Kinetika Kimia Abdul Wahid Surhim 2014
Kerangka Pembelajaran • Laju Reaksi • Hukum Laju dan Orde Reaksi • Hukum Laju Terintegrasi untuk Reaksi Orde Pertama • Setengah Reaksi Orde Pertama • Reaksi Orde Kedua • Laju Reaksi dan Suhu; Persamaan Arrhenius • Menggunakan Persamaan Arrhenius • Katalis Homogen dan Heterogen
Laju Reaksi • LAJU REAKSI – Seberapa cepat reaktan atau produk berubah per satuan waktu (konsentrasi) Laju ( waktu)
• Satuan: M/detik atau (mol/L)/detik • Gunakan tanda minus (-) untuk laju kehilangan reaktan
Laju Reaksi • Laju relatif pembentukan produk dan konsumsi reaktan tergantung pada koefisien persamaan yang disetarakan • Perlu ditentukan produk atau reaktan ketika menyatakan sebuah persamaan laju reaksi • Perubahan laju sesuai dengan reaksi yang berjalan – Tentukan waktunya – Laju reaksi menurun sebanding dengan habisnya reaktan
Perubahan Laju Reaksi
C A rA Waktu
Contoh • Ditemukan bahwa laju pembentukan N2 yang mengikuti reaksi 4 NH3 (g) + 3 O2 (g) 2 N2 (g) + 6 H2 O (g)
adalah 0.52 Ms-1 pada waktu tertentu. • Berapa laju penghilangan NH3? mol N2 4 mol NH3 mol NH3 0.52 1.04 Ls 2 mol N2 Ls
Hukum Laju dan Orde Reaksi (1) • Hukum Laju – menyatakan ketergantungan laju reaksi pada konsentrasi
• Persamaan yang menceritakan berapa lajunya tergantung pada konsentrasi tiap reaktan • Untuk reaksi a A + b B produk, hukum lajunya adalah A m n Rate = -
t
k A B
k = konstanta proporsionalitas yang disebut konstanta laju
Hukum Laju dan Orde Reaksi (1) • Orde Reaksi – ditentukan oleh harga pangkatnya • Harga pangkat pada hukum laju HARUS ditentukan melalui eksperimen; TIDAK DAPAT disimpulkan dari stoikiometri reaksi (tidak ada hubungan) A m n Rate = kA B t
• Orde kesuluruhan reaksi = m + n
Makna Orde Laju Reaksi A m n Rate = kA B t
• Biasanya ordenya berupa bilangan bulat kecil, akan tetapi bisa juga negatif, nol, bahkan pecahan • Pangkat = 1; lajunya tergantung secara linear pada konsentrasi reaktan yang berhubungan • Pangkat = 0; lajunya bebas dari konsentrasi reaktan yang berhubungan • Pangkat < 1; lajunya turun jika konsentrasi reaktan yang berhubungan naik
Menentukan Laju Reaksi Secara Eksperimen • Laju reaksi ditentukan dengan mengukur laju awal reaksi sebagai fungsi kumpulan konsentrasi awal yang berbeda-beda • Penggunaan laju awal reaksi adalah untuk menghindari komplikasi dengan reaksi balik – Hanya mengukur reaksi kearah maju – Hanya reaktan dan katalis yang muncul dalam hukum laju
Prosedurnya 1. Disain pasangan eksperimen untuk menginvestigasi pengaruh konsentrasi awal dari reaktan tunggal pada laju awal perubahan 2. Jika penggandaan sebuah reaktan, lajunya juga dua kali lipat, maka reaksi orde 1 pada reaktan tersebut 3. Jika penggandaannya, lajunya sesuai dengan faktor 22 = 4, maka orde 2
Penentuan k • • • •
Harganya merupakan sifat dari reaksi Tergantung pada suhu Tidak bergantung pada konsentrasi Satuannya bergantung pada jumlah konsentrasi dalam hukum laju dan pada nilai pangkatnya
Contoh
• • • •
2 NO (g) + 2 H2 (g) N2 (g) + 2 H2O (g) orde 1 terhadap H2 dan orde 2 pada NO Tulis hukum lajunya Berapa keseluruhan orde reaksinya? Berapa perubahan laju reaksi jika konsentrasi H2 digandakan sedangkan NO dijaga tetap? Berapa perubahan laju reaksi jika konsentrasi NO dipotong setengahnya sedangkan H2 dijaga tetap?
Jawaban a) Laju = [H2][NO]2 b) Orde keseluruhan = 1 + 2 = 3 c) Jika [H2] digandakan dan [NO] tetap, maka reaksinya akan digandakan: (2)1 = 2 d) Jika [NO] dipotong setengahnya, maka reaksinya menjadi ¼: (1/2)2 = ¼
Latihan [NO]I 0.15 0.30 0.45 0.15 0.15
[H2]I 0.15 0.15 0.15 0.30 0.45
Rate (Ms-1) 8.54 10-6 3.42 10-6 2.00 10-6 1.71 10-5 2.56 10-5
Berapa laju reaksinya? Berapa harga k?
Hukum Laju Terintegrasi untuk Reaksi Orde Pertama dC A kCA dt dC A kdt ln C A kt ln c CA Pada t 0 : C A C A0 ln C A0 0 ln c c C A0 ln C A kt ln C A0 ln C A ln C A0 CA e kt C A0
C A C A0 e kt
CA kt ln kt C A0
Menentukan k (Orde 1) ln C A kt ln C A0 ln CA
ln CA0
Slope = k t
Contoh • Reaksi sukrosa dengan air membentuk glukosa C12H22O11 + H2O 2 C6H12O6 • Reaksi ini orde 1 terhadap sukrosa. Tentukan k jika reaksinya memerlukan waktu 9.70 jam untuk menurunkan konsentrasi sukrosa dari 0.00375 M ke 0.00252 M. Tentukan waktu yang diperlukan untuk menyempurnakan reaksi sampai 80%
Jawaban CA CA / t ln kt k ln C A0 C A0
0.00252 2 1 k ln / 9.70 4.10 x10 h 0.00375
• 80% sempurna = 0.800 x 0.00375 = 3.00x10-3 • Sisa sukrosanya = 0.00375 – 3.00x10-3 = 7.50x10-4 7.50 x10 4 / 4.10 x10 2 39.3h t ln 0.00375
Setengah Reaksi Orde Pertama • Setengah reaksi (t1/2): waktu yang diperlukan reaksi untuk mencapai setengah dari harga mulamula • CA = ½ CA0 1 / 2C A0 CA / k ln kt t1 / 2 ln C A0 C A0 t1/ 2
0.693 k
Untuk orde 1 hanya tergantung pada k
Contoh • Berapa setengah reaksi dari reaksi sukrosa pada contoh sebelumnya?
t1/ 2
0.693 0.693 16.9h 2 k 4.10 x10
Reaksi Orde Kedua dC A 2 kCA dt
dC A 1 k dt k1t c 1 2 CA CA 1 1 Pada t 0 : C A C A0 0c c C A0 C A0 1 1 1 1 kt kt CA C A0 CA C A0 1 C A kt
CA C A0 C AC A0 kt C A C A0
C A0 C A 1 C A0 kt
CA
C A0 1 C A0 kt
Menentukan k (Orde 2)
1/CA
1 1 kt CA C A0
Slope = k 1/CA0
t
Setengah Reaksi Orde 2 1 1 kt CA C A0 1 1 2 1 kt1/ 2 kt1/ 2 1 / 2C A0 C A0 C A0 C A0 1 kt1/ 2 C A0
t1/ 2
1 kCA0
Example The reaction 2 NOBr (g) 2 NO (g) + Br2 (g) is a second order reaction with respect to NOBr. The rate constant for this reaction is k = 0.810 M-1s-1 when the reaction is carried out at a temperature of 10o C. If the initial concentration of NOBr = 7.5 10-3 M, how much NOBr will be left after a reaction time of 10 minutes? Determine the half-life of this reaction.
Jawaban 1 1 -1 -1 (0.810 M s ) (600 s) ; 3 NOBr t 7.5 10 M 1 6.19 10 2 M-1 ; NOBr t
t1/ 2
NOBr t 1.6 10 3 M
1 160 s -1 1 3 0.810 M s (7.5 10 M)
Perbedaan Laju Reaksi Orde 0, 1 dan 2 Kriteria Orde 0 Persamaan Laju Laju = -k Reaksi Sifat Laju Reaksi Konstan
Orde 1 Laju = -k.[A]
Proporsional terhadap konsentrasi Satuan k mol/(L.min.) 1/min. Persamaan Garis [A] = -kt + [A0] ln[A] = -kt + ln[A0] Setengah Reaksi t1/2 = [A0]/(2k) t1/2 = 0.693/k
Orde 2 Laju = -k.[A]2 Kuadratik
L/(mol.min.) 1/[A] = kt + 1/[A0] t1/2 = 1/k[A0]
Latihan • The following data was collected for the general reaction: D ( g ) + K ( s ) E (l) + 2 A ( g ) Time (s) [D]
0
100
200
300
400
0.175 0.151 0.132 0.118 0.106
• Determine the order of the reaction and the rate constant. Determine the amount of time required for the reaction to reach 50% completion and the amount of time required for the reaction to reach 95% completion.
Mekanisme Reaksi • Mekanisme Reaksi – Urutan kejadian molekuler, atau tahapan reaksi, yang menggambarkan jalur dari reaktan menuju produk
• Tahapan reaksi melibatkan pemutusan ikatan kimia dan/atau pembuatan ikatan baru • Dengan mengetahui mekanisme reaksi kita dapat mengendalikan reaksi yang diketahui dan memprediksi reaksi baru
Tahapan Elementer • Tahapan Elementer: Gambaran kejadian molekuler secara individual (tumbukan molekul secara individual) • Menggambarkan mekanisme reaksi • Terklasifikasikan pada basis molekularitasnya – Molekularitas: jumlah molekul sisi reaktan dari persamaan kimia – Reaksi unimolekuler: reaksi elementer yang melibatkan molekul reaktan tunggal – Reaksi bimolekuler: reaksi elementer yang dihasilkan dari tumbukan energetik antara dua molekul reaktan – Reaksi termolekuler: melibatkan tiga atom atau melekul jarang
Reaksi Antara • Reaksi antara – Spesies yang dibentuk dalam satu tahap dari mekanisme reaksi dan habis pada tahapan berikutnya
• Tidak muncul lagi pada reaksi bersih dari keseluruhan reaksi • Yang hadir hanyalah yang tercatat dalam reaksi elementer
Hukum Laju dan Mekanisme Reaksi • Hukum laju dari reaksi keseluruhan ditentukan dari eksperimen • Hukum laju dari reaksi elementer ditentukan dari molekularitasnya – Berisi konsentrasi tiap reaktan pangkat koefisiennya pada persamaan kimia untuk reaksi elementer – HANYA diterapkan pada reaksi elementer bukan reaksi keseluruhan – Laju dari reaksi unimolekuler adalah orde 1 pada konsentrasi molekul reaktan
Hukum Laju Keseluruhan Reaksi • Secara eksperimen tergantung mekanisme reaksi • Pada tahap elementer tunggal: – Hukum laju eksperimental = hukum laju tahapan elementer
• Pada dua atau lebih tahapan – Tahapan yang dipilih adalah yang paling lambat (teori kemacetan)
• Keseluruhan reaksi dapat terjadi tidak lebih cepat dari pada kecepatan dari tahapan yang menentukan laju tersebut
Dua Kriteria • Dua kriteria untuk mekanisme reaksi yang dapat diterima 1. Tahapan-tahapan elementer harus dijumlah untuk memberikan reaksi menyeluruh 2. Mekanismenya harus konsisten dengan laju reaksi yang diobservasi untuk reaksi keseluruhan
Prosedur • Prosedur untuk menetapkan sebuah mekanisme reaksi 1. Tentukan hukum laju keseluruhan secara eksperimen 2. Temukan rangkaian tahapan-tahapan elementer 3. Perkirakan hukum lajunya berdasarkan mekanisme reaksinya • Mudah untuk menyanggah sebuah mekanisme; mustahil untuk “membuktikan” sebuah mekanisme
Contoh Z2 2 Z 2 Z + 3 H2O 2 ZH3 + 3/2 O2 2 ZH3 + 4 O2 2HZO3 + 2H2O a) Determine the overall reaction. b) Identify the reaction intermediates and determine the molecularity of each step. c) Determine the rate law if the second step is the rate determining step
Jawaban • Z2 2 Z 1 H 2O 2 Z + 3 H2O 2 ZH3 + 3/2 O2 2 ZH3 + 4 O2 2HZO3 + 2H2O 5/2 O2 Overall reaction: Z2 + H2O + 5/2 O2 2HZO3
• The reaction intermediates are those species in the reaction mechanism that are not included in the overall reaction: Z, ZH3. The molecularity of the 1st step = 1 (unimolecular) The molecularity of the 2nd step = 5 The molecularity of the 3rd step = 6. Rate law = k[Z]2[H2O]3
Model Tumbukan; Energi Aktivasi
Konsentrasi dan tumbukan molekul. Molekul merah harus menumbuk molekul biru agar terjadi reaksi. (a) Molekul merah tunggal menggerakkan 10 molekul biru dan bertumbukan dengan 2 dari molekul biru tersebut per detik. (b) Dengan penggandaan molekul biru, tumbukan menjadi 4 molekul per detik
Tumbukan Efektif dan Tidak Efektif
Laju Reaksi dan Suhu; Persamaan Arrhenius • Laju Reaksi = p fZ[A][B] dengan – Faktor STERIK (p): fraksi tumbukan yang memiliki orientasi yang tepat – Z adalah konstanta yang berhubungan dengan frekuensi tumbukan – Fraction, f e Ea / RT – k: k pfZ pZe Ea / RT
Diagram Energi Reaksi
C
A
B
• Energi aktivasi = 134 kJ • Reaktan ada di titik A • H = -226 kJ • Energi aktivasi untuk reaksi balik = 134 + 226 = 360 kJ • Produk ada di titik B • Di titik C terdapat kompleks teraktivasi
Pengaruh Suhu
Fraksi tumbukan yang efektif naik karena naiknya suhu laju reaksi naik
Menggunakan Persamaan Arrhenius
k Ae
Ea
RT
Ea ln k ln A RT
Persamaan Dua-Titik
Contoh:
Katalis k Ae
Ea
kcat Ae
RT Ecat
RT
Ea Ecat k kcat KATALIS: zat yang mempercepat laju reaksi tanpa dikonsumsi olehnya
Katalis Heterogen • Katalis Heterogen: katalis yang berbeda fasa dengan campuran reaksi • Contoh: dekomposisi N2O dengan katalis emas
Catalytic Converter
Katalis Homogen • Katalis Homogen: katalis yang sama fasanya dengan campuran reaksi (reaktan) • Contoh: dekomposisi hidrogen peroksida yang lambat tanpa katalis
• Dengan katalis NaI:
Enzim • Enzim adalah molekul protein yang tinggi massa molarnya • Enzim bisa berfungsi sebagai katalis Enzim dalam kentang mengkatalisasi dekomposisi larutan hidrogen peroksida, sebagaimana ditunjukkan oleh gelembunggelembung oksigen
