13--Kimia Fisika---KinetikaKimia--13-Nop--2013-----------------

 Berikut ini tugas PR Kinetika Kimia Kimia Fisika – PSTB.

 Perhatikan ketikan warna merah pada setiap contoh soal adalah merupakan

tugas anda.

 Silahkan baca secara cermat berdasarkan runutan setiap contoh soal,

kerjakan minimal 7 soal.

 Soal harap ditulis kembali dan dikumpulkan dalam bentuk Print-out atau

tulisan tangan

 Dikumpulkan paling lambat tgl. 27 Nopember 2013

Terima kasih, semoga sukses proses belajar anda. amin

P. Setiadi

Teori Dasar Kinetika Kimia

I. Definisi Laju Reaksi

Laju reaksi adalah laju berkurangnya reaktan dan bertambahnya produk selama berlangsungnya reaksi. Selama reaksi reaktan akan dikonsumsi untuk membentuk produk.

II. Hukum Laju dan Konstanta Laju

Hukum laju adalah persamaan yang menyatakan laju reaksi sebagai fungsi dari konsentrasi reaktannya.

Konstanta laju, k, adalah suatu koefisien sebagai penentu laju reaksi yang tidak bergantung pada konsentrasi tetapi bergantung pada temperatur.

III. Orde Reaksi

Orde reaksi terhadap suatu komponen merupakan pangkat dari konsentrasi komponen itu dalam hukum laju. Untuk suatu reaksi elementer, orde reaksi merupakan koefisien dalam stoikiometri reaksi, Namun untuk reaksi-reaksi non elementer, orde reaksi belum tentu koefisien reaksinya, tetapi bergantung pada mekanisme terjadinya reaksi. Orde keseluruhan reaksi merupakan penjumlahan dari orde semua komponennya. Orde reaksi

elementer biasanya merupakan bilangan bulat sedangkan orde reaksi non elementer belum tentu merupakan suatu bilangan bulat.

IV. Metode Penentuan Hukum Laju Reaksi

a. Metode isolasi

Untuk menentukan reaksi yang melibatkan lebih dari satu reaktan, kita dapat menentukan laju dengan mengukur ketergantungan laju reaksi terhadap konsentrasi masing masing reaktan,satu per satu. Kita buat semua konsentrasi sama kecuali satu reaktan dan kita catat laju reaksi sebagai fungsi dari konsentrasi tersebut. Jadi dari ketergantungan yang teramati ini kita mengetahui orde dalam reaktan tersebut. Prosedur yang sama juga berlaku untuk reaktan berikutnya,dan seterusnya.

b. Metode grafik

Bentuk persamaan integrasi dapat diatur dalam bentuk persamaan garis lurus y = mx + c. Contohnya : Order Equation 0 x = kt 1 2 3 …. n

Untuk mengetahui orde reaksi, disisi lain ketika membuat plot terhadap waktu, seharusnya membentuk garis lurus. Dengan demikian sebuah plot (1/a-x) versus waktu adalah berupa garis lurus, artinya reaksi terjadi pada orde kedua.Metode ini simple dan akurat dan diterapkan secara umum untuk pencarian orde reaksi. Metode ini juga sangat bermanfaat, karena tetapan konstan untuk reaksi dapat dievaluasi dengan slope garis lurus dan jika

c. Metode waktu paruh

Waktu paruh sangat bergantung pada konsentrasi awal dalam sebuah reaksi.Secara umum dapat disimpulkan bahwa :

(4.c.3)

Jika dan adalah konsentrasi awal reaktan dalam dua percobaan reaksi yang sama dan (t1/2)1 dan (t1/2)2berhubungan dengan waktu paruh, kemudian

dan (4.c.4)

Atau

(4.c.5)

Persamaan (4.c.5) dapat dinyatakan dalam bentuk logaritma di dua sisi, sehingga persamaan menjadi

(4.c.6)

Orde mungkin dihitung dengan bantuan persamaan diatas. Sebuah plot logaritme rasio waktu paruh versus rasio konsentrasi awal akan menjadi linear melewati tempat asal dengan sebuah slope sampai (n-1) dan orde reaksi dapat didapatkan dari slopenya.

d. Metode diferensial

Anggaplah sebuah reaksi :

nA Product

Laju reaksi pada dua konsentrasi yang berbeda c1 dan c2 dapat diberikan sebagai berikut :

Laju1 = ( I ) (4.d.7)

Laju2 = (II) (4.d.8)

Pembagian persamaan (I) oleh persamaan ( II)

(4.d.9)

Atau

(4.d.10)

Reaksi berjalan dengan konsentrasi awal reaktan yang berbeda.Plot konsentrasi versus waktu untuk kedua percobaan diperoleh. Dlope ( -dc/dt) pada sebuah interval waktru yang diberikan diukur dalam kedua hal dan menggunakan nilai , n, dijelaskan dengan bantuan persamaan diatas,

Persamaan diferensial laju juga dapat digunakan secara alternative seperti:

(4.d.11)

(4.d.12)

Dengan demikian , sebuah plot log (laju) versus log ( concentration ) akan menjadi garis lurus dengan intercept log k dan slope n. ini adalah salah satu prosedur yang memberikan orde reaksi secara langsung. Bagaimanapun, jika plot log ( rate ) versus plot log ( konsentrasi ) tidak linear.

e. Metode integrasi

i. Pada sistem konstan volume, persamaan kecepatan reaksi penghilang reaktan akan mengikut bentuk:

(4.e.13)

Atau pada kasus yang lebih terbatas dapat dituliskan sebagai

(4.e.14)

ii. Persamaan diatas disusun ulang menjadi (4.e.15)

Kemudian diintegrasikan menjadi (4.e.16) Fungsi konsentrasi proporsional dengan waktu dan diplot sehingga menghasilkan garis lurus dengan slope k untuk persamaan kecepatan reaksi yang diuji.

V. Hukum Laju Terintegrasi a. Reaksi orde ke-nol

Suatu reaksi kimia dikatakan mempunyai orde nol, jika besarnya laju reaksi tersebut tidak dipengaruhi oleh konsentrasi pereaksi. Artinya, seberapapun peningkatan konsentrasi pereaksi tidak akan mempengaruhi besarnya laju reaksi.

Gambar grafik hubungan antara konsentrasi dan laju reaksi

(http://matematika-ipa.com/konsep-laju-reaksi-faktor-faktor-yang-mempengaruhi-laju-reaksi-katalis-persamaan-laju-reaksi-orde-reaksi/ )

Anggaplah sebuah reaksi : A  Produk Karena laju reaksi tetap sama , maka:

(5.a.17)

Pada ekspresi integrasi : (5.a.18) Sehingga kita dapatkan :

x = kt+z (5.a.19)

Nilai konstanta z bisa kita tetapkan dengan membuat kondisi dimana x=0 dan t=0, sehingga nilai z itu sendiri menjadi 0. Selanjutnya persamaan laju menjadi :

x = kt atau k =

(5.a.20)

yang memberikan satuan tetapan laju sebagai mol dm-3sec-1atau conc(time)-1

b. Reaksi orde pertama

Reaksi Orde Pertama

Suatu reaksi kimia dikatakan mempunyai orde satu, apabila besarnya laju reaksi berbanding lurus dengan besarnya konsentrasi pereaksi. Artinya, jika konsentrasi pereaksi dinaikkan dua kali semula, maka laju reaksi juga akan meningkat besarnya sebanyak 1 atau 2 kali semula juga. Secara grafik, reaksi orde satu dapat digambarkan seperti terlihat pada gambar

Hukum laju orde pertama untuk konsumsi reaktan A adalah :

(5.b.21) Persamaan ini ditata ulang menjadi :

(5.b.22)

Yang dapat diintegrasikan secara langsung . Karena awalnya (pada t=0) konsentrasi A adalah [A]o maka pada waktu t, konsentrasinya adalah [A], kita menuliskan :

(5.b.23) Dan memperoleh :

(5.b.24)

[A] = [A]

o

e

-kT(5.b.25)

Kedua persamaan ini merupakan versi dari hukum laju terintegrasiyaitu bentuk terintegrasi dari persamaan laju.

Persamaan (e.2) menunjukkan bahwa jika ln[A]/[A]o, dialurkan terhadap t, maka reaksi orde pertama akan menghasilkan garis lurus dan k dapat diperoleh dengan mencari gradient kemiringannya. Beberapa konstanta laju yangn ditentukan dengan cara ini dicantumkan dalam Tabel (E).

Reaksi Fase q/oC k/s-1 t 1/2

2NO5 4NO2 + O2 G 25 3,38 x 10-5 2,85 jam

2N2O5 4NO2 + O2 Br2(l) 25 4,27 x 10-5 2,25 jam

C2H6 2CH3 g 700 5,46 x 10-4 21,2 menit

Persamaan (e.3) menunjukkan bahwa dalam reaksi orde pertama, konsentrasi reaktan berkurang secara eksponensial terhadap waktu, dengan laju yang ditentukan oleh k.

c. Reaksi orde kedua

Jika hukum laju adalah adalah :

( 5.c.25) Maka integrasi yang diperlukan adalah :

(5.c.26)

Yang dievaluasikan menjadi:

Dan ditata ulang menjadi :

(5.c.28 )

Persamaan (5.c.26) menunjukkan bahwa untuk menguji reaksi orde kedua, kita harus mengalurkan 1/[A] terhadap t dan mengharapkan hasilnya berupa garis lurus. Jika grafik itu garis lurus, maka reaksi itu orde kedua terhadap A dan kemiringannya sama dengan konstanta laju

VI. Waktu Paruh

Waktu paruh suatu reaksi, t adalah waktu yang diperlukan agar konsentrasi reaktan turun menjadi setengah dari konsentrasi awalnya.Waktu paruh bergantung pada konsentrasi awal zat, secara khas untuk reaksi dengan orde yang berlainan.

a. Orde 0

Waktu paruh pada orde 0 dapat dihitung dengan bantuan persamaan (..), ambil t=t1/2 dan x=a/2 sehingga

t

1/2

=

(6.a.29)

Dengan demikian waktu paruh orde 0 secara langsung proporsional dengan konsentrasi awal pada reaktan.

b. Orde 1

Waktu untuk pengurangan [A] dari [Ao] menjadi Ao dalam reaksi orde pertama dinyatakan dengan

(6.b.30)

Sehingga

(

6.b.31

)

Hal utama yang harus diperhatikan mengenai hasil ini adalah untuk reaksi orde pertama, waktu paruh reaktan tidak bergantung pada konsentrasi awal. Jadi, jika konsentrasi A

pada suatu tahap sembarang reaksi adalah [A, maka setelah selang waktu , konsentrasinya akan menurun menjadi ½ A.

Untuk reaksi orde dua, kita dapa menggunakan persamaan (5.c.27) untuk mencari waktu

paruhnya, dengan menggantikan t = t dan [A] = ½ [A]o. Substitusi ini akan

menghasilkan (6.c.32)

Pada orde ini, waktu paruh sangat bergantung pada konsentrasi awal, makin besar konsentrasi awal tersebut maka makin sedikit waktu yang dibutuhkan agar konsentrasinya turun menjadi separuh nilai awalnya. Waktu untuk pengurangan dari ½ [A]0menjadi 1/4 [A]0, dua kali lebih lama, daripada waktu untuk pengurangan dari [A]0menjadi 1/2 [A]0.

VII. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Laju Reaksi

a. Konsentrasi

Larutan dengan konsentrasi yang tinggi atau pekat mengandung partikel yang lebih rapat jika dibandingkan dengan larutan encer. Semakin tinggi konsentrasi berarti semakin banyak molekul molekul dalam setiap satuan luas ruangan, akibatnya tumbukan antar molekul akan sering terjadi dan reaksi berlangsung dengan cepat.

b. Temperatur

Pada umumnya reaksi akan berlangsung lebih cepat bila suhu dinaikkan. Dengan menaikkan suhu maka energi kinetik molekul-molekul zat yang bereaksi akan bertambah sehingga akan lebih banyak molekul yang memiliki energi sama atau lebih besar dari Ea. Dengan demikian lebih banyak molekul yang dapat mencapai keadaan transisi atau dengan kata lain kecepatan reaksi menjadi lebih besar. Secara matematis hubungan antara nilai tetapan laju reaksi (k) terhadap suhu dinyatakan oleh formulasi ARRHENIUS:

(7.b.33) dimana:

k : tetapan laju reaksi

A : tetapan Arrhenius yang harganya khas untuk setiap reaksi E : energi pengaktifan

R : tetapan gas universal = 0.0821.atm/moloK = 8.314 joule/moloK T : suhu reaksi (oK)

Hubungan antara konstanta laju pada dua suhu adalah:

(7.b.34)

c. Luas Permukaan

Suatu zat akan bereaksi apabila bercampur dan bertumbukan. Pada pencampuran reaktan yang terdiri dari dua fasa atau lebih, tumbukan berlangsung pada permukaan zat. Jadi semakinsemakin luas permukaan partikel, maka frekuensi tumbukan kemungkinan akan semakin tinggi sehingga laju reaksi akan lebih cepat.

d. Katalis

Katalis adalah zat yang dapat memperbesar laju reaksi namun tidak mengalami perubahan kimia secara permanen, sehingga pada akhir reaksi zat tersebut dapat diperoleh kembali.Katalis mempercepat reaksi dengan menurunkan energy aktivasi (Ea). Katalisis adalah peristiwa peningkatan laju reaksi sebagai akibat penambahan suatu katalis.Meskipun katalis menurunkan energi aktivasi reaksi, tetapia tidak mempengaruhi perbedaan energi antara produk dan pereaksi. Dengan kata lain,penggunaan katalis tidak akan mengubah energy entalphi reaksi

ka K Ka’

K

Gambar Grafik energi pengaktifan berkurang dengan adanya katalis ( www.scribd.com )

Jenis – Jenis Katalis adalah : 1. Katalis homogen

Katalis yang fasenya sama dengan campuran reaksinya. Contoh: asam yang ditambahkan pada larutan berair 2. Katalis heterogen

3. Katalis yang fasenya berbeda dengan campuran reaksinya. Contoh: katalis padat untuk reaksi fase gas

4. Otokatalis

Produknya merupakan katalis. Dalam reaksi A → P

dengan hukum laju v = k[A][P], laju reaksi bertambah dengan terbentuknya produk.

4. Biokatalis ( enzim )

Reaksi dengan enzim sebagai katalis merupakan

contoh reaksi dengan pembentukan zat antara (intermediate). Mekanisme Michaelis-Menten dari kerja enzim:

E+ S ( ES )P + E

Ketergantungan konstanta laju reaksi terhadap suhu dapat dinyatakan dengan persamaan berikut, yang dikenal sebagai persamaan Arhenius :

(8.34)

Dimana Ea adalah energy aktivasi dari reaksi (dalam kilojoule per mol), Radalah konstanta gas (8,314J/K.mol), T adalah suhu mutlak, dan e adalah basis dari skala logaritma natural.Besaran A menyatakan frekuensi tumbukan dan dinamakan factor frekuensi.Faktor ini dapat dianggap sebagai konstanta tertentu dalam kisaran suhu yang cukup lebar. Persamaan (8.1) menunjukkan bahwa jika konstanta laju berbanding lurus dengan A dan, dengan begitu, berbanding lurus dengan frekuensi tumbukan. Selain itu , tanda minus pada eksponen Ea/RT menunjukkan bahwa konstanta laju menurun dengan meningkatnya suhu. Persamaan ini dapat dinyatakan dengan dalam bentuk yang lebih baik dengan menghitung logaritma natural dkeidua sisi :

(8.35)

(8.36) Persamaan ini dapat diubah ke bentuk persamaan linear :

(8.37)

y = m x + b

Jadi plot ln k terhadap 1/T menghasilkan garis lurus yang kemiringannya m sama dengan –Ea/R dan titik potong b dengan sumbu y adalah ln A.

Persamaan yang menghubungkan konstanta laju k1dan k2pada suhu T1 dan T2 dapat

diguakan untuk menghitung energy aktivasi atau untuk menentukan konstanta laju pada suhu lain jika energy aktivasinya diketahui. Untuk menurunkan persamaan seperti itu kita mulai dengan persamaan ( 8.4):

(8.38)

(8.39) Dengan mengurangkan ln k2 dan ln k1dihasilkan

(8.42)

Tabel Ringkasan dari Kinetika Reaksi Orde Pertama dan Kedua Orde Hukum Laju Hukum Laju

Intergrasi

Waktu Paruh

Satuan konstanta laju

0 Laju = k [A]t=[A]0-kt mol liter-1 det-1

1 Laju = k[A] ln[A]t=ln[A]0-kt det-1

2 Laju =

k[A]2

Contoh Soal Kinetika Kimia

Contoh Soal 1:

Konstanta reaksi orde pertama, k, untuk ikatan C-N pada molekul N,N-dimetilnicotiamide diukur pada temperatur berbeda dengan menggunakan NMR (Nuclear Magnetic Resonance). Diperoleh hasil pengamatan sebagai berikut:

T 0C 10,0 15,7 21,5 27,5 33,2 38,5 45,7

k sec -1 2,08 4,57 8,24 15,8 28,4 46,1 93,5

Tentukan energi aktivasi, E, dan faktor pre-eksponensial, k0 untuk rotasi.

Solusi:

Energi aktivasi dapat dihitung dengan memperhatikan hubungan antara sensitivitas konstanta reaksi terhadap perubahan temperatur.Energi aktivasi yang tinggi disebabkan oleh konstanta laju reaksi yang meningkat dengan cepat akibat peningkatan temperatur. Hubungan antara energi aktivasi, konstanta laju reaksi dan temperatur ini dinyatakan dalam suatu persamaan yang disebut dengan persamaan Arrhenius.

kT (sec-1) Konstanta Laju

k0 Faktor pre-eksponensial

E (kJ/mol) Energi aktivasi

R (J/K.mol) Tetapan gas (=8.314)

T (K) Temperatur absolut

Persamaan Arrhenius secara lebih lanjut dapat diturunkan sebagai berikut:

Persamaan Arrhenius dapat diubah ke dalam bentuk persamaan garis lurus, kemudian berdasarkan persamaan garis lurus tersebut dapat diplot suatu kurva dengan ln kTsebagai sumbu y dan (1/T) sebagai sumbu x-nya. Gradien dari kurva tersebut merupakan (-E/R), sedangkan intersepnya merupakan ln k0.

4,57 288,7 1,520 3,46 8,24 294,5 2,110 3,40 15,8 300,5 2,760 3,33 28,4 306,2 3,346 3,27 46,1 311,5 3,831 3,21 93,5 318,7 4,538 3,14

Menghitung energi aktivasi, E, dengan menggunakan gradien kurva:

Menghitung faktor pre-eksponensial, k0 dengan menggunakan intersep:

Tugas soal no.1 : Tulislah persamaan Arrheniuss menjadi lebih lengkap. Ulangi soal no.1 dengan memplot dalam diagram x-y dimana sumbu y adalah data harga k hasil perhitungan dan sumbu x adalah harga k hasil percobaan. Berilah komentar anda hasil plot tersebut?

Contoh Soal 2:

R.T. Dilone mempelajari reaksi antara etilen bromida dan potasium iodida dalam metanol berkadar 99%, dan memperoleh hasil pengamatan sebagai berikut:

Temperatur: 59,72 0C

Konsentrasi Awal KI: 0,1531 kmol/m3

Konsentrasi Awal C2H4Br: 0,02864 kmol/m3

Waktu, ksec Fraksi Dibromida yang bereaksi 29,7 0,2863 40,5 0,3630 47,7 0,4099 55,8 0,4572 62,1 0,4890 72,9 0,5396 83,7 0,5795

Tentukan konstanta laju reaksi orde kedua.

Solusi:

Dalam stoikiometri, reaksi dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dengan mengasumsikan bahwa reaksi merupakan reaksi orde kedua dalam sistem batch bervolume konstan, persamaan hukum laju adalah sebagai berikut:

A B

Amount at t=0 CA0 CB0

Amount at t=t CA CB

Amounts that have reacted (CA0-CA) (CB0-CB)

Dideferensiasikan sebagai berikut:

Sementara itu, konsentrasi komponen B adalah:

Mensubtitusi konsentrasi A dan B ke dalam persamaan hukum laju:

Mengintegrasi persamaan untuk t=0 dan XA=0 hingga t=t dan XA=XA,

Untuk memperoleh nilai k(CB0-3CA0), kita membentuk persamaan garis lurus dengan

Diketahui dari soal bahwa:

Waktu, ksec x Fraksi Dibromida yang bereaksi (XA) 3 XA 1- XA 0 0 0 1 5,345670391 5,34567 1,676286961 29,7 0,2863 _{0,8589 0,7137} 4,486770391 6,286634 1,838425727 40,5 0,3630 1,089 0,637 4,256670391 6,682371 1,89947288 47,7 0,4099 1,2297 0,5901 4,115970391 6,975039 1,942337889 55,8 0,4572 1,3716 0,5428 3,974070391 7,321427 1,990805208 62,1 0,4890 1,467 0,511 3,878670391 7,590353 2,026878101 72,9 0,5396 1,6188 0,4604 3,726870391 8,094853 2,091228446 83,7 0,5795 1,7385 0,4205 3,607170391 8,578289 2,149234439

0058

Tugas soal no 2 : Konsentrasi Awal KI (CBo) tetap 0,1531 kmol/m3, sedangkan rasio

CBo/CAo adalah diubah-ubah misal menjadi 10, 15, 20, dst. Ulangi soal no. 2, buatlah

plot dengan beberapa harga rasio dalam diagram x-y dimana y adalah

dan sumbu x adalah waktu reaksi berlangsung ( t). Dan hasilnya berilah komentar tentang mungkinkah harga k berubah-ubah perubahan rasio tersebut? Terangkan kenapa? Tunjukkan persamaan laju secara lengkap…

Contoh Soal 3:

Tabel berikut ini memberikan data laju awal [-d(B2H6)/dt] untuk reaksi fase gas antara diborane dan aseton pada suhu 114 0C:

Jika hukum laju:

Tentukan nilai n, m, dan k.

B2H6(torr) Me2CO (torr) (torr/sec) 1 6.0 20.0 0.50 2 8.0 20.0 0.63 3 10.0 20.0 0.83 4 12.0 20.0 1.00 5 16.0 20.0 1.28 6 10.0 10.0 0.33 7 10.0 20.0 0.80 8 10.0 40.0 1.50 9 10.0 60.0 2.21 10 10.0 100.0 3.33

Solusi:

Sebenarnya untuk contoh soal seperti ini dapat digunakan metode isolasi dan metode laju awal, dimana salah satu pereaksi konsentrasinya dijaga tetap sementara konsentrasi pereaksi lainnya diubah-ubah untuk menghitung orde reaksi terhadap pereaksi yang konsntrasinya diubah-ubah tersebut. Untuk melakukan percobaan ini, laju awala harus segera diukur,sebab setelah reaksi berlangsung, laju reaksi besarnya akan berubah-ubah. Metode ini cukup mudah untuk dilakukan tetapi meberikan hasil yang kurang akurat. Untuk itulah, diperlukan metode lain yang lebih akurat untuk menentukan konstanta laju reaksi dan orde reaksi.

Metode untuk mengatasi kekurangan dari metode isolasi adalah dengan membentuk persamaan linear dengan tiga variabel yang tidak diketahui yaitu Y, X1, dan X2.

Percobaan Tekanan Awal B2H6(torr) Tekanan Awal Me2CO (torr) Laju Awal x 103 (torr/sec) ln(laju) Y ln pB2H6 ln pMe2CO 1 6.0 20.0 0.50 6,21 1,79 3,00 2 8.0 20.0 0.63 6,45 2,08 3,00 3 10.0 20.0 0.83 6,72 2,30 3,00 4 12.0 20.0 1.00 6,91 2,48 3,00 5 16.0 20.0 1.28 7,15 2,77 3,00 6 10.0 10.0 0.33 5,80 2,30 2,30 7 10.0 20.0 0.80 6,68 2,30 3,00 8 10.0 40.0 1.50 7,31 2,30 3,69 9 10.0 60.0 2.21 7,70 2,30 4,09

Berdasarkan perhitungan, ditemukan bahwa:

Tugas soal no 3 :

Tulislah persamaan laju reaksinya secara lengkap. Ulangi soal no. 3 dengan memplot dalam diagram x-y dimana sumbu y adalah laju reaksi hasil perhitungan dan sumbu x adalah laju reaksi hasil percobaan. Berilah komentar anda hasil plot tersebut? Adakah perbedaan yang mencolok antara hasil perhitungan dengan hasil percobaan.

Contoh Soal 4:

Untuk reaksi disosiasi termal satu arah paradehalidepada suhu 259 0C dan volume konstan, dihasilkan data sebagai berikut:

Time, hrs 0 1 2 3 4 ∞

P total, mmHg 100 175 220 250 270 300

Tentukan orde reaksi dan konstanta laju reaksi.

Solusi:

Buatlah titik-titik

data secara jelas!!!

Reaksi dekomposisi paradelhide:

Diasumsikan reaksi merupakan reaksi orde pertama dan berlangsung dalam sistem Batch bervolume konstan. Dengan demikian, persamaan laju dapat dinyatakan sebagai berikut:

Persamaan gas ideal yaitu sebagai berikut:

Maka hukum laju juga dapat dinyatakan dalam variabel tekanan:

A B

Amount at t=0 nA0 nB0

Amount at t=t nA nB

Amounts that have reacted (nA0-nA) (nB0-nB)

Jumlah mol total setiap waktunya adalah sebagai berikut, dengan asumsi jumlah mol B mula-mula adalah 0:

PT= tekanan total

PA= tekanan parsial paraldehide pada t = t

PA0= tekanan parsial paraldehide pada t = 0

Time PT PA PA/PA0 ln (PA/PA0)

0 100=PA0 100 1,0 0 1 175 62,5 0,625 -0,47 2 220 40,0 0,400 -0,9163 3 250 25,0 0,250 -1,3863 4 270 15,0 0,150 -1,8971 ∞ 300 0 0 -

Dari data yang diperoleh dari pengamatan dan perhitungan, diplot suatu kurva dengan waktu sebagai sumbu x dan ln (PA/PA0) sebagai sumbu y-nya, sementara itu, gradien dari kurva tersebut merupakan konstanta laju reaksi. Plot kurva tersebut berupa garis lurus, sehingga asumsi awal bahwa reaksi merupakan reaksi orde pertama telah terbukti, selanjutnya kita hanya perlu menentukan nilai konstanta laju reaksi.

Tugas soal no 4 : Tulislah persamaan laju reaksinya secara lengkap. Ulangi soal no. 4 dengan mengasumsikan reaksi berlangsung merupakan reaksi orde kedua dan

Contoh Soal 5:

Reaksi berikut ini dipelajari pada suhu 200 0C. Jika konsentrasi NOCL pada awalnya hanya terdiri atas NOCl berubah seiring berjalannya waktu seusai dengan yang tertera pada tabel, hitung orde reaksi dan konstanta laju reaksi.

t,sec 0 200 300 500

CNOCl, gmol/l 0,02 0,016 0,0145 0,012

Solusi:

Jika diasumsikan bahwa reaksi merupakan reaksi orde kedua, maka hukum laju adalah:

t,sec CNOClActual 1/CNOCl Estimated 1/CA

0 0,02 49,6 50

200 0,016 62,9 62,5

300 0,0145 69,5 68,97

Tugas soal no 5 : Tulislah persamaan laju reaksinya secara lengkap dari hasil perhitungan tersebut. Ulangi soal no. 5 dengan mengasumsikan reaksi berlangsung mengikuti reaksi orde pertama dan berlangsung dalam sistem batch bervolume konstan.

Contoh Soal 6:

Reaksi dekomposisi pada fase gas:

Dioperasikan dalam reaktor bervolume konstan. Percobaan 1 hingga 5 dilakukan pada suhu 100 0C sedangkan percobaan 6 dilakukan pada suhu 110 0C.

Percobaan CA0(gmol/L) t ½ (min)

1 0,025 4,10 2 0,0133 7,70 3 0,01 9,80 4 0,05 1,96 5 0,075 1,30 6 0,025 2,00

a) Tentukan orde reaksi dan konstanta laju.

b) Tentukan energi aktivasi dan faktor tumbukan untuk reaksi ini.

Solusi:

Percobaan CA0(gmol/L) t ½ (min) 1 0,025 4,1 1,410987 -3,68888 2 0,0133 7,7 2,04122 -4,31999 3 0,01 9,8 2,282382 -4,60517 4 0,05 1,96 0,672944 -2,99573 5 0,075 1,30 0,262364 -2,59027 6 0,025 2,0 0,693147 -3,68888

Mencari orde reaksi dengan gradien kurva:

Buatlah titik-titik

data secara jelas !!!

Mencari faktor tumbukan

Tugas soal no 6 : Tulislah persamaan laju reaksinya secara lengkap dari hasil perhitungan tersebut. Pelajari soal no. 6 ini, hitunglah tinggal seberapa bagian konsentrasinya pada saat reaksi berjalan tepat mencapai 10 menit.

Contoh Soal 7:

Huang dan Dauerman telah mempelajari asetilasi dari benzil klorida dalam larutan encer pada temperatur 102 0C. Dengan menggunakan konsentrasi kesetimbangan molal sodium asetat dan benzil klorida (0,757kmol/m3). Tabel berikut ini menunjukkan data pengamatan dari fraksi benzil klorida yang tersisa dan waktu. Tentukan orde reaksi dan konstanta laju reaksi pada temperatur ini.

Waktu, t (ksec) CB/CB0 untuk C6H5CH2Cl

10,80 0,945 24,48 0,912 46,08 0,846 54,72 0,809 69,48 0,779 88,56 0,730 109,44 0,678 126,72 0,638 133,74 0,619 140,76 0,590

Solusi:

Reaksi ini diasumsikan sebagai reaksi orde kedua yang dinyatakan dalam persamaan berikut:

yang dapat dinyatakan sebagai berikut:

Persamaan reaksi untuk komponen B adalah sebagai berikut:

A B

Amount at t=0 CA0 CB0

Amount at t=t CA CB

Amounts that have reacted (CA0-CA) (CB0-CB)

Mengkonstruksi ulang persamaan dan mengintegrasikan persamaan dengan batas antara t = 0, XB=0 dan t=t, XB=XB, maka:

Tabel berikut ini menunjukkan konstanta laju reaksi yang dihitung dalam berbagai variasi waktu: Waktu, t (ksec) CB/CB0 10,80 0,945 0,058 0,122 0,0071 24,48 0,912 0,096 0,054 0,0052 46,08 0,846 0,182 0,029 0,0053 54,72 0,809 0,236 0,024 0,0057 69,48 0,779 0,284 0,019 0,0054 88,56 0,730 0,370 0,015 0,0056 109,44 0,678 0,475 0,012 0,0057 126,72 0,638 0,567 0,010 0,0057 133,74 0,619 0,616 0,010 0,0062 140,76 0,590 0,695 0,005 0,0034

Dengan merata-ratakan konstanta laju, kita memperoleh k= 0,0055 m3/(mol.sec).

Tugas soal no 7 : Tulislah persamaan laju reaksinya secara lengkap dari hasil perhitungan tersebut. Ulangi soal no. 7 ini dengan mengasumsikan bahwa reaksi

berlangsung mengikuti reaksi orde pertama. Berilah komentar hasil perhitungan anda.

Contoh Soal 8:

Reaksi dekomposisi gas dengan stoikiometri 2A → 2B + C mengikuti reaksi orde kedua dengan persamaan

dimana CA adalah konsentrasi reaktan dalam mol/m3. Konstanta laju bervariasi oleh temperatur reaksi berdasarkan persamaan Arrhenius:

dimana :

k0 (m3/mol.s) = faktor tumbukkan

E (J/mol) = energi aktivasi

R = konstanta gas

1) Asumsikan reaksi dioperasikan dalam reaktor batch bervolume dan bertemperatur konstan, dimulai dengan reaktan murni dengan konsentrasi CA0. Tuliskan persamaan kesetimbangan diferensial untuk A dan mengintegrasikannya untuk menghasilkan persamaan untuk CA (t) dalam CA0 dan k.

2) Jika P0 (atm) adalah tekanan awal reaktor. Buktikan t ½ = RT / k p0. Asumsikan gas merupakan gas ideal.

3) Dekomposisi N2O menjadi nitrogen dan oksigen dilakukan dalam 5.0 liter reaktor batch pada temperatur konstan pada 1015 K diawali dengan N2O murni pada beberapa tekanan awal. Tekanan reaktor P(t) dikontrol dan waktu paruh dicatat dalam tabel. Gunakan hasil tersebut untuk membuktikan bahwa reaksi dekomposisi N2O merupakan reaksi orde kedua dan tentukan nilai k pada temperatur 1015 K.

P0 (atm) 0,135 0,286 0,416 0,685

t ½ (sec) 1060 500 344 209

4) Eksperimen yang sama dioperasikan pada beberapa temperatur lain dengan tekanan awal yang sama yaitu 1 atm. Hasilnya ditunjukkan dalam tabel berikut. Tentukan k0 dan E sebagai parameter persamaan Arrhenius untuk reaksi ini.

T (K) 900 950 1000 1050

t ½ (sec) 5464 1004 219 55

Solusi:

1) Karena reaksi dioperasikan pada sistem batch bervolume konstan, laju reaksi dapat diformulasikan sebagai berikut:

………(1) dimana

2) Waktu paruh untuk reaksi orde ke-n dapat dirumuskan sebagai berikut:

Reaksi merupakan reaksi orde ke-2, sehingga bila disubtitusikan n=2 diperoleh hasil sebagai berikut:

Dimana

3) Reaksi dekomposisi N2O menjadi nitrogen dan oksigen dinyatakan sebagai berikut:

Waktu paruh untuk reaksi orde ke-n:

p0 (atm) t ½ (sec) p0/RT X 10-3 ln t 1/2 ln p0/RT X 10-3 0,135 1060 _1,620825 6,966024 0,482935 0,286 500 3,433748 6,214608 1,233653 0,416 344 4,99453 5,840642 1,608346 0,683 299 8,200176 5,342334 2,104156

4) Dengan mengaplikasikan persamaan Arrhenius terlinearisasi:

T t 1/2 1/T RT/t1/2 ln RT/t 1/2 900 5464 0,001111 0,0135066 -4,30457767 950 1004 0,001053 0,0775896 -2,55632135 1000 219 0,001 0,3744292 -0,98235248 1050 55 0,000952 1,5654545 0,448176226

Buatlah titik-titik

data secara jelas !!!

Tugas soal no 8 : Tulislah persamaan laju reaksinya secara lengkap dari hasil perhitungan tersebut. Ulangi soal no. 8 ini dengan mengasumsikan bahwa gas mengikuti hukum gas ideal, jika P0 (atm) adalah tekanan awal reaktor. Buktikan

bahwa t ½ = RT / k p0.

Contoh Soal 9:

Reaktan A didekomposisi dalam reaktor Batch

Konsentrasi A dalam reaktor diukur dalam berbagai variasi waktu dengan data pengamatan sebagai berikut (kolom 1 dan kolom 2) :

Time t, s Konsentrasi CA, mol/liter ln (CA0/CA) 1/CA

0 10=CA0 0 0,1 20 8 0,223143551 0,125 40 6 0,510825624 0,166667 60 5 0,693147181 0,2 120 3 1,203972804 0,333333 180 2 1,609437912 0,5 300 1 2,302585093 1

Tentukan persamaan laju reaksinya agar sesuai dgn data yang ada!

Solusi:

Menentukan orde reaksi dengan metode grafik

Jika diasumsikan reaksi merupakan reaksi orde pertama , maka seharusnya kurva diatas merupakan garis lurus (linier). Jadi, reaksi bukan merupakan reaksi orde pertama.

Buatlah titik-titik

data secara jelas !!!

Jika diasumsikan reaksi merupakan reaksi orde kedua, maka seharusnya kurva diatas merupakan garis lurus (linier). Jadi, reaksi bukan merupakan reaksi orde kedua.

Mengasumsikan reaksi sebagai reaksi orde ke-n

CA0 CA (=0,8 CA0) tp, s log tp log CA0

10 8 18,5 1,27 1,00

5 4 23 1,36 0,70

2 1,6 35 1,54 0,30

Memplot kurva log tp vs log CA0

Tugas soal no 9 : Ulangi soal no. 9 ini dan tentukanlah harga k dan order reaksinya yang sesuai dengan data-data yang ada. Apakah kinetika reaksi berorder satu atau order dua sudah sesuai? Berilah komentar dan bagaimanakah seharusnya langkah-langkah perhitungan agar didapat persamaan laju reaksinya dengan harga k dan

Buatlah titik-titik

data secara jelas !!!

Buatlah titik-titik

data secara jelas !!!

Contoh Soal 10:

(1) Asumsikan reaksi orde pertama (n = 1) telah terbentuk pada reaktor batch isotermal pada volume konstan V. Tuliskan persamaan reaksi dan keseimbangan material dalam A dan integrasikan untuk mendapatkan persamaan , dimana CAO adalah konsentrasi A pada reactor saat t = 0.

(2) Dalam pengkajian reaksi dekomposisi fase gas pada sulfur klorida, SO2Cl2SO2 + Cl2, mengikuti hukum laju orde pertama. Reaksi berlangsung pada volum konstan, reaktor batch isotermal, dan konsentrasi SO2Cl2 diukur pada beberapa waktu reaksi, dengan hasil sebagai berikut.

t (min) 4.0 20.2 40.0 60.0 120.0 180.0

CA (mol/l) 0.0158 0.0152 0.0144 0.0136 0.0116 0.0099

Gunakan hasil ini untuk membuktikan hukum yang diajukan dan tentukan laju konstan k. Tuliskan juga nilai dan unit dari k.

Solusi

1. Dengan mengasumsikan bahwa reaksinya merupakan reaksi orde pertama dalam reactor

batch isotermal pada volum konstan, persamaan laju untuk reaksi menjadi

(1)

Dimana jumlah mol nA adalah

(2)

Dimana CA = konsentrasi spesi A

V = volum reaktor batch

Dengan mensubstitusi persamaan (1) ke persamaan (2), menghasilkan

(3)

Selama V konstan.

Dengan mengubah persamaan (3) dan mengintegrasikan limit-limitnya pada t = 0, CA = CAO dan t = t, CA = CA menghasilkan

Dan

Sehingga,

2. Persamaan (16) untuk dekomposisi fase gas pada sulfur klorida, dapat direpresentasikan oleh

(17)

Melinearkan persamaan (17) menghasilkan

(18)

Tabel 3-18 menunjukan konsentrasi SO2Cl2, CA sebagai fungsi waktu, t.

Plot dari ln CA terhadap waktu t memberikan garis lurus dengan kemiringan (-B) sama dengan laju konstan k1. Konstanta pada persamaan adalah:

Tabel 3-18

Time (min) CA, mol/l ln CA, mol/l

4.0 0.0158 -4.1477 20.2 0.0152 -4.1865 40.0 0.0144 -4.2405 60.0 0.0136 -4.2977 120.0 0.0166 -4.4568 180.0 0.0099 -4.6152  A = 0.015999  B = -0.26711 x 10-2  Correlation Coefficient = 0.99991 Konstanta laju k1 = -B = 0.00267 sec-1.

Tugas soal no 10 : Contoh yg menarik untuk diulangi soal no.10 ini. Tentukanlah harga k dan order reaksinya yang sesuai dengan data-data yang ada. Apakah reaksi order satu sudah sesuai?? Berilah komentar dan tulislah persamaan laju reaksinya secara lengkap dari hasil perhitungan tersebut dengan harga k dan order reaksinya. Buatlah plot antara harga CA hasil percobaan (sumbu x) dengan CA hasil perhitungan

Contoh Soal 11:

Untuk sintesis ammonia, N2 + 3H2  2NH3, terhadap katalis besi, tentukan laju untuk mekanisme berikut (1) (2) (3) (4) Solusi

Laju untuk mekanisme di atas didasarkan pada asumsi sebagai berikut:

1. Permukaan intermediate paling berlimpah adalah NS

(5)

2. Langkah 1,3, dan 4 adalah setimbang dan langkah 2 merupakan penentu laju.

3. Kondisi pada saat reaksi N2 + 3H2  2NH3 berlangsung sedemikian rupa sehingga laju arah baliknya dapat diabaikan.

= konsentrasi total dari berbagai tempat, didefinisikan sebagai

= konsentrasi dari tempat yang kosong = konsentrasi hydrogen yang diadsorbsi

= konsentrasi permukaan intermediate paling berlimpah

= konsentrasi ammonia yang teradsorbsi

= tekanan parsial dari nitrogen

= tekanan parsial dari ammonia

= laju reaksi dari nitrogen, mol nitrogen yang berkurang per satuan waktu per satuan massa dari katalis

Karena langkah 2 merupakan langkah penentu laju, persamaan lajunya menjadi:

(6)

Laju berkurangnya H2 bersih adalah

(7)

Pada basis pseudo-steady state, laju pengurangan bersih adalah nol, sehingga

(8)

Dan

(9)

(10)

(11)

Dari persamaan (10), konsentrasi dari permukaan intermediate paling berlimpah adalah

(12)

Konsentrasi dari ammonia yang teradsorbsi dari persamaan (11) adalah

(13)

Konsentrasi dari hydrogen yang teradsorbsi dari persamaan (9)

(14)

Dengan mensubstitusi persamaan (13) dan (14) ke dalam persamaan (12) menghasilkan

(15)

(16)

Dimana .

(17)

Atau

(18)

Dengan mensubstitusi persamaan (18) ke dalam laju persamaan (6), menghasilkan

(19)

Tugas soal no 11 : Contoh yg menarik untuk diulangi soal no.11 ini. Uraikan apa yang dimaksud dengan penentu laju reaksi? Pada prinsipnya, step reaksi yang manakah sebagai penentu berlangsungnya reaksi secara keseluruhan.

Contoh Soal 12

:

Sesuaikan persamaan laju orde ke-n terhadap data konsentrasi vs waktu. Data ditabulasikan pada kolom 1 dan 2 berikut ini

Kolom 1 Kolom 2 Kolom 3 Kolom 4 Kolom 5

Waktu t,s

Konsentrasi CA, mol/liter

Kemiringan, dari gambar E3.2a (dCA/dt)=Laju reaksi sesaat

log10(-dCA/dt) log10 CA

0 10 (10-0)/(0-75) = -0.1333 -0.875 1.000

20 8 (10-0)/(-3-94) = -0.1031 -0.987 0.903

60 5 (8-0)/(-15-180) = - 0.0410 -1.387 0.699

120 3 (6-0)/(-10-252) = -0.0238 -1.623 0.477

180 2 (4-1)/(24-255) = -0.0108 -1.967 0.301

300 1 (3-1)/(-10-300) = - 0.0065 -2.187 0.000

Gambar kurva untuk merepresentasikan data tersebut. Pada saat CA = 10, 8, 6, 5, 3, 2, 1,

gambar tangent dari kurva tersebut, dan beri evaluasi (lihat kolom 3).

Selanjutnya, untuk menyesuaikan persamaan laju orde ke-n terhadap data atau terhadap persamaan

ⁿ

Ubah bentuk persamaan menjadi logaritma : Tentukan bahwa:

y = l , Intercept = . Slope =

Dan plot seperti dalam gambar. Garis terbaik yang linier memberikan slope dan intercept dan mendapatkan harga n dan k . Jadi persamaan laju menjadi:

Tugas PR no. 12 :

Berdasarkan contoh soal no. 12 ini :

 Apa yang dimaksud dengan laju reaksi sesaat, dan tunjukkan beberapa laju reaksi sesaat yang telah dihitung?

 Ulangi contoh soal no. 12 ini, selesaikan dengan metode integrasi untuk mendapatkan harga kinetika order reaksi n dan k. Samakah hasil perhitungan anda dengan hasil contoh soal?