BAB VI KESETIMBANGAN KIMIA

Transkripsi

1 VI ESETIMNGN IMI. Stadar ometesi: Memahami tetag ilmu kimia da dasar-dasarya serta mamu meerakaya dalam kehidua se-hari-hari terutama yag berhubuga lagsug dega kehidua.. ometesi Dasar : Memahami kose kesetimbaga kimia, hukum yag berlaku utuk kesetimbaga kimia, hubuga tetaa kesetimbaga dega stoikiometri reaksi, serta mafaat tetaa kesetimbaga. C. Uraia materi :. HUUM ESETIMNGN RESI IMI etika suatu reaksi kimia berlagsug secara sota, kosetrasi ereaksi da roduk berubah da eergi bebas meuru secara teratur. etika eergi bebas mecaai miimum maka sistem aka mejadi kesetimbaga. Sebagai cotoh bila suatu ereaksi da dibiarka bereaksi aka terbetuk roduk (C atau D), selajutya ereaksi da hasil reaksi secara bertaha medekati ilai teta. Reaksi yag demikia disebut reaksi reversibel da mecaai kesetimbaga, secara jelasya daat dilihat ada Gambar 1. + C + D [ C + D waktu Semua sistem kimia cederug meuju kearah keadaa setimbag. Reaksi kimia secara umum daat dituliska sebagai berikut : a + b cc + dd (1) Perbaduga erkalia kosetrasi reakta da hasil reaksi daat dituliska sebagai berikut : c d [C [D Q () a b [ [ esetimbaga imia 61

2 etika keceata embetuka roduk (reaksi ke kaa) sama dega keceata eguraia roduk (reaksi ke kiri) tercaai suatu kesetimbaga. Pada saat setimbag Q sama dega. c d [C [D () a b [ [ Cotoh reaksi kesetimbaga embetuka amoiak dari gas itroge da hidroge : N (g) + H (g) NH (g) (4) [NH (5) [N [H Pada tabel 1 meujukka kosetrasi awal masig-masig ereaksi berbeda, begitu ula ada saat kesetimbaga amu harga c teta. Hal ii meujukka bahwa ada suhu teta, harga tidak bergatug ada kosetrasi awal. Tabel 1. osetrasi molar keadaa awal da setimbag dari reaksi kesetimbaga embetuka amoiak ada suhu 500 o C. osetrasi wal osetrasi ada saat kesetimbaga [H [N [NH [H [N [NH 0,168 0, ,700 1,9.10-0,60 1, ,500 1,000 8, ,970 1,60 0 1,50 1,150 4, ,0,480 0,480 1,850 1,70,00 0,98 0 1,470 0,750, Sumber : rady, JE, 1994 [N [NH [H 5, , , , , HUUNGN TETPN ESETIMNGN DENGN STOIIOMETRI RESI Hubuga atara tetaa kesetimbaga dega stoikiometri reaksi daat diugkaka ke dalam berbagai betuk ersamaa tetaa kesetimbaga sesuai dega koefisie reaksiya. Misal utuk reaksi : 1. H (g) + O (g) H O (g) (6) [H O 1 [H [O H (g) + 1/O (g) H O (g) (7) [H O 1/ [H [O Semua koefisie ada ersamaa reaksi (7) setegah koefisie ada ersamaa (6). Hubuga atara kedua tetaa kesetimbaga adalah : 1. NO (g) + O (g) NO (g) (8) [NO 1 [NO [O esetimbaga imia 6

3 NO (g) NO (g) + O (g) (9) [NO [O [NO Cara eulisa ersamaa reaksi (9) berlawaa dega cara eulisa ersamaa reaksi (8), dega demikia hubuga atara 1 da adalah : -1 = 1. NO (g) + O (g) NO (g) (10) [NO 1 [NO [O NO (g) N O 4(g) (11) [N O4 [NO Persamaa (10) + (11) adalah : NO (g) + O (g) N O 4(g) (1) [N O 4 [NO [O Reaksi kimia (1) adalah meruaka jumlah reaksi (10) da (11), sehigga hubuga ketiga tetaa ersamaa reaksi tersebut adalah : = 1 C. MNFT TETPN ESETIMNGN 1. Iterrestasi Tetaa esetimbaga Secara ualitatif Dega megetahui harga kostata kesetimbaga daat memberika iformasi sacara kualitatif yag sagat bergua. Cotoh : Suatu reaksi sederhaa, [ c [ ggalah c memiliki harga 10, ii berarti ada kesetimbaga [ 10 [ Hal tersebut meujukka bahwa kosetrasi [ harus 10 kali lebih besar dari ada kosetrasi [. Dega kata lai, osisi kesetimbaga cederug lebih suka ke roduk,. Sebalikya bila c = 0, maka : [ 0, [ Dalam hal ii kosetrasi kesetimbaga [ adalah 5 kali lebih kecil dari ada [ da osisi kesetimbaga cederug bergeser kearah reakta,. esetimbaga imia 6

4 . Meghitug osetrasi esetimbaga Jika telah diketahui tetaa kesetimbaga, kosetrasi zat-zat dalam camura dalam kesetimbaga daat dihitug. Cotoh : Pada reaksi : N (g) + H (g) NH (g) ada suhu 5 o C c = 4,0 x 10 8 Hitug kosetrasi amoiak jika ada keadaa kesetimbaga gas itroge da hidroge masig-masig 0,1 M!. Jawab : [NH c [N [H 8 4,0 x 10 [NH [0,01[0,01 [NH = x 4, [NH =,0 mol L -1 osetrasi amoiak ada keadaa setimbag adalah,0 M. D. HUUNGN UNGPN NTR, c,,da x Satua kosetrasi yag biasa diguaka utuk ugkaa tetaa kesetimbaga. Utuk laruta : kemolara atau fraksi mol Utuk gas : tetaa arsial, mol/liter,fraksi mol Utuk reaksi berikut a (g) + b (g) cc (g) + dd (g) Tetaa kesetimbaga daat diyataka : a. osetrasi [... c d [C [D c (1) a b [ [ b. Tekaa Parsial c d C. D (14) a b. c. Fraksi Mol X c d X C. X D x (15) a b X. X Hubuga atara c da ada reaksi di atas: Utuk gas ideal berlaku hubuga V=RT RT dimaa C v v = CRT Dega memasukka harga ada ersamaa di atas aka dieroleh : [C [C C c RT [C a RT [C D RT RT d b esetimbaga imia 64

5 C C c C a.c.c d D b (RT) (RT) cd ab = c. (RT) (c+d)(a+b) = c. (RT) (16) Dimaa = (c+d)-(a+b); jumlah mol roduk jumlah mol reakta Jika = 0, maka = c Masig-masig komoe gas dalam reaksi di atas memiliki tekaa arsial sebagai berikut : =X. total =X. total C =X C. total D =X D. total Dega demikia c d (Xc.Ptot).(X D.Ptot) a b (X.Ptot).(X Ptot) c d cd XC. X D (Ptot) a b ab X. X (Ptot) (c + d) (a + b) = x. Ptot = x. Ptot (17) Di maa = (c + d) (a + b); Jumlah mol gas roduk = Jumlah mol gas reakta. Jika = 0, maka = x E. ESETIMNGN HETEROGEN esetimbaga yag melibatka dua fasa atau lebih dikeal sebagai kesetimbaga heteroge. Misalya, sistem kesetimbaga berikut melibatka bai fasa gas mauu fasa adat: C (s) + CO (g) CO (g) Tetaa kesetimbaga, utuk sistem ii adalah: [CO c [C[CO area kosetrasi zat adat muri atau cair muri raktis kosta meskiu tekaaya berubah, sehigga daat dituliska sebagai berikut: [C= k Jadi ' [CO c k.[co c. k = [CO c [CO esetimbaga imia 65

6 Tetaa kesetimbaga dalam betuk, utuk sistem ii adalah: [PCO [PCO F. PRINSIP Le CHTELIER DN ESETIMNGN IMI Secara sederhaa timbul ertayaa bagaimaa egaruh dari luar terhada sistem kesetimbaga kimia. Sebagai cotoh kalau kita megigika memerkiraka secara kualitatif ada kodisi yag bagaimaa agar dieroleh roduksi reaksi yag berlebih berdasarka ada sistem kesetimbaga tersebut. akah reaksi tersebut harus dilakuka ada temeratur tiggi atau redah?, aakah ada tekaa tiggi atau redah?. Pertayaaertayaa tersebut aka terjawab dega meeraka asas Le Chatelier. sas Le Chatelier adalah bila dilakuka aksi ada suatu kesetimbaga, maka sistem itu cederug berubah sedemikia utuk meguragi akibat aksi itu. Selajutya aka dibahas bagaimaakah egaruh-egaruh dari luar seerti kosetrasi, tekaa/volume da suhu terhada sistem kesetimbaga kimia. 1. Perubaha osetrasi Perhatika ada sistem kesetimbaga reaksi ada suhu tertetu H (g) + I (g) HI (g) Jika kita tambahka H ke dalam sistem, maka kosetrasi H meigkat akibatya erkalia kosetrasi reakta membesar sehigga erbadiga roduk reaksi terhada reakta lebih kecil dari ada harga, dalam hal ii kesetimbaga tergaggu. Utuk mecaai kesetimbaga kembali maka sebagia H aka bereaksi dega I membetuk HI. Demikia ula sebalikya, bila H atau I dikuragi utuk mejaga sistem teta setimbag maka sebagia HI aka terurai mejadi H atau I.. Pegaruh Temeratur ada Sistem esetimbaga Selama ii yag kita elajari ada sistem kesetimbaga berlagsug ada suhu teta. Seerti kosetrasi reakta da roduk, suhu juga daat memegaruhi ergesera sistem setimbag. Namu erlakua variasi suhu memuyai egaruh yag berbeda diadigka dega egaruh variasi kosetrasi. Pegaruh suhu terhada ergesera kesetimbaga bergatug ada jeis reaksiya. Sebagai cotoh, ada reaksi eksoterm utuk embetukka N O 4 dari NO. NO (g) N O 4(g) H = -58,8 kj Pada reaksi di atas bila suhu dituruka maka kesetimbaga bergeser kearah eksotermik agar tercaai sistem kesetimbaga yag baru. Secara kualitatif ergesera kesetimbaga ada reaksi tersebut ditujukka oleh erubaha wara coklat dari NO mejadi tak berwara dari N O 4. Sebalikya bila suhu diaikka kesetimbaga bergeser kearah edotermik (ke kiri).. Pegaruh Tekaa da Volume ada Sistem esetimbaga Pada temeratur teta, erubaha volume ada sistem juga meyebabka erubaha tekaa da sebalikya. Pegaruh tekaa atau volume terhada kesetimbaga reaksi haya berlaku ada fasa gas semetara ada sistem cair da adat tidak ada egaruh karea fasa cair da adat sulit dikomresi. Perhatika ada sistem kesetimbaga reaksi embetuka amoiak ada suhu tertetu, N (g) + H (g) NH (g) esetimbaga imia 66

7 Jika ada sistem kesetimbaga tersebut secara tiba-tiba tekaa diaikka, maka tabraka atara molekul-molekul N da H maki itesif da akhirya membetuk NH. arah ergeseraa kesetimbaga kearah embetukka NH (dalam hal ii memerkecil volume) sebagai reso dari tekaa yag dierbesar ada sistem. Dega kata lai, bila ada sistem tekaaya dierbesar maka kesetimbaga bergeser kearah jumlah koefisie reaksi yag lebih kecil, tetai sealikya bila sistem tekaaya dierkecil maka kesetimbaga aka bergeser kearah jumlah kjoefisie reaksi yag lebih besar. G. TERMODINMI da ESETIMNGN IMI akah suatu reaksi aka atau tidak berlagsug tergatug dua faktor : a). Faktor etali reaksi : H r yag egatif (reaksi edoterm) membatu reaksi ke kaa, H r yag ositif (reaksi edoterm) membatu reaksi ke kiri. b). Faktor etroi reaksi : etroi S adalah faktor kebolehjadia (robability factor). Secara umum etoi gas etroy caira etroi zat adat. Satua etroi S, adalah J -1 mol -1. Dari termodiamika, defeisi etroi adalah : ds = dq rev /T (18) q rev adalah aas yag ditambahka ada sistem secara reversibel. Etroi stadar seyawa atau usur kimia, S o, bersama ilai H o f terdaat dalam tabel sifat-sifat termodiamik (lamira). Dua faktor tersebut, etali da etroi, digabugka mejadi kebesara termodiamik eergi bebas atau eergi Gibbs, G. Utuk roses atau reaksi yag berlagsug ada suhu teta (roses isoterm). G o = H o - TS o (19) Eergi stadar bebas embetuka suatu seyawa, G o f, juga terdaat dalam tabel sifat-sifat termidiamik. Utuk suatu reaksi, kalau erbedaa eergi bebas reaksi egatif, reaksi aka berlagsug ke kaa, kalau ositif, reaksi aka berlagsug ke kiri. G o reaksi = (G o f) hasil reaksi - (G o f) ereaksi (0) G o reaksi daat dihitug dari ersamaa (0), ilai G o f hasil reaksi da ereaksi dari tabel, atau dari ersamaa (19) utuk reaksi: G o reaksi = H o reaksi - TS o reaksi (1) Perubaha eergi bebas suatu reaksi berkaita dega quosie reaksi, Q yaitu: G = G o + RT l Q () atau G = G o +,0 RT log Q () ada keadaa kesetimbaga Q =, dimaa ada saat tersebut ereaksi da roduk reaksi memuyai eergi bebas yag sama, sehigga G = 0. esetimbaga imia 67

8 G o = - RT l (4) G o = -,0 RT log (5) atau o G l - (6) RT -G/RT e (7) H. TETPN ESETIMNGN DN DERJD DISSOSISI Derajat disosiasi, yaitu meujukka jumlah zat yag terurai atau terbetuk yag diyataka dalam erse. Pada sistem kesetimbaga reaksi kimia dega kodisi tertetu, derajat disosiasi daat ditetuka berdasarka ersamaa reaksi kimia yag telah diketahui secara asti. Cotoh: Pada ersamaa reaksi eguraiab itrosil bromida, NOr meurut reaksi sebagai berikut: NOr (g) NO (g) + ½ r (g) Jika NOr sebayak 1,79g dimasuka ke dalam wadah 1 L da diaaska ada suhu 100 o C, tekaa kesetimbaga adalah 0,657 atm, maka hitug (a) tekaa arsial masigmasig gas, (b) harga da (c) derajat disosiasi NOr. Jawab: Mr NOR = 109,9 1,79 g NOr = 1, mol NOr Sistem gas diagga ideal, maka berlaku V = RT. osidi ada keadaa setimbag adalah = 0,657 atm, V = 1 L da T = 7. 0,657 atm = 0,657 x = Pa, 1 L = 10 - m, dega demikia jumlah mol, adalah 0,657 x ,14 x 7 - l,15 x 10 - mol Jumlah mol utuk masig-masig sesi ada saat kesetimbaga adalah: NOr = (1 - ).1, mol NO = ().1, mol r = (1/ ).1, mol Jumlah = (1 +1/ ) 1, mol =,15 x 10 - mol = 0,64 Jadi jumlah mol masig-masig sesi adalah: esetimbaga imia 68

9 NOr = (1 - ).1, mol = 5, mol NO = ().1, mol = 1, mol r = (1/ ).1, mol = 5, mol a NOr 5,9.10 Pt, NOr. - t x 0,657 atm 0,180 atm 1,04.10 Pt, NO NO - t 5,.10 Pt, r r - t 0,19 x (0,159) b. 0,180 1/ x 0,657 atm 0,19 atm x 0,657 atm 0,159 atm 0,707 d. Derajat dissosiasiya adalah = 0,64 I. PERHITUNGN ESETIMNGN IMI 1. Diketahui utuk reaksi: N (g) + H (g) NH (g) = 1, Hitugalah utuk reaksi: a). ½ N (g) + / H (g) b). NH (g) NH (g) N (g) + H (g) Jawab: NH N H 1, a. Utuk ersamaa reaksi di oit (a) berlaku: Pa NH -4 1,64.10 = 1, N. H b. Utuk ersamaa reaksi oit (b) meruaka kebalika reaksi dari soal, dega demikia berlaku Pb = () -1 = 6, esetimbaga imia 69

10 . Diketahui kesetimbaga reaksi eguraia sebagai berikut: PCl 5(g) PCl (g) + Cl (g) Hitug harga c ada 5 o C, jika diketahui = 1,78 = c. (RT) c (g) = 1 = 1 (RT) c 1,78 (0,08).(5) 0,0415. Dalam reaksi gas-gas, reaksiya daat dituliska sebagai berikut: Yag berlagsug ada 00, tekaa gas dielihara teta ada 0,54 atm. ila eergi bebas embetuka, G o f dari (g) = 11,4 kj/mol da dari (g) = - 18,9 kj/mol, beraakah erbadiga tekaa da ada saat reaksi mecaai kesetimbaga?. Guaka e =,7, R = 8,14 Jmol Jawab: G o = {(-11,4) --(18,9)}kJ/mol = - 5,00 kj/mol = - 5,00 J/mol o G l - RT 500 8,14 x 00,0 e,0 7,9. 0,54 x 7,9 4,0 Latiha: 1. Dalam idustri, gas hydroge dibuat melalui reaksi:co(g)+h O (g) CO (g)+h (g)=4,9 ada saat keaseimbaga, tekaa arsial CO da H O adalah 0,1 atm, sedagka tekaa arsial CO adalah 0,7 atm. Tetuka tekaa total gas ada saat keseimbaga.. Sebayak 1 mol gas hidroge da 1 mol gas iodium dimamatka dalam wadah L ada temeratur tertetu. Tetaa kesetimbaga sama dega 64,0. Hitug beraa mol gas hidroge, iodium, da asam iodida ada saat setimbag!. Sejumlah gas PCl 5 ditematka dalam suatu wadah ukura 1 L ada suhu 00 ºC. Jika derajat disosiasiya 0,574 da tekaa total 0,5 atm, maka hitug beraa -ya? esetimbaga imia 70

11 4. Sejumlah gas N O 4 ditematka di dalam suatu wadah dega suhu 150 ºC. Tekaa total ada kesetimbaga adalah 0,64 atm, derajat disosiasi 0,40. Hitug da Gº reaksi - ya ada suhu tersebut! 5. Hitug ada temeratur stadar utuk reaksi: N (g) + O (g) NO (g) Jika diketahui Hº f (NO) = 90, kj/mol, Sº (NO) = 10,7 J/mol, Sº (N ) = 191,5 J/mol, Sº (O ) = 05,0 J/mol! 6. Jika utuk reaksi kesetimbaga N O 4 (g) NO (g) dega derajat disosiasi da tekaa total P atm. agaimaa ugkaa reaksiya? 7. Pada suhu 00 º, reaksi (g) + (g) (g) memuyai harga = e,7. Jika Hº reaksi adalah 1,9 kj, maka hitug beraa Sº! 8. Teragka bagaimaa keadaa roduk reaksi di bawah ii jika tekaa diaikka! a. N (g) + O (g) NO b. CO (g) CO (g) + O (g) c. 4HCl (g) + O (g) Cl (g) + H O (g) d. NH (g) H (g) + N (g) 9. Methaol, CH OH, daat diroduksi dari gas karbomooksida (CO) dega gas hidroge (H ) ada temratur 00 0 C da tekaa 00 atm dga batua katalis seg oksida (ZO) da krom oksida (CrO). Etali reaksi ii ada keadaa stadar adalah - 9,5 kj/mol. a. tuliska ersama reajksi sitesis methaol tersebut. b. utuk meigkatka roduksi methaol, kodisi aa saja yag harus di atur? c. bila roses dilakuka ada temerature di atas C aa yag aka terjadi? d. umumya sitesis dilakuka dega megguka gas hydroge berlebih, aa mafaatya? e. aa mafaat katalis ada reaksi tersebut?beraa bayak katalis yag harus diguaka ada reaksi tersebut? esetimbaga imia 71