NITROGEN

Ketika berbicara tentang nitrogen, mungkin kita akan teringat pada gas yang memiliki persentase terbesar di udara/ atmosfer. Namun taukah kamu, nitrogen itu banyak digunakan dalam keseharian kita dalam bentuk senyawanya, misalnya pupuk urea, petasan, kembang api, pewarna rambut, cat dan masih banyak lagi.

1. Keberadaan Nitrogen / Siklus Nitrogen / Daur Nitrogen

Nitrogen terdapat dalam keadaan bebas di udara dengan kadar 78%. Selain itu, nitrogen juga terdapat dalam bentuk senyawa nitrat, misalnya dalam sendawa (KNO3) dan sendawa Chili (NaNO3). Di udara juga terdapat gas oksida nitrogen (NOx) sebagai hasil reaksi antara nitrogendan oksigen pada suhu tinggi. Coba perhatikan gambar siklus nitrogen di bawah ini.

Gambar. Siklus nitrogen
Gambar. Siklus Nitrogen

Pada gambar Siklus nitrogen atau daur nitrogen di atas menunjukan bahwa nitrogen terdapat di udara sebagai unsur bebas N2 dan terdapat di dalam tanah dan perairan sebagai senyawa nitrat (NO3), nitrit (NO2), dan ammonium (NH4+). Nitrogen di udara dapat berubah menjadi senyawa nitrat, nitrit, dan ammonium melalui berbagai cara berikut.

  1. Terjadinya reaksi antara N2 dan O2 di udara akibat adanya kilat atau suhu tinggi (letusan gunung berapi dan pembakaran bahan bakar), membentuk oksida nitrogen (NO), yang selanjutnya menjadi NO2 dan bereaksi dengan air membentuk ion NO2 atau HNO2 serta NO3 atau HNO3, dan selanjutnya masuk ke dalam tanah.
  2. Fiksasi (penangkapan langsung) N2 oleh berbagai bakteri akan mengubah molekul tersebut menjadi senyawa asam amino yang kemudian diserap tanaman. Tanaman selanjutnya akan dimakan hewan dan ketika hewan atau tanaman itu mati, protein akan diuraikan oleh bakteri pengurai menjadi ammonia (NH3) yang larut dalam air membentuk ammonium (NH4+). Selanjutnya, oleh bakteri denitrifikasi, senyawa tersebut diubah menjadi senyawa nitrit (NO2) dan kemudian berubah menjadi nitrat (NO3).
  3. Gas N2 diudara ditangkap oleh bakteri Rhizobium dan diubah menjadi senyawa nitrat yang larut dalam air (tanah). Sementara itu, senyawa nitrogen (nitrit, nitrat, dan amonium) akan berubah kembali menjadi N2 di udara melalui proses denitrifikasi yang dilakukan oleh bakteri yang ada di dalam tanah atau air.

 

2. Sifat – Sifat Nitrogen

a. Sifat Fisika Nitrogen

Nitrogen merupakan gas yang tidak berbau dan tidak berwarna. Titik leleh nitrogen sebesar -210oC, sedangkan titik didihnya sebesar -195oC. Massa jenis gas nitrogen (N2) adalah 0,001145 g/mL.

b. Sifat Kimia Nitrogen

  1. Nitrogen merupakan unsur yang stabil (kurang reaktif). Dalam keadaan bebas, nitrogen merupakan molekul diatomik dengan ikatan kovalen rangkap 3.
    Kestablian molekul nitrogen didukung oleh besarnya energi disosiasi ikatan.
    N2(g) → 2N(g) ∆H= +944 kJ/mol
  2. Pada suhu rendah, nitrogen sukar bereaksi dengan unsur lain, hanya logam litium yang dapat bereaksi dengan nitrogen.
    N2(g) + 6Li(s) → 2Li3N(s)
  3. Pada suhu tinggi, dapat bereaksi dengan beberapa logam alkali dan alkali tanah.
    Contoh:
    6Mg(s) + 2N2(g) → 2Mg3N2(s)
    6Ca(s) + 2N2(g) → 2Ca3N2(s)
  4. Pada suhu tinggi, dapat bereaksi dengan unsur nonlogam, misalnya oksigen dan hidrogen.
    Contoh:
    N2(g) + O2(g) → 2NO(g)
    N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

3. Cara Memperoleh Nitrogen / Pembuatan Nitrogen

a. Pembuatan Nitrogen di Laboratorium

Untuk mendapatkan gas nitrogen murni dalam jumlah sedikit, dapat dilakukan reaksi di laboratorium. Beberapa reaksi yang menghasilkan nitrogen, antara lain sebagai berikut:

  1. 3CuO(s) + 2NH3(g) → 3Cu(s) + 3H2O(l) + 2N2(g)
  2. NaNO2(s) + NH4Cl(s) → NaCl(s) + 2H2O(l) + N2(g)
  3. (NH4)2Cr2O7(s) → Cr2O3(s) + 4H2O(l) + N2(g) (dengan panas)
  4. 2NH4NO3(s) → 4H2O(l) + O2(g) + 2N2(g) ( dengan panas)

b. Pembuatan Nitrogen di Industri

Pada skala industri, gas nitrogen diambil dari udara melalui distilasi (penyulingan) udara cair. Mula-mula, udara dibersihkan dari debu dan partikel padat lainnya. Udara yang sudah bebas debu dialirkan melalui KOH atau NaOH untuk menghilangkan gas CO2 dan uap air didalamnya. Selain itu, untuk mengikat uap air, udara juga dapat dialirkan melalui kristal CaCl2. Udara kering yang bebas dari CO2 dimampatkan dalam ruangan menggunakan kompresor dengan tekanan 200 atm. Sambil didinginkan, udara dilepas dalam ruang yang bertekanan 20 atm sehingga udara akan mencair.

Udara cair kemudian dinaikan suhunya secara bertahap sehingga akan menguap. Gas N2 akan menguap pada suhu sekitar -196oC, kemudian dikompresi untuk dicairkan kembali menjadi nitrogen cair dan disimpan pada tabung Dewar. Pada suhu sekitar -183oC, oksigen akan menguap. Uap tersebut kemudian dimasukkan ke dalam kompresor pendingin untuk dicairkan kembali dan disimpan sebagai oksigen cair.

4. Senyawa-senyawa Nitrogen dan Manfaat Nitrogen

Nitrogen dapat membentuk berbagai senyawa dengan beberapa bilangan oksidasi. Tabel di bawah ini menunjukan beberapa senyawa nitrogen dengan bilangan oksidasinya.

Tabel berbagai senyawa nitrogen dan bilangan oksidasinya

Senyawa Nama Biloks nitrogen
NH3/ NH4+ Amonia / ion amonium -3
2H4 Hidrazin -2
NH2OH Hidroksilamin -1
N2 Nitrogen 0
N2O Dinitrogen oksida +1
NO Nitrogen monoksida +2
N2O3 / NO2 Dinitrogen trioksida / nitrit +3
NO2  / N­2O4 Nitrogen dioksida / dinitrogen tetraoksida +4
N2O5 / NO3 Dinitrogen pentaoksida/ nitrat +5

 

a. Amonia

1. Sifat fisika Amonia

  • Pada suhu kamar merupakan gas tidak berwarna; titik didihnya -33,4oC; titik bekunya -77,8oC; dan membentuk krital putih.
  • Berbau khas menyengat dan beracun, serta dapat menimbulkan iritasi pada mata (mata perih). Paparan gas amonia dalam waktu yang lama dapat menimbulkan mual dan dapat merusak paru-paru hingga menimbulkan kematian.
  • Gas amonia mudah larut dalam air (1.300 liter gas amonia dapat larut dalam satu liter air). Larutan gas amonia membentuk larutan basa amonium hidroksida (NH4OH).

2. Sifat kimia Amonia

  • Mempunyai rumus molekul NH3, bentuk molekulnya piramida segitiga (trigonal piramida), hibridisasi sp3, dan dapat membentuk ikatan hidrogen antarmolekul amonia.
  • Cukup stabil, tetapi dapat terurai menjadi gas nitrogen dan hidrogen jika dipanaskan dengan katalis.
    2NH3(g) → N2(g) + 3H2(g)
  • Mudah terbakar di udara.
    4NH3(g) + 3O2(g) → 2N2(g) + 6H2O(l)
  • Larut dalam air membentuk basa lemah.
    NH3(g) + H2O(l)  NH4+(aq) + OH(aq)
  • Dapat berekasi dengan halogen dan logam alkali.
    8NH3(g) + 3Cl2(terbatas) → 6NH4Cl(g) + N2(g)
    NH3(g) + 3Cl2(berlebih) → NCl3(g) + 3HCl(g)
    2Na(s) + 2NH3(g) → 2NaNH2(s) +H2(g)

 

3. Pembuatan Amonia

Di laboratorium, amonia dibuat melalui reaksi berikut.

NH4Cl(s) + NaOH(s) → NaCl(s) + H2O(l) + NH3(g)

Dalam skala industri, amonia dibuat melalui proses Haber Bosch [silahkan kunjungi linknya untuk mendapatkan penjelasan lebih lengkap] dengan mereaksikan gas nitrogen dan hidrogen menggunakan katalis Pt-Rh. Gas hidrogen diperoleh dari reaksi antara gas metana dengan uap air, sedangkan gas nitrogen diperoleh dari distilasi udara cair. Kedua proses itu berjalan bersama dalam satu proses dan hasilnya merupakan larutan amonia pekat. Diperkirakan, sekitar 131 juta metrik ton amonia diproduksi di dunia untuk keperluan berbagai macam industri.

4. Kegunaan Amonia

Dalam industri, amonia tidak digunakan langsung, tetapi dimanfaatkan sebagai bahan kimia antara (bahan baku) untuk industri bahan kimia yang lain. Beberapa bahan kimia yang dihasilkan dari amonia setelah pengolahan lanjutan, antara lain bahan peledak (garam nitrat, azida, dinamit, garam amonium), plastik (nitroselulosa, formaldehida, melamin), industri kertas (amonium bisulfit), dan pupuk (ZA, urea, amonium nitrat). Penggunaan amonia secara langsung, antara lain sebagai bahan pendingin dari lemari es dan bahan pembersih asam (karena amonia bersifat basa).

 

b. Hidrazin

Hidrazin merupakan senyawa hidrida nitrogen selain amonia dengan rumus N2H4. Hidrazin merupakan senyawa tidak berwarna dengan titik leleh 2oC dan titik didih 114oC. Pada suhu kamar, hidrazin merupakan zat cair dan berbau seperti amonia.

Hidrazin bersifat basa yang lebih kuat daripada amonia; dapat menarik ion H+ menjadi N2H5+ dan N2H62+; serta merupakan reduktor kuat yang dapat bereaksi eksotermis dengan gas oksigen.

N2H4(l) + O2(g) → N2(g) + 2H2O(l) ∆H= -666,6 kJ/mol

Salah satu senyawa hidrazin yang cukup dikenal adalah metilhidrazin ((CH3)N2H3). Campuran metilhidrazin dengan N2H4 digunakan sebagai bahan bakar roket atau bahan peledak jenis high explosive. Pemanfaatan hidrazin lainnya adalah sebagai bahan pemicu timbulnya gas pada kantung udara (airbag) mobil, bahan pembantu pada sintesis polimer (plastik, serat kain), dan sebagai bahan antara pada insdustri farmasi.

 

c. Oksida Nitrogen

Nitrogen dapat membentuk berbagai macam oksida. Beberapa oksida nitrogen ada yang stabil dan ada yang tidak stabil. Tabel dibawah menunjukan beberapa oksida nitrogen dan sifat-sifatnya.

Tabel oksidanitrogen dan siat-sifatnya

Rumus Molekul Nama Sifat-sifat
N2O Dinitrogen oksida Gas tidak berwarna, berbau khas, dan dapat merangsang syaraf tertawa sehingga dikenal sebagai ‘gas selak’
NO Nitrogen monoksida Gas tidak berwarna, relati stabil, dapat bergabung membentuk N2O4, dan tidak bereaksi dengan air (oksida indiferen)
N2O3 Dinitrogen trioksida Cairan biru yang stabil di suhu rendah. Pada suhu tinggi terurai menjadi NO dan NO2. Cairan ini sangat beracun dan dapat larut dalam air membentuk HNO2.
NO2 Nitrogen dioksida Gas kuning – coklat, larut dalam air membentuk HNO2 dan HNO3, serta sangat beracun.
N2O4 Dinitrogen tetraoksida Gas tidak berwarna, sangat beracun, korosi, mudah terurai membentuk NO2, bereaksi dengan air membentuk HNO2 dan HNO3
N2O5 Dinitrogen pentaoksida Zat padat tidak berwarna, mudah menyublim serta larut dapat bereaksi dengan air membentuk HNO3

 

Senyawa N2O dapat dibuat dengan memanaskan amonium nitrat pada suhu sekitar 170oC.

NH4NO3(s) → N2O(g) + 2H2O(l) (disertai pemanasan)

Pada pemanasan, gas N2O terurai menghasilkan nitrogen dan oksigen. Oleh karena itu, gas N2O dikenal sebagai gas nitro-booster pada mobil untuk meningkatkan kocepatan (akselerasi).

N2O(g) → N2(g) + 1/2O2(g)

Gas nitrogen monoksida (NO) terbentuk di udara akibat adanya petir sehingga gas N2 dan O2 di udara bereaksi.

N2(g) + O2(g) → 2NO(g)

Selain itu, gas NO juga dapat disintesis di laboratorium dengan mereaksikan logam tembaga dengan asam nitrat encer.

3Cu(s) + 8HNO3(aq) → 3Cu(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)

Senyawa N2O3 dihasilkan dari reaksi antara NO dan NO2 pada suhu -21oC.

NO(g) + NO2(g) → N2O3(g)

Jika N2O3 direaksikan dengan NaOH, akan terbentuk natrium nitrit.

N2O3(g) + 2NaOH(s) → 2NaNO2(s) + H2O(l)

Nitrogen dioksida (NO2) dapat terbentuk di udara dan di dalam mesin kendaraan sebagai hasil reaksi antara gas NO dengan O2.

NO(g) + ½ O2(g) → NO2(g)

Di laboratorium, gas NO2 dihasilkan dari reaksi antara logam misalnya Cu, dengan asam nitrat pekat.

Cu(s) + 4HNO3(l) → Cu(NO3)2(aq) + 2H2O(l) + 2NO2(g)

Gas NO2 dapat bergabung membentuk dimer menjadi N2O4 yang tidak berwarna.

2NO2(g) ↔ N2O4(g)

Senyawa N2O4 yang diperoleh dari NO2 dimanfaatkan sebagai bahan bakar roket (propeler) jika dicampurkan dengan hidrazin.

Senyawa N2O5 dibuat dengan cara dehidrasi asam nitrat dengan P2O5 atau P4O10.

6HNO3(aq) + P2O5(s) → 3N2O5(g) + 2H3PO4(aq)

 

d. Asam Nitrat dan Garam Nitrat

Asam nitrat dan garam nitrat merupakan salah satu senyawa nitrogen yang penting dalam industri kimia. Asam nitrat dibuat melalui proses Ostwald karena pertama kali dilakukan oleh Friedrich Ostwald pada tahun 1908. Bahan baku pada proses Ostwald adalah amonia yang dibakar dengan oksigen untuk menghasilkan gas NO. Selanjutnya, gas NO yang terbentuk direaksikan lagi dengan oksigen untuk membentuk gas NO2.

4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(l)

2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)

Gas NO2 yang terbentuk direaksikan dengan air untuk menghasilkan HNO3.

3NO2(g) + H2O(l) → 2HNO3(aq) + NO(g)

Gas NO yang dihasilkan direaksikan kembali dengan oksigen sehingga menjadi gas NO2 dan berulang lagi direaksikan dengan air. Proses ini dilakukan berulang-ulang sehingga didapatkan asam nitrat pekat.

Asam nitrat merupakan asam kiat dan bersifat sebagai oksidator kuat. Campuran 1 bagian volume asam nitrat pekat dengan 3 bagian volume asam klorida pekat dikenal dengan air raja (aqua regia) yang dapat melarutkan logam mulia seperti emas atau platina.

2Au(s) + 2HNO3(aq) + 6HCl(aq) → 2AuCl3(aq) + 4H2O(l) + 2NO(g)

3Pt(s) + 4HNO3(aq) + 12 HCl(aq) → 3PtCl4(aq) + 8H2O(l) + 4NO(g)

Garam nitrat banyak dimanfaatkan untuk pupuk tanaman karena sifatnya yang mudah larut dalam air dan mudah diserap tanaman. Garam nitrat yang banyak diproduksi untuk pupuk adalah garam nitrat dari amonium (NH4NO3), natrium (NaNO3), Kalium (KNO3), dan kalsium (Ca(NO3)2). Manfaat berikutnya adalah sebagai oksidator dan bahan peledak.

Natrium nitrat digunakan untuk glasir pada industri keramik, dan sebagian kecil digunakan untuk pengawet daging (curing).

Bubuk mesiu merupakan capuran dari kalium nitrat dengan serbuk belerang dan serbuk karbon. Jika diberi tekanan, campura ini akan mudah melekdak sehingga menimbulkan reaksi berikut.

16KNO3(s) + S8(s) + 24C(s) → 8K2S(s) + 24CO2(g) + 8N2(g) ∆H= -571,9 kJ/mol

Ledakan yang terjadi diakibatkan oleh terbentuknya gas yang banyak dalam waktu yang singkat. Berikut beberapa senyawa nitrat dan penggunaannya.

Tabel penggunaan senyawa nitrat

Penggunaan Jenis senyawa yang digunakan
Pupuk NH4NO3, NaNO3, Ca(NO3)2, KNO3, Co(NO3)2
Petasan dan kembang api Ca(NO3)2-merah, Ba(NO3)2-hijau, Sr(NO3)2-merah ungu, NaNO3-kuning, KNO3-ungu
Bahan peledak,mesiu NH4NO3, NaNO3, KNO3, Ca(NO3)2, TNT (C7H5N3O6)
Bahan bakar roket NaNO3, KNO3, NH4NO3
Pewarna rambut Co(NO3)2, AgNO3
Cat Pb(NO3)2, Cu(NO3)2, Zn(NO3)2

 

 

 

 

Add a Comment

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