Siklus Born-Haber dalam Pentuan Energi Kristal Ionik

Energi kristal dari semua jenis atom yang beragregat membentuk kristal ionik dapat ditentukan dengan cara yang sederhana, berbeda dengan pembentukan ikatan kovalen. Hal ini dapat terjadi sebab gaya mekanika kuantum murni dalam kristal ion sangat kecil dibandingkan dengan gaya elektrostatik. Energi pembentukan kristal ionik dari ion-ion dapat ditentukan dengan menggunaakan persamaan Born-Madelung.

Pengukuran melalui percobaan secara langsung terhadap energi kristal sangat sulit untuk dilakukan. Jadi hasil perhitungan energi kristal biasanya dicocokkan terhadap percobaan secara tidak langsung melalui siklus Born-Haber. Sebagai contoh, dalam pembentukan kristal alkali halida dari unsur-unsurnya dapat dianggap melalui tahap-tahap siklus berikut:

Menurut hukum Hess:

            Q = U – ½ D + E – I – S……………………. (Persamaan 2)

Semua nilai dalam persamaan 2 diperoleh dari percobaan, kecuali untuk nilai U, sehingga energi kisi kristal dapat dihitung. Adapun nilai percobaan dan nilai perhitungan energi kristal alkali halida dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Komponen siklus Born-Haber dalam kilokalori per mol

	Q	U	S	I	½ D	E
LiF	146,3	244,9	37,1	124,2	18,3	81,0
NaF	136,0	217,7	26,0	118,4	18,3	81,0
NaI	68,8	165,2	26,0	118,4	25,5	73,5
AgCl	19,4	205,0	69,0	174,7	29,0	87,1
MgO	146,0	940,0	36,5	520,6	59,2	-178

(Sunarya, 2003)

Secara umum, nilai yang diperoleh dari persamaan 1 menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda dari data yang diberikan dalam tabel. Jadi persamaan Born-Madelung dapat diterapkan pada hampir semua jenis kristal, tidak hanya kristal ionik tetapi juga dalam kristal kovalen, seperti intan.

Siklus Born-Haber memberikan pandangan tentang pembentukan kristal yang stabil secara termodinamik, yang melibatkan kalor reaksi (ΔH), bukan perubahan energi bebas.

Termodinamika atau energitika kimia merupakan suatu ilmu kimia yang menyangkut perubahan energi yang menyertaiproses kimia dan proses fisika. Dengan mempelajari ilmu ini kita akan mengetahui bagaimana perubahan yang terjadi di dalam suatu sistem. Keadaan sistem adalah kondisi sistem yang terdiri dari tekanan, suhu, mol tiap komponen serta fase dari masing-masing komponen. Adapun beberapa aspek termodinamika yang berhubungan dengan pembentukan senyawa ionik antara lain:

Entalpi

Sebagian besar reaksi kimia tidak dilakukan pada volume yang tetap, melainkan pada wadah yang terbuka pada tekanan yang tetap. Untuk menghindari keterikatan terhadap kerja-volum tersebut, bila panas reaksi diukur pada tekanan tetap, maka didefinisikan fungsi keadaan baru yang disebut entalpi (H). Perubahan entalpi pada tekanan tetap dapat dinyatakan sebagai:

ΔH = ΔU + P ΔV

Perubahan yang terjadi pada entalpi sama dengan panas yang diserap sistem pada tekanan tetap. Jadi, pada reaksi kimia ΔH menyatakan panas (kalor) reaksi pada tekanan tetap. Entalpi sistem merupakan fungsi keadaan, yang harganya tidak tergantung pada jalannya perubahan tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir (Hukum Hess). Jadi, setiap proses atau reaksi yang dikerjakan pada tekanan tetap, akan disertai dengan penyerapan atau pelepasan kalor yang sama dengan selisih entalpi sistem. Sebagai contoh pada pembentukan padatan NaCl dari unsur Na_(s) dan Cl_2(g) yaitu:

Na_(s) + ½ Cl_2(g) → NaCl_(s)   ΔH = -411,12 kJ

Panas Pembentukan Standar (Standard Heat of Formation)

Panas pembentukan standar (ΔH­_f^o) merupakan salah satu aspek termodinamika kimia yang memiliki peran penting dalam menentukan panas reaksi standar berbagai macam perubahan kimia. Dimana pada perhitungan tersebut, ΔH­_f^o unsur-unsur dalam bentuknya paling stabil pada 298K, 1 atm dengan satuan kJ mol^-1. Nilai ΔH­_f^o masing-masing zat dapat dilihat pada tabel. Sebagai contoh, pada reaksi antara

Na(s)  + ½ Br_2(g) →  NaBr_(s) ; maka ΔH­_f^o nya adalah:

ΔH­_reaksi = (1 mol NaBr x ΔH­_f^o NaBr) – (1 mol Na x ΔH­_f^o Na) + ( ½ mol Br₂ x ΔH­_f^o Br₂)

ΔH­_reaksi = (-360) – (16,21) + ( ½ x 30,39)

            = -361,02 kJ mol^-1
 

Arang Aktif

Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95% karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan pada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadi kebocoran udara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung karbon tersebut hanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi (Sembiring, 2003)

Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai adsorben (penyerap). Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dan kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arang tersebut dilakukan aktifasi dengan aktifator bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada temperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat-sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif.

Arang aktif memiliki permukaan yang lebih luas. Luas permukaan arang aktif berkisar antara 300-3500 m²/gram dan ini berhubungan dengan struktur pori internal yang menyebabkan arang aktif mempunyai sifat sebagai adsorben. Arang aktif dapat mengadsorpsi senyawa-senyawa kimia tertentu atau sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar atau volume pori-pori dan luas permukaan. Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing- masing berikatan secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar. Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi bertambah (Griswidia, 2008).

Banyak senyawa yang dapat diadsorpsi oleh karbon aktif, tetapi kemampuannya untuk mengadsorpsi berbeda untuk masing- masing senyawa. Adsorpsi akan bertambah besar sesuai dengan bertambahnya ukuran molekul serapan dari sturktur yang sama, seperti dalam deret homolog. Adsorpsi juga dipengaruhi oleh gugus fungsi, posisi gugus fungsi, ikatan rangkap, struktur rantai dari senyawa serapan.

Untuk asam-asam organik adsorpsi akan meningkat bila pH diturunkan, yaitu dengan penambahan asam-asam minereal. Hal ini disebabkan karena kemampuan asam mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya bila pH asam organik dinaikkan yaitu dengan menambahkan alkali, adsorpsi akan berkurang sebagai akibat terbentuknya garam.

Bila karbon aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu untuk mencapai kesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan jumlah yang digunakan. Waktu yang dibutuhkan ditentukan oleh dosis karbon aktif, pengadukan juga mempengaruhi waktu kontak. Pengadukan dimaksudkan untuk memberi kesempatan pada partikel karbon aktif untuk bersinggungan dengan senyawa serapan. Untuk larutan yang mempunyai viskositas tinggi, dibutuhkan waktu singgung yang lebih lama. Penggunaan bubuk karbon aktif mempunyai kelebihan sebagai berikut.

1.   Sangat ekonomis karena ukuran butir yang kecil dan luas permukaan kontak persatuan berat sangat besar.

2.   Kontak menjadi sangat baik dengan mengadakan pengadukan cepat dan merata.

3.   Tidak memerlukan tambahan alat lagi karena karbon akan mengendap bersama Lumpur yang terbentuk.

4.   Kemungkinan tumbuhnya mikroorganisme sangat kecil.

Pembuatan karbon aktif telah banyak diteliti, diantaranya dituliskan bahwa karbonisasi untuk memperoleh karbon yang baik untuk diaktivasi harus dilakukan pada temperatur dibawah 600⁰ C. Disamping itu ditemukan pula bahwa aktivasi arang dengan uap air sangat baik pada temperatur 900-1000⁰C, dan penambahan garam KCNS akan mempertinggi daya adsorbsi karbon aktif yang diperoleh.

Karbon aktif dapat menyerap senyawa organik maupun anorganik, tetapi mekanisme penyerapan senyawa tersebut belum diketahui dengan jelas. Mekanisme penyerapan yang telah diketahui antara lain penyerapan golongan fenol, aldehid dan aromatik. Senyawa fenol-aldehid terserap oleh karbon karena adanya peristiwa donor-akseptor elektron. Gugus karbonil pada permukaan karbon bertindak sebagai donor elektron. Karena ada peristiwa tersebut, maka inti benzena akan berikatan dengan gugus karbonil pada permukaan berikut

a.   Dengan adanya pori-pori mikro antar partikuler yang sangat banyak jumlahnya pada karbon aktif, akan menimbulkan gejala kapiler yang menyebabkan adanya daya serap. Selain itu distribusi ukuran pori merupakan faktor penting dalam menentukan kemampuan adsorbsi karbon aktif. Misalnya, ukuran 20 A⁰ dapat digunakan untuk menghilangkan campuran rasa dan bau, hanya lebih efektif untuk pembersihan gas, sedangkan untuk ukuran 20-100 A⁰ efektif untuk menyerap warna.

b.            Pada kondisi yang bervariasi ternyata hanya sebagian permukaan yang mempunyai daya serap. Hal ini dapat terjadi karena permukaan karbon dianggap heterogen, sehingga hanya beberapa jenis zat yang dapat diserap oleh bagian permukaan yang lebih aktif, yang disebut pusat aktif.

Asap Cair (Liquid smoke)

Asap diartikan sebagai suatu suspensi partikel-partikel padat dan cair dalam medium gas (Girard, 1992). Sedangkan asap cair menurut Darmadji (1997), merupakan campuran larutan dari dispersi asap kayu dalam air yang dibuat dengan mengkondensasikan asap hasil pirolisis kayu.

Pirolisis merupakan proses dekomposisi atau pemecahan bahan baku penghasil asap cair seperti kayu, cangkang sawit, tempurung kelapa dan sebagainya dengan adanya panas. Pirolisis dilakukan dalam suatu reaktor tertutup yang dipanaskan dibawahnya ataupun bahan langsung dibakar di dalamnya. Lama proses pirolisis ini tergantung dari banyaknya bahan baku yang digunakan, kelembaban bahan serta jenis bahan. Proses ini menghasilkan cairan yang berbau menyengat, terdiri dari dua lapisan yaitu lapisan atas berwarna hitam kecoklatan yang dikatakan sebagai asap cair serta bagian bawah yang berwarna hitam kental yang dikatakan sebagai tar. Selain itu, juga diperoleh residu berupa arang tempurung kelapa dan gas-gas yang tidak dapat terkondensasikan oleh pendingin. Sedangkan gas-gas yang dapat terkondensasikan akan mengembun setelah didinginkan dan menetes menjadi asap cair.

Komposisi asap yang dihasilkan dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya adalah jenis bahan dasar, kadar air dan suhu pembakaran yang digunakan. Bahan dari kayu yang keras memiliki kandungan selulosa dan hemiselulosa yang lebih tinggi dari pada kayu lunak (Yefrida, 2008). Asap yang dihasilkan dari pembakaran kayu keras akan berbeda komposisinya dengan asap yang dihasilkan dari pembakaran kayu lunak. Pada umumnya, kayu keras akan menghasilkan aroma yang lebih unggul, kebih kaya kandungan aromatik dan lebih banyak mengandung senyawa asam dibandingkan kayu lunak (Girard, 1992).

Asap memiliki kemampuan untuk mengawetkan bahan makanan karena adanya kandungan senyawa asam, fenolat dan karbonil. Kandungan senyawa asam mempengaruhi pH asap cair, cita rasa dan umur simpanan produk awetan sekaligus berperan sebagai anti bakteri. Senyawa asam ini  merupakan hasil pirolisis dari selulosa.

Asap Cair Tempurung Kelapa

Tempurung kelapa merupakan bagian buah kelapa yang fungsinya secara biologis adalah pelindung daging buah dan terletak di bagian dalam serabut dengan ketebalan berkisar 3-6 mm. Tempurung kelapa dikategorikan sebagai kayu keras tetapi memiliki kadar lignin yang lebih tinggi dan kadar selulosa yang lebih rendah (Tilman, 1981).

Komposisi kimia dalam tempurung kelapa meliputi kadar fenol 5,13%; karbonil 13,28%; dan asam 11,39% (Darmadji, 2002). Senyawa yang paling menentukan aroma asap adalah fenol dengan titik didih sedang seperti siringol, isoguenol, dan metil guenol. Sedangkan fenol dengan titik didih rendah seperti guaiakol, metil guaiakol, dan etil guaiakol memiliki aroma yang tidak menyengat. Guaiakol memberikan rasa asap, sementara siringol memberikan aroma asap (Daun, 1979). Senyawa karbonil seperti aldehid dan keton mempunyai pengaruh utama pada warna. Warna pada bahan makanan yang diawetkan dengan asap terbentuk karena adanya interaksi antara senyawa karbonil dan gugus amino (Girard, 1992).

Yefrida (2008) dalam penelitiannya menyatakan bahwa asap cair yang dihasilkan dari tempurung kelapa memiliki pH 3,21. Hal ini menunjukkan asap cair yang dihasilkan bersifat asam. Sifat asam ini berasal dari senyawa-senyawa asam yang terkandung dalam asap cair terutama asam asetat dan juga kandungan asam lainnya. Selain itu, kadar fenol juga mempengaruhi pH dari asap cair karena fenol memiliki sifat asam yang merupakan pengaruh dari cincin aromatisnya.

Asap cair dari tempurung kelapa memiliki sifat antibakteri yang lebih baik dibandingkan dengan asap cair yang dihasilkan dari limbah kayu suren maupun serabut kelapa. Yefrida (2008) juga menyatakan bahwa hasil karakterisasi asap cair tempurung kelapa yang telah dilakukan menunjukkan adanya kandungan senyawa hidrokarbon polisiklis aromatis (HPA) yang terbentuk selama proses pirolisis. Senyawa HPA yang terbentuk adalah benzopyrene. Kandungan senyawa benzopyrene dalam asap cair tempurung kelapa pada pembakaran dengan suhu 350 ^oC mencapai lebih dari 19 ppb (Maga, 1987).  Senyawa ini dapat dihilangkan atau dikurangi dengan memberikan perlakuan khusus pada adap cair sehingga dapat digunakan sebagai bahan pengawet makanan yang aman bagi kesehatan. Perlakuan yang dapat dilakukan adalah dengan cara pemurnian asap cair. Proses pemurnian akan menentukan jenis asap cair yang dihasilkan. Adapun jenis asap cair yang dihasilkan akan dibahas sebagai berikut.

.Asap Cair Grade 3

Asap cair grade 3 merupakan asap cair yang dihasilkan dari pemurnian dengan metode destilasi. Destilasi merupakan proses pemisahan campuran dalam fasa cair berdasarkan perbedaan titik didihnya. Dalam proses ini, asap cair yang dihasilkan dari proses pirolisis yang diperkirakan masih mengandung tar dimasukkan ke dalam tungku destilasi. Suhu pemanasan dijaga agar tetap konstan sehingga diperoleh destilat yang terbebas dari tar. Suhu proses destilasi ini adalah sekitar 150 ^oC. Asap cair yang dihasilkan dari proses ini memiliki ciri berwarna coklat pekat dan berbau tajam. Asap cair grade 3 diorientasikan untuk pengawetan karet.

Asap Cair Grade 2

Asap cair grade 2 merupakan asap cair yang dihasilkan setelah melewati proses destilasi kemudian disaring dengan menggunakan zeolit. Proses penyaringan ini menyebabkan kandungan senyawa berbahaya seperti benzopyrene serta tar yang masih terdapat dalam asap cair teradsorbi oleh zeolit. Asap cair ini memiliki warna kuning kecoklatan dan diorientasikan untuk pengawetan bahan makanan mentah seperti daging, termasuk daging unggas dan ikan.

Asap Cair Grade 1

Asap cair grade 1 memiliki warna kuning pucat. Asap cair ini merupakan hasil dari proses destilasi dan penyaringan dengan zeolit yang kemudian dilanjutkan dengan penyaringan dengan karbon aktif. Asap cair jenis ini dapat digunakan untuk pengawetan bahan makanan siap saji seperti mie basah, bakso, tahu dan sebagai penambah cita rasa pada makanan.

Amobilisasi Enzim

Enzim lipase mempunyai potensi besar dalam industri minyak dan lemak karena aktivitasnya melakukan reaksi hidrolisis maupun sintesis. Umumnya enzim yang digunakan masih berupa enzim bebas sehingga aktivitasnya semakin menurun selama reaksi berlangsung dan tidak dapat digunakan secara berulang-ulang.

            Amobilisasi enzim merupakan suatu proses dimana pergerakan moloekul enzim dalam ruang tempat reaksi ditahan sedemikian rupa sehingga terbentuk sistem enzim yang aktif dan tidak larut dalam air.  Dalam amobilisasi enzim, pengikatan enzim pada suatu karier haruslah terjadi tanpa adanya perusakan pada struktur ruang tiga dimensi dari sisi aktif enzim tersebut, sehingga spesifitas substrat maupun gugus fungsi aktif tidak terganggu oleh proses ini. Amobiisasi enzim diketahui memiliki beberapa keunggulan diantaranya stabilitas enzim dan enzim dapat digunakan berulang-ulang. Aktivitas dan stabilitas enzim dipengaruhi oleh metoda amobilisasi, jenis enzim maupun jenis matrik yang digunakan.

          Enzim dapat diamobilisasi dengan menggunakan beberapa cara, diantaranya adalah : (1) cara fisik, yang meliputi teknik penjebakan (ecapsulationn gel lattice formation) atau teknik pembungkusan dengan membran; (2) cara kimia, yang meliputi teknik pengikatan (adsorpsi) pada bahan pendukung melalui ikatan-ikatan ionik, kovalen atau polar, atau dengan teknik ikatan silang; (3) cara penggumpalan sel atau enzim; (4) kombinasi dari cara-cara sebelumnya seperti, cara adsorpsi kemudian cross linking, dan lain-lain.

Tabel 1. Penggolongan teknik amobilisasi enzim berdasarkan interaksinya dengan bahan pendukung .

            Bahan pendukung yang digunakan dalam amobilisasi disajikan pada tabel berikut

Interaksi	Adsorben / bahan pendukung
Adsorpsi fisik	Karbon Aktif, Silica Gel, Alumina, Kanji Tanah Liat (Clay), glass. Bahan yang dimodifikasi : Tannin-Aminohexyl Cellulose, Consana-Valin A-Sepharose.
Ikatan ion	Bahan penukar kation : CM-cellulase, aberlite, CG-50, Dowex 50 Bahan penukar anion : Dease-Cellulose, DEAE-Sephadex, polyaminopolysterene, Amberlite IR-45
Ikatan kovalen	Bahan pendukung alami : Cellulase, CM-Cellulase, Agarose, Dextran Bahan pendukung sintetik : polyacryl-amida, polyaminopolysterene, maleic copolimer

            Amobilisasi enzim memiliki keuntungan didalam penggunaanya. Keuntungan penggunaan enzim yang telah diamobi ini diantaranya adalah :

1.            Sistem enzim yang telah diamobil dapat digunakan berulang-ulang

2.            Memungkinkan proses pengoperasian secara berkesinambungan

3.            Dapat meminimalkan terjadinya pencampuran antara hasil reaksi dengan residu

4.            Memudahkan pengendalian kondisi reaksi

5.            Dapat menyebabkan penurunan aktivitas katalitik enzim untuk beberapa kasus.

Disamping keuntungan, ada pula kerugian yang ditimbulkan dari amobilisasi enzim yaitu terjadinya pergeseran pH dan suhu optimum dari enzim tersebut.

Enzim Termostabil

            Istilah termostabil dapat didefinisikan dalam sejumlah arti dan bersifat relatif. Definisi termostabil umumnya dihubungkan dengan sifat alami dari enzim dan sumber penghasil enzim. Enzim termostabil sering dikenal dengan sebutan termozim merupakan enzim yang dihaslkan oleh mikroorganisme termofilik. Enzim ini tidak mengalami denaturasi akibat naiknya suhu lingkungan dan menunjukkan aktivitas optimum pada suhu tinggi (60 – 120^oC. Enzim termostabil digunakan sebagai model untuk meneliti beberapa hal seperti evolusi enzim, mekanisme molekuler, termostabil protein dan batas suhu maksimum. Enzim termostabil secara struktur maupun fungsi memiliki keunikan tersendiri, berbeda dengan enzim yang berasal dari bakteri mesofilik. Hal ini diakibatkan karena enzim ini menunjukkan ketahanan terhadap suhu tinggi yang sangat baik.

            Enzim termostabil memiliki mekanisme katalitik yang sama dengan enzim mesofilik padanannya. Namun, sifat ketahanannya terhadap suhu menyebabkan enzim termostabil memiliki nilai komersial yang sangat besar. Penggunaannya dalam bidang industri umumnya digunakan dalam industri tekstil, farmasi dan industri makanan.

            Enzim termostabil memiliki beberapa nilai ekonomis, diantaranya adalah :

1. Stabil selama penyimpanan yang akan mengurangi biaya produksi
2. Reaksi berlangsung pada suhu tinggi sehingga akan mengurangi kontaminasi oleh bakteri mesofilik
3. Lebih tahan terhadap pelarut, detergen, dan senyawa denaturan
4. Pada suhu tinggi proses fermentasi akan lebih cepat karena reaksi enzim akan meningkat
5. Pemisahan produk yang mudah menguap akan lebih cepat