222

11 KESETIMBANGAN KIMIA

11.1. Kesetimbangan Dinamis

11.2. Tetapan Kesetimbangan

11.3. Hubungan Penting Dalam Tetapan Kesetimbangan

11.4. Besaran Berarti dari Tetapan Kesetimbangan

11.5. Hasil Pembagian (Q): Meramalkan Arah Reaksi

11.6. Prinsip Le Châtelier

11.7. Perhitungan dalam Kesetimbangan

223

Telah diketahui bahwa H2(g) dan O2(g) tidak bereaksi membentuk air pada temperatur dan

tekanan ruangan, akan tetapi bereaksi dengan menghasilkan ledakan pada temperatur tinggi.

Demikian juga dengan N2(g) dan O2(g) yang tidak reaktif pada temperatur ruangan dan tekanan

normal, akan tetapi bereaksi pada temperatur tinggi menghasilkan nitrogen monoksida (NO).

Ada satu perbedaan penting antara kedua reaksi di atas. Pada reaksi H2(g) dan O2(g), sekali

terbentuk, H2O menunjukkan kecenderungan yang kecil untuk terurai kembali menjadi unsur-

unsur pembentuknya, disebut bahwa reaksi H2(g) dan O2(g) sempurna. Sebaliknya, NO, sangat

cenderung terdisosiasi (terurai) kembali menjadi unsur-unsurnya, meskipun pada temperatur

tinggi. Maka disebut bahwa pembentukan NO(g) dari unsur-unsurnya adalah reaksi reversibel

(bolak balik). Reaksi bolak balik tidak sempurna akan tetapi mencapai keadaan setimbang.

Reaksi tidak sempurna dari pembentukan gas NO ini dibuktikan dengan kenyataan bahwa

relatif hanya sedikit molekul NO yang ada di udara (1% sampai 2% dalam udara pada 2000

K). Kalau reaksinya sempurna, maka konsentrasi molekul NO di udara pasti cukup besar. Pada

Bab ini akan diperkenalkan konsep untuk memahami perbedaan ini melalui suatu tetapan yang

disebut sebagai tetapan kesetimbangan, Kc. Untuk reaksi sempurna pembentukan H2O dari

unsur-unsurnya, harga tetapan kesetimbangan sangat besar, dan untuk reaksi

kesetimbangan (tidak sempurna) pembentukan NO dari unsur-unsurnya, harga tetapan

kesetimbangan sangat kecil. Reaksi N2(g) dan O2(g) membentuk NO terjadi pada semua proses

temperatur tinggi di udara, seperti pada badai listrik, atau pada pembakaran batu bara di

instalasi pembangkit tenaga dan bensin pada kendaraan bermotor. Kalau reaksinya sempurna,

bukan mencapai keadaan kesetimbangan, maka jumlah oksida nitrogen yang jauh lebih besar

akan memasuki atmosfer melalui badai listrik dan siklus nitrogen alam akan terpengaruh secara

serius. Selain itu, jumlah oksida nitrogen yang dipancarkan selama pembakaran akan jauh lebih

besar dari yang teramati saat ini. Sebagai akibatnya, masalah lingkungan seperti smog dan

hujan asam akan jauh lebih parah. Akan tetapi pada kenyataannya hal ini tidak terjadi.

11-1 Kesetimbangan Dinamis Bab ini akan membahas tentang keadaan setimbang dalam reaksi kimia. Akan tetapi, sebelum

membicarakan reaksi kimia, terlebih dahulu akan dibahas beberapa fenomena fisik sederhana

yang melibatkan kesetimbangan dinamis, yaitu keadaan dimana dua proses yang

berlawanan berlangsung pada kecepatan yang sama dan tidak ada perubahan

konsentrasi senyawa-senyawa total dengan berjalannya waktu.

224

1. Apabila cairan menguap dalam tempat yang tertutup, maka ada waktu dimana molekul

kembali ke keadaan cair pada kecepatan yang sama dengan ketika molekul menguap

meninggalkan keadaan cair. Jadi, kecepatan pengembunan uap sama dengan kecepatan

penguapan cairan. Meskipun molekul secara terus menerus bergerak bolak balik diantara

keadaan cair dan gas (proses dinamis), keadaan akan tercapai kalau tekanan uap tidak

berubah (tetap) dengan berjalannya waktu. Tekanan uap cairan adalah sifat yang

berkaitan dengan keadaan setimbang.

2. Apabila zat terlarut dilarutkan dalam pelarut, akan dicapai titik dimana kecepatan

pelarutan partikel zat terlarut yang ditambahkan sama dengan kecepatan zat terlarut

mengendap. Meskipun zat terlarut secara terus menerus bergerak bolak balik diantara

keadaan larutan dan zat terlarut yang tidak larut (endapan), konsentrasi zat terlarut tidak

berubah (tetap) dengan berjalannya waktu. Kelarutan zat terlarut adalah sifat yang

berkaitan dengan keadaan setimbang.

3. Apabila larutan air I2 dikocok dengan karbon tetraklorida, CCl4(c), maka molekul I2 akan

bergerak bolak balik diantara air dan CCl4(c). Molekul terlarut akan terdistribusi dengan

sendirinya diantara dua cairan yang tidak bercampur. Ketika molekul terlarut melewati

kedua cairan pada kecepatan yang sama, konsentrasi I2 dalam CCl4(c) kira-kira 85 kali dalam

air, dan kedua konsentrasi tidak berubah (tetap) dengan berjalannya waktu. Perbandingan

konsentrasi zat terlarut dalam kedua pelarut yang tidak bercampur disebut koefisien

distribusi. Koefisien distribusi dari zat terlarut diantara dua pelarut yang tidak

bercampur adalah sifat yang berkaitan dengan keadaan setimbang.

Sifat-sifat yang dinyatakan dalam tiga keadaan di atas, yaitu tekanan uap, kelarutan, koefisien

distribusi, adalah contoh dari tetapan kesetimbangan.

11-2 Tetapan Kesetimbangan, Kc Sintesis metanol (CH3OH), dari campuran karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2)

merupakan reaksi industri yang cukup penting. Metanol adalah bahan bakar kendaraan

bermotor dengan nilai oktan tinggi, dan prosedur pembakarannya menghasilkan lebih sedikit

polusi udara dibandingkan dengan bensin. Sintesis metanol adalah reaksi reversibel (bolak

balik), artinya terbentuknya CH3OH(g) terjadi pada waktu yang sama dengan penguraiannya

melalui reaksi sebaliknya.

225

CO(g) + 2 H2(g) à CH3OH(g) reaksi pembentukan

CH3OH(g) à CO(g) + 2 H2(g) reaksi penguraian

Ketika CO(g) dicampur dengan H2(g), pada awalnya reaksi pembentukan CH3OH(g) berjalan

dengan cepat dan reaksi sebaliknya dapat diabaikan. Ketika CH3OH mulai terbentuk, reaksi

sebaliknya mulai terjadi. Dengan semakin bertambahnya CH3OH, kecepatan reaksi

pembentukan akan berkurang (karena penurunan konsentrasi CO dan H2) dan kecepatan reaksi

kebalikan bertambah cepat. Lama kelamaan kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan

reaksi ke kiri dan campuran reaksi mencapai keadaan kesetimbangan dinamis, yang dapat

digambarkan sebagai berikut

CO(g) + 2 H2(g) ⇄ CH3OH(g)

Salah satu konsekuensi dari keadaan setimbang adalah bahwa jumlah reaktan dan produk akan

tetap dengan berjalannya waktu. Jumlah pada keadaan setimbang ini tergantung pada

jumlah tertentu dari reaktan dan/atau produk yang ada pada awal reaksi. Untuk

menggambarkan hal ini, telah dilakukan tiga percobaan yang berbeda seperti yang dapat dilihat

pada Tabel 11-1.

Tabel 11-1 Tiga Pendekatan ke Kesetimbangan pada 10 L dan 500 K.

CO(g) H2(g) CH3OH(g)

Percobaan 1 jumlah mula-mula, mol

1,000

1,000

0,000

jumlah pada saat setimbang, mol 0,910 0.820 0,090 konsentrasi pada saat setimbang, mol/L 0,0910 0,0820 0,0090

Percobaan 2 jumlah mula-mula, mol

0,000

0,000

1,000

jumlah pada saat setimbang, mol 0,753 1,506 0,247 konsentrasi pada saat setimbang, mol/L 0,0753 0,1501 0,0247

Percobaan 3 jumlah mula-mula, mol

1,000

1,000

1,000

jumlah pada saat setimbang, mol 1,380 1,760 0,620 konsentrasi pada saat setimbang, mol/L 0,138 0,176 0,0620

Pada percobaan 1, 1 mol CO(g) dan 1 mol H2(g) direaksikan dalam tabung bervolume 10 L pada

500 K. Di awal reaksi tidak ada CH3OH(g). Pada percobaan 2, 1 mol CH3OH(g) dibiarkan

226

mengurai dalam tabung bervolume 10 L pada 500 K. Di awal reaksi tidak ada CO(g) dan H2(g).

Pada percobaan 3, 1 mol CO(g) , 1 mol H2(g) , dan 1 mol CH3OH(g) direaksikan dalam tabung

bervolume 10 L pada 500 K.

Dari Tabel 11-1 di atas dapat dilihat bahwa tidak ada reaktan/produk yang habis dipakai dalam

reaksi. Dan tampaknya pada ketiga percobaan tersebut tidak ada kesamaan dalam jumlah

reaktan dan produk pada saat setimbang. Sehingga dapat di tarik kesimpulan bahwa konsentrasi

senyawa-senyawa pada saat setimbang tergantung pada konsentrasi awal. Menjadi pertanyaan

bagaimana menghitung jumlah reaktan/produk, apakah dapat menggunakan perhitungan

stoikiometri. Seperti telah diketahui bahwa perhitungan stoikiometri hanya dapat digunakan

untuk reaksi sempurna dimana semua reaktan habis bereaksi membentuk produk, sedangkan

reaksi kesetimbangan bukanlah reaksi sempurna karena selalu terjadi reaksi kebalikannya,

maka untuk reaksi kesetimbangan tidak dapat digunakan stoikiometri untuk menghitung

reaktan/produk. Pada reaksi kesetimbangan, konsentrasi reaktan dan produk hanya dapat

dihitung melalui tetapan kesetimbangan yang diberi notasi Kc. Tetapan kesetimbangan

adalah rasio/perbandingan konsentrasi, dalam molaritas (M), produk dan reaktan pada saat

setimbang. Apabila produk/reaktan terdiri atas lebih dari satu senyawa, maka harga tetapan

kesetimbangannya adalah perbandingan hasil kali konsentrasi masing-masing produk dan

reaktan dipangkatkan dengan koefisien reaksi masing-masing senyawa.

Pernyataan Umum untuk Kc. Secara hipotetis apabila diketahui suatu reaksi kesetimbangan

sebagai berikut

a A + b B ⇄ g G + h H + .......

maka harga tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut adalah

Pembilang pada pernyataan tetapan kesetimbangan adalah hasil kali konsentrasi spesies

produk di sebelah kanan persamaan ([G], [H], ....) dengan masing-masing konsentrasi

dipangkatkan dengan angka koefisien reaksi dalam persamaan yang setimbang (g, h,.....).

Pembagi adalah hasil kali konsentrasi spesies reaktan di sebelah kiri persamaan ([A], [B],

....) dengan masing-masing konsentrasi dipangkatkan dengan angka koefisien reaksi

dalam persamaan yang setimbang (a, b, .....). Konsentrasi produk dan reaktan pada saat

setimbang harus dinyatakan dalam molaritas (M) yang ditandai dengan tanda kurung

[....].

ba

hg

c [B][A][H][G]K =

227

Harga tetapan kesetimbangan, Kc, tergantung pada reaksi dan temperatur. Meskipun demikian,

untuk suatu reaksi kesetimbangan, berapapun konsentrasi awal dari reaktan/produk, akan

menghasilkan harga tetapan kesetimbangan yang sama. Dengan kata lain dapat dikatakan

bahwa untuk suatu reaksi kesetimbangan, harga tetapan kesetimbangan adalah tetap atau tidak

berubah. Apabila ketiga percobaan pada Tabel 11.1 dihitung harga tetapan kesetimbangannya,

akan dihasilkan harga Kc yang relatif sama seperti berikut

Contoh 11-1

Diketahui reaksi kesetimbangan:

CO(g) + 2 H2(g) ⇄ CH3OH(g)

Pada saat setimbang konsentrasi [CO] = 1,03 M dan [CH3OH] = 1,56 M. Apabila tetapan

kesetimbangan Kc adalah 14,5 , hitung konsentrasi H2 pada saat setimbang.

à

Latihan 11-1

Diketahui reaksi kesetimbangan sebagai berikut: A + B ⇄ 2 C

Pada saat setimbang konsentrasi [A] = 0,47 M , [B] = 0,55 M , dan [C] = 0,36 M. Hitung Kc

untuk reaksi ini.

15)082,0)(091,0(

009,0][CO][H

OH][CHK:1Percobaan 222

3c ===

4,14)151,0)(0753,0(

0247,0][CO][H

OH][CHK:2Percobaan 222

3c ===

5,14)176,0)(138,0(

062,0][CO][H

OH][CHK:3Percobaan 222

3c ===

5,14]H)[03,1(

56,1]][H[CO

OH][CHK 22

222

3c ===

0,10414,5x1,03

1,56]H[ 22 == M0,3220,104]H[ 2 ==

228

11-3 Hubungan Penting dalam Tetapan Kesetimbangan Ada tujuh hal penting yang terkait dengan tetapan kesetimbangan yang bermanfaat dalam

memahami konsep kesetimbangan.

Kaitan Kc dengan Persamaan Reaksi Setimbang.

1. Tulis harga Kc dengan benar sesuai dengan persamaan reaksinya yang sudah setimbang.

2. Kalau reaksi dibalik, harga Kc menjadi kebalikannya ( ).

3. Kalau masing-masing koefisien reaksi pada persamaan yang sudah setimbang dikalikan

dengan faktor yang sama (2, 3, .....), maka harga Kc harus dipangkatkan dengan faktor

yang terkait (2, 3, ....).

4. Kalau masing-masing koefisien reaksi pada persamaan yang sudah setimbang dibagi

dengan faktor yang sama (2, 3, ...), maka harga Kc harus diakarkan dengan faktor yang

terkait (akar pangkat 2, akar pangkat 3,....).

Untuk sintesis CH3OH(g) dari CO(g) dan H2(g), kalau bentuk persamaan kesetimbangan adalah

CO(g) + 2 H2(g) ⇄ CH3OH(g)

maka, tetapan kesetimbangan harus dituliskan sebagai

Sebaliknya, kalau lebih memilih menuliskan persamaan berdasarkan reaksi penguraiannya,

artinya reaksi dibalik menjadi

CH3OH(g) à CO(g) + 2 H2(g)

maka, tetapan kesetimbangan reaksi kebalikannya adalah

Misalkan untuk keperluan tertentu persamaan didasarkan pada dua mol CH3OH(g) dimana

seluruh koefisien reaksi dikalikan dengan 2

2 CO(g) + 4 H2(g) ⇄ 2 CH3OH(g)

Maka

cK1

222

3c ]][H[CO

OH][CHK =

069,05,141

K1

)][CO][H

OH][CH(

1OH][CH][CO][H'K

c2

2

33

22

c =====

102(14,5))(K)][CO][H

OH)[CH(][H][CO

OH][CH"K 22c

22

2

23

42

22

23

c =====

229

Contoh 11-2

Diketahui reaksi kesetimbangan sebagai berikut

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g) Kc = 3,6 x 108

Hitung harga Kc untuk reaksi

NH3(g) ⇄ N2(g) + H2(g) Kc = ?

Kalau dibandingkan dengan persamaan reaksi awal, persamaan reaksi kedua adalah persamaan

reaksi awal yang dibalik dan dibagi dengan dua. Karena dibalik maka tetapan kesetimbangan

menjadi .

2 NH3(g) ⇄ N2(g) + 3 H2(g) Kc’ = ?

Kemudian reaksi dibagi dengan koefisien 2, maka tetapan kesetimbangan adalah akar 2 dari

tetapan kesetimbangan Kc’

NH3(g) ⇄ N2(g) + H2(g) Kc” = ?

Latihan 11-2

Diketahui reaksi kesetimbangan:

SO2(g) + O2(g) ⇄ SO3(g) Kc = 56

Hitung Kc untuk reaksi kesetimbangan:

2 SO3(g) ⇄ 2 SO2(g) + O2(g)

Gabungan Tetapan Kesetimbangan

5. Kalau persamaan reaksi yang setimbang ditambahkan, maka harga Kc dari persamaan

reaksi hasil penjumlahan merupakan hasil kali dari harga Kc masing-masing persamaan

reaksi awal.

21

23

cK1

98

cc 10x2,8

10x3,61

K1'K -===

21

23

59cc 10x5,310x2,8'K"K -- ===

21

230

Nitrogen dan oksigen dapat digabung membentuk NO(g) atau N2O(g).

(a) N2(g) + O2(g) ⇄ 2 NO(g) Kc (a) = 4,1 x 10–31

(b) N2(g) + O2(g) ⇄ N2O(g) Kc (b) = 2,4 x 10–18

Selain itu, N2O(g) dapat bereaksi dengan oksigen membentuk NO(g).

(c) N2O(g) + O2(g) ⇄ 2 NO(g) Kc (c) = ?

Pernyataan c dapat dicapai melalui gabungan yang sesuai dari persamaan a dan b. Untuk itu,

persamaan b harus dibalik, dan kemudian mengambil akar dari hasil Kc nya.

(a) N2(g) + O2(g) ⇄ 2 NO(g) Kc (a) = 4,1 x 10–31

(b) N2O(g) ⇄ N2(g) + O2(g)

+

N2O(g) + O2(g) ⇄ 2 NO(g) Kc = ?

Tetapan kesetimbangan untuk reaksi (c) adalah

Latihan 11-3

Diketahui dua persamaan reaksi kesetimbangan sebagai berikut:

(a) 2 NO(g) ⇄ N2(g) + O2(g) Kc (a) = 2,4 x 1030

(b) NO(g) + Br2(g) ⇄ NOBr(g) Kc (b) = 1,4

Tentukan harga Kc untuk reaksi:

N2(g) + O2(g) + Br2(g) ⇄ NOBr(g)

Kesetimbangan yang Melibatkan Gas: Tetapan Kesetimbangan Kp

6. Untuk reaksi dimana semua senyawa dalam bentuk gas, tetapan kesetimbangan dapat

dinyatakan dalam tekanan partial gas reaktan dan produk, dan disebut tetapan

kesetimbangan tekanan partial, Kp.

21

21

21

1718c 10x4,2

104,21(b)K == -x

21

131731cc

2

1/222

22

2

1/222

2

c 1,7x10))(4,2x10(4,1x10(b)Kx(a)KO][N]][O[Nx

]][O[N[NO]

]O][O[N[NO](c)K -- =====

21

21

21

21

231

Untuk memperoleh bentuk alternatif dari tetapan kesetimbangan ini, dapat dilihat pada

pembentukan SO3(g), tahap kunci pada pembuatan asam sulfat.

2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g)

Dengan menggunakan hukum gas ideal, PV = nRT, maka:

, ,

Apabila persamaan diganti dengan konsentrasi dalam Kc, maka

Rasio tekanan parsial adalah tetapan kesetimbangan, Kp.

Hubungan antara Kp dan Kc untuk reaksi adalah

Kc = Kp RT dan

Untuk reaksi umum:

a A + b B ⇄ g G + h H + ....... maka

Dimana ∆ngas adalah selisih jumlah koefisien stoikiometri antara gas produk dan gas

reaktan, jadi ∆ngas pada reaksi umum di atas adalah sama dengan (g + h + ....) – (a + b + ....).

Pada reaksi pembentukn gas SO3, ∆ngas = 2 – (2 + 1) = – 1. Meskipun tidak ada unit untuk

harga tetapan kesetimbangan, perlu digunakan unit satuan yang benar dalam pernyataan

tetapan kesetimbangan. Untuk Kc digunakan molaritas, dan untuk Kp digunakan atm. Pilihan

ini kemudian memerlukan penggunaan harga R = 0,082 L atm mol–1 K–1 dalam persamaan.

Contoh 11-3

Hitung harga Kp untuk reaksi ini pada 1000 K.

2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) Kc = 2,8 x 102

K)1000(pada10x2,8][O][SO

][SOK 2

22

2

23

c ==

RTP

Vn]SO[ SO3SO3

3 ==RTP

Vn]SO[ SO2SO2

2 ==RTP

Vn]O[ O2O2

2 ==

RTP

RTx)(P)(P

)(P

)RTP()

RTP(

)RTP(

KO2

2SO2

2SO3

O22SO2

SO3

c ==

)(P)(P)(P

O22

SO2

2SO3

1c

cp (RT)KRTKK -==

gasΔncp (RT)KK =

232

Latihan 11-4

1. Hitung Kp untuk reaksi kesetimbangan

2 N2O(g) + O2(g) ⇄ 4 NO(g) Kc = 2,9 x 10–26 pada 745 K

2. Hitung Kp untuk reaksi kesetimbangan:

H2(g) + I2 (g) ⇄ 2 HI(g) Kc = 50,2 pada 445 K

Kesetimbangan yang Melibatkan Cairan dan Padatan Murni (Reaksi Heterogen).

7. Jangan mengikutsertakan padatan murni dan cairan murni dalam tetapan

kesetimbangan.

Tetapan kesetimbangan hanya untuk senyawa yang konsentrasinya dapat divariasi selama

reaksi berlangsung. Karena komposisi cairan dan padatan murni tidak dapat divariasi,

meskipun ikut berpartisipasi selama reaksi, maka cairan murni dan padatan murni tidak

dinyatakan dalam tetapan kesetimbangan. Contoh-contoh yang diberikan sebelumnya

adalah reaksi-reaksi dengan fasa tunggal, yang disebut reaksi homogen, dan tetapan

kesetimbangan dinyatakan untuk setiap reaktan dan produk. Reaksi heterogen adalah reaksi

dimana senyawa yang bereaksi berada dalam lebih dari satu fasa.

C(p) + H2O(g) ⇄ CO(g)

+ H2(g)

Untuk menghitung tetapan kesetimbangan reaksi di atas, hanya digunakan reaktan dan produk

yang dalam fasa gas, yaitu H2O(g), CO(g), dan H2(g).

, senyawa yang dalam fasa padat tidak diikutsertakan dalam Kc.

Penguraian kalsium karbonat (batu kapur) adalah contoh lain dari reaksi heterogen, tetapan

kesetimbangan hanya terdiri atas senyawa tunggal.

CaCO3(p) + CaO(p) ⇄ CaO(p)

+ CO2(g) maka Kc = [CO2]

3,41000)x(0,08210x2,8

1000)x(0,082x10x2,8(RT)KK2

121cp ==== --

O][H][CO][HK

2

2c =

233

Untuk reaksi di atas dapat dituliskan Kp dengan ∆ngas = 1.

Kp = Pco2 dan Kp = Kc(RT)

Tekanan kesetimbangan CO2(g) yang bersentuhan dengan CaCO3(p) dan CaO(p) adalah tetap,

sama dengan pada Kp, dan harganya tidak tergantung dari jumlah CaCO3 dan CaO (selama

kedua padatan ada). Hal yang sama untuk kesetimbangan cair – uap untuk air.

H2O(c) ⇄ H2O(g) Kc = [HO2(g)] dan Kp = PH2O dan Kp = Kc(RT)

Jadi, kesetimbangan tekanan uap secara sederhana adalah harga Kp, dan seperti yang telah

dilihat sebelumnya, harga ini tidak tergantung pada jumlah cairan dalam kesetimbangan.

Contoh 11-4

Hitung harga Kp untuk reaksi:

H2S(g) + I2(p) ⇄ 2 HI(g) + S(p) Pada 60°C

Diketahui: PHI = 3,65 x 10–3 atm dan PH2S = 9,96 x 10–1 atm

Ingat bahwa padatan murni tidak muncul dalam tetapan kesetimbangan.

11-4 Besaran Berarti dari Tetapan Kesetimbangan Secara prinsip setiap reaksi kimia mempunyai tetapan kesetimbangan, akan tetapi tidak perlu

digunakan pada setiap kasus. Tabel 11-2 memuat daftar beberapa tetapan kesetimbangan,

diantaranya sintesis H2O dari unsur-unsurnya, yang dapat dilihat pada Tabel 11-2 paling atas.

Tabel 11-2 Beberapa Reaksi Kesetimbangan.

Reaksi Tetapan Kesetimbangan, Kp

2 H2(g) + O2(g) ⇄ 2 H2O(c) 1,4 x 1083 pada 298 K N2(g) + O2(g) ⇄ 2 NO(g) 5,3 x 10–31 pada 298 K

1,3 x 10–4 pada 1800 K 2 NO(g) + O2(g) ⇄ 2 NO2(g) 1,6 x 1012 pada 298 K 2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) 3,4 pada 1000 K C(p) + H2O(g) ⇄ CO(g) + H2(g) 1,6 x 10–21 pada 298 K

10 pada 1100 K

51

23

H2S

2HI

p 10x1,34)10x(9,96)10x(3,65

P)(PK -

-

-

===

234

Pada Bab 4 diasumsikan bahwa reaksi sintesis H2O dari unsur-unsurnya berjalan sempurna,

yaitu bahwa hanya berjalan ke arah kanan. Kalau reaksi berjalan sempurna, paling tidak satu

reaktan habis digunakan dan penyebut pada tetapan kesetimbangan mendekati harga nol, dan

membuat harga tetapan kesetimbangan sangat besar. Dengan kata lain, nilai Kc atau Kp yang

sangat besar menunjukkan bahwa reaksi ke kanan (pembentukan) merupakan reaksi

sempurna atau hampir sempurna.

Karena harga Kp untuk reaksi sintesis H2O sangat besar yaitu 1,4 x 1083, maka reaksi tersebut

dapat dikatakan berjalan sempurna pada 298 K. Reaksi lain yang telah dipelajari sebelumnya

adalah sintesis NO(g) dari N2(g) dan O2(g). Dari Tabel 11-2 dapat dilihat harga Kc (atau Kp) dari

reaksi tersebut sangat kecil pada 298 K (yaitu hanya 5,3 x 10–31). Karena harga tetapan

kesetimbangan sangat kecil, maka pembilang harus sangat kecil (mendekati nol). Harga Kc

atau Kp yang sangat kecil menunjukkan bahwa reaksi ke kanan (pembentukan) tidak

terjadi.

Pada 1800 K harga Kp untuk sintesis NO(g) dari unsur-unsurnya adalah 1,4 x 10–4, yang sangat

lebih besar dari Kp pada 298 K, dan ini adalah alasan mengapa NO(g) dihasilkan pada proses

pembakaran dengan temperatur tinggi, seperti pada mesin kendaraan bermotor. Kalau NO(g)

bertemu dengan O2(g) pada 298 K maka akan dirubah menjadi NO2(g) yang berjalan hampir

sempurna (Kp = 1,6 x 1012). Perubahan SO2(g) dan O2(g) menjadi SO3(g) pada 1000 K mempunyai

harga tetapan kesetimbangan yang tidak terlalu besar akan tetapi tidak terlalu kecil juga. Reaksi

ke kedua arah (reaksi ke kanan dan reaksi sebaliknya) menjadi penting dan diharapkan terdapat

jumlah yang cukup berarti baik untuk reaktan maupun produk pada saat kesetimbangan.

Keadaan yang sama juga terjadi pada reaksi C(p) dan H2O(g) menjadi CO(g) dan H2(g) pada 1100

K. Akan tetapi, pada 298 K tidak diharapkan terjadi reaksi ke kanan yang cukup berarti (Kp =

1,6 x 10–21). Dari kedua pernyataan ini dapat diambil kesimpulan, bahwa reaksi akan mencapai

kesetimbangan dimana baik reaktan maupun produk ada dalam reaksi (dan dimana tetapan

kesetimbangan harus digunakan), kalau nilai Kc atau Kp tidak terlalu besar dan tidak

terlalu kecil.

235

11-5 Hasil Pembagian (Q): Meramalkan Arah Reaksi Reaksi pembuatan CH3OH dari CO dan H2 adalah:

CO(g) + 2 H2(g) ⇄ CH3OH(g) Kc = 14,5

Pada percobaan 1 (Tabel 11-1) reaksi dimulai dengan sejumlah CO dan H2, dan terbentuk

sejumlah CH3OH. Hanya dalam keadaan seperti inilah kesetimbangan dapat dicapai, yaitu

semua reagen (reaktan dan produk) ada selama reaksi. Karena mula-mula tidak ada produk,

kemudian ada produk sebagai hasil reaksi dari reaktan, maka dapat dikatakan bahwa arah reaksi

adalah ke kanan. Pada percobaan 2 (Tabel 11-1), reaksi dimulai dengan produk, CH3OH,

kemudian produk terurai menjadi CO dan H2, maka arah reaksi adalah ke arah kebalikannya

yaitu ke kiri. Pada percobaan 3 (Tabel 11-1), reaksi dimulai dengan semua reagen yang terlibat

dalam reaksi, CO, H2, dan CH3OH. Pada percobaan ini diperlukan pemahaman lain untuk

menentukan arah dari reaksi supaya terjadi kesetimbangan. Supaya dapat meramalkan kemana

arah perubahan total yang diperlukan untuk menetapkan kesetimbangan, ada dua alasan

penting.

• Ada waktu dimana perhitungan kesetimbangan secara rinci tidak diperlukan, dan ramalan

kualitatif tentang perubahan yang terjadi dalam menetapkan kesetimbangan saja sudah

cukup.

• Untuk perhitungan kesetimbangan tertentu perlu ditetapkan kemana arah perubahan total

harus terjadi untuk menetapkan kesetimbangan.

Hasil Bagi Reaksi. Pada setiap titik pada reaksi dapat diformulasikan rasio konsentrasi seperti

pada tetapan kesetimbangan. Rasio ini disebut hasil bagi reaksi, yang biasanya diberi simbol

Q. Untuk reaksi hipotetis umum

a A + b B ⇄ g G + h H + .......

maka hasil bagi reaksi adalah

Kalau reaksi pada keadaan kesetimbangan, maka Q = Kc. Selain itu, tergantung pada

hubungan antara Q dan Kc, reaksi dapat berjalan ke arah kanan atau ke arah kebalikannya (ke

arah kiri). Hubungan antara Q dan Kc dapat merujuk lagi kepada tiga percobaan di atas. Pada

percobaan 1 (Tabel 11-1), konsentrasi mula-mula (awal) dari CO dan H2 adalah 1 mol/10 L.

Pada awalnya tidak ada CH3OH. Pada kasus ini hasil bagi reaksi Q1 adalah

....[B][A]

....[H][G]Q ba

hg

=

236

Sudah ditetapkan bahwa perubahan total terjadi ke arah kanan. Karena perubahan total terjadi

ke arah kanan, maka pembilang pada pernyataan di atas bertambah, penyebut berkurang, harga

Q bertambah dan lama kelamaan Q = Kc.

Reaksi total berjalan dari kiri ke kanan kalau Q < Kc.

Pada percobaan 2 (Tabel 11-1), konsentrasi mula-mula (awal) dari CH3OH adalah 1 mol/10 L.

Pada awalnya tidak ada CO dan H2. Harga Q2 adalah

Sudah ditetapkan bahwa perubahan total terjadi ke arah kebalikannya (ke arah kiri). Karena

perubahan total terjadi ke arah kebalikannya, maka pembilang berkurang, penyebut bertambah,

harga Q berkurang dan lama kelamaan Q = Kc.

Reaksi total berjalan dari kanan ke kiri (ke arah kebalikan) kalau Q > Kc.

Sekarang lihat ke kasus dimana kriteria baru untuk arah perubahan total benar-benar

diperlukan. Pada percobaan 3 (Tabel 11-1), konsentrasi mula-mula (awal) dari ketiga spesies

masing-masing adalah 1 mol/10 L. Harga Q3 adalah

Karena Q > Kc (100 dibandingkan dengan 14,5), maka reaksi total Percobaan 3 harus terjadi

ke arah kebalikan (ke kiri). Jumlah CO dan H2 pada kesetimbangan lebih besar dari jumlah

CO dan H2 awal sedangkan jumlah CH3OH pada kesetimbangan lebih kecil dari jumlah

CH3OH awal. Kriteria untuk meramalkan arah perubahan kimia total pada reaksi kebalikan

dapat dilihat pada Gambar 11-1.

0))((

0]H[[CO]

OH][CHQ 2101

101

awal2

2awal

awal31 ===

=µ== 2101

awal2

2awal

awal32 )0)(0(]H[[CO]

OH][CHQ

100))((]H[[CO]

OH][CHQ 2101

101101

awal2

2awal

awal33 ===

237

Gambar 11-1 Meramalkan arah perubahan dalam reaksi kebalikan. Lima kemungkinan untuk hubungan antara keadaan awal dengan keadaan setimbang.

(a) (b) (c) (d) (e)

Kondisi awal reaktan murni

“kiri” kesetimbangan kesetimbangan “kanan”

kesetimbangan produk murni

Hasil bagi reaksi, Q

= 0 < Kc = Kc > Kc = ~

Arah reaksi

ke kanan ke kiri

Contoh 11-5

1 mol CO(g), 1 mol H2O(g), 2 mol CO2(g), dan 2 mol H2(g) direaksikan pada temperatur 1100 K.

Tentukan arah reaksinya.

CO(g) + H2O(g) ⇄ CO2(g) + H2(g) Kc = 1

Pada dasarnya perlu ditentukan kemana arah perubahan terjadi. Artinya harus dievaluasi Q.

Masukkan harga konsentrasi ke persamaan Q, asumsikan volume adalah V, asumsi ini tidak

berarti karena nantinya volume akan hilang.

4 > 1 à Q > Kc à reaksi total ke arah kiri. Ketika kesetimbangan tercapai, jumlah CO dan

H2O akan menjadi lebih besar, sedangkan jumlah CO2 dan H2 akan berkurang.

Latihan 11-5

4 mol CO(g), 2 mol H2O(g), 3 mol CO2(g), dan 2 mol H2(g) direaksikan pada temperatur 1100 K.

Tentukan arah reaksinya.

CO(g) + H2O(g) ⇄ CO2(g) + H2(g) Kc = 1

4))(())((

O][H[CO]][H][COQ

V1

V1

V2

V2

awal2awal

2awal2 ===

238

11-6 Prinsip Le Châtelier Ada kalanya diperlukan pernyataan kualitatif tentang reaksi reversibel, apakah reaksi total ke

arah kanan atau ke arah kiri, atau apakah jumlah senyawa akan bertambah atau berkurang

ketika tercapai kesetimbangan, dan lain-lain. Kadang-kadang, terjadi kondisi dimana tidak

cukup data untuk melakukan perhitungan kuantitatif. Pada kasus seperti itu, dapat digunakan

pernyataan yang dibuat oleh Henri Le Châtelier (1884). Le Châtelier mengatakan bahwa:

apabila pada suatu sistem kesetimbangan dilakukan gangguan dalam bentuk perubahan

temperatur, tekanan, atau konsentrasi spesies yang terlibat dalam reaksi, maka sistem

akan bereaksi sedemikian rupa, yang akan sedikit mengganggu kesetimbangan, dalam

rangka mencapai kesetimbangan yang baru. Bentuk reaksi akibat gangguan dalam bentuk

perubahan temperatur, tekanan, atau konsentrasi pada kesetimbangan ini dapat berupa

pergeseran kondisi kesetimbangan ’ke kanan’ atau pergeseran kondisi kesetimbangan ’ke kiri’.

Secara umum tidak sulit meramalkan perubahan ini.

Efek terhadap perubahan jumlah reaktan yang terlibat dalam reaksi

2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g)

Kc = 2,8 x 102 pada 1000 K

Kalau dimulai dengan berbagai jumlah SO2, O2, dan SO3 seperti pada Gambar 7-2 di bawah

ini. Kemudian dilakukan gangguan pada campuran kesetimbangan di atas dalam bentuk

penambahan 1 mol SO3. Bagaimana jumlah reaktan yang terlibat dalam reaksi akan berubah

untuk mencapai kondisi kesetimbangan yang baru? Salah satu pendekatan adalah dengan

mengevaluasi ratio reaksi (Q) segera setelah penambahan SO3.

239

Kesetimbangan mula-mula

Kesetimbangan setelah ada gangguan

Penambahan SO3, berapapun jumlahnya, kedalam campuran kesetimbangan dengan volume

tetap, akan membuat Q menjadi lebih besar dari Kc. Reaksi total pasti terjadi ke arah yang

mengurangi [SO3], yaitu ke kiri, ke arah sebaliknya. Jumlah setiap reagen pada keadaan

kesetimbangan yang baru dapat dihitung seperti contoh di bawah. Pendekatan kualitatif

alternatif adalah berdasarkan prinsip Le Châtelier. Kalau sistem diganggu dengan

meningkatkan konsentrasi satu reaktan yang terlibat dalam reaksi, maka pasti dengan memilih

reaksi dimana spesies dikonsumsi. Disini artinya reaksi sebaliknya, konversi beberapa SO3

yang ditambahkan menjadi SO2 dan O2. Pada kesetimbangan yang baru akan ada jumlah yang

lebih besar dari semua senyawa dibandingkan pada kesetimbangan awal, meskipun, seperti

telah dijelaskan pada Gambar 11-2, penambahan sejumlah SO3 akan lebih kecil dari pada 1

mol yang ditambahkan.

c2

22

23 K

][O][SO][SOQ == c

22

2

23 K

][O][SO][SOQ >=

Gambar 11-2 Perubahan Keadaan Kesetimbangan dengan Meningkatkan Jumlah Salah Satu Reagen.

2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g)

Kc = 2,8 x 102 pada 1000 K

(a) Keadaan kesetimbangan awal. (b) Gangguan dengan penambahan 1 mol SO3. (c) Keadaan kesetimbangan baru Perhatikan bahwa jumlah SO3 pada kesetimbangan yang baru (c), 1,46 mol, lebih besar dari pada kesetimbangan awal, 0,68 mol, akan tetapi tidak sebesar segera sesudah penambahan 1 mol SO3 pada (b), 1,68 mol.

240

Contoh 11-6

Ramalkan efek dari penambahan H2(g) kedalam campuran kesetimbangan N2, H2, dan NH3,

pada volume tetap.

N2(g) +

H2(g) ⇄ 2 NH3(g)

Penambahan H2(g) akan mendorong pergeseran kesetimbangan ‘ke kanan’. Akan tetapi, hanya

H2(g) yang ditambahkan saja yang dikonsumsi pada reaksi ini. Ketika terjadi kesetimbangan

baru, H2 akan lebih besar dari awal. Jumlah NH3 juga lebih besar, akan tetapi jumlah N2 lebih

kecil dibandingkan pada awal reaksi. Sejumlah N2 awal pasti dikonsumsi pada saat merubah

H2 tambahan menjadi NH3.

Contoh 11-7

Pada tetapan kesetimbangan reaksi penguraian batu kapur, ramalkan efek dari:

CaCO3(p) ⇄ CaO(p)

+ CO2(g)

a. Penambahan sedikit CaCO3(p).

b. Pengurangan sejumlah CO2(g).

a. Penambahan dan pengurangan senyawa akan memberikan efek pada kondisi

kesetimbangan hanya apabila penambahan atau pengurangan ini menghasilkan perubahan

konsentrasi seperti dinyatakan dalam tetapan kesetimbangan. Telah dipelajari bahwa cairan

dan padatan murni tidak dihitung, atau dengan kata lain tidak diikutsertakan dalam

penulisan tetapan kesetimbangan. Penambahan sedikit CaCO3(p) tidak mempengaruhi

volume reaksi, dan konsentrasi CaCO3(p) tidak digunakan dalam persamaan tetapan reaksi

Kc. Dengan demikian maka penambahan CaCO3(p) tidak memberikan efek apapun terhadap

kondisi kesetimbangan.

b. Menghilangkan sejumlah CO2(g) memberikan efek pengurangan konsentrasinya. CaCO3(p)

yang ditambahkan akan terurai menggantikan CO2(g) yang diambil dalam rangka

mengembalikan kesetimbangan. Kalau CO2(g) diambil secara terus menerus, kesetimbangan

tidak akan pernah terbentuk dan reaksi akan sempurna.

241

Efek terhadap perubahan tekanan. Masih menggunakan persamaan kesetimbangan

2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) Kc = 2,8 x 102 pada 1000 K

Kesetimbangan campuran seperti Gambar 11-3 (a) mempunyai volum yang diperkecil sampai

sepersepuluh dari volume awal dengan meningkatkan tekanan. Sekali lagi, penyesuaian dari

jumlah kesetimbangan harus terjadi sesuai dengan tetapan kesetimbangan Kc.

Kalau volume dikurangi dengan faktor 10, maka rasio harus ditingkatkan dengan

faktor 10 juga. Jumlah SO3 harus bertambah, dan jumlah SO2 dan O2 harus berkurang.

Kesetimbangan baru dapat dilihat pada Gambar 11-3 (b). Sistem kesetimbangan bereaksi

terhadap peningkatan tekanan dengan mengecil menjadi volume yang lebih kecil. Pada

persamaan reaksi di atas, 3 mol gas-gas di sebelah kiri menghasilkan 2 mol gas-gas di sebelah

kanan. Produk reaksi, SO3, menempati volume yang lebih kecil dibandingkan dengan reaktan

pembentuknya. Jadi, penambahan tekanan menghasilkan tambahan SO3. Apabila tekanan

pada kesetimbangan campuran yang melibatkan gas ditingkatkan, maka reaksi total

akan bergeser ke arah dimana jumlah mol dari gas-gas lebih kecil. Apabila tekanan

dikurangi, reaksi total akan bergeser ke arah dimana jumlah mol gas lebih besar. Efek

2

O22

SO2

2SO3

O22

SO2

2SO3

22

2

23

c 10x2,8Vx)(n)(n

)(n/V)(n/V)(n

/V)(n][O][SO

][SOK ====

)(n)(n)(n

O22

SO2

2SO3

Gambar 11-3 Efek Perubahan Tekanan pada Keadaan Setimbang untuk Reaksi 2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) Peningkatan tekanan memaksa pergeseran keadaan setimbang ‘ke kanan’.

242

tekanan pada pada kondisi kesetimbangan tidak dibatasi pada reaksi yang melibatkan gas, akan

tetapi karena gas jauh lebih dapat ditekan dibandingkan cairan atau padatan, maka efek akan

lebih besar terhadap gas.

Efek terhadap penambahan gas inert. Karena gas inert, misal helium, tidak berpartisipasi

dalam reaksi, maka tidak dapat diharapkan bahwa gas inert akan mempengaruhi kondisi

kesetimbangan. Akan tetapi sebetulnya, apakah gas inert mempengaruhi kesetimbangan atau

tidak tergantung pada keadaan ketika gas inert ditambahkan. Kalau gas ditambahkan,

sementara volume dipertahankan tetap, maka tekanan gas total meningkat, akan tetapi

konsentrasi (atau tekanan partial) dari semua reaktan akan tetap. Apabila gas inert

ditambahkan pada sistem dengan volume tetap, maka gas inert tidak mempunyai

pengaruh pada kondisi kesetimbangan. Sebaliknya, kalau gas inert ditambahkan pada

campuran kesetimbangan, sementara tekanan dipertahankan tetap, volume reaksi akan

bertambah, dan kondisi kesetimbangan akan bergeser ke sisi reaksi dimana jumlah mol gas

lebih besar. Dengan kata lain, kalau ditambahkan pada sistem dengan tekanan tetap, gas

inert mempunyai efek yang sama pada kondisi kesetimbangan seperti pada peningkatan

volume sistem. Sebagai ringkasan, gas inert mempengaruhi kondisi kesetimbangan hanya

apabila gas inert menyebabkan perubahan konsentrasi (atau tekanan partial) dari reaktan

dan produk.

Efek terhadap perubahan temperatur. Perubahan temperatur campuran kesetimbangan

dapat berupa penambahan panas (temperatur dinaikkan) atau pengurangan panas (temperatur

diturunkan). Menurut prinsip Le Châtelier, pada penambahan panas reaksi akan cenderung

kepada reaksi yang menyerap panas (endotermis) dan pada pengurangan panas reaksi akan

cenderung kepada reaksi yang melepas panas (eksotermis). Pada reaksi endotermis, sistem

cenderung mengakomodasi energi panas untuk memasuki sistem dengan menyerap panas.

Sedangkan pada reaksi eksotermis, sistem cenderung menggantikan kehilangan energi panas

oleh sistem dengan melepas panas.

Menaikkan temperatur suatu kesetimbangan campuran menyebabkan kondisi kesetimbangan

bergeser ke arah reaksi endotermis. Menurunkan temperatur menyebabkan kondisi

kesetimbangan bergeser ke arah reaksi eksotermis. Atau, nilai tetapan Kc atau Kp bertambah

dengan naiknya temperatur untuk reaksi endotermis dan berkurang dengan turunnya

temperatur untuk reaksi eksotermis.

243

Contoh 11-8

Perubahan SO2(g) menjadi SO3(g) lebih disukai pada temperatur tinggi atau rendah

2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) ΔH° = – 180 kJ

Menaikkan temperatur akan cenderung kepada reaksi endotermis, yang merupakan reaksi

kebalikan dari reaksi kesetimbangan diatas. Supaya reaksi yang terjadi adalah eksotermis,

maka temperatur perlu diturunkan. Oleh karena itu, campuran kesetimbangan akan

menyebabkan peningkatan konsentrasi SO3 pada temperatur yang lebih rendah. Jadi,

perubahan SO2(g) menjadi SO3(g) lebih disukai pada temperatur rendah.

Efek katalis pada kesetimbangan. Apabila katalis ditambahkan pada campuran reaksi, maka

katalis akan meningkatkan kecepatan reaksi termasuk reaksi kebalikannya. Kesetimbangan

akan tercapai dengan lebih cepat, akan tetapi jumlah reagen tidak berubah dengan

penambahan katalis. Masih menggunakan reaksi:

2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) Kc = 2,8 x 102 pada 1000 K

Untuk suatu kondisi reaksi, jumlah kesetimbangan untuk SO2, O2, dan SO3 mempunyai harga

yang tertentu. Hal ini berlaku untuk reaksi homogen lambat, reaksi dengan katalis pada fasa

gas, atau reaksi heterogen pada permukaan katalis. Atau dengan kata lain, katalis tidak merubah

harga tetapan kesetimbangan. Jadi ada dua pernyataan tentang katalis

• Fungsi katalis adalah merubah mekanisme reaksi dari spesies yang memiliki energi

aktivasi.

• Katalis tidak punya efek pada kondisi kesetimbangan dan reaksi kebalikannya.

Dari dua pernyataan di atas dapat dikatakan bahwa kondisi kesetimbangan tidak tergantung

pada mekanisme reaksi. Meskipun reaksi kesetimbangan dan reaksi kebalikannya berlangsung

pada kecepatan yang sama, kinetika reaksi kimia tidak perlu diperhitungkan dalam konsep

kesetimbangan.

Latihan 11-6

Proses Deacon digunakan untuk membuat gas klorin dari hidrogen klorida, terutama pada

keadaan dimana sejumlah besar hasil samping tersedia dari proses kimia lainnya.

4 HCl(g) + O2(g) ⇄ 2 H2O(g)

+ 2 Cl2(g)

244

Campuran HCl, O2, H2O, dan Cl2 dibiarkan mencapai kesetimbangan pada 400°C. Ramalkan

efek pada kesetimbangan jumlah Cl2(g) apabila:

a. Ditambahkan O2(g) pada volume tetap.

b. HCl(g) dikurangi pada volume tetap.

c. Campuran dipindahkan ke dalam tabung dengan volume yang dua kali volume tabung

semula.

d. Pada campuran reaksi ditambahkan katalis.

e. Temperatur dinaikkan menjadi 500°C.

11-7 Perhitungan Dalam Kesetimbangan Pada Bab ini dipelajari bahwa meskipun banyak reaksi kimia berjalan secara sempurna, akan

tetapi ada banyak juga yang tidak berjalan sempurna, yaitu reaksi yang reversible (bolak balik)

yang mencapai kondisi kesetimbangan. Juga sudah ditetapkan bahwa perubahan yang terjadi

dalam reaksi reversible tidak dapat ditangani dengan prinsip stoikiometri saja, diperlukan juga

tetapan kesetimbangan. Hal ini menyatakan bahwa perhitungan yang menyangkut tetapan

kesetimbangan merupakan sesuatu yang penting. Pemahaman tentang penyelesaian

perhitungan dalam reaksi kesetimbangan akan dilakukan dengan beberapa contoh soal.

1. Dalam menggunakan tetapan kesetimbangan, Kc , harus dipastikan bahwa unit satuan

konsentrasi yang digunakan adalah mol/L (M), bukan mol atau gram. Akan sangat berguna

menyusun dan menandai semua data kesetimbangan dalam suatu tabel.

Contoh 11-9

Dinitrogen tetrasulfida, N2O4, adalah komponen penting dari bahan bakar roket. Pada

reaksi N2O4(g) ⇄ 2 NO2(g), kesetimbangan tercapai pada 25°C. Pada saat setimbang terdapat

7,64 g N2O4 dan 1,56 g NO2. Jika volume adalah 3 L, hitung Kc untuk reaksi kesetimbangan

ini (Mr: N2O4 = 92 , NO2 = 46).

Pertama, tuliskan persamaan untuk Kc dengan benar, kemudian hitung harga Kc dengan

catatan bahwa konsentrasi dalam tetapan kesetimbangan harus dalam molaritas (mol/L).

245

2. Persamaan kimia untuk reaksi reversible dapat digunakan untuk tetapan kesetimbangan dan

untuk mendapatkan faktor konversi (faktor stoikiometri) yang mengaitkan konsentrasi pada

saat setimbang dan konsentrasi awal.

3. Ketika bekerja dengan Kc atau Kp atau kaitan antara keduanya, selalu harus didasarkan pada

pernyataan reaksi kimia yang diberikan, bukan yang digunakan pada situasi lainnya.

Contoh 11-10

0,02 mol SO3(g) dimasukkan ke dalam tempat tertutup bervolume 1,52 L pada temperatur

900 K dan dibiarkan mencapai kesetimbangan. Pada saat setimbang didapat SO3(g)

sebanyak 0,0142 mol. Hitung Kc dan Kp dari penguraian SO3(g) pada 900 K, apabila

reaksinya adalah: 2 SO3(g) ⇄ 2 SO2(g) + O2(g)

Pada tabel data di bawah, kunci ada di ’perubahan’ jumlah SO3. Kc dan Kp harus dihitung

pada saat reaksi setimbang, oleh karena itu terlebih dahulu harus dihitung konsentrasi

masing-masing reagen pada saat reaksi setimbang. Untuk itu perlu dibuat tabel data tentang

kondisi mula-mula dan perubahan yang terjadi. Perubahan adalah selisih antara kondisi

pada saat setimbang dengan kondisi mula-mula. Untuk reagen yang berkurang, maka

perubahannya adalah negatif yang menunjukkan bahwa reagen dikonsumsi, sedangkan

untuk reagen yang bertambah, maka perubahannya adalah positif. Pada awal reaksi yang

ada hanya SO3(g), belum ada SO2(g) dan O2(g). Oleh karena itu, pada ‘mula-mula’ jumlah

untuk SO2(g) dan O2(g) adalah nol. Pada saat ‘setimbang’ sudah diketahui jumlah untuk

4242

4242 ONmol0,083g/mol92

ONmol1xONg7,4ONmol ==

M0,0277L3

ONmol0,083]ON[ONmolaritas 424242 ===

22

22 NOmol0,0339g/mol46NOmol1

xNOg1,56NOmol ==

M0,0113L3NOmol0,0339

]NO[NOmolaritas 222 ===

322

42

2c 10x4,61

0339,0)0113,0(

]O[N][NOK -===

246

semua reagen, baik reaktan maupun produk. Dengan demikian, maka ‘perubahan’ adalah

selisih keduanya (mula-mula dikurangi setimbang). Mula-mula tidak ada SO2(g) dan O2(g),

maka SO3(g) berubah menjadi SO2(g) dan O2(g), dengan demikian jumlah SO3(g) berkurang,

sedangkan jumlah SO2(g) dan O2(g) bertambah. Hal ini ditandai dengan tanda negatif pada

perubahan SO3(g) dan tanda positif pada perubahan SO2(g) dan O2(g). Dalam menghitung

perubahan untuk reagen lainnya dari reagen yang sudah diketahui dapat digunakan

koefisien stoikiometri. Pada reaksi kesetimbangan, hanya ‘perubahan’ yang dapat

dihitung dengan menggunakan koefisien stoikiometri. Untuk reaksi kesetimbangan

pada soal ini, koefisien reaksi SO3(g), SO2(g), dan O2(g) masing-masing adalah 2, 2, dan 1.

Perubahan untuk SO3(g) adalah (0,0142 – 0,0200) = 0,0058 mol.

reaksi: 2 SO3(g) ⇄ 2 SO2(g) + O2(g)

mula-mula: 0,02 mol 0 mol 0 mol

perubahan: – 0,0058 mol + 0,0058 mol + 0,0029 mol

setimbang: 0,0142 mol 0,0058 mol 0,0029 mol

molaritas

(M):

= 9,34 x 10–3 M

= 3,8 x 10–3 M

= 1,9 x 10–3 M

Latihan 11-7

Reaksi: 2 A(g) + B(g) ⇄ C(g) dibiarkan mencapai kesetimbangan dalam tempat bervolume

1,8 L. Jumlah mula-mula A adalah 1,18 mol dan B adalah 0,78 mol. Pada saat setimbang

jumlah A menjadi 0,92 mol. Hitung Kc.

4. Apabila perlu mengaitkan tekanan total dengan tekanan parsial reaktan, maka dapat

digunakan persamaan seperti pada bab tentang gas.

L1,52mol0,0142

]SO[ 3 =L1,52mol0,0058

]SO[ 2 =L1,52mol0,0029

]O[ 2 =

43

323

23

22

2c 10x3,1

)10x(9,34)10x(1,9)10x(3,8

][SO]O[][SOK -

-

--

===

gasΔncp (RT)KK = 21)(24 900)x(0,082110x3,1 -+-=

214 10x2,3900)x(0,082110x3,1 -- ==

247

Contoh 11-11

Sejumlah NH4HS(p) dimasukkan ke dalam tempat tertutup dan dibiarkan mencapai

kesetimbangan pada 25°C. Hitung tekanan gas total pada saat setimbang.

NH4HS(p) ⇄ NH3(g) + H2S(g)

Kp (atm) = 0,108 pada 25 °C

Kp adalah hasil kali tekanan parsial dari dari NH3(g) dan H2S(g), masing-masing dalam

atmosfer (atm). NH4HS tidak digunakan dalm perhitungan karena dalam fasa padat. Karena

gas-gas ini dihasilkan dalam jumlah mol yang ekivalen, maka:

PNH3 = PH2S dan Ptot = PNH3 + PH2S = 2 x PNH3

Kp = (PNH3)(PH2S) = (PNH3)(PNH3) = (PNH3)2 = 0,108

PNH3 = = 0,329 atm

Ptot = 2 x PNH3 = 2 x 0,329 = 0,658 atm

5. Apabila perlu menggunakan jumlah yang tidak diketahui (x) pada hitungan kesetimbangan,

maka beberapa hal yang perlu diperhatikan adalah:

• Gunakan x pada lajur ‘perubahan’.

• Tetapkan ‘perubahan’ mana yang diberi x (jumlah reaksi yang dikonsumsi atau jumlah

produk yang terbentuk).

• Gunakan faktor stoikiometri untuk mencari ‘perubahan’ reagen lainnya terhadap x

(yaitu 2x, 3x, ….)

• Jangan lupa bahwa senyawa yang dikonsumsi dinyatakan dengan tanda negatif (misal

: – x , – 2x , ….). Sedangkan senyawa yang dihasilkan dinyatakan dengan tanda positif

(misal : + x , + 2x , …..). Perhatikan arah reaksi.

• Jumlah pada saat setimbang = jumlah awal + ‘perubahan’ (dengan catatan bahwa tanda

dari ‘perubahan’ bisa positif atau negatif).

Contoh 11-12

0,024 mol N2O4(g) dibiarkan terurai dan mencapai kesetimbangan dalam tempat yang

bervolume 0,372 L pada 25°C. Berapa persen N2O4 yang terurai?

N2O4(g) ⇄ 2 NO2(g) Kc = 4,61 x 10–3 pada 25ᵒC

108,0

248

Persen yang terurai adalah persen dari molekul N2O4 yang ada di awal yang diubah menjadi

NO2. Sebelum dapat menghitung persen N2O4 yang terurai, terlebih dahulu harus ditetapkan

jumlah mol N2O4 yang terurai. Pertama harus dibuat tabel seperti pada Contoh 11-10.

Karena jumlah yang berubah dan jumlah pada saat setimbang tidak diketahui, maka

digunakan x sebagai jumlah mol N2O4 yang terurai.

reaksi: N2O4(g) ⇄ 2 NO2(g)

mula-mula: 0,024 mol 0,0 mol

perubahan: (– x) mol (+ 2 x) mol

setimbang: (0,024 – x) mol (2 x) mol

molaritas (M):

4 x2 = 4,12 x 10–5 – (1,71 x 10–3) x

x2 + (4,28 x 10–4) x – 1,03 x 10–5 = 0

x2 kalau dihitung hasilnya adalah negatif, jadi pasti tidak berlaku.

Persen dihitung dengan membandingkannya dengan jumlah mula-mula.

L0,372mol x)- (0,024

]ON[ 42 =L0,372

mol x)(2]NO[ 2 =

3222

42

2c 10x4,61

x)(0,0240,372x4

x)/0,372(0,024(2x/0,372)

]O[N][NOK -=

-=

-==

2(1))10x1,034(1)()10x(4,28)10x(4,28-

x5244

12

--- --±=

2)10x(4,12)10x(1,83)10x(4,28-

x-574

12

+±=

--

2)10x(4,14)10x(4,28-

x-54

12

±=

-

2)10x43,6()10x(4,28-

x34

12

-- ±=

3334

1 10x3210x6

2)10x43,6()10x(4,28-

x ----

==+

=

12,5%100xmulamulaONmol0,024

teruraiONmol10x3teruraiyangON%

42

423

42 =-

=-

249

Latihan 11-8

0,1 mol H2(g) dan 0,1 mol I2(g) dibiarkan terurai dan mencapai kesetimbangan dalam tempat

yang bervolume 1,5 L pada 445°C.

H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)

Kc = 50,2

a. Hitung konsentrasi H2(g), I2(g), dan HI(g) pada saat setimbang.

b. Berapa persen H2 yang terurai?

6. Kadang-kadang akan berguna apabila membandingkan hasil pembagian, Q, dengan tetapan

kesetimbangan, Kc atau Kp, untuk menentukan arah reaksi total.

7. Pada beberapa perhitungan kesetimbangan, seringkali yang dalam larutan air, dapat

langsung digunakan konsentrasi molaritas, tanpa harus menghitung mol reaktan dan

volume larutan.

8. Seringkali persamaan aljabar dapat disederhanakan dengan mengenali hubungan antar

butir-butir pada tetapan kesetimbangan. Pada umumnya untuk yang melibatkan x yang jauh

lebih kecil dari nilai lainnya yang ditambahkan atau dikurangkan.

9. Apabila memungkinkan, periksalah hasil perhitungan yang dilakukan, dengan mengganti

komsentrasi kesetimbangan yang telah dihitung dengan hasil pembagian, Q, apakah sama

dengan Kc.

Contoh 11-13

Diketahui reaksi kesetimbangan sebagai berikut pada 25°C:

2 Fe3+(aq) + Hg22+(aq) ⇄ 2 Fe2+(aq)

+ 2 Hg2+(aq) Kc = 9,14 x 10–6

Konsentrasi mula-mula dari [Fe3+] dan [Hg22+] masing-masing adalah 0,5 M dan

konsentrasi mula-mula dari [Fe2+] dan [Hg2+] masing-masing adalah 0,03 M. Hitung

konsentrasi masing-masing ion pada saat setimbang.

Karena semua reaktan dan produk sudah ada pada awal reaksi, maka tidak diketahui apakah

reaksi total bergeser ke kiri atau ke kanan. Disinilah gunanya hasil pembagian Q, supaya

dapat diketahui mana ‘perubahan’ yang negatif dan mana yang positif.

250

Karena Q (6,84 x 10–6) lebih kecil dari Kc (9,14 x 10–6), maka reaksi bergeser ke kanan.

Tentukan x sebagai perubahan dengan menggunakan konsentrasi dalam mol/L (molaritas)

untuk Fe2+, Fe3+, dan Hg2+. Karena hanya setengah dari Hg22+ yang dikonsumsi untuk setiap

Fe3+, maka perubahan konsentrasi adalah x/2. Dengan mengetahui bahwa arah reaksi total

adalah ke kanan, maka perubahan untuk semua reagen di sebelah kiri persamaan adalah

negatif, dan perubahan semua reagen di sebelah kanan persamaan adalah positif.

reaksi: 2 Fe3+(aq)

+

Hg22+(aq) ⇄ 2 Fe2+(aq)

+

2 Hg2+(aq)

mula-mula: 0,5 M 0,5 M 0,03 M 0,03 M

perubahan: – x M – x/2 M +x M +x M

setimbang: (0,5 – x) M (0,5 – x/2) M (0,03 + x) M (0,03 + x) M

Untuk menyelesaikan perhitungan ini, dapat dilakukan penyederhanaan dengan melakukan

asumsi, dan kalau asumsi tersebut terbukti benar. Kalau x jauh lebih kecil dari 0,05, maka

(0,05 – x) ≃ 0,05, dan (0,05 – x/2) ≃ 0,05. Asumsi ini membuat persamaan di atas menjadi:

(0,03 + x)4 = (0,125)( 9,14 x 10–6) = 1,14 x 10–6

Lakukan akar pangkat 4 untuk kedua sisi (dua kali akar pangkat dua)

(0,03 + x)2 = (10,7 x 10–4)

(0,03 + x) = (3,27 x 10–2)

x = (3,27 x 10–2) – 0,03 = (2,7 x 10–3)

Hasil ini membuktikan bahwa asumsi yang dilakukan memang benar, karena 2,7 x 10–3

sangat kecil dibandingkan dengan 0,5.

Pada saat setimbang:

61

7

2

22

awal22awal

23

awal22

awal22

10x6,8410x1,2510x8,1

(0,5)(0,5)(0,03)(0,03)

][Hg][Fe][Hg][FeQ -

-

-

++

++

====

62

22

22

23

2222

c 10x9,14x/2)-(0,5x)-(0,5x)(0,03x)(0,03

][Hg][Fe][Hg][FeK -++

++

=++

==

64

2

22

c 10x9,140,125

x)(0,03(0,5)(0,5)

x)(0,03x)(0,03K -=

+=

++=

251

[Fe2+] = 0,03 + x = 0,03 + (2,7 x 10–3) = (3,27 x 10–2) M

[Hg2+] = 0,03 + x = 0,03 + (2,7 x 10–3) = (3,27 x 10–2) M

[Fe3+] = 0,5 – x = 0,5 – (2,7 x 10–3) = (4,973 x 10–1) M = 0,4973 M

[Hg22+] = 0,5 – x/2 = 0,5 – (1,4 x 10–3) = (4,986 x 10–1) M = 0,4986 M

Untuk memeriksa hasil:

Kalau perhitungan dilakukan dengan benar, maka harga Kc akan sama atau hampir sama

apabila harga-harga konsentrasi pada saat setimbang digunakan untuk menghitung hasil

pembagian, Q.

Harga 9,27 x 10–6 hanya berbeda sangat sedikit dengan 9,14 x 10–6, oleh karena itu dapat

dikatakan bahwa perhitungan yang dilakukan benar.

Latihan 11-9

Diketahui reaksi kesetimbangan sebagai berikut pada 25°C:

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g)

Kc = 3,6 x 108

Konsentrasi mula-mula dari [N2], [H2], dan [NH3] masing-masing adalah 0,5 M, 0,8 M, dan

0,03 M. Hitung konsentrasi masing-masing ion pada saat setimbang.

62

2-22-2

22

23

2222

c 10x9,27(0,4986)(0,4973)

)10x(3,27)10x(3,27][Hg][Fe][Hg][FeK -++

++

===