PEMBUATAN NATRIUM SULFAT ANHIDRAT (NA2SO4) Senadi Budiman
ABSTRAK Natrium sulfat anhidrat (Na2SO4) merupakan senyawa anorganik yang banyak dibutuhkan dalam berbagai industri, diantaranya digunakan dalam industri kertas, detergen, dan industri gelas. Di alam natrium sulfat anhidrat dikenal sebagai mineral thenardite. Dalam penelitian ini, natrium sulfat anhidrat diperoleh dari hasil rekristalisasi garam asal Pantai utara Jawa Tengah melalui proses Mannheim, yaitu reaksi garam dengan asam sulfat pekat dengan cara menguapkannya sampai kering. Residu berupa natrium sulfat teknis atau salt cake. Diperlukan garam 5 g dan diperoleh produk Na2SO4 (5,1522 ± 0,0024) g, dengan rendement (85,88 ± 0,04) %. Nilai pH untuk larutan Na2SO4 5 % adalah 7,45. Kata Kunci : Natrium sulfat anhidrat, Mannheim PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Natrium sulfat anhidrat (Na2SO4) banyak dibutuhkan dalam kertas, detergen, gelas dan industri tekstil. Kebutuhan bahan ini terus meningkat terutama industri kertas dimana hampir 70 % dari produksi Na2SO4 digunakan untuk keperluan pembuatan kertas. Natrium sulfat dihasilkan dari berbagai proses pembuatan dalam suatu industri, diantaranya hasil samping dari pembuatan natrium dikromat (Na2Cr2O7). Bahan ini juga diperoleh di alam sebagai thenardite. Pembuatan natrium sulfat anhidrat dalam jumlah yang besar dapat diperoleh melalui proses Mannheim, yaitu proses pembuatan kerak garam (salt cake) dengan cara pemanasan NaCl dengan H2SO4. Proses ini merupakan proses untuk memproduksi HCl dan Na2SO4 hanya sebagai hasil sampingnya. Tetapi sekarang ini proses dibalik, NaCl sebagai bahan baku utamanya, diubah menjadi Na2SO4
sebagai produksi utama dan HCl merupakan hasil sampingnya. Di Indonesia persediaan garam melimpah dan mudah didapatkan. disamping harganya yang sangat murah. Alangkah baiknya jika sumber kekayaan alam ini cara memanfaatkan dengan sebaik-baiknya adalah dengan mengubahnya menjadi bentuk garam lain seperti Na2SO4. 1.2. Maksud dan Tujuan Maksud penelitian ini adalah mengubah NaCl dengan H2SO4 menjadi natrium sulfat anhidrat (Na2SO4). Tujuannya adalah memanfaatkan garam natrium klorida untuk pembuatan natrium sulfat anhidrat dengan kualitas produk yang sesuai dengan standar produk Na2SO4 anhidrat. 1.3. Identifikasi Masalah Dalam pembuatan Na2SO4 anhidrat dari hasil rekristalisasi NaCl, dititik beratkan pada jumlah H2SO4 yang
Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat … (Senadi Budiman)
33
ditambahkan pada saat pembuatan Na2SO4 teknis atau salt cake (stoikiometri – ekses 40 %). 1.4. Metodologi Penelitian Pada penelitian ini, metode yang digunakan adalah proses Mannheim yaitu proses pemanasan langsung antara NaCl dengan H2SO4 sampai terbentuk kerak garam yaitu Na2SO4 teknis (salt cake). Penelitian ini dilakukan melalui beberapa tahapan, yaitu: a. Pembuatan natrium sulfat anhidrat : pemanasan, pemurnian, filtrasi, kristalisasi dan pengeringan. b. Analisis produk Na2SO4. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Natrium Sulfat Natrium sulfat di alam sebagai garam rangkap atau berupa hidratnya. Untuk garam tunggalnya, yaitu Na2SO4 anhidrat dikenal sebagai thenardite. Garam rangkap dan bentuk hidratnya adalah glauberite merupakan garam sulfat rangkap, gabungan antara natrium sulfat dengan kalsium sulfat (Na2SO4.CaSO4) dan bentuk hidratnya adalah natrium sulfat dekahidrat, mirabilite (Na2SO4.10H2O). Berikut ini tabel sifat-sifat fisik dan kimia natrium sulfat anhidrat dan dekahidrat : Tabel 2.1 Sifat-sifat Fisik Natrium Sulfat Anhidrat dan Dekahidrat. Sifat
Na2SO4
Na2SO4.10H2O
Bentuk kristal Ukuran kristal Warna Berat molekul (g/mol) Berat jenis (g/mL) Titik leleh (oC)
Rombik Kristal / serbuk halus Tak berwarna 142,05 2,671 888
Monoklinik Kristal butir/jarum kecil Tak berwarna /transparan 322,21 1,464 32,4
Sumber : The Condensed Chemical Dictionary, 1977.
Bentuk Na2SO4 hidrat yang umum
adalah natrium sulfat dekahidrat, (Na2SO4.10H2O) dan heptahidrat metastabil (Na2SO4.7H2O). Bentuk metastabil dapat diproduksi melalui kristalisasi dari larutan pekat dibawah 12 o C. Di atas 32,4 o C fasa padat dalam larutan air adalah bentuk anhidrat. Sedangkan dibawah 32,4 oC merupakan pembentukan dekahidrat. 2.2. Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat dapat berupa natrium sulfat anhidrat murni dan teknis. Natrium sulfat teknis merupakan produk kasar pada pembuatan natrium sulfat anhidrat disebut juga salt cake, merupakan reaksi pemanasan antara NaCl dengan, tanpa dilakukan pemurnian. Sebelumnya hasil utama dari reaksi tersebut adalah HCl dan Na2SO4 teknis yang merupakan hasil samping yang jumlahnya berlimpah. Di alam, Na2SO4 anhidrat dapat kita temukan sebagai mineral thenardite. Mineral ini bersifat meastabil, mudah larut dalam air dan higroskopis. Kita dapat menjumpai mineral ini terdapat di daerah kering sebagai endapan asin dan terdapat juga pada gua yang kering. Karena sifatnya yang metastabil, apabila temperatur dalam gua lebih rendah maka thenardite secara berangsur-angsur akan menyerap air dan berubah menjadi mirabilite yaitu mineral alam Na2SO4.10H2O. Natrium sulfat anhidrat dibagi dalam beberapa kelas sesuai dengan kadar kandungan natrium sulfatnya (Na2SO4). Diantaranya adalah kelas teknik yaitu salt cake relatif tidak murni; pembuat kaca (99 – 99,5 %); teknik (94 – 98 %); anhidrat (minimal 97 %) dan reagen minimal 99,0 %. Tabel 2.4 berikut ini, merupakan spesifikasi atau standar yang ditetapkan terhadap natrium sulfat anhidrat untuk reagen dan natrium sulfat anhidrat yang
ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 : 33 – 40
34
ada dipasaran: 2.3. Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat diperoleh sebagai hasil samping dari berbagai proses pembuatan dalam suatu industri, diantaranya merupakan hasil samping dari pembuatan natrium dikromat (Na2Cr2O7) melalui reaksi antara Na2CrO4 dengan H2SO4. Untuk produksi dalam jumlah yang lebih besar, natrium sulfat anhidrat dapat diperoleh melalui dehidrasi natrium sulfat dekahidrat yang terjadi secara alami, di alam garam ini dikenal sebagai mineral mirabilite. Endapan mineral ini telah ditemukan di Saskatchewan, Canada. Kristal garam kasar ini dicuci, dan kemudian dilarutkan dalam air kristalnya melalui pemanasan sampai 27 % air pada drum pengering dan terakhir dikeringkan, hingga didapatkan natrium sulfat anhidrat yang bebas air. Alternatif lain dalam pembuatan natrium sulfat anhidrat adalah melalui metoda atau proses Mannheim, yaitu proses reaksi pemanasan antara garam natrium klorida dengan asam sulfat pekat, temperatur pemanasan dalam furnace Mannheim ini dibawah titik peleburan (843 oC). Reaksi yang terjadi adalah : 2 NaCl (s) + H2SO4 aq Na2SO4 (s) + 2 HCl (g) Produk utama yang dihasilkan dari proses ini yaitu salt cake atau natrium sulfat teknis. Dilanjutkan pemurnian terhadap produk kasar ini untuk mendapatkan natrium sulfat anhidrat yang lebih murni. Mula-mula produk salt cake ini dilarutkan dengan sejumlah air. Kemudian ditambahkan soda ash atau lime untuk menetralisasi kelebihan asam dan untuk mengendapkan pengotor, seperti besi,
magnesium dan kalsium. Larutan jernih dimasukan ke dalam kristalisator. Lumpur yang mengendap dicuci dengan air. Dilanjutkan dengan pengkristalan terhadap filtrat tersebut pada suhu yang cukup tinggi, sampai terbentuk natrium sulfat ahidrat, kristal ini kemudian dikeringkan dalam oven pengering. Selain metoda diatas, ada metoda lain untuk membuat natrium sulfat anhidrat yang bermutu tinggi, yaitu dengan proses Hargraves. Cara ini berasal dari Eropa, persamaan reaksinya adalah: 4 NaCl + 2 SO2 + 2 H2O + O2 2 Na2SO4 + 4 HCl ada tiga pabrik yang mengunakan proses Mannheim dan proses Hargreaves. 2.4. Penggunaan Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat banyak digunakan dalam industri kimia. Diantaranya adalah industri kertas. Dalam industri ini, lignin yang tak diinginkan dipisahkan dari kayu melalui pelumatan kayu dalam larutan alkalin Na2S. Na2S diproduksi melalui reduksi Na2SO4 dengan karbon. Hampir 70 % dari total produk natrium sulfat anhidrat diperlukan dalam pembuatan kertas. Selain itu digunakan juga sebagai bahan pengisi dalam pembuatan detergen, merupakan pengkonsumsi natrium sulfat anhidrat kedua terbesar. Detergen biasanya mengandung sekitar 50 – 75 % natrium sulfat, dan peningkatan produksi detergen pada tahun-tahun terakhir ini memperbesar permintaan untuk natrium sulfat. Natrium sulfat juga digunakan dalam pembuatan gelas, dimana ini merupakan sumber utama Na2O, dan sebagai bahan baku untuk produksi beberapa senyawa natrium, seperti natrium silikat, natrium karbonat dan natrium sulfat dekahidrat.
Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat … (Senadi Budiman)
35
METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.1 Diagram Alir Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat (Na2SO4).
ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 : 33 – 40
36
3.2. Metode Penelitian 3.2.1. Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat dibuat melalui proses Mannheim, yaitu dengan mereaksikan garam hasil rekristalisasi dengan asam sulfat pekat teknis melalui pemanasan. Adapun variasi percobaan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah: 1. Variasi penambahan asam sulfat pekat (mL) : stoikiometri (2,26); ekses 10 % (2,49); ekses 20 % (2,71); ekses 30 % (2,94); ekses 40 % (3,17). 2. Variasi penambahan kalsium hidroksida (Ca(OH)2) : 1,0; 1,3; 1,4; 1,5; 1,8 g. Berikut ini adalah tahap-tahap dalam pembuatan natrium sulfat anhidrat : a. Pemanasan Proses ini pada dasarnya merupakan proses reaksi pemanasan antara garam (natrium klorida) dengan asam sulfat pekat teknis. Pemanasan ini bertujuan untuk mendapatkan natrium sulfat teknis atau salt cake/kerak garam b. Pemurnian Pemurnian disini merupakan proses untuk memurnikan natrium sulfat teknis menjadi natrium sulfat yang lebih murni. Dengan penambahan sejumlah air dan Ca(OH)2 serta dilakukan pengadukan pada saat proses pemurnian tersebut. c. Filtrasi Filtrasi atau penyaringan dilakukan untuk memisahkan endapan zat pengotor yang tak larut dalam larutan induk (larutan natrium sulfat teknis) atau untuk memisahkan antara filtrat yang diinginkan terhadap endapan pengotornya.
d. Kristalisasi Kristalisasi merupakan proses untuk menghasilkan produk yang berupa kristal dari suatu larutan atau lelehan. Dalam penelitian ini produk padat yang dihasilkan adalah natrium sulfat anhidrat. Maka dari itu pengkristalan yang dilakukan yaitu pada temperatur yang cenderung tinggi. e. Pengeringan Tahap ini merupakan tahap kelanjutan dari kristalisasi, yaitu bertujuan untuk mengeringkan produk kristal yang masih mengandung sejumlah air sehingga produk akhir yang diperoleh merupakan kristal natrium sulfat anhidrat yang bebas air. 3.2.2. Analisis Produk Natrium Sulfat Anhidrat Analisis yang dilakukan meliputi analisis kualitatif dan kuantitatif yaitu untuk mengetahui kemurnian dan unsur impuritis serta seberapa besar keberadaanya didalam produk Na2SO4,. sehingga dapat diketahui apakah produk yang dihasilkan memenuhi standar produk natrium sulfat anhidrat yang ada dipasaran. Selain itu analisis kuantitatif dimaksudkan juga untuk mengetahui nilai rendement produk yaitu perbandingan antara berat produk natrium sulfat anhidrat hasil penelitian terhadap berat produk natrium sulfat anhidrat secara teoritis dikalikan 100 %. 3.2.3. Prosedur Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Pada pembuatan natrium sulfat anhidrat ini, seperti disebutkan sebelumnya terdiri dari lima proses penting, yaitu: pemanasan, pemurnian, filtrasi, kristalisasi dan pengeringan. Sebelum kelima proses ini, pertama-tama
Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat … (Senadi Budiman)
37
adalah preparasi sampel yaitu garam terlebih dahulu dimurnikan atau dibersihkan dari pengotornya, yaitu melalui proses rekristalisasi, sehingga diperoleh garam (NaCl) yang bersih dan siap untuk proses pembuatan natrium sulfat anhidrat. 3.2.4. Pengukuran pH Produk Natrium Sulfat Anhidrat Membuat larutan natrium sulfat 5 %, yaitu melarutkan serbuk natrium sulfat anhidrat sebanyak 1,25 g kedalam labu ukur 25 mL, tambahkan akuades sampai tanda batas dan homogenkan. Lanjutkan dengan pengukuran pH untuk larutan natrium sulfat 5 % dengan menggunakan pH meter.
Pada garam sulfat atau garam netral, kedua dari dua atom asam hidrogen digantikan oleh dua atom lain. Sedangkan bentuk garam asam hanya satu dari dua atom asam hidrogen yang digantikan. Berikut ini adalah bentuk dari kedua senyawa tersebut diatas :
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Dengan demikian dapat dikatakan bahwa produk Na2SO4 yang dihasilkan dalam penelitian ini adalah bentuk garam netral atau garam sulfat. Maka reaksi yang terjadi pada proses pembuatan Na2SO4 dapat dilihat dari sifat garam sulfat tersebut diatas. Dimana membutuhkan dua atom natrium untuk menggantikan dua atom hidrogen yang dilepaskan oleh asam sulfat. Oleh karena itu, reaksi dasar pembuatan Na2SO4 adalah mengunakan 2 mol NaCl, bukan 1 mol NaCl, karena jika dengan 1 mol NaCl maka garam yang terbentuk adalah garam asam atau natrium hidrosulfat (NaHSO4). Berikut ini reaksi antara 2 mol NaCl dengan 1 mol asam sulfat pekat :
Pembuatan Produk Natrium Sulfat Anhidrat (Na2SO4) dan Analisis Terhadap Produknya 4.1. Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Reaksi pada pembuatan natrium sulfat anhidrat (Na2SO4) merupakan dasar dari pembentukan produk yang diharapkan. Oleh karena itu, dasar reaksi yang digunakan harus tepat. Ada dua bentuk garam yang terbentuk dari reaksi dengan asam sulfat yaitu netral dan asam. Garam netral dari asam sulfat disebut garam sulfat, dimana mengandung ion SO4= sebagai contoh adalah natrium sulfat (Na2SO4). Sedangkan garam asam disebut juga sebagai sulfat asam, hidrosulfat atau bisulfat. Sebagai contoh adalah natrium hidrosulfat atau natrium bisulfat (NaHSO4). Perbedaan dari kedua bentuk garam diatas adalah dari banyaknya atom hidrogen yang dilepaskan oleh asam sulfat saat bereaksi dengan NaCl.
2 NaCl + H2SO4
Na2SO4 + 2 HCl
Dari reaksi tersebut, pemanasan mengakibatkan asam sulfat pekat bersifat semakin kuat, dan terurai menjadi ionionnya yaitu 2 H+ dan SO42-. Dengan demikian asam sulfat pekat panas tersebut akan melepaskan 2 ion hidrogen (2H+), dimana lepasnya dua ion hidrogen ini akan
ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 : 33 – 40
38
digantikan oleh 2 ion natrium (2Na+) yang berasal dari NaCl. Atom-atom yang dilepaskan oleh asam sulfat dan natrium klorida yaitu dua atom hidrogen dan dua atom klorida, masing-masing akan saling bereaksi membentuk gas hidrogen klorida (gas HCl) yang menguap, meninggalkan residu berupa Na2SO4 teknis atau salt cake. Produk ini merupakan bentuk garam netral dari asam sulfat disebut garam sulfat. Pembuatan Na2SO4 pada penelitian ini, dilakukan dalam skala yang kecil (laboratorium) yaitu mempergunakan bahan baku garam sebanyak 5 g. Dari analisis bahan baku garam, kadar natrium kloridanya (NaCl) adalah 98,75 ± 0,04 %, maka dalam 5 g garam dapur terdapat natrium klorida sebanyak 4,9375 g, sehingga secara reaksi stoikiometri, asam sulfat pekat yang diperlukan adalah 2,26 mL. 4.2. Analisis Produk Natrium Sulfat Anhidrat (Na2SO4)
Analisis produk bertujuan untuk mengetahui apakah produk yang dihasilkan yaitu produk natrium sulfat anhidrat (Na2SO4) sudah memenuhi standar produk Na2SO4 yang ada dipasaran. Analisis produk yang dilakukan dalam penelitian ini hanya pada kandungan dalam produk Na2SO4 yang mendukung saja, seperti kadar NaCl, kadar sulfat (SO4), kadar Na2SO4, juga terhadap nilai pHnya pada larutan Na2SO4 5 %. Analisis terakhir yang dilakukan terhadap produk Na2SO4 anhidrat yang dihasilkan adalah analisis rumus molekulnya, yaitu melalui pengukuran dengan menggunakan difraksi sinar X atau XRD. Tujuan dari analisis ini adalah untuk memastikan apakah produk yang dihasilkan sesuai dengan tujuan utama penelitian ini, yaitu membuat natrium sulfat anhidrat. Gambar 4.2. berikut ini merupakan hasil anlisis XRD terhadap produk natrium sulfat anhidrat (Na2SO4) :
Gambar 4.2. Kurva hasil analisis XRD natrium sulfat anhidrat KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan a. Pada pembuatan Na2SO4, untuk Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat … (Senadi Budiman)
berat sampel (garam) 5 g, diperoleh kondisi optimal dengan penambahan asam sulfat pekat ekses 40 % (3,17 mL), kalsium 39
hidroksida (Ca(OH)2) 1,4 g. Pada kondisi yang optimal tersebut diperoleh berat produk Na2SO4 sebanyak (5,1522 ± 0,0024) g. b. Nilai pH produk untuk larutan natrium sulfat 5 % adalah 7,45. c. Dari analisis XRD menunjukkan bahwa produk yang dihasilkan merupakan natrium sulfat anhidrat dengan rumus molekul Na2SO4 dan nama mineralnya adalah thenardite. 5.2. Saran Penelitian ini belum sempurna, produk yang dihasilkan belum benar-benar murni meskipun sebagian besar hasil analisisnya sudah memenuhi standar produk Na2SO4 yang ada. Perlu penelitian lebih lanjut terhadap teknik pemanasan yang tepat antara garam (NaCl) dan asam sulfat pekat (H2SO4), sehingga dapat menekan ekses penambahan asam sulfat pekat yang digunakan.
[3.]
[4.]
[5.]
[6.]
Condensed Chemical Dictionary, 9th ed., Van Nonstrand Reinhold Company, New York, p. 787. Honig, J.M. and S.Z. Lewin, 1953. The Van Nostrand Chemist’s Dictionary, D. Van Nostrand Company, Inc., New York, p. 575, 672. Lowenheim, F.A. and M.W. Moran, 1975. Industrial Chemicals, 4th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, p. 762 – 767. Partington, J.R., 1951. General and Inorganik Chemistry, 2nd ed., Macmillan and Co., London, p. 315. Petrucci, R.H. and R.K. Wismer, 1983. General Chemistry With Qualitative Analysis, Macmillan Publishing Co., Inc., New York, p. 683.
BIODATA PENULIS : Senadi Budiman, Drs., M.Si.
DAFTAR PUSTAKA [1.] Annual Book of ASTM standards, 1996. Designation : D 511 – 93, “Water and Environmental Technologi”, Vol XI.01 Water (1). [2.] Hawley, G.G., 1977. The
Adalah Dosen Biasa di Program Studi Kimia Fakultas MIPA – Universitas Jenderal Achmad Yani (UNJANI)
ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 : 33 – 40
--------- oo0oo ---------
40
