39
KinetikaReaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat - Sarto & Alamsyah
Kinetika Reaksi Pembuatan
Di-Kalium Phosphat dari Asam Phosphat dan Kalium Karbonat
Sarto.) dan Ari Nur Alamsyah%) J)JurusanTeknikKimiaFakultasTeknikUGM.Jl Grafikano 2 Yogyakarta 2)DepartemenEngineering,PT Tripolyta Abstract The production of K2HP04from H3P04 and K2C03 has been studied. The reaction was done in a batch reactor for 30 minutes; and the samples were withdrawn from the reactor every 5 minutes. The effect of temperature on the conversion of H~04 was examined. The experimental results showed that the kinetics of the reaction followed second order reaction. The reaction rate constant (Ie)as afunction of temperature (IJ could be formulated as follow k
= 1332.0841
exp (-2467.13fr)
Keywords: Kinetics, production, potasium phosphate.
1. Pendahuluan Senyawa dipotasium phospat (K2HP04) adalah salah satu senyawa orthophospat (P04 3") yang banyak dikembangkan selain monopotassium phospat (KHzP04) dan tripotassium phospat (K3P04).Dipotassium phospat dijual dalam bentuk padat dan larutao aktif 50%. Lebih dari setengah penjualan komersial senyawa ini adalah dalam bentuk gabungan dengan senyawa borat, nitrit, nitrat dan silikat sebagai sistem inhibitor korosi dalam formulasi anti beku etHen glikol. Kegunaan terbesar kedua adalah sebagai creamer pada kopi, yaitu sebagai penyangga casein dari asam protein untuk mencegah koagulasi. Penggunaan lain dari senyawa ini adalah sebagai pupuk, bahan pembantu pada pembuatao kertas dan obat pencahar. Campuran KHZP04 dan KzHP04 dikembangkan sebagai pH kontrol (Kirk and Othmer, 1982) Senyawa orthophospat (P043"), dari monopotassium phospat ke tripo-tassium phospat dibuat dari netralisasi H3P04 dengan KOH (Kirk and Othmer, 1982). Reaksi ini dapat berlangsung secara cepat (spontan) dan diperoleh hasil dengan kemumian tinggi, tetapi kurang ekonomis karena harga bahan bakunya mahal. Altematif lain pembuatan senyawa KzHP04 adalah dengan mereaksikan asam phospat dengan potassium
karbonat (KZC03). Pemilihan KZC03 didasarkan tidak hanya pada harganya yang lebih murah tetapi juga senyawa ini dapat diperoleh dari sumber kalium organik yang berupa limbah pertanian. Limbah ini sangat banyak jumlahnya dan belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu, reaksi antara H3P04 dengan KZC03 menarik untuk diteliti lebih lanjut. .
Reaksi netralisasi asam phospat oleh potassium karbonat menghasilkan 3 senyawa phospat berdasarkan substitusi atom H pada asam phospat oleh logam. Substitusi satu atom H menghasilkan senyawa monopotassium phospat (KHZP04); substitusi dua atom H menghasilkan dipotassium phospat (KzHP04); dan substitusi tiga atom H menghasilkan tripotasium phospat (K3P04). Kemampuan substitusi atom H pada asam phospat oleh logam potassium tergantung pada nisbah mol KzO dengan PzOs. Bila perbandingan KzO dan PzOs antara I dan 1,3; logam potassium hanya dapat mensubstitusi satu atom H membentuk KHZP04. Akan tetapi bila nisbah KzO/ PzOs lebih besar atau sama dengan 3, semua atom H dapat disubstitusi oleh logam potassium membentuk K3P04. Adapun bila nisbah KzO/ PzOs sebesar 2, logam potasium dapat mensubstitusi dua ISSN : 0216 - 7565
40
Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007
atom H membentuk K2HP04 (Kirk and Othmer, 1982) Secara komersial, monosodium phospat (MSP) dan disodium phospat (DSP) dibuat dengan cara mereaksikan asam phospat dengan perbandingan Na20/P20S seperti pada logam potassium. Adapun trisodium phospat dibuat dengan cara mereaksikan DSP dengan larutan NaOH (Kobe, 1957) Sifat garam potassium phospat memperlihatkan banyak persamaan dengan garam sodium phospat. Garam potassium dapat dibuat dengan cara yang sarna seperti pada pembuatan garam sodium, bahkan dengan peralatan yang sarna (Kirk and Othmer, 1982). Oleh karena itu dipotassium phospat dapat dibuat dengan cara yang sarna seperti pada garam sodium menurut reaksi seperti pada persamaan (1).
(2) Dalam reaksi ini, CA selalu sarna dengan CB; sehingga persamaan (2) dapat diintegralkan menjadi persarnaan (3).
dengan CAdan CBberturut-turut adalah konsentrasi H3P04 dan K2C03. Pada keadaan awal CAO= CBOdan konversi zat A = XAO.Kecepatan reaksi pembentukan K2HP04 dihitung berdasarkan pengukuran gas C02 hasil reaksi. Cara analisis gas C02 yang ter-bentuk adalah dengan menggelembung- kan gas itu dalam larutan KOH pekat. Dengan konsentrasi KOH yang berlebihan, diharapkan semua gas C02 dapat terkonversi menjadi K2C03 melalui reaksi berikut.
(1) Agar dihasilkan K2HP04 murni, masingmasing pereaksi harus ekuimolar. Reaksi netralisasi antara H3P04 dengan K2C03tidak dapat berlangsung spontan, seperti netralisasi asam monoprotik ataupun asam diprotik. Asam phospat merupakan asam triprotik yang dalam air terdissosiasi dalam beberapa tingkat dan menghasilkan tiga ion hidrogen per molekul menurut reaksi (Vogel,1985).
Kadar akhir KOH dalam larutan ditentukan dengan cara volumetri. Jumlah C02 yang terserap dapat dihitung dari besarnya pengurangan KOH selama proses penyerapan dengan persarnaan (4). Mol CO2=MolKOHawal-MolKOHakhir
(4)
Jika jumlah gas C02 yang ter-bentuk dapat diketahui, maka jumlah H3P04 dan K2C03 yang Beberapa prosedur untuk menganalisis data bereaksi dapat dihitung. Dengan demikian, kinetika yaitu cara integral, diferensial, waktu Yz konversi H3P04 maupun konversi K2C03 dapat umur, dan grafik standar (Walas, 1959 ). Metode juga dihitung. Harga konstanta reaksi pada suhu itu dicari dengan merata-ratakan konstanta yang dilakukan dalam penelitian ini adalah cara integral. Pada umumnya cara integral dicoba lebih kecepatan reaksi pada berbagai waktu pada suhu dulu sebelum memakai cara diferensial itu. (Levenspiel, 1972 ). 3. Metodologi 2. Fundamental Reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04 dan K2C03 mengikuti persamaan (I). Reaksi ini dijalankan pada perbandingan pereaksi ekuimolar dan dapat dianggap beroder dua. Persamaan kecepatan reaksinya adalah sebagai berikut.
ISSN: 0216 - 7565
Reaksi antara H3P04 dan K2C03 dilakukan dalam reaktor batch (labu leher tiga) yang dilengkapi dengan pemanas mantel, pendingin, termometer dan compressor, yang dirangkai sebagaimana ditunjukkan pada gambar I. Dalarn hal ini gas bertekanan yang dialirkan kompressor berfungsi sebagai pengaduk pereaksi dan
41
KinetikaReaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat - Sarto & Alamsyah
penggelembungan gas hasil reaksi ke dalam larutan KOH. Analisis hasil (gas C02) dilakukan secara kontinyu setiap 5 menit sampai dengan 30 menit agar konversi pereaksi setiap waktu tertentu dapat diketahui. Reaksi dilakukan pada suhu 30 °c, 50°C, 70 °c dan 90°C. 4. Hasil daD PembahasaD
A. PeDgaruh Waktu Reaksi daD Suhu Reaksi terhadap KODversi Nilai konversi pada berbagai suhu dan waktu dapat dilihat pada tabel 1 sebagai berikut : Tabel 1. Hubungan antara Konversi dan Waktu pada berbagai Suhu
Percobaan ini dilakukan untuk mempelajari kinetika reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04 dan K2C03 secara batch. Peubah yang dipelajari adalah suhu dan waktu. Berdasarkan pada data konversi pada berbagai waktu, koefisien kecepatan reaksi dihitung untuk masing-masing suhu.
Waktu menit
30°C
Konversi (X) 50°C 70°C
90°C
5 10 15 20 25 30
0,2404 0,3606 0,4357 0,4808 0,5409 0,6009
0,3305 0,4808 0,5559 0,6310 0,6761 0,7211
0,5409 0,6911 0,7512 0,7963 0,8263 0,8564
0,4207 0,5709 0,6535 0,7061 0,7512 0,7812
6
4
s
3
10
11
11
9
(--0 2.
I. Kompressor 2. TobuDg uelara 3. Larutan NaOH 4. FloWJDeter S. Distributor
6. Pendingin 7. Thermometer 8. Labu reaksi 9. Pemanas
11. Oelos ukur 12. Labu pcnangkap 13. Pengambil 14.Pengaduk
n
sampel
10. Lobu penangkap I
Gambar 1. Rangkaian Alat Percobaan Pembuatan Di-Kalium Phosphat ISSN: 0216 -7565
42
Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007
Grafik hubungan antara konversi dengan suhu dapat dilihat pada Gambar 2. Dari gambar terlihat bahwa semakin lama waktu reaksi, konversi yang diperoleh semakin tinggi. Pada Gambar 4 terlihat, mula-mula konversi naik dengan cepat, setelah itu naik pelan - pelan dan menuju ke suatu titik tertentu (asimtotis). Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Persamaan (3) di atas dapat dituliskan kembali menjadi menjadi bentuk sebagai berikut.
pereaksi menjadi lebih aktif sehingga konversi akan meningkat. Pada Gambar 3 terlihat, pada waktu (t) tetap konversi naik secara linear bila suhu dinaikkan. Pada percobaan ini, konversi maksimum dicapai sebesar 0,8564 pada suhu (T) = 90°C dan waktu (t) = 30 menit. Sebenamya apabila suhu dinaikkan ataupun waktu reaksi ditambah, konversi masih dapat bertambah mendekati 100 %. Hanya saja suhu reaksi harus berada di bawah titik didih H3P04 (135°C).
(5) 0.9
Nilai CAOdan k sudah tertentu, sehingga jika CAO k dimisalkan sebagai K, persamaan berubah menjadi :
as 0.7 gO.6
. 0.5
X
_ kt A-I + [kt]
(6)
0.9 0.8 0.7
1
-+- t =5 merit
0.3
___ t = 10merit
0.2
t = 15merit
t =20merit
0.1
-iE- t =25merit
-+- t =30merit
0 20
30
40
50
60
70
80
90
100
~oC
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
°
> :5 0.4
Gambar 3 Grafik Hubungan antara Konversi dan Suhu pada berbagai Waktu -+-30oC -SOoC
__70 oC _90oC
°
5
1°
15
20
25
30
B. Harga Konstanta Kecepatan Reaksi Pada Berbagai Suhu 35
t,menit
Gambar 2. Grafik Hubungan Antara Konversi dan Waktu pada berbagai Suhu
Persamaan hubungan antara XA dengan t di atas mempunyai kecenderungan yang sarna dengan hubungan antara XAdengan t pada Gambar 2 dan asimtotis menuju konversi (X)=1. Hal ini menunjukkan bahwa model persamaan reaksi tingkat dua cocok bila digunakan untuk reaksi ini. Untuk waktu yang sarna, bila suhu dinaikkan maka konversi akan semakin bertambah. Dengan naiknya suhu, molekul-molekul pereaksi akan bergerak lebih cepat, sehingga frekuensi tumbukan antara molekul pereaksi menjadi lebih sering. Frekuensi tumbukan antara molekul-molekul yang lebih sering secara otomatis mengakibatkan zat-zat ISSN : 0216 - 7565
Hasil perhitungan tetapan kecepatan reaksi berdasarkan model kinetika yang diusulkan tercantum pada Tabel II. Tabel II. Harga Konstanta Kecepatan Re-aksi (k) pada Berbagai Waktu dan Suhu Waktu,
menit 5 10 15 20 25 30 k rerata
30°C 0,4696 0,4183 0,3818 0,3435 0,3496 0,3723 0,3892
Suhu 50°C 70°C 0,7324 1,077 0,687 0,987 0,6191 0,9327 0,6343 0,8911 0,6194 0,8959 0,6393 0,8829 0,6553 0,9445
90 °C 1,748 1,659 1,493 1,450 1,412 1,475 1,539
Pada Tabel II terlihat, bahwa untuk suhu yang sarna, harga konstanta kecepatan reaksinya hampir sarna. Hal ini menunjukkan bahwa perumpamaan
43
KinetikaReaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat - Sarto & Alamsyah
persamaan kecepatan reaksi mengikuti order dua adalah benar. Adapun harga konstanta kecepatan reaksi (k) pada t = 5 menit menyimpangpaling besar dan mempunyai harga kesalahan relatif yang paling besar bila dibandingkan dengan harga k pada waktu (t) yang lain. Hal ini disebabkan untuk reaksi sampai dengan 5 menit konversinya meningkatterlalu tajam, barulah naik pelan-pelan. Tabel III dan Gambar 4 menu-njukkan lebih tegas bahwa reaksi berlangsung mengikuti order 2. TabelIII. Nilai XA/ (I-XA) terhadap waktu pada Berbagai Suhu. Waktu menit 5 10 15 20 25 30
30°C 0,3165 0,5639 0,7721 0,9260 1,1782 1,5056
XA/(l-XA' pada suhu 50°C 70°C 0,4936 0,7262 0,9260 1,3304 1,2517 1,8860 1,7100 2,4025 2,0873 3,0193 2,5855 3,5704
90°C 1,1782 2,2373 3,0193 3,9092 4,7571 5,9638
c. Pengaruh Suhu terhadap Harga Konstanta Kecepatan Reaksi. Harga konstanta kecepatan reaksi pada berbagai suhu dapat dilihat pada Tabel N. Pada tabel tersebut nampak bahwa untuk suhu yang semakin tinggi harga konstanta kecepatan reaksinyapun semakin tinggi. Hal ini sesuai dengan persamaan Arhenius Tabel IV. Harga Konstanta Kecepatan Reaksi Rata-rata pada Berbagai Suhu. Suhu,K
II
303 323 343 363
0,3892 0,6553 0,9445 1,5390
0,3875 0,6417 1,0020 1,4890
Dengan melakukan linearisasi terhadap persamaan Arhenius, maka akan diperoleh bentuk persamaan: (7)
In k = InA +(-E/R)(I/T) 7
. ....
6
+30oC
5
.50oC
Setelah dilakukan perhitungan diperoleh persamaan berikut.
x900C
3
atau
2 k
1 0 0
5
(8)
In k = 7.1945-2467.13(1/T)
700C
4
10
15
20
25
30
35
t, menit Gambar 4. Grafik Nilai XA/ (I-XA) terhadap waktu pada Berbagai Suhu
Pada Tabel III dan Gambar 4 terlihat, untuk suhu (T) yang semakin tinggi harga XA/ (1-XA) semakin besar. Hal ini disebabkan dengan naiknya suhu, harga konstanta kecepatan reaksinya semakin besar sehingga slope (CAOk) semakin tinggi.
= 1332.0841
exp (-2467.13/T)
(9)
Jika nilai k hasil percobaan dibandingkan dengan nilai k hasil perhitungan, maka di-dapat kesalahan relatif rerata sebesar 2,8 %. Adapun grafik hubungan antara k dengan T ditunjukkan pada gambar 5. 1.8 1.6 L ~CD1.4 /' E 1.2 .,/'" '0 1 E ,/ ~a8 .!ia6 .-V -! kp:ra:.I:Jmr-~a4 a2 J kprsaTEBl jo :m 310 320 :m 340 :m :m 370 &h4K
-.
.
.
Gambar 5 Grafik Hubungan Konstanta Kecepatan Reaksi Versus Suhu ISSN : 0216 - 7565
44
Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007
5. Kesimpulan Dari data percobaan dan pembahasan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
Levenspiel, 0., 1972, Chemical Reaction Engineering, 2 ed., pp. 8-9, 48-49, Wiley Eastern Limited, New Delhi.
1. Reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04 dan K2C03 mengikuti persamaan kecepatan reaksi order dua
Sherwood,T.K., Pigford,R.L., 1952, Absorbtion and Extraction, 2nd ed., Me Graw Hill, Kogakusha, Ltd., Tokyo
2. Persamaan hubungan antara konstanta kecepatan reaksi dan suhu adalah :
Vogel, AI., 1990, Buku Teks Analisis Anorganik Kualitatif Makro dan Semimikro, ed.5, hal. 28-29, P.T. Kalman Media Pustaka, Jakarta.
k = 1332,0841 exp (-2467,13/T) dengan kesalahan relatif rata-rata sebesar 2,8%. Tabel Pustaka Kirk, R.E., and Othmer, D.F., 1982, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rded., Vol. 17, pp. 427 - 435, John Wiley and Sons, Inc., New York. Kobe,K.A., 1957, Inorganik Procces Industries, 2nd ed., pp. 335-342, The Macmillan Company, New York
-
ISSN : 0216 7565
Walas, S.M., 1959, Reaction Kinetics for Chemical Engineers, pp. 5, 12-15, Me. Graw Hill Book Co.,Inc., New York. Westerterp, K.R., Van Swaaij, W.P.M., Beenackers, AAC.M., 1963, Chemical Reactor Design and Openisbahn, pp. 39-40, John Wiley and Sons, New York.
