Pembuatan Amonia Menggunakan Proses Haber-Bosch

Amonia merupakan senyawa kimia dengan rumus kimia NH₃. Amonia disebut juga sebagai, 'Hidrogen nitrida',  'spiritus Hartshorn', 'Nitrosil' atau 'Vaporol'. Dalam kehidupan sehari-hari senyawa ini berwujud gas dan memiliki bau tajam menusuk yang khas (biasanya disebut bau amonia).

Toksisitas larutan amonia biasanya tidak menimbulkan masalah bagi manusia dan mamalia lainnya, karena mekanisme spesifik ada untuk mencegah penumpukannya di aliran darah.

Pada keadaan normal, amonia merupakan gas tak berwarna dengan aroma khas yang menyengat. Zat ini lebih ringan dari udara dengan kerapatan 0,589. Amonia mudah dicairkan karena adanya ikatan hidrogen yang kuat antar molekul NH₃. Cairan NH₃ mendidih pada suhu -33,3 °C (-27,94 °F), dan membeku pada suhu -77,7 °C (-107,86 °F). Padatan NH₃ berbentuk kristal berwarna putih.

Amonia merupakan gas yang banyak dimanfaatkan oleh manusia dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya dalam pembuatan pupuk nitrogen (pupuk urea), sebagai pelarut seperti asam nitrat (HNO₃), larutan pembersih, desinfektan, bahan peledak (TNT atau trinitrotoluena), obat-obatan, dan banyak produk sintetik yang menggunakan amonia seperti industri nilon, polimer-polimer akrilat, dan busa poliutretan. Pupuk urea (CO(NH₂)₂) terbentuk melalui reaksi antara amonia dan CO₂. 

Molekul amonia memiliki bentuk piramida trigonal seperti yang diprediksi menggunakan teori VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) dengan sudut ikatan eksperimen yang ditentukan 106,7°. Atom nitrogen  sebagai atom pusat memiliki lima elektron terluar, dengan elektron tambahan dari masing-masing atom hidrogen. Hal ini menjadikan total semua elektron adalah delapan, atau empat pasangan elektron yang tersusun tetrahedral. Tiga dari pasangan elektron ini digunakan sebagai pasangan elektron ikatan (PEI), yang meninggalkan satu elektron elektron tunggal. 

Pasangan elektron tunggal menolak lebih kuat daripada pasangan ikatan, oleh karena itu sudut ikatannya tidak 109,5°, seperti yang diharapkan untuk pengaturan tetrahedral biasa, namun 106,7°. Atom nitrogen dalam molekul memiliki sepasang elektron tunggal, yang membuat amonia menjadi basa, akseptor proton. 

Bentuk ini memberi molekul momen dipol dan membuat molekul NH₃ menjadi polar. Polaritas molekul dan kemampuannya untuk membentuk ikatan hidrogen, membuat amonia mudah bercampur dengan air.

Gambar Struktur molekul NH₃ (megatimes.com.br)

Amonia (NH₃) yang digunakan secara komersial disebut sebagai amonia anhidrat. Istilah anhidrat menunjukkan bahwa bahan tersebut tidak mengandung molekul air. Amonia yang mengandung air disebut amonium hidroksida yang memiliki rumus kimia NH₄OH.

Dibandingkan dengan hidrogen sebagai bahan bakar, amonia lebih hemat energi, dan akan menjadi biaya yang jauh lebih rendah untuk memproduksi dan menyimpan. 

Mesin roket juga telah dipicu menggunakan amonia. Mesin roket Reaction Motors XLR99 yang mendukung pesawat riset hypersonik X-15 menggunakan amonia cair. Meski tidak sekuat bahan bakar lainnya, namaun tidak ada jelaga di mesin roket sehingga bisa digunakan kembali dan kerapatannya kira-kira sesuai dengan densitas oksidator, oksigen cair, yang menyederhanakan desain pesawat terbang.

Secara industri amonia diproduksi melalui proses Haber-Bosch (Haber-Bosch Process). Dalam proses Haber-bosch gas nitrogen direaksikan dengan gas hidrogen ditambah katalis. Katalis yang biasa digunakan adalah platina atau besi oksida (Fe₃O₄) yang dicampur dengan K₂O, MgO, CaO, Al₂O₃ dan SiO₂.

Persamaan reaksinya:

N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(l)    ΔH=-92,6 kJ

Pembuatan amonia dari N₂ dan H₂ pertama kali dilakukan oleh Fritz Haber dan peralatan yang digunakan untuk memproduksi amonia dalam skala industri dipopulerkan oleh Karl Bosch.

Gas N₂ biasanya diperoleh dari pencairan udara (liquefied air) sedangkan gas H₂ diperoleh dari destilasi kering batu bara (coal gas) dan reaksi antara gas alam dengan air.  Secara sederhana peralatan yang digunakan dalam pembuatan amonia menggunakan proses Haber-Bosch ditunjukan pada Gambar.

 Gambar Pembuatan amonia menggunakan proses Haber-Bosch

Berdasarkan gambar pembuatan amonia, dapat diketahui bahwa gas hidrogen dan nitrogen yang belum bereaksi dan amonia yang tidak mencair dialirkan kembali ke dalam tangki.

Dari persamaan reaksi di atas dapat diketahui bahwa 1 mol gas N₂ bereaksi dengan 3 mol gas H₂ membentuk 2 mol amoniak. Selain itu dapat diketahui pula bahwa reaksi pembentukan amonia berlangsung secara eksoterm (∆H = negatif). Hal ini menunjukan bahwa pada suhu rendah amonia sudah dapat terbentuk. Namun proses pembentukan amonia pada suhu rendah berjalan sangat lambat. Untuk mempercepat terbentuknya amonia maka suhu dinaikan disertai pengaturan tekanan. Dalam industri biasanya reaksi dilangsungkan pada suhu 500 °C dan tekanan 350 - 1000 atm.

Secara ringkas hal-hal yang perlu dilakukan untuk meningkatkan produk pada pembuatan amonia yaitu:

1) Menaikan suhu.

2) Memperbesar tekanan atau memperkecil volume.

3) Menambahkan gas N₂ dan gas H₂.

4) Mengurangi gas amonia yang terbentuk.

5) Meggunakan katalis.