Bahasan: Mempelajari kecepatan/laju reaksi suatu proses/perubahan kimia. reaksi berlangsung mekanisme reaksi

Transkripsi

1 Mempelajari kecepatan/laju reaksi suatu proses/perubahan kimia. Kinetika juga mempelajari bagaimana reaksi berlangsung mekanisme reaksi Referensi: Brown et.al; Chemistry, The Central Science, 11th edition 2 Laju Reaksi Hukum Laju Hukum Laju Terintegrasi Waktu Paruh Persaman Arrhenius Mekanisme Bahasan: Bagaimana kita mengukur laju reaksi. Bagaimana laju bergantung/dipengaruhi jumlah reaktan. Bagaimana menghitung reaktan yang tersisa atau waktu yang dibutuhkan untuk mencapai ijumlah htertentu. t t Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mereaksikan 50% reaktan. Bagaimana konstanta laju dipengaruhi oleh suhu (T). Hubungan antara laju dengan proses yang terjadi pada skala molekular Faktor yang mempengaruhi laju reaksi Konsentrasi reaktan Pada saat konsentrasi meningkat, peluang (kemungkinan) terjadinya tumbukan akan semakin besar. Temperatur Pada temperatur tinggi molekul reaktan memiliki energi kinetik lebih besar, bergerak lebih cepat, bertumbukan lebih sering. Katalis Mempercepat reaksi kidengan mengubah mekanisme. 3 4

2 Laju Reaksi Laju reaksi dapat ditentukan t dengan memonitor perubahan konsentrasi produk maupun reaktan sebagai fungsi waktu. Δ[A] vs Δt Laju Reaksi C 4 H 9 Cl(aq) + H 2 O(l) C 4 H 9 OH(aq) + HCl(aq) [C 4 H 9 Cl] M Pada reaksi ini, konsentrasi butil klorida, C 4 H 9 Cl, diukur pada berbagaib waktu, t. 5 6 Laju Reaksi Laju Reaksi C 4 H 9 Cl(aq) + H 2 O(l) C 4 H 9 OH(aq) + HCl(aq) C 4 H 9 Cl(aq) + H 2 O(l) C 4 H 9 OH(aq) + HCl(aq) Average Rate, M/s Laju rata-rata reaksi pada setiap interval adalah perubahan konsentrasi dibagii perubahan waktu : Laju rata-rata menurun saat reaksi berlangsung. Ini disebabkan karena pada saat reaksi berlangsung, terdapat lebih sedikit tumbukan diantara molekul reaktan. 7 8

3 Laju Reaksi C 4 H 9 Cl(aq) + H 2 O(l) C 4 H 9 OH(aq) + HCl(aq) Plot Konsentrasi vs. Waktu menghasilkan kurva seperti disamping. Slope/kemiringan garis singgung pada setiap titik adalah laju sesaat pada waktu tersebut Laju Reaksi C 4 H 9 Cl(aq) + H 2 O(l) C 4 H 9 OH(aq) + HCl(aq) Reaksi semakin lambat karena konsentrasi reaktan berkurang Laju Reaksi dan Stoikiometrio Laju Reaksi dan Stoikiometrio C 4 H 9 Cl(aq) + H 2 O(l) C 4 H 9 OH(aq) + HCl(aq) Reaksi diatas, rasio C 4 H 9 Cl terhadap C 4 H 9 OH adalah 1:1. Jadi, laju menghilangnya C 4 H 9 Cl sama dengan laju terbentuknya C 4H 9OH. Bagaimana kalau tidak 1:1? H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI(g) Hanya 1/2 HI dihasilkan untuk setiap H 2 yang digunakan. -Δ[C = 4 H 9 Cl] Laju Δtt = Δ[C 4 H 9 OH] Δtt 11 12

4 Laju Reaksi dan Stoikiometrio Konsentrasi dan Laju Secara umum, untuk reaksi aa + bb cc + dd Setiap reaksi memiliki persamaan tersendiri yang menunjukkan lajunya sebagai fungsi konsentrasi reaktan. Reaktan (berkurang) Produk (bertambah) disebut sebagai Hukum Laju (Rate Law) Untuk menentukan hukum laju kita mengukur laju pada konsentrasi awal berbeda Konsentrasi dan Laju Konsentrasi dan Laju Bandingkan Experimen 1 and 2: saat [NH 4+ ] 2X lebih banyak, laju awal 2X lebih cepat. Bandingkan pula Experimen 5 dan 6: saat [NO - 2 ] 2X lebih banyak, laju awal 2X lebih cepat

5 Konsentrasi dan Laju Hukum Laju Hukum laju menunjukkan hubungan antara laju reaksi dengan konsentrasi reaktan. Untuk reaktan fase gas digunakan P A (tekanan) daripada [A] (konsentrasi molar). k adalah suatu tetapan yang memiliki nilai spesifik untuk setiap reaksi Nilai k ditentukan secara eksperimen. Persamaan ini disebut hukum laju, dan k merupakan tetapan laju. k adalah khas untuk setiap reaksi k berubah terhadap T Hukum Laju Eksponen menunjukkan orde reaksi terhadap masing-masing reaktan. Reaksi tersebut : Orde 1 (First-order) terhadap [NH 4+ ] Orde 1 (First-order) terhadap [NO 2 ] Orde reaksi total ditentukan dengan menambahkan eksponen reaktan. Secara keseluruhan reaksi tersebut reaksi orde 2 (second-order ). Hukum Laju Terintegrasi misalkan reaksi orde 1 : A B Bentuk differensiasi: Berapa banyak A tersisa setelah waktu t? Dengan metode integral: 19 20

6 Hukum Laju Terintegrasi Bentuk integral hukum laju orde 1: Hukum Laju Terintegrasi Penyusunan ulang persamaan menghasilkan Penyusunan nan ulang: [A] 0 konsentrasi awal A (t=0). [A] t konsentrasi A pada saat tertentu, t, selama reaksi. merupakan pers.linear y = mx + b Reaksi Orde-1 Reaksi Orde-1 Reaksi Metil Isonitril diubah menjadi acetonitril : Pada reaksi orde 1, plot ln [A] t vs. t menghasilkan garis lurus dengan slope -k. k CH 3 NC CH 3 CN Jadi, gunakan grafik untuk menentukan orde reaksi. Bagaimana kita tahu bahwa reaksi tersebut orde 1? 23 24

7 Reaksi Orde-1 Reaksi Orde-1 CH 3 NC CH 3 CN Data berikut diperoleh dari reaksi pada C. Apakah laju=k[ch 3 NC] Untuk semua interval waktu? Apabila ln P diplot sebagai fungsi waktu, dihasilkan suatu garis lurus. Reaksi tersebut orde 1. k adalah negatif dari slope/kemiringan: s Reaksi Orde-2 Reaksi Orde-2 Integrasi yang sama dilakukan k pada reaksi kiorde 2 : Penyusunan ulang dan integral: Jadi, reaksi orde 2, plot 1/[A] vs. t menghasilkan garis lurus dengan slope k. Orde 1: Persamaan linear : y = mx + b sedangkan pada reaksi orde 1, plot ln [A] t vs. t akan menghasilkan garis lurus dengan slope -k

8 Menentukan Orde Reaksi Dekomposisi NO 2 pada 300 C ditunjukan melalui persamaan : NO 2 (g) NO (g) + 1/2 O 2 (g) Dan menghasilkan data: 2 (g) (g) 2 (g) Menentukan Orde Reaksi Grafik ln [NO 2 ] vs. t : plot bukan suatu garis lurus, jadi bukan termasuk orde 1 waktu (s) [NO 2 ], M waktu (s) [NO 2 ], M ln [NO 2 ] Tidak memenuhi: Menentukan Orde Reaksi Grafik 1/[NO 2 2] vs. t Suatu garis lurus, waktu(s) [NO 2 ], M 1/[NO 2 ] jadi merupakan orde Waktu Paruh Waktu paruh didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk setengah jumlah reaktan beraksi. Karena [A] pada t 1/2 adalah setengah jumlah mula-mula [A], [A] t = 0.5 [A]

9 Waktu Paruh Orde-1 Untuk reaksi orde 1, substitusi [A] t =0.5 [A] 0 pada persamaan laju terintegrasi t i : Waktu Paruh Orde-2 Untuk reaksi orde 2, substitusi [A] t =0.5 [A] 0 dalam persamaan orde Catatan: Reaksi orde 1, waktu paruh tidak dipengaruhi [A] Ringkasan Temperatur dan Laju Hukum laju Hkm laju terintegras i Orde 1 Orde 2 Orde 2 Rumit/kompleks Umumnya, temperatur meningkat, laju menjadi lebih cepat. Karena k dipengaruhi temperatur. Waktu paruh Rumit/kompleks 35 36

10 Model/Teori Tumbukan Model/Teori Tumbukan Pada suatu reaksi kimia, ikatan diputuskan dan ikatan baru dibentuk. Molekul-molekul hanya bisa bereaksi apabila mereka bertumbukan satu sama lain. Molekul harus bertumbukan dengan orientasi yang sesuai dan dengan cukup energi untuk menyebakan pemutusan ikatan dan pembentukan ikatan Energi Aktivasi Dengan kata lain, ada sejumlah energi minimum yang dibutuhkan untuk reaksi: Energi Aktivasi (activation energy), E a. Sama seperti bola golf yang tidak bisa melewati suatu bukit jika tidak didorong dengan energi yang cukup, suatu reaksi tidak dapat berlangsung kecuali memiliki energi yang cukup untuk mengatasi barrier energi aktivasi. Diagram Koordinat Reaksi Membantu memvisualisasikan perubahan energi pada suatu poses kimia. Diagram koordinat reaksi penyusunan ulang metil isonitril 39 40

11 Diagram Koordinat Reaksi Menunjukkan energi reaktan dan produk (dan, ΔE). Titik Tertinggi pada diagram adalah keadaan transisi (transition state) Spesi yang ada pada keadaan transisi disebut komplek teraktivasi (activated complex). Perbedaan energi antara reaktan dan kompleks teraktivasi merupakan energi aktivasi. Distribusi Maxwell Boltzmann Temperatur didefinisikan i ik sebagai ukuran energi kinetik rata-rata t molekul l dalam suatu sampel. Pada suatu temperatur tertentu terdapat distribusi energi e kinetik Distribusi Maxwell Boltzmann Saat suhu temperatur naik, kurva menjadi lebih lebar dan mendatar. Akibatnya, pada temperatur tinggi, lebih banyak populasi molekul yang memiliki energi lebih tinggi. Distribusi Maxwell Boltzmann Jika garis putus-putus menyatakan energi aktivasi : saat suhu naik, fraksi molekul yang mampu melewati energi aktivasi juga meningkat. Hasilnya, laju reaksi meningkat 43 44

12 Distribusi Maxwell Boltzmann Fraksi molekul tersebut dapat dinyatakan dengan rumus: Persamaan Arrhenius Svante Arrhenius merumuskan suatu hubungan matematis antara k dan E a : R : tetapan gas dan T : temperatur (Kelvin). A merupakan frequency factor, bilangan yang menyatakan kemungkinan tumbukan akan terjadi dengan orientasi yang sesuai Persamaan Arrhenius penyusunan ulang (metode logaritma natural): Rate Laws Integrated Rate Laws RINGKASAN Orde 1 Orde 2 Orde 2 Rumit/kompleks y = mx + b Half-life Rumit/kompleks Apabila k ditentukan secara eksperiment pada beberapa temperatur, E a dapat dihitung dari slope grafik ln k vs. 1/T. k(t) 47 48

13 Mekanisme Reaksi Mekanisme Reaksi Urutan kejadian yang menjelaskan proses reaksi: bagaimana suatu reaktan berubah menjadi produk. Reaksi dapat berlangsung satu tahap atau melalui beberapa tahap/step. Setiap step disebut reaksi elementer atau proses elementer Mekanisme Reaksi Mekanisme Multistep Molekularitas suatu step memberikan informasi berapa banyak ak molekul l yang terlibat pada proses tersebut. t Hukum laju untuk suatu reaksi elementer ditulis langsung dari step tersebut. Reaksi multistep: terdapat salah satu step lebih lambat dari step lainnya. Step yang lebih lambat tersebut: step penentu laju reaksi (rate-determining step) Laju reaksi keseluruhan tidak akan berlangsung lebih cepat dari step penentu laju reaksi 51 52

14 Katalis Katalis meningkatkan laju reaksi dengan menurunkan energi aktivasi reaksi. Katalis mengubah mekanisme suatu reaksi. Salah satu carakatalis mempercepat reaksi adalah dengan mengikat reaktan secara bersamasama dan membantu ikatan putus. Katalis Enzim Enzim merupakan katalis pada sistem biologis. Substrat berikatan dengan sisi aktif enzim mirip seperti kunci dan anak kunci. 55