Termodinamika dan Kesetimbangan Kimia Dalam kesetimbangan kimia terdapat 2 reaksi yaitu reaksi irreversible dan reaksi reversible. Reaksi irreversible (reaksi searah) adalah reaksi yang berlangsung searah. Reaksi ini juga disebut reaksi berkesudahan, karena jika salah satu zat pereaksi telah habis bereaksi maka reaksi berhenti. Sedangkan reaksi reversible (reaksi dapat balik) adalah reaksi yang berlangsung dua arah, artinya zat pereaksi bereaksi membentuk hasil reaksi dan hasil reaksi tersebut dapat bereaksi kembali membentuk zat-zat pereaksi. Keadaan setimbang ditandai dengan tidak terjadi perubahan makroskopis (perubahan yang dapat diamati atau diukur). Jadi pada keadaan setimbang tidak ada perubahan yang dapat diamati dan reaksi seolah-olah telah berhenti. Akan tetapi secara mikroskopis (yaitu tingkat molekul), reaksi tetap berlangsung. Ciri-ciri keadaan setimbang dinamis: 1. Reaksi berlangsung dalam dua arah yang berlawanan 2. Tidak terjadi perubahan makroskopis, tetapi perubahan mikroskopis (tingkat molekul) tetap terjadi. 3. Reaksi berlangsung terus-menerus. 4. Reaksi terjadi dalam ruang tertutup, tetapi bisa juga dalam ruang terbuka juga asal lingkungan stabil. 5. Laju rekasi ke kanan (maju) sama dengan laju ke kiri (balik), walaupun jumlah pereaksi dan hasil reaksi tidak sama. Kesetimbangan dibagi menjadi 2, yaitu kesetimbangan homogen dan kesetimbangn heterogen. Kesetimbangan homogen adalah suatu kesetimbangan yang di dalamnya terdapat zat-zat dengan wujud yang sama. Kesetimbangan heterogen adalah suatu kesetimbangan yang di dalamnya terdapat zat-zat dengan wujud berbeda. Tetapan kesetimbangan dapat ditentukan dengan mengukur konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi pada keadaan setimbang, atau dengan menghitung ΔG reaksinya. Untuk memperoleh harga K yang tidak dapat ditentukan secara eksperimen, maka dapat dilakukan secara termodinamika dengan melihat harga
ΔG reaksinya. Bila harga ΔG untuk reaksi kesetimbangan adalah negatif, maka hasil reaksi yang terbentuk berjumlah relatif besar sedang pereaksi yang tersisa berjumlah relatif kecil. Dengan demikian harga K relatif besar. Sebaliknya jika harga ΔG reaksi kesetimbangan adalah positif maka harga K relatif kecil. Secara termodinamika ditunjukkan bahwa: Δ G = Δ G +RT ln K Syarat untuk reaksi kesetimbangan adalah ΔG = 0, jadi: Δ G = -RT ln K Δ G =-RT ln Kp (Bagi kesetimbangan gas-gas) Δ G =-RT ln Kc (Bagi kesetimbangan larutan)
Azaz Le Chatelier Bila pada sistem kesetimbangan diadakan aksi, maka sistem akan mengadakan reaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi itu menjadi sekecilkecilnya. Perubahan dari keadaan kesetimbangan semula ke keadaan kesetimbangan yang baru akibat adanya aksi atau pengaruh dari luar itu dikenal dengan pergeseran kesetimbangan Faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan: 1. Perubahan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi 2. Perubahan tekanan/volume gas pereaksi atau hasil reaksi 3. Perubahan temperatur 4. Katalisator Perubahan temperature Pergeseran kesetimbangan dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor antara lain temperatur, konsentrasi, tekanan dan volume, penambahan zat lain. Apakah perlu dilakukan penambahan atau penurunan temperatur agar hasil suatu reaksi menjadi lebih besar? Untuk meramalkan adanya gangguan luar yang dapat mempengaruhi letak kesetimbangan suatu reaksi, marilah kita kaji bagaimana penerapan azas Le Chatelier terhadap pengaruh atau gangguan dari luar tersebut sehingga dapat terjadi pergeseran kesetimbangan. Pengaruh temperatur, sesuai dengan azas Le Chatelier, jika suhu atau temperatur suatu sistem kesetimbangan dinaikkan, maka reaksi sistem menurunkan temperatur, kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (ke pihak reaksi endoterm). Sebaliknya jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi eksoterm. Jika temperatur dinaikkan, maka pada proses endotermik akan menyerap panas dari lingkungan sehingga membentuk molekul NO2 dari N2O4. Kesimpulannya, kenaikan temperatur akan menyebabkan reaksi bergeser kearah reaksi endotermik dan sebaliknya penurunan temperatur akan menyebabkan reaksi bergeser kearah reaksi eksotermik. Perhatikanlah contoh berikut. Ditentukan reaksi kesetimbangan :
Ke arah manakah kesetimbangan bergeser jika temperatur dinaikkan? Jawab : Pada kenaikan temperatur, kesetimbangan bergeser ke pihak reaksi endoterm : Pada kesetimbangan (1), reaksi bergeser ke kiri. Pada kesetimbangan (2), reaksi bergeser ke kanan. Perubahan konsentrasi, tekanan atau volume akan menyebabkan pergeseran reaksi tetapi tidak akan merubah nilai tetapan kesetimbangan. Hanya perubahan temperatur yang dapat menyebabkan perubahan tetapan kesetimbangan. 1. Pengaruh konsentrasi Sesuai dengan azas Le Chatelier (Reaksi = aksi), jika konsentrasi salah satu komponen tersebut diperbesar, maka reaksi sistem akan mengurangi komponen tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu komponen diperkecil, maka reaksi sistem adalah menambah komponen itu. Oleh karena itu, pengaruh konsentrasi terhadap kesetimbangan berlangsung sebagaimana yang digambar pada tabel 1 berikut Contoh : 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
Bila pada sistem kesetimbangan ini ditambahkan gas SO2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan. Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi gas O2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri. 2. Pengaruh tekanan dan volume Penambahan tekanan dengan cara memperkecil volume akan memperbesar konsentrasi semua komponen. Sesuai dengan azas Le Chatelier, maka sistem akan bereaksi dengan mengurangi tekanan. Sebagaimana anda ketahui, tekanan gas bergantung pada jumlah molekul dan tidak bergantung pada jenis gas. Oleh karena itu, untuk mengurangi tekanan maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah koefisiennya lebih kecil. Sebaliknya, jika tekanan dikurangi dengan cara memperbesar volume, maka sistem akan bereaksi dengan menambah tekanan dengan cara menambah jumlah molekul. Reaksi akan bergeser ke arah yang jumlah koefisiennya lebih besar.
3. Perubahan Temperatur Pengaruh perubahan temperatur terhadap tetapan kesetimbangan ditentukan oleh pihak endoterm dan eksotermnya sistem kesetimbangan. Jika temperatur dinaikkan maka kesetimbangan bergeser ke pihak endoterm dan sebaliknya jika temperatur diturunkan maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak eksoterm. Pada reaksi eksoterm, harga tetapan kesetimbangan akan menjadi lebih kecil apabila temperature dinaikkan. Sebaliknya pada reaksi endoterm, harga tetapan kesetimbangan akan menjadi lebih besar apabila temperatur dinaikkan. G = -RT ln K G = H -T S ln K = H RT R Andaikata harga H dan S tidak bergantung pada temperature maka ln K merupakan fungsi linear dari 1 T ln K 1 = H R T 1 R ln K 2 = H R T 2 R jadi ln K 1 K 2 = - H R [ 1 T 2-1 T 1 ] G = -RT ln K G = H -T S ln K = H RT R 4. 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. Katalis juga tidak mengubah harga tetapan kesetimbangan, tetapi dapat mempercepat terjadinya keadaan kesetimbangan. Katalis ikut terlibat dalam reaksi dan didapatkan kembali pada akhir reaksi.