semua materi katalis
DESCRIPTION
materi katalisTRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
Dengan berkembangnya zaman, katalisator memainkan peranan dominan dalam
bidang industri. Industri tersebut meliputi industri perminyakan, otomotif, farmasi bahkan
industri makanan dan minuman juga menggunakan katalis. Selain itu, banyak proses
manufaktur melibatkan kimia katalitik. Kimia katalitik tersebut akan terus ditingkatkan
dalam berbagai penelitian seiring dengan perkembangan zaman.
1.1 PENGERTIAN KATALIS
Katalis merupakan suatu zat atau substansi yang dapat mempercepat reaksi (dan
mengarahkan atau mengendalikannya), tanpa terkonsumsi oleh reaksi, namun bukannya
tanpa bereaksi. Katalis bersifat mempengaruhi kecepatan reaksi, tanpa mengalami
perubahan secara kimiawi pada akhir reaksi. Peristiwa / fenomena / proses yang
dilakukan oleh katalis ini disebut katalisis. Istilah negative catalyst (atau inhibitor)
merujuk kepada zat yang berperan menghambat atau memperlambat berlangsungnya
reaksi.
1.2 SEJARAH KATALIS
Istilah katalisator berawal dari penelitian Berzelius pada tahun 1836 tentang proses
proses pemercepatan laju reaksi dan menjabarkannya sebagai akibat adanya gaya
katalisis. Sebutan “gaya” katalisis ternyata tidak terbukti, tetapi istilah katalisator tetap
digunakan untuk menyebuitkan pengaruh substansi tertentu yang ikut dalam proses tanpa
mengalami perubahan. Senyawa yang menurunkan laju reaksi biasa disebut sebagai
katalisator negatif atau inhibitor, yang saat ini lebih dikenal dengan istilah katalis.
Definisi katalis pertama kali dikemukakan oleh Ostwalsd sebagai suatu substansi
yang mengubah laju suatu reaksi kimia tanpa merubah besarnya energi yang menyertai
reaksi tersebut. Pada tahun 1902 Ostwald mendefinisikan katalis sebagai substansi yang
mengubah laju reaksi tanpa terdapat sebagai produk pada akhir reaksi, dengan kata lain
katalisator mempengaruhi laju reaksi dan berperan sebagai reaktan sekaligus produk
reaksi.
1.3 KARAKTERISTIK KATALIS
Berikut ini merupakan karakteristik dari katalis:
1) Katalis berperan mempercepat reaksi (meningkatkan kecepatan/laju reaksi)
1| Makalah Kimia Katalis
2) Katalis tidak muncul di dalam persamaan stoikiometri reaksi, karena katalis
bukanlah reaktan dan juga bukan produk. Hal berlaku secara umum, kecuali pada
kasus reaksi autokatalitik. Katalis muncul di dalam mekanisme reaksi, serta muncul
(secara langsung maupun tidak langsung) dalam persamaan kecepatan reaksi.
3) Kuantitas atau banyaknya katalis tidak mengalami perubahan selama reaksi
berlangsung. Kendatipun demikian, seiring dengan berlangsungnya proses, pada
kenyataannya katalis dapat mengalami perubahan sifat-sifat kimia dan fisika secara
irreversibel yang mengarah kepada terjadinya deaktivasi.
4) Komposisi kimiawi suatu katalis tidak berubah pada akhir reaksi.
5) Katalis dibutuhkan oleh suatu reaksi dalam kuantitas yang sangat sedikit. Contoh: 1
gram katalis logam Pt dibutuhkan untuk reaksi penguraian 108 liter H2O2.
6) Jika lebih dari 1 (satu) reaksi berlangsung secara simultan pada saat yang
bersamaan, maka pada umumnya katalis mempengaruhi arah atau selektivitas atau
spesifisitas reaksi. Artinya, katalis bersifat unik (spesifik); katalis tertentu hanya
mempercepat jenis reaksi tertentu.
7) Katalis tidak mengubah atau menggeser kesetimbangan reaksi, termasuk semua sifat
termodinamikanya, seperti kecenderungan keberlangsungan reaksi (berdasarkan
perubahan energi bebas Gibbs reaksi, ΔG), besarnya panas reaksi (ΔH), harga
tetapan kesetimbangan reaksi (K), dan konversi maksimum reaksi (Xe) yang dapat
dicapai pada kondisi tertentu. Dengan atau tanpa katalis, sifat-sifat termodinamika
reaksi tidak mengalami perubahan. Katalis hanya berpengaruh terhadap sifat
kinetika reaksi.
8) Katalis tidak memulai berlangsungnya suatu reaksi, tetapi mempengaruhi kecepatan
reaksinya. Katalis hanya mempromosikan reaksi-reaksi yang perubahan energi bebas
Gibbs (ΔG)-nya berharga negatif. Dengan kata lain, katalis tidak mampu
mempercepat suatu reaksi, pada kondisi tertentu, yang secara termodinamika tidak
dapat berlangsung.
9) Katalis hanya mempercepat reaksi untuk mencapai kesetimbangan (Bandingkan 2
grafik profil konversi reaksi versus waktu reaksi yang diilustrasikan pada gambar di
bawah ini. Reaksi yang menggunakan katalis jauh lebih cepat mencapai
kesetimbangan dibandingkan dengan reaksi tanpa katalis).
2| Makalah Kimia Katalis
Karena tetapan kesetimbangan reaksi (K) yang merupakan perbandingan antara
tetapan kecepatan reaksi ke kanan terhadap tetapan kecepatan reaksi ke kiri tidak
mengalami perubahan, maka katalis bersifat mempercepat reaksi dalam kedua arah.
Artinya, katalis yang mempercepat reaksi ke kanan juga akan mempercepat reaksi ke
kiri (reaksi balik). Contoh: logam baik digunakan sebagai katalis reaksi hidrogenasi
dan sekaligus dehidrogenasi.
10) Katalis mempunyai suhu operasi optimum
11) Katalis dapat teracuni oleh suatu zat dalam jumlah yang sangat sedikit yang disebut
racun katalis. Contoh:
Keaktifan katalis dapat diperbesar oleh suatu zat yang disebut pemercepat katalis
(promotor). Contoh: Efisiensi katalis CuO-ZnO yang digunakan untuk mengkatalisis
reaksi shift conversion(CO (g) + H2O (g) ↔CO2(g) + H2(g)) pada proses pembuatan
pupuk urea ditingkatkan melalui penambahan promotor Al2O3.
12) Pada reaksi-reaksi tertentu, terdapat salah satu produk reaksi yang dapat berfungsi
sebagai katalis untuk reaksi yang bersangkutan. Zat atau produk reaksi ini disebut
autokatalis, sedangkan reaksinya biasa disebut reaksi autokatalitik. Contoh:
3| Makalah Kimia Katalis
13) Katalis yang dapat menghambat atau memperlambat kecepatan reaksi disebut katalis
negatif (atau inhibitor). Contoh:
1.4 KECEPATAN REAKSI DAN FAKTOR YANG MEMPENGARUHINYA
Laju reaksi atau kecepatan reaksi menyatakan banyaknya reaksi kimia yang
berlangsung per satuan waktu. Laju reaksi menyatakan molaritas zat terlarut dalam reaksi
yang dihasilkan tiap detik reaksi. Berikut ini merupakan faktor-faktor yang
mempengaruhi kecepatan reaksi.
1. Konsentrasi ( C )
Konsentrasi yang berkaitan dengan jumlah partikel yang bereaksi. Makin
besar konsentrsi berarti makin banyak partikel sehingga makin banyak yang
bergerak dan makin banyak tumbukan yang terjadi. Dengan banyaknya laju reaksi
partikel yang bertumbukan laju reaksi akan semakin besar.
2. Luas permukaan sentuhan ( A )
Laju reaksi barbanding lurus dengan luas permukaan sentuhan, laju reaksi ini
barpengaruh terhadap tumbukan. Dengan luasnya permukaan maka menyebabkan
semakin besarnya jumlah tumbukan. Sehingga laju raksinya pula makin basar.
3. Suhu ( T )
Laju raksi akan bertambah apabila suhunya naik. Pada umumnya kenaikan
suhu 10⁰C manyebabkan kenaikan laju reaksi sebesar dua sampai tiga kali. Jika
untuk setiap kenaikan suhu 10⁰C laju raksi a kali, maka untuk kenaikan suhu n x 10⁰ laju reaksinya menjadi :
Kenaikan suhu n x 10⁰, laju raksi = a⁰kali
Jika t₁ lama reaksi pada suhu T₁ ⁰C dan t₂ = lama reaksi pada suhu T₂ ⁰C,
maka : t₂ = x t₁ (catatan jika nilai a tidak diketahui maka dianggap a=2)
4| Makalah Kimia Katalis
4. Katalis
Katalis adalah suatu zat yang dapat mempercepat atau memperlambat laju
reaksi, tanpa dirinya mengalami perubahan yang kekal. Suatu katalis mungking
dapat terlibat dalam proses reaksi atau mengalami perubahan selama reaksi
berlangsung, tetapi setelah reaksi itu selesai maka katalis akan diperoleh kembali
dalam jumlah yang sama. Katalis yang sifatnya mempercepat reaksi disebut
katalisator (katalis positif). Yang memperlambat siatu reaksi disebut inhibitor
(katalis negatif). Secara umum bahwa katalis adalah katalisator, yaitu zat yang
dapat mempercepat laju raksi.
1.5 FUNGSI KATALIK KATALIS
Berdasarkan karakteristik yang telah dijelaskan sebelumnya, maka paling tidak
terdapat 2 fungsi katalis yaitu untuk:
1. Mempercepat reaksi menuju kesetimbangan atau fungsi aktivitas
2. Meningkatkan hasil reaksi yang dikehendaki atau fungsi selektivitas.
Walaupun katalis tidak secara permanen terlibat dalam reaksi kimia, namun
ketika katalis melakukan fungsinya, maka katalis mengalami perubahan baik secara
kimiawi maupun secara fisik yang sangat mempengaruhi kinerja. Oleh karena itu
terdapat 3 parameter utama dari kinerja katalis, yaitu:
1. Aktivitas, yaitu peran katalis yang berkaitan dengan kemampuannya mempercepat
reaksi,
2. Selektivitas atau spesifisitas, yaitu peran katalis yang berkaitan dengan
kemampuannya meningkatkan produk yang diinginkan,
3. Stabilitas atau lifetime, yaitu peran katalis yang berkaitan dengan kemampuannya
menahan hal-hal yang dapat mengarahkan terjadinya deaktivasi katalis.
Untuk setiap reaksi yang dikatalisisnya, katalis harus mempunyai aktivitas kimia,
selektivitas, dan stabilitas yang cukup tinggi. Peningkatan aktivitas tersebut memberikan
beberapa keuntungan, antara lain:
1. Kecepatan reaksi yang lebih tinggi untuk kondisi operasi yang sama.
2. Kecepatan reaksi yang sama, tetapi dengan throughput yang lebih tinggi atau ukuran
reaktor yang lebih kecil.
5| Makalah Kimia Katalis
3. Kecepatan reaksi yang sama pada kondisi yang lebih lunak (berupa suhu atau tekanan
operasi yang lebih rendah), dengan yieldmeningkat, operasi menjadi lebih mudah,
deaktivasi berkurang, dan selektivitas yang lebih baik.
1.6 DEAKTIVASI KATALIS DAN CARA MENGATASINYA
Seiring dengan berlangsungnya proses, katalis dapat mengalami perubahan
sifat kimia dan fisika secara reversibel maupun ireversibel yang mengarah kepada
terjadinya penurunan (atau kehilangan) aktivitasnya. Semua katalis akan mengalami
penurunan (atau kehilangan) aktivitasnya sepanjang waktu penggunaan (time on
stream, TOS). Peristiwa inilah yang dinamakan deaktivasi. Deaktivasi reversibel
bersifat sementara, sehingga katalis dapat diaktifkan kembali dan diregenerasi;
sedangkan deaktivasi ireversibel bersifat permanen, sehingga harus dilakukan
penggantian katalis baru.
Proses deaktivasi dapat berlangsung: sangat cepat, seperti pada katalis-katalis
perengkahan (cracking) hidrokarbon, atau sangat lambat, seperti pada katalis besi
promoted untuk reaksi sintesis amonia, yang dapat digunakan selama beberapa tahun
tanpa kehilangan aktivitas secara berarti (signifikan).
Deaktivasi katalis dapat mempengaruhi kinerja reaktor. Penurunan jumlah
active sites katalis dapat menurunkan aktivitas katalitiknya. Katalis yang telah
terdeaktivasi harus diregenerasi atau bahkan diganti secara periodik. Dengan
mengetahui hal-hal yang dapat menyebabkan deaktivasi, bagaimana deaktivasi dapat
mempengaruhi performa katalis, bagaimana mencegah terjadinya deaktivasi, serta
bagaimana meregenerasi katalis yang telah terdeaktivasi, maka persoalan deaktivasi
ini dapat diminimasi.
Ada 3 macam penyebab deaktivasi secara garis besar, yakni:
1. Fouling (pengerakan),
2. Poisoning (peracunan), dan
3. Sintering.
A. FOULING (PENGERAKAN)
Deaktivasi katalis akibat pengerakan pada umumnya berlangsung cepat.
Pengerakan terjadi jika ada zat-zat dalam reaktor (bisa reaktan, produk, atau
intermediet) terdeposit di atas permukaan katalis dan menutup pori-pori (atau
active sites) katalis secara fisik. Karbon (coke/kokas) merupakan bentuk kerak
6| Makalah Kimia Katalis
yang paling umum, dan proses pembentukannya dinamakan coking. Misalnya,
pembentukan coke(C) pada reaksi perengkahan hidrokarbon dengan katalis
silika-alumina:
C10H22 →C5H12+ C4H10+ C(s)
Bentuk coke yang terbentuk bergantung kepada jenis katalis, suhu, dan
tekanan parsial senyawa-senyawa karbonnya. Beberapa hal yang dapat
dilakukan untuk meminimasi coking:
mengoperasikan reaktor dengan waktu tinggal yang singkat
menambahkan hidrogen ke dalam aliranproses, untuk mengkonversi karbon
(fase gas) menjadi metana
meminimasi suhu upstreamdari unggun (bed) katalis, karena karbon (fase
gas) kurang mudah terbentuk pada suhu rendah.
B. POISONING (PERACUNAN)
Deaktivasi katalis akibat peracunan pada umumnya berlangsung lambat.
Peracunan disebabkan oleh adsorpsi kimia (chemisorption) zat-zat dalam aliran
proses. Zat-zat ini kemudian menutup atau memodifikasi active sites pada katalis.
Racun dapat menyebabkan perubahan morfologi permukaan katalis, baik melalui
rekonstruksi permukaan maupun relaksasi permukaan atau memodifikasi ikatan
antara katalis logam dengan support-nya. Zat yang bisa menjadi racun pada
umumnya adalah pengotor (impurity) dalam aliran umpan, namun produk dari
reaksi yang diinginkan pun bisa berperan sebagai racun. Ada 3 jenis utama racun,
yaitu:
1. Molekul-molekul dengan heteroatom yang reaktif (misal: sulfur)
2. Molekul-molekul dengan ikatan kompleks antar atom (misal: hidrokarbon tak
jenuh)
3. Senyawa-senyawa logam atau ion-ion logam (misal: Hg, Pd, Bi, Sn, Cu, Fe)
Toksisitas sebuah racun P ditentukan oleh besarnyaperubahan entalpi
adsorpsi racun P dan perubahan energi bebas proses adsorpsi, yang menentukan
besarnya konstanta kesetimbangan adsorpsi kimia oleh racun P (KP).Fraksi
permukaan katalis yang tertutupi oleh racun P yang teradsorp secara reversibel
(θP) dapat dihitung menggunakan isoterm adsorpsi Langmuir:
7| Makalah Kimia Katalis
dengan:
KA ≡ konstanta kesetimbangan adsorpsi reaktan A
KP ≡ konstanta kesetimbangan adsorpsi racun P
pA ≡ tekanan parsial reaktan A
pP ≡ tekanan parsial racun P
Aktivitas katalis yang tersisa sebanding dengan fraksi permukaan katalis
yang tidak tertutupi oleh racun (yaitu sebesar 1-θP). Ikatan antara racun dengan
katalis (atau supportkatalis) dapat berlangsung lemah atau kuat. Jika ikatannya
kuat, peracunan akan mengakibatkan terjadinya deaktivasi yang ireversibel.
Namun jika ikatannya sangat lemah, deaktivasi katalis yang teramati dapat
dibalikkan dengan cara mengeliminasi (menghilangkan) pengotor (racun) dari
aliran umpan.
Racun katalis dapat dihilangkan dengan cara:
Pemisahan secara fisik, atau
Treatmentkimia, untuk mengkonversi zat racun menjadi senyawa-senyawa
yang nontoksik, yaitu dengan oksidasi (untuk jenis racun 1)) dan hidrogenasi
(untuk jenis racun 2)).
Jika produk reaksi dapat berperan sebagai racun,maka reaktor harus dioperasikan
pada tingkat konversi yang rendah, dan/atau memisahkan produk tersebut secara
selektif pada tahap intermediet (untuk jenis reaktor multitahap).
C. SINTERING
Deaktivasi katalis akibatsinteringdisebabkan olehpertumbuhan atau
aglomerasi kristal yang akan mengubah struktur kimia katalis atau support-nya.
Structural rearrangementyang teramati selama sintering mengakibatkan
penurunan luas permukaan katalis, dan karenanya mengakibatkan penurunan
banyaknya active sites katalis secara ireversibel.
8| Makalah Kimia Katalis
Pada umumnya sinteringberlangsung jikasuhu lokal katalis melampaui
sepertiga hingga setengah dari suhu leleh (melting-point, Tm)-nya. Batas atas
suhu (yaitu ½ Tm) diterapkan pada kondisi ”kering”, sedangkan batas bawah
suhu (yaitu 1/3 Tm) diterapkan jika ada steam/kukus/uap dalam aliran proses. Hal
ini dikarenakan steam memudahkan terjadinya reorganisasi beberapa logam,
alumina, dan silika. Berikut adalah daftar beberapa katalis logam dengan suhu
sintering-nya.
Untuk mencegah terjadinya sintering (dan/atau proses aglomerasi kristal),
katalis biasanya dimodifikasi melalui penambahan komponen stabilizer yang
mempunyai titikleleh tinggi. Beberapa contoh:
Chromia, alumina, dan magnesia (yang mempunyai titik leleh tinggi) sering
kali ditambahkan sebagai stabilizerpada katalis logam.
Sintering platinum dapat dicegah dengan menambahkan sejumlah kecil
senyawa-senyawa terklorinasi ke dalam aliran gas. Dalam hal ini, klorin
berperan meningkatkan energi aktivasi proses sintering, sehingga kecepatan
sinteringmenjadi turun.
1.7 REGENERASI KATALIS
Aktivitas katalis yang telah terdeaktivasi dapat dipulihkan kembali, secara parsial
maupun sempurna, melalui treatment kimia. Proses regenerasi yang berlangsung lambat
dapat disebabkan oleh meningkatnya batasan termodinamika atau tahanan difusi akibat
menutupnya pori-pori katalis. Peningkatan tahanan difusi ini akan menurunkan
effectiveness factorkatalis. Meskipun kecepatan desorpsi pada umumnya meningkat pada
suhu tinggi, namun pengontakan katalis dengan aliran gas bersuhu tinggi untuk jangka
waktu lama dapat memicu terjadinya sintering dan hilangnya aktivitas katalis secara
ireversibel. Deaktivasi katalis karena peracunan dan pengerakan akan berlangsung
9| Makalah Kimia Katalis
ireversibel, jika zat-zat penyebab deaktivasi tersebut tidak dapat digasifikasi pada suhu di
bawah suhu sintering-nya.
Contoh-contoh kasus regenerasi katalis:
1. Untuk katalis yang teracuni oleh sulfur, ikatan logam-sulfur biasanya diputuskan
dengan menambahkan steam. Contohnya, pada katalis logam nikel:
Ni-S + H2O →NiO + H2S … (i)
H2S + 2 H2O ⇔SO2+ 3 H2… (ii)
Kesetimbangan reaksi (ii) yang menggeser H2S dicapai pada suhu yang sangat
tinggi (>700oC). Artinya, sintering katalis menjadi persoalan (karena suhu
sinteringNi ≈500oC). Selain itu, SO2 biasanya merupakan racun untuk beberapa
katalis. Jika sinteringatau peracunan oleh SO2 menghalangi treatmentregenerasi
dengan steam, maka sulfur yang terdeposit pada katalis Ni biasanya dipisahkan
dengan cara melewatkan aliran gas yang bebas-sulfur pada katalis, pada suhu-
sedang, selama periode waktu tertentu.
2. Regenerasi katalis yang terdeaktivasi oleh cokebiasanya dilakukan dengan proses
gasifikasi menggunakan oksigen, steam, hidrogen, atau karbon dioksida:
C + O2 →CO2............. (iii)
C + H2O →CO + H2... (iv)
C + 2 H2 →CH4........... (v)
C + CO2 →2 CO ........ (vi)
Reaksi (iii) berlangsung sangat eksotermik sehingga dapat menghasilkan suhu
lokal yang tinggi di dalam katalis. Oleh karena itu, suhu harus benar-benar
dikontrol untuk mencegah terjadinya sintering. Unsur-unsur transisi beserta
senyawanya banyak digunakan sebagai katalis, misalnya: Pt, Ni, Fe, HgSO4,
V2O5, dan MnO2.
1.8 TEORI TUMBUKAN
Menurut teori tumbukan, kecepatan reaksi ditentukan oleh faktor frekuensi
tumbukan efektif (f) dan orientasi tumbukan (p). Kedua faktor tersebut terkandung dalam
tetapan pada kecepatan reaksi, yaitu:
k = p. F
10| Makalah Kimia Katalis
Oleh karena tetapan berbanding lurus dengan kecepatan reaksi maka faktor-faktor
tersebut berbanding lurus dengan kecepatan reaksi. Dengankata lain, jika frekuensi
tumbukan tinggi maka kecepatan reaksi akan meningkat, sebaliknya jika frekuensi
tumbukan rendah maka kecepatan reaksi akan menurun.
Menurut pengertian teori tumbukan, selama tumbukan antara
molekul A2 dan B2 (dianggap) ikatan A–A dan B–B putus dan terbentuk ikatan A–B.
Pada gambar 2. ditunjukkan bahwa anggapan itu tidak selamanya berlaku untuk setiap
tumbukan.
Molekul-molekul harus mempunyai orientasi tertentu agar tumbukan efektif
untuk menghasilkan reaksi kimia. Pada gambar 2. ditunjukkan bahwa jumlah tumbukan
yang orientasinya tidak memungkinkan terjadi reaksi umumnya lebih banyak daripada
jumlah tumbukan yang memungkinkan terjadinya reaksi. Hal itu berarti peluang suatu
tumbukan tertentu untuk menghasilkan reaksi umumnya kecil.
11| Makalah Kimia Katalis
BAB II
KATALIS HOMOGEN
2.1 PENGERTIAN KATALIS HOMOGEN
Katalis homogen adalah katalis yang mempunyai fase sama dengan reaktan atau
produk. Pada umumnya berupa fase cair, dengan katalis dan reaktan berada dalam larutan.
Penggunaan katalis homogen ini mempunyai keunggulan, yaitu: memiliki aktivitas dan
selektivitas yang tinggi, tidak mudah teracuni oleh keberadaan pengotor, mudah
dioperasikan, mudah dimodifikasi, mudah untuk dipelajari.
2.2 KINETIKA REAKSI
Penentuan persamaan kinetika reaksi berkatalis homogen, berdasarkan
mekanismenya, dilakukan dengan cara yang sama (analog) dengan kinetika reaksi
homogen dengan berbantuankan hubungan pendekatan neraca massa katalis.
Contoh:
Reaksi enzimatik (berkatalis enzim) fase cair: .... (*)
yang berlangsung dalam reaktor batchisotermal bervolume-tetap.
Mekanisme reaksi yang diperkirakan terjadi untuk reaksi ini:
dengan:
A ≡ reaktan (substrat),
P ≡ produk reaksi,
E ≡ enzim,
AE ≡ zat antara (intermediet) yang merupakan molekul enzim yang terikat pada
reaktan
Berdasarkan persamaan (*): r = -rA= rP .... (**)
Berdasarkan mekanisme reaksi, tahap (ii) lambat, sehingga tahap (ii) menjadi tahap
penentu kecepatan reaksi: r = r tahap (ii) = rP .... (***)
Kecepatan reaksi tahap (ii): r = k2[AE] .... (1)
12| Makalah Kimia Katalis
Pendekatan kesetimbangan untuk reaksi tahap (i): .... (2)
Neraca massa katalis: [E0] = [E] + [AE]atau: [E] = [E0] – [AE] .... (3)
dengan:
[E0] ≡ konsentrasi enzim mula-mula
[AE] ≡ konsentrasi enzim yang berikatan dengan reaktan A pada saat t
[E] ≡ konsentrasi enzim bebas pada saat
Substitusikan (3) ke (2):
. ... (4)
Substitusikan (4) ke (1):
2.3 MEKANISME REAKSI KATALIS HOMOGEN
Mekanisme pada reaksi berkatalis homogen berlangsung melalui tahap-tahap:
1. Tahap pembentukan senyawa kompleks / intermediates (tahap koordinasi)
2. Tahap penyusunan ulang antara molekul-molekul reaktan dengan ligan katalis (tahap
interaksi ligan), dan
3. Tahap eliminasi produk reaksi
2.4 CONTOH REAKSI KATALIS HOMOGEN
Berikut ini merupakan beberapa contoh dari katalis homogen:
Reaksi berkatalis homogen, fase gas
CO (g) + ½ O2(g) →CO2(g) katalis: NO (g)
CH3CHO (g) →CH4(g) + CO (g) katalis: uap I2
Reaksi berkatalis homogen, fase cair
C12H22O11+ H2O →C6H12O6+ C6H12O6 katalis: asam
CH3COOC2H5+ H2O →CH3COOH + C2H5OH katalis: asam
13| Makalah Kimia Katalis
2.5 KELEBIHAN DAN KEKURANGAN KATALIS HOMOGEN
Reaksi katalisis jenis ini terjadi sangat spesifik dan dapat menghasilkan selektivitas
yang tinggi dan biasanya dapat dilakukan pada kondisi operasi yang tidak terlalu sulit.
Walaupun secara operasional reaksi katalisis ini lebih mudah dan lebih tidak
membutuhkan energi, namun katalis homogen ini jarang digunakan dalam industri. Hal
tersebut dikarenakan penggunaan katalis homogen memiliki beberapa kelemahan
diantaranya, yaitu: mencemari lingkungan karena tidak dapat digunakan kembali. Selain
itu, katalis homogen juga umumnya hanya digunakan pada skala laboratorium ataupun
industri bahan kimia tertentu, sulit dilakukan secara komersil, karena operasi pada fase
cair dibatasi pada kondisi suhu dan tekanan, sehingga peralatan lebih kompleks dan
diperlukan peralatan tambahan untuk memurnikan produk dari katalis homogen. Karena
alasan-alasan tersebut, katalisis homogen terbatas penggunaannya di industri, biasanya
dalam pembuatan zat kimia khusus, obat-obatan, dan makanan, kecuali pada produksi
asam asetat, proses alkilasi olefin, dan hidroformilasi. Contoh dari katalis homogen yang
biasanya banyak digunakan dalam produksi biodiesel, seperti basa (NaOH, KOH), asam
(HCl, H2SO4).
Katalis homogen yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari ialah katalis
basa dan katalis asam. Banyak reaksi organik yang bersangkutan yang dengan salah satu
katalis tersebut. Katalis asam bronsted merupakan transfer ion hidrogen dari substrat ke
basa
X + HA HX+ + A- Kemudian HX+ bereaksi
Reaksi tersebut merupakan proses primer dalam pelarutan ester, tantomerisasi
ketonel, dan inversi sukrosa. Sedangkan, katalis basa bronsted merupakan transfer ion
hidrogen dari substrat ke basa :
XH + B X- + BH+ Kemudian X- bereaksi
Reaksi tersebut merupakan tahap primer dalam isomerasi dan halogenasi senyawa organik,
dan dalam reaksi claisen dan adol.
2.6 APLIKASI PENGGUNAAN KATALIS HOMOGEN
Industri Biodiesel
14| Makalah Kimia Katalis
Biodiesel merupakan bahan bakar yang terdiri dari campuran mono--
alkyl ester dari rantai panjang asam lemak, yang dipakai sebagai alternatif bagi bahan
bakar dari mesin diesel dan terbuat dari sumber terbaharui seperti minyak
sayur atau lemak hewan. Sebuah proses dari transesterifikasi lipid digunakan untuk
mengubah minyak dasar menjadi ester yang diinginkan dan membuangasam lemak bebas.
Setelah melewati proses ini, tidak seperti minyak sayur langsung, biodiesel memiliki
sifat pembakaran yang mirip dengan diesel (solar) dari minyak bumi, dan dapat
menggantikannya dalam banyak kasus
Proses pembuatan biodiesel selama ini dengan alkohol dengan minyak tumbuhan
menggunakan katalis homogen berupa NaOH atau KOH. Namun proses pembuatan
biodiesel secara konvesional memiliki beberapa kelemahan, diantaranya terbentuknya
produk samping berupa sabun, rumitnya pemisahan produk biodiesel yang dihasilkan
dengan katalis,.
15| Makalah Kimia Katalis
BAB III
KATALIS HETEROGEN
3.1 PENGERTIAN KINETIKA KATALIS HETEROGEN
Katalis heterogen adalah katalis yang fasenya tidak sama dengan reaktan
atau produk. Pada umumnya fase katalis berupa padatan dan fase reaksi berupa
gas. Penggunaan katalis ini mempunyai keunggulan, yaitu mudah dipisahkan dari
campuran reaksi dengan cara filtrasi, tahan dan stabil terhadap suhu relatif tinggi,
ramah lingkungan, tidak bersifat korosif, dapat digunakan berulangkali dalam
jangka waktu yang lama, mudah disiapkan dalam bentuk pallet katalis padat, dan
konstruksinya sederhana. Selain itu, katalis heterogen dapat meningkatkan
kemurnian hasil karena reaksi samping dapat dieliminasi. Hingga tahun 1980-an:
sekitar 90% katalis yang digunakan di dalam proses industri kimia berupa katalis
heterogen. Mayoritas dari katalis heterogen ini didasari pada silika, terutam sejak
beberapa riset menunjukkan keuntungan dari penggunaan silika, antara lain:
a) Kestabilan yang baik,
b) Luas permukaan yang lebih besar,
c) Mudah dan murah,
d) Kemudahan gugus organik dalam menjangkar ke permukaan, untuk
menyediakan pusat katalitis (Gupta et al, 2008)
3.2 KINETIKA KATALIS HETEROGEN
Reaksi antara gas dengan cairandapat dibagi menjadi 8 kelompok dari reaksi
yang sangat cepat sampai reaksiyang sangat lambat.
Jika diambil reaksi sebagai berikut:
A (g) + Bb (larutan) → hasil
Gas A larutdalam cairan.
B tidak larut dalam phase gas.
Jadi A masuk phase cair dan reaksi hanya terjadi pada phase cair.
Salah satu contoh kinetika dengan reaksi yang sangat cepat adalah sebagai
berikut: Bidang reaksi terletak di dalam lapisancairan. Kecepatan difusi dari A dan B
menentukan kecepatan reaksi. Gas A habis bereaksi di dalam bidang reaksi.
16| Makalah Kimia Katalis
Jika tahanan lapisan gas tidak berpengaruh: kAg= ∞ ; pA= Pa
Dengan:
DBl = koefisiendifusizatBdalamphase cair
DAl = koefisiendifusizatAdalamphase cair
pA = tekananparsiilA
HA = konstantaHenry
kAg = koefisientransfer massaA dalamphase gas
kAl = koefisientransfer massaA dalamphase cair
i = interface
3.3 CONTOH-CONTOH KATALIS HETEROGEN
Contoh-contoh dari katalis heterogen adalah zeolit, CaO, MgO, dan resin
penukar ion. Mekanisme katalis heterogen melalui lima langkah, yaitu: transport
reaktan ke katalis, interaksi reaktan-raktan dengan katalis (adsorpsi), reaksi dari spesi-
spesi yang teradsorpsi menghasilkan prodduk-produk reaksi, deadsorpsi produk dari
katalis, transport produk menjauhi katalis.
Contoh:
Katalis padat Fe untuk Proses Haber pada pembuatan amonia:
N2(g) + 3 H2(g) ↔2 NH3(g)
Katalis padat Fe2O3-BiO2 untuk oksidasi amonia pada pembuatan asam nitrat:
4 NH3(g) + 5 O2(g) ↔4 NO(g) + 6 H2O(g)
Katalis padat Ni pada hidrogenasi hidrokarbon:
R1CH=CHR2(l) + H2(g) →R1CH2CH2R2(l)
(minyak tak jenuh) (lemak jenuh)
Katalis arang (C) pada pembuatan asam khlorida:
H2(g) + Cl2(g) →2 HCl (g)
17| Makalah Kimia Katalis
3.4 MEKANISME RAKSI KATALIS HETEROGEN
Mekanisme yang tepat dari katalis heterogen belum dimengerti secara
sempurna. Walaupun demikian tersedianya elektron d dan orbital d pada atom-atom
permukaan katalis memegang peranan penting. Oleh karena itu aktifitas katalisis
heterogen banyak dilakukan pada sejumlah besar unsur peralihan (transisi) dan
senyawa – senyawanya. Persyaratan kunci dalam katalisis heterogen ialah bahwa
pereaksi fase gas atau larutan diadsorpsi kepermukaan katalis. (Fessenden,1986).
Tidak semua atom – atom permukaan sama efektifnya sebagai katalis, bagian yang
efektif tersebut disebut sisi aktif katalis.
Contoh sederhana katalisis heterogen adalah katalis menyediakan suatu
permukaan dimana pereaksi-pereaksi (atau substrat) untuk sementara terjerap. Ikatan
dalam substrat-substrat menjadi lemah sehingga memadai terbentuknya produk baru.
Ikatan antara produk baru dan katalis lebih lemah sehingga akhirnya terlepas.
Mekanisme dari katalis padat dengan reaktan fasa gas, dimana terjadi pembentukan
kompleks reaktan dengan katalis setelah pembentukan produk adalah sebagai berikut :
1. Reaktan terbawa oleh aliran gas pembawa sampai kepermukaan luar partikel
katalis.
2. Difusi reaktan dari permukaan luar masuk melalui pori dalam partikel katalis.
3. Reaktan diadsorpsi pada sisi aktif katalis sehingga menimbulkan energi adsorpsi
4. Reaksi pembentukan produk antara permukaan sampai terjadinya produk.
5. Produk didesorpsi dari katalis keluar melalui pori bagian partikel katalis.
6. Difusi produk menuju permukaan luar partikel katalis.
7. Produk mengikuti aliran gas pembawa.
3.5 KATALIS PENDUKUNG DIBUTUHKAN OLEH KATALIS HETEROGEN
Katalis heterogen biasanya membutuhkan pendukung (support), karena
pendukung katalis memiliki kekuatan mekanik, tahan panas, mempunyai kerapatan
ruah yang optimal, dan kemampuan pelarutan fase aktif. Pendukung juga
meningkatkan luas permukaan, memiliki pori serta ukuran partikel yang optimal, dan
peningkatan fungsi kimiawi seperti perbaikan aktivitas. Pemilihan pendukung
didasarkan pada beberapa hal :
1. Keinertan
18| Makalah Kimia Katalis
2. Sifat mekanik yang diinginkan, termasuk ketahanan terhadap kikisan, kekerasan
dan ketahanan terhadap tekanan.
3. Kestabilan pada kondisi reaksi dan regenerasi.
4. Luas permukaan, diutamakan yang memiliki luas permukaan besar agar
semakin banyak sisi aktif katalis yang terdistribusi.
5. Porositas, meliputi ukuran pori rata-rata dan distribusi ukuran pori
6. Sifat ekonomis bahan.
3.6 APLIKASI PENGGUNAAN KATALIS HETEROGEN DI BIDANG INDUSTRI
1. Industri Pembuatan Amonia
Amonia merupakan zat kimia yang digunakan sebagai bahan baku pada
pabrik pupuk dan pabrik bahan peledak. Amonia disintesis dari gas N2 dan H2
dengan reaksi sebagai berikut:
Pada suhu kamar, reaksi berlangsung lambat. Untuk mempercepat laju reaksi, ke
dalam zat pereaksi ditambahkan katalis.
Gambar 1. Bagan Sintesis Amonia
Proses sintesis amonia menggunakan katalis ini ditemukan oleh ahli kimia
Jerman, Fritz Haber pada 1905 sehingga proses ini dikenal dengan nama
Proses Haber. Katalis yang digunakan adalah logam besi yang merupakan
katalis heterogen. Katalis dapat dibuat lebih aktif dengan menambahkan
aluminium oksida dan kalium oksida.
19| Makalah Kimia Katalis
N2(g) +3H2(g) → 2NH3(g)
Di Indonesia, terdapat beberapa perusahaan milik pemerintah (Bahan
Usaha Milik Negara/ BUMN) yang memproduksi amonia untuk digunakan
sebagai bahan baku pembuatan pupuk. Perusahaan-perusahaan tersebut di
antaranya, PT Pupuk Kujang di Cikampek, Jawa Barat; PT Pupuk Iskandar
Muda di Nanggroe Aceh Darussalam; PT Pupuk Sriwijaya di Palembang,
Sumatera Selatan; PT Pupuk Kalimantan Timur di Bontang, Kalimantan
Timur; PT Petrokimia di Gresik, Jawa Timur.
2. Industri Otomotif
Gas buang mesin merupakan salah satu pousi udara yang paling besar.
Oleh karena itu digunakanlah catalytic conventer yang merupakan alat yang
digunakan sebagai kontrol emisi gas buang yang diletakkan setelah exhaust
manifold pada sistem kendaraan bermotor (Husselbee,1985).
Katalis automotive (converter) ini pertama kali didesain pada tahun 1975 di
US yang bertujuan untuk mengurangi polusi udara dengan cara mengkonversi
gas karbonmonoksida (CO), nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC)
yang merupakan gas buang dari reaksi pembakaran bahan bakar yang tidak
sempurna pada kendaraan bermotor (Shelef, 2000).
Gas karbonmonoksida (CO), nitrogen oksida (NOx) dan kidrokarbon (
HC) yangmerupakan gas buang dari kendaraan pada saat pembakaran yang
sangat merugikan manusia.Terbuangnya gas CO yang dapat mengurangi kadar
oksigen dalam lingkungan sehingga bila terhirup manusia menyebabkan kadar
oksigen di dalam darah berkurang.Hal ini disebabkan karena gas CO akan
lebih mudah bereaksi dengan hemoglobin (Hb) yang mengakibatkan
kemampuan darah untuk mentransfer oksigen berkurang. Selain gas CO, gas
lain yang juga merupakan hasil pembuangan pada proses pembakaran adalah
gas HC. Gas HC dapat menyebabkan iritasi mata, batuk, rasa mengantuk dan
bercak kulit. Sedangkan gas NOx dapat mengganggu sistem pernafasan dan
merusak paru-paru. NOx juga dapat bereaksi dengan air membentuk hujan
asam dan sangat berbahaya bagi lingkungan (Hardianto, 1998).
Katalis yang digunakan pada alat ini ialah logam-logam mulia, seperti
Platinum (Pt), Rhodium (Rh), dan Palladium (Pd). Logam-logam mulia
tersebut mempunyai aktifitas spesifik yang tinggi sehingga menghasilkan
konversi yang besar (Shelef, 2000). Palladium berfungsi sebagai katalis reaksi
20| Makalah Kimia Katalis
oksidasi, rhodium digunakan sebagai katalis rekasi reduksi dan platina dapat
melakukan kedua reaksi tersebut (oksidasi dan reduksi). Logam lain yang
terkadang digunakan walaupun secara terbatas adalah cerium, besi, mangan,
tembaga dan nikel. Digunakan secara terbatas karena memiliki produk
sampingan yang juga cukup berbahaya. Nikel dilarang di uni eropa karena
reaksinya dengan CO menghasilkan nikel tetrakarbonil. Sedangkan tembaga
dilarang di amerika utara karena menghasilkan senyawa dioksin. Ada beberapa
tahapan pada catalytic converter.
a) Tahap awal dari proses yang terjadi pada Catalytic Converter adalah reaksi
reduksi.
Catalytic converter menggunakan platina dan rhodium sebagai katalis
logam pada reaksi reduksi. Ketika gas NOx (NO atau NO2) masuk ke dalam
catalytic converter, katalis logam akan mengadsorpsi dan menyimpan atom
Nitrogen dan membebaskan oksigen dalam bentuk gas Oksigen (O2). Atom
Nitrogen yang tersimpan akan bereaksi dengan atom nitrogen lainnya yang
teradsorpsi pada katalis membentuk gas Nitrogen (N2). Reaksi yang terjadia
dalah sebagai berikut:
2NO(g) → N2(g) + O2(g) atau
2NO2 (g) → N2(g) + 2O2(g)
b) Tahap kedua dari proses yang terjadi pada Catalytic Converter adalah reaksi
oksidasi.
Katalis logam yang digunakan catalytic converter untuk reaksi oksidasi
adalah Platina atau Paladium. Katalis logam tersebut membantu proses
pengubahan emisi gas buang seperti gas Karbon monoksida (CO) dan sisa
hidrokarbon menjadi gas karbondioksida (CO2). Reaksi yang terjadi adalah
sebagai berikut:
2 CO(g) + O2(g) = 2CO2 dan
CxHy(g) + O2(g) = CO2 (g) + H2O(g)
c) Tahap ketiga adalah sistem kontrol yang mengawasi aliran gas buang pada
catalytic converter. Informasi yang didapatkan pada sistem kontrol digunakan
untuk mengatur perbandingan laju alir udara terhadap bahan bakar yang
21| Makalah Kimia Katalis
masuk ke ruang pembakaran. Sistem kontrol memungkinkan catalytic
converter bekerja sedekat mungkin dengan titik stoikiometri (Farrauto, 1999) .
Mekanisme reaksi rektan (CO, HC dan NOx) pada permukaan katalis
mengikuti mekanisme tipe Langmuir-Hinselwood, di mana masing-masing
reaktan
akanteradsorpsi pada permukaan katalis membentuk pusat aktif, kemudian ked
ua pusat aktif bereaksi pada permukaan menghasilkan produk yang selanjutny
a didesorpsi, sebagai contoh adalah reaksi CO dan O2 pada permukaan katalis
Pt menghasilkan molekul CO2 seperti yang terlihat padaGambar di bawah ini
(Ertl, 2008) .
Gambar 2. Mekanisme Adsorpsi CO pada Permukaan Katalis Pt
3. Industri Kimia
Salah satu katalis heterogen yang paling terkenal yaitu katalis Zeolit.
Katalis ini telah banyak digunakan dalam bidang industri kimia baik sebagai
penukar ion, dan pemisahan gas. Hal ini dikarenakan katalis zeolit dapat
mengkatalisa beberapa reaksi seperti crakcing, isomerisasi dan sintesa
hidrokarbon. Peran dan aktivitas zeolit dalam mengkatalisa sangat ditentukan
oleh jumlah dan situs asam yang terdapat pada permukaan. Karena kekuatan
asam zeolit alam berada pada daerah yang lebar maka selektivitas katalis
22| Makalah Kimia Katalis
menjadi rendah. Dengan demikian perlu dilakukan penyeragaman kekuatan
asam katalis yang dapat dilakukan dengan cara dealuminasi parsial.
Katalis zeolit dapat digunakan dengan beberapa metoda.Metoda yang
paling sering digunakan untuk mendistribusikan logam Ni dalam zeolit
dilakukan dengan cara impregnasi dan ion exchange. Pada metoda ion
exchange, cara memasukkan kation ke dalam kerangka zeolit dilakukan
melalui pertukaran antara kation alkali atau alkali tanah dengan larutan garam
logam prekursor. Bila ion exchange berlangsung pada zeolit alam, maka
dengan cara menukarkan logam alkali atau alkali tanah dengan ion Ni2+ dan
reaksi ini berlangsung pada temperature 180o
4. Industri Minyak
Minyak mentah juga dapat diproses melalui metode cracking. Dalam
metode ini, senyawa hidrokarbon rantai panjang diubah menjadi senyawa
hidrokarbon rantai pendek dengan pemanasan untuk memutuskan ikatan
karbon-karbon. Hidrokarbon akan merengkah jika dipanaskan jika
temperaturnya melebihi 350-400 oC dengan atau tanpa bantuan katalis. Parafin
adalah hidrokarbon yang paling mudah merengkah, disusul dengan senyawa-
senyawa naftena. Sedangkan senyawa aromatik sangat sukar merengkah. Proses
perengkahan yang terjadi hanya karena pemanasan dinamakan perengkahan
termal (thermal cracking). Untuk menghemat penggunaan panas, maka
digunakan katalis dan proses ini dinamakan catalytic cracking. Senyawa yang
biasa digunakan sebagai katalis yaitu zeolit (senyawa kompleks aluminosilikat)
dan suhu reaksi adalah sekitar 500˚C (lebih rendah daripada tidak menggunakan
katalis). Karena campuran menunjukkan sifat seperti liquid (padahal campuran
terdiri dari senyawa gas dan padatan) maka dikenal sebagai fluid catalytic
cracking. Reaksi ini adalah contoh dari reaksi katalisis heterogen (katalis yang
memiliki perbedaan fasa dengan reaktan). Ketika reaksi telah selesai dilakukan,
produk akan dihasilkan dan dipisahkan dengan distilasi.
Reaksi yang terjadi adalah :
23| Makalah Kimia Katalis
4. Industri polimer
Polimerisasi Ziegler-Natta merupakan metode sintetis polimer dengan
monomer yang memiliki ikatan rangkap, termasuk jenis polimerisasi adisi, metode
ini sesuai dengan namanya, ditemukan oleh dua ilmuawan yaitu Ziegler dan Natta.
Polimerisasi Ziegler-Natta menggunakan sistem katalis dan ko-katalis dalam
reaksi polimerisasinya. Katalis ini merupakan senyawa komplek dari golongan I –
III dengan halida dan turunan logam transisi golongan IV – VII.
Katalis Ziegler-Natta biasanya adalah senyawa TiCl3 sebagai ko-katalis
yang digunakan adalah TiCl3 dan Al(C2H5)2Cl atau TiCl4 dengan
Al(C2H5)3. Reaksi antara katalis dan ko-katalis ini akan menghasilkan suatu
komplek yang selanjutnya akan bereaksi dengan molekul propilena. Pada
proses pengakhiran, polimerisasi Ziegler-Natta dilakukan dengan
menambahkan molekul Hidrogen akan memutuskan pertumbuhan rantai
polimer. Polimer Komersial yang Dibuat dengan Katalis Ziegler–Natta, antara
lain: Polietilena, Polipropilena, Kopolimer etilena dan 1-alkena, Polibutena-1,
Polimetilpentena, Polisikloolefin, Polibutadiena, Poliisoprena, Poli-alfa-olefin
amorf (APAO), Poliasetilena.
3.7 PERBANDINGAN KATALIS HOMOGEN DAN HETEROGEN
Tabel 1. Perbandingan Karakteristik Katalis Heterogen dengan Homogen
No Karakteristik Katalis Heterogen Katalis Homogen
1 Pusat Reaktif Hanya pada permukaan Semua atom logam
2 Bentuk Padat, sering kali logam
atau oksida logam
Kompleks logam
3 Jumlah Banyak Kecil
4 Sensitivitas terhadap
Racun
Tinggi Rendah
5 Masalah Difusi Terjadi Tidak Terjadi
6 Spesifik/ Selektivitas Variabel (rendah) Tinggi
24| Makalah Kimia Katalis
7 Stoikiometri Lebih sulit diketahui Dapat diketahui
8 Modifikasi Sukar Mudah
9 Kondisi Reaksi Tinggi Ringan
10 Pemisahan Katalis Mudah Sulit
11 Kejelasan Mekanisme Sulit Mungkin
12 Daur Ulang (Recycling) Mudah Sukar dan Mahal
13 Rata-Rata Waktu Pakai Variabel Lama
25| Makalah Kimia Katalis
BAB IV
BIOKATALIS
4.1 PENGERTIAN BIOKATALIS
Biokatalis atau yang biasa disebut dengan enzim merupakan senyawa protein
berukuran koloid. Enzim biasa dijumpai dalam sistem biokimia dan makhluk hidup. Setiap
enzim mempunyai suhu optimum (suhu operasi ketika aktivitasnya mencapai maksimum).
Peningkatan suhu di atas suhu optimumnya akan mengakibatkan kerusakan enzim
(denaturasi protein).
4.2 KINETIKA REAKSI
Menurut Michaelis –Menten, laju awal reaksi enzimatis dapat ditentukan berdasarkan
fungsi terhadap konsentrasi substrat dan parameter yg berpengaruh dalam enzim. Berikut
ini merupakan persamaan reversibel dari kinetika reaksi Michaelis –Menten:
26| Makalah Kimia Katalis
4.3 MEKANISME KERJA BIOKATALIS
Ada dua model yang menjelaskan tentang mekanisme kerja enzim terkait
kespesifikannya terhadap substrat yaitu :
a. Model Kunci dan Gembok (Lock and Key)
Model ini diajukan oleh Emil Fischer pada tahun 1894 yang menjelaskan bahwa
enzim dan substrat memiliki bentuk yang saling memenuhi seperti kunci dan
gemboknya bentuknya kaku dan tetap (tidak berubah-ubah).
b. Model Ketepatan Induksi (Induced-fit)
Model Ketepatan Induksi merupakan modifikasi model kunci dan gembok yang
diajukan oleh Daniel Koshland pada tahun 1958. Ia menjelaskan oleh karena enzim
memiliki struktur yang fleksibel, sehingga sisi aktifnya dapat secara terus menerus
berubah bentuk sesuai interaksinya dengan substrat. Akibatnya, substrat tidak
berikatan dengan sisi aktif yang kaku. Rantai-rantai samping asam amino dapat
berubah sesuai dengan substrat dan mengijinkan enzim untuk menjalankan fungsi
katalitiknya.
4.4 KEUNGGULAN DAN KELEMAHAN BIOKATALIS
Enzim atau biokatalis memiliki keunggulan sifat (aktivitas tinggi, selektivitas dan
spesifitas) sehingga dapat dapat membantu proses–proses kimia kompleks pada kondisi
lunak dan ramah lingkungan. Kelemahannya antara lain sangat mahal, sering tidak stabil,
mudah terhambat, tidak dapat diperoleh kembali setelah dipakai.
4.5 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI BIOKATALIS
Enzim sebagai biokatalisator berstruktur protein dalam mekanisme kerjanya
aktiitasnya dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu antara lain, pH, Suhu, konsentrasi
substrat, konsentrasi enzim, kehadiran aktiator atau inhibitor.
1. pH (Derajat Keasaman)
pH merupakan salah satu faktor penting yang harus diperhatikan apabila
kita bekerja dengan enzim, hal ini dikarenakan enzim hanya mau dan mampu
bekerja pada kondisi pH tertentu saja. Suatu kondisi pH di mana enzim dapat
bekerja dengan aktivitas tertinggi yang dapat dilakukannya dinamakan dengan pH
27| Makalah Kimia Katalis
optimum. Sebaliknya pada pH tertentu enzim sama sekali tidak lagi aktif atau
bahkan rusak.
2. Suhu / Temperatur
Seperti halnya oleh pH, aktivitas kerja enzim juga dipengaruhi oleh
temperatur lingkungan dimana ia bekerja. Seperti reaksi kimia biasa suhu biasanya
dapat mempercepat proses reaksi, namun demikian pada titik suhu tertentu
kecepatan reaksi yang dikatalisis oleh enzim akan mulai menurun bahkan
aktivitasnya tidak lagi nampak. Kondisi suhu di mana enzim dapat menghasilkan
aktivitas tertinggi dinamakan suhu atau temperatur optimum. Oleh karena enzim
berstruktur protein, sebagaimana kita ketahui bahwa protein dapat dirusak oleh
panas, sehingga pada suhu tinggi tertentu aktivitas enzim mulai menurun dan
bahkan aktiitasnya menghilang. Hal ini sangat dimungkinkan karena terjadinya
denaturasi atau kerusakan struktur protein oleh pengaruh panas. Panas yang
berlebihan akan menybabkan terjadinya kerusakan struktur enzim yang dapat
menybabkan kerusakan enzim baik secara keseluruhan maupun sebagian terutama
sisi aktifnya.
3. Konsentrasi Substrat
Reaksi-reaksi biokimia yang diktalisis oleh enzim diperngaruhi pula oleh
jumlah substrat. Jika kita melakukan pengujian konsentrasi substrat dari rendah ke
tingi terhadap kecepatan reaksi enzimatis, maka pada awalnya akan diperoleh
hubungan kesebandingan yang menyatakan kecepatan reaksi akan mkeningkat
seiring dengan meninkatnya konsentrasi substrat, namun kemudian akan diperoleh
data yang menyatakan pada konsentrasi substrat tinggi tertentu kecepatan reaksi
tidak lagi bertambah. Pada kondisi ini konsentrasi substrat menjadi jenuh dan
kecepatan reaksi menjadi maksimum yang sering juga disebut sebaai kecepatan
maksimum (Vmax). Hubungan antara konsentrasi substrat dan kecepatan reaksi
biasanya dinyatakan dengan konstanta Michelis-Menten (KM). Nilai KM
didefinisikan sebagai konsentrasi substrat tertentu pada saat kecepatan reaksi
enzimatis mencapai setengah dari kecepatan maksimumnya. Hubungan tersebut
dapat digambarkan dalam sebuah kurva yang dikenal sebaai Kurva Michelis-
Menten.
4. Konsentrasi Enzim
28| Makalah Kimia Katalis
Peningkatan konsentrasi enzim dalam suatu reaksi biokimia akan
meningkatkan kecepatan kecepatan reaksi yang dikatalisisnya.
5. Kehadiran aktivator/inhibitor.
Aktivator adalah zat atau senyawa yang dapat menyebabkan meninkatnya
aktiitas enzim apabila ia berada pada saat terjadinya reaksi, dan sebaliknya inhibitor
adalah zat yang dapat menghambat aktivitas reaksi.
4.6 APLIKASI PENGGUNAAN BIOKATALIS DI BIDANG INDUSTRI
Industri Roti
Katalis yang digunakan dalam pembuatan roti adalah enzim zimase yang
merupakan biokatalis. Penambahan zimase dilakukan pada proses peragian atau
pengembangan roti. Ragi ditambahkan ke dalam adonan sehingga glukosa dalam
adonan terurai menjadi etil alkohol dan karbon dioksida. Penguraian ini berlangsung
dengan bantuan enzim zimase yang dihasilkan ragi.
Pada proses ini, CO2 berfungsi mengembangkan adonan roti. Banyaknya rongga
kezil yang terdapat pada roti merupakan bukti terjadinya gelembung CO2 saat
peragian.
Industri Makanan dan Minuman
Beberapa contoh jenis enzim yang umum dan banyak digunakan dalam industri
makanan dan minuman antara lain :
1. Rennet
Rennet adalah enzim yang digunakan dalam proses pembuatan keju (cheese)
yang terbuat dari bahan dasar susu. Susu adalah cairan yeng tersusun atas
protein yang terutama kasein yang dapat mempertahankan bentuk cairnya.
Rennet merupakan kelompok enzim protease yang ditambahkan pada susu
pada saat proses pembuatan keju. Rennet berperan untuk menghidrolisis
kasein terutama kappa kasein yan berfungsi mempertahankan susu dari
pembekuan. Enzim yang paling umum yang diisolasi dari rennet adalah
chymosin. Chymosin dapat diisolasi dari beberapa jenis binatang, mikroba
29| Makalah Kimia Katalis
atau sayuran, akan chymosin yang berasal dari mikroorganisme lokal atau
asli yang belum mendapat rekayasa gebetik kadang aplikasinya dalam
pembuatan keju atau cheddar menjadi kurang efektif.
2. Laktase
Lactase adalah enzim likosida hidrolase yang berfungsi untuk memecah
laktosa menjadi gula penyusunnya yaitu glukosa dan galaktosa. Tanpa
suplai atau produksi enzim laktase yang cukup dalam usus halus, akan
menyebabkan terjadinya lactose intolerant yang mengakibatkan rasa tidak
nyaman diperut seperti kram, banyak buang gas, atau diare) dalam saluraqn
cerna selama proses pencernaan produk-produk susu. Secara komersial
laktase digunakan untuk menyiapkan produk-produk bebas laktosa seperti
susu. Ini juga dapat digunakan untuk membuat es krim untuk membuat
cream dan rasa produk yang lebih manis. Laktase biasanya diisolasi dari
yeast (Kluyveromyces sp.) dan fungi (Aspergillus sp.).
3. Katalase
Katalase adalah enzim yang dapat diperoleh dari hati sapi (bovine livers)
atau sumber microbial. Dan digunakan untuk mengubah hydrogen peroksida
menjadi air dan molekul oksigen. Enzim ini digunakan secara terbatas pada
proses produksi keju.
4. Lipases
Lipase digunakan untuk memecah atau menghidrolisis lemak susu dan
memberikan flavour keju yang khas. Flavour dihasilkan oleh karena adanya
asam lemak bebas yang diproduksi ketika lemak susu dihidrolisis. Selain
pada industri engolahan susu juga pada industri lainnya.
5. Protease
Protease adalah enzim yang berfungsi untuk menghidrolisis ikatan peptida
dari senyawa-senyawa protein dan diurai menjadi senyawa lain yang lebih
sederhana (asam amino). Contoh protease yang dapat dimanfaatkan adalah
bromelin dan papain sebagai bahan pengempuk daging.
6. Amilase
Amilase merupakan enzim yang berfungsi untuk menghidrolis amilum
(pati) menjadi gula-gula sederhana seperti dekstrin dan glukosa. Enzim
amilase dapat digunakan dalam proses pembuatan biskuit, minuman
beralkohol, dan pembuatan sirup glukosa.
30| Makalah Kimia Katalis
BAB V
TEKNIK PEMBUATAN KATALIS
Tujuan utama dari suatu metode preparasi adalah untuk mendistribusikan fasa
aktif (metal) dengan cara yang paling efesien (misalnya dalam bentuk terdispersi, yaitu
untuk memperoleh luas permukaan spesifik yang besar dan juga aktivitas maksumumum
persatuan berat dari senyawa aktif) pada permukaan padatan penyangga. Secara garis
besar pembuatan katalis yang biasa digunakan:
1. Proses pembuatan katalis dengan impregnasi
Impregnasi merupakan metode deposisi yang paling sederhana dan simpel
dilakukan dengan cara perendaman. Tujuannya adalah untuk memenuhi pori dengan
konsentrasi yang cukup untuk memberikan loading yang tepat. Larutan dibuat dalam
jumlah yang cukup untuk mengisi pori dan hasrus didasarkan pada perhitungan
volume pori pada preparasi oksida tunggal, hanya saja larutan garam logam tidak
mengalami perlakuan pemanasan. Partikel penyangga dimasukkan dalam larutan
garam logam dan setelah larutan mengisi pori penyangga, dilakukan pengeringan dan
kalsinasi. Apabila loading yang dikehendaki belum terpenuhi, maka dilakukan
perendaman penyangga lagi untuk pengisian pori kembali sampai loading terpenuhi.
Dengan demikian, metode ini memberikan loading sebesar volume pori yang tersedia.
Menurut teknik pembuatannya, preparasi katalis dengan metode impregnasi
dibagi menjadi dua, yaitu:
a) Impregnasi Basah
Pada metode ini penyangga dibasahi dengan sejumlah larutan yang
mengandung senyawa logam yang sesuai dengan volume pori-pori penyangga.
Setelah itu, dikeringkan. Keuntungan cara ini adalah proses pembuatannya
sederhana, murah, dan pemuatan logam dapat dilakukan berulang kali.
Sedangkan kelemahannya adalah jumlah logam yang terimpregnasi sangat
tergantung pada kelarutan senyawa logam tersebut.
b) Impregnasi Rendam
Pada metode ini penyangga dicelupkan dalam suatu larutan senyawa
logam. Larutan diaduk selama beberapa waktu tertentu, disaring dan hasilnya
dikeringkan. Sedangkan cairan induknya dapat dimanfaatkan kembali. Cara ini
31| Makalah Kimia Katalis
sering digunakan pada jenis prekursor yang berinteraksi dengan penyangga.
Secara industri, proses ini lebih mahal karena produktivitas tendah dan sistem
daur ulang cairan induknya cukup rumit.
2. Proses pembuatan katalis dengan presipitasi
Secara umum prosedur presitisipasi adalah mengontakkan larutan garam
logam dengan larutan alkali, ammonium hidroksida, atau natrium karbonat untuk
mengendapkan logam hidroksida atau logam karbonat. Dasar pemilihan senyawa
yang akan digunakan dalam metode presiptitasi berdasarkan pada kemudahan
perolehannya dan sifat kelarutannya dalam air. Berikut ini tahap pembuatan katalis
dengan metode presipitasi:
32| Makalah Kimia Katalis
3. Proses pembuatan katalis dengan adsorpsi
Penyangga yang berada pada larutan garam logam akan mengadsorpsi
sejumlah ion garam dan mengalami kesetimbangan mengikuti aturan adsorpsi
isotermis. Adsorpsi merupakan metode merupakan metode yang dipilih untuk
mendeposisikan inti aktif.
4. Proses pembuatan katalis dengan pertukaran ion
Pertukaran ion pada preparasi katalis sangat serupa dengan adsorpsi, akan
tetapi masuknya inti aktif melibatkan terjadinya pertukaran ion antara inti aktif
dengan ion yang telah berikatan kimia di permukaan katalis. Pertukaran ion selain
bertujuan untuk memasukkan inti aktif juga berguna dalam menghilangkan senyawa
berbahaya dan dapat juga menambah promoter. Karena pertukaran ion hanay dapat
terjadi antara inti aktif yang dimasukkan dengan ion yang terikat secara kimia oleh
katalis, maka loading yang dicapai sangat kecil tergantung dengan jumlah ion yang
dapat dipertukarkan yang biasanya kurang dari 1% dari berat katalis.
33| Makalah Kimia Katalis
BAB VI
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Dari pembahasan diatas dapat diambil kesimpulan bahwa katalis adalah zat yang
dapat mempercepat laju reaksi tanpa ikut terpakai. Larutan dalam reaksinya apabila tanpa
ditambah dengan katalisator mempunyai laju reaksi yang lebih lambat dibandingkan
dengan larutan yang berkatalisator. Fungsi katalisator dalam reaksi kesetimbangan
adalah mempercepat tercapainya kesetimbangan dan tidak merubah letak kesetimbangan
(harga tetapan kesetimbangan Kc tetap), hal ini disebabkan katalisator mempercepat
reaksi ke kanan dan ke kiri sama besar.
DAFTAR PUSTAKA
Brady, E James. Th. Kimia Univesitas Asas Dan Struktur. Tangerang: Binarupa Aksara
Chang, Raymond. 2004 . Kimia Dasar Jilid 2. Jakarta : Erlangga
Sastrohamidjodjo, Hardjono. 2005. Kimia Dasar. Yogyakarta : UGM Press
http//www.chemis-try.org.com
34| Makalah Kimia Katalis