Kinetika Kimia
Kinetika Kimia
• Mempelajari kecepatan/laju reaksi suatu proses/perubahan kimia. • Kinetika juga mempelajari bagaimana reaksi berlangsung Æmekanisme reaksi
Irwansyah, Ph.D
Referensi: Brown et.al; Chemistry, The Central Science, 11th edition
Irwansyah, Ph.D
Bahasan: Bagaimana kita mengukur laju reaksi.
Hukum Laju
Bagaimana laju bergantung/dipengaruhi jumlah reaktan.
Hukum Laju Terintegrasi
Bagaimana menghitung reaktan yang tersisa atau waktu yang dibutuhkan untuk mencapaii jjumlah l h ttertentu. t t
Waktu Paruh
Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mereaksikan 50% reaktan.
Persaman Arrhenius
Bagaimana konstanta laju dipengaruhi oleh suhu (T).
Mekanisme
H b Hubungan antara t llaju j d dengan proses yang terjadi pada skala molekular
Kinetika Kimia
2
Faktor yang mempengaruhi laju reaksi
Laju Reaksi
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
• Konsentrasi reaktan ¾ Pada saat konsentrasi meningkat, peluang (kemungkinan) terjadinya tumbukan akan semakin besar.
• Temperatur p ¾ Pada temperatur tinggi molekul reaktan memiliki energi kinetik lebih besar, bergerak lebih cepat, bertumbukan l bih sering. lebih i
• Katalis ¾ Mempercepat M t reaksi k i dengan d mengubah b h mekanisme. k i
3
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
4
Laju aju Reaksi ea s
Laju Reaksi C4H9Cl(aq) + H2O(l) ⎯⎯→ C4H9OH(aq) + HCl(aq) [C4H9Cl] M
Pada reaksi ini, k konsentrasi t i butil b til klorida, C4H9Cl, diukur pada d berbagai b b i waktu, kt t.
Laju L j reaksi k id dapatt dit ditentukan t k d dengan memonitor it perubahan konsentrasi produk maupun reaktan sebagai b i ffungsii waktu. kt Δ[A] vs Δt Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
5
Irwansyah, Ph.D
C4H9Cl(aq) + H2O(l) ⎯⎯→ C4H9OH(aq) + HCl(aq)
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
6
Laju aju Reaksi ea s
Laju Reaksi Average Rate, M/s
Kinetika Kimia
C4H9Cl(aq) + H2O(l) ⎯⎯→ C4H9OH(aq) + HCl(aq)
• Laju rata-rata menurun saat reaksi berlangsung. • Ini disebabkan karena pada saat reaksi berlangsung terdapat berlangsung, lebih sedikit tumbukan diantara molekul reaktan.
Laju rata-rata reaksi pada d setiap ti interval i t l adalah perubahan k konsentrasi t i dibagi dib i perubahan waktu :
7
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
8
Laju aju Reaksi ea s
Laju aju Reaksi ea s
C4H9Cl(aq) + H2O(l) ⎯⎯→ C4H9OH(aq) + HCl(aq)
C4H9Cl(aq) + H2O(l) ⎯⎯→ C4H9OH(aq) + HCl(aq)
• Plot Konsentrasi vs. Waktu menghasilkan kurva seperti disamping. • Slope/kemiringan garis singgung pada setiap titik j sesaat pada adalah laju waktu tersebut
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
• Reaksi semakin l b t karena lambat k konsentrasi reaktan b k berkurang.
9
Laju aju Reaksi ea s da dan Sto Stoikiometri o et
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
10
Laju aju Reaksi ea s da dan Sto Stoikiometri o et
C4H9Cl(aq) + H2O(l) ⎯⎯→ C4H9OH(aq) + HCl(aq) • Reaksi diatas, rasio C4H9Cl terhadap C4H9OH adalah 1:1. Jadi laju menghilangnya • Jadi, C4H9Cl sama dengan laju y C4H9OH. terbentuknya
Laju =
-Δ[C4H9Cl] Δt
Irwansyah, Ph.D
=
• Bagaimana kalau tidak 1:1? H2(g) + I2(g) ⎯⎯→ 2 HI(g) • Hanya 1/2 HI dihasilkan untuk setiap yang y g digunakan. g
H2
Δ[C4H9OH] Δt Kinetika Kimia
11
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
12
Laju aju Reaksi ea s da dan Sto Stoikiometri o et
Konsentrasi o se t as da dan Laju aju
• Secara umum, untuk reaksi aA + bB
Setiap reaksi memiliki persamaan tersendiri yang menunjukkan lajunya sebagai fungsi konsentrasi reaktan.
cC + dD
⇒disebut sebagai g Hukum Laju j ((Rate Law)) Reaktan (berkurang)
Irwansyah, Ph.D
Untuk menentukan hukum laju kita mengukur laju pada konsentrasi awal berbeda. berbeda
Produk (bertambah)
Kinetika Kimia
13
Irwansyah, Ph.D
Konsentrasi dan Laju
Kinetika Kimia
14
Konsentrasi dan Laju
Bandingkan g Experimen p 1 and 2: saat [NH4+] 2X lebih banyak , laju awal 2X lebih cepat. p Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
Bandingkan g pula Experimen p p 5 dan 6: saat [NO2 ] 2X lebih banyak, laju awal 2X lebih cepat. p 15
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
16
Konsentrasi dan Laju
Hukum Laju • Hukum laju menunjukkan hubungan antara laju reaksi dengan konsentrasi reaktan. • Untuk reaktan fase gas digunakan PA (tekanan) daripada [A] (konsentrasi molar). • k adalah suatu tetapan yang memiliki nilai spesifik untuk setiap reaksi • Nilai k ditentukan secara eksperimen.
Persamaan ini disebut hukum laju, dan k merupakan tetapan laju laju. Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
k adalah khas untuk setiap reaksi k berubah terhadap pT 17
Hukum Laju
Kinetika Kimia
Kinetika Kimia
18
Hukum Laju Terintegrasi
• Eksponen menunjukkan orde reaksi terhadap masing-masing reaktan. • Reaksi tersebut : Orde 1 (First-order) terhadap [NH4+] Orde 1 (First-order) terhadap [NO2−] • Orde reaksi total ditentukan dengan menambahkan eksponen reaktan. reaktan • Secara keseluruhan reaksi tersebut reaksi orde 2 (second-order )).
Irwansyah, Ph.D
Irwansyah, Ph.D
19
misalkan reaksi orde 1 : A → B Bentuk differensiasi:
Berapa banyak A tersisa setelah waktu t ? g metode integral: g Dengan
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
20
Hukum Laju Terintegrasi
Hukum Laju Terintegrasi
Bentuk integral hukum laju orde 1:
Penyusunan ulang persamaan menghasilkan…
Pen s nan ulang: Penyusunan lang
merupakan k pers.linear li
[A]0 konsentrasi awal A (t=0). [A]t konsentrasi A pada saat tertentu, t, selama reaksi. Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
21
Irwansyah, Ph.D
Reaksi ea s O Orde-1 de
y
= mx + b
Kinetika Kimia
22
Reaksi ea s O Orde-1 de Reaksi Metil Isonitril diubah menjadi acetonitril :
Pada reaksi orde 1, plot ln [A]t vs. t menghasilkan garis lurus dengan slope -k. k
CH3NC
Bagaimana kita tahu bahwa reaksi tersebut orde 1?
Jadi, gunakan grafik untuk menentukan orde reaksi.
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
CH3CN
23
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
24
Reaksi Orde-1 Orde 1 CH3NC
Reaksi Orde-1 Orde 1
CH3CN
Data berikut diperoleh dari reaksi pada 198 9°C 198.9°C. Apakah laju=k[CH laju k[CH3NC] Untuk semua interval waktu? Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
• Apabila p ln P diplot p sebagai g fungsi g waktu, dihasilkan suatu g garis lurus. ¾ Reaksi tersebut orde 1. ¾ k adalah negatif dari slope/kemiringan: 5.1 × 10-5 s-1. 25
Irwansyah, Ph.D
Reaksi Orde-2 Orde 2
Kinetika Kimia
26
Reaksi Orde-2 Orde 2
I t Integrasi i yang sama dilakukan dil k k pada d reaksi k i orde d 2:
Jadi, reaksi orde 2, plot 1/[A] vs. t menghasilkan garis lurus dengan slope k. k
Penyusunan ulang dan integral:
Orde 1:
Persamaan linear : Irwansyah, Ph.D
sedangkan pada reaksi orde 1, plot ln [A]t vs. t akan menghasilkan garis lurus dengan slope -k.
y = mx + b Kinetika Kimia
27
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
28
Menentukan Orde Reaksi
Menentukan Orde Reaksi
Dekomposisi p NO2 p pada 300°C ditunjukan j melalui persamaan : NO2 (g) NO (g) + 1/2 O2 (g) Dan menghasilkan data: waktu (s) 0.0
Grafik ln [NO2] vs. t : • plot bukan suatu garis lurus, lurus jadi bukan termasuk orde 1
[NO2], M 0.01000
waktu (s) 0.0
[NO2], M 0.01000
ln [NO2] -4.610 4.610
50.0 100 0 100.0
0.00787 0 00649 0.00649
50.0 100 0 100.0
0.00787 0 00649 0.00649
-4.845 -5 038 -5.038
200.0
0.00481
200.0
0.00481
-5.337
300 0 300.0
0 00380 0.00380
300 0 300.0
0 00380 0.00380
-5.573 5 573
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
29
Irwansyah, Ph.D
Grafik 1/[NO [ 2] vs. t
[NO2], M
1/[NO2]
0.0
0.01000
100
50.0
0.00787
127
100.0
0.00649
154
200.0
0.00481
208
300 0 300.0
0 00380 0.00380
263
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
Kinetika Kimia
30
Waktu Paruh
Menentukan Orde Reaksi
waktu(s)
Tidak memenuhi:
• Waktu paruh didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk setengah jumlah reaktan beraksi. • Karena [A] pada t1/2 adalah setengah jumlah mula mula [A], mula-mula [A] [A]t = 0.5 [A]0.
• Suatu garis lurus, j di merupakan jadi k orde d 2
31
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
32
Waktu Paruh Orde-1 Orde 1
Waktu Paruh Orde-2 Orde 2
Untuk reaksi orde 1, substitusi [A]t=0.5 [A]0 pada persamaan laju l j tterintegrasi i t i:
Untuk reaksi orde 2, substitusi [A]t=0.5 0.5 [A]0 dalam persamaan orde
Catatan: Reaksi orde 1, waktu paruh tidak dipengaruhi [A]0. Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
33
Irwansyah, Ph.D
Orde 2
• Umumnya Umumnya, temperatur meningkat, laju menjadi lebih cepat. cepat • Karena k dipengaruhi temperatur. temperatur
Orde 2
Hukum laju Hkm laju terintegras i
Rumit/kompleks
Waktu W kt paruh
Irwansyah, Ph.D
34
Temperatur dan Laju
Ringkasan Orde 1
Kinetika Kimia
Rumit/kompleks
Kinetika Kimia
35
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
36
Model/Teori Tumbukan
Model/Teori Tumbukan Molekul harus bertumbukan dengan orientasi yang sesuai dan dengan cukup energi untuk menyebakan pemutusan ikatan dan pembentukan ikatan. ikatan
• Pada suatu reaksi kimia, ikatan diputuskan dan ikatan baru dibentuk. • Molekul Molekul-molekul molekul hanya bisa bereaksi apabila mereka bertumbukan satu sama lain. lain
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
37
Energi Aktivasi
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
38
Diagram Koordinat Reaksi
• Dengan kata lain, lain ada sejumlah energi minimum yang dibutuhkan untuk reaksi: Energi Aktivasi (activation energy), Ea. • Sama seperti bola golf yang tidak bisa melewati suatu bukit jika tidak didorong dengan energi yang cukup, suatu reaksi tidak dapat berlangsung kecuali memiliki energi yang cukup untuk mengatasi barrier energi aktivasi.
• Membantu memvisualisasikan perubahan energi pada suatu poses kimia.
Diagram koordinat reaksi penyusunan ulang metil isonitril Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
39
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
40
Diagram Koordinat Reaksi
Distribusi Maxwell–Boltzmann
• Menunjukkan energi reaktan dan produk (dan, ΔE). • Titik Tertinggi pada diagram adalah keadaan transisi (transition state)
• Temperatur did fi i ik sebagai didefinisikan b i ukuran energi kinetik rata-rata t t molekul l k l dalam suatu sampel.
• Spesi yang ada pada keadaan transisi disebut komplek teraktivasi (activated complex). • Perbedaan energi antara reaktan dan kompleks teraktivasi merupakan energi aktivasi. Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
• Pada suatu temperatur tertentu terdapat distribusi energi e e g kinetik. et 41
• Saat suhu temperatur naik, kurva menjadi lebih lebar dan mendatar. • Akibatnya, pada temperatur tinggi, l bih banyak lebih b k populasi l i molekul yang memiliki energi lebih tinggi. tinggi
Kinetika Kimia
Kinetika Kimia
42
Distribusi Maxwell Maxwell–Boltzmann Boltzmann
Distribusi Maxwell Maxwell–Boltzmann Boltzmann
Irwansyah, Ph.D
Irwansyah, Ph.D
43
• Jika garis putus-putus menyatakan energi aktivasi : saat suhu naik, fraksi molekul yang mampu melewati energi aktivasi juga meningkat. • Hasilnya, laju reaksi meningkat
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
44
Distribusi Maxwell–Boltzmann
Persamaan Arrhenius
Fraksi molekul tersebut dapat dinyatakan dengan rumus:
Svante S t Arrhenius A h i merumuskan k suatu t h hubungan b matematis antara k dan Ea:
R : tetapan gas dan T : temperatur (Kelvin) .
A merupakan frequency factor, bilangan yang menyatakan kemungkinan tumbukan akan terjadi dengan orientasi yang sesuai. Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
45
Irwansyah, Ph.D
Persamaan Arrhenius
Kinetika Kimia
46
RINGKASAN Orde 1
penyusunan ulang (metode logaritma natural):
Orde 2
Orde 2
Rate Laws Integrated Rate Laws
Rumit/kompleks
Rumit/kompleks
Half-life
y = mx + b Apabila k ditentukan secara eksperiment pada beberapa temperatur, Ea dapat dihitung dari slope grafik ln k vs. 1/T. Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
k(T)
47
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
48
Mekanisme Reaksi
M k i Mekanisme R Reaksi k i • Reaksi dapat berlangsung satu tahap atau melalui beberapa tahap/step. • Setiap step disebut reaksi elementer atau proses elementer.
Urutan kejadian yang menjelaskan proses reaksi: bagaimana suatu reaktan j produk. p berubah menjadi
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
49
Irwansyah, Ph.D
Mekanisme Reaksi
• •
Kinetika Kimia
50
Mekanisme Multistep
Molekularitas suatu step memberikan informasi berapa ban ak molekul banyak molek l yang ang terlibat pada proses terseb tersebut. t Hukum laju untuk suatu reaksi elementer ditulis langsung dari step tersebut tersebut.
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
51
• Reaksi multistep: terdapat salah satu step lebih lambat dari step lainnya. • Step yang lebih lambat tersebut: step penentu laju reaksi (rate-determining step) • Laju reaksi keseluruhan tidak akan berlangsung lebih cepat dari step penentu laju reaksi
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
52
Katalis
Katalis
• Katalis meningkatkan laju reaksi dengan menurunkan energi aktivasi reaksi. • Katalis K t li mengubah b h mekanisme k i suatu t reaksi. k i
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
Salah S l h satu t cara katalis k t li mempercepat reaksi adalah dengan mengikat reaktan secara bersamasama dan membantu ikatan putus.
53
Enzim • Enzim merupakan katalis pada sistem biologis. • Substrat berikatan dengan sisi aktif enzim mirip sepertiti kunci k i dan d anakk kunci.
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
55
Irwansyah, Ph.D
Kinetika Kimia
54
