kf kesetimbangan
DESCRIPTION
Kf KesetimbanganTRANSCRIPT
1. Pengertian Kesetimbangan
Kesetimbangan kimia adalah suatu keadaan di mana tidak ada perubahan yang
teramati selama bertambahnya waktu reaksi. Jika suatu kimia telah mencapai keadaan
kesetimbangan maka konsentrasi reaktan dan produk menjadi konstan sehingga tidak ada
perubahan yang teramati dalam sistem. Meskipun demikian, aktivitas molekul tetap berjalan,
molekul-molekul reaktan berubah mnjadi produk secara terus-menerus sambil molekul-
molekul produk berubah menjadi reaktan kembali dengan kecepatan yang sama.
Sedikit sekali reaksi kimia yang berjalan ke satu arah saja, kebanyakan adalah reaksi
dapat balik. Pada awal reaksi dapat balik, reaksi berjalan ke arah pembentukan produk. Sesaat
setelah produk tersebut, pembentukan reaktan produk juga mulai berjalan. Jika kecepatan
reaksi maju dan reaksi balik adalah sama, dan dikatakan bahwa kesetimbangan kimia telah
dicapai. Harus diingat bahwa kesetimbangan kimia melibatkan beberapa zat yang berbeda
sebagai reaktan dan produk. Kesetimbangan antara dua fase zat-zat yang sama disebut
kesetimbangan fisika, perubahan yang terjadi adalah proses fisika. Dalam peristiwa ini,
molekul air yang meninggalkan fase cair adalah sama dengan jumlah molekul yang kembali
ke fase cair.
H2O(C) ↔ H2O(g)
Perhatian para kimiawi tercurah kepada proses kesetimbangan kimia, misalnya reaksi
dapat dibalik yang melibatkan nitrogen disebut oksida (NO2) dan nitrogen tetraosida (N2O4)
yang dinyatakan sebagai berikut.
N2O4(g) ↔ 2NO2(g)
Kemajuan reaksi ini mudah dimonitor karena N2O4 adalah suatu gas tak berwarna,
sedangkan NO2 adalah gas berwarna coklat tua. Andaikan sejumah tertentu gas
N2O4 diinjeksikan ke dalam labu tertutup, maka segera tampak warna coklat yang
menunjukkan terbentuknya molekul NO2. Intensitas warna terus meningkat dengan
berlangsungnya peruraian N2O4 terus-menerus sampai kesetimbangan tercapai. Pada keadaan
ini, tidak ada lagi perubahan warna yang diamati.
Ciri-ciri keadaan suatu reaksi bolak-balik dikatakan setimbang sebagai berikut.
Terjadi dalam wadah tertutup, pada suhu dan tekanan tetap.
Reaksinya berlangsung terus-menerus (dinamis) dalam dua arah yang berlawanan.
Laju reaksi ke reaktan sama dengan laju reaksi ke produk.
Konsentrasi produk dan reaktan tetap.
Terjadi secara mikroskopis pada tingkat partikel zat.
2. Kesetimbangan Dinamis
Ada beberapa istilah yang harus dipahami 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.
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).
Contoh: 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.
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.
Tinjau reaksi pembentukan belerang trioksida berikut.
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 dibawah ini:
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 kurva dibawah ini:
3. Kesetimbangan Sistem Homogen dan Heterogen
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.
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.
Persamaan tetapan kesetimbangan untuk sistem reaksi homogen diatas :
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. 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.
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:
4. Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Kesetimbangan
Henry Louis Le Chatelier, ahli kimia Prancis (1852 – 1911) mengemukakan suatu
pernyataan mengenai perubahan yang terjadi pada sistem kesetimbangan jika ada pengaruh
dari luar. Pernyataan ini dikenal sebagai Azas Le Chatelier yang berbunyi: “Jika suatu sistem
kesetimbangan menerima suatu aksi maka sistem tersebut akan mengadakan reaksi, sehingga
pengaruh aksi menjadi sekecil-kecilnya”.
Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi sistem kesetimbangan adalah perubahan
suhu, perubahan konsentrasi, perubahan tekanan, dan perubahan volum.
a) Pengaruh Perubahan Suhu
Reaksi kesetimbangan dapat merupakan reaksi eksoterm maupun endoterm. Pada
reaksi-reaksi ini perubahan suhu sangat berpengaruh. Contohnya pada reaksi kesetimbangan
antara gas nitrogen dioksida dan dinitrogen tetraoksida dengan reaksi:
Pada suhu kamar, sistem kesetimbangan tersebut berwarna coklat. Berdasarkan persamaan
reaksi diatas, dilakukan percobaan dan diperoleh data sebagai berikut.
Jika suhu dinaikkan, warna coklat bertambah artinya gas NO2 bertambah.
Jika suhu diturunkan, warna coklat berkurang artinya gas N2O4 bertambah.
Dengan melihat reaksi eksoterm dan endoterm pada reaksi tersebut, maka dapat disimpulkan:
Jika suhu dinaikkan, kesetimbangan bergeser ke arah reaksi endoterm.
Jika suhu diturunkan, kesetimbangan bergeser ke arah reaksi eksoterm.
b) Pengaruh Perubahan Konsentrasi
Untuk mempelajari pengaruh perubahan konsentrasi pada kesetimbangan, perhatikan
percobaan penambahan ion-ion dan zat lain pada sistem kesetimbangan berikut.
Sesuai dengan azas Le Chatelier jika salah satu zat konsentrasinya diperbesar, reaksi akan
bergeser ke arah yang berlawanan, jika salah satu zat konsentrasinya diperkecil, reaksi akan
bergeser kearah zat tersebut.
Jika pada sistem kesetimbangan salah satu komponen ditambah, kesetimbangan akan
bergeser ke arah yang berlawanan.
Jika pada sistem kesetimbangan salah satu komponennya dikurangi, kesetimbangan akan
bergeser ke arah komponen tersebut.
c) Pengaruh Perubahan 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.
Jika tekanan sistem dinaikkan dengan cara memperkecil volume wadah, sistem akan
bereaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh volume sekecil mungkin. 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, 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.
Berdasarkan uraian tersebut, jika tekanan sistem meningkat, posisi kesetimbangan akan
bergeser ke arah jumlah molekul yang lebih sedikit. Bagaimana jika jumlah molekul pereaksi
sebanding dengan jumlah molekul hasil reaksi? Misalnya pada reaksi berikut.
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.
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.
5. 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.
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:
6. Tekanan Parsial
Tekanan parsial, yaitu tekanan salah satu komponen sistem yang terdapat dalam
campuran gas. Selain dengan konsentrasi molar, tetapan kesetimbanganuntuk sistem reaksi
yang melibatkan gas dapat dinyatakan dengan tekanan parsial
masing-masing komponen gas. Simak sistem reaksi kesetimbangan berikut:
Pada dasarnya tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan parsial tidak berbeda dengan
tetapan kesetimbangan dalam konsentrasi molar. Dalam bentuk tekanan parsial diungkapkan
sebagai berikut.
Kp adalah tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan parsial. (PNH3)2, (PN2) , (PH2)
adalah tekanan parsial masing-masing komponen gas dalam kesetimbangan yang
dipangkatkan dengan koefisien reaksinya.
Hubungan Kc dan Kp
Dalam reaksi kesetimbangan yang melibatkan gas, nilai Kp dan Kc dapat sama atau
beda. Tinjau persamaan reaksi hipotetik berikut.
Tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut dalam bentuk tekanan parsial dan konsentrasi
molar adalah sebagai berikut.
Persamaan tersebut dapat menujukkan hubungan tekanan dan konsentrasi molar gas.
Persamaannya adalah PV = nRT. Persamaan ini dapat diubah menjadi:
Persaman tersebut masih dapat disederhanakan menjadi : Kp = Kc(RT)Δn, Δn adalah selisih
koefisien reaksi.
7) Reaksi yang mendekati keseimbangan
Variasi komposisi terhadap waktu di dekat keseimbangan dapat dibahas suatu reaksi
A ↔ B baik reaksi ke depan maupun reaksi sebaliknya mempunyai orde pertama.
A ⟶ B v = k [A]
B ⟶ A v = k’ [B]
Laju perubahan [A] mempunyai dua pernyataan, yaitu laju ini dihabiskan oleh reaksi ke
depan pada laju k[A], tetapi diisi kembali oleh reaksi sebaliknya pada laju k’[B]. Jadi, laju
perubahan dinyatakan sebagai berikut :
Jika konsentrasi awal A adalah [A]0 dan pada awalnya tidak terdapat B, maka pada setiap
waktu : [A] + [B] = [A]0. Oleh karena itu :
Penyelesaian persamaan orde pertama ini, adalah :
Didapatkan bahwa :
Dengan demikian, konstanta keseimbangan reaksinya adalah :
Persamaan tersebut berguna jika diketahui konstanta keseimbangan, maka satu konstanta laju dapat diukur, sehingga konstanta laju yang lain dapat dihitung.
Perhitungan serupa dapat diketahui untuk jenis keseimbangan yang lain. Untuk reaksi :
A + B ↔ C + D
Yang merupakan reaksi orde kedua dalam dua arah, laju perubahan konsentrasi A sebagai hasil reaksi ke depan dan sebaliknya, adalah :
Reaksi ke depan (ke produk) :
Reaksi sebaliknya ( ke pereaksi) :
Reaksi neto (produk - pereaksi) :
Pada keseimbangan, laju perubahan neto adalah nol. Jadi pada keseimbangan :
Sehingga,