kesetimbangan padat-cair
DESCRIPTION
KESETIMBANGAN PADAT-CAIR. ( yang menyangkut ion). Pengendapan garam yang lebih sukar larut dari campuran ionnya dalam larutan akuatik terjadi pada beberapa proses pemisahan hasil reaksi garam-garam anorganik. Sebagai contoh, pada proses Solvay, Natrium bikarbonat (NaHCO 3 ) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 1
KESETIMBANGAN PADAT-CAIR
( yang menyangkut ion)
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 2
Pengendapan garam yang lebih sukar larut dari campuran ionnya dalamlarutan akuatik terjadi pada beberapa proses pemisahan hasil reaksigaram-garam anorganik.
Sebagai contoh, pada proses Solvay, Natrium bikarbonat (NaHCO3)dipisajikan dari larutannya dengan cara pengendapan.
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 3
1. Sistem dua jenis garam dengan ion serupa, seperti anion Cl- pada campuran KCl dan NaCl atau kation K+ pada campuran KCl dan KNO3
Beberapa proses pengendapan yang melibatkan dua garam anorganik, dibagi menjadi dua sistem :
2. Sistem dua jenis garam dengan ion tak serupa, seperti campuran NaCl dan KNO3. Campuran seperti ini disebut pasangan yang berlawanan
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 4
R2
R1
M
W 1
W 2
AM AN
H2O
1
2
2
1
WW
MRMR
jarak
Dua garam dengan ion sejenis
Garam R1 dengan berat W1 dan garam R2 seberat W2 dicampur, menghasilkancampuran M.
Titik M terletak pada garis R1 dan R2 dengan :
Inverse Lever Rule
Gambar 1. diagram kompoosisi segi tiga
5
NaNO3
Sistem garam dengan ion sejenis NaNO3 – KNO3 – H2OPada suhu 25 oC, sistem campuran dua garam nitrat (natrium dan Kalium)di dalam air membentuk kesetimbangan seperti pada Gambar 2.
B H2O
AKNO3
C
p
n
m
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 6
B H2O
AKNO3
C
p
n
m
titik n : larutan jenuh yang hanya mengandung KNO3
titik m : larutan jenuh yang hanya mengandung NaNO3
titik p adalah larutan yang
jenuh dengan garam KNO3
dan NaNO3.
7
B H2O
AKNO3
C
p
n
m
Garis pm menggambarkan komposisi larutan yang jenuh dengan NaNO3
tapi tanpa KNO3, sedangkan garis pn menunjukkan komposisi larutanjenuh dengan KNO3.
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 8
Area Bnmp adalah daerah satu fasa larutan tak jenuh (homogen),
sedangkan area mpC adalah daerah dua fasa, yang terdiri dari padatan NaNO3 dan larutan yang jenuh dengan garam ini.
B H2O
AKNO3
C
p
n
m
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 9
Masing-masing sistem larutan garam memiliki paling sedikitnya satu titikpengeringan (drying up point), yaitu titik yang menunjukkan campuran dengan kandungan air sebagai tetes terakhir (padatan basah yang mulai mengering)
Pada gambar 2, terlihat bahwa larutan jenuh garam NaNO3 akan mulai mengering di titik m, sedangkan larutan jenuh garam KNO3 mulai mengeringdi titik n.
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 10
Diketahui 100 kg larutan akuatik terdiri dari 10 % NaNO3, 20 % KNO3 ( sisanya air). Larutan yang berkedudukan di titik 1 tersebut diuapkan pada suhu tetap.
2B21
jarak.100air yang menguap
larutan awal7,16
366
.100 kg
Hitung jumlah air yang menguap pada saat larutan jenuh.
Dari Gambar 3., larutan di atas akan jenuh pada garis np , sehingga menurutaturan tangan timbangan (inverse lever rule), jumlah air yang menguapadalah :
Atau dihitung dengan neraca massa : 70 = W + 64,01
64,0.30
Perpanjangan garis pengeringan tersebut akan memotong garis pn di titik 2 , pada kedudukan tersebut campuran merupakam larutan jenuh KNO3, dengan kandungan 24 % KNO3 dan 64 % H2O.
Proses pengeringan diamati dengan cara menarik garis dari titik 1 ke titik H2O.
air di campuran awal air yang menguap
air sisa di pdtanbasah
11
B H2O
AKNO3
C
NaNO3
p
n
m
1
2
3
Gambar 3. Sistem larutan dua garam senama dalam air
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 12
70 = W + 64,01
64,0.30
, W = 16,67 kg .
Jika larutan jenuh tersebut diuapkan hingga melewati keadaan jenuh KNO3,maka kedudukan larutan akan mencapai titik 3.
Larutan di titik 3 adalah larutan yang lewat jenuh dan akan terpisah menjadiendapan KNO3 dan larutan jenuh p
3B1B
jarak.100larutan 3
larutan awal5,39
7630
.100 kg
Berat kristal KNO3 yang mengendap adalah :
Ap3p
jarak.5,39kristal KNO3
larutan 38,15
4016
.5,39 kg
Berat larutan 3 tersebut adalah :
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 13
Analisa aturan fasa
Gambar 3. memaparkan kesetimbangan KNO3 – NaNO3 – H2O pada tekanan 1 atm,tanpa kehadiran fasa gas. Diagram ini menggambarkan kondisi larutan dua garamdalam air di wadah yang terbuka.
Jumlah komponen dalam sistem ini dapat dihitung dengan berbagai cara, tergantungpada kondisi awal yang dipilih. Pada setiap keadaan, jumlah komponen di dalamsistem adalah 3, yang ditunjukkan oleh :
1. Setiap titik yang berada di dalam segitiga mempresentasikan sistem yang dibuat dari campuran 3 komponen H2O , KNO3, dan NaNO3.
2. Jika terjadi ionisasi sempurna, maka di dalam sistem terdapat H2O , K+, Na+, dan NO3
-, sehingga N = 4. Karena tidak ada reaksi, maka R= 0 dan karena muatan larutan netral, maka muatan positif = muatan negatif, sehingga S = 1. Dengan demikian maka jumlah komponen di dalam sistem, C = 3.
C = N – R - S
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 14
Jika suhu dan tekanan total sistem tetap, maka jumlah varian : V = C - P
3. Jika ionisasi tidak sempurna, maka di dalam larutan terdapat H2O, ion K+ ,
Na+, NO3- dan sisa KNO3 , NaNO3 yang tidak terionisasi , sehingga N = 6.
Terdapat dua reaksi kesetimbangan :
NaNO3 Na+ + NO3- , danKNO3 K+ + NO3
- , jadi R = 2
S = 1, karena ion negatif dan positif terdapat dalam jumlah yang sama.
Dengan demikian maka C = 3.
Di setiap titik dalam area Bmpn adalah larutan yang tak jenuh, sehinggamerupakan fasa yang homogen. Dengan demikian maka di area tersebut, V = 3 – 1 = 2.
Varian ( variabel yang diperlukan)
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 15
Na2SO4.10 H2O
Na2SO4
NaNO3
NaNO3.Na2SO4.H2O
Darapskite
a
dc
e
b
Gambar 4. Sistem NaNO3 – Na2SO4 – H2O pada 25 oC ( dlm persen berat)
Kesetimbangan yang kompleks :
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 16
Kesetimbangan 2 garam dengan ion-ion tak senama
KCl + NaNO3 NaCl + KNO3
Semua larutan yang berada pada daerah afjke berada pada kesetimbangan dengan garam/padatan NaCl, demikian pula larutan yang berada pada arealain, adalah larutan yang setimbang dengan garam yang berada pada sudutarea tersebut.
Contoh : dua garam KCl dan NaNO3 terdekomposisi melalui reaksi
Pada dekomposisi ini, terbentuk pasangan garam NaCl dan KNO3.Ke empat garam tersebut berada pada kesetimbangan yang digambarkanpada diagram segi 4 Janecke pada Gambar 5.
Ordinat diagram ini menunjukkan fraksi anion NO3- terhadap total mol,
sedangkan ordinat menunjukkan fraksi kation K+.Diagram tersebut terbagi menjadi 4 area oleh garis-garis : f – j , j − g , j – k , k – h ,dan k – e.
17
NaKK
X
3
3
NOClNO
Y
KNO3
KClNaCl
NaNO3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
4
4
4
5
55
6
7
8
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
14
1312
k
i
M
a b
dc
e
f
g
h
Gambar 5.Kesetimbangandua garam denganion yang berbeda.
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 18
Berapa komposisi larutan jenuh yang berada pada kedudukan titik M ?
Y = 0,35 dan X = 0,82 , dengan jumlah air 7 mol per mol garam terlarut. Dengan demikian maka terdapat 0,35 mol NO3
-, 0,65 mol Cl-, 0,82 mol K+,0,18 mol Na+ dan 7 mol air untuk setiap mol garam yang terlarut.
Berapa komposisi larutan jenuh yang berada pada kedudukan titik j ?
Jika ditambahkan air pada larutan jenuh M hingga jumlah air total menjadi 20, apa yang terjadi dan dimana kedudukan larutan ini ?
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 19
Larutan jenuh yang mengandung 1 mol NaCl dalam air ditambahi denganlarutan jenuh yang mengandung 1 mol KNO3 dalam air pada suhu 25 oC.
Dari diagram pada Gambar 5., larutan yang terdiri dari 1 mol NaCl jenuhberada pada titik a, jadi air pada larutan tersebut ada 9 mol.
Jadi larutan yang dibuat dari kedua larutan jenuh tersebut mengandung 2 molgaram dalam ( 9 + 14,5 ) mol air. Larutan ini mengandung ion K+, Na+, Cl- , danNO3
- masing-masing 1 mol dalam ( 23,5/2 = 11,75 ) mol air.
Campuran tersebut terletak pada titik P ( X dan Ynya masing-masing = 0,5), pada larutan jenuh pada kandungan air sekitar 5,7 mol/mol garam.
Jadi, larutan yang dibuat dari dua larutan jenuh tersebut adalah larutan yang tidak jenuh.
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 20
3
3
NOClNO
Y
KNO3
KClNaCl
NaNO3
NaKK
X
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
4
4
4
5
55
6
7
8
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
14
1312
k
i
M
a b
dc
e
f
g
h
P
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 21
Jika ke dalam larutan jenuh yang mengandung 1 mol NaCl ditambahkan n mol KNO3
per mol NaCl, maka n19
w
mol KNO3 yang ditambahkan
NaCl mula-mula
w adalah jumlah mol air total pada larutan jenuhnya
Untuk penambahan KNO3 sampai 0,8 mol diperoleh kurva w berupa garis putus-putusseperti terlihat pada Gambar 7.
Jika J menyatakan jumlah air pada saat larutan jenuh, maka s yang dihitung menggunakan data kesetimbangan (Gambar 5.), menghasilkan kurva S terhadap n berupa garis penuh. Garis ini menyatakan keadaan larutan jenuh.
Kedua kurva berpotongan di titik J, yaitu pada n = 0,72 .
Pada saat tersebut S = 23,572,01
9w
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 22
n
0 9
0,1 9/(1,1) = 8,18
0,2 9/(1,2) = 7,5
0,3 9/(1,3) = 6,92
0,4 9/(1,4) = 6,43
0,5 9/(1,5) = 6
0,6 9/(1,6) = 5,63
0,7 9/(1,7) = 5,3
0,8 9/(1,8) = 5
n19
w
plot n vs w,diperolehkurva
plot terhadap ndiperoleh kurva
w dari kurva keset. n
0 9 0
0,1 8 0,111
0,2 6,8 0,25
0,3 5,7 0,43
0,4 5,25 0,67
0,5 5,6 1,0
n1n
YX
23
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
kurva n vs w .w dihitung dari data kesetimbangan(kondisi jenuh)
mol air
mol gara
m t
ota
l= w
n , jumlah KNO3 yang ditambahkan (mol)
kurva n vs w .w dihitung dari
n19
w
n = 0,72 418,072,172,0
n1n
YX
dasar perhitungan : 1 mol NaCl ( kondisi awal )
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 24
Diagram Janecke
NM
NY
BA
BX
AM + BM AN + BM
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 25
Titik pengeringan (drying-up point)
(a) (b) (c)
Pada setiap titik di area AM −AN − BN ( di atas diagonal) ad,
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 26
Contoh
Titik m pada Gambar 10. menggambarkan larutan jenuh pada suhu 50 oC,dengan X = 0,6 dan Y = 0,8. Larutan ini diuapkan secara isotermal hingga mulai mengering.
Hitung jumlah air yang diuapkan dan jumlah setiap fasa padat jika :
a. Padatan NaCl yang mula-mula terbentuk.b. Padatan NaNO3 yang mula-mula terbentuk/mengendap.
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 27
KNO3
KCl
NaNO3
NaCl 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
3
4
5
6
7
8
4
5
6
7
89
34 5
623
4
h
g
f
e
k
i
m
np
3
3
NOClNO
Y
NaKK
X
m : X = 0,6 Y = 0,8
w = 4,2
28
NH4Cl1,0
0,95
0,90
0,85
0,80
0,750 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
NaCl
NaHCO3
NH4HCO3
400
300
240
200
160
240
220
200
180
160
160
150
140
130
120
125
130
145
150
140
135
4
4
NHNaNH
3HCOClCl
Diagram Janecke untukpasangan garamNaCl – NH4HCO3 padakondisi tekanan CO2 1 atmdan suhu 15 oC.
gram air (H2O)
grek ion Cl- di larutan
contour adalah
300 gram H2O / mol NaCl
P1
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 29
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 30
25
20
15
10
ketin
ggia
n m
enar
a , m
5
0
20 30 40 50 60 70
suhu, oC
PengendapanNH4HCO3 + NaClNH4Cl + NaHCO3
air pendingin CO2
suspensiNa2HCO3
ke penyaring
larutankarbonasi
air garam jenuh NH3
dan sedikitCO2
CO2 + (NH4)2CO3
airhangat
Profil suhu di menara Solvay
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 31
KNO3
KCl
NaNO3
NaCl 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
3
4
5
6
7
8
4
5
6
7
89
34 5
623
4
h
g
f
e
k
i
NaKK
X
3
3
NOClNO
Y
Proses Industri Kimia - Kuliah 10 32
33
3
3
NOClNO
Y
KNO3
KClNaCl
NaNO3
NaKK
X
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
4
4
4
5
55
6
7
8
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
14
1312
k
i
M
a b
dc
e
f
g
h