Teknik Reaksi Kimia: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Kinetika reaksi

Orde satu
ln(CA/CA0) = −kt
Waktu paruh (orde satu)
t½ = ln 2/k
Orde dua
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dua suhu
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Waktu ruang
τ = V/Q
CSTR, orde satu
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, orde satu
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Konversi dari volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR identik yang disusun seri
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Kesetimbangan kimia

Tetapan kesetimbangan
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabel ICE
Awal, Perubahan (×koefisien), Kesetimbangan
Persamaan kuadrat
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metode

  1. Tulis Kc sebagai produk per pereaksi, masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya.
  2. Susun tabel ICE: Initial (awal), Change (perubahan, dalam kelipatan x kali koefisien), Equilibrium (kesetimbangan).
  3. Masukkan pernyataan kesetimbangan ke dalam Kc dan selesaikan untuk x.
  4. Periksa apakah x cukup kecil untuk pendekatan; jika tidak, selesaikan persamaan kuadratnya.

Neraca massa

Keadaan tunak
masuk = keluar
Neraca total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Neraca komponen
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporator
F·xF = P·xP, W = F − P

2Soal latihan

1.Kinetika reaksiSedang
t (min)C (mol/L)5 minC = ?

Reaksi dengan hukum laju −rA = k·CA² memiliki k = 0,8 L/(mol·min) dan dimulai pada 1,5 mol/L. Cari konsentrasi CA setelah 5 min.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 5 min
CA = mol/L
2.Kinetika reaksiSulit
1/Tln kT = 100 °Cln 0,005ln A = ?Ea​ = 50 kJ/mol

Reaksi orde satu memiliki konstanta laju 0,005 s⁻¹ pada 100 °C dan energi aktivasi 50 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponensial A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0,005 s⁻¹T = 100 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
Q = 10 L/minX = 70%V = ?, k = 0,08 min⁻¹

Sebuah reaksi orde satu fase cair A → B dengan k = 0,08 min⁻¹ dilakukan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang diumpankan 10 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 70%.

Q = 10 L/mink = 0,08 min⁻¹X = 70%
V = L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
V = 100 LV = 100 LQ = 80 L/minX = ?

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,5 min⁻¹) berlangsung dalam dua CSTR identik yang disusun seri, masing-masing 100 L. Laju umpan 80 L/menit, densitasnya konstan, dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi keseluruhan X dalam persen.

V = 100 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

Sebanyak 0,8 mol/L H₂ dan 0,8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 54. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,5 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,5 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
7.Neraca massaSedang
PencampurAliran 1450 kg/h · 35% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 20% garamProduk30% garam

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 30% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 35 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F4700 kg/h · 20% NaOHProduk PP = ? · 60%Uap W (air murni)0% NaOH

Evaporator memekatkan larutan NaOH dengan menguapkan air murni. Cari laju alir produk P dalam kg/h.

F = 4700 kg/hxF = 20 %xP = 60 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetika reaksi

Jawaban: CA = 0,2143 mol/L

Laju reaksi: untuk reaksi orde satu −dC/dt = kC, jadi C = C₀·e−kt dan waktu paruh ln 2/k tidak bergantung pada konsentrasi. Untuk reaksi orde dua 1/C = 1/C₀ + kt. Konstanta laju naik terhadap suhu menurut Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Hukum orde dua terintegrasi

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,8·5 = 4,667 L/mol
CA = 1/4,667 = 0,2143 mol/L

Jawaban

CA = 0,2143 mol/L
2.Kinetika reaksi

Jawaban: A = 49931 s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Suhu mutlak

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

Ea/(RT) = 50000/(8,314·373,1) = 16,12
A = k·e16,12 = 0,005·9,986 × 10⁶ = 49931 s⁻¹

Jawaban

A = 49931 s⁻¹
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 150,5 L

Reaktor ideal, reaksi orde satu (−rA = k·CA) pada keadaan tunak, dengan waktu ruang τ = V/Q. CSTR tercampur sempurna, sehingga seluruh volume bereaksi pada konsentrasi keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan CA = CA0/(1 + k·τ). Pada PFR setiap irisan fluida bereaksi seperti reaktor batch kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan CA = CA0·e−k·τ. Untuk konversi yang sama, CSTR selalu memerlukan volume lebih besar daripada PFR.

Waktu ruang

τ = ln(1/(1 − 0,7))/0,08 = 1,204/0,08 = 15,05 min

Volume

V = Q·τ = 10·15,05 = 150,5 L

Jawaban

V = 150,5 L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 62,13 %

Reaktor ideal, reaksi orde satu (−rA = k·CA) pada keadaan tunak, dengan waktu ruang τ = V/Q. CSTR tercampur sempurna, sehingga seluruh volume bereaksi pada konsentrasi keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan CA = CA0/(1 + k·τ). Pada PFR setiap irisan fluida bereaksi seperti reaktor batch kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan CA = CA0·e−k·τ. Untuk konversi yang sama, CSTR selalu memerlukan volume lebih besar daripada PFR.

Waktu ruang

τ = V/Q = 100/80 = 1,25 min, kτ = 0,5·1,25 = 0,625

Konversi

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,625) = 0,6154
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,3787
X = 1 − 0,3787 = 62,13%

Jawaban

X = 62,13%
5.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H2] = 0,1712 mol/L

Kesetimbangan kimia: untuk aA + bB ⇌ cC + dD, tetapan kesetimbangannya adalah Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), menggunakan konsentrasi pada saat setimbang. Tabel ICE (Awal, Perubahan, Kesetimbangan) menghubungkan jumlah awal dengan jumlah saat setimbang melalui satu variabel x, yang dikalikan dengan koefisiennya.

Rumus kesetimbangan

54 = (2x)²/(0,8 − x)²

Tarik akar kuadrat

7,348 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,348/(2 + 7,348) = 0,6288 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,8 − x = 0,1712 mol/L

Jawaban

[H2] = 0,1712 mol/L
6.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl2] = 0,309 mol/L

Kesetimbangan kimia: untuk aA + bB ⇌ cC + dD, tetapan kesetimbangannya adalah Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), menggunakan konsentrasi pada saat setimbang. Tabel ICE (Awal, Perubahan, Kesetimbangan) menghubungkan jumlah awal dengan jumlah saat setimbang melalui satu variabel x, yang dikalikan dengan koefisiennya.

Rumus kesetimbangan

0,5 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,25 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,25))/2 = 0,309 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,309 mol/L

Jawaban

[Cl2] = 0,309 mol/L
7.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 225 kg/h

Neraca massa keadaan tunak: masuk = keluar untuk total dan setiap komponen. Soal pencampuran menggabungkan keduanya.

Neraca

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
garam: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 450·(35 − 30)/(30 − 20) = 225 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 225 kg/h
8.Neraca massa

Jawaban: P = 1567 kg/h

Komponen pengikat: komponen yang lewat tanpa berubah di satu aliran saja (di sini zat terlarut) menghubungkan laju alir secara langsung. Lalu neraca total memberi sisanya.

Neraca zat terlarut

F·xF = P·xP → P = 4700·20/60 = 1567 kg/h

Jawaban

P = 1567 kg/h

ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering