TKA 301 Daring Chapter 2 (part 1)

KinetiKa Kimia

UntUK ReaKsi non-Katalisis

CHaPteR ii

2.1. Kinetika Kimia

Kinetika Kimia :

Ilmu yang mempelajari kecepatan reaksi kimia (r) dan faktor-faktor yang mempengaruhinya

Faktor- faktor :

1. Konsentrasi (C) 2. Temperatur (T) 3. Tekanan (P)

Kecepatan Reaksi :

Pengurangan jumlah reaktan atau penambahan

jumlah produk per satuan waktu untuk setiap satuan

jumlah “tempat” reaksi berlangsung

jumlah “tempat” tergantung pada jenis reaksi

1. Reaksi homogen :

a. melibatkan satu fasa campuran reaksi (ex : cair-cair) b. merupakan peristiwa kimia

c. jumlah tempat reaksi : volum campuran reaksi (V) Kecepatan reaksi :

Dimana : r_i = kecepatan reaksi zat i n_i = jumlah mol zat i

t = waktu reaksi

Vdt

r

_i

 dn

ⁱ

2. Reaksi heterogen :

a. melibatkan lebih dari satu fasa campuran reaksi (ex : fluida-padatan)

b. peristiwa kimia dan fisika

c. jumlah tempat reaksi dapat berdasarkan : – Massa padatan (W_S) :

– Volume padatan (V_S) : – Volume fluida (V_F) :

– Luas permukaan padatan (S_S) :

dt W r dn

s i i 

dt V r dn

s i  i

dt V r dn

F i i 

dt S r dn

s i  i

Kecepatan Reaksi Homogen

Jika reaksi berlangsung secara batch, maka Vdt r

_i

 dn

ⁱ

dt V d n

r

i i

 

 







i

C

i

V n 

dt r

_i

 dC

ⁱ

Awal Akhir

Awal Akhir

i

t - t

C - C

t C dt

dC 



 

Reaktan : C_awal > C_akhir ^-dC_dt^{i  -ri} (pengurangan reaktan) Produk : C_awal < C_akhir i ri (penambahan produk)

dt

dC 

Ex : aA + bB pP +sS

dt r dC

dt

r dC

dt r dC

- dt

- dC r

-

_A



^A _B

 

^B _P



^P _S



^S

Berdasarkan stoikiometri reaksi :

dt dC s

a dt

dC

dt dC p

a dt

dC

dt - dC b

a dt

dC

A S

P A

B A









 

 



 



dt dC s

1 dt

dC p

1 dt

- dC b

1 dt

dC a

r 1

dt dC s

a dt

dC p

a dt

- dC b

a dt

dC

S P

B A

S P

B A



 



 



 







 



 



 



dt r dC

i



i

 r

r

i



i



r = f (C,T.P)

Persoalan utama dalam ilmu kinetika terapan :

mendapatkan bentuk matematika dari fungsi tersebut

Barthelot St Gilles Hasil-hasil

percobaan lain

menunjukkan :

r merupakan fungsi konsentrasi pangkat suatu bilangan

Ex :

dimana : k = konstanta kecepatan reaksi α, β = orde reaksi

α + β = orde total reaksi





B A

A A

k k C C

dt -dC r

- qQ

bB

aA    

Orde reaksi Definisi :

Bilangan yang menyatakan derajat ketergantungan kecepatan reaksi terhadap konsentrasi

Sifat :

a. Tidak harus bilangan bulat (ditentukan dari percobaan) b. Reaksi elementer : α = a dan β = b

c. Reaksi non elementer : α ≠ a dan β ≠ b

Konstanta kecepatan reaksi (specific rate)

Harga k tergantung pada komponen yang ditinjau Ex :

reaksi ini berorde 1 baik terhadap A maupun B

berdasarkan stoikiometri reaksi -r_A =1/2 (-r_B) = 1/3 r_Q

- r_B =2 (-r_A) = 2 k_A C_A C_B = k_B C_A C_B k_B = 2 k_A r_Q =3 (-r_A) = 3 k_A C_A C_B = k_C C_A C_B k_C = 3 k_A

3Q 2B

A  

B A

A 1

B 1

A A

A

k C C k C C

r

-  

Satuan k tergantung pada orde total reaksi (n) 1. n = 1

2. n =2

3. Secara umum

s k 1 L

k mol s

L kC mol

dt

r  dC     

mol s

k L L

k mol s

L kC mol

dt r dC

2

2   



 



 



















 











 







 L

k mol s

L C mol

C C

dt k

r dC _{A B D}

s mol

k L _{( ) 1}

1 ) (











 ^_^_ ^_

Reaksi Elementer

Definisi :

Reaksi bertahap satu yang merupakan reaksi antara satu

molekul reaktan yang satu dengan satu molekul reaktan yang lainnya.

Persamaan kecepatan reaksi elementer dapat dinyatakan dari stoikiometri reaksinya.

Ex :

Ciri-ciri :

1. Umumnya molekularitas reaksinya 1 atau 2

2. bukan reaksi elementer

3. Untuk reaksi elementer reversibel, kedua arah reaksi pasti elementer

4. orde reaksi = koefisien reaksi

B A

A 1

B 1

A A

A

k C C k C C

-r r

D

B

A      

C 1,85 B

1,45

A   

Definisi :

Reaksi reaktan menjadi produk berdasarkan urutan beberapa tahap reaksi elementer (mekanisme reaksi) Ex :

Reaksi elementer : X Hasil percobaan :

Reaksi Non Elementer

HBr 2

Br

H₂  ₂ 

2 HBr 2

Br H

HBr 1

HBr 2k C C -2k C

dt r dC

2

 2



k₁ k₂

2 2 2

Br HBr

H 1/2

HBr Br HBr

C k" C 1

C C

k' dt

r dC







Reaksi non elementer

Mekanisme reaksi (berdasarkan percobaan) :

HBr 2

Br

H

₂



₂

 

2 2 2

2 2

Br Br

Br

Br H

HBr H

Br HBr

Br H

H HBr

H Br

Br 2

Br





















































2.2. Bentuk Integrasi Persamaan Kecepatan Reaksi

Batasan proses/reaksi yang ditinjau :

1. Hanya dipengaruhi oleh reaksi kimia 2. Berlangsung secara isotermal

3. Berlangsung dalam reaktor batch dengan volume konstan





B i A

i

i n i

C C

dt k r dC

C dt k

r dC







 Persamaan Differensial ????

1. Reaksi Searah (Irreversible) : Persamaan kecepatan reaksi :

B A  

^k

(1) C

dt k -dC r

- _A  ^A  ⁿ_A

1.1 Orde nol (n = 0)

Jadi (1) dapat ditulis sebagai berikut :

Integrasi (2) :

(2) k C

dt k -dC r

- _A  ^A  ⁰_A 



^{C - C}



^{k t C C -k t}

-

dt k dC

AO A

AO A

C C

t 0 A t

A

AO o



















 C - C  k t C C - k t

: 0

n 

_{AO A}

  

_A



_AO

C_AO - C_A C_A

t t

C_AO

Slope = k

Slope = - k

t = t_1/2 (waktu paruh) C_A = ½ C_AO

2k t C

k t - C

C 1/2

k t - C

C

AO 1/2

1/2 AO

AO

1/2 AO

A,1/2













 ^t1/2

Slope = 1/(2k)

C_AO

Persamaan kecepatan reaksi

:

1. Reaksi Searah (Irreversible) :

A  

^k

B

(1) C

dt k -dC r

- _A  ^A  ⁿ_A

1.2 Orde satu (n = 1)

Jadi (1) dapat ditulis sebagai berikut :

Integrasi (3) :

(3) C

k C

dt k -dC r

- _A  ^A  ¹_A  _A

C k t ln C k t

- C

ln C

ln

dt C k

dC

A AO AO

A C C

t 0 A t

A A

AO o



















k t -

C ln C

ln C k t

ln C : 1

n

_{A AO}

A

AO

   



ln C_A

t t

ln C_AO

Slope = k

Slope = - k

t = t_1/2 (waktu paruh) C_A = ½ C_AO

k 0,693 k

- 1/2 t ln

k t C -

C ln 1/2

k t C -

ln C

1/2

1/2 AO

AO 1/2

AO A,1/2

















t_1/2

C_AO

C ln C

A AO

k 0,693

1. Reaksi Searah (Irreversible) : Persamaan kecepatan reaksi :

B A  

^k

(1) C

dt k -dC r

- _A  ^A  ⁿ_A

1.3 Orde dua (n = 2)

Jadi (1) dapat ditulis sebagai berikut :

Integrasi (4) :

(4) C

dt k -dC r

- _A  ^A  ²_A

C k t 1 C

k t 1 C

- 1 C

1

dt C k

dC

AO A

AO A

C C

t 0 2 t

A

A A

AO o



















^

C k t 1 C

k t 1 C

- 1 C

1 : 2 n

AO A

AO A













t t

Slope = k

t = t_1/2 (waktu paruh) C_A = ½ C_AO

AO 1/2

1/2 AO

AO

1/2 AO

A,1/2

C k t 1

C k t 1 C

1/2 1 C k t 1 C

1

















 t_1/2

Slope = 1/k

C - 1 C

1

AO

A C

1

A

Slope = k

C 1

AO

C 1

AO

1. Reaksi Searah (Irreversible) : Persamaan kecepatan reaksi :

B A  

^k

(1) C

dt k -dC r

- _A  ^A  ⁿ_A

1.4 Orde tiga (n = 3)

Jadi (1) dapat ditulis sebagai berikut :

Integrasi (4) :

(4) C

dt k -dC r

- _A  ^A  ³_A

C 2k t 1 C

2k t 1 C

- 1 C

1

dt C k

dC

2 AO 2

A 2

AO 2

A C C

t 0 3 t

A

A A

AO o



















^

C 2k t 1 C

2k t 1 C

- 1 C

1 : 3

n

₂

AO 2

A 2

AO 2

A













t t

Slope = 2k

t = t_1/2 (waktu paruh) C_A = ½ C_AO

 

²AO

1/2 2 1/2

AO 2

AO 2 1/2 AO 2

A,1/2

C 2k t 3

C 2k t 1 C

1/2 1 C 2k t

1 C

1

















 t_1/2

Slope = 3/(2k)

C - 1 C

1

2 AO 2

A C

1

2 A

Slope = 2k

C 1

2

AO

C 1

2 AO

1. Reaksi Searah (Irreversible) : Persamaan kecepatan reaksi :

B A  

^k

(1) C

dt k -dC r

- _A  ^A  ⁿ_A

1.4. Orde n (n≠ 1) Integrasi (1) :

 

 

k t 1) (n

C - C

k t - C

- 1 C

n - 1

k t - C

- 1 C

n -

1

dt C k

dC

n - 1

AO n

- 1

A

n - 1

AO n

- 1

A

1 n - AO 1

n - A C

C

t 0 n t

A

A A

AO o









 





 













 



 C - C  (n - 1) k t C C (n - 1) k t

: 1

n 

¹_A ^{-n 1}_AO ^-n

  

¹_A ^-n



¹_AO ^-n



t

ln t_1/2

ln C_AO t = t_1/2 (waktu paruh) C_A = ½ C_AO

 

 

k 1) - (n

1 - ln 2

C ln n) - (1 ln t

k 1) - (n

1 - 2

t C

k t 1) - (n 2 C

C

k t 1) - (n C

C

1) - (n AO

1/2

1) - (n n) (1 1/2

1/2 n

- 1

AO n

1 AO

1/2 n

- 1

AO n

- 1

A,1/2

AO

















 



 















Slope = (n-1) k



¹AO ^-n



n - 1

A - C C

n - 1

CAO n - 1

CA

t

Slope = (n-1) k

n < 1 n > 1

0.00 15.00 30.00 45.00 60.00 75.00 90.00 n=0 10.00

n=1 10.00 n=2 10.00

0.00 15.00 30.00 45.00 60.00 75.00 90.00 n=0 10.00 9.63 9.25 8.88 8.50 8.13 7.75 n=1 10.00 6.87 4.72 3.25 2.23 1.53 1.05 n=2 10.00 2.11 1.18 0.82 0.63 0.51 0.43

0.00 15.00 30.00 45.00 60.00 75.00 90.00 CA 10.00 6.87 4.72 3.25 2.23 1.53 1.05

ko 0.2084740.1758780.1500770.1294780.112886 0.0994 k2 0.00303 0.00372 0.00462 0.00580 0.00736 0.00943

2. Reaksi Searah (Irreversible) :

aA  bB  

^k

pP

Asumsi : orde satu terhadap A dan B

(5) C

C k C

C dt k

-dC r

- _A  ^A  ¹_A ¹_B  _{A B}

b a C

.C 1 . 2

BO AO 

t = to C_A = C_Ao

C_B = C_Bo = b/a C_Ao t = t

C_A = C_A

C_B = b/a C_A

Jadi (5) dapat ditulis sebagai berikut :

(6) C

k' dt

-dC r

-

C

k' a C

C b dt k

-dC r

-

2 A A

A

2 A A

A A A









 



 



 



t C k'

1 C

t 1 C k'

- 1 C

1

dt C k'

dC

AO A

AO A

C C

t 0 2 t

A

A A

AO o





















Integrasi (6) :

Tipe 2.1 ≈ Tipe 1.3, harga k berbeda

2. Reaksi Searah (Irreversible) :

aA  bB  

^k

pP

Asumsi : orde satu terhadap A dan B

(5) C

C k C

C dt k

-dC r

- _A  ^A  ¹_A ¹_B  _{A B}

b a C

.C 2 . 2

BO AO 

) C - a (C

p )

C - a (C

- b C

C t t

) C - a (C

p )

C - a (C

b C

- C

reaksi

-

C

C t

t

pP

bB

aA

A AO

A AO

BO A

A AO

A AO

A AO

BO AO

O

k











t = to C_A = C_Ao

C_B = C_Bo ≠ b/a C_Ao

t = t C_A = C_A

C_B = C_BO - b/a (C_AO – C_A) Jadi (5) dapat ditulis sebagai berikut :

Hasil integrasi persamaan (7) :

 C - C  (7)

a - b C

C dt k

- dC r

-

_A ^A _{A BO AO A}





 



 



k t a

C b - C

- a C

ln C C

ln C

^{BO AO}

BO AO B

A





 



 

Metode penyelesaian integral :

   

 





 

 





 



 



b ax

ln x b

1 b

ax x

dx

b ax

a - 1 b

ax

dx

2

 

   





 

 





 

 



 

 



 



 

b ax

ln x b

1 b

ax b

1 b

ax x

dx

x b ln ax

b a bx

- 1 b

ax x

dx

2 2

2 2

2. Reaksi Searah (Irreversible) :

aA  bB  

^k

pP

Asumsi : orde satu terhadap A dan dua terhadap B (5) C

C k C

C dt k

-dC r

- _A  ^A  ¹_A ²_B  _A ²_B

b a C

.C 3 . 2

BO AO 

t = to C_A = C_Ao

C_B = C_Bo = b/a C_Ao t = t

C_A = C_A

C_B = b/a C_A

Jadi (5) dapat ditulis sebagai berikut :

(6) C

k' dt

-dC r

-

C

k' a C

C b dt k

-dC r

-

3 A A

A

3 A 2

A A A

A









 



 



 



t C 2k'

1 C

t 1 C 2k'

- 1 C

1

dt C k'

dC

2 AO 2

A 2

AO 2

A C C

t 0 3 t

A

A A

AO o





















Integrasi (6) :

Tipe 2.3 ≈ Tipe 1.4, harga k berbeda

2. Reaksi Searah (Irreversible) :

aA  bB  

^k

pP

Asumsi : orde satu terhadap A dan dua terhadap B (5) C

C k C

C dt k

-dC r

- _A  ^A  ¹_A ²_B  _A ²_B b

a C

.C 4 . 2

BO AO 

) C - a (C

p )

C - a (C

- b C

C t t

) C - a (C

p )

C - a (C

b C

- C

reaksi

-

C

C t

t

pP

bB

aA

A AO

A AO

BO A

A AO

A AO

A AO

BO AO

O

k











t = to C_A = C_Ao

C_B = C_Bo ≠ b/a C_Ao

t = t C_A = C_A

C_B = C_BO - b/a (C_AO – C_A) Jadi (5) dapat ditulis sebagai berikut :

Hasil integrasi persamaan (7) :

 C - C  (7)

a - b C

C dt k

- dC r

-

2 A

AO BO

A A

A





 



 

