MODUL III KESETIMBANGAN KIMIA I. Petunjuk Umum 1. Kompetensi Dasar 1) Mahasiswa memahami Asas Le Chatelier 2) Mahasiswa mampu menjelaskan aplikasi reaksi kesetimbangan dalam dunia industry 3) Mahasiswa memahami konsesp kelarutan dan hasil kali kelarutan 2. Materi Perkuliahan 1) Asas Le Chatelier 2) Reaksi Kesetimbangan dalam Industri 3) Kesetimbangan Kelarutan 4) Kelarutan dan Ksp 3. Indikator Pencapaian 1) Mahasiswa mampu menjelaskan bagaimana Asas Le Chatelier pada kesetimbangan kimia dan memberikan contoh pergeseran kesetimbangan akibat faktor luar 2) Mahasiswa mampu menjelaskan reaksi kesetimbangan pada industri sintesis amoniak 3) Mahasiswa memahami konsep kelarutan 4) Mahasiswa mampu membuat persamaan Ksp dari reaksi kimia yang diberikan dan mampu menentukan nilai Ksp 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 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 Versi : 1 Revisi : 0 Halaman : 1 dari 7
II. Materi Kuliah Pergeseran Kesetimbangan Telah disampaikan sebelumnya bahwa, sekali keadaan kesetimbangan tercapai maka ini akan berlangsung terus-menerus. Akan tetapi dalam banyak kasus keadaan kesetimbangan ini bersifat rentan, atau mudah berubah oleh faktor luar yang dikenakan pada sistem tersebut. Berubahnya keadaan kesetimbangan ini disebut Pergeseran Kesetimbangan. a. Kesetimbangan dikatakan bergeser ke kanan jika produknya bertambah banyak atau reaktan berkurang. b. Kesetimbangan dikatakan bergeser ke kiri jika reaktannya bertambah atau produknya berkurang. Asas Le Chatelier (Le Chatelier Principle) Pada tahun 1884 Henri Louis Le Chatelier memberikan suatu aturan umum tentang bagaimana memprediksi arah pergeseran kesetimbangan jika suatu keadaan kesetimbangan dikenai faktor luar seperti konsentrasi, tekanan, suhu, dan volume. jika suatu keadaan kesetimbangan dikenai tindakan eksternal, maka sistem ini akan menyesuaikan diri sedemikian rupa sehingga mengurangi pengaruh tindakan eksternal tersebut a. Perubahan konsentrasi Jika konsentrasi salah satu komponen diperbesar maka sistem bereaksi untuk mengurangi komponen tersebut, dan sebaliknya jika konsentrasi komponen diperkecil maka sistem bereaksi untuk menambah komponen tersebut. Konsep ini akan lebih jelas dengan mempelajari reaksi kesetimbangan berikut : Fe 3+ (aq) + SCN - (aq) FeSCN 2+ (aq) kuning pucat tidak berwarna merah Gambar 1. Posisi kesetimbangan dari reaksi Fe 3+ + SCN - FeSCN - Jika ke dalam sistem ditambahkan NaSCN maka NaSCN akan terionisasi menjadi Na + dan SCN - yang berarti konsentrasi SCN - bertambah. Sistem akan bereaksi untuk mengurangi pertambahan konsentrasi ini yaitu dengan cara Fe 3+ bereaksi dengan SCN - sehingga kesetimbangan bergeser ke kanan yang dapat diamati dari warna larutan yang bertambah merah (merah tua). Dan terbentuk kesetimbangan baru. Versi : 1 Revisi : 0 Halaman : 2 dari 7
Gambar 2. Pengaruh tindakan eksternal pada reaksi Fe 3+ + SCN - FeSCN - Sebaliknya jika ke dalam sistem ditambahkan ion hidroksida (OH - ) maka akan membentuk endapan Fe(OH) 3. Dalam hal ini konsentrasi ion Fe 3+ berkurang sehingga sistem akan bereaksi untuk menambah konsentrasi ion Fe 3+ ini, kesetimbangan bergeser ke kiri. Larutan berubah dari merah menjadi kuning. Gambar 3. Posisi kesetimbangan baru setelah adanya tindakan eksternal b. Perubahan tekanan dan volume Konsentrasi gas sangat dipengaruhi oleh tekanan karena senyawa dalam fase gas dapat dimampatkan. Sebaliknya senyawa dalam fase cair dan padat sulit dimampatkan sehingga konsentrasinya tidak dipengaruhi oleh tekanan sistem. Dari persamaan : pv = nrt atau terlihat bahwa besaran p (tekanan) berbanding terbalik dengan V (volume), tetapi berbanding lurus dengan (n/v) atau konsentrasi gas. Versi : 1 Revisi : 0 Halaman : 3 dari 7
Gambar 4. Pengaruh tekanan/volume pada kesetimbangan Jika tekanan dalam suatu sistem gas diperbesar (dengan cara memperkecil volume) maka konsentrasi semua komponen di dalam sistem tersebut juga bertambah besar. Akibatnya sistem akan bereaksi dengan cara mengurangi tekanan tersebut. Tekanan suatu sistem gas ditentukan oleh jumlah molekul gas yang berada dalam sistem tersebut dan bukan ditentukan oleh jenis gasnya. Oleh karena itu pengurangan tekanan dilakukan dengan cara mengurangi jumlah molekul, yang berarti terjadi reaksi dengan arah reaksi dari sisi yang jumlah mol gas besar ke jumlah mol gas kecil. Dengan demikian dapat dibuat suatu aturan bahwa : Jika tekanan diperbesar (volume diperkecil) maka kesetimbangan bergeser ke arah sisi dengan jumlah koefisien gas terkecil Jika tekanan diperkecil (volume diperbesar) maka kesetimbangan bergeser ke arah sisi dengan jumlah koefisien terbesar Dari aturan tersebut maka jika reaksi tidak menghasilkan perubahan mol gas (jumlah koefisien gas di sisi kiri sama dengan jumlah koefisien gas di sisi kanan maka perubahan tekanan/volume tidak akan menggeser kesetimbangan) c. Perubahan suhu Tinjau reaksi berikut : CoCl 4 2- + 6H 2 O Co(H 2 O) 6 2+ + 4Cl - Biru merah muda Reaksi ke kanan merupakan reaksi eksotermis (melepaskan panas, H = -), sedangkan reaksi ke kiri merupakan reaksi endotermis (menyerap panas, H = +). Jadi jika sistem dipanaskan maka sistem akan bereaksi untuk menurunkan panas tersebut yaitu dengan cara mengalami reaksi endotermis, kesetimbangan bergeser ke kiri. Ini dapat diamati dari warna larutan yang berubah menjadi biru. Sebaliknya jika suhu diturunkan maka kesetimbangan akan bergeser ke arah eksotermis, sehingga kesetimbangan bergeser ke kanan yang dapat diamati dari perubahan warna larutan menjadi merah muda. d. Pengaruh katalis Katalis adalah suatu zat yang ditambahkan dalam sistem untuk mempercepat reaksi. Jika reaksinya adalah reaksi reversible, maka penambahan katalis akan mempercepat laju reaksi maju (ke kanan) maupun laju reaksi balik (ke kiri). Sehingga penambahan katalis tidak akan menggeser kesetimbangan, tetapi dapat mempercepat terjadinya keadaan kesetimbangan. Versi : 1 Revisi : 0 Halaman : 4 dari 7
Kesetimbangan Kimia dalam Industri a. Sintesis Amoniak Konsep reaksi kesetimbangan dan Asas Le Chatelier yang diterapkan di dunia industri adalah pada industri amoniak. Sintesis amoniak dari gas nitrogen dan gas hidrogen pertama kali dicetuskan oleh Fritz Haber,seorang kimiawan dari Jerman, sedangkan proses industri amoniak skala industri ditemukan oleh Carl Bosch, sehingga proses sintesis amoniak disebut juga proses Haber-Bosch. N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) H = -92,6 kj Reaksi tersebut merupakan reaksi eksotermis. Untuk menghasilkan amoniak semaksimal mungkin (reaksi ke kanan dibuat setuntas mungkin) maka Asas Le Chatelier diterapkan pada reaksi kesetimbangan ini. Reaksi dikondisikan sebagai berikut : Tekanan sangat tinggi (kesetimbangan bergeser ke jumlah mol gas yang terkecil), yaitu antara 500 1000 atm. Suhu rendah (kesetimbangan bergeser ke arah eksotermis). Tetapi jika dilakukan pada suhu rendah reaksi berlangsung sangat lambat, bahkan pada suhu 500 0 C. untuk meningkatkan laju reaksi maka ditambah katalis, yaitu campuran serbuk besi, Al 2 O 3,MgO, CaO, dan K 2 O. Untuk semakin memaksimalkan hasil, maka NH 3 yang terbentuk segera dipisahkan dari campuran reaksi untuk menghindari reaksi balik. b. Sintesis asam sulfat Gambar 5. Skema industri amonia Asam sulfat merupakan senyawa belerang yang penting terutama pada industri pupuk, cat, zat warna dan deterjen. Sintetesis asam sulfat secara besar-besaran dilakukan dengan Versi : 1 Revisi : 0 Halaman : 5 dari 7
menggunakan bahan baku belerang murni, oksigen dan air melalui proses kontak. Proses kontak ini terdiri dari dua tahap : Tahap I : Belerang dibakar di udara menghasilkan gas belerang dioksida : S (s) + O (g) SO 2(g) Belerang dioksida direaksikan kembali dengan oksigen dan dihasilkan belerang trioksida SO 2(g) + O (g) SO 3(g) H = -94,97 kal Untuk mengoptimalkan produk, maka reaksi dilakukan pada suhu rendah. Tetapi karena reaksi ini sangat lambat maka ditambahkan katalis yaitu V 2 O 5 dan suhu dibuat 400 0 C. Tahap II : SO 3 yang terbentuk kemudian direaksikan dengan air membentuk H 2 SO 4 SO 3(g) + H 2 O (g) H 2 SO 4(l) Kesetimbangan Kelarutan Di semester I telah dibahas salah satu jenis reaksi kimia dalam air, yaitu reaksi pengendapan, serta bagaimana memprediksi secara kualitatif terjadinya reaksi pengendapan dengan menggunakan Aturan Kelarutan (Solubility Rules). Walaupun berguna, tetapi Aturan Kelarutan tidak dapat menentukan secara kuantitatif jumlah padatan yang mengendap maupun ion-ion yang terlarut dalam air. Oleh karena itu pada bagian ini akan dibahas reaksi pengendapan secara kuantitatif, Kelarutan Jika kita melarutkan sedikit-demi sedikit suatu garam dalam sejumlah air maka lama kelamaan garam tersebut tidak dapat larut dalam air tersebut, dikatakan bahwa larutan telah jenuh. Konsentrasi garam dalam larutan jenuh ini disebut Kelarutan. Kelarutan = konsentrasi maksimum zat yang dapat larut dalam sejumlah tertentu pelarut. Gambar 6. Pengaruh temperatur pada kelarutan berbagai zat Dari gambar 6 terlihat bahwa kelarutan zat dipengaruhi oleh temperature dimana umumnya kelarutan zat akan meningkat dengan naiknya temperatur. Versi : 1 Revisi : 0 Halaman : 6 dari 7
Tetapan Hasil Kali Kelarutan Larutan jenuh dari garam-gram sukar larut merupakan kesetimbagan yaitu kesetimbangan antara Kristal endapannya dengan ion-ion dalam larutannya. Untuk reaksi kesetimbangan berikut : AgCl (s) Ag + (aq) + Cl - (aq) Maka tetapan kesetimbangannya adalah : Kc = [Ag ][Cl ] Ingat bahwa konsentrasi zat pada fase padat dan cair merupakan konstanta sehingga tidak diikutkan pada penentuan konstanta kesetimbangan. Kc untuk reaksi pengendapan disebut Ksp (solubility product constant) atau hasil kali kelarutan. Jadi Ksp atau hasil kali kelarutan adalah hasil kali konsentrasi molar dari ion-ion penyusun padatan dimana masing-masing ion dipangkatkan dengan koefisien stoikimetrinya dalam persamaan kesetimbangan. Maka untuk reaksi berikut : Ag 2 CO 3(s) III. Lembar Kerja 2Ag + (aq) + CO 3 2- (aq) Ksp = [Ag ] [CO ] 1. Perhatikan system kesetimbangan berikut : SO 2(g) + Cl (g) SO 2 Cl 2(g) Prediksi bagaimana posisi kesetimbangan akan berubah jika a) Gas Cl 2 ditambahkan dalam sistem b) SO 2 Cl 2 dipindahkan dari sistem c) Tekanan ditambah 2. Hitung konsentrasi ion dalam larutan jenuh berikut : I - dalam larutan AgI dengan Ag + 9,1 x 10-9 M Al 3+ dalam larutan Al(OH) 3 dengan konsentrasi OH - 2,9 x 10-9 M 3. Tuliskan persamaan hasil kali kelarutan untuk kesetimbangan kelarutan senyawa berikut : a) ZnC 2 O 4 b) Ag 2 CrO 4 c) Hg 2 Cl 2 4. Tuliskan persamaan hasil kali kelarutan untuk senyawa ionic sukar larut berikut A x B y Versi : 1 Revisi : 0 Halaman : 7 dari 7