KESETIMBANGAN KIMIA Dra. M. Setyorini, M.Si

Konsep Kesetimbangan Berdasarkan arah reaksi, jenis reaksi kimia dibedakan menjadi : Reaksi irreversibel ( tidak dapat balik) : hanya berlangsung satu arah, contoh : reaksi pembakaran. Reaksi reversibel (dapat balik) : berlangsung dalam dua arah. Pereaksi semula dapat terbentuk kembali dari zat-zat hasil reaksi. contoh : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H2(g) + I2(g) 2HI(g)

t V V1 V2 t Grafik perubahan laju reaksi terhadap waktu :   V   V1 V2 t Grafik perubahan laju reaksi terhadap waktu : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) konsentrasi 3 H2 1 NH3 N2 t Grafik perubahan konsentrasi pereaksi dengan hasil reaksi menuju kesetimbangan. Konsentrasi pereaksi : berkurang Konsentrasi hasil reaksi : bertambah Pada saat setimbang : konsentrasi masing-masing zat tetap

Kesetimbangan tercapai bila V1 = V2 Bila laju reaksi maju dan reaksi balik sama besar dan konsentrasi reaktan dan produk tidak lagi berubah seiring berjalannya waktu maka tercapailah : kesetimbangan kimia (keadaan setimbang : chemical equilibrium) Ciri keadaan setimbang Berlangsung dalam sistem tertutup Dinamis Tidak terjadi perubahan makroskopis

Jenis kesetimbangan kimia, berdasarkan fasa : Kesetimbangan homogen : zat-zat yang terlibat dalam kesetimbangan terdapat dalam 1 wujud (fasa). Contoh : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H2O(l) H+(aq) + OH-(aq) CH3COOH(aq) CH3COO-(aq)+ H+(aq) Kesetimbangan heterogen : zat-zat yang terlibat terdapat dalam 2 atau 3 wujud yang berbeda, atau terdapat bidang batas antara zat-zat. Contoh : CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Pb2+(aq) + 2Cl-(aq) PbCl2(s)

Konstanta Kesetimbangan Pada sistem : H2(g) + I2(g) 2HI(g), ada 3 pendekatan untuk mencapai sistem kesetimbangan (T=445oC, V=0,8L)

Perc Jumlah mol x 10-3 (awal) Jumlah mol x 10-3 (setimbang) Konsentrasi saat setimbang, M x 10-3 H2 I2 HI [H2] [I2] [HI] 1 1,50 - 0,330 2,34 0,4125 2,925 2 0,165 1,17 0,206 1,463 3 0,495 3,51 0,619 4,388

Mencari harga perbandingan tetap dari konsentrasi-konsentrasi dalam kesetimbangan: Perc 1 2 3

Persamaan yang memberikan hasil yang tetap : Kc = Konstanta kesetimbangan Perhatikan : pangkat 2 untuk HI, sama dengan koefisien stoikiometri, sehingga: aA + bB cC + dD (pada suhu tetap) (1864) Cato Maximillian Gulberg dan Peter Wage

Harga K diasumsikan lewat mekanisme satu tahap elementer : A + 2B AB2 Laju reaksi maju : Laju f = kf [A][B]2 Laju reaksi balik : kr [AB2] Pada saat kesetimbangan :

Karena Kf dan Kr : konstanta pada suhu tertentu, perbandingannya juga adalah suatu konstanta = Kc K>>>1 : kesetimbangan jauh ke arah kanan/produk K<<<1 : kesetimbangan ke arah kiri/reaktan

Beberapa Cara Untuk Menyatakan Konstanta Kesetimbangan Konstanta reaktan dan produk dapat dinyatakan dalam satuan yang berbeda. Spesi yang bereaksi tidak selalu berada dalam fase sama ada lebih satu cara menyatakan “K”.

Kesetimbangan Homogen Contoh : N2O4(g) 2NO2(g) 1. Kc : menyatakan bahwa konsentrasi spesi yang bereaksi dalam mol/L 2. Keterangan : PNO2 dan PN2O4 : tekanan parsial kesetimbangan (atm) Kp : menyatakan bahwa konsentrasi kesetimbangan dinyatakan dalam tekanan

Hubungan antara Kc dan Kp aA(g) bB(g) Persamaan Gas Ideal Catatan : ∆n = b – a = mol produk gas – mol reaktan gas R = 0,0821 L atm mol-1 K-1

Umumnya Kp ≠ Kc, kecuali ∆n = 0 Pada reaksi : CH3COOH(aq) + H2O(l) CH3COO-(aq) + H3O+(aq) Catatan : K tidak mempunyai satuan 

Kesetimbangan Heterogen Contoh : CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Catatan : konsentrasi padatan merupakan sifat intensif : tidak bergantung pada banyaknya zat yang ada sehingga [CaCO3] dan [CaO] adalah konstanta

Hubungan yang melibatkan K Hubungan Kc dengan persamaan kimia setara 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Kc = 2,82 x 102, pada 1000K 2SO3(g) 2SO2(g) + O2(g) Kc =.........................? SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g)

Penggabungan K N2(g) + O2(g) 2NO(g) Kc= 4,1 x 10-31............. (1) N2O(g) + ½ O2(g) 2NO(g) Kc=............................? (3)

Pers. (3) dicari dengan : Kc(1) (1) N2(g) + O2(g) 2NO(g) Kc(1)= 4,1 x 10-31 (2) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g) Bersih :N2O(g) + ½ O2(g) 2NO(g) Kc(3) = ...............?   Kc(1)

Menentukan nilai Tetapan Kesetimbangan “K” ditentukan melalui percobaan, misalnya : membekukan kesetimbangan, menurunkan suhu reaksi secara tiba-tiba sehingga reaksi berhenti. Untuk gas , K ditentukan dengan mengukur tekanan campuran.

Contoh 1: CH4 dapat diperoleh dari gas CO dengan gas H2 menurut persamaan : CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) Ke dalam suatu ruangan 10 L, mula-mula dimasukkan 1 mol gas CO, 3 mol gas H2 dan katalis, kemudian dipanaskan hingga 1200 K. Setelah tercapai keadaan\ setimbang sistem dibekukan dan ternyata terdapat 0,387 mol H2O a. Tentukan susunan kesetimbangan pada suhu 1200 K ! b. Harga K pada suhu tersebut !

Jawab: Keadaan awal Keadaan setimbang Misalkan CO yang bereaksi : x mol CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) Keadaan awal : 1 mol 3 mol 0 0 Perubahan :-x mol -x mol +x mol +x mol Keadaan stmbg:(1-x) mol (3-x) mol x mol x mol H2O : 0,387 mol CH4 : ...............? CO :.................? H2 :................. ? CO : 1 mol H2 : 3 mol

Susunan kesetimbangan : CO = 1- 0,3897 mol =. mol H2 = 3 – (3 Susunan kesetimbangan : CO = 1- 0,3897 mol =.................mol H2 = 3 – (3 . 0,387) mol =............mol CH4 = .......................mol H2O =.......................mol K =.......................... Contoh 2: Sebanyak 10 mol gas N2 dicampurkan dengan 40 mol gas H2 dalam suatu ruangan 10 L, kemudian dipanaskan pada suhu 427o C sehingga sebagian bereaksi membentuk NH3 menurut kesetimbangan : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ∆H = -92 kJ Apabila tekanan total campuran pada keadaan kesetimbangan adalah 230 atm, tentukan Kp dan Kc pada suhu 426o C !

Jawab : Dengan persamaan gas ideal, jumlah mol gas dalam campuran dapat dihitung : Misal jumlah mol N2 yang bereaksi adalah x mol, susunan kesetimbangan : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Keadaan awal :10 mol 40 mol 0 Perubahan :-x mol -3x mol +2x mol Keadaan stmbg:(10-x)mol (40-3x)mol 2x mol

Jumlah mol gas pada saat setimbang = 40 mol ( 10-x ) + ( 40-3x ) + 2x = 40 mol x = 5 Susunan kesetimbangan : N2 = (10-5) mol = 5 mol; H2 = (40-15) mol = 25 mol; NH3 = (2 . 5) mol = 10 mol Perbandingan tekanan parsial gas sama dengan perbandingan mol Perbandingan gas N2 : H2 : NH3 = 5 : 25 : 10 = 1 : 5 : 2 Jadi : PH2 =..................... ? PNH3 =..................... ? Kp =..................... ? Kc =......................?

Makna K a. Memberi informasi tentang posisi kesetimbangan Contoh : 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) Kc = 3 x 1081 pada 25oC Reaksi ini dapat dianggap : tuntas ke kanan ½ N2(g) + ½ O2(g) 2NO(g) Kc = 1 x 10-15 pada 25oC Reaksi ini hanya membentuk sedikit sekali gas NO Kc atau Kp >>> : reaksi ke kanan hampir sempurna Kc atau Kp <<< : reaksi ke kanan berlangsung sedikit

b. Mempredikasi arah reaksi Contoh : Kc untuk reaksi : H2(g) + I2(g) 2HI(g) adalah 54,3 pada 430oC. Dalam suatu percobaan dimasukkan 0,234 mol H2, 0,146 mol I2, dan 1,98 mol HI dalam wadah 1 L pada suhu 430oC. Apakah campuran tersebut setimbang ? Bila tidak, ke arah mana reaksi bersihnya membentuk lebih banyak H2 dan I2 atau membentuk lebih banyak HI ?

Jawab : Karena hasil bagi > Kc : sistem ini tidak berada dalam kesetimbangan. Untuk menurunkan hasil bagi, agar mancapai harga Kc pada suhu 430oC, maka sebagian HI akan membentuk H2 dan I2 ( dari produk reaktan ) Kuantitas yang diperoleh dengan cara mensubstitusikan konsentrasi awal ke persamaan konstanta kesetimbangan disebut : hasil bagi reaksi (reaction quotient), Qc Untuk memprediksi arah reaksi, arah dilakukan dengan membandingkan nilai Kc dan Qc.

Ada kemungkinan 3 kasus : Kc Qc Qc Kc   Reaktan produk reaktan produk Qc Kc sistem setimbang

Qc < Kc : Perbandingan konsentrasi awal Qc < Kc : Perbandingan konsentrasi awal produk terhadap reaktan terlalu kecil. Untuk mencapai kesetimbangan reaktan harus diubah menjadi produk. Sistem bergeser dari kiri ke kanan untuk mencapai kesetimbangan. Qc = Kc : Sistem berada pada kesetimbangan. Qc > Kc : Perbandingan konsentrasi awal produk terhadap reaktan terlalu besar. Untuk mencapai kesetimbangan produk harus diubah menjadi reaktan. Sistem bergeser dari kanan ke kiri untuk mencapai kesetimbangan.

Faktor-faktor yang mempengaruhi Kesetimbangan Perubahan kondisi percobaan dapat mengganggu kesetaraan dan menggeser posisi kesetimbangan Variabel percobaan yang dapat diatur : a. Konsentrasi b. Tekanan dan volume c. Suhu d. Katalis Asas Le Chatelier : “ Bila terhadap suatu kesetimbangan dilakukan suatu tindakan (aksi) maka sistem itu akan mengadakan reaksi yang cenderung mengurangi pengaruh aksi tersebut”.

Perubahan konsentrasi Jika konsentrasi salah satu komponen diperbesar, maka reaksi sistem adalah mengurangi komponen tersebut. Sebaliknya jika konsentrasi salah satu komponen diperkecil maka reaksi sistem adalah menambah komponen itu. Contoh : Pada sistem kesetimbangan : FeSCN2+(aq Fe3+(aq) + SCN-(aq) Merah kuning-pucat tak berwarna Ke arah mana kesetimbangan bergeser dan bagaimana perubahan warna campuran jika : a. Ditambahkan sedikit NaSCN dalam larutan b. Ditambahkkan [Fe(NO3)3] ke dalam larutan c. Ditambahkan sedikit kristal H2C2O4 Jawab : ............................

Pengaruh tekanan dan volume Jika dalam suatu sitem kesetimbangan sistem diperbesar atau volume diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang jumlah koefisiennya kecil dan sebaliknya. Contoh : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Ke arah manakah pergeseran kesetimbangan jika pada suhu tetap volume diperbesar (tekanan diperkecil) ? Jawab : .........................

Pengaruh suhu Jika pada suatu sistem kesetimbangan dinaikkan maka sistem kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (endoterm) dan sebaliknya. Contoh : N2O4(g) 2NO2(g)∆Ho = 58,0 kJ Ke arah manakah reaksi bergeser jika suhu dinaikkan ? Jawab : .................. Pengaruh katalis a. Katalis tidak mengubah K b. Mempercepat tercapainya keadaan setimbang

Kesetimbangan Dissosiasi Dissosiasi adalah peristiwa penguraian suatu zat menjadi beberapa zat lain yang lebih sederhana dan peristiwa penguraiannya merupakan reaksi kesetimbangan. Contoh kesetimbangan dissosiasi gas : 2H2O(g) 2H2(g) + O2(g) 2NH3(g) N2(g) + 3H2(g) N2O4(g) 2NO2(g)

Derajad dissosiasi (α) : perbandingan mol zat yang berdissosiasi dengan mol zat mula-mula sebelum dissosiasi. Harga α berkisar dari 0 s/d 1 α = 0 : zat belum terdissosiasi α = 1 : zat berdissosiasi sempurna Kesetimbangan dissosiasi terjadi jika 0 < α < 1

Contoh 1 Dalam ruangan V liter dipanaskan a mol gas NH3 sampai suhu tertentu hingga berdissosiasi dengan derajad dissosiasi sebesar α. Bagaimana susunan gas-gas pada saat kesetimbangan ? Jawab : Reaksi dissosiasinya : 2NH3(g) N2(g) + 3H2(g) Mula-mula : a mol 0 0

Jika mula-mula terdapat a mol gas NH3 dan derajad ionisasi α. Reaksi :2NH3(g) N2(g) + 3H2(g) Mula-mula :a mol 0 0 Perubahan :-aα mol ½ aα mol 3/2 aα mol Setimbang :a- aα mol ½ aα mol 3/2 aα mol =a(1- α) mol Jadi susunan gas-gas pada saat setimbang : NH3 : a(1- α) mol N2 : ½ aα mol H2 : 3/2 aα mol

Contoh 2 Dalam ruang 5 L dipanaskan 0,8 mol gas SO3 sampai suhu tertentu hingga berdissosiasi sebagian setelah kesetimbangan tercapai, dalam ruang terdapat 0,3 mol gas oksigen. Tentukan : Derajad ionisasi SO3 Harga tetapan kesetimbangan K Jawab :.....................

Kesetimbangan Dalam Industri Proses pembuatan gas amoniak menurut Haber-Bosch Prof. Fritz Haber (1868-1934), Jerman, orang pertama yang berhasil mensintesis amoniak dari gas nitrogen dan hidrogen. Proses ini disempurnakan oleh Karl Bosch (1874-1940). Reaksi : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ∆H = -92,6 kJ

1. Pengaruh suhu : suhu tinggi, bergeser ke kiri (endoterm), sehingga untuk memperoleh NH3 max. suhu tidak boleh terlalu tinggi. 2. Pengaruh tekanan : jumlah koefisien kiri > kanan, maka jumlah NH3 bertambah jika tekanan dinaikkan. 3. Pemakaian katalis : untuk mempercepat tercapainya kesetimbangan dipakai katalis : oksida-oksida besi.

Agar NH3 yang dihasilkan maksimal : 1. Suhu tidak terlampau tinggi (sekitar 500oC) 2. Tekanan sangat tinggi : 500 – 1000 atm 3. Selama proses berlangsung : Gas N2 dan H2 ditambahkan secara terus menerus NH3 yang dihasilkan dipisahkan dengan pengembunan sehingga reaksi bersih selalu bergeser ke kanan.

Proses pembuatan Asam sulfat melalui proses kontak Pembuatan H2SO4 dengan cara mengoksidasi gas SO2 dengan gas O2 dari udara dengan katalis V2O5 Reaksi : 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) ∆H = -98kJ Tahap selanjutnya : SO3 dilarutkan dalam H2SO4 pekat membentuk pirosulfat H2SO4(aq) + SO3(aq) H2S2O7(aq) H2S2O7(l) + H2O(l) 2H2SO4(aq)

Tahap penting : reaksi kesetimbangan dan eksoterm Agar reaksi max : a. Suhu 500oC b. Katalis : V2O5 c. Tekanan 1 atm (sesungguhnya tekanan tinggi akan menguntungkan produksi SO3, tetapi ternyata tidak diimbangi dengan hasil yang memadai)