TUGAS TERSTRUKTUR KELOMPOK 3 ISOLASI HIDROGEN DAN LOGAM KALIUM SERTA PEMANFAATAN HIDROGEN SEBAGAI SUMBER ENERGI Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Kimia Unsur yang dibina oleh Dra.Sri Wardhani, M.Si Oleh : Agung Suprapto Putro 0810920022 Aprilya Putri Aziztyana 0810920024 Dewinta Hapsari Maharani 0810920028 Enggar Pradini 0810920032 JURUSAN KIMIA
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
TUGAS TERSTRUKTUR KELOMPOK 3
ISOLASI HIDROGEN DAN LOGAM KALIUM
SERTA PEMANFAATAN HIDROGEN SEBAGAI SUMBER ENERGI
Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Kimia Unsur yang dibina oleh
Dra.Sri Wardhani, M.Si
Oleh :
Agung Suprapto Putro 0810920022
Aprilya Putri Aziztyana 0810920024
Dewinta Hapsari Maharani 0810920028
Enggar Pradini 0810920032
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
MALANG
2011
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. RINGKASAN MATERI
1.1.1 Hidrogen
Hidrogen merupakan unsur paling melimpah di alam semesta, dan nomor tiga
terbanyak di permukaan bumi., tetapi gas hidrogen murni hampir tidak ada di
permukaan bumi karena gas hidrogen bereaksi dengan unsur lain membentuk
persenyawaan yang lebih stabil (Setiawan, 2011).
Hidrogen membentuk lebih banyak senyawaan daripada unsur lainnya. Dikenal
tiga isotop hidrogen, yaitu 1H, 2H (deuterium atau D), dan 3H (tritium atau T). Sifat-
sifat kimia H, D, dan T pada hakikatnya serupa kecuali dalam hal-hal seperti laju dan
tetapan kesetimbangan reaksi. Bentuk normal unsur-unsurnya adalah molekul
diatomik; berbagai kemungkinannya ialah H2, D2, T2, HD, HT, DT (Setiawan, 2011).
Hidrogen yang terdapat di alam mengandung 0,0156 % deuterium, sedangkan
tritium (terbentuk secara terus-menerus di lapisan atas atmosfer pada reaksi inti yang
direduksi oleh sinar kosmik) terdapat di alam hanya dalam jumlah yang sangat kecil
kira-kira sebanyak 1 per 1017 dan bersifat radioaktif (β-, 12,4 tahun) (Setiawan, 2011).
Kelimpahan persenyawaan hidrogen dalam bentuk air dan bahan bakar fosil,
relatif tak terbatas jumlahnya. Karena hidrogen murni hampir tidak ada, maka
hidrogen tidak bisa disebut sebagai sumber energi, tetapi sebagai ‘energy carrier’
seperti halnya dengan listrik. ‘Energy carrier’ merupakan media yang praktis untuk
menyimpan, mentransfer, maupun menggunakan energi. Sebagai ‘energy carrier’,
hidrogen harus mudah disimpan, mudah digunakan, dan mudah dikonversi menjadi
berbagai bentuk energy (Arifin, 2011).
Dari struktur molekul yang ada, sangat mungkin hidrogen dijadikan sumber
energi masa depan. Hidrogen adalah zat yang paling banyak di alam semesta ini dari
segi jumlah atom. Hampir semua bintang dan planet gas tersusun dari hidrogen
maupun isotopnya. Hidrogen dianggap sebagai bahan bakar sumber energi yang sangat
ramah lingkungan dan hampir tanpa efek samping, mengingat hasil pembakarannya
adalah uap air (Prasetyo, 2011).
Penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar sudah sangat diketahui manusia, dan
bukanlah teknologi baru. Yang sampai saat ini belum ditemukan adalah produksi
hidrogen untuk bahan bakar dengan biaya yang relatif murah, dibandingkan harga
BBM saat ini. Maka dari itu penting bagi kita untuk mengetahui berbagai cara untuk
mengisolasi hidrogen.
1.1.2 Kalium
Kalium merupakan salah satu logam alkali yang berupa padatan putih
keperakan dalam kondisi alaminya. Kalium sangat reaktif terhadap air, dan memudar
dengan cepat ketika terkena udara. Sangat ringan, lunak, logam dengan massa atom
39,0983, titik leleh 146,08 0F, dan titik didih 1398 0F. Kalium terdapat di alam sekitar
1,5 % dari berat kerak bumi dan merupakan salah satu dari tujuh unsur dasar. Oleh
karena unsur ini bersifat sangat elektropositif, logam kalium sulit untuk diperoleh dari
mineralnya. Unsur ini tidak pernah ditemukan dalam keadaan bebas di alam.
Penggunaan umum dari kalium antara lain dalam produksi garam natrium
rendah, deterjen cair, pupuk , dan sebagai superoksida dalam alat pernapasan. Saat ini
kalium juga digunakan dalam produksi kaca, sabun, bahan peledak, obat-obatan, dan
kembang api. Kalium juga termasuk diantara mineral yang paling penting yang
diperlukan tubuh manusia secara berkala. Oleh karena kalium sangat penting bagi
kehidupan manusia maka diperlukan pengkajian mendalam mengenai teknik isolasi
kalium sehingga dapat memisahkan kalium murni dari senyawanya.
1.2. IDENTIFIKASI MASALAH
Permasalahan yang dibahas dalam makalah ini adalah :
a. Bagaimana cara mengisolasi hidrogen?
b. Mengapa isotop-isotop dari hidrogen berupa deuterium dan tritium dapat digunakan
sebagai bahan baku pada reaktor fusi nuklir?
c. Bagaimanakah pemanfaatan gas hidrogen sebagai sumber energi yang diterapkan dalam
kendaraan dan pembangkit listrik
d. Bagaimanakah cara untuk mengisolasi kalium?
e. Metode manakah yang paling efektif dan efisien untuk mengisolasi kalium?
1.3. TUJUAN
Tujuan dari permasalahan ini adalah :
a. Mengetahui dan memahami cara mengisolasi hidrogen
b. Mengetahui bagaimana isotop-isotop dari hidrogen berupa deuterium dan tritium dapat
digunakan sebagai bahan baku pada reaktor fusi nuklir
f. Mengetahui pemanfaatan gas hidrogen sebagai sumber energi yang diterapkan dalam
kendaraan dan pembangkit listrik
c. Mengetahui dan memahami cara mengisolasi kalium
d. Mengetahui metode yang paling efektif dan efisien untuk mengisolasi kalium
BAB II
PEMBAHASAN
2.1. Cara Mengisolasi Hidrogen
Isolasi hidrogen merupakan proses pembuatan, pemisahan serta pemurnian gas hidrogen
dari campurannya. Hidrogen dapat diisolasi dengan beberapa proses diantaranya sebagai
berikut:
a. Proses kimia yang meliputi:
Isolasi hidrogen dari gas alam
Tidak ada proses kimia dalam teknik ini. Hidrogen diisolasi langsung dari campuran
gas alam. Namun cara ini tidak komersial, karena sulit untuk mengisolasi hidrogen
dari gas alam. Lagipula kandungan hidrogen dalam gas alam sangat kecil sehingga
tidak menguntungkan. Off gas dari pencairan gas alam yang mengandung oksigen
biasanya hanya digunakan sebagai fuel gas dalam proses industri, atau hanya dibakar
begitu saja di flare (Bell and Lott, 1967).
Prinsip pembuatan gas hidrogen ekstraksi gas alam :
Hidrogen tersebut didinginkan, kemudian dibersihkan dari berbagai bahan kimia
seperti CO2, CO, dan H2S. Setelah dikompres didapat gas H2 yang diperlukan, yang
mempunyai kemurnian yang tinggi dan siap untuk dipakai. Proses tersebut dapat
dilihat dalam gambar. Mengingat gas alam merupakan bahan yang sifatnya akan
habis, maka pembuatan hidrogen dariekstraksi gas alam dirasa kurang tepat.
Disamping itu mengingat gas alam merupakan hasil tambang, tentunya pembuatan
pabrik hidrogen tidak bisa dilakukan ada sembarang daerah, sehingga menjadi suatu
kendala pada pengiriman hasil hidrogen tersebut (Bell and Lott, 1967).
Metode Steam Reforming
Uap air dan metana direaksikan dengan bantuan katalis nikel, dalam kondisi
temperatur tinggi (kurang lebih 800oC) dan tekanan menengah (15-20 Bar).
Reaksinya :
CH4 + H2O CO + 3H2
Reaksi ini biasanya dilanjutkan dengan water gas shift reaction (WGSR) dengan
bantuan katalis oksida besi. Reaksinya:
CO + H2O CO2 + H2
WGSR biasanya dilaksanakan dalam dua kondisi berurutan, yaitu temperatur tinggi
(300-500oC) dilanjutkan dengan temperatur rendah (200-250oC). Gabungan dari
steam reforming dan WGSR menghasilkan hirdogen dengan yield yang relatif tinggi.
Sampai saat ini, inilah cara komersial terbesar untuk memproduksi hidrogen bagi
keperluan industri petrokimia seperti pabrik amonia, metanol, dll.
Skema proses dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Terdapat 2 reaksi utama yang terjadi pada proses steam reforming, yaitu (Mohsin,
2011):
Reaksi reforming merupakan reaksi endotermis yang terjadi pada suhu tinggi
menggunakan katalisator.
Shift reaction merupakan reaksi eksotermis yang bertujuan untuk mengontrol
kuantitas produk yang diinginkan. Kemudian dilanjutkan dengan proses penghilangan
CO2 dan pemurnian hidrogen.
Proses konvensional steam reforming, terjadi pada reaktor kimia yang disebut
reformer pada suhu sekitar 800-900ºC. Untuk mengoperasikan proses endotermis
suhu tinggi, kebutuhan panas dipasok dengan membakar bahan bakar fosil sebagai
sumber energi panas. Efisiensi termal proses steam reforming bisa mencapai 85%. Ide
pemanfaatan panas nuklir adalah menggantikan bahan bakar fosil yang dibakar
sebagai sumber panas dengan memanfaatkan panas nuklir suhu tinggi. Penggantian
ini menguntungkan ditinjau dari sisi penghematan bahan bakar fosil, yang
berimplikasi langsung pada pengurangan laju emisi gas rumah kaca.
Pelarutan logam kedalam larutan asam yang menghasilkan garam dan gas hidrogen
Reaksi ini sangat mudah dan akan terjadi secara alami dalam kondisi ruangan. Hanya
saja, harga logam dan asam di pasaran jauh lebih mahal dari harga garam dan gas
hidrogen yang akan terbentuk. Seringkali hidrogen dibuat dalam laboratorium oleh
kerja larutan encer asam kuat dengan logam yang sedang-sedang kereaktifannya.
Persamaan yang mewakili:
Zn + 2HCl ZnCl2 + H2
2Al + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2
Elektrolis air yang dicampur sedikit garam dengan elektroda platinum
Elektrolisis secara etimologi bahasa berarti memecah dengan bantuan listrik. Artinya
molekul air dipecah menjadi molekul hidrogen dan oksigen. Cara ini dilakukan
dengan mengalirkan listrik ke larutan elektrolit melalui perantaraan dua batang
elektrode. Reaksinya:
Katode (reduksi) : 2H2O + 2e- H2 + 2OH-
Anode (oksidasi) : 4OH- O2 + 2H2O +4e-
Total : 2H2O O2 + 2H2
Skema prinsip elektrolisa :
Sebuah tangki diisi dengan air yang dicampur dengan asam, sehingga air tersebut
dapat berfungsi sebagai konduktor untuk menghantarkan arus listrik. Campuran asam
dan air dinamakan elektrolit. Dalam elektrolit dipasang dua elektroda, yaitu elektroda
positif/anoda dan elektroda negatif/katoda. Anoda dihubungkan dengan sisi positif
listrik arus searah dan katoda pada sisi negatif. Jika arus searah mengalir terjadilah
elektrolisa sehingga atom-atom hidrogen dari air kehilangan elektronnya, sedang
atom oksigen mendapat tambahan elektron.
Dengan demikian atom oksigen menjadi sebuah ion bermuatan negatif ( O2- ) dan
atom hidrogen menjadi sebuah ion bermuatan positif ( H+ ). Karena bermuatan positif,
ion-ion H+ akan tertarik pada katoda yang bermuatan negatif. Ion-ion H+ akan
berkumpul pada katoda. Pada saat menyentuh katoda, ion H+ akan menerima sebuah
elektron dan kembali sebuah atom H biasa, tanpa mempunyai muatan. Atom-atom
hidrogen ini bergabung menjadi gas H2 dalam bentuk gelembung-gelembung dan
melalui katoda mengambang ke atas untuk dikumpulkan melalui sebuah pipa dan
kemudian dikompres.
Hal serupa terjadi dengan ion O, yang berkumpul ke anoda, kemudian berubah
menjadi gas O2. Untuk mempercepat proses elektrolisa, maka harus dilakukan pada
suhu tinggi, yaitu antara 800 sampai 1000 oC. Dengan suhu yang tinggi ini maka
dapat mengurangi kerugian tegangan. Dengan cara elektrolisis ini, tampaknya
memberikan harapan baik untuk memproduksi hidrogen karena tidak memerlukan
bahan yang sifatnya tidak dapat diperbaharui. Di dalam elektrolisa, bahan yang
diperlukan adalah air dan energi listrik yang tidak begitu besar, sehingga
memungkinkan elektrolisa dapat diproduksi pada sembarang tempat.
Gasifikasi biomassa / batubara
Gasifikasi adalah mereaksikan suatu senyawa organik berantai karbon dengan
oksigen dalam jumlah terbatas pada temperatur tinggi. Yang dihasilkan pada akhirnya
adalah karbondioksida dan hidrogen.
Prinsip dari metode ini adalah memanaskan bahan baku biomassa dalam gasifier,
maka akan terurai menjadi gas hidrogen, metana, karbonmonoksida, karbondioksida,
nitrogen, polutan dan abu. Sedangkan yang dapat di manfaatkan sebagai sumber
energi adalah hidrogen, karbon dan monoksida. Sedangkan polutan dan sisa abu
diserap oleh gas claning dan cooling subsystem yang terdiri dari cyclon untuk
memfilter partikel padat yang terbawa gas dan web scruber untuk memfilter polutan
dan partikel padat yang masih terbawa oleh gas. Sedangkan gas cooling subsystem
untuk mendinginka gas dan meningkatkan densitasnya. Cara ini sudah mulai banyak
digunakan di daerah rural, mengingat disana banyak terdapat sumber biomassa.
Namun cara ini sulit untuk diaplikasikan secara massal, mengingat ketersediaan
biomassa yang tersebar. Penggunaan batubara masih memiliki efek samping NOx dan
SOx.
Synfuel dari Coal Gasification:
Gasification 2C + ½O2 + H2O → 2CO + H2
Water gas shift CO + H2O → H2 + CO2
F-T reaction CO + 2H2 → CH2 + H2O
Net reaction 2C + H2O+ ½O2 → CH2 + CO2
Proses ini memerlukan 2C dan setengah O2 dan menghasilkan satu CO2 untuk setiap
CH2 yang diproduksi. Artinya menggantikan minyak dengan bahan bakar sintetik dari
batubara (coal synfuel) akan melipatgandakan hingga 3 kali lipat penggunaan
batubara dan menghasilkan dua kali lipat CO2.
(F-T atau Fischer- Tropsch reaction adalah reaksi (2n+1)H2 + nCO → CnH(2n+2) +
nH2O
Synfuel dari Coal Gasification + H2 dari pemisahan air:
Gasification C + 1/4O2 + 1/2H2O → CO + 1/2H2
Water-splitting 3/2H2O + Energy → 3/2H2 + 3/4O2
F-T reaction CO + 2H2 → CH2 + H2O
Net reaction C + H2O + Energy → CH2 + 1/2O2
Reaksi logam Natrium dengan air
Natrium banyak tersedia dan melimpah jumlahnya di lautan sebagai NaCl (garam).
Natrium adalah elemen yang sangat reaktif. Pada kondisi standar, logam natrium jika
direaksikan dengan air akan menghasilkan gas hidrogen dengan reaksi sebagai