Saturday, June 8, 2013

Kesetimbangan Kimia, Dinamis, Tetapan, Contoh Soal, Praktikum, Aplikasi, Penerapan, Faktor, Pengaruh, Hubungan Kualitatif Pereaksi dan Hasil Reaksi, Industri

Kesetimbangan Kimia, Dinamis, Tetapan, Contoh Soal, Aplikasi, Penerapan, Faktor, Pengaruh, Hubungan Kualitatif Pereaksi dan Hasil Reaksi, Industri - Selama ini, reaksi-reaksi kimia yang Anda pelajari adalah reaksi satu arah. Artinya, semua pereaksi dinyatakan habis bereaksi dan tidak pernah kembali. Sesungguhnya, banyak reaksi kimia yang terjadi tidak satu arah, melainkan membentuk keadaan setimbang. Dalam hal ini, pereaksi tidak habis bereaksi dan hasil-hasil reaksi dapat kembali lagi membentuk pereaksi. Hal ini berlangsung hingga terbentuk keadaan kesetimbangan antara pereaksi dan hasil reaksi.

Apakah reaksi kesetimbangan itu? Faktor-faktor apa sajakah yang mempengaruhi pergeseran arah kesetimbangan? Bagaimanakah menentukan hubungan kuantitatif antara pereaksi dan hasil reaksi dari suatu reaksi kesetimbangan? Anda dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut jika Anda pelajari bab ini dengan baik.

A. Kesetimbangan Dinamis dan Tetapan Kesetimbangan

Ilmuwan pertama yang mengajukan gagasan kesetimbangan dalam ilmu Kimia adalah Berthollt, ketika menjadi penasihat Napoleon di Mesir (reaksi kesetimbangan dapat diselidiki dalam dua arah). Temuan secara laboratorium dilakukan oleh Guldberg dan Waage, sedangkan rumusan secara matematika diajukan oleh Van't Hoff (konsentrasi pereaksi dalam reaksi kesetimbangan sebanding dengan pangkat dari koefisien reaksinya).

1.1. Pengertian Kesetimbangan Dinamis

Ada beberapa istilah yang harus Anda pahami sebelum melangkah lebih jauh mempelajari kesetimbangan kimia. Istilah tersebut adalah reaksi satu arah (one way reaction), reaksi dapat balik (two way reaction), dan reaksi kesetimbangan (equilibrium reaction). Jika dalam suatu reaksi, zat-zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi kembali menjadi pereaksi maka disebut reaksi satu arah.

Contoh reaksi satu arah :

Pembakaran metana berlangsung dalam satu arah. Persamaan reaksinya:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

Jika hasil reaksi (CO2 + H2O) direaksikan lagi, tidak akan membentuk pereaksi kembali (CH4 + O2, tetapi menjadi H2CO3. Kenyataan ini menunjukkan bahwa reaksi di atas adalah reaksi satu arah atau reaksi yang tidak dapat balik (irreversible).

Jika dalam suatu reaksi hasil-hasil reaksi dapat membentuk pereaksi lagi maka disebut reaksi dapat balik (reversible) atau reaksi bolak-balik.

Contoh reaksi bolak balik :

Jika gas N2 dan gas H2 direaksikan dalam reaktor tertutup akan terbentuk gas NH3. Persamaannya:

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

Gas NH3 yang terbentuk dapat diuraikan kembali membentuk pereaksi.

Persamaannya :

2NH3(g) → N2(g) + 3H2(g)

Reaksi semacam ini menunjukkan bahwa reaksi dapat balik (reversible) atau reaksi dua arah.

Suatu reaksi dapat digolongkan ke dalam reaksi kesetimbangan dinamis (equilibrium reaction) jika reaksi yang dapat balik (reversible) berlangsung dengan kecepatan yang sama, baik kecepatan ke arah hasil reaksi maupun kecepatan ke arah pereaksi dan reaksinya tidak bergantung pada waktu (contoh analogi Gambar 1).
Reaksi kesetimbangan
Gambar 1. Reaksi kesetimbangan seperti jalan dua arah yang dilalui mobil dengan kecepatan yang sama.
Dalam sistem kesetimbangan dinamis, reaksi yang menuju hasil reaksi dan reaksi yang menuju pereaksi berlangsung secara bersamaan dengan laju yang sama sehingga konsentrasi masing-masing zat dalam sistem kesetimbangan tidak berubah.

Jika Anda dapat melihat sistem kesetimbangan dinamis secara molekuler, akan tampak partikel-partikel dalam sistem kesetimbangan tidak tetap sebagai pereaksi atau hasil reaksi, melainkan bereaksi terus dalam dua arah secara dinamis. Pereaksi akan berubah menjadi hasil reaksi diimbangi oleh hasil reaksi berubah menjadi pereaksi. Jadi, kesetimbangan kimia dikatakan dinamis sebab secara molekuler (mikroskopik) zat-zat tersebut berubah setiap saat, tetapi secara keseluruhan (makroskopik) tidak ada perubahan sifat fisik, baik wujud maupun konsentrasi masing-masing zat.

Keadaan kesetimbangan dinamis dapat dianalogikan sebagai seseorang yang berjalan di eskalator, tetapi arahnya berlawanan dengan arah eskalator. Eskalator bergerak ke bawah dan orang tersebut bergerak ke atas dengan kecepatan yang sama. Akibatnya, orang tersebut seperti berjalan di tempat. Secara makrokospik, kedudukan orang tersebut tidak berubah sebab tidak bergeser dari posisinya, tetapi secara mikroskopik terjadi perubahan terus menerus, seperti ditunjukkan oleh gerakan eskalator yang diimbangi oleh gerakan orang tersebut dengan kecepatan yang sama (perhatikan Gambar 2).
naik eskalator
Gambar 2. Seseorang yang naik eskalator dengan arah berlawanan akan terlihat seperti berjalan di tempat.
Persamaan kimia untuk reaksi kesetimbangan dinyatakan dengan dua arah anak panah, misalnya pada reaksi pembentukan amonia, persamaan kimianya ditulis sebagai berikut.

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) atau 2NH3(g) N2(g) + 3H2(g)

Tinjau reaksi pembentukan belerang trioksida berikut.

2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)

Jika konsentrasi masing-masing zat dalam sistem kesetimbangan itu diukur. Kemudian hasilnya dituangkan ke dalam bentuk grafik hubungan antara konsentrasi zat dan waktu reaksi maka kurva yang terbentuk seperti pada Gambar 3.

Bagaimanakah cara memahami makna kurva pada Gambar 3?
Sistem reaksi kesetimbangan
Gambar 3. Sistem reaksi kesetimbangan : 2SO2(g) + O2(g)  2SO3(g).
Simak dengan seksama. Pada t = 0 detik, hanya terdapat pereaksi (SO2 dan O2) dengan konsentrasi awal tertentu. Dengan mengendalikan suhu dan tekanan, pereaksi mulai berubah menjadi hasil reaksi (SO3). Pada saat SO3 mulai terbentuk, sebagian SO3 terurai kembali menjadi pereaksi. Akan tetapi, karena jumlah molekul pereaksi lebih banyak, laju penguraian SO3 relatif lebih lambat dibandingkan laju pembentukan SO3 sehingga pembentukan SO3 masih dominan. Reaksi dalam dua arah berlangsung terus sampai mendekati waktu t1, laju ke dua arah ini hampir sama. Setelah mencapai waktu t1, laju pembentukan dan laju penguraian SO3 sama sehingga konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi tidak berubah lagi terhadap waktu. Hal ini ditunjukkan oleh bentuk kurva yang mendatar.

Semua reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan dalam bentuk grafik dengan bentuk yang berbeda bergantung pada sifat reaksinya, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.
grafik reaksi kesetimbangan
Gambar 4. (a) Kesetimbangan: aA  bB, kosentrasi kesetimbangan hasil reaksi (B) sama dengan kosentrasi kesetimbangan pereaksi (A). (b) Kosentrasi kesetimbangan hasil reaksi (B) berbeda dengan kosentrasi kesetimbangan pereaksi (A).
Pada Gambar 4.(a), proses untuk mencapai kesetimbangan sama dengan proses pada pembentukan SO3 (g), tetapi konsentrasi pada akhir reaksi berbeda. Dalam hal ini, setelah keadaan kesetimbangan tercapai, konsentrasi pereaksi sama dengan konsentrasi produk, atau [A] = [B].

1.2. Hukum Kesetimbangan Kimia

Dalam reaksi kesetimbangan spesi kiri dan kanan dapat bertindak sebagai pereaksi sekaligus hasil reaksi. Oleh karena itu, dibuat kesepakatan ketika dinyatakan pereaksi maksudnya spesi kiri sedangkan hasil reaksi maksudnya spesi kanan.

A + B              C + D
Pereaksi               Hasil reaksi

Dalam reaksi satu arah, konsentrasi molar hasil reaksi ditentukan oleh konsentrasi molar pereaksi dan mengikuti kaidah stoikiometri (koefisien reaksinya). Contohnya 2A → B, jumlah mol B bergantung pada jumlah mol A dan perbandingan koefisien reaksinya. Dalam sistem reaksi kesetimbangan tidak demikian, mengapa? Andaikan sistem reaksi: N2 + O2 ↔ 2NO membentuk kesetimbangan.

Ketika kesetimbangan tercapai, konsentrasi NO tidak bergantung pada konsentrasi awal N2 dan O2, tetapi mengikuti hukum kesetimbangan kimia atau hukum aksi massa.

Jika ke dalam suatu reaktor tertutup dicampurkan gas N2, O2, dan NO (reaksinya dapat balik) maka Anda tidak dapat menentukan mana yang bertindak sebagai pereaksi maupun hasil reaksi. Arah reaksi pun tidak dapat ditentukan secara pasti sebab reaksi dapat balik (reversible), dapat berlangsung dalam dua arah. Untuk mengetahui arah reaksi dalam reaksi dapat balik (re ersible) maka didefinisikan perbandingan reaksi (quotient of reaction), dilambangkan dengan Q, yaitu perbandingan konsentrasi zat-zat yang bereaksi.

Andaikan persamaan reaksi untuk campuran gas N2, O2, dan NO Anda tuliskan sebagai N2(g) + O2(g)  2NO(g) maka perbandingan reaksinya adalah :
Pada saat reaksi mencapai kesetimbangan, harga Q tidak lagi bergantung pada konsentrasi awal, tetapi hanya bergantung pada suhu sistem reaksi.

Agar lebih memahami dan meningkatkan keyakinan Anda, simak Tabel 1. berikut yang menyajikan data hasil pengukuran konsentrasi molar dan harga Q setelah kesetimbangan tercapai (QKstb) pada suhu T.

Tabel 1. Data Hasil Pengukuran Konsentrasi dan QKstb pada Suhu T untuk Reaksi N2(g) + O2(g)  2NO(g).

Percobaan
Konsentrasi Awal (M)

N2
O2
NO
QKstb
1
0,127
0,134
0,966
55,68
2
0,027
0,027
0,202
55,21
3
0,164
0,098
0,945
55,46
4
0,064
0,065
0,482
55,16
5
0,103
0,179
0,013
55,31

Apakah yang dapat Anda simpulkan dari data pada Tabel 1? Konsentrasi awal masing-masing zat untuk kelima percobaan tidak sama, tetapi setelah kesetimbangan tercapai kelima percobaan memiliki nilai Q yang relatif sama. Besaran Q memiliki makna penting sebab memberikan nilai yang tidak bergantung pada konsentrasi awal pereaksi. Pada saat harga Q tetap, dinamakan tetapan kesetimbangan (dilambangkan dengan Kc).

Kc = QKstb

Tetapan kesetimbangan untuk contoh reaksi N2(g) + O2(g)  2NO(g) dapat ditulis:
Berdasarkan uraian tersebut maka dapat dikatakan sebagai berikut.
  1. Jika nilai Q lebih besar daripada nilai Kc, reaksi sedang berlangsung ke arah kiri persamaan reaksi.
  2. Jika nilai Q lebih kecil daripada nilai Kc, reaksi sedang menuju ke arah kanan.
  3. Jika nilai Q sama dengan nilai Kc, reaksi dikatakan telah mencapai keadaan setimbang.
Secara umum, tetapan kesetimbangan untuk reaksi hipotetik:

aA + bB  cC + dD, dapat dinyatakan dengan :
Hubungan antara K dan Q dari ke-3 poin di atas dapat dianalogikan seperti Gambar 5.
Hubungan perbandingan K dan Q dengan arah reaksi.
Gambar 5. Hubungan perbandingan K dan Q dengan arah reaksi.
Nilai Kc selalu tetap walaupun konsentrasi awal zat-zat dalam sistem kesetimbangan diubah-ubah. Nilai Kc akan berubah jika suhu sistem reaksi berubah. Oleh karena itu, nilai Kc hanya dipengaruhi oleh suhu sistem reaksi.

Contoh Soal Menentukan Tetapan Kesetimbangan :

Tuliskan tetapan kesetimbangan reaksi berikut dalam bentuk konsentrasi molar:

PCl3(g) + Cl2(g) ↔ PCl5(g)

Jika Q > Kc, ke arah mana reaksi sedang berjalan?

Pembahasan :

Dalam tetapan kesetimbangan:
  1. Pereaksi dituliskan sebagai penyebut.
  2. Hasil reaksi dituliskan sebagai pembilang.
  3. Setiap zat dipangkatkan koefisien reaksinya.
Persamaan tetapan kesetimbangan untuk reaksi:


Jika Q > Kc, artinya [PCl5] lebih banyak dari [PCl3][Cl2]. Oleh karena itu, reaksi sedang berlangsung ke arah penguraian PCl5 (ke arah kiri).

1.3. Kesetimbangan Sistem Homogen dan Heterogen

Apakah yang dimaksud dengan reaksi kesetimbangan homogen dan heterogen? Istilah ini merujuk kepada fasa zat-zat yang terlibat dalam sistem reaksi kesetimbangan.

Suatu reaksi kesetimbangan dikatakan homogen jika pereaksi dan hasil reaksi memiliki fasa yang sama, sedangkan reaksi dikatakan heterogen jika salah satu zat atau lebih berbeda fasa.

Contoh reaksi kesetimbangan homogen, yaitu:

a. N2(g) + 2O2(g) ↔ 2NO2(g)
b. H2CO3(aq) ↔ HCO3(aq) + H3O+(aq)

Contoh reaksi kesetimbangan heterogen, yaitu:

a. AgCl(s) ↔ Ag+(aq) + Cl(aq)
b. H2O2(aq) ↔ H2O(l)+ ½ O2(g)
c. CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)

Apakah tetapan kesetimbangan sistem heterogen sama dengan uraian sebelumnya? Berdasarkan penelitian, menunjukkan bahwa tetapan kesetimbangan reaksi heterogen memiliki karakter tertentu. Tinjau reaksi kesetimbangan heterogen pada penguraian termal CaCO3 berikut.

CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)

Bagaimanakah bentuk persamaan tetapan kesetimbangan untuk sistem reaksi heterogen ini? Andaikan tetapan kesetimbangan untuk penguraian termal CaCO3 dituliskan sama seperti untuk reaksi homogen:
Konsentrasi zat dalam sistem kesetimbangan adalah mol per liter.

Untuk zat murni, baik padatan maupun zat cair, konsentrasi molar zat tidak berubah walaupun jumlahnya berkurang akibat bereaksi. Mengapa tidak berubah? Untuk zat murni, misalnya air, jika massa air dikurangi maka volume air juga berkurang (perhatikan Gambar 7). Akibatnya, konsentrasi molar air tidak berubah. Dengan kata lain, massa jenis zat murni selalu tetap. Berbeda dengan zat murni, untuk larutan, jika jumlah zat terlarut atau volume pelarut berkurang maka konsentrasi molarnya berubah. Sedangkan zat berupa gas kemolarannya bergantung pada volume wadahnya sepeti ditunjukkan pada Gambar 6.
Kemolaran gas bergantung pada volume wadahnya (kemolaran gas = mol gas per volume wadahnya)
Gambar 6. Kemolaran gas bergantung pada volume wadahnya (kemolaran gas = mol gas per volume wadahnya)
Oleh karena massa jenis zat murni tetap, selama reaksi berlangsung massa CaCO3 dan CaO per satuan volume zat padatnya selalu tetap. Hal ini menyebabkan konsentrasi kedua zat murni ini tidak memengaruhi nilai tetapan kesetimbangan. Oleh karena itu, konsentrasi CaCO3 dan CaO dapat dipindahkan ke ruas kiri persamaan dan digabungkan dengan tetapan kesetimbangan (Kc). Persamaan kesetimbangannya menjadi:
Kc = [CO2]

Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa untuk reaksi kesetimbangan yang heterogen, persamaan tetapan kesetimbangan tidak melibatkan konsentrasi zat murninya.
Volume untuk menentukan kemolaran zat murni adalah volume zatnya sendiri, bukan volume wadah (kemolaran zat murni = mol zat/ volume zat)
Gambar 7. Volume untuk menentukan kemolaran zat murni adalah volume zatnya sendiri, bukan volume wadah (kemolaran zat murni = mol zat/ volume zat)
B. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kesetimbangan Kimia

Jika ke dalam sistem reaksi yang berada dalam keadaan kesetimbangan diberi gangguan, misalnya konsentrasi atau suhunya diubah, apa yang terjadi? Sudah menjadi fenomena alam, setiap ada aksi tentu ada reaksi dan reaksinya beragam. Menurut Le Chatelier, jika sistem yang berada dalam keadaan kesetimbangan diganggu, sistem akan berusaha mengurangi gangguan dengan cara menggeser posisi kesetimbangan, baik ke arah pereaksi maupun hasil reaksi sehingga gangguan tersebut minimum dan tercapai keadaan kesetimbangan yang baru.

2.1. Gangguan Konsentrasi

Jika pada sistem kesetimbangan dilakukan penambahan atau pengurangan salah satu pereaksi atau hasil reaksi, sistem akan mengadakan reaksi untuk mengurangi gangguan tersebut. Untuk lebih memahami pengaruh konsentrasi, lakukan penyelidikan berikut.

Praktikum Kimia Pengaruh Perubahan Konsentrasi terhadap Sistem Kesetimbangan 1 :

Tujuan :

Mengetahui pengaruh perubahan konsentrasi terhadap sistem kesetimbangan

SCN(aq) + Fe 3+ (aq) ↔ Fe(SCN)2+(aq).

Alat :
  1. Gelas kimia
  2. Tabung reaksi
  3. Pipet tetes
  4. Gelas ukur
Bahan :
  1. Larutan NaH2PO4 0,01 M
  2. Larutan Fe (NO3) 0,01 M
  3. Larutan KSCN 0,01 M
Langkah Kerja :
  1. Campurkan 25 mL KSCN 0,01 M dan 2 tetes Fe (NO3)3 0,01 M ke dalam gelas kimia.
  2. Tuangkan larutan tersebut ke dalam 4 buah tabung reaksi.
  3. Tabung 1 disimpan sebagai pembanding.
  4. Tabung 2 ditambahkan setetes KSCN 0,01 M.
  5. Tabung 3 ditambahkan setetes Fe(NO3)3 0,01 M.
  6. Tabung 4 ditambahkan setetes NaH2PO4 0,01 M.
  7. Amati dan catat semua perubahan warna yang terjadi.
Kondisi
Pengamatan
KSCN (awal)
Bening
Fe(NO3)3 (awal)
Kuning pucat
Tabung 1
......
Tabung 2
......
Tabung 3
......
Tabung 4
......

Pertanyaan :
  1. Gangguan apakah yang diberikan pada tabung 2, 3, dan 4? Jelaskan.
  2. Apakah yang dapat Anda simpulkan dari aktivitas ini? Diskusikan secara berkelompok.
Persamaan reaksi pada Praktikum Kimia 1 cukup rumit, tetapi dapat disederhanakan menjadi:

KSCN (aq) + Fe(NO3)3(aq) ↔ Fe(SCN)2+(aq) + 2NO3(aq) + KNO3(aq)

Oleh karena tidak semua spesi kimia dalam reaksi tersebut mengalami perubahan, Anda dapat menuliskan spesi kimia yang berubah saja, yaitu:

SCN(aq) + Fe3+(aq) ↔ Fe(SCN)2+(aq)

Reaksi kesetimbangan tersebut dapat dipelajari berdasarkan perubahan warna yang terjadi. KSCN(aq) tidak berwarna, Fe(NO3)3(aq) berwarna kuning pucat, setelah bereaksi larutan menjadi berwarna merah. Warna merah ini berasal dari Fe(SCN)2+(aq) yang terbentuk. Jika ke dalam sistem reaksi, konsentrasi pereaksi dinaikkan (penyelidikan pada tabung 2 dan 3) atau konsentrasi pereaksi dikurangi (penyelidikan pada tabung 4) apa yang akan terjadi? Berdasarkan pengamatan, menunjukkan bahwa pada tabung 2 dan 3 warna larutan berubah menjadi merah tua. Warna merah berasal dari FeSCN2+, ini menunjukkan posisi kesetimbangan telah bergeser ke arah pembentukan hasil reaksi.

Berdasarkan hasil penyelidikan pada tabung 4, warna larutan berubah menjadi tidak berwarna. Hal ini menunjukkan bahwa posisi kesetimbangan telah bergeser ke arah pereaksi (pembentukan kembali ion SCN, tidak berwarna).

Jika pada akhirnya kesetimbangan terbentuk kembali, bagaimana komposisi konsentrasi masing-masing pereaksi setelah gangguan dikurangi oleh sistem kesetimbangan? Untuk memahami ini, simak penyelidikan pada tabung 2. Penambahan SCN akan menggeser posisi kesetimbangan ke arah hasil reaksi. Akibatnya, konsentrasi Fe(SCN)2+ lebih besar dari sebelumnya, konsentrasi Fe3+ lebih sedikit, dan konsentrasi SCN lebih besar karena tidak semua SCN yang ditambahkan bereaksi dengan Fe3+ . Komposisi konsentrasi pereaksi dan produk dapat dilihat pada Gambar 8.
Keadaan kesetimbangan
Gambar 8. (a) Keadaan kesetimbangan sebelum penambahanSCN. (b) Keadaan kesetimbangan baru, setelah penambahan SCN.
Contoh Soal Pengubahan Konsentrasi Kesetimbangan :

Perkirakan arah pergeseran kesetimbangan berikut:

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)

Jika terhadap sistem kesetimbangan ditambah NH3?

Bagaimana komposisi konsentrasi masing-masing zat setelah tercapai kesetimbangan yang baru?

Jawaban :

Penambahan NH3 akan menggeser posisi kesetimbangan ke arah penguraian NH3 menjadi N2 dan H2.

Setelah tercapai kesetimbangan yang baru, konsentrasi NH3 bertambah sedikit, konsentrasi N2 dan H2bertambah besar.

Contoh Soal SPMB 2003 :

Reaksi pembuatan belerang trioksida adalah reaksi eksoterm

2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g)

Produksi belerang trioksida dapat meningkat dengan cara ....

A. menahan tekanan
B. menambah katalis
C. menurunkan suhu
D. memperbesar volume

Pembahasan :

Agar reaksi kesetimbangan bergeser ke arah SO3 (ke kanan) maka:

• tekanan diperbesar
• volume diperkecil
• suhu diturunkan

Jadi, jawabannya (C)

2.2. Gangguan terhadap Suhu Sistem Kesetimbangan

Jika sistem kesetimbangan diubah suhunya maka sistem akan bereaksi dengan cara yang berbeda dengan gangguan konsentrasi. Reaksi terhadap gangguan suhu sangat bergantung pada sifat-sifat termokimia dari spesi yang terdapat dalam sistem kesetimbangan.

Seperti telah dibahas pada Bab Termokimia, ada reaksi eksoterm dan reaksi endoterm. Reaksi eksoterm dapat berubah menjadi reaksi endoterm jika reaksinya dibalikkan, sedangkan nilai ΔH reaksi tetap hanya tandanya saja yang berubah.

Jika sifat-sifat termokimia diterapkan ke dalam sistem reaksi yang membentuk kesetimbangan maka untuk reaksi ke arah hasil reaksi yang bersifat eksoterm, reaksi ke arah sebaliknya bersifat endoterm dengan harga ΔH sama, tetapi berbeda tanda.

Praktikum Kimia Pengaruh Perubahan Suhu terhadap Sistem Kesetimbangan 2 :

Tujuan :

Mengetahui pengaruh perubahan suhu terhadap sistem kesetimbangan

CuSO4.5H2O(s) ↔ CuSO4(s) + 5H2O(g).

Alat :
  1. Cawan penguap
  2. Bunsen, kaki tiga, kawat kasa
  3. Gabus
  4. Timbangan
Pengaruh Perubahan Suhu terhadap Sistem Kesetimbangan
Bahan :
  1. Padatan CuSO4.5H2O
  2. Air (H2O)
Langkah Kerja :
  1. Panaskan 10 g CuSO4.5H2O dalam cawan penguap. Amati perubahan warna yang terjadi.
  2. Biarkan padatan mendingin. Setelah dingin, tetesi dengan air. Amati perubahan yang terjadi.
  3. Tuliskan pengamatan Anda dalam bentuk tabel.
Aktivitas
Pengamatan
Sebelum dipanaskan

Sesudah dipanaskan

Ditambah air


Pertanyaan :
  1. Bagaimanakah warna tembaga(II) sulfat sebelum dipanaskan, setelah dipanaskan, dan setelah ditambah air?
  2. Termasuk ke dalam reaksi jenis apa pemanasan CuSO4.5H2O.
  3. Apakah yang dapat Anda simpulkan dari percobaan ini?
Pemanasan CuSO4.5H2O bertujuan untuk melepaskan hidrat yang terikat pada tembaga(II) sulfat pentahidrat. Persamaan termokimianya sebagai berikut.

CuSO4.5H2O(s)
CuSO4(s)
+
5H2O(g)
ΔH = +1508 kJ mol–1
Biru

Putih




Oleh karena reaksinya berkesetimbangan maka pada saat didinginkan (ditambah air), serbuk CuSO4 mengikat kembali molekul air. Persamaan termokimianya sebagai berikut.

CuSO4(s)
+
5H2O(g)
CuSO4.5H2O(s)
ΔH = –1508 kJ mol–1
Putih


Biru 


Mengapa perubahan suhu dapat memengaruhi sistem reaksi kesetimbangan? Ke arah manakah posisi kesetimbangan akan bergeser jika suhu reaksi dinaikkan atau diturunkan?

Menurut Le Chatelier, jika reaksi kesetimbangan diubah suhunya maka sistem akan melakukan tindakan dengan cara meminimalkan pengaruh suhu tersebut. Pada Praktikum Kimia 2, jika suhu dinaikkan, posisi kesetimbangan bergeser ke arah pelepasan hidrat (endoterm). Sebaliknya, jika suhu diturunkan, posisi kesetimbangan bergeser ke arah pembentukan hidrat (eksoterm).

Contoh Soal Pengaruh Perubahan Suhu :

Pembuatan amonia bersifat eksoterm. Persamaan termokimianya:

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)           ΔHo = –366,1 kJ

Tentukan pergeseran posisi kesetimbangan jika suhu sistem dinaikkan.

Jawaban :

Jika suhu dinaikkan, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi endoterm. Oleh karena pembentukan amonia eksoterm, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah sebaliknya, yaitu penguraian amonia menjadi N2(g) dan H2(g).

Contoh Soal UNAS 2003

Perhatikan reaksi kesetimbangan berikut.

2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g)    ΔH = 150 kJ

Apabila pada volume tetap suhu dinaikkan maka kesetimbangan bergeser ke arah ....

A. kanan dan harga K tetap
B. kiri dan harga K makin kecil
C. kanan dan harga K makin besar
D. kiri dan harga K makin besar

Penyelesaian :

2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g)    ΔH = 150 kJ

Reaksi tersebut adalah reaksi endoterm. Apabila pada volume tetap suhu dinaikkan, reaksi akan bergeser ke arah kanan. Perubahan suhu menyebabkan harga K semakin besar karena reaksi tersebut bergeser ke kanan maka harga K bertambah. Jadi, jawabannya (B)

2.3. Gangguan terhadap Tekanan / Volume

Untuk sistem kesetimbangan yang melibatkan fasa padat atau cair, gangguan tekanan atau volume tidak berpengaruh, tetapi untuk sistem yang melibatkan fasa gas, gangguan tekanan terhadap sistem kesetimbangan sangat berpengaruh.

Perhatikan sistem reaksi kesetimbangan berikut.

2NO2(g) ↔ N2O4(g)

Jika tekanan sistem dinaikkan dengan cara memperkecil volume wadah, sistem akan bereaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh volume sekecil mungkin. Bagaimanakah sistem akan bertindak? Tekanan diperbesar atau volume wadah diperkecil, memacu sistem untuk memperkecil pengaruh tekanan dengan cara mengurangi jumlah molekul. Frekuensi dan jumlah molekul yang bertumbukan dengan dinding wadah makin sedikit sehingga kenaikan tekanan menjadi minimum. Dengan demikian, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah molekulnya paling sedikit.

Pada reaksi pembentukan N2O4, ke arah mana posisi kesetimbangan akan bergeser? Ingat, perbandingan koefisien reaksi menyatakan perbandingan jumlah molekul. Oleh karena itu, kesetimbangan akan bergeser ke arah pembentukan N2O4 sebab jumlah molekulnya setengah dari jumlah molekul NO2.

Contoh Soal Pengaruh Tekanan / Volume :

Perhatikan reaksi kesetimbangan berikut:

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)

Jika tekanan dalam sistem kesetimbangan diturunkan, bagaimanakah pergeseran kesetimbangannya?

Jawaban :

Penurunan tekanan akan menggeser posisi kesetimbangan ke arah yang jumlah molekulnya lebih banyak. Dalam sistem ini, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah pereaksi (N2 + H2).

Berdasarkan uraian tersebut, jika tekanan sistem meningkat, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah molekul yang lebih sedikit seperti ditunjukkan pada Gambar 9.
Ketika tekanan diperbesar atau volume diperkecil, sistem kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah molekulnya sedikit.
Gambar 9. Ketika tekanan diperbesar atau volume diperkecil, sistem kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah molekulnya sedikit.
Bagaimana jika jumlah molekul pereaksi sebanding dengan jumlah molekul hasil reaksi? Misalnya pada reaksi berikut.

H2(g) + I2(g) ↔ 2HI(g)

Jika jumlah molekul pereaksi sebanding dengan hasil reaksi atau jumlah koefisien pereaksi sama dengan hasil reaksi maka perubahan tekanan atau volume sistem tidak akan berpengaruh terhadap sistem kesetimbangan.

Bagaimana jika ke dalam sistem reaksi yang berada dalam kesetimbangan ditambahkan gas lembam (inert) seperti gas mulia (He, Ne, Ar)? Apakah sistem kesetimbangan terganggu? Jika gas inert seperti He, Ne, atau Ar dimasukkan ke dalam sistem reaksi yang berada dalam kesetimbangan, tekanan total sistem meningkat sebab jumlah molekul bertambah. Tekanan total sistem merupakan jumlah aljabar dari tekanan parsial masing-masing komponen. Menurut Dalton:

Ptotal = P1 + P2 + P3 + ….. + Pi.

Ptotal adalah tekanan total sistem.

P1, P2, ..., Pi adalah tekanan parsial masing-masing komponen gas.

Jika tekanan parsial dari komponen sistem berubah, komposisi gas akan berubah. Akibatnya, sistem kesetimbangan juga turut berubah. Hal ini karena tetapan kesetimbangan ditentukan oleh nilai tekanan parsial masing-masing komponen gas.

Gas inert tidak bereaksi dengan komponen gas yang terdapat dalam sistem kesetimbangan sehingga komposisi dari masing-masing komponen sistem kesetimbangan tidak berubah. Akibatnya, penambahan gas inert tidak memengaruhi keadaan kesetimbangan. Penambahan gas inert ke dalam sistem kesetimbangan hanya menambah satu komponen tekanan parsial, sedangkan komponen parsial gas dalam sistem kesetimbangan tidak berubah.

C. Hubungan Kuantitatif Pereaksi dan Hasil Reaksi

Pada awal bab, telah dijelaskan makna tetapan kesetimbangan secara kualitatif, yaitu perbandingan konsentrasi zat-zat yang terlibat dalam sistem reaksi kesetimbangan dipangkatkan dengan koefisien reaksinya. Pada sub bab ini, Anda akan menentukan secara kuantitatif hubungan antara konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi dalam sistem reaksi kesetimbangan.

3.1. Penentuan Tetapan Kesetimbangan, Kc

Masih ingatkah Anda cara menentukan tetapan kesetimbangan untuk sistem reaksi yang homogen dan heterogen? Perhatikan reaksi kesetimbangan berikut.

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)

Dapatkah Anda menuliskan persamaan tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut? Berapakah nilai tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut? Untuk dapat menjawab pertanyaan ini, Anda harus mengetahui konsentrasi molar masing-masing zat yang ada dalam keadaan setimbang. Konsentrasi molar zat-zat dalam sistem kesetimbangan hanya dapat diketahui dari hasil penyelidikan. Oleh karena itu, nilai tetapan kesetimbangan hanya dapat diketahui setelah Anda melakukan penyelidikan ilmiah.

Masih ingatkah Anda dengan penyelidikan gangguan konsentrasi terhadap reaksi kesetimbangan? Anda mereaksikan larutan Fe(NO3)3 dan larutan KSCN, dapat ditulis dalam bentuk persamaan ionnya:

Fe3+(aq) + SCN(aq) ↔ Fe(SCN)2+(aq)

Andaikan Anda mereaksikan Fe3+(aq) 0,1 M dan SCN(aq) 0,5 M pada suhu tertentu. Setelah reaksi mencapai keadaan setimbang, diketahui bahwa konsentrasi Fe3+(aq) dalam sistem menjadi 0,04 M. Apakah makna yang terkandung dalam hasil penyelidikan ini? Untuk memahami makna yang terkandung dalam penyelidikan Anda, simak diagram kesetimbangan pada Gambar 10.
Pereaksi A sebagian berubah menjadi B dan sisanya tetap sebagai A. Konsentrasi molar pada keadaan kesetimbangan adalah [A] sisa dan [B] hasil reaksi.
Gambar 10. Pereaksi A sebagian berubah menjadi B dan sisanya tetap sebagai A. Konsentrasi molar pada keadaan kesetimbangan adalah [A] sisa dan [B] hasil reaksi.
Konsentrasi awal masing-masing pereaksi adalah [Fe3+]0 = 0,1 M dan [SCN]0 = 0,5 M. Setelah reaksi mencapai kesetimbangan masih tersisa 0,04 M. Artinya, tidak semua Fe3+ habis bereaksi. Konsentrasi Fe3+ sisa tiada lain adalah konsentrasi Fe3+ dalam keadaan kesetimbangan: [Fe3+]kstb = 0,04 M, selebihnya telah berubah menjadi hasil reaksi, yaitu sebanyak [Fe3+]0 – [Fe3+]kstb = 0,06 M.

Berapa konsentrasi SCN dan konsentrasi Fe(SCN)2+ yang berada dalam kesetimbangan? Jawaban ini dapat diketahui berdasarkan koefisien reaksinya. Oleh karena rasio stoikiometri SCN terhadap Fe3+ = 1:1 maka konsentrasi SCN yang bereaksi dengan Fe3+ sama, yaitu 0,06 M sehingga konsentrasi SCN dalam kesetimbangan [Fe3+]kstb adalah 0,5 M – 0,06 atau M = 0,44 M.

Konsentrasi Fe(SCN)2+ dalam kesetimbangan, juga dapat dihitung berdasarkan rasio stoikiometrinya, hasilnya: [Fe(SCN)2+]kstb = 0,06 M. Data hasil penyelidikan dapat diungkapkan ke dalam bentuk diagram kesetimbangan sebagai berikut.
diagram kesetimbangan kimia
Untuk memudahkan perhitungan, data konsentrasi masing-masing zat dapat juga ditabulasikan ke dalam tabel seperti berikut.

Tabel 2. Contoh Tabulasi Data Sistem Kesetimbangan Fe3+ + SCN ↔ FeSCN2+

Spesi Kimia
Fe3
SCN
FeSCN2
Konsentrasi awal (M)
0,1
0,5
Konsentrasi yang berubah (M)
–0,06
–0,06
+0,06
Konsentrasi kesetimbangan (M)
0,04
0,44
0,06

Untuk menentukan nilai tetapan kesetimbangan, nilai konsentrasi masing-masing spesi dalam keadaan kesetimbangan dimasukkan ke dalam persamaan tetapan kesetimbangan.


Dengan demikian, tetapan kesetimbangan hanya dapat ditentukan berdasarkan hasil penyelidikan yang dilakukan pada suhu tetap.

Contoh Soal Menentukan Nilai Tetapan Kesetimbangan :

Perhatikan reaksi kesetimbangan berikut.

PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g)

Jika konsentrasi awal PCl5 0,1 M dan setelah kesetimbangan tercapai ditemukan gas Cl2 0,025 M, berapakah tetapan kesetimbangan untuk sistem tersebut?

Pembahasan :
  1. Gunakan rasio stoikiometri untuk menentukan: konsentrasi PCl5 yang terurai dan PCl5 sisa. konsentrasi PCl3 yang terbentuk.
  2. Hitung tetapan kesetimbangannya. Diagram reaksi kesetimbangan :
Diagram reaksi kesetimbangan PCl5

Oleh karena koefisien reaksi sama (RS = 1 : 1) maka konsentrasi molar PCl5 terurai dan PCl3 terbentuk sama dengan konsentrasi Cl2 dalam kesetimbangan, yakni 0,025M.

Konsentrasi PCl5 sisa adalah selisih [PCl5] awal dan [PCl5] terurai.

at
PCl5
PCl3
Cl2
[Awal] /M
0,1
[Berubah] / M
–0,025
+0,025
+0,025
[Setimbang]/M
0,075
0,025
0,025

Setelah konsentrasi molar masing-masing zat dalam keadaan kesetimbangan diketahui maka tetapan kesetimbangan dapat dihitung, yaitu:
Jadi, nilai Kc untuk reaksi tersebut adalah 120.

Pada uraian tersebut, sistem reaksi kesetimbangan memiliki rasio stoikiometri atau koefisien reaksi yang sama. Bagaimana jika koefisien reaksi dalam kesetimbangan berbeda? Simak contoh soal berikut.

Contoh Soal Menentukan Konsentrasi at dalam Kesetimbangan :

Ke dalam reaktor dengan volume 10 L diisi 4 mol HI. Pada 400°C terbentuk reaksi kesetimbangan menurut persamaan berikut:

2HI(g)  H2(g) + I2(g).

Berapakah konsentrasi masing-masing zat pada keadaan setimbang? Diketahui harga Kc = 0,695.

Penyelesaian :

1. Hitung konsentrasi molar HI awal.
2. Buat diagram reaksi kesetimbangan. Sisipkan konsentrasi zat yang diketahui dan buat pemisalan untuk zat yang tidak diketahui, misalnya [x].
3. Tentukan konsentrasi molar HI terurai, HI sisa, serta H2 dan I2 yang terbentuk berdasarkan rasio stoikiometrinya.

• Konsentrasi awal [HI]0 = 4 mol/10 L = 0,4 M.
• Diagram reaksi kesetimbangannya :
Diagram reaksi kesetimbangan 2HI
• Jika [HI] terurai 2x M maka [H2] dan [I2] terbentuk adalah x M, dan [HI] sisa = (0,4 – 2x) M.

Nilai x dapat ditentukan dari persamaan tetapan kesetimbangan, yaitu:


Jika persamaan di atas dihitung secara aljabar akan diperoleh persamaan kuadrat sebagai berikut:

1,78x2 – 1,11x + 0,11 = 0

Dengan menggunakan rumus persamaan kuadrat

 maka x1 = 0,5 atau x2 = 0,124

Jika nilai x1 diambil maka konsentrasi HI yang terurai 2(0,5) = 1,0 M, sedangkan konsentrasi HI awal lebih kecil, yakni 0,4 M (tidak realistik).

Oleh karena itu, nilai x yang mewakili penguraian HI adalah x2 = 0,124.

Dengan demikian, konsentrasi masing-masing zat dalam kesetimbangan adalah

[H2] = x = 0,124 M; [I2] = x = 0,124 M;
[HI] = 0,4 – 2x = 0,152 M

Contoh Soal Menentukan Konsentrasi at dan Tetapan Kesetimbangan :

Gas CO dan gas H2 bereaksi menurut persamaan berikut:

CO(g) + 3H2(g) ↔ CH4(g) + H2O(g)

Jika konsentrasi awal CO dan H2 masing-masing 0,75 M, dan setelah kesetimbangan dicapai diketahui terdapat H2  0,15 M. Berapakah konsentrasi molar masing-masing zat dalam kesetimbangan? Berapa tetapan kesetimbangannya?

Jawaban :

1. Buat diagram reaksi kesetimbangan.
2. Tentukan konsentrasi molar masing-masing zat dalam kesetimbangan.
3. Hitung tetapan kesetimbangan.

diagram reaksi kesetimbangan

Konsentrasi zat dalam keadaan kesetimbangan dapat ditentukan berdasarkan perbandingan koefisien reaksi terhadap konsentrasi molar H2O.

[H2O]Kstb = 0,15 M
[CH4]Kstb = 0,15 M
[CO]Kstb = (0,75 – 0,15) M
[H2]Kstb = (0,75 – 0,45) M

Hasilnya ditabulasikan dalam tabel berikut:

at
C0 (M)
Perubahan
C Kstb (M)
CO
0,75
0,15
0,60
H2
0,75
0,45
0,30
CH4

0,15
H2O

0,15

Harga tetapan kesetimbangannya sebagai berikut.


Contoh Soal UNAS 2004 :

Dalam suatu tempat tertutup, berlangsung kesetimbangan:

PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g)

jika volume diperkecil, dengan tetap menjaga suhu, maka:
  1. jumlah mol PCl3 berkurang
  2. harga Kc tidak berubah
  3. jumlah mol PCl5 bertambah
  4. jumlah mol Cl2 berubah
Pernyataan yang benar

A. 1, 2, dan 3
B. 1 dan 3
C. 2 dan 4
D. 1, 2, dan 4
E. 1, 2, 3, dan 4

Pembahasan :

Jika volume diperkecil, reaksi bergeser ke arah jumlah koefisien terkecil (ke arah kiri) akibatnya:

• jumlah mol PCl3 berkurang
• harga Kc tetap (karena suhu tetap)
• jumlah mol PCl5 bertambah
• jumlah mol Cl2 berkurang

Jadi, jawabannya (A)

3.2. Cara Memanipulasi Tetapan Kesetimbangan

Jika reaksi yang berada dalam kesetimbangan dipelajari dari arah sebaliknya atau konsentrasi molar zat-zat yang bereaksi digandakan dengan faktor tertentu, bagaimana nilai tetapan kesetimbangannya? Semua manipulasi ini akan memengaruhi nilai tetapan kesetimbangan.

a. Pembalikan Arah Reaksi Kesetimbangan

Jika persamaan reaksi kesetimbangan dikaji dari arah yang berlawanan maka nilai tetapan kesetimbangan yang baru merupakan kebalikkan dari tetapan semula.

Contoh :

Tinjau sistem reaksi kesetimbangan berikut.

PCl3(g) + Cl2(g) ↔ PCl5(g)

Persamaan untuk tetapan kesetimbangannya:
Jika dipelajari dari arah sebaliknya, PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g)

Maka persamaan tetapan kesetimbangannya:
Toksisitas CO

Manusia, seperti halnya makhluk hidup lainnya membutuhkan oksigen yang diperoleh melalui proses bernapas. Setiap manusia bernapas sekitar 500 mL udara masuk ke dalam paru-paru. Dari nilai tersebut hanya sekitar 3% terlarut dalam darah selebihnya berikatan dengan molekul hemoglobin (Hb). Reaksi oksigen dengan hemoglobin merupakan suatu sistem kesetimbangan.

Hb + O2 ↔ HbO2

Apakah yang terjadi apabila dalam udara yang kita hirup terdapat gas CO? Hemoglobin memiliki afinitas yang lebih besar terhadap CO dibanding O2. Akibatnya, sistem kesetimbangan mengalami gangguan berupa pengurangan konsentrasi Hb. Menurut asas Le Chatelier gangguan tersebut akan menyebabkan kesetimbangan bergeser ke arah kiri. Ini berarti, pasokan O2 kepada sel tubuh berkurang. Apabila keadaan berlanjut dapat menyebabkan kematian. (Sumber: Chemistry The Central Science, 2000)

b. Perkalian dengan Faktor Tertentu

Jika persamaan reaksi kesetimbangan dikalikan dengan faktor tertentu, nilai tetapan kesetimbangan yang baru merupakan pangkat dari faktor pengali. Perhatikan contoh berikut:

SO2(g) + ½ O2(g) ↔ SO3(g)     (A)

Jika persamaan dikalikan dengan faktor 2 maka persamaan reaksi kesetimbangan menjadi:

2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g)    (B)

Persamaan tetapan kesetimbangan untuk reaksi (A) dan (B) berturut-turut sebagai berikut.

 dan 

Secara umum dapat dutulis sebagai Kc = (Kc)n, n sebagai faktor pengali.

c. Penjumlahan Reaksi Kesetimbangan

Dua atau lebih persaman reaksi kesetimbangan dapat dijumlahkan menjadi satu persamaan. Hal ini dapat dilakukan jika zat-zat dalam sistem reaksi mengandung unsur-unsur yang sama. Perhatikan contoh berikut.

(a)
N2(g) + O2(g) ↔ 2NO(g)
K1
(b)
2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g)
K2
(c)
N2(g) + 2O2(g) ↔ 2NO2(g)
K3

Persamaan tetapan kesetimbangan untuk ketiga sistem reaksi di atas adalah :
Persamaan tetapan kesetimbangan
Untuk mengetahui hubungan antara K1, K2, K3 dapat dilakukan perkalian antara K1 dan K2.
hubungan antara K1 dan K2
Hasil perkalian K1 dan K2 tiada lain adalah persamaan tetapan untuk K3  Dengan demikian, harga K3 merupakan hasil perkalian K1 dan K2.

Contoh Soal Memanipulasi Tetapan Kesetimbangan :

Tentukan nilai Kc untuk reaksi kesetimbangan:

½ N2(g) + ½ O2(g) + ½ Br2 (g) ↔ NOBr(g)

Diketahui :

(a) 2NO(g) ↔ N2(g) + O2(g)            K(a) = 24
(b) NO(g) + ½ Br2(g) ↔ NOBr(g)      K(b)= 1,4

Jawaban :

Bentuk persamaan reaksi yang ditanyakan adalah setengah dan kebalikan dari persamaan (a), serta penjumlahan dengan persamaan (b).

½ N2(g) + ½ O2(g)
NO(g)
NO(g) + ½ Br2(g)
NOBr(g)
½ N2(g) + ½ O2(g) + ½ Br2 (g)
NOBr(g)

Perkalian dengan faktor 1/2 dan pembalikan arah reaksi (a) menghasilkan tetapan kesetimbangan :
Penjumlahan dengan reaksi (b) menghasilkan tetapan kesetimbangan berikut:

Kc = K(a) × K(b) = 0,2 ×1,4 = 0,28

Jadi, nilai tetapan kesetimbangan(Kc) untuk reaksi pembentukan NOBr dari unsur-unsurnya adalah 0,28.

3.3. Tetapan Kesetimbangan dalam Bentuk Tekanan Parsial (Kp)

Pada topik sebelumnya, Anda sudah mengenal istilah tekanan parsial, yaitu tekanan salah satu komponen sistem yang terdapat dalam campuran gas. Selain dengan konsentrasi molar, tetapan kesetimbangan untuk sistem reaksi yang melibatkan gas dapat dinyatakan dengan tekanan parsial masing-masing komponen gas.

Simak sistem reaksi kesetimbangan berikut:

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)

Bagaimanakah persamaan tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut yang diungkapkan dalam bentuk tekanan parsial komponen gas?

Pada dasarnya tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan parsial tidak berbeda dengan tetapan kesetimbangan dalam konsentrasi molar.

Dalam bentuk tekanan parsial diungkapkan sebagai berikut.
tekanan parsial
Kp adalah tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan parsial. (PNH3)2, PN2, P (H2)3 adalah tekanan parsial masing-masing komponen gas dalam kesetimbangan yang dipangkatkan dengan koefisien reaksinya.

Contoh Soal Menentukan Tekanan Parsial Gas dalam Sistem Kesetimbangan :

Uap HCl dapat bereaksi dengan uap amonia menurut persamaan:

HCl(g) + NH3(g) ↔ NH4Cl(s)

Jika nilai Kp = 0,15, berapakah tekanan parsial komponen gas dalam sistem kesetimbangan tersebut?

Penyelesaian :
  1. Lakukan pemisalan untuk menentukan tekanan parsial masing-masing komponen.
  2. Hitung tekanan parsial masing-masing komponen gas menggunakan tetapan kesetimbangan.
Oleh karena NH4Cl zat murni, tidak perlu dihitung dalam tetapan kesetimbangan.

Koefisien reaksi HCl dan NH3 sama sehingga tekanan parsialnya juga sama, misalnya x atm.

Persamaan tetapan kesetimbangan untuk reaksi ini adalah sebagai berikut.
Persamaan tetapan kesetimbangan

Dengan demikian, tekanan parsial HCl dan NH3 besarnya sama yaitu 2,58 atm.

3.4. Hubungan Kp dan Kc

Dalam reaksi kesetimbangan yang melibatkan gas, nilai Kp dan Kc dapat sama atau beda. Tinjau persamaan reaksi hipotetik berikut.

αA + βB  γC + δD

Tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut dalam bentuk tekanan parsial dan konsentrasi molar adalah sebagai berikut.
Tetapan kesetimbangan
Bagaimanakah hubungan antara Kp dan Kc dalam sistem reaksi yang sama? Apakah memiliki nilai yang sama atau beda?

Masih ingatkah Anda tentang persamaan gas ideal yang berguna untuk menentukan volume molar gas nonstandar? Persamaan tersebut dapat menujukkan hubungan tekanan dan konsentrasi molar gas.

Persamaannya adalah Pv = nRT.

Persamaan ini dapat diubah menjadi:

P = (n/v) RT atau P=[C]RT

Tekanan parsial A dapat ditulis sebagai: PA = [A] RT.

Dengan memasukkan persamaan tekanan parsial komponen gas ke dalam persamaan Kp, diperoleh:
Tetapan kesetimbangan

Persaman tersebut masih dapat disederhanakan menjadi:

Kp = Kc(RT)Δn , Δn adalah selisih koefisien reaksi.

Δn = Jumlah mol hasil reaksi – jumlah mol pereaksi

Contoh Soal Menghitung Tetapan Kesetimbangan Sistem Gas :

Tuliskan rumus persamaan Kp dan Kc untuk reaksi:

2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g)

Bagaimanakah hubungan antara Kp dan Kc untuk reaksi tersebut?

Jawaban :

hubungan antara Kp dan Kc


Pada persamaan reaksi di atas , Δn = (2 – 3) = –1.

Dengan demikian, Kp = Kc(RT)–1.

Contoh Soal Menghitung Tetapan Kesetimbangan Sistem Gas :

Pada 300K, nilai Kp untuk reaksi oksidasi SO2 tersebut adalah 7,5.

Tentukan nilai Kc.

Penyelesaian :

Hubungan Kdan Kc adalah Kp = Kc (RT)–1

Nilai Kc untuk reaksi tersebut:

7,5 = Kc(0,082 L atm K–1 mol–1 × 300 K)–1
Kc = 0,3

Jadi, nilai tetapan kesetimbangan dalam konsentrasi molar sebesar 0,3 (nilai Kc tidak sama dengan Kp).

D. Penerapan Reaksi Kesetimbangan di Industri Kimia

Reaksi-reaksi yang berkesetimbangan merupakan masalah bagi industri, mengapa? Industri memerlukan produk yang efektif dan efisien dengan biaya semurah-murahnya. Dalam reaksi kesetimbangan, produk yang dihasilkan tidak efektif karena dapat membentuk kembali pereaksi.

Untuk menghasilkan produksi yang maksimal diperlukan pengetahuan untuk menggeser posisi kesetimbangan ke arah produk.

4.1. Penerapan Reaksi Kesetimbangan di Industri Amonia

Amonia merupakan bahan dasar untuk pembuatan pupuk, sebagai pelarut, pembersih, dan banyak lagi produk sintetik yang menggunakan bahan dasar amonia. Amonia disintesis dari gas N2 dan H2 melalui proses Haber seperti ditunjukkan pada Gambar 11, reaksinya membentuk kesetimbangan.
proses Haber
Gambar 11. Diagram sintentis amonia (proses Haber).
Secara termokimia, pembentukan amonia bersifat eksotermis. Persamaan termokimianya sebagai berikut.

N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)            ΔH25 = –92,2 kJ

Masalah utama sintesis amonia adalah bagaimana menggeser posisi kesetimbangan ke arah kanan agar dihasilkan amonia semaksimal mungkin. Apakah Anda punya gagasan atau saran untuk hal ini?

Saran pertama tentu pereaksi harus dipasok terus menerus agar posisi kesetimbangan bergeser ke arah pembentukan amonia. Saran kedua, suhu dan tekanan sistem harus optimal. Bagaimana caranya?

a. Optimasi Suhu

Oleh karena pembentukan amonia bersifat eksoterm maka untuk mengoptimalkan produksi amonia, suhu reaksi harus tinggi atau rendah? Tentunya harus rendah karena suhu reaksi yang tinggi akan menggeser kesetimbangan ke arah reaksi endoterm (penguraian amonia).

Jika suhu terlalu rendah, reaksi berlangsung sangat lambat (hampir tidak bereaksi). Jika suhu terlalu tinggi, reaksi bergeser ke arah penguraian amonia. Jadi, bagaimana cara yang efektif dan efisien? Dalam kasus seperti ini, perlu ditentukan suhu optimum (tidak terlalu tinggi, juga tidak terlalu rendah). Hasil penyelidikan menunjukkan bahwa suhu optimum pembentukan amonia sekitar 450 oC – 500 oC (perhatikan Gambar 12).
Kurva optimasi pada sintesis amonia (a) Tekanan (b) Suhu
Gambar 12. Kurva optimasi pada sintesis amonia (a) Tekanan (b) Suhu.
b. Optimasi Tekanan

Selain optimasi suhu, tekanan juga perlu dioptimasi, mengapa? Ini dikarenakan sintesis amonia melibatkan fasa gas dan rasio stoikiometri antara pereaksi dan hasil reaksi tidak sama. Koefisien reaksi pembentukan amonia lebih kecil dari koefisien pereaksi sehingga tekanan harus tinggi. Dalam praktiknya, tekanan yang diterapkan sekitar 250 atm (perhatikan Gambar 12a).

Mengapa tekanan yang diterapkan tidak lebih tinggi lagi? Hal ini berkaitan dengan aspek teknologi. Semakin tinggi tekanan maka diperlukan peralatan yang sangat kuat agar tidak terjadi ledakan.

4.2. Penerapan Reaksi Kesetimbangan di Industri Asam Sulfat

Di Indonesia, asam sulfat merupakan salah satu bahan baku untuk membuat pupuk, pigmen dan cat, pembuatan besi dan baja, pembuatan pulp dan kertas, pengisi sel accumulator, pelarut, pengatur pH di dalam proses industri, pendehidrasi, serta pembuatan produk-produk kimia lainnya, seperti amonium sulfat dan kalsium hidrofosfat.
Diagram proses kontak (sintesis asam sulfat)
Gambar 13. Diagram proses kontak (sintesis asam sulfat).
Pembuatan asam sulfat di industri dikembangkan melalui proses kontak seperti pada Gambar 13, dengan tiga tahap utama sebagai berikut.

1. Pembentukan belerang dioksida, persamaan reaksinya adalah

S(l) + O2(g) → SO2(g)

2. Pembentukan belerang trioksida, persamaan reaksinya adalah

SO2(g) + O2(g) ↔ SO3(g)          ΔH = –190 kJ

3. Pembentukan asam sulfat, melalui zat antara, yaitu asam pirosulfat.

Persamaan reaksinya adalah

SO3(g) + H2SO4(aq) → H2S2O7(aq)
H2S2O7(aq) + ½ O(l) → 2H2SO4(aq)

Dari ketiga tahapan tersebut, tahap dua merupakan tahap yang menentukan efisiensi produk asam sulfat sebab membentuk reaksi kesetimbangan. Jika optimasi sistem reaksi tepat maka akan diperoleh gas SO3 yang maksimal. Bagaimana cara mengoptimasi pembentukan SO3 pada tahap kedua tersebut?

a. Optimasi Suhu

Oleh karena pembentukan SO3 bersifat eksoterm, efektivitas pembentukan SO3 dioperasikan pada suhu rendah. Kendalanya, sama seperti pada kasus pembuatan amonia. Jika suhu terlalu rendah maka reaksi berlangsung sangat lambat. Akan tetapi, jika suhu terlalu tinggi, reaksi bergeser ke arah penguraian SO3  Selain itu, katalis menjadi tidak berfungsi. Berdasarkan hasil penyelidikan, suhu optimum pembentukan. SO3 sekitar 450 °C – 500 °C (perhatikan Gambar 14).
Kurva optimasi suhu pada sintesis asam sulfat
Gambar 14. Kurva optimasi suhu pada sintesis asam sulfat.
b. Optimasi Tekanan

Berdasarkan data koefisien reaksi, Anda dapat menduga bahwa tekanan yang dioperasikan harus tinggi, agar posisi kesetimbangan bergeser ke arah produk. Umumnya, tekanan yang dioperasikan berkisar antara 2–3 atm. Tekanan tinggi tidak dapat dioperasikan dalam proses ini sebab peralatannya tidak mendukung (SO3 bersifat korosif terhadap logam).

4.3. Penerapan Reaksi Kesetimbangan di Industri Asam Nitrat

Asam nitrat banyak digunakan dalam pembuatan pupuk, nitrasi senyawa organik untuk bahan eksplosif, plastik, celupan, dan pernis, juga sebagai bahan oksidator dan pelarut. Di industri, pembuatan asam nitrat menggunakan proses Ostwald, yaitu pembuatan asam nitrat dari bahan mentah amonia dan udara. Proses pembuatan asam nitrat melalui tiga tahapan, yaitu:

a. Tahap pembentukan nitrogen oksida.

Campuran amonia dan udara berlebih dialirkan melewati katalis Pt–Rh pada suhu 850 °C dan tekanan 5 atm. Persamaan reaksinya:

4NH3(g) + 5O2(g) ↔ 4NO(g) + 6H2O(l)             ΔH= 907 kJ (pada 25 °C)

b. Tahap pembentukan nitrogen dioksida

Nitrogen monoksida dioksidasi kembali dengan udara membentuk gas nitrogen dioksida. Persamaan reaksinya:

2NO(g) + O2(g)  2NO2(g) ΔH= –114,14 kJ (pada 25°C)

c. Tahap pembentukan asam nitrat

Nitrogen dioksida bersama-sama dengan udara berlebih dilarutkan dalam air panas 80 °C membentuk asam nitrat. Persamaannya:

4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l) → 4HNO3(aq)

Pada proses Ostwald, ada dua tahap reaksi yang membentuk kesetimbangan, yaitu tahap satu dan tahap dua. Kedua tahap itu bersifat eksotermis dan memiliki koefisien reaksi yang berbeda, yaitu koefisien hasil reaksi lebih kecil dari koefisien pereaksi.

Pada tahap dua, reaksi tidak efisien pada suhu tinggi, sehingga gas NO panas yang terbentuk pada tahap pertama didinginkan dengan memasok udara dingin, sekaligus berfungsi untuk mengoksidasi gas NO menjadi NO2.

Rangkuman :
  1. Dalam reaksi kimia ada yang satu arah, reaksi dua arah, dan reaksi yang membentuk kesetimbangan dinamis.
  2. Reaksi yang membentuk kesetimbangan dinamis adalah reaksi dua arah dalam waktu bersamaan dengan laju yang sama.
  3. Kesetimbangan dinamis adalah keadaan suatu pereaksi dan hasil reaksi yang secara makroskopik tidak berubah, tetapi keadaan mikroskopiknya berubah setiap saat dalam dua arah dengan laju sama.
  4. Tetapan kesetimbangan adalah suatu besaran yang harganya tetap, diperoleh dari perbandingan konsentrasi produk terhadap konsentrasi pereaksi dan masingmasing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya.
  5. Harga tetapan kesetimbangan diperoleh dari hukum aksi massa yang harganya tetap selama suhu reaksi tidak berubah.
  6. Kesetimbangan kimia sistem heterogen untuk zat padat murni atau cairan murni tidak berubah, sehingga tidak memengaruhi nilai tetapan kesetimbangan. Oleh karena itu, tidak terlibat dalam persamaan tetapan kesetimbangan.
  7. Faktor-faktor yang dapat memengaruhi keadaan kesetimbangan adalah perubahan konsentrasi, suhu, dan tekanan atau volume.
  8. Menurut Le Chatelier, jika sistem reaksi kesetimbangan diganggu, sistem akan berusaha mengurangi gangguan itu dengan cara melakukan pergeseran posisi kesetimbangan, baik ke arah pereaksi maupun ke arah produk sampai dengan tercapai keadaan kesetimbangan yang baru.
  9. Tetapan kesetimbangan dalam bentuk molaritas (Kc) dihitung berdasarkan konsentrasi molar zat-zat hasil reaksi dibagi konsentrasi molar zat-zat pereaksi sisa yang masih terdapat dalam sistem kesetimbangan, masing-masing dipangkatkan oleh koefisien reaksinya.
  10. Tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan (Kp) dihitung berdasarkan tekanan parsial gas-gas hasil reaksi dibagi tekanan parsial gas-gas pereaksi sisa yang masih ada dalam sistem kesetimbangan masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya.
  11. Hubungan Kp dan Kc dinyatakan melalui persamaan : Kp = Kc (RT)Δn, R adalah tetapan gas, T = suhu sistem reaksi, dan Δn adalah selisih koefisien reaksinya.
  12. Dalam industri kimia, banyak reaksi kimia yang membentuk keadaan setimbang sehingga perlu dilakukan upaya untuk menggeser posisi kesetimbangan ke arah produk. Hal ini dapat dilakukan dengan mengoptimasi suhu, tekanan, dan penambahan katalis.
Anda sekarang sudah mengetahui Kesetimbangan Kimia. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.

Referensi :

Sunarya, Y. dan A. Setiabudi. 2009. Mudah dan Aktif Belajar Kimia 2 : Untuk Kelas XI Sekolah Menengah Atas/Madrasah Aliyah Program Ilmu Pengetahuan Alam. Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta. p. 250.

No comments:

Post a Comment

Berkomentarlah secara bijak. Komentar yang tidak sesuai materi akan dianggap sebagai SPAM dan akan dihapus.
Aturan Berkomentar :
1. Gunakan nama anda (jangan anonymous), jika ingin berinteraksi dengan pengelola blog ini.
2. Jangan meninggalkan link yang tidak ada kaitannya dengan materi artikel.
Terima kasih.