Pembahasan Soal Nomor 5 OSP Kimia 2023 (Termokimia: Fiksasi Nitrogen, Proses Ostwald)

Berikut pembahasan soal OSP Kimia Tahun 2023 yang terdiri 9 soal. Setiap soal akan diberikan dalam tautan berbeda.

• Soal #1: Termodinamika
• Soal #2: Kinetika
• Soal #3: Elektrokimia
• Soal #4: Sifat Koligatif Larutan
• Soal #5: Termokimia-Kesetimbangan
• Soal #6: Struktur Molekul
• Soal #7: Polimer-Spektroskopi
• Soal #8: Kesetimbangan Asam-basa
• Soal #9: Kimia Organik

Termokimia: Fiksasi Nitrogen (19 poin)

Nitrogen merupakan gas yang hadir di atmosfer bumi dengan kadar sekitar 78 %. Untuk dapat dimanfaatkan oleh tumbuhan, nitrogen harus mengalami proses fiksasi terlebih dahulu. Secara alamiah, nitrogen dengan bantuan kilat/petir di atmosfer di fiksasi membentuk nitrogen monoksida atau nitrogen dioksida. Sedangkan dalam tanah, nitrogen difiksasi dengan bantuan mikroorganisme menjadi ammonia. Fiksasi nitrogen juga dapat dilakukan secara artifisial menggunakan katalis yang dapat mengubah nitrogen menjadi oksidanya maupun menjadi ammonia. Dua proses industri yang terkenal dalam memfiksasi nitrogen adalah proses Haber untuk memproduksi ammonia dan proses Ostwald untuk memproduksi asam nitrat.

Tahap pertama pada proses Ostwald adalah reaksi oksidasi ammonia membentuk nitrogen monoksida dengan ΔH = −905,2 kJ/4 mol NH₃.

1. Persamaan reaksi termokimia pada tahap pertama proses Ostwald tersebut adalah ....
   
   • 2NH₃(g) + 7/2O₂(g) → 2NO₂(g) + 3H₂O(g)   ΔH = −905,2 kJ/mol
   • 4NH₃(g) + 7O₂(g) → 4NO₂(g) + 6H₂O(g)   ΔH = −905,2 kJ/mol
   • 4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)   ΔH = −905,2 kJ/mol
   • tidak tahu
   • 2NH₃(g) + 5/2O₂(g) → 2NO(g) + 3H₂O(g)   ΔH = −905,2 kJ/mol
Pembahasan bagian a.
Reaksi oksidasi amonia menjadi nitrogen monoksida (bukan NO₂, karena soal secara eksplisit menyebutkan "membentuk nitrogen monoksida"):
$$ \begin{aligned} 4\text{NH}_3(g) + 5\text{O}_2(g) &\rightarrow 4\text{NO}(g) + 6\text{H}_2\text{O}(g) \end{aligned} $$
Verifikasi kesetaraan atom
$$ \begin{aligned} \text{N} &: 4 = 4 \quad \checkmark\\ \text{H} &: 4(3) = 6(2) \Rightarrow 12=12 \quad \checkmark\\ \text{O} &: 5(2) = 4(1)+6(1) \Rightarrow 10=10 \quad \checkmark \end{aligned} $$
Persamaan ini sesuai dengan basis ΔH = −905,2 kJ per 4 mol NH₃, sesuai dengan koefisien pada persamaan setara.
Jawaban: 4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)   ΔH = −905,2 kJ
2. Pada suatu percobaan yang dilakukan pada wadah tertutup pada 700 K dan tekanan 1 atm, 100 kmol amonia di campur dengan udara dengan volume 20% lebih tinggi daripada volume yang dibutuhkan untuk tepat mengoksidasi seluruh gas amonia (kandungan oksigen dalam udara adalah 20% berdasar volume). Ketika reaksi mencapai keadaan setimbang, nitrogen monoksida yang dihasilkan sebesar 80% yield.
   
   Tujuan diberikan udara secara berlebih adalah ....
   
   • untuk mempercepat reaksi
   • tidak tahu
   • untuk meningkatkan entalpi reaksi
   • untuk meningkatkan tekanan parsial ammonia
   • untuk menggeser kesetimbangan ke arah produk
Pembahasan bagian b.
Reaksi oksidasi amonia menjadi NO bersifat reversibel dan berada dalam kesetimbangan pada kondisi operasi (700 K, wadah tertutup). Berdasarkan prinsip Le Chatelier, penambahan O₂ secara berlebih (dari udara berlebih) akan:
$$ \begin{aligned} 4\text{NH}_3(g) + 5\text{O}_2(g) &\rightleftharpoons 4\text{NO}(g) + 6\text{H}_2\text{O}(g) \end{aligned} $$
meningkatkan konsentrasi/tekanan parsial reaktan (O₂), sehingga kesetimbangan bergeser ke arah produk (NO) untuk mengonsumsi kelebihan O₂ tersebut, meningkatkan yield NO yang terbentuk.
Jawaban: untuk menggeser kesetimbangan ke arah produk
3. Pada keadaan setimbang, fraksi mol amonia adalah ________ dan fraksi mol air adalah ________.
Pembahasan bagian c.
Langkah 1 — Kebutuhan O₂ stoikiometris
$$ \begin{aligned} n_{\text{O}_2,\text{stoikiometris}} &= \dfrac{5}{4}\times n_{\text{NH}_3} \\[4pt] &= \dfrac{5}{4}\times 100 \\[4pt] &= 125 \text{ kmol} \end{aligned} $$
Langkah 2 — Volume udara stoikiometris dan udara aktual (20% berlebih)
$$ \begin{aligned} n_{\text{udara, stoikiometris}} &= \dfrac{n_{\text{O}_2,\text{stoikiometris}}}{0{,}20} \\[4pt] &= \dfrac{125}{0{,}20} \\[4pt] &= 625 \text{ kmol} \\[10pt] n_{\text{udara, aktual}} &= 1{,}20 \times 625 \\[4pt] &= 750 \text{ kmol} \end{aligned} $$
Langkah 3 — Komposisi umpan awal
$$ \begin{aligned} n_{\text{O}_2,\text{awal}} &= 0{,}20 \times 750 = 150 \text{ kmol} \\[4pt] n_{\text{N}_2,\text{inert}} &= 0{,}80 \times 750 = 600 \text{ kmol} \\[4pt] n_{\text{NH}_3,\text{awal}} &= 100 \text{ kmol} \end{aligned} $$
Langkah 4 — NH₃ yang bereaksi (dari yield 80%)
Karena udara berlebih, NH₃ adalah pereaksi pembatas. Rasio stoikiometri NO:NH₃ = 4:4 = 1:1, sehingga NO maksimum teoritis = 100 kmol jika seluruh NH₃ bereaksi sempurna.
$$ \begin{aligned} n_{\text{NO}} &= 0{,}80 \times 100 \\[4pt] &= 80 \text{ kmol} \\[10pt] n_{\text{NH}_3,\text{bereaksi}} &= n_{\text{NO}} = 80 \text{ kmol (rasio 1:1)} \end{aligned} $$
Langkah 5 — Tabel ICE (dalam kmol)
	NH3	O2	NO	H2O	N2 (inert)
Awal	100	150	0	0	600
Berubah	−80	−100	+80	+120	0
Setimbang	20	50	80	120	600
Catatan: O₂ bereaksi = (5/4)(80) = 100 kmol; H₂O terbentuk = (6/4)(80) = 120 kmol.
Langkah 6 — Total mol setimbang dan fraksi mol
$$ \begin{aligned} n_{\text{total}} &= 20+50+80+120+600 \\[4pt] &= 870 \text{ kmol} \\[10pt] x_{\text{NH}_3} &= \dfrac{20}{870} \\[4pt] &= 0{,}0230 \\[10pt] x_{\text{H}_2\text{O}} &= \dfrac{120}{870} \\[4pt] &= 0{,}1379 \end{aligned} $$
x(NH₃) ≈ 0,0230   |   x(H₂O) ≈ 0,1379
4. Tahap kedua proses Ostwald adalah oksidasi lanjut nitrogen monoksida menjadi nitrogen dioksida. Dengan kehadiran air, nitrogen dioksida diubah menjadi asam nitrat dan nitrogen monoksida. Persamaan reaksi termokimia kedua reaksi tersebut adalah
   $$2NO(g) + O_2(g) \rightarrow 2NO_2(g) \quad \Delta H = -114 \text{ kJ/mol}$$ $$3NO_2(g) + H_2O(l) \rightarrow 2HNO_3(aq) + NO(g) \quad \Delta H = -117 \text{ kJ/mol}$$
   ΔH reaksi sintesis asam nitrat pada proses Ostwald adalah ________ kJ/mol amonia.
Pembahasan bagian d.
Reaksi keseluruhan proses Ostwald (menggabungkan ketiga tahap, dengan NO hasil tahap 3 didaur ulang kembali ke tahap 2) secara neto membentuk:
$$ \begin{aligned} \text{NH}_3(g) + 2\text{O}_2(g) &\rightarrow \text{HNO}_3(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \end{aligned} $$
Untuk memperoleh reaksi ini melalui Hukum Hess, tentukan koefisien pengali a, b, c untuk tahap 1, 2, dan 3 (masing-masing per persamaan seperti tertulis) sedemikian sehingga NO dan NO₂ saling meniadakan secara neto:
Langkah 1 — Menentukan koefisien dari kesetaraan spesi
$$ \begin{aligned} \text{NH}_3&: 4a = 1 \ \Rightarrow\ a=\dfrac{1}{4}\\[8pt] \text{HNO}_3&: 2c = 1 \ \Rightarrow\ c=\dfrac{1}{2}\\[8pt] \text{NO}_2&: 2b = 3c \ \Rightarrow\ b=\dfrac{3}{2}c=\dfrac{3}{4} \end{aligned} $$
Verifikasi neraca O₂ dan H₂O:
$$ \begin{aligned} n_{\text{O}_2} &= 5a+b = 5\left(\dfrac14\right)+\dfrac34 = \dfrac{5}{4}+\dfrac34 = 2 \quad \checkmark\\[8pt] n_{\text{H}_2\text{O}} &= 6a - c = 6\left(\dfrac14\right)-\dfrac12 = \dfrac32-\dfrac12=1 \quad \checkmark \end{aligned} $$
Semua neraca spesi konsisten dengan reaksi target NH₃+2O₂→HNO₃(aq)+H₂O(l), sehingga a = ¼, b = ¾, c = ½ adalah koefisien yang tepat.
Langkah 2 — Menghitung ΔH dengan Hukum Hess
$$ \begin{aligned} \Delta H_{\text{total}} &= a\,\Delta H_1 + b\,\Delta H_2 + c\,\Delta H_3 \\[4pt] &= \dfrac14(-905{,}2) + \dfrac34(-114) + \dfrac12(-117) \\[4pt] &= -226{,}3 + (-85{,}5) + (-58{,}5) \\[4pt] &= -370{,}3 \text{ kJ/mol NH}_3 \end{aligned} $$
ΔH_{sintesis HNO3} ≈ −370,3 kJ/mol amonia
5. Nitrogen dioksida juga dapat diperoleh dari dekomposisi N₂O₄ dalam fasa gas. Pada 298 K, diketahui ΔG^o untuk N₂O₄(g) dan NO₂(g) masing masing sebesar 98,28 kJ/mol dan 51,84 kJ/mol.
   
   Nilai tetapan kesetimbangan dekomposisi N₂O₄(g) pada 298 K adalah ________
Pembahasan bagian e.
Reaksi: N₂O₄(g) → 2NO₂(g)
Langkah 1 — ΔG°_r reaksi
$$ \begin{aligned} \Delta G^\circ_r &= 2\,\Delta G^\circ_f(\text{NO}_2) - \Delta G^\circ_f(\text{N}_2\text{O}_4) \\[4pt] &= 2(51{,}84) - 98{,}28 \\[4pt] &= 103{,}68-98{,}28 \\[4pt] &= 5{,}40 \text{ kJ/mol} \end{aligned} $$
Langkah 2 — Menghitung K
$$ \begin{aligned} \Delta G^\circ_r &= -RT\ln K \\[10pt] \ln K &= \dfrac{-5400 \text{ J/mol}}{(8{,}314)(298)} \\[4pt] &= \dfrac{-5400}{2477{,}6} \\[4pt] &= -2{,}180 \\[10pt] K &= e^{-2{,}180} \\[4pt] &\approx 0{,}113 \end{aligned} $$
K ≈ 0,113
6. Jika digunakan 1 mol N₂O₄ pada 1 atm dan 298 K, persentase N₂O₄ yang terdekomposisi jika tekanan total dijaga tetap 1 atm pada 298 K adalah ________ %.
Pembahasan bagian f.
Misalkan derajat disosiasi = α, mulai dari 1 mol N₂O₄:
	N2O4	NO2	Total
Awal	1	0	1
Berubah	−α	+2α	—
Setimbang	1−α	2α	1+α
Langkah 1 — Tekanan parsial pada P_total = 1 atm
$$ \begin{aligned} P_{\text{N}_2\text{O}_4} &= \dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\,P_{tot} \\[4pt] P_{\text{NO}_2} &= \dfrac{2\alpha}{1+\alpha}\,P_{tot} \end{aligned} $$
Langkah 2 — Ekspresi K_p
$$ \begin{aligned} K_p &= \dfrac{P_{\text{NO}_2}^2}{P_{\text{N}_2\text{O}_4}} \\[4pt] &= \dfrac{\left(\dfrac{2\alpha}{1+\alpha}\right)^2 P_{tot}^2}{\left(\dfrac{1-\alpha}{1+\alpha}\right)P_{tot}} \\[4pt] &= \dfrac{4\alpha^2}{1-\alpha^2}\,P_{tot} \\[4pt] &= \dfrac{4\alpha^2}{1-\alpha^2} \quad (\text{karena } P_{tot}=1 \text{ atm}) \end{aligned} $$
Langkah 3 — Menyelesaikan untuk α
$$ \begin{aligned} \dfrac{4\alpha^2}{1-\alpha^2} &= 0{,}113 \\[10pt] 4\alpha^2 &= 0{,}113 - 0{,}113\alpha^2 \\[4pt] 4{,}113\,\alpha^2 &= 0{,}113 \\[10pt] \alpha^2 &= 0{,}02747 \\[10pt] \alpha &= \sqrt{0{,}02747} \\[4pt] &= 0{,}1658 \end{aligned} $$
Langkah 4 — Persentase dekomposisi
$$ \begin{aligned} \%\text{dekomposisi} &= \alpha \times 100\% \\[4pt] &= 16{,}6\ \% \end{aligned} $$
Persentase N₂O₄ yang terdekomposisi ≈ 16,6%

---