Bab 7 Kesetimbangan

                                            KESETIMBANGAN

Daftar Isi

1. Reaksi Bolak Balik

2. Kesetimbangan Dinamis

3. Konstanta Konsentrasi, Kc

4. Konstanta Tekanan, Kp

5. Kesetimbangan Heterogen

6. Faktor yang mempengaruhi Kc dan Kp

7. Prinsip Le Chatelier

8. Kesetimbangan dalam Industri

1. Reaksi Bolak Balik

• Sebagian besar reaksi kimia tidak dapat dibalik, yaitu reaksi tidak dapat berlangsung dalam dua arah. Misalnya, dekomposisi potasium klorat (V) adalah reaksi yang tidak dapat dibalik:

2KClO3(s) 🡪 2KCl(s) + 3O2(g)

Tidak mungkin mencampur KCl dan O2 bersama-sama untuk membuat KCIO3.

• Reaksi berikut adalah contoh reaksi reversibel (bolak balik):

2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)

• Reaksi reversibel memiliki sifat berikut:

1. Tanda reversibel (⇌) berarti reaksi dapat berjalan ke dua arah.

2. SO2 dan O2 dapat dicampur bersama untuk membentuk SO3. Reaksi ini digambarkan sebagai reaksi maju - yaitu dari kiri ke kanan.

3. SO3 dapat terurai menjadi SO2 dan O2. Reaksi ini adalah reaksi mundur - yaitu dari kanan ke kiri.

4. Ketika SO2 dan O2 bereaksi bersama untuk membentuk SO3, mereka tidak sepenuhnya dikonversi ke SO3. Alih-alih, posisi menengah atau keseimbangan dicapai dimana kedua reaktan (SO2 dan O2) dan produk (SO3) hadir. Reaksi reversibel tidak pernah berjalan sempurna, campuran reaktan dan produk diperoleh.

2. Kesetimbangan Dinamis

•                                                             A + B 🡪 C + D

1. Ketika campuran A dan B bereaksi menjadi C dan D, konsentrasi A dan B (reaktan) berkurang seiring waktu, sedangkan konsentrasi C dan D (produk) meningkat seiring waktu.

2. Ketika konsentrasi reaktan berkurang, laju reaksi maju (dari kiri ke kanan) juga menurun seiring waktu.

3. Pada awalnya, laju reaksi mundur (dari kanan ke kiri) adalah nol karena tidak ada C dan D.

4. Ketika reaksi berlangsung, konsentrasi C dan D meningkat. Oleh karena itu laju reaksi mundur juga meningkat.

5. Setelah periode waktu tertentu, laju reaksi maju menjadi sama dengan laju reaksi mundur. Situasi ini disebut keseimbangan dinamis. Waktu untuk mencapai keseimbangan dapat bervariasi dari sepersekian detik hingga beberapa minggu.

Pada kesetimbangan dalam reaksi reversibel:

At equilibrium in a reversible reaction:

1. laju maju = laju mundur;

2. konsentrasi reaktan dan produk konstan.

1. GRAFIK KONSENTRASI TERHADAP WAKTU

• A + B 🡪C + D

Grafik konsentrasi reaktan dan produk terhadap waktu, untuk reaksi non-reversibel di atas, ditunjukkan pada Gambar 8.1. Pada akhir reaksi, tidak ada reaktan yang tersisa (yaitu konsentrasi A dan B = nol), dan konsentrasi produk tetap konstan.

• A + B ⇌ C + D

Grafik konsentrasi reaktan dan produk terhadap waktu, untuk reaksi reversibel di atas, ditunjukkan pada Gambar 8.2. Ketika kesetimbangan tercapai, masih ada sejumlah reaktan yang tersisa (yaitu konsentrasi A dan B ≠ nol). Baik konsentrasi reaktan dan produk tetap konstan pada kesetimbangan.

3. Konstanta Konsentrasi, Kc

• Persamaan umum untuk reaksi reversibel diberikan oleh

aA + bB ⇌ cC + dD

Persamaan menyatakan bahwa a mol zat A bereaksi dengan b mol zat B, untuk menghasilkan c mol zat C dan d mol zat D.

• Pada kesetimbangan dalam reaksi di atas,

Di mana [A] = konsentrasi A, [B] = konsentrasi B, dll.

Kc. = konstanta kesetimbangan untuk reaksi, dalam hal konsentrasi reaktan.

• Persamaan umum dapat ditulis sebaliknya, yaitu

cC + dD  ⇌ aA + bB

Kemudian ungkapan untuk konstanta kesetimbangan. Kc menjadi

Karenanya nilai dan satuan K (tergantung pada bagaimana persamaan kimia ditulis).

4. Konstanta Tekanan, Kp

• Kp adalah konstanta kesetimbangan dalam hal tekanan parsial. Ini hanya dapat diterapkan pada reaksi gas.

aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g)

Untuk reaksi gas di atas, pada kesetimbangan,

di mana PA = tekanan parsial gas A, dll.

• Seperti Kc, nilai dan satuan untuk Kp bergantung pada cara penulisan persamaan kimia.

1. PERHITUNGAN TEKANAN PARSIAL

• Dalam campuran gas, tekanan parsial gas A

• Ketika jumlah mol zat di kedua sisi persamaan kimia, dalam reaksi gas, sama,

1. Kp = Kc

2. Kp dan Kc tidak memiliki satuan. Contohnya adalah reaksi

2HI(g) ⇌ H2(g) I2(g)

Jumlah mol zat di kedua sisi persamaan adalah sama, yaitu dua. Karenanya Kp = Kc untuk keseimbangan ini.

5. Kesetimbangan Heterogen

• Reaksi kesetimbangan di mana semua zat berada dalam keadaan fisik yang sama (misalnya, semua gas atau semua cairan), dikatakan homogen. Dua contoh reaksi homogen adalah:

1. 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) — semua gas;

2. CH3COOH(l) + CH3CH2OH(l) ⇌ CH3COOCH2CH3(l) + H2O(1) — semua cairan.

• Reaksi kesetimbangan di mana zat berada dalam keadaan fisik yang berbeda (yaitu campuran zat padat, cair dan / atau gas), dikatakan heterogen. Dua contoh reaksi heterogen adalah:

1. CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g) — padat dan gas;

2. ICl(l) + Cl2(g) ⇌ ICl3(s) — padat, cair, dan gas.

• Konsentrasi padatan adalah konstan/tetap. Oleh karena itu dalam ekspresi untuk Kc dan Kp konvensinya adalah untuk menghilangkan semua padatan,

Sebagai contoh,

1. CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g)

Kp = PCO2

CaCO, dan CaO diabaikan karena mereka padatan.

2. 3Fe(s) + 4H2O(g) ⇌ Fe3O4(s) + 4H2(g)

Fe dan Fe3O4 diabaikan karena mereka padatan.

6. Faktor yang mempengaruhi Kc dan Kp

• Konstanta kesetimbangan, Kc dan Kp, dipengaruhi oleh perubahan suhu.

• Efek perubahan suhu tergantung pada perubahan entalpi reaksi, ΔH.

Untuk reaksi umum

A+ B ⇌ C + D;   ΔH = perubahan panas dari reaksi maju

1. Jika ΔH negatif:

1. peningkatan suhu membuat Kc dan Kp lebih kecil;

2. penurunan suhu membuat Kc dan Kp lebih besar.

2. Jika ΔH positif:

1. peningkatan suhu membuat Kc dan Kp lebih besar;

2. penurunan suhu membuat Kc dan Kp lebih kecil.

• Konstanta kesetimbangan, Kc dan Kp tidak terpengaruh oleh:

1. perubahan konsentrasi reaktan dan produk;

2. perubahan tekanan dalam reaksi gas;

3.  kehadiran katalis;

4. penambahan atau pengurangan reaktan.

7. Prinsip Le Chatelier

• Prinsip Le Chatelier meringkas efek pada komposisi campuran kesetimbangan ketika kondisinya berubah.

• Prinsip Le Chatelier menyatakan bahwa ketika suatu sistem dalam kesetimbangan terganggu, komposisi keseimbangan berubah untuk menghilangkan gangguan.

1. FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KOMPOSISI CAMPURAN KESETIMBANGAN

1. Perubahan Konsentrasi 

• A + B ⇌ C+D

• Jika zat A ditambahkan ke campuran kesetimbangan dalam reaksi di atas, maka menurut Prinsip Le Chatelier keseimbangan akan bergeser untuk menghilangkan (sebagian) tambahan A. Oleh karena itu lebih banyak A dan B bereaksi untuk menghasilkan C dan D sampai keseimbangan baru tercapai. . Campuran keseimbangan baru akan mengandung lebih banyak C dan D tetapi lebih sedikit B.

• Di sisi lain, jika sebagian zat A dibuang, maka keseimbangan akan bergeser untuk menggantikan A. Oleh karena itu lebih banyak C dan D akan bereaksi untuk menghasilkan A dan B dalam reaksi mundur, sampai tercapai keseimbangan baru. Campuran kesetimbangan baru akan mengandung lebih sedikit C dan D tetapi lebih banyak B.

Fe3+(aq) + SCN-(aq) ⇌ [Fe(SCN)]2+

                                     Warna merah darah

• Ketika SCN- tambahan ditambahkan ke campuran kesetimbangan, beberapa SCN- tambahan bereaksi dengan Fe3+ untuk menghasilkan lebih banyak [Fe(SCN)]2+. Larutan menjadi lebih merah.

• Namun, jika beberapa SCN- atau Fe3+ dihilangkan, maka lebih banyak [Fe(SCN)]2+ akan dikonversi kembali ke SCN- atau Fe3+ dalam reaksi mundur. Larutannya menjadi merah pudar. 

2. Perubahan suhu

• Jika suhu meningkat, panas ditambahkan ke campuran kesetimbangan. Dengan Prinsip Le Chatelier, keseimbangan akan bergeser untuk menghilangkan (sebagian) panas ini.

• Jika suhu menurun, kesetimbangan akan bergeser untuk menghasilkan panas.

1. A + B ⇌ C + D; ΔH = endothermic (+)

Jika suhu kesetimbangan meningkat, reaksi endotermik (atau penyerap panas) akan disukai, sehingga dapat menghilangkan sebagian panas ekstra. Dengan demikian komposisi keseimbangan akan berubah. Campuran baru akan memiliki lebih banyak C dan D tetapi lebih sedikit A dan B dalam reaksi di atas.

Jika suhu menurun, reaksi eksotermik akan disukai. Ini adalah reaksi mundur (dari kanan ke kiri) dalam reaksi di atas. Keseimbangan baru akan memiliki lebih banyak A dan B tetapi lebih sedikit C dan D.

2. A + B ⇌ C + D; AH = exothermic (-)

Jika suhu kesetimbangan meningkat, reaksi endotermik akan disukai. Ini adalah reaksi mundur. Oleh karena itu keseimbangan baru akan mengandung lebih banyak A dan B tetapi lebih sedikit C dan D.

Jika suhu menurun, reaksi eksotermik akan disukai. Kesetimbangan baru akan mengandung lebih banyak C dan D tetapi lebih sedikit A dan B.

3. Perubahan tekanan

• Perubahan tekanan hanya memengaruhi reaksi gas.

• Dengan Prinsip Le Chatelier, jika tekanan campuran keseimbangan meningkat, campuran akan mencoba menurunkan tekanan. Ini dilakukan dengan mengurangi jumlah mol gas (tekanan gas berbanding lurus dengan jumlah mol gas). Karenanya keseimbangan baru akan dihasilkan, yang mengandung lebih sedikit mol gas. Sebagai contoh,

Dalam reaksi di atas, ketika reaksi maju berlangsung, 3 mol gas diubah menjadi 2 mol gas. Karenanya ada penurunan jumlah mol gas.

Jadi, ketika tekanan meningkat, lebih banyak SO2 dan O2 bergabung untuk menghasilkan SO3. Kesetimbangan baru akan mengandung lebih banyak SO3 dan lebih sedikit SO2 dan O2. Dengan cara yang sama, jika tekanan menurun, lebih banyak SO3 berubah menjadi SO2 dan O2 dalam reaksi mundur. Ini meningkatkan jumlah mol gas, yang akan meningkatkan tekanan.

• Jika tidak ada perubahan dalam jumlah mol gas dalam reaksi gas, perubahan tekanan tidak berpengaruh pada komposisi campuran kesetimbangan. Sebagai contoh,

• Jika 2 mol HI terurai menjadi H2 dan I2, dalam reaksi maju, 2 mol produk gas diperoleh. Tidak ada perubahan dalam jumlah mol gas, jadi tekanan tidak berpengaruh pada kesetimbangan ini.

4. Kehadiran katalis

• Katalis tidak berpengaruh pada komposisi campuran kesetimbangan.

• Katalis hanya meningkatkan laju reaksi sehingga keseimbangan tercapai lebih cepat.

8. Kesetimbangan dalam Industri

• Banyak reaksi penting di industri yang merupakan reaksi kesetimbangan.

• Dua prinsip penting dalam reaksi industri adalah:

1. reaksi harus terjadi untuk menghasilkan produk yang diperlukan;

2. prosesnya harus semurah mungkin.

• Biaya dapat diminimalkan dengan:

1. menggunakan reagen termurah (mis. udara dan air);

2. membuat reaksi secepat mungkin (misalnya dengan menggunakan katalis);

3. menghindari suhu yang sangat tinggi, jika memungkinkan;

4. menghindari tekanan yang sangat tinggi, jika memungkinkan.

• Kondisi aktual yang dipilih dalam reaksi kesetimbangan di industri bergantung pada jenis reaksinya. Namun tujuannya adalah untuk menghasilkan jumlah maksimum produk dalam jumlah waktu minimum dan biaya minimum.

1. Haber Process

• Amoniak dibuat dalam Proses Haber. Dalam prosesnya, gas hidrogen dan nitrogen dilewatkan di atas katalis besi.

Persamaan untuk reaksi ini adalah

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g); ΔH° = -184 kj

• Kondisi proses tersebut adalah

1. tekanan tinggi 250 atmosfer;

2. suhu sedang sekitar 450°C;

3. katalis besi;

4. rasio mol N2 ke H2 = 1: 3 (sama dengan persamaan).

Nitrogen diperoleh dari udara. Hidrogen diperoleh dari beberapa sumber - termasuk minyak bumi.

• Garis besar Proses Haber ditunjukkan pada Gambar 8.4. Ketika campuran nitrogen dan hidrogen dilewatkan di atas katalis, hanya sekitar 15% reaktan diubah menjadi amonia pada kesetimbangan. Amonia dihilangkan dengan kondensasi menjadi cairan pada suhu rendah. Nitrogen dan hidrogen yang tidak bereaksi didaur ulang. Campuran ini dilewatkan ke katalis lagi.

• Katalis besi digunakan agar gas yang bereaksi mencapai kesetimbangan dengan cepat. Katalis tidak mempengaruhi persentase amonia dalam campuran kesetimbangan.

• Tekanan tinggi digunakan, karena oleh Prinsip Le Chatelier, ini menghasilkan persentase amonia yang lebih besar dalam campuran kesetimbangan.

• Secara teoritis, persentase besar amonia akan diproduksi pada kesetimbangan jika suhu rendah digunakan. Reaksi maju (dari kiri ke kanan) adalah eksoterm. Reaksi ini akan disukai oleh suhu rendah sesuai dengan Prinsip Le Chatelier. Namun, reaksinya akan terlalu lambat pada suhu rendah. Oleh karena itu, dalam praktiknya, suhu sedang digunakan untuk mempercepat reaksi (walaupun persentase amonia yang dihasilkan pada kesetimbangan berkurang).

Sumber : A Level Chemistry, JGR Brigs