ISOLASI GOLONGAN VA DAN APLIKASINYA (Kelompok Penyaji)

Disusun oleh Kelompok 3: Dita Anggarini Fahmi Hidayat Henny Prianto (0910920033) (0910920037) (0910920043)

JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2012

PENDAHULUAN Golongan VA terdiridari N (nitrogen), P (fosfor), As (arsen), Sb (antimon), dan Bi (bismut). Kelimpahan unsur-unsur tersebut di kerak bumi dapat dilihat pada tabel di bawah ini:

Tabel 1. Kelimpahan unsur-unsur di kerak bumi, berdasarkan berat (Lee, 1991) Unsur Nitrogen Fosfor Arsen Antimon Bismut ppm 19 1120 1,8 0,20 0,008 Kelimpahan Relatif 33 11 52 64 71

Nitrogen terdapat sekitar 78 % pada atmosfir bumi, unsur nitrogen dalam kondisi diatomik itu terdapat dalam bentuk gas. Nitrogen aktif menghasilkan nitrida nitrogen dengan penguapan natrium, arenic atau Phospor dan dengan merkuri cair dan bereaksi dengan uap iodin memberikan pendaran biru. Gas nitrogen digunakan dalam jumlah besar sebagai

atmosfer inert. Terutama pada besi dan baja serta industri lain, dan didalam penyulingan minyak untuk membersihkan bejana retak katalik, serta nitrogen cair digunakan untuk pendingin. Sejumlah besar dari nitrogen (N2) di dalam pembuatan ammonia dan kalsium sianamida. N2 diperoleh dengan kondensasi udara ke keadaan cairan, kemudian dilakukan distilasi fraksional udara cair. N2 mempunyai titik didih yang lebih rendah dari pada O2 dan akan terdistilasi lebih dahulu (Lee, 1991). Pada aplikasinya nitrogen biasa digunakan pada laboraturium (sebagai N2) untuk menguapkan pelarut pelarut organik.Selain itu nitrogen juga digunakan sebagai bahan bakar pesawat Apollo, nitrogen yang digunakan yaitu campuran larutan N2O4 dan turunan dari hydrazine (N2H4).Dinitrogen tetraoksida merupakan agen pengoksidasi yang sangat baik dengan hanya mencampurkannya (Catherine, 2005). Fosfor termasuk unsur kesebelas terbesar dalam kerak bumi. Fosfor adalah unsur yang penting bagi kehidupan, diantaranya sebagai materi penyusun dalam hewan dan penyusun metabolism pada tanaman dan hewan. Sekitar 60% dari tulang dan gigi mengandung Ca3(PO4)2 atau [3(Ca3(PO4)2). CaF2] dan biasanya manusia mempunyai 8lbs (3,5 kg) dari kalsium pospat dalam tubuh (Lee, 1991).Fosfor triklorida diproduksi dalam sekalabesar;

senyawa ini digunakan sebagai precursor pada senyawa senyawa organo fosfor, termasuk nerve gases, pemadam api dan insektisida. Fosfor penting pada penghasil baja, dan perunggu fosfor(Catherine, 2005). Arsenik diperoleh sebagai As2O3 di dalam limbah debu dari pembakaran CuS. PbS, FeS, CoS dan NiS dan udara. Produksi As2O3 di dunia sekitar 50000 ton pada tahun 1988. Oksida dikonversi menjadi As dengan reduksi C. Umumnya hanya bijih arsenopirit FeAsS, realgar As4S4 dan orpiment As2S3 (Lee, 1991).Arsen, antimon dan bismuth adalah yang dianggap sebagai yang terbaik bersama sejak perbedaan antara modifikasi mereka kurang mencolok (Moeller, 1952).Garam garam arsen dan logam arsen sangat beracun, dan senyawa arsenic ini digunakan untuk membunuh rumputrumputan, domba dan sudah tersebar luas juga sebagai pembunuh kutu(Catherine, 2005). Bismut digunakan sebagai campuran untuk logam campuran 0,1 -0,4 % untuk meningkatkan kemampuan untuk mesin. Untuk logam logam level rendah digunakan bismuth 0,2 -0,6 %. Juga digunakan untuk campuran aluminium untuk kepentingan pembuatan mesin.Dalam jumlah yang sangat kecil (20 -50 ppm) untuk meningkatkan kekuatan pelapisan besi.Bismut mempunyai toksisitas yang rendah sehingga banyak diaplikasikan sebagai pengganti timah pada berbagai bidang.Pada beberapa Negara bismuth digunakan sebagai pengganti timah untuk peluru.Dalam bidang pengobatan bismuth sebagai bahan aktif pepto-bismol yaitu bismuth subsalisilat.Bahan aktif ini digunakan sebagai antidiare atau pada penyakit perut(Catherine, 2005). Antimon ditemukan melimpah di alam dalam sejumlah mineral yaitu stibnit (Sb2S3) dan ulmanite (NiSbS).berikut tabel mineral antimon dalam berbagai bijihnya :

Antimon stabil di udara pada suhu kamar, tapi bereaksi dengan oksigen jika dipanaskan untuk membentuk trioksida antimon , Sb 2 O 3. Ia dapat meningkatkan kekerasan dan kekuatan timbal. Baterai, logam anti friksi, senjata ringan dan tracer bullets (peluru penjejak), pembungkus kabel, dan produk-produk minor lainnya menggunakan sebagian besar antimon yang diproduksi. Senyawa-senyawa yang mengambil setengah lainnya adalah oksida, sulfida, natrium antimonat, dan antimon tetraklorida. Mereka digunakan untuk membuat senyawa

tahan api, enamel cat keramik, gelas dan pot(Catherine, 2005). Tinggi kemurnian antimon yang digunakan dalam pembuatan semikonduktor. Normal-kemurnian antimon digunakan secara luas dalam produksi paduan, untuk yang mengajarkan kekerasan meningkat, kekuatan mekanik, ketahanan korosi dan koefisien gesek yang rendah; paduan menggabungkan timah, timbal dan antimony digunakan dalam industri listrik. Diantara paduan antimon lebih penting adalah Babbitt, timah, logam putih, Britannia logam dan logam bantalan. Ini digunakan untuk bantalan kerang, piring penyimpanan baterai, selubung kabel, solder, coran hias dan amunisi. Hambatan dari antimon logam untuk asam dan basa yang dimasukkan untuk efek dalam pembuatan pabrik kimia.

Bagaimana cara mengisolasi nitrogen dari udara? Nitrogen adalah gas tak bewarna dan tak berasa yang menempati 78.1% atmosfer (persen volume) (Saito, 2008). Kelimpahan nitrogen di udara yang sangat tinggi membuat nitrogen diproduksi dengan udara sebagai sumbernya secara komersial. Namun dalam skala laboratorium, nitrogen juga dapat disintesis dan diisolasi dari tanah, tumbuhan, atau hewan dengan bantuan mikroba atau dengan reaksi tertentu atau sebagai reaksi samping dari sintesis senyawa tertentu. . Proses isolasi nitrogen dari udara disebut distilasi fraksional-kryogenik. Proses ini juga digunakan untuk memisahkan berbagai gas dalam udara seperti argon, oksigen, dan lain-lain.Kriogenik diartikan sebagai operasi yang dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah. Udara yang berupa gas hanya dapat ditranformasikan menjadi cairan saat kondisi tekanan dan temperatur berada di bawah titik kritiknya. Temperatur kritik dari udara yaitu -140,70C (=132,5K), sedangkan tekanan kritiknya yaitu 37,7 bar (Rimbualam, 2010). Mula-mula udara disaring dan dibersihkan dari debu dan partikel-partikel padat lainnya. kemudian proses penyingkiran uap air dan karbondioksida yang masih tertinggal pada udara. Uap air dan karbondioksida harus disingkirkan karena pada temperatur yang sangat rendah, uap air dan karbondioksida akan membeku dan terdeposit pada permukaan alat pemroses. Terdapat 2 metode umum yang dipergunakan untuk menyingkirkan uap air dan karbondioksida, yakni reversing exchangers dan molecular sieve units.Molecular sieve didesain untuk mengadsorb tidak hanya uap air melainkan juga pengotor lain seperti hidrokarbon. Molecular sieve umumnya terdiri dari 2 bagian yang bekerja secara bergantian. Ketika salah satu

bagian sedang bekerja untuk mengadsorb pengotor, maka bagian yang lain akan melakukan regenerasi. Sedangkan metode reverse heat exchanger lebih efektif

apabila dipergunakan untuk skala produksi yang relatif kecil. Udara umpan masuk ke dalam alat penukar panas dan didinginkan hingga air dan karbondioksida membeku pada permukaan dinding alat penukar kalor. Setelah udara lewat, fungsi alat penukar kalor dibalikkan dengan dialirkannya waste gas yang bersifat sangat kering, sehingga menguapkan air dan menyublimkan karbondioksida. Sedangkan untuk penyingkiran hidrokarbon diperlukan pengadsorb yang harus ditambahkan (UIG, 2011). Tahap selanjutnya adalah proses pencairan udara, udara kering yang bebas CO2 dimampatkan di dalam ruangan dengan kompresor sampai tekanannya 200 atm, sambil didinginkan di dalam ruangan penukar panas.Pemadatan udara dengan tekanan tinggi ini menyebabkan suhu udara meningkat, agar dapat mencair maka suhunya dijaga agar tetap dengan cara mengalirkan udara dingin dengan tekanan tinggi diekspansikan (diturunkan tekananannya) sampai pada tekanan 20 atm, sehingga suhunya turun dan udara mencair. Pendinginan ini dapat menambah efisiensi dari proses penyingkiran pengotor. Sedangkan udara yang belum cair disirkulasikan lagi ke kompresor.Selanjutnya adalah proses distilasi untuk pemisahan komponenkomponen dalam udara berdasarkan titik didihnya, yaitu udara cair ini dialirkan ke kolom destilasi, dinaikkan suhunya secara bertahap, pada suhu sedikit diatas -196C (titik didih N2 = -196C) akan diperoleh gas nitrogen. Nitrogen yang mempunyai titik didih yang lebih rendah (-195,8 C) mendidih lebih dahulu dari pada oksigen yang mempunyai titik didih -183 C. Gas nitrogen ini dicairkan kembali dan ditampung pada botol Dewar (terbuat dari baja). Pada saat suhu mencapai -183C gas oksigen akan menguap dan dipisahkan tersendiri kemudian dicairkan kembali dan diperoleh oksigen cair (UIG, 2011). Proses distilasi melibatkan proses penguapan, kemudian pencairan kembali dan memanfaatkan perbedaan titik didih tiap komponen penyusunnya. Kesetimbangan uap cair merupakan konsep yang sangat penting untuk memisahkan suatu campuran dengan menggunakan metode distilasi.Secara sederhana proses distilasi fraksional-kryogenik, dapat digambarkan dalam diagram alir sebagai berikut:

Bagaimana cara mendapatkan unsur fosfor murni dari batu kapur? Unsur fosfor tidak pernah ditemukan di alam dalam keadaan murni. unsur ini terdistribusikan dalam berbagai mineral. Batu fosfat, yang memiliki mineral apatit, merupakan tri-kalsium-fosfat yang tidak murni dan merupakan sumber penting yang melimpah untuk produksi unsur ini secara komersial. Untuk mendapatkan unsur murni dari batu fosfat, maka batu fosfat dipanaskan sampai (1200-1500)0C dengan pasir yang mengandung SiO2 dan batu bara (coke) dalam tungku pemanas listrik. Reaksinya adalah sebagai berikut (Winter1, 2011): 2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C P4 + 6CaSiO3 + 10CO (1500C) Produk reaksi diatas kemudian dikondensasikan dalam air agar teroksidasi oleh udara. Hasil dari proses diatas adalah fosfor putih dalam bentuk serbuk. Meskipun dalam air, fosfor putih lama-lama akan berubah menjadi aloptrop fosfor merah yang lebih stabil. Hasil samping dari proses ini merupakan senyawa-senyawa yang dapat di daur ulang atau dapat digunakan untuk proses konstruksi material (ICB, 2004). Dalam tanur juga dapat terjadi reaksi yang melalui pembentukan fosfor pentaoksida, seperti berikut (Winter1, 2011 ): 2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 6CaSiO3 + P4O10 P4O10 + 10C 10CO + P4 Selain metode diatas, juga ada metode lain untuk mendapatkan fosfor putih, yaitu dengan mereaksikan mineral fosfat dengan asam, dimana metode ini banyak

dilakukan dalam skala kecil dalam laboratorium, dan dapat dilanjutkan untuk membuat pupuk fosfat. Mula-mula reaksinya adalah sebagai berikut: Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 3CaSO4 + 2H3PO4 Cairan yang terpisahkan dari larutan residu akan menguap ketika larutan ini berubah menjadi asam metafosfor, reaksinya adalah sebagai berikut: H3PO4 HPO3 + H2O Asam metafosfor mengalami reduksi menjadi fosfor dengan karbon yang keluar karena penguapan dan mengalami kondensasi, dimana reaksinya adalah sebagai berikut: 4HPO3 + 10C P4 + 10CO + 2H2O

Bagaimana cara mendapatkan unsur Arsen (As) dari mineralnya? Arsen ditemukan melimpah di alam, dalam bentuk mineral seperti As4S4,As2S3,AsO3 dan mineral besi FeAsS. Isolasi arsenik dilakukan dalam skala industri dengan memanskan mineral yang sesuai dengan keadaan tanpa udara sehingga arsenik terkondensasi dan keluar sebagai padatan. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut (Winter2, 2011): FeAsS(700OC)FeS+As(g)As(s)

Bagaimana cara mengisolasi unsur Antimon (Sb) dari mineralnya?

Isolasi unsur Antimon bergantung dari bijihnya,dimana bijihnya digolongkan menjadi tiga yaitu,sulfida.oksida,biji kompleks dan tingkat kandunganya,dimana range dari sekitar 15% hingga 60% antimon dalam beratnya.Ada 6 metode yang digunakan untuk mengekstrak antimon dari bijinya.Antimon yang berasal dari bijih sulfida dapat dipanaskan dengan froth flotation(pengapungan buih,dimana mineral-mineral seperti batureja akan meleket pada buih )Metode ini telah digunakan untuk menghilangkan gangue(batu reja)dari bijih sulfida. dalam proses ini, suspensi dari bijih bubuk dibuat dengan air. Untuk itu, kolektor dan stabilizer ditambahkan. Kolektor (misalnya, minyak pinus, asam lemak, xanthates, dll) bertujuan meningkatkan non - keterbasahan partikel mineral dan stabilizer (misalnya,Kresol,anilin)bertujuan mempertahankan keseimbangan .Partikel-partikel mineral menjadi basah oleh minyak sementara partikel gangue oleh air. Sebuah dayung mengaduk campuran dan menarik udara di dalamnya. Akibatnya, terbentuk sebagian yang membawa partikel-partikel mineral. Bagian ini ringan dan sulit untuk disendok,setelah itu dikeringkan

( http://textbook.sanand.net/ncert/class-xii/chemistry/6-general-principles-and-of-processes-of-isolationelements) Dimana hal ini mengandung 1,5% hingga 25% antimon .Kemudian Antimon ini dipanaskan untuk memproduksi oksida dan oksidanya yang mengandung 25 % hingga 45% antimon meleburkan(smelted) dalam blast furnace pada suhu di atas 630

C untuk menghasilkan logam mentah.

Logam mentah yang mengandung 45 hingga 60 % antimon dileburkan(liquated )dengan cara dipanaskan dalam atmosfir pereduksi untuk melehkan antimon sulfida yang mana

dialirkan dari gangue(batu reja) dan saat memadat ketika pendingan akan menghasilkan antimon mentah dengan dileburkan(liquated)bijih yang mengandung banyak sulfida kadang diolah dengan proses pengendapan. Metode pertama adalah volatilization roasting ,bijih sulfida dicampur dengan arang dan dimasukkan dalam pemanggang(tungku) .Sulfur akan pergi dalam bentuk (SO2),dengan mengontrol temperatur dan jumlah oksigen yang digunakan dapat menentukan bentuk oksidanya.Jika penambahan oksigen sedikit akan menghasilkan SbO,jika ditambahkan oksegen berlebih akan menghasilkan Sb2O3,pengaturan oksigen ini dilakukan dengan mengatur temperatur pada tungku. Sb2S3 + 4O2 3SO2 + 2SbO Sb2S3 + 9/2 O2 3SO2 + Sb2O3 Metode kedua adalah blast furnace smelting,dalam praktik modern,yang digunakan adalah sesuatu yang memiliki kualitas menengah antimon dari segala jenis yang dilebur dalam blast furnace.Proses ini terpenting untuk ekstraksi antimon dari bijih tersebut.umpan tungku dapat terdiri dari bongkahan halus atau debu

corong,mattes,campuran bijih,oksida,sulfida,residu dan ampas bijih.jumlah besar dari ampas bijih yang terbentuk beranfaat dalam mengurangi penguapan.Produk yang dihasilkan berupa antimon tidak murni.

Metode ketiga adalah liquation,dalam proses ini tinggi kwalitas bijih sulfida yang dipanaskan dalam reverberatory furnace atau crucble furnace dalam pengurangan keadaan dari 500-600 C,temperatur ini di bawah temperatur penguapan dari stibnit tetapi di atas titik leleh.kemudian sulfida cair menetes ke bawah melalui bijih dan dikumpulkan pada daerah lebih rendah dalam tungku kemudian sulfida dipadatkan.lebih dari 70 % antimon yang dihasilakn dapat dikonversi dalam bentuk logam atau oksidanya.

( http://textbook.sanand.net/ncert/class-xii/chemistry/6-general-principles-and-of-processes-of-isolationelements) Metode keempat adalah reduction,dalam metode ini kualitas biji oksida tertinggi dikurangi menjadi logam dalam reverberatory atau short rotary furnace dengan arang.Ampas bijih yang tertutup dengan yang memiliki sifat alkali dapat meminimalakan kerugian penguapan dan sekaligus menghilangkan kotoran dari logam cair.Produk pertama dari metode ini adalah logam mentah antimon yang dapat disempurnakan 99 % dari kemurnian dengan proses lebih lanjut di dalam reverberatory furnace. Metode kelima adalah leaching/elektrowinning ,antimon yang dihasilkan dari beberapa bijih kompleks dari pencucian diikuti oleh elektrowining.Proses ini khusus menggunakan sulfida natrium atau sodium hodroksida sebagai pelarut.Filtrat yang dihasilkan disaring dimana mengandung sodium thioantimonate (Na3SbS4).Kemudian dilakukkan elektrolisis dalam sel diagfragma yang dilengkapi dengan elektroda baja ringan.Logam katoda yang dihasilkan mengandung 93 samap 99,5 %antimon tergantung dalam pemberian bijih dan proses prameter. Metode yang keenam adalah precipitation,antimon dapat diekstrak dari konsentrat bijih sulfida,bijih sulfida atau cairan dari pemindahan kimia dalam keadan dicairkan dengan besi.Proses awalnya biasanya disebut Proses Inggrisyang dilakukan dalam tungku dengan besi halus atau potongan kecil-kecil baja dalam jumlah sedikit lebih banyak dari perhitungan stokiometri.Sebuah matte sulfida besi mengapung di atas permukaan logam antimon cair.produk yang dihasilkan adalah logam murni antimon yang terkontaminasi oleh besi dan belerang

Umumnya digunakan besi untuk mereduksi SbO menjadi Sb.Berdasarkan potensial reduksinya(Butterman,2004) Biji antimon itu,dapat berupa sulfidanya, Sb2S3, dan oksidnya Sb2O3. Bijih sulfidanya dipanaskan dalam froth flotation dengan mengatur oksigen yang dialirkan untuk menentukan tipe oksidanya.Untuk oksidanya (SbO) dapat direduksi dengan Fe sedangkan untuk trioksidanya dapat direduksi dengan karbon. SbO + Fe Sb + FeO 2Sb2O3 + 3 C 4Sb + 3CO2

Bagaimana cara mengisolasi unsur Bismut (Bi) dari mineralnya? Bismut banyak diekstrak dan diisolasi dari bijih seperti bismite(Bi2O3), bismutinit(Bi2S3) dan bismutit (BiO)2CO3. Bismutinit adalah mineral sulfida terdiri dari bismut dan sering terjadi dengan timbal dan bijih tembaga, dan bismite terdiri dari oksida bismut. Teknik isolasi yang digunakan untuk mengekstrak bismut murni dari bijih ini relatif sederhana. Isolasi bismut umum menggunakan roses smelting. Smelting proses adalah metode ekstraksi metalurgi dengan cara peleburan bersama karbon. Karbon dalam bentuk kokas berfungsi sebagai agen pereduksi. Karbon bereaksi dengan oksigen menghasilkan karbon monoksida sehingga atom oksigen meninggalkan logam (Anonim, 2007). Bismut murni dapat diproduksi dengan rekasi bismuth oksida dengan karbon pada temperature yang sangat tinggi, rekasinya sebagai berikut :

2Bi2O3 + 3C4Bi + 3CO2 Karena bismut jarang ditemukan dalam bentuk unsur,tapi lebih sering ditemukan sebagai oksida atau sulfida.Bismuth dapat diproduksi sebagai produk samping dalam produksi biji tembaga.Selain itu pada produksi bismut dapat juga dilakukan ekstraksi dengan proses KrollBetterton pada temperature 380-500 C(572932F), kalsium dan magnesium ditambahkan pada mineral yang kaya dengan bismut.Sehinnga kalsium-magnesium-bismut diendapkan, dan flux digunakan untuk memproduksi logam bismut.Kemudian logam campuran ini dapat dipisahkan dengan kristalisasi fraksional.

Gambar :KrollBetterton

DAFTAR PUSTAKA

Anonim, 2007,Bismuth, http://www.sciencefairadventure.com/Bismuth.aspx. Diakses tanggal 12 Mei 2012. Butterman, C.,and Carlin, Jr., 2003, Mineral Commodity Profiles: Antimony. Unites States Geological Survey. Catherine E.,H. Alan, G. Sharpe, 2005, Inorganic Chemistry 2nd Ed., Pearson Education Limited, England. ICB, 2004, Thermphos Banks on China's Exit From Phosphorus. ICB Americas via icis.com. Lee, J. D., 1991, Concise Inorganic Chemistry Fourth Edition, Chapman & Hall, London Moller, T., 1952, Inorganic Chemistry An Advanced Textbook, John Willey & Sons, Inc., Japan

Rimbualam, I. H., 2010. Kesetimbangan Uap-Cair dalam Pemisahan secara Kriogenik, http://ivanhadinata.blogspot.com . Diakses tanggal 11 Mei 2012. UIG, Universal Industrial Gases, 2011, Overview of Cryogenic Air Separation and Liquefier Systems, http://www.uigi.com/cryodist.html, Diakses tanggal 11 Mei 2012. Winter1, Mark., 2011, Phosphor: The Essential., http://www.webelements.com/phosphor., Diakses tanggal 11 Mei 2012.The University of Sheffield and WebElements Ltd, UK. Winter2, Mark., 2011, Arsenic: The Essential., http://www.webelements.com/Arsenic., Diakses tanggal 11 Mei 2012.The University of Sheffield and WebElements Ltd, UK.