KESETIMBANGAN KIMIA

Kesetimbangan kimia adalah bab yang mempelajari reaksi kesetimbangan. Apa itu reaksi kesetimbangan? Reaksi kesetimbangan adalah reaksi bolak-balik (reversibel) yang menunjukan reaktan bereaksi membentuk produk dan produk dapat bereaksi balik membentuk reaktan.
Arah panah persamaan reaksinya dua arah, yaitu ke arah kanan (ke produk) dan ke arah kiri (ke reaktan). Pada reaksi kesetimbangan, keadaan reaksinya secara mikroskopis berlangsung dinamis/terus-menerus/tidak berhenti (namun secara makroskopis reaksi diam/berhenti) dan laju reaksi ke arah kanannya akan sama dengan laju reaksi ke arah kirinya.
Karena laju reaksi ke arah kanannya sama dengan laju reaksi ke arah kirinya, maka jumlah zat-zat pada saat kesetimbangnya itu akan tetap.


Jumlah zat-zat pada beberapa awal reaksi dari reaksi kesetimbangan yang sama dibuat bervariasi, maka akan diperoleh perbandingan jumlah zat-zat pada masing-masing saat kesetimbangannya itu sama. Dari perbandingan jumlah zat-zat pada masing-masing saat kesetimbangannya yang sama tersebut diperolehlah nilai tetapan kesetimbangan (K).

Le chatelier menyebutkan, “jika suatu reaksi kesetimbangan diganggu dari luar (konsentrasi zat-zat yang ada dalam reaksi kesetimbangan itu ditambah atau dikurangi), maka reaksi kesetimbangan akan memberikan aksi terhadap gangguan tersebut”. Aksi yang diberikan oleh reaksi kesetimbangan adalah dengan pergeseran kesetimbangan (arah reaksi kesetimbangan bergeser entah ke arah kanan atau ke arah kiri). Tujuan aksi yang diberikan tersebut adalah supaya perbandingan jumlah zat-zat saat kesetimbangan setelah dengan sebelum adanya gangguan dari luar itu tetap sama. Dengan demikian harga tetapan kesetimbangan (K) pun setelah dengan sebelum adanya gangguan dari luar itu akan tetap.

Berikut adalah faktor-faktor menyebabkan pergeseran kesetimbangan:
1. Perubahan konsentrasi (dM)
Jika konsentrasi zat ditambah, maka reaksi kesetimbangan akan bergeser menjauhi zat 
    yang ditambah. Jika konsentrasi zat dikurangi, maka reaksi kesetimbangan akan 
    bergeser mendekati zat yang dikurang.
2. Perubahan tekanan (dP) dan volume (dV)
Jika tekanan diperbesar, berarti volume mengecil, maka reaksi kesetimbangan akan 
    bergeser ke arah koefisien kecil. Jika tekanan diperkecil, berarti volumenya betambah, 
    maka reaksi kesetimbangan akan begeser ke arah koefisien besar.
3. Perubahan suhu (dT)
    Jika suhu dinaikan, maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah 
    endoterm (dH=+). Jika suhu diturunkan, maka reaksi kesetimbangan akan bergeser 
    ke arah eksoterm (dH=-).

Tetapan kesetimbangan (K) ada dua macam, yaitu Kc dan Kp. Kc adalah tetapan kesetimbangan yang dihitung berdasarkan jumlah konsentrasi/molaritas (M) dan Kp adalah tetapan kesetimbangan yang dihitung berdasarkan jumlah tekanan parsial gas (P). Secara umum rumusan K adalah perkalian jumlah zat di ruas kanan masing-masing dipangkatkan koefisiennya dibagi perkalian jumlah zat di ruas kiri masing-masing dipangkatkan koefisiennya. Jumlah (molaritas/tekanan parsial) yang dipakai pada perhitungan Kc/Kp adalah jumlah pada saat kesetimbangan. Jika jumlah zat-zat saat kesetimbangannya belum diketahui, maka dapat dicari dengan membuat tabulasi data (pentabelan data dari jumlah zat pada saat mula-mula (m), bereaksi (b), dan saat kesetimbangan (s)).

Jika fase zat dalam reaksi kesetimbangan adalah solid (s), loquid (l), larutan (aq), dan gas (g), maka dapat dihitung Kc dan Kp dengan melibatkan jumlah zat dari zat yang berfase gas (g) saja. Jika fase zat-zatnya: s, l, dan g (tidak ada aq), maka dapat dihitung Kc dan Kp dengan melibatkan jumlah zat dari zat fase gas (g) saja. Jika fase zat-zatnya: s, l, dan aq (tanpa ada g), maka tetapan kesetimbangan yang dapat dihitung adalah Kc saja dengan melibatkan jumlah zat dari zat fase larutan (aq) saja. Berikut adalah contoh rumus Kc dan Kp suatu reaksi kesetimbangan:

Jenis Reaksi Kesetimbangan

Reaksi kesetimbangan dapat digolongkan berdasarkan fasa dari zat yang bereaksi dan hasil reaksinya, sehingga dikenal dua jenis reaksi kesetimbangan yaitu reaksi kesetimbangan homogen dan heterogen, perhatikan skema penggolongan reaksi seperti yang diunjukkan pada Bagan 9.6.

gambar 9.6

Bagan 9.6. Penggolongan reaksi kesetimbangan berdasarkan fasa senyawa yang beraksi

Reaksi kesetimbangan homogen merupakan reaksi kesetimbangan dimana semua fasa senyawa yang bereaksi sama.

Kesetimbangan dalam fasa gas :

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g)

2 SO (g) + O (g) ⇄ 2 SO (g)

Kesetimbangan dalam fasa larutan :

CH3COOH(aq) ⇄ CH3COO-(aq) + H+(aq)

NH4OH(aq) ⇄ NH4+ (aq) + OH-(aq)

Reaksi kesetimbangan heterogen terjadi jika fasa dari senyawa yang bereaksi berbeda.

Kesetimbangan dalam sistem padat gas, dengan contoh reaksi :

CaCO3(s) ⇄ CaO (s) + CO2 (g)

Kesetimbangan padat larutan, terjadi pada peruraian Barium sulfat dengan persamaan reaksi :

BaSO4(s) ⇄ Ba2+(aq) + SO42-(aq)

Kesetimbangan padat larutan gas, dengan contoh reaksi :

Ca(HCO3)2(aq) ⇄ CaCO3(s) + H2O (l) + CO2(g)

Pergeseran Kesetimbangan

Dari sebuah eksperimen kesetimbangan air dan uap air dalam bejana tertutup (Gambar 9.8), diketahui bahwa penambahan beban menyebabkan adanya tambahan tekanan yang berdampak pada penurunan volume bejana. Adanya reaksi diikuti oleh sistem kesetimbangan untuk mengembalikan tekanan ke keadaan semula, yakni dengan menambah jumlah molekul yang beryubah ke fasa uap. Setelah tercapai kesetimbangan yang baru, jumlah air lebih sedikit dan uap air terdapat lebih banyak. Hal ini mengindikasikan telah terjadi pergeseran kesetimbangan.

gambar 9.8

Gambar 9.8. Perubahan tekanan pada kestimbangan air dan uap air dalam system tertutup

Le Cathelier mencoba mencermati proses pergeseran kesetimbangan, dan dia menyatakan; jika suatu sistem berada dalam keadaan setimbang, dan ke dalamnya diberikan sebuah aksi, maka sistem tersebut akan memberikan reaksi. Dalam kesetimbangan reaksi tersebut dilakukan oleh sistem dengan menggeser kesetimbangan.

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi keadaan kesetimbangan kimia adalah perubahan konsentrasi, volume, tekanan dan suhu.

Pengaruh Suhu

Secara kualitatif pengaruh suhu dalam kesetimbangan kimia terkait langsung dengan jenis reaksi eksoterm atau reaksi endoterm. Jika pada reaksi kesetimbangan kita naikan suhunya, maka reaksi kimia akan bergeser kearah reaksi yang membutuhkan panas (Bagan 9.9).

gambar 9.9

Bagan 9.9. faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan

Kita ambil contoh di bawah ini.

CO + 2 H2 ⇄ CH3OH ΔH = -22 kkal.

Jika pada reaksi kesetimbangan pada pembentukan Metanol, suhu kita naikan, maka reaksi akan berubah ke arah peruraian metanol menjadi gas CO dan gas Hidrogen. Mengingat reaksi peruraian metanol membutuhkan panas atau endoterm.

CH3OH ⇄ CO + 2 H2 ΔH = +22 kkal

Menaikan suhu, sama artinya kita meningkatkan kalor atau menambah energi ke dalam sistem, kondisi ini memaksa kalor yang diterima sistem akan dipergunakan, oleh sebab itu reaksi semakin bergerak menuju arah reaksi endoterm.

Pengaruh konsentrasi

Dalam keadaan kesetimbangan, jika konsentrasi salah satu zat ditingkatkan maka kesetimbangan akan bergeser kearah yang berlawanan dari zat tersebut Untuk lebih jelasnya, kita perhatikan contoh reaksi dibawah ini:

N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3

Jika dalam keadaan kesetimbangan konsentrasi gas NH3 kita tambah. Hal ini menyebabkan reaksi peruraian NH3 meningkat atau NH3 berubah menjadi gas N2 dan H2, sehingga mencapai kesetimbangan kembali. Sebaliknya jika gas NH3 kita kurangi, akan menyebabkan gas N2 dan gas H2 bereaksi lagi membentuk NH3 sampai mencapai kesetimbangan.

Pengaruh volume dan tekanan

Untuk reaksi dalam fasa cair perubahan volume menyebabkan perubahan konsentrasi. Peningkatan volume menyebabkan penurunan konsentrasi, ingat satuan konsentrasi zat adalah mol/L, banyaknya zat dibagi berat molekulnya di dalam 1 Liter larutan.

Demikian pula reaksi dalam fasa gas, volume gas berbanding terbalik terhadap tekanan, peningkatan volume menyebabkan penurunan tekanan. Di sisi lain, tekanan berbanding lurus terhadap mol gas, seperti yang ditunjukan dalam persamaan gas ideal :

artikel 27

dimana
p = tekanan,
V = Volume
N = mol gas
R = tetapan gas
T = Suhu dalam K

Dari persamaan di atas akan tampak bahwa dengan memperkecil tekanan sama dengan memperbesar volume, dan perubahan tekanan sama dengan perubahan konsentrasi (n/V).

Sedangkan untuk tekanan gas total

artikel 28

Dalam sistem kesetimbangan peningkatan volume gas tidak mempengaruhi kesetimbangan jika jumlah koofisien reaksi sebelum dan sesudah adalah sama.

H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)

Koofisien gas H2 dan I2 adalah 1 (satu), total sebelah koofisien sebelah kiri adalah 2 (dua). Koofisien untuk gas HI adalah 2 (dua), sehingga koofisien sebelah kiri dan kanan tanda panah adalah sama. Peningkatan volume 2 kali lebih besar tidak memberikan perubahan terhadap rasio konsentrasi antara sebelah kanan dan sebelah kiri tanda panah, mula konsentrasi :

H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)

n/V n/V 2n/V

V diperbesar n/2V n/2V 2n/2V

Oleh karena rasio koefisien tetap sehingga tekananpun memiliki rasio yang tetap.

Untuk lebih mudahnya perhatikan contoh soal dan penyelesaian pada bagan 9.10.

gambar 9.10

Bagan 9.10. Perhitungan harga Kp untuk pembentukan asam iodida dari H2 dan I2, dimana komposisi konsentrasi adalah 1 mol/L, 1 mol/L dan 2 mol/L, dimana tekanan totalnya 2 atm dan Volume diperbesar menjadi 2 liter.

Dalam kasus yang berbeda, jika dalam kesetimbangan koofisien sebelum dan sesudah reaksi tidak sama, maka penurunan volume dapat menyebabkan reaksi bergeser menuju koofisien yang lebih kecil dan sebaliknya jika volume diperbesar kesetimbangan akan bergerak ke arah jumlah koofisien yang lebih besar sesuai dengan persamaan reaksi di bawah ini:

N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3

Jika volume diperkecil komposisi konsentrasi di sebelah kiri tanda panah menjadi lebih besar sehingga (atau konsentrasi lebih pekat), dan reaksi bergeser ke arah pembentukan gas amoniak. Demikian pula sebaliknya jika volume diperbesar, terjadi reaksi peruraian dari amoniak menghasilkan gas Nitrogen dan Hidrogen atau dengan kata lain reaksi kesetimbangan bergeser ke kiri yaitu penguraian NH3 menjadi N2 dan H2.

Aplikasi kesetimbangan kimia dalam industri

Dalam dunia industri, kesetimbangan kimia banyak dipergunakan khususnya dalam pembuatan gas maupun produk-produk industri lainnya. Proses Haber, merupakan proses pembuatan amoniak dari gas Nitrogen dan Hidrogen.

N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3 ΔH = -22.13 kkal

Persamaan ini mengindikasikan bahwa 2 mol amoniak terbentuk dari 1 mol gas N2 dan 3 mol gas H2, dari persamaan ini juga mengindikasikan bahwa reaksi adalah eksoterm, sehingga amoniak akan terbentuk dengan baik pada suhu rendah. Namun pada suhu rendah reaksi berjalan lambat. Usaha untuk meningkatkan jumlah dengan kecepatan yang cukup dilakukan dengan mengatur tekanan dan suhu dan menambahkan katalisator.

Untuk proses yang optimal didapat dengan mengatur suhu sebesar 500ºC dan dengan tekanan 350 atm, dengan kondisi ini didapatkan produk amoniak sebesar 30%.

Proses Kontak

Proses kontak dipergunakan oleh industri untuk memproduksi asam sulfat. Proses berlangsung dalam dua tahap reaksi.

Tahap pertama, pembentukan gas belerang trioksida:

2SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) ΔH = -94.97 kkal

dilanjutkan dengan melarutkan gas belerang trioksida ke dalam air, sesuai dengan reaksi:

SO3(g) + H2O(g) ⇄ H2SO4 (l)

Belerang trioksida merupakan produk yang vital sebagai bahan pembentuk asam sulfat. Dari persamaan reaksi di atas diketahui reaksi bersifat eksoterm. Reaksi lebih baik berlangsung pada suhu rendah, namun reaksi ini berjalan sangat lambat. Untuk mempercepat reaksi pembentukan belerang trioksida dipergunakan katalisator Vanadium oksida (V2O5) dan berlangsung pada suhu 400ºC.

Dalam industri makanan, reaksi kesetimbangan juga berlangsung, seperti pada pembuatan tape, dan minuman beralkohol, perhatikan bagan 9.12.

gambar 9.12

Bagan 9.12. Pemanfaatan kesetimbangan kimia dalam industri

Pada prinsipnya yang dipergunakan adalah ragi atau jamur, selanjutnya ragi menghasilkan enzim pembongkar karbohidrat membentuk molekul kecil glukosa dan fruktosa. Namun dalam prosesnya juga dihasilkan senyawa-senyawa lain seperti alkohol, aldehid yang menyebabkan aroma minuman atau tape menjadi harum. Selain itu enzim juga dapat mengoksidasi secara sempurna dan dihasilkan asam-asam karboksilat. Sehingga kita juga rasakan tape yang terasa asam. Jika kita coba mencermati, maka kita dapat menemukan bahan makanan atau bumbu masak yang lain yang merupakan produk hasil dari reaksi kesetimbangan dan juga zat-zat yang berfungsi sebagai katalisator.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s