KTSP & K-13 kimia K e l a s XI KESETIMBANGAN KIMIA 2 Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari materi ini, kamu diharapkan memiliki kemampuan berikut. 1. Memahami faktor-faktor yang memengaruhi kesetimbangan. 2. Menentukan nilai konstanta kesetimbangan (K) dari gabungan dua reaksi atau lebih. 3. Memahami makna konstanta kesetimbangan dan kesetimbangan disosiasi. 4. Memahami aplikasi kesetimbangan dalam kehidupan sehari-hari. A. Faktor-Faktor yang Memengaruhi Kesetimbangan Kesetimbangan kimia adalah kondisi yang dinamis. Oleh karena itu, pergeseran kesetimbangan adalah bagian yang tak terpisahkan dari kesetimbangan itu sendiri. Suatu sistem yang setimbang akan cenderung mempertahankan kesetimbangannya. Apabila ada pengaruh dari luar, maka sistem tersebut akan berubah sedemikian rupa untuk kembali mencapai kondisi setimbang. Hal ini dikenal dengan asas Le Chatelier, yaitu jika dalam suatu sistem kesetimbangan diberikan aksi, maka sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi tersebut menjadi sekecil mungkin. Adanya aksi pada sistem kesetimbangan menyebabkan pergeseran kesetimbangan. Pergeseran kesetimbangan adalah kondisi saat reaksi berubah arah karena adanya aksi atau faktor-faktor yang memengaruhi kesetimbangan. Faktor-faktor yang memengaruhi kesetimbangan antara lain sebagai berikut.
1. Konsentrasi Zat Dalam suatu sistem kesetimbangan, jika konsentrasi salah satu zat diubah, maka kesetimbangan akan bergeser menjauhi zat yang dinaikkan konsentrasinya atau bergeser ke arah zat yang diturunkan konsentrasinya. Sebagai contoh, perhatikan reaksi pembentukan amonia dari gas nitrogen dan gas hidrogen berikut. + 3H 2 2NH 3 Apabila konsentrasi dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah pembentukan NH 3 (kanan). Apabila konsentrasi NH 3 diturunkan, maka kesetimbangan juga akan bergeser ke arah pembentukan NH 3 (kanan). Contoh lainnya dapat kamu lihat pada reaksi kesetimbangan berikut. Fe 3+ (aq) + SCN - (aq) FeSC+ (aq) Reaksi akan bergeser ke arah produk jika konsentrasi reaktan dinaikkan atau konsentrasi produk diturunkan. Reaksi akan bergeser ke arah reaktan jika konsentrasi produk dinaikkan atau konsentrasi reaktan diturunkan. 2. Suhu Sistem Pengaruh suhu pada pergeseran kesetimbangan adalah sebagai berikut. Jika suhu dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi endoterm ( H = +). Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi eksoterm ( H = ). Sebagai contoh, perhatikan reaksi berikut. A + B C + D H = 25 kj Berdasarkan persamaan reaksinya, reaksi tersebut adalah reaksi reversible yang berlangsung dalam dua arah. Oleh karena H bernilai negatif, maka reaksi maju (ke arah produk) merupakan reaksi eksoterm dan reaksi balik (ke arah reaktan) merupakan reaksi endoterm. Jika suhu dinaikkan, maka reaksi akan bergeser ke arah reaksi endoterm (kiri). Sementara itu, jika suhu diturunkan, maka reaksi akan bergeser ke arah reaksi eksoterm (kanan). 2
Contoh lainnya dapat kamu lihat pada beberapa reaksi berikut. 2SO 2 + O 2 2SO 3 H = 198,2 kj Berdasarkan persamaan reaksinya, reaksi pembentukan produk berlangsung secara eksotermis. Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi eksoterm, yaitu pembentukan produk. Dengan demikian, agar produk meningkat, suhu sistem harus diturunkan. Perhatikan reaksi berikut. O 4 2NO 2 H = +58,0 kj O 4 adalah gas tidak berwarna, sedangkan NO 2 adalah gas berwarna cokelat. Berdasarkan persamaan reaksinya, reaksi penguraian O 4 menjadi NO 2 berlangsung secara endotermis. Jika suhu diturunkan, maka reaksi akan bergeser ke arah reaksi eksoterm, yaitu pembentukan O 4. Akibatnya, terjadi perubahan warna cokelat menjadi tidak berwarna. Sementara itu, jika suhu dinaikkan, maka reaksi akan bergeser ke arah reaksi endoterm, yaitu pembentukan NO 2. Akibatnya, warna cokelat yang terbentuk semakin banyak. 3. Volume dan Tekanan Volume dan tekanan menggeser kesetimbangan dengan mekanisme yang sama tetapi berkebalikan. Hal ini terjadi karena hubungan keduanya berbanding terbalik pada hukum gas ideal (PV = nrt). Pergeseran kesetimbangan yang dipengaruhi oleh volume dan tekanan adalah sebagai berikut. Jika volume diperbesar/tekanan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah koefisien reaksi yang lebih besar. Jika volume diperkecil/tekanan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah koefisien reaksi yang lebih kecil. Jika jumlah koefisien reaksi sebelah kiri (reaktan) sama dengan jumlah koefisien reaksi sebelah kanan (produk), maka perubahan volume dan tekanan tidak menggeser kesetimbangan. Sebagai contoh, perhatikan reaksi pembentukan amonia berikut. + 3H 2 2NH 3 3
Pada reaksi tersebut, jumlah koefisien reaksi sebelah kiri (reaktan) adalah 1 + 3 = 4, sedangkan jumlah koefisien reaksi sebelah kanan (produk) adalah 2. Apabila volume diperkecil atau tekanan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah pembentukan NH 3 (kanan) yang jumlah koefisien reaksinya lebih kecil. Apabila volume diperbesar atau tekanan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah kiri yang jumlah koefisien reaksinya lebih besar. Contoh lainnya dapat kamu lihat pada beberapa reaksi berikut. 2SO 3 2SO 2 + O 2 Pada reaksi tersebut, jumlah koefisien reaksi sebelah kiri (reaktan) adalah 2, sedangkan jumlah koefisien reaksi sebelah kanan (produk) adalah 2 + 1 = 3. Apabila volume diperkecil atau tekanan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi balik yang jumlah koefisiennya lebih kecil. Pada reaksi ini terjadi pembentukan reaktan. Apabila volume diperbesar atau tekanan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi maju yang jumlah koefisien reaksinya lebih besar. Pada reaksi ini terjadi pembentukan produk. Perhatikan reaksi berikut. H 2 + F 2 2HF Pada reaksi tersebut, jumlah koefisien reaksi sebelah kiri (reaktan) sama dengan jumlah koefisien reaksi sebelah kanan (produk), yaitu 2. Dengan demikian, perubahan tekanan dan volume tidak menggeser kesetimbangan. 4. Penambahan Katalis Katalis adalah senyawa yang dapat mempercepat laju reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi. Pada reaksi reversible, katalis dapat mempercepat tercapainya kesetimbangan. Namun, tidak memengaruhi pergeseran kesetimbangan atau jumlah produk yang dihasilkan. Dari keempat faktor yang memengaruhi kesetimbangan, hanya perubahan suhu yang dapat mengubah nilai konstanta kesetimbangan. Perubahan konsentrasi, volume, dan tekanan sistem hanya menggeser kesetimbangan tanpa mengubah nilai konstantanya. Jika perubahan suhu menyebabkan kesetimbangan bergeser ke arah reaksi maju, maka nilai konstanta kesetimbangan (K) meningkat. Namun, jika perubahan 4
suhu menyebabkan kesetimbangan bergeser ke arah reaksi balik, maka nilai konstanta kesetimbangan (K) menurun. B. Perhitungan Nilai Konstanta Kesetimbangan (K) pada Gabungan Dua Reaksi atau Lebih Pada suatu reaksi yang terdiri atas dua tahap reaksi atau lebih dengan nilai konstanta kesetimbangan masing-masing, penggabungan reaksi-reaksi tersebut akan menghasilkan konstanta kesetimbangan K yang baru. Nilai K hasil penggabungan reaksi-reaksi tersebut adalah hasil perkalian nilai K masing-masing reaksi (K 1 K 2 K 3...). Jika modifikasi reaksi dilakukan dalam proses penggabungan reaksi, maka berlaku aturan berikut. Jika koefisien reaksi dikalikan n, maka nilai K menjadi K n. 1 Jika koefisien reaksi dibagi dengan n, maka nilai K menjadi K n. Jika reaksi dibalik, maka nilai K menjadi 1 K. Contoh Soal 1 Perhatikan reaksi berikut. a. A 2 2AB K = 0,5 b. A 2 B + BC 2AB + C K = 2 Berapakah nilai K untuk reaksi A 2 + C A 2 B + BC? Pembahasan: Untuk membentuk reaksi A 2 + C A 2 B + BC, reaksi pertama tidak berubah dan reaksi kedua dibalik. a. A 2 2AB K = 0,5 b. 2AB + C A 2 B + BC K = 1 2 = 0,5 Hasil penggabungan dua reaksi tersebut adalah sebagai berikut. A 2 + C A 2 B + BC K = 0,5 0,5 = 0,25 Jadi, nilai K untuk reaksi A 2 + C A 2 B + BC adalah 0,25. 5
C. Makna Konstanta Kesetimbangan dan Kesetimbangan Disosiasi 1. Makna Konstanta Kesetimbangan Konstanta kesetimbangan adalah informasi yang penting untuk mengetahui banyak hal mengenai suatu reaksi reversible. Dengan mengetahuhi nilai konstanta kesetimbangan, kita dapat melakukan hal-hal berikut. a. Memprediksi arah reaksi Nilai konstanta kesetimbangan adalah hasil bagi konsentrasi produk terhadap konsentrasi reaktan yang masing-masing dipangkatkan koefisien reaksinya. Oleh karena konsentrasi produk selalu sebagai pembilang, maka nilai konstanta kesetimbangan menunjukkan besar-kecilnya jumlah produk yang dihasilkan. Nilai K yang besar menunjukkan arah reaksi cenderung membentuk produk (reaksi maju). Sementara itu, nilai K yang kecil menunjukkan arah reaksi cenderung membentuk reaktan kembali (reaksi balik). b. Menentukan apakah suatu reaksi reversible sudah mencapai kesetimbangan atau belum Jika konstanta kesetimbangan suatu reaksi reversible pada suhu dan tekanan tertentu sudah diketahui, kita dapat memprediksikan apakah reaksi tersebut sudah mencapai kesetimbangan atau belum. Untuk memprediksikannya, kita harus menghitung nilai Q dengan cara yang sama saat menghitung nilai K. Nilai tersebut merupakan konsentrasi produk yang dipangkatkan koefisien dan dibagi dengan konsentrasi reaktan yang dipangkatkan koefisien. Jika nilai Q sama dengan nilai K yang sudah diketahui, maka reaksi tersebut berada dalam keadaan setimbang. c. Menentukan komposisi zat-zat dalam kondisi setimbang Jika nilai konstanta kesetimbangan diketahui, komposisi zat-zat dalam kondisi setimbang juga dapat diketahui. 2. Kesetimbangan Disosiasi Reaksi disosiasi adalah reaksi penguraian suatu zat menjadi zat yang lebih sederhana. Apabila reaksi penguraian tersebut berlangsung dalam reaksi reversible, yang suatu saat mencapai kesetimbangan, maka kondisi setimbang yang tercapai dinamakan kesetimbangan disosiasi. 6
Dalam reaksi disosiasi dikenal istilah derajat disosiasi, yaitu perbandingan antara jumlah zat yang terurai terhadap jumlah zat mula-mula. Derajat disosiasi disimbolkan dengan α dan dirumuskan sebagai berikut. ( ) ( ) Jumlah zat terurai mol α = Jumlah zat mula-mula mol Derajat disosiasi bernilai antara 0 sampai 1 atau antara 0% sampai 100%. Derajat disosiasi bernilai 0 artinya tidak ada zat yang terurai, sedangkan derajat disosiasi bernilai 1 artinya zat terurai sempurna. D. Aplikasi Kesetimbangan dalam Kehidupan Sehari-hari Beberapa contoh aplikasi kesetimbangan dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut. 1. Proses Haber-Bosch dalam Pembuatan Amonia Proses pembuatan amonia berlangsung menurut reaksi berikut. + 3H 2 2NH 3 H = 92 kj Proses ini pertama kali diperkenalkan oleh Fritz Haber dari Jerman pada tahun 1913. Selanjutnya, proses tersebut dikembangkan dalam skala industri oleh Carl Bosch, sehingga proses pembuatan amonia dikenal dengan proses Haber-Bosch. Reaksi pembuatan amonia adalah reaksi kesetimbangan. Oleh karena itu, untuk mendapatkan produk sebanyak-banyaknya digunakan asas Le Chatelier dengan usaha menggeser kesetimbangan ke arah pembentukan amonia. Dilihat dari reaksinya yang eksotermis, untuk memperoleh produk sebanyakbanyaknya, proses harus dilakukan pada suhu rendah. Akan tetapi, pada suhu rendah reaksi berlangsung lambat, sehingga perlu ditambahkan katalis Fe yang diberi promotor Al 2 O 3 dan K 2 O. Selain suhu, faktor tekanan juga perlu diperhatikan. Pembentukan amonia seharusnya akan meningkat jika proses berlangsung pada tekanan tinggi. Akan tetapi, proses pada tekanan tinggi memerlukan biaya yang lebih besar dan perlu mempertimbangkan 7
keamanan konstruksi bangunan. Dengan berbagai pertimbangan tersebut, didapatkan kondisi optimum pembentukan amonia yang secara ekonomis paling menguntungkan. Kondisi optimum proses pembentukan amonia tersebut berlangsung pada tekanan 140 340 atm dengan suhu antara 400 o 600 o C. 2. Pembuatan Asam Sulfat dengan Proses Kontak Pembuatan asam sulfat dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu proses bilik timbal dan proses kontak. Akan tetapi, proses bilik timbal sudah banyak ditinggalkan karena tidak terlalu menguntungkan. Proses kontak lebih dipilih karena dapat menghasilkan asam sulfat dengan kadar mencapai 99% dengan biaya yang lebih murah. Proses pembuatan asam sulfat berlangsung dalam 3 tahap, yaitu: a. Proses oksidasi belerang menjadi belerang dioksida S (s) + O 2 SO 2 b. Oksidasi belerang dioksida (SO 2 ) menjadi belerang trioksida (SO 3 ). 2SO 2 + O 2 2SO 3 H = 196 kj c. Mereaksikan SO 3 dengan air (H 2 O). Pada tahap ini, SO 3 tidak langsung direaksikan dengan air. Akan tetapi, terlebih dahulu dilarutkan dalam H 2 SO 4. Reaksi yang berlangsung adalah sebagai berikut. SO 3 + H 2 SO 4 (aq) H 2 S 2 O 7 (l) H 2 S 2 O 7 (l) + H 2 O (l) 2H 2 SO 4 (aq) Tahapan yang paling menentukan pada proses pembuatan asam sulfat adalah tahapan pembentukan SO 3 dari SO 2. Reaksi pembentukan SO 3 dari SO 2 adalah reaksi reversible, sehingga untuk meningkatkan produknya dilakukan usaha-usaha berdasarkan asas Le Chatelier. Berdasarkan jumlah koefisien reaksi pada pembentukan SO 3, untuk meningkatkan produknya, proses harus dilakukan pada tekanan tinggi. Selain itu, karena reaksi pembentukan SO 3 adalah reaksi eksotermis, maka untuk meningkatkan produknya, proses harus dilakukan pada suhu rendah. Akan tetapi, pada suhu rendah reaksi berlangsung lambat, sehingga ke dalam reaksi perlu ditambahkan katalis V 2 O 5. 8
Sama halnya dengan proses pembuatan amonia, percobaan terus dilakukan untuk memperoleh kondisi optimum. Berdasarkan berbagai percobaan, kondisi optimum untuk proses pembuatan asam sulfat dalam skala industri berlangsung pada suhu antara 400 o C 450 o C dan tekanan 1 atm. Hasil yang diperoleh melalui proses ini adalah H 2 SO 4 dengan kadar 97% 99%. 9