Daur Nitrogen

Nitrogen

Nitrogen adalah salah satu unsur golongan VA yang merupakan unsur nonlogam dan gas yang paling banyak di atmosfir bumi. Nitrogen merupakan unsur yang relative stabil, tetapi membentuk isotop-isotop yang 4 di antaranya bersifat radioaktiv. Di alam nitrogen terdapat dalam bentuk gas N2 yang tidak berwarna dan tidak berbau, tidak berasa, dan tidak beracun. Pada suhu yang rendah nitrogen dapt berbentuk cairan atau bahkan kristal padat yang tidak berwarna (bening). Selain itu nitrogen terdapat dalam bentuk senyawa nitrat, amoniak, protein dan beberapa (Sunardi, 2006: 61-62).

Nitrogen merupakan molekl diatomik yang memiliki ikatan rangkap tiga Energi ikatnya cukup tinggi sehingga sangat sabil dan sulit bereaksi. Karena itu kebanyakan entalpi dan energi bebas pembentukan senyawa nitrogen bertanda positif. Molekul nitrogen ini sangat ringan dan nonpolar sehingga gaya van der waals antar molekul sangat kecil. Gas ini masuk dan keluar tubuh manusia sewaktu bernafas tanpa berubah. Gas ini tidak ber bau dan tidak berasa. Nitrogen sangat diperlukan digunakan sebagai pembuatan senyawa penting seperti amonia dan urea. Karena kesetabilan yang tinggi,

Nitrogen dipakai untuk gas pelindung gas oksigen dalam pabrik kimia, industry logam, dan dalam pembuatan komponen elektronika. Nitrogen cair juga di gunakan untuk membekukan makanan secara cepat (Syukri, 1999: 579).

Senyawaan Nitrogen terbagi menjadi :

1.      Nitrida ( senyawa metal nitrogen )

2.      Nitrida Hidrida ( NH₃, garam amonium, hidrasin N₂H₄, hidroksilamin NH₂OH )

3.      Oksida nitrogen ( N₂O, NO, NO₂, N₂O₅ )

4.      Ion nitronium ( NO₂⁺ )

5.      Asam nitrit

Hidrida utama nitrogen ialah amonia (NH₃) walaupun hidrazina (N₂H₄) jugabanyak ditemukan. Amonia bersifat basa dan terlarut sebagian dalam air membentuk ionammonium (NH₄⁺). Amonia cair sebenarnya sedikit amfiprotik dan membentuk ionammonium dan amida (NH₂^-); keduanya dikenal sebagai garam amida dan nitrida (N₃^-),tetapi terurai dalam air.

Gugus bebas amonia dengan atom hidrogen tunggal atau ganda dinamakan amina.Rantai, cincin atau struktur hidrida nitrogen yang lebih besar juga diketahui tetapi tak stabil.

1.        Amonia

Amonia adalah senyawa kimia dengan rumus NH3. Biasanya senyawa ini didapati berupa gas dengan bau tajam yang khas (disebut bau amonia). Walaupun ammonia memiliki sumbangan penting bagi keberadaan nutrisi di bumi, amonia sendiri adalahsenyawa kaustik dan dapat merusak kesehatan. Administrasi Keselamatan dan KesehatanPekerjaan Amerika Serikat memberikan batas 15 menit bagi kontak dengan amoniadalam gas berkonsentrasi 35 ppm volum, atau 8 jam untuk 25 ppm volum. Kontak dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan paru-paru danbahkan kematian. Sekalipun amonia di AS diatur sebagai gas tak mudah terbakar,amonia masih digolongkan sebagai bahan beracun jika terhirup, dan pengangkutanamonia berjumlah lebih besar dari 3.500 galon (13,248 L) harus disertai surat izin.

Amonia yang digunakan secara komersial dinamakan amonia anhidrat. Istilah inimenunjukkan tidak adanya air pada bahan tersebut. Karena amonia mendidih di suhu -33°C, cairan amonia harus disimpan dalam tekanan tinggi atau temperatur amat rendah.Walaupun begitu, kalor penguapannya amat tinggi sehingga dapat ditangani dengantabung reaksi biasa di dalam sungkup asap. "Amonia rumah" atau amonium hidroksidaadalah larutan NH₃ dalam air. Konsentrasi larutan tersebut diukur dalam satuan baumé.Produk larutan komersial amonia berkonsentrasi tinggi biasanya memiliki konsentrasi 26derajat baumé (sekitar 30 persen berat amonia pada 15.5 °C). Amonia yang berada dirumah biasanya memiliki konsentrasi 5 hingga 10 persen berat amonia.

Sifat fisik dan kimia

Amonia umumnya bersifat basa (pKb=4.75), namun dapat juga bertindak sebagai asam yang amat lemah (pKa=9.25). NH3 merupakan molekul polar, berbentuk piramid dengan tiga atom hydrogen menempati dasar piramid dan memiliki sepasang elektron bebas pada puncaknya (atom N), menyebabkan senyawa ini mudah terkondensasi (suhu kondensasi -33^oC) menjadi cairan dengan kekuatan besar sebagai pelarut. Dalam banyak hal, ammonia cair merupakan pelarut yang mirip dengan air dan mampu melarutkan berbagai macam garam. Selain itu, ammonia mempunyai sifat yang unik dalam hal melarutkan logam-logam alkali dan alkali tanah, yakni menghasilkan larutan yang mengandung elektron tersolvasi. Gas ammonia sangat larut dalam air, karena baik NH₃ maupun H₂O adalah molekul-molekul polar.

Kelimpahan

Senyawa nitrogen yang utama adalah ammonia, NH3, yang terdapat di atmosfirdalam jumlah yang sangat sedikit, terutama sebagai produk peruraian bahan yangmengandung nitrogen dari hewan dan tumbuhan. Proses ini merupakan cara yang palingekonomis untuk fiksasi nitrogen, yakni konversi nitrogen di atmosfir menjadi senyawayang berguna.

Pembuatan

Pada proses Haber, ammonia disintesis dengan cara melewatkan campurannitrogen dan hidrogen di atas permukaan katalisator (umumnya besi oksida) pada suhu500⁰C dan tekanan 1000 atm, yang rata-rata dapat mengkonversi 50% N₂ menjadi NH₃.

N_2(g) + 3H_2(g) = 2NH_3(g)   +    22 kkal

Kegunaan

1.        Sebagai pupuk (kompos maupun urea)

2.        Disinfectan

3.        Bahan bakar

4.        Pelarut senyawa organik, anorganik, dan logam

5.        Bahan pembuatan asam nitrat

2.        Asam Nitrat

Asam nitrat, HNO₃ merupakan salah satu asam anorganik yang penting dalam industri dan laboratorium, sehingga diproduksi dalam jumlah yang banyak sekali. Pembuatan asam nitrat ini pada prinsipnya menggunakan cara oksidasi katalitik ammonia pada proses Oswald

Pembuatan

Asam nitrat adalah merupakan satu jenis bahan kimia industri yang penting,diproduksi dalam skala besar dengan proses Haber-Bosch dan biasanya sangat eratdengan produksi ammonia, NH₃. Langkah pertama adalah oksidasi NH₃ menjadi NO.Setelah pendinginan, NO dicampur dengan udara dan diabsorbsi di dalam suatu aliran air.Reaksi-reaksi di bawah ini adalah langkah-langkah reaksi menghasilkan HNO₃≈ 60% (berat) dan konsentrasi-nya dapat dinaikkan menjadi 68% dengan cara destilasi, prosesini dikenal dengan proses Oswald :

4 NH_3(g) +5 O_2(g)→4 NO_(g) +6 H₂O_(g)

2 NO_(g) +O_2(g)→2 NO_2(g)

3 NO_2(g) + H₂O_(l) → 2H⁺_(aq) + 2 NO₃^-_(aq) + NO_(g)

Pada tahap pertama, campuran NH₃ dan udara dilewatkan melalui kumparanplatina yang dipanaskan pada temperatur 800^oC. Pada pendinginan, produk nitrogenoksida (NO) dioksidasi menjadi nitrogen dioksida (NO₂), yang kemudian mengalamidisproporsionasi dalam larutan membentuk asam nitrat dan NO. Dengan caramemberikan konsentrasi O₂ yang cukup tinggi, NO sisa akan diubah menjadi NO₂ danreaksi terakhir akan bergeser ke arah kanan. Untuk mendapatkan asam 100% dilakukandestilasi HNO₃ yang volatil.

Asam nitrat murni dapat dibuat di laboratorium dengan cara menambahkan H₂SO₄ ke KNO₃ dan mendestilasi hasil reaksi in vacuo. Asam nitrat adalah cairan tak berwarna,tetapi harus disimpan dibawah temperatur 273 K untuk mencegah dekomposisi yangmenyebabkan asam berwarna kuning

4 HNO₃→4 NO₂ + 2 H₂O + O₂

Sifat-sifat

Dalam larutan aqueous, HNO₃ bertindak sebagai suatu asam kuat yangmenyerang kebanyakan logam-logam (yang sering terjadi lebih cepat jika terdapat HNO₂ dalam jumlah trace), kecuali emas (Au) dan logam-logam golongan platinum dimana besi (Fe) dan krom (Cr) mengalamipassivasi oleh HNO₃ (semacam lapisan film tipis sehingga logam-logam ini tidak bisa diserang). Bila timah, arsen dan beberapa logam-logam golongan- direaksikan denganHNO₃, maka akan dihasilkan oksida-oksida logam-logam tersebut, tetapi jika HNO₃ direaksikan denganlogam-logam lain akan dihasilkan nitrat-nitrat. Hanya Mg, Mn, danZn yang menghasilkan gas hidrogen jika direaksikan dengan HNO₃ dengan konsentrasisangat encer. Jika logam tersebut merupakan reduktor yang lebih kuat dari pada H₂, makareaksi dengan HNO₃ akan mereduksi asam menjadi N₂, NH₃.NH₂OH atau N₂O,sedangkan logam lain akan menghasilkan NO atau NO₂

3 Cu_(s) + 8 HNO_{3(aq, encer)} → 3 Cu(NO₃)_2(aq) +4 H₂O_(l) +2 NO_(g)

Cu(s) + 4 HNO_{3(aq, pekat)} → Cu(NO₃)_2(aq) + 2 H₂O_(l) + 2 NO_2(g)

3.        Nitrida

Selain ammonia dan garam ammonium, nitrogen membentuk senyawa laindengan bilangan oksidasi -3 yang meliputi nitrida seperti Na₃N, Mg₃N, dan TiN, yangsebagian besar dapat dibentuk langsung dari kombinasi unsur-unsurnya. Sebagian darisenyawa ini, misalnya, Na₃N dan Mg₃N, sangat reaktif dan bereaksi dengan airmembebaskan ammonia. Tetapi TiN sangat inert dan digunakan sebagai bahanpembuatan wadah reaksi suhu tinggi. Senyawa nitrogen tri-iodida (NI₃) dimasukkankategori senyawa nitrogen dengan bilangan oksidasi -3, karena nitrogen lebihelektronegatif daripada iodium. Pada suhu kamar, NI₃ adalah zat padat yang sangatmudah meledak, bahkan seekor lalat yang hinggap di atasnya dapat menyebabkan timbulnya ledakan.

4.        Azida

Natrium azida dapat diperoleh dari reaksi :

1750C

                                     

3  NaNH₂ + NaNO₃               NaN₃ + 3 NaOH + NH₃

Azida-azida logam berat mudah meledak, misalnya timbal atau air raksa azida, telahdigunakan dalam sumbat bahan peledak. Asam azida murni, HN3, adalah cairan yangmudah meledak dan berbahaya

5.        Hidrazin

Hidrazin, N2H4, dapat dianggap sebagai turunan dari ammonia dengan penggantian satu atom hidrogen oleh gugus NH2. Hidrasin adalah basa difungsi

N₂H_4(aq) + H₂O = N₂H₅^+ + OH^-         K₂₅ = 8,5 x 10^-7

N₂H₅⁺_(aq) + H₂O= N₂H₆^2+ + OH^-       K₂₅ = 8,9 x 10^-15

Dan dua deretan garam hidrasium dapat diperoleh. Garam N₂H₅⁺ dapat diperoleh dengankristalisasi dari larutan aqua yang mengandung banyak kelebihan asam, karena garam inibiasanya kurang larut dibanding garam-garam monoasam. N₂H₄ anhidrat adalah cairanberasap dan tidak berwarna (titik didih 114^oC) dan stabil ditinjau dari sifat endotermisnya(ΔH^o f = 50 kJ mol^-1), dapat terbakar di udara dengan membebaskan panas

N₂H_4(l) + O_2(g) = N_2(g) + 2H₂O(l0    ΔH^o = -622 kJ mol^-1

Hidrasin aqua adalah suatu reduktor kuat dalam larutan basa, dalam keadaan normal dapat teroksidasi menjadi nitrogen. Hidrasin dibuat dengan interaksi larutan ammonia dengan natrium hipoklorit

NH₃ + NaOCl → NaOH + NH₂Cl      (cepat)

NH₃ + NH₂Cl + NaOH→N₂H₄ + NaCl + H₂O

Tetapi dalam hal ini terjadi persaingan reaksi yang agak cepat segera setelah hidrasin terbentuk

2 NH₂Cl + N₂H₄→2 NH₄Cl + N₂

Untuk mengatasi hal ini, maka perlu ditambahkan gelatin

6.        Hidroksilamin

Hidroksilamin, NH2OH adalah basa yang lebih lemah dibanding NH3

NH₂OH_(aq) + H₂O = NH₃OH⁺ OH^-          K₂₅ = 6,6 x 10^-9

Hidroksilamin dibuat dengan reduksi nitrat atau nitrit baik dengan elektrolisis
maupun dengan SO₂ dalam keadaan yang dikontrol. Hidroksilamin adalah padatan putih yang tidak stabil. Dalam larutan aqua atau sebagai garamnya [NH₃OH] Cl atau [NH₃OH]₂SO₄, digunakan sebagai reduktor

7.        N2O dan N2O4

Jika asam nitrat pekat direduksi oleh logam (misalnya Cu), maka akan dihasilkanasap coklat berupa gas nitrogen dioksida, NO₂. Molekul ini bersifat paramagnetik karenamengandung jumlah elektron valensi ganjil (lima dari nitrogen dan enam dari masing-masing oksigen). Jika gas coklat ini didinginkan, warnanya memudar dankeparamagnetannya hilang. Observasi ini ditafsirkan sebagai petunjuk bahwa duamolekul NO₂ berpasangan (dimerisasi) membentuk satu molekul dinitrogen tetroksida,N₂O₄, dalam kesetimbangan

2 NO_2(g) = N₂O_4(g) + 14,6 kkal

sedemikian pada 60^oC dan tekanan 1 atm separuh nitrogen berupa NO₂ dan separuhnyalagi berupa N₂O₄. Kalau suhu dinaikkan, dekomposisi N₂O₄ lebih disukai. Campuran NO₂-N₂O₄ sangat beracun dan merupakan oksidator kuat.

Sedangkan campuran N₂O₄ cair dan derivate hidrazin telah digunakan sebagaibahan bakar pesawat ruang angkasa Apollo 12 dalam missi penerbangannya ke bulan,karena bahan bakar ini cocok untuk melakukan landing dan take off di permukaan bulan. N₂O₄ adalah merupakan oksidator kuat dan bila mengadakan kontak dengan suatuderivate hidrazin, misalnya MeNHNH₂ dengan segera akan teroksidasi seperti reaksiberikut : 5N₂O₄ + 4MeNHNH₂ → 9N₂ + 12H₂O + 4CO₂  dan reaksi ini sangat eksotermik yang pada temperatur operasi semua produk reaksi adalah gas. Seperti telah disebut dalam kaitannya dengan proses Ostwald, NO₂, atau lebih tepatnya campuran NO₂ dan N₂O₄, larut dalam air membentuk HNO₃ dan NO

8.        N₂O₅

Selain pada asam nitrat dan nitrat, nitrogen dengan bilangan oksidasi +5 ditemuipada nitrogen pentoksida, N₂O₅. Senyawa ini merupakan asam anhidrat dari HNO₃ yangdapat dihasilkan dari reaksi asam nitrat pekat dengan senyawa dehidrator kuat sepertifosfor oksida, P₄O₁₀. Pada suhu kamar, N₂O₅ berupa padatan putih yang mengalami dekomposisi secara lambat menjadi NO₂ dan O₂. Dengan air, N₂O₅ bereaksi sangat hebatmembentuk HNO₃

KEGUNAAN NITROGEN

Ø Dalam bentuk amonia niotrogen digunsksn sebagai bahan pupuk, obat-obatan, asam nitrat, urea, hidrasin, amin, dan pendingin.

Ø Asam nitrat digunakan dalam pembuatan zat pewarna dan bahan peledak.

Ø Nitrogen sering digunakan jika diperlukan lingkungan yang inert, misalnya dalam bola lampu listrik untuk mencegah evaporasi filamen

Ø Sedangkan nitrogen cair banyak digunakan sebagai refrigerant (pendingin) yang sangat efektifkarena relatif murah

Ø Banyak digunakan oleh laboratorium-laboratorium medis dan laboratorium- laboratorium penelitian sebagai pengawet bahan-bahan preservatif untuk jangkawaktu yang sangat lama, misalnya pada bank sperma, bank penyimpanan organ-organ tubuh manusia, bank darah, dsb

C.       Sifat – sifat Menonjol

Nitrogen adalah zat non logam, dengan elektronegatifitas 3.0. Mempunyai 5 elektron di kulit terluarnya. Oleh karena itu trivalen dalam sebagian besar senyawa. Nitrogen mengembun pada suhu 77K (-196^oC) pada tekanan atmosfir dan membeku pada suhu 63K (-210^oC).

D.      Isotop

Ada 2 isotop Nitrogen yang stabil yaitu: ¹⁴N dan ¹⁵N. Isotop yang paling banyak adalah ¹⁴N (99.634%), yang dihasilkan dalam bintang-bintang dan yang selebihnya adalah ¹⁵N. Di antara sepuluh isotop yang dihasilkan secara sintetik, ¹N mempunyai paruh waktu selama 9 menit dan yang selebihnya sama atau lebih kecil dari itu.

BAB III

PEMBAHASAN

A.      Nitrifikasi

Di alam, nitrogen terdapat dalam bentuk senyawa organik, seperti urea, protein, dan asam nukleat atau sebagai senyawa anorganik, seperti amonia, nitrit, dan nitrat. Tumbuhan dan hewan membutuhkan nitrogen untuk membuat protein. Udara (atmosfer) terdiri atas berbagai gas, dan gas nitrogen terdapat kurang lebih sebanyak 80%. Namun, nitrogen tidak digunakan oleh makhluk hidup dalam bentuk gas. Tumbuhan dapat menyerap nitrogen dalam bentuk senyawa nitrit atau nitrat.

Tahap pertama daur nitrogen adalah transfer nitrogen dari atmosfer ke dalam tanah. Selain air hujan yang membawa sejumlah nitrogen, penambahan nitrogen ke dalam tanah terjadi melalui proses fiksasi nitrogen. Fiksasi nitrogen secara biologis dapat dilakukan oleh bakteri Rhizobium yang bersimbiosis dengan polong-polongan, bakteri Azetobacter danClostridium. Selain itu, ganggang hijau-biru dalam air juga memiliki kemampuan memfiksasi nitrogen. Tahap kedua, nitrat yang dihasilkan oleh fiksasi biologis digunakan oleh produsen (tumbuhan) diubah menjadi molekul protein (Gambar 9.10).

Selanjutnya jika tumbuhan atau hewan mati, makhluk pengurai merombaknya menjadi gas amoniak (NH3) dan garam amonium yang larut dalam air (NH4 +). Proses ini disebut dengan amonifikasi. Bakteri Nitrosomonas mengubah amoniak dan senyawa amonium menjadi nitrat oleh Nitrobacter, kedua proses tersebut dinamakan nitrifikasi. Nitrifikasi juga diartika sebagai suatu proses oksidasi ensimatik yang dilakukan oleh sekelompok jasadrenik/bakteri dan berlangsung dalam dua tahap yang terkoordinasikan. Masing-masingdilakukan oleh bakteri/jasad renik yang berbeda pada tahap-tahapan proses nitrifikasi(Mas’ud, 1992). Tahap-tahap nitrifikasi tersebut antara lain : Tahap Pertama (nitrisasi), Tahap Kedua (nitrisasi) dan denitrifikasi dan asimilasi nitrat.

B.       Tahap Pertama (nitrisasi)

Menurut Rompas (1998), bakteri autotrofi (bakteri nitrifikasi) dapat menggunakan N-anorganik untuk melakukan nitrifikasi, seperti genera bakteri Nitosomonos, Nitrosococcus,Nitrosospira, Nitrosovibrio, dan Nitrosolobus. Pada proses tahap pertama reaksi berlangsung dari ammonium ke nitrit yang melibatkan bakteri Nitrosomonos dan Nitrosococcus dengan persamaan reaksi.

C.       Tahap Kedua (nitrisasi)

Sedangkan reaksi kedua diperankan oleh bakteri Nitrobacter danNitrococcus spp yang melakukan oksidasi dari nitrat ke nitric dengan persamaan reaksi.

Reaksi nitrifikasi seperti di atas dapat berlangsung jika adanya oksigen. Proses oksidasi dariNo2 ke nitrit umumnya lebih cepat daripada proses oksidasi dari NH4 ke nitrit, dan nitrit initerakumulasi di lingkungan.

D.      Denitrifikasi dan Asilmilasi Nitrat

Denitrifikasi merupakan proses pereduksian senyawa N-nitrat menjadi gas nitrogen dan/ataugas nitrogen oksida, dengan nitrogen bertindak sebagai penerima hydrogen. Produksinitrogen bebas dari senyawa-senyawa organic tidaklah melalui aksi mikroorganisme, namunterbentuk secara tidak langsung oleh saling tindak antara asam nitrat bebas dengan senyawaamino, yang keduanya dihasilkan secara bersama melalui biang bakteri (Mas’ud, 1992).

Menurut Rompas (1998), dalam keadaan anaerob, bakteri aerob dapat memanfaatkan nitratuntuk menggantikan oksigen sebagai penerima elektron, sehingga mengurangi gas-gasproduk akhir seperti NO, N₂O atau N₂ , tahapan dalam nitrifikasi adalah sebagai berikut: Gas dinitrogen dan nitrogen oksida adalah dua komponen produk akhir yang sangat pentingdan N2 biasanya diproduksi dari N2O sedang dari NO dapat terjadi tetapi dalam kondisitertentu. Terbentuknya N2O dan N2 tidak saja dari nitrat selama respirasi, tetapi dapat jugakonversi dengan cara asimilasi ke NH4 + dalam komponen organic biomasa. Tentu pulamikroorganisme dapat merubah NO3- ke NH4+ melalui mekanisme diasimilasi pada kondisianaerob, mekanisme ini bersama denitrifikasi adalah proses memanfaatkan energi.

Gas nitrogen banyak terdapat di atmosfer, yaitu 80% dari udara. Nitrogen bebas dapatditambat/difiksasi terutama oleh tumbuhan yang berbintil akar (misalnya jenis polongan) danbeberapa jenis ganggang. Nitrogen bebas juga dapat bereaksi dengan hidrogen atau oksigendengan bantuan kilat/ petir.

Tumbuhan memperoleh nitrogen dari dalam tanah berupa amonia (NH3), ion nitrit (N02), dan ion nitrat (N03- ). Beberapa bakteri yang dapat menambat nitrogen terdapat pada akar Legum dan akar tumbuhan lain, misalnya Marsiella crenata. Selain itu, terdapat bakteridalam tanah yang dapat mengikat nitrogen secara langsung, yakni Azotobacter sp. yangbersifat aerob dan Clostridium sp. yang bersifat anaerob. Nostoc sp. dan Anabaena sp.(ganggang biru) juga mampu menambat nitrogen.

Nitrogen yang diikat biasanya dalam bentuk amonia. Amonia diperoleh dari hasil penguraian jaringan yang mati oleh bakteri. Amonia ini akan dinitrifikasi oleh bakteri nitrit, yaitu Nitrosomonasdan Nitrosococcus sehingga menghasilkan nitrat yang akan diserap oleh akar tumbuhan. Selanjutnya oleh bakteri denitrifikan, nitrat diubah menjadi amonia kembali, danamonia diubah menjadi nitrogen yang dilepaskan ke udara. Dengan cara ini siklus nitrogenakan berulang dalam ekosistem.