KATALIS

Dari pembahasan sebelumnya mengenai mekanisme reaksi, kita telah melihat dalam penguraian hidrogen peroksida bahwa laju reaksi bergantung pada konsentrasi ion iodida meskipun I tidak muncul dalam persamaan keseluruhan. Kita perhatika bahwa I bertindak sebagai katalis untuk reaksi itu. Katalis adalah zat yang meningkatkan laju reaksi tanpa ikut terpakai. Katalis dapat bereaksi membentuk zat antara, tetapi akan diperoleh kembali dalam tahap reaksi berikutnya.

Dalam pembuatan molekul oksigen di laboratorium, sampel kalium klorat dipanaskan:

2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)

Namun, penguraian termal ini sangat lambat tanpa adanya katalis. Laju penguraian dapat ditingkatkan secara drastis dengan menambahkan sedikit katalis mangan dioksida (MnO2), yaitu suatu zat berwujud serbuk hitam. Semua MnO2 dapat diperoleh kembali pada akhir reaksi, sama seperti semua ion I yang tetap ada setelah penguraian H2O2.

Katalis mempercepat reaksi dengan menyediakan serangakaian tahapan elementer dengan kinetika yang lebih baik dibandingkan jika tanpa katalis. Dari persamaan Arrhenius kita ketahui bahwa konstanta laju k (dan dengan demikian lajunya) reaksi bergantung pada faktor frekuensi A dan energi aktivasi Ea; semakin besar A atau semakin kecil Ea, semakin tinggi lajunya. Dalam banyak kasus, katalis meningkatkan laju dengan cara menurunkan energi aktivasi reaksinya.

Mari kita Anggap bahwa reaksi berikut memiliki konstanta laju k tertentu dan energi aktivasi Ea:

A + B → C + D (dengan konstanta laju k)

Namun demikian, dengan kehadiran katalis,konstanta lajunya adalah kc (disebut konstanta laju katalitik);

A + B → C + D (dengan konstanta laju kc)

Berdasarkan definisi katalis,

lajuberkatalis > lajutak berkatalis

Gambar di bawah menunjukan energi potensial untuk kedua reaksi di atas. Perhatikan bahwa energi total dari reaktan (A dan B) dan energi total dari produk (C dan D) tidak dipengaruhi oleh katalis. Satu-satunya perbedaan diantara keduanya adalah penurunan energi aktivasi dari Ea menjadi Ea’. Karena energi aktivasi untuk reaksi ke kiri juga turun, katalis meningkatkan laju reaksi ke kiri sama besarnya dengan laju reaksi ke kanan.

katalis
Perbandingan energi Aktivasi antara:
(a) reaksi tanpa katalis
(b) reaksi yang sama, tetapi menggunakan katalis

JENIS KATALIS

Terdapat tiga jenis katalis yang umum, tergantung jenis zat yang menaikkan lajunya: katalis heterogen, katalis homogen, dan katalis enzim.

1. Katalis Heterogen

Dalam katalis heterogen, reaktan dan katalis berbeda fasa. Biasanya katalis berupa padatan dan reaktan berwujud gas atau cairan. Katalis heterogen sejauh ini adalah jenis katalis yang paling penting dalam industri kimia, terutama dalam sintesis merbagai bahan kimia penting. Disini dijelaskan dua contoh katalis heterogen yang spesifik.

Pembuatan asam Nitrat

Asam Nitrat adalah salah satu asam anorganik yang paling penting. Asam ini digunakan dalam produksi pupuk, zat warna, obat-obatan, dan bahan peledak. Metode industri yang utama dalam memproduksi asam nitrat adalah proses Ostwald. Bahan awalnya, yaitu ammonia dan molekul oksigen, dipanaskan dengan tambahan adanya katalis platina-rodium sampai sekitar 800oC:

4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g)

Nitrogen oksida yang terbentuk mudah teroksidasi (tanpa katalis) menjadi nitrogen dioksida:

2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)

Ketika dilarutkan di dalam air, NO2 membentuk asam nitrit dan asam nitrat:

2NO2(g) + H2O(l) → HNO(aq) + HNO3(aq)

Jika dipanaskan, asam nitrit berubah menjadi asam nitrat sebagai berikut:

3HNO2(aq) → HNO3(aq) + H2O(l) + 2NO(g)

NO yang dihasilkan dapat didaur-ulang untuk menghasilkan NO2 pada tahap kedua.

Konverter Analitik

Pada suhu tinggi di dalam mesin mobil yang sedang berjalan, gas nitrogen dan oksigen bereaksi menjadi nitrogen oksida.

N2(g) + O2 ↔ 2NO(g)

Ketika lepas ke atmosfer, NO segera bergabung dengan O2 membentuk NO2. Nitrogen dioksida dan gas lain yang diemisikan oleh mobil, seperti karbon monoksida (CO) dan berbagai hidrokarbon yang tidak terbakar, menjadikan mobil sebagai sumber pencemar udara yang utama.

Sebagian besar mobil baru dilengkapi dengan koverter katalitik. Konverter katalitik yang efisien memiliki dua tujuan; Mengoksidasi CO dan hidrokarbon-hidrokarbon yang tidak terbakar menjadi CO2 dan H2O, dan mereduksi NO dan NO2 menjadi N2 dan O2. Gas buang panas yang telah diinjeksi dengan udara dilewatkan ke bilik pertama dari salah satu converter untuk mempercepat pembakaran hidrokarbon yang sempurna dan untuk menuurunkan emisi CO. (Gambar di bawah menunjukan penampang melintang dari converter katalitik, mengandung Pt atau Pd atau oksida logam transisi seperti CuO atau Cr­2O3). Namun, karena suhu tinggi meningkatkan produksi NO, diperlukan satu lagi bilik kedua yang berisi katalis berbeda (logam transisi atau oksida logam transisi) dan bekerja pada suhu yang lebih rendah untuk menguraikan NO menjadi N2 dan O2 sebelum dibuang lewat knalpot.

katalis
Katalitik konverter pada mobil yang memiliki dua tahap

2. Katalis Homogen

Dalam katalis homogen, reaktan dan katalis terdispersi dalamsatu fasa, biasanya fasa cair. Katalis asam dan basa adalah jenis katalis homogen yang paling penting dalam larutan berwujud cairan. Contohnya, reaksi etil asetat dengan air yang menghasilkan asam asetat dan etanol biasanya berlangsung sangat lambat sehingga sukar diukur.

katalis

Tanpa kehadiran katalis, hukum lajunya adalah:

Laju = k [CH3COOC2H5]

Namun, reaksi dapat dikatalisis oleh asam. Dengan bantuan asam klorida, lajunya menjadi

Laju = kc [CH3COOC2H5][H+]

3. Katalis Enzim

Dari semua proses rumit yang ada dalam sistem makhluk hidup, tidak satu pun yang lebih menarik atau lebih penting daripada katalis enzim. Enzim adalah katalis biologis. Kenyataan yang menakjubkan tentang enzim adalah bahwa enzim tidak saja dapat meningkatkan laju reaksi biokimiawi sebanyak sekitar 106 sampai 1018 kali, tetapi enzim juga sangat spesifik. Satu enzim hanya bekerja untuk molekul-molekul tertentu yang disebut substrat (dengan kata lain, reaktan), dan tidak mengganggu bagian lain dari sistem itu. Telah diperkirakan bahwa rata-rata sel hidup dapat mengandung sampai 3000 enzim yang berbeda, masing-masing mengkatalisis reaksi spesifik yang substratnya dikonversi menjadi produk yang sesuai. Katalis enzim biasanya merupakan katalis homogen dengan substrat dan enzim berada dalam larutan berair yang sama.

Enzim umumnya adalah suatu molekul protein berukuran besar yang mengandung satu atau lebih tapak aktif tempat terjadinya interaksi enzim dengan substrat. Tapak-tapak ini memiliki struktur sesuai dengan molekulnya, sama seperti kunci yang sesuai dengan gembok tertentu. Akan tetapi, molekul enzim (atau setidaknya tapak aktifnya) memiliki struktur yang agak lentur dan dapat dimodifikasi bentuknya agar pas dengan berbagai jenis substrat.

katalis
Model enzim gembok-kunci yang menggambarkan kespesifikan enzim untuk molekul susbtrat

Tinjauan matematis untuk kinetika enzim cukup rumit,meskipun kita telah mengetahui tahap dasar yang terlibat dalam reaksinya. Skema sederhananya adalah:

E + S ↔ES

ES → P + E

dengan E, S, dan P adalah enzim, substrat, dan produk, dan ES  adalah zat antara enzim-substrat.  Gambar di bawah menunjukan energi potensial untuk reaksi ini. Sering kali diasumsikan pembentukan ES dan penguraiannya kembali ke molekul enzim dan molekul susbtrat terjadi dengan cepat dan bahwa tahap penentu lajunya adalah pembentuk produk. Secara umum, laju reaksi seperti itu dinyatakan dengan persamaan

laju = Δ[P] / Δt

        = k [ES]

Konsentrasi dari zat antara ES ini sendiri berbanding lurus dengan banyaknya substrat yang ada, dan plot laju versus konstrasi substrat biasanya akan menghasilkan kurva seperti yang ditunjukan pada gambar di bawah. Mula-mula laju meningkat dengan cepat dengan meningkatnya konsentrasi substrat. Namun, di atas kosentrasi tertentu,semua tapak aktif terisi, dan reaksi menjadi berorde ke-nol untuk substrat. Dengan kata lain, laju tetap sama meskipun konsentrasi substrat meningkat. Pada titik ini dan sesudahnya, laju pembentukan produk hanya bergantung pada seberapa cepat zat antara ES terurai, bukan pada banyaknya molekul substrat yang ada.

Demikian tulisan mengenai katalis. Jika ada masukan, saran ataupun pertanyaansilahkan berkomentar ya. Semoga bermanfaat….

Sumber:

Chang, R.(2005). KIMIA DASAR: Konsep-konsep Inti Edisi Ketiga Jilid 2.Erlangga:Jakarta.

Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *