LABORATURIUM SATUAN PROSES

SEMESTER GANJIL TAHUN AJARAN 2013

MODUL :Nitrasi (pembuatan α nitroaftalene)

PEMBIMBING : Ir Retno Indarti, MT.

A.

Oleh :

Kelompok : VII

Nama : 1. Sandra Sopian NIM 121411058

2. Widya Piqra NIM 121411061

3. Yulia Endah P NIM 121411062

Kelas : 2 B

PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIAJURUSAN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG2013

Praktikum : 22 Oktober 2013

Penyerahan : 29 November 2013

(Laporan)

A. TUJUAN

Setelah melakukan percobaan ini mahasiswa diharapkan mampu :

1. Memahami karakteristik reaksi nitrasi dan penanganannya yang tepat.

2. Melakukan tahapan – tahapan proses nitrasi.

3. Mengidentifikasi produk nitrasi melalui pengukuran titik leleh.

B. DASAR TEORI

Nitrasi adalah proses memasukan satu atau lebih gugus nitro atau nitril ion ke dalam

senyawa organic atau bahan baku yang digunakan, biasanya adalah senyawa hidrokarbon.

Nitrasi merupakan salahsatu proses yang paling penting di industri sintesa senyawa organic.

Produk-produk nitrasi dipakai secara luas sebagai solvent (nitroparafin), pewarna tekstil (α

nitronaftalene), farmasi, bahan vernis atau coating (nitro selullosa) dan bahan peledak (TNT)

dan untuk meningkatkan bilangan cetane pada bahan bakar diesel (tetranitromethane). Selain

itu produk nitrasi digunakan juga sebagai senyawa intermediet untuk membuat produk lain.

Pada proses nitrasi, gugus nitro (NO2+) dapat terikat pada atom C sehingga membentuk

senyawa nitroaromatik atau nitroparafinik. Gugus nitro yang terikat pada atom O membentuk

senyawa nitrat ester sedangkan gugus nitro yang terikat pada atom N membentuk senyawa

nitroamina atau nitroamida. Reagen yang dapat digunakan sebagai nitrating agents reaksi

nitrasi adalah asam nitrat dalam bentuk fuming, concentrated atau larutan encer, campuran

asam (mixed acid) asam nitrat dan asam sulfat, asam nitrat dan asam fosfat, asam nitrat dan

asam asetat anhidrid, asam nitrat dan chloroform, nitrogen pentaoksida (N2O5) dan nitrogen

tetraoksida (N2O4) digunakan untuk nitrasi pada fasa gas.

Naftalen (C10H8) merupakan senyawa hidrokarbon aromatik polisiklik berbentuk kristal

tak berwarna dengan titik leleh 80oC. Naftalen adalah molekul datar dengan dua cincin

benzene yang melebur (berfusi), kedua cincin menggunakan bersama dua atom karbon. Nitrsi

naftalen menjadi α-nitronaftalen dengan menggunakan nitrating agent campuran asam (mixed

acid) merupakan reaksi subtitusi elektrofilik dengan mekanisme reaksi :

1. H-O-NO2 + H-O-SO-OH H-O+-NO2 + H2SO4-

O H

2. H-O+-NO2 + H2SO4- NO2

+ + H2SO4 + H3O

H H NO2

3. + NO2+

H NO2 NO2

4. + HSO4- + H2SO4

H2SO4 NO2

+ HNO3 + H2O

Naftalen α-nitronaftalen

Tahan 1 dan tahap 2 merupakan tahap pembentukan nitril ion. Pada konsentrasi H2SO4

84- 94%, persentasi ionisasi HNO3 berada pada rentang 40 – 90%. Semakin tinggi

konsentrasi H2SO4 yang digunakan semakin besar pula persentasi proses ionisasi HNO3.

Komposisi mixed acid (concentrated acid) yang disarankan untuk reaksi nitrasi naftalen

adalah H2SO4 59,5%, HNO3 15,85%, H2O 24,6% dengan rasio massa HNO3 terhadap massa

bahan baku ( R ) = 1. Nilai R tergantung pada jenis bahan baku yang digunakan. Pada akhir

reaksi akan terbentuk molekul air, sehingga akan mengencerkan campuran asam dan

mengurangi laju pembentukan nitril ion. Reaksi nitrasi adalah reaksi eksoterm sehingga

pendinginan dan pengadukkan sangat diperlukan.

Produk yang dihasilkan memiliki persentase yield sebesar 95% dengan kandungan

nitronaftalene, beberapa naftalen yang tidak bereaksi dan sedikit asam sisa (Groggins, 1958).

Factor yang mempengaruhi proses nitrasi adalah :

1. Komposisi mixed acid

Yaitu campuran asam nitrat dan asam sulfat yang merupakan nitrating agent. Campuran ini

menentukan keefektipan reaksi nitrasi dalam menghasilkan yield produk yang maksimum.

Nilai komposisinya akan tergantung pada kondisi operasi dan peralatan nitrasi yang

digunakan.

2. Rasio Asam nitrat ( R )

Adalah perbandingan massa asam nitrat terhadap masa bahan baku nitrasi. Nilai ini

menentukan jumlah nitril ion yang harus tersedia agar semua bahan baku dapat terkonversi

secara optimal.

3. Konsentrasi asam sulfat

Semakin tinggi konsentrasi asam sulfat yang digunakan maka akan semakin besar proses

ionisasi asam nitrat, artinya pembentukan nitril ion akan maksimal.

4. DVS (dehydratingvalue of sulfuric acid)

Adalah perbandingan antara asam sulfat dengan air yang ada di akhir proses nitrasi. Nilai

DVS dari proses nitrasi naftalene adalah 2,04. (Groggins, 1958)

C. ALAT DAN BAHAN

Alat yang digunakan :

Hot plate 1 buah

Gelas kimia 500 ml 2 buah

Gelas kimia 250 ml 1 buah

Erlenmeyer 100 ml 2 buah

Pengaduk gelas 1 buah

Stirer magnetik 1 buah

Statif dan penjepit 2 pasang

Termometer

Pipet ukur

Corong kaca

Bahan yang digunakan :

Naftalene 5 gram

H2SO4 pekat 13,5 ml

HNO3 pekat 3,5 ml

H2O (aquadest) 5,5 ml

Air panas 50 mL

Etanol 96 % , 25 mL

Kertas saring

D. PROSEDUR KERJA

Memasukkan es dan air masing-masing kedalam gelas kimia 500 mL

Memasang erlenmeyer 100 mL kedalam penangas es dan penangas air

Membuat campuran asam dingin dalam penangas es dengan urutan H2O, kemudian H2SO4 dan HNO3

Menimbang 5 gram naftalen dan memasukkannya kedalam pengangas air. Kemudian meneteskan campuran asam kedalam erlenmeyer yang

berisi naftalen tersebut

Setelah selesai campuran dipindahkan keatas hotplate. Suhu dijaga pada rentang 65-70 oC, diaduk dengan stirrer magnetik selama 1 jam

Menghentikan pengadukan, membiarkan larutan hingga α-Nitronaftalen dan sisa asam terpisah

Menyaring kristal yang terbentuk. Melarutkan kristal yang terbentuk dalam air panas 50 mL untuk menghilangkan sisa asam yang tersisa

Mendinginkan larutan dan menyaring kembali kristal yang terbentuk. Membiarkan kering kemudian menguji titik lelehnya

E. DATA PENGAMATAN

1. Persiapan

Bahan Berat/Volume Konsentrasi Berat Jenis Titik Leleh

Naftalen (C10H8) 5 gram - 1,14 g/cm3 80,26 oC

H2O 5,5 mL - 1 g/cm3 0 oC

H2SO4 13,5 mL 98 % 1,84 g/cm3 10 oC

HNO3 3,5 mL 65 % 1,503 g/cm3 -42 oC

α-Nitronaftalen 4,93 gram - 1,33 g/cm3 59 – 61 oC

2. Identifikasi Titik Leleh

Titik Leleh Produk yang terbentuk Titik Leleh pada literatur

56 ºC 59-61 ºC

3. Pengamatan

Kondisi Keterangan

Tetesan mixed acid + Naftalen

Pemanasan dan pengadukan. Pada proses ini terjadi

pengikatan Nitril ion terhadap benzene. Warna lama-

kelamaan menjadi kuning dan terdapat gelembung.

Suhu pemansan 70°C.

Setelah selesai pencampuran

Suhu akhir pemanasan = 65°C. Terpisah antara α

nitroaftalene dan sisa campuran asam (mixed acid).

Pendinginan

Pendinginan dengan bantuan es batu untuk mencapai

suhu 35°C.

Penyaringan

Pemurnian

pemurnian sisa asam dengan melarutkan produk

α-Nitronaftalen kotor dalam air mendidih

Pendinginan

Setelah dilakukan permurnian maka didinginkan

kembali dan dilakukan penyaringan untuk

mendapatkan padatan.

F. PENGOLAHAN DATA

Perhitungan Yield

Berat α-nitronaftalen = (5,69 - 0,76) gram

= 4,93 gram

Yield=massa α nitronaftalenmassa naftalen

× 100 %

= 4,93 gram

5gramx 100%

= 98,6 %

F. PEMBAHASAN

Pembahasan oleh Sandra Sopian (121411058)

Praktikum nitrasi yang kami lakukan bertujuan untuk menghasilkan produk α-

nitronaftalene, yaitu senyawa yang berfungsi sebagai pewarna tekstil. Reaksi nitrasi adalah

reaksi yang eksotermis dan cukup berbahaya, sehingga pada praktikum ini pertimbangan

mengapa membuat nitronaftalene adalah karena produk ini terbilang aman dan tidak

berbahaya untuk dibuat dalam skala laboratorium, adapun senyawa-senyawa produk nitrasi

selain nitro naftalene, yaitu ada nitromethane, trinitrotoluene (TNT), nitrobenzene, dan yang

lainnya, yang tidak memungkinkan untuk dibuat dalam skala lab, selain kondisi operasi dan

peralatan nitrasi yang terbatas, keamanannya juga yang menjadi bahan pertimbangan.

Komposisi bahan baku, mixed acid dan asam nitrat yang akan digunakan sudah

sebelumnya di hitung sebagai komposisi yang proporsional dengan mengacu kepada teori

nitrasi di textbooksnya Groggins (1958), termasuk penentuan komposisi mixed acid, rasio R

dan nilai DVS untuk nitrasi pembuatan nitronaftalene agar diperoleh yield yang seoptimum

mungkin. Dan ini terbukti, dari penimbangan produk yang terakhir (setelah rekristalisasi yang

kedua dengan menggunakan etanol 96% 25 mL) diperoleh berat kotornya sebesar 5.69 gram

(dikurangi berat kertas saring, 0.76 gram), maka diperoleh yieldnya sebesar 98.6%. sementara

kalau mengacu kepada teorinya Groggins, dengan komposisi bahan baku yang digunakan

tersebut, hanya diperoleh yield sebesar 95%. Perbedaan persentase yield ini dimungkinkan

karena rekristalisasi dan kondisi operasi. Rekristalisasi yang kami lakukan hanya dua kali,

yang pertama dengan menggunakan air panas dan yang kedua dengan menggunakan etanol,

sementara rekristalisasi yang dilakuan oleh groggins entah berapa kali dan dengan

menggunakan apa. Karena bisa jadi 95% yield yang dikatakan oleh groggins itu merupakan

yield yang bebas dari impurities dan benar-benar murni, sementara produk kami

kemungkinan masih terdapat impurities (semisal dari kertas saring atau dari udara).

Reaksi nitrasi ini karena merupakan reaksi yang eksotermis, maka reaksi dilakukan di

lemari asam dengan kami yang sebagai praktikan menggunakan perlengkapan lab yang cukup

untuk membuat kami aman dan untuk menghindari resiko kecelakaan lab. Urutan tahapannya

adalah membuat mixed acid, yaitu berupa campuran asam nitrat dan asam sulfat dengan

komposisi masing-masing yang sudah ditentukan di lemari asam didalam sebuah gelas kimia

yang sudah diberi es, fungsi dari es ini adalah untuk menghilangkan panas reaksi dari mixed

acid sehingga reaksi berjalan aman dan lancar. Setelah mixed acid selesai dibuat, langkah

selanjutnya adalah dengan memasukan naftalene seberat 5 gram kedalam Erlenmeyer yang

sedang dipanaskan dalam penangas air, suhu di jaga antara 35-500 C. suhu penangas selalu di

cek dan dipertahankan antara kisaran tersebut yang merupakan suhu optimumnya, hingga

semua mixed acid yang dikontakan dengan naftalene habis bereaksi semuanya, suhu dinaikan

perlahan hingga berada diantara kisaran 70-900 C dengan disertai pengadukan manual dan

stirrer. Fungsi pengadukan agar reaksi berjalan efektif dan agar semua bahan baku habis

bereaksi, walaupun tidak menutup kemungkinan di akhir reaksi aka nada bahan baku yang

tidak bereaksi, seperti naftalenenya atau asam sisanya.

Di akhir reaksi, karena selain α nitronaftalen yang terbentuk, juga ada naftalene sisa yang

tidak bereaksi dan asam sisa. Untuk menghilangkan naftalene dan asam sisa tersebut,

dilakukan rekristalisasi dengan menggunakan air panas kemudian setelahnya disaring.

Filtratnya dibuang dan residunya di simpan untuk dibiarkan kering selam 2 hari pada

temperature ruang (250 C). dua hari kemudian, produk tersebut di rekristalisasi kembali

dengan menggunakan etanol 96% sebanyak 25 mL lalu di aduk beberapa menit dan disaring

untuk kemudian diambil residunya dan dibiarkan selama 2 hari pada kondisi ruang.

Kemudian setelah itu dilakukan penimbangan dan diperoleh berat yield produk.

Dari reaksi nitrasi yang sudah dilakukan, setidaknya ada perubahan warna produk dari

rekristalisasi yang pertama dan kedua, yaitu adanya pemucatan (yang pertama tampak orange

dan yang kedua tampak kekuning-kuningan). Kemudian kondisi operasi dan bagaimana

pengadukan dilakukan selama reaksi pun ternyata memberikan hasil akhir (produk) yang

berbeda juga, ini bisa dilihat dengan membandingkan nitronaftalene yang kami hasilkan

dengan nitronaftalene yang oleh kelompok 7 buat. Yang kami, pengadukan dilakukan dengan

menggunakan stirer dan manual (dengan pengaduk biasa), sementara kelompok 7 hanya

dengan menggunakan pengadukan manual saja, itu pun tidak kontinyu selama reaksi, ada

kalanya beberapa detik mereka tidak mengaduk (mungkin karena pegal), sehingga dari

fenomena ini timbul sebuah kesimpulan bahwa reaksi nitrasi terkait sekali dengan kondisi

operasi.

Pembahasan oleh Widya Piqra (121411061)

Praktikum kali ini adalah mengenai reaksi nitrasi dengan pembuatan α-Nitronaftalen.

Nitrasi adalah proses memasukkan satu atau lebih gugus nitro/nitril ion (NO2+) ke dalam

senyawa organic atau bahan baku yang digunakan. Senyawa organic yang digunakan pada

praktikum ini adalah naftalen yang merupakan hidrokarbon kristalin aromatik berbentuk

padatan berwarna putih dengan rumus molekul C10H8 dan berbentuk dua cincin benzena yang

bersatu. Senyawa ini bersifat volatil, mudah menguap walau dalam bentuk padatan dan uap

yang dihasilkan bersifat mudah terbakar. Proses nitrasi naftalen relative aman karena tidak

menunjukan sifat karsinogenik pada manusia. Sedangkan reagen yang digunakan sebagai

nitrating agents adalah campuran asam (mixed acid) asam nitrat dan asam sulfat.

Pembuatan campuran asam (mixed acid) asam nitrat dan asam sulfat dengan

komposisi 5,5 mL dan 8,8 mL, serta 10,7 mL H2O. Konsentrasi H2SO4 yang digunakan adalah

98% karena semakin tinggi konsentrasi H2SO4 maka semakin besar pula persentase proses

ionisasi HNO3, artinya pembentukan nitril ion maksimal . Selanjutnya proses reaksi nitrasi

dilakukan dengan mencampurkan nitrating agents berupa campuran asam dengan bahan baku

naftalen. Pengoperasian dilakukan dengan pengadukan karena reaksinya eksoterm. Selain

pengadukan, yang diperlukan dalam reaksi ini adalah pendinginan. Pada saat pencampuran

kondisi operasi berupa suhu dijaga pada 35°C. Pencampuran ini merupakan reaksi substitusi

elektrofilik, pada tahap ini terjadi perpindahan proton (muatan positif) dari suatu molekul

asam nitrat ke molekul lainnya (naftalen). Pada tahap kedua, nitril ion yang terbentuk akan

menyerang/ menggantikan suatu gugs senyawa organic, pada umumnya adalah H+.

Mekanisme reaksinya adalah

Pembentukan Elektrofilik

O

1. H-O-NO2 + H-O-SO-OH H-O+-NO2 + H2SO4-

O H

2. H-O+-NO2 O N+ O + H2O

H

3. H2SO4 + H2O H3O+ + HSO4-

Net : HNO3 + H2SO4 NO2+ + H3O+ + 2HSO4

-

Ion Nitronium menyerang gugus H senyawa organik

H NO2

1. +

Naftalen

Re-Aromatization

H NO2 NO2

4. + + HSO4- + H2SO4

Reaksi secara keseluruhan :

C10H8 + HNO3 C10H7NO2 + H2O

Setelah semua campuran asam habis, suhu dinaikkan menjadi 70°C dengan

pengadukan selama 50 menit. Pada proses ini akan terpisah antara α-Nitronaftalen dan sisa

asam. Warna yang terbentuk adalah oranye. Campuran reaksi ini didinginkan hingga suhunya

kembali 35°C hingga terbentuk Kristal. Selanjutnya dilakukan pemurnian sisa asam dengan

melarutkan produk α-Nitronaftalen kotor dalam air mendidih. Setelah itu, dilakukan

rekristalisasi dengan melarutkan produk α-Nitronaftalen dalam larutan ethanol 96% dengan

pengadukan. Proses ini dilakukan untuk memurnikan dari naftalen sisa. Hasil analisa titik

leleh yang terbentuk pada produk adalah 56°C sedangkan pada literature seharusnya 59°C-

60°C. hal ini dikarenakan pada proses pemurnian kurang maksimal sehingga nilai titik

lelehnya dibawah literature. Sedangkan berat produk yang dihasilkan sebesar 4,93 gram dan

yield produk yang dihasilkan sebesar 98,6%. Yield produk yang dihasilkan tinggi, hali ini

dikarenakan pengaruh pengadukan yg baik. Selain itu, faktor suhu yang tinggi, waktu reaksi

yang lama, purifikasi yg lama pula, serta perbandingan massa HNO3 terhadap massa bahan

baku nitrasi. Nilai ini menentukan jumlah nitril ion yang harus tersedia agar semua bahan

baku dapat terkonversi secara optimal.

Pembahasan oleh Yulia Endah Permata (121411062)

Pada praktikum ini dilakukan percobaan pembuatan α-Nitronaftalen dengan metoda

nitrasi, yaitu penggabungan satu atau lebih gugus nitro (-NO2) yang terikat pada senyawa

hidrokarbon. Senyawa hidrokarbon yang digunakan adalah naftalen dan ion nitrat berasal dari

campuran asam antara asam sulfat, asam nitrat dan air.Senyawa ini bersifat volatil, mudah

menguap walau dalam bentuk padatan dan uap yang dihasilkan bersifat mudah terbakar.

Pembuatan campuran asam (mixed acid) asam nitrat dan asam sulfat dengan komposisi 5,5

mL dan 8,8 mL, serta 10,7 mL H2O. Konsentrasi H2SO4 yang digunakan adalah 98% karena

semakin tinggi konsentrasi H2SO4 maka semakin besar pula persentase proses ionisasi HNO3,

artinya pembentukan nitril ion maksimal.

Pada percobaan ini menggunakan penangas es dan penangas air. Penangas es digunakan

pada saat pencampuran asam antara asam sulfat, asam nitrat dan air. Reaksi yang terjadi

adalah reaksi eksoterm, sehingga dibutuhkan penangas es agar temperature reaksi dapat

terkendali. Penangas air digunakan pada saat pencampuran naftalen dengan campuran

asamuntuk menjaga temperatur agar tidak terlalu panas (reaksi eksoterm) pada saat campuran

asam ditambahkan pada naftalen sedikit demi sedikit. Bila temperature penangas tinggi akan

terjadi ledakan karena sifat larutan yang reaktif. Kemudia dilakukan pemanasan dang

pengadukan. Pemanasan dilakukan bertujuan untuk menjaga temperatur pada temperatur

optimum reaksi, sementara pengadukan dilakukan untuk menghomogenkan campuran. 5

gram naftalen dan campuran asam (tetes demi tetes) dimasukkan ke dalam raktor dengan

pengadukan yang cukup tinggi karena bentuk naftalen berupa padatan sehingga sukit

menghomogenkannya dengan bahan lainnya. Pada saat pencampuran kondisi operasi berupa

suhu dijaga pada 35°C. Setelah semua campuran asam habis, suhu dinaikkan menjadi 70°C

dengan pengadukan selama 50 menit. Pada proses ini akan terpisah antara α-Nitronaftalen

dan sisa asam. Warna yang terbentuk adalah oranye. Setelah dilakukan pengadukan dan

pemanasan, dilakukan pendinginan dengan tujuan pembentukan kristal nitronaftalen.

Pemanasan dan pengadukan dilakukan selema 60 menit. Setelah itu dilakukan penyaringan

untuk memisahkan padatan dan cairan yang ada pada campuran. Residu dari hasil

penyaringan dilarutkan kembali dalam air panas untuk membilas sisa asam yang masih tersisa

dalam campuran. Kemudian dikeringkan dalam temperatur ruang supaya kadar air dalam

kristalnya berkurang selama dua hari. Kemudian dilakukan pemurnia terhadap kristal

menggunakan etanol agar diperoleh α-Nitronaftalen dengan kemurnian yang tinggi. Setelah

padatan larut, dilakukan penyaringan kembali dan residu yang didapat dikeringkan supaya

kadar air dalam residu berkurang sehingga diperoleh naftalen murni. Setelah kering kemudian

ditimbang dan diukur titik lelehnya.

Hasil analisa titik leleh yang terbentuk pada produk adalah 56°C sedangkan pada

literature seharusnya 59°C-60°C dikarenakan masih terkandung pengotor dan unsur yang

tidak diinginkan. Sedangkan berat produk yang dihasilkan tinggi sebesar 4,93 gram dan yield

produk yang dihasilkan sebesar 98,6% dikarenakan pengaruh pengadukan yg baik. Faktor

suhu yang tinggi, waktu reaksi yang lama serta perbandingan massa HNO3 terhadap massa

bahan baku nitrasi mempengaruhi hasil produk yang optimum.

G. KESIMPULAN

1. Nitrasi merupakan reaksi penambahan ion nitrat pada senyawa hidrokarbon.

2. Tahapan proses nitrasi adalah dengan mencampurkan senyawa hidrokarbon dengan

ion nitrat yang didapat dari campuran asam sulfat dan asam nitrat.

3. Yield yang didapat adalah sebesar 98,6 % dan titik lelehnya 56oC

H. DAFTAR PUSTAKA

“Modul Praktikum Satuan Proses 2”.Bandung : Politeknik Negeri Bandung.

Groggins.1958. Unit process in organic synthesis.

NN. 2011. “Naftalen” http://kimia-master.blogspot.com/2011/11/definisi-naftalena-adalah-

hidrokarbon.html. [28 November 2013]

Solomon dan Graham. Organic chemistry.