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)X (%)t = ?80%

Reaksi orde nol memiliki k = 0,025 mol/(L·min) dan dimulai pada 1 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 80%? Cari t.

k = 0,025 mol/(L·min)CA0 = 1 mol/LX = 80 %
t = min
2.Kinetika reaksiSulit
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))percobaan 10,50,008percobaan 21,50,0139n = ?

Dua eksperimen mengukur laju awal A → produk. Dengan CA0 = 0,5 mol/L lajunya 0,008 mol/(L·s); dengan CA0 = 1,5 mol/L lajunya 0,0139 mol/(L·s). Cari orde reaksi n terhadap A.

CA0,1 = 0,5 mol/Lr1 = 0,008 mol/(L·s)CA0,2 = 1,5 mol/Lr2 = 0,0139 mol/(L·s)
n =
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang
Q = 5 L/minX = 50%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Sebuah reaksi orde satu fase cair A → B dengan k = 0,25 min⁻¹ dilakukan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang diumpankan 5 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 50%.

Q = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 50%
V = L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit
V = 400 LV = 400 LQ = 40 L/minX = ?

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,1 min⁻¹) berlangsung dalam dua CSTR identik yang disusun seri, masing-masing 400 L. Laju umpan 40 L/menit, densitasnya konstan, dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi keseluruhan X dalam persen.

V = 400 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
5.Kesetimbangan kimiaSedang
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

Sebanyak 0,1 mol/L H₂ dan 0,1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 4. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
6.Kesetimbangan kimiaSulit
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0,08 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,4 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
7.Neraca massaSedang
PencampurAliran 1700 kg/h · 20% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 45% garamProduk35% garam

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 35% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F4500 kg/h · 14% garamProduk PP = ? · 50%Uap W (air murni)0% garam

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

F = 4500 kg/hxF = 14 %xP = 50 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetika reaksi

Jawaban: t = 32 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Jumlah yang terkonversi

CA0·X = 1·0,8 = 0,8 mol/L

Waktu

t = CA0·X/k = 0,8/0,025 = 32 min

Jawaban

t = 32 min
2.Kinetika reaksi

Jawaban: n = 0,5029

Metode laju awal: untuk r = k·Cⁿ, membandingkan dua percobaan yang hanya berbeda pada konsentrasi awal menghilangkan k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Menggandakan C menggandakan laju untuk orde satu dan menjadikannya empat kali lipat untuk orde dua.

Rasio

r2/r1 = 0,0139/0,008 = 1,737
C2/C1 = 1,5/0,5 = 3

Orde

n = ln(1,737)/ln(3) = 0,5029

Jawaban

n = 0,5029
3.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 13,86 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 − 0,5))/0,25 = 0,6931/0,25 = 2,773 min

Volume

V = Q·τ = 5·2,773 = 13,86 L

Jawaban

V = 13,86 L
4.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 75 %

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 = 400/40 = 10 min, kτ = 0,1·10 = 1

Konversi

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1) = 0,5
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,25
X = 1 − 0,25 = 75%

Jawaban

X = 75%
5.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H2] = 0,05 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

4 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tarik akar kuadrat

2 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·2/(2 + 2) = 0,05 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,1 − x = 0,05 mol/L

Jawaban

[H2] = 0,05 mol/L
6.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [PCl5] = 0,2567 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

0,08 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[PCl₅] = 0,4 − 0,1433 = 0,2567 mol/L

Jawaban

[PCl5] = 0,2567 mol/L
7.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 1050 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) = 700·(20 − 35)/(35 − 45) = 1050 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 1050 kg/h
8.Neraca massa

Jawaban: P = 1260 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 = 4500·14/50 = 1260 kg/h

Jawaban

P = 1260 kg/h

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