Kesetimbangan Kimia Bab 4
Standar Kompetensi 3. Memahami kinetika reaksi, kesetimbangan kimia, dan faktor-faktor yang memengaruhinya, serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari dan industri Kompetensi Dasar 3.3 Menjelaskan kesetimbangan dan faktor-faktor yang memengaruhi pergeseran arah kesetimbangan dengan melakukan percobaan 3.4 Menentukan hubungan kuantitatif antara pereaksi dengan hasil reaksi dari suatu reaksi keseimbangan 3.5 Menjelaskan penerapan prinsip kesetimbangan dalam kehidupan seharihari dan industri
Peta Konsep
A. Tetapan Kesetimbangan 1. Kesetimbangan Homogen Dalam sistem kesetimbangan, konsentrasi masing-masing komponen tetap karena perubahan masing-masing komponen dan pembentukan kembali komponen tersebut berlangsung dengan kecepatan yang sama atau bersifat dinamis. Dalam kesetimbangan dinamis, tidak terjadi perubahan makroskopis (perubahan dapat dilihat atau diukur), tetapi perubahan mikroskopis berlangsung terus. Untuk menyatakan suatu reaksi setimbang, dituliskan dengan tanda panah bolak balik ( ). Adanya katalis tidak menggeser kesetimbangan, tetapi mempercepat tercapainya keadaan setimbang atau mempercepat reaksi ke kanan maupun ke kiri. Reaksi yang melibatkan fase gas dan terjadi dalam ruang tertutup dapat mengakibatkan zat-zat hasil reaksi kembali menjadi zat-zat pereaksi, untuk ilustrasi kesetimbangan homogen (fase semua zat sama): A(g) + B(g) C(g) + D(g)
Perhatikan Gambar berikut. Mula-mula konsentrasi A dan B berkurang dengan cepat, kemudian tidak begitu cepat dan akhirnya mencapai harga yang tetap. Keadaan sistem yang demikian disebut setimbang.untuk mengetahui hubungan kuantitatif antara zat-zat pereaksi dan zat-zat hasil reaksi, perlu dilakukan analisis konsentrasi terhadap masing-masing zat pereaksi maupun hasil reaksi pada saat setimbang. Hubungan ini pertama kali dikemukakan oleh Gulberg dan Waage (1867).
Berapa pun harga konsentrasi zat-zat pereaksi maupun hasil reaksi pada saat keadaan setimbang, perbandingan antara konsentrasi zat-zat pereaksi pangkat koefisien reaksi dengan konsentrasi zat-zat hasil reaksi pangkat koefisien adalah konstan. Perbandingan yang konstan itu disebut tetapan kesetimbangan (K). Tetapan kesetimbangan berharga tetap dan hanya bergantung pada stoikiometri reaksi dan temperatur. Misalnya Untuk kesetimbangan reaksi berikut N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Hukum kesetimbangan homogen untuk reaksi: a A + b B c C + d pada temperatur tertentu adalah: K = tetapan kesetimbangan pada temperatur tertentu yang tetap A, B, C, dan D = zat yang berfase sama, yaitu gas semua atau zat-zat yang terlarut dalam larutan
2. Kesetimbangan Heterogen Kesetimbangan heterogen melibatkan dua macam fase atau lebih dalam reaksinya, misalnya: CaCO 3 (s) Ag + (aq) + Fe 2 +(aq) CaO(s) + CO 2 (g) 2 C(s) + O 2 (g) 2 CO(g) Fe 3 +(aq) + Ag(s) Perhatikan eksperimen dekomposisi CaCO3(s) pada temperatur tinggi membentuk CaO(s) dan gas CO2(g) seperti ditunjukkan pada gambar berikut
B. Faktor-Faktor yang Memengaruhi Pergeseran Kesetimbangan 1. Konsentrasi Perhatikan eksperimen yang menunjukkan reaksi antara ion feri (Fe3+) dengan ion tiosianat (SCN ) seperti diperlihatkan pada gambar berikut: Warna larutan berubah ketika zat pereaksi ditambahkan ke dalam kesetimbangan campuran Fe3+ (kuning pucat), SCN (tidak berwarna), dan [FeNCS]2+ (merah). (a) Larutan dalam keadaan kesetimbangan (b) Setelah penambahan FeCl3 ke dalam larutan yang telah mencapai kesetimbangan, warna merah menjadi lebih gelap (tua) karena [FeNCS]2+ bertambah. (c) Setelah penambahan KSCN ke dalam larutan yang telah mencapai kesetimbangan, warna merah juga menjadi lebih gelap (tua). (d) Sesudah penambahan H2C2O4 ke dalam larutan yang telah mencapai kesetimbangan, warna merah hilang karena berkurangnya [FeNCS2+], warna kuning terjadi karena pembentukan [Fe(C2O4)3]3. (e) Setelah penambahan HgCl2 ke dalam larutan yang telah mencapai kesetimbangan, warna merah juga hilang.
Penambahan zat-zat pereaksi (Fe3+ atau SCN ) akan mengubah konsentrasi zat-zat pereaksi (Fe3+ atau SCN ) dalam kesetimbangan menjadi lebih banyak. Secara spontan, warna larutan menjadi lebih tua, ini menunjukkan konsentrasi ion [FeNCS]2+ bertambah. Eksperimen ini menunjukkan bahwa penambahan zat-zat pereaksi akan menggeser kesetimbangan ke arah hasil reaksi (kanan). suatu reaksi kesetimbangan dipengaruhi oleh zat-zat pereaksi maupun zat-zat hasil reaksi. Penambahan konsentrasi pereaksi akan menggeser kesetimbangan ke kanan, sedangkan penambahan zat hasil reaksi akan menggeser kesetimbangan ke kiri. Dan sebaliknya.
2. Tekanan dan Volume Perubahan tekanan atau volume hanya berpengaruh terhadap kesetimbangan yang melibatkan fase gas. Perhatikan kesetimbangan sintesis amonia (NH3) dari gas H2 dan gas N2 yang diilustrasikan pada gambar berikut :
N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) ΔH = 90,6 kj Pembesaran tekanan atau pengecilan volume berarti juga mengubah konsentrasi zat-zat yang berada dalam kesetimbangan. Banyaknya molekul zat yang ada per unit volume lebih besar daripada sebelum tekanan diperbesar. Hal itu dapat dimengerti karena beberapa molekul gas N2 bergabung dengan gas H2 membentuk gas NH3. Sebagai akibatnya, banyaknya molekul total yang ada berkurang (dari 1 + 3 = 4 menjadi 2). Dengan demikian, dapat diperkirakan bahwa peningkatan konsentrasi semua komponen yang terdapat dalam kesetimbangan dengan memperbesar tekanan (memperkecil volume) akan menggeser kesetimbangan ke jumlah molekul yang kecil. untuk kesetimbangan gas yang jumlah molekul sebelum reaksi sama dengan jumlah molekul sesudah reaksi, perubahan tekanan atau perubahan volume tidak memengaruhi keadaan kesetimbangan.
3. Temperatur Hampir setiap tetapan kesetimbangan berubah oleh perubahan temperatur. Perhatikan kesetimbangan kobalt(ii) klorida (CoCl2) yang dilarutkan ke dalam asam klorida, HCl(aq).
Secara sederhana, panas dianggap sebagai zat pereaksi atau zat hasil reaksi kimia. Dalam reaksi endoterm, panas dipertimbangkan sebagai pereaksi,sedangkan pada reaksi eksoterm sebagai zat hasil. Reaksi endoterm : Zat pereaksi + panas zat hasil Reaksi eksoterm : Zat pereaksi zat hasil + panas Perhatikan pada reaksi endoterm. Pada saat temperatur dinaikkan, kesetimbangan bergeser ke arah yang menyerap panas. Panas diserap ke arah pengubahan menjadi zat hasil. Dengan demikian, kenaikan temperatur menyebabkan kesetimbangan bergeser ke kanan, ke arah zat hasil, harga K naik. Pada kesetimbangan di atas, kenaikan temperatur mengakibatkan pembentukan [CoCl4]2 (aq) lebih banyak. Pada reaksi eksoterm, panas yang ditambahkan pada sistem diserap ke arah pengubahan menjadi zat pereaksi, kesetimbangan bergeser ke kiri dan harga K turun. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa: Reaksi endoterm : Peningkatan temperatur (T) mengakibatkan peningkatan harga K, penurunan temperatur (T) mengakibatkan penurunan harga K. Reaksi eksoterm : Peningkatan temperatur (T) mengakibatkan penurunan harga K, penurunan temperatur (T) mengakibatkan peningkatan harga K.
C. Asas Le Chatelier Berdasarkan pengamatan pada sistem kesetimbangan yang dipengaruhi oleh keadaan eksternal, seorang ahli kimia bangsa Prancis yang bernama Le Chatelier mengumumkan prinsip umum secara kualitatif mengenai pergeseran kesetimbangan. Selanjutnya, prinsip itu terkenal sebagai asas Le Chatelier, yaitu: jika pada sistem kesetimbangan diadakan suatu aksi, sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi tersebut sekecil mungkin.
D. Aplikasi Kesetimbangan Kimia dalam Industri 1. Pembuatan Amonia (NH3) Pengetahuan prinsip kimia dapat memberikan keuntungan secara komersial. Misalnya, pembuatan senyawa nitrogen seperti amonia (NH3), asam nitrat (HNO3), pupuk amonium nitrat (NH4NO3), anilin, dan bahan peledak TNT (trinitrotoluena). Tahap yang paling sulit adalah pengubahan nitrogen di udara menjadi senyawa nitrogen yang secara komersial menguntungkan, misalnya pembuatan NH3: N2(g) + 3 H(g) 2 NH3(g) Δ H = 92,2 kj Menurut asas Le Chatelier, pada temperatur rendah, kesetimbangan akan bergeser ke arah eksoterm, yaitu ke arah pembentukan NH3. Temperatur rendah diperlukan untuk menggeser kesetimbangan ke arah NH3, sedangkan temperatur tinggi diperlukan untuk kecepatan reaksi yang optimum secara komersial. Untuk itu, diperlukan temperatur yang tidak terlalu rendah dan juga tidak terlalu tinggi. Kondisi yang baik untuk pembuatan amonia adalah pada tekanan 350 atm, temperatur 500 oc, digunakan katalis Fe3O4 (campuran FeO dan Fe2O3), dan amonia yang terbentuk sebagai cairan segera dipisahkan. Proses sintesis amonia cara ini terkenal sebagai proses Haber-Bosch karena merekalah yang pertama kali berusaha mendapatkan kondisi yang optimum.
2. Pembuatan Asam Sulfat (H2SO4) Pembuatan asam sulfat di industri kebanyakan menggunakan suatu metode yang disebut proses kontak. Reaksi yang paling penting dalam proses pembuatan asam sulfat adalah reaksi kesetimbangan oksidasi belerang dioksida membentuk belerang trioksida yang juga memerlukan katalis. 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g) Δ H = 792 kj Dalam proses tersebut, digunakan katalis V2O5 atau platina (Pt). Katalis V2O5 lebih banyak digunakan karena harganya lebih murah. Akan tetapi, katalis ini bekerja pada temperatur di atas 400 oc. Reaksi sintesis SO3 merupakan reaksi eksoterm. Menurut asas Le Chatelier, agar diperoleh gas SO3 yang optimum, reaksi dilakukan pada temperatur rendah (pada temperatur rendah, kesetimbangan akan bergeser ke arah eksoterm). Akan tetapi, pada temperatur rendah, laju reaksi berjalan lambat. Dalam proses kontak, reaksi sintesis asam sulfat tidak dilakukan pada temperatur rendah karena reaksi berlangsung lambat, tetapi dilakukan pada temperatur sekitar 420 oc dan gas yang terbentuk segera didinginkan.
Secara teori, sintesis asam sulfat seharusnya dilakukan pada tekanan tinggi agar reaksi kesetimbangan bergeser ke arah SO3 (jumlah molekul yang kecil). Akan tetapi, dalam praktiknya dilakukan pada tekanan atmosfer karena alasan ekonomis. Penggunaan tekanan tinggi memerlukan biaya tinggi, tetapi hasilnya tidak efisien. Pengubahan SO2 menjadi SO3 secara ekonomis dilakukan pada temperatur 420 oc dan tekanan atmosfer normal (1 atm). Gas SO3 yang diperoleh direaksikan dengan H2SO4 untuk menghasilkan oleum (H2S2O7). SO3(g) + H2SO4(l) H2S2O7(l) H2SO4 dipisahkan dengan cara menambahkan oleum ke dalam air. H2S2O7(l) + H2O(l) 2 H2SO4(l)
E. Hubungan Kuantitatif antara Pereaksi dan Hasil Reaksi dari Suatu Reaksi Kesetimbangan 1. Tetapan Kesetimbangan yang Dinyatakan sebagai Konsentrasi Molar ( Kc) Hubungan kuantitatif antara zat pereaksi dan zat hasil reaksi dapat dinyatakan sebagai konsentrasi molar. Karena sebagian besar reaksi kimia terjadi dalam larutan, perbandingan banyaknya zat hasil reaksi dan banyaknya zat pereaksi pada saat kesetimbangan dinyatakan sebagai Kc
Contoh
2. Tetapan Kesetimbangan yang Dinyatakan sebagai Tekanan Parsial ( Kp) Untuk kesetimbangan yang melibatkan fase gas, tetapan kesetimbangan sering dinyatakan sebagai tekanan parsial, Kp. Pada saat gas terdiri atas campuran berbagai gas, tekanan total gas merupakan jumlah tekanan masing-masing gas penyusun. Contohnya, udara terdiri atas nitrogen, oksigen, karbon dioksida, argon, dan uap air bertekanan 760 mmhg. Tekanan total (760 mmhg) tersebut merupakan jumlah tekanan masing-masing gas penyusunnya. Tekanan parsial suatu gas berhubungan dengan mol gas, volume gas, dan temperatur absolut sesuai dengan persamaan gas ideal. P = tekanan (atm) V = volume (L) n = mol (Massa/Mr) R = tetapan gas umum (0,082 L atm K 1 mol 1)
Tetapan kesetimbangan yang dinyatakan sebagai tekanan parsial (Kp) untuk reaksi: dinyatakan sebagai: a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)
3. Hubungan Kp dengan Kc Untuk kesetimbangan: a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)
contoh
F. Kesetimbangan Disosiasi Disosiasi adalah penguraian suatu zat menjadi beberapa zat lain. Dalam disosiasi juga terdapat kesetimbangan (baik homogen maupun heterogen). Contoh: 2 NH3(g) N2(g) + 3 H2(g) (homogen) CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) (heterogen) Untuk menyatakan perbandingan antara banyaknya zat-zat yang terurai dengan banyaknya zat mula-mula, dipakai istilah derajat disosiasi yang diberi lambang alfa ( α ). Banyaknya zat yang terurai = α banyaknya zat mula-mula.
contoh