5 0 1 MB
Teknik Reaksi Kimia 1 Kelompok 14
Arida Natasya Maura (3335190110) Jihan Fauziyah (3335190025)
MATERI YANG AKAN DISAMPAIKAN
βPenentuan Orde Reaksi Dengan
Metode Integral, Differensial dan Waktu Paruh Pada Reaktor Batchβ
PENDAHULUAN
01 Kinetika Kimia suatu studi tentang laju reaksi atau seberapa cepat proses reaksi berlangsung dalam waktu tertentu, perubahan konsentrasi reaktan atau produk sebagai fungsi waktu dan mekanisme reaksi kimia dimana suatu zat dikonversikan menjadi zat lain
02 Laju Reaksi Laju reaksi kimia dapat dinyatakan sebagai perubahan konsentrasi dari reaktan (atau produk) terhadap waktu.
03 Orde Reaksi Orde reaksi adalah jumlah pangkat konsentrasikonsentrasireaktan-reaktan didalam persamaan laju reaksi. yang menghasilkan suatu garis lurus
Reaktor Batch Reaktor kimia adalah wadah yang dirancang untuk proses reaksi kimia berlangsung didalamnya. Reaktor dirancang berdasarkan fitur seperti kondisi operasi atau jenis fase dalam proses reaksi kimia dan dimensi reaktor. β’ Reaktor batch merupakan tempat terjadinya suatu reaksi kimia tunggal, yaitu reaksi yang berlangsung hanya satu persamaan laju reaksi yang berpasangan dengan persamaan kesetimbangan dan stoikiometri. Reaktor batch atau reaktor tertutup adalah suatu reaktor di mana tidak aliran masuk maupun keluar selama reaksi berlangsung.
Reaktan dimasukkan sekaligus pada saat awal, kemudian hasil reaksi diambil setelah jangka waktu tertentu. Reaktor jenis ini biasanya digunakan untuk produksi berkapasitas kecil misalnya proses pelarutan padatan, pencampuran produk, batch distillation, kristalisasi, ekstraksi cair, polimerisasi, dan fermentasi. Persamaan umum untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan untuk mencapai konversi tertentu pada kondisi isotermal maupun non isotermal reaktor batch sebagai berikut: (Levenspiel, 1999)
Batch Reactor
Batch Reactor With Coflux Jacket
Reaktor Batch Volume Konstan Reaktor batch volume konstan mengacu pada volume campuran reaksi, bukan pada volume reaktor. Dengan demikian istilah ini sebenarnya merupakan suatu sistem reaksi dengan densitas konstan. Nilai suatu laju reaksi dari komponen i dalam sistem reaktor batch volume konstan i menjadi :
ππ =
1 πππ π(ππ /π) ππΆπ = = π ππ‘ ππ‘ ππ‘
β¦β¦β¦β¦ (1)
Untuk gas ideal dimana, C = p/RT ππ =
1 πππ π
π ππ‘
β¦β¦β¦β¦ (2)
Dengan demikian, laju reaksi dari setiap komponen didapatkan dari laju perubahan konsentrasinya atau tekanan parsialnya. Jadi bagaimanapun reaksinya, rumus diatas digunakan untuk mencari laju reaksi didasarkan pada konsentrasi dan tekanan parsialnya. (Octave Levenspiel, 1999).
Untuk reaksi yang melibatkan gas dengan mol yang berubah-ubah cara sederhana untuk mencari laju reaksinya adalah dengan mengikuti perubahan tekanan total Ο dari sistem. Berikut penjelasannya: Misalkan persamaan stoikiometri umum seperti diperlihatkan oleh gambar berikut:
Asumsikan bahwa hukum gas ideal berlaku untuk setiap reaktan yang ditulis, (diketahui dari stoikiometri bahwa ππ΄ = ππ΄0 β ππ₯) maka:
πΆπ΄ =
ππ΄ ππ΄ ππ΄0 β ππ₯ = = π
π π π
β¦β¦β¦β¦ (4)
Dengan menggabungkan persamaan 3 dan 4, didapatkan : πβπ0 (dengan π₯ = ) βπ
Jumlah mol mula-mula: π0 = ππ΄0 + ππ΅0 + β― + ππ
0 + ππ0 + β― + ππππππ‘ Jumlah mol pada saat t:
β¦β¦β¦β¦ (3)
π = π0 + π₯ π + π + β― β π β π β β― = π0 + π₯ βπ Dimana :
ππ΄0 π π β π0 β π βπ π Atau π ππ΄ = πΆπ΄ π
π = ππ΄0 β (π β π0 ) βπ β¦β¦β¦β¦ (5) πΆπ΄ =
βπ = π + π + β― β π β π β β―
Perlu ditekankan bahwa jika stoikiometri tidak diketahui secara tepat, atau jika persamaan stoikiometri lebih dari satu maka langkah dengan menggunakan tekanan total diatas tidak dapat digunakan.
Dari persamaan-persamaan sebelumnya didapatkan suatu konversi yang menghasilkan satu persamaan yang cukup penting. Sebut disini sebagai konversi fraksi atau fraksi reaktan suatu zat, misalnya A disebut konversi dari A dengan simbol ππ΄ . Misalkan ππ΄0 adalah jumlah mula-mula dari A dalam suatu reaktor pada t = 0, dan ππ΄ adalah jumlah A sekarang pada waktu t. Maka konversi dari A pada volume konstan adalah:
ππ΄ =
ππ΄0 β ππ΄ ππ΄ Ξ€π πΆπ΄ =1β =1β ππ΄0 ππ΄0 Ξ€π πΆπ΄0
β¦β¦β¦β¦ (6)
Dan
πππ΄ = β
ππΆπ΄ πΆπ΄0
β¦β¦β¦β¦ (7)
Penentuan Orde Reaksi Pada Reaktor Batch
Metode Paruh Waktu
Metode Integral Metode Diferensial
METODE INTEGRAL
Metode Integral Metode integral ini didasari pada integrasi persamaan kecepatan reaksi. Analisis data kinetika dilakukan dengan mengintegrasikan dan membandingkan fungsi konsentrasi terhadap waktu. Metode ini berguna untuk tipe reaksi sederhana yang sesuai dengan reaksi elementer.
Penentuan tipe nilai K Metode analisis integral merupakan suatu cara untuk memperkirakan persamaan reaksi dengan menggunakan integral dan membandingkan perkiraan grafik dengan data yang diperoleh dari percobaan.
βππ΄ = ππππ π = 0,
ππππ π = 1, ππππ π = 2,
ππΆπ΄ = πΎ[π΄]π ππ‘ [π΄]0 β π΄ = πΎπ‘
ln
[π΄]0 = πΎπ‘ [π΄]
1 1 β = πΎπ‘ [π΄] [π΄]0
Irreversible Unimolecular Type First Order Reactions Dimisalkan ada sebuah reaksi seperti ini : A Produk Misalkan uji persamaan laju orde pertama dari jenis berikut
βππ΄ = β
ππΆπ΄ = ππΆπ΄ ππ‘
β¦β¦β¦β¦ (8)
Dengan memisahkan dan mengintegralkan kedua ruas, maka akan didapatkan πΆπ΄
π‘ ππΆπ΄ βΰΆ± = π ΰΆ± ππ‘ πΆπ΄0 πΆπ΄ 0 πΆπ΄ β ln = ππ‘ πΆπ΄0
Pada persamaan konversi (persamaan 6 dan 7), maka persamaan laju reaksi pada persamaan 8 menjadi (βππΆπ΄ = πππ΄ πΆπ΄0 ) dari persaman 6 dan πΆπ΄ = πΆπ΄0 1 β ππ΄ dari persamaan 7). πππ΄ = π(1 β ππ΄ ) ππ‘ Dengan pindah ruas dan di integrasikan, maka didapat : ππ΄
β¦β¦β¦β¦ (9)
π‘ πππ΄ ΰΆ± = π ΰΆ± ππ‘ 1 β π π΄ 0 0 Atau β ln 1 β ππ΄ = ππ‘
Suatu grafik atau plot dari ln 1 β ππ΄ atau ln πΆπ΄ Ξ€πΆπ΄0 terhadap t, ditunjukkan pada gambar berikut, grafik ini memberikan suatu garis lurus dari titik asal (titik 0).
Irreversible Bimolecular Type Second Order Reactions Misalkan suatu reaksi :
A+B
Produk
Berdasarkan reaksi tersebut, persamaan laju yang sesuai adalah: ππΆπ΄ ππΆπ΅ βππ΄ = β =β = ππΆπ΄ πΆπ΅ β¦β¦β¦β¦ (10) ππ‘ ππ‘
Perhatikan bahwa jumlah A dan B yang bereaksi pada waktu t adalah sama dan diberikan oleh πΆπ΄0 ππ΄ , maka persamaan 10 dapat dituliskan dalam bentuk ππ΄ sebagai: βππ΄ = πΆπ΄0
πππ΄ ππ‘
= π(πΆπ΄0 βπΆπ΄0 ππ΄ )(πΆπ΅0 βπΆπ΄0 ππ΄ )
Dimana, πΆπ΄ = (πΆπ΄0 β πΆπ΄0 ππ΄ ) πΆπ΅ = (πΆπ΅0 β πΆπ΅0 ππ΅ )
β¦β¦β¦β¦ (11)
Misalkan π = πΆπ΅0 Ξ€πΆπ΄0 , merupakan perbandingan (rasio) molar mula-mula dari suatu reaktan.
Maka akan diperoleh:
βππ΄ = πΆπ΄0
πππ΄ ππ‘
= ππΆ 2π΄0 (1 β ππ΄ )(M β ππ΄ )
Jika dipisahkan menurut variabelnya, lalu diintegralkan, maka menjadi: ππ΄
ΰΆ± 0
π‘ πππ΄ = πΆπ΄0 π ΰΆ± ππ‘ (1 β ππ΄ )(π β ππ΄ ) 0
Setelah dipecahkan kedalam pecahan parsialnya, diintegralkan dan disederhanakan, maka akan menghasilkan persamaan berikut, yaitu : ln
1 β ππ΅ π β ππ΄ πΆπ΅ πΆπ΄0 πΆπ΅ = ln = ππ = ππ = πΆπ΄0 π β 1 ππ‘ = πΆπ΅0 β πΆπ΄0 ππ‘, 1 β ππ΄ π(1 β ππ΄ ) πΆπ΅0 πΆπ΄ ππΆπ΄ πβ 1
Gambar dibawah menunjukan dua cara memperoleh plot linear antara fungsi konsentrasi dan waktu untuk hukum laju reaksi orde kedua ini
Untuk kasus 1 2A Produk Persamaan diferensial orde kedua menjadi:
1 1 1 ππ΄ β = = ππ‘ πΆπ΄ πΆπ΄0 πΆπ΄0 1 β ππ΄
πππ΄ 2 βππ΄ = πΆπ΄0 = ππΆπ΄2 = ππΆπ΄0 (1 β ππ΄ )2 ππ‘
Untuk kasus 2 A + 2B Produk Untuk urutan pertama terhadap A dan B, maka orde kedua secara keseluruhan, yaitu: βππ΄ = β
ππΆπ΄ 2 = ππΆπ΄ πΆπ΅ = ππΆπ΄0 1 β ππ΄ π β 2ππ΄ ππ‘
Integrasinya menjadi: ππ
πΆπ΅ πΆπ΄0 π β 2ππ΄ = ππ = πΆπ΄0 π β 2 ππ‘, πΆπ΅0 πΆπ΄ π(1 β ππ΄ )
πβ 2
Ketika rasio reaktan stoikiometri digunakan dalam bantuk integrasinya, yaitu: 1 1 1 ππ΄ β = = 2ππ‘, πΆπ΄ πΆπ΄0 πΆπ΄0 1 β ππ΄
Hasil integrasi menjadi:
π=2
Irreversible Trimolecular Type Third Order Reactions Misalkan suatu reaksi :
A+B+D
Produk
Berdasarkan reaksi tersebut, persamaan laju yang sesuai adalah:
βππ΄ = β
ππΆπ΄ = ππΆπ΄ πΆπ΅ πΆπ· ππ‘
Perhatikan bahwa jumlah A dan B yang bereaksi pada waktu t adalah sama dan diberikan oleh πΆπ΄0 ππ΄ , maka persamaan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk ππ΄ sebagai: πΆπ΄π΅
πππ΄ 3 = ππΆπ΄0 1 β ππ΄ ππ‘
πΆπ΅0 β ππ΄ πΆπ΄0
πΆπ·0 β ππ΄ πΆπ΄0
Jika dipisahkan menurut variabelnya dalam pecahan parsial, lalu di integralkan, maka menjadi: 1 πΆπ΄0 1 πΆπ΅0 ππ + ππ (πΆπ΄0 β πΆπ΅0 )(πΆπ΄0 β πΆπ·0 ) πΆπ΄ (πΆπ΅0 β πΆπ·0 )(πΆπ΅0 β πΆπ΄0 ) πΆπ΅ 1 πΆπ·0 + ππ = ππ‘ (πΆπ·0 β πΆπ΄0 )(πΆπ·0 β πΆπ΄0 ) πΆπ· Jika πΆπ·0 jauh lebih besar dari pada πΆπ΄0 dan πΆπ΅0 , reaksinya menjadi reaksi orde kedua.
Untuk reaksi, A + 2B
R Persamaan laju reaksinya adalah
βππ΄ = β
ππΆπ΄ = ππΆπ΄ πΆπ΅2 ππ‘
Dalam hal konversi, laju reaksi menjadi πππ΄
ππ‘
Dimana π =
2 = ππΆπ΄0 (1 β ππ΄ )(π β 2ππ΄ )2
πΆπ΅0 πΆπ΄0
(2πΆπ΄0 β πΆπ΅0 )(πΆπ΅0 β πΆπ΅ ) πΆπ΄0 πΆπ΅ + ππ = (2πΆπ΄0 β πΆπ΅0 )2 ππ‘, (πΆπ΅0 πΆπ΅ ) πΆπ΅0 πΆπ΅
Hasil integrasinya menjadi, 1 1 β 2 = 8ππ‘, πΆπ΄2 πΆπ΄0
π=2
π β 2
Contoh Soal Didalam sebuah reactor batch bervolume-tetap, reaktan A terdekomposisi menurut persamaan reaksi homogen berikut : A -> produk Komposisi A dalam reactor (πΆπ΄) yang diukur pada berbagai variasi waktu t disajikan sebagai berikut :
T (detik)
0
20
40
60
120
180
300
Ca(mol/lite)
10
8
6
5
3
2
1
???
Tentukan persamaan kinetika reaksi yang merepresentasikan data-data kinetic tersebut diatas, dengan menggunakan teknik integral !! Persamaan kecepatan reaksi dianggap mengikuti model hukum pangkat : βππ΄ = β
ππΆπ΄ = ππΆπ΄π ππ‘
???
Penyelesaian dengan metode integral Teknik integral dapat dilakukan melalui metode grafik dan metode merata-ratakan harga k (khususnya, long interval k average procedure), pada beberapa harga orde reaksi yang ditebak. Untuk persamaan kecepatan reaksi : βππ΄ = β
ππΆπ΄ = ππΆπ΄π ππ‘
π = 0,
π=
πΆπ΄0 β πΆπ΄ π‘ ππ
πΆπ΄0 πΆπ΄ π‘
π = 1,
π=
π = 2,
1 1 β = ππ‘ πΆπ΄ πΆπ΄0
n=0, maka persamaan kecepatan reaksi yang telah diintegrasi menjadi: πͺπ¨π β πͺπ¨ = ππ (a) sehingga harga k tebakan orde-0 menjadi :
π=
πͺπ¨π βπͺπ¨ π
(b)
n=1, maka persamaan kecepatan reaksi yang telah diintegrasi menjadi: πππͺπͺπ¨π = ππ (c) sehingga harga k tebakan orde-1 menjadi: π¨
π=
πͺ ππ π¨π πͺπ¨ π
(d)
n=2, maka persamaan kecepatan reaksi yang telah diintegrasi menjadi : π π β = ππ (e) sehingga harga k tebakan orde -2 menjadi: πͺπ¨
πͺπ¨π
π=
π π β πͺπ¨ πͺπ¨π
π
(f)
Hasil perhitungan dan Plot terhadap pesamaan (a), (c), dan (e) tersaji pada 3 buah grafik dan tabel dibawah ini.
METODE DIFERENSIAL
Metode Diferensial
Metode analisis diferensial ini berhubungan langsung dengan persamaan laju diferensial yang akan diujikan. Metode ini mengevaluasi seluruh istilah di dalam persamaan, meliputi turunan π
πͺπ ππ
π serta pengujian ketepatan persamaan dengan percobaan.
Kita ambil contoh: terdapat satu set data πΆπ΄ terhadap π‘ yang diinginkan untuk sesuai dengan persamaan M-M βππ¨ = β
π
πͺπ¨ ππ πͺπ¨ = π
π π + ππ πͺπ¨
βππ¨ = β
π
πͺπ¨ ππ πͺπ¨ = π
π π + ππ πͺπ¨
Plot yang dihasilkan π π oleh terhadap (βππ¨ )
Dengan menggunakan metode diferensial, kita bisa mendapatkan nilai dari βππ¨ terhadap πͺπ¨ . Lalu untuk membuat plot garis lurus untuk ππ dan ππ terdapat dua cara. Yang pertama, kita bisa merubah bentuk persamaan menjadi sebagai berikut:
1 1 π2 = + (βππ΄ ) π1 πΆπ΄ π1
adalah linier, seperti gambar grafik disamping.
Untuk cara yang kedua, kita dapat mengalikan persamaan (Pers. 1) dengan ππ (βππ¨ ) dan akan menghasilkan persamaan: ππ
(βππ΄ ) = β¦.(Pers. 1)
πͺπ¨
π1 π2
β
1
βππ΄
π2
πΆπ΄
β¦.(Pers. 2)
Plot yang dihasilkan dari βππ΄ terhadap (βππ΄ ) adalah linier seperti pada gambar πΆπ΄
disamping. Begitulah kedua cara untuk π πͺ menguji persamaan βππ¨ = π π¨ π+ ππ πͺπ¨
dengan analisis diferensial
Persamaan dapat diubah menjadi bentuk yang sesuai agar menghasilkan plot yang linier. Ini akan memudahkan kita untuk menguji persamaan dengan menggunakan metode diferensial.
Contoh Soal Sebuah reaktan A terurai di dalam reaktor batch menjadi A β produk Komposisi A dalam reaktor tersebut diukur pada variasi waktu yang berbeda, hasilnya seperti berikut: Kolom 1
Kolom 2
Kolom 3
Kolom 4
Waktu t, s
Konsentrasi πͺπ¨ , mol/liter
πͺπ¨π πͺπ¨
π πͺπ¨
0
πͺπ¨π = 10
ln 10/10 = 0
0.1
20
πͺπ¨π = 8
ln 10/8 = 0.2231
0.125
40
πͺπ¨π = 6
0.511
0167
6-
πͺπ¨π = 5
0.6931
0.200
120
πͺπ¨π = 3
1.204
0.333
180
πͺπ¨π = 2
1.609
0.500
300
πͺπ¨π = 1
2.303
1.000
ππ
Buatlah persamaan laju orde-n agar sesuai dengan dengan data konsentrasi terhadap waktu pada tabel di atas!
Penyelesaian 01. Data yang terdapat pada tabel,
yaitu waktu dan konsentrasi di plotkan ke dalam grafik sehingga didapat hasil sebagai berikut
02. Lalu gambarkan kurva untuk mewakili setiap data yang terdapat pada tabel. Kemudian gambarkan garis singgung pada nilai πͺπ¨ = 10, 8, 6, 5, 3, 2, 1, kemudian evaluasi garis singgung pada kurva.
Penyelesaian 03. Untuk menyesuaikan persamaan laju orde-n ke dalam data, gunakan persamaan berikut
βππ΄ = β
ππΆπ΄ = ππΆπ΄π ππ‘
04. Beri logaritma untuk kedua sisi sehingga menjadi :
05. Selanjutnya plotkan hasil ke dalam kurva. log10 β
ππΆπ΄ = log10 π + πlog10 πΆπ΄ ππ‘
Lalu nilai kemiringan dan ttitik potong akan menghasilkan nilai n dan k,
Maka, didapat persamaan laju yaitu sebagai berikut:
ππΆπ΄ βππ΄ = β = ππ‘
liter 0.43 mol 1.43 0,005 πΆ π΄ , mol0.43 . s liter . s
METODE PARUH WAKTU
WAKTU PARUH
Waktu paruh (half-life) merupakan waktu yang dibutuhkan oleh suatu reaksi agar konsentrasi reaktan menjadi setengah dari konsentrasi reaktan awal.
Jika V konstan
βππ΄ = β
ππΆπ΄ ππ‘
= ππΆπ΄π
πΆπ΄ 1βπΌ β πΆπ΄01βπΌ = πΌ β 1 ππ‘
π‘=
1 1 1 1 πΆπ΄0 πΌβ1 β = ( ) β1 π(πΌ β 1) πΆπ΄ πΌβ1 πΆπ΄0 πΌβ1 ππΆπ΄0 πΌβ1 (πΌ β 1) πΆπ΄
Pada π‘1/2 1 πΆπ΄ = πΆπ΄0 2
2πΌβ1 β 1 1 π(πΌ β 1) πΆπ΄0 πΌβ1
ππΌβ1 β 1 1 π(πΌ β 1) πΆπ΄0 πΌβ1
Demikian pula
lnπ‘1/2
2πΌβ1 β 1 = ln + 1 β πΌ lnπΆπ΄0 π(πΌ β 1)
Thank You