Apa itu KATALIS?

Menurut definisi, katalis adalah suatu senyawa kimia yang dapat mengarahkan sekaligus meningkatkan kinetika suatu reaksi (jika reaksi tersebut secara termodinamika memungkinkan terjadi). Namun senyawa tersebut (katalis) tidak mengalami perubahan kimiawi diakhir reaksi, dan tidak mengubah kedudukan kesetimbangan kimia dari reaksi.Mengapa katalis sangat penting dalam proses kimia?Pentingnya katalis ditunjukkan oleh kenyataan bahwa lebih dari 75% proses produksi bahan kimia di industri disintesis dengan bantuan katalis. Contoh proses kimia yang sangat penting misalnya sintesis metanol dari syngas (CO dan H2) dikatalisis oleh ZnO/Cr2O3, dan reaksi water gas shift (WGS), CO + 2H2O == CO2 + H2 dikatalisis oleh besi oksida atau oksida campuran Zn, Cu maupun Cr.Teknologi katalis telah digunakan dalam industri kimia lebih dari 100 tahun lamanya dan penelitian serta pengembangan teknologi katalis telah menjadi semacam bidang kekhususan kimia.Jadi, apa yang dikerjakan oleh katalis dalam sebuah reaksi?Dalam kazanah energi reaksi, katalis menurunkan rintangan energi atau menurunkan besaran energi aktifasi sebuah reaksi melalui aneka mekanisme fisikawi maupun kimiawi.Komponen inti katalis menurut derajat kepentingannya:1. SelektifitasAdalah kemampuan katalis untuk memberikan produk reaksi yang diinginkan (dalam jumlah tinggi) dari sekian banyak produk yang mungkin dihasilkan. Produk yang diinginkan tadi sering disebut sebagai yield sedangkan banyaknya bahan baku yang berhasil diubah menjadi aneka produk dikatakan sebagai konversi.Yield = %selektifitas x konversi2. StabilitasKemampuan sebuah katalis untuk menjaga aktifitas, produktifitas dan selektifitasnya dalam jangka waktu tertentu3. AktifitasKemampuan katalis untuk mengubah bahan baku menjadi produk atau aneka produk yang diinginkan (lebih dari satu).Aktifitas = massa (kg) bahan baku yang terkonversi/(kg atau liter katalis x waktu)atauKonversi, yaitu persentase dari bahan baku menjadi aneka produk.atauTON (turnover Number), yaitu banyaknya molekul yang bereaksi/(waktu, misalnya detik x setiap situs aktif)Apakah tiga metode untuk mengukur aktifitas katalis?1. Aktifitas dapat dinyatakan dalam konsep kinetika. Aktifitas dapat dinyatakan dari pengukuran kecepatan reaksi dalam jangkauan tertentu suhu dan konsentrasi. Kecepatan reaksi, r, dihitung sebagai kecepatan perubahan sejumlah zat, nA dari reaktan A persatuan waktu dan per satuan volume (atau per satuan massa) katalis, sehingga r ini memiliki unit mol L-1 h-1 atau mol kg-1 h-1.2. Aktifitas dapat pula dinyatakan oleh turnover number (TON) yang didefinisikan sebagai banyaknya molekul reaktan yang terlibat dalam reaksi tiap situs aktif dan tiap detik.3. Dalam prakteknya, sebagai perbandingan aktifitas, ukuran-ukuran berikut ini dapat pula digunakan:a. Konversi dalam kondisi reaksi tetapb. Space velocity untuk konversi tetap yang tertentu

c. Space-time yieldd. Suhu yang dibutuhkan untuk suatu konversi tertentuPengelompokan katalisPerlu diingat bahwa yang dimaksud katalis homogen artinya adalah katalis yang memiliki atau bisa membentuk satu fasa dengan reaktan dan pelarutnya (misal fasa cair-cair pada sistem katalis asam untuk reaksi esterifikasi).  Sedangkan katalis heterogen tidak memiliki fasa yang sama dengan reaktan maupun pelarut (misalnya fasa padat-cair pada sistem katalis zeolit untuk perengkahan hidrokarbon).

Katalis adalah suatu zat yang dapat mempercepat laju reaksi. Katalis dapat mempercepat laju reaksi dengan cara memilih tahap reaksi yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah sehingga kompleks teraktivasi lebih mudah terbentuk dan reaksi menjadi lebih cepat. Dengan kata lain penambahan katalis memberikan jalan baru bagi reaksi yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah, sehingga lebih banyak molekul yang bertumbukan pada suhu normal dan laju reaksi semakin cepat.Dengan adanya terowongan, kendaraan dapat sampai ke seberang tanpa harus mendaki melewati puncak bukit sehingga perjalanan lebih cepat dan lebih mudah. Analog dengan terowongan, suatu katalis dapat memberikan sebuah jalur baru yang lebih mudah bagi jalannya reaksi. Meskipun jalur baru tersbut tidak benar-benar datar, namun setidaknya lebih landai daripada melalui energi aktivasi semula. Katalis dapat berfungsi sebagai zat perantara bagi zat-zat pereaksi dan sebagai zat pengikat. Katalis sebagai zat perantara yang pada hasil akhir reaksi diperoleh kembali. Sebagai contoh yakni reaksi sebagai berikut :Reaksi tanpa katalis : A + B ---> AB (lambat)Reaksi dengan katalis(k): A + B ---> AB (cepat) mekanisme reaksinya yaitu : B + K ---> BK BK + A ---> A-B-KA-B-K ---> A-B + KDengan terikatnya zat B pada katalis, maka senyawa B-K yang terbentuk menjadi lebih reaktif ketika bereaksi dengan A hingga terbentuk senyawa AB-K. Pada tahap berikutnya dihasilkan senyawa AB dan katalis K diperoleh kembali ke dalam jumlah yang sama seperti semula. Katalis yang biasa digunakan yakni katalis NO yang digunakan pada reaksi pembentukan gas SO3. Sedangkan contoh katalis sebagai zat pengikat yakni katalis logam seperti nikel (Ni), platina (Pt), dan kromium (Cr). Permukaan logam-logam tersebut memiliki kemampuan mengikat zat yang akan beraksi sehingga terbentuk spesi yang reaktif. Dan pernahkah anda mendengar biokatalis??Biokatalis merupakan katalis yang berperan untuk mengkatalisis reaksi yang berlangsung di dalam tubuh makhluk hidup. Senyawa yang termasuk biokatalis adalah enzim. Enzim memiliki mekanisme kerja yang sangat spesifik, yaitu satu enzim hanya bekerja untuk mengkatalisis satu macam reaksi. Sebagai contoh, enzim amilase hanya bekerja pada penguraian amilum dan tidak dapat bekerja pada proses reaksi lain.  

Tipe katalis

Katalis homogenKatalis homo-

heterogenKatalis heterogen

Katalis asam/basa Biokatalis (enzim)Bulk katalis (alloy logam)

Kompleks logam transisi

Fungsional nanopartikel

Katalis yang diemban

Perbandingan elemen katalis homogen dan heterogen

Elemen Katalis Homogen Heterogen

Efektifitas

Pusat aktif Semua atom yang memiliki reaktifitas

Hanya atom-atom pada permukaan partikel

Konsentrasi yang dibutuhkan

Rendah Tinggi

Selektifitas Tinggi Lebih rendah

Masalah difusi Secara praktis tak ada (kinetika mengendalikan jalannya reaksi)

Ada (perpindahan massa mempengaruhi jalannya reaksi)

Kondisi reaksi Lembut (50 – 200 oC)Parah (sering > 250 oC)

Penggunaan Tertentu/spesifik Luas

Potensi kehilangan aktifitas

Bereaksi kembali dengan produk (pembentukan klaster) dan keracunan

Kristal logam mengalami sintering, keracunan, coking, fouling, migrasi uap metal pada suhu tinggi

Sifat katalis

Struktur/stoikiometri Mudah ditentukan Sulit ditentukan

Kemungkinan modifikasi

Tinggi Rendah

Daya tahan suhu Rendah Tinggi

Tehnik pemisahan katalis

Seringkali rumit (distilasi, ekstraksi, dekomposisi kimiawi)

Suspensi, filtrasi (sistem slurry)  Tidak perlu pemisahan (sistem fixed-bed)

Kemungkinan daur ulang katalis

Bisa dilakukan Tidak perlu (fixed-bed)  Mudah (suspensi atau slurry)

Potensi kehilangan katalis

Tinggi Rendah

KatalisSalah satu cara lain untuk mempercepat laju reaksi adalah dengan jalan

menurunkan energi pengaktifan suatu reaksi. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan katalis.Katalis

adalah zat yang dapat meningkatkan laju reaksi tanpa dirinya mengalami perubahan kimia secara permanen.

Katalis dapat bekerja dengan membentuk senyawa antara atau mengabsorpsi zat yang direaksikan. Suatu reaksi yang menggunakan katalis disebut reaksi katalis dan prosesnya disebut katalisme. Katalis suatu reaksi biasanya dituliskan di atas tanda panah, misalnya.

2 KClO3 (g) ———-MnO 2 KCl (s) + 3 O 2 (g)H2 (g) + Cl2 (g) ——–arang 2 HCl (g)

Secara umum proses sustu reaksi kimia dengan penambahan katalis dapat dijelaskan sebagai berikut. Perhatikan zat A dan zat B yang direaksikan membentuk zat AB dengan zat C sebagai katalis.

AB (reaksi lambat) A + B ——–

Bila tanpa katalis diperlukan energi pengaktifan yang tinggi dan terbentuknya AB lambat. AC Namun, dengan adanya katalis C, maka terjadilah reaksi: A + C— (reaksi cepat). Energi pengaktifan diturunkan, AC terbentuk cepat dan seketika itu juga AC bereaksi dengan B membentuk senyawa ABC.

ABC (reaksi cepat) AC + B ——

Energi pengaktifan reaksi ini rendah sehingga dengan cepat terbentuk ABC yang kemudian mengurai menjadi AB dan C.

AB + C (reaksi cepat) ABC ——–

Energi pengaktifan reaksi zat A dan zat B tanpa dan dengan katalis ditunjukkan dalamKatalis menyebabkan energi pengaktifan reaksi lebih rendahAda dua macam katalis, yaitu katalis positif (katalisator) yang berfungsi mempercepat reaksi, dan katalis negatif (inhibitor) yang berfungsi memperlambat laju reaksi. Katalis positif berperan menurunkan energi pengaktifan, dan membuat orientasi molekul sesuai untuk terjadinya tumbukan.