BAHAN AJARKESETIMBANGAN KIMIAA. Standar KompetensiMemahami kinetika reaksi, kesetimbangan kimia, dan faktor-faktor yang mempengaruhinya, serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari dan industryB. Kompetensi Dasar3.3. Menjelaskan keseimbangan dan faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran arah kesetimbangan dengan melakukan percobaanC. IndikatorD. Tujuan PembelajaranSetelah mempelajari materi ini siswa diharapkan mampu :1. Menjelaskan Kesetimbangan Dinamis2. Menentukan Harga Tetapan Kesetimbangan3. Meramalkan arah pergeseran kesetimbangan dengan menggunakan azas Le Chatelier4. Menganalisis pengaruh perubahan suhu, konsentrasi, tekanan, dan volume pada pergeseran kesetimbangan melalui percobaanE. MateriPrinsip kesetimbangan dalam reaksi kimia, pertama kali dikemukakan oleh Berthollt sewaktu menjadi penasehat ilmiah Napoleon di Mesir, sedangkan kajian secara laboratorium dilakukan oleh Gldberg dan Waage. Mereka menunjukan bahwa reaksi kesetimbangan dapat didekati dalam dua arah, dan mereka berhasil menunjukan hubungan matematis antara konsentrasi pereaksi dan produk dalam kesetimbangan. pada kesempatan lain, vant Hoff mengusulkan persamaan matematis untuk kesetimbangan dinamis, yakni konsentrasi pereaksi merupakan pangkat dari koefisien reaksinya.

1. Keadaan Setimbang dan Kesetimbangan Dinamis1.1. Keadaan KesetimbanganReaksi yang dapat berlangsung dalam dua arah disebut reaksi dapat balik (reversibel). Apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri, maka reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. Secara umum, reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai :

Ada dua macam sistem kesetimbangan, yaitu kesetimbangan dalam system homogen dan kesetimbangan dalam sistem heterogen.a) Kesetimbangan dalam Sistem Homogen1) Kesetimbangan dalam sistem gasgasContoh:

2) Kesetimbangan dalam sistem larutanlarutanContoh:

b) Kesetimbangan dalam Sistem Heterogen1) Kesetimbangan dalam sistem padatgasContoh:

2) Kesetimbangan dalam sistem padatlarutanContoh:

3) Kesetimbangan dalam sistem larutanpadatgasContoh:

1.2. Kesetimbangan DinamisPada materi sebelumnya telah dibahas tentang tarnsisi fase (perubahan fisika) sebagai proses reversible (reaksi yang dapat balik) dengan persamaan kimia sebagai berikut :H2O (l) H2O (g)Persamaan ini menyatakan bahwa air berubah menjadi uap air dan uap yang terbentuk dapat mengembun kembali. Jika laju penguapan air sama dengan laju pengembunan uapnya, maka dikatakan bahwa proses transisi fase berada dalam keadaan kesetimbangan.

Gambar 1. Kesetimbangan air dalam bentuk cair dan gas dalam sistem tertutupJika ditinjau dari sudut pandang termodinamika, kesetimbangan dinamis merupakan perubahan yang berlansung secara kontinu dalam system molekuler (mikroskopis), sedangkan konsentrasi masing-masing spesi dalam system kesetimbangan (makroskopis) tidak berubah. Artinya pada tingkat molecular terjadi reaksi antar pereaksi membentuk produk, demikian juga sebaliknya, antar produk terjadi reaksi membentuk pereaksi dengan laju yang tepat sama, tetapi pada tingkat makro (konsentrasi) secara keseluruhan tidak mengalami perubahan.Keadaan tersebut dapat dianalogikan dengan orang yang berjalan di tangga escalator dalam arah berlawanan. Anak tangga bergerak ke bawah, sementara orang tersebut berjalan keatas dengan kecepatan yang sama dengan escalator. Akibatnya, orang tersebut seperti berjalan ditempat (tidak berubah). Aspek mikronya adalah gerakan tangga dan orang, sedangkan aspek makronya adalah posisi orang relative terhadap tangga.

Gambar 2. Orang yang naik escalator dengan arah yang berlawananSetelah keadaan kesetimbangan dinamis dipahami, maka timbul pertanyaan mengapa kesetimbangan dinamis terjadi? Jawabnnya dapat ditinjau dari sudut pandang terjadinya reaksi kimia. Agar terjadi reaksi, molekul-molekul pereaksi harus bertumbukan satu sama lain. Makin banyak pereaksi yang bertumbukan, makin banyak reaksi yang berlansung. Hal ini mengisyaratkan bahwa maikn besar konsentrasi pereaksi kemungkinan terbentuk reaksi makin tinggi. Mislanya pada reaksi berikut :CO(g) + H2O (g) CO2 (g) + H(g)Ciri-ciri kesetimbangan dinamis adalah: Reaksi berlangsung terus-menerus dengan arah yang berlawanan. Terjadi pada ruang tertutup, suhu, dan tekanan tetap. Kecepatan reaksi ke arah produk (hasil reaksi) sama dengan kecepatan reaksi ke arah reaktan (zat-zat pereaksi). Tidak terjadi perubahan makroskopis, yaitu perubahan yang dapat dilihat, tetapi terjadi perubahan mikroskopis, yaitu perubahan tingkat partikel (tidak dapat dilihat). Setiap komponen tetap ada.Pada reaksi kesetimbangan peruraian gas N2O4 menjadi gas NO2, tercapai keadaan setimbang saat kecepatan terurainya N2O4 sama besarnya dengan kecepatan membentuk kembali N2O4.

Tercapainya kesetimbangan dinamis peruraian N2O4 dapat dilihat pada gambar berikut :

a) Reaksi dimulai, campuran reaksi terdiri dari N2O4 tidak berwarnab) N2O4 terurai membentuk NO2 cokelat kemerahan, warna campuran jadi cokelatc) Kesetimbangan tercapai, konsentrasi NO2 dan N2O4 konstan dan warna campuran mencapai warna finald) Karena reaksi berlangsung terus menerus dengan kecepatan sama,maka konsentrasi dan warna konstan.Dalam sistem terbuka (di alam sekitar kita) terjadi kesetimbangan kimia (reaksi bolak-balik/dua arah/reversibel), yaitu proses siklus oksigen, siklus air, dan siklus nitrogen. Dengan adanya kesetimbangan kimia (reaksi reversibel/dua arah), maka makhluk hidup tidak kehabisan oksigen untuk bernapas dan tidak kehabisan air untuk keperluan sehari-hari.2. Tetapan KesetimbanganDalam suatu reaksi kesetimbangan, konsentrasi awal pereaksi tidak perlu stoikiometris. Artinya anda bebas mencampurkan sesuai kebutuhan, tetapi jika reaksi sudah mencapai kesetimbangan. Jumlah konsentrasi pereaksi yang bereaksi dan konsentrasi produk yang dihasilkan ditentukan oleh nilai perbandingan stoikiometri. Contoh jika H2(g), I2(g), dan HI (g) dicampurkan dalam system tertutup dan terjadi reaksi kesetimbangan., maka konsentrasi masing-masing gas dalam campuran dapat bervariasi bergantung pada konsentrasi awal pereaksi., tetapi setelah kesetimbangan tercapai konsentrasi masing-masing zat dalam system kesetimbangan harganya tetap selama suhu reaksi tidak berubah. Sebagian konsentrasi konsentrasi ditentukan oleh konsentrasi awal yang telah ditentukan secara stoikiometri, tetapi seluruh konsentrasi kesetimbangan (equilinrium concentration) terkait dengan suatu ketetapan yang disebut hukum kesetimbangan atau ketetapan kesetimbangan. Sebagai contoh perhatikan contoh reaksi berikut :Reaksi ini adalah salah satu reaksi kesetimbangan yang sangat penting karena digunakan untuk mengambil nitrogen dari atmosfer untuk membuat pupuk dan beberapa senyawa kimia lainnya.Hukum kesetimbangan kadang-kadang disebut keadaan/kondisi kesetimbangan karena kondisi inilah yang harus dipenuhi agar tercapai reaksi dalam keadaan setimbang. Kenyataanya, hubungan yang sama dapat terjadi pada setiap temperatur dengan kekecualian bahwa nilai konstatnta kesetimbangan berbeda untuk temperatur yang berbeda. Manfaat dari hukum kesetimbangan ini adalah kita dapat memperkirakan konsentrasi yang terjadi pada suatu reaksi yang diketahui, hanya dengan menggunakan perhitungan stoikiometri dari persamaan reaksi. Perhatikan eksponen konsentrasi NH3, H2, N2 pada rumus kesetimbangan tepat sama dengan koefisien senyawa gas ini dalam keadaan reaksi setimbang. Jadi, persamaan umunya adalah aA + bB cC +dD

Rumus kesetimbangan menjadi

Dengan besaran dalam kurung menunjukkan konsentrasi molar kesetimbangan reaktan A,B dan hasil reaktan C dan D.Untuk reaksi-reaksi gas, tekanan parsial reaktan dan hasil reaksi sebanding dengan konsentrasi molarnya. Dengan demikian ungkapan kesetimbangan reaksi ini dapat ditulis menggunakan tekanan parsial sebagai pengganti konsentrasi. Misalnya rumus kesetimbangan untuk reaksi antara N2 (g) dan H2 (g) dapat juga ditulis sebagai berikut :

Digunakan symbol Kp untuk menunjukan konstanta kesetimbangan yang diperoleh dari tekanan parsial dan Kc untuk menunjukan konsentrasi molar dalam ungkapan aksi massanya. Pada umunya Kc dan Kp bilanganya tidak sama. Kita telah menuliskan ungkapan aksi massa dengan konsentrasi (atau tekanan parsial)_ dari hasil reaksi pada pembilang dan konsentrasi reaktan pada pembagi.

3. Pergeseran Kesetimbangan3.1. Asas Le ChatelierPada dasarnya, suatu reaksi kesetimbangan dapat digeser ke arah yang kita kehendaki dengan cara mengubah konsentrasi salah satu zat, dengan mengubah suhu, dan dengan mengubah tekanan atau volume gas. Seberapa besar pengaruh dari faktor-faktor luar tersebut terhadap kesetimbangan, dapat diramalkan berdasarkan pemahaman terhadap azas Le Chatelier yang dikemukakan oleh Henry Louis Le Chatelier (1850-1936) berikut:Jika terhadap suatu kesetimbangan dilakukan aksi (tindakan) tertentu, maka sistem itu akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi tersebut akan menjadi sekecil mungkin

Gambar 3. Henry Louis Le Chatelier

3.2. Faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran arah kesetimbangana. Perubahan konsentrasi reaktan atau hasil reaksi (produk) Jika salah satu zat pereaktan/produk diperbesar maka kesetimbangan akan bergeser ke ruas lawan dari zat yang ditambahkan. Jika salah satu zat pereaktan/produk diperkecil maka kesetimbangan akan bergeser ke ruas zat yang ditambahkan tersebut.

Kesetimbangan kimia dapat terganggu apabila salah satu reaktan atau hasil reaksi ditambah atau dikurangi. Misalnya, perhatikan kesetimbangan reaksi ini :H2(g) + I2(g) 2HIJika kita tambah H2 kedalam campuran reaksi yang dalam keadaan setimbang, maka konsentrasi H2 bertambah, yang menyebabkan angka penyebut pada ungkapan aksi massa menjadi lebih besar. Ini berarti kuosien reaksi akan menjadi lebih kecil darp pada K. hal ini menunjukan kepada kita bahwa tidak ada lagi keadaan setimbang.Dengan menggunakan prinsip Le Chatelier, dapat kita perkirakan apa yang akan terjadi. Penambahan H2 bertambah, yang menyebabkan terjadinya peningkatan jumlah H2 dalam system. System akan mengurangi gangguan ini dengan cara mengeliminasi sebagian H2 yang kelebihan tersebut. Sebetulnya yang terjadi adalah sebagian H2 yang ditambahkan tersebut bereaksi dengan sebagian I2 membentuk HI. Hasilnya adalah letak kesetimbangan pindah ke kanan. Apabila akhirnya kesetimbangan tercapai kemabali maka akan diperoleh konsentrasi HI yang lebih besar dari sebelumnya dan konsentrasi I2 akan mengecil.Dengan menggunakan prinsi Le Chatelier, kita dapat juga memperkirakan efek yang terjadi pada letak kesetimbangan, bila reaktan atau hasil reaksi dikurangi. Sebagi contoh, jika kita keluarkan sebagian I2 dari campuran reaksi, system akan mengatur dengan cara menguraikan HI untuk mengganti I2 yang hilang. Pada keadaan ini kesetimbangan berpindah ke kiri.

Contoh Soal :1. Ke arah mana kesetimbangan bergeser bila pada reaksi kesetimbangan:a. SO2 ditambah?b. SO3 ditambah?c. O2 dikurangi?d. SO3 dikurangi?Jawab:a. Bila pada sistem kesetimbangan ini ditambahkan gas SO2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.b. Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi gas SO3, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.c. Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi O2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.d. Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi SO3, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.b. Pengaruh Suhu Jika suhu sistem kesetimbangan dinaikkan maka reaksi sistem menurunkan suhu dengan cara kesetimbangan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (endoterm). Jika suhu sistem kesetimbangan diturunkan maka reaksi sistem menaikkan suhu dengan cara kesetimbangan bergeser ke pihak reaksi yang melepas kalor (eksoterm).

Efek suhu menyebabkan letak keseimbangan berpindah ke arah perubahan letak eksometrik. Jika suhu meningkat kesetimbangan berpindah kea rah perubahan endotermik. Perhatikan reaksi eksoterm pembentukan N2O4 dari NO2. Persamaan reaksinya dapat ditulis sebagai berikut :2NO2 (g) N2O4 (g) = 58,8 kjDengan panas yang terbentuk merupakan hasil reaksi. Jika kita inginkan reaksi antara kedua gas terjadi pada suhu yang lebih rendah, maka kalor yang terbentuk dibuang dengan cara menempatkan reaksi campuran ini dalam penangas air yang dingin. Prinsi Le Chatelier mengatakan apabila kita hilangkan panasnya, reaksi yang terjadi berusaha untuk mengganti panas yang hilang tersebut. Oleh karena pembentukan N2O4 adalah reaksi eksotermik, maka letak kesetimbangan akan pindah ke kanan dan apabila kesetimbangan telah stabil lagi, maka diperoleh konsentrasi N2O4 yang lebih banyak dan NO2 yang lebih sedikit. Seperti yang diketahui bahwa perubahan kesetimbangan NO2 N2O4 perubahan suhunya menyebabkan konsentrasi reaktan dan hasil reaksi berubahkarena berubahnya kesetimbangan. terlihat juga hal ini terjadi tanpa penambahan atau pengurangan salah satu bahan dan juga tanpa mengubah volume, ini berarti temperatur hanya mengubah konstanta kesetimbangan.Apabila kesetimbangaan tercapai pada suhu yang lebih rendah dari reaksi ini, maka konsentrasi NO2 berkurang dan konsentrasi N2O4 bertambah. Ini berarti bahwa pada suhu lebih rendah, kuosien reaksi lebih besar dank arena system berada dalam keadaan setimbang pada suhu yang rendah, maka nilai konstanta kesetimbangan juga menjadi lebih besar. Dari kenyataan ini, kita dapat mengambil kesimpulan lain, yaitu untuk reaksi eksotermik, konstanta kesetimbangan menjadi lebih besar, bila suhu menurun dan demikian juga sebaliknya untuk reaksi endotermik.

Contoh:

(reaksi ke kanan eksoterm)Reaksi ke kanan eksoterm berarti reaksi ke kiri endoterm. Jika pada reaksi kesetimbangan tersebut suhu dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri (ke arah endoterm atau yang membutuhkan kalor). Jika pada reaksi kesetimbangan tersebut suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan (ke arah eksoterm).c. Pengaruh Tekanan dan volumePada suhu konstan, perubahan volume system menyebabkan perubahan tekannya, demikian juga sebaliknya. Oleh sebab itu, kita anggap, menaiknya tekanan luar system akan mendorong mengecilnya volume. Sebetulnya zat cair dan zat padat bukan merupakan benda yang mudah ditempa, sehingga reaksi yang terjadi dalam fase ini tidak berpengaruh pada tekanan luar. Jadi, kesetimbangannya tidak terpengaruh oleh adanya perubahan tekanan. Meskipun demikian, reaksi yang terjadi pada gas tidak demikian karena gas merupakan benda yang mudah ditempa. Marilah kita ambil contoh reaksi antara N2 dan H2 membentuk NH3 jika reaksi ini dalam keadaan setimbang dan tiba-tiba tekanan dinaikan dengan cara menegcilkan volume, maka system ini berubah sehingga tekanan turun kembali. Seperti yang diketahui, tekanan gas menyebabkan molekul gas berbenturan dengan dinding wadah gas, dan pada suhu tertentu bertambah besar jumlah molekul gas, bertambah besar pula tekanan gas tersebut. Dalam reaksi ini jumlah molekul gas berkurang ketika hasil reaksi terbentuk. Empta molekul reaktan gas menghasilkan dua molekul gas. Ini berarti tekanan tekanan dari system dapat berkurang jika posisi kesetimbangan bergeser kekanan. Analisis ini memeberikan kita pernyataan sebagi berikut :Berkurangnya volume campuran gas yang sedang bereaksi dalam keadaan setimbang, maka posisi kesetimbangan akan bergeser kearah jumlah molekul gas yang lebih sedikitAkhirnya, perhatikan ketika jumlah molekul gas reaktan sama dengan jumlah molekul hasi reaksi, seperti antara H2 dan I2,H2 (g) + I2(g) 2HI (g)Maka perubahan tekanan menyebabkan terjadinya perubahan volume, tetapi tidak mempengaruhi jumlah zat yang terjadi. Hal ini disebabkan oleh tidak adanya cara dalam system untuk menghilangkan tekanan tersebut. Dengan volume menjadi setengahnya, tekanan parsial gas menjadi dua kali lipat. Hal ini menyebabkan pembilang dan penyebut bertambaholeh faktor empat, tetapi perbandingannya tetap sama dengan Kp

Contoh:Pada reaksi kesetimbangan:

jumlah koefisien reaksi di kanan = 2jumlah koefisien reaksi di kiri = 1 + 3 = 4 Bila pada sistem kesetimbangan tersebut tekanan diperbesar (volume diperkecil), maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan (jumlah koefisien kecil). Bila pada sistem kesetimbangan tersebut tekanan diperkecil (volume diperbesar), maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri (jumlah koefisien besar).d. Penambahan KatalisSuatu katalis akan mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi. Kehadiran katalis akan menurunkan energi pengaktifan baik untuk reaksi maju maupun untuk reaksi balik, sehingga keduanya mempunyai laju yang lebih besar.Perhatikan diagram yang melukiskan reaksi kesetimbangan A + B C + D berikut :

Perlu diperhatikan bahwa dalam reaksi kesetimbangan, adanya katalisator tidak mengakibatkan terjadinya pergeseran kesetimbangan, tetapi hanya mempercepat tercapainya keadaan setimbang. Dengan demikian, penambahan katalis dilakukanpada awal reaksi (sebelum kesetimbangan tercapai) karena penambahan katalis setelah tercapai kesetimbangan tidak akan ada gunanya.

F. Latihan Soal1. Sebutkan fakta yang mendukung konsep reaksi kesetimbangan kimia?2. Sebutkan definisi reaksi kesetimbangan kimia yang mendukung fakta yang telah anda tuliskan pada soal nomor 1.3. Tuliskan bunyi hukum kesetimbangan yang sudah dipelajari4. Kesetimbangan yang melibatkan N2, H2, NH3 dapat dituliskan sebagai berikut :(1). N2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3 (g)(2). 2NH3 (g) N2(g) + 3H2 (g)Bentuk mana yang akan digunakan ? jelaskan5. Dari, reaksi berikut apa yang harus di lakukan untuk memperkecil konsentrasi PCl5 ?PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g)G. Rangkuman1. Reaksi yang dapat berlangsung dalam dua arah disebut reaksi dapat balik (reversibel). Apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri, maka reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. 2. Ada dua macam sistem kesetimbangan, yaitu kesetimbangan dalam system homogen dan kesetimbangan dalam sistem heterogen. Kesetimbangan dalam system homogen dapat dibagi dalam du yaitu , kesetimbangan dalam system gas-gas dan kesetimbangan dalam system larutan-larutan. Sedangkan kesetimbangan dalam system heterogen terbagi menjadi 3 yaitu kesetimbangan dalam system padat-gas, padat-larutan, dan larutan-padat-gas.3. Jika ditinjau dari sudut pandang termodinamika, kesetimbangan dinamis merupakan perubahan yang berlansung secara kontinu dalam system molekuler (mikroskopis), sedangkan konsentrasi masing-masing spesi dalam system kesetimbangan (makroskopis) tidak berubah.4. Ciri-ciri kesetimbangan dinamis adalah: Reaksi berlangsung terus-menerus dengan arah yang berlawanan. Terjadi pada ruang tertutup, suhu, dan tekanan tetap. Kecepatan reaksi ke arah produk (hasil reaksi) sama dengan kecepatan reaksi ke arah reaktan (zat-zat pereaksi). Tidak terjadi perubahan makroskopis, yaitu perubahan yang dapat dilihat, tetapi terjadi perubahan mikroskopis, yaitu perubahan tingkat partikel (tidak dapat dilihat). Setiap komponen tetap ada.5. Hukum kesetimbangan kadang-kadang disebut keadaan/kondisi kesetimbangan karena kondisi inilah yang harus dipenuhi agar tercapai reaksi dalam keadaan setimbang. Kenyataanya, hubungan yang sama dapat terjadi pada setiap temperatur dengan kekecualian bahwa nilai konstatnta kesetimbangan berbeda untuk temperatur yang berbeda. Persamaan umunya adalah aA + bB cC +dDRumus kesetimbangan menjadi

Rumus untuk tekanan parsial

6. Bunyi Asas Lechatelier adalah sebagai berikut :Jika terhadap suatu kesetimbangan dilakukan aksi (tindakan) tertentu, maka sistem itu akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi tersebut akan menjadi sekecil mungkin.7. Faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran arah kesetimbangan adalah Konsentrasi, suhu, tekanan dan Volume dan katalis.

DAFTAR PUSTAKAPetrucci, Ralph H. 1996. Kimia Dasar, Prinsip dan Terapan Modern, Jilid 2. Jakarta : ErlanggaS, Syukri. 1999. Kimia Dasar 1. Bandung : ITBSunarya, Yayan. 2010. Kimia Dasar 1, Berdasarkan Prinsip-prinsip Kimia Terkini. Bandung : Yrama WidyaBrady, E James. 1990. Kimia Universitas Asas dan Struktur Jilid 2. Jakarta: Binarupa Aksara