MEKANIK FLUIDA
Efek Bernoulli dalam mekanika fluida
Mekanika Fluida adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari mengenai zat fluida (cair, gas dan plasma) dan gaya yang bekerja padanya. Mekanika fluida dapat dibagi menjadi statika fluida, ilmu yang mempelajari keadaan fluida saat diam; kinematika fluida, ilmu yang mempelajari fluida yang bergerak; dan dinamika fluida, ilmu yang mempelajari efek gaya pada fluida yang bergerak. Ini adalah cabang dari mekanika kontinum, sebuah subjek yang memodelkan materi tanpa memperhatikan informasi mengenai atom penyusun dari materi tersebut sehingga hal ini lebih berdasarkan pada sudut pandang makroskopik daripada sudut pandang mikroskopik. Mekanika fluida, terutama dinamika fluida, adalah bidang penelitian utama dengan banyak hal yang belum terselesaikan atau hanya sebagian yang terselesaikan. Mekanika fluida dapat menjadi sangat rumit secara matematika, dan sangat tepat untuk diselesaikan dengan metode numerik, biasanya dengan menggunakan perhitungan komputer. Dinamika Fluida Komputasi, adalah salah satu disiplin yang dikhususkan untuk penyelesaian masalah mekanika fluida dengan pendekatan numerik.
Asumsi Dasar
Seperti halnya model matematika pada umumnya, mekanika fluida membuat beberapa asumsi dasar berkaitan dengan studi yang dilakukan. Asumsi-asumsi ini kemudian diterjemahkan ke dalam persamaan-persamaan matematis yang harus dipenuhi bila asumsi-asumsi yang telah dibuat berlaku.
Mekanika fluida mengasumsikan bahwa semua fluida mengikuti:
Hukum kekekalan massa
Hukum kekekalan momentum
Hipotesis kontinum, yang dijelaskan di bagian selanjutnya.
Kadang, akan lebih bermanfaat (dan realistis) bila diasumsikan suatu fluida bersifat inkompresibel. Maksudnya adalah densitas dari fluida tidak berubah ketika diberi tekanan. Cairan kadang-kadang dapat dimodelkan sebagai fluida inkompresibel sementara semua gas tidak bisa.
Selain itu, kadang-kadang viskositas dari suatu fluida dapat diasumsikan bernilai nol (fluida tidak viskos). Terkadang gas juga dapat diasumsikan bersifat tidak viskos. Jika suatu fluida bersifat viskos dan alirannya ditampung dalam suatu cara (seperti dalam pipa), maka aliran pada batas sistemnya mempunyai kecepatan nol. Untuk fluida yang viskos, jika batas sistemnya tidak berpori, maka gaya geser antara fluida dengan batas sistem akan memberikan resultan kecepatan nol pada batas fluida.
Hipotesis kontinum
Fluida disusun oleh molekul-molekul yang bertabrakan satu sama lain. Namun demikian, asumsi kontinum menganggap fluida bersifat kontinu. Dengan kata lain, properti seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada titik-titik yang sangat kecil yang mendefinisikan REV (‘’Reference Element of Volume’’) pada orde geometris jarak antara molekul-molekul yang berlawanan di fluida. Properti tiap titik diasumsikan berbeda dan dirata-ratakan dalam REV. Dengan cara ini, kenyataan bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan.
Hipotesis kontinum pada dasarnya hanyalah pendekatan. Sebagai akibatnya, asumsi hipotesis kontinum dapat memberikan hasil dengan tingkat akurasi yang tidak diinginkan. Namun demikian, bila kondisi benar, hipotesis kontinum menghasilkan hasil yang sangat akurat.
Masalah akurasi ini biasa dipecahkan menggunakan mekanika statistik. Untuk menentukan perlu menggunakan dinamika fluida konvensial atau mekanika statistik, angka Knudsen permasalahan harus dievaluasi. Angka Knudsen didefinisikan sebagai rasio dari rata-rata panjang jalur bebas molekular terhadap suatu skala panjang fisik representatif tertentu. Skala panjang ini dapat berupa radius suatu benda dalam suatu fluida. Secara sederhana, angka Knudsen adalah berapa kali panjang diameter suatu partikel akan bergerak sebelum menabrak partikel lain.
Persamaan Navier-Stokes
Persamaan Navier-Stokes (dinamakan dari Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes) adalah serangkaian persamaan yang menjelaskan pergerakan dari suatu fluida seperti cairan dan gas. Persamaan-persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum (percepatan) partikel-partikel fluida bergantung hanya kepada gaya viskos internal (mirip dengan gaya friksi) dan gaya viskos tekanan eksternal yang bekerja pada fluida. Oleh karena itu, persamaan Navier-Stokes menjelaskan kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada fluida.
Persamaan Navier-Stokes memiliki bentuk persamaan diferensial yang menerangkan pergerakan dari suatu fluida. Persaman seperti ini menggambarkan hubungan laju perubahan suatu variabel terhadap variabel lain. Sebagai contoh, persamaan Navier-Stokes untuk suatu fluida ideal dengan viskositas bernilai nol akan menghasilkan hubungan yang proposional antara percepatan (laju perubahan kecepatan) dan derivatif tekanan internal.
Untuk mendapatkan hasil dari suatu permasalahan fisika menggunakan persamaan Navier-Stokes, perlu digunakan ilmu kalkulus. Secara praktis, hanya kasus-kasus aliran sederhana yang dapat dipecahkan dengan cara ini. Kasus-kasus ini biasanya melibatkan aliran non-turbulen dan tunak (aliran yang tidak berubah terhadap waktu) yang memiliki nilai bilangan Reynold kecil.
Untuk kasus-kasus yang kompleks, seperti sistem udara global seperti El Niño atau daya angkat udara pada sayap, penyelesaian persamaan Navier-Stokes hingga saat ini hanya mampu diperoleh dengan bantuan komputer. Kasus-kasus mekanika fluida yang membutuhkan penyelesaian berbantuan komputer dipelajari dalam bidang ilmu tersendiri yaitu mekanika fluida komputasional
Bentuk umum persamaan
Bentuk umum persamaan Navier-Stokes untuk kekekalan momentum adalah :
di mana
adalah densitas fluida,
adalah derivatif substantif (dikenal juga dengan istilah derivatif dari material)
adalah vektor kecepatan,
adalah vektor gaya benda, dan
adalah tensor yang menyatakan gaya-gaya permukaan yang bekerja pada partikel fluida.
adalah tensor yang simetris kecuali bila fluida tersusun dari derajat kebebasan yang berputar seperti vorteks. Secara umum, (dalam tiga dimensi) memiliki bentuk persamaan:
di mana
adalah tegangan normal, dan
adalah tegangan tangensial (tegangan geser).
Persamaan di atas sebenarnya merupakan sekumpulan tiga persamaan, satu persamaan untuk tiap dimensi. Dengan persamaan ini saja, masih belum memadai untuk menghasilkan hasil penyelesaian masalah. Persamaan yang dapat diselesaikan diperoleh dengan menambahkan persamaan kekekalan massa dan batas-batas kondisi ke dalam persamaan di atas.
Fluida Newtonian vs. non-Newtonian
Sebuah Fluida Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk.
Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada keadaan tertentu.
Persamaan pada fluida Newtonian
Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan perlakuan fluida Newtonian adalah:
di mana
adalah tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida
adalah viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas
adalah gradien kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran
Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika fluida bersifat inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida, persamaan yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah
di mana
adalah tegangan geser pada bidang dengan arah
adalah kecepatan pada arah
adalah koordinat berarah
Jika suatu fluida tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-Newtonian.
by.A N I S
Minggu, 15 Desember 2013
BIJIH LOGAM
BIJIH LOGAM
Kulit bumi mengandung banyak batu-batuan yang berbeda. Batuan
adalah campuran mineral dimana dari beberapa batuan tersebut
dapat dibuat senyawa-senyawa yang bermanfaat.
Mineral dapat berupa padatan logam atau nonlogam atau senyawa
yang ditemukan secara alami di kulit bumi.
Bijih logam adalah mineral atau campuran mineral yang dapat
diekstrak. Bijih logam biasanya berupa oksida, karbonat dan
sulfida. Kesemuanya merupakan sumber daya yang terbatas jadi
harus digunakan secara bijaksana.
Untuk mengekstrak logam, bijih atau senyawa logam harus
mengalami proses reduksi (misalnya, ion logam positif menerima
elektron negatif untuk membentuk atom logam netral, atau oksida
yang kehilangan oksigen, untuk membentuk atom logam bebas).
Senyawa yang kehilangan oksigen dari oksidanya disebut agen
pereduksi misalnya karbon,karbon monoksida atau kadang-kadang
hidrogen.
Umumnya metode ekstraksi tergantung pada posisi logam dalam
deret reaktivitas.
� Deret reaktivitas logam meliputi dua nonlogam, karbon dan
hidrogen, untuk membantu memprediksi metode mana yang
digunakan untuk mengekstrak logam.
Deret: rendah Pt Au Ag Cu (H) Pb Sn Fe Zn (C) Al Mg Ca Na K
tinggi.
o Aturan: Unsur-unsur yang lebih tinggi dalam deretdapat
menggantikan unsur-unsur lain yang lebih rendah.
� Logam di atas seng dan karbon dalam deret reaktivitas
biasanya tidak dapat diekstrak dengan karbon atau karbon
monoksida. Logam tersebut biasanya diekstrak dengan elektrolisis
lelehan bijih logam yang dimurnikan atau senyawa lain yang
sesuai.
o Misalnya, aluminium dari lelehan oksida aluminium atau
natrium dari lelehan natrium klorida.
o Bijih logam atau senyawa harus dilelehkan atau dilarutkan
dalam larutan dalam sel elektrolisis untuk mengalirkan ion
(arus listrik).
� Logam di bawah karbon dapat diekstrak dengan
memanaskan oksida dengan karbon atau karbon monoksida. Unsur
nonlogam karbon akan menggantikan logam yang kurang reaktif
dalam smelter atau blast furnace misal besi atau seng dan logam
yang lebih rendah dalam deret.
� Logam di bawah hidrogen tidak akan menggantikan
hidrogen dari asam. Oksidanya mudah direduksi menjadi logam
dengan pemanasan dalam aliran hidrogen, meskipun metode
ekstraksi ini sangat jarang digunakan dalam industri. Faktanya
hampir semua logam oksida di bawah karbon dapat direduksi
ketika dipanaskan dalam hidrogen, meskipun logam direaksikan
dengan asam.
� Beberapa logam sangat tidak reaktif sehingga tidak dapat
dikombinasikan dengan oksigen di udara atau unsur lain yang ada
di kulit bumi, dan ditemukan sebagai logam itu sendiri. Contohnya
emas (dan kadang-kadang tembaga dan perak) dan tidak
dibutuhkan pemisahan kimia atau ekstraksi. Faktanya semua logam
di bawah hidrogen dapat ditemukan sebagai unsur ‘bebas’ atau
‘asli’.
� Metode-metode lain dibutuhkan dalam kasus khusus
menggunakan aturan penempatan (displacement rules). Logam
yang lebih reaktif dapat digunakan untuk menggantikan dan
mengekstrak logam yang kurang reaktif.
� Kadang-kadang elektrolisis digunakan untuk memurnikan
logam yang kurang reaktif yang awalnya telah diekstrak
menggunakan karbon atau hidrogen (misal tembaga an seng).
� Kebutuhan untuk material mentah mempunyai impikasi
sosial, ekonomi dan lingkungan misal konservasi sumber mineral
dengan mendaur ulang logam, mengurangi polusi, dsb.
� Reaktivitas adalah ukuran mudahnya pembentukan
senyawa dan stabilitas (misal lebih reaktif, lebih mudah
membentuk senyawa stabil, lebih sulit untuk mereduksi logam).
o Logam yang paling tidak reaktif seperti emas, perak dan
tembaga telah digunakan selama 10000 tahun yang lalu
karena logam murni tersebut telah ditemukan secara alami.
o Logam yang sedikit reaktif seperti besi dan timah telah
diekstrak menggunakan karbon berbasis smelting selama
2000-3000 tahun yang lalu.
o Tetapi dalam 200 tahun terakhir ini logam yang sangat
reaktif seperti natrium atau aluminium telah diekstrak
dengan elektrolisis.
Ekstraksi Besi
� Bijih oksida besi ditambang di berbagai bagian dunia.
Contohnya haematite Fe2O3 dan magnetite Fe3O4.
� Campuran padatan bijih haematite, coke dan limestone
secara kontinu dimasukkan ke dalam blast furnace.
� Coke dibakar di dasar dan udara panas ditiupkan untuk
membakar coke (karbon) untuk membentuk karbon dioksida dalam
reaksi oksidasi (C menerima O).
� Energi panas dibutuhkan dalam reaksi eksotermik untuk
meningkatkan suhu blast furnace hingga di atas 1000 oC untuk
mempengaruhi reduksi bijih logam.
o karbon + oksigen � karbon dioksida
o C(s) + O2(g) � CO2(g)
� Pada suhu tinggi terbentuk karbon dioksida, bereaksi
dengan coke (karbon) lain untuk membentuk karbon monoksida
o karbon dioksida + karbon � karbon monoksida
o CO2(g) + C(s) � 2CO(g)
o (catatan: CO2 tereduksi dengan kehilangan O, C teroksidasi
dengan menerima O)
� Karbon monoksida adalah molekul yang benar-benar
mengusir oksigen dari bijih besi oksida. Ini adalah reaksi reduksi
(Fe2O3 kehilangan O, atau Fe3+ menerima tiga elektron untuk
membentuk Fe) dan CO dikenal sebagai agen pereduksi (pengusir
O dan teroksidasi dalam proses).
� Logam besi dilelehkan pada suhu blast furnace tinggi dan
menetes ke dasar blast furnace. Reaksi reduksi utama adalah ...
o Besi (III) oksida + karbon monoksida � besi + karbon
dioksida
o Fe2O3(s) + 3CO(g) � 2Fe(l) + 3CO2(g)
o Catatan, dalam kedua reaksi di atas, oksidasi dan reduksi
selalu terjadi bersamaan!
Reaksi reduksi bijih logam yang lain adalah …
Besi (III) oksida + karbon � besi + karbon monoksida
Fe2O3(s) + 3C(g) � 2Fe(l) + 3CO(g)
atau
besi (III) oksida + karbon � besi + karbon dioksida
2Fe2O3(s) + 3C(g) � 4Fe(l) + 3CO2(g)
Bijih logam asli mengandung acidic mineral impurities seperti
silika (SiO2, silikon dioksida). Ini bereaksi dengan kalsium karbonat
428(limestone) untuk membentuk molten slag missal dari kalium
silikat.
o kalsium karbonat + silika � kalsium silikat + karbon dioksida
o CaCO3 + SiO2 � CaSiO3 + CO2
o Kadang-kadang ditunjukkan dalam dua langkah:
� CaCO3 � CaO + CO2
� CaO + SiO2 � CaSiO3
� Molten slag membentuk lapisan di atas lelehan besi yang
lebih padat dan keduanya dapat dipisahkan, dan biasanya,
disalurkan ke luar. Besi didinginkan dan dicetak ke dalam pig iron
ingots atau ditransfer langsung ke furnace penghasil baja.
� Limbah gas dan debu dari blast furnace harus
diperlakukan dengan baik untuk menghindari polusi lingkungan.
o karbon monoksida yang sangat beracun dapat dibakar
untuk menghasilkan sumber energi panas, dan dalam reaksi
eksoterm dikonversikan menjadi karbon dioksida yang tidak
berbahaya.
� karbon monoksida + oksigen � karbon dioksida
� 2CO(g) + O2(g) � 2CO2(g)
o Gas asam seperti sulfur dioksida dari bijih sulfida, dapat
dihilangkan dengan bubbling melalui larutan alkali seperti
kalsium hidroksida ('limewater') yang dinetralkan dan
dioksidasi menjadi kalsium sulfat yang tidak berbahaya.
Pembersihan gas dengan cara ini disebut 'gas scrubbing'.
o Air yang terkontaminasi harus dibersihkan dari bahan kimia
berbahaya sebelum dilepaskan ke sungai atau didaur ulang
melalui water treatment plant.
o waste slag digunakan untuk konstruksi jalan atau menimbun
galian sehingga dapat ditanami.
� Besi dari blast furnace baik untuk obyek cast iron yang
sangat keras tetapi terlalu rapuh untuk aplikasi lainnya karena
kandungan karbon dari coke-nya terlalu tinggi. Jadi dikonversikan
menjadi steel alloy untuk range yang lebih luas.
Material mentah:
� bijih besi misal bijih haematite [besi (III) oksida, Fe2O3]
� coke (karbon, C)
� udara panas (untuk O2 di dalamnya)
� limestone (kalsium karbonat, CaCO3)
Ekstraksi Aluminium
� Aluminium diperoleh dari mineral bauksit
� Pemurnian bijih bauksit dari aluminium oksida dilakukan
secara kontinyu. Cryolite ditambahkan dalam titik leleh yang lebih
rendah dan melarutkan bijih.
� Ion-ion harus bebas bergerak menuju elektroda yang
disebut katoda (elektroda negatif) yang menarik ion positif,
misalnya Al3+ dan anoda (elektroda positif) yang menarik ion
negatif, misalnya O2-
� Ketika arus DC dilewatkan melalui plat aluminium pada
katoda (logam) maka aluminium akan diendapkan di bagian bawah
tangki.
� Pada anoda, gas oksigen terbentuk (non-logam). Ini
menimbulkan masalah. Pada suhu yang tinggi dalam sel elektrolit,
gas oksigen akan membakar dan mengoksidasi elektroda karbon
menjadi gas beracun karbon monoksida atau karbon dioksida.
Sehingga elektrode harus diganti secara teratur dan gas buang
dihilangkan.
� Hal tersebut merupakan proses yang memerlukan biaya
relatif banyak (6x lebih banyak dari pada Fe) karena dalam proses
ini membutuhkan energi listrik yang mahal dalam jumlah yang
banyak.
� Dua aturan yang umum :
o logam dan hidrogen (dari ion positif), terbentuk pada
elektroda negatif (katoda).
o Non-logam (dari ion negatif), terbentuk pada elektroda
positif (anoda).
� Bijih bauksit dari aluminium oksida tidak murni (Al2O3
terbentuk dari ion Al3+ dan ion O2-).
� Karbon (grafit) digunakan sebagai elektroda.
� Cryolite menurunkan titik leleh bijih dan menyimpan
energi, karena ion-ion harus bergerak bebas untuk membawa arus.
� Elektrolisis adalah penggunaan energi listrik DC yang
megakibatkan adanya perubahan kimia, misalnya dekomposisi
senyawa untuk membentuk endapan logam atau membebaskan
gas. Adanya energi listrik menyebabkan suatu senyawa akan
terbelah.
� Sebuah elektrolit menghubungkan antara anoda dan
katoda. Sebuah elektrolit adalah lelehan atau larutan penghubung
dari ion-ion yang bergerak bebas yang membawa muatan dari
sumber arus listrik.
Proses reaksi redoks yang terjadi pada elektroda :
� Pada elektroda negatif (katoda), terjadi proses reduksi
(penagkapan elektron) dimana ion aluminiun yang bermuatan
positif menarik elektron. Ion aluminuim tersebut menangkap tiga
elektron untuk mengubah ion aluminuim menjadi atom
� aluminium dalam keadaan netral.
Al3+ 3e- � Al
� Pada elektroda positif (anoda), terjadi proses oksidasi
(pelepasan elektron) dimana ion oksida negatif melepaskannya. Ion
oksida tersebut melepaskan dua elektron dan membentuk molekul
oksigen yang netral.
2O2
- � O2 + 4e-
Atau 2O2- - 4e- � O2
� Catatan : reaksi oksidasi maupun reduksi terjadi secara
bersama-sama.
� Reaksi dekomposisi secara keseluruhan adalah :
431
Aluminium oksida � aluminium + oksigen
2 Al2O3 � 4Al + 3O2
Dan reaksi diatas merupakan reaksi yang sangat endotermis,
banyak energi listrik yang masuk.
21.3.3 Ekstraksi dan Pemurnian Seng
� Seng diekstraksi dari seng blende/sphalerite (seng sulfide)
atau calamine/Smithsonite (seng karbonat).
� (1) Seng sulfide dibakar di udara untuk menghasilkan seng
oksida.
� 2ZnS(s) + 3O2(g) � 2ZnO(s) + 2SO2(g)
� Catatan: calamine dapat digunakan secara langsung dalam
lelehan seng karena dalam pemanasannya akan menghasilkan seng
oksida.
ZnCO3(s) � ZnO(s) + CO2(g) (dekomposisi termal endotermik)
� (2) Seng oksida tidak murni dapat dihilangkan dalam dua
cara untuk mengekstrak seng :
� (a) Seng oksida di baker dalam smelting furnace dengan
karbon (batu karang, agent pereduksi) dan limestone (untuk
menghilangkan pengotor asam). Reaksi kimia hampir sama dengan
besi dari blast furnace.
o C(s) + O2(g) � CO2(g) (sangat oksidasi eksotermik,
meningkatkan temperature)
o C(s) + CO2(g) � 2CO(g) (C dioksidasi, CO2 direduksi)
o ZnO(s) + CO(g) � Zn(l) + CO2(g) (seng oksida direduksi oleh CO,
Zn kehilangan O)
o Atau reduksi langsung oleh karbon : ZnO(s) + C(s) � Zn(l) +
CO(g) (ZnO direduksi, C dioksidasi)
o Karbon monoksida bertindak sebagai agent pereduksi yaitu
menghilangkan oksigen dari oksida.
o Seng tidak murni kemudian didistilasi frasional dari
campuran ampas biji dan logam lainnya seperti timah dan
cadmium yang keluar dari pembakaran tinggi pada atmosfer
yang kaya akan karbon monoksida dimana menghentikan
seng dioksidasi kembali menjadi seng oksida.
o Ampas biji dan timah (dengan logam lainnya seperti
cadmium) dari dua lapisan dapat ditahan pada dasar
furnace.
o Seng kemudian dapat dimurnikan lebih lanjut melalui
distilasi fraksional ke 2 atau dengan dilarutkan ke dalam
larutan asam sulfat dan dimurnikan secara elektrolit seperti
yang digambarkan sebelumnya
� (b) Tahapan yang ke dua
o (i) Dilarutkan dan dinetralisasi dengan larutan asam sulfat
untuk menghasilkan larutan tidak murni seng sulfat.
o ZnO(s) + H2SO4(aq) � ZnSO4(aq) + H2O(l)
o Atau menggunakan calamine/seng karbonat:
� ZnCO3(s) + H2SO4(aq) � ZnSO4(aq) + H2O(l)+ CO2(g)
o (ii) Seng murni dihasilkan dari larutan melalui elektrolisis.
Seng akan dapat terendapkan pada seng murni elektroda
negative (katoda) dengan jalan yang sama tembaga dapat
dimurnikan. Elektroda lainnya, harus inert, untuk percobaan
laboratorium, karbon (grafit) dapat digunakan dan oksigen
terbentuk.
� Zn2+
(aq) + 2e- � Zn(s)
� Proses reduksi, electron terbentuk, sebagai logam seng
yang terendapkan pada elektroda (-).
� Padatan seng oksida tidak dapat digunakan secara langsung
karena tidak larut dan ion harus bebas untuk membawa arus dan
pindah ke elektroda pada bagian lain larutan.
� Lebih jelasnya sistem elektrolisis digunakan, lihat
pemurnian tembaga (hanya menukar Zn untuk Cu pada
metoda/diagrktif)
� Harap dicatat: Pada produksi industri seng dengan
elektrolisis (disebut elektro-winning) katoda negative (-) dibuat
dari aluminium (Al, dimana seng terendapkan) dan elektroda
positif(+) dibuat dari campuran timah-perak (Pb-Ag, dimana
oksigen terbentuk). Kenapa elektroda ini digunakan dalam proses
eletrowinning saya tidak yakin, tetapi aluminium tidak reaktif
sehingga efektif inert, timah dan perak juga memiliki keaktifan
rendah, tetapi
21.3.4 Ekstraksi Elektrolit Natrium
Natrium, sama seperti banyak logam reaktif lainnya, dapat
diektrak dengan eletrolisis dari lelehan klorida. Hal ini dapat
dilakukan pada ‘Sel Down’s’ terlihat dalam diagram.
Ion natrium positif berpindah menuju elektroda katoda negative
dan direduksi dengan bertambahnya electron untuk membentuk
larutan atom natrium.
Na+ + e- � Na
Ion negative klorida berpindah menuju elektrona anoda positif dan
dioksidasi dengan kehilangan electron membentuk molekul gas
klorida.
2Cl- � Cl2 + 2e-
Kulit bumi mengandung banyak batu-batuan yang berbeda. Batuan
adalah campuran mineral dimana dari beberapa batuan tersebut
dapat dibuat senyawa-senyawa yang bermanfaat.
Mineral dapat berupa padatan logam atau nonlogam atau senyawa
yang ditemukan secara alami di kulit bumi.
Bijih logam adalah mineral atau campuran mineral yang dapat
diekstrak. Bijih logam biasanya berupa oksida, karbonat dan
sulfida. Kesemuanya merupakan sumber daya yang terbatas jadi
harus digunakan secara bijaksana.
Untuk mengekstrak logam, bijih atau senyawa logam harus
mengalami proses reduksi (misalnya, ion logam positif menerima
elektron negatif untuk membentuk atom logam netral, atau oksida
yang kehilangan oksigen, untuk membentuk atom logam bebas).
Senyawa yang kehilangan oksigen dari oksidanya disebut agen
pereduksi misalnya karbon,karbon monoksida atau kadang-kadang
hidrogen.
Umumnya metode ekstraksi tergantung pada posisi logam dalam
deret reaktivitas.
� Deret reaktivitas logam meliputi dua nonlogam, karbon dan
hidrogen, untuk membantu memprediksi metode mana yang
digunakan untuk mengekstrak logam.
Deret: rendah Pt Au Ag Cu (H) Pb Sn Fe Zn (C) Al Mg Ca Na K
tinggi.
o Aturan: Unsur-unsur yang lebih tinggi dalam deretdapat
menggantikan unsur-unsur lain yang lebih rendah.
� Logam di atas seng dan karbon dalam deret reaktivitas
biasanya tidak dapat diekstrak dengan karbon atau karbon
monoksida. Logam tersebut biasanya diekstrak dengan elektrolisis
lelehan bijih logam yang dimurnikan atau senyawa lain yang
sesuai.
o Misalnya, aluminium dari lelehan oksida aluminium atau
natrium dari lelehan natrium klorida.
o Bijih logam atau senyawa harus dilelehkan atau dilarutkan
dalam larutan dalam sel elektrolisis untuk mengalirkan ion
(arus listrik).
� Logam di bawah karbon dapat diekstrak dengan
memanaskan oksida dengan karbon atau karbon monoksida. Unsur
nonlogam karbon akan menggantikan logam yang kurang reaktif
dalam smelter atau blast furnace misal besi atau seng dan logam
yang lebih rendah dalam deret.
� Logam di bawah hidrogen tidak akan menggantikan
hidrogen dari asam. Oksidanya mudah direduksi menjadi logam
dengan pemanasan dalam aliran hidrogen, meskipun metode
ekstraksi ini sangat jarang digunakan dalam industri. Faktanya
hampir semua logam oksida di bawah karbon dapat direduksi
ketika dipanaskan dalam hidrogen, meskipun logam direaksikan
dengan asam.
� Beberapa logam sangat tidak reaktif sehingga tidak dapat
dikombinasikan dengan oksigen di udara atau unsur lain yang ada
di kulit bumi, dan ditemukan sebagai logam itu sendiri. Contohnya
emas (dan kadang-kadang tembaga dan perak) dan tidak
dibutuhkan pemisahan kimia atau ekstraksi. Faktanya semua logam
di bawah hidrogen dapat ditemukan sebagai unsur ‘bebas’ atau
‘asli’.
� Metode-metode lain dibutuhkan dalam kasus khusus
menggunakan aturan penempatan (displacement rules). Logam
yang lebih reaktif dapat digunakan untuk menggantikan dan
mengekstrak logam yang kurang reaktif.
� Kadang-kadang elektrolisis digunakan untuk memurnikan
logam yang kurang reaktif yang awalnya telah diekstrak
menggunakan karbon atau hidrogen (misal tembaga an seng).
� Kebutuhan untuk material mentah mempunyai impikasi
sosial, ekonomi dan lingkungan misal konservasi sumber mineral
dengan mendaur ulang logam, mengurangi polusi, dsb.
� Reaktivitas adalah ukuran mudahnya pembentukan
senyawa dan stabilitas (misal lebih reaktif, lebih mudah
membentuk senyawa stabil, lebih sulit untuk mereduksi logam).
o Logam yang paling tidak reaktif seperti emas, perak dan
tembaga telah digunakan selama 10000 tahun yang lalu
karena logam murni tersebut telah ditemukan secara alami.
o Logam yang sedikit reaktif seperti besi dan timah telah
diekstrak menggunakan karbon berbasis smelting selama
2000-3000 tahun yang lalu.
o Tetapi dalam 200 tahun terakhir ini logam yang sangat
reaktif seperti natrium atau aluminium telah diekstrak
dengan elektrolisis.
Ekstraksi Besi
� Bijih oksida besi ditambang di berbagai bagian dunia.
Contohnya haematite Fe2O3 dan magnetite Fe3O4.
� Campuran padatan bijih haematite, coke dan limestone
secara kontinu dimasukkan ke dalam blast furnace.
� Coke dibakar di dasar dan udara panas ditiupkan untuk
membakar coke (karbon) untuk membentuk karbon dioksida dalam
reaksi oksidasi (C menerima O).
� Energi panas dibutuhkan dalam reaksi eksotermik untuk
meningkatkan suhu blast furnace hingga di atas 1000 oC untuk
mempengaruhi reduksi bijih logam.
o karbon + oksigen � karbon dioksida
o C(s) + O2(g) � CO2(g)
� Pada suhu tinggi terbentuk karbon dioksida, bereaksi
dengan coke (karbon) lain untuk membentuk karbon monoksida
o karbon dioksida + karbon � karbon monoksida
o CO2(g) + C(s) � 2CO(g)
o (catatan: CO2 tereduksi dengan kehilangan O, C teroksidasi
dengan menerima O)
� Karbon monoksida adalah molekul yang benar-benar
mengusir oksigen dari bijih besi oksida. Ini adalah reaksi reduksi
(Fe2O3 kehilangan O, atau Fe3+ menerima tiga elektron untuk
membentuk Fe) dan CO dikenal sebagai agen pereduksi (pengusir
O dan teroksidasi dalam proses).
� Logam besi dilelehkan pada suhu blast furnace tinggi dan
menetes ke dasar blast furnace. Reaksi reduksi utama adalah ...
o Besi (III) oksida + karbon monoksida � besi + karbon
dioksida
o Fe2O3(s) + 3CO(g) � 2Fe(l) + 3CO2(g)
o Catatan, dalam kedua reaksi di atas, oksidasi dan reduksi
selalu terjadi bersamaan!
Reaksi reduksi bijih logam yang lain adalah …
Besi (III) oksida + karbon � besi + karbon monoksida
Fe2O3(s) + 3C(g) � 2Fe(l) + 3CO(g)
atau
besi (III) oksida + karbon � besi + karbon dioksida
2Fe2O3(s) + 3C(g) � 4Fe(l) + 3CO2(g)
Bijih logam asli mengandung acidic mineral impurities seperti
silika (SiO2, silikon dioksida). Ini bereaksi dengan kalsium karbonat
428(limestone) untuk membentuk molten slag missal dari kalium
silikat.
o kalsium karbonat + silika � kalsium silikat + karbon dioksida
o CaCO3 + SiO2 � CaSiO3 + CO2
o Kadang-kadang ditunjukkan dalam dua langkah:
� CaCO3 � CaO + CO2
� CaO + SiO2 � CaSiO3
� Molten slag membentuk lapisan di atas lelehan besi yang
lebih padat dan keduanya dapat dipisahkan, dan biasanya,
disalurkan ke luar. Besi didinginkan dan dicetak ke dalam pig iron
ingots atau ditransfer langsung ke furnace penghasil baja.
� Limbah gas dan debu dari blast furnace harus
diperlakukan dengan baik untuk menghindari polusi lingkungan.
o karbon monoksida yang sangat beracun dapat dibakar
untuk menghasilkan sumber energi panas, dan dalam reaksi
eksoterm dikonversikan menjadi karbon dioksida yang tidak
berbahaya.
� karbon monoksida + oksigen � karbon dioksida
� 2CO(g) + O2(g) � 2CO2(g)
o Gas asam seperti sulfur dioksida dari bijih sulfida, dapat
dihilangkan dengan bubbling melalui larutan alkali seperti
kalsium hidroksida ('limewater') yang dinetralkan dan
dioksidasi menjadi kalsium sulfat yang tidak berbahaya.
Pembersihan gas dengan cara ini disebut 'gas scrubbing'.
o Air yang terkontaminasi harus dibersihkan dari bahan kimia
berbahaya sebelum dilepaskan ke sungai atau didaur ulang
melalui water treatment plant.
o waste slag digunakan untuk konstruksi jalan atau menimbun
galian sehingga dapat ditanami.
� Besi dari blast furnace baik untuk obyek cast iron yang
sangat keras tetapi terlalu rapuh untuk aplikasi lainnya karena
kandungan karbon dari coke-nya terlalu tinggi. Jadi dikonversikan
menjadi steel alloy untuk range yang lebih luas.
Material mentah:
� bijih besi misal bijih haematite [besi (III) oksida, Fe2O3]
� coke (karbon, C)
� udara panas (untuk O2 di dalamnya)
� limestone (kalsium karbonat, CaCO3)
Ekstraksi Aluminium
� Aluminium diperoleh dari mineral bauksit
� Pemurnian bijih bauksit dari aluminium oksida dilakukan
secara kontinyu. Cryolite ditambahkan dalam titik leleh yang lebih
rendah dan melarutkan bijih.
� Ion-ion harus bebas bergerak menuju elektroda yang
disebut katoda (elektroda negatif) yang menarik ion positif,
misalnya Al3+ dan anoda (elektroda positif) yang menarik ion
negatif, misalnya O2-
� Ketika arus DC dilewatkan melalui plat aluminium pada
katoda (logam) maka aluminium akan diendapkan di bagian bawah
tangki.
� Pada anoda, gas oksigen terbentuk (non-logam). Ini
menimbulkan masalah. Pada suhu yang tinggi dalam sel elektrolit,
gas oksigen akan membakar dan mengoksidasi elektroda karbon
menjadi gas beracun karbon monoksida atau karbon dioksida.
Sehingga elektrode harus diganti secara teratur dan gas buang
dihilangkan.
� Hal tersebut merupakan proses yang memerlukan biaya
relatif banyak (6x lebih banyak dari pada Fe) karena dalam proses
ini membutuhkan energi listrik yang mahal dalam jumlah yang
banyak.
� Dua aturan yang umum :
o logam dan hidrogen (dari ion positif), terbentuk pada
elektroda negatif (katoda).
o Non-logam (dari ion negatif), terbentuk pada elektroda
positif (anoda).
� Bijih bauksit dari aluminium oksida tidak murni (Al2O3
terbentuk dari ion Al3+ dan ion O2-).
� Karbon (grafit) digunakan sebagai elektroda.
� Cryolite menurunkan titik leleh bijih dan menyimpan
energi, karena ion-ion harus bergerak bebas untuk membawa arus.
� Elektrolisis adalah penggunaan energi listrik DC yang
megakibatkan adanya perubahan kimia, misalnya dekomposisi
senyawa untuk membentuk endapan logam atau membebaskan
gas. Adanya energi listrik menyebabkan suatu senyawa akan
terbelah.
� Sebuah elektrolit menghubungkan antara anoda dan
katoda. Sebuah elektrolit adalah lelehan atau larutan penghubung
dari ion-ion yang bergerak bebas yang membawa muatan dari
sumber arus listrik.
Proses reaksi redoks yang terjadi pada elektroda :
� Pada elektroda negatif (katoda), terjadi proses reduksi
(penagkapan elektron) dimana ion aluminiun yang bermuatan
positif menarik elektron. Ion aluminuim tersebut menangkap tiga
elektron untuk mengubah ion aluminuim menjadi atom
� aluminium dalam keadaan netral.
Al3+ 3e- � Al
� Pada elektroda positif (anoda), terjadi proses oksidasi
(pelepasan elektron) dimana ion oksida negatif melepaskannya. Ion
oksida tersebut melepaskan dua elektron dan membentuk molekul
oksigen yang netral.
2O2
- � O2 + 4e-
Atau 2O2- - 4e- � O2
� Catatan : reaksi oksidasi maupun reduksi terjadi secara
bersama-sama.
� Reaksi dekomposisi secara keseluruhan adalah :
431
Aluminium oksida � aluminium + oksigen
2 Al2O3 � 4Al + 3O2
Dan reaksi diatas merupakan reaksi yang sangat endotermis,
banyak energi listrik yang masuk.
21.3.3 Ekstraksi dan Pemurnian Seng
� Seng diekstraksi dari seng blende/sphalerite (seng sulfide)
atau calamine/Smithsonite (seng karbonat).
� (1) Seng sulfide dibakar di udara untuk menghasilkan seng
oksida.
� 2ZnS(s) + 3O2(g) � 2ZnO(s) + 2SO2(g)
� Catatan: calamine dapat digunakan secara langsung dalam
lelehan seng karena dalam pemanasannya akan menghasilkan seng
oksida.
ZnCO3(s) � ZnO(s) + CO2(g) (dekomposisi termal endotermik)
� (2) Seng oksida tidak murni dapat dihilangkan dalam dua
cara untuk mengekstrak seng :
� (a) Seng oksida di baker dalam smelting furnace dengan
karbon (batu karang, agent pereduksi) dan limestone (untuk
menghilangkan pengotor asam). Reaksi kimia hampir sama dengan
besi dari blast furnace.
o C(s) + O2(g) � CO2(g) (sangat oksidasi eksotermik,
meningkatkan temperature)
o C(s) + CO2(g) � 2CO(g) (C dioksidasi, CO2 direduksi)
o ZnO(s) + CO(g) � Zn(l) + CO2(g) (seng oksida direduksi oleh CO,
Zn kehilangan O)
o Atau reduksi langsung oleh karbon : ZnO(s) + C(s) � Zn(l) +
CO(g) (ZnO direduksi, C dioksidasi)
o Karbon monoksida bertindak sebagai agent pereduksi yaitu
menghilangkan oksigen dari oksida.
o Seng tidak murni kemudian didistilasi frasional dari
campuran ampas biji dan logam lainnya seperti timah dan
cadmium yang keluar dari pembakaran tinggi pada atmosfer
yang kaya akan karbon monoksida dimana menghentikan
seng dioksidasi kembali menjadi seng oksida.
o Ampas biji dan timah (dengan logam lainnya seperti
cadmium) dari dua lapisan dapat ditahan pada dasar
furnace.
o Seng kemudian dapat dimurnikan lebih lanjut melalui
distilasi fraksional ke 2 atau dengan dilarutkan ke dalam
larutan asam sulfat dan dimurnikan secara elektrolit seperti
yang digambarkan sebelumnya
� (b) Tahapan yang ke dua
o (i) Dilarutkan dan dinetralisasi dengan larutan asam sulfat
untuk menghasilkan larutan tidak murni seng sulfat.
o ZnO(s) + H2SO4(aq) � ZnSO4(aq) + H2O(l)
o Atau menggunakan calamine/seng karbonat:
� ZnCO3(s) + H2SO4(aq) � ZnSO4(aq) + H2O(l)+ CO2(g)
o (ii) Seng murni dihasilkan dari larutan melalui elektrolisis.
Seng akan dapat terendapkan pada seng murni elektroda
negative (katoda) dengan jalan yang sama tembaga dapat
dimurnikan. Elektroda lainnya, harus inert, untuk percobaan
laboratorium, karbon (grafit) dapat digunakan dan oksigen
terbentuk.
� Zn2+
(aq) + 2e- � Zn(s)
� Proses reduksi, electron terbentuk, sebagai logam seng
yang terendapkan pada elektroda (-).
� Padatan seng oksida tidak dapat digunakan secara langsung
karena tidak larut dan ion harus bebas untuk membawa arus dan
pindah ke elektroda pada bagian lain larutan.
� Lebih jelasnya sistem elektrolisis digunakan, lihat
pemurnian tembaga (hanya menukar Zn untuk Cu pada
metoda/diagrktif)
� Harap dicatat: Pada produksi industri seng dengan
elektrolisis (disebut elektro-winning) katoda negative (-) dibuat
dari aluminium (Al, dimana seng terendapkan) dan elektroda
positif(+) dibuat dari campuran timah-perak (Pb-Ag, dimana
oksigen terbentuk). Kenapa elektroda ini digunakan dalam proses
eletrowinning saya tidak yakin, tetapi aluminium tidak reaktif
sehingga efektif inert, timah dan perak juga memiliki keaktifan
rendah, tetapi
21.3.4 Ekstraksi Elektrolit Natrium
Natrium, sama seperti banyak logam reaktif lainnya, dapat
diektrak dengan eletrolisis dari lelehan klorida. Hal ini dapat
dilakukan pada ‘Sel Down’s’ terlihat dalam diagram.
Ion natrium positif berpindah menuju elektroda katoda negative
dan direduksi dengan bertambahnya electron untuk membentuk
larutan atom natrium.
Na+ + e- � Na
Ion negative klorida berpindah menuju elektrona anoda positif dan
dioksidasi dengan kehilangan electron membentuk molekul gas
klorida.
2Cl- � Cl2 + 2e-
Langganan:
Postingan (Atom)