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 :
- Konsentrasi reaktan atau produk
- Suhu
- 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