KINETIKA REAKSI HOMOGEN SISTEM BATCH. Kompetensi Materi Kuliah Ini-1. Kompetensi Materi Kuliah Ini-2 MATERI KULIAH. dengan Volume. Reaksi.

Transkripsi

1 Kinetia dan Katalisis Semester Genap Tahun ademi 00/0 KINETIK EKSI HOMOGEN SISTEM BTH siti diyar holisoh IGS Budiaman POGM STUDI TEKNIK KIMI FTI UPN VETEN YOGYKT pril 0 MTEI KULIH Pengantar Sistem Batch Bervolume Tetap (onstant Density) * easi sederhana (r. ireversibel unimoleuler berorde-satu, r. ireversibel bimoleuler berorde-dua, r. ireversibel trimoleuler berorde-tiga, r. ireversibel berorde-nol, r. ireversibel berorde-n, watu paruh reasi) * easi omples (r. reversibel unimoleuler berorde-satu, r. reversibel bimoleuler berorde-dua, r. ireversibel paralel, r. ireversibel seri, r. ataliti homogen, r. autoataliti, r. dengan perubahan atau penggeseran orde ) Sistem Batch Bervolume Berubah (Variable Density) Kompetensi Materi Kuliah Ini-. Memahami gambaran sistem reasi homogen yang berlangsung secara batch.. Memahami onsep dan mampu menjabaran persamaan inetia reasi homogen pada sistem batch (dan constant density atau constant volume) untu reasi-reasi searah (atau irreversible) berorde,, 0, dan n (untu satu reatan atau lebih). 3. Memahami onsep orde semu, watu frasi (fractional life), dan watu paruh (half-life). Kompetensi Materi Kuliah Ini- 4. Memahami onsep dan mampu menjabaran persamaan inetia reasi homogen pada sistem batch (dan constant density) untu reasi-reasi omples, seperti reasi bola-bali (atau reversible), reasi paralel, reasi seri (onseutif), ombinasi reversible-seri-paralel, dsb. 5. Memahami perbedaan antara reasi yang berlangsung secara batch pada sistem variable (varying) density dan constant density. 6. Mampu menjabaran persamaan inetia reasi homogen pada sistem batch & variable-density untu asus reasi-reasi sederhana. Sistem reator Batch (partaian) lir (ontinyu / sinambung) PENGNT Gambaran sistem reasi homogen dalam reator batch: Sistem Isotermal easi: Neraca massa (dalam mol omponen reatan per satuan watu): P umulasi Input Output + Terbentu oleh reasi d n V ( r ) d t d n (sama dengan definisi r ecepatan reasi intensif, pada V d t materi uliah sebelumnya) d r (V tetap) d t Sistem Batch dengan Volume easi Tetap Pada sistem batch dengan sistem volume reasi tetap: V sistem setiap saat (t t) sama dengan V sistem mula-mula atau: V V 0 sehingga, onsentrasi reatan setiap saat dapat dinyataan sebagai: n 0 ( X V ) 0 ( X (Silaan nda ingat dan pelajari embali materi sebelumnya: DS-DS KINETIK EKSI KIMI ) )

2 easi Ireversibel Unimoleuler Berorde-Satu Kecepatan reasi berorde-satu: r d d X Pada sistem batch bervolume-tetap: r 0 Kondisi batas: t 0: 0 atau X 0 t t: atau X X Pers. (5) atau (9) X vs t (pers. (0)) vs t (pers. (6)) t Kinetia easi Searah Berorde Suatu reasi homogen fase-cair ordepertama dilangsungan dalam reator batch. Konversi (X) 60% reasi itu dicapai dalam 45 menit. (a) Berapa watu yang dibutuhan untu mencapai onversi 80%? (b) Berapa nilai onstanta laju reasinya? Bagaimana profil grafi (-r ) vs dan (-r ) vs X? Kinetia easi Searah Berorde Suatu reasi homogen orde pertama: P berlangsung dalam reator batch bervolume tetap. Mula-mula hanya terdapat dan P dengan onsentrasi masing-masing sebesar 0 mmol/liter dan mmol/liter. Yield P sebesar 30% dicapai dalam 5 menit. Berapaah laju spesifi reasi ini? Kinetia easi Searah Berorde easi homogen orde-pertama: P berlangsung secara batch dalam reator bervolume tetap. Mula-mula hanya terdapat dan P ( 0 0 mmol/liter, P0 mmol/liter). Setelah 5 menit: omposisi molar P dalam campuran 40%. Berapaah laju spesifi reasi ini? Hill, 977, p. 68, ch. 3 Problem easi Ireversibel Berorde-Dua Beberapa asus: () + B produ -r B (penyelesaian dengan integral pecahan frasional) () produ -r (3) Secara umum: a + b B produ -r α B β (dengan: α + β ) (jia α dan β berupa pecahan, maa penyelesaian aan lebih mudah dilauan secara numeri) Pelajari persamaan dan grafi yang bersesuaian!

3 Kinetia easi Searah Berorde dan airan terdeomposisi melalui inetia reasi berorde-satu. Dalam sebuah reator batch bervolume-tetap, 50% teronversi dalam watu 5 menit. Berapaah watu reasi agar onversi mencapai 75%? Ulangi jia inetia reasi tersebut berorde-dua! Kinetia easi Searah Berorde airan terdeomposisi melalui inetia reasi berorde-edua. Dalam sebuah reator batch bervolume-tetap, 40% teronversi dalam watu 0 menit. (a) Berapaah watu reasi agar onversi mencapai 75%? (b) Berapaah nilai laju reasi spesifinya? Soal Nomor 4 easi Ireversibel Berorde n Untu reasi: produ reasi secara umum: -r n Penyelesaian secara analiti (dengan batas: 0 pada t 0 dan pada t t) adalah: n n 0 ( n ) t [n ] oba nda ce untu reasi-reasi berorde 0,, ½, dan ½! easi Berorde Semu Orde semu orde tida sebenarnya Ilustrasi: easi fase cair hidrolisis ester: H 3 OO H 5 + H O H 3 OOH + H 5 OH Orde terhadap H 3 OO H 5 Orde terhadap H O Orde reasinya:? Bagaimana jia onsentrasi awal H O dibuat sangat berlebih terhadap H 3 OO H 5 :? ontoh-contoh easi Berorde : racing butana, deomposisi N O 5, peluruhan radioatif Berorde : lass I: Deomposisi HI ( HI H + I ), dimerisasi silopentadiena ( 5 H 6 0 H ), deomposisi termal NO fase gas ( NO NO + O ) lass II: Hidrolisis ester organi dalam media nonaqueous, pembentuan HI (H + I HI) Berorde 3: NO + l NOl, NO + O NO Berorde pecahan: Pirolisis asetaldehida (orde 3/), pembentuan phosgene dari O dan l (r (l ) 3/ O) Watu Paruh (Half-Life) easi Watu paruh (half-life) reasi (t ½ ) merupaan watu yang dibutuhan oleh reasi tersebut agar onsentrasi reatannya menjadi setengah dari onsentrasi reatan mula-mula. Hubungan antara watu paruh reasi terhadap onsentrasi reatan mula-mula: t atau: t t 0 ( n ) ( n ) n 0 [n ] Pers. (45) 3

4 Watu Frasi (Fractional Life) easi Watu paruh (t ½ ) merupaan istilah (atau asus) yang spesifi dari fractional life (t F ), dengan besarnya F: F 0 Secara umum, besarnya F: F 0 berada pada rentang: 0 < F < Hubungan antara t F dengan 0 : t F n F n [n ] 0 ( n ) Watu Paruh (Half-Life) easi - Banyanya reatan yang tersisa setelah reasi berlangsung selama m x watu paruh: Frasi reatan yang teronversi: nalog untu asus: watu frasi m m Watu Paruh easi Laju hidrasi etilen osida () menjadi etilen gliol ( H 4 O + H O H 6 O ) dalam larutan encer sebanding dengan onsentrasi, dengan onstanta ecepatan reasi sebesar 4,x0-5 deti - pada 0 o untu onsentrasi atalis (HlO 4 ) tertentu (tetap). Tentuan besarnya watu paruh (half-life, t / ) osida (dalam satuan deti), jia reasi dilangsungan dalam sebuah reator batch. Soal Nomor Watu Paruh easi easi homogen: B +, merupaan reasi orde-satu dengan watu paruh sebesar 7 menit. Banyanya yang telah terurai dalam watu 8 menit adalah....,5 % B. 5 %. 50 % D. 75 % E. 87,5 % Kinetia easi Searah Berorde (Non Bimoleuler) easi antara etilen bromida dan alium iodida dalam 99% metanol (sebagai inert) dietahui merupaan reasi yang berordesatu terhadap masing-masing reatan (atau, mempunyai orde eseluruhan ). easi tersebut dapat ditulisan sbb: H 4 Br + 3 KI H 4 + KBr + KI 3 atau: + 3 B produ (a) Turunan persamaan yang dapat digunaan untu menghitung onstanta ecepatan reasi berorde-dua () tersebut. (b) Dalam sebuah esperimen pada 59,7 o, dengan 0 0,066 dan B0 0,37 mol/l, bromida () telah 59,% bereasi setelah reasi berlangsung selama 5,5 jam. Tentuan besarnya harga tersebut, beserta satuannya. Soal Nomor 6 Perhitungan Teanan Parsial dalam Sistem easi Untu reasi fase-gas ireversibel D yang dipelajari dalam reator bervolume-tetap (rigid) pada temperatur (tetap) T, teanan total (P) yang teruur adalah 80 Pa setelah reasi berlangsung selama 0 menit dan 00 Pa setelah watu yang lama (reasi berlangsung sempurna). Jia mula-mula hanya ada, berapaah teanan parsial D (p D ) setelah reasi berlangsung selama 0 menit? Tulisan asumsi-asumsi yang digunaan. Soal Nomor 3 4

5 Nauman, 00, p. 7 Problem Soal dari: Missen,999 Soal dari: Missen,999 For the gas-phase reaction: H H 6 6 H 0 or + B carried out isothermally in a constant-volume batch reactor, what should the temperature (T/K) be to achieve 57,6% conversion of reactants, initially present in an equimolar ratio, in 4 min? The initial total pressure is 0,8 bar (only and B present initially). The rate law (Example 4-8) is: r 3,0 x 0 exp B T with the rrhenius parameters, and E, in L mol - s - and J mol -, respectively. EKSI KOMPLEKS - ontoh easi easi reversibel (bola-bali): Isomerisasi butana: easi ireversibel paralel: Dehidrasi dan dehidrogenasi etanol: easi ireversibel seri: Deomposisi aseton (seri terhadap etena): 4 easi eversibel Berorde Satu Tinjau reasi reversibel unimoleuler berorde satu: Kinetia easi Bola-bali Berorde M Persamaan inetianya: 0 0 M + X X d X e M + ln ln t X e 0 e M + X e e e K e e d 0 d X easi fase-cair reversibel berorde-satu:, dengan 0 0,5 mol/liter dan 0 0, berlangsung di dalam sebuah reator batch bervolume-tetap. telah teronversi sebesar 33,3% setelah 8 menit, sedangan onversi esetimbangan tercapai pada 66,7%. Tentuan persamaan inetia reasi ini! Soal Nomor 8 5

6 easi eversibel Berorde Dua Tinjaulah beberapa sema reasi reversibel bimoleuler berorde dua sebagai beriut: Persamaan inetianya:? Nilai awal (pada t 0):? Thin about this Is the approach of the concentration of a reagent to equilibrium always monotonically decreasing if Thermodynamics tells nothing about inetics. Thus, while [] must go to its equilibrium value eventually, it may not go there directly. For example, the following is possible:? Dapat diselesaian! easi Ireversibel Paralel easi ireversibel paralel elementer: Persamaan inetianya: d d r d S r S r + + Pada t 0: S S0 0 ( ) > : desired product Kinetia easi Searah Paralel Tinjaulah sebuah reasi fase-cair deomposisi yang berlangsung menurut sema inetia dengan persamaan ecepatannya sebagai beriut: B + E r B D + E r D easi dilangsungan secara isotermal dalam sebuah reator batch, dengan mula-mula hanya ada dengan 0 4 mol/l dalam pelarut inert. Pada t 00 deti,,0 mol/l dan B 0,84 mol/l. Hitunglah: (a) harga dan (beserta satuannya) (b) harga D dan E pada t 00 deti. Soal Nomor 5 easi Ireversibel Seri- easi ireversibel seri elementer: Persamaan inetianya: d r d r d S r S Pada t 0: S S0 0 easi Ireversibel Seri- Kapan dan berapa masimum? d 0,max ( ) t max log mean Secara umum: Untu sejumlah reasi yang berlangsung seri/ onseutif/ berurutan: tahap reasi yang paling lambat yang aan menjadi penentu ecepatan reasi secara eseluruhan 0 ln 6

7 Kinetia easi Searah Seri Profil,, dan S versus t: easi seri elementer: berlangsung dalam sebuah reator sistem batch bervolume tetap. Mula-mula hanya ada dengan 0 0 mmol/m 3. Jia 85 mmol/m 3 setelah reasi berlangsung selama menit, dan masimum yang dicapai oleh reasi ini adalah 60 mmol/m 3, tentuan: (a) besarnya dan (b) watu untu mencapai masimum (c) dan S pada saat t pada butir (b) (d) dan S pada t menit Kinetia easi Searah Seri-Paralel easi homogen: berlangsung dalam sebuah reator sistem batch bervolume tetap. Mula-mula hanya ada. B 3 (a) Turunan persamaan terhadap t. Jia 0,00 deti -, berapaah rasio / 0 setelah,5 menit? (b) Turunan persamaan B terhadap t. Jia 0,003 deti -, 3 0,00 deti -, dan 0 0, gmol/dm 3, berapaah B setelah menit? (c) Berapaah onsentrasi setelah menit? menit? (d) Gambaran profil S D terhadap t. Kapanah B mencapai masimum? (Sumber: Fogler, 99) D Nauman, 00, p. 7 Problem SISTEM EKTO BTH VOLUME BEUBH (VIBLE VOLUME/ VIBLE DENSITY) Beberapa asumsi untu pendeatan: easi berlangsung dalam ondisi P tetap dan T tetap Berlangsungnya reasi diamati melalui perubahan volume sistem reasi easi berlangsung hanya melalui satu persamaan stoiiometri tunggal. Volume sistem reasi pada saat t (atau pada X tertentu): V V0 ( + ε X ) Penentuan ε Besarnya ε ditentuan oleh: () persamaan stoiiometri reasi () omposisi reatan awal (termasu inert) Tinjau reasi: a + p P + ε V ε atau: ε y X V V X 0 δ 0 X 0 (Fogler) (Levenspiel; Hill) 7

8 Ilustrasi: () easi homogen fase-gas: 4 dalam sistem variable-volume batch reactor Jia mula-mula hanya ada reatan, maa: Jia mula-mula campuran reatan mempunyai omposisi: sebanya 50%-mol dan sisanya berupa inert, maa: () ampuran gas dengan n 0 00, n B0 00, dan n I0 00, direasian dalam sebuah reator batch (variable-density), melalui reasi: + 3 B 6 maa: Pernyataan Kecepatan easi Konsentrasi setiap saat (t t): n n V V 0 0 ( X ) X 0 ( + ε X ) + ε X Kecepatan reasi homogen berurangnya : r d n V d r (sistem batch, V tetap) 0 r + ε X d X 0 d V 0 d atau: r V ε ε ( ln V ) (sistem batch, V berubah) Kinetia easi Homogen Sistem Volume Berubah Tentuan onstanta ecepatan reasi orde-satu untu berurangnya dalam reasi fase-gas (dalam sebuah reator batch):, pada ondisi teanan tetap, reatan berupa 80%-mol (& sisanya berupa gas inert), dan volume campuran reasi berurang 0% dalam watu 3 menit! Soal Nomor 4 Hill, 977, p. 7, ch. 3 Problem Hill, 977, p. 75, ch. 3 8