Bahasan: Mempelajari kecepatan/laju reaksi suatu proses/perubahan kimia. reaksi berlangsung mekanisme reaksi

(1)

Kinetika Kimia Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Referensi:

Brown et.al; Chemistry, The Central Science, 11th edition

Kinetika Kimia Kinetika Kimia

• Mempelajari kecepatan/laju reaksi suatu proses/perubahan kimia.

• Kinetika juga mempelajari bagaimana Kinetika juga mempelajari bagaimana reaksi berlangsung Æmekanisme reaksi

2 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Bahasan:

Laju Reaksi Bagaimana kita mengukur laju reaksi.

Hukum Laju Bagaimana laju bergantung/dipengaruhi jumlah reaktan.

Hukum Laju Terintegrasi

Bagaimana menghitung reaktan yang tersisa atau waktu yang dibutuhkan untuk

i j l h t t t mencapai jumlah tertentu.

Waktu Paruh Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mereaksikan 50% reaktan.

Persaman Arrhenius Bagaimana konstanta laju dipengaruhi oleh suhu (T).

H b t l j d

Mekanisme Hubungan antara laju dengan proses yang terjadi pada skala molekular

Faktor yang mempengaruhi laju reaksi Faktor yang mempengaruhi laju reaksi

• Konsentrasi reaktan

¾ Pada saat konsentrasi meningkat, peluang

(kemungkinan) terjadinya tumbukan akan semakin (kemungkinan) terjadinya tumbukan akan semakin besar.

• Temperaturp

¾ Pada temperatur tinggi molekul reaktan memiliki energi kinetik lebih besar, bergerak lebih cepat, bertumbukan l bih i

lebih sering.

• Katalis

¾ M t k i d b h k i

¾ Mempercepat reaksi dengan mengubah mekanisme.

(2)

Laju Reaksi aju ea s

L j k i d t dit t k d it

Laju reaksi dapat ditentukan dengan memonitor perubahan konsentrasi produk maupun reaktan

b i f i kt

sebagai fungsi waktu.

Δ[A] vs Δt

5 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Laju Reaksi Laju Reaksi

C₄H₉Cl(aq)+ H₂O(l)⎯⎯→ C₄H₉OH(aq)+ HCl(aq)

Pada reaksi ini, k t i b til

[C₄H₉Cl] M

konsentrasi butil

klorida, C₄H₉Cl, diukur

d b b i kt

pada berbagai waktu, t.

6 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Laju Reaksi Laju Reaksi

Laju rata-rata reaksi

d ti i t l

Average Rate, M/s

pada setiap interval adalah perubahan

k t i dib i

konsentrasi dibagi perubahan waktu :

Laju Reaksi aju ea s

• Laju rata-rata menurun saat reaksi

saat reaksi berlangsung.

• Ini disebabkan karena

• Ini disebabkan karena pada saat reaksi

berlangsung terdapat berlangsung, terdapat lebih sedikit tumbukan diantara molekul

reaktan.

(3)

Laju Reaksi aju ea s

• Plot Konsentrasi vs.

Waktumenghasilkan Waktumenghasilkan kurva seperti disamping.

• Slope/kemiringan garisSlope/kemiringan garis singgung pada setiap titik adalah laju sesaatj pada waktu tersebut

9 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Laju Reaksi aju ea s

• Reaksi semakin l b t k

lambat karena

konsentrasi reaktan b k

berkurang.

10 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Laju Reaksi dan Stoikiometri aju ea s da Sto o et

• Reaksi diatas, rasio C H Cl terhadap C H OH C₄H₉Cl terhadap C₄H₉OH adalah 1:1.

• Jadi lajuJadi, laju menghilangnyamenghilangnya C₄H₉Clsama dengan laju terbentuknyay C₄_{4 9}H₉OH.

Laju = -Δ[C₄H₉Cl]

Δt = Δ[C₄H₉OH]

Laju Δt ΔtΔt

Laju Reaksi dan Stoikiometri aju ea s da Sto o et

• Bagaimana kalau tidak 1:1?

H₂(g) + I₂(g) ⎯⎯→ 2 HI(g)

• Hanya 1/2 HI dihasilkan untuk setiap H₂ yang digunakan.

y g g

(4)

Laju Reaksi dan Stoikiometri aju ea s da Sto o et

• Secara umum, untuk reaksi

aA + bB cC + dD

Reaktan (berkurang) Produk (bertambah) Reaktan (berkurang) Produk (bertambah)

13 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Konsentrasi dan Laju o se t as da aju

Setiap reaksi memiliki persamaan tersendiri yang menunjukkan lajunya sebagai fungsi konsentrasi reaktan.

⇒ disebut sebagai g Hukum Laju (Rate Law) j ( )

Untuk menentukan hukum laju kita mengukur laju pada konsentrasi awal berbeda

pada konsentrasi awal berbeda.

14 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Konsentrasi dan Laju Konsentrasi dan Laju

Bandingkan Experimen 1 and 2:g p

saat [NH₄⁺] 2X lebih banyak , laju awal 2X lebih cepat.p

Konsentrasi dan Laju Konsentrasi dan Laju

Bandingkan pula Experimen 5 dan 6: g p p

saat [NO₂-] 2X lebih banyak, laju awal 2X lebih cepat.p

(5)

Konsentrasi dan Laju Konsentrasi dan Laju

Persamaan ini disebut hukum laju, dan k merupakan tetapan laju

k merupakan tetapan laju.

17 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Hukum Laju Hukum Laju

• Hukum laju menunjukkanHukum laju menunjukkanhubungan antara laju reaksi denganhubungan antara laju reaksi dengan konsentrasi reaktan.

• Untuk reaktan fase gas digunakan P_A (tekanan) daripada [A]

(konsentrasi molar).

• k adalahsuatu tetapan yang memiliki nilai spesifik untuk setiap reaksi

reaksi

• Nilai k ditentukan secara eksperimen.

k adalah khas untuk setiap reaksi k berubah terhadap T

18

p

Kinetika Kimia Irwansyah, Ph.D

Hukum Laju

• Eksponen menunjukkan orde reaksi terhadap

Hukum Laju

Eksponen menunjukkan orde reaksi terhadap masing-masing reaktan.

• Reaksi tersebut :Reaksi tersebut :

Orde 1 (First-order) terhadap [NH₄⁺] Orde 1 (First-order) terhadap [NO ⁻] Orde 1 (First-order) terhadap [NO₂ ]

• Orde reaksi total ditentukan dengan menambahkan eksponen reaktan menambahkan eksponen reaktan.

• Secara keseluruhan reaksi tersebut reaksi orde 2 (second-order )

(second-order ).

Hukum Laju Terintegrasi

misalkan reaksi orde 1 : A → B

Hukum Laju Terintegrasi

Bentuk differensiasi:

Berapa banyak A tersisa setelah waktu t ? Dengan metode integral:g g

(6)

Hukum Laju Terintegrasi Hukum Laju Terintegrasi

Bentuk integral hukum laju orde 1:

Pen s nan lang Penyusunan ulang:

[A]₀konsentrasi awal A (t=0).

[A]_t konsentrasi A pada saat tertentu, t, selama reaksi.

21 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Hukum Laju Terintegrasi Hukum Laju Terintegrasi

Penyusunan ulang persamaan menghasilkan…

k li

b

merupakan pers.linear

y = mx + b

22 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Reaksi Orde-1 ea s O de

Pada reaksi orde 1, plot ln [A]

_t

vs. t

menghasilkan garis lurus dengan slope k menghasilkan garis lurus dengan slope -k.

Jadi, gunakan grafik untuk menentukan orde reaksi.

Reaksi Orde-1

Reaksi Metil Isonitril diubah

ea s O de

Reaksi Metil Isonitril diubah menjadi acetonitril :

CH

₃

NC CH

₃

CN

CH

₃

NC CH

₃

CN

Bagaimana kita tahu Bagaimana kita tahu bahwa reaksi tersebut orde 1?

orde 1?

(7)

Reaksi Orde-1

CH NC CH CN

Reaksi Orde 1

CH

₃

NC CH

₃

CN

Data berikut diperoleh dari reaksi pada

198 9°C 198.9°C.

Apakah

laju=k[CH₃NC]

laju k[CH₃NC]

Untuk semua interval waktu?

25 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Reaksi Orde-1 Reaksi Orde 1

• Apabilap ln P diplot sebagaip g fungsi waktu, dihasilkan suatu garis lurus.g g

¾ Reaksi tersebut orde 1.

¾ kadalah negatif dari slope/kemiringan: 5.1 × 10^-5s^-1.

26 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Reaksi Orde-2 Reaksi Orde 2

I t i dil k k d k i d 2

Integrasi yang sama dilakukan pada reaksi orde 2 :

Penyusunan ulang dan integral:

Persamaan linear : y = mx + b

Reaksi Orde-2 Reaksi Orde 2

Jadi, reaksi orde 2, plot 1/[A] vs. t

menghasilkan garis lurus dengan slope k menghasilkan garis lurus dengan slope k.

Orde 1:

sedangkan pada reaksi orde 1, plotln [A]_tvs. t akan Orde 1:

sedangkan pada reaksi orde 1, plot ln [A]_tvs. t akan menghasilkan garis lurus dengan slope -k.

(8)

Menentukan Orde Reaksi Menentukan Orde Reaksi

Dekomposisi NOp ₂₂ pada 300p °C ditunjukan melaluij persamaan :

NO₂₂ (g)(g) NO (g)(g) + 1/2 O₂₂ (g)(g)

Dan menghasilkan data:

waktu (s) [NO₂], M

0.0 0.01000

50.0 0.00787

100 0 0 00649 100.0 0.00649 200.0 0.00481 300 0 0 00380

29

300.0 0.00380

Menentukan Orde Reaksi Menentukan Orde Reaksi

Grafik ln [NO₂] vs. t :

• plot bukan suatu garis lurus

• plot bukan suatu garis lurus, jadi bukan termasuk orde 1

waktu (s) [NO₂], M ln [NO₂] 0.0 0.01000 -4.610

0.0 0.01000 4.610

50.0 0.00787 -4.845

100 0 0 00649 -5 038 Tidak memenuhi:

100.0 0.00649 -5.038 200.0 0.00481 -5.337

300 0 0 00380 5 573

30

300.0 0.00380 -5.573

Menentukan Orde Reaksi

Grafik 1/[NO₂] vs. t

Menentukan Orde Reaksi

[ ₂]

waktu(s) [NO2], M 1/[NO2] • Suatu garis lurus,

j di k d

0.0 0.01000 100

50.0 0.00787 127

jadi merupakan orde 2

100.0 0.00649 154

200.0 0.00481 208

300 0 0 00380 263

300.0 0.00380 263

Waktu Paruh

• Waktu paruh didefinisikan

Waktu Paruh

• Waktu paruh didefinisikan sebagaiwaktu yang dibutuhkan untuk

setengah jumlah reaktan beraksi.

• Karena [A] pada t_1/2 adalah setengah jumlah mula mula [A]

mula-mula [A], [A]_t= 0.5 [A]₀.

(9)

Waktu Paruh Orde-1 Waktu Paruh Orde 1

Untuk reaksi orde 1, substitusi [A]_t=0.5 [A]₀pada l j t i t i

persamaan laju terintegrasi :

Catatan: Reaksi orde 1, waktu paruh tidak dipengaruhi [A]₀.

33 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Waktu Paruh Orde-2 Waktu Paruh Orde 2

Untuk reaksi orde 2, substitusi [A]_t=0.5 [A]₀dalam Untuk reaksi orde 2, substitusi [A]_t 0.5 [A]₀dalam

persamaan orde

34 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Ringkasan Ringkasan

Orde 1 Orde 2 Orde 2

Hukum laju laju

Hkm laju

terintegras Rumit/kompleks

i

W kt Waktu

paruh Rumit/kompleks

Temperatur dan Laju Temperatur dan Laju

• Umumnya temperaturUmumnya, temperatur meningkat, laju menjadi lebih cepat

lebih cepat.

• Karena k dipengaruhi temperatur

temperatur.

(10)

Model/Teori Tumbukan Model/Teori Tumbukan

• Pada suatu reaksi kimia, ikatan diputuskan dan ikatan baru dibentuk.

• Molekul-molekul hanya bisa bereaksi Molekul molekul hanya bisa bereaksi apabila mereka bertumbukan satu sama lain

lain.

37 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Model/Teori Tumbukan Model/Teori Tumbukan

Molekul harus bertumbukan denganorientasi yang sesuai dan dengan cukup energi untuk yang sesuai dan dengan cukup energi untuk menyebakan pemutusan ikatan dan

pembentukan ikatan pembentukan ikatan.

38 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Energi Aktivasi Energi Aktivasi

• Dengan kata lain ada sejumlah energi minimum yangDengan kata lain, ada sejumlah energi minimum yang dibutuhkan untuk reaksi: Energi Aktivasi(activation energy), E_a.

• Sama seperti bola golf yang tidak bisa melewati suatu bukit jika tidak didorong dengan energi yang cukup, suatu reaksi tidak dapat berlangsung kecuali memiliki energi reaksi tidak dapat berlangsung kecuali memiliki energi yang cukup untuk mengatasi barrier energi aktivasi.

Diagram Koordinat Reaksi Diagram Koordinat Reaksi

• Membantu memvisualisasikan perubahan energi pada suatu poses kimia.

Diagram koordinat reaksi penyusunan ulang metil isonitril Diagram koordinat reaksi penyusunan ulang metil isonitril

(11)

Diagram Koordinat Reaksi

• Menunjukkan energi

Diagram Koordinat Reaksi

Menunjukkan energi

reaktan dan produk (dan, ΔE).

• Titik Tertinggi pada

diagram adalah keadaan transisi (transition state)

• Spesi yang ada pada keadaan transisi disebut komplek teraktivasi (activated complex).

• Perbedaan energi antara reaktan dan kompleks teraktivasi merupakan energi aktivasi.

41 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Distribusi Maxwell–Boltzmann Distribusi Maxwell–Boltzmann

• Temperatur

did fi i ik b i didefinisikan sebagai ukuran energi kinetik

t t l k l

rata-rata molekul dalam suatu sampel.

• Pada suatu temperatur tertentu terdapat distribusi energi kinetik.

42

e e g et

Distribusi Maxwell Boltzmann Distribusi Maxwell–Boltzmann

• Saat suhu temperatur naik, kurva menjadi lebih lebar dan mendatar.

• Akibatnya, pada temperatur tinggi,

l bih b k l i

lebih banyak populasi molekul yang memiliki energi lebih tinggi energi lebih tinggi.

Distribusi Maxwell Boltzmann Distribusi Maxwell–Boltzmann

• Jika garis putus-putus menyatakan energi aktivasi : saat suhu naik, fraksi molekul yang mampu

melewati energi aktivasi juga meningkat.

• Hasilnya, laju reaksi meningkat

(12)

Distribusi Maxwell–Boltzmann Distribusi Maxwell–Boltzmann

Fraksi molekul tersebut dapat dinyatakan dengan rumus:

R: tetapan gas dan T : temperatur (Kelvin) .

45 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Persamaan Arrhenius Persamaan Arrhenius

S t A h i k t h b

Svante Arrhenius merumuskan suatu hubungan matematis antara k dan E

_a

:

A merupakan frequency factor, bilangan yang menyatakan kemungkinan tumbukan akan terjadi menyatakan kemungkinan tumbukan akan terjadi dengan orientasi yang sesuai.

46 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Persamaan Arrhenius Persamaan Arrhenius

penyusunan ulang (metode logaritma natural):

y = mx + b

Apabilak ditentukan secara eksperiment pada beberapa temperatur,E_adapat dihitung dari slope grafikln k vs. 1/T.

RINGKASAN RINGKASAN

Orde 1 Orde 2 Orde 2

Rate Laws Integrated Rate Laws

Rumit/kompleks

Half-life Rumit/kompleks

k(T)

(13)

Mekanisme Reaksi Mekanisme Reaksi

Urutan kejadian yang menjelaskan proses reaksi: bagaimana suatu reaktan berubah menjadi produk. j p

49 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

M k i R k i

Mekanisme Reaksi

• Reaksi dapat berlangsung satu tahap atau melalui beberapa tahap/step.

• Setiap step disebut Setiap step disebut reaksi elementer reaksi elementer atau atau proses elementer.

50 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Mekanisme Reaksi Mekanisme Reaksi

• Molekularitas suatu step memberikan informasi berapa ban ak molek l ang terlibat pada proses terseb t banyak molekul yang terlibat pada proses tersebut.

• Hukum laju untuk suatu reaksi elementer ditulis langsung dari step tersebut

dari step tersebut.

Mekanisme Multistep Mekanisme Multistep

Reaksi multistep: terdapat salah satu step lebih lambat

• Reaksi multistep: terdapat salah satu step lebih lambat dari step lainnya.

• Step yang lebih lambat tersebut: step penentu laju reaksi

• Step yang lebih lambat tersebut: step penentu laju reaksi (rate-determining step)

• Laju reaksi keseluruhan tidak akan berlangsung lebihLaju reaksi keseluruhan tidak akan berlangsung lebih cepat dari step penentu laju reaksi

(14)

Katalis Katalis

• Katalis meningkatkan laju reaksi dengan

• Katalis meningkatkan laju reaksi dengan menurunkan energi aktivasi reaksi.

K t li b h k i t k i

• Katalis mengubah mekanisme suatu reaksi.

53 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Katalis Katalis

S l h t k t li Salah satu cara katalis mempercepat reaksi adalah dengan mengikat adalah dengan mengikat reaktan secara bersama- sama dan membantu ikatan putus.

54 Kinetika Kimia

Irwansyah, Ph.D

Enzim Enzim

• Enzim merupakan katalis pada sistem biologis.

• Substrat berikatan dengan sisi aktif enzim mirip

ti k i d k seperti kunci dan anak kunci.