Kesetimbangan Kimia. A b d u l W a h i d S u r h i m

Transkripsi

1 Kesetimbangan Kimia A b d u l W a h i d S u r h i m

2 Rujukan Chapter 12 dan 14: Masterton, William L. and Hurley, Cecile N Chemistry: Principles and Reactions. Sixth Edition. Books/Cole. Cengage Learning

3 Kerangka Pembelajaran 1. Keadaan Kesetimbangan 2. Konstanta Kesetimbangan 3. Kesetimbangan Heterogen 4. Faktor-faktor yang Mengubah Komposisi Campuran Kesetimbangan 5. Pengaruh Katalis 6. Kesetimbangan dalam Larutan Asam-Basa (Buffer)

4 Mencapai Kesetimbangan

5 Keadaan Kesetimbangan aa bb cc dd Dengan berjalannya waktu, konsentrasi reaktan turun dan konsentrasi produk naik sampai tingkat konsentrasi keduanya berada pada kondisi tetap, harga kesetimbangannnya (equilibrium values). 1. Laju reaksi maju dan balik adalah sama. 2. Keadaan kesetimbangan kimia. 3. Campuran kesetimbangan campuran reaktan dan produk yang berada pada keadaan setimbang. 4. Keadaan dinamik reaksi maju dan balik berjalan pada laju yang sama. Tidak ada konversi netto reaktan ke produk

6 Konstanta Kesetimbangan b a d c c B A D C K D C B A d c b a D C B A d c b a c c K K 1 ' (g) (g) (g) (g) D C B A d c b a Fasa GAS: b B a A d D c C p n c p p p p p K RT K K n = (c + d) (a + b)

7 Contoh Untuk reaksi CO (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH (g) konsentrasi kesetimbangannya adalah: [CO] e = 2.58 M; [H 2 ] e = M; [CH 3 OH] e = 2.93 M pada suhu 210 o C. Hitung konstanta kesetimbangan, Kc, untuk reaksi ini dan Kp

8 Jawaban K c [CH 3 OH] [CO][H 2 ] 2 K c (2.93) (2.58)(0.280) n = -2 K p (14.5) L atm 483K mol K

9 Kesetimbangan Heterogen Kesetimbangan homogen (homogeneous equilibria) raktan dan produk berada pada fasa tunggal. Kesetimbangan heterogen (heterogeneous equilibria) - raktan dan produk berada pada lebih dari satu fasa. Padatan konsentrasi molarnya tetap Dapat dihitung dari densitas dan massa molar. Bebas dari jumlahnya Konsentrasi padatan murni atau cairan murni tidak dimasukkan saat menulis persamaan kesetimbangan untuk kesetimbangan heterogen

10 Menilai Tingkat Reaksi Nilai Kc BESAR ( > 10 3 ) Produk menonjol dibanding reaktan Reaksi mengarah hampir ke sempurna Posisi reaksi KE KANAN Nilai Kc KECIL ( < 10-3 ) Reaktan menonjol dibanding produk Reaksi sulit tidak mendahului Posisi reaksi KE KIRI 10-3 < Kc < 10 3 Ada jumlah cukup besar dari reaktan dan produk K c c d C D A a B b

11 Prediksi Arah Reaksi Hasil bagi reaksi (reaction quotient), Qc, sama seperti konstanta kesetimbangan kecuali bahwa konsentrasi-konsentrasinya tidak perlu pada nilai kesetimbangan. Prediksi arah reaksi dengan membandingkan harga Qc terhadap Kc. Qc < Kc; reaksi berlangsung dari kiri ke kanan Qc > Kc; reaksi berlangsung dari kanan ke kiri Qc = Kc; reaksi pada kesetimbangan

12 Contoh Kc = at 425 o C untuk reaksi berikut: 2 HBr (g) H 2 (g) + Br 2 (g) bagaimana posisi kesetimbangannya? Jika konsentrasi semua jenis yang ada: [HBr] = 0.75 M; [H 2 ] = [Br 2 ] = M. Apakah campuran reaksinya pada kesetimbangan? Ke arah mana reaksi akan berlangsung?

13 Jawaban Q c [H 2 ][Br 2 ] [HBr] Kc = Qc > Kc KANAN KE KIRI [H2][Br2 ] [ HBr] e K c

14 Contoh Reaksi PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) memiliki Kc = 85.0 pada suhu 760 o C. Hitung konsentrasi kesetimbangan dari PCl 5, PCl 3, and Cl 2 jika konsentrasi awal PCl 5 adalah 5.00 M. Asumsikan volumenya 1.00 L

15 M; M Jawaban PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) Initial Concentration (M) Change (M) -x +x +x Equilibrium Concentration (M) x x x K c PCl 3Cl 2 PCl xx 5.00 x x x 2 ; x x x PCl ;4.74 PCl Cl

16 Faktor-faktor yang Mengubah Komposisi Campuran Kesetimbangan Ada 3 faktor 1. Konsentrasi reaktan atau produk 2. Tekanan dan volume 3. Suhu Prinsip Le Châtelier Jika sebuah tekanan diterapkan pada sebuah campuran pada kesetimbangan, reaksi terjadi pada arah yang sebaliknya

17 Pengaruh Konsentrasi Menambah Reaktan reaksi ke arah produk (kanan) Produk reaksi ke arah reaktan (kiri) Mengurangi Reaktan reaksi ke arah reaktan (kiri) Produk reaksi ke arah produk (kanan)

18 Pengaruh Tekanan dan Volume Naiknya tekanan (disebabkan oleh turunnya volume) arah reaksi ke jumlah mol gas yang LEBIH SEDIKIT Begitu pula sebaliknya Pada kesetimbangan heterogen: pengaruh tekanan terhadap padatan dan cairan diabaikan Jika jumlah mol gas reaktan = jumlah mol gas produk tidak ada pengaruh tekanan

19 Pengaruh Tekanan Apakah hubungan antara Q dan K pada Titik 1, 3 dan 4? Apa yang menyebabkan gangguan pada Titik 2?

20 Pengaruh Tekanan Jika pada saat waktu = 100 detik N 2 O 4 dinaikkan tekanannya menjadi 1,0 atm apa yang akan terjadi setelah itu?

21 Pengaruh Tekanan kompresi Prinsip Le Châtelier kompresi menyebabkan reaksi ke arah yang molnya kecil. Beberapa molekul NO 2 bergabung satu sama lain membentuk N 2 O 4 sehingga mol NO 2 turun dan mol N 2 O 4 naik serta menurunkan tekanan total

22 Menerka Koefisien Stoikiometri Berdasarkan table di bawah ini, perkirakan koefisien stoikiometri persamaan kimia berikut: A(g) B(g) Time pa pb

23 Pengaruh Suhu Perubahan konsentrasi, tekanan dan volume: Qc Kc Kc tetap pada suhu tetap Pengaruh suhu tergantung pada jenis reaksinya Eksotermis: suhu naik maka arahnya ke kiri Endotermis: suhu naik maka arahnya ke kanan

24 Contoh Bagaimana perubahan berikut merubah kesetimbangan reaksi: 3 Fe (s) + 4 H 2 O (g) Fe 3 O 4 (s) + 4 H 2 (g) H o = -150 kj a. H 2 O dihilangkan dari sistem. b. H 2 dihilangkan dari sistem. c. Volume dari wadah dinaikkan. d. Fe 3 O 4 ditambahkan pada sistem. e. Suhu naik

25 Persamaan van t Hoff ln o K H K R 1 T T 1 2 K 1 dan K 2 adalah konstanta kesetimbangan pada T 1 dan T 2 H o adalah perubahan enthalpi standar untuk reaksi maju R konstanta gas idela 8.31 J/mol.K

26 Contoh N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) H o = kj Diketahui K = 6x10 5 pada 25 o C Berapa K pada 100 o C? ln 2 K2 6x10 5 K2 6x10 5 6x10 2 K 4x , ,5

27 Pengaruh Katalis Katalis berpengaruh pada energi aktivasi (menurunkannya) Tidak ada perubahan pada konsentrasi Faktor yang mempengaruhi reaksi dengan adanya katalis sama dengan tidak ada katalis

28 Hubungan dengan Kinetika Kimia Untuk reaksi: A + B C + D. Laju reaksi maju = kf[a][b] Laju reaksi balik = kr[c][d] Pasa kesetimbangan: kf[a][b] = kr[c][d] or k f D K c C k r AB Harga relatif kf dan kr menentukan komposisi campuran kesetimbangan kf >> kr; Kc sangat besar; reaksi menuju sempurna. Reaksi irreversibel Reaksi balik terlalu lambat untuk dideteksi kf kr; Kc 1; reaktan dan produk berada pada kesetimbangan. Reaksi reversibel

29 Contoh Hitungan konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi: H 2 O (l) H + (aq) + OH - (aq) diketahui bahwa kf = s -1 dan kr = s -1 serta bahwa K dinyatakan: K [H+ ][OH - ] [H 2 O] K c s M s

30 Kesetimbangan pada Larutan Asam-Basa Buffer Indikator Asam-Basa Titrasi Asam-Basa

31 BUFFER (Penyangga) Larutan BUFFER Larutan yang dapat mempertahankan harga ph jika kedalam larutan tersebut ditambahkan sejumlah kecil asam, basa atau dilakukan pengenceran Jenis larutan buffer Asam lemah dan garamnya Basa lemah dan garamnya Contoh Larutan CH 3 COOH dan CH 3 COONa Larutan HCN dan KCN Larutan NH 3 dan NH 4 Cl

32 ph - H B Kasam HB HB H Ka B - ph pk a log - B HB Persamaan Henderson-Hesselbalch

33 Penyederhanaan ph Persamaan ph dapat disederhanakan pada DUA kondisi 1. Dianggap bahwa kesetimbangan dicapai tanpa mengubah konsentrasi awal: [HB] = [HB] o [B - ] = [B - ] o 2. Karena HB dan B - ada pada larutan yang sama, maka rasio konsentrasinya = rasio mol-nya HB Jumlah mol HB/V - - B Jumlah mol B /V n [H ] K n HB a n B n HB B

34 Contoh Asam laktat C 3 H 6 O 3 adalah asam organik lemah yang ada dalam susu asam dan susu mentega. Asam ini juga merupakan hasil metabolisma karbohidrat dan ditemukan dalam darah setelah aktivitas yang menguras tenaga. Sebuah buffer dipersiapkan dengan menguraikan asam laktat, HLak (K a = 1.4 x 10-4 ) dan sodium laktat NaC 3 H 5 O 3, NaLak. Hitung [H+] dan ph jika buffer itu dibuat dari mol sodium laktat dan 1.00 mol asam laktat dalam air yang cukup untuk membuat larutan ml gram NaLak diuraikan dalam ml dari 1.20 M larutan HLak (asumsi: tidak ada perubahan volume)

35 Jawaban 1. [H ph ] K a n n HLak Lak log1.4x10 1.4x x

36 Memilih Sistem Buffer HB n H Ka K - a B n - Dari persamaan di atas: ph bergantung pada dua faktor 1. Konstanta kesetimbangan asam dari asam lemah (K a ) pengaruhnya sangat besar karena HB/B - 1, sehingga [H + ] Ka ph pka HB 2. Rasio konsentrasi HB dan B - B

37 Berbagai Sistem Buffer

38 Contoh Diinginkan buffer dengan ph = 9.00 a) Berdasarkan Tabel 14.1 sistem buffer mana yang dipilih? b) Berapa seharusnya rasio konsentrasi asam lemah, HB, dan basa konjugatnya, B -? c) Berapa B - harus ditambahkan ke 245 ml dari M HB untuk mendapatkan ph = 9.00?

39 Jawaban

40 Pendekatan Lain Pendekatan di atas adalah dengan MENCAMPURKAN ASAM LEMAH DENGAN KONJUGAT BASANYA Pendekatan lain: netralisasi parsial dari asam lemah atau basa lemah yang memberikan buffer Ilustasi: 0.18 mol HCl ditambahkan kedalam 0.28 mol NH 3. Reaksinya:

41 Contoh Industri pangan menggunakan buffer asam asetat/sodium asetat untuk mengendalikan ph makanan. Diketahui campuran asam asetat, HC 2 H 3 O 2 (HAc), dan sodium hidroksida, tunjukkan dengan perhitungan yang mana larutan berikut yang sebagai buffer? a) mol NaOH dan mol HC 2 H 3 O 2 b) ml M NaOH dan ml M HC 2 H 3 O 2 c) 5.00 g NaOH dan ml M HC 2 H 3 O 2

42 Jawaban

43

44

45 Efek Penambahan H + atau OH - pada Buffer ph buffer akan berubah sedikit pada penambahan jumlah yang sedang dari asam kuat atau basa kuat Penambahan H + akan menukar jumlah yang sama dari basa lemah B - pada konjugat asamnya HB:

46 Penambahan HCl

47 Penambahan OH - Rasio n HB /n B- berubah sehingga merubah konsentrasi ion H + dan ph buffer Efeknya biasanya kecil

48 Contoh Seperti pada contoh sebelumnya: n HLak = n Lak- = 1.00 mol (Ka HLak = 1.4 x 10-4 ). ph buffernya adalah 3.85 Hitung ph setelah penambahan a) 0.08 mol HCl b) 0.08 mol NaOH

49 Jawaban

50

51 Analisis Dari contoh di atas didapatkan beberapa hal Buffer efektif untuk menyerap ion H + atau OH - Ini penting Pada reaksi orde satu dalam H + Jika ingin menaikkan ph dari 5 ke 7, mungkin dengan mengabsorpsi ammonia dari air, lajunya bisa turun dengan faktor 100 Reaksi yang seharusnya sempurna dalam 3 JAM akan terus berlangsung saat Anda kembali 3 HARI kemudian Sedikit aneh bahwa Kimiawan sering bekerja dengan buffer untuk menghindari malapetaka jenis ini

52 Kapasitas Buffer Buffer memiliki kapasitas yang terbatas untuk bereaksi dengan ion H + atau OH - tanpa mengalami perubahan ph yang drastis Kapasitas Buffer untuk menyerap ion H + atau OH - adalah berhubungan terbalik dengan slope dari kurva Perhatikan sistem buffer H 2 CO 3 -HCO 3 -

53

54 Analisis

55 Rentang Buffer Rentang buffer (buffer range) adalah rentang ph yang mana buffer bekerja secar efektif Ini berhubungan dengan rasio konsentrasi asam lemah dan kojugat basanya Rentang rasionya biasanya Log 0.1 = -1 dan log 10 = 1 Atau ± 1 ph

56 Contoh

57 Latihan Untuk menjaga kinerja ph enzim lipase dari serbuk wijen dalam reaksi eterifikasi-enzimitas Gliserol dan Asam Laurat dengan enzim lipase dari serbuk wijen diperlukan Buffer Fosfat 0,10 M ph 7,5. Menurut General Lab Technique larutan K 2 HPO 4 dan larutan KH 2 PO 4 yang diperlukan untuk membuat larutan buffer fosfat tersebut masing-masing memiliki pkas 7,21 dan 12,3; sedangkan berat molekul masing-masing adalah 174,18 g/mol dan 136,09 g/mol. Dengan menggunakan persamaan Henderson-Hasselbach (H- H), berapa berat masing-masing per 1 liter larutan? Konsentrasi buffer fosfat sama dengan jumlah konsentrasi K 2 HPO 4 dan KH 2 PO 4 yang diperlukan untuk pembuatan buffer tersebut.