• Tidak ada hasil yang ditemukan

BAB II LANDASAN TEORI

A. Tinjauan Pustaka

6. Kesetimbangan Kimia

I. Konsep Kesetimbangan Kimia

1. Reaksi Reversibel dan Irreversibel

Perhatikan kertas yang terbakar. Apakah abu hasil pembakaran kertas dapat diubah menjadi kertas seperti semula? Pengalaman menunjukkan bahwa proses itu tidak dapat dilakukan, bukan? Reaksi seperti itu kita golongkan sebagai reaksi yang berlangsung searah atau reaksi yang tidak dapat balik (irreversibel). Apakah ada reaksi yang dapat balik? Dalam kehidupan sehari-hari sulit menemukan reaksi yang dapat balik. Proses-proses alami umumnya berlangsung searah, tidak dapat balik. Namun, di laboratorium maupun dalam proses industri, banyak rekasi yang dapat balik. Reaksi yang dapat balik kita sebut reaksi

reversible. Dua diantaranya kita sebutkan dalam contoh di bawah ini. Contoh1:

Jika campuran gas nitrogen dan hidrogen dipanaskan akan menghasilkan amonia N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)

Sebaliknya jika ammonia (NH3) dipanaskan akan terurai membentuk nitrogen dan hidrogen:

2NH3 (g) N2 (g)+ 3H2 (g)

Apabila diperhatikan ternyata reaksi kedua merupakan kebalikan dari reaksi pertama. Kedua reaksi itu dapat digabuhng sebagai berikut:

N2 (g) + 3H2 (g) ⇔ 2NH3 (g)

Tanda ⇔ dimaksudkan untuk menyatakan reaksi dapat balik. Reaksi kekanan disebut reaksi maju, reaksi ke kiri disebut reaksi balik

Contoh 2:

Reaksi antara timbel(II) sulfat dengan natrium iodida. Jika serbuk timbel(II) sulfat direaksikan dengan natrium iodida, terbentuk endapan kuning dari timbel(II) iodida sebagai berikut:

PbSO4(s)+ 2NaI(aq) PbI2(s)+ Na2SO4 (aq)

Putih Kuning

Sebaliknya, jika endapan timbel(II) iodide direaksikan dengan larutan natrium sulfat akan terbentuk endapan timbel(II) sulfat yang berwarna putih:

commit to user

PbI2(s)+ Na2SO4(aq) PbSO4(s)+ 2NaI(aq)

Kuning Putih

Reaksi pertama dan reaksi kedua diatas dapat digabungkan sebagai berikut: PbSO4(s)+ 2NaI(aq) ⇔ PbI2(s)+ 2Na2SO4(aq)

2. Reaksi Setimbang

Bayangkan suatu ruangan tertutup dimana 1 mol gas nitrogen dipanskan bersama 3 mol gas hidrogen.pada awalnya, hanya terjadi satu reaksi yaitu pembentukan amonia

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

Seperti telah disebutkan di atas,amonia dapat terurai membentuk nitrogen dan hidrogen. Oleh karena itu, segera setelah terbentuk, sebagian amonia akan terurai kembali membentuk gas nitrogen dan gas hidrogen.

2NH3(g) N2(g)+ 3H2 (g)

Selanjutnya kedua reaksi tersebut akan berlangsung secara bersamaan (simultan) menurut reaki dapat balik berikut:

N2(g) + 3H2(g) ⇔ 2NH3(g)

M isalnya laju reaksi maju v1 dan laju reaksi balik v2. sebagaimana telah dipelajari dalam bab 3 (Laju Reaksi), nilai v1bergantung pada konsentrasi N2dan H2, sedangkan nilai v2 bergantubng pada konsentrasi NH3. pada awal reaksi,v1 mempunyai nilai maksimum, sedangkan v2 = 0 (karena NH3 belum terbentuk). Selanjutnya, seiring dengan berkurangnya konsentarasi N2 dan H2 nilai v1 makin lama makin kecil. Sebaliknya, dengan bertambahnya konsentrasi NH3, nilai v2 makin lama makin besar. Pada suatu saat, laju reaksi maju (v1) akan menjadi sama dengan laju reaksi balik (v2).hal itu berarti bahwa laju menghilangnya suatu komponen sama dengan laju pembentukan komponen itu. Berariti sejak v1 = v2, jumlah masing-masing komponen tidak berubah terhadap waktu. Oleh karena itu, tidak ada perubahan yang dapat diamati atau diukur (sifat makroskopis tidak berubah), reaksi seolah-olah telah berhenti. Keadaan seperti itu disebut keadaan setimbang (kesetimbangan). Akan tetapi, percobaan menunjukkan bahwa dalam keadaan setimbang reaksi tetap berlangsung pada tingakt molekul (tingkat

commit to user

mikroskopis) oleh karena itu, keseimbangan kimia disebut kesetimbangan dinamis.

3. Waktu Untuk M encapai Kesetimbangan

Waktu untuk mencapai kesetimbangan berbeda dari satu reaksi kereaksi yang lain. Ada reaksi yang mencaai kesetimbangan begitu zat-zat pereaksi dicampurkan, misalnya:

Fe3+(aq)+ SCN-(aq) ⇔ FeSCN2+(aq) 2CrO42-(aq)+ 2H+ ⇔ Cr2O7(aq)+ H2O(l)

Akan tetapi banyak reaksi yang memerlukan waktu lebih lama untuk mencapai kesetimbanagn. M isalnya, reaksi gas nitrogen dengan gas hidrogen membentuk amonia,

N2(g) + 3H2(g) ⇔ 2NH3(g)

M emerlukan waktu berhari-hari untuk mencapai kesetimbangan meskipun dilakukan pada suhu 500oC

Cepat lambatnya suatu reaksi mencapai kesetimbangan bergantung pada laju reaksinya. Semakin besar laju reaksi, semakin cepat kesetimbangan tercapai.

a. Sifat-Sifat Kesetimbangan Kimia

Kesetimbangan kimia hanya dapat berlangsung dalam sistem tertutup. Sementara itu, pada umumnya proses alami berlangsung dalam sistem terbuka. Sebagaimana kita saksikan, berbagai proses alami, seperti perkaratan logam, pembusukan, dan pembakaran, merupakan reaksi yang berlangsung searah. Akan tetapi jika sistemnya kita perbesar, misalnya mencakup atmosfer secara keseluruhan, kita dapat melihat berbagai kesetimbangan. M isalnya kesetimbangan yang mengatur komposisi atmosfer yang relatif konstan dari waktu ke waktu. Proses kesetimbangan juga terjadi dalam tubuh makhluk hidup. Darah manusia sebagai contoh, mempunyai sistem yang mengatur pH tetap sekitar 7,4. hal itu sangat penting, karena perubahan kecil saja pada pH darah akan mengganggu fungsinya, misalnya dalam pengikatan oksigen

commit to user

b. Kesetimbangan Homogen dan Heterogen

kesetimbangan yang sama komponennya satu fase kita sebut kesetimbangan homogen, sedangkan kesetimbangan yang terdiri dari dua fase atau lebih kita sebut kesetimbangan heterogen. Kesetimbangan homogen dapat beruap sistem gas atau laruatan. Kesetimbangan heterogen umumnya melibatkan komponen padat-gas atau cair-gas.

Contoh kesetimbangan homogen: 1) N2(g)+ 3H2(g) ⇔ 2NH3(g) 2) H2(l) ⇔ H+(aq)+ OH-(aq)

3) CH3COOH(aq) ⇔ CH3COO-(aq)+ H+(aq)

Contoh kesetimbangan heterogen: 1) CaCO3(s) ⇔ CaO(s)+ CO2(g) 2) Ag2CrO4(s) ⇔ Ag+(aq) + CrO42-(aq)

II. Pergeseran Kesetimbangan

1. Azas Le Chatelier

Pada tahun 1884, Henri Louis Le Chatelier (1850 – 1936) berhasil menyimpulkan pengaruh faktor luar terhadap kesetimbangan dalam suatu azas yang dikenal dengan azas Le Chatelier sebagai berikut: bila terhadap suatu kesetimbangan dilakukan suatu tindakan (aksi), maka sistem itu akan mengadakan reaksi yang cenderung mengurangi pengaruh aksi tersebut. Secara singkat, azas Le Chatelier dapat disimpulakan sebagai berikut:

Reaksi = -Aksi

Cara sistem bereaksi adalah dengan melakuakn pergeseran ke kiri atau ke kanan. M arilah kita bahas penerapan azas Le Chatelier terhadap pergeseran kesetimbanagn

a. Pengaruh Konsentrasi

Sesuai dengan azas Le Chatelier (Reaksi = -Aksi), jika konsentrasi salah satu komponen diperbesar maka reaksi sistem adalah mengurangi komponen tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu komponen diperkecil, maka

commit to user

reaksi sistem adalah menambahkan komponen itu. Oleh karena itu, pengaruh konsentrasi terhadap kesetimbangan berlansung

b. Pengaruh Tekanan

Penambahan tekanan dengan cara memperkecil volum 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 volum, maka sistem akan bereaksi dengan menambah tekanan dengan cara menambah jumlah molekul. Reaksi akan bergeser ke arah yang jumlah koefisiennya lebih besar.

c. Pengaruh Komponen Padat dan Cair

Penambahan atau pengurangan komponen yang berupa padatan atau cairan murni tidak mempegaruhi keetimbangan. Hal ini dapat dipahami sebagai berikut. Penambahan komponen yang berupa larutan atau gas akan berpengaruh pada kerapatan antarpartikel dalam campuran.jika suatu komponen gas atau terlarut ditambahkan, maka konsentrasi meningkat, sehingga sistem bereaksi untuk mengurangi konsentrasi. Jika yang ditambahkan berupa padatan atau cairan murni, hal itu tidak merubah konsentrasi karena jarak antarpartikel dalam padatan dan cairan adalah tetap.

Demikian juga halnya pada perubahan tekanan atau volum. Perubahan tekanan atau volum tidak mempengaruhi konsentrasi padatan atau cairan murni. Jadi, ketika mempertimbangkan pengaruh tekanan dan volum, koefisien komponen padat tidak diperhitungkan. Tekanan hanya berpengaruh pada system kesetimbangan gas

d. Pengaruh Suhu

Sesuai denagn azas Le Chatelier, jika suhu system kesetimbangan dinaikkan, maka reaksi sistem menurunkan suhu, kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (ke pihak reaksi endoterm). Sebaliknya jika

commit to user

suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi eksoterm. Perhatikan contoh soal berikut:

Ditentukan reaksi kesetimbnagan:

(1) N2(g)+ 3H2(g) ⇔ 2NH3(g) H = -92,2 kJ (2) H2O(g) ⇔ ½ H2(g)+ O2(g) H = +242 kJ Ke arah mana kesetimbangan bergeser jika suhu dinaikkan? Jawab:

Pada kenaikan suhu, kesetimbangan bergeser ke pihak reaksi endoterm; Pada kesetimbangan (1), reaksi bergeser ke kiri

Pada kesetimbangan (2), reaksi bergeser ke kanan e. Pengaruh Katalisator

Dalam bab 3 telah dijelaskan bahwa katalisator memperbesar laju reaksi karena menurunkan energi pengaktifan. Penurunan energi pengaktifan tersebut berlaku untuk kedua arah. Jadi, katalisator akan mempercepat laju reaksi maju sekaligus laju reaksi balik. Oleh karena itu, penggunaan katalisator akan mempercepat tercapainya keadaan setimbang.suatu reaksi yang memerlukan waktu berhari-hari atau berminggu-minggu untuk mencapai kesetimbangan, dapat dicapai dalam beberapa menit dengan adanya katalisator. Suatu katalisator juga penting dalam reaksi yang memerlukan suhu tinggi, karena dengan sutu katalisator reaksi seperti itu dapat berlangsung pada suhu yang lebih rendah. Hal itu akan jadi sangat penting jika reaksi pada suhu tinggi mengurangi rendemen hasil reaksi.

M eskipun katalisator dapat mempercepat pencapaian keadaan setimbang, namun katalisator tidak mengubah komponen kesetimbangan.

III. Kesetimbangan Dalam Industri

Banyak proses pembuatan zat kimia yang didasarkan pada reaksi kesetimbangan.agar efesien, kondisi reaksi haruslah diusahakan sedemikian sehingga menggeser kesetimbangan ke arah produk dan memiinimalkan reaksi balik. Pada bagian berikut kita akan membahas bagaimana prinsip kesetimbangan diterapkan pada pembuatan amonia dan asam sulfat.

commit to user

1. Pembuatan Amonia M enurut Proses Haber-Bosch

Nitrogen terdapat melimpah di udara, yaitu sekitar 78% volum. Walaupun demikian, senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam.satu-satunya sumber alam yang penting adalah NaNO3 yang disebut senyawa Chili. Sementara itu, kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya, untuk industri pupuk, mesiu, dan bahan peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen disebut fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat pentinng. M etode yang paling utama adalah dengan mereaksikan nitrogen dengan hidrogen membentuk amonia. Selanjutnya amonia dapat diubah menjadi senyawa nitrogen lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman.sedangkan proses industri pembuatan amonia, untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia, juga dari Jerman.

Persamaan termokimia realsi sintesis amonia adalah: N2(g)+ 3H2(g) ⇔ 2NH3(g) H = -92,4 kJ Pada 25oC : Kp = 6,2 x 105

Berdasarkan pada prinsip kesetimbangan, kondisi menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH3) adalah suhu rendah tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berjalan sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Di pihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen.

Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar150 – 350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, M gO, CaO, dan K2O. dewasa ini, seiring dengan kemajuan teknologi, digunakan tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahakan. M ula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuaran gas dipanaskan dalam suatu ruangan bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Campuran gas kemudiann didinginkan sehingga amonia mencair. Gas nitrogen dan gas

commit to user

hidroen yang belum bereaksi (dan juga amonia yang tidak mencair) diresirkulasi, sehingga pada akhirnya semua diubah menjadi amonia.

2. Pembuatan Asam Sulfat M enurut Proses Kontak

Satu lagi contoh industri yang berdasarkan reaksi kesetimbangan yaitu pembuatan asam sulfat yang dikenal dengan proses kontak. Reaksi yang terjadi dapat diringakas sebagai berikut:

1. Belerang dibakar dengan udara membentuk belerang dioksida S(s)+ O2(g) ⇔ SO2(g)

2. Belerang dioksida dioksidasi lebih lanjut menjadi belerang trioksida 2SO2(g) + O2(g) ⇔ 2SO3(g)

3. Belerang trioksida dilarutakan dalam asam sulfat pekat membentuk asam pirosulfat

H2SO4(aq)+ SO3(g) ⇔ H2S2O7(l)

4. Asam pirosulfat direasikan dengan air dapat membentuk asam sulfat pekat H2S2O7(l)+ H2O(l) ⇔ H2SO4(aq)

Tahap penting dalam proses ini adalah reaksi (2). Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan dan eksoterm. Sama seperti pada sintesis amonia,reaksi ini hanya berlangsung baik pada suhu tinggi. Akan tetapi pada suhu tingi kesetimbangan bergeser ke kiri. Pada proses kontak digunakan suhu sekitar 500oC dengan katalisator V2O5. sebenarnya tekanan besar akan menguntungkan produksi SO3, tetapi ternyata penambahan tekanan tidak diimbangi penambahan hasil yang memadahi. Oleh karena itu, pada proses kontak tidak digunakan tekanan besar melainkan tekanan normal, 1 atm

IV. Tetapan Kesetimbangan

1. Hukum Kesetimbangan

Kita telah mengetahui bahwa komposisi kesetimbangan dapat berubah bergantung pada kondisi reaksi. Akan tetapi, pada tahu 1864 Cato maximillian Gulberg dan PeterWage menemukan adanya suatu hubungan yang tetap antara konsentrasi komponen dalam kesetimbangan. Hubungan yang tetap ini disebut dengan hukum kesetimangan atau hukum aksi massa.

commit to user

2. Persamaan Tnetapan Kesetimbangan

Ungkapan hukum kesetimbangan kita sebut persamaan tetapan kesetimbanagn. Persamaan tetapan kesetimbangan sesuai dengan stoikiometri reaksi. Secara umum untuk reaksi

mA + nB ⇔ pC + qD

persamaan tetapan kesetimbangan adalah

n B A D C Kc m q p ] [ ] [ ] [ ] [ =

3. Tetapan Kesetimbangan Tekanan (Kp)

Tetapan kesetimbangan untuk kesetimbangan gas juga dapat dinyatakan berdasarkan tekanan parsial gas, selain tetapan kesetimbnagan berdasarkan konsentrasi.tetapan kesetimbangan yang bedasarkan tekanan parsial disebut tetapan kesetimbangan tekanan parsial dan dinyatakan dengan Kp

4. Tetapan Kesetimbangan untuk Kesetimbangan Heterogen

Persamaan tetapan kesetimbangan hanya mengandung komponen yang konsentrasi atau tekanannya berubah selama reaksi berlangsung. Hal seperti itu tidak terjadi pada zat padat murni atau zatcair murni. Karena itu, zat padat murni atau zat cair murni tidak disertakan dalam persamaan tetapan kesetimbangn.perhatikan contoh di bawah ini:

BiCl2(aq)+ H2O(l) ⇔ BiOCl(s)+ 2HCl(aq)

] [ ] [ 3 2 BiCl HCl Kc=

BiOCl(s)dan H2O(l)tidak disertakan dalam persamaan Kc

5. Hubungan Nilai Tetapan Kesetimbangan Antara Reaksi-reaksi yang Berkaitan Reaksi dapat balik yang melibatkan SO2(g), O2(g)dan SO3(g) dapat dinyatakan dengan tiga cara berikut:

(1) 2SO2(g)+ O2(g) ⇔ 2SO3(g) Kc = K1 (2) 2SO3(g) ⇔ 2SO2(g) + O2(g) Kc = K2

commit to user

(3) SO2(g)+ ½ O2(g) ⇔ SO3(g) Kc = K3

Bagaimanakah hubungan antara nilai tetapan kesetimbangan reaksi-reaksi itu? Persamaan Kc untuk ketiga reaksi tersebut adalah sebagai berikut:

] [ ] [ ] [ 2 2 2 2 3 1 O SO SO K = 2 3 2 2 2 2 ] [ ] [ ] [ SO O SO K = 2 1 2 2 3 3 ] ][ [ ] [ O SO SO K

Reaksi (2) adalah kebalikan dari reaksi (1) dan persamaan Kc untuk reaksi (2) adalah kebalikan dari reaksi (1)

Jadi, 1 2 1 K K =

Reaksi (3) sama dengan reaksi (1) tetapi koefisiennya dibagi dua. Ternyata, K3= K11/2

Dari uraian di atas dapat disimpulakan bahwa:

(1). Jika persamaan reaksi kesetimbangan dibalik, maka harga Kc juga dibalik (2). Jika koefisien reaksi kesetimbangan dibagi dengan faktor n maka harga

ketetapan kesetimbangan yang baru adalah akar pangkat n dari harga ketetapan kesetimbangan yang lama.

(3). Jika koefisien reaksi kesetimbangan dikalikan dengan faktor n maka harga tetapan kesetimbangan yang baru adalah harga tetapan kesetimbangan yang lama dipangkatkan dengan n.

6. Penggabungan Persamaan Tetapan Kesetimbangan

Jika diketahui harga tetapan kesetimbangan pada 298K untuk dua reaksi berikut,

Reaksi (1): N2(g) + O2(g) ⇔ 2NO(g) Kc = 4,1 x 10-31 Reaksi (2): N2(g) + ½ O2(g) ⇔ N2O(g) Kc =2,4 x 10-18

M aka kita dapat menentukanh arga tetapan kesetimbangan untuk reaksi berikut

commit to user

Reaksi (3) adalah penjumlahan dari reaksi (1) dengan kebalikan dari reaksi (2) Reaksi (1): N2(g) + O2(g) ⇔ 2NO(g) Reaksi (2): N2O(g) ⇔ N2(g)+ ½ O2(g) 17 18 2 2 1 2 2 10 17 , 4 10 4 , 2 1 ] [ ] ][ [ x x O N O N Kc= = = N2O(g) + ½ O2(g) ⇔ 2NO(g) ? ] ][ [ ] [ 2 1 2 2 2 = = O O N NO Kc

Jika persamaan Kc reaksi (1) dikalikan dengan kebalikan persamaan Kc reaksi (2) diperoleh persamaan Kc reaksi (3). Dengan demikian, harga Kc reaksi (3) dapat ditentukan: 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ] ][ [ ] [ ] [ ] ][ [ ] ][ [ ] [ 2 1 O O N NO NO O N x O N NO = Jadi, Kc(3)= 4,1 x 10-31x 4,17 x 1017 = 1,71 x 10-13

Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa:

Tetapan kesetimbangan untuk suatu reaksi total adalah hasil kali tetapan kesetimbangan dari reaksi yang digabungkan.

7. M enentukan Nilai Tetapan Kesetimbangan

Harga tetapan kesetimbangan dapat ditentukan melalui percobaan. Salah satu cara adalah dengan membekukan kesetimbangan, yaitu menurunkan suhu secara tiba-tiba sehingga reaksi berhenti, sehingga kesetimbangan tidak sempat bergeser. Dengan demikian, komposisi kesetimbangan dapat ditentukan dengan mengukur tekanan campuran.

commit to user V. Kesetimbangan Disosasi

Disosiasi adalah peruraian suatu zat menjadi zat lain yang lebih sederhana. Disosiasi yang terjadi akibat pemanasan disebut disosiasi termal. Disosiasi yang berlangsung dalam ruang tertutup akan berakhir dengan suatu kesetimbangan yang disebut dengan kesetimbangan disosiasi.

Beberapa contoh kesetimbangan disosiasi gas: 2SO3(g) ⇔ 2SO2(g) + O2(g)

2NH3(g) ⇔ N2(g)+ 3H2(g) N2O4(g) ⇔ 2NO2(g) I2(g) ⇔ 2I(g)

Besarnya reaksi zat yang terdisosiasi dinyatakan oleh derajat disosiasi (á), yaitu perbandinagn antara zat yang terdisosiasi dengan jumlah zat mula-mula.

mula mula zat mol jumlah si terdisosia yang mol jumlah − = α

Jika jumlah mol zat mula-mula dinyatakan dengan á, maka:

a si terdisosia yang mol jumlah = α

Jadi, jumlah mol zat yang terdisosiasi = aá mol

Dokumen terkait