Kimia Anorganik Logam

Pada Modul 7 ini mahasiswa akan mempelajari Proses pemurnian Logam atau metalurgi dengan tahapan proses pirometalurgi, hidrometalurgi, dan elektrometalurgi. Dalam proses pirometalurgi terdapat tiga tahapan yaitu kalsinasi, rosting, dan smelting. Dalam modul 7 ini hanya terdapat satu proses pembelajaran yaitu:

Proses Pembelajaran 7: Proses metalurgi

 Capaian Pembelajaran

Setelah menyelesaikan seluruh proses pembelajaran pada modul ini maka mahasiswa diharapkan memiliki kemampuan:

1. Mengetahui keberadaan logam di alam
2. Mengerti definisi metalurgi
3. Memahami proses metalurgi
4. Memahami proses pirometaurgi
5. Mengetahui tahapan-tahapan proses pirometalurgi
6. Memahami proses hidrometalurgi
7. Memahami proses eektrometalurgi

Untuk memudahkan anda mencapai tujuan pembelajaran ini maka modul ini dilengkapi dengan urain materi, pengayaan atau latihan, intisari, dan evaluasi. Pelajarilah dengan seksama setiap uraian, dan lakukan pengayaan, serta kerjakan evaluasi di akhir setiap proses pembelajaran.

 

Pembelajaran 7

Pemurnian logam

Logam-logam memainkan peranan utama dalam perkembangan masyarakat. Sejarah awal sering dibagi menjadi Zaman batu, Zaman perunggu dan Zaman besi, berdasar pada komposisi peralatan yang digunakan dalam setiap era. Masyarakat modern kini bergantung pada logam untuk pembuatan peralatan, mesin dan barang-barang lain. Kimiawan dan para ahli sains telah menemukan penggunaan bagi logam-logam yang dianggap paling kecil kelimpahannya ketika meneliti material yang memenuhi kebutuhan kemajuan teknologi.

Bagian dari lingkungan kita yang menyusun padatan di bawah bumi disebut litosfer. Litosfer menyediakan kebanyakan material yang diperlukan untuk menyokong kehidupan manusia. Walaupun isi daripada bumi merupakan padatan, namun manusia hanya dapat menggali sebagian kecil dari permukaan bumi. Sumur yang paling dalam yang dapat di bor hanya pada kedalaman 8 km dan pertambangan yang paling dalam berkisar antara 3 dan 4 km, dibandingkan radius bumi yang berkisar 6370 km.

Kebanyakan logam-logam yang paling berguna bagi manusia kelimpahannya kecil pada litosfer. Deposit atau batuan yang mengandung logam yang jumlahnya dapat diekspliotasi secara ekonomis disebut bijih (ore). Biasanya senyawa atau unsur yang kita inginkan harus dipisahkan dari sejumlah materail yang tidak diinginkan dan kemudian diproses secara kimiawi untuk diubah menjadi berguna. Sehingga ekstraksi senyawa dan unsur-unsur yang dibutuhkan akan memakan biaya yang lebih, dalam hal energi dan pengaruh lingkungan.

Dengan pengecualian emas dan logam-logam golongan platinum (Ru, Rh, Pd, Os, Ir dan Pt) kebanyakan unsur-unsur logam ditemukan di alam dalam padatan senyawa anorganik yang disebut mineral. Perlu dicatat bahwa mineral-mineral diidentifikasi dengan nama umumnya daripada nama-nama kimianya. Nama mineral biasanya berdasar pada lokasi dimana ditemukan, orang yang menemukan atau beberapa karakternya seperti warna. Contohnya nama malachite berasal dari kata Bah. Yunani malache, suatu nama jenis pohon yang daunnya berwarna sama dengan mineral tersebut.

Secara komersial sumber-sumber logam yang paling penting adalah mineral-mineral oksida, sulfida dan karbonat. Mineral-mineral silikat sangat berlimpah tetapi umumnya sulit untuk dikonsentrasi dan direduksi, sehingga kebanyakan mineral silikat bukan merupakan sumber logam yang ekonomis.

Metalurgi

Metalurgi adalah sains dan teknologi mengekstraksi logam-logam dari sumber alamiahnya dan membuatnya menjadi berguna. metalurgi bisanya menyangkut beberapa tahapan: (1) penambangan, (2) memekatkan bijihnya atau menyiapkanya untuk perlakuan lebih lanjut, (3) mereduksi bijih untuk memperoleh logam bebasnya, (4) menyaring atau memurnikan logamnya, dan (5) mencampur logamnya dengan unsur-unsur lain untuk memodifikasi sifatnya. Proses yang terakhir ini akan menghasilkan alloy, suatu material bersifat logam yang terkomposisi atas dua atau lebih unsur.

Proses metalurgi

Setelah ditambang, suatu bijih biasanya di hancurkan dan digerus dan kemudian diperlakukan untuk memekatkan logam yang diinginkan. Tahapan pemekatan bergantung pada perbedaan sifat mineral dan material yang tak dinginkan yang turut bersamanya yang disebut gangue (dibaca "gang"). Contohnya penambang emas yang mendulang emas akan menggunakan loyang untuk menyaring keluar gangue dari gumpalan emas. Setelah bijih dipekatkan, beragam proses kimia digunakan untuk memperoleh logam dalam kemurnian yang tepat. Proses-proses ini dapat digolongkan kedalam proses-proses metalurgi seperti: pirometalurgi, hidrometalurgi atau elektrometalurgi.

 1. Pirometalurgi

Sejumlah besar proses metalurgi menggunakan temperatur tinggi untuk mengubah sifat kimia mineral dan akhirnya mereduksinya menjadi logamnya. Penggunaan panas untuk mengubah atau mereduksi mineral disebut pirometalurgi (pyro artinya pada temperatur tinggi). Operasi-operasi yang dilakukan dalam pirometalurgi adalah:

 Kalsinasi (calcination)

Istilah kalsinasi berarti dekomposisi termal suatu padatan yang dinyatakan dengan rumusan umum:

            Padatan 1 →  padatan 2  +  gas

dimana padatan 1 umumnya adalah senyawaan karbonat dan padatan 2 adalah oksida. Dengan demikian kalsinasi adalah pemanasan bijih untuk mendekomposisi dan mengeliminasi produk yang mudah menguap. Produk yang mudah menguap dapat berupa CO₂ atau H₂O. Karbonat sering dikalsinasi untuk mengeluarkan CO₂ membentuk oksida logam, contohnya:

            PbCO_3(s)  →  PbO_(s)  +  CO_2(g)

Kebanyakan karbonat mendekomposisi dengan agak cepat pada temperatur kisaran 400 hingga 500 ^oC, walaupun CaCO₃ membutuhkan temperatur sekitar 1000 ^oC. Sedangkan kebanyakan mineral hidrat kehilangan H₂O pada temperatur tingkatan 100 hingga 300 ^oC.

Pemanggangan (roasting)

Pemanggangan adalah perlakuan termal yang menyebabkan reaksi kimia bijih dan temperatur tanur. Proses ini biasanya digunakan untuk bijih-bijih sulfida; dan proses ini merupakan yang paling penting dan paling rumit dari semua proses metalurgi. Proses ini dilakukan dengan memanaskan bijih sulfida dalam udara atau dalam oksigen.

Pemanggangan mengakibatkan oksidasi atau reduksi dan kemungkinan diikuti oleh kalsinasi. Suatu pemanggangan yang penting adalah oksidasi bijih sulfida dimana logammnya dikonversi menjadi oksida seperti contoh berikut:

            2 ZnS_(s)  + 3 O_2(g)  →   2 ZnO_(s)  + 2 SO_2(g)

            2 MoS_2(s)  + 7 O_2(g)  →   2 MoO_3(s)  + 4 SO_2(g)

Bijih sulfida dari logam yang kurang aktif seperti merkuri dapat dipanggang menjadi logam bebasnya:

            HgS_(s)  +  O_2(g)  →   Hg_(g)  +  SO_2(g)

Dalam banyak contoh, logam bebas juga dapat diperoleh dengan cara atmosfir reduksi selama pemanggangan. Karbon monoksida dapat membuat atmosfir tersebut dan hal ini sering digunakan utnuk mereduksi oksida-oksida logam:

            PbO_(s)  +  CO_(g)  →    Pb_(l)  +  CO_2(g)

Akan tetapi metode reduksi tidak selalu memungkinkan, khususnya dengan logam aktif yang sulit untuk direduksi.

Peleburan (smelting)

Peleburan adalah suatu proses peleburan dimana material yang terbentuk dalam reaksi kimia terpisah menjadi dua atau lebih lapisan (dapat berupa slag, matte, speiss ataupun logam). Peleburan sering melibatkan tahapan pemanggangan dalam tanur yang sama. Dua tipe penting lapisan yang terbentuk dalam peleburan adalah leburan logam dan terak (slag). Leburan logam dapat mengandung hampir keseluruhan logam tunggal atau dapat berupa larutan dari dua atau lebih logam. Terak terdiri atas leburan mineral silika dengan aluminat, posfat, fluorida dan senyawa-senyawa ion lainnya sebagai penyusun. terak terbentuk ketika oksida logam basa seperti CaO bereaksi pada temperatur tinggi dengan leburan silika, SiO₂:

            CaO_(l)  +  SiO_2(l)  →  CaSiO_3(l)

Operasi-operasi pirometalurgi dapat meliputi tidak hanya pemekatan dan reduksi mineral tetapi juga pembersihan (refining, penghilangan pengotor). Proses pembersihan adalah perlakukan bahan mentah produk logam dari proses metalurgi yang relatif tak murni untuk meningkatkan kemurniannya dan untuk menentukan komposisinya yang lebih baik. Kadangkala tujuan proses pembersihan adalah untuk memperoleh logamnya dalam bentuk yang murni, namun dapat juga untuk menghasilkan suatu campuran dengan komposisi yang tertentu.

 2. Hidrometalurgi

Operasi-operasi pirometalurgi membutuhkan jumlah energi yang besar dan sering sebagai sumber polusi atmosfir, khususnya sulfur dioksida. Dalam seratus tahun belakangan suatu teknik yang baru telah dikembangkan dimana logam diekstraksi dari bijihnya dengan menggunakan reaksi akua atau air. Proses-proses ini disebut hidrometalurgi (hydro artinya air).

Proses hidrometalurgi yang paling penting adalah peluluhan (leaching) dimana senyawa yang mengandung logam yang diinginkan terlarut secara selektif. Jika senyawanya larut dalam air, airnya sendiri merupakan peluluh yang tepat. Peluluh yang umum dalam larutan akua adalah asam, basa dan garam. Seringkali proses pelarutan melibatkan pembentukan suatu ion kompleks.

Logam emas sering ditemukan cukup murni dalam alam. Ketika deposit yang pekat unsur emas telah mulai menipis, sumber-sumber yang kandungannya rendah menjadi lebih penting. Emas yang berasal dari bijih ayng berkadar rendah sering dipekatkan dengan proses yang disebut sianidasi (cyanidation). Bijih yang hancur ditempatkan pada lemping cor semen yang besar dan larutan NaCN disemprotkan ke atasnya. Dengan adanya CN^– dan udara, emas dioksidasi dan melarut membentuk ion yang stabil Au(CN)₂^–:

4 Au_(s)  +  8 CN^–_(aq)  +  O_2(g)  +  2 H₂O_(l)  →   Au(CN)₂^–_(aq)  + 4 OH^–_(aq)

Setelah ion logam terluluh secara selektif dari bijihnya, kemudian diendapkan dari larutannya sebagai logam bebas atau sebagai senyawa ionik tak-larut. Contohnya emas diperoleh dari kompeks sianidanya dengan cara direduksi dengan bubuk zink:

            2 Au(CN)₂^–_(aq)  +  Zn_(s)  →  Zn(CN)₄^2–_(aq)  + 4 Au_(s)

 

3. Elektrometalurgi

Banyak proses-proses yang digunakan untuk mereduksi bijih logam atau pembersihan logam-logam berdasarkan pada elektrolisis. Proses-proses ini secara bersama disebut sebagai elektrometalurgi. Prosedur elektrometalurgi dapat dibedakan secara luas menurut apakah melibatkan elektrolisis leburan garam atau larutan akua. Metode elektrolisis adalah penting untuk memperoleh logam yang lebih aktif seperti natrium, magnesium dan aluminium. Logam-logam ini tidak dapat diperoleh dari larutan akua karena air lebih mudah terreduksi dibandingkan ion-ion logamnya. Potensial reduksi standar air dibawah kedua kondisi asam dan basa adalah lebih positif daripada Na⁺ (E^o_red = –2,71 V), Mg²⁺ (E^o_red = –2,37 V), dan Al³⁺ (E^o_red = –1,66 V):

            2H⁺_(aq)  +  2 e^–  →   H_2(g)                        E^o_red = 0,00 V

            2H₂O_(l)  +  2 e^–  →   H_2(g)  +  2OH^–_(aq)     E^o_red = – 0,83 V

Untuk membentuk logam-logam tersebut dengan reduksi elektrokimia, maka harus menggunakan media garam-leburan dimana ion logam yang ingin diperoleh adalah spesies yang mudah direduksi.

 

Intisari

Untuk memperoleh logam dari bijihnya dilakukan proses ekstraksi logam yang memiliki tiga tipe yaitu hidrometalurgi, pirometalurgi, dan elektrometalurgi. Proses ekstraksi logam dilakukan dengan melalui tahapan- tahapan: pemekatan bijih, proses reduksi, dan proses pemurnian.

Temperatur adalah salah satu faktor yang menentukan berlangsung atau tidaknya suatu reaksi reduksi dalam proses ekstraksi logam. Pengaruh temperatur pada suatu reaksi dapat ditentukan melalui persamaan Gibbs. Selain dengan menggunakan persamaan Gibbs, pengaruh temperatur dengan reaksi reduksi bijih logam dapat dilihat melalui diagram Ellingham.

 

Latihan

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan:

1. Pirometalurgi
2. Hidrometalurgi
3. Elektrometalurgi

2. Berikan contoh proses ekstraksi logam untuk masing-masing tipe metalurgi tersebut.

3. Dalam proses ekstraksi logam dari bijihnya dapat dilakukan secara kimia maupun secara fisika. Tentukan apa kelebihan dan kelemahan proses-proses tersebut!