Kesetimbangan Kimia Abdul
Wahid
2
0
Surhim
1
4
Rujukan • Chapter 12 dan 14: Masterton, William L. and Hurley, Cecile N. 2009. Chemistry: Principles and Reactions. Sixth Edition. Books/Cole. Cengage Learning
Kerangka Pembelajaran 1. 2. 3. 4.
Keadaan Kesetimbangan Konstanta Kesetimbangan Kesetimbangan Heterogen Faktor-faktor yang Mengubah Komposisi Campuran Kesetimbangan 5. Pengaruh Katalis 6. Kesetimbangan dalam Larutan Asam-Basa (Buffer)
Mencapai Kesetimbangan
Keadaan Kesetimbangan
aA bB cC dD Dengan berjalannya waktu, konsentrasi reaktan turun dan konsentrasi produk naik sampai tingkat konsentrasi keduanya berada pada kondisi tetap, harga kesetimbangannnya (equilibrium values). 1. Laju reaksi maju dan balik adalah sama. 2. Keadaan kesetimbangan kimia. 3. Campuran kesetimbangan – campuran reaktan dan produk yang berada pada keadaan setimbang. 4. Keadaan dinamik – reaksi maju dan balik berjalan pada laju yang sama. • Tidak ada konversi netto reaktan ke produk
Konstanta Kesetimbangan
aA bB cC dD
C D Kc a b A B
aA bB cC dD
1 K Kc
Fasa GAS:
aA(g) bB(g) cC(g) dD(g)
c
d
' c
K p K c RT
n
pCc pDd Kp a b p A pB n = (c + d) – (a + b)
Contoh • Untuk reaksi CO (g) + 2 H2 (g) CH3OH (g) konsentrasi kesetimbangannya adalah: [CO]e = 2.58 M; [H2]e = 0.280 M; [CH3OH]e = 2.93 M pada suhu 210o C. Hitung konstanta kesetimbangan, Kc, untuk reaksi ini dan Kp
Jawaban [CH3 OH] Kc [CO][H 2 ]2
(2.93) Kc 2 14.5 (2.58)(0.280)
n = -2 2
L atm 483K 9.22 10 3 Kp (14.5) 0.0821 mol K
Kesetimbangan Heterogen • Kesetimbangan homogen (homogeneous equilibria) – raktan dan produk berada pada fasa tunggal. • Kesetimbangan heterogen (heterogeneous equilibria) - raktan dan produk berada pada lebih dari satu fasa. – Padatan – konsentrasi molarnya tetap • Dapat dihitung dari densitas dan massa molar. • Bebas dari jumlahnya – Konsentrasi padatan murni atau cairan murni tidak dimasukkan saat menulis persamaan kesetimbangan untuk kesetimbangan heterogen
Menilai Tingkat Reaksi
C D Kc a b A B c
• Nilai Kc BESAR ( > 103) – Produk menonjol dibanding reaktan – Reaksi mengarah hampir ke sempurna – Posisi reaksi KE KANAN
• Nilai Kc KECIL ( < 10-3) – Reaktan menonjol dibanding produk – Reaksi sulit tidak mendahului – Posisi reaksi KE KIRI
• 10-3 < Kc < 103 – Ada jumlah cukup besar dari reaktan dan produk
d
Prediksi Arah Reaksi • Hasil bagi reaksi (reaction quotient), Qc, sama seperti konstanta kesetimbangan
kecuali bahwa konsentrasi-konsentrasinya tidak perlu pada nilai kesetimbangan. • Prediksi arah reaksi dengan membandingkan harga Qc terhadap Kc. – Qc < Kc; reaksi berlangsung dari kiri ke kanan – Qc > Kc; reaksi berlangsung dari kanan ke kiri – Qc = Kc; reaksi pada kesetimbangan
Contoh • Kc = 4.18 10-9 at 425oC untuk reaksi berikut:
2 HBr (g) H2 (g) + Br2 (g) bagaimana posisi kesetimbangannya? Jika konsentrasi semua jenis yang ada: [HBr] = 0.75 M; [H2] = [Br2] = 2.5 10-4 M. Apakah campuran reaksinya pada kesetimbangan? Ke arah mana reaksi akan berlangsung?
Jawaban Qc
4 4 2.5 10 2.5 10 [H2 ][Br2 ] 7 1.1 10
0.752
[HBr] 2
Kc = 4.18 10-9 Qc > Kc KANAN KE KIRI
[H 2 ][Br2 ] [HBr]e Kc
2.5 10 2.5 10 3.8 4
4.18 109
4
Contoh • Reaksi PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) memiliki Kc = 85.0 pada suhu 760oC. • Hitung konsentrasi kesetimbangan dari PCl5, PCl3, and Cl2 jika konsentrasi awal PCl5 adalah 5.00 M. Asumsikan volumenya 1.00 L
M; M
Jawaban PCl3 (g) + 0 +x x
PCl5 (g) Initial Concentration (M) 5.00 Change (M) -x Equilibrium Concentration (M) 5.00 - x
PCl3 Cl2 Kc PCl5
85.0
425 85.0x x ;
x
x x 5.00 x
2
2
85.0
Cl2 (g) 0 +x x
x 85.0x 425 0
7.23 10 1.7 10 89.7;4.74 3
2 PCl5 5. 00 4. 74 0. 26
PCl 3 Cl 2 4. 74
3
Faktor-faktor yang Mengubah Komposisi Campuran Kesetimbangan • Ada 3 faktor 1. Konsentrasi reaktan atau produk 2. Tekanan dan volume 3. Suhu
• Prinsip Le Châtelier – Jika sebuah tekanan diterapkan pada sebuah campuran pada kesetimbangan, reaksi terjadi pada arah yang sebaliknya
Pengaruh Konsentrasi • Menambah – Reaktan reaksi ke arah produk (kanan) – Produk reaksi ke arah reaktan (kiri)
• Mengurangi – Reaktan reaksi ke arah reaktan (kiri) – Produk reaksi ke arah produk (kanan)
Pengaruh Tekanan dan Volume • Naiknya tekanan (disebabkan oleh turunnya volume) arah reaksi ke jumlah mol gas yang LEBIH SEDIKIT • Begitu pula sebaliknya • Pada kesetimbangan heterogen: pengaruh tekanan terhadap padatan dan cairan diabaikan • Jika jumlah mol gas reaktan = jumlah mol gas produk tidak ada pengaruh tekanan
Pengaruh Tekanan • Apakah hubungan antara Q dan K pada Titik 1, 3 dan 4? • Apa yang menyebabkan gangguan pada Titik 2?
Pengaruh Tekanan • Jika pada saat waktu = 100 detik N2O4 dinaikkan tekanannya menjadi 1,0 atm apa yang akan terjadi setelah itu?
Pengaruh Tekanan kompresi
• Prinsip Le Châtelier kompresi menyebabkan reaksi ke arah yang molnya kecil. • Beberapa molekul NO2 bergabung satu sama lain membentuk N2O4 sehingga mol NO2 turun dan mol N2O4 naik serta menurunkan tekanan total
Menerka Koefisien Stoikiometri Berdasarkan table di bawah ini, perkirakan koefisien stoikiometri persamaan kimia berikut:
A(g) B(g) Time 0 pA 2 pB 0.1
50 100 1.25 0.95 0.6 0.8
150 0.8 0.9
200 250 0.71 0.68 0.96 0.98
300 0.58 0.88
Pengaruh Suhu • Perubahan konsentrasi, tekanan dan volume: – Qc ≠ Kc – Kc tetap pada suhu tetap
• Pengaruh suhu tergantung pada jenis reaksinya – Eksotermis: suhu naik maka arahnya ke kiri – Endotermis: suhu naik maka arahnya ke kanan
Contoh • Bagaimana perubahan berikut merubah kesetimbangan reaksi: 3 Fe (s) + 4 H2O (g) ↔ Fe3O4 (s) + 4 H2 (g) a. b. c. d. e.
H2O dihilangkan dari sistem. H2 dihilangkan dari sistem. Volume dari wadah dinaikkan. Fe3O4 ditambahkan pada sistem. Suhu naik
Ho = -150 kJ
Persamaan van’t Hoff
K 2 H 1 1 ln K1 R T1 T2 o
• K1 dan K2 adalah konstanta kesetimbangan pada T1 dan T2 • Ho adalah perubahan enthalpi standar untuk reaksi maju • R konstanta gas idela 8.31 J/mol.K
Contoh N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
Ho = -92.2 kJ
• Diketahui K = 6x105 pada 25oC • Berapa K pada 100oC? K2 92200 1 1 ln 7,5 5 6 x10 8,31 298 373 K2 4 6 x 10 6 x105 2 K 2 4 x10
Pengaruh Katalis • Katalis berpengaruh pada energi aktivasi (menurunkannya) • Tidak ada perubahan pada konsentrasi • Faktor yang mempengaruhi reaksi dengan adanya katalis sama dengan tidak ada katalis
Hubungan dengan Kinetika Kimia • Untuk reaksi: A + B C + D. – Laju reaksi maju = kf[A][B] – Laju reaksi balik = kr[C][D] – Pasa kesetimbangan: kf[A][B] = kr[C][D] or
kf kr
CD K c A B
• Harga relatif kf dan kr menentukan komposisi campuran kesetimbangan – kf >> kr; Kc sangat besar; reaksi menuju sempurna. • Reaksi irreversibel • Reaksi balik terlalu lambat untuk dideteksi
– kf kr; Kc 1; reaktan dan produk berada pada kesetimbangan. • Reaksi reversibel
Contoh • Hitungan konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi: H2O (l) H+ (aq) + OH- (aq)
diketahui bahwa kf = 2.4 10-5 s-1 dan kr = 1.3 1011 s-1 serta bahwa K dinyatakan:
[H+ ][OH - ] K [H 2 O] 2.4 10 5 s-1 16 Kc 1.8 10 1.3 1011 M-1 s-1
Kesetimbangan pada Larutan Asam-Basa • Buffer • Indikator Asam-Basa • Titrasi Asam-Basa
BUFFER (Penyangga) • Larutan BUFFER – Larutan yang dapat mempertahankan harga pH jika kedalam larutan tersebut ditambahkan sejumlah kecil asam, basa atau dilakukan pengenceran
• Jenis larutan buffer – Asam lemah dan garamnya – Basa lemah dan garamnya
• Contoh – Larutan CH3COOH dan CH3COONa – Larutan HCN dan KCN – Larutan NH3 dan NH4Cl
pH
H B
K asam
-
HB HB
H K B
a
pH pK a
-
B log -
HB
Persamaan Henderson-Hesselbalch
Penyederhanaan pH • Persamaan pH dapat disederhanakan pada DUA kondisi 1. Dianggap bahwa kesetimbangan dicapai tanpa mengubah konsentrasi awal: [HB] = [HB]o [B-] = [B-]o
2. Karena HB dan B- ada pada larutan yang sama, maka rasio konsentrasinya = rasio mol-nya
HB Jumlah mol HB/V nHB
B -
Jumlah mol B- /V nHB [H ] K a nB
nB
Contoh Asam laktat C3H6O3 adalah asam organik lemah yang ada dalam susu asam dan susu mentega. Asam ini juga merupakan hasil metabolisma karbohidrat dan ditemukan dalam darah setelah aktivitas yang menguras tenaga. Sebuah buffer dipersiapkan dengan menguraikan asam laktat, HLak (Ka = 1.4 x 10-4) dan sodium laktat NaC3H5O3, NaLak. Hitung [H+] dan pH jika buffer itu dibuat dari 1. 1.00 mol sodium laktat dan 1.00 mol asam laktat dalam air yang cukup untuk membuat larutan 550.0 mL 2. 34.6 gram NaLak diuraikan dalam 550.0 mL dari 1.20 M larutan HLak (asumsi: tidak ada perubahan volume)
Jawaban 1.
nHLak 4 1.00 [H ] K a 1.4 x10 1.4 x10 4 nLak 1.00
pH log 1.4 x10 4 3.85
2.
Memilih Sistem Buffer HB K
H K B
a
-
a
nHB nB-
• Dari persamaan di atas: pH bergantung pada dua faktor 1. Konstanta kesetimbangan asam dari asam lemah (Ka) pengaruhnya sangat besar karena HB/B- ≈ 1, sehingga [H+] ≈ Ka
pH ≈ pKa
2. Rasio konsentrasi HB dan B-
Berbagai Sistem Buffer
Contoh • Diinginkan buffer dengan pH = 9.00 a) Berdasarkan Tabel 14.1 sistem buffer mana yang dipilih? b) Berapa seharusnya rasio konsentrasi asam lemah, HB, dan basa konjugatnya, B-? c) Berapa B- harus ditambahkan ke 245 mL dari 0.880 M HB untuk mendapatkan pH = 9.00?
Jawaban
Pendekatan Lain • Pendekatan di atas adalah dengan MENCAMPURKAN ASAM LEMAH DENGAN KONJUGAT BASANYA • Pendekatan lain: netralisasi parsial dari asam lemah atau basa lemah yang memberikan buffer • Ilustasi: 0.18 mol HCl ditambahkan kedalam 0.28 mol NH3. Reaksinya:
Contoh Industri pangan menggunakan buffer asam asetat/sodium asetat untuk mengendalikan pH makanan. Diketahui campuran asam asetat, HC2H3O2 (HAc), dan sodium hidroksida, tunjukkan dengan perhitungan yang mana larutan berikut yang sebagai buffer? a) 0.300 mol NaOH dan 0.500 mol HC2H3O2 b) 25.00 mL 0.100 M NaOH dan 35.00 mL 0.125 M HC2H3O2 c) 5.00 g NaOH dan 150.0 mL 0.500 M HC2H3O2
Jawaban
Efek Penambahan H+ atau OHpada Buffer • pH buffer akan berubah sedikit pada penambahan jumlah yang sedang dari asam kuat atau basa kuat • Penambahan H+ akan menukar jumlah yang sama dari basa lemah B- pada konjugat asamnya HB:
Penambahan HCl
Penambahan
OH
• Rasio nHB/nB- berubah sehingga merubah konsentrasi ion H+ dan pH buffer • Efeknya biasanya kecil
Contoh • Seperti pada contoh sebelumnya: nHLak = nLak- = 1.00 mol (Ka HLak = 1.4 x 10-4). pH buffernya adalah 3.85 • Hitung pH setelah penambahan a) 0.08 mol HCl b) 0.08 mol NaOH
Jawaban
Analisis Dari contoh di atas didapatkan beberapa hal • Buffer efektif untuk menyerap ion H+ atau OH• Ini penting • Pada reaksi orde satu dalam H+ • Jika ingin menaikkan pH dari 5 ke 7, mungkin dengan mengabsorpsi ammonia dari air, lajunya bisa turun dengan faktor 100 • Reaksi yang seharusnya sempurna dalam 3 JAM akan terus berlangsung saat Anda kembali 3 HARI kemudian • Sedikit aneh bahwa Kimiawan sering bekerja dengan buffer untuk menghindari malapetaka jenis ini
Kapasitas Buffer • Buffer memiliki kapasitas yang terbatas untuk bereaksi dengan ion H+ atau OH- tanpa mengalami perubahan pH yang drastis • Kapasitas Buffer untuk menyerap ion H+ atau OH- adalah berhubungan terbalik dengan slope dari kurva • Perhatikan sistem buffer H2CO3-HCO3-
Analisis
Rentang Buffer • Rentang buffer (buffer range) adalah rentang pH yang mana buffer bekerja secar efektif • Ini berhubungan dengan rasio konsentrasi asam lemah dan kojugat basanya • Rentang rasionya biasanya 0.1 – 10 – Log 0.1 = -1 dan log 10 = 1 – Atau ± 1 pH
Contoh
Latihan • Untuk menjaga kinerja pH enzim lipase dari serbuk wijen dalam reaksi eterifikasi-enzimitas Gliserol dan Asam Laurat dengan enzim lipase dari serbuk wijen diperlukan Buffer Fosfat 0,10 M pH 7,5. Menurut General Lab Technique larutan K2HPO4 dan larutan KH2PO4 yang diperlukan untuk membuat larutan buffer fosfat tersebut masing-masing memiliki pKas 7,21 dan 12,3; sedangkan berat molekul masing-masing adalah 174,18 g/mol dan 136,09 g/mol. Dengan menggunakan persamaan Henderson-Hasselbach (HH), berapa berat masing-masing per 1 liter larutan? Konsentrasi buffer fosfat sama dengan jumlah konsentrasi K2HPO4 dan KH2PO4 yang diperlukan untuk pembuatan buffer tersebut.
