Review nitrogen

NITROGEN

Nitrogen adalah salah satu unsur golongan VA yang merupakan unsur nonlogam dan gas yang paling banyak di atmosfir bumi. Nitrogen merupakan unsur yang relative stabil, tetapi membentuk isotop-isotop yang 4 di antaranya bersifat radioaktiv. Di alam nitrogen terdapat dalam bentuk gas N 2 yang tidak berwarna dan tidak berbau, tidak berasa, dan tidak beracun. Pada suhu yang rendah nitrogen dapt berbentuk cairan atau bahkan kristal padat yang tidak berwarna (bening). Selain itu nitrogen terdapat dalam bentuk senyawa nitrat, amoniak, dan protein.

Nitrogen terdapat dalam udara sekita 78% dari volum udara. Akan tetapi kelimpahan nitrogen dalam kulit bumi hanya sekitar 0,03 %. Nitrogen dan persenyawaannya sangatlah melimpah dialam. yaitu tersebar di atmosfer berupa molekul diatomiknya gas N2, terdapat dilapisan kerak bumi sebagai NaNO3 dan garam – garam serta oksidanya yang banyak larut di daerah perairan. Unsur nitrogen itu sendiri cenderung inert pada temperatur kamar, sehingga akan mempengaruhi keberadaannya pada atmosfer, lapisan kerak bumi maupun perairan. Yang mana di atmosfer terdapat sebagai gas N2 yang cukup stabil, pada perairan berupa persenyawaan ion – ion yang larut dan yang paling sedikit diantara ketiganya yaitu pada lapisan kerak bumi.

Sifat fisik dan kimia

•      Mempunyai massa atom 14,0067 sma

•       Mempunyai nomor atom 7

•      Titik didih -196 0C

•      Titik beku -210 0C

•       Mempunyai jari-jari atom 0,92 Å

•       Mempunyai Konfigurasi [He]2s² 2p³

•      Dalam senyawa memiliki bilangan oksidasi -3, +5, +4, dan +2.

•      Mempunyai volume atom 17,30 cm³ /mol

•      Mempunyai struktur heksagonal

•      Mempunyai massa jenis 1,2151 gram/cm³

Pengolahan Nitrogen

Uraian

1. Filtrasi

Udara bebas yang menjadi feed atau umpan sebagai bahan baku pembuatan gas nitrogen terlebih dahulu disaring dengan menggunakan filter dengan kerapatan (mesh) tertentu sesuai dengan spesifikasi tekanan dan flow compressor.

Contoh gas pengotor / debris (partikel kasar yang tidak dikehendaki) : uap air, karbondioksida, debu juga bisa menjadi zat pengotor pada udara bebas. Zat pengotor ini harus dihilangkan karena dapat menyebabkan penyumbatan pada peralatan,  tingkat bahaya yang dapat ditimbulkan, korosi, dan juga dalam batas – batas tertentu dilarang terkandung dalam spesifikasi produk akhir.

2. Kompressi

Udara yang telah difilter diumpankan ke inlet kompresor untuk dinaikkan tekanannya. Efisiensi kompresor sangatlah penting, oleh karena itu dibutuhkan pemilihan jenis kompresor yang tepat. Umumnya digunakan kompresor tipe turbo (sentrifugal) multi stage dengan pendingin diantara stagenya. Energi yang digunakan akan sebanding dengan besar energi output produk ditambah cold production.

3. Cooling Water

Air umumnya digunakan sebagai pendingin pada industry sebab air tersedia jumlahya dan mudah ditangani. Air juga mampu menyerap sejumlah besar enegi per satuan volume dan tidak mengalami ekspansi maupun pengerutan dalam rentang temperature yang biasanya dialaminya. System penguapan terbuka merupakan tipe system pendingin yang umumnya digunakan dalam plant pemisahan udara.

Outlet compressor akan sangat panas, ini akan mengurangi efisiensi pada proses selanjutnya, maka dibutuhkan pendinginan sampai pada temperature desain (tergantung dari spesifikasi alat dan bahan yang digunakan pada proses).

Pada sebagian industry menggunakan system direct cooler pada proses pendinginannya, dimana terjadi kontak langsung antara udara dengan air pada sepanjang tray direct cooler. Direct cooler mempunyai kelebihan dari pada proses pendinginan yang menggunakan tube atau shell cooler, dimana temperature yang bisa dicapai yaitu 2ºC, sedang pada tube atau shell cooler hanya sekitar 8ºC, efek pengguyuran (scrubbing) dari air juga dapat membantu menurunkan kandungan partikel dan menyerap pengotor yang terbawa udara. Namun jika direct cooler tidak terjaga,seperti ∆P tinggi (pada aliran dan udara masuk) dan tinggi cairan (pada aliran air). Oleh karena tingginya perbedaan temperature yang melalui tray bawah unit, maka pada tray ini sangat mungkin terjadi pembentukan kerak. Untuk alasan itu, water treatment harus bekerja efektif dan tray harus dibersihkan dan diperiksa jika memungkinkan.

4. Purrification (Pemurnian)

Air, CO₂, Hidrokarbon adalah unsur pengotor udara yang akan menggangu proses, air dan CO₂ akan membeku lebih awal (titik beku lebih tinggi dari pada Nitrogen sehingga berpotensi menyumbat di bagian-bagian tertentu dalam proses). Sedangkan Hidrokarbon berpotensi menyebabkan ledakan di daerah bagian bawah kolom distilasi (tempat terjadinya penumpukan hidrokarbon).

Di PPU (pre purification unit) terdapat beberapa lapisan, umumnya terdiri dari molecular shieve (butiran2 ukuran mikro berlubang yang seukuran dengan dimensi partikel CO₂, H₂O dan beberapa jenis hidrokarbon), tujuannya untuk memerangkap CO₂, H₂O dan hidrokarbon. lapisan lainnya adalah alumina yang bertujuan untuk memerangkap H₂O yang lolos dari lapisan pertama.

5. Heat Exchanger (Pemindah Panas)

Udara yang telah murni dimasukkan ke kolom distilasi melewati heat exchanger (untuk pendinginan awal, yg disilangkan dengan keluaran expander) sebagai feed gas (untuk terjadinya distilasi dibutuhkan feed gas dari bawah kolom dan reflux dari atas kolom dengan rasio 10:7 untuk tipe packed tray).

6. Ekspansi

Sebagian udara diumpankan ke expander untuk memproduksi dingin yang dibutuhkan proses (reflux dan heat loss recovery) sehingga keluarannya berbentuk cairan yang di umpankan ke atas kolom melewati heat exchanger sebagai reflux. Untuk ini, expander membutuhkan penyerap energi sebesar cold production yang diinginkan, bisa dicouple dengan alat oil brake, generator, kompressor atau yang lainnya.

7. Distilasi

Pada proses ini final terjadi proses pemisahan antara gas – gas yang terkandung pada udara bebas sebagai umpan melalui perbedaan titik didih (relative volatilitas). Kolom yang telah diumpani oleh feedgas dan reflux dengan proporsional akan menghasilkan homogenitas di area2 tertentu, bagian atas kolom akan homogen dengan Nitrogen, bawah kolom dengan oksigen, ini dikarenakan beda titik cair, pada temperatur kolom sebesar -170 DegC, oksigen lebih cenderung untuk berubah menjadi cairan (titik cair O2 = -183 DegC pada atm pressure) dan menuju bawah kolom, sedangkan nitrogen cenderung bertahan pada bentuk gas (titik cair N2 = -195,8 DegC pada atm pressure) dan menuju bagian atas kolom.

Pada kolom terdapat tray bertingkat yang memungkinkan terjadinya lebih banyak pergesekan antara feed gas dan reflux sehingga lebih memungkinkan bagi kedua jenis stream untuk bertukar properti. Feed gas akan diserap sebagian energinya sehingga menjadi lebih dingin dan membuat O2 melambat dan cenderung mencair, sedangkan N2 karena masih jauh dari titik cairnya akan tetap berupa gas.

Reaksi Nitrogen

·         Reaksi nitrogen dengan Oksigen

N₂ (g) + O₂ (g) à 2NO (g)

 O₂N₂ (g) + O₂ (g) à 2NO₂ (g)

·         Reaksi Nitrogen dengan logam

    N₂ (g) + 6Li (s) à 2 LiN (g)

    N₂ (g) + 6Ba (s) à 2 BaN (g)

    N₂ (g) + 6Mg (s) à 2 MgN (g)

·         Rekasi nitrogen dengan fluor

     N₂ (g) + 3F₂ (g) à 2NF₂ (g)

FOSFOR

    Fosfor adalah unsur kimia non logam. Bentuk bebasnya yang paling terkenal fosfor putih yang mirip lilin kuning. Bentuk putih ini tampak membara dalam gelap, karena reaksi oksidasi. Juga bersifat racun dan mudah terbakar sehingga disimpan dan diangkut dalam air.

Sifat fisik dan kimia

•      Warna : tidak berwarna/merah/putih

•      Wujud : padat

•       Titik didih : 550 K (277⁰C)

•      Titik leleh :  317,3 K (44,2⁰C)

•      Massa jenis (fosfor merah) : 2,34 g/cm³

•      Fosfor putih mudah menguap dan larut dalam pelarut nonpolar benzene

•      Fosfor merah tidak larut dalam semua pelarut.

•      Fosfor merah bersifat tidak reaktif, kurang beracun. Fosfor merah digunakan sebagai bahan campuran pembuatan pasir halus dan bidang gesek korek api.

Pembuatan Unsur Fosfor

Sumber utama industry fosfor adalah Ca₃(PO₄)₂. Dalam prosesnya, Ca₃(PO₄)₂ dicampur dengan karbon dan silika (SiO₂) pada temperature 1400C - 1500C (dengan bunga api listrik). SiO₂ bereaksi dengan Ca₃(PO₄)₂ pada temperature tersebut mengahasilkan P₄O_{10 (g)}.

Reaksinya sebagai berikut :

2 Ca₃(PO₄)_{2 (l)}  + 6 SiO_{2 (l)} → 6 CaSiO_{3 (l)}  + P­₄O_{10 (g)}

Kemudian , P­₄O_{10 (g)} direduksi dengan karbon , reaksinya sebagai berikut :

P­₄O_{10 (g)}  + C _(s) → P_{4 (g)}  + 10 CO_{2 (g)}

P_{4­ (g)} yang terjadi dikristalkan dan disimpan di dalam CS₂ cair atau di dalam air. Hal itu guna menghindari terjadinya oksidasi dengan oksigen  dari udara yang cepat terjadi pada temperatur 30C berupa nyala fosfor. P₄ hasil pengolahan merupakan salah satu bentuk alotropi fosfor, yaitu fosfor putih.

Reaksi Fosfor dengan Halogen

•      P₄ (s) + 6F₂ (g)             à       4PF₃ (g)

•      P₄ (s) + 6Cl₂ (g)            à       4PCl₃ (g)

•      P₄ (s) + 6Br₂ (g)            à       4PBr₃ (g)

•      P₄ (s) + 6I₂ (g)              à       4PI₃ (g)

ARSEN

    Arsen (As) adalah suatu unsur kimia metaloid (semilogam) golongan VA dengan nomor atom 33. Arsen berwujud bubuk putih, tanpa warna dan bau. Nama arsenik sendiri pertama kali berasal dari bahasa Persia zarnig dan bahasa Yunani arsenikon yang artinya kuning .

Sifat fisik dan kimia

•      Massa atom = 74,92160(2)  g/mol

•      Konfigurasi elektron = [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³

•      Fase = solid

•      Massa jenis (suhu kamar) = 5,727 g/cm³

•      Massa jenis cair pada titik lebur = 5,22 g/cm³

•      Titik lebur = 1090 K (817 °C, 1503 °F)

•      Titik didih = 887 K (614 °C, 1137 °F)

•      Kalor peleburan = (abu-abu) 24,44 kJ/mol

•      Kalor penguapan = 34,76 kJ/mol

•      Kapasitas kalor = (25 °C) 24,64 J/(mol·K)

•      Struktur kristal = Rhombohedral

•      Bilangan oksidasi = ±3, 5 (oksida asam lemah)

•      Elektronegativitas = 2,18 (skala Pauling)

•      Jari-jari atom = 115 pm

•      Jari-jari atom (terhitung) = 114 pm

•      Jari-jari kovalen = 119 pm

•      Jari-jari Van der Waals = 185 pm

•      Tidak bersifat magnetik

•      Resistivitas listrik = (20 °C) 333 nΩ·m

•      Konduktivitas termal = (300 K) 50,2 W/(m·K)

•      Logam ini bewarna abu-abu

•      Sangat rapuh, kristal dan semi-metal benda padat

•      Ia berubah warna dalam udara,

•      Dan ketika dipanaskan teroksida sangat cepat menjadi arsen oksida dengan bau

Pembuatan Unsur Arsen

Dalam proses isolasi, arsen dibuat pada skala industri dengan pemanasan mineral yang tepat dan sesuai, tanpa adanya udara dalam proses tersebut. Hasilnya, arsen akan dikeluarkan dalam kondisi kental terpisah dari senyawaan asalnya sebagai zat padat.
Berikut ini persamaan reaksi yang terjadi pada proses isolasi arsen yang dibuat dari senyawa FeAsS dan dipanaskan pada suhu 700°C.

Reaksi Arsen

FeAsS (s) → FeS (s) + As(g) → As(s)

•      Reaksi arsenik dengan udara

            4 As (s) + 5O₂ (g) à As₄O10 (s)

            4 As (s) + 3O₂ (g) à As₄O₆ (s)

•      Reaksi arsenik dengan halogen

            2 As (s) + 5F₂ (g) à 2AsF₅ (g)

KEBERADAAN NITROGEN, FOSFOR, DAN  ARSEN

•      Nitrogen terdapat dalam udara sekita 78% dari volum udara. Akan tetapi kelimpahan nitrogen dalam kulit bumi hanya sekitar 0,03 %

•      Fosfor di alam terdapat di kulit bumi dalam senyawa yang pada umumnya senyawa fosfat. Fosfor merupakan mineral kedua terbanyak di dalam tubuh, yaitu 1% dari berat badan.

•      Arsen di alam berada dalam bentuk Inorganik dan organik