Konsep Kesetimbangan Kimia dan Tetapan Kesetimbangan

(1)

Konsep Kesetimbangan Kimia dan Tetapan

Kesetimbangan

Pendahuluan

eaksi Kimia umumnya tidak 100% menghasilkan produk. Pada saat reaksi berlangsung dan menghasilkan produk, ada sejumlah produk yang bereaksi (terurai) membentuk pereaksi kembali. Derajat suatu reaksi (mis., 20% atau 80%) dapat ditentukan dengan cara mengukur konsentrasi setiap komponen yang terdapat di dalam larutan. Secara umum, derajat reaksi merupakan fungsi dari temperatur, konsentrasi, dan derajat pembentukan (penggabungan). Semua ini ditentukan oleh suatu konstanta kesetimbangan.

Kesetimbangan Kimia adalah keadaan dimana reaksi kimia berjalan ke kanan dan ke kiri pada kecepatan yang sama dan dalam waktu yang bersamaan. Rasio konsentrasi (jumlah) pereaksi dan produk tidak berubah seiring dengan perubahan waktu.

Contoh reaksi kesetimbangan: N2O4 (g) 2 NO2 (g) Keadaan kesetimbangan kimia ini tidak

dapat dipengaruhi oleh adanya penambahan katalis meskipun terdapat perbedaan waktu untuk mencapai keadaan yang setimbang.

Kesetimbangan juga merupakan proses yang dinamis atau selalu berlangsung tanpa ada henti secara mikroskopis.

R

Yos F. da Lopez

Program Studi Manajem Pertanian Lahan Kering Politeknik Pertanian Negeri Kupang, Nusa Tenggara Timur (NTT) - Indonesia.

Email: yosdapisco@gmail.com

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Konsep Kesetimbangan Kimia dan Tetapan Kesetimbangan

Sub-Capaian Pembelajaran

Dapat menjelaskan prinsip-prinsip dasar ilmu kimia yang meliputi Kesetimbangan Kimia

Indikator Penilaian

Ketepatan menjelaskan prinsip- prinsip dasar ilmu kimia yang meliputi Kesetimbangan Kimia

KIMIA - MLK.22203

Gambar 1. Contoh Reaksi Kesetimbangan

(2)

Konsep Dasar Kesetimbangan Kimia

Pada keadaan kesetimbangan dinamis, kesetimbangan terjadi karena adanya perubahan dari dua arah. Baik arah maju maupun arah mundur dimana

aA (g) ↔ bB (g)

dimana suhu reaksi tetap dan kedua senyawa baik senyawa A dan senyawa B dalam keadaan setimbang. Hal itu berarti bahwa kecepatan atau waktu yang diperlukan untuk senyawa A membentuk 1 mol senyawa B memiliki nilai yang sama dengan waktu yang diperlukan untuk senyawa B dapat membentuk 1 mol senyawa A.

Sifat-sifat keadaan kesetimbangan

Pada prinsipnya semua reaksi kimia bersifat reversibel, artinya hasil reaksi dapat bereaksi kembali membentuk reaktan . Sebagai contoh reaksi reversibel di alam adalah pembentukan kalsium karbonat stalaktit yang menggantung pada langit-langit gua batu kapur dan stalagmit yang tumbuh pada dasar gua.

Contoh pelarutan dan pengendapan kembali batu batu kapur di laboratorium adalah apabila ion Ca²⁺ dan HCO3⁻ (misalkan CaCl2 dan NaHCO3) ditempatkan dalam beaker terbuka berisi air, maka segera akan terlihat gelembung gas CO2 dan endapan CaCO3:

Ca

²⁺

(aq) + 2HCO

3−

(aq) CaCO

3

(s) + CO

2

(g) + H

2

O( ℓ)

Apabila ke dalam larutan tersebut dimasukkan dry ice (CO2 padat), maka padatan CaCO3 akan larut kembali:

CaCO

3

(s) + CO

2

(g) + H

2

O( ℓ) Ca

²⁺

(aq) + 2 HCO

3−

(aq)

Percobaan ini menggambarkan reaksi kimia yang reversibel.

Bila reaksi kalsium karbonat, air dan karbon dioksida dilakukan dengan cara yang berbeda. Misalkan larutan ion Ca²⁺dan HCO3− ditempatkan dalam wadah tertutup, sehingga CO2 tidak dapat lolos:

Ca

²⁺

(aq) + 2HCO

3−

(aq) CaCO

3

(s) + CO

2

(g) + H

2

O( ℓ) Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Sub-Capaian Pembelajaran

Indikator Penilaian

KIMIA - MLK.22203

(3)

Reaksi pembentukan CaCO3 dan CO2 tersebut pada awalnya terus berlangsung, tetapi akhirnya tidak didapatkan perubahan lagi. Dari hasil pengujian didapatkan Ca^2+,HCO3−, CaCO3, CO2, dan H2O di dalam sistim. Tidak adanya perubahan, bukan berarti reaksi telah berhenti, melainkan reaksi telah mencapai kesetimbangan. Pada awalnya, Ca²⁺dan HCO3− bereaksi membentuk produk dengan kecepatan tertentu. Semakin banyak reaktan yang bereaksi, maka kecepatan reaksi semakin lambat. Sebaliknya kecepatan pembentukan produk (CaCO3, CO2 dan H2O) semakin meningkat dengan semakin bertambahnya konsentrasi. Akhirnya, kecepatan reaksi ke kanan (pembentukan CaCO3) sama dengan kecepatan reaksi ke kiri (pelarutan kembali CaCO3).

Pada keadaan ini, secara makroskopik tidak terlihat adanya perubahan. Dikatakan sistim

berada pada keadaan

kesetimbangan dinamis, artinya reaksi ke kanan maupun ke kiri terus berlangsung tetapi dengan kecepatan yang sama.

Contoh Kesetimbangan dinamis Reaksi: N

2

O

4

(g) = 2NO

2

(g)

Untuk membuktikan bahwa kesetimbangan adalah dinamis, dilakukan percobaan reaksi antara ion besi (III) dengan ion tiosianat SCN⁻:

Fe(H2O)63+(aq) + SCN⁻(aq) Fe(H2O)5(SCN)²⁺⁽aq) + H2O(ℓ)

hampir tidak berwarna tidak berwarna jingga-merah

Ke dalam larutan ditambahkan setetes larutan ion SCN− radioaktif dan segera dianalisis. Hasilnya, ion SCN⁻ terdapat di dalam Fe(H2O)5(SCN)²⁺. Pengamatan ini dapat diterangkan dengan reaksi:

Fe(H2O)5(SCN)²⁺⁽aq) + H2O(ℓ) Fe(H2O)63+(aq) + SCN⁻(aq)

Fe(H2O)63+(aq) + S¹⁴CN⁻(aq) Fe(H2O)5(S¹⁴CN)²⁺⁽aq) + H2O(ℓ) Satu-satunya cara agar ion S¹⁴CN⁻ radioaktif terikat dalam ion Fe(H2O)5(S¹⁴CN)²⁺

adalah bila reaksi pertukaran dengan air bersifat dinamis dan reversibel, dan terus berlangsung walaupun telah mencapai kesetimbangan.

Proses kesetimbangan tidak hanya dinamis dan reversibel, tetapi untuk reaksi yang spesifik, sifat keadaan kesetimbangan adalah sama tak perduli pendekatannya dari arah mana pendekatannya.

Contoh: pengukuran konsentrasi asam asetat dan ion asetat pada kesetimbangan.

Gambar 2. Kesetimbangan Dinamis

Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Sub-Capaian Pembelajaran

Indikator Penilaian

KIMIA - MLK.22203

(4)

Percobaan pertama

CH3COOH (aq) + H2O (ℓ) CH3CO2− (aq) + H3O⁺(aq)

asam asetat ion asetat ion hidronium

Oleh karena asam asetat merupakan asam lemah, maka konsentrasi ion asetat dan ion hydronium yang dihasilkan kecil.

Percobaan kedua

NaCH3CO2 (aq) + HCl (aq) CH3CO2H (aq) + H2O (ℓ)

natrium asetat asam klorida

Oleh karena HCl merupakan asam kuat, maka persamaan reaksi ioniknya:

CH3CO2−(aq) + H3O⁺(aq) CH3CO2H(aq) + H2O(ℓ)

ion asetat ion hidronium asam asetat

Jika pada percobaan pertama konsentrasi awal asam asetat 1 mol, dan pada percobaan kedua konsentrasi awal natrium asetat dan HCl masing-masing 1 mol (semuanya dalam volume yang sama), maka konsentrasi asam asetat, ion asetat dan ion hidronium pada kesetimbanga adalah identik.

Tetapan Kesetimbangan (K)

Tetapan kesetimbangan (K) merupakan konstanta (angka/nilai tetap) perbandingan zat ruas kanan dengan ruas kiri pada suatu reaksi kesetimbangan. Dengan kata lain, tetapan kesetimbangan merupakan angka yang menunjukkan perbandingan secara kuantitatif antara produk dengan reaktan.

Tetapan Kesetimbangan Kc dan Kp

Konsentrasi di dalam persamaan konstanta kesetimbangan biasanya dinyatakan dengan mol/L (M), oleh karena itu simbol K seringkali dituliskan dengan Kc (tetapan kesetimbangan konsentrasi). Akan tetapi untuk gas, konsentrasi reaktan atau produk dapat dinyatakan dengan tekanan parsial p, sehingga K dituliskan dengan Kp (tetapan kesetimbangan parsial).

❖ Tetapan kesetimbangan Kc merupakan perbandingan (hasil bagi) antara konsentrasi molar zat-zat ruas kanan dengan konsentrasi molar zat ruas kiri yang dipangkatkan dengan koefisiennya. Karena fasa padat (s) dan cair (l) tidak memiliki konsentrasi, maka kedua fasa ini tidak dilibatkan dalam rumus tetapan kesetimbangan Kc dan diberi nilai=1.

❖ Tetapan kesetimbangan Kp merupakan perbandingan (hasil bagi) antara tekanan parsial (Px) zat-zat ruas kanan dengan tekanan parsial zat ruas kiri yang dipangkatkan dengan koefisien masing-masing. Hanya zat yang berfasa gas (g) yang diperhitungkan dalam rumus tetapan kesetimbangan Kp. Zat dengan fasa selain gas (s, l, aq) tidak dicantumkan dalam rumus tetapan kesetimbangan Kp, tetapi diberi nilai = 1.

Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Sub-Capaian Pembelajaran

Indikator Penilaian

KIMIA - MLK.22203

(5)

Tetapan Kesetimbangan Konsentrasi (Kc)

Kesetimbangan Kc dibedakan atas dua, yaitu:

1. Kesetimbangan Homogen

Sesuai dengan namanya yang mengandung

ini merupakan jenis kesetimbangan yang terjadi pada saat produk dan juga reaktan-nya berasal dari fase yang sama, yaitu seluruhnya gas (g) atau seluruhnya cairan (aq). Misalnya sebagai berikut:

a

A (aq) +

b

B (aq)

c

C (aq) +

d

D (aq)

a

A (g) +

b

B (g)

c

C (g) +

d

D (g)

Maka, nilai kesetimbangan disusun sebagai berikut:

Kc = [C]

^c

× [D]

^d

[A]

^a

× [B]

^b

Dimana: Kc = tetapan kesetimbangan (molar); [A] = molaritas zat A (M); [B] = molaritas zat B (M); [C] = molaritas zat C (M); [D] = molaritas zat D (M)

2. Kesetimbangan Heterogen

Kesetimbangan heterogen merupakan jenis kesetimbangan yang terjadi pada saat produk dan reaktan memiliki fase yang berbeda. Di mana yang hanya mempengaruhi tetapan kesetimbangan hanya unsur yang berwujud gas (g) dan cairan (aq). Misalnya sebagai berikut:

aA (aq) + bB (s) cC (s) + dD (g)

Maka, nilai kesetimbangan disusun sebagai berikut:

Kc = [D]

^d

[A]

^a

Di mana: Kc = tetapan kesetimbangan; [A] = Molaritas zat A (M); [D] = Molaritas zat D (M). Zat B tidak masuk dalam rumus karena merupakan fase padat (s) yang nilai molaritasnya adalah 1.

Misalnya: pembuatan senyawa padatan amonium klorida pada industri kimia.

NH3 (g) + HCl (g) NH4Cl (s)

Amonium klorida berbentuk padatan, sehingga konsentrasi molaritasnya adalah 1. Maka, tetapan kesetimbangan yang didapatkan adalah:

Kc = 1

[NH

₃

] × [HCl]

Selain padatan, zat berwujud cair atau liquid juga memiliki molaritas 1. Hal ini karena senyawa fasa padat dan cair adalah senyawa murni yang tidak diencerkan dengan air ataupun dicampur dengan pelarut lain.

Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Sub-Capaian Pembelajaran

Indikator Penilaian

KIMIA - MLK.22203

(6)

Contoh soal

Satu liter campuran gas pada suhu 100 ℃ pada keadaan setimbang mengandung 0,0045 mol dinitrogen tetraoksida dan 0,03 mol nitrogen dioksida. Tuliskan rumus tetapan kesetimbangan gas tersebut, dan hitung tetapan kesetimbangannya.

Penyelesaian: N2O4(g) NO2(g)

Persamaan di atas harus disetarakan dulu menjadi: N2O4(g) <==> 2NO2(g) (a) Rumus tetapan kesetimbangan dituliskan sebagai perbandingan molaritas

produk (nitrogen dioksida) dengan molaritas reaktan (dinitrogen tetraoksida) yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut:

K = [NO

₂

]

²

[N

₂

O

₄

]

(b) Nilai tetapan kesetimbangan K = [NO₂]²

[N₂O₄] K= (0,03)²

0,0045 K= 0,2

Jadi, tetapan kesetimbangannya sebesar 0,2 mol/L

Tetapan Kesetimbangan Tekanan Parsial (Kp)

Berbeda dengan kesetimbangan konsentrasi atau Kc, pada tetapan kesetimbangan kimia tekanan parsial atau Kp hanya fase dalam wujud gas yang diperhitungkan mempengaruhi tetapan keseimbangannya.

Untuk menentukan tekanan parsial suatu zat dari tekanan parsial totalnya digunakan persamaan sebagai berikut:

Px = mol x

mol total × P total

Sama halnya dengan tetapan kesetimbangan konsentrasi, tetapan kesetimbangan tekanan parsial juga dibagi menjadi 2 (dua) yaitu reaksi homogen dan heterogen.

Kp Reaksi Homogen

Misalnya untuk reaksi kesetimbangan berikut:

a

A (aq) +

b

B (aq)

c

C (aq) +

d

D (aq)

Kp = [P

_C

]

^c

× [P

_D

]

^d

[P

_A

]

^a

× [P

_B

]

^b

Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Sub-Capaian Pembelajaran

Indikator Penilaian

KIMIA - MLK.22203

(7)

Kp Reaksi Heterogen

Karena reaksi heterogen hanya memperhitungkan fase berwujud gas (g) yang mempengaruhi tetapan kesetimbangan. Misalnya sebagai berikut:

aA (aq) + bB (s) cC (s) + dD (g)

Kp = [P

_D

]

^d

[P

_A

]

^a

Hubungan Kc dan Kp

Secara matematis, hubungan keduanya tersusun sebagai berikut:

Kp = Kc (RT)

ⁿ

Di mana: R = konstanta 0,082 L atm/mol K; T = suhu Kelvin (K) = (total mol produk gas) (total mol reaktan gas). Bila ∆n = 0, maka Kp = Kc.

Latihan Soal

1. Tentukan Rumus tetapan kesetimbangan untuk reaksi:

Fe2O3 (s) + 3CO (g) 2Fe (s) + 3CO2 (g) Penyelesaian:

Kc = 1[CO₂]³ [𝐶𝑂]³

2. Dalam sebuah bejana yang mempunyai volume 1 liter terdapat 4 mol gas NO2 membentuk kesetimbangan sebagai berikut:

2NO2 (g) 2NO (g) + O2 (g).

Dalam keadaan setimbang pada suhu tetap terbentuk 1 mol O2. Tentukan tetapan kesetimbangan (Kc)?

Penyelesaian:

2NO2 (g) 2NO (g) + O2 (g)

Awal 4 - -

Reaksi 2 2 1

Setimbang 2 2 1

Kc = [NO]²× [O₂]

[NO₂]² = 2² × 1 2² = 1

3. CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g). Bila 1 mol CO dan 1 mol H2O direaksikan sampai terjadi kesetimbangan dan pada saat tersebut masih tersisa 0,2 mol CO maka tentukan tetapan kesetimbangan Kc.

Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Sub-Capaian Pembelajaran

Indikator Penilaian

KIMIA - MLK.22203

(8)

Penyelesaian:

CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g)

Awal 1 1

Reaksi 0,8 0,8 0,8 0,8

Setimbang 0,2 0,2 0,8 0,8

Kc = [CO₂] × [H₂]

[CO] × [H₂O]= 0,8 × 0,8 0,2 × 0,2= 16

4. Pada pemanasan 1 mol gas SO3 dalam ruang bervolume 5 liter diperoleh gas O2 sebanyak 0,25 mol. Tentukan tetapan kesetimbangan Kc.

Penyelesaian:

2SO3 (g) 2SO2 (g) + O2 (g)

Awal 1 - -

Reaksi 0,5 0,5 0,25

Setimbang 0,5 0,5 0,25

Kc = [SO₂]² × [O₂]

[SO₃]² =(0,5 ÷ 5)²× (0,25 ÷ 5)

(0,5 ÷ 5)² = 0,25

5 = 0,05 5. Pada suhu tertentu tetapan kesetimbangan Kc untuk reaksi:

2AB (g) A2 (g) + B2 (g) adalah 49. Jika mula-mula ada a mol AB maka hitunglah banyaknya A2 yang terbentuk dalam kesetimbangan.

Penyelesaian:

2AB (g) A2 (g) + B2 (g)

Awal a - -

Reaksi x x x

Setimbang a − x x x

49 = x² (a − x)² x² = 49(a x)² x = √49 (a − x)² x = √49 × √(a − x)² x = 7 (a x)

x = 7a 7x 7a = x + 7x 7a = 8x x = 7/8 a mol atau 0,875 a mol

Jadi banyaknya A2 yang terbentuk adalah = 0,875 a mol.

Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia

Sub-Topik Bahasan

Sub-Capaian Pembelajaran

Indikator Penilaian

KIMIA - MLK.22203

(9)

6. Diketahui reaksi kesetimbangan: CO (g) + 2H2 (g) ↔ CH3OH (g). Pada saat setimbang [CO] = 1,03 M dan [CH3OH] = 1,56 M. Apabila tetapan kesetimbangan Kc adalah 14,5, hitung konsentrasi H2 pada saat setimbang.

Penyelesaian:

Diketahui: [CO] = 1,03 M, [CH3OH] = 1,56 M, Kc = 14,5. [H2] = ? Kc = [CH₃OH]

[CO][H₂]² 14,5 = 1,56

1,03 [H₂]² [H₂]²= 1,56

1,03 × 14,5 [H₂]²= 0,104 [H₂] = √0,104 [H₂] = 0,322 M

Jadi konsentrasi H2 adalah 0,322 M

7. Hitung harga Kp untuk reaksi H2S (g) + I2 (p) ↔ HI (g) + S (p) pada 60 jika tekanan HI = 3,65 10⁻³ atm, tekanan H2S = 9,96 10⁻³

Penyelesaian:

Diketahui: P HI = 3,65 10⁻³ atm, P H2S = 9,96 10⁻³, Kp = ?

Perlu diingat bahwa I2 dan S sesuai persamaan reaksi berbentuk padatan murni (p) sehingga tekanan dianggap bernilai 1 atm dan tidak masuk dalam rumus perhitungan.

Kp = (P HI)² (P H₂S) Kp = (3,65 × 10⁻³)²

(9,96 × 10⁻³) Kp = (3,65 × 10⁻⁶)

(9,96 × 10⁻³) Kp = 0,366 × 10⁻³ atau Kp = 3,66 × 10⁻⁴

Jadi nilai Kp reaksi tersebut adalah 3,66 10⁻⁴

Yos F. da Lopez

Topik Bahasan

Kesetimbangan Kimia