Pembuatan Asam Nitrat Menggunakan Proses Oswald

Gambar proses Oswald (Sumber gambar www.chemistry.tutorvista.com)

Asam nitrat adalah asam anorganik atau mineral. Asam nitrat disebut juga sebagai ‘aqua fortis’ dan ‘spirit of niter’. Zat ini berupa cairan tak berwarna dengan bau yang menyengat. Asam mineral ini banyak digunakan dalam pembuatan berbagai senyawa nitrat, baik senyawa nitrat anorganik maupun senyawa nitrat organik.

Sebagain besar senyawa nitro dan nitrat terutama digunakan sebagai pupuk, pewarna zat antara, bahan peledak, dan banyak bahan kimia organik yang berbeda. Asam nitrat merupakan prekursor untuk banyak pupuk berbasis amonia seperti amonium nitrat. Rumus kimia asam nitrat adalah HNO₃.

Wilhelm Ostwald mengembangkan proses Ostwald untuk pembuatan asam nitrat pada tahun 1902. Proses Ostwald melibatkan oksidasi amonia di ruang katalitik yang mengandung kasa platina. Oksidasi amonia adalah proses reversibel dan eksotermik. Ini menaikkan suhu ruangan sampai 800 derajat celcius. Dalam proses ini kasa platina bertindak sebagai katalis dan menginduksi oksidasi amonia. Platina yang digunakan biasanya telah dilapisi dengan logam rodium.

Persamaan reaksinya:

4NH₃(g) + 5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)

Setelah itu gas NO, didinginkan sampai 150 derajat Celcius kemudian dicampur dengan udara untuk menghasilkan nitrogen dioksida.

Persamaan reaksinya:

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g) 

NO₂ yang terbentuk kemudian dilarutkan dalam air pada suhu kira-kira 80 derajat Celcius sehingga terbentuk asam nitrat.

Persamaan reaksinya:

4NO₂(g) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4HNO₃(aq)

HNO₃ berair yang diperoleh dapat dikonsentrasikan dengan distilasi sampai sekitar 68% massa. Konsentrasi lebih lanjut sampai 98% dapat dicapai dengan dehidrasi dengan H₂SO₄ terkonsentrasi. Dengan menggunakan amonia yang berasal dari proses Haber, produk akhir dapat dihasilkan dari nitrogen, hidrogen, dan oksigen yang berasal dari udara dan gas alam sebagai bahan baku tunggal.

Sebelum diperkenalkannya proses Haber untuk produksi amonia pada tahun 1913, asam nitrat diproduksi dengan menggunakan proses Birkeland-Eyde, yang juga dikenal sebagai proses busur. Proses ini didasarkan pada oksidasi nitrogen atmosfer oleh oksigen atmosfir ke oksida nitrat pada suhu yang sangat tinggi. Busur listrik digunakan untuk menyediakan suhu tinggi, dan menghasilkan oksida nitrat hingga 4%. Oksida nitrat didinginkan dan dioksidasi oleh oksigen atmosfir yang tersisa menjadi nitrogen dioksida, dan ini kemudian diserap dalam asam nitrat encer. Prosesnya sangat intensif untuk energi dan dengan cepat dipindahkan oleh proses Ostwald setelah amonia murah tersedia.

Proses Oswald terutama didasarkan pada kondisi suhu dan juga pada katalis. Langkah pertama oksidasi amonia adalah proses eksotermik yang meningkatkan suhu sistem reaksi. Oksidasi sekunder oksida nitrat memerlukan suhu rendah sehingga untuk reaksi ke depan dan pembentukan produk, diperlukan kontrol suhu. Untuk oksidasi amonia yang merupakan reaksi eksotermik, menurut prinsip LeChatelier, menurunkan suhu, meningkatkan konsentrasi, dan meningkatkan tekanan dan volume diperlukan untuk mengubah reaksi ke arah depan.

SINTESIS ASAM NITRAT DALAM LABORATORIUM

Di laboratorium, asam nitrat dapat dibuat dengan dekomposisi termal tembaga(II) nitrat, menghasilkan nitrogen dioksida dan gas oksigen, yang kemudian dilewatkan melalui air untuk menghasilkan asam nitrat.

2Cu(NO₃)₂  →  2CuO(s) + 4NO₂(g) + O₂(g)

Rute alternatif adalah dengan reaksi kira-kira sama dengan massa garam nitrat seperti natrium nitrat dengan asam sulfat 96% (H₂SO₄), dan penyulingan campuran ini pada titik didih asam nitrat 83 °C. Residu nonvolatile dari logam hidrogen sulfat tetap berada dalam bejana distilasi. Asam nitrat merah yang diperoleh dapat dikonversi menjadi asam nitrat putih.

NaNO₃ + H₂SO₄  →  HNO₃ + NaHSO₄

NO_x terlarut mudah dikeluarkan dengan menggunakan tekanan rendah pada suhu kamar (10-30 menit pada 200 mmHg atau 27 kPa) untuk memberi asam nitrat putih. Prosedur ini juga dapat dilakukan di bawah tekanan dan suhu yang dikurangi dalam satu langkah untuk menghasilkan lebih sedikit gas nitrogen dioksida.

Asam nitrat encer dapat dipekatkan dengan distilasi sehingga konsentrasi asam mencapai 68%. Di laboratorium, konsentrasi lebih lanjut melibatkan distilasi dengan asam sulfat atau magnesium nitrat yang bertindak sebagai agen dehidrasi. Penyulingan semacam itu harus dilakukan dengan peralatan kaca semua pada tekanan rendah, untuk mencegah penguraian asam.

Secara industri, asam nitrat yang sangat pekat dihasilkan dengan melarutkan tambahan nitrogen dioksida dalam asam nitrat 68% di menara absorpsi. Oksida nitrogen terlarut ditelanjangi dalam kasus asam nitrat menguap putih, atau tetap berada dalam larutan untuk membentuk asam nitrat berasap merah.

Saat ini elektrokimia telah dikembangkan untuk menghasilkan asam anhidrat dari bahan baku asam nitrat terkonsentrasi.

INFORMASI LAINNYA

Larutan murni asam nitrat tidak berwarna. Walaupun demikian, sampel yang lebih tua cenderung berwarna kuning karena mengalami dekomposisi menjadi oksida nitrogen dan air. Sebagian besar asam nitrat yang tersedia secara komersial memiliki konsentrasi 68% dalam air. Bila larutan mengandung lebih dari 86%  HNO₃, hal itu disebut sebagai ‘asam nitrat yang menguap’ atau ‘red fuming nitric acid’. Asam nitrat yang mengental dan memiliki konsentrasi di atas 95%, disebut sebagai asam nitrat putih yang berasap (white fuming nitric acid).

Kelas komersial asam nitrat fuming mengandung 90%  HNO₃ dan memiliki kerapatan 1,50 g/cm³ sering digunakan di industri bahan peledak.

Baik ‘Red fuming nitric acid’ dan ‘white fuming nitric acid‘ dapat mengalami dekomposisi termal sesuai persamaan reaksi berikut ini.

4 HNO₃ → 2H₂O  +  4NO₂  +  O₂ 

Nitrogen dioksida (NO₂) yang terbentuk pada reaksi di atas, tetap berada di dalam asam nitrat sehingga warnanya menjadi kuning atau bahkan merah pada suhu yang lebih tinggi. Sementara asam murni cenderung mengeluarkan asap putih saat terpapar.

Karena dapat mengalami dekomposisi termal maka asam nitrat selalu disimpan di dalam botol yang berwarna coklat. 

Reaksi ini dapat menimbulkan beberapa variasi tekanan uap yang tidak dapat diabaikan di atas cairan karena nitrogen oksida yang dihasilkan larut sebagian atau seluruhnya dalam asam.

Menjadi asam pengoksidasi yang kuat, asam nitrat bereaksi keras dengan banyak bahan organik dan reaksinya bisa bersifat eksplosif. Nitrasi senyawa organik dengan asam nitrat adalah metode utama sintesis banyak bahan peledak umum, seperti nitrogliserin dan trinitrotoluena (TNT).

Karena produk sampingan yang kurang stabil mungkin dilakukan, reaksi ini harus dikontrol secara hati-hati, dan produk sampingan dikeluarkan untuk mengisolasi produk yang diinginkan.