Melakukan Reaksi Anorganik Ionik Pada Media CO2 Superkritis

Ketika karbon dioksida dipanaskan diatas temperatur kritisnya (31^oC), pada tekanan yang lebih besar dari 72,8 atm, CO₂ akan membentuk cairan superkritis. Cairan superkritis ini memiliki sifat-sifat baik dari larutan maupun gas. CO₂ superkritis dapat digunakan sebagai pelarut dan seiring dengan waktu, kepopulerannya sebagai pelarut makin dikenal karena sifatnya yang aman, ramah lingkungan, dan murah dibandingkan dengan beberapa pelarut organik yang kini umum digunakan di dunia industri ⁽¹⁾. Sebagai contoh, CO₂ superkritis kini digunakan untuk melarutkan kafein dalam bijih kopi untuk menghasilkan kopi dengan kafein rendah (decaff coffee). Teknik lama untuk mendekafeinasi bijih kopi antara lain menggunakan berbagai pelarut organik seperti metilen klorida atau klorofom yang memiliki tingkat toksisitas tertentu. Keuntungan dari penggunaan CO₂ superkritis ialah segi pembuangan yang relatif murah dan efek lingkungan yang relatif ramah, walaupun dari segi instrumentasi jauh lebih mahal. Selain itu, dalam aplikasi praktis, beberapa masalah kondisi kerja dengan suhu diatas suhu kritis relatif sedikit karena larutan CO₂ memiliki suhu dan tekanan kritis yang lebih rendah dibandingkan dengan CO₂ murni.

Satu masalah dengan penggunaan CO₂ superkritis sebagai pelarut adalah ketidakmampuannya untuk melarutkan senyawa polar, seperti air dan senyawa ionik. Masalah ini dipecahkan dengan perancangan sebuah surfaktan, amonium karboksilat perfloro polieter (PFPE), dengan rumus umum :

F₃C-[OCF₂CF(CF₃))n(OCF₂)m]OCF₂COO-NH₄⁺

dimana n=~2 dan m=~3. Surfaktan ini adalah sebuah padatan mengkilat dengan massa molekul relatif rata-rata nya adalah 740. Surfaktan ini mampu mendispersikan air menjadi tetesan kecil dalam CO₂ cair ^(2,3). Dalam CO₂ superkritis, PFPE berperilaku menyerupai sabun dalam air, namun misel yang terbentuk berkebalikan dengan misel yang terbentuk oleh sabun dan air. Misel sabun dan air memiliki permukaan hidrofilik dan inti hidrofobik. Dalam misel PFPE dengan air, permukaan yang dibentuk adalah hidrofobik dan intinya adalah hidrofilik. Dengan PFPE, ujung hidrofilik (COO^-) dari molekul membentuk sfera (sphere) yang mengelilingi air, dan ekor hidrofobik (perfloroeter) melarut dalam CO₂ superkritis, seperti gambar dibawah.

©1997 American Chemical Society

Representasi skematik diatas menggambarkan lingkungan air dalam misel terbalik atau mikroemulsi. Mikroemulsi ini menunjukkan kemungkinan lingkungan dimana air dapat ditemukan. Air terikat atau air interfasial (Type 1) diasosiasikan dekat dengan gugus kepala ionik (direpresentasikan dengan lingkaran putih) dari molekul surfaktan PFPE. Air ruah (bulk) (Type 2) terletak di dalam inti membentuk tetes air. Lingkungan ketiga adalah lingkungan bebas air dimana ini melarut dalam 'minyak' atau fasa CO₂ superkritis dan tidak diasosiasikan dengan lingkungan mikroemulsi.

Dalam CO₂ superkritis, interaksi ini menstabilkan air yang tak hingga, dimana ini disebut mikroemulsi. Air dalam mikroemulsi memiliki sifat yang sama dengan air ruah, dan melarutkan senyawa polar dan ionik. Sebagai contoh, kalium permanganat (KMnO₄) tidak larut dalam CO₂₄₄ dalam air ruah ^(2,3). Pengukuran dengan sistem elektroda pH biasa menunjukkan bahwa air di dalam mikroemulsi bersifat asam, dengan pH 3. Ini diakibatkan pembentukan asam karbonat oleh karbon dioksida dan air. Ini berarti bahwa semua reaksi dalam medium ini akan berada dalam kondisi asam, sebuah faktor yang harus diperhitungkan ketika menjelaskan studi kinetik atau kemungkinan mekanisme reaksi. superkritik biasa, namun ia akan larut dengan adanya mikroemulsi air. Selain itu, larutan KMnO ini memiliki karakteristik warna ungu dari ion permanganat dan spektrum UV-visible memiliki kesamaan dengan KMnO

Kehadiran dari mikroemulsi memungkinkan reaksi-reaksi tertentu terjadi, dimana pada kondisi CO₂ superkritik biasa tidak akan terjadi. Sebagai contoh, natrium nitroprusida (Na₂[Fe(CN)₅(NO)] .2H₂O) larut dalam air, namun tidak larut dalam CO₂ superkritis. Hidrogen sulfida (H₂S) larut baik dalam CO2 superkritis biasa namun tidak begitu larut dalam air. Karena natrium nitroprusida tidak larut dalam CO₂ superkritis maka tidak akan ada reaksi yang tterjadi anatara kedua senyawa ini dalam CO₂ superkritis biasa. Ketika kedua senyawa ini dilarutkan dalam CO₂ superkritis dengan mikroemulsi, reaksi berikut akan terjadi yang diiringi dengan perubahan warna merah menjadi kuning :

[Fe(CN)₅(NO)]₂^- + HS^- -> [Fe(CN)₅N(O)SH]₃^-

Situasi yang sama muncul pula dengan kalium dikromat (K₂Cr₂O₇) dan sulfur dioksida (SO₂). Karakteristik kelarutan kedua senyawa ini sendiri menyerupai contoh sebelumnya secara berturutan. Ketika kedua senyawa ini diarutkan dilarutkan dalam CO₂ superkritis dengan mikroemulsi, kalium dikromat akan dirubah menjadi kromium (III) sulfat [Cr₂(SO₄)₃] ⁽²⁾. Reaksi ini tidak terjadi dalam CO₂ superkritis biasa, karena spesi-spesi ionik yang terlibat tidak larut dalam medium ini.

Kemungkinan untuk melarutkan senyawa ionik anorganik dalam CO₂ superkritis dengan mikroemulsi membuka beberapa kemungkinan untuk melakukan tipe-tipe reaksi baru dalam medium ini. Karena banyak gas seperti O₂, CO, Cl₂, SO₂ lebih larut dalam CO₂ superkritis dibandingkan media larutan biasa maka reaksi yang homogen dan efisien dapat dilakukan antara gas dan spesi ionik. Karena ini dan berbagai kemungkinan baru, maka popularitas CO₂⁽⁴⁾. superkritis sebagai medium pelarut diprediksikan akan semakin meningkat

Daftar Pustaka

1. Supercritical Carbon Dioxide: Uses as an Industrial Solvent, a fact sheet put out by the Institute for Local Self-Reliance.
2. M. J. Clarke, L. Kristi, K. P. Harrison, S. M. Howdle, 1997, Water in supercritical carbon dioxide microemulsions: Spectroscopic investigation of a new environment for aqueous inorganic chemistry, Journal of the American Chemical Society, 119: 6399.
3. M. Roubi, 1997, Colorful inorganic chemistry coaxed into supercritical CO₂, Chemical and Engineering News, Issue of August 11, 40.
4. New Role for Supercritical Carbon Dioxide on the page maintained by Chemistry and Industry News

(dikutip dari: Tomi Rustamiaji, S.Si, ITB, http://www.chem-is-try.org/?sect=artikel&ext=144)