Kesetimbangan Kimia
Dalam
tulisan ini, kita akan mempelajari pengertian kesetimbangan kimia, contoh
aplikasi kesetimbangan kimia dalam industri, menentukan dan menghitung besarnya
konstanta kesetimbangan kimia, mempelajari berbagai jenis kesetimbangan kimia,
memanipulasi persamaan kesetimbangan kimia, serta mengkaji faktor-faktor yang
dapat menggeser kesetimbangan kimia.
Salah satu
proses yang sangat berguna dalam industri kimia adalahproses Haber, yaitu sintesis
gas amonia dari gas nitrogen dan gas hidrogen. Reaksi kimia yang terjadi
dalam proses Haber adalah sebagai berikut :
N2(g) +
3 H2(g) ——-> 2 NH3(g)
Dengan cara
penulisan ini, reaksi kimia menunjukkan bahwa gas hidrogen dan gas nitrogen
bereaksi untuk menghasilkan gas amonia, dan hal ini akan terus berlangsung
sampai salah satu atau kedua reaktannya habis. Tetapi, sesungguhnya, hal ini
tidak sepenuhnya benar.
Apabila
reaksi ini dilakukan dalam ruang tertutup (sebab reaktan maupun gas sama-sama
berbentuk gas), gas nitrogen dan gas hidrogen akan bereaksi membentuk gas amonia.
Namun, sebagian dari gas amonia tersebut akan segera terurai menjadi gas
nitrogen dan gas hidrogen kembali, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan
reaksi berikut :
2 NH3(g) ——->
N2(g) + 3 H2(g)
Oleh sebab
itu, di dalam ruang tertutup tersebut, sesungguhnya terjadi dua reaksi yang
saling berlawanan, yaitu gas nitrogen dan gas hidrogen bergabung menghasilkan
gas amonia dan gas amonia terurai menghasilkan gas nitrogen dan gas hidrogen.
Kedua reaksi tersebut dapat dituliskan secara bersamaan dengan menggunakan dua
mata anak panah sebagai berikut :
N2(g) +
3 H2(g) <——> 2 NH3(g)
Gas nitrogen
dan gas hidrogen diletakkan di sisi kiri karena bahan itulah yang mula-mula
dimasukkan ke dalam tempat reaksi. Kedua reaksi tersebut terjadi dengan
kecepatan yang berbeda. Namun, cepat atau lambat, kecepatan kedua reaksi
tersebut akan sama dan jumlah relatif dari gas nitrogen, gas hidrogen, dan gas
amonia menjadi tetap (konstan). Ini merupakan contoh kesetimbangan kimia.
Kesetimbangan
kimia dinamis tercapai pada saat dua reaksi kimia yang berlawanan
terjadi pada tempat dan waktu yang sama dengan laju reaksi yang sama.
Ketika sistem mencapaikesetimbangan, jumlah masing-masing spesi kimia
menjadi konstan (tidak perlu sama).
Kadang-kadang,
terdapat banyak produk (spesi kimia yang ada di sisi kanan tanda panah
bolak-balik) ketika reaksi mencapaikesetimbangan. Tetapi, kadang-kadang,
produknya justru sangat sedikit. Jumlah relatif dari produk dan reaktan dalamkesetimbangan dapat
ditentukan dengan menggunakankonstanta kesetimbangan kimia (K) untuk
reaksi tersebut.
Secara umum,
untuk reaksi kesetimbangan hipotetis berikut :
a A
+ b B <——> c C + d D
Huruf besar
menunjukkan spesi kimia dalam kesetimbangan kimiadan huruf kecil
menyatakan koefisien reaksi pada reaksi kimia setara. Konstanta
kesetimbangan kimia (Keq) secara matematis dapat dinyatakan
dalam persamaan berikut :
Keq =
[C]c [D]d / [A]a [B]b
Persamaan Keq dirumuskan
oleh dua ahli kimia berkebangsaan Norwegia, yaitu Cato Guldberg dan Peter
Waage, pada tahun 1864. Persamaan ini merupakan pernyataan matematis dari hukum
aksi massa (law of mass action), yang menyatakan bahwa pada
reaksi reversibel (bolak-balik, dua arah) yang mencapai keadaankesetimbangan pada
temperatur tertentu, perbandingan konsentrasi reaktan dan produk memiliki nilai
tertentu (konstan), yaitu Keq (konstanta kesetimbangan
kimia).
Bagian
pembilang mengandung produk dari kedua spesi kimia yang berada di sisi kanan
persamaan dengan masing-masing spesi kimia dipangkatkan dengan koefisien
reaksinya dalam persamaan reaksi berimbang. Penyebutnya juga sama, tetapi
digunakan spesi kimia yang berada di sebelah kiri persamaan reaksi. Oleh karena
satuan yang digunakan dalam konstanta kesetimbangan kimia adalahkonsentrasi (molaritas),
para ahli kimia menggunakan notasi Kcsebagai pengganti Keq.
Nilai angka
dari konstanta kesetimbangan kimia memberikan petunjuk tentang jumlah
relatif dari produk dan reaktan. Nilai Kcjuga memberikan
petunjuk apakah kesetimbangan cenderung ke arah reaktan atau produk.
Apabila nilai Kc jauh melebihi satu (Kc>>
1), kesetimbangan akan cenderung ke kanan (produk), sehingga jumlah
produk lebih besar dibandingkan reaktan. Sebaliknya, apabila nilai Kc jauh
di bawah satu (Kc << 1),kesetimbangan akan cenderung
ke kiri (reaktan), sehingga jumlah reaktan lebih besar dibandingkan reaktan.
Konsep kesetimbangan
kimia sangat berguna dalam ilmu kimia.Konstanta kesetimbangan kimia digunakan
dalam menyelesaikan berbagai permasalahan stoikiometri yang melibatkan sistemkesetimbangan.
Dalam menggunakan Kc, konsentrasi reaktan dan produk saat kesetimbangan dilibatkan.
Berdasarkan fasa spesi kimia yang terlibat dalam reaksi, sistem kesetimbangan dapat
dibedakan menjadi dua, antara lain :
1. Kesetimbangan Homogen
Semua
spesi kimia berada dalam fasa yang sama. Salah satu contoh kesetimbangan
homogen fasa gas adalah sistemkesetimbangan N2O4/NO2.
Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
N2O4(g) <——>
2 NO2(g)
Kc =
[NO2]2 / [N2O4]
Konsentrasi
reaktan dan produk dalam reaksi gas dapat dinyatakan dalam bentuk tekanan
parsial masing-masing gas (ingat persamaan gas ideal, PV=nRT). Dengan
demikian, satuan konsentrasi yang diganti dengan tekanan parsial gas akan
mengubah persamaan Kc menjadi Kp sebagai
berikut :
Kp =
(PNO2)2 / (PN2O4)
PNO2 dan
PN2O4 adalah tekanan parsial masing-masing gas pada saat kesetimbangan tercapai.
Nilai Kp menunjukkan konstanta
kesetimbangan yang dinyatakan dalam satuan tekanan (atm). Kphanya
dimiliki oleh sistem kesetimbangan yang melibatkan fasa gas
saja.
Secara
umum, nilai Kc tidak sama dengan nilai Kp,
sebab besarnya konsentrasi reaktan dan produk tidak sama dengan tekanan parsial
masing-masing gas saat kesetimbangan. Dengan demikian, terdapat
hubungan sederhana antara Kc dan Kp yang
dapat dinyatakan dalam persamaan matematis berikut :
Kp =
Kc (RT)∆n
Kp =
konstanta kesetimbangan tekanan parsial gas
Kc =
konstanta kesetimbangan konsentrasi gas
R
= konstanta universal gas ideal (0,0821 L.atm/mol.K)
T
= temperatur reaksi (K)
∆n
= Σ koefisien gas produk - Σ koefisien gas reaktan
Selain kesetimbangan
homogen fasa gas, terdapat pula sejumlah kesetimbangan homogen fasa
larutan. Salah satu contoh kesetimbangan homogen fasa larutan adalah
kesetimbangan ionisasi asam asetat (asam cuka) dalam air. Reaksi yang terjadi
adalah sebagai berikut :
CH3COOH(aq) <——>
CH3COO-(aq) + H+(aq)
Kc =
[CH3COO-] [H+] / [CH3COOH]
2. Kesetimbangan Heterogen
Kesetimbangan ini melibatkan reaktan dan produk dalam fasa
yang berbeda. Sebagai contoh, saat padatan kalsium karbonat dipanaskan dalam
wadah tertutup, akan terjadi reaksi berikut :
CaCO3(s) <——>
CaO(s) + CO2(g)
Dalam
reaksi penguraian padatan kalsium karbonat, terdapat tiga fasa yang berbeda,
yaitu padatan kalsium karbonat, padatan kalsium oksida, dan gas karbon
dioksida. Dalam kesetimbangan kimia, konsentrasi padatan
dan cairan relatif konstan, sehingga tidak disertakan dalam persamaan konstanta
kesetimbangan kimia. Dengan demikian, persamaan konstanta
kesetimbanganreaksi penguraian padatan kalsium
karbonat menjadi sebagai berikut :
Kc =
[CO2]
Kp =
PCO2
Baik
nilai Kc maupun Kp tidak
dipengaruhi oleh jumlah CaCO3 dan CaO (jumlah padatan).
Beberapa
aturan yang berlaku dalam penentuan nilai konstanta kesetimbangan kimia saat reaksi
kesetimbangan dimanipulasi (diubah) antara lain :
1.
Jika reaksi dapat dinyatakan dalam bentuk penjumlahan dua atau lebih
reaksi, nilai konstanta kesetimbangan reaksi keseluruhan adalah hasil
perkalian konstanta kesetimbangan masing-masing reaksi.
A
+ B <——> C +
D
Kc’
C
+ D <——> E + F
Kc’’
A
+ B <——> E +
F
Kc = Kc’ x Kc’’
2.
Jika reaksi ditulis dalam bentuk kebalikan dari reaksi semula,
nilai konstanta kesetimbangan menjadi kebalikan dari
nilaikonstanta kesetimbangan semula.
A
+ B <——> C +
D Kc’
= [C] [D] / [A] [B]
C
+ D <——> A + B
Kc = [A] [B] /
[C] [D] = 1 / Kc’
3.
Jika suatu reaksi kesetimbangan dikalikan dengan faktor n, nilai konstanta
kesetimbangan menjadi nilai konstanta kesetimbangan semula
dipangkatkan dengan faktor n.
A
+ B <——> C +
D
Kc’ = [C] [D] / [A] [B]
2 A + 2 B D 2 C
+ 2 D
Kc = [C]2 [D]2 / [A]2 [B]2 =
{ [C] [D] / [A] [B] }2 =
(Kc’)2
Salah
satu kegunaan konstanta kesetimbangan kimia adalahmemprediksi
arah reaksi. Untuk mempelajari kecenderungan arah reaksi, digunakan besaran Qc,
yaitu hasil perkalian konsentrasiawal produk dibagi hasil
perkalian konsentrasi awal reaktan yang masing-masing
dipangkatkan dengan koefisien reaksinya. Jika nilaiQc dibandingkan
dengan nilai Kc, terdapat tiga kemungkinan hubungan yang
terjadi, antara lain :
1. Qc < Kc
Sistem reaksi
reversibel kelebihan reaktan dan kekurangan produk. Untuk mencapai kesetimbangan,
sejumlah reaktan diubah menjadi produk. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah
produk (ke kanan).
2. Qc = Kc
Sistem
berada dalam keadaan kesetimbangan. Laju reaksi, baik ke arah
reaktan maupun produk, sama.
3. Qc > Kc
Sistem reaksi
reversibel kelebihan produk dan kekurangan reaktan. Untuk mencapai kesetimbangan,
sejumlah produk diubah menjadi reaktan. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah
reaktan (ke kiri).
Kesetimbangan kimia dapat diganggu oleh
beberapa faktor eksternal. Sebagai contoh, pada pembahasan proses Habersebelumnya,
telah diketahui bahwa nilai Kc pada proses
Haberadalah 3,5.108 pada suhu kamar. Nilai yang besar ini
menunjukkan bahwa pada kesetimbangan, terdapat banyak gas amonia
yang dihasilkan dari gas nitrogen dan gas hidrogen. Akan tetapi, masih ada gas
nitrogen dan gas hidrogen yang tersisa padakesetimbangan. Dengan
menerapkan prinsip ekonomi dalam dunia industri, diharapkan sebanyak mungkin
reaktan diubah menjadi produk dan reaksi tersebut berlangsung sempurna. Untuk
mendapatkan produk dalam jumlah yang lebih banyak,kesetimbangan dapat
dimanipulasi dengan menggunakan prinsip Le Chatelier.
Seorang
kimiawan berkebangsaan Perancis, Henri Le Chatelier, menemukan
bahwa jika reaksi kimia yang setimbang menerima perubahaan keadaan
(menerima aksi dari luar), reaksi tersebut akan menuju pada
kesetimbangan baru dengan suatu pergeserantertentu untuk mengatasi
perubahan yang diterima (melakukanreaksi sebagai respon terhadap
perubahan yang diterima). Hal ini disebut Prinsip Le Chatelier.
Ada
tiga faktor yang dapat mengubah kesetimbangan kimia, antara lain :
1.Konsentrasi reaktan atau produk
2.Suhu
3.Tekanan atau volume pada sistem yang mengandung fasa gas
Untuk
memproduksi gas amonia sebanyak mungkin, dapat dilakukan manipulasi kesetimbangan
kimia dari segi konsentrasi reaktan maupun produk, tekanan ruangan,
volume ruangan, dan suhu reaksi. Berikut ini adalah pembahasan mengenai
masing-masing faktor.
1.
Mengubah konsentrasi
Jika
ke dalam sistem kesetimbangan ditambahkan gas nitrogen maupun
gas hidrogen berlebih (reaktan berlebih), nilai Qc menjadi
lebih kecil dibandingkan Kc. Untuk mengembalikan ke
kondisisetimbang, reaksi akan bergeser ke arah produk (ke kanan).
Akibatnya, jumlah produk yang terbentuk meningkat. Hal yang sama juga akan
terjadi jika gas amonia yang terbentuk langsung diambil. Reaksi akan bergeser
ke arah kanan untuk mencapai kembali kesetimbangan.
Dapat
disimpulkan bahwa jika dalam sistem kesetimbanganditambahkan lebih
banyak reaktan atau produk, reaksi akan bergeser ke sisi lain untuk
menghabiskannya. Sebaliknya, jika sebagian reaktan atau produk diambil,
reaksi akan bergeser ke sisinya untuk menggantikannya.
2.Mengubah
suhu
Reaksi
pada proses Haber adalah reaksi eksotermis. Reaksi
tersebut dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi berikut :
N2(g) +
3 H2(g) <——> 2 NH3(g) + Kalor
Jika
campuran reaksi tersebut dipanaskan, akan terjadi peningkatan jumlah kalor
dalam sistem kesetimbangan. Untuk mengembalikan reaksi ke kondisi setimbang,
reaksi akan bergeser dari arah kanan ke kiri. Akibatnya, jumlah
reaktan akan meningkat disertai penurunan jumlah produk. Tentu saja hal ini
bukanlah sesuatu yang diharapkan. Agar jumlah amonia yang terbentuk meningkat,
campuran reaksi harus didinginkan. Dengan demikian, jumlah kalor di sisi kanan
akan berkurang sehingga reaksi akan bergeser ke arah kanan.
Secara
umum, memanaskan suatu reaksi menyebabkan reaksi tersebut
bergeser ke sisi endotermis. Sebaliknya, mendinginkancampuran
reaksi menyebabkan kesetimbangan bergeser ke sisieksotermis.
3.
Mengubah tekanan dan volume
Mengubah
tekanan hanya mempengaruhi kesetimbangan bila terdapat reaktan
dan/atau produk yang berwujud gas. Padaproses Haber, semua spesi adalah
gas, sehingga tekanan dapat mempengaruhi kesetimbangan.
Reaksi
pada proses Haber terjadi dalam ruangan tertutup. Tekanan pada
ruangan terjadi akibat tumbukan gas hidrogen, gas nitrogen, serta gas amonia
terhadap dinding ruangan tersebut. Saat sistem mencapai keadaan setimbang,
terdapat sejumlah gas nitrogen, gas hidrogen, dan gas amonia dalam ruangan.
Tekanan ruang dapat dinaikkan dengan membuat tempat reaksinya menjadi lebih
kecil (dengan memampatkannya, misal dengan piston) atau dengan memasukkan suatu
gas yang tidak reaktif, seperti gas neon. Akibatnya, lebih banyak tumbukan akan
terjadi pada dinding ruangan bagian dalam, sehingga kesetimbangan terganggu.
Untuk mengatasi pengaruh tersebut dan memantapkan kembalikesetimbangan,
tekanan harus dikurangi.
Setiap
kali terjadi reaksi maju (dari kiri ke kanan), empat molekul gas (satu molekul
gas nitrogen dan tiga molekul gas hidrogen) akan membentuk dua molekul gas
amonia. Reaksi ini mengurangi jumlah molekul gas dalam ruangan. Sebaliknya,
reaksi balik (dari kanan ke kiri), digunakan dua molekul gas amonia untuk
mendapatkan empat molekul gas (satu molekul gas nitrogen dan tiga molekul gas
hidrogen). Reaksi ini menaikkan jumlah molekul gas dalam ruangan.
Kesetimbangan telah diganggu dengan peningkatan tekanan. Dengan
mengurangi tekanan, gangguan tersebut dapat dihilangkan. Mengurangi jumlah
molekul gas di dalam ruangan akan mengurangi tekanan (sebab jumlah tumbukan
akan berkurang). Oleh sebab itu, reaksi maju (dari kiri ke kanan) lebih
disukai, sebab empat molekul gas akan digunakan dan hanya dua molekul gas yang
akan terbentuk. Sebagai akibat dari reaksi maju ini, akan dihasilkan gas amonia
yang lebih banyak.
Secara
umum, meningkatkan tekanan (mengurangi volume ruangan)
pada campuran yang setimbang menyebabkan reaksinya bergeser ke sisi
yang mengandung jumlah molekul gas yang paling sedikit. Sebaliknya, menurunkan
tekanan(memperbesar volume ruangan) pada campuran yang setimbang
menyebabkan reaksinya bergeser ke sisi yang mengandung jumlah molekul
gas yang paling banyak. Sementara untuk reaksi yang tidak mengalami
perubahan jumlah molekul gas (mol reaktan = mol produk), faktor
tekanan dan volume tidak mempengaruhi kesetimbangan kimia.
Katalis
meningkatkan laju reaksi dengan mengubah mekanisme reaksi agar melewati
mekanisme dengan energi aktivasi terendah. Katalis tidak dapat
menggeser kesetimbangan kimia. Penambahan katalis hanya mempercepat
tercapainya keadaansetimbang.
Dari
beberapa faktor di atas, hanya perubahan temperatur(suhu) reaksi yang
dapat mengubah nilai konstanta kesetimbangan (Kc maupun Kp).
Perubahan konsentrasi, tekanan, dan volume hanya mengubah konsentrasi spesi
kimia saatkesetimbangan, tidak mengubah nilai K. Katalis
hanya mempercepat tercapainya keadaan kesetimbangan, tidak dapat
menggeser kesetimbangan kimia.
Termokimia dengan Termodinamika
Termokimia merupakan penerapan hukum pertama termodinamika terhadap
peristiwa kimia yang membahas tentang kalor yang menyertai reaksi kimia.
Untuk memahami termokimia perlu dibahas tentang:
(a) Sistem, lingkungan, dan alam semesta.
(b) Energi yang dimiliki setiap zat.
(c) Hukum kekekalan energi.
Sistem, Lingkungan, Alam Semesta — Termokimia
Jika sepotong pita magnesium kita masukkan ke dalam larutan asam
klorida, maka pita magnesium akan segera larut atau bereaksi dengan HCl
disertai pelepasan kalor yang menyebabkan gelas kimia beserta isinya menjadi
panas. Campuran pita magnesium dan larutan HCl itu kita sebut sebagai Sistem. Sedangkan
gelas kimia serta udara sekitarnya kita sebut sebagai Lingkungan. Jadi,
sistem adalah bagian dari alam semesta yang sedang menjadi pusat perhatian.
Bagian lain dari alam semesta yang berinteraksi dengan sistem kita sebut
lingkungan.
Pada umumnya (termokimia) sebuah sistem jauh lebih kecil dari
lingkungannya.Di alam ini terjadi banyak kejadian atau perubahan sehingga
alam mengandung sistem dalam jumlah tak hingga, ada yang berukuran besar
(seperti tata surya), berukuran kecil (seorang manusia dan sebuah mesin), dan
berukuran kecil sekali (seperti sebuah sel dan satu atom).Akibatnya, satu
sistem kecil dapat berada dalam sistem besar, atau satu sistem merupakan
lingkungan bagi sistem yang lain. Akan tetapi bila sebuah sistem dijumlahkan
dengan lingkungannya,akan sama besarnya dengan sebuah sistem lain dijumlahkan dengan
lingkungannya, yang disebut alam
semesta. Termokimia kelas XI
Alam semesta adalah sistem ditambah lingkungannya.Oleh sebab itu, alam
semesta hanya ada satu, tiada duanya. Interaksi antara sistem dan lingkungan
dapat berupa pertukaran materi dan atau pertukaran energi. Berkaitan dengan itu
maka sistem dibedakan menjadi tiga , yaitu sistem terbuka, sistem tertutup,
dan sistem terisolasi.
Sistem dalam termokimia dikatakan terbuka jika antara sistem dan
lingkungan dapat mengalami pertukaran materi dan energi. Pertukaran
materiartinya ada hasil reaksi yang dapat meninggalkan sistem (wadahreaksi),
misalnya gas, atau ada sesuatu dari lingkungan yang dapat memasuki sistem.
Sistem pada gambar 1 tergolong sistem terbuka. Selanjutnya sistem dikatakan
tertutup jika antara sistem dan lingkungan tidak dapat terjadi pertukaran
materi, tetapi dapat terjadi pertukaran energi. Pada sistem terisolasi, tidak
terjadi pertukaran materi maupun energi dengan lingkungannnya.
Pertukaran energi antara sistem dan lingkungan dapat berupa kalor (q)
atau bentuk-bentuk energi lainnya yang secara kolektif kita sebut kerja (w).
Adanya pertukaran energi tersebut akan mengubah jumlah energi yang terkandung
dalam sistem. Kerja adalah suatu bentuk pertukaran energi antara sistem
dan lingkungan di luar kalor.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar