MODUL II KESETIMBANGAN KIMIA

Transkripsi

1 MODUL II KESETIMBANGAN KIMIA I. Petunjuk Umum 1. Kompetensi Dasar Mahasiswa memahami konsep kesetimbangan kimia dan mampu menyelesaikan soal/masalah yang berhubungan dengan reaksi kesetimbangan. 2. Materi Perkuliahan 1) Konsep reaksi kesetimbangan 2) Macam-macam kesetimbangan 3) Tetapan kesetimbangan 4) Kegunaan tetapan kesetimbangan 3. Indikator Pencapaian 1) Mahasiswa mampu menyebutkan contoh-contoh kesetimbangan kimia 2) Mahasiswa mampu menyebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan kimia 3) Mahasiswa mampu memahami Asas Le Chatelier 4) Mahasiswa mampu memahami konsep kesetimbangan kelarutan 4. Referensi Chang, R., 2005, Kimia Dasar : Konsep-Konsep Inti, Jilid 2, Penerbit Erlangga, Jakarta Keenan, Kleinfelter, Wood, 1980, Kimia untuk Universitas, Edisi ke-6 Jilid 1 dan 2, Erlangga, Jakarta ogel, 1979, Buku Teks Analisis Anorganik Kualitatif Makro dan Semimikro, Edisi ke-5, Jilid I dan II, Kalman Media Pustaka, Jakarta 5. Strategi Pembelajaran Pembelajaran dilakukan dengan penyampaian materi perkuliahan secara interaktif yang melibatkan partisipasi dosen dan mahasiswa selama satu kali tatap muka setiap 1 pekan dengan bobot 2 SKS. 6. Lembar Kegiatan Pembelajaran 1) Berusaha mempelajari materi sebelum perkuliahan dimulai 2) Memahami materi setelah mengikuti perkuliahan 3) Melakukan kegiatan belajar mandiri melalui tugas yang diberikan 4) Melakukan latihan dalam memecahkan permasalahan dan mendiskusikannya 7. Evaluasi 1) Post test 2) UTS ersi : 1 Revisi : 0 Halaman : 1 dari 7

2 II. Materi Kuliah Jika kita memiliki segelas air dalam keadaan tertutup maka kita akan mendapati bahwa volume air terlihat tetap atau tidak berubah. Memang volume air tidak berubah, tetapi di dalam gelas tersebut sebenarnya sedang terjadi suatu perubahan, yaitu perubahan fase. H 2 O (l) H 2 O (g) (1) Air berubah fasenya dari cair menjadi gas (uap air), dan karena sistem merupakan sistem tertutup maka uap air kembali berubah menjadi fase cair. Laju perubahan dari fase cair menjadi gas sama dengan laju perubahan fase gas menjadi cair, sehingga kita tidak mendapati perubahan volume dari air tersebut (volume air tetap). Peristiwa ini merupakan contoh dari kesetimbangan yaitu kesetimbangan fisika. Jadi kesetimbangan fisika adalah kesetimbangan antara dua fase dari zat yang sama. Contoh kesetimbangan kimia adalah pada reaksi sintesis amoniak. Amoniak dibuat dengan mereaksikan gas nitrogen dan hidrogen dengan reaksi sebagai berikut : N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) (2) Di akhir reaksi kita akan mendapati adanya campuran gas N 2, H 2 dan NH 3. Artinya bahwa ternyata reaktan tidak habis bereaksi sehingga dikatakan bahwa reaksinya tidak tuntas dan berhenti di tengah jalan. Ketika reaksi berlangsung selang beberapa waktu, yaitu ketika sejumlah NH 3 mulai terbentuk ternyata NH 3 kembali berubah menjadi N 2 dan H 2 dimana laju pembentukan NH 3 sama dengan laju pembentukan reaktan kembali. Pada keadaan ini dikatakan sistem berada pada kesetimbangan. Walaupun sepertinya tidak teramati adanya perubahan tetapi pada keadaan kesetimbangan tetap terjadi perubahan yang sifatnya mikroskopis. Sehingga reaksi sisntesis NH 3 lebih tepat dituliskan dengan menggunakan tanda panah dua arah sebagai berikut : N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) (3) Lalu apakah kita dapat menuliskan reaksi kesetimbangan (3) dengan cara terbalik seperti berikut? NH 3(g) N 2(g) + H 2(g) (4) Hal ini tergantung dari reaktannya. Reaksi (3) menunjukkan bahwa reaktan awal adalah gas N 2 dan gas H 2 sedangkan reaksi (4) menunjukkan bahwa reaktan awalnya adalah gas NH 3. Kesetimbangan Dinamis Perhatikan reaksi kesetimbangan secara umum berikut : ma (g) + nb (g) pc (g) + qd (g) (5) Pada keadaan awal sejumlah mol zat A dan zat B dimasukkan dalam sistem. Zat A dan B akan bereaksi membentuk zat C dan D. Sehingga dengan berjalannya waktu konsentrasi zat A berkurang begitu juga dengan konsentrasi zat B sedangkan konsentrasi zat C dan D semakin bertambah. Karena reaksinya adalah reaksi dapat balik (reversible) segera setelah zat C dan D terbentuk mereka kemudian bereaksi membentuk zat A dan B kembali. Proses ini berlangsung terus sampai suatu ketika tidak teramati lagi adanya perubahan konsentrasi zat baik A, B, C, maupun D atau sepertinya reaksi berhenti. Pada keadaan ini dikatakan sistem telah mencapai kesetimbangan. Proses ini dapat digambarkan dengan grafik 1 berikut : ersi : 1 Revisi : 0 Halaman : 2 dari 7

3 konsentrasi A B C, D t 0 t e waktu Grafik 1. Perubahan konsentrasi reaktan dan produk terhadap waktu Pada keadaan setimbang, laju reaksi pembentukan zat C dan D (laju reaksi ke kanan) sama dengan laju reaksi pembentukan zat A dan B kembali (laju reaksi ke kiri). Jika tidak ada faktorfaktor yang mengganggu kesetimbangan, maka sekali kesetimbangan telah tercapai, maka keadaan ini akan berlangsung terus-menerus. Walaupun secara makroskopis tidak terjadi perubahan yang dapat teramati dan terukur tetapi secara makroskopis tetap berlangsung perubahan, yaitu reaksi ke kanan dan juga reaksi ke kiri. Maka kesetimbangan kimia yang seperti ini disebut sebagai kesetimbangan dinamis. Macam-macam Kesetimbangan Berdasarkan fase dari zat-zat yang terlibat dalam reaksi kesetimbangan, maka kesetimbangan dibedakan sebagai : 1. Kesetimbangan homogen Kesetimbangan homogen adalah jenis kesetimbangan dimana semua zat-zat yang terlibat dalam reaksi kesetimbangan tersebut memiliki fase yang sama, misalnya : a. Reaksi peruraian N 2 O 4 N 2 O 4(g) 2NO 2(g) Disini baik N 2 O 4 maupun NO 2 berada pada fase gas b. Reaksi sintesis NH 3 N 2(g) + 3H 2(g) 2. Kesetimbangan heterogen 2NH 3(g) Kesetimbangan heterogen adalah jenis kesetimbangan dimana semua zat-zat yang terlibat dalam reaksi kesetimbangan tersebut memiliki fase yang berbeda, misalnya : ersi : 1 Revisi : 0 Halaman : 3 dari 7

4 a. Pemanasan CaCO 3 dalam wadah tertutup CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) b. Pelarutan endapan perak kromat 2- Ag 2 CrO 4(s) 2Ag (aq) + CrO 4 (aq) Tetapan Kesetimbangan Beberapa data percobaan peruraian N 2 O 4 pada 25 0 C ditunjukkan pada tabel 1 berikut : Tabel 1. Data percobaan peruraian N 2 O 4 pada 25 0 C Konsentrasi Awal (M) Konsentrasi Kesetimbangan Perbandingan Konsentrasi pada Kesetimbangan N 2 O 4 NO 2 N 2 O 4 NO 2 [NO ] [N O ] [NO ] [N O ] 0,670 0,000 0,643 0,0547 0,0851 4,65 x ,446 0,050 0,448 0,0457 0,1020 4,66 x ,500 0,030 0,491 0,0475 0,0967 4,60 x ,600 0,040 0,594 0,0523 0,0880 4,60 x ,000 0,200 0,0898 0,0204 0,2270 4,63 x 10-3 Sumber : Chang R, 2005, Kimia Dasar : Konsep-Konsep Inti, Penerbit Erlangga, Jakarta Dari tabel 1 terlihat bahwa walaupun pada suhu tetap yaitu 25 0 C konsentrasi N 2 O 4 dan NO 2 pada kesetimbangan sangat dipengaruhi oleh konsentrasi N 2 O 4 dan NO 2 awal, tetapi terdapat suatu hubungan yang menunjukkan nilai yang tetap yaitu perbandingan konsentrasi NO 2 2 / N 2 O 4, yaitu berkisar 4,63 x Disini masing-masing konsentrasi zat dipangkatkan dengan koefisien reaksinya. Hubungan ini pertama kali ditemukan oleh Cato Maximillian dan Peter Wage pada tahun 1864 yang kemudian disebut sebagai Hukum Kesetimbangan atau Hukum Aksi Massa. Untuk reaksi umum ma (g) + nb (g) pc (g) + qd (g) maka Hukum Kesetimbangannya dapat dinyatakan sebagai berikut : K = Dimana konsentrasi produk yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya dibagi dengan konsentrasi reaktan yang juga dipangkatkan dengan koefisien reaksinya. Kc merujuk pada konstanta kesetimbangan dimana besaran yang diperbandingkan adalah konsentrasi (consentration). Kc dapat memiliki satuan tetapi juga dapat tidak memiliki satuan, tergantung dari pangkat perbandingannya. Kc tidak memiliki satuan (dimensi) jika p + q = m+n. Harga Kc dapat digunakan untuk mengetahui ketuntasan suatu reaksi, atau sejauh mana reaksi berlangsung ke arah sempurna. Jika Kc > 1 maka kesetimbangan lebih ke arah kanan tanda panah reaksi atau lebih ke arah produk, konsentrasi/tekanan parsial produk lebih besar dari reaktan. Sedangkan jika Kc < 1 maka kesetimbangan lebih ke arah reaktan. konsentrasi/tekanan parsial reaktan lebih besar dari produk. ersi : 1 Revisi : 0 Halaman : 4 dari 7

5 Tetapan Kesetimbangan Homogen (gas) Untuk kesetimbangan homogen dimana masing-masing zat berada pada fase gas maka tetapan kesetimbangan juga dapat dinyatakan dengan perbandingan tekanan parsial masing-masing zat yang terlibat dalam reaksi dan dinyatakan dengan Kp. Misalnya untuk reaksi sintesis NH 3, maka tetapan kesetimbangannya adalah sebagai berikut : N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) K = P P P Jika di dalam suatu wadah tertutup yang berisi campuran gas, maka tekanan yang diberikan oleh masing-masing gas disebut sebagai tekanan parsial dimana masing-masing tekanan tersebut bersifat indepen atau tidak saling mempengaruhi. Jika suatu campuran dua jenis gas A (n A mol) dan B (n B mol) memiliki volume pada temperatur T. Persamaan berikut dapat diberikan untuk masing-masing gas, jika gas-gas dianggap ideal : p A = n A RT/ p B = n B RT/ P = p A + p B = (n A + n B )RT/ dimana : p A : tekanan parsial gas A (atm) p B : tekanan parsial gas B (atm) P : tekanan total gas (atm) : volume total (L) R : tetapan gas ideal = 8,2056 x10 2 dm 3 atm mol -1 K -1 atau 8,3145 J mol -1 K -1 Tetapan Kesetimbangan Heterogen CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) Dari berbagai percobaan, ternyata kesetimbangan tidak dipengaruhi oleh konsentrasi zat yang berada pada fase padat, yaitu CaCO 3 dan CaO, artinya pada keadaan setimbang konsentrasi/tekanan parsial gas CO 2 adalah sama walaupun konsentrasi CaCO 3 dan CaO divariasi. Oleh karena itu aksi massa untuk fase padat adalah 1. Hal ini juga berlaku untuk zat dengan fase liquid (cair). Sehingga baik fase padat maupun cair tidak diikutkan dalam penentuan tetapan kesetimbangan. Maka tetapan kesetimbangan untuk reaksi pemanasan CaCO 3 adalah : Untuk reaksi berikut : Ag 2 CrO 4(s) Kc = [CO ] Kc = [Ag ] [CrO ] 2Ag + (aq) + CrO 4 2- (aq) ersi : 1 Revisi : 0 Halaman : 5 dari 7

6 Hubungan Kc dan Kp Kesetimbangan reaksi fase gas : aa (g) bb (g) Kc = [B] [A] Kp = (P ) (P ) Dengan asumsi bahwa gas berperilaku ideal maka : P = n RT P = n RT P = n RT P = n RT Kp = n RT n = RT Kp = [B] (RT) [A] Kp = Kc(RT) n n (RT) Dimana n = jumlah koefisien produk - jumlah koefisien reaktan Kegunaan Tetapan Kesetimbangan 1. Memberikan reaksi tentang ketuntasan suatu reaksi Semakin besar harga Kc maupun Kp maka reaksi semakin mendekati tuntas atau sempurna, sebaliknya makin kecil Kc atau Kp maka reaksi tidak berlangsung tuntas (produk hanya sedikit) 2. Meramalkan arah reaksi Jika kita mencampurkan semua zat reaktan dan produk dalam suatu wadah, maka ke arah mana reaksi akan berlangsung dapat diramalkan dengan menggunakan tetapan kesetimbangan. Perbandingan/nisbah konsentrasi dari produk dan reaktan yang persamaannya sama dengan persamaan Kc disebut kuosien reaksi (Qc). Misal : Maka : ma (g) + nb (g) K = C D A B Q = C D A B pc (g) + qd (g) ersi : 1 Revisi : 0 Halaman : 6 dari 7

7 Jika : Qc < Kc maka reaksi bersih berlangsung ke kanan sampai Qc = Kc Qc > Kc maka reaksi bersih berlangsung ke kiri sampai Qc = Kc Qc = Kc maka campuran berada pada kesetimbangan. III. Lembar Kerja 1. Kapankah suatu reaksi reversible mencapai keadaan setimbang? 2. Bagaimana perbedaan antara kesetimbangan fisika dan kimia? Jelaskan! 3. Jelaskan mengapa kesetimbangan kimia disebut kesetimbangan dinamis? 4. Tentukan persamaan kesetimbangan Kc (dan Kp) jika mungkin untuk reaksi kesetimbangan berikut : CO 2(g) CO (g) + O 2(g) H 2 O (g) + C (s) CO (g) + H 2(g) 2HgO (s) 2Hg (l) + O 2(g) 5. Berikut ini adalah reaksi kesetimbangan pada suhu C 2H 2(g) + S 2(g) 2H 2 S (g) Pada kesetimbangan terdapat 2,5 mol H 2, 1,35 x 10-5 mol S 2 dan 8,7 mol H 2 S dalam labu 12 L. Hitung Kc untuk reaksi ini! 6. Berapa Kp pada C untuk reaksi : 2CO (g) + O 2(g) 2CO 2(g) Jika Kc-nya sebesar 2,24 x pada suhu yang sama! 7. Pada C tekanan total sistem diketahui 4,50 atm. Jika Kp adalah 1,52, hitung tekanan parsial kesetimbangan CO 2 dan CO. C (s) + CO 2(g) 2CO (g) ersi : 1 Revisi : 0 Halaman : 7 dari 7