MEKANISME REAKSI KATALISIS

Ada suatu substansi atau bahan atau zat yang bukan reaktan dan juga bukan produk, tetapi dapat dan bahkan sangat mempengaruhi kecepatan reaksinya. Substansi inilah yang dinamakan katalis (atau katalisator). Berzellius pada tahun 1835 merupakan orang (ilmuwan) yang pertama kali menggunakan istilah “katalis”.

Katalis merupakan suatu zat atau substansi yang dapat mempercepat reaksi (dan mengarahkan atau mengendalikannya), tanpa terkonsumsi oleh reaksi, namun bukannya tanpa bereaksi. Katalis bersifat mempengaruhi kecepatan reaksi, tanpa mengalami perubahan secara kimiawi pada akhir reaksi. Peristiwa / fenomena / proses yang dilakukan oleh katalis ini disebut katalisis.

Istilah negative catalyst (atau inhibitor) merujuk kepada zat yang berperan menghambat atau memperlambat berlangsungnya reaksi.

(1) Katalis berperan mempercepat reaksi (meningkatkan kecepatan/laju reaksi) (2) Katalis tidak muncul di dalam persamaan stoikiometri reaksi, karena katalis bukanlah reaktan dan juga bukan produk. Hal berlaku secara umum, kecuali pada kasus reaksi autokatalitik. Katalis muncul di dalam mekanisme reaksi, serta muncul (secara langsung maupun tidak langsung) dalam persamaan kecepatan reaksi. (3) Kuantitas atau banyaknya katalis tidak mengalami perubahan selama reaksi berlangsung. Kendatipun demikian, seiring dengan berlangsungnya proses, pada kenyataannya katalis dapat mengalami perubahan sifat-sifat kimia dan fisika secara irreversibel yang mengarah kepada terjadinya deaktivasi.

(4) Komposisi kimiawi suatu katalis tidak berubah pada akhir reaksi (4) Komposisi kimiawi suatu katalis tidak berubah pada akhir reaksi. (5) Katalis dibutuhkan oleh suatu reaksi dalam kuantitas yang sangat sedikit. Contoh: 1 gram katalis logam Pt dibutuhkan untuk reaksi penguraian 108 liter H2O2. (6) Jika lebih dari 1 (satu) reaksi berlangsung secara simultan pada saat yang bersamaan, maka pada umumnya katalis mempengaruhi arah atau selektivitas atau spesifisitas reaksi. Artinya, katalis bersifat unik (spesifik); katalis tertentu hanya mempercepat jenis reaksi tertentu.

(7) Katalis tidak mengubah atau menggeser kesetimbangan reaksi, termasuk semua sifat termodinamikanya, seperti kecenderungan keberlangsungan reaksi (berdasarkan perubahan energi bebas Gibbs reaksi, ΔG), besarnya panas reaksi (ΔH), harga tetapan kesetimbangan reaksi (K), dan konversi maksimum reaksi (Xe) yang dapat dicapai pada kondisi tertentu. Dengan atau tanpa katalis, sifat-sifat termodinamika reaksi tidak mengalami perubahan. Katalis hanya berpengaruh terhadap sifat kinetika reaksi.

(8) Katalis tidak memulai berlangsungnya suatu reaksi, tetapi mempengaruhi kecepatan reaksinya. Katalis hanya mempromosikan reaksi-reaksi yang perubahan energi bebas Gibbs (ΔG)-nya berharga negatif. Dengan kata lain, katalis tidak mampu mempercepat suatu reaksi, pada kondisi tertentu, yang secara termodinamika tidak dapat berlangsung. (9) Katalis hanya mempercepat reaksi untuk mencapai kesetimbangan

(10) Katalis mempunyai suhu operasi optimum (11) Keaktifan katalis dapat diperbesar oleh suatu zat yang disebut pemercepat katalis (promotor). Contoh: Efisiensi katalis CuO-ZnO yang digunakan untuk mengkatalisis reaksi shift conversion (CO (g) + H2O (g) ↔ CO2 (g) + H2 (g)) pada proses pembuatan pupukurea ditingkatkan melalui penambahan promotor Al2O3. (12) Pada reaksi-reaksi tertentu, terdapat salah satu produk reaksi yang dapat berfungsi sebagai katalis untuk reaksi yang bersangkutan. Zat atau produk reaksi ini disebut autokatalis, sedangkan reaksinya biasa disebut reaksi autokatalitik.

(14) Katalis yang dapat menghambat atau memperlambat kecepatan reaksi disebut katalis negatif (atau inhibitor).

Berdasarkan gambaran tersebut di atas, katalis mempunyai tiga fungsi katalitik, yakni: 1. Aktivitas (berkaitan dengan kemampuannya mempercepat reaksi), 2. Selektivitas atau spesifisitas (berkaitan dengan kemampuannya mengarahkan suatu reaksi), dan 3. Stabilitas atau lifetime (berkaitan dengan kemampuannya menahan hal- hal yang dapat mengarahkan terjadinya deaktivasi katalis).

Berdasarkan teori keadaan-transisi (atau teori kompleks aktif), katalis mampu menurunkan hambatan energi potensial (potential energy barrier) yang harus dilalui oleh reaktan-reaktan untuk membentuk produk- produk reaksi.

Katalis HOmogen Yakni jika fase katalis sama dengan fase reaktan dan fase produk reaksi (atau: fase katalis= fase reaksi). Yang paling umum berupa fase cair, dengan katalis dan reaktan berada dalam larutan. Keunggulan: aktivitas dan selektivitasnya tinggi, tidak mudah teracuni oleh keberadaan pengotor, mudah dioperasikan, mudah dimodifikasi, mudah untuk dipelajari. Kekurangan: sulit dipisahkan dari campuran reaksi, kurang stabil pada suhu tinggi. di industri, biasanya dalam pembuatan zat kimia khusus, obat-obatan, dan makanan; proses alkilasi olefin, danhidroformilasi.

Reaksi berkatalis homogen, fase gas CO (g) + ½ O2 (g) → CO2 (g) katalis: NO (g) CH3CHO (g) → CH4 (g) + CO (g) katalis: uap I2 Reaksi berkatalis homogen, fase cair C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 katalis: asam CH3COOC2H5 + H2O → CH3COOH + C2H5OH katalis: asam

Proses katalitik pada reaksi berkatalis homogen berlangsung melalui pembentukan senyawa kompleks dan penyusunan ulang antara molekul-molekul reaktan dengan ligan katalis.

Katalis heterogen Mudah dipisahkan dari campuran reaksi Tahan dan stabil terhadap suhu relatif tinggi Mudah disiapkan dalam bentuk pellet katalis padat

Penggolongan katalis berdasarkan keberadaannya

Kinetika reaksi berkatalis homogen Proses katalitik pada reaksi berkatalis homogen berlangsung melalui tahap-tahap: 1. Tahap pembentukan senyawa kompleks / intermediates (tahap koordinasi) 2. Tahap penyusunan ulang antara molekul- molekul reaktan dengan ligan katalis (tahap interaksi ligan), dan 3. Tahap eliminasi produk reaksi

Kinetika reaksi katalisis

Berdasarkan mekanisme reaksi, tahap (ii) lambat, sehingga tahap (ii) menjadi tahap penentu kecepatan reaksi: r = r tahap (ii) = rP .... (***)

Komponen-komponen katalis Katalis dibentuk dari komponen-komponen yang dapat menunjang sifat katalis yang diharapkan, seperti aktif, selektif, panjang usia (stabil terhadap gangguan fisika, kimia, termal, dan mekanik), dan murah. Khusus untuk katalis heterogen, pada kondisi tertentu dibutuhkan sifat-sifat lain seperti: konduktivitas termal yang tinggi serta kemampuan menghasilkan distribusi aliran yang merata dan pressure drop yang rendah di sepanjang unggun (bed).

Komponen katalis padat 1. Komponen (atau fasa) aktif Fungsi: aktivitas kimia, mengemban fungsi utama katalis untuk mempercepat dan mengarahkan reaksi.

2. Penyangga (support atau carrier) Fungsi: luas permukaan yang tinggi, porositas, sifat-sifat mekanik, kestabilan, aktivitas fungsional ganda, modifikasi komponen aktif. Jenis: oksida dengan melting point tinggi, tanah liat, karbon. 3. Promotor Fungsi pada komponen aktif: elektronik, morfologi, poisoning. Fungsi pada penyangga: struktural, inhibisi aktivitas, promosi aktivitas.

Seiring dengan berlangsungnya proses, katalis dapat mengalami perubahan sifat kimia dan fisika secara reversibel maupun ireversibel yang mengarah kepada terjadinya penurunan (atau kehilangan) aktivitasnya. DEAKTIVASI KATALIS

Deaktivasi reversibel bersifat sementara, sehingga katalis dapat diaktifkan kembali dan diregenerasi; sedangkan deaktivasi ireversibel bersifat permanen, sehingga harus dilakukan penggantian katalis baru. Proses deaktivasi dapat berlangsung: 􀂙 sangat cepat, seperti pada katalis-katalis perengkahan (cracking) hidrokarbon, atau 􀂙 sangat lambat, seperti pada katalis besi promoted untuk reaksi sintesis amonia, yang dapat digunakan selama beberapa tahun tanpa kehilangan aktivitas secara berarti (signifikan).