KTSP & K-13
kimia KESETIMBANGAN KIMIA 1 Tujuan Pembelajaran Setelah mempelajari materi ini, kamu diharapkan memiliki kemampuan berikut. 1. Memahami definisi reaksi kimia reversible dan irreversible. 2. Memahami definisi reaksi setimbang dan kesetimbangan dinamis. 3. Memahami definisi kesetimbangan homogen dan heterogen, serta contoh reaksinya. 4. Memahami definisi tetapan kesetimbangan (K). 5. Menyelesaikan persoalan terkait perhitungan nilai tetapan kesetimbangan konsentrasi (Kc) dan tekanan parsial (Kp). 6. Memahami hubungan antara tetapan kesetimbangan konsentrasi (Kc) dan tekanan parsial (Kp).
A. Reaksi Kimia Reversible dan Irreversible Berdasarkan arah reaksinya, reaksi kimia dikelompokkan menjadi dua, yaitu reaksi reversible (dapat balik) dan reaksi irreversible (tidak dapat balik). Reaksi reversible adalah reaksi kimia yang berjalan dua arah (bolak-balik), dari reaktan membentuk produk dan dapat kembali membentuk reaktan. Sementara itu, reaksi irreversible adalah reaksi kimia yang berjalan searah, dari reaktan membentuk produk dan tidak dapat kembali membentuk reaktan. Dari kaidah penulisan reaksi kimia, reaksi irreversible ditulis dengan panah searah ke kanan (), sedangkan reaksi reversible dituliskan dengan panah bolak-balik ().
K e l a s
XI
Contoh reaksi kimia reversible adalah reaksi pembentukan NH3 dari gas nitrogen dan gas hidrogen dalam proses Haber-Bosch, serta reaksi ionisasi asam asetat. N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) CH3COOH (aq) CH3COO- (aq) + H+ (aq) Contoh reaksi irreversible adalah reaksi pembakaran hidrokarbon, misalnya metana, dan reaksi ionisasi garam dapur. CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) NaCl (aq) Na+ (aq) + Cl- (aq)
B. Definisi Reaksi Setimbang Saat mempelajari laju reaksi, kita telah memahami bahwa suatu reaksi kimia berlangsung dalam kecepatan tertentu, termasuk reaksi reversible. Pada reaksi reversible, reaksi berlangsung dalam dua arah. Arah pertama adalah pembentukan produk dari reaktan, yang disebut reaksi maju (forward). Arah kedua adalah pembentukan kembali reaktan dari produk, yang disebut reaksi balik (backward). Reaksi maju dan reaksi balik memiliki laju reaksinya masing-masing. Suatu kondisi saat laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik disebut sebagai kondisi setimbang. Dengan demikian, reaksi setimbang atau kesetimbangan adalah suatu kondisi pada reaksi reversible saat laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik. Dalam reaksi setimbang, konsentrasi setiap komponen dalam reaksi adalah tetap. Hal ini terjadi karena penguraian suatu komponen berlangsung dalam kecepatan yang sama dengan pembentukannya kembali. Inilah yang dinamakan sebagai kesetimbangan dinamis. Dalam kesetimbangan dinamis, tidak tampak perubahan secara makroskopik (yang dapat diamati dan diukur), tetapi perubahan mikroskopik sebenarnya terus berlangsung.
C. Kesetimbangan Homogen dan Heterogen Kesetimbangan homogen adalah kondisi setimbang pada reaksi reversible saat zat-zat yang terlibat reaksi berada dalam fase (wujud) yang sama. Contoh kesetimbangan homogen adalah reaksi penguraian gas N2O4 menjadi gas NO2, yang semua komponennya (produk dan reaktan) berada pada fase gas (g). N2O4 (g) 2NO2 (g)
2
Kesetimbangan heterogen adalah kondisi setimbang pada reaksi reversible saat zatzat yang terlibat reaksi berada dalam fase (wujud) yang berbeda. Contoh kesetimbangan heterogen adalah reaksi ionisasi air menghasilkan ion H+ dan OH-. Air (H2O) dalam fase cair (l), sedangkan H+ dan OH- dalam fase larutan (aq). H2O (l) H+ (aq) + OH- (aq) Pada sistem kesetimbangan heterogen, nilai konstanta kesetimbangan hanya dipengaruhi oleh zat-zat yang berwujud gas (g) dan larutan (aq).
D. Hukum Kesetimbangan dan Tetapan Kesetimbangan Kondisi setimbang adalah suatu kondisi pada reaksi reversible saat laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik. Kondisi setimbang menyatakan kesamaan pada laju reaksi, bukan kesamaan pada jumlah dan konsentrasi zat-zat yang bereaksi. Dengan kata lain, kondisi ini tidak menyatakan bahwa konsentrasi produk sama dengan konsentrasi reaktan, dan tidak juga menyatakan bahwa konsentrasi zat-zat yang bereaksi sama dengan konsentrasi zat-zat yang terbentuk. Suatu percobaan untuk mengamati dinamika kesetimbangan reaksi antara N2O4 dan NO2 menunjukkan hasil sebagai berikut. Reaksi setimbang: N2O4 (g) 2NO2 (g) Hasil Pengamatan Dinamika Kesetimbangan Reaksi antara N2O4 dan NO2 Konsentrasi Awal
Konsentrasi Setimbang
Perbandingan Konsentrasi Saat Setimbang
[N2O4]
[NO2]
[N2O4]
[NO2]
[NO2 ] [N2 O4 ]
0,670
0,000
0,643
0,055
0,085
4,65 × 10–3
0,446
0,050
0,448
0,046
0,102
4,66 × 10–3
0,500
0,030
0,491
0,048
0,097
4,60 × 10–3
0,600
0,040
0,594
0,052
0,088
4,60 × 10–3
0,000
0,200
0,090
0,020
0,227
4,63 × 10–3
3
[NO2 ] [N2 O4 ]
2
Berdasarkan data perhitungan pada kolom paling kanan, diketahui bahwa perbandingan antara konsentrasi zat-zat saat setimbang menunjukkan nilai yang konstan. Kondisi tersebut dipenuhi saat konsentrasi gasnya dipangkatkan dengan koefisien reaksinya, yaitu NO2 dipangkatkan 2 dan N2O4 dipangkatkan 1. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa nilai perbandingan konsentrasi zat-zat saat setimbang dipangkatkan koefisiennya adalah konstan. Nilai konstan inilah yang dinamakan sebagai konstanta kesetimbangan (K). Hukum yang berkaitan dengan konstanta kesetimbangan disebut hukum kesetimbangan. Hukum kesetimbangan menyatakan, "Jika suatu reaksi dalam keadaaan setimbang, maka nilai perbandingan hasil kali konsentrasi produk dipangkatkan koefisiennya dengan hasil kali konsentrasi reaktan dipangkatkan koefisiennya adalah konstan." Secara umum, nilai konstanta kesetimbangan pada suatu reaksi dapat ditentukan sebagai berikut. aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)
[C] [D] K= a b [A ] [B] c
d
Keterangan: K = konstanta kesetimbangan; [A], [B], [C], [D] = konsentrasi zat-zat dalam satuan mol/L (M); dan a, b, c, d = koefisien reaksi. Oleh karena konstanta kesetimbangan tersebut dihitung dari konsentrasi zat, maka konstanta ini juga dapat disimbolkan dengan Kc, dengan “c” menunjukkan konsentrasi (concentration).
Contoh Soal 1 Reaksi pembentukan amonia (NH3) dari gas H2 dan N2 berlangsung dalam reaksi reversible. Pada kondisi setimbang, terdapat 1 mol H2, 2 mol N2, dan 2 mol NH3 dalam wadah tertutup bervolume 1 L. Besar konstanta kesetimbangan pada reaksi tersebut adalah ….
4
Pembahasan: Reaksi pembentukan amonia dari H2 dan N2 dapat dituliskan sebagai berikut. N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) Berdasarkan persamaan reaksi tersebut, konstanta kesetimbangan K untuk reaksi pembentukan amonia adalah sebagai berikut.
[NH3 ] 3 [N2 ][H2 ] 2
K=
Oleh karena [NH3] = 2 mol/L, [N2] = 2 mol/L, dan [H2] = 1 mol/L, maka:
(2) 3 ( 2 )(1) 2
K =
=2 Jadi, besar konstanta kesetimbangan pada reaksi tersebut adalah 2.
Contoh Soal 2 Pemanasan padatan CaCO3 yang menghasilkan padatan CaO dan gas CO2 berlangsung dalam reaksi reversible. Jika pada kondisi setimbang terdapat 3 mol CaCO3, 2 mol CaO, dan 2 mol CO2 dalam wadah tertutup bervolume 1 L, maka berapakah nilai konstanta kesetimbangannya (K)? Pembahasan: Reaksi pemanasan padatan CaCO3 menghasilkan padatan CaO dan gas CO2 dapat dituliskan sebagai berikut. CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) Berdasarkan persamaan reaksi tersebut, konstanta kesetimbangan K untuk reaksi pemanasan padatan CaCO3 adalah sebagai berikut. K = [CO2] Oleh karena [CO2] = 2 mol/L, maka: K=2 Jadi, nilai konstanta kesetimbangannya adalah 2.
5
E.
Konstanta Kesetimbangan Tekanan Parsial (Kp) Untuk sistem kesetimbangan homogen dengan zat-zat berwujud gas, konstanta kesetimbangannya juga dapat dihitung dengan data tekanan parsial (p). Tekanan parsial adalah tekanan suatu gas yang menempati ruang bervolume tertentu pada suhu tertentu. Nilai konstanta kesetimbangan yang dihitung berdasarkan tekanan parsial disimbolkan dengan Kp. Cara memperoleh Kp hampir sama dengan Kc. Untuk lebih jelasnya, perhatikan reaksi berikut. aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) Dengan memasukkan nilai tekanan parsial masing-masing gas, konstanta kesetimbangan tekanan parsial dari reaksi tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut.
Kp =
F.
( pC )c ( pD )d ( pA )a ( pB )b
Hubungan Kc dengan Kp Perhatikan reaksi berikut. aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) Ingat bahwa nilai konstanta kesetimbangan Kc dari reaksi tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut.
( C ) (D ) a b ( A ) (B ) c
Kc =
d
Dengan diketahui besarnya volume ruang atau wadah, suhu, dan jumlah mol gasgas dalam reaksi saat setimbang, nilai tekanan parsial masing-masing gas dapat dihitung dengan rumus gas ideal. pV=nRT p=
n R T = M R T, dengan M = konsentrasi zat V
6
Dengan memasukkan persamaan di atas ke dalam rumus Kp, maka diperoleh: KP
([C] ⋅ R ⋅ T ) ([D] ⋅ R ⋅ T ) = ([A ] ⋅ R ⋅ T ) ([B] ⋅ R ⋅ T ) c
d
a
b
[C] [D] R ⋅ T {( ( ) [A ] [B] = K (R ⋅ T ) =
c
d
a
b
c + d ) − ( a+b )}
∆N
C
Jadi, hubungan Kc dengan Kp adalah sebagai berikut. Kp = Kc (RT)∆N Keterangan: Kp = konstanta kesetimbangan tekanan parsial; Kc = konstanta kesetimbangan konsentrasi zat; R
= konstanta gas ideal (8,314 J/mol K atau 0,082 L atm/mol K);
T
= suhu mutlak; dan
∆N = selisih antara jumlah koefisien produk dengan jumlah koefisien reaktan.
Contoh Soal 3 Reaksi penguraian gas sulfur trioksida dalam kesetimbangan dituliskan sebagai berikut. 2SO3 (g) 2SO2 (g) + O2 (g) Jika pada kondisi setimbang terdapat 2 mol gas SO3, 4 mol gas SO2, dan 2 mol gas O2 dalam wadah tertutup bervolume 1 L, maka nilai Kp pada suhu 27oC adalah …. (R = 0,082 L atm/mol K) Pembahasan: Diketahui: [SO3] = 2 mol/L [SO2] = 4 mol/L [O2] = 2 mol/L T
= 27oC = 27 + 273 = 300 K
R
= 0,082 L atm/mol K
7
Ditanya: Kp = ... ? Dijawab: Ada dua cara yang dapat digunakan untuk menyelesaikan soal tersebut. Cara 1: menghitung tekanan parsial masing-masing gas, kemudian memasukkan nilai tekanan parsial tersebut ke dalam rumus Kp. Tekanan parsial dapat dihitung dengan rumus berikut. p=MRT pSO3 = (2 mol/L) (0,082) (300) = 49,2 atm pSO2 = (4 mol/L) (0,082) (300) = 98,4 atm pO2 = (2 mol/L) (0,082) (300) = 49,2 atm Dengan demikian, diperoleh:
( pSO ) ( pO ) = ( pSO ) ( 98, 4 ) ( 49,2 ) = ( 49,2 ) 2
KP
2
2
2
3
2
2
= 196, 8 Cara 2: menghitung Kc terlebih dahulu, kemudian menghitung Kp dengan rumus Kp = Kc (RT)∆N. Konstanta kesetimbangan konsentrasi dari reaksi tersebut dapat ditentukan dengan rumus berikut.
[SO ] [O ] [SO ] ( 4 ) (2) = (2) 2
KC =
2
2
2
3
2
2
=8 Dengan demikian, diperoleh: Kp = Kc (RT)∆N = 8 (0,082 × 300)(3 − 2) = 196,8 Jadi, nilai Kp reaksi tersebut pada suhu 27oC adalah 196,8.
8
