Modul, Rumus, & Soal Katalis | Wardaya College (2024)

Kamu dapat download modul & contoh soal serta kumpulan latihan soal Katalis dalam bentuk pdf pada link dibawah ini:

• ModulKatalis

1. Katalis

Pada kebanyakan reaksi yang berguna di bidang industri, reaksi akan berlangsung terlalu lambat tanpa bantuan katalis.

Katalis adalah suatu zat yang dapat mempercepat laju reaksi namun tidak dikonsumsi atau dihabiskan dalam reaksi. Katalis dibedakan atas katalis hom*ogen (satu fase dengan zat yang akan dikatalisis) dan heterogen (berbeda fase dengan zat yang akan dikatalisis).

Berikut ini beberapa katalis yang digunakan dalam industri

Katalis juga sangat penting dalam sistem biologis, terutama pada manusia. Reaksi-reaksi metabolisme dapat berlangsung pada suhu tubuh yang realtif rendah karena adanya suatu biokatalis, yaitu enzim.

Enzim bekerja efektif pada suhu dan rentang pH tertentu. Karena enzim merupakan protein, sehingga dapat mengalami denaturasi/kerusakan jika pada suhu tinggi.

Katalis bekerja dengan cara menurunkan energi aktivasi (energi minimum yang dibutuhkan untuk terjadinya reaksi) melalui pembentukan mekanisme reaksi alternatif. Bila digambarkan melalui diagram energi adalah sebagai berikut.

Reaksi yang terjadi: $\mbox{AB}+\mbox{C}\rightarrow\mbox{A}+\mbox{BC}$

Meski demikian penggunaan katalis juga memiliki kelemahan, yakni dapat diracuni hingga tidak aktif atau kinerjanya terganggu. Seperti catalytic converter yang dapat diracuni oleh timbal.

1. Teori Tumbukan

Teori tumbukan dapat menjelaskan berbagai faktor yang mempengaruhi laju reaksi, dimana suatu reaksi berlangsung sebagai hasil tumbukan antar-partikel pereaksi yang memiliki energi cukup serta arah atau orientasi tumbukan yang tepat. Sehingga laju reaksi akan bergantung pada tiga hal berikut:

1. Frekuensi tumbukan
2. Energi partikel pereaksi
3. Arah tumbukan

Tumbukan yang menghasilkan reaksi disebut tumbukan efektif dalam teori tumbukan. Energi minimum yang diperlukan oleh partikel pereaksi sehingga menghasilkan tumbukan efektif disebut energi aktivasi ($E_{a}$).

Semua reaksi, baik endoterm maupun eksoterm memerlukan energi aktivasi. Energi aktivasi ini digambarkan sebagai suatu penghalang, atau ‘bukit’ diantara pereaksi dan produk.

Pereaksi harus didorong melewati ‘bukit’ tersebut baru kemudian ia dapat membentuk produk, bila digambarkan sebagai berikut.

Reaksi eksoterm: $\mbox{A}+\mbox{BC}\rightarrow\mbox{AB}+\mbox{C}$

Reaksi endoterm : $\mbox{P}+\mbox{QS}\rightarrow\mbox{PQ}+\mbox{S}$

Pengaruh suhu terhadap laju reaksi dapat dijelaskan melalui distribusi Boltzmann berikut.

Pada 2 kondisi reaksi dimana $T_{2}>T_{1}$, terlihat bahwa jumlah molekul dengan energi melebihi $E_{a}$ lebih besar pada $T_{2}$ dibanding $T_{1}$. Inilah yang menyebabkan laju reaksi berbanding lurus dengan suhu reaksi.

2. Enzim

a. Mekanisme Enzim

Mekanisme kerja enzim yang juga disbeut mekanisme Michaelis-Menten memiliki prinsip sebagai berikut:

1. Untuk suatu konsentrasi awal substrat, $[\mbox{S}]_{0}$, laju awal pembentukan produk berbanding lurus dengan konsentrasi total enzim,$\mbox{[E]}_{0}$
2. Untuk suatu nilai $\mbox{[E]}_{0}$ dan nilai $\mbox{[S]}_{0}$ yang rendah, laju pembentukan produknya berbanding lurus dengan $\mbox{[S]}_{0}$
3. Untuk suatu nilai $\mbox{[E]}_{0}$ dan nilai $\mbox{[S]}_{0}$ yang tinggi laju pembentukan produk tidak lagi tergantung pada $\mbox{[S]}_{0}$ dan mencapai nilai maksimum yang dikenal sebagai $v_{\mbox{max}}$

Sehingga mekanisme reaksi adalah sebagai berikut, pada langkah pertama terbentuk kompleks enzim-substrat :

$\mbox{E}+\mbox{S}\rightleftharpoons\mbox{ES}$ $k_{a}$ (reaksi maju) , $k_{a}^{‘}$ (reaksi mundur)

Kemudian terbentuk produk :

$\mbox{ES}\rightarrow\mbox{P}$ $k_{b}$

Sehingga laju reaksi yang terbentuk adalah

$v=k_{b}\mbox{[ES]}$

dari pendekatan steady-state kita dapatkan :

$\frac{d\mbox{[ES]}}{dt}=k_{a}\mbox{[E][S]}-k_{a}^{‘}\mbox{[ES]}-k_{b}\mbox{[ES]}=0$

kita buat persamaan terhadap {[}ES{]}
$\begin{aligned}\mbox{[ES]} & =\left(\frac{k_{a}}{k_{a}^{‘}+k_{b}}\right)\mbox{[E][S]}\\
\left(\frac{k_{a}}{k_{a}^{‘}+k_{b}}\right) & =\frac{\mbox{[ES]}}{\mbox{[E][S]}}\\
K_{M} & =\frac{k_{a}^{‘}+k_{b}}{ka}=\frac{\mbox{[E][S]}}{\mbox{[ES]}}
\end{aligned}
$ kita definisikan konstanta Michaelis, $K_{M}$

Seperti diketahui, konsentrasi enzim awal $\mbox{[E]}_{0}=\mbox{[E]}+\mbox{[S]}$, sem*ntara itu karena konsentrasi substrat pada umumnya jauh berlebih, kita dapat mengasumsikan bahwa $\mbox{[S]}\thickapprox\mbox{[S]}_{0}$.

Sehingga persamaannya menjadi :
$\mbox{[ES]}=\frac{\mbox{[E]}_{0}}{1+K_{M}/\mbox{[S]}_{0}}$ … (1)

Maka, sesuai pengamatan :

1. Ketika $\mbox{[S]}_{0}<<K_{M}$,
   $v=\frac{k_{a}}{K_{M}}\mbox{[S]}_{0}\mbox{[E]}_{0}$
2. Ketika $\mbox{[S]}_{0}>>K_{M}$
   $v=v_{\mbox{max}}=k_{b}\mbox{[E]}_{0}$

Memasukkan $K_{M}$ dan $v_{\mbox{max}}$ ke persamaan (1) menghasilkan :

$v=\frac{v_{max}}{1+K_{M}/\mbox{[S]}_{0}}$

apabila kita atur ulang akan didapatkan plot Lineweaver-Burk:

$\frac{1}{v}=\frac{1}{v_{max}}+\left(\frac{K_{M}}{v_{max}}\right)\frac{1}{\mbox{[S]}_{0}}$

dan didapat grafik sebagai berikut:

b. Mekanisme Inhibisi Enzim

Secara umum mekanisme kerja suatu inhibitor pada enzim adalah sebagai berikut:

$\mbox{E}+\mbox{S}\rightleftharpoons\mbox{ES}$ $k_{a}$ (reaksi maju), $k_{a}^{‘}$ (reaksi mundur)

$\mbox{ES}\rightarrow\mbox{P}$ $k_{b}$

$\mbox{EI}\rightleftharpoons\mbox{E+I}$ $K_{I}=\frac{\mbox{[E][I]}}{\mbox{[EI]}}$\\

$\mbox{ESI}\rightleftharpoons\mbox{ES}+\mbox{I}$ $K_{I}^{‘}=\frac{\mbox{[ES][I\}}}{\mbox{[ESI]}}$

Sesuai aturan mass balance, maka konsentrasi total enzim adalah:

$\mbox{[E]}_{0}=\mbox{[E]+[EI]+[ES]+[ESI]}$

bila kita buat istilah berikut:

$\alpha=1+\frac{\mbox{[I]}}{K_{I}}$ dan $\alpha’=1+\frac{\mbox{[I]}}{K’_{I}}$

masukkan ke persamaan mass balance

$\mbox{[E]}_{0}=\mbox{[E]}\alpha+\mbox{[ES]}\alpha’$

kemudian kita masukkan $K_{M}=\mbox{[E][S]}/\mbox{[E][S]}$ dan didapat:

$\mbox{[E]}_{0}=\frac{K_{M}\mbox{[ES]}}{\mbox{[S]}_{0}}\alpha+\mbox{[ES]}\alpha’=\mbox{[ES]}$$\left(\frac{\alpha K_{M}}{\mbox{[S]}_{0}}+\alpha’\right)$

maka, persamaan lajunya menjadi :

$v=\frac{v_{max}}{\alpha’+\alpha K_{M}/\mbox{[S]}_{0}}$

apabila kita buat plot Lineweaver-Burk :

$\frac{1}{v}=\frac{\alpha’}{v_{max}}+\left(\frac{\alpha K_{M}}{v_{max}}\right)\frac{1}{\mbox{[S]}_{0}}$

didapatkan grafik berikut:

• Grafik (a) menunjukkan inhibisi kompetitif
• Grafik (b) menunjukkan inhibisi tak kompetitif
• Grafik (c) menunjukkan inhibisi non-kompetitif

Contoh Soal dan Pembahasan

1. Dalam kaitan dengan teori tumbukan, jelaskan mengapa potongan kertas tidak terbakar pada suhu kamar?
   Jawaban
   Kertas terbakar akibat reaksinya dengan udara. Reaksi ini tidak berjalan pada suhu kamar karena tumbukan antara kertas dan udara belum menghasilkan energi tumbukan yang melebihi energi aktivasi untuk reaksi pembakaran tersebut.
2. Katalis hom*ogen diketahui mampu menyediakan mekanisme reaksi alternatif. sem*ntara itu, bagaimanakah cara kerja katalis heterogen yang mungkin?
   Jawaban
   Katalis heterogen dapat mempercepat reaksi dengan cara menyediakan permukaan yang panas sehingga reaksi dapat berlangsung lebih cepat. Selain itu dapat pula melalui adsorpsi, dimana molekul pereaksi teradsorpsi pada permukaan katalis, sehingga kemungkinan terjadinya tumbukan lebih besar.