reaksi Nitrasi

Tugas PTKI

Disusun Oleh :

Lukman Arifin

Rio Saputra

Rahmawati

Ika Karina

Hazrina Aizah

Rani Handayani

Reni

Kelas A

 

Jurusan Teknik Kimia

Universitas Riau

2012-2013 

Pekanbaru,Riau

Reaksi Nitrasi

1.     Pengertian

Nitrasi diartikan sebagai reaksi terbentuknya senyawa nitro atau masuknya gugus nitro pada suatu senyawa.

Reaksi nitrasi adalah penggabungan satu atau lebih gugus nitro (-NO2) yang terikat pada karbon sebagai senyawa nitroaromatik atau nitroparafin. Dan juga bisa pada oksigen sebagai senyawa nitrat ester maupun pada nitrogen sebagai senyawa nitramina. Proses reaksi sebagai subtitusi atom hidrogen, reaksi nitrasi juga bisa berlangsung dengan subtitusi atom atau gugus lain seperti, halida, sulfonat dan asetil.

Reaksi nitrasi adalah salah satu reaksi yang penting dalam industri sintesa bahan organik. Garis besar penggunaannya adalah bahan pelarut (solvent), pewarna, farmasi, peledak, maupun bahan antara untuk produk lebih lanjut.

2.     Ikatan gugus NO₂ pada senyawa nitro

a          1)      -C-NO₂         : disebut senyawa nitro
         Contoh : parafin     +  HNO₃    → Nitroparafin     +  H₂O

b          2)      -O-NO₂         : disebut senyawa nitrat
         Contoh :  gliserol  +   3HNO₃  →glseril trinitrat      + 3H₂O

            3)      -N-NO₂         : disebut senyawa nitriamin
        Contoh : guanidine   +  HNO₃  → nitroguanidine     +  H₂O

3.    Reaksi pembentukan senyawa nitro
a)  Reaksi substitusi terhadap:
     a. hidrogen  (-H)
        CH₄  +   HNO₃  →H₃CNO₂   +   H₂O

    b. klorida    (-Cl)
        RCl    +   AgNO₃  →AgCl   +   RNO₂

    c. Sulfonat

b)  Reaksi adisi ikatan rangkap

        4.      Zat yang dapat dinitrasi

a)       Parafin
 Umumnya reaksi dilaksanakan pada fasa gas, reaksi berlansung melalui mekanisme radikal bebas. Hasil dari nitrasi parafin adalah Nitroparafin. Haasil samping berupa alkohol, aldehid, olefin. Proses dilaksanakan pada suhu 350-450 derajat celcius

b)       Olefin
 Nitrasi olefin berlansung secara adisi. Reaksi pada umumnya berlansung pada fase gas. Hasil nitrasi adalah Nitroalkohol. Apabila nitrasi berlanjut, maka menghasilkan produk bermacam-macam, karena senyawa nitroalkohol memiliki gugus -OH dan NO2

c)      Aromatik dan turunannya
Umumnya berlansung pada fase cair. Senyawa aromatik yang biasa di nitrasi dalam industri adalah benzena beserta turunannya, naftalen, dan turunannya.

d)     Alkohol
Nitrasi berlansung fase cair.

e)      Senyawa nitrogen

       5.      Senyawa penitrasi ( pengolah )

a)       Asam nitrat  : HNO₃
   Pemakaian dapat berbentuk :
   a. cair berasap ( ada NO₂ bebas )
   b. cair pekat
   c. cair encer
   d. gas/uap

b)      Asam nitrat dengan pengikat air
Zat pengolah golongan ini digunakan untuk nitrasi fase cair. Pengikat air yang digunakan dapa berupa asm sulfat, asam phospat, dan anhidrida asam.
Contoh pengikat air : asam sulfat, asm phosfat, dan anhidrida asetat.

c)       NO₂, N₂O₄
zat dipakai untuk fase gas.

       6.      Kegunaan proses nitrasi

a)      Bahan peledak yang beruoa senyawa nitrat misalnya : gliseril trinitrat dan selulosa nitrat

b)      Sebagai senyawa antara untuk pembuatan amina yang disentesa dengan proses reduksi senyawa nitro. Misalnya Nitrobenzena direduksi menjadi anilin yang merupakan bahan baku zat warna.

c)      Bahan pengoksidasi misalnya : Nitrobenzena

     7  .      Aplikasi Reaksi Nitrasi

a)      Nitrasi toluene menjadi dinitrotoluenes

Ada 2 langkah untuk metode ini yaitu

Tahap pertama, campuran sulfur dan asam nitrat akan menyebabkan reaksi dengan toluen menjadi 2 mononitrotoluens (MTN) dengan komposisi (%) ortho 59, meta 4 dan para 37. Tahap kedua, menggunakan reagent yang sama, mononitrotoluens akan terkonversi menjadi dinitrotoluenes (DNT) dengan mengontrol konsentrasi asam, menjaga pembentukan dari trinitrotoulene.

Nitrasi pertama yaitu menggerakkan  reaktor dengan pendinginan sistem baik didalam maupun diluar. Umpan terdiri dari toluen dan campuran nitrat dan asam sulfuric, air dan dinitrotoluene.

Pendinginan sistem dilakukan pada lingkungan 50^OC. Produksi limbah reaktor adalah encer dengan kondungan asam sulfric 74%, asam nitrat dan satu dan dua bahan campuran.

Nitrasi kedua dengan umpan bahan organic berisi mononitro dan beberapa asam dan air. Beroperasi pada suhu 65^OC. Limbah yang dihasilkan dikirim untuk diolah kembali pada nitrasi pertama. Hasil nitrasi kedua dinetralkan dengan coustic soda dan iar didalam kolom scrubbing dan diakhir proses ini terpishkan dinitrotoluene dengan limbah hasil pencucian.

b)      Reduksi dinitrotoluene menjadi tolylene diamine

Menggunakan katalis hidrogen dengan presence Raney Nickel, menjaga suspensi pada reaksi menengah dengan menggunakan metanol sebagai bahan pelarut

c)      Posgenasi diamine menjadi tolylene diisocyanate

reaksi totylene diamine dengan phosgene ada 2 langkah.

1.      Prosesnya sangat cepat, menggunakan tempat yang temperaturnya rendah (0-30^OC)

2.      Prosesnya lebih lambat, pada suhu 170^OC.

Konversi tolylene diamine ke tolylene diisocynate mengalami 80 %. Sedangkan 20% nya merupakan residu.

Phosgen adalah reaksi klorin berlebih dengan karon monoksida sehingga diperoleh charcoal yang aktif, ini trejadi pada temperatur  50^OC.

d)     Amonia dan asam nitrat

Nitrat (garam dari asam nitrat) sejak zaman dulu dibutuhkan banyak sebagai bahan baku serbuk mesiu. Namun, persediaannya terbatas, dan kalium nitrat yang ada secara alami adalah bahan baku utama yang tersedia. Di abad 19 ketika skala perang menjadi besar, kebutuhan nitrat menjadi membesar, dan kalium nitrat yang ada secara alami tidak dapat memenuhi permintaan.

Selain itu, nitrat diperlukan sebagai bahan baku pupuk buatan. Di akhir pertengahan abad 19 kimiawan Jerman Justus von Liebig (1803-1873) membuktikan kefektifan dan pentingnya pupuk buatan. Masalah yang menghalangi pemakaian bear-besaran pupuk buatan adalah harganya yang tinggi, khususnya pupuk nitrogen.

Di akhir abad 19, fisikawan Inggris William Crookes (1832-1919) meramalkan peningkatan jumlah makanan yang diproduksi tidak dapat mengejar peningkatan populasi dunia dan dunia akan berakhir menjadi katastropi.

Situasi semacam memicu ilmuwan untuk menyelidiki fiksasi nitrogen artifisial atau menemukan proses untuk mengubah nitrogen yang tidak terbatas persediaanya di udara menjadi senyawa yang dapat digunakan. Jelas diperlukan cara untuk melakukan fiksasi dalam skala besar. Jadi, percobaannya harus dimulai di skala laboratorium untuk dapat diperbesar ke skala pabrik.

Fiksasi nitrogen berhasil dilakukan oleh kimiawan Jerman Fritz Haber (1868-1934) dan insinyur kimia Jerman, yang bekerja untuk BASF, Carl Bosch (1874-1940)??ersamaan reaksi untuk

proses Haber-Bosch sangat sederhana, tetapi secara teknis terdapat berbagai kesukaran. Prosesnya dielaborasi sehingga reaksi eksoterm ini akan berlangsung ke sisi kanan dengan mulus.

N₂ + 3H₂ –> 2NH₃ + 22,1 kkal (11.11)

Dalam praktek, beberapa modifikasi dibuat. Misalnya, rasio molar nitrogen : hidrogen bukan 1:3, tetapi 1:3.3. Kondisi reaksi yang dipilih adalah 300°C pada 500 atm. Hidrogen digunakan berlebih pada tekanan tinggi sehingga kesetimbangannya bergeser ke kanan. Karena reaksinya eksoterm, reaksi ini lebih baik dilakukan pada temperatur yang lebih rendah sesuai dengan azas Le Chatelier. Di pihak lain, laju reaksi akan terlalu rendah pada temperatur rendah. Jadi suhunya dibuat agak tinggi ( yakni, dengan tetap mempertimbangkan agar dekomposisi NH₃ tidak terjadi). Katalis yang dibuat dari besi digunakan dengan ekstensif.

Proses Haber-Bosch menjadi terkenal sebagai contoh pertama teori kesetimbangan diaplikasikan dalam produksi. Di satu sisi fiksasi nitrogen dengan proses Haber-Bosch membawa banyak manfaat karena kemudahan mendapat pupuk. Di sisi lain amonia berarti bahan baku mesiu dapayt diperoleh dengan mudah pula.

Proses modern untuk menghasilkan asam nitrat HNO₃ adalah okidasi amonia di udara. Dalam proses ini, amonia dicampur dengan udara berlebih, dan campurannya dipanaskan sampai temperatur tinggi dengan katalis platina. Amonia akan diubah menjadi nitrogen oksida NO, yang kemudian dioksidasi lebih lanjut di udara menjadi nitrogen dioksida NO₂. Nitrogen dioksida direaksikan dengan air menghasilkan asam nitrat. Metoda ini dikembangkan oleh Ostwald, kimiawan yang banyak memberikan kimia katalis, dan disebut proses Ostwald.

Proses ini diungkapkan dalam persamaan reaksi berikut.

4NH₃ + 5 O₂ –> 4NO + 6 H₂O (11.12)

2NO+O2 –> 2NO₂ (11.13)

3NO₂+H₂O –> 2HNO₃+NO (11.14)

e)      Pembuatan Nitrogliserin

Nitrogliserin dapat dibuat dengan mereaksikan gliserin (gliserol) dengan asam nitrat (HNO3). Reaksi ini merupakan reaksi esterifikasi, yaitu reaksi antara alkohol dan asam, seperti terlihat dalam reaksi dibawah ini.

Perhitungan teoritis yang didasarkan atas persamaan reaksi di atas menunjukkan bahwa bila 100 g gliserin ditambahkan pada 205,5 9 HNO3 akan menghasilkan 246,5 9 nitrogliserin. Pada saat yang sarna juga akan terbentuk 58,7 g air. Pada prakteknya, hasil ini tidak pernah diperoleh, karena nitrasi gliserin, seperti halnya pada reaksi esterifikasi lainnya, merupakan reaksi "reversible", artinya nitrogliserin yang terbentuk dapat terhidrolisis kembali menjadi gliserin.

Untuk menggeser kesetimbangan ke arah kanan diperlukan asam nitrat berlebih. Semakin tinggi konsentrasi asam, semakin besar derajat nitrasi dan semakin tinggi nitrogliserin yang dihasilkan. Akan tetapi kelebihan asam nitrat tidak boleh terlalu besar, karena gliserin hanya sedikit larut dalam asam yang digunakan dan hal ini menyebabkan berkurangnya produk yang dihasilkan. Bila 10 g gliserin dicampur dengan 100 g asam nitrat 99% pada temperatur di bawah suhu kamar, kemudian diencerkan dengan 300 cc air , akan dihasilkan 20,72 g nitrogliserin yang mengandung sebagian kecil nitrogliserin. Hal ini berkisar sekitar 84% dari hasil teoritis. Kandungan nitrogliserin akan semakin tinggi, yaitu 3 kali kandungan nitrogliserin, bila 10 gliserin dicampur dengan 50 9 asam nitrat 99%. Hal ini jelas tidak ekonomis, karena disamping hasilnya yang rendah juga sangat sulit untuk memperoleh asam nitrat 99%. Pada saat ini, asam yang umum digunakan sebagai nitrating agent adalah campuran asam nitrat dan asam sulfat dengan perbandingan sebagai berikut:

40-50 % HNO₃

50-60 % H₂SO₄

Perbandingan asam/gliserin harus dijaga sedemikian rupa sehingga jumlah asam berlebih (kira-kira 20%) dari asam yang seharusnya dibutuhkan menurut perhitungan teoritis. Umumnya perbandingan berat antara 3m/gliserin adalah 5,5-6,5. Asam yang tersisa setelah reaksi tidak boleh digunakan lagi sebagai nitrating agent atau disimpan. Hal ini karena besar kemungkinan nitrogliserin masih terdapat dalam asam tersebut dan dapat menyebabkan bahaya ledakan.

Cara pengadukan adalah satu faktor utama yang harus diperhatikan, selain tentu saja pengadukan yang kurang baik akan menghasilkan hasil yang rendah. Yang harus diperhatikan dalam pengadukan adalah semua bagian harus teraduk,tidak boleh ada bagian dalam reaktor yang tidak teraduk, yang menyebabkan terakumulasikannya panas yang tidak terkontrol dan bisa menimbulkan resiko ledakan.

Selain bahan peledak, nitrogliserin juga digunakan sebagai obat untuk meredakan rasa sakit dan mengurangi frekuensi serangan angina pektoris. Tablet nitrogliserin biasa larut di bawah lidah dalam 20 detik dan meredakan sakit dalam 3 menit. Nitrogliserin dapat dibuat dengan mereaksikan gliserin dengan asam nitrat, ada beberapa jenis bahan peledak dapat dibuat dengan menggunakan asam nitrat:seperti reaksi pembentukan trinitrotoluena ini terbentuk dari reaksi asam nitrat dengan toluena.

Reaksi asam nitrat dengan toluena.

Proses Produksi Nitrogliserin berdasarkan reaksi kimia dihasilkan dengan mereksikan gliserin ( gliserol ) dengan asam nitrat. Namun ada beberapa macam proses pembuatan nitrogliserin .

1. Schmid-Meissner continous process

2. Nitro nobel injector proses

3. Biazzi continous process

     1. Schmid-Meissner continous process

Schmid-Meissner continous process adalah proses pertama dalam pembuatan nitrogliserin. Prosesnya meliputi nitrasi , pemisahan , dan pemurnian nitrogen secara netralisasi dan pencucian. Nitratornya berbentuk tangki berpengaduk , dilengkapi pipa-pipa pendingin vertikal . Sebagai medium pendingin dipakai brine yang masuk pada suhu -5^oC. Asam campuran masuk dari bagian bawah nitrator dan gliserin masuk dari bagian atas sedangkan hasilnya keluar secara overflow ke separator ( stainless steel ). Suhu nitrator dijaga jangan lebih dari 18^oC dan tekanan atmosfer . Nitrogliserin yang telah terpisah dicampur dengan larutan pencampur yang panas , berupa soda dan ammonia dan kemudian diemulsi dengan udara .

2. Nitro nobel injector process

Alat dalam proses ini adalah sebuah injektor yang dipakai untuk mencampur gliserol dengan pre- cooled nitration acid ( asam penitrasi yangtelah didinginkan ). Aliran asam yang lewat injektor akan menimbulkan kevakuman , hingga gliserin akan tertarik masuk . Pencampuran kedua zat ini sangat cepat dan akan membentuk emulsi . Gliserin yang terisap ke injector pada suhu 48^oC segera bereaksi dengan asam . Reaksi berlangsung pada suhu 45-50^oC. Emulsi yang diperoleh segera didinginkan sampai suhu 15^oC lalu keluar secara gravitasi menuju centrifuge.

 

3. Biazzi continous process

Biazzi continous process adalah proses terbaru dalam produksi nitrogliserin . Perlengkapannya terdiri atas nitrator , separator , dan pencuci berpengaduk . Sebagian unit alatnya terbuat dari stainless steel , untuk mencegah penimbunan nitrogliserin . Prosesnya meliputi nitrasi , pemisahan , dan pemurnian nitroglisern dengan cara pencucian . Nitratornya berupa vessel berbentuk silinder kecil yang dilengkapi dengan stainless steel vessel dengan koil pendingin , dimana brine pada suhu (-2) – (-5)^oC disirkulasikan selama nitrasi untuk menjaga reaksi pada suhu 15^oC dan tekanan atmosfer (1 atm ).

Kemudian hasil nitrator masuk ke separator I untuk memisahkan nitrogliserin dari asam sisa berdasarkan berat jenis dan kelarutan , kemudian sisa asam dinetralkan dengan larutan natrium karbonat 2%.