Proses Haber

Proses Haber digunakan untuk menghasilkan ammonia secara besar-besaran dalam perindustrian.

Ammonia dihasilkan melalui tindak balas antara gas nitrogen dengan gas hidrogen dalam nisbah 1:3 mengikut isipadu.

Gas hidrogen yang diperlukan diperolehi daripada pemprosesan gas asli.

Gas nitrogen pula diperolehi daripada penyulingan berperingkat udara cecair.

Semasa proses Haber:

1. Gas nitrogen dan hidrogen dicampurkan dalam nisbah yang betul, iaitu 1:3 megikut isipadu.
2. Campuran gas dikering dan ditulenkan sebelum bertindak balas. Langkah ini bertujuan untuk menyingkirkan bendasing seperti karbon monoksida dan karbon dioksida.
3. Campuran kemudiannya dimampatkan pada tekanan kira-kira 200 atmosfera.
4. Selepas pemampatan, campuran dilalukan ke dalam kebuk mangkin dimana serbuk besi dan penggalak (aluminium oksida) dicampurkan.
5. Campuran gas, mangkin dan penggalak kemudiannya dimasukkan ke dalam penukar haba dimana tindak balas berlaku. Suhu ditetapkan pada 500 °C.
6. Gas ammonia yang terhasil diasingkan secara kondensasi dan dikeluarkan dalam bentuk cecair.
7. Gas nitrogen dan hidrogen yang berlebihan dikitar semula dan disalurkan kembali ke penukar haba untuk meneruskan tindak balas tersebut.

Persamaan tindak balas penghasilan ammonia:

Penghasilan ammonia dipengaruhi oleh faktor berikut:

• Suhu.
• Tekanan.
• Kehadiran mangkin.

Faktor yang mempengaruhi kadar penghasilan ammonia
Suhu	a) Proses ini bersifat eksotermik (membebaskan haba). b) Jadi, penghasilan ammonia meningkat jika suhu dikurangkan. c) Tetapi, suhu yang terlalu rendah akan melambatkan tindak balas. d) Oleh itu, suhu optimum proses Haber ialah 450–500 °C.
Tekanan	a) Tindak balas yang menghasilkan ammonia menunjukkan pengurangan isipadu. b) Maka, tekanan yang tinggi menggalakkan penghasilan ammonia. c) Tetapi, tekanan yang terlalu tinggi menghasilkan banyak haba. d) Maka, tekanan optimum proses Haber ialah antara 200 hingga 500 atmosfera.
Mangkin	a) Mangkin diguna untuk meningkatkan kadar tindak balas antara gas nitrogen dan gas hidrogen. b) Serbuk besi adalah antara yang paling sesuai digunakan sebagai mangkin untuk proses Haber.

Persamaan tindak balas:

Proses Haber 
(tekan pada gambar untuk besarkan rajah)

Penghasilan Baja Ammonia

Baja ammonia ialah sebatian kimia yang dapat membekalkan unsur nitrogen kepada tumbuhan.

Nitrogen diperlukan oleh tumbuhan untuk mensintesiskan asid amino, protein dan klorofil.

Jika tumbuhan mengalami kekurangan nitrogen, daunnya akan menjadi pucat kekuningan. Ini disebabkan oleh kadar pembentukan klorofil yang rendah.

Baja ammonia secara amnya terbahagi kepada dua, iaitu:

1. Baja asli.
2. Baja sintetik.

Baja asli ialah baja yang diperolehi secara semulajadi. Contohnya, najis haiwan, sisa tulang ikan dan sebagainya.

Baja sintetik pula merupakan baja kimia yang diperolehi secara industri seperti urea, ammonium sulfat, ammonium nitrat dan sebagainya.

Ammonium nitrat

Sejarah Penghasilan Ammonia Dalam Industri

Pada tahun 1900, industri pertanian berkembang dengan pesat untuk menampung keperluan makanan populasi yang tinggi, terutamanya di benua Eropah dan Amerika Utara.

Perkara ini secara tidak langsung meningkatkan permintaan terhadap baja bernitrogen.

Pada masa yang sama, terdapat permintaan yang tinggi bagi asid nitrik yang merupakan bahan mentah untuk menghasilkan bahan pewarna dan bahan letupan.

Oleh itu, pelbagai usaha telah dijalankan bagi mencari satu kaedah alternatif untuk menghasilkan bekalan nitrogen dalam bentuk ammonium dan nitrat.

Pada tahun 1908, Fritz Haber, seorang ahli kimia Jerman telah menemui cara menghasilkan ammonia daripada gas nitrogen dan gas hidrogen.

Beliau mendapati bahawa nitrogen dan hidrogen membentuk satu campuran keseimbangan. Pada keadaan suhu dan tekanan yang sesuai serta dengan kehadiran mangkin, ammonia boleh dihasilkan.

Kaedah ini kemudiannya digunakan untuk menghasilkan ammonia secara besar-besaran.

Sumbangan Fritz Haber begitu penting sekali dalam industri kimia sehingga beliau menerima Anugerah Nobel Kimia pada tahun 1913.

Fritz Haber

Kegunaan Ammonia Dalam Kehidupan Harian

Ammonia ialah sumber yang penting kepada industri kimia yang berasaskan nitrogen.

Ammonia dihasilkan melalui tindak balas antara gas nitrogen dan gas hidrogen.

Ammonia biasanya wujud dalam tiga bentuk seperti berikut:

1. Garam ammonium yang dihasilkan daripada tindak balas antara ammonia dengan asid.
   
   
2. Asid nitrik yang dihasilkan daripada pengoksidaan ammonia.
   
   
3. Garam nitrat yang diperoleh daripada asid nitrik melalui tindak balas kimia.

Garam ammonium, asid nitrik dan garam nitrat merupakan bahan mentah yang penting dalam industri pembuatan pelbagai jenis bahan kimia yang berasaskan nitrogen.

Kegunaan ammonia antaranya adalah seperti berikut:

• Membuat baja kimia.
• Membuat bahan letupan.
• Membuat gentian sintetik.
• Membuat asid nitrik.
• Sebagai agen penyejuk.
• Mencegah pembekuan susu getah.
• Membuat bahan pencuci.

Contoh kegunaan ammonia 

sebagai bahan pencuci.

Aloi Superkonduktor

Superkonduktor (superconductor) ialah bahan yang mempunyai kecekapan pengaliran arus elektrik yang amat tinggi.

Kecekapan ini disebabkan oleh rintangannya yang amat kecil, iaitu hampir tiada rintangan.

Berdasarkan rajah di bawah, didapati pada suhu T_c (suhu yang sangat rendah), superkonduktor mempunyai rintangan sifar manakala konduktor biasa masih mempunyai rintangan walaupun pada 0 K (kelvin).

Perbezaan kerintangan antara konduktor biasa 

dengan superkonduktor.

Sifat superkonduktor ini wujud dalam sesetengah aloi (alloy).

Penemuan terbaru dalam teknologi ini ialah aloi seramik perovskite (perovskite ceramic).

Aloi ini bertindak sebagai superkonduktor elektrik pada suhu yang paling rendah, iaitu −146 °C. Pada suhu ini, aloi ini hampir tidak mempunyai rintangan elektrik.

Apabila arus elektrik dialirkan melaluinya, kehilangan tenaga elektrik adalah minimum, iaitu hampir sifar.

Penjanaan elektrik menggunakan wayar superkonduktor ini jauh lebih cekap daripada janakuasa biasa yang menggunakan wayar kuprum.

Kecekapan janakuasa superkonduktor mencatatkan 99%, iaitu lebih kurang dua kali ganda lebih cekap daripada janakuasa biasa.

Aloi superkonduktor juga merupakan satu magnet yang amat berkesan.

Oleh itu aloi superkonduktor boleh digunakan sebagai magnet yang sangat ringan, bersaiz kecil dan mempunyai kuasa beribu-ribu kali lebih kuat daripada magnet biasa.

Magnet yang kuat dan ringan ini dihasilkan melalui pengedopan (doping) filamen kecil superkonduktor ke dalam susunan zarah aloi.

Magnet sebegini digunakan dalam keretapi peluru (bullet train) yang mempunyai halaju yang tinggi kerana penggunaan magnet kuat menghasilkan enjin berkuasa tinggi.

Dalam aplikasi ini, keretapi bergerak dalam keadaan ‘terapung’ dan ini dapat menjimatkan kehilangan kuasa akibat geseran antara keretapi dan landasan.

Superkonduktor turut digunakan dalam bidang perubatan.

• Dalam aplikasi ini, satu medan magnet yang kuat dikenakan ke atas badan seseorang pesakit.
  
  
• Ion hidrogen yang wujud dalam badan akan bertindak dengan medan magnet ini dan mengeluarkan satu tenaga yang akan diproses oleh sebuah komputer.
  
  
• Maklumat tenaga ini akan menunjukkan tahap kesihatan seseorang.

Kini, kajian terhadap aloi superkonduktor semakin giat dijalankan untuk mendapatkan komposisi aloi yang paling baik dan seterusnya mencipta satu aloi superkonduktor yang lebih berkesan, iaitu berintangan sifar pada suhu bilik.

Penghasilan Aloi Secara Industri

Penggunaan aloi yang diperkembang secara meluas dalam pelbagai bidang telah meningkatkan permintaan terhadapnya.

Kebanyakan aloi boleh dihasilkan dengan meleburkan dua atau lebih logam. 

Logam lebur kemudian dicampurkan pada kadar yang dikehendaki untuk menghasilkan aloi tertentu.

Sifat dan Kegunaan Aloi

Pengaloian (alloying) menghasilkan struktur zarah yang lebih kuat.

Ini dapat memperbaiki kelemahan struktur pada logam tulen.

Aloi digunakan untuk:

1. Menambahkan kekerasan logam.
2. Mencegah kakisan (corrosion) logam.
3. Memperbaiki rupa bentuk logam.

Menambahkan kekerasan logam

Logam tulen seperti aluminium dan magnesium adalah lembut dan ringan.

Oleh itu, logam tersebut tidak sesuai digunakan sebagai bahan binaan untuk pelbagai barangan.

Melalui pengaloian, magnesium dan aluminium dicampurkan pada peratusan 30 g dan 70 g masing-masing untuk membentuk magnalium. Magnalium yang terhasil bersifat keras tetapi masih mengekalkan sifat ringan aluminium dan magnesium.

Percampuran kuprum dan nikel pula membentuk aloi kupronikel yang sangat keras. Kupronikel biasanya digunakan dalam pembuatan duit syiling.

Bahan bukan logam seperti karbon juga dicampurkan dengan logam tulen untuk membentuk aloi yang sangat keras. Contohnya, aloi keluli adalah hasil campuran besi dan karbon. Keluli karbon banyak digunakan dalam industri pembuatan kereta, jambatan, bangunan dan paip.

Mencegah kakisan logam

Logam tulen seperti besi adalah mudah terkakis dan berkarat.

Pengaratan menjadikan logam tersebut tidak sesuai digunakan dalam industri pembuatan dan pembinaan.

Keadaan ini disebabkan pengaratan atau kakisan menyebabkan sesuatu logam menjadi tidak tahan lasak dan tidak kuat.

Kakisan logan dapat dicegah melalui pengaloian.

Sejenis logam yang berkesan dalam mencegah kakisan logam ialah kromium. Kromium dan nikel yang dicampurkan ke dalam besi akan membentuk satu lapisan kromium oksida yang menyaluti permukaan besi. Lapisan kromium oksida ini dapat menghalang pengaratan dan kakisan besi.

Aloi jenis ini dikenali sebagai keluli nirkarat (stainless steel) dan banyak digunakan dalam pembuatan alat kegunaan harian seperti pisau, sudu, basikal dan sebagainya.

Memperbaiki rupa bentuk logam

Sesetengah logam tulen mempunyai permukaan yang kurang elok akibat daripada pembentukan lapisan oksida pada permukaan logam. Contohnya, logam kuprum yang dioksidakan akan mempunyai permukaan yang berwarna peran dan malap.

Rupa bentuk logam dapat diperbaiki melalui pengaloian.

Logam nikel dan kromium biasanya digunakan untuk membentuk aloi yang cantik dan berkilat. Contohnya, campuran kuprum dengan nikel membentuk aloi kupronikel yang mempunyai rupa bentuk yang berkilat seperti perak.

Aloi lain yang kelihatan menarik termasuklah piuter (pewter) dan gangsa (bronze) yang biasanya digunakan untuk membuat barang perhiasan dan pingat.

Jadual di bawah menunjukkan jenis dan komposisi aloi yang biasa digunakan.

Jenis Aloi	Komposisi	Sifat	Kegunaan
Loyang	70% kuprum 30% zink	Lebih keras daripada kuprum.	Alat elektrik, alat dapur
Gangsa	80% kuprum 20% timah	Cantik dan keras. Tidak berkarat.	Barang perhiasan, pingat
Kupronikel	75% kuprum 25% nikel	Cantik dan berkilat. Keras dan tahan lasak. Tidak berkarat.	Duit syiling
Keluli karbon	99% besi 1% karbon	Sangat keras dan tahan tekanan. Tahan kakisan.	Bangunan, kereta, kabel
Keluli nirkarat	74% besi 8% karbon 18% kromium	Serupa dengan keluli karbon tetapi berkilat. Lebih tahan kakisan daripada keluli karbon.	Sudu, garfu dan pisau
Duralumin	93% aluminium 3% kuprum 3% magnesium 1% mangan	Keras tetapi sangat ringan.	Kapal terbang, tangga mudah alih
Piuter	96% timah 1% antimoni 3% kuprim	Berkilat, keras dan tahan kakisan.	Barang perhiasan seperti teko, dulang dan pasu

Peranan Aloi Dalam Menguatkan Struktur Logam

Logam tulen bersifat mulur dan boleh ditempa.

Sifat mulur bermaksud logam boleh ditarik untuk menjadi satu dawai yang nipis dan panjang.

Kebolehan untuk ditempa pula bermaksud kebolehan logam untuk dibentukkan kepada rupa bentuk yang diinginkan.

Sifat-sifat ini disebabkan oleh susunan zarah logam tulen yang padat dan teratur.

Susunan zarah logam tulen.

Cara susunan ini menyebabkan lapisan zarah logam tulen mudah tergelongsor di atas lapisan lain apabila daya dikenakan.

Sifat inilah yang menjadikan logam tulen mulur iaitu lapisan zarah logam tulen mudah menggelongsor membentuk satu lapisan yang panjang.

Sifat mulur bagi logam tulen.

Ruang antara zarah logam tulen yang besar menyebabkan logam tulen mudah ditempa, iaitu berkebolehan untuk dibentuk apabila dikenakan daya.

Sifat mudah ditempa bagi logam tulen.

Dua sifat logam tulen ini menjadikannya tidak sesuai digunakan dalam industri pembuatan, pembinaan dan pembuatan kenderaan.

Pengaloian (alloying) boleh menyelesaikan masalah ini kerana percampuran zarah logam asing akan mengubah cara susunan zarah logam tulen.

Rajah di bawah menunjukkan susunan zarah logam tulen dalam semua peringkat proses pengaloian. Zarah asing yang lebih besar saiznya diselitkan di ruang antara zarah logam tulen.

Zarah asing yang lebih kecil saiznya berbanding dengan saiz zarah logam tulen juga dapat mengubah susunan zarah logam tulen.

Susunan zarah yang baru akan mengelakkan zarah logam tulen daripada mudah tergelongsor antara lapisan.

Ini disebabkan oleh ketiadaan ruang yang besar antara zarah-zarah logam tulen.

Oleh itu, aloi tidak mudah ditempa dan tidak mulur kerana lapisan zarah-zarahnya tidak mudah menggelongsor di atas satu sama lain.

Aloi dengan zarah asing besar.

Aloi dengan zarah asing kecil.

Sifat-sifat logam tulen:

• Zarah tersusun dengan padat dan teratur.
• Lapisan zarah menggelongsor di atas lapisan yang lain.
• Mulur dan mudah ditempa.

Sifat-sifat aloi:

• Zarah asing bertaburan secara rawak dan terselit antara zarah-zarah logam tulen.
• Tiada struktur lapisan zarah. Tiada lapisan yang akan tergelongsor apabila daya dikenakan.
• Lebih keras, kurang mulur dan tidak boleh ditempa.

Aloi

Aloi (alloy) ialah bahan yang terbentuk apabila sedikit logam tulen atau bukan logam ditambah kepada logam tulen lain dalam keadaan lebur.

Komposisi kandungan aloi adalah mengikut kadar peratusan yang tertentu.

Percampuran akan menghasilkan aloi yang mempunyai sifat yang berbeza dari logam asal.

Beberapa contoh aloi ialah keluli (steel), piuter (pewter), gangsa (bronze), duralumin dan loyang (brass).

Kandungan logam dalam sesuatu aloi dinyatakan dalam peratus mengikut jisim. Contohnya, loyang diperbuat daripada 70 g kuprum (copper) dan 30 g zink.

Rim aloi

Pengaloian mengubah sifat logam

Logam tulen bersifat lembut dan mudah ditempa (soft and malleable). Sesetengah logam seperti ferum (besi) pula adalah mudah berkarat.

Sifat-sifat logam ini menjadikannya kurang sesuai digunakan dalam kebanyakan aplikasi harian. Contohnya, pengetinan makanan atau pembuatan kenderaan.

Melalui pengaloian (alloying), sifat-sifat logam tulen boleh diubah untuk menjadi lebih kuat, keras dan tidak mudah berkarat.

Aloi juga boleh mengkonduksi elektrik dan mempunyai takat lebur yang lebih rendah berbanding logam tulen.

Proses pengaloian adalah bertujuan untuk;

1. Menambah kekerasan (rigidity)
2. Mencegah kakisan (prevent corrosion)
3. Membaiki rupa bentuk (improve the appearance)