Proses Haber: Perbedaan antara revisi

'''Proses Haber''', disebut juga  '''proses Haber–Bosch''', adalah suatu proses [[Pengikatan nitrogen|fiksasi nitrogen]] artifisial dan merupakan prosedur industri utama untuk produksi [[amonia]] yang berlaku saat ini.<ref name=Appl>Max Appl "Ammonia" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2006 Wiley-VCH, Weinheim. {{DOI|10.1002/14356007.a02_143.pub2}}</ref> Proses ini dinamakan demikian setelah para penemunya, kimiawan Jerman [[Fritz Haber]] dan  [[Carl Bosch]], mengembangkan proses ini pada paruh pertama abad ke-20. Proses ini mengubah [[nitrogen]] (N₂) atmosfer menjadi amonia (NH₃) melalui suatu reaksi dengan  [[hidrogen]] (H₂) menggunakan katalis logam di bawah temperaturutemperatur dan tekanan tinggi:

Sebelum diteumkanditemukan proses Haber, amonia sulit diproduksi dalam skala industri<ref name=Smil_2004_Enriching>{{cite book|last1=Smil|first1=Vaclav|title=Enriching the earth : Fritz Haber, Carl Bosch, and the transformation of world food production|date=2004|publisher=MIT|location=Cambridge, Mass.|isbn=9780262693134|edition=1st MIT Press paperback}}</ref><ref name=hager>{{cite book|last1=Hager|first1=Thomas|title=The alchemy of air : a Jewish genius, a doomed tycoon, and the scientific discovery that fed the world but fueled the rise of Hitler|url=https://archive.org/details/alchemyofairjewi0000hage|date=2008|publisher=Harmony Books|location=New York|isbn=978-0-307-35178-4|edition=1st}}</ref><ref>{{cite book|last1=Sittig|first1=Marshall|title=Fertilizer industry : processes, pollution control, and energy conservation|url=https://archive.org/details/fertilizerindust0000sitt|date=1979|publisher=Noyes Data Corp.|location=Park Ridge, N.J.|isbn=0-8155-0734-8}}</ref> menggunakan metode-metode awal seperti  [[proses Birkeland–Eyde]]  dan  [[proses Frank–Caro]]  yang sangat tidak efisien.

Meskipun proses Haber saat ini banyak digunakan untuk menghasilkan pupuk, selama Perang Dunia I proses ini memperlengkapi Jerman dengan suatu sumber amonia untuk produksi bahan peledak, sebagai kompensasi blokade perdagangan Sekutu terhadap  [[Nitratin|sendawa Chile]].

Sepanjang abad ke-19, kebutuhan nitrat dan amonia untuk digunakan sebagai pupuk dan bahan baku industri meningkat pesat. Sumber utama saat itu adalah deposit tambang  [[niter]]. Pada awal abad ke-20, telah diprediksi bahwa cadangan ini tidak dapat memuaskan kebutuhan masa depan<ref>{{cite book|last1=K. James,|first1=Laylin|title=Nobel laureates in chemistry 1901-1992|date=1993|publisher=American chemical society|location=[S.l.]|isbn=0-8412-2690-3|page=118|edition=3. printing}}</ref> dan riset untuk mendapatkan sumber potensial baru amonia menjadi lebih berharga. Sumber yang paling nyata adalah nitrogen atmosfer (N₂), yang merupakan penyusun 80% udara, namun N₂ sangat stabil dan tidak mudah bereaksi dengan bahan kimia lain. Mengubah N₂ menjadi amonia merupakan tantangan kimia yang harus dihadapi oleh kimiawan global.

Haber, bersama asistennya  [[Robert Le Rossignol]], mengembangkan peralatan bertekanan tinggi dan  [[katalis]]  untuk mendemonstrasikan proses Haber dalam skala laboratorium.<ref>{{cite book|last1=Haber|first1=Fritz|title=Thermodynamik technischer Gasreaktionen|date=2012|publisher=Salzwasser Verlag|location=Paderborn|isbn=9783864448423|edition=1. Aufl.|language=German}}</ref><ref>{{Citation |title=Robert Le Rossignol, 1884–1976: Professional Chemist |year=2009 |journal=ChemUCL Newsletter |publisher=UCL Department of Chemistry |url=http://www.ucl.ac.uk/chemistry/alumni/documents/A5booklet_020909.pdf |page=8 |doi= |accessdate=2016-02-15 |archive-date=2011-01-13 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110113022251/http://www.ucl.ac.uk/chemistry/alumni/documents/A5booklet_020909.pdf |dead-url=yes }}</ref> Mereka mendemonstrasikan proses mereka pada Mussim Panas tahun 1909 dengan memproduksi amonia dari udara setetes demi setetes, dengan laju sekitar {{convert|125|ml|USoz|sigfig=1|abbr=on}} per jam. Proses ini dibeli oleh perusahaan kimia Jerman [[BASF]], yang menugaskan  [[Carl Bosch]] untuk menaikkan kelas mesin laboratorium Haber menjadi peralatan produksi skala industrial.<ref name="hager"/><ref>[http://www.google.com/patents/US990191 US Pat 990191]</ref> Ia berhasil melakukannya pada tahun 1910. Haber dan Bosch akhirnya dianugerahi  [[penghargaan Nobel]], pada tahun 1918 dan 1931, atas karya mereka dalam menanggulangi masalah kimia dan teknik pada teknologi aliran berkesinambungan tekanan tinggi berskala besar.<ref name=Hager>Hager, T. The Alchemy of Air. Harmony Books, NY, 2008.</ref>

Amonia pertama kali diproduksi menggunakan proses Haber dalam skala industri pada tahun 1913 oleh BASF pabrik  [[Ludwigshafen am Rhein|Oppau]] di Jerman, mencapai 20 ton per hari pada tahun berikutnya.<ref>[http://www.americanscientist.org/bookshelf/pub/from-fertile-minds Philip & Phyllis Morris, From Fertile Minds (review) ''American Scientist'' 2001 ]</ref> Selama PD-I, amonia sintetis digunakan untuk produksi [[asam nitrat]], suatu prekursor untuk  [[amunisi]]. Sekutu mempunyai akses kepada sejumlah besar deposit  [[natrium nitrat]]  di Chile (sehingga disebut "sendawa Chile") yang dimiliki hampir secara total oleh perusahaan-perusahaan Inggris. Oleh karena Jerman tidak memiliki akses kepada sumber daya alam yang tersedia, proses Haber terbukti penting untuk bagi Jerman dalam upayanya memenangi perang.<ref name=Hager/><ref name="ny times">{{cite news|title=Nobel Award to Haber|url=http://query.nytimes.com/mem/archive-free/pdf?_r=1&res=9807EEDA133BEE32A25750C0A9649C946195D6CF&oref=slogin|accessdate=11 October 2010|newspaper=[[New York Times]]|date=3 February 1920}}</ref>

[[Berkas:Ammoniak_Reaktor_BASF.jpg|ka|jmpl|Reaktor baja bertekanan tinggi bersejarah (1921) untuk produksi amonia melalui proses Haber diabadikan di  [[Institut Teknologi Karlsruhe]], Jerman.]]

Konversi biasanya dilakukan pada tekanan  antara  {{convert|15|–|25|MPa|abbr=on|lk=on|bar psi}} dan temperatur antara  {{convert|400|-|500|°C|F|abbr=on}}, saat gas dilewatkan di atas empat hamparan [[katalis]], dengan pendinginan di antara masing-masing hamparan untuk menjaga [[Konstanta kesetimbangan|tetapan kesetimbangan]]  yang wajar. Sekali lewat di atas hamparan katalis, konversi hanya terjadi sebanyak 15%, tetapi gas yang tidak bereaksi didaur ulang, dan tidak jarang konversi total dapat mencapai 97%.<ref name="Appl"/>

The tahap reformasi kukus (''steam reforming''), konversi pergeseran, penghilangan karbon dioksida, dan metanasi masing-masing beroperasi pada tekanan sekitar {{convert|2.5|–|3.5|MPa|abbr=on|bar psi}}  dan siklus sintesis amonia beroperasi pada rentang tekanan antara  {{convert|6|–|18|MPa|abbr=on|bar psi}}, bergantung pada proses eksklusif yang digunakan.<ref name="Appl"/>

Sumber utama hidrogen adalah  [[metana]]  dari  [[gas alam]]. Konversinya, [[reformasi kukus]], dilakukan dengan udara, yang dideoksigenasi oleh pembakaran gas alam. Semula Bosch memperoleh  [[hidrogen]]  melalui  [[elektrolisis air]].

Nitrogen (N₂) sangat tidak reaktif karena  [[molekul]]nya  berikatan melalui  [[Ikatan kimia|ikatan rangkap tiga]] yang kuat. Proses Haber bersandar pada katalis yang mempercepat pemutusan ikatan rangkap tiga ini.

Dua pertimbangan yang berlawanan relevan untuk sintesis ini: posisi kesetimbangan dan [[laju reaksi]]. Pada temperatur ruang, kesetimbangan bergeser ke arah amonia, tetapi reaksi berlangsung pada laju yang tak dapat dideteksi. Pemecahan yang nyata adalah dengan menaikkan temperatur, tetapi karena reaksi adalah  [[Reaksi eksoterm|eksotermik]], tetapan kesetimbangan (dalam satuan bar atau  [[Atmosfer (satuan)|atm]]) menjadi 1 dari  {{convert|150|-|200|°C|F|abbr=on}}. (Lihat  [[prinsip Le Chatelier]].)

Di atas temperatur ini, kesetimbangan dengan cepat menjadi kurang menguntungkan pada tekanan atmosfer, sesuai dengan [[persamaan Van't Hoff]]. Oleh karena itu, ada asumsi bahwa digunakan suhu rendah dan beberapa cara lain untuk meningkatkan laju reaksi.  Namun, katalis itu sendiri membutuhkan suhu minimal 400&nbsp;°C agar efisien.

[[Tekanan]]  adalah pilihan yang jelas untuk mendukung reaksi maju karena ada 4&nbsp;mol reaktan untuk setiap 2&nbsp;mol produk (lihat [[entropi]]), dan tekanan yang digunakan ({{convert|15|–|25|MPa|abbr=on|bar psi}}) mengubah konsentrasi kesetimbangan untuk memberikan rendemen yang menguntungkan.

Katalis yang paling populer didasarkan pada besi yang dipromosikan dengan K₂O, CaO, SiO₂, dan Al₂O₃. Bejana reaksi Haber-Bosch asli menggunakan [[osmium]] sebagai katalis, tapi hanya tersedia dalam jumlah yang sangat kecil.  Haber mencatat [[uranium]] hampir sama efektifnya dan lebih mudah didapat daripada osmium.Di bawah arahan Bosch pada tahun 1909, peneliti BASF [[Alwin Mittasch]] menemukan katalis berbasis [[besi]] yang jauh lebih murah, dan masih digunakan hingga saat ini.  Beberapa produksi amonia menggunakan katalis berbasis [[rutenium]] (proses KAAP). Rutenium membentuk katalis yang lebih aktif sehingga memungkinkan dilakukan pada tekanan operasi yang lebih rendah. Katalis tersebut disiapkan melalui dekomposisi [[trirutenium dodekakarbonil]] pada [[grafit]].<ref name="Appl"/>

Dalam praktik industri, katalis besi diperoleh dari serbuk besi yang dihaluskan, yang biasanya diperoleh dari reduksi [[magnetit]]  (Fe₃O₄) berkemurnian tinggi. Logam besi bubuk dibakar (dioksidasi) untuk menghasilkan magnetit dengan ukuran partikel tertentu.  Partikel magnetit kemudian direduksi secara parsial, dengan menghilangkan oksigen selama proses. Partikel katalis yang dihasilkan terdiri dari inti magnetit, yang terbungkus dalam cangkang [[wüstit]]  (FeO), yang pada gilirannya dikelilingi oleh kulit luar logam besi. Katalis mempertahankan sebagian besar volume massal selama reduksi, dihasilkan pada permukaan bahan luas yang sangat berpori, yang meningkatkan efektivitasnya sebagai katalis.  Komponen minor katalis lainnya termasuk  [[kalsium]] dan [[aluminium oksida]], yang mendukung katalis besi dan membantu mempertahankan area permukaannya. Oksida Ca, Al, K, dan Si kebal terhadap reduksi oleh hidrogen.<ref name="Appl"/>

Proses Haber saat ini menghasilkan {{convert|450|e6t}} [[pupuk]] nitrogen per tahun, sebagian besar dalam bentuk [[amonia]] anhidrat, [[amonium nitrat]], dan [[urea]].  Sebanyak 3&ndash;53–5% dari produksi gas alam dunia dikonsumsi oleh proses Haber (~ 1-2% dari pasokan energi tahunan dunia).<ref name="Smil 2004">Smil, Vaclav (2004). ''Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production.'' Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 9780262693134978-0-262-69313-4.</ref><ref>{{cite web|url=http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/nat_gas.html | title=International Energy Outlook 2007}}</ref><ref>Fertilizer statistics. {{cite web |url=http://www.fertilizer.org/ifa/statistics/indicators/ind_reserves.asp |title=? |author= |date= |work= |publisher= |accessdate= |archive-date=2008-04-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20080424083111/http://www.fertilizer.org/ifa/statistics/indicators/ind_reserves.asp |dead-url=yes }}</ref><ref>{{cite journal | doi = 10.1126/science.1076659 |date=September 2002 | author = Smith, Barry E. | title = Structure. Nitrogenase reveals its inner secrets | volume = 297 | issue = 5587 | pages = 1654–5 | pmid = 12215632 | journal = [[Science (journal)|Science]]}}</ref> Dalam kombinasi dengan pestisida, pupuk ini telah meningkatkan produktivitas lahan pertanian sebesar empat kali lipat:

* [http://www.basf.com/group/corporate/en/news-and-media-relations/science-around-us/ammonia/story BASF - Fertilizer out of thin air] {{Webarchive|url=https://archive.today/20140210085650/http://www.basf.com/group/corporate/en/news-and-media-relations/science-around-us/ammonia/story |date=2014-02-10 }}

[[Kategori:KesetimbanganKimia kimiakesetimbangan]]