KESETIMBANGAN PADAT-CAIR ( yang menyangkut ion) Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 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 (NaHCO3) dipisajikan dari larutannya dengan cara pengendapan. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Beberapa proses pengendapan yang melibatkan dua garam anorganik, dibagi menjadi dua sistem : Sistem dua jenis garam dengan ion serupa, seperti anion Cl- pada campuran KCl dan NaCl atau kation K+ pada campuran KCl dan KNO3 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

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Dua garam dengan ion sejenis R2 R1 M W1 W2 AM AN H2O Inverse Lever Rule Garam R1 dengan berat W1 dan garam R2 seberat W2 dicampur, menghasilkan campuran M. Titik M terletak pada garis R1 dan R2 dengan : Gambar 1. diagram kompoosisi segi tiga Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Sistem garam dengan ion sejenis NaNO3 – KNO3 – H2O Pada suhu 25 oC, sistem campuran dua garam nitrat (natrium dan Kalium) di dalam air membentuk kesetimbangan seperti pada Gambar 2. B H2O A KNO3 C p n m NaNO3

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 B H2O A KNO3 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. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Garis pm menggambarkan komposisi larutan yang jenuh dengan NaNO3 tapi tanpa KNO3, sedangkan garis pn menunjukkan komposisi larutan jenuh dengan KNO3. B H2O A KNO3 C p n m

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Area Bnmp adalah daerah satu fasa larutan tak jenuh (homogen), B H2O A KNO3 C p n m sedangkan area mpC adalah daerah dua fasa, yang terdiri dari padatan NaNO3 dan larutan yang jenuh dengan garam ini. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Masing-masing sistem larutan garam memiliki paling sedikitnya satu titik pengeringan (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 mengering di titik n. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 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. Hitung jumlah air yang menguap pada saat larutan jenuh. Proses pengeringan diamati dengan cara menarik garis dari titik 1 ke titik H2O. 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. Dari Gambar 3., larutan di atas akan jenuh pada garis np , sehingga menurut aturan tangan timbangan (inverse lever rule), jumlah air yang menguap adalah : air yang menguap larutan awal kg air sisa di pdtan basah Atau dihitung dengan neraca massa : 70 = W + air di campuran awal air yang menguap Proses Industri Kimia - Kuliah 10

B H2O A KNO3 C NaNO3 p n m 1 2 3 Gambar 3. Sistem larutan dua garam senama dalam air

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 70 = W + , W = 16,67 kg . Jika larutan jenuh tersebut diuapkan hingga melewati keadaan jenuh KNO3, maka kedudukan larutan akan mencapai titik 3. Berat larutan 3 tersebut adalah : larutan 3 larutan awal kg Larutan di titik 3 adalah larutan yang lewat jenuh dan akan terpisah menjadi endapan KNO3 dan larutan jenuh p Berat kristal KNO3 yang mengendap adalah : kristal KNO3 larutan 3 kg Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Analisa aturan fasa C = N – R - S Gambar 3. memaparkan kesetimbangan KNO3 – NaNO3 – H2O pada tekanan 1 atm, tanpa kehadiran fasa gas. Diagram ini menggambarkan kondisi larutan dua garam dalam air di wadah yang terbuka. Jumlah komponen dalam sistem ini dapat dihitung dengan berbagai cara, tergantung pada kondisi awal yang dipilih. Pada setiap keadaan, jumlah komponen di dalam sistem adalah 3, yang ditunjukkan oleh : 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. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 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- , dan KNO3  K+ + NO3- , jadi R = 2 S = 1, karena ion negatif dan positif terdapat dalam jumlah yang sama. Dengan demikian maka C = 3. Varian ( variabel yang diperlukan) Jika suhu dan tekanan total sistem tetap, maka jumlah varian : V = C - P Di setiap titik dalam area Bmpn adalah larutan yang tak jenuh, sehingga merupakan fasa yang homogen. Dengan demikian maka di area tersebut, V = 3 – 1 = 2. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Kesetimbangan yang kompleks : e d c b Na2SO4.10 H2O a Darapskite NaNO3.Na2SO4.H2O Na2SO4 NaNO3 Gambar 4. Sistem NaNO3 – Na2SO4 – H2O pada 25 oC ( dlm persen berat) Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Kesetimbangan 2 garam dengan ion-ion tak senama Contoh : dua garam KCl dan NaNO3 terdekomposisi melalui reaksi KCl + NaNO3  NaCl + KNO3 Pada dekomposisi ini, terbentuk pasangan garam NaCl dan KNO3. Ke empat garam tersebut berada pada kesetimbangan yang digambarkan pada 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. Semua larutan yang berada pada daerah afjke berada pada kesetimbangan dengan garam/padatan NaCl, demikian pula larutan yang berada pada area lain, adalah larutan yang setimbang dengan garam yang berada pada sudut area tersebut. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

k i M a b d c e f g h KNO3 NaNO3 KCl NaCl Gambar 5. Kesetimbangan 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 4 5 6 7 8 9 10 11 14 13 12 k i M a b d c e f g h Gambar 5. Kesetimbangan dua garam dengan ion yang berbeda.

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 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

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Larutan jenuh yang mengandung 1 mol NaCl dalam air ditambahi dengan larutan jenuh yang mengandung 1 mol KNO3 dalam air pada suhu 25 oC. Dari diagram pada Gambar 5., larutan yang terdiri dari 1 mol NaCl jenuh berada pada titik a, jadi air pada larutan tersebut ada 9 mol. Jadi larutan yang dibuat dari kedua larutan jenuh tersebut mengandung 2 mol garam dalam ( 9 + 14,5 ) mol air. Larutan ini mengandung ion K+, Na+, Cl- , dan NO3- 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

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 KNO3 KCl NaCl NaNO3 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 4 5 6 7 8 9 10 11 14 13 12 k i M a b d c e f g h P Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Jika ke dalam larutan jenuh yang mengandung 1 mol NaCl ditambahkan n mol KNO3 per mol NaCl, maka 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-putus seperti 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 = Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 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 w dari kurva keset. n 9 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 plot terhadap n diperoleh kurva plot n vs w, diperoleh kurva Proses Industri Kimia - Kuliah 10

n , jumlah KNO3 yang ditambahkan (mol) dasar perhitungan : 1 mol NaCl ( kondisi awal ) kurva n vs w . w dihitung dari data kesetimbangan (kondisi jenuh) mol garam total mol air = w kurva n vs w . w dihitung dari n = 0,72 n , jumlah KNO3 yang ditambahkan (mol)

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Diagram Janecke AM + BM  AN + BM Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Titik pengeringan (drying-up point) (c) (a) (b) Pada setiap titik di area AM −AN − BN ( di atas diagonal) ad, Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 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 : Padatan NaCl yang mula-mula terbentuk. Padatan NaNO3 yang mula-mula terbentuk/mengendap. Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 KNO3 KCl NaNO3 NaCl 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 3 4 5 6 7 8 9 2 h g f e k i m m : X = 0,6 Y = 0,8 n p w = 4,2 Proses Industri Kimia - Kuliah 10

NH4Cl NaCl NaHCO3 NH4HCO3 Diagram Janecke untuk pasangan garam 1,0 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,2 0,4 0,6 0,8 NaCl NaHCO3 NH4HCO3 400 300 240 200 160 220 180 150 140 130 120 125 145 135 Diagram Janecke untuk pasangan garam NaCl – NH4HCO3 pada kondisi tekanan CO2 1 atm dan suhu 15 oC. P1 contour adalah gram air (H2O) grek ion Cl- di larutan 300 gram H2O / mol NaCl

Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 Profil suhu di menara Solvay CO2 + (NH4)2CO3 25 20 15 10 ketinggian menara , m 5 20 30 40 50 60 70 suhu, oC larutan karbonasi air hangat Pengendapan NH4HCO3 + NaCl NH4Cl + NaHCO3 air garam jenuh NH3 dan sedikit CO2 suspensi Na2HCO3 ke penyaring CO2 air pendingin Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 KNO3 KCl NaNO3 NaCl 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 3 4 5 6 7 8 9 2 h g f e k i Proses Industri Kimia - Kuliah 10

Proses Industri Kimia - Kuliah 10

k i M a b d c e f g h KNO3 KCl NaCl NaNO3 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 4 5 6 7 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 4 5 6 7 8 9 10 11 14 13 12 k i M a b d c e f g h