KinetikaReaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat - Sarto & Alamsyah 39

Kinetika Reaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat dari Asam Phosphat danKalium Karbonat

Sarto.) dan Ari Nur Alamsyah%)

J)JurusanTeknikKimiaFakultasTeknikUGM.Jl Grafikano 2 Yogyakarta2)DepartemenEngineering,PT Tripolyta

Abstract

The production of K2HP04from H3P04 and K2C03 has been studied. The reaction was done

in a batch reactor for 30 minutes; and the samples were withdrawn from the reactor every 5

minutes. The effect of temperature on the conversion of H~04 was examined. The experimental

results showed that the kinetics of the reaction followed second order reaction. The reaction

rate constant (Ie)as afunction of temperature (IJ could be formulated as follow

k = 1332.0841 exp (-2467.13fr)

Keywords: Kinetics, production, potasium phosphate.

1.Pendahuluan

Senyawa dipotasium phospat (K2HP04)adalah salah satu senyawa orthophospat (P04 3")yang banyak dikembangkan selain monopotassiumphospat (KHzP04) dan tripotassium phospat(K3P04).Dipotassium phospat dijual dalam bentukpadat dan larutao aktif 50%. Lebih dari setengahpenjualan komersial senyawa ini adalah dalambentuk gabungan dengan senyawa borat, nitrit,nitrat dan silikat sebagai sistem inhibitor korosidalam formulasi anti beku etHen glikol. Kegunaanterbesar kedua adalah sebagai creamer pada kopi,yaitu sebagai penyangga casein dari asam proteinuntuk mencegah koagulasi. Penggunaan lain darisenyawa ini adalah sebagai pupuk, bahanpembantu pada pembuatao kertas dan obatpencahar. Campuran KHZP04 dan KzHP04dikembangkan sebagai pH kontrol (Kirk andOthmer, 1982)

Senyawa orthophospat (P043"), dari mono-potassium phospat ke tripo-tassium phospat dibuatdari netralisasi H3P04 dengan KOH (Kirk andOthmer, 1982). Reaksi ini dapat berlangsungsecara cepat (spontan) dan diperoleh hasil dengankemumian tinggi, tetapi kurang ekonomis karenaharga bahan bakunya mahal. Altematif lainpembuatan senyawa KzHP04 adalah denganmereaksikan asam phospat dengan potassium

karbonat (KZC03). Pemilihan KZC03 didasarkantidak hanya pada harganya yang lebih murah tetapijuga senyawa ini dapat diperoleh dari sumberkalium organik yang berupa limbah pertanian.Limbah ini sangat banyak jumlahnya dan belumdimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu,reaksi antara H3P04 dengan KZC03 menarik untukditeliti lebih lanjut. .

Reaksi netralisasi asam phospat olehpotassium karbonat menghasilkan 3 senyawaphospat berdasarkan substitusi atom H pada asamphospat oleh logam. Substitusi satu atom Hmenghasilkan senyawa monopotassium phospat(KHZP04); substitusi dua atom H menghasilkandipotassium phospat (KzHP04); dan substitusi tigaatom H menghasilkan tripotasium phospat(K3P04).

Kemampuan substitusi atom H pada asamphospat oleh logam potassium tergantung padanisbah mol KzO dengan PzOs. Bila perbandinganKzO dan PzOsantara I dan 1,3; logam potassiumhanya dapat mensubstitusi satu atom H mem-bentuk KHZP04. Akan tetapi bila nisbah KzO/PzOs lebih besar atau sama dengan 3, semua atomH dapat disubstitusi oleh logam potassiummembentuk K3P04.Adapun bila nisbah KzO/ PzOssebesar 2, logam potasium dapat mensubstitusi dua

ISSN : 0216 - 7565

40 Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007

atom H membentuk K2HP04 (Kirk and Othmer,1982)

Secara komersial, monosodium phospat(MSP) dan disodium phospat (DSP) dibuat dengancara mereaksikan asam phospat dengan perban-dingan Na20/P20S seperti pada logam potassium.Adapun trisodium phospat dibuat dengan caramereaksikan DSP dengan larutan NaOH (Kobe,1957)

Sifat garam potassium phospat memper-lihatkan banyak persamaan dengan garam sodiumphospat. Garam potassium dapat dibuat dengancara yang sarna seperti pada pembuatan garamsodium, bahkan dengan peralatan yang sarna (Kirkand Othmer, 1982). Oleh karena itu dipotassiumphospat dapat dibuat dengan cara yang sarnaseperti pada garam sodium menurut reaksi sepertipada persamaan (1).

Agar dihasilkan K2HP04 murni, masing-masing pereaksi harus ekuimolar. Reaksinetralisasi antara H3P04 dengan K2C03tidak dapatberlangsung spontan, seperti netralisasi asammonoprotik ataupun asam diprotik. Asam phospatmerupakan asam triprotik yang dalam airterdissosiasi dalam beberapa tingkat danmenghasilkan tiga ion hidrogen per molekulmenurut reaksi (Vogel,1985).

Beberapa prosedur untuk menganalisis datakinetika yaitu cara integral, diferensial, waktu Yzumur, dan grafik standar (Walas, 1959 ). Metodeyang dilakukan dalam penelitian ini adalah caraintegral. Pada umumnya cara integral dicoba lebihdulu sebelum memakai cara diferensial

(Levenspiel, 1972 ).

2. Fundamental

Reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04 danK2C03 mengikuti persamaan (I). Reaksi inidijalankan pada perbandingan pereaksi ekuimolardan dapat dianggap beroder dua. Persamaankecepatan reaksinya adalah sebagai berikut.

ISSN: 0216 - 7565

(2)

Dalam reaksi ini, CA selalu sarna dengan CB;sehingga persamaan (2) dapat diintegralkanmenjadi persarnaan (3).

dengan CAdan CBberturut-turut adalah konsentrasiH3P04 dan K2C03.

Pada keadaan awal CAO= CBOdan konversi zat A

= XAO.Kecepatan reaksi pembentukan K2HP04dihitung berdasarkan pengukuran gas C02 hasilreaksi. Cara analisis gas C02 yang ter-bentukadalah dengan menggelembung- kan gas itu dalamlarutan KOH pekat. Dengan konsentrasi KOHyang berlebihan, diharapkan semua gas C02 dapatterkonversi menjadi K2C03melalui reaksi berikut.

(1)

Kadar akhir KOH dalam larutan ditentukan

dengan cara volumetri. Jumlah C02 yang terserapdapat dihitung dari besarnya pengurangan KOHselama proses penyerapan dengan persarnaan (4).

Mol CO2=MolKOHawal-MolKOHakhir (4)

Jika jumlah gas C02 yang ter-bentuk dapatdiketahui, maka jumlah H3P04 dan K2C03 yangbereaksi dapat dihitung. Dengan demikian,konversi H3P04 maupun konversi K2C03 dapatjuga dihitung. Harga konstanta reaksi pada suhuitu dicari dengan merata-ratakan konstantakecepatan reaksi pada berbagai waktu pada suhuitu.

3. Metodologi

Reaksi antara H3P04 dan K2C03 dilakukandalam reaktor batch (labu leher tiga) yangdilengkapi dengan pemanas mantel, pendingin,termometer dan compressor, yang dirangkaisebagaimana ditunjukkan pada gambar I. Dalarnhal ini gas bertekanan yang dialirkan kompressorberfungsi sebagai pengaduk pereaksi dan

KinetikaReaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat - Sarto & Alamsyah 41

penggelembungan gas hasil reaksi ke dalamlarutan KOH. Analisis hasil (gas C02) dilakukansecara kontinyu setiap 5 menit sampai dengan 30menit agar konversi pereaksi setiap waktu tertentudapat diketahui. Reaksi dilakukan pada suhu 30°c, 50°C, 70 °c dan 90°C.

4. Hasil daD PembahasaD

Percobaan ini dilakukan untuk mempelajarikinetika reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04dan K2C03 secara batch. Peubah yang dipelajariadalah suhu dan waktu. Berdasarkan pada datakonversi pada berbagai waktu, koefisien kecepatanreaksi dihitung untuk masing-masing suhu.

4

3 s

(--0

2.

I. Kompressor

2. TobuDg uelara

3. Larutan NaOH

4. FloWJDeter

S. Distributor

A. PeDgaruh Waktu Reaksi daD Suhu Reaksiterhadap KODversi

Nilai konversi pada berbagai suhu dan waktudapat dilihat pada tabel 1 sebagai berikut :

Tabel 1. Hubungan antara Konversi dan Waktupada berbagai Suhu

6

10 11 11

9

6. Pendingin7. Thermometer

8. Labu reaksi

9. Pemanas

10. Lobu penangkap I

11. Oelos ukur

12. Labu pcnangkap n

13. Pengambil sampel

14.Pengaduk

Gambar 1. Rangkaian Alat Percobaan Pembuatan Di-Kalium Phosphat

ISSN: 0216 -7565

Waktu Konversi (X)menit 30°C 50°C 70°C 90°C

5 0,2404 0,3305 0,4207 0,540910 0,3606 0,4808 0,5709 0,691115 0,4357 0,5559 0,6535 0,751220 0,4808 0,6310 0,7061 0,796325 0,5409 0,6761 0,7512 0,826330 0,6009 0,7211 0,7812 0,8564

42 Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007

Grafik hubungan antara konversi dengan suhudapat dilihat pada Gambar 2. Dari gambar terlihatbahwa semakin lama waktu reaksi, konversi yangdiperoleh semakin tinggi. Pada Gambar 4 terlihat,mula-mula konversi naik dengan cepat, setelah itunaik pelan - pelan dan menuju ke suatu titiktertentu (asimtotis). Hal ini dapat dijelaskansebagai berikut.

Persamaan (3) di atas dapat dituliskankembali menjadi menjadi bentuk sebagai berikut.

Nilai CAOdan k sudah tertentu, sehingga jika CAOk dimisalkan sebagai K, persamaan berubahmenjadi :

X _ ktA-I + [kt]

0.90.80.7

1

0.60.50.40.30.20.1°°

-+-30oC-SOoC__70 oC_90oC

5 1° 15 20 25 30 35

t,menit

Gambar 2. Grafik Hubungan Antara Konversi danWaktu pada berbagai Suhu

Persamaan hubungan antara XA dengan t diatas mempunyai kecenderungan yang sarna denganhubungan antara XAdengan t pada Gambar 2 danasimtotis menuju konversi (X)=1. Hal inimenunjukkan bahwa model persamaan reaksitingkat dua cocok bila digunakan untuk reaksi ini.

Untuk waktu yang sarna, bila suhu dinaikkanmaka konversi akan semakin bertambah. Dengannaiknya suhu, molekul-molekul pereaksi akanbergerak lebih cepat, sehingga frekuensi tumbukanantara molekul pereaksi menjadi lebih sering.Frekuensi tumbukan antara molekul-molekul yanglebih sering secara otomatis mengakibatkan zat-zat

ISSN : 0216 - 7565

pereaksi menjadi lebih aktif sehingga konversiakan meningkat.

Pada Gambar 3 terlihat, pada waktu (t) tetapkonversi naik secara linear bila suhu dinaikkan.

Pada percobaan ini, konversi maksimum dicapaisebesar 0,8564 pada suhu (T) = 90°C dan waktu(t) = 30 menit. Sebenamya apabila suhu dinaikkanataupun waktu reaksi ditambah, konversi masihdapat bertambah mendekati 100 %. Hanya sajasuhu reaksi harus berada di bawah titik didih

H3P04(135°C).

(5)

(6)

90 100

-+- t=5merit ___ t =10merit

t =15merit t =20merit

-iE- t =25merit -+- t =30merit

50 60

~oC

70 80

Gambar 3 Grafik Hubungan antara Konversi dan Suhupada berbagai Waktu

B. Harga Konstanta Kecepatan Reaksi PadaBerbagai Suhu

Hasil perhitungan tetapanberdasarkan model kinetika

tercantum pada Tabel II.

kecepatan reaksiyang diusulkan

Tabel II. Harga Konstanta Kecepatan Re-aksi (k)pada Berbagai Waktu dan Suhu

Pada Tabel II terlihat, bahwa untuk suhu yangsarna, harga konstanta kecepatan reaksinya hampirsarna. Hal ini menunjukkan bahwa perumpamaan

0.9

as

0.7

gO.6

. 0.5>:5 0.4

0.3

0.2

0.1

0

20 30 40

Waktu, Suhumenit 30°C 50°C 70°C 90 °C

5 0,4696 0,7324 1,077 1,74810 0,4183 0,687 0,987 1,65915 0,3818 0,6191 0,9327 1,49320 0,3435 0,6343 0,8911 1,45025 0,3496 0,6194 0,8959 1,41230 0,3723 0,6393 0,8829 1,475

k rerata 0,3892 0,6553 0,9445 1,539

KinetikaReaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat - Sarto & Alamsyah 43

persamaan kecepatan reaksi mengikuti order duaadalah benar. Adapun harga konstanta kecepatanreaksi (k) pada t = 5 menit menyimpangpalingbesardan mempunyai harga kesalahan relatif yangpaling besar bila dibandingkan dengan harga kpadawaktu (t) yang lain. Hal ini disebabkan untukreaksi sampai dengan 5 menit konversinyameningkatterlalu tajam, barulah naik pelan-pelan.

Tabel III dan Gambar 4 menu-njukkan lebihtegas bahwa reaksi berlangsung mengikuti order 2.

TabelIII. Nilai XA/(I-XA) terhadap waktu padaBerbagai Suhu.

Gambar 4. Grafik Nilai XA/ (I-XA) terhadap waktupada Berbagai Suhu

Pada Tabel III dan Gambar 4 terlihat, untuksuhu (T) yang semakin tinggi harga XA/ (1-XA)semakin besar. Hal ini disebabkan dengan naiknyasuhu, harga konstanta kecepatan reaksinyasemakin besar sehingga slope (CAOk) semakintinggi.

c. Pengaruh Suhu terhadap Harga KonstantaKecepatan Reaksi.

Harga konstanta kecepatan reaksi padaberbagai suhu dapat dilihat pada Tabel N. Padatabel tersebut nampak bahwa untuk suhu yangsemakin tinggi harga konstanta kecepatanreaksinyapun semakin tinggi. Hal ini sesuaidengan persamaan Arhenius

Tabel IV. Harga Konstanta Kecepatan ReaksiRata-rata pada Berbagai Suhu.

Dengan melakukan linearisasi terhadap persamaanArhenius, maka akan diperoleh bentuk persamaan:

In k = InA +(-E/R)(I/T) (7)

Setelah dilakukan perhitungan diperoleh persa-maan berikut.

In k = 7.1945-2467.13(1/T) (8)

atau

k = 1332.0841 exp (-2467.13/T) (9)

Jika nilai k hasil percobaan dibandingkan dengannilai k hasil perhitungan, maka di-dapat kesalahanrelatif rerata sebesar 2,8 %.

Adapun grafik hubungan antara k dengan Tditunjukkan pada gambar 5.

1.81.6

~ 1.4CDE 1.2'0 1E~a8.!ia6~a4

a2o:m 310 320 :m 340 :m :m 370

&h4K

Gambar 5 Grafik Hubungan Konstanta KecepatanReaksi Versus Suhu

ISSN : 0216 - 7565

Waktu XA/(l-XA' pada suhumenit 30°C 50°C 70°C 90°C

5 0,3165 0,4936 0,7262 1,178210 0,5639 0,9260 1,3304 2,237315 0,7721 1,2517 1,8860 3,019320 0,9260 1,7100 2,4025 3,909225 1,1782 2,0873 3,0193 4,757130 1,5056 2,5855 3,5704 5,9638

7

6 +30oC

5 .50oC

4 700C..... x900C3

2

1

00 5 10 15 20 25 30 35

t, menit

Suhu,K II

303 0,3892 0,3875323 0,6553 0,6417343 0,9445 1,0020363 1,5390 1,4890

L/'

.,/'",/ -.

.-V -! . kp:ra:.I:Jmr--.J kprsaTEBlj-

44

5. Kesimpulan

Dari data percobaan dan pembahasan, dapatdiambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04 danK2C03 mengikuti persamaan kecepatan reaksiorder dua

2. Persamaan hubungan antara konstanta kece-patan reaksi dan suhu adalah :

k = 1332,0841exp (-2467,13/T)

dengan kesalahan relatif rata-rata sebesar 2,8%.

Tabel Pustaka

Kirk, R.E., and Othmer, D.F., 1982, Encyclopediaof Chemical Technology, 3rded., Vol. 17, pp.427 - 435, John Wiley and Sons, Inc., NewYork.

Kobe,K.A., 1957, Inorganik Procces Industries, 2nded., pp. 335-342, The Macmillan Company,New York

ISSN : 0216 -7565

Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007

Levenspiel, 0., 1972, Chemical ReactionEngineering, 2 ed., pp. 8-9, 48-49, WileyEastern Limited, New Delhi.

Sherwood,T.K., Pigford,R.L., 1952, Absorbtionand Extraction, 2nd ed., Me Graw Hill,Kogakusha, Ltd., Tokyo

Vogel, AI., 1990, Buku Teks Analisis AnorganikKualitatif Makro dan Semimikro, ed.5, hal.28-29, P.T. Kalman Media Pustaka, Jakarta.

Walas, S.M., 1959, Reaction Kinetics forChemical Engineers, pp. 5, 12-15, Me. GrawHill Book Co.,Inc., New York.

Westerterp, K.R., Van Swaaij, W.P.M.,Beenackers, AAC.M., 1963, ChemicalReactor Design and Openisbahn, pp. 39-40,John Wiley and Sons, New York.