I. 1
Defenisi Kesetimbangan Kimia
Keadaan Kesetimbangan kimia adalah suatu
keadaaan dimana konsentrasi seluruh zat tidak lagi mengalami perubahan, sebab
zat-zat diruas kanan terbentuk dan terurai kembali dengan kecepatan yang sama.
Keadaan kesetimbangan ini bersifat dinamis, artinya reaksi terus berlangsung
dalam dua arah dengan kecepatan yang sama. Pada keadaan kesetimbangan tidak
mengalami perubahan secara mikrokopis (perubahan yang dapat diamati atau
diukur). Kesetimbangan kimia dibedakan atas kesetimbangan homogen dan
kesetimbangan heterogen. Pada kesetimbangan homogen semua zat yang ada dalam
sistem kesetimbangan memiliki fase yang sama ada dalam bentuk gas, larutan.
Sedangkan kesetimbangan heterogen semua zat-zat yang ada dalam sistem
kesetimbangan memiliki fase yang berbeda dalam bentuk padat-gas, padat-larutan.
II. 2 Faktor
Faktor Yang Mempengaruhi Kesetimbangan Kimia
- Pengaruh konsentrasi
Jika
konsentrasinya diperbesar pada salah satu zat maka reaksi bergeser dari arah zat
tersebut, sedangkan bila konsentrasinya diperkecil maka reaksi akan bergeser ke
arah zat tersebut.
- Pengaruh tekanan
Perubahan tekanan hanya berpengaruh pada sistem gas, berdasarkan hukum
boyle bila tekanan gas diperbesar maka volumenya diperkecil, sedangkan
bila tekanan gas diperkecil maka volume gas diperbesar, berdasarkan
persamaan gas ideal PV = nRT bahwa tekanan berbanding lurus dengan jumlah
mol gas. jika mol gas bertambah maka tekanan akan membesar, sebaliknya
bila jumlah mol gas berkurang maka tekanan akan menjadi kecil. Dengan
demikian jika tekanan diperbesar maka reaksi
akan bergeser ke arah jumlah mol gas yang lebih kecil dan juga sebaliknya.
- Pengaruh Suhu
Jika suhu dinaikkan maka reaksi akan bergeser ke arah reaksi endoterm,
sedangkan jika suhu diturunkan maka reaksi akan bergeser ke arah eksoterm.
Contoh : N2(g) + 3H2(g)<--> 2NH3(g) H= - 92 kJ, bila suhu diubah
dari 500° menjadi 1200° maka kesetimbangan ke arah endoterm atau ke kiri.
- Katalis
katalis hanya berfungsi untuk mempercepat tercapainya kesetimbangan kimia.
II. 3 Jenis-
Jenis Kesetimbangan Kimia
1. Kesetimbangan Homogen
Semua spesi kimia berada dalam
fasa yang sama. Salah satu contoh kesetimbangan
homogen fasa gas adalah sistem kesetimbangan
N2O4/NO2. Reaksi yang terjadi adalah
sebagai berikut :
N2O4(g) <——> 2 NO2(g)
Kc = [NO2]2 / [N2O4]
Konsentrasi reaktan dan produk
dalam reaksi gas dapat dinyatakan dalam bentuk tekanan parsial masing-masing gas (ingat persamaan gas ideal,
PV=nRT). Dengan demikian, satuan konsentrasi yang diganti dengan tekanan
parsial gas akan mengubah persamaan Kc
menjadi Kp
sebagai berikut :
Kp = (PNO2)2 / (PN2O4)
PNO2 dan PN2O4
adalah tekanan parsial masing-masing gas pada saat kesetimbangan tercapai. Nilai Kp menunjukkan konstanta
kesetimbangan yang dinyatakan
dalam satuan tekanan (atm). Kp
hanya dimiliki oleh sistem kesetimbangan
yang melibatkan fasa gas saja.
Secara umum, nilai Kc tidak sama dengan nilai Kp, sebab besarnya
konsentrasi reaktan dan produk tidak sama dengan tekanan parsial masing-masing
gas saat kesetimbangan. Dengan
demikian, terdapat hubungan sederhana antara Kc dan Kp
yang dapat dinyatakan dalam persamaan matematis berikut :
Kp = Kc (RT)∆n
Kp = konstanta kesetimbangan tekanan parsial gas
Kc = konstanta kesetimbangan konsentrasi gas
R = konstanta universal gas ideal (0,0821 L.atm/mol.K)
T = temperatur reaksi (K)
∆n = Σ koefisien gas produk - Σ koefisien gas reaktan
Selain kesetimbangan homogen fasa gas, terdapat pula sejumlah kesetimbangan homogen fasa larutan.
Salah satu contoh kesetimbangan homogen
fasa larutan adalah kesetimbangan ionisasi asam asetat (asam cuka) dalam
air. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
CH3COOH(aq) <——> CH3COO-(aq)
+ H+(aq)
Kc = [CH3COO-] [H+]
/ [CH3COOH]
2. Kesetimbangan Heterogen
Kesetimbangan
ini melibatkan reaktan dan produk dalam fasa
yang berbeda. Sebagai contoh, saat padatan kalsium karbonat dipanaskan dalam
wadah tertutup, akan terjadi reaksi berikut :
CaCO3(s)
<——> CaO(s) + CO2(g)
Dalam reaksi penguraian
padatan kalsium karbonat, terdapat tiga fasa yang berbeda, yaitu padatan
kalsium karbonat, padatan kalsium oksida, dan gas karbon dioksida. Dalam kesetimbangan kimia, konsentrasi
padatan dan cairan relatif konstan, sehingga tidak disertakan dalam persamaan konstanta kesetimbangan kimia.
Dengan demikian, persamaan konstanta
kesetimbangan reaksi penguraian padatan kalsium karbonat menjadi sebagai berikut :
Kc = [CO2]
Kp = PCO2
Baik nilai Kc maupun Kp tidak dipengaruhi oleh
jumlah CaCO3 dan CaO (jumlah padatan).
Beberapa aturan yang berlaku
dalam penentuan nilai konstanta
kesetimbangan kimia saat reaksi kesetimbangan dimanipulasi (diubah)
antara lain :
1. Jika reaksi dapat dinyatakan
dalam bentuk penjumlahan dua atau lebih
reaksi, nilai konstanta
kesetimbangan reaksi keseluruhan adalah hasil perkalian konstanta kesetimbangan masing-masing reaksi.
A + B <——> C +
D
Kc’
C + D <——> E +
F
Kc’’
A + B <——> E +
F
Kc = Kc’ x Kc’’
2. Jika reaksi ditulis dalam bentuk kebalikan
dari reaksi semula, nilai konstanta
kesetimbangan menjadi kebalikan dari
nilai konstanta kesetimbangan semula.
A + B <——> C +
D Kc’
= [C] [D] / [A] [B]
C + D <——> A + B
Kc = [A] [B] / [C]
[D] = 1 / Kc’
3. Jika suatu reaksi kesetimbangan
dikalikan dengan faktor n, nilai konstanta
kesetimbangan menjadi nilai
konstanta kesetimbangan semula dipangkatkan dengan faktor n.
A + B <——> C +
D
Kc’ = [C] [D] / [A] [B]
2 A + 2 B
D 2 C + 2
D Kc
= [C]2 [D]2 / [A]2 [B]2
= { [C] [D] / [A] [B] }2 = (Kc’)2
Salah satu kegunaan konstanta kesetimbangan kimia adalah memprediksi
arah reaksi. Untuk mempelajari kecenderungan arah reaksi, digunakan besaran
Qc, yaitu hasil
perkalian konsentrasi awal produk
dibagi hasil perkalian konsentrasi awal
reaktan yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya.
Jika nilai Qc dibandingkan
dengan nilai Kc,
terdapat tiga kemungkinan hubungan yang terjadi, antara lain :
1. Qc
< Kc
Sistem reaksi reversibel kelebihan reaktan dan kekurangan produk. Untuk
mencapai kesetimbangan, sejumlah
reaktan diubah menjadi produk. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah produk (ke
kanan).
2. Qc
= Kc
Sistem berada dalam keadaan kesetimbangan. Laju reaksi, baik ke
arah reaktan maupun produk, sama.
3. Qc
> Kc
Sistem reaksi reversibel kelebihan produk dan kekurangan reaktan. Untuk
mencapai kesetimbangan, sejumlah
produk diubah menjadi reaktan. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah reaktan (ke kiri).
Kesetimbangan
kimia dapat diganggu oleh beberapa
faktor eksternal. Sebagai contoh, pada pembahasan proses Haber sebelumnya, telah diketahui bahwa nilai Kc pada proses Haber adalah 3,5.108
pada suhu kamar. Nilai yang besar ini menunjukkan bahwa pada kesetimbangan, terdapat banyak gas
amonia yang dihasilkan dari gas nitrogen dan gas hidrogen. Akan tetapi, masih
ada gas nitrogen dan gas hidrogen yang tersisa pada kesetimbangan. Dengan menerapkan prinsip ekonomi dalam dunia
industri, diharapkan sebanyak mungkin reaktan diubah menjadi produk dan reaksi
tersebut berlangsung sempurna. Untuk mendapatkan produk dalam jumlah yang lebih
banyak, kesetimbangan dapat
dimanipulasi dengan menggunakan prinsip
Le Chatelier.
Seorang kimiawan berkebangsaan
Perancis, Henri Le Chatelier,
menemukan bahwa jika reaksi kimia yang setimbang menerima perubahaan keadaan
(menerima aksi dari luar),
reaksi tersebut akan menuju pada kesetimbangan baru dengan suatu pergeseran tertentu untuk mengatasi
perubahan yang diterima (melakukan reaksi
sebagai respon terhadap perubahan yang diterima). Hal ini disebut Prinsip Le Chatelier.
Ada tiga faktor yang dapat
mengubah kesetimbangan kimia,
antara lain :
1.
Konsentrasi reaktan atau produk
2.
Suhu
3.
Tekanan atau volume pada sistem yang mengandung
fasa gas
Untuk memproduksi gas amonia
sebanyak mungkin, dapat dilakukan manipulasi kesetimbangan kimia dari segi konsentrasi reaktan maupun produk,
tekanan ruangan, volume ruangan, dan suhu reaksi. Berikut ini adalah pembahasan
mengenai masing-masing faktor.
1. Mengubah konsentrasi
Jika ke dalam sistem kesetimbangan ditambahkan gas nitrogen
maupun gas hidrogen berlebih (reaktan
berlebih), nilai Qc menjadi
lebih kecil dibandingkan Kc.
Untuk mengembalikan ke kondisi setimbang,
reaksi akan bergeser ke arah produk (ke
kanan). Akibatnya, jumlah produk yang terbentuk meningkat. Hal yang sama
juga akan terjadi jika gas amonia yang terbentuk langsung diambil. Reaksi akan
bergeser ke arah kanan untuk mencapai kembali kesetimbangan.
Dapat disimpulkan bahwa jika
dalam sistem kesetimbangan ditambahkan
lebih banyak reaktan atau
produk, reaksi akan bergeser ke sisi
lain untuk menghabiskannya. Sebaliknya, jika sebagian reaktan
atau produk diambil, reaksi akan
bergeser ke sisinya untuk
menggantikannya.
2.Mengubah suhu
Reaksi pada proses Haber adalah reaksi eksotermis. Reaksi tersebut dapat
dinyatakan dalam persamaan reaksi berikut :
N2(g) + 3 H2(g)
<——> 2 NH3(g) + Kalor
Jika campuran reaksi tersebut
dipanaskan, akan terjadi peningkatan jumlah kalor dalam sistem kesetimbangan. Untuk mengembalikan
reaksi ke kondisi setimbang,
reaksi akan bergeser dari arah kanan ke
kiri. Akibatnya, jumlah reaktan akan meningkat disertai penurunan jumlah
produk. Tentu saja hal ini bukanlah sesuatu yang diharapkan. Agar jumlah amonia
yang terbentuk meningkat, campuran reaksi harus didinginkan. Dengan demikian,
jumlah kalor di sisi kanan akan berkurang sehingga reaksi akan bergeser ke arah
kanan.
Secara umum, memanaskan suatu reaksi menyebabkan
reaksi tersebut bergeser ke sisi endotermis.
Sebaliknya, mendinginkan campuran
reaksi menyebabkan kesetimbangan bergeser
ke sisi eksotermis.
3. Mengubah tekanan dan volume
Mengubah tekanan hanya
mempengaruhi kesetimbangan bila
terdapat reaktan dan/atau produk yang berwujud gas. Pada proses Haber, semua spesi adalah gas,
sehingga tekanan dapat mempengaruhi kesetimbangan.
Reaksi pada proses Haber terjadi dalam ruangan
tertutup. Tekanan pada ruangan terjadi akibat tumbukan gas hidrogen, gas
nitrogen, serta gas amonia terhadap dinding ruangan tersebut. Saat sistem
mencapai keadaan setimbang,
terdapat sejumlah gas nitrogen, gas hidrogen, dan gas amonia dalam ruangan.
Tekanan ruang dapat dinaikkan dengan membuat tempat reaksinya menjadi lebih
kecil (dengan memampatkannya, misal dengan piston) atau dengan memasukkan suatu
gas yang tidak reaktif, seperti gas neon. Akibatnya, lebih banyak tumbukan akan
terjadi pada dinding ruangan bagian dalam, sehingga kesetimbangan terganggu. Untuk mengatasi pengaruh tersebut dan
memantapkan kembali kesetimbangan,
tekanan harus dikurangi.
Setiap kali terjadi reaksi
maju (dari kiri ke kanan), empat molekul gas (satu molekul gas nitrogen dan
tiga molekul gas hidrogen) akan membentuk dua molekul gas amonia. Reaksi ini
mengurangi jumlah molekul gas dalam ruangan. Sebaliknya, reaksi balik (dari
kanan ke kiri), digunakan dua molekul gas amonia untuk mendapatkan empat
molekul gas (satu molekul gas nitrogen dan tiga molekul gas hidrogen). Reaksi
ini menaikkan jumlah molekul gas dalam ruangan.
Kesetimbangan
telah diganggu dengan peningkatan tekanan.
Dengan mengurangi tekanan, gangguan tersebut dapat dihilangkan. Mengurangi
jumlah molekul gas di dalam ruangan akan mengurangi tekanan (sebab jumlah
tumbukan akan berkurang). Oleh sebab itu, reaksi maju (dari kiri ke kanan)
lebih disukai, sebab empat molekul gas akan digunakan dan hanya dua molekul gas
yang akan terbentuk. Sebagai akibat dari reaksi maju ini, akan dihasilkan gas
amonia yang lebih banyak.
Secara umum, meningkatkan tekanan (mengurangi volume ruangan) pada
campuran yang setimbang menyebabkan reaksinya bergeser ke sisi yang mengandung jumlah molekul gas yang paling sedikit.
Sebaliknya, menurunkan tekanan (memperbesar volume ruangan) pada
campuran yang setimbang menyebabkan reaksinya bergeser ke sisi yang mengandung jumlah molekul gas yang paling banyak.
Sementara untuk reaksi yang tidak mengalami perubahan jumlah molekul gas (mol reaktan = mol produk), faktor tekanan dan volume tidak mempengaruhi
kesetimbangan kimia.
Katalis meningkatkan laju
reaksi dengan mengubah mekanisme reaksi agar melewati mekanisme dengan energi
aktivasi terendah. Katalis tidak dapat menggeser kesetimbangan kimia. Penambahan
katalis hanya mempercepat tercapainya keadaan setimbang.
Dari beberapa faktor di atas,
hanya perubahan temperatur (suhu) reaksi yang dapat mengubah nilai konstanta kesetimbangan (Kc
maupun Kp).
Perubahan konsentrasi, tekanan, dan volume hanya mengubah konsentrasi spesi
kimia saat kesetimbangan, tidak
mengubah nilai K. Katalis hanya
mempercepat tercapainya keadaan kesetimbangan,
tidak dapat menggeser kesetimbangan
kimia.