KESETIMBANGAN KIMIA - BELAJAR KIMIA

KESETIMBANGAN KIMIA

PETA KONSEP

Gambar 1.  Peta Konsep Kesetimbangan Kimia

 

A.      REAKSI BOLAK-BALIK DAN KESETIMBANGAN KIMIA

1.         Reaksi Bolak-balik dan Kesetimbangan Dinamis

Dalam reaksi kimia, kesetimbangan kimia adalah keadaan saat kedua reaktan dan produk hadir dalam konsentrasi yang tidak memiliki kecenderungan lebih lanjut untuk berubah seiring berjalannya waktu. Biasanya, keadaan ini terjadi ketika reaksi ke depan berlangsung pada laju yang sama dengan reaksi balik. Laju pada reaksi maju dan mundur umumnya tidak nol, tapi sama. Dengan demikian, tidak ada perubahan bersih dalam konsentrasi reaktan dan produk. Keadaan seperti ini dikenal sebagai kesetimbangan dinamis.

Contoh :

          NaOH(aq)   +   HCl(aq)     →     NaCl(aq)   +   H₂O(l)

Reaksi tersebut adalah reaksi satu arah, hanya berlangsung ke arah kanan. Hal ini menunjukkan bahwa bila NaCl direaksikan kembali dengan H₂O tidak akan terjadi reaksi.

Sedangkan reaksi

                      

menunjukkan bahwa reaksi dapat berlangsung dalam dua arah. Senyawa NH₃ yang tebentuk dapat terurai kembali menjadi gas N₂ dan H₂. Hal inilah yang disebut sebagai reaksi dapat balik (reaksi bolak-balik) atau reaksi reversible. Sedangkan reaksi yang hanya berlangsung satu arah disebut reaksi irreversible.

 

2.       Reaksi Kesetimbangan

Kesetimbangan kimia dapat digolongkan kedalam dua bagian:

a.        Kesetimbangan Homogen

Kesetimbangan homogen terjadi jika fase reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi wujudnya sama, yaitu gas (g) seluruhnya atau larutan (aq) seluruhnya.

Contoh:

 

b.        Kesetimbangan Heterogen

Kesetimbangan heterogen terjadi jika fase reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi wujudnya berbeda.

 

Contoh:

 

Contoh soal

Dalam suatu wadah direaksikan larutan yang mengandung 0,01 mol Fe³⁺ dengan larutan yang mengandung 0,01 mol ion SCN ^̶ hingga terjadi reaksi kesetimbangan berikut:

Fe³⁺(aq)    +   SCN ^̶ (aq)                FeSCN²⁺(aq)

Dalam keadaan setimbang ternyata terdapat ion Fe³⁺ sebanyak 0,004 mol. Hitunglah berapa mol ion SCN ^̶  dan FeSCN²⁺ yang terdapat dalam sistem.

Jawab:

diketahui:

 

Mol Fe³⁺ yang terurai         =  0.01 mol -  0,004 mol

                                            =  0,006 mol

Mol SCN ^̶  yang terurai      =  perbandingan koefisien Fe³⁺ :  SCN ^̶

                                            =  1 :  1

maka jumlah molnya          =  1 / 1  .  0,006 mol

                                            =  0,006 mol

FeSCN²⁺ yang terbentuk    = 1 / 1  x  0,006 mol

                                            =  0,006 mol

Jumlah mol SCN ^̶           =  0,01 mol  -  0,06 mol

                                       =  0,004 mol

Jumlah mol FeSCN²⁺    =  0,006 mol

B.       HUKUM KESETIMBANGAN DAN TETAPAN KESETIMBANGAN

Pada keadaan reaksi dalam kesetimbangan, konsentrasi zat-zat yang ada selalu tetap karena pada saat yang sama jumlah zat yang bereaksi sama dengan jumlah zat yang dihasilkan. Contoh pada reaksi kesetimbangan :

 

Dari data hasil pengukuran persamaan reaksi kesetimbangan tersebut didapatkan hasil reaksi pada persamaan reaksi yang pertama diperoleh nilai tetap pada hasil perhitungan dengan rumus:

Sedangkan pada percobaan kedua, diperoleh nilai tetap pada hasil perhitungan dengan rumus:

 

Berdasarkan data percobaan tersebut, maka untuk reaksi kesetimbangan   

didapatkan nilai tetap dengan rumus:

 

Persamaan ini merupakan hukum aksi massa atau hukum kesetimbangan (K), yang menyatakan bahwa dalam keadaan setimbang, hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi yang dipangkatkan koefisiennya dibagi dengan hasil kali konsentrasi zat-zat pereaksi yang dipangkatkan koefisiennya akan mempunyai nilai yang tetap.

Contoh :

 

Nilai yang diperoleh dari perhitungan hukum kesetimbangan disebut dengan tetapan kesetimbangan. Tetapan kesetimbangan adalah khas untuk suatu reaksi dan nilainya tetap pada suhu tertentu. Artinya setiap reaksi memiliki nilai tetapan kesetimbangan tertentu pada kondisi tertentu.

Untuk reaksi kesetimbangan heterogen, dimana zat-zat yang terlibat dalam reaksi mempunyai wujud (fase) yang berbeda, cara menyatakan tetapan kesetimbangan (K) dapat disederhanakan. Contohnya pada reaksi peruraian kalsium karbonat padat (batu kapur) menjadi kalsium oksida dan gas karbon dioksida, yang terdapat pada proses pembuatan kapur tohor (gamping) dari kapur yang berlangsung pada suhu tinggi. Reaksi kesetimbangannya adalah:

 

 

Hukum kesetimbangannya dinyatakan dengan :

 

 

Zat padat seperti CaCO₃ dan CaO mempunyai konsentrasi tetap, sehingga nilai tetapan kesetimbangan (K) pada reaksi tersebut adalah: 

 

karena nilai [CaCO₃] dan [CaO] tetap, maka tetapan kesetimbangan reaksi :

                                              K   =   [CO₂]

Pada kesetimbangan heterogen, zat yang memengaruhi tetapan kesetimbangan konsentrasi hanya yang berwujud gas (g) dan larutan (aq).

Contoh :

 

            Latihan soal

          1.         Tuliskan rumus hukum kesetimbangan (K) untuk reaksi berikut

2.        Pada T^oC di dalam ruangan 10 liter terdapat kesetimbangan 0,2 mol PCl₅; 0,3 mol PCl₃; dan 0,1 mol Cl₂ menurut reaksi setimbang:

Tentukan nilai tetapan kesetimbangan bagi reaksi tersebut.

1.         Nilai Tetapan Kestimbangan dan Tekanan Gas

Untuk reaksi yang melibatkan gas, tetapan kesetimbangannya dapat dinyatakan dari nilai tekanan parsial masing-masing gas pada saat setimbang, sebab konsentrasi gas dalam suatu ruangan akan menentukan besarnya tekanan gas tersebut dalam ruangan. Untuk membedakan nilai tetapan kesetimbangan yang diperoleh dari nilai konsentrasi dan dari nilai tekanan parsial, maka untuk selanjutnya nilai tetapan kesetimbangan yang diperoleh berdasarkan konsentrasi diberi lambang K_c sedangkan untuk nilai tetapan kesetimbangan yang diperoleh berdasarkan tekanan parsial diberi lambang K_p.

Untuk reaksi setimbang:

dengan     :    PA =   Tekanan parsial gas A

                     PB =   Tekanan parsial gas B

                     PC =   Tekanan parsial gas C

                     PD =   Tekanan parsial gas D

                 PA  +  PB  + PC  +  PD   =   P total ruangan

Berdasarkan hukum tentang gas idel,  P.V  =  n.R.T, dapat dicari hubungan antara K_c dengan K_p                

       P.V  =  n.R.T

maka,            PA =   [A] RT

                     PB =   [B] RT

                     PC =   [C] RT

                     PD =   [D] RT

sehingga 

  

 

2.      Kesetimbangan Disosiasi dan Derajat Dsisosiasi

Reaksi disosiasi adalah reaksi peruraian zat menjadi zat yang lebih sederhana.Apabila reaksinya merupakan reaksi kesetimbangan, maka reaksinya disebut reaksi kesetimbangan. Didalam sistem kesetimbangan disosiasi dikenal dengan adanya derajat disosiasi (α) yang menyatakan banyaknya bagian zat yang terurai, dan dinyatakan dengan:

Derajat disosiasi mempunyai nilai antara 0 sampai dengan 1, atau antara 0% sampai 100%. Jika nilai α = 0 atau 0% berarti tidak ada zat yang terurai, dan jika α = 1 berarti zat terurai sempurna atau semua zat mengalami disosiasi.

Contoh:

Dalam ruang satu liter dipanaskan gas HI hingga terurai membentuk reaksi kesetimbangan:

Pada suhu tertentu nilai tetapan kesetimbangannya (Kc) adalah 4. tentukan:

a.       persentase HI yang terurai

b.      komposisi masing-masing gas pada saat setimbang

Jawab:

                                

a.       persentase HI

 

b.      Komposisi pada saat setimbang

       Jumlah mol HI, H₂ dan I₂  adalah sebagai berikut :

C.      PERGESERAN KESETIMBANGAN

Suatu sistem dalam keadaan setimbang cenderung akan mempertahankan kesetimbangannya, sehingga jika ada pengaruh dari luar maka sistem tersebut akan berubah sedemikian rupa agar segera diperoleh keadaan kesetimbangan lagi. Kondisi seperti ini dikenal dengan asas Le Chatelier, yaitu jika dalam suatu sistem kesetimbangan diberikan aksi, maka sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi itu sekecil mungkin. Beberapa aksi yang dapat menimbulkan perubahan pada sistem kesetimbangan antara lain adalah perubahan konsentrasi, perubahan volume, perubahan tekanan dan perubahan suhu.

 

1.         Pengaruh Perubahan Konsentrasi

Jika salah satu komponen (zat) yang terdapat dalam sistem konsentrasinya diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah menjauh dari komponen (zat) yang konsentrasinya diperbesar. Sebaliknya jika salah satu komponen (zat) yang terdapat dalam sistem konsentrasinya dikurangi, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah mendekati komponen (zat) yang konsentrasinya dikurangi.

Ilustrasinya bisa pada sistem kesetimbangan berikut :

mempunyai tetapan kesetimbangan  (dinayatakan dalam K₁)

Misalnya dilakukan penambahan pada konsentrasi Fe³⁺ sehingga konsentrasinya bertambah menjadi dua kali dari semula, maka didapatkanlah nilai K (dinyatakan dalam K₂)

maka nilai K₁ > K₂. Oleh karena nilai K₁ harus sama dengan nilai K₂, maka kesetimbangan akan berusaha menurunkan konsentrasi ion Fe³⁺ dan ion SCN ^̶ serta menambah konsentrasi FeSCN²⁺. Akibatnya kesetimbangan akan bergeser ke kanan (menjauhi zat yang konsentrasinya ditambah). Sebaliknya apabila dilakukan pengurangan pada konsentrasi Fe³⁺ sehingga konsentrasinya berkurang menjadi setengah kali dari semula, maka didapatkanlah nilai K (dinayatakan dalam K₃)

Oleh karena suhunya tetap, maka nilai K₁ harus sama dengan nilai K₃. Akibatnya, kesetimbangan akan melakukan reaksi dengan mengurangi konsentrasi FeSCN²⁺ serta menambah konsentrasi ion Fe³⁺ dan ion SCN ^̶. Sehingga kesetimbangan akan bergeser ke kiri (mendekati zat yang konsentrasinya dikurangi).

 

2.         Perubahan Volume

Menurut azas Le Chatelier, bila volume sistem kesetimbangan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah ruas yang mempunyai jumlah molekul (koefisien) yang besar. Sebaliknya bila volume sistem kesetimbangan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah ruas yang mempunyai jumlah molekul (koefisien) yang kecil.

Mari kita melihat kesetimbangan pada reaksi berikut:

 

                   

 

Nilai tetapan kesetimbangan reaksi tersebut adalah K₁.

Setelah volume diperbesar menjadi dua kali dari semula maka terjadi perubahan konsentrasi sebagai berikut:

           Nilai tetapan kesetimbangan reaksi tersebut setelah mengalami perubahan adalah K₂.

Kesetimbangan tidak mengalami pergeseran karena jumlah molekul di ruas kiri sama dengan jumlah molekul diruas kanan.

Berbeda halnya jika pada kesetimbangan reaksi berikut:

  

        Bila di dalam sistem volumenya diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah ruas kiri, karena jumlah molekul di ruas kiri lebih besar. Begitu pula sebaliknya, jika di dalam sistem volumenya diperkecil maka kestimbangan akan bergeser ke arah kanan, karena di ruas kanan jumlah molekulnya lebih kecil.

 

3.         Perubahan Tekanan

Perubahan tekanan akan bepengaruh pada konsentrasi gas-gas dalam kesetimbangan. Untuk mengetahui bagaimana pengaruh perubahan tekanan terhadap sistem kesetimbangan gas, kita merujuk kembali pada persamaan gas ideal.

Dari persamaan tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa perubahan tekanan berbanding terbalik dengan perubahan volume. Sehingga apabila tekanan pada sistem diperbesar maka kesetimbangan akan bergeser ke arah ruas yang memiliki jumlah molekulnya lebih kecil. Sebaliknya bila tekanan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah ruas yang memiliki jumlah molekulnya lebih besar.

 

4.         Perubahan Suhu  

Perubahan suhu pada reaksi kesetimbangan akan menyebabkan terjadinya perubahan nilai tetapan kesetimbangan (K). Untuk mengetahui bagaimana perubahan suhu terhadap pergeseran kesetimbangan, berikut disajikan data nilai K untuk berbagai suhu dari dua reaksi kesetimbangan yang berbeda. 

 

 

Perbedaan dari kedua reaksi tersebut adalah nilai perubahan entalpinya. Untuk reaksi pembentukan NH₃, perubahan eltalpinya negatif (reaksi eksoterm) yang menunjukkan bahwa reaksi ke kanan melepaskan kalor. Sedangkan pada reaksi antara gas H₂ dan CO₂, perubahan entalpinya positif (endoterm) yang menunjukkan bahwa reaksi ke kanan menyerap kalor. Jika sistem dalam kesetimbangan suhunya dinaikkan maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi endoterm atau ∆H positif. Dan sebaliknya, jika dalam sistem kesetimbangan suhunya diturunkan maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi eksoterm atau ∆H negatif.

 

5.         Pengaruh Katalis pada Reaksi Setimbang

        Reaksi pembuatan amonia berlangsung sebagai berikut:

Katalis akan mempercepat laju reaksi pembentukan NH₃ sekaligus juga akan mempercepat reaksi peruraian NH3 menjadi gas H₂ dan N₂. Pengaruh ini sama kuatnya sehingga di dalam reaksi kesetimbangan katalis tidak menggeser kesetimbangan, tetapi hanya mempercepat lajunya reaksi untuk mencapai kesetimbangan.

D.      KESETIMBANGAN KIMIA DALAM INDUSTRI

Proses Industri pada bagian ini yang akan membahas tentang produksi amonia (NH₃) dan asam sulfat (H₂SO₄).

1.       Proses Haber-Bosch pada Pembuatan Amonia

Amonia (NH₃) merupakan senyawa penting dalam bidang kimia produksi. Sebagai contoh dalam pembuatan pupuk, asam nitrat dan senyawa nitrat untuk berbagai keperluan.Proses pembuatan amonia dilakukan melalui reaksi:        

 

Proses ini dikenalkan oleh Fritz Haber ilmuwan berkebangsaan Jerman. Proses reaksi pembuatan amonia ini terkenal dengan proses Haber-Bosch untuk menghormati Karl Bosch, seorang insinyur yang mengembangkan peralatan pembuatan amonia untuk skala industri.

Reaksi pembuatan amonia ni merupakan reaksi kesetimbangan.Oleh karena itu untuk mendapatkan amonia sebanyak-banyaknya digunakan azas Le Chatelier pada prosesnya. Untuk menggeser kesetimbangan ke arah pembentukan NH₃, maka konsentrasi N₂ dan H₂ diperbesar, dengan cara menaikkan tekanan kedua gas tersebut). Faktor lainnya yang harus diperhatikan adalah suhu dan tekan reaksi.

Reaksi yang terjadi pada proses pembuatan amonia ini adalah reaksi eksoterm, oleh sebab itu suhu reaksi harus diperkecil atau suhu reaksi harus rendah. Jika suhu rendah maka reaksi antara N₂ dan H₂ menjadi lambat, oleh karena itu harus ditambahkan katalis Fe yang diberi promotor (bahan yang mengaktifkan kerja katalis) Al₂O₃ dan K₂O.

Tekanan reaksipun harus diperhatikan, NH₃ akan banyak tebentuk pada kondisi reaksi dengan tekanan yang tinggi. Faktor pendudukung yang menyertainya adalah biaya yang lebih besar dan keamanan konstruksi bangunan pabrik.

 

2.           Pembuatan Asam Sulfat dengan proses Kontak

Asam sulfat juga merupakan bahan industri kimia lainnya yang sangat penting, yaitu digunakan sebagai bahan baku pembuatan pupuk. Proses pembuatan asam sulfat (H₂SO₄) ada dua cara, yaitu dengan proses kamar timbal dan proses kontak. Proses kamar timbal sudah ditinggalkan karena kurang menguntungkan secara ekonomi. Sedangkan proses kontak menghasilkan asam sulfat dengan kadar mencapai 99%  dan biaya yang dikeluarkan lebih murah. Di Indonesia pabrik asam sulfat antara lain terdapat di Petrokimia Gresik, PT Pusri Palembang, dan Kujang Jawa Barat.

Pembuatan asam sulfat meliputi tiga tahap yaitu:

a)       Pembakaran belerang menjadi belerang dioksida

 

S(s)   +   O₂(g)     →     SO₂(g)                   

 

b)      Oksidasi SO₂ menjadi SO₃ 

  

 

c)    Mereaksikan SO₃ dengan air. Pada tahap ini SO₃ tidak langsung direaksikan air, tetapi dilarutkan terlebih dahulu ke dalam larutan H₂SO₄

       

 

Belerang dioksida yang dihasilkan harus benar-benar murni, sebab jika mengandung pengotor akan mengganggu proses selanjutnya. Di Petrokimia Gresik, gas SO₂ di peroleh dari sisa pengolahan tembaga atas kerjasama dengan PT Freeport Indonesia (Papua).

Tahapan yang paling menentukan pada proses pembuatan asam sulfat adalah tahapan kedua, yaitu proses perubahan SO₂ menjadi SO₃. Reaksi pada proses ini merupakan reaksi kesetimbangan, maka untuk memperbanyak hasil harus memperhatikan azas Le-Chatelier.

a.      Reaksi tersebut menyangkut tiga partikel pereaksi (dua partikel SO₂ dan satu partikel O₂) untuk menghasilkan dua partikel SO₃. Jadi perlu dilakukan pada tekanan yang tinggi.

b.     Reaksi ke kanan adalah reaksi eksoterm (∆H =  ̶  196 kJ), berarti harus dilakukan pada suhu rendah. Masalahnya bila dilakukan suhu rendah, reaksi akan berlangsung lambat. Oleh sebab itu harus ditambahkan sebuah katalis, yaitu V₂O₅.

Channel Education