KESETIMBANGAN PADAT-CAIR

Proses Industri Kimia - Kuliah 10 1

KESETIMBANGAN PADAT-CAIR

( yang menyangkut ion)


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.


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


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


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.


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


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.


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


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 :


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


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)


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 :


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.


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 ?


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.


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


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


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 )


Diagram Janecke

NM

NY

BA

BX

AM + BM AN + BM


Titik pengeringan (drying-up point)

(a) (b) (c)

Pada setiap titik di area AM −AN − BN ( di atas diagonal) ad,


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.


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


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


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

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

KESETIMBANGAN PADAT-CAIR

Documents

Transcript of KESETIMBANGAN PADAT-CAIR