Unsur Nitrogen Oksigen dan Belerang

Unsur Nitrogen Oksigen dan Belerang. Nitrogen berada dalam golongan VA dengan konfigurasi elektron ns² np³, sedangkan oksigen dan belerang berada dalam golongan VIA dengan konfigurasi elektron ns² np⁴. Nitrogen dan oksigen berupa gas diatom, sedangkan belerang berupa zat padat dengan rumus molekul S₈.

1. Kelimpahan Nitrogen , Oksigen, dan Belerang di Alam. Nitrogen terdapat di atmosfer bumi dalam jumlah paling besar mencapai 78%. Di alam, nitrogen tidak sebagai unsur bebas, tetapi membentuk gas diatom yang tidak berwarna dan tidak berbau dengan rumus molekul N₂. Oksigen merupakan unsur yang melimpah di alam, mencapai 48% berat bagian luar bumi (kerak, atmosfer, dan permukaan bumi). Belerang terdapat dalam mineral gipsum (CaSO₄.2H₂O) dan dalam mineral sulfida yang merupakan bijih logam. Belerang juga terdapat dalam batubara dan minyak bumi sebagai senyawa organik belerang, dan dalam gas alam terdapat sebagai gas H₂S.

Tabel 3.17 Komposisi Unsur-Unsur dalam Atmosfer Bumi

Atmosfer Bumi	Persen Udara
Nitrogen	78
Oksigen	21
Karbon dioksida	0,04
Uap air	0,96
Gas lain

Belerang dalam keadaan molekulnya (S₈) terdapat di beberapa daerah vulkanik (gunung berapi) yang terbentuk dari reaksi H₂S dan SO₂.

16H₂S(g) + 8SO₂(g) → 16H₂O(l) + 3S₈(s)

Molekul belerang juga terdapat di bawah tanah bersama-sama garam sekitar ratusan meter dari permukaan bumi.

Gambar 3.37 (a) Kawah gunung berapi merupakan sumber belerang. (b) Struktur molekul belerang (S₈) (c) Bentuk kristal belerang

2. Sifat-Sifat Unsur Nitrogen , Oksigen, dan Belerang

Beberapa sifat fisika unsur nitrogen, oksigen, dan belerang ditunjukkan pada tabel berikut. Tabel 3.18 Sifat-Sifat Fisika dan Kimia Unsur Nitrogen, Oksigen, dan Belerang

Sifat Sifat	N2	O2	S
Titik leleh (°C)	–210	218	113
Titik didih (°C)	–196	183	445
Massa jenis (g cm–3)	0,0013	0,002	2,07
Keelektronegatifan	3,0	3,5	2,5
Afinitas eletron (kJ mol–1)	0	141	–200
Jari-jari ion ( )	1,32	1,26	1,70
Jari-jari kovalen ( )	0,70	0,66	1,04

Pada suhu kamar gas N₂ tidak reaktif, disebabkan ikatannya sangat kuat. Akan tetapi, pada suhu tinggi dapat bereaksi dengan unsur-unsur lain, seperti dengan oksigen menghasilkan NO.

N₂(g) + O₂(g)→2NO(g)

Oksigen membentuk molekul diatom O₂ dan bentuk alotropnya adalah ozon (O₃). Oksigen merupakan gas tidak berwarna, tidak berasa, dan berwujud gas pada keadaan normal. Keadaan stabil dari belerang adalah berbentuk rombik seperti mahkota yang berwarna kuning. Belerang rombik meleleh pada 113°C menghasilkan cairan berwarna jingga. Pada pemanasan berlanjut, berubah menjadi cairan kental berwarna cokelat-merah. Pada waktu meleleh, bentuk mahkota pecah menjadi bentuk rantai spiral yang panjang. Kekentalan meningkat akibat molekul S₈ yang padat berubah menjadi rantai berupa spiral panjang. Pada suhu lebih tinggi dari 200°C, rantai mulai pecah dan kekentalan menurun. Molekul oksigen merupakan gas reaktif dan dapat bereaksi dengan banyak zat, umumnya menghasilkan oksida. Hampir semua logam bereaksi dengan oksigen membentuk oksida.

Gambar 3.39 Reaksi belerang dan oksigen

Belerang (S₈) bereaksi dengan oksigen menghasilkan belerang dioksida dengan nyala biru yang khas (Gambar 3.39):

S₈(s) + ₂(g)→8SO₂(g)

Oksida yang lain dari belerang adalah SO₃, tetapi hanya terbentuk dalam jumlah kecil selama pembakaran belerang dalam udara.

3. Pembuatan dan Kegunaan Unsur Nitrogen, Oksigen, dan Belerang

Udara merupakan sumber utama komersial gas N₂. Pencairan gas N₂terjadi di bawah suhu 147°C pada 35 atm menghasilkan cairan nitrogen yang tak berwarna, selanjutnya didistilasi untuk memperoleh cairan nitrogen murni. Nitrogen cair digunakan sebagai pembeku, seperti makanan, material yang terbuat dari karet, dan bahan-bahan biologi. Gas N₂ digunakan sebagai gas pelindung, bertujuan untuk mencegah material kontak dengan oksigen selama pemrosesan atau penyimpanan. Oleh karena itu, komponen elektronik sering diproduksi dalam ruangan bernitrogen. Oksigen diproduksi dalam jumlah besar dari udara. Sama seperti nitrogen, udara pertama dicairkan kemudian didistilasi. Nitrogen dan argon merupakan komponen udara yang lebih mudah menguap sehingga mudah dipisahkan, meninggalkan oksigen cair.

Gambar 3.40 Oksigen cair berwarna biru pucat.

Gas oksigen dapat dicairkan di bawah –118°C. Baik cairan maupun padatan dari oksigen berwarna biru pucat (Gambar 3.40). Titik leleh padatnya adalah –218°C, dan titik didih cairannya pada tekanan 1 atm dan pada suhu 183°C. Pembuatan oksigen di laboratorium dapat dilakukan melalui pemanasan KClO₃ dengan katalis MnO₂ pada suhu sedang.

2KClO3(s)⎯^ΔMnO2→2KCl(s) + 3O₂(g)

Oksigen yang diproduksi digunakan dalam pembuatan besi, untuk mengoksidasi pengotor yang terdapat dalam bijih besi. Oksigen juga merupakan oksidator dalam banyak proses kimia dan pengolahan air limbah. Dalam jumlah kecil oksigen digunakan untuk pengelasan logam, dalam medis sebagai bantuan pernapasan, dan untuk sumber energi pendorong roket. Belerang dalam keadaan bebas (S₈) ditambang melalui proses rasch (Gambar 3.41). Pada proses ini deposit belerang padat dalam tanah dilelehkan di tempatnya dengan air sangat panas (super heated). Kemudian, lelehan belerang ditekan keluar dengan udara, dan keluar menyerupai busa. Kemurnian belerang mencapai 99%. Belerang digunakan terutama dalam pabrik asam sulfat.

Gambar 3.41 Diagram proses Frasch untuk menambang belerang.

4. Pembuatan dan Kegunaan Senyawa Nitrogen, Oksigen, dan Belerang

Amonia, NH₃ merupakan senyawa komersial penting dari nitrogen. Amonia adalah gas tidak berwarna dan berbau menyengat. Amonia dibuat secara komersial melalui proses Haber dari N₂ dan H₂. Gambar di samping menunjukkan diagram alir pembuatan amonia secara industri dari gas alam, uap, dan udara. Amonia mudah dicairkan dan cairannya digunakan sebagai pupuk nitrogen. Garam amonium, seperti sulfat dan nitrat juga digunakan sebagai pupuk. Sejumlah besar amonia diubah menjadi urea, CO(NH₂)₂, yang digunakan sebagai pupuk, suplemen makanan ternak, dan industri plastik formaldehid. Asam nitrat, HNO₃ adalah asam yang penting bagi industri dan digunakan untuk bahan peledak, nilon, dan plastik poliuretan. Asam nitrat dibuat secara komersial melalui proses st ald (Gambar 3.43). Dalam proses Ostwald, asam nitrat dibuat dari oksidasi amonia. Proses secara umum, amonia dibakar dengan adanya katalis platina menjadi gas NO dan diubah lebih lanjut menjadi NO₂, kemudian dilarutkan dalam air menjadi asam nitrat.

Tahap (1): 4NH₃(g) + 5O₂(g) ⎯^Pt→ 4NO(g) + 6H₂O(g)

Tahap (2): 2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

Tahap (3): 3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq)+NO(g)

Gas NO pada tahap akhir dapat digunakan kembali.

Gambar 3.43 Diagram proses Ostwald tahap 1 dan tahap 2

Hidrogen sulfida (H₂S) adalah gas tak berwarna dengan bau telur busuk yang kuat dan bersifat racun. Dalam larutan asam, H₂S berperan sebagai reduktor menghasilkan belerang.

2Fe³⁺(aq) + H₂S(g)→2Fe²⁺(aq) + 2H⁺(aq) + S(s)

Belerang dioksida (SO₂) adalah gas tak berwarna dengan bau menyengat, diperoleh dari pembakaran belerang atau sulfida. Belerang dioksida digunakan untuk mengawetkan buah-buahan kering, yaitu untuk menghambat pertumbuhan jamur.

Asam sulfat dibuat dari belerang melalui proses kontak. Proses tersebut terdiri atas pembakaran belerang menjadi SO₂ dan dioksidasi lanjut menjadi SO₃ dengan katalis platina atau V₂O₅. Gas SO₃ yang terbentuk dilarutkan dulu dalam asam sulfat kemudian diencerkan.

Tahap 1: S(s) + O₂(g) → SO₂(g)

Tahap 2: 2SO₂(g) + O₂(g)⎯ ^{ΔV2 5}⎯→2SO₃(g)

Tahap 3: SO₃(g) + H₂O(l)→H₂SO₄(aq)

Asap belerang trioksida yang dihasilkan pada tahap (2) sukar larut dalam air sehingga SO₃ dilarutkan lebih dulu dalam asam sulfat pekat membentuk asam pirosulfat (H₂S₂O₇), kemudian diencerkan dengan air menghasilkan asam sulfat pekat.

Gambar 3.44 Diagram singkat proses kontak pada pembuatan asam sulfat.

Asam sulfat pekat berupa cairan kental dan bersifat dapat menarik molekul H₂O dari udara maupun dari senyawa (higroskopis). Asam pekat juga tergolong oksidator kuat.

• Tweet
• Share
• Share
• Share
• Share