tersebut. Kegunaan utama (60% dari total produksi di seluruh dunia) asam sulfat adalah dalam "metode basah" produksi asam fosfat, yang digunakan untuk membuat pupuk fosfat dan juga trinatrium fosfat untuk deterjen. Pada metode ini, batuan fosfat digunakan dan diproses lebih dari 100 juta ton setiap tahunnya.

Bahan-bahan baku yang ditunjukkan pada persamaan di bawah ini merupakan fluorapatit, walaupun komposisinya dapat bervariasi. Bahan baku ini kemudian diberi 93% asam suflat untuk menghasilkan kalsium sulfat, hidrogen fluorida (HF), dan asam fosfat. HF dipisahan sebagai asam fluorida. Proses keseluruhannya dapat ditulis:

Ca5F(PO4)3 + 5 H2SO4 + 10 H2O → 5 CaSO4•2 H2O + HF + 3 H3PO4

Asam sulfat digunakan dalam jumlah yang besar oleh industri besi dan baja untuk menghilangkan oksidasi, karat, dan kerak air sebelum dijual ke industri otomobil. Asam yang telah digunakan sering kali didaur ulang dalam kilang regenerasi asam bekas (Spent Acid Regeneration (SAR) plant).

Kilang ini membakar asam bekas dengan gas alam, gas kilang, bahan bakar minyak, ataupun sumber bahan bakar lainnya. Proses pembakaran ini akan menghasilkan gas sulfur dioksida (SO2) dan sulfur trioksida (SO3) yang kemudian digunakan untuk membuat asam sulfat yang "baru".

Amonium sulfat, yang merupakan pupuk nitrogen yang penting, umumnya diproduksi sebagai produk sampingan dari kilang pemroses kokas untuk produksi besi dan baja. Mereaksikan amonia yang dihasilkan pada dekomposisi termal batu bara dengan asam sulfat bekas mengijinkan amonia dikristalkan keluar sebagai garam (sering kali berwarna coklat karena kontaminasi besi) dan dijual kepada industri agrokimia.
 
Kegunaan asam sulfat lainnya yang penting adalah untuk pembuatan aluminium sulfat. Alumunium sulfat dapat bereaksi dengan sejumlah kecil sabun pada serat pulp kertas untuk menghasilkan aluminium karboksilat yang membantu mengentalkan serat pulp menjadi permukaan kertas yang keras. Aluminium sulfat juga digunakan untuk membuat aluminium hidroksida. Aluminium sulfat dibuat dengan mereaksikan bauksit dengan asam sulfat:

Al2O3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2O

Asam sulfat juga memiliki berbagai kegunaan di industri kimia. Sebagai contoh, asam sulfat merupakan katalis asam yang umumnya digunakan untuk mengubah sikloheksanonoksim menjadi kaprolaktam, yang digunakan untuk membuat nilon. Ia juga digunakan untuk membuat asam klorida dari garam melalui proses Mannheim. Banyak H2SO4 digunakan dalam pengilangan minyak bumi, contohnya sebagai katalis untuk reaksi isobutana dengan isobutilena yang menghasilkan isooktana.

Walaupun asam sulfat tidak mudah terbakar, kontak dengan logam dalam kasus tumpahan asam dapat menyebabkan pelepasan gas hidrogen. Penyebaran aerosol asam dan gas sulfur dioksida menambah bahaya kebakaran yang melibatkan asam sulfat.

Asam sulfat dianggap tidak beracun selain bahaya korosifnya. Resiko utama asam sulfat adalah kontak dengan kulit yang menyebabkan luka bakar dan penghirupan aerosol asap. Paparan dengan aerosol asam pada konsentrasi tinggi akan menyebabkan iritasi mata, saluran pernafasan, dan membran mukosa yang parah.

Iritasi akan mereda dengan cepat setelah paparan, walaupun terdapat risiko edema paru apabila kerusakan jaringan lebih parah. Pada konsentrasi rendah, simtom-simtom akibat paparan kronis aerosol asam sulfat yang paling umumnya dilaporkan adalah pengikisan gigi.

Indikasi kerusakan kronis saluran pernafasan masih belum jelas. Di Amerika Serikat, batasan paparan yang diperbolehkan ditetapkan sebagai 1 mg/m³. Terdapat pula laporan bahwa penelanan asam sulfat menyebabkan defisiensi vitamin B12 dengan degenarasi gabungan sub akut.