KESETIMBANGAN KIMIA

I. KONSTANTA KESETIMBANGAN KIMIA

Pada umumnya kita menganggap bahwa reaksi kimia yang mengubah reaktan menjadi produk berlangsung dengan sempurna. Padahal tidak selamanya demikian. Ada kalanya produk hasil reaksi dapat mengalami reaksi sebaliknya (penguraian produk manjdi reaktan). Reaksi kimia ini dikenal dengan reaksi reversibel (bolak-balik). Sedangkan untuk reaksi yang berlangsung sempurna membentuk produk dikenal dengan reaksi irreversibel (tidak dapat balik).

Proses reaksi reversibel akan berlangsung terus, sampai tercapainya suatu kesetimbangan, dimana konsentrasi reaktan maupun produknya tidak berubah lagi. Keadaan ini dikenal dengan kesetimbangan kimia. Campuran reaktan dan produk pada keadaan kesetimbangan ini dikenal dengan campuran kesetimbangan. Perhatikan contoh reaksi berikut ini :

N2O4(g) 2 NO2(g)

Tak berwarna coklat

Dari hasil eksperimen didapatkan komposisi gas setiap saat seperti gambar berikut ini:

Pada awal reaksi [N2o4] terus berkurang, demikian juga [NO2] terus bertambah sampai waktu teq. Setelah melewati waktu teq terjadi kesetimbangan kimia, ditandai dengan [N2O4] dan [NO2] yang tidak berubah lagi. Saat itu terjadi reaksi reversibel (bolak-balik) dimana kecepatan reaksi ke kanan (ke arah produk) sama dengan kecepatan reaksi ke kiri (ke arah reaktan) . Jadi disini terjadi kesetimbangan dinamik.

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 100 200 300 400 500

N2O4

NO2

KONSENTRASI

(M)

Kesetimbangan

Kimia

Waktu (s)t = t eq

19

Secara umum suatu kesetimbangan kimia akan memberikan suatu nilai konstanta kesetimbangan. Persamaan kesetimbangan kimia dapat dinyatakan sbb:

a A(aq) + b B(aq) c C(aq) + d D(aq)

maka konstanta kesetimbangannya adalah :

bila reaksi dalam fasa gas, maka konstanta kesetimbangannya dapat dinyatakan dengan :

KC : konstanta kesetimbangan berdasarkan konsentrasi

KP : konstanta kesetimbangan berdasarkan tekanan parsialnya

Soal Latihan :

I. 1. Tuliskanlah persamaan kesetimbangan untuk reaksi-reaksi berikut :a. N2(g) + 3 H2(g) <══> 3 NH3(g)b. 3 NH3(g) <══> N2(g) + 3 H2(g)

I. 2. Konsentrasi-konsentrasi berikut diukur saat kesetimbangan tercapai pada suhu 500 K : [N2] = 3,0 x 10-2 M, [H2] = 3,7 x 10-2 M, dan [NH3] = 1,6 x 10-2 M.Hitunglah konstanta kesetimbangan pada 500 K untuk masing-masing reaksi soal no. I. 1

I. 3. Oksidasi sulfur dioksida membentuk sulfur trioksida adalah satu tahap penting dalam proses sintesa asam sulfat. Tuliskan persamaan kesetimbangan untuk masing-masing reaksi berikut :a. 2 SO2(g) + O2(g) <══> 2 SO3(g)b. 2 SO3(g) <══> 2 SO2(g) + O2(g)

I. 4. Konsentrasi-konsentrasi kesetimbangan berikut ini diukur pada 800 K:[SO2] = 3,0 x 10-3 M, [O2] = 3,5 x 10-3 M, dan [SO3] = 5,0 x 10-2 M.Hitunglah konstanta kesetimbangan pada 800 K untuk masing-masing reaksi pada soal no. I. 3.

II. HUBUNGAN KC DAN KP

Bila konsentrasi zat dinyatakan dalam tekanan parsial, maka masing-masing zat dianggap ideal, dimana berlaku :

PV = nRT atau

karena konsentrasi (C) = maka : P = CRT

Bila contoh reaksi diatas berlangsung dalam keadaan gas, maka :

a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)

20

maka :

sehingga :

dimana n = (c+d) +(a + b)

Dalam kesetimbangan heterogen, konsentrasi zat padat dan zat cair tidak mempengaruhi nilai konstantan kesetimbangan KC, karena konsentrasinya dapat dianggap konstan (valumenya tidak berubah).

Contoh : CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

Maka : atau KC = [CO2]

Soal Latihan :

II. 1. Metana bereaksi dengan hidrogen sulfida menghasilkan gas hidrogen dan karbon disulfida, suatu pelarut yang digunakan dalam pembuatan rayon. CH4(g) + 2 H2S(g) <══> CS2(g) + 4 H2(g)Berapa nilai Kp pada 1000 K jika tekanan parsialnya dalam suatu campuran kesetimbangan adalah : PCH4 = 0,20 atm, PH2S = 0,25 atm, PCS2= 0,52 atm, dan PH2 = 0,10 atm.

II. 2. Gas hidrogen diproduksi secara industrial melalui proses pembentukan kembali uap hidrokarbon. Reaksi yang berlangsung dalam tahap pertama dari proses ini adalah : H2O(g) + CH4(g) <══> CO(g) + 3 H2(g)a. Jika Kc = 3,8 x 10-3 pada 1000 K, berapa nilai Kp pada suhu tersebut?b. Jika Kp = 6,1 x 104 pada 1125oC, berapa nilai Kc pada suhu tersebut?

II. 3. Dalam sintesa hidrogen, campuran CO dan H2 diperkaya dengan gas hidrogen dengan cara melewatkan gas CO untuk bereaksi dengan uap air. Persamaan reaksi untuk proses tersebut adalah : CO(g) + H2O(g) <══> CO2(g) + H2(g)Berapa nilai Kp pada 700 K jika tekanan parsial dari suatu campuran kesetimbangan pada suhu tersebut adalah : PCO = 1,31 atm, PH2O = 10,0 atm, PCO2 = 6,12 atm dan Ph2 = 20, 3 atm ?

II. 4. Oksida nitrit bereaksi dengan oksigen membentuk nitrogen dioksida, suatu reaksi yang penting dalam proses Ostwald untuk sintesis secara industrial asam nitrit.

21

2 NO(g) + O2(g) <══> 2 NO2(g)Jika Kc = 6,9 x 105 pada 227 oC, berapa nilai Kp pada suhu tersebut ?Jika Kp = 1,3 x 10-2 pada 1000 K, berapa nilai Kc pada suhu tersebut ?

II. 5. Tuliskan persamaan kesetimbangan untuk masing-masing reaksi berikut :a. CO2(g) + C(s) <══> 2 CO(g)b. Hg(l) + Hg+2 (aq) <══> H2

+2(aq)

II. 6. Tuliskanlah pernyataan konstanta kesetimbangan untuk Kc dan Kp untuk masing-masing reaksi berikut :a. 2 Fe(s) + 3 H2O(g) <══> Fe2O3(s) + 3H2(g)b. 2 H2O(l) <══> 2 H2(g) + O2(g)

III. KEGUNAAN KONSTANTA KESETIMBANGAN KIMIA (Kc atau Kp)

1. Sebagai informasi tentang sejauh mana reaksi berlangsung

Contoh :

(1) 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) KC = 2,4 x 1047

(2) 2 H2O(g) 2 H2(g) + O2(g) KC = 4,1 x 10-48

Jadi nilai KC reaksi (1) sangat besar. Sebaliknya KC reaksi (2) sangatlah kecil.

Kita tahu reaksi pembentukan molekul air jauh lebih mudah dibandingkan reaksi penguraian molekul air. Karena itu reaksi (1) mudah berlangsung, sedangkan reaksi (2) sulit sekali berlangsung.

Dari kenyataan ini dapat disimpulkan bahwa :

Semakin besar nilai KC, semakin mudah reaksi berlangsung ke arah produk.

Nilai KC yang sangat besar seperti reaksi (1) menandakan bahwa reaksi berlangsung sempurna ke arah produk. Sebaliknya nilai KC

yang sangat kecil dari reaksi (2) menandakan reaksi sangat sulit berlangsung ke arah produk.

Biasanya konstanta kesetimbangan kimia berkisar antara 10-3 sampai 103.

2. Meramalkan arah reaksi yang sedang berlangsung.

Arah reaksi yang sedang berlangsung pada suatu saat tertentu, dapat kita ketahui melalui quation reaksi (QC)

QC ini sama halnya dengan nilai KC, hanya saja QC ditentukan bukan pada saat tercapainya kesetimbangan. Dapat dikatakan QC

merupakan hasil perbandingan konsentrasi produk dan reaktan pada suatu waktu tertentu.

22

Bila QC < KC : berarti reaksi sedang berlangsung dari arah reaktan ke produk.

Bila QC > KC : berarti reaksi sedang berlangsung dari arah produk ke reaktan.

Bila QC = KC : berarti reaksi sedang berada dalam kesetimbangan.

3. Untuk menentukan komposisi (susunan zat) pada saat kesetimbangan dari suatu reaksi kesetimbangan.

Contoh : Konstanta kesetimbangan reaksi H2 dengan I2 adalah 57,0 pada suhu 700 K.

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

Jika 1,00 mol H2 direaksikan dengan 1,00 mol I2, berapa konsentrasi H2, I2 dan HI saat kesetimbangan tercapai, bila reaksi berlangsung dalam sebuah bejana 10,0 L?

Jawaban :

Konsentrasi awal [H2] = [I2] =

Misalkan saat kesetimbangan, [H2] yang bereaksi = x M, maka :

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

Awal (M) 0,100 0,100 0Perubahan (M) - x - x 2xSaat kesetimbangan (0,100-x) (0,100-x) 2x

maka :

X1 = 0,0791 M

X2 = 0,136 M Tidak mungkin perubahan konsentrasi melebihi konsentrasi awal

Jadi saat kesetimbangan tercapai:

[HI] = 2 x = 2 x 0,0791 M = 0,158 M

[H2] = [I2] = 0,100 – x = 0,100 M – 0,0791 M = 0,021 M

Soal Latihan :

III. 1. Nilai Kc untuk reaksi dissosiasi : H2(g) <══> 2 H(g) adalah 1,2 x 10-42 pada 500 K. Apakah campuran kesetimbangan mengandung lebih banyak H2 atau atom H ?Apakah jawaban Anda konsisten dengan lokasi atom H pada Tabel periodik ?

III. 2. Suatu campuran 4,2 mol N2; 2,0 mol H2 dan 10,0 mol NH3 dimasukkan dalam bejana 20,0 L pada 500 K. Pada temperatur ini,

23

konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi : N2(g) + 3 H2(g) <══> 2 NH3(g) adalah 1,7 x 102.Apakah campuran reaksi berada dalam suatu kesetimbangan ?Jika tidak, kemana arah dari reaksi tersebut ?

III. 3. Konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi : 2 NO(g) + O2(g) <══> 2 NO2(g)adalah 6,9 x 105 pada 500 K. Suatu bejana 5,0 L pada suhu tersebut diisi dengan 0,060 mol NO; 1,0 mol O2 dan 0,80 mol NO2.a. Apakah campuran reaksi berada dalam kesetimbangan ? Jika tidak, ke arah mana reaksi sedang berlangsung ?b. Kemana arah reaksi jika jumlah awalnya adalah : 5,0 x 10-3 mol NO; 0,20 mol O2 dan 4,0 mol NO2 ?

III. 4. Suatu campuran kesetimbangan gas O2, NO dan NO2 pada 500 K mengandung 1,0 x 10-3 M O2 dan 5,0 x 10-2 M NO2. Pada suhu ini, konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi : 2 NO(g) + O2(g) <══> 2 NO2(g)adalah 6,9 x 103. Berapa konsentrasi NO ?

III. 5. Konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi H2 dengan I2 adalah 57 pada 700 K, H2(g) + I2(g) <══> 2 HI(g)Jika 1,00 mol H2 direaksikan dengan 1,00 mol I2 dalam bejana 10,0 L pada 700 K, berapa konsentrasi H2, I2 dan HI pada saat kesetimbangan?Berapa komposisi campuran kesetimbangan dalam mol ?

III. 6. Hitunglah berapa konsentrasi dari H2, I2 dan HI pada 700 K jika di awal reaksi [H2] = 0,100 M dan [I2] = 0,200 M. Konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi : H2(g) + I2(g) <══> 2 HI(g) adalah 57,0 pada 700 K.

III. 7. Perbandingan H2/CO dalam campuran karbon monoksida dan hidrogen (disebut gas sintesis) ditingkatkan dan reaksi water-gas shift : CO(g) + H2O(g) <══> CO2(g) + H2(g)yang mempunyai konstanta kesetimbangan Kc = 4,24 pada 800 K. Hitunglah konsentrasi kesetimbangan dari CO2, H2, CO dan H2O pada 800 K jika hanya CO dan H2O yang ada pada awal reaksi dengan konsentrasi masing-masing 0,150 M.

III. 8. Hitunglah konsentrasi kesetimbangan dari N2O4 dan NO2 pada 25oC dalam bejana yang mengandung konsentrasi awal N2O4 = 0,050 M. Konstanta kesetimbangan Kc untuk reaksi : N2O4(g) <══> 2 NO2(g)adalah 4,64 x 10-3 pada 25oC.

24

IV. PERGESERAN KIMIA

Bila suatu kesetimbangan kimia terganggu, maka akan terjadi perubahan kesetimbangan, untuk mengatasi gangguan tersebut. Jadi bila pada suatu kesetimbangan diberikan suatu aksi, maka sistem akan melakukan reaksi dengan menggeser kesetimbangan membentuk kesetimbangan baru.

Hal ini dikenal dengan Azas Le Chatelier, yang bunyinya :Bila pada suatu sistem kesetimbangan diberikan suatu aksi, maka sistem akan mengadakan reaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh itu menjadi sekecil-kecilnya.

Berdasarkan azas ini, ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi kesetimbangan kimia, yaitu :

1. Konsentrasi

Bila salah satu konsentrasi zat diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser kearah yang berlawanan dimana zat itu berada.

Bila salah satu konsentrasi zat diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser kearah dimana zat itu berada.

2. Tekanan dan Volume

Bila tekanan diperbesar (volume diperkecil), maka kesetimbangan akan berbeser ke arah jumlah koefisien reaksi yang kecil.

Bila tekanan diperkecil (volume diperbesar), maka kesetimbangan akan berbeser ke arah jumlah koefisien reaksi yang besar.

3. Suhu (Azas Van’t Hoff)

Pengaruh suhu pada kesetimbangan sangat tergantung pada Ho

reaksi.

Bila suhu diperbesar, maka kesetimbangan bergeser ke arah reaksi endoterm (Ho = (+)).

Bila suhu diperkecil, maka kesetimbangan bergeser ke arah reaksi eksoterm (Ho = (-)).

4. Katalis

Adanya katalis pada reaksi kesetimbangan akan mempercepat reaksi menuju kesetimbangan. Namun katalis tidak akan mengubah konstanta kesetimbangan kimianya.

Contoh :

N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Ho = -92,2 kJ

Kearah mana pergeseran kesetimbangan kimia, bila pada kesetimbangan tersebut:

a) [N2] diperkecilb) [H2] diperbesarc) [NH3] diperbesard) Tekanan diperbesar

e) Volume diperbesarf) Suhu diturunkang) Diberi katalis Fe

25

Jawaban :

a) [N2] diperkecil : ke kiri (ke arah zat berada)b) [H2] diperbesar : ke kanan (ke arah yang berlawanan dimana

zat berada)c) [NH3] diperbesar : ke kiri (ke arah yang berlawanan dimana zat

berada)d) Tekanan diperbesar : ke kanan (ke arah jumlah koefisiennya kecil) e) Volume diperbesar : ke kiri (ke arah jumlah koefiseinnya besar)f) Suhu diturunkan : ke kanan (ke arah reaksi eksoterm)g) Diberi katalis Fe : tetap (katalis tidak menggeser kesetimbangan

kimia)

Soal Latihan :

IV. 1. Reaksi besi(III)klorida dengan karbon monoksida dapat terjadi bila serbuk besi direduksi menjadi ion besi seperti reaksi berikut : Fe2O3(s) + 3 CO(g) <══> 2 Fe(l) + 3 CO2(g)Gunakan prinsip Le Chatelier untuk meramalkan arah reaksi bila suatu campuran kesetimbangan diganggu dengan :a. penambahan Fe2O3

b. menarik CO2

c. menarik COHitung juga perubahan menggunakan quation reaksi Qc

IV. 2. Pada reaksi pergeseran air-gas berikut : CO(g) + H2O(g) <══> CO2(g) + H2(g)Gunakan prinsip Le Chatelier untuk meramalkan bagaimana konsentrasi H2, akan berubah bila kesetimbangan diganggu dengan :a. penambahan COb. penambahan CO2

c. penarikan H2Od. penarikan CO2

Hitung juga perubahan menggunakan quation reaksi Qc.

IV. 3. Apakah jumlah mol produk reaksi meningkat, berkurang atau tetap jika masing-masing kesetimbangan berikut tekanannya diperkecil dengan cara menambah volumenya.a. PCl5(g) <══> PCl3(g) + Cl2(g)b. CaO(s) + CO2(g) <══> CaCO3(s)c. 3 Fe(s) + 4 H2O(g) <══> Fe2O3(s) + 4 H2(g)

IV. 4. Apakah jumlah mol produk reaksi meningkat, berkurang atau tetap jika masing-masing kesetimbangan berikut tekanannya diperbesar dengan cara mengurangi volumenya.a. CO(g) + H2O(g) <══> CO2(g) + H2(g)b. 2 CO(g) <══> C(s) + CO2(g)c. N2O4(g) <══> 2 NO2(g)

IV. 5. Dalam tahap pertama proses Ostwald untuk sintesa asam nitrat, amonia dioksidasi menjadi nitrogen oksida dengan reaksi : 4 NH3(g) + 5 O2(g) <══> 4 NO(g) + 6 H2O(g) H = -905,6 kJ

26

Bagaimana perubahan jumlah NO pada kesetimbangan dengan naiknya temperatur ?

IV. 6. Bila air dipanaskan pada temperatur yang sangat tinggi pada mesin mobil, gas NO yang merupakan polutant di udara dihasilkan melalui reaksi : N2(g) + O2(g) <══> 2 NO(g) H = +180,5 kJBagaimana perubahan jumlah NO pada kesetimbangan dengan berubahnya temperatur ?

IV. 7. Etil asetat, suatu pelarut yang digunakan untuk menghilangkan cat kuku, dibuat melalui reaksi asam asetat dengan etanol : CH3COOH(l) + C2H5OH(l) <══> CH3COOC2H5(l) +H2O(l) H= -2,9 kJApakah jumlah etil asetat dalam kesetimbangan meningkat atau menurun bila temperatur dinaikkan ?Bagaimana perubahan Kc jika temperatur diturunkan ?Buktikan jawaban Anda dengan prinsip Le Chatelier !

V. KESIMPULAN

Kesetimbangan reaksi terjadi bila kecepatan reaksi ke kanan (ke arah produk) sama dengan kecepatan reaksi ke kiri (ke arah reaktan). Dalam suatu kesetimbangan kimia, meskipun reaksi terus berlangsung, namun tidak terjadi perubahan konsentrasi reaktan dan produknya. Jadi disini terjadi kesetimbangan dinamik.

Kesetimbangan kimia dapat mengalami pergeseran bila sistem mengalami perubahan dari luar, seperti pada perubahan temperatur, tekanan dan juga konsentrasi. Perubahan ini mengikuti Prinsip Le Chatelir menyatakan bahwa kesetimbangan akan bergeser untuk mengurangi pengaruh yang dialami oleh sistem.

27