Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

42Katalisis

Sebotol larutan hidrogen peroksida tersimpan di lemari kamar mandi selama berbulan-bulan tanpa berubah. Jika dituangkan pada lutut yang lecet, larutan itu langsung berbuih: sesuatu di dalam darah membuatnya terurai dalam beberapa detik menjadi air dan oksigen. Sesuatu itu tidak habis terpakai, dan tidak muncul dalam persamaan reaksinya. Itulah katalis. Katalis memungkinkan sebagian besar industri kimia, membersihkan gas buang mobil, dan menjalankan setiap reaksi kehidupan.

Yang sudah kamu ketahui

Laju sebuah reaksi dan faktor-faktor kinetik yang mengubahnya (Bab 41). Mekanisme adalah rangkaian tahap elementer, melalui zat-zat antara (Bab 40).

42.1 Apa itu katalis

Definisi 42.1 (Katalis, katalisis)

Yang disebut katalis adalah spesies yang mempercepat sebuah reaksi tanpa habis terpakai: katalis ikut serta dalam mekanisme tetapi dikembalikan, tanpa berubah, pada akhirnya, dan tidak muncul dalam persamaan keseluruhan. Percepatan reaksi oleh katalis disebut katalisis.

Proposisi 42.2 (Katalis mengubah jalan, bukan tujuan)

Katalis membuka mekanisme lain, yang penghalang energinya lebih rendah daripada penghalang reaksi tanpa katalis, sehingga lebih banyak pertemuan antarpartikel yang berhasil. Katalis tidak mengubah produk yang terbentuk, tidak pula keadaan akhir yang dicapai; katalis hanya mencapainya lebih cepat.

Bukti. Diterima tanpa bukti: profil energinya dipelajari dalam buku Tahun Pertama universitas. Bahwa keadaan akhirnya tidak berubah merupakan akibat dari dikembalikannya katalis: reaksi keseluruhannya, pereaksi dan produknya, tetap sama. ∎

Kiri: energi sepanjang jalannya reaksi; jalan dengan katalis melewati sebuah zat antara dan dua penghalang yang lebih rendah. Kanan: oksigen yang dilepaskan larutan hidrogen peroksida; katalis mempercepat reaksinya, tetapi volume akhirnya sama. (Kurva model.)

42.2 Katalisis homogen

Definisi 42.3 (Katalisis homogen dan heterogen)

Katalisisnya disebut katalisis homogen jika katalis berada dalam fase yang sama dengan pereaksi (misalnya terlarut bersama pereaksi), dan katalisis heterogen jika katalis berada dalam fase lain, biasanya berupa padatan yang permukaannya dicapai pereaksi dari gas atau cairan.

Contoh 42.4 (Ion iodida dan hidrogen peroksida)

Hidrogen peroksida dengan sendirinya terurai sangat lambat: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ . Jika sedikit kalium iodida dilarutkan di dalamnya, larutan itu langsung berbuih. Ion iodida membuka jalan dalam dua tahap:

\ce{H2O2 + I- -> H2O + IO-}, \qquad \ce{H2O2 + IO- -> H2O + O2 + I-} .

Jika dijumlahkan, kedua tahap itu kembali memberikan $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ : ion iodida, yang dipakai pada tahap pertama dan dikembalikan pada tahap kedua, adalah katalisnya; ion $\ce{IO-}$ adalah zat antara.

Contoh 42.5 (Ion besi(III))

Ion besi(III) juga mengatalisis penguraian itu, melalui pasangan $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ (Bab 35): mula-mula ion itu mengoksidasi hidrogen peroksida, $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ , lalu ion-ion besi(II) yang terbentuk dioksidasi kembali oleh hidrogen peroksida yang lain, $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . Warna jingga pucat larutan berubah kehijauan selama gas dilepaskan, lalu kembali ketika hidrogen peroksida habis: tanda bahwa katalis ikut serta dan diregenerasi.

42.3 Katalisis heterogen

Banyak katalis industri berupa padatan: logam seperti platina, paladium, nikel, atau besi, atau oksida. Reaksinya berlangsung di permukaan katalis, dalam tiga tahap: molekul-molekul pereaksi ditahan di permukaan (teradsorpsi), tempat ikatan-ikatannya melemah; molekul itu bereaksi di sana; produk-produknya meninggalkan permukaan, yang menjadi bebas untuk molekul-molekul baru. Karena itu katalis dibuat dengan permukaan seluas mungkin: serbuk halus, atau lapisan tipis pada penyangga berpori.

Adisi hidrogen pada etena di permukaan logam: adsorpsi, reaksi, desorpsi. Logamnya dikembalikan tanpa berubah.

Contoh 42.6 (Konverter katalitik)

Gas buang mesin bensin mengandung karbon monoksida dan nitrogen monoksida, keduanya beracun, serta bahan bakar yang tidak terbakar. Di dalam konverter katalitik, sebuah sarang lebah keramik yang dilapisi platina dan rodium, gas-gas itu bereaksi di permukaan logam:

\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2} ,

dan hidrokarbonnya terbakar menjadi karbon dioksida dan air. Gas-gas itu melintasi konverter dalam sepersekian detik, terlalu cepat bagi reaksi apa pun tanpa katalis.

Konverter katalitik, dipotong memanjang: ribuan saluran tipis memberi gas buang permukaan berlapis logam yang sangat luas.

Konverter katalitik yang dibelah: inti sarang lebahnya.

Sejarah — Haber, Bosch, dan amonia

Pada awal abad kedua puluh, ahli kimia Fritz Haber menemukan cara menggabungkan nitrogen udara dengan hidrogen, $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ , dengan katalis berbasis besi, dan insinyur Carl Bosch mengubahnya menjadi proses industri. Proses itu masih berjalan hingga kini pada 400 sampai $500\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan 150 sampai $250\,\mathrm{atm}$ . Pada tahun 2024 dunia membuat amonia yang mengandung sekitar 150 juta ton nitrogen, sebagian besar untuk pupuk: sebagian besar nitrogen dalam makanan kita pernah melewati katalis semacam itu.

42.4 Enzim

Definisi 42.7 (Enzim)

Yang disebut enzim adalah protein yang dibuat oleh makhluk hidup dan mengatalisis satu reaksi dalam kimia tubuhnya. Enzim sangat efisien dan sangat spesifik: masing-masing hanya cocok dengan beberapa molekul, dan enzim bekerja paling baik dalam rentang suhu dan keasaman yang sempit.

Contoh 42.8 (Katalase)

Hidrogen peroksida terbentuk di dalam sel sebagai hasil samping, dan berbahaya bagi sel. Enzim katalase, yang terdapat dalam darah, hati, dan banyak jaringan tumbuhan, menguraikannya menjadi air dan oksigen dengan kecepatan yang luar biasa: itulah buih pada lutut yang lecet, atau pada irisan kentang mentah. Kentang rebus tidak menghasilkan buih: pemanasan telah merusak bentuk enzimnya.

Hidrogen peroksida pada irisan kentang mentah: katalase sedang bekerja.

42.5 Selektivitas

Definisi 42.9 (Katalis selektif)

Jika pereaksi yang sama dapat menjalani beberapa reaksi, sebuah katalis selektif mempercepat salah satunya jauh lebih banyak daripada yang lain, sehingga menentukan produk mana yang terbentuk.

Contoh 42.10 (Dua nasib etanol)

Uap etanol panas yang dialirkan di atas alumina kehilangan air dan menghasilkan etena, $\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ (sebuah eliminasi); jika dialirkan di atas tembaga panas, uap itu kehilangan hidrogen dan menghasilkan etanal, $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Pereaksi sama, dua katalis, dua produk.

Catatan 42.11 (Industri dan kehidupan berjalan dengan katalis)

Sebagian besar produk industri kimia, dari bahan bakar sampai plastik dan pupuk, dibuat dengan katalis; menemukan katalis yang lebih aktif atau lebih selektif menghemat energi dan mengurangi limbah. Setiap reaksi dalam sel hidup dikatalisis oleh sebuah enzim.

Keselamatan

Hidrogen peroksida pekat adalah oksidator kuat yang dapat memperbesar api, membakar kulit dan mata, serta berbahaya jika tertelan. Larutan encer di laboratorium tetap memerlukan kacamata pelindung dan sarung tangan; penguraiannya melepaskan oksigen, sehingga tidak pernah dilakukan di dalam wadah tertutup.

42.6 Latihan

Latihan 42.1 ★

Pada penguraian hidrogen peroksida yang dikatalisis ion iodida, spesies mana yang menjadi pereaksi, mana yang menjadi produk, mana yang menjadi katalis, dan mana yang menjadi zat antara?

Solusi

Solusi Latihan 42.1.

Pereaksi: $\ce{H2O2}$ . Produk: $\ce{H2O}$ dan $\ce{O2}$ . Katalis: $\ce{I-}$ (dipakai pada tahap 1, dikembalikan pada tahap 2). Zat antara: $\ce{IO-}$ (terbentuk pada tahap 1, dipakai pada tahap 2).

Latihan 42.2 ★

Katalisis homogen atau heterogen: ion iodida dalam larutan hidrogen peroksida; platina dalam konverter katalitik; besi dalam sintesis amonia; ion besi(III) dalam larutan hidrogen peroksida?

Solusi

Solusi Latihan 42.2.

Homogen; heterogen; heterogen; homogen.

Latihan 42.3 ★

Pada profil energi, jalan mana yang memiliki penghalang lebih tinggi? Apakah energi awal dan energi akhirnya sama pada kedua jalan? Apa artinya bagi produknya?

Solusi

Solusi Latihan 42.3.

Jalan tanpa katalis. Tingkat awal dan tingkat akhirnya sama: produk yang sama terbentuk, dengan energi yang dilepaskan sama; hanya jalannya yang berbeda.

Latihan 42.4 ★

Mengapa katalis tidak muncul dalam persamaan keseluruhan sebuah reaksi?

Solusi

Solusi Latihan 42.4.

Katalis dipakai pada satu tahap dan dikembalikan pada tahap lain: katalis muncul di kedua ruas jumlah tahap-tahapnya, dan saling meniadakan.

Latihan 42.5 ★

Mengapa katalis padat di industri dipakai sebagai serbuk halus atau sebagai lapisan tipis pada penyangga berpori?

Solusi

Solusi Latihan 42.5.

Reaksinya terjadi di permukaan: makin luas permukaannya, makin banyak molekul yang dapat bereaksi sekaligus, untuk massa katalis (yang sering mahal) yang sama.

Latihan 42.6 ★★

Jumlahkan kedua tahap penguraian hidrogen peroksida yang dikatalisis besi(III), lalu tunjukkan bahwa ion-ion besi dan ion-ion hidrogen saling meniadakan.

Solusi

Solusi Latihan 42.6.

Jumlahnya: $\ce{2Fe^{3+} + 2H2O2 + 2Fe^{2+} + 2H+ -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+ + 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . Ion-ion besi dan ion-ion hidrogen muncul di kedua ruas dan saling meniadakan: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

Latihan 42.7 ★★

Bacalah kurva oksigen yang dilepaskan. Berapa lama waktu yang diperlukan setiap percobaan untuk melepaskan setengah volume akhirnya? Dengan faktor berapa katalis memperpendek waktu itu?

Solusi

Solusi Latihan 42.7.

Setengah dari $72\,\mathrm{mL}$ adalah $36\,\mathrm{mL}$ : tercapai setelah sekitar $35\,\mathrm{min}$ tanpa katalis dan $3.5\,\mathrm{min}$ dengan katalis. Katalis memperpendeknya sepuluh kali.

Latihan 42.8 ★★

Bensin bertimbal tidak dipakai pada mobil yang dilengkapi konverter katalitik: timbal mengendap pada platina dan tetap di sana. Jelaskan mengapa hal ini merusak konverter, walaupun platina tidak habis terpakai oleh reaksi yang normal.

Solusi

Solusi Latihan 42.8.

Reaksinya berlangsung di permukaan platina; timbal menutupinya dan tetap di sana, sehingga gas-gas tidak lagi dapat mencapai logamnya. Katalisnya “teracuni”: ada, tetapi tidak berguna.

Latihan 42.9 ★★

Seorang siswa mengukur buih yang dihasilkan irisan kentang dalam hidrogen peroksida pada 10, 25, 37, 60, dan $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : buihnya bertambah sampai sekitar $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , lalu berkurang, dan hampir hilang pada $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Jelaskan kedua bagian kurva itu.

Solusi

Solusi Latihan 42.9.

Sampai sekitar $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , reaksinya makin cepat dengan naiknya suhu, seperti reaksi apa pun. Di atas suhu itu, enzimnya, sebuah protein, kehilangan bentuknya dan bersama itu kehilangan aktivitasnya; pada $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ enzim itu rusak.

Latihan 42.10 ★★

Tuliskan persamaan reaksi di dalam konverter katalitik antara karbon monoksida dan nitrogen monoksida, lalu periksalah bahwa persamaan itu setara. Mengapa kedua polutan itu tersingkir sekaligus?

Solusi

Solusi Latihan 42.10.

$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$ : C 2 = 2, O 4 = 4, N 2 = 2. Karbon monoksida dioksidasi oleh nitrogen monoksida, yang tereduksi: setiap polutan menyingkirkan polutan yang lain.

Latihan 42.11 ★★

Sebanyak $10.0\,\mathrm{mL}$ larutan hidrogen peroksida melepaskan $72\,\mathrm{mL}$ oksigen pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ jika terurai seluruhnya. Hitung jumlah oksigennya ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ), lalu konsentrasi hidrogen peroksida dalam larutan itu.

Solusi

Solusi Latihan 42.11.

$n(\ce{O2}) = 0.072 / 24.1 = 2.99 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ ; $n(\ce{H2O2}) = 2 \times 2.99 \times 10^{-3} = 5.98 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ dalam $10.0\,\mathrm{mL}$ : $c = 0.598\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Latihan 42.12 ★★★

Uap etanol yang dialirkan di atas alumina menghasilkan etena; di atas tembaga, uap itu menghasilkan etanal. Tuliskan kedua persamaannya, sebutkan kategori reaksi yang pertama, lalu jelaskan apa itu katalis selektif.

Solusi

Solusi Latihan 42.12.

$\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ , sebuah eliminasi; $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Katalis selektif mempercepat salah satu dari beberapa reaksi yang mungkin jauh lebih banyak daripada yang lain, sehingga menentukan produknya.

Latihan 42.13 ★★★

Sebuah katalis membuat reaksi sepuluh kali lebih cepat. Seorang siswa mengatakan bahwa katalis itu juga menghasilkan produk sepuluh kali lebih banyak. Perbaikilah pernyataan itu, dengan memakai kurva oksigen yang dilepaskan.

Solusi

Solusi Latihan 42.13.

Katalis tidak mengubah keadaan akhir: kurva dengan dan tanpa katalis berakhir pada volume oksigen yang sama. Jumlah produk yang diperoleh sama, hanya lebih cepat.

Latihan 42.14 ★★★

Satu molekul katalase menguraikan sekitar beberapa juta molekul hidrogen peroksida per detik. Dengan mengambil $5 \times 10^{6}$ per detik, berapa lama waktu yang diperlukan satu molekul enzim untuk menguraikan satu mol hidrogen peroksida? Berapa molekul enzim yang akan menyelesaikannya dalam satu detik? (Perhitungan orde besar; lajunya adalah data latihan.)

Solusi

Solusi Latihan 42.14.

$6.02 \times 10^{23} / 5 \times 10^{6} = 1.2 \times 10^{17}\,\mathrm{s}$ , sekitar empat miliar tahun. Untuk menyelesaikannya dalam satu detik: $1.2 \times 10^{17}$ molekul enzim, yaitu $2 \times 10^{-7}\,\mathrm{mol}$ .

Latihan 42.15 ★★★

Pada tahun 2024 dunia membuat sekitar 150 juta ton nitrogen dalam bentuk amonia. Berapa massa amonia itu? Berapa jumlah gas nitrogen yang digabungkan?

Solusi

Solusi Latihan 42.15.

Amonia $\ce{NH3}$ : $150 \times 17.0 / 14.0 = 182\,\mathrm{Mt}$ . Atom nitrogen: $1.50 \times 10^{14} / 14.0 = 1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{mol}$ , yaitu $5.36 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ $\ce{N2}$ .

42.7 Soal: Hidrogen Peroksida Penata Rambut

Soal 42.1

Soal akhir pekan — berapa konsentrasi hidrogen peroksida “20 volume”?

Penata rambut memakai larutan hidrogen peroksida yang diberi label dalam “volume”: larutan “20 volume” adalah larutan yang $1\,\mathrm{L}$ -nya melepaskan $20\,\mathrm{L}$ oksigen jika terurai seluruhnya, dengan gas yang diukur pada $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan tekanan atmosfer normal, tempat satu mol gas menempati $22.4\,\mathrm{L}$ .

Bagian I — Penguraiannya.

Tuliskan persamaan penguraian hidrogen peroksida.
Apakah penguraian itu reaksi redoks? Tentukan oksidator dan reduktornya (hidrogen peroksida adalah keduanya).
Mengapa sebotol larutan itu tahan berbulan-bulan, padahal reaksinya mungkin terjadi?

Bagian II — Arti “20 volume”.

Berapa jumlah oksigen yang dilepaskan $1\,\mathrm{L}$ larutan itu?
Simpulkan jumlah hidrogen peroksida dalam $1\,\mathrm{L}$ .
Berikan konsentrasi molarnya.
Hitung massa molar hidrogen peroksida dan konsentrasi massanya.
Apa arti “10 volume” dalam mol per liter?

Bagian III — Dua katalis.

Setetes darah (katalase) dan beberapa tetes besi(III) klorida masing-masing ditambahkan pada sebuah sampel. Katalisis apa masing-masing?
Tuliskan kedua tahap katalisis besi(III), lalu periksalah bahwa jumlahnya adalah reaksi penguraian itu.
Dengan kurva oksigen yang dilepaskan, uraikan bagaimana volume oksigen berubah dengan dan tanpa katalis, dan apa yang tetap sama.
Mengapa warna sampel yang dikatalisis besi(III) berubah selama reaksi lalu kembali pada akhirnya?
Mengapa kentang rebus tidak membuat larutan itu berbuih?

Bagian IV — Botolnya.

Berapa volume oksigen, yang diukur pada $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , yang dapat dilepaskan sebotol $100\,\mathrm{mL}$ ?
Berapa volume itu pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ )?
Mengapa tutup botol semacam itu harus membiarkan gas keluar perlahan-lahan?
Sebuah botol yang telah lama disimpan dititrasi dan ternyata mengandung $1.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Berapa “volume” larutan itu sekarang?
Berapa bagian hidrogen peroksida yang telah terurai?
Nyatakan jawaban akhirnya: berapa konsentrasi molar larutan hidrogen peroksida “20 volume”?

Solusi

Solusi Soal 42.1.

1. $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

2. Ya: hidrogen peroksida adalah oksidator pasangan $\ce{H2O2}$ / $\ce{H2O}$ dan reduktor pasangan $\ce{O2}$ / $\ce{H2O2}$ ; zat itu mengoksidasi dan mereduksi dirinya sendiri.

3. Tanpa katalis, reaksinya sangat lambat.

4. $20 / 22.4 = 0.893\,\mathrm{mol}$ .

5. Dua mol hidrogen peroksida per mol oksigen: $1.79\,\mathrm{mol}$ .

6. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

7. $M = 2 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 34.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $C_m = 1.79 \times 34.0 = 60.7\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

8. Setengahnya: $0.893\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

9. Katalase: sebuah enzim, terlarut, katalis biologis; ion besi(III): katalisis homogen.

10. $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ dan $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ ; jumlahnya adalah $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

11. Dengan katalis, volumenya naik jauh lebih cepat; kedua kurva mendatar pada volume akhir yang sama.

12. Ion-ion besi(III) (jingga) diubah menjadi besi(II) (hijau pucat) pada tahap pertama dan kembali menjadi besi(III) pada tahap kedua; pada akhirnya, seluruh besi kembali menjadi besi(III).

13. Perebusan telah merusak enzimnya.

14. $0.100 \times 20 = 2.0\,\mathrm{L}$ .

15. $n(\ce{O2}) = 0.100 \times 0.893 = 0.0893\,\mathrm{mol}$ , yaitu $0.0893 \times 24.1 = 2.15\,\mathrm{L}$ .

16. Penguraian yang lambat melepaskan oksigen, yang akan menimbulkan tekanan di dalam botol yang rapat.

17. $1.50 / 2 = 0.750\,\mathrm{mol}$ oksigen per liter, yaitu $0.750 \times 22.4 = 16.8\,\mathrm{L}$ : “16.8 volume”.

18. $(1.79 - 1.50)/1.79 \approx 16\,\%$ .

19. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium