BAB 6

(lihat diktat kuliah KIMIA : Bab 6 dan 7)

KONSEP KESETIMBANGANKIMIA

1.2.3.

4.5.

HUKUM KEKEKALAN ENERGIPENGERTIAN KERJA DAN KALORPENGERTIAN SISTEM, LINGKUNGAN, DAN

FUNGSI KEADAANHUKUM PERTAMA TERMODINAMIKAHUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

6. ENERGI BEBAS DAN KESETIMBANGAN7. KONSEP KESETIMBANGAN8. TETAPAN KESETIMBANGAN9. PENDUGAAN ARAH REAKSI10. FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KESETIMBANGAN KIMIA11. KESETIMBANGAN PENGIONAN

Termodinamika digunakan sebagaialat untuk meramalkan apakah suatuproses yang belum diketahui dapat

dilaksanakan atau tidak.

TERMODINAMIKA DAPAT MENJELASKAN :

• Proses pertumbuhan dan reproduksi sistemhayati

• Mengapa reaksi fotosintesis dapat berlangsung• Mengapa ikan dapat bernafas dalam air

tidak dapat• Mengapa O2 menjadi O3

berlangsung dengan sendirinya

Energi Kinetik (Ek) = ½ mv2 Energi Potensial (Ep) = m.g.h.

energipotensial

energikinetik

Ep = 10 unitEk = 0 unit

Ep = 5 unitEk = 5 unit

6.1 HUKUM KEKEKALAN ENERGI

E total = Ek + Ep = tetap ………… Joule

6.2 PENGERTIAN KERJA DANKALOR

Kerja (w)Hasil kali antara gaya luar pada suatu benda dengan jarak dimanagaya tersebut bekerja

w = F (rf - ri)

Kerja untuk mengangkat benda dalam medan gravitasi w = m g (hf - hi)

Kerja tekanan-volume kerja mekanik yang dihasilkan apabila suatugas ditekan/diekspansi di bawah pengaruhtekanan luar

w = -Fekst (hf - hi) w = -Pekst A∆h

Kalor (q)

● Energi tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan.● Energi hanya ditransformasikan dari satu bentuk ke bentuk lainnya

● Kalor (q): energi yang dipindahkan sebagai akibatadanya perbedaan suhu

q = m.cs.∆T m = Massa (g)cs = Kapasitas kalor spesifik

(kal K-1 g-1) atau kalor jenisT = Suhu (K)

qlogam + qair = 0Q logam = - qair

CONTOH 6.1

Berapa energi kalor yang dibutuhkan untukmenaikkan suhu 735 g air dari 21,0 oC ke 98,0 oC?(anggap kalor jenis air 1,00 kal g-1 oC-1)

Penyelesaian:

q = m x kalor jenis x ∆T

= 735 g x 1,00 kal/g oC x (98,0 – 21,0) oC

= 5,7 x 104 kal

CONTOH 6.2

Berapakah kalor jenis timbal jika 150 g timbal(100 oC) dimasukkan ke dalam gelas piala terisolasiberisi air 50,0 g (22,0 oC), jika suhu timbal-air 28,8oC ?

Penyelesaian :q air = 50,0 g x 1,00 kal/g oC x (28,0 - 22,0) oC=

340 kal

qtimbal = - qair = -340 kalqtimbal = -340 kal / 150 g x (28,8 – 100) oC

= 3,2 x 10-2 kal g-1 oC-1

6.3 PENGERTIAN SISTEM, LING-KUNGAN, DAN FUNGSI KEADAAN

Sistem:Sejumlah materi ataudaerah dalam ruangyang dijadikan sebagaiobjek studi

Batas:Pemisah sistem & lingkungan (nyata/maya)

● Batas tetap (fixed boundary)● Batas berubah (movable boundary)

Lingkungan:Massa atau daerahyang berada di luarsistem

Pertukaran Terbuka Tertutup Terisolasi

Massa + - -

Kalor + + -

EMPAT JENIS SISTEM:Terbuka, Tertutup, Terisolasi, dan Adiabatik.

Sistem Adiabatik: tidak memungkinkan kalor keluar darisistem ke lingkungannya

•

•

•

Besaran Ekstensif:

Volume, Massa, Energi, Entalpi,

Energi Bebas Gibbs, Energi Dalam,Kapasitas Kalor, Entropi

Besaran Intensif:

Tekanan, Densitas, Suhu, Viskositas,

Tegangan permukaan, Kalor Jenis

Fungsi Keadaan:∆U, ∆H, ∆S, ∆G

Besaran + -q (kalor) energi diserap

sistemsistem

melepaskanenergi

w (kerja) sistem dikenaikerja

sistemmelakukan kerja

∆U (energi dalam) + -

6.4 HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

bentuk lain dari Hukum Kekekalan Energi

SISTEM TERISOLASI:

U(awal) – U(akhir) = ∆U = q + w

Jika diketahui 5000 J energi diserap oleh sistem

dan sistem melakukan kerja sebesar 6750 J

terhadap lingkungan. Berapa ∆U sistem?

Penyelesaian:

∆U = q + w = (+5000 J) + (-6750 J)

= 5000 J – 6750 J

= - 1750 J

CONTOH 6.3

Termokimia

Entalpi Reaksi

Hubungan yang melibatkan ∆H• Eksotermik : Kalor dilepaskan oleh reaksi (∆H negatif)• Endotermik : Kalor diambil oleh reaksi (∆H positif)

∆H akan berubah tanda bila arah reaksi berbalik

CO(g) + ½O2(g) → CO2(g)CO2(g) → CO(g) + ½O2(g)

∆H = -283,0 kJ/mol∆H = +283,0 kJ/mol

HUKUM PENJUMLAHAN KALOR

Hukum Hess

C(p) + O2(g)

∆H = -110,5 kJ

∆H = -393,5 kJ

C(p,gr) + O2(g) → CO2(g)

CO2(g) → CO(g) + ½O2(g)

∆H1 = -393,5 kJ

∆H2 = +283,0 kJ

C(s,gr) + ½O2(g) → CO(g) ∆H = ∆H1 + ∆H2 = -110,5 kJ

CO(g) + ½O2(g)

∆H = +283,0 kJ

CO2(g)

Hukum Hess: Jika dua atau lebih persamaan kimia ditambahkan untuk menghasilkanpersamaan kimia lainnya, masing-masing entalpi reaksinya harus ditambahkan

Proses Spontan

Reaksi kimia

Atau perubahan lainnya

Spontan Tidak spontanSetimbang

Bagaimana?• Mengukur tingkat kespontanan

• Mengukur tingkat ketidakspontanan• Menetapkan keadaan setimbang

Menentukan arahproses/reaksi

Entropi (S)Energi bebas (G)

Entropi (S):● besaran termodinamika seperti halnya U atau H● merupakan fungsi keadaan● ukuran kuantitatif tingkat kespontanan suatu proses yang

dinyatakan dalam ∆S total (+), atau sebaliknya

Energi bebas (G):● besaran termodinamika seperti halnya U, H atau S● merupakan fungsi keadaan● ukuran kuantitatif kespontanan suatu proses yang

dinyatakan dalam ∆G sistem (-), atau sebaliknya

Keadaan awal Proses Keadaan akhir

Parfum menyebar

o25 C Es meleleh o25 C

Penguapan air

75o 25oAg Ag

Kalor 50o 50oAg Ag

Contoh proses spontan

∫i

6.5 Hukum Kedua Termodinamika

Rumusan matematika entropi:● Ada sistem menerima kalor dari lingkungan

Sistem & lingkungan tersebut berada dalam sistem yanglebih besar yg terisolasi

∆S =f dqrev

T

> 0∆Stotal = ∆Ssis + ∆Slingk

dq = CdT

Contoh 6.4:1 g es 0oC dimasukkan ke dalam 4 g air 10oC. Diketahui Cair = 1kal/goCdan kalor lebur es = 80 kal/g.Apakah proses peleburan spontan ?

Q dilepaskan pada pendinginan air =4 g x 1 kal/g oC x 10 oC = 40 kal

Jumlah es yang melebur dengan 40 kal =40 kal x 1g / 80 kal = 0,5 g

∆Ses = 0,5 x 80 / 273 = 0,1465 kal/K

∆ Sair = ∫C dT/T = -C ln 283/273 = - 0,1439 kal/K

∆ Stotal = ∆ Ses + ∆ Sair = 0,0026 kal/K = 0,0109 J/K

∆ Stotal > 0 proses peleburan es spontan

Penyelesaian

∫i ∫i dq

∆Ssis untuk proses isotermal

∆S = = rev =f dqrev

T

f1

T

qrev

T

Transisi fasa

∆Sfus = =qrev

Tf

∆Hfus

Tf

No H S G Hasil Contoh

1 - + - Spontan semua T 2H2O(g)→2H2(g)+O2(g)

2 - - -

+

Spontan T ↓

≠ spontan T ↑H2O(c) → 2H2O(p)

3 + + +

-

≠ Spontan T ↓

Spontan T ↑2NH3(g)→N2(g)+3H2(g)

4 + - + ≠ Spontan semua T 3O2(g) → 2O3(g)

6.6 Energi Bebas (G)

G = H - TS ∆Gsis < 0 Proses spontan

∆Gsis = 0 Proses reversibel

∆Gsis > 0 Proses tak spontan

● Pendugaan arah perubahan suatu proses reaksi∆G = ∆H – T ∆S < 0

.

∆Str = = T

Transisi fasa, ∆G = ∆H – T ∆S = 0

qrev ∆Htr

Ttr tr

Tr = transisi (peleburan, pembekuan, penguapan,kondensasi)

CONTOH 6.5

Sikloheksana, C6H12 memiliki kalor penguapan 360 J/g dengan titik didih81°C. Berapakah perubahan entropi untuk tiap mol penguapansikloheksana

PENYELESAIAN

.

∆S = = 84 g/mol x 360/354 J/gK

= 85 J /K mol

∆H

T

6.7 KONSEP KESETIMBANGAN

Setimbang akhir reaksi Campuran produk dan reaktan yang tidakbereaksi dalam jumlah relatif tetap

N2O4(g)A

2NO2(g)C

Waktu

100

98

2

A

C

% Kons %

Waktu

100

98A

C

Kons

∆C1

∆C2

2

∆t1 ∆t2

6.8 TETAPAN KESETIMBANGAN

Hukum Empiris Aksi Massa (Guldberg & Waage)

aA + bB cC + dD

KC =[C]c [D]d

[A]a [B]bTetapan kesetimbangan empiris (KC)

Subskrip C: Reaksi dalam larutan

Reaksi dalam fasa gas ............................. KP =[PC]c [PD]d

[PA]a [PB]b

P = Tekanan parsial

Kesetimbangan Reaksi dalam Fasa Gas

3NO(g) N2O(g) + NO2(g)

N2O (P N2O) + NO2 (P NO2)3NO (PNO)

∆G = ∆G1 + ∆G° +∆G3

∆G2 = ∆G°

∆G3

N2O (Pref) + NO2 (Pref)

∆G1

3NO (Pref)

∆G

-∆G° = RT ln K

CONTOH 6.6

Tulis persamaan kesetimbangan untuk kesetimbangan kimia fasa gasberikut:

a. 2NOCl(g) 2NO(g) + Cl2(g)b. CO(g) + ½O2(g) CO2(g)

Penyelesaiana. Pangkat 2 berasal dari faktor 2 dalam persamaan

yang balans tersebut

b. Pangkat pecahan muncul pada persamaankesetimbangan setiap kali mereka terdapat dalampersamaan yang balans

(P NO)2 (P Cl2)

(P NOCl)2

= K

(P CO2)

(P CO) (P O2)½

= K

CONTOH 6.7

Hitunglah tetapan kesetimbangan untuk reaksi

N2O4 (g) 2 NO2 (g)

Jika pada saat kesetimbangan terdapat 0,1 mol N2O4

dan 0,06 mol NO2 dalam volume 2 L

Penyelesaian :

K = [NO2]2 / [N2O4] = (0,03)2 / 0,05 = 1,8 x 10-2

6.9 PENDUGAAN ARAH REAKSI

Kuosien Reaksi (Q)

∆G = ∆G° + RT ln Q

∆G = -RT ln K + RT ln Q

∆G = RT ln (Q/K)

Jika Q < K, ∆G < 0 arah reaksi ke kanan

Q > K, ∆G > 0 arah reaksi ke kiri

Kesetimbangan∆G = 0

Reaktan murni Produk murni

Q<K∆G < 0

Q>K∆G > 0

G

CONTOH 6.8

• Reaksi H2 + I2 2 HI mempunyai nilai K =49,5 pada suhu 440 oC. Jika pada suhu tersebut kedalam wadah bervolume 2 L dimasukkan 5 mol H2,2 mol I2 dan 4 mol HI, ke arah manakah reaksiberlangsung dan berapa konsentrasi masing-masing zat pada saat kesetimbangan tercapai?

Penyelesaian:Q = (2)2 / (2,5)(1) = 1,6

Q<KReaksi berlangsung ke arah kanan

H2 (g) + I2 (g) ⇄ 2 HI (g)

mol / 2LAwal

Reaksi

Kesetimbangan

5

-x

(5-x)

2

-x

(2-x)

4

+2x

(4+2x)

[HI]2

[H2 [I2 ]49,5 {(42 x) / 2}2

{(5−x) / 2}{(2−x) / 2}K=

x2 = 6,29 (tak mungkin)X1 = 1,672 mol

[HI] = 3,672 M[H2] = 1,664 M[I2] = 0,164 M

6.10 FAKTOR YANG MEMPENGARUHIKESETIMBANGAN KIMIA

PRINSIP LE CHATELIER :Bila suatu sistem dalam kesetimbangan mendapatgangguan eksternal maka sistem tersebut akan melakukanperubahan yang mengatasi gangguan tersebut.

1. Perubahan Konsentrasi

2. Perubahan Volume dan Tekanan

3. Perubahan Suhu

mengubah nilai K sehingga Q ≠ K

Pengaruh perubahan konsentrasi

Konsentrasi hasil reaksi Ke arah reaktan

Pengaruh perubahan volume

N2O4 (g) 2NO2 (g)

V → Ke arah reaktanV → Ke arah produk

Pengaruh perubahan suhu, jika suhu

Reaksi eksoterm → Ke arah eksotermReaksi endoterm → Ke arah endoterm

Pro

du

k n

aik

ln k = = - ∆H°

( ) [K2 -∆H° 1 1

Ketergantungan K Terhadap T

∆H° negatif → eksoterm

-∆G° ∆S°RT R RT

-RT ln K = ∆G° = ∆H° - T∆S°

Persamaan van’t Hoff

Ln = -K1 R T2 T1

]

ln K

Slope = -∆H°/R

∆H° positif → endoterm

ln K

Eksoterm

Intersep = -∆S°/R

Endoterm

1/T

1/TT naik

Contoh 6.9

Ke arah manakah reaksi di bawah ini bergeser bilapada suhu yang tetap, tekanan diperbesar (volumediperkecil)

a. CaCO3 (p) → CaO (p) + CO2 (g)

b. PCl5 (g) → PCl3 (g) + Cl2 (g)

c. H2 (g) + CO2 (g) → H2O (g) + CO (g)

d. N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g)

Penyelesaian:a. kiri

b. kiri

c. tidak terjadi

d. kanan

6.11 KESETIMBANGAN PENGIONAN

•

•

•

DERAJAT PENGIONAN (α )

Zat elektrolit mengion dalam larutandengan α yang berbeda

EFEK ION SENAMA

HUKUM PENGENCERAN OSTWALDBila suatu elektrolit lemah diencerkan makaderajat ionisasinya meningkat → Bab 7.Konsep Asam Basa.

LATIHAN SOAL-SOAL

• Sebanyak 0,505 g suatu contoh hidrokarbon naftalena C10H8, dibakarsempurna dalam kalorimeter bom. Massa air dalam kalorimeter1215 g. Reaksi mengakibatkan suhu air naik dari 25,62 ke 29,06°C.Kapasitas kalor dari bom 826 J/°C. Berapakah kalor reaksi pada

volume tetap, qv, dinyatakan dalam:a. J/g C10H8

b. kj/mol C10H8

c. kkal/mol C10H8

2. Sebanyak 2 gram es dimasukkan ke dalam 4 gram air yang suhunya8oC. Bila kalor spesifik air 1 kal/g dan kalor lebur es 80 kal/g. Apakahproses tersebut merupakan proses spontan

3.

4.

5.

Tuliskan rumus tetapan kesetimbangan Kc dan Kp (bila ada) dan hubungan antaraKc dan Kp untuk reaksi:(a). 2CO2(g) CO(g) + O2(g)(b). 2NO2(g) + 7H2(g) 2NH3(g) + H2O(aq)(c). 2HgO(p) 2Hg(aq) + O2(g)(d). 2ZnS(p) + 3O2(g) 2ZnO(p) + 2SO2(g)(e). 2HCrO4- (aq) Cr2O72- (aq) + H2O (aq)

Suatu campuran terdiri dari 0,5 mol N2O (g) dan 0,5 mol O2 (g) dimasukkan dalamwadah bervolume 4 L dan dibiarkan mencapai kesetimbangan menurut reaksi :2N2O(g) + 3O2(g) 4NO2(g)

Setelah tercapai kesetimbangan jumlah N2O menjadi 0,45 mol/4L

a. Berapakah konsentrasi N2O, O2, dan NO2 saat kesetimbangan?

b. Berapakah nilai Kc reaksi tersebut

Pada suhu 25 oC, reaksi HCl(g) H2(g) + Cl2(g) mempunyai K=4,17x10-34.Berapakah K untuk reaksi: ½H2(g) + ½Cl2(g) HCl(g).

6. Fenol pada suhu 298,15 K, ∆H°f = -3054 kJ/mol, ∆S° = 144,0 J/K mol.Berapakah ∆G°f untuk fenol pada suhu tersebut dan tentukan pula berapakonstanta kesetimbangannya.

7. Berapakah nilai ∆G° pada 298 K untuk reaksi

C(p) + CO2(g) → 2CO(g)Apakah reaksi tersebut akan berjalan secara spontan ke arah pembentukkan

CO pada suhu 298 K? (∆G°f untuk C, CO2, dan CO berturut-turut adalah 0; -394,38; dan -137,28 kJ/mol)

8. Berapakah entropi penguapan molar standar air pada 100°C. Entalpipenguapan molar standar pada suhu 100°C adalah 40,7 kJ/mol.

9. Pada suhu tertentu terdapat kesetimbangan antara 0,4 mol H2, 0,3 mol I2, dan0,2 mol HI dalam wadah bervolume 2 liter. Hitunglah tetapan kesetimbanganreaksi:

H2(g) + I2(g) 2HI(g)

10. Reaksi N2O4(g) 2NO2(g)Memiliki nilai K = 4,66 x 10-3, jika 0,80 mol N2O4 dimasukkan ke dalam botol 1liter. Hitunga. Konsentrasi gas pada kesetimbanganb. Konsentrasi masing-masing gas bila volume menjadi separuhnya

11. Pada suhu 454 K, Al2Cl6(g) bereaksi membentuk Al3Cl9(g)3 Al2Cl6(g) 2 Al3Cl9(g)Dalam percobaan pada suhu ini, tekanan parsial kesetimbangan untuk

Al2Cl6(g) dan Al3Cl9(g) berturut-turut adalah 1,00 atm dan 1,02 x 10-2. Hitungtetapan kesetimbangan reaksi tersebut.