dy/review termodinamika reaksi kimia/2006/halaman 1 dari 4 halaman

Cakupan yang dipelajari dalam termodinamika reaksi kimia: 1. Menaksir atau memperkirakan kelayakan suatu reaksi kimia untuk diselenggarakan secara

komersial. 2. Menentukan konversi maksimum reaksi (konversi pada kesetimbangan/equilibrium, Xe) pada

suatu kondisi tertentu. 3. Menentukan panas atau kalor yang terlibat dalam (atau menyertai) sebuah reaksi kimia (tinjauan

ulang panas reaksi).

KELAYAKAN TERMODINAMIKA SUATU REAKSI KIMIA

Secara termodinamika, suatu reaksi kimia dapat berlangsung (secara spontan) jika perubahan energi bebas Gibbs reaksinya berharga negatif (ΔGo < 0). Pedoman harga ΔGo sebagai kriteria kelayakan termodinamika reaksi:

ΔGo (kJ/mol) Tingkat Kelayakan ΔGo < -40 Sangat layak

-40 < ΔGo < 0 Layak 0 < ΔGo < 40 Bisa layak, tetapi sangat bergantung kepada kondisi operasi ΔGo > 40 Pada umumnya tidak layak

Perhitungan ΔGo untuk reaksi kimia dengan skema umum sebagai berikut:

νA A + νB B νP P + νQ Q .... (1)

Jika perubahan energi bebas Gibbs standar reaksi pembentukan A, B, P, dan Q masing-masing sebesar ΔGf,A

o ΔGf,Bo ΔGf,P

o ΔGf,Qo, maka perubahan energi bebas Gibbs reaksi (1) adalah sebesar:

ΔGo = (νA) (ΔGf,Ao) + (νB) (ΔGf,B

o) + (νP) (ΔGf,Po) + (νQ) (ΔGf,Q

o)

atau: ∑ Δν=Δi

oi,fi

o GG .... (2)

dengan: ΔGf,io ≡ perubahan energi bebas Gibbs standar reaksi pembentukan komponen i (pada

umumnya pada suhu 25oC) νi ≡ koefisien stoikiometri reaksi komponen i

(Jangan lupa bahwa: νi berharga negatif (-) untuk reaktan atau pereaksi, dan νi berharga positif (+) untuk produk atau hasil reaksi)

KONVERSI MAKSIMUM SUATU REAKSI KIMIA

Konversi maksimum yang mampu dicapai oleh sebuah reaksi kimia pada kondisi tertentu dapat diperoleh melalui perhitungan kesetimbangan reaksi.

Potensial kimia (μi) atau perubahan energi bebas Gibbs molar reaksi suatu komponen i:

io

ii alnTR+μ=μ atau: io

ii alnTR=μ−μ .... (3) Kriteria dasar kesetimbangan: ΔG = 0 atau: 0G

iii =μν=Δ ∑ .... (4)

Pada keadaan standar: o

iii

oG ∑ μν=Δ .... (5)

atau: ( )∑ μ−μν=Δ−Δi

oiii

oGG .... (6)

Dengan mensubstitusikan (3) ke (6): ∑ν=Δ−Δi

iio alnTRGG

TINJAUAN ULANG TERMODINAMIKA REAKSI KIMIA

dy/review termodinamika reaksi kimia/2006/halaman 2 dari 4 halaman

∑ν=Δ−Δi

iio alnTRGG

∑ ν=Δ−Δi

io ialnTRGG .... (7)

Atau, jika persamaan (7) diterapkan untuk persamaan reaksi (1), maka:

BA

QP

BA

QPo

a.a

a.alnTRGG

νν

νν=Δ−Δ .... (8)

atau: ao KlnTRGG =Δ−Δ .... (9)

dengan: BA

QP

BA

QPa

a.a

a.aKK

νν

νν== .... (10)

yang menyatakan konstanta atau tetapan kesetimbangan reaksi (1). Karena pada kesetimbangan: ΔG = 0, maka: KlnTRGo −=Δ .... (11)

atau: TRGo

eKΔ

−= .... (12)

Keterangan: ai ≡ aktivitas komponen i R ≡ konstanta atau tetapan gas ideal T ≡ suhu mutlak (absolut) reaksi

Konstanta Kesetimbangan Reaksi Untuk reaksi homogen fase gas: aktivitas komponen i (ai) dapat digantikan dengan fugasitasnya (fi).

Fugasitas komponen i: fi = yi fio atau: t

iii P

Pfyf ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

tiii Pyf φ= .... (13) iii pf φ= .... (14)

Substitusikan (13) dan (14) ke (10):

QPBA

BA

QP

BA

QP

BA

QP

tBA

QP

BA

QP

BA

QP Py.y

y.y

.

.

f.f

f.fK ν+ν+ν+ν

νν

νν

νν

νν

νν

νν

φφ

φφ==

QPBAty PKKK ν+ν+ν+νφ=

∑= νφ i

ity PKKK .... (15)

atau: BA

QP

BA

QP

BA

QP

BA

QP

p.p

p.p

.

.K

νν

νν

νν

νν

φφ

φφ=

pKKK φ= .... (16)

dengan: ∑= νi

ityp PKK .... (17)

Untuk gas nyata, berlaku: pKKK φ= .... (18)

Untuk gas ideal, berlaku: pKK = .... (19)

Jika Ky diketahui (berdasarkan perhitungan menggunakan harga K, Kp, dan Kφ tersebut di atas), maka: • Konversi maksimum reaksi pada kesetimbangan (Xe) pada P, T, dan komposisi campuran

reaktan tertentu dapat dihitung • Komposisi komponen-komponen reaksi pada kesetimbangan dapat dihitung pula.

Jangan lupa bahwa: Konversi reaktan A, awalAmol

)sisa(akhirAmolawalAmolXA−

=

atau: awalAmol

)bereaksi(iterkonversyangAmolXA = .... (20)

dy/review termodinamika reaksi kimia/2006/halaman 3 dari 4 halaman

Keterangan: fi ≡ fugasitas komponen i fi

o ≡ fugasitas komponen i pada keadaan standar yi ≡ fraksi mol komponen i pada fase gas φi ≡ koefisien fugasitas komponen i Pt ≡ tekanan total sistem reaksi (dalam atm) pi ≡ tekanan parsial komponen i dalam sistem reaksi K = Ka ≡ konstanta kesetimbangan reaksi berbasis aktivitas Ky ≡ konstanta kesetimbangan reaksi berbasis fraksi mol gas Kp ≡ konstanta kesetimbangan reaksi berbasis tekanan parsial Kφ ≡ konstanta kesetimbangan reaksi berbasis koefisien fugasitas

PANAS REAKSI KIMIA

Pada umumnya, proses atau reaksi kimia berlangsung pada kondisi tekanan tetap, dibandingkan dengan kondisi volume tetap. Hal ini disebabkan karena reaksi mempunyai batas tekanan tertentu untuk bisa berlangsung. Selain itu, peningkatan reaksi yang berlangsung secara terus menerus selama reaksi dapat mengakibatkan reaktor meledak, misalnya.

Pada tekanan tetap, panas yang meyertai keberlangsungan sebuah reaksi adalah sebesar perubahan

entalpi reaksinya, atau: Q = ΔH .... (21)

Analog dengan persamaan (2), perubahan entalpi reaksi pada keadaan standar adalah sebesar:

∑ Δν=Δi

oi,fi

o HH .... (22)

ΔH sebagai fungsi suhu dapat dinyatakan sebagai:

( ) dTCpHHT298

iii

o298 ∫ ∑ ν+Δ=Δ .... (23)

dengan: Cpi ≡ kapasitas panas atau panas spesifik komponen i Harga Cp bisa:

• Diasumsikan tetap pada rentang suhu tertentu, atau • Merupakan fungsi suhu, Cp = Cp (T)

ΔHf,io ≡ perubahan entalpi reaksi pembentukan standar komponen i

ΔH298o ≡ perubahan entalpi reaksi (1) pada keadaan standar (pada suhu 25oC atau 298 K)

T ≡ suhu mutlak (dalam Kelvin)

Berdasarkan panas yang menyertainya, suatu reaksi dapat digolongkan menjadi: 1. Reaksi eksotermik: jika melepaskan panas (ΔH berharga negatif), dan 2. Reaksi endotermik: jika membutuhkan panas (ΔH berharga positif)

Hubungan antara perubahan entalpi reaksi (panas reaksi) dengan perubahan energi bebas Gibbs reaksi: ΔH = ΔG + T. ΔS atau: ΔG = ΔH - T. ΔS .... (24) dengan ΔS menyatakan perubahan entropi sistem reaksi. Hubungan antara Konstanta Kesetimbangan Reaksi, Panas Reaksi, dan Suhu Hubungan antara K, ΔH, dan T dinyatakan dengan persamaan Van’t Hoff:

( )2TR

HdT

Klnd Δ= .... (25)

Dua kondisi yang dapat ditinjau untuk mengamati pengaruh T terhadap K:

• Jika ΔH konstan pada rentang T1 dan T2, maka: ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

Δ−=

121

2T1

T1

RH

KKln .... (26)

• Jika ΔH merupakan fungsi suhu, maka persamaan (23) harus disubstitusikan dahulu ke persamaan (25), dan kemudian baru diselesaikan secara analitik.

dy/review termodinamika reaksi kimia/2006/halaman 4 dari 4 halaman

CONTOH SOAL: (dibahas dan didiskusikan dalam tatap muka di kelas)

1. Reaksi fase gas: C2H6 (g) C2H4 (g) + H2 (g)

berlangsung pada tekanan 1 atm dan suhu 1000 K. Mula-mula hanya terdapat C2H6 (murni). Reaktan dan produk reaksi dianggap berkelakuan sebagai gas ideal.

Hitunglah: a. konstanta kesetimbangan reaksi (K), dan b. konversi maksimum reaksi (Xe)

yang dapat dicapai pada kondisi tersebut.

Data-data ΔGf,298o, ΔHf,298

o, dan persamaan Cp sebagai fungsi T disajikan dalam tabel berikut:

Komponen ΔGf,298o (kJ/mol) ΔHf,298

o (kJ/mol) Cp (kJ/mol.K) C2H6 (g) -32,886 -84,667 0,0096 + 8,37.10-5 T C2H4 (g) 68,124 52,3 0,0117 + 12,55.10-5 T H2 (g) 0 0 0,0289 + 1,67.10-5 T

2. Reaksi pembuatan etanol dari proses hidrasi etilena: C2H4 (g) + H2O (g) C2H5OH (g)

berlangsung pada tekanan 264,2 atm dan suhu 527 K. Komposisi campuran gas awal terdiri atas: N2 (gas inert) sebanyak 15%-mol, H2O sebanyak 60%-mol, dan sisanya berupa C2H4. Koefisien fugasitas masing-masing komponen dapat ditentukan dengan menggunakan fugacity coefficient chart. Panas reaksi (ΔH) diasumsikan tetap pada rentang 298-527 K.

Data-data suhu kritis, tekanan kritis, ΔGf,298o, dan ΔHf,298

o tiap komponen tersaji sebagai berikut:

Komponen Tc (K) Pc (atm) ΔGf,298o (kkal/mol) ΔHf,298

o (kkal/mol) H2O (g) 647,3 218,2 -54,6357 -57,7979 C2H4 (g) 283,1 50,5 16,282 12,496

C2H5OH (g) 516,3 63,0 -40,30 -56,24

Pada kondisi tersebut di atas, tentukanlah komposisi campuran reaksi pada kesetimbangan!

LATIHAN SOAL: (akan diberikan dalam tatap muka di kelas)

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KESETIMBANGAN REAKSI KIMIA (didiskusikan dalam tatap muka di kelas)

Untuk reaksi homogen, beberapa faktor yang mempengaruhi kesetimbangan reaksi kimia adalah: 1. Suhu 2. Excess reactants 3. Tekanan total sistem 4. Penambahan inert (untuk reaksi homogen fase gas) 5. Keberadaan katalis

HUBUNGAN ANTARA KINETIKA DAN TERMODINAMIKA REAKSI KIMIA

Suatu reaksi kimia dapat ditinjau dari 2 (dua) aspek atau sudut pandang, yakni: 1. Aspek termodinamika 2. Aspek kinetika

(dapat ditelaah lebih lanjut, misalnya berdasarkan: Missen, 1999)