KINETIKA REAKSI BERKATALIS PADAT

Transkripsi

1 INETI ESI ETLIS DT Sub oo ahasan: Setum ezim inetia; esamaan eceatan easi: inetia emuaan (Suface inetics); Difusi-dan- easi Simultan di Dalam oi atalis adat Fato eefetifan atiel atalis; Efe anas Selama easi; Metode Eseimen untu Menentuan esamaan eceatan easi SETUM EZIM INETI Tinjaulah sebuah sistem easi heteogen antaa eatan dengan sebuah atalis adat yang beoi: atalis adat odu easi (Lihat embali matei uliah sebelumnya tentang taha-taha teonesinya eatan menjadi odu easi untu sistem heteogen ini) Secaa eseluuhan (atau global), eceatan easi sistem ini ditentuan oleh:. inetia emuaan (suface inetics) atau eistiwa yang tejadi di emuaan atalis, bai emuaan dalam (oi) mauun emuaan lua atalis. eistiwa ini tedii atas: (a) adsosi eatan e emuaan, (b) easi di emuaan, dan (c) desosi odu dai emuaan atalis e alian bul.. Tahanan difusi melalui oi atalis adat (atau disebut juga tahanan difusi intenal) 3. Tahanan difusi melalui film batas anta-fase (atau disebut juga tahanan difusi estenal) dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman

2 4. ΔT atiel atalis adat, yani gadien suhu di dalam atiel atalis yang disebaban oleh tejadinya eleasan anas yang besa atau absosi selama easi. 5. ΔT film batas anta-fase, yani gadien suhu antaa emuaan lua atalis adat dengan alian bul. ebeaa asus untu enyedehanaan: Untu enyedehanaan, ΔT atiel dan ΔT film diasumsian mendeati nol (daat diabaian, atau ondisi diasumsian isotemal). Untu sistem easi fase gas yang melibatan atalis beoi (oous catalyst aticle), ada umumnya: (a) jia easi belangsung lambat, maa inetia easi eseluuhan hanya ditentuan oleh fato () (b) jia easi belangsung cuu ceat, maa inetia easi eseluuhan ditentuan oleh fato () dan (). Untu sistem easi fase cai yang melibatan atalis beoi, ada umumnya: (a) jia easi belangsung lambat, maa inetia easi eseluuhan ditentuan oleh fato () dan () (b) jia easi belangsung cuu ceat, maa inetia easi eseluuhan ditentuan oleh fato (), (), dan (3). Untu sistem easi yang melibatan catalyst coated suface, fato () dan (3) yang menentuan eceatan easi eseluuhan. Dalam banya asus, ecobaan atau eseimen inetia easi sistem ini diatu (atau diondisian) sedemiian ua sehingga fato inetia emuaan yang menjadi enentu eceatan easi eseluuhan. ESMN ECETN ESI: INETI EMUN (SUFCE INETICS) Dasa: eceatan easi dituunan atau dijabaan dengan mengambil asumsi bahwa easi beatalis adat belangsung ada sisi-sisi atif (actie sites) atau usat dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman

3 atif (actie centes) yang tedaat ada emuaan atalis. Tiga taha yang belangsung di emuaan: () adsosi eatan e emuaan, moleul eatan beiatan secaa imiawi dengan sebuah sisi atif atalis, () easi di emuaan (daat beua meanisme single-site mauun meanisme dual-sites), dan (3) desosi odu dai emuaan atif atalis (etiga taha ini sama dengan taha 3, 4, dan 5 ada matei uliah sebelumnya tentang 7 taha teonesinya eatan menjadi odu easi) etiga taha tesebut di atas diasumsian mencaai esetimbangan. eatan (adsobat) teadso secaa imiawi (chemisotion) e emuaan atif atalis (actie site, S) yang diiuti dengan tejadinya easi di emuaan. eistiwa adsosi secaa imia ini daat disajian dalam esamaan easi imia: a S S d Fenomena adsosi dan desosi imia tesebut dideati dengan menggunaan isotem adsosi. Isotem adsosi meuaan hubungan antaa teanan asial dengan onsentasi atau fasi zat yang teadso di emuaan adsoben, ada esetimbangan dan ada suhu T tetentu. ebeaa ilmuwan telah menjabaan teoi isotem adsosi, seeti Langmui, Feundlich, Temin, unaue, Emmet, dan Telle. Dalam banya asus, isotem adsosi yang diemuaan oleh Langmui yang biasa digunaan (aena elatif sedehana). (Untu lebih jelasnya, silahan nda baca dan elajai subbab 6. dan 6.3, halaman 7-9 (Hill, 977, n Intoduction to Chemical Engineeing inetics and eacto Design, New Yo: John Wiley & Sons, Inc.)) dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 3

4 Isotem dsosi Langmui sumsi-asumsi yang diambil oleh Langmui: () Setia titi ada emuaan atif atalis (acties sites) memunyai eatifan yang sama dalam mengadsosi adsobat. Setia actie site hanya mengaomodasi satu sesies tunggal teadso. () Tida ada inteasi anta moleul-moleul teadso. (3) adatan atau emuaan hanya daat mengadsosi dengan satu laisan saja (monolaye, buan multilaye). (4) Jenis moleul adsobat tetentu memunyai meanisme adsosi dan bentu teadso yang tetentu. (5) dsosi bau aan belangsung jia moleul adsobat betumbuan dengan actie site di emuaan atalis yang osong atau tida ditemati oleh moleul adsobat tetentu. ctie sites yang osong ini biasa disebut acant sites. (6) eceatan atau laju desosi begantung eada onsentasi adsobat yang teadso di emuaan atalis adat. Catatan: Saudaa dihaaan daat membedaan istilah-istilah absosi (enyeaan), adsosi (enjeaan), adsoben, dan adsobat. Contoh-contoh enjabaan Isotem dsosi () dsosi untu zat tunggal Sema easi: S eceatan adsosi eceatan desosi a d S : ads a : des d ada esetimbangan : ads des atau: a d a d... (i) dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 4

5 dengan: a d Neaca emuaan atif atalis adat: atau: - ( )... (ii) Substitusian (ii) e (i), sehingga dieoleh:... (iii) eteangan: S acant sites emuaan atif atalis adat S moleul zat yang teadso di actie sites atalis adat a onstanta eceatan adsosi imia d onstanta eceatan desosi imia onstanta esetimbangan adsosi teanan asial Catatan: Jia easi beatalis adat melibatan fase easi beua caian atau lautan, maa teanan asial setia omonennya ( i ) daat digantian dengan onsentasi (C i ). fasi emuaan atif atalis adat yang osong (acant) fasi emuaan atif yang ditemati oleh () dsosi untu dua zat ( dan ) yang saling beometisi Sema easi: S S S S Dengan caa yang sama seeti enjabaan sebelumnya: dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 5

6 ada esetimbangan: Neaca emuaan atif atalis adat: atau: ( ) sehingga dieoleh: dan (3) dsosi untu zat tunggal yang disetai dengan disosiasi asus adsosi zat tunggal yang disetai dengan disosiasi ada umumnya tejadi ada moleul gas-gas beatom, seeti H, O, N Contoh: Untu gas H : H S HS Dengan caa yang sama seeti enjabaan sebelumnya: H ada esetimbangan: H H H H Neaca emuaan atif atalis adat: H H atau: - H H H ( H H ) H H dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 6

7 sehingga dieoleh: H H H H H Catatan: andingan dan cemati hasil enjabaan isotem adsosi untu etiga asus tesebut di atas. Silahan baca dan elajai eteangan lenganya di ab 6 (Hill, 977) Secaa umum, bentu isotem adsosi Langmui untu sejumlah n zat atau omonen ditentuan oleh: banyanya zat yang teadso di emuaan atif atalis, ondisi adsosinya (aaah disetai dengan disosiasi atau tida, teadsosi di emuaan secaa uat atau lemah), seta ebeadaan zat-zat yang besifat inet. Jia ada zat inet yang telibat dalam sistem easi, maa eistiwa adsosi zat inet tesebut haus diehitungan ula dalam enjabaan isotem adsosi. nalog dengan enjabaan esamaan eceatan easi bedasaan meanisme easi (yang telah dielajai ada matei uliah sebelumnya), bebeaa hal yang elu diehatian dan dicemati dalam enjabaan esamaan inetia emuaan (suface inetics) adalah: meanisme easi emuaan yang dieiaan belangsung, eesibilitas masing-masing taha easinya (di dalam meanisme), taha easi mana yang beean menjadi taha enentu atau engendali eceatan easi secaa eseluuhan, taha-taha easi mana yang belangsung eesibel (mencaai eadaan quasi equilibium), dan hubungan isotem adsosi Langmui untu asus sistem easi yang ditinjau. dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 7

8 Contoh-contoh enjabaan esamaan inetia emuaan Contoh #: easi fase gas beatalis adat: Meanisme easi edicted yang tejadi di emuaan atalis adat: (i) dsosi eatan : S S (ii) easi di emuaan : S S (iii) Desosi odu : S S S S S S (lambat) easi di emuaan atalis (taha (ii) yang belangsung lambat) meuaan taha engendali eceatan easi. etanyaan: esamaan eceatan easinya??? eceatan easi yang melibatan atalis adat daat dinyataan sebagai eceatan easi e satuan luas emuaan adatan ( ). Ingat embali bahwa: dni i '' S dt (S luas emuaan atalis) eceatan easi: taha yang lambat taha (ii) -... (.) edasaan meanisme easi, telihat bahwa semua eatan dan odu (,, dan ) teadso di emuaan atalis. Hubungan esetimbangan adsosi,, dan :... (.) dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 8

9 dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman (.3) (.4) Neaca emuaan atif atalis:... (.5) Substitusi (.), (.3), dan (.4) e (.5): ( )... (.6) sehingga:... (.7)... (.8)... (.9) Dengan demiian, esamaan inetia emuaan untu asus ini daat dieoleh dengan mensubstitusian (.6), (.7), (.8), dan (.9) e (.): - ( ) " atau: ( ) " dengan: onstanta esetimbangan taha easi di emuaan

10 Jia: dan " maa: ( ) Contoh #: easi fase gas beatalis adat: Meanisme easi edicted yang tejadi di emuaan atalis adat: (i) dsosi eatan : S S - S S (ii) easi di emuaan : S S (iii) Desosi odu : S S S S (lambat) S -5 S 5 easi di emuaan atalis (taha (ii) yang belangsung lambat) meuaan taha engendali eceatan easi. etanyaan: esamaan eceatan easinya??? eceatan easi: taha yang lambat taha (ii) 3... (.) edasaan meanisme easi, telihat bahwa semua eatan dan odu (,,, dan ) teadso di emuaan atalis. Hubungan esetimbangan adsosi untu: : dai taha (i)... (.) dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 0

11 dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman : dai taha (i)... (.3) : dai taha (iii) (.4) : dai taha (iii) (.5) Neaca emuaan atif atalis:... (.6) Substitusi (.), (.3), (.4), dan (.5) e (.6): ( )... (.7) sehingga:... (.8)... (.9)... (.0)... (.) Dengan demiian, esamaan inetia emuaan untu asus ini daat dieoleh dengan mensubstitusian (.8) dan (.9) e (.): 3 ( ) 3 "

12 Contoh #3: easi fase gas beatalis adat: Meanisme easi edicted yang tejadi di emuaan atalis adat: (i) dsosi eatan : S S (ii) easi di emuaan : S S - 3 (iii) Desosi odu : S S (lambat) Taha desosi odu easi dai emuaan atalis (taha (iii) yang belangsung lambat) meuaan taha engendali eceatan easi. etanyaan: esamaan eceatan easinya??? eceatan easi: taha yang lambat taha (iii) 3... (3.) edasaan meanisme easi, telihat bahwa eatan dan odu easi sama-sama teadso di emuaan atalis. Namun demiian, taha adsosi belangsung eesibel sedangan desosi belangsung ieesibel. Hubungan esetimbangan adsosi untu (taha (i)):... (3.) Taha easi di emuaan atalis (taha ()) belangsung eesibel. Hubungan esetimbangan taha ini:... (3.3) Neaca emuaan atif atalis:... (3.4) - Substitusi (3.) dan (3.3) e (3.4): ( ) dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman

13 sehingga: dan... (3.5)... (3.6)... (3.7) Dengan demiian, esamaan inetia emuaan untu asus ini daat dieoleh dengan mensubstitusian (3.7) e (3.): 3 " " 3 atau: ( ) 3 dengan: onstanta esetimbangan taha easi di emuaan inetia easi untu Dua eatan dan Dua odu easi Lima emunginan meanisme easi beatalis adat antaa (dua) eatan, dan, dan menghasilan (dua) odu easi, C dan D: C D I. (i) dsosi eatan : S S S S (ii) easi di emuaan : S S CS DS (iii)desosi odu : CS C S DS D S II. (i) dsosi eatan : S S (ii) easi di emuaan : S CS D (iii)desosi odu : CS C S dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 3

14 III. (i) dsosi eatan : S S (ii) easi di emuaan : S CS D (iii)desosi odu : CS C S IV. (i) dsosi eatan : S S (ii) easi di emuaan : S C DS (iii)desosi odu : DS D S V. (i) dsosi eatan : S S (ii) easi di emuaan : S C DS (iii)desosi odu : DS D S edasaan enggambaan 5 (lima) meanisme tesebut di atas, telihat bahwa ada: Meanisme I: semua (edua) eatan dan odu easi sama-sama teadso di emuaan atif atalis. Meanisme easi yang seeti ini disebut meanisme Langmui- Hinshelwood (L-H) atau meanisme Hougen-Watson. ada meanisme ini, taha easi antaa dua eatanteadso (di emuaan atif atalis) meuaan taha yang lambat, sehingga menjadi taha engendali atau taha enentu eceatan easi. Meanisme II, III, IV, dan V: hanya salah satu eatan dan salah satu odu easi yang teadso di emuaan. Meanisme seeti ini disebut meanisme Eley-ideal (E-). Latihan #: () Ulangi untu asus easi seeti ada contoh #, tetai taha easi di emuaan belangsung ieesibel (tida bolabali). Meanisme easi edicted yang tejadi di emuaan atalis adat: (i) dsosi eatan : S S - dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 4

15 (ii) easi di emuaan : S S S S (lambat) (iii) Desosi odu : S 3 S S -4 4 S easi di emuaan atalis (taha (ii) yang belangsung lambat) meuaan taha engendali eceatan easi. etanyaan: esamaan eceatan easinya??? () Ulangi untu asus easi seeti ada contoh #, tetai taha easi di emuaan belangsung eesibel (bola-bali). Meanisme easi edicted yang tejadi di emuaan atalis adat: (i) dsosi eatan : S S - S S - (ii) easi di emuaan : S S -3 3 S S (lambat) (iii) Desosi odu : S S S -5 S 5 easi di emuaan atalis (taha (ii) yang belangsung lambat) meuaan taha engendali eceatan easi. etanyaan: esamaan eceatan easinya??? (3) Dalam sebuah eseimen, easi catalytic-cacing cumene: Cumene oylene benzene C dengan atalis adat silia alumina ada suhu 950 o C dan mulamula hanya tedaat cumene, menghasilan data-data (initial ate, '' 0, esus total essue, tot ) sebagai beiut: dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 5

16 tot 4, 7 4,4,5 0,0835 0,0737 0,0733 0,065 0,05 '' 0 Untu menjelasan hasil eseimen tesebut, diusulanlah (meanisme) yang dieiaan tejadi untu easi ini, yani sebuah meanisme (meanisme single-site) dan meanisme (meanisme dual-sites). Meanisme (single-site): (i) adsosi eatan e emuaan atalis: C S CS - (ii) easi di emuaan atalis : CS S - (iii) desosi odu easi dai emuaan: -3 S S 3 Meanisme (dual-sites): (i) adsosi eatan e emuaan atalis: C S CS - (ii) easi di emuaan atalis: CS S -4 S S 4 (iii) desosi odu easi dai emuaan: S -3 3 S S -5 S 5 nggaan yang digunaan untu menuunan esamaan inetia easi beatalis ini adalah bahwa taha easi di emuaan (taha (ii)) meuaan taha enentu eceatan easi eseluuhan. dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 6

17 etanyaan: Di antaa edua eiaan meanisme tesebut di atas, meanisme manaah yang (lebih) onsisten tehada data eseimen, meanisme atau meanisme? etunju enyelesaian soal: (a) Tuunan atau jabaan esamaan laju/ eceatan easi ataliti (atau inetia emuaan) untu masing-masing meanisme. (b) aena eseimen menggunaan data-data initial ate ( '' ), maa daat diambil endeatan bahwa: 0 ada t 0: '' 0 C C0 tot 0, dan 0 (aena oylene () dan benzene () diangga belum semat tebentu ada saat-saat awal easi belangsung) (c) Linieisasian esamaan eceatan easi (yang telah disedehanaan bedasaan endeatan ada buti (b)) yang dieoleh. (d) Gunaan teni least-squaes dan/atau metode gafis (tehada lot linie yang besesuaian) untu mengamati dan menganalisis esesuaian antaa lot yang dihasilan dengan ecendeungan data eseimen. (e) eian esimulan atas hasil engamatan dan analisis Saudaa. (4) (a) Fo the decomosition of NH 3 () on t (as catalyst), what is the fom of the ate law, accoding to the Langmui-Hinshelwood model, if NH 3 (eactant) is wealy adsobed and H (oduct) is stongly adsobed on t? Exlain biefly. ssume that N does not affect the ate. (b) Do the following exeimental esults, obtained by Hinshelwood and u (95) in a constant-olume batch eacto at 4, suot the fom used in at (a)? dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 7

18 t (s) tot (a) 6,7 30,4 34, 36,3 38,5 40,0 4,7 tot is total essue, and only NH 3 is esent initially. Justify you answe quantitatiely, fo examle, by using the exeimental data in conjunction with the fom gien in at (a). Use atial essue as a measue of concentation. (Catatan: Soal nomo 4 ini meuaan soal nomo 8-0, halaman (Missen, 999)) DIFUSI-DN-ESI SIMULTN DI DLM OI TLIS DT FTO EEFETIFN TIEL TLIS etia difusi dan easi belangsung secaa simultan di dalam stutu adatan atalis beoi, maa aan tebentu gadien onsentasi eatan dan odu di seanjang oi. Dalam hal ini, daat ditinjau dua asus (eadaan), yani:. Jia oses difusi belangsung lebih ceat dibandingan dengan taha-taha oses yang tejadi di emuaan, maa eseluuhan bagian emuaan dalam atalis aan efetif dalam memomosian tejadinya easi. Hal ini disebaban moleul-moleul eatan aan teseba secaa meata ada stutu oi atalis, sebelum moleul eatan tesebut memunyai cuu watu untu beeasi. ada eadaan ini, hanya tedaat gadien onsentasi yang ecil di antaa emuaan lua dan dalam atiel, seta eceatan difusi moleul melalui oi aan sama dengan eceatan easi di dalam oi. Dalam hal ini, inetia yang teuu adalah inetia intinsi yang sebenanya (tue intinsic inetics).. Jia atalis sangat atif, maa banya moleul eatan yang teonesi menjadi odu easi sebelum moleul eatan tesebut memunyai cuu watu untu bedifusi e dalam stutu oi. da gadien onsentasi yang leba antaa emuaan lua dan dalam atiel. Di bagian tengah oi, dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 8

19 onsentasinya aan sangat endah dengan gadien onsentasi yang ecil, dan onsentasi odu easi aan sangat tinggi. Jia diamati, easi secaa eseluuhan aan belangsung ada laisan tiis bagian lua atiel atalis. Dalam hal ini, emuaan-dalam oi atalis disebut tida efetif atau uang efetif. eenaan dengan ondisi nomo, ada ondisi engoeasian steady-state, eceatan difusi eatan-e-dalam dan odu-easielua oi sama dengan eceatan easi yang tejadi di dalam oi. Dengan mengasumsian bahwa atiel atalis beada ada ondisi isotemal, maa eceatan easi ata-ata, secaa umum, aan menjadi lebih ecil dibandingan dengan eadaan jia tana adanya hambatan atau tahanan eindahan massa. Dengan demiian, inetia yang teuu buanlah tue intinsic inetics. Oleh aena itulah, sebuah fato eefetifan atiel atalis (η) (effectieness facto) didefinisian sebagai beiut: atau: atau: η η η actual ate fo the entie catalyst aticle ate ealuated at exteio suface conditions actual mean eaction ate within oe ate if not slowed by oe diffusion ate ate with diffusion without diffusion esis tan ce sehingga: ate with diffusion η. ate without diffusion esistance η menyataan fasi luas emuaan atalis yang efetif etia engauh easi dan eindahan massa intenal (difusi melalui oi atalis) saling beinteasi. dy/igsb/007/inetia easi beatalis adat/halaman 9