TEORI KINETIKA REAKSI KIMIA

Transkripsi

1 TORI KINTIK RKSI KII da (dua) pendeatan teoreti untu menjelasan ecepatan reasi, yaitu: () Teori tumbuan (collision theory) () Teori eadaan transisi (transition-state theory) atau teori omples atif atau teratifan (activated-complex theory) TORI TUUKN (KOLISI) Dasar: Reasi hanya dapat berlangsung jia moleul-moleul reatan saling bertumbuan. Namun demiian, tida setiap tumbuan aan menghasilan reasi. Hanya tumbuan yang berhasil atau efetif saja yang aan menghasilan reasi. Tumbuan yang berhasil (efetif): Jia tersedia jumlah energi yang cuup dan orientasi (atau posisi) yang tepat untu memutusan atau memecahan iatan dan membentu iatan imia yang baru. Tinjaulah sebuah reasi homogen: + produ reasi... () Kecepatan reasi () yang dilambangan dengan r, atau yang juga merupaan jumlah tumbuan efetif per satuan watu, dapat dinyataan sbb.: r = P. z. f... () dengan: P fator ruang (fator probabilitas, fator steri). Fator ini menunjuan frasi tumbuan dengn orientasi yang tepat. Untu penyederhanaan, sering ali diambil harga: P = z jumlah tumbuan per satuan volume per satuan watu f frasi tumbuan yang efetif, dengan tingat energi yang cuup. Perhatian gambar di bawah ini! Dalam sebuah sistem reasi homogen terdapat moleul-moleul reatan dan (yang dianggap berbentu bola dengan diameter masing-masing sebesar d dan d ) yang terdistribusi secara aca. Sebuah moleul bergera dengan ecepatan tertentu dan menumbu sebuah moleul yang diam. d d d erdasaran tinjauan reasi bimoleuler (z = z ) dan teori tumbuan: aa: r z + = d 8 π C C... (3) f = e... (4) + = d 8 π e C C... (5) Fator freuensi tumbuan (atau fator pre-esponensial) fator esponensial concentration-dependent term Konstanta ecepatan reasi, (temperature-dependent term) Keterangan: d diameter tumbuan [d = ½ (d + d )]... (6) R tetapan gas [R =. N av ]... (7) dy/teori inetia reasi imia/007/halaman dari 5 halaman

2 tetapan oltzmann ( =, Joule/Kelvin) N av bilangan vogadro ( = 6,0.0 3 ), massa moleul relatif reatan, e frasi tumbuan yang melepasan energi sebesar atau lebih Fator freuensi tumbuan menyataan jumlah tumbuan per satuan watu per satuan volume. eberapa hal yang beraitan dengan teori tumbuan: esipun teori ini pada awalnya hanya dapat menjelasan reasi yang sederhana, namun, dibandingan dengan data percobaan untu sejumlah reasi gas bimoleuler, teori tumbuan memberian hasil yang relatif bai. Teori tumbuan juga coco diterapan untu beberapa reasi dalam larutan yang melibatan ion-ion sederhana. esarnya fator freuensi tumbuan yang dipredisi menggunaan teori tumbuan: Penyimpangan yang dihasilan aan semain besar seiring dengan meningatnya omplesitas moleul-moleul reatan yang terlibat. Kecepatan reasi bergantung pada onsentrasi reatan, arena jumlah tumbuan per detinya bertambah jia onsentrasi bertambah Kecepatan reasi bergantung pada sifat reatan arena energi ativasi yang berbeda. Kecepatan reasi bergantung pada suhu arena jumlah moleul berenergi cuup untu bereasi merupaan fungsi suhu. Katalis mempengaruhi ecepatan reasi (atau mempercepat reasi) arena memperecil energi ativasi. Kegagalan-egagalan teori tumbuan dalam menjelasan ecepatan reasi: oleul-moleul yang bereasi mempunyai orientasi tertentu sebelum bereasi. Reasi dapat berlangsung dalam beberapa tahap. nergi ativasi tida saja terloalisasi dalam iatan yang aan diputusan dalam reasi, namun juga dalam beberapa iatan lainnya. Teori tumbuan tida dapat digunaan untu reasi yang terjadi pada permuaan ataliti. Contoh: Gunaan teori tumbuan untu mempredisi ecepatan reasi spesifi () dari reasi deomposisi hidrogen iodida: HI H + I pada suhu 3,4 o C. sumsian diameter tumbuan = 3,5 o (= 3,5.0-8 cm) dan energi ativasi reasi = al/mol. valuasi juga, berapaah harga fator freuensi tumbuan yang dihasilan! Penyelesaian: = = HI = 8 = = al/mol d = 3, cm T = 3,4 o C + 73 = 594,4 K R = 8,34 J/mol.K = 8, erg/mol.k =,987 al/mol.k + = d 8 π e (,987 ) ( 594,4 ) = ( 3,5.0 ) 8 π.( 8,34.0 ). ( 594,4 ) e 8 =, e -37,4 cm 3 /moleul.deti Untu mengubah satuan menjadi liter/mol.deti, maa anga yang diperoleh di atas harus dialian bilangan vogadro (= 6,0.0 3 moleul/mol) dan dibagi dengan 000, sehingga: ,4 6,0.0 37,4 6 = 7,.0.e. =,0.0.e = 5 7,.0 liter / mol.det i 000 Dengan demiian, harga ecepatan reasi spesifi () pada asus ini sebesar 5,7.0-6 liter/mol.deti dengan fator freuensi tumbuan () sebesar,0.0 liter/mol.deti. dy/teori inetia reasi imia/007/halaman dari 5 halaman

3 TORI KOPLKS KTIF (KDN TRNSISI) enurut teori ini, reasi diawali dengan tumbuan antara moleul-moleul reatan. Sebelum membentu produ reasi, moleul-moleul yang bereasi membentu omples teratifan yang berada dalam eadaan esetimbangan termodinamia dengan moleul reatan. eberapa hal yang beraitan dengan teori omples atif: oleul-moleul memilii energi vibrasi, rotasi, dan translasi. Tumbuan antar reatan menghasilan omples atif (eadaan transisi), emudian terdeomposisi menghasilan produ. Komples atif beresetimbangan dengan reatan. Tahap yang mengendalian ecepatan reasi (rate limiting step) adalah tahap deomposisi omples atif menjadi produ. Tinjau reasi homogen : + produ reasi... () Jia reasi tersebut mempunyai meanisme tahap sebagai beriut: (i) Tahap pembentuan omples atif * dari reatan dan : + * (K*)... (8) (ii) Tahap deomposisi/penguraian * menjadi produ reasi: * ν produ reasi (lambat)... (9) Karena * beresetimbangan dengan reatan, maa onsentrasi * ditentuan dari onstanta esetimbangan reasi tahap (i). Kecepatan reasi overall ditentuan dari ecepatan deomposisi *, arena merupaan rate limiting step (tahap yang berlangsung paling lambat). Tahap (ii) lambat, sehingga menentuan atau mengendalian ecepatan reasi: r = ν C *... (0) Tahap (i) cepat dan mencapai esetimbangan, maa dalam term ativitas a: a* * C* K* = = a a C C... () maa: C * = K * C C... () Substitusian () e (0) menghasilan: r = ν K * C C... (3) erdasaran pendeatan termodinamia pada eadaan esetimbangan: Δ G* = ln K *... (4) Δ G* atau: K* = e... (5) Substitusian (5) e (3): G* Δ r = ν e C C... (6) T esarnya ν: ν = h... (7) dengan: onstanta oltzmann (=, erg/k) h onstanta Planc (=6, erg.deti) Substitusian (7) e (6), maa: r T ΔG* = e C C... (8) h Dari definisi termodinamia (pada ondisi isotermal atau T tetap): ΔG = ΔH T ΔS... (9) H* S* T Δ Δ R Substitusian (9) e (8), maa: r = e e C C... (0) h S* H* T Δ Δ R atau: r = e e C C... () h Fator freuensi tumbuan (atau fator pre-esponensial) fator esponensial concentration-dependent term Konstanta ecepatan reasi, (temperature-dependent term) dy/teori inetia reasi imia/007/halaman 3 dari 5 halaman

4 Contoh: Dengan teori eadaan transisi dan data termodinamia beriut ini, hitunglah onstanta ecepatan reasi fase gas dari reasi deomposisi dimetileter (CH 3 OCH 3 ) pada suhu 780 K. ΔH* = al/mol; ΔS* =,5 al/mol.k Gunaan pendeatan eadaan gas ideal. Penyelesaian: Harga yang dipredisi dengan teori omples atif: S* H* T Δ Δ R = e e h Jia gas-gas dianggap sebagai gas ideal, maa: = = * = 6 (,38.0 erg / K ) (780 K ), ,987 (,987 ) ( 780 ) sehingga: = () e e 7 6,64.0 erg.det i =, ,535. e -36,84 = 5, , = 5, deti - Jadi, = 5, deti -, dengan fator freuensi tumbuan sebesar =... deti - PRNDINGN DNGN TORI RRHNIUS Perhatian harga-harga onstanta ecepatan reasi () dalam persamaan (5) dan (), dan ingatlah embali harga onstanta ecepatan reasi berdasaran persamaan rrhenius (pada materi uliah sebelumnya). Ketiga harga tersebut dapat diringas dan dibandingan sebagai beriut: No. Teori pendeatan Fator freuensi tumbuan (fator pre-esponensial) Fator esponensial. rrhenius T 0 [ f(t)] e. Tumbuan 3. Komples atif (atau eadaan transisi) d + 8 S* T Δ R e h Keterangan: = = ΔH* = energi ativasi reasi R π T ½ e T T ΔH* e erdasaran perbandingan tersebut di atas, terlihat bahwa harga dapat dinyataan dalam persamaan umum: = ' T m e [0 m ]... () dengan: m ' T = = fator freuensi tumbuan (fator pre-esponensial)... (3) Perhatian bahwa: Pada persamaan rrhenius, harga tida dipengaruhi oleh suhu (atau, m = 0) Pada teori tumbuan, harga sebanding dengan suhu dipangatan ½ (atau, m = ½) Pada teori omples atif, harga sebanding dengan suhu pangat (atau, m = ) Pada versi yang lebih omples, harga m dapat berada pada rentang: 0 m 3 sampai dengan 4 Sungguhpun demiian, pada umumnya fator esponensial ( ) jauh lebih sensitif m terhadap adanya perubahan suhu dibandingan dengan fator pre-esponensial ( ' T ). Dengan demiian, persamaan () dapat dianggap identi dengan persamaan rrhenius: = e... (4) Kesimpulannya: Teori atau huum rrhenius memberian pendeatan yang cuup bai tentang ebergantungan harga onstanta ecepatan reasi terhadap suhu (berdasaran teori tumbuan dan teori omples atif). e dy/teori inetia reasi imia/007/halaman 4 dari 5 halaman

5 Contoh: Suatu reasi mempunyai energi ativasi sebesar 65 J mol -. Kecepatan reasinya pada suhu 00 o C adalah 7,8 x 0 - mol L - deti -. Dengan persamaan rrhenius: (a) pada suhu berapaah ecepatan reasinya menjadi sepersepuluh dari ecepatan pada 00 o C? (b) hitunglah ecepatan reasi pada 0 o C, jia data-data yang lain tetap. (Coba erjaanlah sendiri contoh soal ini sebagai latihan! Untu mengece hasil perhitungan Saudara, jawaban soal ini: (a) T = 336 K (atau 63 o C), dan (b) Kecepatan pada 0 o C (93 K) =,6 x 0-4 mol L - deti - ) NRGI KTIVSI RKSI nergi ativasi reasi merupaan energi minimum yang harus dimilii oleh moleul-moleul reatan agar menghasilan reasi jia saling bertumbuan. Hanya moleul-moleul yang memilii energi yang sama dengan atau lebih besar dari energi ativasi yang dapat menghasilan reasi Dari persamaan (4), dapat dilihat bahwa: e merupaan frasi moleul yang mempunyai energi sebesar atau lebih besar. Jia bertambah, maa e berurang; yang berarti bahwa semain banya energi yang diperluan dan semain suar bagi moleul-moleul untu mencapai energi ini. Jia suhu bertambah, maa e bertambah (atau bertambah besar). Untu reasi yang moleul reatannya mempunyai banya iatan yang perlu diputusan, maa energi ativasinya besar. Jia hanya sediit iatan yang perlu diputusan, maa energi ativasinya ecil. Untu reasi tanpa pemutusan iatan, misalnya: H + + OH - H O, energi ativasinya sama dengan nol. eberapa hal penting yang beraitan dengan energi ativasi reasi: () nergi ativasi reasi (seperti yang ditentuan secara esperimen) merupaan energi untu jumlah reasi secara eseluruhan, buan masing-masing tahap reasi. nergi ativasi reasi merupaan selisih antara energi reatan dan energi tertinggi dari eadaan teratifan (atau eadaan transisi) dalam proses tersebut. () nergi ativasi untu setiap tahap selalu berharga positif. (3) Sesuai dengan distribusi axwell-oltzmann tentang energi moleular, jia suhu dinaian, maa ecepatan reasi bertambah. Hal ini disebaban oleh semain banyanya tumbuan yang mempunyai energi lebih besar dari. Dengan ata lain: Kecepatan reasi yang tinggi dapat dicapai pada suhu tinggi, harga ecil, harga besar, dan/atau onsentrasi reatan yang besar dalam tahap penentu ecepatan reasi. dy/teori inetia reasi imia/007/halaman 5 dari 5 halaman