Pembuatan Senyawa Kimia Skala Lab dan Industri

Artikel ini disusun untuk keperluan pembelajaran Kimia SMA dan persiapan OSN Kimia. Konten mencakup prinsip dasar reaksi, pertimbangan termodinamika dan kinetika, serta aspek keselamatan laboratorium dalam proses sintesis senyawa H2SO4, NH3, Na2CO3, Cl2, NaOH, dan HNO3.

Daftar Isi

1. Asam Sulfat (H₂SO₄) Proses Kontak
2. Amonia (NH₃) Proses Haber-Bosch
3. Natrium Karbonat (Na₂CO₃) Proses Solvay
4. Klorin (Cl₂) & NaOH Proses Klor-Alkali
5. Asam Nitrat (HNO₃) Proses Ostwald

H₂SO₄

Asam Sulfat

dihydrogen sulfate • asam mineral terpenting secara industri

Asam sulfat adalah senyawa kimia dengan produksi terbesar di dunia (lebih dari 250 juta ton per tahun). Sifatnya sebagai asam kuat diprotik, oksidator kuat, dan agen pendehidrasi membuatnya krusial di industri pupuk (pembuatan superfosfat dan amonium sulfat), petrokimia, baterai, pemrosesan logam, dan sintesis berbagai senyawa organik.

Skala Laboratorium

Pembuatan H₂SO₄ di Laboratorium

Dasar Teori Di laboratorium, H₂SO₄ encer dapat dibuat dari reaksi langsung SO₃ dengan air, atau secara tidak langsung melalui oksidasi bertahap belerang. Namun yang paling sering dipraktikkan adalah pengenceran H₂SO₄ pekat dan reaksi asam-basa untuk menghasilkan garam sulfat. Pembuatan "dari nol" di lab umumnya dimulai dari oksidasi S menjadi SO₂, kemudian SO₃, lalu absorpsi ke air.

Reaksi bertahap

S(s) + O₂(g) → SO₂(g)   pembakaran belerang

2 SO₂(g) + O₂(g) → 2 SO₃(g)   oksidasi katalitik

SO₃(g) + H₂O(l) → H₂SO₄(l)   ΔH = -130 kJ/mol

1. Pembakaran belerang murni. Sejumlah kecil belerang (S) dibakar di dalam labu berbottom round dalam kondisi terbuka dengan aliran oksigen murni yang dikontrol. Oksigen berlebih diperlukan agar reaksi berjalan tuntas dan konsentrasi SO₂ yang terbentuk cukup tinggi untuk tahap berikutnya. Pembakaran sempurna menghasilkan SO₂ bukan S₂O atau produk lain.
2. Oksidasi SO₂ menjadi SO₃ dengan katalis V₂O₅. Gas SO₂ dialirkan melalui tabung berisi vanadium(V) oksida pada suhu 450–550°C. Reaksi SO₂ + O₂ secara langsung sangat lambat tanpa katalis. V₂O₅ bekerja melalui mekanisme oksidasi-reduksi siklik: V⁵⁺ mengoksidasi SO₂ menjadi SO₃ sambil tereduksi menjadi V⁴⁺, lalu V⁴⁺ dioksidasi kembali oleh O₂ dari udara. Ini adalah contoh katalisis heterogen.
3. Absorpsi SO₃ ke dalam H₂SO₄ pekat (oleum), bukan langsung ke air. Gas SO₃ dialirkan ke dalam labu berisi H₂SO₄ 98% untuk membentuk oleum (H₂S₂O₇). Penyerapan SO₃ langsung ke air sangat eksotermis dan menghasilkan kabut asam yang tidak bisa diserap secara efisien. Oleum (asam pirofosfat belerang) lebih mudah dikontrol dan memiliki efisiensi absorpsi mendekati 100%.
4. Pengenceran oleum secara hati-hati dengan menambahkan air ke oleum. Air ditambahkan sedikit demi sedikit ke oleum sambil diaduk dan didinginkan dalam rendaman es. Aturan keselamatan: selalu tambahkan asam ke air, bukan air ke asam. Reaksi hidrasi SO₃ sangat eksotermis; jika air ditambahkan ke H₂SO₄ pekat, panas lokal dapat menyebabkan percikan asam yang berbahaya.
5. Karakterisasi konsentrasi dengan titrasi asam-basa dan pengukuran densitas. Konsentrasi H₂SO₄ berkorelasi linier dengan densitas larutannya, sehingga pengukuran densitas dengan piknometer atau hidrometer memberikan cara cepat menentukan kemurnian.

Perhatian Keselamatan H₂SO₄ pekat bersifat korosif kuat dan pendehidrasi jaringan. Selalu gunakan sarung tangan nitril tebal, kacamata pelindung, dan jas lab. Lakukan di lemari asam. Uap SO₂ dan SO₃ beracun.

Skala Industri

Proses Kontak (Contact Process)

Dasar Teori dan Prinsip Kesetimbangan Proses Kontak dikembangkan pada akhir abad ke-19 dan memanfaatkan prinsip Le Chatelier secara sistematis. Reaksi inti (SO₂ + O₂ → SO₃) bersifat eksoterm (ΔH = -98 kJ/mol) dan melibatkan pengurangan mol gas (3 mol → 2 mol). Berdasarkan Le Chatelier: suhu rendah dan tekanan tinggi mendorong kesetimbangan ke kanan. Namun suhu terlalu rendah membuat laju reaksi tidak ekonomis, sehingga dipilih suhu optimal 450–550°C sebagai kompromi antara laju dan yield.

1. Produksi SO₂: pembakaran belerang atau pemanggangan mineral sulfida.

   • Belerang cair disemprotkan ke ruang pembakaran dengan udara kering:
     S + O₂ → SO₂
   • Alternatif: pemanggangan pirit (besi sulfida) di roaster fluidized-bed:
     4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂

   Pembakaran belerang murni menghasilkan gas yang lebih bersih (tanpa arsenik atau fluor) sehingga tidak meracuni katalis. Pirit dipakai bila belerang tersedia dari industri metalurgi setempat sebagai produk sampingan.
2. Pemurnian gas SO₂: penghilangan debu, uap air, dan kontaminan. Gas dilewatkan melalui siklon separator, electrostatic precipitator, dan scrubber asam untuk menghilangkan partikel, arsenik (As₂O₃), dan uap asam yang dapat meracuni katalis. Kontaminan As, F, dan partikel halus dapat mengendap di permukaan aktif V₂O₅ dan menurunkan aktivitas katalis secara permanen (catalyst poisoning). Gas harus sekering mungkin karena uap air bereaksi dengan SO₃ membentuk kabut asam yang sulit ditangani.
3. Konversi katalitik SO₂ menjadi SO₃ dalam konverter multi-bed. Gas SO₂ (7–10%) bercampur udara dialirkan melalui 4–5 lapisan katalis V₂O₅/K₂SO₄ di atas silika pada suhu masuk ~420°C. Gas didinginkan antarlapis untuk menggeser kesetimbangan. Konverter multi-bed dengan pendinginan antarlapis (intermediate heat exchange) mempertahankan suhu dalam rentang optimal. Setiap lapisan mengkonversi sebagian SO₂ sehingga konversi total mencapai 99,5%. Suhu masuk pertama sedikit lebih tinggi agar katalis aktif, sedangkan lapisan terakhir bersuhu lebih rendah untuk mendorong kesetimbangan ke produk.
4. Absorpsi ganda (double absorption) di menara oleum. Gas keluar lapisan katalis ke-3 diabsorpsi dahulu di menara asam (intermediate absorption), lalu sisa SO₂ kembali ke katalis lapisan 4–5, dan gas akhir diabsorpsi di menara kedua. Sistem double absorption meningkatkan konversi keseluruhan dari ~98% (single absorption) menjadi 99,7–99,8%. Ini penting secara ekonomi dan lingkungan: setiap persen SO₂ yang lolos adalah kerugian bahan baku sekaligus polutan udara (hujan asam).
5. Pengenceran oleum menjadi H₂SO₄ berbagai konsentrasi dan pengemasan. Oleum dicampur dengan air terdeionisasi dalam mixer berlapis keramik asid-resisten untuk menghasilkan H₂SO₄ 98%, 93%, atau 70% sesuai kebutuhan pasar. Berbagai industri hilir membutuhkan konsentrasi berbeda: industri baterai (37%), industri petrokimia (98%), industri pupuk (93%). Dilusi bertahap dengan kontrol panas memastikan keamanan proses.

Parameter	Kondisi Optimal	Alasan Pemilihan
Suhu katalis	450–550°C	Kompromi laju reaksi vs. kesetimbangan; suhu >600°C geser kesetimbangan ke kiri
Tekanan	1–2 atm	Tekanan lebih tinggi secara teori menguntungkan, namun biaya kompresor tidak sepadan dengan peningkatan yield; katalis V2O5 sudah efisien pada tekanan atmosfer
Katalis	V2O5 + K2SO4	Promotor K2SO4 menurunkan suhu aktivasi dan memperpanjang umur katalis
Konsentrasi SO2 umpan	7–10%	Di bawah 7%: terlalu encer, tidak ekonomis. Di atas 10%: panas reaksi sulit dikontrol, risiko overheating katalis

NH₃

Amonia

azane • bahan baku pupuk nitrogen terpenting

Amonia adalah salah satu senyawa kimia yang paling banyak diproduksi secara industri global (lebih dari 175 juta ton per tahun), terutama sebagai bahan baku pupuk urea [(NH₂)₂CO], ammonium nitrat, dan ammonium sulfat. Kemampuannya mengikat ion H⁺ menjadikannya basa Bronsted-Lowry yang penting dalam berbagai proses kimia. Sintesis amonia dari N₂ dan H₂ adalah tonggak kimia industri modern.

Skala Laboratorium

Pembuatan NH₃ di Laboratorium

Dasar Teori Di laboratorium, NH₃ paling mudah dihasilkan dari reaksi garam amonium dengan basa kuat. Prinsipnya adalah reaksi desplacement (pengusiran): basa kuat seperti Ca(OH)₂ atau NaOH menggeser NH₄⁺ dari garamnya karena OH^- memiliki afinitas proton lebih besar daripada NH₃. Reaksi dipercepat dengan pemanasan karena NH₃ adalah gas yang volatilitas-nya meningkat dengan suhu.

Metode lab utama

2 NH₄Cl(s) + Ca(OH)₂(s) ⟶ CaCl₂(aq) + 2 NH₃(g) + 2 H₂O(g)

Pemanasan 80–100°C • gas ditangkap dengan pengumpul gas terbalik atau larutan indikator

1. Persiapan campuran padat NH₄Cl dan Ca(OH)₂ dengan perbandingan mol 2:1. Kedua padatan digerus halus dan dicampur merata di dalam labu destilasi kering. Penggerusan memperluas luas permukaan kontak antara dua reaktan padat, mempercepat laju reaksi heterogen. Campuran harus benar-benar kering karena kelembaban akan melarutkan NH₄Cl dan mengubah mekanisme reaksi.
2. Pemanasan perlahan menggunakan api kecil atau penangas air. Labu dipanaskan dari bawah dengan nyala kecil; gas yang keluar dialirkan melalui pipa ke tabung pengering (CaO atau NaOH padat). Pemanasan perlahan mencegah bumping dan ejeksi partikel padat ke dalam pipa gas. CaO dipilih sebagai agen pengering karena tidak bereaksi dengan NH₃, berbeda dengan CaCl₂ yang membentuk kompleks NH₃·CaCl₂.
3. Pengeringan gas NH₃ melewati padatan CaO atau NaOH. NH₃ yang dihasilkan membawa uap air. CaO mengikat H₂O membentuk Ca(OH)₂ tanpa bereaksi dengan NH₃. Silika gel tidak dapat digunakan karena bersifat asam dan akan bereaksi dengan NH₃ basa.
4. Pengumpulan gas NH₃ dengan metode downward displacement of air. Labu penampung dibalik (mulut labu menghadap bawah) karena NH₃ lebih ringan dari udara (densitas relatif = 0,597). Pengumpulan ke atas (upward displacement) menggunakan gas berat seperti CO₂. Karena NH₃ lebih ringan dari udara, ia naik ke atas sehingga labu pengumpul harus terbalik. Kertas lakmus merah basah dapat digunakan sebagai indikator: berubah biru menandakan NH₃ terkumpul.
5. Pengujian kemurnian dengan uji lakmus atau uji Nessler. Uji Nessler (larutan K₂[HgI₄] dalam KOH) sangat sensitif terhadap ion NH₄⁺: terbentuk endapan coklat merah bila ada NH₃/amonia. Ini memungkinkan deteksi konsentrasi NH₃ sangat kecil sekalipun.

Skala Industri

Proses Haber-Bosch

Dasar Teori: Dilema Le Chatelier dan Kinetika Reaksi N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) memiliki ΔH = -92 kJ/mol (eksoterm) dan Δn_gas = -2 (pengurangan mol). Menurut Le Chatelier: (1) suhu rendah mendorong kesetimbangan ke kanan namun laju sangat lambat; (2) tekanan tinggi mendorong ke kanan karena menghasilkan mol gas lebih sedikit. Fritz Haber (1909) menemukan bahwa besi terpromosikan (Fe dengan promotor Al₂O₃ dan K₂O) memungkinkan reaksi berjalan cukup cepat pada 400–500°C sehingga yield ekonomis tercapai meski tidak setinggi suhu sangat rendah.

Reaksi sintesis Haber-Bosch

N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g)   ΔH = -92 kJ/mol

• Katalis: Fe₃O₄ tereduksi + Al₂O₃ + K₂O • T = 400–500°C • P = 150–300 atm

1. Produksi gas nitrogen (N₂) dari udara melalui distilasi fraksional udara cair. Udara dikompresi, didinginkan bertahap, dan dicairkan. N₂ (titik didih -196°C) menguap lebih dulu dibanding O₂ (-183°C) sehingga dapat dipisahkan. Atmosfer bumi terdiri dari 78% N₂, sehingga ini adalah sumber paling murah dan berlimpah. Kemurnian N₂ harus tinggi karena pengotor O₂ akan mengoksidasi katalis besi.
2. Produksi gas hidrogen (H₂) melalui steam reforming gas alam.

   • Reforming primer: CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂  (katalis Ni, 800°C)
   • Water-gas shift: CO + H₂O → CO₂ + H₂
   • Penghilangan CO₂ dengan absorpsi oleh larutan K₂CO₃

   Steam reforming adalah sumber H₂ paling ekonomis saat ini. CO harus dihilangkan dengan reaksi shift karena CO adalah racun bagi katalis besi pada konsentrasi serendah 1 ppm.
3. Pencampuran N₂ dan H₂ dengan rasio mol 1:3 (stoikiometri). Rasio stoikiometri memaksimalkan konversi keduanya. Kelebihan salah satu reaktan meningkatkan biaya pemisahan dan mengurangi efisiensi keseluruhan. Pada kondisi tekanan tinggi, penyimpangan dari stoikiometri akan menurunkan yield secara signifikan.
4. Kompresi campuran gas hingga 150–300 atm menggunakan kompresor sentrifugal bertingkat. Tekanan tinggi menggeser kesetimbangan ke arah produk (Le Chatelier: mol gas berkurang dari 4 menjadi 2). Konversi NH₃ meningkat dari ~15% (1 atm) menjadi ~25–35% (200 atm) pada suhu yang sama. Tekanan di atas 300 atm memberikan peningkatan yield yang marginal namun biaya rekayasa dan risiko keselamatan meningkat drastis.
5. Reaksi dalam reaktor katalitik (converter) pada suhu 400–500°C. Gas bertekanan tinggi melewati beberapa lapisan katalis besi dengan pendinginan antarlapis. Konversi per lintasan hanya ~15–25%. Meski suhu optimal termodinamika (kesetimbangan) adalah serendah mungkin, suhu terlalu rendah membuat laju reaksi tidak ekonomis. Suhu 400–500°C merupakan titik optimal di mana katalis aktif dan konversi per siklus cukup untuk operasi ekonomis. Ini adalah contoh klasik trade-off kinetika vs. termodinamika.
6. Pendinginan dan pencairan NH₃ dari campuran gas keluar reaktor. Gas campuran didinginkan di kondenser. NH₃ mencair (titik didih -33°C) dan dipisahkan dari N₂ dan H₂ yang tidak bereaksi. Perbedaan titik didih yang besar antara NH₃ (-33°C) dan N₂+H₂ (keduanya jauh di bawah -150°C) memudahkan pemisahan dengan pendinginan sederhana. NH₃ cair yang terkumpul adalah produk akhir siap distribusi atau proses lebih lanjut.
7. Resirkulasi gas N₂ dan H₂ yang tidak bereaksi kembali ke reaktor. Meski konversi per siklus hanya ~15–25%, resirkulasi memastikan konversi keseluruhan mendekati 97–98%. Tanpa resirkulasi, biaya bahan baku N₂ dan H₂ akan membuat proses tidak ekonomis sama sekali.

Parameter	Nilai	Justifikasi
Tekanan	150–300 atm	Meningkatkan yield; di atas 300 atm biaya material dan safety terlalu tinggi
Suhu	400–500°C	Kompromi laju (kinetika) vs. pergeseran kesetimbangan (termodinamika)
Katalis	Fe3O4 tereduksi	Promotor Al2O3 mencegah sintering, K2O meningkatkan aktivitas elektronis
Rasio N2:H2	1:3 (mol)	Stoikiometri reaksi untuk memaksimalkan konversi kedua reaktan

Na₂CO₃

Natrium Karbonat (Soda Abu)

disodium carbonate • soda ash • bahan baku kaca, kertas, detergen

Na₂CO₃ (soda abu) adalah basa lemah berupa padatan putih yang digunakan secara luas dalam industri kaca (menyediakan Na₂O), industri kertas dan pulp, detergen, pengolahan air, serta sebagai reagen analitik. Produksinya terutama melalui Proses Solvay yang dikembangkan Ernest Solvay pada 1863, menggantikan Proses Leblanc yang lebih tua dan lebih kotor.

Skala Laboratorium

Pembuatan Na₂CO₃ di Laboratorium

Dasar Teori Di laboratorium, Na₂CO₃ dapat diperoleh dari beberapa rute: (1) kalsinasi NaHCO₃ (dekomposisi termal bikarbonat); (2) reaksi CO₂ berlebih dengan NaOH menghasilkan NaHCO₃, diikuti kalsinasi; (3) elektrodeposisi menggunakan elektrolisis larutan garam NaCl sajenuh. Metode termudah dan paling umum digunakan di laboratorium sekolah adalah kalsinasi NaHCO₃.

Dekomposisi termal bikarbonat

2 NaHCO₃(s) ⟶ Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g)

• Pemanasan 50–100°C • Reaksi endoterm • ΔH = +128 kJ/mol

1. Timbang NaHCO₃ (baking soda) murni secukupnya ke dalam cawan penguap porselen. Cawan porselen dipilih karena tahan suhu tinggi dan tidak bereaksi dengan karbonat. Massa awal dicatat untuk menghitung persentase dekomposisi dari selisih massa sebelum dan sesudah kalsinasi.
2. Panaskan cawan di atas nyala api bunsen atau di dalam oven pada suhu 200–300°C selama 30 menit. Dekomposisi NaHCO₃ dimulai pada ~50°C namun berjalan lambat. Suhu 200–300°C memastikan reaksi berlangsung sampai tuntas dalam waktu yang wajar. Pemanasan harus merata; penggunaan oven lebih baik daripada api langsung untuk menghindari panas berlebih setempat yang dapat melelehkan produk.
3. Dinginkan cawan dalam desikator sampai suhu kamar, lalu timbang kembali. Desikator berisi silika gel mencegah produk Na₂CO₃ menyerap uap air dari udara selama proses pendinginan. Na₂CO₃ bersifat higroskopis dan dapat membentuk Na₂CO₃·10H₂O (washing soda) bila dibiarkan di udara lembab, sehingga akan mengacaukan penimbangan.
4. Uji kemurnian produk dengan larutan HCl encer (uji efervesen) dan indikator fenolftalein. Na₂CO₃ bereaksi dengan HCl menghasilkan gelembung CO₂ yang dapat diamati. Indikator fenolftalein berubah merah-muda dalam larutan Na₂CO₃ (basa lemah, pH ~11,6), mengkonfirmasi sifat basa karbonat. Bila NaHCO₃ belum terdekomposisi sempurna, perubahan warna fenolftalein akan berbeda karena pH lebih rendah.

Skala Industri

Proses Solvay (Proses Amonia-Soda)

Dasar Teori: Kelarutan Selektif dan Daur Ulang Amonia Proses Solvay memanfaatkan perbedaan kelarutan garam karbonat di air asin jenuh amonia. Prinsip kuncinya: NaHCO₃ adalah garam dengan kelarutan terendah di antara campuran (NH₄HCO₃, NaCl, NaHCO₃, NH₄Cl) pada suhu rendah, sehingga mengendap secara selektif. Ini kemudian dikalsinasi menjadi Na₂CO₃. Keunggulan proses ini adalah daur ulang amonia: NH₃ dipulihkan dari NH₄Cl menggunakan Ca(OH)₂ dan dipakai kembali, sehingga hanya NaCl dan CaCO₃ yang diperlukan sebagai bahan baku utama.

Tahap-tahap reaksi kunci

NaCl(aq) + NH₃(g) + CO₂(g) + H₂O(l) → NaHCO₃(s)↓ + NH₄Cl(aq)

2 NaHCO₃(s) ⟶ Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g)  kalsinasi

2 NH₄Cl(aq) + Ca(OH)₂(aq) → CaCl₂(aq) + 2 NH₃(g) + 2 H₂O(l)  daur ulang NH₃

CaCO₃(s) ⟶ CaO(s) + CO₂(g)  sumber CO₂ dan Ca(OH)₂

1. Pembuatan larutan NaCl jenuh (brine) dan pembersihan dari Ca²⁺ dan Mg²⁺. Air garam dari tambang garam atau tambang bawah tanah dimurnikan dengan menambahkan sedikit Na₂CO₃ dan NaOH untuk mengendapkan CaCO₃ dan Mg(OH)₂. Ion Ca²⁺ dan Mg²⁺ akan mengendap sebagai karbonat atau sulfit di dalam menara karbonasi dan menyumbat pipa. Pemurnian brine di awal adalah kunci keandalan operasional jangka panjang.
2. Saturasi brine dengan amonia (NH₃) di menara absorpsi amonia. Gas NH₃ dialirkan dari bawah menara, larutan brine mengalir dari atas. Suhu dijaga rendah (<30°C) untuk memaksimalkan kelarutan NH₃. NH₃ sangat larut di air (700 L/L air pada 20°C). Saturasi amonia meningkatkan kapasitas larutan untuk mengabsorpsi CO₂ dan membantu mengendapkan NaHCO₃ secara selektif karena ion NH₄⁺ memiliki jari-jari ionik lebih besar dari Na⁺ sehingga garam karbonatnya lebih larut.
3. Karbonasi: saturasi brine-amonia dengan CO₂ bertekanan di menara karbonasi. Gas CO₂ dari tungku kalsinasi batu kapur dialirkan masuk di bawah menara bertingkat. Suhu dikontrol sekitar 15–20°C menggunakan pendingin antarlempeng. Pada suhu rendah, NaHCO₃ yang terbentuk memiliki kelarutan lebih rendah (kelarutan NaHCO₃ turun dari 16 g/100 mL pada 60°C menjadi 6,9 g/100 mL pada 0°C), sehingga lebih mudah mengendap. Pendinginan di menara karbonasi adalah salah satu kunci selektivitas proses Solvay.
4. Filtrasi endapan NaHCO₃ dari larutan induk (NH₄Cl). Slurry difiltrasi menggunakan filter putar vakum atau filter bertekanan. NaHCO₃ yang diperoleh masih mengandung sekitar 15–20% NH₄Cl sebagai pengotor. Pencucian dengan air dingin diperlukan namun harus minimal agar tidak melarutkan kembali produk.
5. Kalsinasi NaHCO₃ dalam drum rotary kiln pada suhu 170–200°C. Suhu 170–200°C cukup untuk mendekomposisi NaHCO₃ menjadi Na₂CO₃ tanpa melebur produk (titik leleh Na₂CO₃ = 851°C). CO₂ yang dilepas dalam tahap ini dikumpulkan dan dikembalikan ke menara karbonasi (step 3), sehingga tidak ada pemborosan CO₂.
6. Pemulihan amonia dari larutan NH₄Cl menggunakan Ca(OH)₂ (susu kapur). Larutan NH₄Cl dipanaskan bersama Ca(OH)₂ dalam kolom still untuk membebaskan NH₃ yang dikembalikan ke menara absorpsi amonia (step 2). Ini adalah jantung efisiensi Proses Solvay. Amonia merupakan bahan yang mahal; daur ulang hampir total (efisiensi >95%) membuat proses ini jauh lebih ekonomis dari proses Leblanc sebelumnya. Ca(OH)₂ dipilih karena Ka basa Ca(OH)₂ cukup kuat untuk membebaskan NH₃ dari NH₄Cl.

Input Bahan Baku

NaCl (brine), CaCO₃ (batu kapur)
NH₃ awal (setelahnya di-recycle)
Air dan bahan bakar untuk kiln

Produk dan Limbah

Produk utama: Na₂CO₃ (soda ash)
Produk samping: CaCl₂ (limbah cair, nilai ekonomi rendah)
Kelemahan: CaCl₂ berlebih sulit dibuang

Cl₂ & NaOH

Klorin dan Natrium Hidroksida

chlorine gas • caustic soda • dihasilkan bersama dalam proses klor-alkali

Cl₂ dan NaOH adalah pasangan produk yang tidak dapat dipisahkan dalam proses industri modern: keduanya dihasilkan sekaligus dari elektrolisis larutan NaCl. Klorin (gas kuning-kehijauan) digunakan untuk disinfeksi air minum, pembuatan PVC, pelarut terklorinasi, dan bahan baku industri organik. NaOH (soda kaustik) adalah basa industri paling penting untuk pembuatan kertas, tekstil, sabun, pengolahan aluminium, dan berbagai proses kimia lainnya.

Skala Laboratorium

Pembuatan Cl₂ di Laboratorium

Dasar Teori Klorin dapat diproduksi di laboratorium melalui oksidasi ion Cl^- menggunakan oksidator kuat. Metode paling umum: reaksi HCl pekat dengan MnO₂ atau KMnO₄. MnO₂ berfungsi sebagai oksidator (Mn⁴⁺ → Mn²⁺) yang mengoksidasi Cl^- menjadi Cl₂ (Cl^- → Cl₂). Ini adalah reaksi redoks di mana HCl berperan ganda: sebagai asam (menyediakan H⁺) sekaligus sumber ion Cl^- yang dioksidasi.

Reaksi utama lab

MnO₂(s) + 4 HCl(aq) ⟶ MnCl₂(aq) + Cl₂(g) + 2 H₂O(l)

• Pemanasan ringan • MnO₂: oksidator • HCl harus pekat (37%)

2 KMnO₄(aq) + 16 HCl(aq) → 2 KCl + 2 MnCl₂ + 5 Cl₂(g) + 8 H₂O

• Tanpa pemanasan • KMnO₄ oksidator lebih kuat (Mn: +7 → +2)

1. Masukkan MnO₂ padat ke dalam labu destilasi, tambahkan HCl pekat perlahan. Perbandingan: 1 mol MnO₂ dengan 4 mol HCl (sedikit berlebih). HCl pekat diperlukan karena ion Cl^- harus berada dalam konsentrasi sangat tinggi agar reaksi oksidasi berjalan (potensial standar reduksi Cl₂/Cl^- = +1,36 V vs. MnO₂/Mn²⁺ = +1,23 V; selisihnya kecil sehingga konsentrasi tinggi penting untuk menggeser kesetimbangan ke arah Cl₂).
2. Panaskan labu perlahan di atas waterbath atau pemanas listrik, sambil gas Cl₂ dialirkan melalui pipa ke larutan NaOH (sebagai scrubber). Pemanasan mempercepat reaksi dan meningkatkan tekanan parsial Cl₂ sehingga laju pengeluaran gas lebih stabil. Scrubber NaOH di ujung mengabsorpsi Cl₂ berlebih: Cl₂ + 2 NaOH → NaCl + NaOCl + H₂O, mencegah polusi udara ruang kerja.
3. Gas Cl₂ dikeringkan dengan melewatkannya melalui H₂SO₄ pekat. Cl₂ dari laboratorium membawa uap HCl dan uap air. H₂SO₄ pekat menyerap air dan HCl tanpa bereaksi dengan Cl₂. Ini penting bila Cl₂ digunakan untuk klorinasi senyawa organik yang sensitif air.
4. Kumpulkan Cl₂ dengan metode displacement udara (downward displacement karena Cl₂ lebih berat dari udara, densitas relatif = 2,5). Gas Cl₂ lebih berat dari udara sehingga terkumpul di bagian bawah wadah pengumpul. Tutup labu pengumpul menghadap ke atas. Kertas KI-amilum (biru jika ada Cl₂) digunakan sebagai indikator kelengkapan pengisian.

Peringatan Keselamatan Kritis Cl₂ adalah gas beracun dengan ambang bahaya (IDLH) hanya 10 ppm. Pada Perang Dunia I, digunakan sebagai senjata kimia. Selalu kerjakan di lemari asam dengan scrubber NaOH aktif. Tidak ada antidot spesifik; paparan memerlukan penanganan medis segera.

Skala Laboratorium

Pembuatan NaOH di Laboratorium

Dasar Teori Di laboratorium, NaOH dapat dibuat melalui: (1) reaksi Na₂CO₃ dengan Ca(OH)₂ (proses kaustisasi), atau (2) elektrolisis larutan NaCl (skala kecil dengan sel elektrolitik sederhana). Kaustisasi memanfaatkan kelarutan diferensial: Ca²⁺ mengendap sebagai CaCO₃ (larut rendah) sementara NaOH tetap dalam larutan.

Kaustisasi (metode lab umum)

Na₂CO₃(aq) + Ca(OH)₂(aq) → 2 NaOH(aq) + CaCO₃(s)↓

• Suhu 80–90°C • Ksp CaCO₃ = 3,3 × 10^-9 • Reaksi bergerak ke kanan secara spontan

1. Larutkan Na₂CO₃ dalam air panas, tambahkan Ca(OH)₂ (kapur sirih) berlebih sedikit sambil diaduk. Suhu tinggi meningkatkan laju reaksi. Kelebihan sedikit Ca(OH)₂ memastikan Na₂CO₃ bereaksi sempurna; kelebihan Ca(OH)₂ tidak mengganggu karena akan ikut tersaring bersama CaCO₃.
2. Saring endapan CaCO₃ panas menggunakan kertas saring atau filter Buchner vakum. Filtrasi panas lebih efisien karena viskositas larutan lebih rendah. Endapan CaCO₃ harus dibuang; nilai ekonominya rendah dalam skala lab. Filtrat mengandung NaOH dalam larutan.
3. Evaporasi larutan NaOH untuk meningkatkan konsentrasi, lalu kristalisasi bila diperlukan padatan. NaOH sangat higroskopis; bila diuapkan sampai kering di udara terbuka, padatan akan segera menyerap uap air. Evaporasi harus dilakukan di atmosfer kering atau langsung disimpan dalam wadah tertutup rapat setelah pemekatan.
4. Standardisasi konsentrasi NaOH dengan titrasi menggunakan larutan standar asam oksalat (H₂C₂O₄) atau KHP (kalium hidrogen ftalat). NaOH tidak dapat dibuat langsung sebagai standar primer karena higroskopis (menyerap CO₂ dan H₂O dari udara). Standardisasi dengan KHP (asam monobasa, massa molar tepat diketahui = 204,22 g/mol) diperlukan untuk mengetahui konsentrasi sebenarnya.

Skala Industri

Proses Klor-Alkali (Chlor-Alkali Process)

Dasar Teori: Elektrolisis dan Pemisahan Produk Proses klor-alkali adalah elektrolisis larutan NaCl jenuh. Reaksi total: 2 NaCl(aq) + 2 H₂O(l) → Cl₂(g) + H₂(g) + 2 NaOH(aq). Tantangan utama: Cl₂ dan NaOH harus dipisahkan secara ketat karena bila bertemu, mereka bereaksi membentuk NaOCl (hipoklorit) atau NaClO₃ yang tidak diinginkan. Tiga teknologi digunakan: sel merkuri (kuno, terlarang di banyak negara), sel diafragma, dan sel membran (paling modern dan ramah lingkungan).

Reaksi elektroda

Anoda (+): 2 Cl^-(aq) → Cl₂(g) + 2 e^-  E° = -1,36 V (oksidasi)

Katoda (-): 2 H₂O(l) + 2 e^- → H₂(g) + 2 OH^-(aq)  E° = -0,83 V (reduksi)

Netto: 2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH  E_sel = -2,19 V (butuh tegangan eksternal)

1. Pembuatan dan pemurnian brine (larutan NaCl jenuh ~300 g/L). Garam batu atau garam laut dilarutkan. Ion Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄^2-, dan bahan organik dihilangkan hingga <20 ppb untuk sel membran. Membran penukar ion sangat sensitif terhadap pengotor multivalen. Ca²⁺ dan Mg²⁺ akan mengendap dalam membran Nafion dan memblokir aliran ion, meningkatkan hambatan listrik dan menurunkan selektivitas membran secara permanen.
2. Elektrolisis dalam sel membran (membrane cell) menggunakan membran Nafion. Brine mengalir di sisi anoda titanium-RuO₂. Ion Na⁺ bermigrasi melalui membran ke sisi katoda nikel. Air direduksi di katoda menghasilkan H₂ dan OH^-. Di anoda, Cl^- teroksidasi menjadi Cl₂. Membran Nafion (polimer sulfonate perfluorinated) bersifat selektif kation: hanya mengizinkan Na⁺ melewatinya, menolak Cl^- dan OH^-. Ini memastikan Cl₂ (dari anoda) dan NaOH (dari katoda) tidak bercampur. Sisi katoda menghasilkan NaOH ~33%, kemudian dipekatkan dengan evaporasi.
3. Pemrosesan Cl₂ dari anoda: pendinginan, pengeringan, likuefaksi. Gas Cl₂ panas didinginkan di heat exchanger, dikeringkan dengan H₂SO₄ pekat, lalu dicairkan dengan kompresor pada -35°C. Cl₂ gas basah bersifat sangat korosif karena membentuk HClO dan HCl dengan air. Pengeringan melindungi pipa dan peralatan. Klorin cair lebih mudah disimpan dan ditransportasi dibanding gas.
4. Pemekatan NaOH dari ~33% menjadi 50% menggunakan evaporator efek ganda. NaOH 50% adalah konsentrasi standar komersial. Evaporator efek ganda menggunakan uap dari tahap pertama sebagai panas untuk tahap kedua, meningkatkan efisiensi energi secara drastis dibanding evaporator tunggal.
5. Pengelolaan H₂ dari katoda: dipakai sebagai bahan bakar atau bahan baku HCl sintetis. H₂ adalah produk sampingan berharga. Reaksinya dengan Cl₂ secara langsung (H₂ + Cl₂ → 2 HCl) menghasilkan HCl murni tanpa sulfur atau kotoran lain, berbeda dari HCl yang dibuat dari garam dan H₂SO₄. Atau digunakan sebagai bahan bakar dalam furnace pabrik, mengurangi konsumsi gas alam.

Teknologi Sel	Kemurnian NaOH	Konsumsi Energi	Catatan
Membran (Nafion)	33–35%, sangat murni	2.200–2.500 kWh/t Cl2	Standar industri modern; ramah lingkungan
Diafragma (asbes/polimer)	~12%, mengandung NaCl	2.500–3.000 kWh/t Cl2	Lebih tua; NaOH perlu pemurnian lebih lanjut
Merkuri (terlarang)	50%, sangat murni	3.000–3.600 kWh/t Cl2	Dilarang di Eropa (2017) karena kontaminasi Hg

HNO₃

Asam Nitrat

nitric acid • aqua fortis • bahan baku pupuk dan bahan peledak

Asam nitrat adalah asam kuat monoproton dan oksidator kuat yang penting untuk pembuatan amonium nitrat (pupuk dan bahan peledak), trinitrotoluena (TNT), nitrogliserin, pewarna, dan berbagai senyawa organik ternitrasi. Asam nitrat dapat melarutkan hampir semua logam kecuali emas, platinum, dan rhodium. Campurannya dengan HCl (aqua regia, 1:3) dapat melarutkan emas dan platina.

Skala Laboratorium

Pembuatan HNO₃ di Laboratorium

Dasar Teori Di laboratorium, HNO₃ dibuat melalui reaksi garam nitrat (biasanya NaNO₃ atau KNO₃) dengan asam kuat berubah rendah volatilitas seperti H₂SO₄ pekat. Prinsipnya: asam kuat (H₂SO₄) mendesak asam lemah/volatil (HNO₃) keluar dari garamnya. HNO₃ yang dihasilkan cukup volatil (titik didih 83°C) sehingga dapat didestilasi dari campuran reaksi.

Reaksi lab

NaNO₃(s) + H₂SO₄(l, pekat) ⟶ NaHSO₄(s) + HNO₃(g)

• Pemanasan <120°C • Destilasi pengumpul es • HNO₃ yang dihasilkan: 65–68%

NaNO₃(s) + H₂SO₄(l) ⟶ Na₂SO₄(s) + 2 HNO₃(g)

• Suhu >200°C • Reaksi lanjut (sebaiknya dihindari di lab)

1. Masukkan NaNO₃ kering ke dalam labu destilasi, tambahkan H₂SO₄ pekat (98%) perlahan-lahan ke padatan, bukan sebaliknya. H₂SO₄ ditambahkan ke padatan untuk mengontrol laju reaksi dan panas. Bila dibalik, panas lokal yang timbul di permukaan H₂SO₄ cair dapat mengdekomposisi HNO₃ yang baru terbentuk menjadi NO₂ coklat beracun, menurunkan yield secara signifikan.
2. Rangkai alat destilasi dengan kondenser yang didinginkan air es. Labu penerima direndam dalam campuran es dan garam. HNO₃ pekat di atas 68% (azeotrop) bersifat termolabil dan cenderung terdekomposisi menjadi NO₂ bila dipanaskan berlebih. Kondenser dan penerima yang sangat dingin mencegah degradasi ini dan memaksimalkan yield. Azeotrop HNO₃-H₂O terbentuk pada 68% dengan titik didih 120,5°C; konsentrasi ini adalah batas praktis destilasi di lab.
3. Panaskan labu reaksi sangat perlahan hingga ~120°C menggunakan waterbath atau penangas minyak. Jangan melebihi 150°C. Di atas 150°C, reaksi kedua (pembentukan Na₂SO₄) mulai berlangsung dan HNO₃ dapat terdekomposisi: 4 HNO₃ → 4 NO₂ + O₂ + 2 H₂O. Gas NO₂ (coklat) bersifat sangat beracun dan karsinogenik. Pengendalian suhu adalah kunci keselamatan.
4. Tampung destilat (HNO₃) dalam labu penerima berwarna gelap. Hentikan pemanasan bila warna kuning mulai muncul di destilat. HNO₃ murni adalah cairan tidak berwarna. Warna kuning menandakan adanya NO₂ terlarut, produk dekomposisi sebagian. Ini berarti suhu sudah terlalu tinggi. Penyimpanan dalam botol gelap mencegah fotolisis HNO₃ oleh cahaya UV.
5. Bila diperlukan HNO₃ lebih pekat (>68%), gunakan destilasi azeotrop dengan tambahan H₂SO₄ sebagai dehydrating agent. H₂SO₄ mengikat air dari campuran HNO₃-H₂O, menggeser komposisi melewati azeotrop sehingga HNO₃ lebih pekat dapat disuling. Produk yang didapat bisa mencapai HNO₃ "berasap" (fuming nitric acid, >90%).

Bahaya Ganda HNO₃ pekat: korosif kuat, oksidator kuat (dapat menimbulkan kebakaran pada kontak dengan bahan organik), dan menghasilkan gas NO₂ beracun. Gas NO₂ menyebabkan edema paru yang tertunda (gejala bisa muncul 4–24 jam setelah paparan). Selalu kerja di lemari asam.

Skala Industri

Proses Ostwald

Dasar Teori: Oksidasi Katalitik Bertahap Proses Ostwald (dikembangkan Wilhelm Ostwald, 1902) menggunakan NH₃ sebagai bahan baku utama, yang selanjutnya dioksidasi bertahap menjadi NO, lalu NO₂, dan akhirnya HNO₃. Tahap pertama (oksidasi NH₃ menjadi NO) adalah tahap penentu laju (rate-determining step) dan membutuhkan katalis platinum-rhodium karena reaksinya tidak terjadi secara signifikan tanpa katalis pada suhu yang praktis. Proses Ostwald secara ekonomi sangat bergantung pada ketersediaan NH₃ dari Proses Haber-Bosch: keduanya saling terhubung dalam rantai nitrogen industri.

Tiga tahap oksidasi

Tahap 1: 4 NH₃(g) + 5 O₂(g) ⟶ 4 NO(g) + 6 H₂O(g)  Pt-Rh, 850–900°C, ΔH = -909 kJ

Tahap 2: 2 NO(g) + O₂(g) → 2 NO₂(g)  suhu rendah (<50°C), tanpa katalis, ΔH = -113 kJ/mol

Tahap 3: 3 NO₂(g) + H₂O(l) → 2 HNO₃(aq) + NO(g)  menara absorpsi, T rendah, P tinggi

NO yang terlepas di tahap 3 direcycle ke tahap 2

1. Persiapan campuran NH₃ dan udara kering (rasio NH₃:O₂ = 1:1,7 molar) dengan kontrol ketat batas ledak. Campuran NH₃-udara dapat meledak bila konsentrasi NH₃ berada di antara 15–28% (batas ledak). Konsentrasi NH₃ pada kondisi operasi ~10% dipilih agar berada di luar batas ledak bawah (15%), sambil tetap memberikan konversi yang baik. Kontrol rasio udara juga penting: kekurangan O₂ menghasilkan N₂ (reaksi samping) bukan NO.
2. Oksidasi katalitik NH₃ menjadi NO di atas kisi platina-rhodium pada suhu 850–900°C dan tekanan 1–10 atm. Waktu kontak gas dengan katalis hanya 0,001–0,0001 detik. Katalis Pt-Rh (biasanya campuran 90% Pt + 10% Rh dalam bentuk kisi halus) bekerja melalui adsorpsi NH₃ dan O₂ di permukaan. Waktu kontak sangat singkat disengaja untuk mencegah reaksi berlebih (over-oxidation) yang menghasilkan N₂ atau N₂O. Rhodium (Rh) meningkatkan selektivitas menuju NO dan memperkuat struktur kisi fisik dari Pt murni yang lunak. Suhu 850–900°C memberikan selektivitas NO terbaik (~96%).
3. Pendinginan cepat gas keluar reaktor dari 900°C menjadi 150–200°C di heat recovery boiler untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Pendinginan cepat (quenching) mencegah reaksi terbalik NO → N₂ yang terjadi saat suhu turun perlahan (fenomena retro-Ostwald). Panas yang dipulihkan digunakan sebagai uap untuk turbin listrik atau proses lain di pabrik, meningkatkan efisiensi energi keseluruhan secara signifikan.
4. Oksidasi NO menjadi NO₂ dalam kolom oksidasi pada suhu rendah (<50°C) dan tekanan tinggi (bila tekanan tinggi digunakan). Reaksi 2 NO + O₂ → 2 NO₂ bersifat eksoterm dan melibatkan pengurangan mol gas. Suhu rendah menguntungkan kesetimbangan ke arah NO₂ (konstanta laju reaksi ini unik: meningkat saat suhu menurun, berbeda dari reaksi kebanyakan). Tekanan tinggi juga menguntungkan produksi NO₂. Tidak ada katalis yang diperlukan dalam tahap ini.
5. Absorpsi NO₂ ke dalam air di menara absorpsi berlapis pada suhu <40°C. Air mengalir dari atas, gas NO₂ dari bawah (mode counter-current). Tekanan 5–8 atm digunakan untuk meningkatkan efisiensi absorpsi. Absorpsi NO₂ dalam air menghasilkan HNO₃ dan NO. Mode counter-current memaksimalkan kontak antara gas dan cairan. Tekanan tinggi meningkatkan kelarutan gas NO₂ (hukum Henry). NO yang dibebaskan dalam tahap ini dikembalikan (direcycle) ke tahap oksidasi NO–NO₂ untuk tidak terbuang sia-sia.
6. Pemekatan HNO₃ dari ~60% menjadi 68% (azeotrop) atau >98% (fuming nitric acid) tergantung kebutuhan. Absorpsi langsung dalam proses tekanan tinggi (8–10 atm) dapat langsung menghasilkan HNO₃ 60–68% tanpa pemekatan tambahan. Untuk kebutuhan HNO₃ >98% (digunakan untuk nitrasi senyawa organik), diperlukan dehidrasi dengan H₂SO₄ yang kemudian mendekomposisi azeotrop.
7. Penanganan gas buang (tail gas): destruksi NO_x residu sebelum dibuang ke atmosfer. Gas buang yang masih mengandung NO dan NO₂ (NO_x) direduksi menjadi N₂ menggunakan NH₃ dan katalis pada suhu 250–300°C (DeNO_x SCR): 4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂O. NO_x adalah polutan udara penyebab smog fotokimia dan hujan asam. Regulasi emisi global mewajibkan pabrik HNO₃ modern menjaga kadar NO_x di gas buang <200 ppm. Panas reaksi SCR juga dapat dipulihkan untuk pemanasan proses.

Tahap	Kondisi Kritis	Mengapa Dipilih
Oksidasi NH3	850–900°C, Pt-Rh	Selektivitas NO maksimal; suhu lebih rendah menurunkan konversi, lebih tinggi menghasilkan N2
Oksidasi NO	<50°C, tanpa katalis	Reaksi berbeda: laju meningkat saat suhu turun; suhu rendah favorabel untuk NO2
Absorpsi NO2	5–8 atm, <40°C	Tekanan tinggi meningkatkan kelarutan gas (Henry); suhu rendah mendorong kelarutan NO2
Katalis	90% Pt + 10% Rh	Rh meningkatkan selektivitas NO dan ketahanan mekanis kisi; Pt murni terlalu lunak pada suhu tinggi