BAB II KAJIAN TEORI, KERANGKA BERPIKIR, DAN HIPOTESIS
A. Kajian Teori
10. Materi Pembelajaran IPA
Reaksi-reaksi kimia dapat berlangsung dengan cepat ataupun lambat. Misalnya, ketika selembar kertas dibakar, dalam beberapa saat kertas lembaran tersebut akan berubah menjadi abu, tetapi lain halnya ketika sebatang kayu dibakar. Batang kayu tersebut akan terbakar lebih lambat dibandingkan dengan lembaran kertas yang dibakar.
Pada dasarnya, reaksi-reaksi kimia memerlukan waktu yang berbeda untuk selesai, yang bergantung pada sifat-sifat pereaksi dan hasil reaksi serta kondisi pada saat reaksi sedang berlangsung. Hal ini merupakan masalah yang berhubungan dengan konsep laju reaksi. Pembahasan laju reaksi tidak lepas dari konsentrasi, salah satu konsentrasi tersebut adalah molaritas (M).
Molaritas menyatakan banyaknya mol zat terlarut dalam satu liter larutan, yang persamaannya ditulis: M = mol/liter.
Apabila suatu larutan diencerkan persamaannya: V1M1 = V2M2 Keterangan: V1= volume sebelum diencerkan
V2 = volume setelah pengenceran M1= konsentrasi sebelum pengenceran M2= konsentrasi setelah pengenceran
Dan jika diketahui berat jenis (ρ) maka persamaannya M = 10 . bj . % / Mr a) Pengertian Laju Reaksi
commit to user
Dalam fisika, istilah laju digunakan untuk menyatakan besar perpindahan suatu benda tiap satuan waktu. Akan tetapi, dalam kimia laju reaksi didefinisikan sebagai ukuran yang menyatakan berkurangnya jumlah zat-zat pereaksi tiap satuan waktu atau bertambahnya zat-zat hasil reaksi tiap satuan waktu. Karena jumlah zat yang terlibat dalam suatu reaksi kimia biasanya dinyatakan dalam konsentrasi, maka laju reaksi juga didefinisikan sebagai ukuran yang menyatakan perubahan konsentrasi zat-zat pereaksi tiap satuan waktu.
Jika suatu reaksi kimia dinyatakan dengan: A B
dengan A = zat-zat pereaksi B = zat-zat hasil reaksi
Maka laju reaksi dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: V = - ∆(A) / ∆t atau v = + ∆(B) / ∆t
Keterangan:
V = laju reaksi
∆(A) = perubahan konsentrasi zat-zat pereaksi
∆(B) = perubahan konsentrasi zat-zat hasil reaksi
∆t = waktu
Nilai positif laju reaksi yang dinyatakan dalam konsentrasi zat-zat hasil reaksi menunjukkan bahwa konsentrasi zat tersebut bertambah. Sementara itu, nilai negatif laju reaksi yang dinyatakan yang dinyatakan dengan konsentrasi zat-
commit to user
zat pereaksi menunjukkan bahwa konsentrasi zat tersebut berkurang. Hal ini dapat digambarkan dalam grafik jumlah molekul terhadap waktu sebagai berikut:
waktu
Gambar 2.1 Grafik laju reaksi
Kadang-kadang suatu reaksi kimia melbatkan beberapa zat yang perbandingan jumlah molnya dinyatakan dengan koefisien-koefisien reaksi sehingga persamaan kimianya dapat dituliskan sebagai berikut:
pA + qB rD + sD dengan: A,B = zat-zat pereaksi
C,D = zat-zat hasil reaksi p,q,r,s = koefisien reaksi
Laju reaksi untuk reaksi yang dinyatakan dengan menggunakan persamaan kimia diatas dapat ditentukan sebagai berikut:
V = - ∆(A) / p.∆t = -∆(B)/q.∆t = +∆(C)/ r.∆t = + ∆(D)/ s.∆t
Secara kimia laju reaksi dapat ditentukan dengan menentukan konsentrasi zat-zat pada waktu tertentu, kemudian data-data konsentrasi tersebut digunakan untuk menghitung laju reaksi dengan menggunakan persamaan sebelumnya.
b) Persamaan laju reaksi
Perubahan konsentrasi zat-zat dalam suatu reaksi kimia biasanya mempengaruhi laju reaksi tersebut. Persamaan laju reaksi menunjukkan pengaruh
commit to user
tersebut secara matematis. Orde reaksi merupakan bagian dari persamaan laju reaksi. Laju reaksi dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan laju reaksi berdasarkan konsentrasi zat-zat pereaksi. Pada umumnya, laju reaksi hanya bergantung pada konsentrasi awal zat-zatt pereaksi yang dapat ditentukan melalui percobaan. Untuk reaksi A + B C + D, maka persamaan laju reaksinya dapat dinyatakan sebagai berikut:
V = k ( A )n( B )m
dengan: V = laju reaksi
K = tetapan laju reaksi (A) = konsentrasi pereaksi A (B) = konsentrasi pereaksi B n = orde reaksi terhadap A m = orde reaksi terhadap B n + m = orde reaksi total. Orde reaksi
Dalam suatu reaksi kimia, penambahan konsentrasi zat-zat pereaksi dapat meningkatkan laju reaksi. Berkaitan dengan penambahan konsentrasi zat pereaksi, maka dalam pesamaan laju reaksi dikenal suatu bilangan yang disebut orde reaksi. Dalam hal ini orde reaksi didefinisikan sebagai bilangan pangkat yang menyatakan penambahan laju reaksi karena penambahan konsentrasi zat-zat pereaksi. Sebagai contoh, jika konsentrasi suatu pereaksi dinikkan m kali semula dapat menyebabkan laju reaksi meningkat n kali, maka hubungan penambahan konsentrasi dengan laju reaksi zat tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:
commit to user mq = n dengan:
q = orde reaksi
m = kenaikan konsentrasi n = kenaikan laju reaksi
Orde reaksi dapat ditentukan berdasarkan tahapan-tahapan reaksi. Jika tahapan-tahapan reaksi dapat dengan mudah diketahui dan diamati, maka orde reaksi terhadap masing-masing zat pereaksi adalah koefisien dari tahapan reaksi yang paling lambat. Akan tetapi, jika tahapan-tahapan reaksi sukar untuk diketahui dan diamati, maka orde reaksi terhadap masing-masing zat pereaksi dapat ditentukan berdasarkan percobaan.
Hubungan antara penambahan laju reaksi dengan penambahan konsentrasi zat-zat pereaksi dapat dinyatakan dengan menggunakan grafik orde reaksi. Pada subbab ini akan diperkenalkan grafik orde nol, orde satu, dan orde dua.
Orde reaksi nol
Jika orde suatu reaksi terhadap pereaksi tertentu adalah nol, hal ini berarti bahwa konsentrasi pereaksi tersebut tidak mempengaruhi laju reaksi. Secara matematis, bilangan yang dipangkatkan nol selalu sama dengan satu sehingga laju reaksi suatu zat yang orde reaksinya nol adalah tetap pada konsentrasi berapa pun dan nilainya sama dengan tetapan laju reaksi (k).
Laju Reaksi
commit to user
Gambar 2.2 Grafik Laju Reaksi Terhadap Konsentrasi Orde Nol
Orde reaksi pertama
Jika orde reaksi suatu zat sama dengan satu, berarti penambahan konsentrasi akan berbanding lurus dengan kenaikan laju reaksinya. Grafik laju reaksi terhadap konsentrasi orde satu ditampilkan pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Grafik Laju Reaksi Terhadap Konsentrasi Orde Satu
Orde reaksi kedua
Jika orde reaksi suatu zat sama dengan dua, berarti penambahan konsentrasi akan meningkatkan laju reaksi, dimana laju reaksi sebanding dengan kuadrat zat tersebut.
Gambar 2.4 Grafik Laju Reaksi Terhadap Konsentrasi Orde Dua
c) Menentukan orde reaksi dan persamaan laju reaksi berdasarkan data percobaan Jika tahap-tahap reaksi sukar untuk diamati, maka orde reaksi dan persamaan laju reaksi dapat ditentukan melalui percobaan. Data percobaan
Laju Reaksi
Konsentrasi
Laju Reaksi
commit to user
tersebut dapat digunakan untuk menghitung orde reaksi yang dapat digunakan untuk menentukan persamaan laju reaksi.
d) Teori tumbukan
Kita telah mengetahui bahwa zat-zat di alam ini terdiri atas partikel- partikel. Secara teoritis, partikel-partikel suatu zat selalu bergerak secara acak atau tidak teratur. Selain itu, kita juga mengetahui bahwa suatu zat dapat bereaksi dengan zat lain yang membentuk zat baru. Menurut teori tumbukan, jika dua zat kimia bereaksi maka partikel-partikelnya harus bertumbukan satu sama lain dengan energi yang cukup untuk berlangsungnya suatu reaksi. Dengan kata lain, agar suatu reaksi kimia dapat berlangsung maka harus terjadi tumbukan yang efektif antara partikel-partikel zat-zat yang bereaksi. Tumbukan efektif dapat terjadi apabila partikel-partikel tersebut mempunyai energi yang cukup besar, sehingga memungkinkan terjadinya perubahan pada struktur ikatan antar atom zat. Energi kinetik minimum yang harus dimiliki partikel untuk menghasilkan tumbukan efektif yang dapat menghasilkan reaksi kimia disebut energi aktivasi. Jika partikel-partikel suatu zat memiliki energi aktivasi yang kecil maka zat tersebut mudah bereaksi, sebaliknya jika partikel-partikel suatu zat memiliki energi aktivasi yang besar maka zat tersebut sukar bereaksi. Efektivitas tumbukan di antara dua buah molekul juga dipengaruhi oleh posisi molekul-molekul terebut saat terjadi tumbukan. Bila posisi atom-atom dari molekul-molekul yang bertumbukan tepat maka akan terjadi pemutusan ikatan antar atom dalam molekul-molekul tersebut, sehingga terbentuk ikatan baru, yaitu dalam molekul hasil reaksi.
commit to user e) Faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi
Pada umumnya laju reaksi kimia dipengaruhi beberapa faktor, diantaranya luas permukaan, suhu, konsentrasi, tekanan, dan katalis.
1) Luas Permukaan
Pada reaksi-reaksi zat padat, luas permukaan zat padat tersebut akan mempengaruhi laju reaksi. Oleh karena itu, luas permukaan zat padat akan mempengaruhi seberapa cepat reaksi tersebut berlangsung. Zat padat yang berbentuk serbuk mempunyai luas permukaan yang lebih besar dibandingkan zat padat dalam bentuk batangan atau kepingan untuk masa zat padat yang sama. Pada reaksi zat padat yang berbentuk serbuk, setiap bagian zat padat akan segera bereaksi dengan zat lain pada waktu yang bersamaan karena luas permukaan sentuh zat padat yang berbentuk batangan, reaksinya terjadi pada permukaan zat padat tersebut, sehingga untuk terjadi reaksi pada seluruh bagian zat padat diperlukan waktu yang cukup lama.
2) Temperatur
Perubahan suhu akan mempengaruhi laju suatu reaksi kimia. Pada umumnya, kenaikan suhu akan menaikkan laju reaksi. Jika suhu naik maka partikel-partikel zat-zat yang terlibat dalam reaksi akan menyerap kalor, sehingga energi kinetik partikel-partikel tersebut meningkat. Oleh karena itu, dengan meningkatnya suhu maka semakin banyak partikel yang mempunyai energi kinetik lebih besar dari energi aktivasi. Keadaan ini memungkinkan terjadinya lebih banyak tumbukan efektif antara partikel-partikel, sehingga reaksi berlangsung dengan lebih cepat. Berdasarkan hasil eksperimen, setiap kenaikkan
commit to user
suhu 10oC maka laju reaksi akan meningkat dua kali. Hubungan laju reaksi dengan peningkatan suhu dapat dinyatakan secara matematis sebagai berikut:
V=2∆t/10.Vo dengan: V = laju reaksi pada suhu tertentu
Vo = laju reaksi mula-mula
∆t = kenaikkan suhu 3) Konsentrasi
Pada reaksi-reaksi yang melibatkan larutan, konsentrasi larutan mempengaruhi laju reaksi suatu zat dengan larutan tersebut.Bagaimanakah konsentrasi mempengaruhi laju reaksi? Dalam hal ini, meningkatnya konsentrasi zat-zat pereaksi (dalam bentuk larutan) akan meningkatkan frekuensi tumbukan antara partikel-partikel zat pereaksi tersebut. Hal ini terjadi karena dalam larutan pekat, jarak antara dua partikel yang berdekatan relatif rapat sehingga mudah bertumbukan. Oleh karena itu, semakin besar konsentrasi larutan maka semakin banyak partikel yang terdapat dalam larutan. Jadi, apabila suatu larutan direaksikan dengan zat tertentu, maka zat tersebut akan mudah bereaksi pada larutan pekat.
4) Tekanan
Pada dasarnya, tekanan mempengaruhi reaksi-reaksi yang melibatkan gas. Semakin besar tekanan gas, semakin cepat laju reaksinya dan semakin kecil tekanan gas, semakin lambat laju reaksinya. Agar dua macam zat kimia bereaksi, maka harus terdapat tumbukan di antara partikel-partikelnya. Dengan
commit to user
meningkatkan tekanan, maka kita menekan partikel-partikel tersebut bersama– sama sehingga akan meningkatkan frekuensi tumbukan diantara partikel-partikel tersebut. Karena semakin besar tekanan gas, maka volume gas semakin kecil, sehingga jarak antara partikel-partikelnya menjadi lebih rapat dan partikel-partikel tersebut lebih mudah bertumbukan efektif.
5) Katalis
Katalis merupakan zat yang meningkatkan laju reaksi tanpa mengalami perubahan apapun. Hanya dalam beberapa saat, katalis dapat menghasilkan perubahan dalam laju reaksi. Hal ini karena adanya katalis dalam suatu reaksi akan menyebabkan reaksi tersebut berlangsung dengan cara yang berbeda. Kemampuan katalis dalam mempercepat reaksi kimia disebabkan oleh kemampuan katalis dalam menurunkan energi aktivasi, sehingga reaksi zat dengan menggunakan katalis dapat berlangsung lebih cepat dibandingkan dengan reaksi zat tanpa katalis.
Salah satu reaksi dengan menggunakan katalis adalah reaksi pembuatan gas oksigen melalui pemanasan kalium klorat (KClO3). Pada kondisi tanpa katalis, reaksi pemanasan KClO3 berlangsung lambat. Akan tetapi, dengan menambah katalis mangan dioksida, MnO2 reaksi berlangsung lebih cepat pada suhu yang tidak terlalu tinggi, dan pada akhir reaksi, katalis MnO2 tersebut diperoleh kembali.
2KClO3 tanpa katalis 2KCl + 3O2 (lambat) 2KClO3 dengan katalis 2KCl + 3O2 ( cepat)
commit to user
Katalis banyak digunakan dalam industri, misalnya V2O5 digunakan dalam industri asam sulfat melalui proses kontak dan serbuk besi digunakan sebagai katalis dalam industri amonia dengan proses Haber-Bosch. Reaksi-reaksi kimia dalam tubuh manusia juga dipercepat oleh katalis yang disebut enzim. Enzim merupakan suatu protein kompleks yang dihasilkan oleh sel-sel hidup yang dapat meningkatkan laju reaksi tertentu yang bertindak sebagai katalis. Oleh karena itu, enzim disebut juga biokatalis.
Berdasarkan uraian diatas, maka reaksi dengan menggunakan katalis, baik yang terjadi dalam tubuh maupun di luar tubuh manusia dapat dinyatakan sebagai berikut:
P + R PR (cepat) PR +Q PQ + R (cepat) P + Q + R PQ + R (cepat) dengan: P,Q = zat pereaksi
R = katalis
Sementara itu, reaksi tanpa katalis dapat dinyatakan sebagai berikut: P + Q PQ (lambat)