Optimasi Sulfonating Agent H2SO4 dan Temperatur Operasi pada Sintesis Senyawa á-naftalen Sulfonat

Transkripsi

1 Optimasi Sulfnating Agent H2SO4 dan Temperatur Operasi pada Sintesis Senyawa á-naftalen Sulfnat Rintis Manfaati ; Dede Dini Rahman; Neng Sri Widianti Jurusan Teknik Kimia, Pliteknik Negeri Bandung, Bandung rintismanfaati@gmail.cm; dede.dini.tkim12@plban.ac.id; neng.sriwidianti@gmail.cm ABSTRAK Sulfnasi adalah prses memasukkan gugus sulfnic acid (-SO OH) atau sulfnil halida 2 (-SO Cl) pada bahan baku senyawa rganik hidrkarbn. Pada penelitian ini prses sulfnasi 2 dilakukan dengan menggunakan bahan baku naftalen teknis dan sulfnating agent H SO 98 % untuk mendapatkan prduk á-naftalen sulfnat. Sulfnasi naftalen dipilih karena memiliki kndisi perasi yang ringan yaitu berlangsung pada temperatur dibawah 80 C sehingga dapat diterapkan pada Labratrium Satuan Prses sebagai mdul praktikum Satuan Prses 2. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui jumlah sulfnating agent (H SO 98%) dan temperatur reaksi ptimum pada sulfnasi naftalen. Variabel yang divariasikan adalah jumlah sulfnating agent H2SO 4 98% yang dihitung berdasarkan pada variasi nilai ð dan temperatur perasi. Nilai ð menyatakan knsentrasi SO minimum yang harus dipertahankan di dalam reaktr agar prses sulfnasi tetap berlangsung. Analisis yang dilakukan adalah pengujian titik leleh, %yield prduk, serta sisa asam. Prses sulfnasi naftalen dilakukan dengan massa naftalen 5 gram, waktu reaksi 60 menit dan kecepatan pengadukan rpm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kndisi ptimum diperleh pada jumlah sulfnating agent H SO 98% sebanyak 2,9 ml untuk nilai ð = 52 dan temperatur perasi 70C dengan titik leleh 78,9C dan persentase yield prduk sebesar 4,2%. Kata Kunci. Sulfnasi, á-naftalen sulfnat, sulfnating agent, nilai ð, temperatur PENDAHULUAN Pemilihan mdul praktikum Satuan Prses harus disesuaikan dengan kapasitas labratrium seperti peralatan prses yang mampu menyediakan kndisi perasi prses, kesehatan dan keselamatan kerja, ketersediaan bahan baku/agent, dan waktu praktikum. Sintesis senyawa rganik umumnya berlangsung pada kndisi perasi (suhu dan tekanan) yang cukup tinggi, waktu reaksi dan purifikasi yang lama, dan melibatkan bahan baku berbasiskan petrleum yang bersifat racun dan karsingenik. Penelitian yang seksama diperlukan agar suatu mdul praktikum layak dan aman diaplikasikan pada skala labratrium. Sulfnasi adalah prses utama industri kimia yang digunakan untuk membuat berbagai macam prduk. Prses sulfnasi diaplikasikan di industri kertas dalam pembentukan lignin sulfnat, pada pembuatan deterjen (ddecylbenzene sulfnat) sebagai zat aktif permukaan, metan/tluen sulfnat sebagai katalis untuk elektrplating, dan armatik sulfnil klrida s e b a g a i b a h a n b a k u p e m b u a t a n sulfnat/sulfur amides (sulfadrugs, sweeting agent, pewarna tekstil, dan taning agent) [1]. Prses sulfnasi menggunakan bahan baku naftalen dengan sulfnating agent cncentrated H2SO 4 dapat berlangsung pada temperatur kurang dari 80 C dengan tekanan 1 atm, leh karena itu, reaksi sulfnasi naftalen merupakan reaksi sulfnasi yang 15

2 16 Jurnal Fluida Vlume 11, N. 2, Npember 2015, Hlm cck dan aman diterapkan di labratrium Satuan Prses Teknik Kimia Pliteknik Negeri Bandung. Reaksi sulfnasi ini dipengaruhi leh beberapa faktr, salah satunya adalah knsentrasi SO dalam sulfnating agent serta temperatur perasi. Sulfnating agent H SO menyediakan kebutuhan elektrfil SO agar reaksi dapat berlangsung. Penentuan jumlah H SO yang ditambahkan berdasarkan pada nilai ð, dimana nilai ð menunjukkan knsentrasi minimum SO yang harus dipertahankan didalam reaktr agar 1 ml naftalen dapat habis bereaksi/ tersulfnasi. Pada prses sulfnasi naftalen temperatur perasi akan mempengaruhi letak gugus sulfnat pada bahan baku, jika temperatur perasi tinggi maka yang terbentuk adalah â-naftalen sulfnat, sedangkan á-naftalen sulfnat akan terbentuk pada temperatur perasi yang lebih rendah. Jumlah sulfnating agent yang harus ditambahkan dan temperatur perasi sulfnasi naftalen harus diperhitungkan secara tepat untuk menghasilkan yield prduk yang maksimum. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pengaruh jumlah sulfnating agent H SO dan temperatur perasi pada sintesis á-naftalen sulfnat. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan jumlah sulfnating agent H SO dan temperatur ptimum untuk reaksi sulfnasi naftalen. TINJAUAN PUSTAKA Naftalen sulfnat merupakan hasil dari prses sulfnasi dengan menggunakan naftalen sebagai bahan bakunya. Prses sulfnasi naftalen membentuk 2 jenis naftalen sulfnat, yaitu á dan â-naftalen sulfnat yang dalam pembuatannya hanya dibedakan pada temperatur perasi. á-naftalen sulfnat berbentuk padatan putih keabuan dengan titik leleh C, tidak larut dalam air, namun dapat larut dalam pelarut rganik. Sifat fisika dan kimia dari naftalen dan á-naftalen sulfnat ditunjukkan pada Tabel 1 Tabel 1. Sifat fisika dan kimia naftalen dan á-naftalen sulfnat Sulfnasi merupakan prses memasukkan gugus sulfnic acid (-SO2OH) atau sulfnil halida (-SO Cl) pada bahan baku 2 senyawa rganik hidrkarbn. Sulfnasi merupakan salah satu jenis reaksi substitusi armatis elektrpilik [2]. Reaksi sulfnasi merupakan reaksi reversibel atau blak balik, namun pada temperatur rendah bersifat irreversibel karena reaksi desulfnasi berjalan sangat lambat. Reaksi sulfnasi sangat bergantung pada reaktifitas senyawa armatis dan sifat dari senyawa elektrfilik yang diturunkan dari H SO (asam sulfat) atau SO (sulfur triksida) []. Mekanisme reaksi sulfnasi dengan sulfnating agent cncentrated H2SO 4 diawali dengan pembentukan elektrfilik (SO ). Pada tahap ini terjadi penguraian asam sulfat. Pada tahap selanjutnya, terjadi prses penyerangan senyawa naftalen leh elektrfilik yang terbentuk [4].

3 Rintis Manfaati, Optimasi sulfnating agent H2SO4 dan temperature perasi pada sintesis senyawa á-naftalen Sulfnat 17 Reaksi sulfnasi dengan sulfnating agent H2SO 4 merupakan reaksi yang bersifat endterm sehingga diperlukan penambahan energi dari luar sistem. Prduk samping yang dihasilkan dari reaksi sulfnasi dengan sulfnating agent H SO adalah H O 2 Faktr-faktr yang mempengaruhi prses Sulfnasi diantaranya adalah knsentrasi SO pada Sulfnating Agent dalam reaktr serta temperatur perasi. 2. Temperatur Operasi Prses sulfnasi naftalen membentuk 2 jenis naftalen sulfnat, yaitu á dan â-naftalen sulfnat. Kedua jenis naftalen sulfnat tersebut berbeda pada penempatan gugus SOH pada naftalen. Pengaruh temperatur terhadap pembentukan naftalen sulfnat dan distribusi pembentukan á dan â- naftalen sulfnat disajikan pada Gambar 1 dan Tabel. 1. Knsentrasi SO pada Sulfnating Agent dalam reaktr Prses sulfnasi dapat berlangsung dengan baik tergantung pada knsentrasi SO dalam sulfnating agent yang digunakan. Knsentrasi SO minimum yang diperlukan agar reaksi sulfnasi tetap berlangsung didefinisikan sebagai ð. Persamaan yang menyatakan massa sulfnating agent H SO (gr) yang dibutuhkan untuk mensulfnasi 1 ml senyawa rganik diuraikan pada persamaan (1). á adalah %SO yang terkandung dalam sulfnating agent H2SO 4. Setiap senyawa rganik memiliki nilai ð yang berbeda-beda seperti yang ditunjukkan Tabel 2. Semakin mudah suatu bahan rganik disulfnasi semakin rendah nilai ð nya [1]. Gambar 1. Pembentukan Naftalen Sulfnat pada Temperatur Berbeda Tabel. Pengaruh temperatur terhadap sulfnasi naftalen [1] Tabel 2. Nilai ð beberapa senyawa rganik [1] Pada temperatur rendah, reaksi dikendalikan leh faktr kinetika atau faktr cepatlambatnya reaksi. á-naftalen sulfnat akan lebih cepat terbentuk pada kndisi ini karena reaksi berlangsung pada jalur energi aktivasi

4 18 Jurnal Fluida Vlume 11, N. 2, Npember 2015, Hlm yang lebih rendah. Reaksi yang berlangsung pada temperatur yang lebih tinggi akan dikendalikan leh faktr termdinamika atau faktr kestabilan prduk. Pada kndisi ini reaksi akan menghasilkan â-naftalen sulfnat yang lebih stabil karena nilai ÄGâ yang lebih negatif meskipun memiliki energi aktivasi yang lebih tinggi [5]. Diagram energi untuk sulfnasi naftalen disajikan pada Gambar 2. Gambar 2. Diagram Energi Sulfnasi Naftalen METODE Metde penelitian yang digunakan pada sintesis senyawa á-naftalen sulfnat merupakan metde eksperimental yang t e r d i r i d a r i b e b e r a p a t a h a p berkesinambungan. Tahap I adalah mengetahui kndisi prses sulfnasi naftalen, nilai ð, dan karakteristik prduk berdasarkan literatur. Tahap II adalah prses sulfnasi naftalen menjadi senyawa á-naftalen sulfnat. Pada tahap ini jumlah naftalen yang digunakan adalah 5 gram, dengan variabel yang di variasikan adalah nilai ð. Jumlah sulfnating agent H SO ditentukan dengan menggunakan persamaan (1). Setelah itu dilakukan prses pemurnian prduk dari sisa asam dan naftalen yang tidak bereaksi. Data yang diambil adalah berat prduk yang dihasilkan, titik leleh prduk, sisa asam dan jumlah sulfnating agent H2SO 4 ptimum. Tahap III adalah prses sulfnasi naftalen menjadi senyawa á-naftalen sulfnat dengan menggunakan jumlah sulfnating agent H 2SO 4 ptimum.variabel yang divariasikan adalah temperatur perasi, yaitu dari C. Data yang diambil adalah berat prduk yang dihasilkan, titik leleh prduk, jumlah sisa asam dan temperatur ptimum sulfnasi. Tahap IV adalah prses sulfnasi naftalen menjadi senyawa á-naftalen sulfnat dengan menggunakan jumlah sulfnating agent H SO dan temperatur ptimum. Kemudian dilakukan analisis titik leleh, berat prduk yang dihasilkan, sisa asam dan analisis FTIR. Prses reaksi sulfnasi naftalen dilakukan secara batch di dalam erlemeyer dengan menggunakan penangas air. Kndisi perasi yang dipertahankan tetap adalah massa naftalen sebanyak 5 gram yang dilarutkan dalam pelarut diklrmetan, knsentrasi sulfnating agent H SO 98 %, kecepatan pengadukan pada rpm, dan waktu reaksi selama 60 menit. Pemurnian prduk dilakukan dengan menggunakan pelarut etanl 96%. Analisis yang dilakukan terhadap prduk á-naftalen sulfnat adalah analisis titik leleh menggunakan digital melting pint apparatus-elektrthermal, berat kering prduk dengan metde gravimetri, analisis sisa asam dengan metde titrasi dan analisis FTIR (Furier Transfrm Infra Red). Analisis FTIR (Furier Transfrm Infra Red) dilakukan di labratrium Kimia Analitik, Jurusan Kimia ITB. DISKUSI Sulfnasi Naftalen pada Variasi Jumlah Sulfnating Agent H SO 98% Hasil analisis untuk sulfnasi naftalen pada variasi jumlah sulfnating agent H SO disajikan pada Tabel 4. Tabel 4. Hasil analisis prduk á-naftalen sulfnat dengan variasi jumlah sulfnating agent H SO 98%

5 Rintis Manfaati, Optimasi sulfnating agent H2SO4 dan temperature perasi pada sintesis senyawa á-naftalen Sulfnat 19 Dari Tabel 4 terlihat bahwa titik leleh prduk yang mendekati titik leleh á-naftalen sulfnat berdasarkan literatur (77-79 C) terjadi pada jumlah sulfnating agent H SO 2,90 ml,,10 ml, dan,9 ml, masing-masing adalah 79 C, 78,4 C, dan 78,1 C. Prduk yang dihasilkan pada jumlah sulfnating agent H SO 2,90 ml,,10 ml, dan,9 ml memiliki warna putih kelabu/abu-abu dan berbentuk kristal/serbuk halus. Sementara itu titik leleh pada jumlah sulfnating agent H SO 2,75 ml dan,80 ml menyimpang dari nilai titik leleh á-naftalen sulfnat. Titik leleh yang menyimpang ini disebabkan leh banyaknya pengtr dalam prduk yang dihasilkan. Pengtr ini dapat berupa naftalen yang tidak bereaksi serta senyawa pengtr lain yang terdapat pada bahan baku yang digunakan. Tabel 4 juga menunjukkan bahwa %yield pada penambahan sulfnating agent H SO sebanyak 2,75 ml ke 2,90 ml mengalami peningkatan yang cukup berarti, namun pada penambahan sulfnating agent H SO sebanyak,10 ml hingga,80 ml menunjukan penurunan %yield yang cukup berarti pula. Hal ini terjadi karena sifat alamiah dari senyawa armatik, dimana senyawa armatik merupakan senyawa yang sangat reaktif. Pada senyawa armatik terdapat elektrn elektrn yang bergerak pada cincin armatiknya [2]. Kelebihan asam pada reaktr akan menarik elektrn dalam cincin armatik naftalen. Penurunan jumlah elektrn di cincin naftalen akan mengurangi kereaktifan naftalen sehingga %yield prduk yang dihasilkan menjadi berkurang. Pada Tabel 4 ditunjukkan bahwa pada penambahan H SO sebanyak 2,7 ml ke 2,9 ml knsentrasi sisa asam mengalami penurunan, namun pada penambahan sulfnating agent H SO dari,1 ml ke,8 ml knsentrasi sisa asam dalam reaktr mengalami kenaikan. Penambahan jumlah H SO berlebih pada awal reaksi akan berpengaruh pada jumlah asam sisa. Semakin banyak penambahan jumlah H SO akan menyebabkan kereaktifan armatik naftalen berkurang. Kereaktifan naftalen yang berkurang menyebabkan jumlah asam sisa yang berada dalam reaktr akan semakin meningkat. Sulfnasi Naftalen pada Variasi Temperatur Operasi Hasil penelitian untuk sulfnasi naftalen pada variasi temperatur perasi disajikan pada Tabel 5. Tabel 5. Hasil analisis prduk á-naftalen sulfnat dengan variasi temperatur perasi Hasil analisis menghasilkan %yield prduk dengan bahan baku naftalen teknis lebih besar dari %yield prduk yang menggunakan naftalen pa. Hal ini terjadi karena ada pengtr dari naftalen teknis yang ikut tersulfnasi sehingga menambah % yield prduk. Pengtr yang terdapat dalam prduk masih berada dalam batas yang nrmal karena tidak mempengaruhi kualitas dari prduk á- naftalen sulfnat yang ditunjukan dengan titik leleh kedua prduk yang dihasilkan berada pada rentang titik leleh á-naftalen sulfnat sesuai literatur. Pada penggunaan bahan baku naftalen teknis, keadaan ptimum prses sulfnasi tercapai pada nilai ð 52 dan suhu 70 C, nilai tersebut menunjukkan penyimpangan dari kndisi ptimum menurut Grggins (lihat Tabel 2) yang mana kndisi prses sulfnasi untuk mnsulfnasi naftalen pada suhu 60 C dengan nilai ð sebesar 56. Perbedaan nilai ptimum tersebut disebabkan karena perbedaan kereaktifan dari bahan baku yang digunakan. Untuk bahan baku Naftalen Teknis yang digunakan dengan merk dagang Bagus, kndisi ptimum tercapai pada temperatur yang lebih tinggi dengan nilai ð

6 20 Jurnal Fluida Vlume 11, N. 2, Npember 2015, Hlm yang lebih rendah. Karakteristik Prduk á-naftalen Sulfnat dengan Analisis FTIR Hasil analisis gugus fungsi prduk naftalen sulfnat dengan menggunakan alat FTIR pada penggunaan bahan baku naftalen teknis ditunjukkan pada Gambar. Gambar. Hasil Analisis FTIR Prduk Naftalen Sulfnat Bahan Baku Naftalen Teknis Nilai panjang gelmbang masing-masing gugus fungsi berdasarkan literatur dan hasil dari analisis disajikan pada Tabel 7. Tabel 7. Nilai serapan gugus fungsi naftalen sulfnat [6] DAFTAR PUSTAKA Grggins, P.H. (1958). Unit Prcesses in Organic Syntesis, 5th Editin. Internatinal Student Editin: Mc. Gram- Hill kgakusha, Ltd. Fessenden, R., & Fessenden, J. (1982). Uji FTIR prduk á-naftalen sulfnat menunjukkan bahwa gugus SO- telah tersubstitusi ke dalam naftalen pada nilai serapan SO tak simetris 159,82 cm-1 dan SO simetris 1176,58 cm-1. Nilai serapan tersebut masuk dalam range nilai serapan literatur yaitu nilai serapan SO tak simetris cm-1 dan SO simetris cm-1. SIMPULAN Sulfnasi naftalen merupakan prses sulfnasi yang dapat dilakukan pada kndisi perasi yang ringan sehingga dapat diaplikasikan di Labratrium Satuan Prses Pliteknik Negeri Bandung. Reaksi sulfnasi naftalen sangat dipengaruhi leh jumlah sulfnating agent yang ditambahkan dan temperatur perasinya. Jumlah sulfnating agent H SO berpengaruh pada pemenuhan knsentrasi elektrfil SO agar reaksi sulfnasi dapat berlangsung, sedangkan temperatur perasi berpengaruh pada pemenuhan energi yang dibutuhkan selama prses sulfnasi. Jumlah sulfnating agent H SO ptimum untuk mensulfnasi naftalen teknis dengan merk Bagus sebanyak 5 gram adalah 2,90 ml dengan nilai ð 52. Prduk yang dihasilkan memiliki titik leleh 78,9 C dan %yield prduk sebanyak 4,2%. Temperatur ptimum reaksi sulfnasi naftalen adalah 70 C. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitan ini baik di Labratrium Satuan prses maupun di lingkungan Prgram Studi D Teknik Kimia Jurusan Teknik Kimia Pliteknik Negeri Bandung. Organic Chemistry, 2nd Editin. Massachusetts, USA: Williard Grant Press Publisher. Katrizky, A. R., Kim, M. S., Fedseyenk, D., Widyan, K.,Siskin, M., &

7 Rintis Manfaati, Optimasi sulfnating agent H2SO4 dan temperature perasi pada sintesis senyawa á-naftalen Sulfnat 21 Fransisc, M. ( ). T h e Sulfnatin f A r m a t i c a n d H e t e r a r m a t i c Plycyclic Cmpund. USA: Department f C h e m i s t r y, University f Flrida. S l m n s, T. G. ( ). O rg a n i c Chemistry. Newyrk: Jhn Wiley & sns, Inc. We i n i n g e r, S., & S t e r m i t z, F. (1984).Organic Chemistry. Academic Press, Inc: United States f America. Silverstein, R., Bassler, C., & Mrril T. (1986). Penyidikan Spektrmetrik Senyawa Organik Edisi Keempat. Jakata : Erlangga.