Kesetimbangan Kimia Prinsip dan Penerapan Dasar untuk Reaksi Fasa Gas Referensi : “Prinsip-prinsip Kimia Modern” Penulis : Oxtoby, Gillis, Nachtrieb Prinsip dan Penerapan Dasar untuk Reaksi Fasa Gas Kesetimbangan Kimia

Tetapan kesetimbangan Ketergantungan kesetimbangan pada kondisi Peranan dalam mengubah hasil reaksi

1. Sifat-sifat kesetimbangan kimia

Pendekatan kesetimbangan Ilustrasi ion kobalt (II) dalam pelarut air yang juga mengandung ion klorida. Ion kobalt (II) dapat membentuk ion kompleks yang berbeda-beda, tergantung pada jumlah ion klorida yang ada CoCl2.6H2O dilarutkan dalam air murni sehingga konsentrasinya 0.08 M akan dihasilkan larutan merah muda pucat yang berasal dari ion kompleks heksaaquakobalt (II) [Co(H2O)6]2+

Jika CoCl2.6H2O dilarutkan ke dalam 10 M HCl sehingga konsentrasinya menjadi 0.08 M larutan akan berwarna biru gelap akibat adanya ion kompleks tetraklorokobalt (II) [CoCl4)2- Kompleks heksaaqua dapat diubah menjadi kompleks tetrakloro atau sebaliknya [Co(H2O)6]2+ + 4 Cl- [CoCl4)2- + 6 H2O

Jika ditambahkan konsentrat HCl ke dalam larutan merah muda [Co(H2O)6]2+ sampai mencapai konsentrasi kobalt (II) mencapai 0.044 M dan konsentrasi HCl menjadi 5.4 M maka hasilnya adalah larutan berwarna lembayung muda, mengandung 98% [Co(H2O)6]2+ dan 2 % [CoCl4)2-

Jika ditambahkan konsentrat HCl ke dalam larutan biru gelap [CoCl4)2- sampai mencapai konsentrasi kobalt (II) mencapai 0.044 M dan konsentrasi HCl menjadi 5.4 M maka hasilnya adalah larutan berwarna lembayung muda, mengandung 98% [Co(H2O)6]2+ dan 2 % [CoCl4)2-

Karakteristik Keadaan Kesetimbangan A + B C + D Kesetimbangan kimia bukanlah keadaan statis, meskipun sifat makroskopik seperti konsentrasi berhenti berubah Laju pembentukan produk (C dan D) dari reaktan (A dan B) sama besar dengan laju pembentukan reaktan dari produk

Ada 4 aspek dasar keadaan kesetimbangan Keadaan kesetimbangan tidak menunjukkan perubahan makroskopik yang nyata Keadaan kesetimbangan dicapai melalui proses yang berlangsung spontan Keadaan kesetimbangan menunjukkan keseimbangan dinamik antara proses maju atau balik Keadaan keseimbangan adalah sama walaupun arah pendekatannya berbeda

Hukum empiris aksi massa aA + bB cC + dD Berapapun konsentrasi awal reaktan yang dipilih pada awal percobaan, nilai nisbah: [C]ceq [D]deq [A]aeq [B]beq yang dihitung pada kesetimbangan hampir selalu sama Nisbah ini disebut tetapan kesetimbangan empiris dengan lambang Kc Dimensi Kc = (konsentrasi )c+d-a-b dan tidak berdimensi bila c+d = a+b Persamaan ini juga terangkum dalam hukum aksi massa

Untuk fasa gas, jumlah reaktan dan produk dihitung dengan tekanan parsial Px Kp = [PC]ceq [PD]deq [PA]aeq [PB]beq Kp mempunyai dimensi (tekanan)c+d-a-b dan tidak berdimensi untuk reaksi-reaksi dimana a + b = c + d

Hukum aksi massa empiris bermakna Nilai KC atau KP merupakan sifat hakiki yang sudah melekat pada reaksi kimia itu sendiri, dan tidak tergantung pada konsentrasi awal spesifik dari reaktan dan produk Magnitudo KC atau KP memberikan informasi langsung tentang sifat dasar keadaan atau posisi kesetimbangan reaksi. Jika tetapan kesetimbangan amat besar, maka pada kesetimbangan, konsentrasi/tekanan parsial produk akan lebih besar daripada konsentrasi/tekanan parsial reaktan

2. Gambaran termodinamika keadaan kesetimbangan

Termodinamika memandang reaksi kimia sebagai “aliran” spontan atom dari reaktan menuju produk yang berlangsung pada T dan P tetap dan mengharuskan ∆G < 0 agar proses dapat terjadi Pada keadaan kesetimbangan, ∆G = 0; artinya, tidak akan ada lagi kecendrungan untuk reaksi berjalan ke depan atau sebaliknya

Reaksi antara gas ideal Ketergantungan Energi Bebas Gibss dari suatu gas pada Tekanan ∆G = ∆(H – TS) = ∆H - T∆S = -T∆S pada T tetap (sehingga ∆H = 0) ∆S = nR ln(V2/V1) = nR ln(P1/P2) = nR ln(P2/P1) sehingga ∆G = nRT ln(P2/P1) bila P1 = Pref = 1 atm sebagai keadaan acuan untuk gas, maka ∆G = nRT ln(P/Pref) = nRT ln P

Persamaan Kesetimbangan untuk Reaksi dalam Fasa Gas 3 NO(g) N2O(g) + NO2(g) Jika semua tekanan parsialnya 1 atm, maka ∆G untuk reaksi ini hanya ∆G0 pada 25oC Jika tekanannya bukan 1 atm, maka ∆G harus dihitung menggunakan 3 langkah pertama, tekanan parsial reaktan (3 mol NO) diubah dari nilai awalnya (PNO) ke tekanan acuan Pref = 1 atm ∆G1 = 3 RT ln (Pref/PNO) = RT ln (Pref/PNO)3

kedua, reaksi berlangsung dengan semua reaktan dan produk berada pada tekanan parsial Pref = 1 atm ∆G2 = ∆G0 ketiga, tekanan parsial produk diubah dari Pref = 1 atm menjadi PN2O dan PNO2 ∆G3 = RT ln (PN2O/Pref) + RT ln (PNO2/Pref) ∆G3 = RT ln [(PN2O/Pref) (PNO2/Pref)]

perubahan energi bebas Gibbs keseluruhan ∆G adalah jumlah untuk ketiga langkah ini ∆G = ∆G1 + ∆G2 +∆G3 ∆G = ∆G0 + RT ln [(PN2O/Pref) (PNO2/Pref)] (PNO/Pref) ketika reaksi mencapai keseimbangan, ∆G = 0, sehingga -∆G0 = RT ln [(PN2O/Pref) (PNO2/Pref)]

Nisbah tekanan parsial dilambangkan oleh K(T) dan dinamakan tetapan kesetimbangan termodinamik untuk reaksi sehingga -∆G0 = RT ln K(T) untuk rumus umum aA +bB cC + dD -∆G0 = RT ln [(PC/Pref) (PD/Pref)] (PA/Pref) (PB/Pref) -∆G0 = RT ln K

Reaksi dalam larutan ideal Perubahan energi Gibbs untuk n mol zat terlarut sebagai larutan ideal yang konsentrasinya berubah dari c1 menjadi c2 ∆G = nRT ln (c2/c1) ∆G= ∆G0 + RT ln [(PC/Pref) (PD/Pref)] (PA/Pref) (PB/Pref) jika ∆G = 0 maka ∆G0 = -RT ln K

3. Perhitungan kesetimbangan untuk reaksi fasa gas

Mengevaluasi tetapan kesetimbangan dari data reaksi Lihat contoh 9.3 CO(g) + Cl2(g) COCl2(g) tekanan parsial awal 0.06 1.10 0 perubahan tekanan parsial ? ? ? tekanan parsial kesetimbangan ? ? ?

Lihat contoh 9.3 tekanan parsial awal 0.06 1.10 0 CO(g) + Cl2(g) COCl2(g) tekanan parsial awal 0.06 1.10 0 perubahan tekanan parsial -0.10 -0.10 +0.10 tekanan parsial kesetimbangan 0.50 1.00 0.10

Hubungan antara persamaan kesetimbangan Lihat halaman 271 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) P2H2O = K1 P2H2 PO2 2 H2O(g) 2 H2(g) + O2(g) ) P2H2PO2 = K2 P2H2O Reaksi K1 merupakan kebalikan K2 sehingga hasil kali keduanya (K1K2) = 0

Hubungan antara persamaan kesetimbangan Lihat halaman 271 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) P2H2O = K1 P2H2 PO2 2 H2O(g) 2 H2(g) + O2(g) ) P2H2PO2 = K2 P2H2O Reaksi K1 merupakan kebalikan K2 sehingga hasil kali keduanya (K1K2) = 0

Lihat halaman 271 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) P2H2O = K1 P2H2 PO2 H2(g) + ½ O2(g) H2O(g) PH2O = K3 PH2 P½ O2 Perbandingan K1 dan K3 adalah K1 = K3½

Lihat halaman 271 2 BrCl(g) Cl2(g) + Br2(g) PBr2 PCl2 = K1 = 0.45 P2BrCl Br2(g) + I2(g) 2 IBr(g) P2IBr = K2 = 0.051 PBr2 PI2 BrCl(g) + I2(g) 2 IBr(g) + Cl2(g) P2IBr PI2 = K3 = 0.023 PBrCl PI2 reaksi 3 = reaksi 1 + reaksi 2 K3 = K1*K2

Perhitungan komposisi kesetimbangan bila K diketahui Lihat contoh 9.5 P0H2 = 1.320 atm x (600/400 K) = 1.980 atm P0I2 = 1.320 atm x (600/400 K) = 1.980 atm H2(g) + I2(g) 2HI2(g) tekanan parsial awal 1.980 1.710 0 perubahan tekanan parsial -x -x +2x tekanan parsial kesetimbangan 1.980-x 1.710-x 2x

2x = 92.6 (1.980 – x) (1.710 – x) 88.6x2 – 341.694x + 313.525 = 0 dihitung dengan rumus kuadrat x = -b√b2-4ac 2(a) x = 1.5044 atm atau 2.3522 atm

yang berarti fisik hanya akar 1 PHI = 2x = 3. 0088 = 3. 01 atm PH2 = 1 yang berarti fisik hanya akar 1 PHI = 2x = 3.0088 = 3.01 atm PH2 = 1.980 – x = 0.4756 = 0.48 atm PI2 = 1.710 – x = 0.2056 = 0.21 atm persentase yang tidak bereaksi = 0.2056 x 100% = 12 % 1.710 yang bereaksi = 88%

Perhitungan kesetimbangan yang melibatkan konsentrasi gas Hubungan tekanan dengan kosentrasi [A] = nA = PA V RT PA = RT [A] Pada persamaan aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g) (RT[C]/Pref)c (RT[D]/Pref)d = K (RT[A]/Pref)a (RT[B]/Pref)b [C]c [D]d = K (RT/Pref)a+b-c-d [A]a [B]b

4. Magnitudo K dan arah perubahan

K >> 1 reaksi bergerak jauh ke arah produk K << 1 reaksi tersebut tetap tinggal di reaktan

Magnitudo Tetapan Kesetimbangan Hubungan tetapan Gibbs dengan tetapan kesetimbangan ln K = -∆G0 = ∆S0 - ∆H0 RT R RT Sehingga K = exp [-∆G0RT] = exp [-∆S0/R] exp [-∆H0 /RT]

Nilai K akan besar jika ∆S0 positif dan besar, serta jika nilai ∆H0 negarif dan besar. Meningkatnya keacakan dan ketidakteraturan (∆S0 > 0) dan menurunnya entalpi (∆H0 < 0) akan menyebabkan nilai K besar. Jika ∆H0 dan ∆S0 mempunyai nilai yang sama, nilai K merupakan kompromi antara satu pengaruh yang menaikkan K dan pengaruh lainnya yang menurunkannya. Dengan demikian, faktor yang sama yang menyebabkan reaksi spontan dengan membuat ∆G0 negatif juga menyebabkan nilai K besar jika dapat membuat nilai ∆G0 besar dan bertanda negatif

Arah Perubahan dan Kuosien reaksi K = [(PC/Pref) (PD/Pref)] (PA/Pref) (PB/Pref) Jika tekanan diukur pada keadaan kesetimbangan. Jika diukur jauh dari keadaan kesetimbangan, disebut dengan kuosien reaksi, dilambangkan dengan Q Q = [(PC/Pref) (PD/Pref)] (PA/Pref) (PB/Pref) kondisi ketidakseimbangan

Hubungannya dengan tetapan Gibbs dan tetapan kesetimbangan ∆G = ∆G0 + RT ln Q ∆G = -RT ln K + RT ln Q ∆G = RT ln (Q/K) Jika Q < K, sehingga ∆G < 0 sehingga reaksi akan berlangsung spontan kiri ke kanan. Jika Q > K, maka ∆G > 0 dan reaksi kanan ke kiri

Pengaruh luar pada K: prinsip le chÂtelier Prinsip Henri Le Châtelier Sebuah sistem dalam kesetimbangan yang mengalami suatu tegangan akan bereaksi sedemikian rupa sehingga cenderung melawan pengaruh tersebut Pengaruh perubahan konsentrasi reaktan dan produk Pengaruh perubahan volume Pengaruh perubahan suhu

Pengaruh perubahan konsentrasi reaktan dan produk (lihat gambar 9.6) Penambahan reaktan menurunkan kuosien reaksi dan netto berlangsung ke arah maju, dengan mengubah sebagian reaktan menjadi produk, sampai Q menjadi sama kembali dengan K. Sistem secara parsial melawan pengaruh luar (kenaikan jumlah salah satu reaktan) dan mencapai keadaan kesetimbangan baru. Jika produk ditambahkan ke dalam campuran dalam keadaan kesetimbangan, Q untuk sementara akan lebih besar dari K dan reaksi balik netto berlangsung, sebagian melawan pengaruh tegangan dengan mengurangi konsentrasi produk

Reaksi pembentuk HI H2(g) + I2(g) 2 HI(g) Ketika HI dibuat dari unsur-unsurnya, iodin adalah reaktan yang jauh lebih mahal dari pada hidrogen. Oleh karena itu ditambahkan hidrogen ke campuran untuk menjamin agar reaksi iodin berlangsung sempurna. Jika produk diambil pada keadaan seimbang, reaksi juga akan bergerak maju untuk mengkompensasi secara parsial dengan menaikkan tekanan parsial produk.

Pengaruh Pengubahan Volume 2 P2(g) P4(g) Penurunan volume sistem gas akan menaikkan tekanan total, dan sistem menanggapi, sedemikian rupa dengan menurunkan tekanan total. Kenaikan volume cenderung menghasilkan reaktan. Jika tidak ada perubahan dalam jumlah total molekul-molekul fasa gas di dua ruas persamaan, maka perubahan volume tidak berpengaruh pada kesetimbangan

Pengaruh Perubahan Suhu Menaikkan suhu campuran kesetimbangan dengan menambahkan panas menyebabkan reaksi berlangsung sedemikian rupa sehingga menyerap panas yang ditambahkan. Kesetimbangan dalam reaksi endotermik bergeser dari kiri ke kanan, sedangkan reaksi endotermik bergeser dari kanan ke kiri dengan produk yang bereaksi untuk menghasilkan reaktan. tetapan kesetimbangan untuk reaksi endotermik naik dengan naiknya suhu, sedangkan untuk reaksi eksotermik turun dengan naiknya suhu

Memaksimalkan Hasil Reaksi

5. Ketergantungan tetapan kesetimbangan terhadap suhu: penjelasan Termodinamika

Ketergantungan tetapan kesetimbangan terhadap suhu ditentukan oleh persamaan -RT ln K = ∆G0 = ∆H0 - T ∆S0 Jika ∆H0 dan ∆S0 tidak tergantung, maka semua ketergantungan suhu dari K terletak pada faktor T. ln K = - ∆G0 = - ∆H0 + ∆S0 RT RT R

Persamaan van’t Hoff ln [ K2 ] = - ∆H0 [ 1 – 1 ] K1 R T2 T1 Pengaruh perubahan suhu terhadap tetapan kesetimbangan tergantung pada tanda ∆H0. Jika ∆H0 negatif (reaksi eksotermik, melepaskan energi berupa panas), maka menaikkan suhu akan menurunkan K. Jika ∆H0 positif (reaksi endotermik, dengan mengambil energi berupa panas), maka menaikkan suhu akan menaikkan K

Terima kasih Tugas Kesetimbangan Kimia Hal 286 – 289 Nomor 7, 9, 11, 15, 17, 19, 25, 27, 33, 35, 37, 39, 41, 43 Tugas Proses Spontan Hal 254 – 256 Nomor 1, 2, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 31, 33, 35, 37

Sekali lagi terima kasih Tugas Proses Termodinamika dan Termokimia Hal 218 – 221 Latihan kumulatif metanol sebagai pengganti bahan bakar 3, 5, 11, 12, 23, 24, 25 Tugas Larutan Hal 182-183 Nomor 33, 35, 37, 41, 43, 47

Ones more Tugas Wujud Gas Hal 122 – 124 Nomor 13, 15, 19, 20, 21, 25, 27, 29, 31, 37, 39 Tugas Ikatan Kimia Hal 84 – 85 Konsep dan keterampilan Nomor 1, 2, 4, 5, 9, 10, 11

Terakhir mi ini terima kasih Slide PPT dan Hasil Diskusi (Pertanyaan dan Jawabannya secara lengkap + pustaka)