BAGIAN I KINETIKA REAKSI KIMIATeknik Reaksi Kimia

MATERI BAHASAN

1. KECEPATAN REAKSI KIMIA

2. KECEPATAN REAKSI HOMOGEN

3. KONSEPSI DASAR KINETIKA KIMIA

4. PENGARUH VARIABEL LAIN TERHADAP LAJU REAKSI

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

1. KECEPATAN REAKSI KIMIA Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

MATERI BAHASANa) Definisi Kecepatan Reaksi

Kecepatan pengurangan jml mol reaktan/penambahan jml mol produk, untuk setiap satuan jml tempat berlangsungnya reaksi

b) Persamaan Umum Kecepatan Reaksi

-ri = - dni/Vdt, atau ri = dni/Vdt …………………….….……….. (1)c) Persamaan Kecepatan Reaksi Heterogen

i. Massa Padatan (Ws)

-ri = - dni/Wsdt, atau ri = dni/Wsdt mol gr-1(s)dt-1………..…….. (2)

ii. Volume Padatan (Vs)

-ri = - dni/Vsdt, atau ri = dni/Vsdt mol liter-1(s)dt-1 …………….. (3)

iii. Volume Fluida (Vf)

-ri = - dni/Vfdt, atau ri = dni/Vfdt mol liter-1(f)dt-1 ………..…….. (4)

iv. Luas Permukaan Padatan (Ss)

-ri = - dni/Ssdt, atau ri = dni/Ssdt mol cm-2(s)dt-1 ……….…….. (5)

2. KECEPATAN REAKSI HOMOGEN Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

MATERI BAHASANa) Persamaan Kecepatan Reaksi Homogen

-ri = - dni/Vdt

b) Kondisi Ideal Sistem Reaksi Homogen tertutup, isotermal, tekanan konstan, homogen melibatkan hanya satu reaksi

-ri = - d(ni/V) dt = - dCi/dt ………………….….……………….….. (6)

Ci = konsentrasi molekul iContoh :Reaksi aA + bB → rR + sS

-rA = - dCA/dt ; -rB = - dCB/dt ; rR = dCR/dt ; rS = dCS/dt Dari stoikhiometri :

rA / rB = a/b …………………….……………………..………….….. (7)

2. KECEPATAN REAKSI HOMOGEN Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Sehingga :

- dCA/a dt = - dCB/b dt = dCR/r dt = dCS/s dt ………………….….. (8)

Secara Umum :

ri = dCi/γi dt ………………………..………….….……………….….. (9)

r = ri/γi dt ………………………..…………..….………….…….….. (10)

3. KONSEPSI DASAR KINETIKA KIMIA Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

MATERI BAHASANa) Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi

Konsentrasi Temperatur TekananContoh :aA + bB → pP ………………………..……………….…….….. (11)-rA = k CA

α CBβ ………………………..……….………….…….….. (12)

α, β : orde reaksik : konstanta kecepatan reaksi = A e-Ea/RT

b) Orde ReaksiAdalah bilangan yang menyatakan derajat ketergantungan laju reaksi pada konsentrasi reaktanSifat : Hasil dari percobaan, sehingga tidak harus bulat Tidak harus sama dengan koefisien stoikhiometri reaksi

3. KONSEPSI DASAR KINETIKA KIMIA Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

c) Konstanta Kecepatan ReaksiAdalah nilai laju reaksi pada konsentrasi reaktan sama dengan satu satuan konsentrasiSatuan : tergantung orde total reaksiNilai : tergantung pada komponen yang ditinjauContoh :A + 2B → 3C ………………………..……………….…….….. (13)Orde 1 masing-masing terhadap A dan BPersamaan kecepatan reaksi :-rA = kA CA

1 CB1

dengan : -rA = laju reaksi pengurangan A (mol liter-1 detik-1)CA, CB = konsentrasi A dan B (mol liter-1)kA = konstanta laju reaksi pengurangan A (liter mol-1detik-1)-rA = -1/2 rB = 1/3 rC ……………………..……………….…….….. (14)

3. KONSEPSI DASAR KINETIKA KIMIA Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

rC = -3 rA

= 3 kA CA CB = kC CA CB …………………………………………….…….…..

(15) kC = 3 kA ……...………………………………………….….….. (16) -rB = kB CA CB ……………………………...…………….….….. (17) kB = 2 kA ……...………………………………………….…….….. (18)

d) Mekanisme ReaksiAdalah urutan tahap reaksi elementer yang dilalui oleh reaktan untuk menjadi produk reaksi

Contoh :H2 + Br2 <===> 2HBr……………..……………….……..….... (19)Persamaan kecepatan reaksi : (dari Percobaan)rHBr = d(CHBr)/dt = (k1 CBr2

0,5 CH2) / (1+ k2 (CHBr/CBr2) .….... (20)

3. KONSEPSI DASAR KINETIKA KIMIA Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Tahapan Reaksi :1. Br2 ―→ 2Br☻2. Br☻ + H2 ―→ HBr + H☻ 3. H☻ + Br2 ―→ HBr + Br☻ 4. H☻ + HBr ―→ H2 + Br☻5. Br☻ + Br☻ ―→ Br2

1. Reaksi ElementerAdalah reaksi satu tahap yang merupakan reaksi antara satu atom/molekul reaktan yang satu dengan satu atom/molekul reaktan lainnya. Persamaan laju reaksi elementer dapat dinyatakan dari stoikhiometri reaksiContoh :1. Reaksi elementer A + B k→ R -rA = -rB = k CA

1 CB1

3. KONSEPSI DASAR KINETIKA KIMIA Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

2. Tahap Kedua Reaksi (19) Br☻ + H2 k2―→ HBr + H☻

-rBr☻ = -rH2 = rHBr rHBr = k2 CBr☻ CH2

f) MolekularitasAdalah jumlah atom/molekul yang terlibat di dalam reaksi elementer. Molekularitas reaksi elementer = orde total reaksiCiri-ciri reaksi elementer :

1. Molekularitas reaksi biasanya 1 atau 2, dan jarang sekali 3.2. Reaksi dengan stoikhiometri seperti persamaan reaksi :

A → 1,45 R + 0,85 S adalah bukan reaksi elementer Untuk reaksi reversibel, bila reaksi ke kanan bukan reaksi

elementer, yang ke kiri juga bukan reaksi elementer Bila dari percobaan diperoleh persamaan laju reaksi yang

tidak sesuai dengan stoikhiometri reaksi, maka reaksi tersebut pasti bukan reaksi elementer

4. PENGARUH VARIABEL LAIN TERHADAP LAJU REAKSI Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Konsentrasi : jelas pada persamaan laju reaksi

Yang terpenting : temperatur : dicakup dalam konstanta laju reaksi (k)

Konstanta laju reaksi dipengaruhi oleh : Temperatur Ukuran dan berat molekul yang terlibat reaksi Keberadaan katalis

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Akan dibahas berbagai bentuk dan jenis persamaan laju reaksi untuk proses yang :

Hanya dipengaruhi oleh reaksi kimia; kejadian fisika tidak mengganggu reaksi tersebut.

Berlangsung secara isotermal Berlangsung di dalam reaktor ‘batch’ dengan Volume konstan

MATERI BAHASANa) Reaksi Searahb) Reaksi Reversibelc) Reaksi Paraleld) Reaksi Konsekutif (Seri)

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

a) Reaksi Searah ki

A BPersamaan laju reaksi : -rA = ki Cn ……………..…………..…….…... (21)

Orde NolAda 2 kemungkinan :Laju reaksi tidak dipengaruhi oleh konsentrasi reaktanReaksi dimulai dengan jumlah reaktan yang sangat besar, sehingga

pengurangan jumlahnya terhadap waktu dapat diabaikan : disebut reaksi pseudo orde nol.

Persamaan laju reaksi : -rA = - dCA/dt = ko …..….………..…….…... (22)Sehingga : CA = CA0 – k0 t …..…………………..………..…….…... (23)Waktu Paroh (t1/2) : t1/2 = CA0/2k0 …..….……………..…….….…... (24)

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia Orde SatuPersamaan laju reaksi : -rA = - dCA/dt = k1 CA…....………..…….…... (25)Sehingga : ln (CA/CA0) = – k1 t …..……………...………..…….…... (26)Waktu Paroh (t1/2) : t1/2 = (ln 2)/k1 …..….………………….………... (27)

Orde Dua2 tipe : 1. A + A produk 2. aA + bB produk

Tipe 1 : - dCA/dt = k2 CA2…....………………………………..…….…... (28)

Sehingga : 1/CA – 1/CA0 = k2 t …..…….………..………..……... (29)Waktu Paroh (t1/2) : t1/2 = 1/(k2 CA0)…..….……………….….…... (30)

Tipe 2 : - dCA/dt = k2 CA CB

…....……………………………..…….…... (31)

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Ada 2 kemungkinan : Reaktan ditambahkan sesuai dengan stoikhiometri reaksi ; CAo = a/b

CBo

Reaktan ditambahkan tidak sesuai dengan stoikhiometri reaksi ; CAo = a/b CBo (tidak dibahas)

Keadaan (1)

t = 0 ; CA = CA0 t = t ; CA = CA

CB = CB0 = b/a CA0 CB = b/a CA

Sehingga Persamaan (31) dapat ditulis :

- dCA/dt = k2 CA b/a CA

- dCA/dt = k2 CA2 …..............…………………………..……..….…... (32)

(Sama dengan tipe 1)

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

b) Reaksi Reversibel

Persamaan laju reaksi : -rA = = ki CAn – k-i CB

n ..……...….... (33) Orde Nol

Reaksi :

= k0 CA

0 – k-0 CB0 ..….………………………….…...….... (34)

= k0 – k-0

CA = CA0 – (k0 – k-0) t ..….………………………….…...….... (35)

A Bki

k-i

A Bk0

k-0

dCA

dt

dCA

dt

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Orde SatuReaksi :

= k1 CA – k-1 CB ..…...…………….….………….…...….... (36)

CB = CB0 + (CA0 – CA) ..….………..….…………….…...….... (37)

Hasil Integrasi :

A Bk1

k-1 dCA

dt

dCA

dt dCA

dt

= k1 CA – k-1 [CB0 + (CA0 – CA)] ..….……………….…...... (38)

= (k1 + k-1) CA – k-1 (CB0 + CA0) ..….…….………….…...... (39)

(k1 + k-1) CA – k-1 (CB0 + CA0)

(k1 CA0 – k-1 CB0)ln = – (k1 + k-1) t ..….……..….…...... (40)

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Kesetimbangan tercapai :

k1 CA eq = k-1 CB eq

k1 CA eq = k-1 (CB0 + CA0 – CA eq)sehingga :

didefinisikan :

Sehingga persamaan (40) menjadi :

CB eq

CA eq

k1

k-1

dCB

dt

= 0

CB0 = (k1 + k-1) CA eq – k-1 CA0

k-1

..….………………….….…...... (41)

= K =..….………………….….…...... (42)

ln (CA0 – CA eq) (CA – CA eq)

k1 (K + 1) t

K=

..….………………..…….….…...... (43)

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Orde Dua (sebatas mengenal)Reaksi :

Masing-masing orde satu terhadap A, B, P dan Q

A + B P + Qk2

k-2

dCA

dt= k2 CA CB – k-2 CP CQ ..….………………….……….…...... (44)

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimiac) Reaksi Paralel

adalah reaksi pengkonversian satu reaktan menjadi beberapa produk sekaligusYang dibahas : Reaksi paralel yang paling sederhana, yaitu reaksi paralel irreversibel orde 1Contoh :

A

Persamaan laju reaksi :

P

Q

dCA

dt= k1 CA + k2 CA ..….……………….………….……….…...... (45)

= k1 CA ..…………..……………….………….……….…...... (46)

= k2 CA ..….……………….……….………….……….…...... (47)

dCP

dt dCQ

dt

k1

k2

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi KimiaIntegrasi Persamaan (45) :

Sehingga :

Dengan cara sama :

dCA

dt

= – (k1+ k2) t ..….……………….………….…..…….…...... (48)

dCP

dt t

lnCA

CA0

= = dCP

dCA

– k1

k1+ k2

……………………….………..... (49)

CP = CP0 –

CP = CP0 –

k1 CA0

(k1+ k2)

k1 CA0

(k1+ k2)

(CA

CA0

– 1) ..….………….…..………….…...... (50)

– (k1+ k2) t(e – 1) ..….……………..….…...... (51)

– (k1+ k2) t(e – 1) ..….……………..….…...... (52)

k2 CA0

(k1+ k2)CQ = CQ0 –

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimiad) Reaksi Konsekutif (Seri)

Tinjauan : Reaksi konsekutif ireversibel orde satu.Persamaan reaksi :

A B Ck2k1

dCA

dt= k1 CA ..…………..……………….………….……….…...... (53)

dCB

dt= k1 CA – k2 CB ..….……………….………….……….…...... (54)

dCC

dt= k2 CB ..…………..……………….………….……….…...... (55)

Integrasi (53) : lnCA

CA0

= – k1 t ..….…….………….……..….…...... (56)

dCB

dt= k1 CA0 e – k2 CB ..….……………….………….…...... (57)

– k1t

5. BENTUK INTEGRASI PERSAMAAN LAJU REAKSI

Bagian I Kinetika Reaksi Kimia

Integrasi persamaan (57) :

CB = CB0 e +

dCB

dt= 0

(1 + – ) ..….…..………..…...... (59)ln k2

k1

k1 CA0

(k2 – k1)–k2t (e – e ) ..….………….………..... (58)

–k1t –k2t

CB = CB max

tmax = 1

k2 – k1

CB0

CA0

k2

k1

CB0

CA0