Kesetimbangan Kimia

info kimia..............

Kesetimbangan Kimia

      Sebagian besar reaksi yang ada merupakan reaksi kesetimbangan, maka sangat penting untuk memahami tentang reaksi kesetimbangan. Dengan pemahaman reaksi kesetimbangan akan membantu untuk menyelesaikan perhitungan yang berhubungan dengan prinsip kesetimbangan kimia tanpa harus menghafalkan rumus seperti tentang pH asam dan basa lemah, hidrolisis, buffer, kesetimbangan kelarutan, pembentuka kompleks dll.

        Suatu sistem dikatakan setimbang jika dua proses yang berlawanan terjadi dengan laju yang sama atau dengan kata lain tidak terjadi perubahan dalam sistem yang setimbang.

      Salah satu indikator saat terjadi kesetimbangan adalah tidak terjadi perubahan konsentrasi semua komponen yaitu reaktan dan produk.

      Sebagai contoh adalah pelarutan padatan, sampai pada titik laju padatan yang terlarut sama dengan padatan yang mengendap saat konsentrasi larutan jenuh tercapai (tidak ada perubahan konsentrasi)

      Kesetimbangan kimia adalah penting untuk menjelaskan peristiwa yang banyak terjadi secara alamiah dan berperan penting dalam kaidah-kaidah pada  proses industri kimia. 

Konsep Kesetimbangan

• Pada keadaan kesetimbangan kecepatan  pembentukan produk  sama dengan kecepatan penguraian produk  (laju reaksi ke kanan = laju reaksi ke kiri).

Reaksi ke kanan :   A → B     Rate = kf[A].    k_f : konstanta laju reaksi ke kanan

            Reaksi balik     :        B → A     Rate = kr[B].     k_r : konstanta laju reaksi ke kiri

           

• Saat A bereaksi membentuk senyawa B, konsentrasi A berkurang sedangkan konsentrasi B bertambah.
• Pada keadaan kesetimbangan

                            kf [A]           =     kr [B]

                            Laju reaksi        laju reaksi balik

                            ke kanan          ke kiri

• Penulisan persamaan adalah

                                    [B]/[A] = kf/kr = a konstan

• Kedua proses terjadi pada kecepatan yang sama

                                    A D B

• Untuk memahami tentang konsep kesetimbangan kimia perhatikan pembahasan berikut ini.      

Kesetimbangan Hidrogen-Iod dengan Hidrogen Iodida

Percobaan 1.

      Masing-masing sebanyak 0,00150 mol H₂ dan I₂ dibiarkan bereaksi membentuk HI_(g)

      Konsentrasi H_2(g) dan I_2(g) akan berkurang sedangkan HI_(g) bertambah hingga tercapai kesetimbangan semua komponen H_2(g), I_2(g) dan HI_(g) konsentrasinya tidak berubah.

      Reaksi ke depan: H_2(g) + I_2(g) → 2HI_(g)

      Reaksi balik: 2HI_(g) → H_2(g) + I_2(g)

      Penulisan reaksi kesetimbangan :  H_2(g) + I_2(g)  ⇌ 2 HI_(g)

      Setelah mencapai 0,00234 mol jumlah HI tidak berubah

Percobaan 2

      Dimulai dengan pereaksi HI_(g) murni dengan konsentrasi 0,0015 M, dibiarkan terurai membentuk H_2(g) dan I_2(g)  sehingga mencapai kesetimbangan.

Percobaan 3

      Menggambarkan keadaan ketiga pereaksi dengan konsentrasi yang sama 0,0015 M , dibiarkan mencapai kesetimbangan.

Dari tiga percobaan diatas didapat suatu hubungan yang menunjuk pada angka numeris tertentu

 

                                                                             

Untuk menetapkan nilai tetapan diatas, tiga percobaan tersebut dilakukan berulang-ulang pada 445^oC dan memberikan  hasil yang sama.

Contoh

• N₂O₄(g) D 2NO_2(g)

            Kc = [NO2]2 / [N2O4] = (0.0172)2 / 0.00140 = 0.211

Konsentrasi awal dan kesetimbangan  (M) dari N₂O₄ and NO₂ dalam fase gas pada  100^oC adalah sbb:

Percobaan	Konsentrasi awal (M)		Konsentrasi pada kesetimbangan (M)		Kc
	N2O4	NO2	N2O4	NO2
1	0.0	0.0200	0.00140	0.0172	0.211
2	0.0	0.0300	0.00280	0.0243	0.211
3	0.0	0.0400	0.00452	0.0310	0.213
4	0.0200	0.0	0.00452	0.0310	0.213

Tetapan Kesetimbangan Kc

      Untuk reaksi umum,

            aA + bB + …    Û gG + hH + …

      Rumus tetapan kesetimbangan berbentuk

 

Pembilang adalah hasil kali konsentrasi spesies-spesies yang ditulis disebelah kanan persamaan ([G], [H] …) masing-masing konsentrasi dipangkatkan dengan koefisien dalam persamaan reaksi yang setara (g, h …). Penyebut adalah hasil kali konsentrasi spesies-spesies yang ditulis disebelah kiri persamaan ([A]. [B] ..) dan  setiap konsentrasi dipangkatkan dengan koefisien reaksinya (a, b, …). Nilai numerik tetapan kesetimbangan Kc sangat tergantung pada jenis reaksi dan suhu.

Contoh Soal

§  Tuliskan pernyataan kesetimbagan Kc untuk reaksi berikut :

(a) 2O_3(g) D3O_2(g)

(b) 2NO_(g) + Cl₂ D 2NOCl_(g)

Jawab:

(a) Kc = [O₂]³ / [O₃]²

(b) Kc = [NOCl]² / [NO]²[Cl₂]

Hubungan Tambahan

Jika ada 3 reaksi berikut:

      2SO_2(g) + O _2(g) Û 2SO_3(g) Kc(a) = 2,8 x 10² 1000 K

      2SO_3(g) Û 2SO_2(g) + O_2(g)  Kc(b) = 1/Kc(a) = 1/ 2,8x10²

      SO_2(g) + ½ O_2(g) Û SO _3(g) Kc(c) = (K_c(a))^1/2 = (2,8x10²)^1/2

 

                                           

        

Ringkasan

      Dalam menentukan nilai Kc maka setiap persaman reaksi kimia harus disetarakan.

       Jika persamaannya dibalik, maka nilai Kc dari persamaan yang baru adalah kebalikan dari persamaan aslinya

      Jika koefisien dalam persamaan setara dikalikan dengan faktor yang sama, maka tetapan kesetimbangan yang baru adalah akar berpangkat faktor tetapan kesetimbangan yang lama

      Konstanta kesetimbangan hanya bergantung pada stoikiometri, tidak dipengaruhi

oleh mekanisme.

Penggabungan Rumus Tetapan Kesetimbangan

•              Jika diketahui:          N2(g) + O2(g) Û 2NO(g)    Kc = 4,1 x 10-31          N2(g) + ½ O2(g) Û N2O(g) Kc = 2,4 x 10-18 •              Bagaimana Kc reaksi:          N2O(g) + ½ O2(g) Û 2NO(g)         Kc = ? Persamaan diatas dapat digabungkan N2(g) + O2(g) Û 2NO(g) Kc = 4,1 x 10-31 N2O(g) Û N2(g) + ½ O2(g)          Kc = 1/(2,4 x 10-18) = 4,2 x 1017 N2O(g) + ½ O2(g) Û 2NO(g)      Kc = ?

 

                                                                                                      

 

Tetapan kesetimbangan untuk reaksi bersih (K_c (net) adalah K_c(1) x K_c(2), hasil kali tetapan kesetimbangan untuk reaksi-reaksi terpisah yang digabungkan

Menghitung Konstanta Kesetimbangan.

Sering terjadi konsentrasi dari suatu reaksi kesetimbangan tidak diketahui. Namun jika konsentrasi salah satu spesies dalam system kesetimbangan diketahui maka dengan menggunakan persamaan reaksi yang ada, secara stoikiometri spesies yang lain dapat dihitung. Dengan tahapan berikut:

1. Buat tabel konsentrasi awal dan kesetimbangan dari semua spesies yang diketahui dalam system kesetimbangan.
2. Berdasarkan spesies-spesies dari kosentrasi awal dan kesetimbangan yang diketahui, hitung perubahan konsentrasi dalam system kesetimbangan.
3. Gunakan stoikiometri reaksi untuk menghitung perubahan konsentrasi untuk semua spesies dalam kesetimbangan.
4. Dari kosentrasi awal dan perubahan konsentrasinya, hitung konsentrasi dalam kesetimbangan. Nilai konsentrasi dalam kesetimbangan digunakan untuk menghitung konstanta kesetimbangan.

Contoh

1. Suatu campuran dari  5.000x10^-3 mol  H₂ dan 1.000x10^-2 mol  I₂ ditempatkan dalam wadah 5 L pada  448^oC dan dibiarkan mencapai kesetimbangan. Analisis dari campuran kesetimbangan menunjukkan konsentrasi HI adalah 1.87x10^-3 M. Hitung  Kc pada 448^oC reaksi berikut :                                                     

      H_2(g) + I_2(g) D 2HI(g)

Jawab

• Pertama, tabulasikan konsentrasi awal, perubahan dan kesetimbangan semua spesies dalam system setimbang seperti ditunjukkan pada tabel berikut:

      Dalam contoh ini konsentrasi  H₂ dan  I₂ harus dihitung:

     [H₂]awal  = 5.000x10^-3 mol /5.000 L = 1.000x10^-3 M

     [I₂]awal  = 1.000x10^-2 mol / 5.000 L = 2.000x10^-3 M

Kemudian masukkan dalam tabel berikut:

                                                                                                     H_2(g)             +             I_2(g)         D          2HI(g)

Awal	1.000x10-3 M	2.000x10-3 M	0 M
Perubahan
Kesetimbangan			1.87x10-3 M

• Kedua hitung perubahan konsentrasi HI dengan menggunakan nilai awal dan kesetimbangan. Perubahannya adalah perbedaan antara nilai awal dan kesetimbangan yaitu  1.87x10^-3 M.

• Ketiga, gunakan stoikiometri dari persamaan reaksi untuk menghitung perubahan spesies yang lain. Dari persamaan kimia yang setimbang menunjukkan tiap 2 mol HI yang terbentuk membutuhkan 1 mol H₂ dan 1 mol I₂. Jadi jumlah H₂ yang dibutuhkan adalah :

                                                                                               

            (1.87x10^-3 mol HI / L ) (1 mol H₂ / 2 mol HI ) = 0.935x10^-3 mol H₂ / L

           Dengan cara yang sama karena perbandingan I₂ dan H₂ sama maka jumlah I₂ yang  

           dibutuhkan adalah  0.935x10^-3 M

§  Keempat, hitung konsentrasi pada kesetimbangan, gunakan konsentrasi awal dan perubahan konsentrasi. Konsentrasi H₂ kesetimbangan adalah konsentrasi awal dikurangi konsentrasi yang dibutuhkan :  

                                                                                               

[H₂] = 1.000x10^-3 M – 0.935x10^-3 M = 0.065x10^-3 M

Konsentrasi I₂ pada kesetimbangan :

[I₂] = 2.000x10^-3 M – 0.935x10 ^-3 M = 1.065x10^-3 M

The completed table now looks like this:

                                   H2(g)            +             I2(g)           D       2HI(g)

Awal	1.000x10-3 M	2.000x10-3 M	0 M
Perubahan	– 0.935x10 -3 M	– 0.935x10 -3 M	1.87x10-3 M
Kesetimbangan	0.065x10-3 M	0.065x10-3 M	1.87x10-3 M

• Dari konsentrasi kesetimbangan masing-masing reaktan dan produk, gunakan persamaan kesetimbangan untuk menghitung konstanta kesetimbangan, Kc.

Kc = [HI]² / [H2][I₂] = (1.87x10^-3)² / (0.065x10^-3)(1.065x10^-3) = 51

Untuk mempermudah dalam melakukan perhitungan kesetimbangan sebaiknya lakukan langkah diatas cukup  menggunakan tabel-tabel seperti pada contoh.

2. 1 L tabung diisi dengan 1,00 mol H₂ dan 2,00 mol I₂ pada 448^oC. Konstanta kesetimbangan Kc reaksi adalah 50,5.

H_2(g) + I_2(g) D 2HI(g)      Kc =  50.5.

            Berapa konsentrasi H₂ , I₂ dan HI dalam tabung pada keadaan setimbang.

Jawab 

•  [H2] = 1.000M,  [I2] = 2.000 M,  [HI] = 0

                    

                             H_2(g)            +             I_2(g)               D       2HI(g)

Awal	1.000 M	2.000 M	0 M
Perubahan	- x M	- x M	+2x  M
Kesetimbangan	(1.000 – x) M	(2.000 –x) M	2x M

Kc  = [HI]2 / [H2][I2] = (2x)2 / (1.000-x)(2.000-x) = 50.5

4x2 = 50.5(x2 – 3.000x + 2.000)

46.5x2 – 151.5 x + 101.0 = 0

Penyelesaian persamaan kuadrat :

x = -(-151.5) ± √(-151.5)2 -4(46.5)(101.0) / 2(46.5) = 2.323 atau  0.935

Substitusikan nilai  x = 2.323, kedalam pernyataan konsentrasi kesetimbangan , konsentrasi H₂ dan  I₂ bernilai negatif. Masukkan nilai  x = 0.935 diperoleh :

[H₂] = 1.000 – x = 0.065 M

[I₂]  = 2.000 – x  = 1.065 M

[HI] = 2x = 1.870 M

Cek kembali nilai yang diperoleh dengan memasukkan angka tersebut kedalam pernyataan Kc :

Kc = [HI]² / [H2][I2] = (1.870)² / (0.065)(1.065) = 51

Soal latihan

1.      Untuk reaksi NH₃ ⇌ ½ N₂ + 3/2 H₂          Kc = 5,2 x 10^-5 pada 298 K.

      Berapakah nilai Kc pada 298 K untuk reaksi:       N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

2.      Senyawa ClF₃ disiapkan melalui 2 tahap reaksi fluorinasi gas klor sebagai berikut

      (i)  Cl_2(g) + F_2(g)  ⇌  ClF_(g)                                    

      (ii) ClF_(g) + F_2(g)  ⇌  ClF_3(g)

n  Seimbangkan masing-masing reaksi diatas dan tuliskan reaksi overallnya!

n  Buktikan bahwa Kc overall sama dengan hasil kali Kc masing-masing tahap reaksi ?

3.      Dekomposisi HI dipelajari dengan mengijeksikan 2,50 mol HI kedalam 10,32-L tabung pada 25^oC.  Berapa [H₂] pada kesetimbangan untuk reaksi berikut :

      HI(g) ⇌ H_2(g) + I_2(g) ;  Kc = 1.26 x 10^-3.

Pustaka

Presentasi : Drs. Singgih Hartanto MSi

Hill, Petrucci, Mc Creary, Perry, 2005, General Chemistry, Fourth Edition, Pearson Prentice Hall, New Jersey.