Iqmal kinetika 03 penentuan konstanta la

(1)

KINETIKA KIMIA

Penentuan Laju Reaksi

Bagian 1. Penjabaran persamaan

LABORATORIUM KIMIA FISIKA Jurusan Kimia - FMIPA

Universitas Gadjah Mada (UGM)

Drs. Iqmal Tahir, M.Si.

Laboratorium Kimia Fisika,, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 55281 Tel : 087 838 565 047; Fax : 0274-565188

Email :

iqmal@ugm.ac.id atau iqmal.tahir@yahoo.com Website :

http://iqmal.staff.ugm.ac.id http://iqmaltahir.wordpress.com

PENENTUAN LAJU REAKSI

Untuk reaksi umum :

Laju reaksi dapat dinyatakan sebagai berikut :

dengan : k = konstanta laju reaksi

x,y = order reaksi untuk A dan B x+y = order reaksi total

Catatan :Order reaksi tidak sama dengan koefisien reaksi seimbang

+

+ →

+

aA

bB ...

eE

fF ...

= =

x y

laju

r

k.[A] .[A] ...

LABORATORIUM KIMIA FISIKA Jurusan Kimia – FMIPA, UGM

Catatan : Order reaksi tidak sama dengan koefisien reaksi seimbang.

Penentuan order reaksi secara praktis : • Metoda pengukuran laju awal • Pendekatan waktu paro • Metode Powell-Plot • Metoda isolasi

• Penentuan laju reaksi dengan grafik

Penentuan ini dapat dilakukan dari hasil penjabaran laju reaksi berdasarkan penyelesaian integral matematik.

Penjabaran integrasi persamaan laju reaksi

L

=

−

=

−

=

dt

F

d

f

dt

E

d

e

dt

B

d

b

dt

A

d

a

r

1 [

]

1 [

]

1 [

]

1 [

]

Persamaan diintegrasikan untuk mencari nilai [

A

] sebagai

fungsi waktu atau [

A

] =

g

(

t

)

Asumsi :

• Reaksi selalu berlangsung pada temperatur konstan (T

konstan maka k juga konstan)

• Volume konstan

• Reaksi berlansung secara ireversibel (k

0

_{relatif sangat}

besar)

Reaksi order satu

Untuk reaksi order satu

aA

→

P

dengan

r

=

k

[ ]

A

L

=

−

=

−

=

dt

F

d

f

dt

E

d

e

dt

B

d

b

dt

A

d

a

r

1 [

]

1 [

]

1 [

]

1 [

]

[ ] [ ]

α β

[ ]

λ

L

B

A

k

r

=

L

[ ]

A

d

1 [ ] [ ]

A

k

dt

A

d

a

r

=

−

1 =

Didefinisikan

k

A

≡

ak

d

[ ]

A

/

dt

=

−

k

A

[ ]

A

[ ] [ ]

A

k

dt

d

/

=

−

_A

[ ] [ ]

=

−

∫

2

1 2

1

d

A

/

A

k

A

dt

[ ] [ ]

=

−

∫

2

1 2

1

d

A

/

A

k

A

dt

[ ] [ ]

(

/

)

(

)

ln

A

2

A

1

=

−

k

A

t

2

−

t

1

[ ]

t

k

A

₌

ln

jika

[ ] [ ]

A

1

=

A

o

pada

t

1

=

0 dan

[ ] [ ]

A

2

=

A

pada

t

₂

=

t

Reaksi order satu

[ ]

k

t

A

_o

=

−

A

ln

[ ] [ ]

kt o

e

A

=

−

Konsentrasi A dan laju reaksi untuk

reaksi order satu akan menurun secara

eksponensial seiring dengan waktu.

[ ] [ ]

k

A

dt

A

d

a

r

=

−

1 =

Hasil integrasi

LABORATORIUM KIMIA FISIKA

[ ] [ ]

k t o

e

A

=

−

[ ] [ ]

A

=

ln

A

_o

−

k

_A

t

ln

[ ]

o kt

A

e

A

₌

−

[ ] [ ]

A

o

/

A

=

k

A

t

ln

Reaksi order satu

Reaksi order satu:

ln[A]

vs

t

[A

]/[A

]

o

t

Reaksi order satu:

[A]/[A]

o

vs

t

Ln[A]

t

(2)

Contoh : Reaksi order satu (terhadap satu komponen)

0

ln

C

=

−

kt

+

C

CN

CH

NC

CH

oC

3 9 . 198 3

⎯

⎯ →

⎯

Reaksi transformasi isomerik metil isonitril menjadi asetonitril

Reaksi order satu

Kapan reaksi sempurna?

[A] = [A]

0

exp{-kt}

Secara teknis

[A]=0

hanya tercapai setelah

waktu tak terhingga.

Reaksi order satu (contoh)

2 / 1

t

Waktu paro

2 / 1

t

=

[

A

]

=

1 /

2 [

A

]

_o

[ ]

k

t

A

A o

−

=

ln

]

[

2 /

1 A

2 /

1 l

k

Reaksi order satu (waktu paro)

2 / 1

]

[

]

[

2 /

1 ln

k

t

A

A o

o

₌

₋

693 .

0

2 ln

2 /

1

=

t

k

A

Reaksi order satu

2 / 1

2 /

1 ln

=

−

k

_A

t

A

k

t

₁_/₂

=

0 .

693 /

Tidak tergantung terhadap

[A]

o

Reaksi order satu (contoh)

Reaksi peluruhan radioaktif : Co64 _Æ _Zn64_{+ ß}-_{didapatkan harga umur paro} C0, = 12,8 jam, maka berapa nilai konstanta laju reaksi peluruhannya ?

didefinisikan

k

A

≡

ak

Reaksi order nol

k

A

dt

dA

₌

−

P

aA

→

[ ]

A

k

dt

d

=

−

A

.

Hasil integrasi dengan batas 0

Æ

t dan [

A

]

0

Æ

[

A

]

t

[ ] [ ]

A

−

A

=

−

k

t

[ ] [ ]

A

t

−

A

0

=

−

k

A

.

t

[ ] [ ]

t

A

k

t

A

0

(3)

Reaksi order nol

[ ] [ ]

A

t

−

A

0

=

−

k

A

.

t

2 / 1

t

Waktu paro

2 / 1

t

=

A

[

A

]

o

2

1 ]

[

=

[ ] [ ]

0 0

.

1/2

2

1 t

k

A

−

=

−

A

[ ]

1 t

k

A

=

[ ]

2 / 1 0

2

1 t

A

k

A

=

[ ]

0

.

1/2

2 A

=

k

A

t

Reaksi order nol (contoh)

Suatu reaksi dengan konsentrasi awal 1 mol / L, berlangsung 50 % sempurna dalam 10 menit. Reaksi tersebut dibiarkan berlangsung 5 menit lagi. Berapa banyak sisa reaktan jika reaksi mengikuti order nol ?

2 2 2

]

[A

P

2A

)

2 (

A][B]

[

P

B

A

)

1 (

k

r

k

r

=

⎯→

⎯

=

⎯→

⎯

+

Reaksi order dua

Ada 2 tipe :

Tipe lain :

Reaksi autokatalitik pada persamaan stokhiometrik :

A == B +….

[ ] [ ]

2

1 A

k

dt

A

d

a

r

=

−

=

didefinisikan

k

_A

≡

ak

d

[ ]

A

/

dt

=

−

k

A

[ ]

A

2

Reaksi order dua (tipe 2)

[ ]

_{[ ]}

2

A

k

dt

A

d

A

−

=

[ ]

=

−

∫

2

1 2

1 dt

k

A

d

A

[ ] [ ]

1

1 (

₂ ₁

)

2 1

t

k

A

−

=

−

A

−

k

[ ]

_A

[ ]

A

o

[ ]

=

−

∫

12

2

1 2

1 dt

k

A

d

A

[ ] [ ]

k

t

A

−

_o

=

A

1

1 Reaksi order dua (tipe 2)

Plot 1/[

A

] lawan

t

akan menghasilkan garis lurus

dengan slope =

k

A

ak

k

A

≡

[ ]

_{[ ]}

o A

o

A

t

k

A

+

=

1 [ ]

_A

2

k

r

=

{

[A]

-1

_}

[ ] [ ]

k

t

A

−

_o

=

A

1

1 [ ] [ ]

k

t

A

=

_o

+

A

1

2 / 1

t

Waktu paro:

2 / 1

t

=

[

A

]

=

1 /

2 [

A

]

_o

Reaksi order dua (tipe 2)

{

t

}

Second-order reaction:

1/[A]

vs

t

2 / 1

t

[

A

]

1 /

2 [

A

]

_o

A o

k

A

t

]

[

1

2 /

1

=

Untuk reaksi order dua

r = k[A]

2

(4)

)

0.0 0.01000

50.0 0.00787

Dekomposisi nitrogen dioksida pada fase gas

100.0 0.00649

200.0 0.00481

300.0 0.00380

k = 0.543 ( k = 0.543 (satuansatuan ?)?)

Tunjukkan apakah reaksi mengikuti order satu atau order dua ?

0

Contoh : Reaksi order dua

produk

Tiga variabel

Reaksi order dua (tipe 1)

produk

Reaksi order dua (tipe 1)

x

=0 untuk

t

=0

[ ]

Reaksi order dua (tipe 1)

[ ] [ ]

o o_⎪⎩ _⎝

[ ]

o x_⎠ _⎝

[ ]

o x_⎠_⎪⎭

[ ]

Reaksi order dua (tipe 1)

produk

Waktu paro:

2

(5)

Reaksi autokatalitik order dua

Reaksi autokatalitik order 2 pada persamaan stokhiometrik :

A == B +….

Contoh model kinetik ini dapat terjadi pada hidrolisa ester yang melibatkan katalis asam dari hasil reaksi tersebut. Hidrolisa ester sederhana akan menghasilkan salah satunya asam karboksilat dan molekul asam akan terdisosiasi menghasilkan ion hidrogen (H+_{) yang kemudian dapat berfungsi} sebagai katalis.

Bila reaksi permulaan hanya ada A saja maka B0mula-mula = 0 Gambar grafik

Bila reaksi permulaan hanya ada A saja, maka B0mula-mula = 0. Gambar grafik menunjukkan bahwa B sebagai fungsi t. yang berbentuk huruf S dan merupakan ciri khas reaksi auto katalitik.

Reaksi autokatalitik order dua

Reaksi order tiga

Ada 3 tipe :

[ ]

_{[ ]}

3

A k dt

A

d ₌₋

[ ]

_{[ ] [ ]}

B A k dt

A

d ₌₋ 2

Tipe 1

: 3A

Æ

produk

Tipe 2

: A + B

Æ

produk

[ ]

d

[ ]

_{[ ][ ][ ]}

C B A k dt

A

d ₌₋

atau

2A + B

Æ

produk

Tipe 3 :

A + B + C

Æ

produk

[ ]

_{[ ] [ ]}

B A k dt

A

d ₌₋ 2

[ ]

_{[ ]}

3

A k dt

A

d ₌₋

[ ]

A k dt

A d

A

− = 3

1

[ ]

A

Reaksi order tiga (tipe 1)

Tipe 1

: 3A

Æ

produk

Penyelesaian persamaan integrasi :

[ ] [ ]

A Ao kAt 2 1 1

2

2− =

[ ]

(

₂

)

1/2

2

1 _o

o

A kt

A A

+ =

Reaksi order tiga (tipe 2)

[ ]

_{[ ] [ ]}

B A k dt

A

d ₌₋ 2

Tipe 2

: A + B

Æ

produk

Reaksi order tiga (tipe 2)

Tipe 2

: 2A + B

Æ

produk

[ ]

_{[ ] [ ]}

B A k dt

(6)

Reaksi order tiga (tipe 3)

[ ]

_{[ ][ ][ ]}

C B A k dt

A

d ₌₋

A + B + C

Æ

produk

Penyelesaian persamaan integrasi :

Reaksi order semu

Berlaku pada reaksi dimana konsentrasi satu spesies relatif jauh lebih besar dari konsentrasi reaktan lainnya, atau salah satu reaktan bekerja sebagai katalis. Dengan demikian konsentrasi reaktan tersebut relatif dianggap konstan maka order reaksi akan berkurang.

Contoh 1 :

Hidrolisis dari ester yang dikatalis oleh asam : RCOOR’ + H2O + H+ÆRCOOH + R’OH Order reaksi tersebut adalah satu : Order reaksi tersebut adalah satu : - jika air dalam keadaan berlebih. - H+ _{berfungsi sebagai katalis}

[ ]

_[

_][

_{][ ]}

_[

_]

' ' 2

'H O H k RCOOR

RCOOR k dt

A

d ₌₋ ₊ ₌₋

[

][ ]

+ −

= kH O H

k' 2

Dengan

Reaksi order semu

Contoh 2 :

Persamaan umum

[ ]

n AA k dt

A

d ₌₋

Persamaan integrasi

∫

_{[ ]}

[ ]

=− ∫12 2

1 k dt

A A d

A n

Reaksi order tinggi

[ ]

× − −1

) 1

( n Ano

[ ]

k t

n A A

A n o n

− = + −

− − +

+ −

1

1 1

Untuk

n

≠

1 [ ]

[ ]

A n k t A

A

A n o n

o

) 1 (

1 1

1

− + = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛ − ₋

Untuk

n

≠

1 [ ]

no A n

k A n t

1 1 2 / 1

) 1 (

1 2

− −

=

_Untuk

_n

_≠

₁

2 / 1

t

Waktu paro:

t

=

t

₁_/₂

[

A

]

=

1 /

2 [

A

]

_o

[ ]

∫ − =

∫ 2

1 2

1 k dt

A d

A

Reaksi order tinggi

[ ] [ ]

kt oe A A

A= −

Untuk

n

= 1

A

k

t

₁_/₂

=

ln

2 [ ]

∫

∫1 k 1dt

An A

[ ] [ ]

A_o−A=k_At

[ ]

A o

k

A

t

2

2 /

1

=

Untuk

n

= 0

Order satu Order dua Order nol

Laju reaksi

(-dC/dt) kC kC

2 _k

Persamaan terintegrasi

C = Co·e-kt ln C = -kt + ln Co

1/C = kt + 1/Co C = -kt + Co

Ringkasan untuk reaksi sederhana

Plot ln C vs. t 1/C vs. t C vs. t

Linearitas

Waktu

paro ln(2)/k 1/kCo Co/2k

Satuan k waktu-1 _M-1_waktu-1 _{M waktu}-1

m = -k

b = ln Co

m = k

b = 1/Co

m = -k

b = Co