KINETIKA KIMIA

KIMIA FISIKA Kinetika Kimia

2011

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Annisa Permatadietha

Eka Nurin Sharfina I.

Hans Dinata

1006661203

1006661235

100668647

1

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 2

KINETIKA KIMIA

Kinetika kimia adalah bagian ilmu kimia fisika yang mempelajari laju reaksi kimia,

faktor - faktor yang mempengaruhinya serta penjelasan hubungannya terhadap mekanisme

reaksi. Kinetika kimia disebut juga dinamika kimia, karena adanya gerakan molekul, elemen

atau ion dalam mekanisme reaksi dan laju reaksi sebagai fungsi waktu. Mekanisme reaksi

dapat diramalkan dengan bantuan pengamatan dan pengukuran besaran termodinamika suatu

reaksi, dengan mengamati arah jalannya reaktan maupun produk suatu sistem. Syarat untuk

terjadinya suatu reaksi kimia bila terjadi penurunan energi bebas. Dipertanyakan, berapa

cepat reaksi reaksi berlangsung , dengan perkataan lain, berapa nilai laju reaksi itu.

I. Laju Reaksi

Laju reaksi menyatakan laju berkurangnya jumlah reaktan atau laju bertambahnya

jumlah produk dalam satuan waktu. Satuan jumlah zat bermacam-macam, misalnya gram,

mol, atau konsentrasi. Sedangkan satuan waktu digunakan detik, menit, ataupun jam. Dalam

reaksi kimia banyak digunakan zat kimia yang berupa larutan atau berupa gas dalam keadaan

tertutup, sehingga dalam laju reaksi digunakan satuan konsentrasi (molaritas). Perhatikan

reaksi berikut.

Persamaan laju reaksi didefinisikan sebagai perubahan jumlah molekul reaktan atau

produk dalam suatu waktu tertentu, dengan formulasi sebagai berikut.

𝑳𝒂𝒋𝒖 𝑹𝒆𝒂𝒌𝒔𝒊 = −𝒅𝒏𝑹

𝒅𝒕=

𝒅𝒏𝑷

𝒅𝒕 ….(1)

Perhatikanlah reaksi berikut

𝐴 + 𝐵 → 𝐶

ketika pada suatu saat, konsentrasi setiap molekul reaksi itu adalah 𝐴 , 𝐵 , dan 𝐶 . Salah

satu pengukuran laju rekasi adalah laju pembentukan atau konsumsi spesies tertentu.

Misalnya, laju konsumsi reaktan A adalah

Reaktan Produk

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 3

𝒗𝑨 = −𝒅 𝑨

𝒅𝒕

dan laju pembentukan produk C :

𝒗𝑪 = 𝒅 𝑪

𝒅𝒕

Kedua laju itu positif sehingga berdasarkan reaksi diatas, stoikiometri reaksi ditunjukkan

dalam persamaan berikut.

𝒅 𝑪

𝒅𝒕= −

𝒅 𝑨

𝒅𝒕= −

𝒅 𝑩

𝒅𝒕

karena kapanpun molekul C terbentuk, satu molekul A dan satu molekul B musnah. Untuk

reaksi dengan stoikiometri lebih rumit, seperti:

𝐴 + 2𝐵 → 3𝐶 + 𝐷

hubungan antara berbagai laju pembentukan dan konsumsi dari reaksi diatas adalah sebagai

berikut.

𝒅 𝑪

𝒅𝒕= 𝟏

𝟑

𝒅 𝑪

𝒅𝒕= −

𝒅 𝑨

𝒅𝒕= −

𝟏

𝟐 𝒅 𝑩

𝒅𝒕

Ada beberapa hal yang dapat mempengaruhu laju reaksi, diantaranya:

A. Konsentrasi

Semakin besar konsentrasi zat-zat yang bereaksi maka laju reaksi akan semakin cepat

dengan

B. Luas permukaan bidang sentuh

Semakin kecil ukuran zat maka semaki besar luas permukaannya sehingga laju reaksi

semakin cepat.

C. Suhu

Suhu juga berbanding lurus dengan laju reaksi dengan persamaan Vt = V0 (nt2 – t1/∆t

)

dimana V adalah laju reaksi, t adalah suhu, ∆t adalah kenaikan suhu dan n adalah

perubahan laju reaksi terhadap kenaikan suhu. Sedangkan jika yang diketahui adalah

waktu, maka persamaannya menjadi Tt = T0 (1/n)t2 – t1/∆t

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 4

D. Katalisator

Katalisator adalah zat yang dapat mempercepat atau memperlambat reaksi tanpa

mengalami perubahan pada akhir reaksi. Aktivator adalah katalis yang dapat

menurunkan energi aktivasi suatu larutan sehingga laju reaksi semakin cepat,

sedangkan inhibitor adalah katalis yang memperlambat laju reaksi. Katalis anorganik

adalah katalis yang berasal dari senyawa anorganik seperti Ni pada pembuatan

margarin dan Fe pada pembuatan gas NH3 , sedangkan katalis organik adalah katalis

yang berasal dari senyawa organik seperti ragi dan enzim

II. Hukum laju Reaksi

Dari hasil percobaan diketahui bahwa umumnya laju reaksi tergantung pada

konsentrasi awal dari zat-zat pereaksi, pernyataan ini disebut Hukum Laju Reaksi. Hukum

laju adalah persamaan matermatis yang menggambarkan laju reaksi sebagai fungsi dari

konsentrasi dari spesi yang terlibat dalam reaksi. Secara umum untuk reaksi pA + qB → rC

maka hukum lajunya adalah:

𝐯 = 𝐤[𝐀]𝐦[𝐁]𝐧 ….(2)

dengan:

v = Laju reaksi (mol dm-3

det-1

)

k = Tetapan laju reaksi

m = orde reaksi terhadap A

n = orde reaksi terhadap B

[A] = Konsentrasi awal A (mol dm)

[B] = Konsentrasi awal B (mol dm)

Suku k , konstanta laju, adalah konstanta kesebandingan antara laju reaksi dan

konsentrasi reaktan. Konstanta laju dapat ditentukan melalui pengukuran laju reaksi di unit

konsentrasi reaktan atau mengetahui laju di beberapa konsentrasi reaktan dengan

menggunakan persamaan:

𝒌 =𝒗

[𝐀]𝐦[𝐁]𝐧 ….(3)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 5

Untuk reaksi yang hanya melibatkan 1 reaktan, jiika c0 adalah konsentrasi mula mula

reaktan dan c adalah konsentrasi reaktanpada waktu t, persamaan diferensiasi lajunya adalah:

-dc/cn = k dt …(4)

(n = orde reaksi)

Dengan mengintegralkannya kita peroleh:

−𝒅𝒄

𝒄𝒏= 𝒌 𝒅𝒕 ….(5)

Maka ketika nilai n disubstitusi dengan hasilnya adalah:

n = 0 → k = (co-c) / t

n = 1 → c = co e-kt

n = 2 → k = 1/t [1/c - 1/c0]

n = n → k = 1/(n-1)t [1/(cn-1

) – 1/(c0n-1

)]

Untuk reaksi yang melibatkan lebih dari 1 reaktan, dimana c = x dan c0 = a-x ,

persamaan lajunya menjadi:

𝒅𝒙

(𝒂−𝒙)𝒏= 𝒌𝒅𝒕 ….(6)

Maka ketika nilai n disubstitusi dengan hasilnya adalah:

n = 0 → k = x / t

n = 1 → k = 2.303/t log a/(a-x)

n = 2 → k = 1/t [1/a – x - 1/a]

n = n → k = 1/(n-1)t [1/(a-x)n-1

– 1/(an-1

)]; n ≥ 2

III. Orde dan Molekularitas

Laju reaksi seringkali diperoleh berbanding langsung dengan konsentrasi reaktan

dengan bilangan pangkat yang sederhana yang disebut orde reaksi. Dalam persamaan laju,

v = k[A]m [B]n , maka reaksi ini berorde m terhadap A dan dan berorde n terhadap. B,

sedangkan orde keseluruhannya adalah m+n. Umumnya orde reaksi harus ditentukan melalui

percobaan dan tidak dapat ditentukan dari persamaan setara keseluruhannya. Dari percobaan-

percobaan itu untuk mencari orde A maka harus dilihat percobaan dimana nilai [B] sama, dan

sebaliknya untuk mencari orde dari B maka dilihat percobaan dimana nilai [A] sama.

Molekularitas adalah jumlah koefisien stoikiometri reaktan yang terlibat dalam

persamaan reaksi stoikiometri, misalnya:

2A +3B = 3C +2D

Maka molekularitasnya adalah 2 + 3 = 5.

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 6

Tak selamanya nilai molekularitas dan order adalah sama. Reaksi yang memilki nilai

molekularitas dan orde total yang berbeda akibat kehadiran suatu reaktan dikenal sebagai

reaksi pseudo-order.

Orde reaksi dapat menjadi basis dalam mengelompokan jenis jenis reaksi. Secara

umum orde reaksi selalu bernilai antara 0 sampai 3.

3.1 Reaksi Orde Nol

Reaksi dikatakan berorde nol terhadap salah satu pereaksinya apabila perubahan

konsentrasi oereaski tersebut tidak mempengaruhi laju reaksi. Persamaan laju reaksinya ialah:

v = k [A]0 = k ....(7)

maka laju reaksi orde ke-nol adalah suatu konstanta, tidak bergantung pada konsentrasi

reaktan, dimana integrasi persamaaannya adalah:

𝒅𝒙 = 𝒌𝒅𝒕

x = kt ….(8)

Gbr. 1 Grafik Reaksi Orde pertama

sumber: http://kimia-asyik.blogspot.com/2009/12/grafik-orde-reaksi.html

Untuk waktu paruh, yaitu waku yang dibutuhkan suatu reaktan untuk meluruhkan

sebagian konsentrasi semula, dimana t = t1/2 dan x = a/2 persamaannya adalah:

T1/2 = a / 2k ….(9)

http://kimia-asyik.blogspot.com/2009/12/grafik-orde-reaksi.html

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 7

3.2 Reaksi Orde Satu

Suatu reaksi dikatakan berorde 1 jika laju reaksi berbanding lurus dengan konsentrasi

reaktan. Maka persamaan lajunya adalah

dx/ (a – x) = k dt ....(10)

dengan mengintegralkan persamaan tersebut didapatkan persamaan:

ln[A] / [A]0 = -kt ....(11)

dimana : k = 𝟏

𝒕𝒍𝒏

𝒂

𝒂−𝒙 ....(12)

k = 𝟐.𝟑𝟎𝟐

𝒕𝒍𝒐𝒈

𝒂

𝒂−𝒂/𝟐 ....(13)

dari persamaan ini dapat dihitung konstanta reaksi dari reaksi orde pertama. Selain melalui persamaan

tersebut, menghitung konstanta reaksi dapat juga melalui waktu paruh. Berdasarkan persamaan diatas

dan definisi dari waktu paruh (t = t1/2 dan x = a/2) maka

t1/2 = 1/k . ln x / (x /2) ....(14)

atau

t1/2 = 1/k. ln 2 = (2.303 log2) / k ....(15)

Gbr. 2 Grafik Reaksi Orde Pertama



KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 8

3.3 Reaksi Orde Dua

Suatu reaksi dikatakan berorde 2 terhadap salah satu pereaksi jika laju reaksi merupakan

pangkat 2 dari konsentrasi pereaksi tersebut. Persamaan lajunya adalah:

dx/(a-x)2 = kdt ....(16)

dengan mengintegralkannya kita memperoleh:

1/(a-x) = kt +Z ....(17)

dimana Z = 1/a ....(18)

sehingga k = 1/t = x/a (a-x) ....(19)

Jika dengan menggunakan definisi waktu paruh yaitu x = a / 2 maka besarnya waktu paru ditentukan

oleh:

t1/2 = 1/ (ka) ....(20)

Gbr. 3 Grafik Reaksi Orde Dua


IV. Ketergantungan Laju Pada Temperatur

4.1 Persamaan Arrhenius

Energi aktivasi dapat dinotasikan sebagai energi minimum yang dibutuhkan untuk reaksi kimia

spesifik yang terjadi. Reaksi energi aktivasi biasanya dinotasikan dalam Ea, dan diberikan

dalam satuan kilojoule per mole. Tetapan laju bergantung pada suhu dan energi aktivasi

seperti yang ditunjukkan oleh persamaan Arrhenius yaitu:

k = Ae-Ea/RT


KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 9

dimana besaran A menyatakan faktor frekuensi. Dari persamaan tersebut didapatkan persamaan:

ln k = ln Ae – (Ea/RT)

Untuk mengetahui konstanta laju reaksi pada suhu lain jika energi aktivasinya diketahui dapat

digunakan persamaan:

ln k1/k2 = (Ea/R)[(T1-T2) / (T1T2)]

Faktor-faktor yang mempengaruhi Energi aktivasi (Ea):

1. Suhu

Kita dapat menggunakan persamaan Arrhenius untuk menggambarkan pengaruh dari

perubahan suhu pada tetapan reaksi dan tentunya laju reaksi. Jika misalkan tetapan laju

berlipat ganda, maka juga laju reaksi akan berlipat ganda juga. Fraksi molekul-molekul

mampu untuk bereaksi dua kali lipat dengan peningkatan suhu sebesar 10ºC. Hal ini

menyebabkan laju reaksi hampir menjadi berlipat ganda.

2. Faktor frekuensi (A)

Dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk perubahan suhu yang kecil. Kita perlu

melihat bagaimana perubahan e /RTE- A atau energi dari fraksi molekul sama atau lebih

dengan aktivasi energi.

3. Katalis

Katalis akan menyediakan rute agar reaksi berlangsung dengan energi aktivasi yang lebih

rendah.

4.2 Teori Tumbukan

Teori tumbukan didasarkan atas teori kinetik gas yang mengamati tentang bagaimana

suatu reaksi kimia dapat terjadi. Menurut teori tersebut kecepatan reaksi antara dua jenis

molekul A dan B sama dengan jumiah tumbukan yang terjadi per satuan waktu antara kedua

jenis molekul tersebut. Jumlah tumbukan yang terjadi persatuan waktu sebanding dengan

konsentrasi A dan konsentrasi B. Jadi makin besar konsentrasi A dan konsentrasi B akan

semakin besar pula jumlah tumbukan yang terjadi. Teori tumbukan ini ternyata memiliki

beberapa kelemahan, antara lain :

- tidak semua tumbukan menghasilkan reaksi sebab ada energi tertentu yang harus

dilewati (disebut energi aktivasi = energi pengaktifan) untak dapat menghasilkan reaksi.

Reaksi hanya akan terjadi bila energi tumbukannya lebih besar atau sama dengan energi

pengaktifan (Ea).

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 10

A + B → T* → C + D

- molekul yang lebih rumit struktur ruangnya menghasilkan tumbukan yang tidak sama

jumlahnya dibandingkan dengan molekul yang sederhana struktur ruangnya.

Teori tumbukan di atas diperbaiki oleh teori keadaan transisi atau teori laju reaksi

absolut. Dalam teori ini diandaikan bahwa ada suatu keadaan yang harus dilewati oleh

molekul-molekul yang bereaksi dalam tujuannya menuju ke keadaan akhir (produk). Keadaan

tersebut dinamakan keadaan transisi. Mekanisme reaksi keadaan transisi dapat ditulis sebagai

berikut:

dimana:

A dan B =molekul-molekul pereaksi

T* = molekul dalam keadaan transisi

C dan D = molekul-molekul hasil reaksi

Secara diagram keadaan transisi ini dapat dinyatakan sesuai kurva berikut

Dari diagram terlibat bahwa energi pengaktifan (Ea) merupakan energi keadaan awal sampai

dengan energi keadaan transisi. Hal tersebut berarti bahwa molekul-molekul pereaksi harus

memiliki energi paling sedikit sebesar energi pengaktifan (Ea) agar dapat mencapai keadaan

transisi (T*) dan kemudian menjadi hasil reaksi (C + D).

V. Meknisme Reaksi.

Reaksi elementer memiliki beberapa tahapan. Setiap tahap disebut reaksi antara (intermediet).

Tahap reaksi elementer dikarakterisasi oleh kemolekulannya. Contohnya dalam reaksi total:

2O3(g) → 3O2(g)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 11

memiliki dua tahap reaksi elementer, yaitu:

1. Tahap elementer pertama adalah reaksi unimolekul

yaitu yang melibatkan dekomposisi atau penataan ulang suatu partikel tunggal, yaitu:

O3(g) → O2(g) + O(g).

2. Tahap elementer kedua adalah reaksi bimolekul, yaitu ketika dua partikel bereaksi: O3(g)

+ O(g) → 2O2(g). Hukum laju untuk reaksi elementer dapat langsung diperoleh dari

persamaan stoikiometrinya, sehingga orde reaksi merupakan koefisien dari reaktannya.

Hukum Laju Untuk Tahap Elementer Umum:

Semua tahap elementer dalam mekanisme reaksi tidak memiliki laju yang sama.

Biasanya terdapat satu tahap yang memiliki laju lebih lambat daripada yang lain, sehingga

membatasi kecepatan berlangsungnya reaksi keseluruhan. Tahap reaksi elementer yang

memiliki laju paling lambat disebut tahap penentu laju. Hukum laju dari tahap penentu laju

adalah merupakan hukum laju dari reaksi keseluruhan.

Contoh:

NO2(g) + CO(g) → NO(g) + CO2(g)

memiliki hukum laju secara percobaan r = k[NO2]2. Hal ini karena reaksi di atas memiliki

mekanisme dua-tahap, yaitu:

1. NO2(g) + NO2(g) → NO3(g) + NO(g) (lambat, penentu laju)

2. NO3(g) + CO(g) → NO2(g) + CO2(g) (cepat)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 12

Sesuai dengan tahap lambat yang berperan sebagai penentu laju, maka hukum laju reaksi

adalah:

r = k[NO2] [NO2] = k[NO2]2.

Hal ini sesuai hasil percobaan. Senyawa NO3 disebut senyawa intermediet yang dalam reaksi

keseluruhan tidak muncul, karena segera setelah terbentuk akan bereaksi kembali membentuk

spesi lain.

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 13

Contoh Soal 1

Konstanta laju orde pertama k, untuk reaksi ikatan C-N dalam N, N-dimetilnikotinamida

diukur dengan temperatur yang berbeda dengan NMR (Nuclear Magnetic Resonance) adalah:

T oC 10.0 15.7 21.5 27.5 33.2 38.5 45.7

k sec-1

2.08 4.57 8.24 15.8 28.4 46.1 93.5

Tentukan energi aktivasi, E, dan faktor pre-eksponensial, 𝑘0 untuk rotasi

Solusi

Energi aktivasi E adalah acuan pengukuran sensitivitas konstanta laju. E yang tinggi

menandakan konstanta laju yang bertambah secara terus menerus dengan temperatur. Dari

persamaan Arrhenius

𝑘𝑇 = 𝑘𝑂 exp −𝐸

𝑅𝑇 (3− 251)

di mana 𝑘𝑇 = konstanta laju pada temperatur yang diketahui

𝑘𝑂 = faktor pre-eksponensial

𝐸 = energi aktivasi

𝑅 = kontanta gas (8.314 J/mol K)

𝑇 = temperatur absolut (K = 273,15 + 0C)

Hal yang memungkinkan untuk menentukan energi aktivasi E dan faktor pre-eksponensial

𝑘𝑂.

Persamaan 3-251 dilinearkan sehingga menghasilkan

𝑙𝑛𝑘𝑇 = 𝑙𝑛𝑘𝑂 −𝐸

𝑅𝑇 (3 − 252)

Dengan memplot 𝑙𝑛𝑘𝑇 dan 1

𝑇, gradien sama dengan −

𝐸

𝑅 didapatkan dan perpotongannya sama

dengan 𝑙𝑛𝑘𝑂 . Dari konstanta yang telah diketahui, energi aktivasi E dan faktor pre-

eksponensial 𝑘𝑂ditentukan. Persamaan 3-251 adalah bentuk

Tabel 3-8

T (0C) k (detik-1) T (K) 1/T

10 2,08 283,15 0,003532

15,7 4,57 288,85 0,003462

21,5 8,24 294,65 0,003394

27,5 15,8 300,65 0,003326

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 14

33,2 28,4 306,35 0,003264

38,5 46,1 311,65 0,003209

45,7 93,5 318,85 0,003136

𝑦 = 𝐴𝑒𝐵𝑋 (3− 253)

Persamaan 3-253 dilinearkan menghasilkan

ln 𝑦 = ln𝐴 + 𝐵𝑋 3− 254

di mana ln y = ln kT

ln A = ln kO

B = -E/R

X = 1/T

Program komputer PROG1 menentukan nilai konstanta A dan B. Tabel 3-9 menghasilkan

hasil dari program dan kontanta A dan B.

Konstanta untuk persamaannya adalah:

A = 78728 x 1015

B = -0,94869 x 104

Koefisien korelasi = 0,99966

Gradien B = -E/R = -0,9487 x 104 dan A = kO = 7,873 x 10

14. Energi aktivasi E = RB = 8314

x 104 (J/mol) dan E = 78,9 x 10

3 J/mol. Faktor pre-eksponensial adalah kO = 7,87 x 10

14 detik

-

1. Gambar 3-20 menghasilkan plot ln kT terhadap 1/T.

R.T Dillon (1932) mempelajari reaksi antara etilen bromida dan kalium iodida pada dalam 99

% metanol dengan data sebagai berikut:

Tabel 3-9

1/T Ln K eksperimen (detik-1

) ln k teoritis (detik-1

)

0,00353 0,732 0,795

0,00346 1,520 1,456

0,00339 2,109 2,103

0,00333 2,760 2,745

0,00326 3,346 3,332

0,00321 3,831 3,859

0,00314 4,538 4,546

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 15

Gambar 3-20 Konstanta laju k, untuk rotasi ikatan C-N dalam N,N-dimetildikotamida

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0 20 40 60 80 100

Ko

nst

anta

laju

ln k

(1

/de

tik)

1/T (K)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 16

Contoh Soal 2

𝐶2𝐻4𝐵𝑟2 + 3 𝐾𝐼 → 𝐶2𝐻4 + 2 𝐾𝐵𝑟 + 𝐾𝐼3

Suhu: 59,72 0C

Konsentrasi awal KI: 0,1531 kmol/m3

Konsentrasi awal C2H4Br2: 0,02864 kmol/m3

Waktu, kdetik Fraksi dibromida yang direaksikan

29,7 0,2863

40,5 0,3630

47,7 0,4099

55,8 0,4572

62,1 0,4890

72,9 0,5396

83,7 0,5795

Tentukan konstanta laju orde reaksi kedua.

Solusi:

Reaksi di stokiometri dapat direpresentasikan sebagai

𝐴 + 3𝐵 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑠→𝑘 (3− 255)

Asumsikan bahwa reaksi yang terjadi adalah orde kedua dalam sistem volum yang konstan,

persamaan lajunya adalah

−𝑟𝐴 = −𝑑𝐶𝐴𝑑𝑡

= 𝑘𝐶𝐴𝐶𝐵 (3− 256)

Dari stoikiometri:

A B

Jumlah saat t = 0 CAO CBO

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 17

Jumlah saat t = t CA CB

Jumlah yang telah bereaksi (CAO - CA) (CBO-CB)

dan (𝐶𝐵𝑂 − 𝐶𝐵) = 3(𝐶𝐴𝑂 − 𝐶𝐴). Fraksi konversi 𝑋𝐴didefinisikan sebagai

𝑋𝐴 =𝐶𝐴𝑂 − 𝐶𝐴𝐶𝐴𝑂

(3− 257)

sehingga

𝐶𝑋 = 𝐶𝐴𝑂 1− 𝑋𝐴 (3− 258)

Penurunan persamaan di atas terhadap waktu t menghasilkan

−𝑑𝐶𝐴𝑑𝑡

= 𝐶𝐴𝑂𝑑𝑋𝐴𝑑𝑡

(3− 259)

Konsentras B adalah

𝐶𝐵 = 𝐶𝐵𝑂 − 3 𝐶𝐴𝑂 − 𝐶𝐴 (3− 260)

Dalam konversi fraksi, konsentrasi B adalah

𝐶𝐵 = 𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂𝑋𝐴 (3− 261)

Substitusi persamaan 3-258 dan 3-261 ke dalam persamaan 3-256 menghasilkan

−𝑑𝐶𝐴𝑑𝑡

= 𝑘𝐶𝐴𝑂 1− 𝑋𝐴 𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂𝑋𝐴 (3− 262)

Substitusi persamaan 3-259 ke dalam persamaan 3-262 dan penyusunan ulang menghasilkan

𝐶𝐴𝑂𝑑𝑋𝐴𝐶𝐴𝑂 1− 𝑋𝐴 𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂𝑋𝐴

= 𝑘𝑑𝑡 (3− 263)

Integrasi persamaan 3-263 di antara limit t = 0, 𝑋𝐴 = 0 dan t = t, 𝑋𝐴 = 𝑋𝐴 menghasilkan

𝑑𝑋𝐴

1− 𝑋𝐴 𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂𝑋𝐴

𝑋𝐴

0

= 𝑘 𝑑𝑡𝑡

0

3− 264

Persamaan 3-264 dapat diekspresikan dengan

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 18

𝑑𝑋𝐴

𝐶𝐴𝑂 1− 𝑋𝐴 𝐶𝐵𝑂𝐶𝐴𝑂

− 3𝑋𝐴

𝑋𝐴

0

= 𝑘 𝑑𝑡𝑡

0

3− 265

di mana 𝜃𝑛 = 𝐶𝐵𝑂/𝐶𝐴𝑂 . Persamaan 3-265 menjadi

𝑑𝑋𝐴

𝐶𝐴𝑂 1− 𝑋𝐴 𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴

𝑋𝐴

0

= 𝑘 𝑑𝑡𝑡

0

3− 266

Konversi persamaan 3-266 menjadi fraksi parsial menghasilkan

1

1− 𝑋𝐴 𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴 =

𝐴

1− 𝑋𝐴+

𝐵

𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴 3− 267

1 = 𝐴 𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴 + 𝐵 1− 𝑋𝐴

Menyamakan koefisien konstanta dan 𝑋𝐴 menghasilkan

"Const" 1 = 𝐴𝜃𝐵 + 𝐵 (3− 268)

"𝑋𝐴" 0 = −3𝐴 − 𝐵 (3− 269)

Menambahkan persamaan 3-268 dan 3-269 menghasilkan 1 = 𝐴(𝜃𝐵 − 3). Sehingga,

𝐴 = 1 ( 𝜃𝐵 − 3) dan 𝐵 = −3𝐴 = −3 (𝜃𝐵 − 3) . Persamaan 3-267 diekspresikan sebagai

1

𝐶𝐴𝑂

𝑑𝑋𝐴 1− 𝑋𝐴 𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴

𝑋𝐴

0

− 3𝑑𝑋𝐴

𝜃𝐵 − 3 𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴

𝑋𝐴

0

= 𝑘 𝑑𝑡𝑡

0

=1

𝐶𝐴𝑂 𝜃𝐵 − 3 − ln 1 − 𝑋𝐴 − 3

−1

3 ln(𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴) = 𝑘𝑡

=1

𝐶𝐴𝑂 𝜃𝐵 − 3 ln

(𝜃𝐵 − 3𝑋𝐴)

1 − 𝑋𝐴 = 𝑘𝑡 (3− 270)

Dengan memasukkan konsentrasi awal A dan B, yaitu, 𝐶𝐴𝑂 dan 𝐶𝐵𝑂 ke dalam persamaan 3-

270 menghasilkan

1

𝐶𝐴𝑂 𝐶𝐵𝑂𝐶𝐴𝑂

− 3 ln

𝐶𝐵𝑂𝐶𝐴𝑂

− 3𝑋𝐴

1 − 𝑋𝐴 = 𝑘𝑡 (3− 271)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 19

1

𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂 ln


− 3𝑋𝐴

1 − 𝑋𝐴 = 𝑘𝑡 (3− 272)

Dengan menyusun ulang persamaan 3-272 menghasilkan

ln


− 3𝑋𝐴

1 − 𝑋𝐴 = 𝑘𝑡 𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂 3− 273

Persamaan 3-273 adalah bentuk 𝑦 = 𝐴𝑒𝐵𝑥dan memplotkan ln


−3𝑋𝐴

1−𝑋𝐴 terhadap t

menghasilkan gradien B = 𝑘 𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂 . Tabel 3-10 menghasilkan nilai ln


−3𝑋𝐴

1−𝑋𝐴 dan t.

Program komputer PROG1 mengkalkulasi gradien B dari persamaan 𝑦 = 𝐴𝑒𝐵𝑥 . Dari gradien,

memungkinkan untuk menentukan konstanta laju k.

Konstanta untuk persamaan yang ada adalah:

A = 5,325

B = 0,0056969

Koefisien korelasi = 0,99984

Gradien = 𝑘 𝐶𝐵𝑂 − 3𝐶𝐴𝑂 = 0,0057

𝐶𝐴𝑂 = 0,02864, 𝐶𝐵𝑂= 0,1531

k(0,1531 – 3.0,02864) = 0,0057

0,06718k = 0,0057

k = 0,0848 𝑚3

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘

k = 0,0848 𝑚3

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 x 103 1

𝑚3 𝑥 1 𝑘𝑚𝑜𝑙

103𝑚𝑜𝑙

k = 0,0848

103 1

𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 x 3600

𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘

𝑗𝑎𝑚

k = 0,305 1

𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 20

Dillon mendapatkan nilai untuk konstanta laju k = 0,305 1

𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚. Gambar 3-21 menunjukkan

plot ln

𝐶𝐵𝑂𝐶𝐴𝑂−3𝑋𝐴

1−𝑋𝐴 terhadap waktu t, di mana y = ln

𝐶𝐵𝑂𝐶𝐴𝑂−3𝑋𝐴

1−𝑋𝐴 .

Tabel 3-10

Waktu, t (kdetik) XA 1 - XA CBO/CAO-3XA (CBO/CAO-3XA)/(1-XA) ln{(CBO/CAO-3XA)/(1-XA)}

0 0 1 5,3457 5,346 1,676

29,2 0,2863 0,7137 4,4868 6,287 1,838

40,5 0,3630 0,637 4,2567 6,682 1,899

47,7 0,4099 0,5901 4,1160 6,975 1,942

55,8 0,4572 0,5428 3,9741 7,321 1,991

62,1 0,4890 0,511 3,8787 7,590 2,027

72,9 0,5396 0,4604 3,7269 8,095 2,091

83,7 0,5795 0,4205 3,6072 8,578 2,149

Gambar 3-21 Plot untuk menentukan konstanta laju untuk reaksi orde kedua

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 20 40 60 80 100

Y

Waktu (kdetik)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 21

Contoh Soal 3

Tabel 3-11 merupakan tabel data laju reaksi [-d(B2H6)/dt] dari reaksi B2H6 dan aseton pada

suhu 1140C : B2H6 + 4 Me2CO → 2(Me2CHO)2BH. Jika persamaan laju reaksi, 𝑣 =

𝑘𝑃𝐵2𝐻6

𝑛 𝑃𝑀𝑒2𝑂𝐻𝑛 , tentukanlah n, m, dan k.

Solusi

𝑣 = 𝑘𝑃𝐵2𝐻6

𝑛 𝑃𝑀𝑒2𝑂𝐻𝑚

Persamaan linear dari laju reaksi ialah.

𝑙𝑛 𝑣 = 𝑙𝑛 𝑘 + 𝑛 𝑙𝑛 𝑃𝐵2𝐻6+ 𝑚 𝑙𝑛𝑃𝑀𝑒2𝐶𝑂

𝑌 = 𝐶0 + 𝐶1 𝑋1 + 𝐶2 𝑋2

dimana koefisien 𝐶0 = k, 𝐶1 = n, dan 𝐶2 = m. Software PROG3 dapat digunakan untuk

menentukan koefisien dari kelipatan setiap variabel independen 𝑃𝐵2𝐻6 dan 𝑃𝑀𝑒2𝐶𝑂 serta

variabel dependen laju. Hasil yang diberikan ialah sebagai berikut.

𝐶0 = 4.67755

𝐶1 = 0.978166

𝐶2 = 0.954575

𝐾𝑜𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑟𝑒𝑙𝑎𝑠𝑖 = 0.9930

Jadi, 𝐶0 = k = 4.68, 𝐶1 = n = 0.98, dan 𝐶2 = m = 0.95. Jadi, persamaan reaksinya

menjadi 𝑣 = 𝑘𝑃𝐵2𝐻6

0.98 𝑃𝑀𝑒2𝑂𝐻0.95 , atau dapat dilakukan dengan pendekatan.

𝑣 = 4.7𝑃𝐵2𝐻6𝑃𝑀𝑒2𝐶𝑂

Konstanta laju k dapat ditentukan dengan asumsi m ≡ n ≡ 1 sehingga,

𝑣 = 𝑘𝑃𝐵2𝐻6

1.0 𝑃𝑀𝑒2𝑂𝐻1.0

𝑘 = 𝑣

𝑃𝐵2𝐻6𝑃𝑀𝑒2𝐶𝑂

Rata-rata konstanta laju reaksi k = 3.85 dan persamaan laju reaksinya menjadi

= 3.85𝑃𝐵2𝐻6𝑃𝑀𝑒2𝐶𝑂. Hasil perhitungan konstanta laju reaksi dari PROG3 adalah 4,68 dan

hasil kalkulasidari tabel 3-12 adalah 3.85. Presentase deviasi (penyimpangan) dari kedua nilai

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 22

itu adalah 17.8%. Gambar 3-22 menunjukkan plot dari tekanan parsial dari B2H6 dan Me2CO

terhadap nilai laju reaksi.

Tabel 3-12

Percobaan Tekanan

B2H6

(torr)

Me2CO

𝒗 𝒙 𝟏𝟎𝟑

(torr/sec)

Konstanta laju

k

1 6.0 20.0 0.50 4.17

2 8.0 20.0 0.63 3.94

3 10.0 20.0 0.83 4.15

4 12.0 20.0 1.00 4.17

5 16.0 20.0 1.28 4.00

6 10.0 10.0 0.33 3.33

7 10.0 20.0 0.80 4.00

8 10.0 40.0 1.50 3.75

9 10.0 60.0 2.21 3.68

10 10.0 100.0 3.33 3.33

Gambar 3-22. Grafik Tekanan Parsial B2H6 dan Me2CO terhadap laju reaksi

0

20

40

60

80

100

120

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Te

ka

na

n P

ars

ial

(to

rr)

Laju reaksi (torr/sec)

B2H6

Me2CO

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 23

Contoh Soal 4

Reaksi disosiasi termal irreversible dari paraldehid pada suhu 2590C dan konstanta volume

diberikan pada data berikut ini.

Waktu, h 0 1 2 3 4 ∞

Ptotal, mmHg 100 175 220 250 270 300

Tentukan orde reaksi dan konstanta laju reaksinya.

Solusi

Dekomposisi paraldehid dinyatakan dengan (CH3CHO)3 → 3 CH3CHO. Dalam

stoikiometri dapat dinyatakan dengan A → 3B. Asumsi awal bahwa reaksi ini adalah reaksi

orde satu, sehingga persamaan laju untuk volume konstan pada sistem batch adalah :


= 𝑘1𝐶𝐴

Jika reaktan dan produk mengabaikan hukm gas ideal, konsentrasinya menjadi,

𝐶𝐴 = 𝑛𝐴𝑉

= 𝑃𝐴𝑅𝑇

dimana nilai 𝑃𝐴 ,

−𝑑𝑃𝐴𝑑𝑡

= 𝑘1𝑃𝐴

Persamaan diatas dapat diintegralkan, dimana kondisi batasnya adalah ketika t = 0, pA

= pAO dan pada t = t, pA = pA, sehingga.

𝑑𝑝

𝑝𝐴= 𝑘1 𝑑𝑡

𝑡

0

𝑝𝐴

𝑝𝐴𝑂

dimana.

𝑙𝑛𝑝𝐴𝑝𝐴𝑂

= −𝑘1 𝑡

k1

k1

(3-282)

(3-281)

(3-280)

(3-279)

(3-278)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 24

Jika nA adalah mol dari paraldehid pada waktu t dan nAO adalah mol paraldahid saat t

= 0, maka pada waktu t, mol asetaldehid berdasarkan stoikiometri adalah;

A B

Nilai saat t = 0 nAO nBO

Nilai saat t = t nA nB

Nilai setelah reaksi (nAO - nA) (nB - nBO)

dalam stoikiometri 3(nAO - nA) = (nB - nBO). Total mol saat waktu t = nr = nA + 3(nAO -

nA) + nBO, walaupun nBO = 0. Apabila kita menggunakan hukum gas ideal, maka n = pV/RT,

dan pada saat V dan T konstan,

pT = pA + 3(pAO - pA)

= pA + 3pAO - 3pA)

pT = 3pAO - 2pA

atau

pT = 1

2(3pAO - pT)

dimana. pT = tekanan total

pA = tekanan parsial dari A (paraldehid) pada waktu t

pAO = tekanan parsial dari A pada waktu t = 0

Tabel 3-13 menunjukkan hubungan rasio dari pA/ pAO terhadap waktu t.

Apabila kita memplot ln pA/ pAO terhadap waktu t (Gambar 3-23) maka akan

menghasilkan garis lurus dengan kemiringan yang sama nilainya dengan konstanta laju reaksi

k. Jadi, asumsi nahwa reaksi ini merupakan reaksi orde satu adalah benar. Hubungan antara

rasio dari pA/ pAO terhadap waktu t diwakilkan oleh persamaan Y = AcBX

.

Software PROG1 akan menentukan konstanta laju reaksi k1 dari kemiringan Y =

AcBX

. Konstanta yang dihasilkan adalah.

A = 1.0082

B = -0.47105

Koefisien korelasi = 0.99972

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 25

Kemiringan B = k1. Jadi persamaan Y = AcBX

menjadi 0.47 hr-1

.

Tabel 3-13

Waktu, hr pT, mmHg pada 00C pA = ½(3pAO - pT) pA/ pAO

0 100 100 1.0

1 175 62.5 0.625

2 220 40.0 0.400

3 250 25.0 0.250

4 270 15.0 0.15

∞ 300 0 0.0

Gambar 3-23. Grafik ln (pA/ pAO) terhadap waktu (jam)

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0 1 2 3 4 5

ln (

pA

/ p

AO

)

Waktu (jam)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 26

Contoh Soal 5

Reaksi 2NOCl → 2NO + Cl2 pada suhu 2000C. Konsentrasi dari NOCl cenderung

konstan dan hanya berubah sesuai dengan data dibawah ini.

t, sec 0 200 300 500

CNOCl, gmol/l 0.02 0.016 0.0145 0.012

Tentukan orde reaksi dan konstanta laju reaksinya.

Solusi

Jika reaksi berorde dua, persamaan laju reaksinya adalah :


= 𝑘𝐶𝐴2

Persamaan diatas dapat diintegralkan, dimana kondisi batasnya adalah ketika t = 0, CA

= CAO dan pada t = t, CA = CA, sehingga.

− 𝑑𝐶𝐴

𝐶𝐴2 = 𝑘 𝑑𝑡

𝑡

0

𝐶𝐴

𝐶𝐴𝑂

1

𝐶𝐴−

1

𝐶𝐴𝑂= 𝑘𝑡

Apabila kita memplot 1/ CA terhadap waktu t maka akan dihasilkan garis lurus dengan

kemiringan k = 0.06661 /gmol.s. Software PROG1 mampu menentukan konstanta laju reaksi

untuk reaksi orde kedua. Persamaan 3-285 sebanding dengan 1/Y = A + BX dimana gradien

B adalah konstanta laju reaksi k. Hasil kalkulasi dari perhitungan langsung melalui program

komputer ditunjukkan pada Tabel 3-14.

Konstanta dari persamaan garisnya adalah :

A = 0.496 x 102

B = 0.0666


(3-285)

k1

(3-284)

(3-283)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 27

Tabel 3-14

Waktu, sec (Hasil)

1/CNOCl, gmol/l

(Estimasi)

1/CNOCl, gmol/l

0 50 49.6

200 62.5 62.9

300 68.97 69.5

500 83.3 82.8

Gambar 3-24 menunjukkan hubungan antara 1/ CA sebagai ungsi waktu t. Grafik akan

membentuk garis lurus, sehinga hipotesa mengenai orde reaksi terbukti benar. Kemiringan

/gradien merupakan nilai konstanta laju reaksi k.

Konstanta laju reaksi k = 0.0666 1

𝑔𝑚𝑜𝑙 .𝑠𝑒𝑐

Gambar 3-24. Grafik 1/CA terhadap waktu (s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 100 200 300 400 500 600

1/

CA

Waktu (sec)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 28

Contoh Soal 6

Reaksi dekomposisi pada fase gas A → B + 2C terjadi di dalam reaktor dengan volume

konstan. Percobaan pertama hingga kelima terjadi pada suhu 1000C. Percobaan keenam

dilakukan pada suhu 1100C (Tabel 3-15). Tentukan (1) order reaksi dan konstanta laju reaksi,

dan (2) energi aktivasi dan faktor frekuensi (faktor tumbukan) dari reaksi ini.

Solusi

Waktu paruh untuk reaksi orde ke-n adalah.

𝑡1

2=

2𝑛−1 − 1

𝑘(𝑛 − 1)

1

𝐶𝐴𝑂𝑛−1

Tabel 3-15

Waktu Paruh t1/2 sebagai Fungsi Konsentrasi CAO

Percobaan ke- CAO, gmol/l Waktu paruh, t1/2 (min)

1 0.025 4.1

2 0.0133 7.7

3 0.01 9.8

4 0.05 1.96

5 0.075 1.30

6 0.025 2.0

Dengan men-logkan persamaan 3-286, persamaannya menjadi.

ln 𝑡1

2 = ln

2𝑛−1 − 1

𝑘(𝑛 − 1)+ 1− 𝑛 ln𝐶𝐴𝑂

Grafik CAO terhadap t1/2 akan menghasilkan kemiringan dari suatu garis linear yang

sama dengan (1-n). Namun, persamaan 3-287 bisa juga ditulis dalm formulasi berikut ini.

Y = AXB

Dengan memodifikasi persamaan diatas, maka.

ln𝑌 = ln𝐴 + 𝐵 ln𝑋

(3-286)

(3-287)

(3-288)

(3-289)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 29

Konstanta dari persamaan 3-289 adalah :

A = 0.0878

B = 1.0032


Kemiringan/gradien garis B = 1 – n. Software PROG1 menghasilkan kemiringan B = -1.003,

sehingga, orde reaksi adalah n = 2. Ketika t1/2 = 5 menit, dan CAO = 0.022 gmol/l pada suhu

1000C, sehingga dari persamaan 3-286.

𝑘100 = 2𝑛−1 − 1

(𝑛 − 1)

1

𝐶𝐴𝑂𝑛−1𝑡1/2

= 2 − 1

1𝑥

1

0.022 𝑥

1

5

= 9.091

𝑔𝑚𝑜𝑙.𝑚𝑖𝑛

Pada 1100C, CAO = 0.025 gmol/l, t1/2 = 2 menit, dan

𝑘100 = 2− 1

1𝑥

1

0.025 𝑥

1

2

= 20 1


Energi aktivasi danfaktor frekuensi (faktor tumbukan) dapat ditentukan dari

persamaan Arrhenius.

𝑘𝑇 = 𝑘0 exp −𝐸

𝑅𝑇

dimana. 𝑘𝑇 = konstanta laju reaksi pada suhu tertentu

𝑘0 = faktor frekuensi

E = energi aktivasi

R = konstanta gas ideal 1.987 kal/mol.K

𝑘100 = 𝑘0 exp −𝐸

𝑅 373

𝑘110 = 𝑘0 exp −𝐸

𝑅 383

(3-290)

(3-291)

(3-292)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 30

Dengan membandingkan persamaan 3-291 dengan persamaan 3-292, sehingga,

𝑘100

𝑘110=

exp(−𝐸

𝑅 373 )

exp(−𝐸

𝑅 383 )

Hilangkan faktor eksponensialnya, sehingga persamaan 3-293 menjadi.

ln𝑘100

𝑘110=

−𝐸

𝑅 373 −

−𝐸

𝑅 383

ln9.09

20.0= 𝐸

𝑅

1

383−

1

373

𝐸 = −0.7886 𝑥 1.987

−6.999 𝑥 10−5

= 22.388 𝑘𝑎𝑙

𝑔𝑚𝑜𝑙

Faktor frekuensi pada suhu 1000C adalah.

𝑘0 = 𝑘100

exp −𝐸𝑅𝑇

= 900

exp −22.388

1.987 𝑥 373

= 1.19 𝑥 10141


Faktor frekuensi pada suhu 1100C adalah.

𝑘0 = 𝑘110

exp −𝐸𝑅𝑇

= 20

exp −22.388

1.987 𝑥 383

= 1.19 𝑥 10141


(3-293)

(3-294)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 31

Contoh Soal 7 (Example 3-8)

Hidrolisis metil asetat merupakan reaksi autokatalisis dan termasuk reaksi berorde satu

dengan hasil keduanya adalah metil asetat dan asam asetat. Reaksi ini termasuk jenis reaksi

dasar, bimolekular dan timbal balik pada volume konstan untuk tujuan perancangan. Berikut

adalah data terkait reaksi tersebut.

Konsentrasi dari metil asetat = 0.45 gmol/l

Konsentrasi dari asam asetat = 0.045 gmol/l

Perubahan yang terjadi didalam reaktor bath dalam 1 jam adalah sebesar 65%. Hitunglah (1)

konstanta laju reaksi dan nyatakan persamaan laju reaksinya, (2) waktu ketika laju reaksinya

maksimum, dan (3) jenis dari reaktor sistem optimum yang dibutuhkan untuk melakukan

proses 200 m3/jam. Bagaimanakah volume reaktor dalam sistem ini?

Solusi

Reaksi hidrolisis dari metil asetat adalah sebagai berikut.

CH3COOCH3 + H2O → CH3COOH + CH3OH

(A) (B)

Secara sederhana reaksi diatas merupakan reaksi A → B. Untuk reaksi autokatalisis A + B →

B + B dan laju konsumsi dari sepsi A adalah.


= 𝑘1𝐶𝐴𝐶𝐵

k1

(3-294)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 32


Huang dan Dauerman (1969) mempelajari mengenai asetilasi dari senyawa benzyl klorida

dalam dilute solution pada 1020C. Dengan menggunakan equimolal konsentrasi dari sodium

asetat dan benzyl klorida (0.757 kmol/m3). Tabel 3-16 akan mengurutkan data fraksi dari

benzyl klorida sisa hasil yang tidak dikonversi vs waktu. Tentukan orde reaksi dan konstanta

reaksi pada suhu ini.

Solusi

Waktu, t (ksec) CB/CBO

dimana B = C6H5CH2Cl

10.80 0.945

24.48 0.912

46.08 0.846

54.72 0.809

69.48 0.779

88.56 0.730

109.44 0.678

126.72 0.638

133.74 0.619

140.76 0.590

Reaksi ini diasumsikan akan beroder reaksi dua berdasarkan reaksi NaAc +

C6H5CH2Cl → C6H5CH2Ac + Na+ + Cl

-, dimana bisa disederhanakan dengan pernyataan

reaksi spesi A dan B, sehingga.

A + B → Produk

Persamaan laju reaksi untuk spesi B adalah.

−𝑟𝐵 = −𝑑𝐶𝐵𝑑𝑡

= 𝑘𝐶𝐴𝐶𝐵

Stoikiometri pada kedua spesi A dan B dapat dinyatakan sebagai berikut.

k1 (3-297)

(3-298)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 33

A B

Nilai saat t = 0 CAO CBO

Nilai saat t = t CA CB

Nilai setelah reaksi (CAO - CA) (CBO - CB)

Nilai XB dapat dicari dengan,

𝑋𝐵 = 𝐶𝐵𝑂 − 𝐶𝐵𝐶𝐵𝑂

Persamaan 3-299 dapat juga dimodifikasi menjadi.

𝐶𝐵 = 𝐶𝐵𝑂 (1− 𝑋𝐵)

Karena konsentrasi A dan B adalah sama, maka,

𝐶𝐴 = 𝐶𝐵 = 𝐶𝐵𝑂 (1− 𝑋𝐵)

dan

−𝑑𝐶𝐵𝑑𝑡

= 𝐶𝐵𝑂𝑑𝑋𝐵𝑑𝑡

dengan mensubstitusi persamaan 3-300 dan 3-302 ke persamaan 3-298, dihasilkan,

−𝑟𝐵 = −𝐶𝐵𝑂𝑑𝑋𝐵𝑑𝑡

= 𝑘𝐶𝐵𝑂2 (1− 𝑋𝐵)2

Persamaan diatas dapat diintegralkan, dimana kondisi batasnya adalah ketika t = 0, XA

= 0 dan pada t = t, XB = XB, sehingga.

𝑑𝑋𝐵

(1 − 𝑋𝐵)2= 𝑘𝐶𝐵𝑂 𝑑𝑡

𝑡

0

𝑋𝐵

0

1

1 − 𝑋𝐵 =

0

𝑋𝐵

𝑘𝐶𝐵𝑂𝑡

1

1 − 𝑋𝐵− 1 = 𝑘𝐶𝐵𝑂𝑡

(3-299)

(3-300)

(3-301)

(3-302)

(3-303)

(3-304)

(3-305)

(3-306)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 34

1

𝐶𝐵/𝐶𝐵𝑂− 1 = 𝑘𝐶𝐵𝑂𝑡

Konstanta laju reaksi k dapat dikalkulasikan melalui persamaan 3-307 menjadi.

𝑘 = 1

𝐶𝐵𝑂𝑡

1

𝐶𝐵/𝐶𝐵𝑂− 1

Tabel 3-17 menunjukkan nilai kalkulasi dari konstnta laju rekasi k pada beberapa

variasi waktu.

Tabel 3-17

Waktu (t)

ksec

𝑪𝑩/𝑪𝑩𝑶

𝟏

𝑪𝑩/𝑪𝑩𝑶− 𝟏

𝟏

𝑪𝑩𝑶𝒕

𝒌 =

𝒎𝟐

𝒎𝒐𝒍. 𝒔𝒆𝒄

10.80 0.945 0.058 0.122 0.0071

24.48 0.912 0.096 0.054 0.0052

46.08 0.846 0.182 0.029 0.0053

54.72 0.809 0.236 0.024 0.0057

69.48 0.779 0.284 0.019 0.0054

88.56 0.730 0.370 0.015 0.0056

109.44 0.678 0.475 0.012 0.0057

126.72 0.638 0.567 0.010 0.0057

133.74 0.619 0.616 0.010 0.0062

140.76 0.590 0.695 0.005 0.0034

Rata-rata dari nilai konstanta laju reaksi adalaj k = 0.0055 m3/(mol.sec). Ini

memnuktikan bahwa reaksi tersebut berorde dua.

(3-307)

(3-308)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 35


(1) Perkirakan bahwa reaksi orde satu (n=1) berlangsung di dalam reaktor batch

dengan volume konstan V. Tulis kesetibangan material pada A dan integralkan hinga

diperoleh persamaan 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴𝑂 exp(−𝑘𝑡), dimana 𝐶𝐴𝑂 merupakan konsentrasi dari A pada

reaktor ketika t = 0.

(2) Pemisahan fasa gas dari sulfur klorida SO2Cl2 → SO2 + Cl2 diasumsikan sebagai

reaksi orde satu. Reaksi ini berlangsung pada suhu konstan, reaktor batch isotermal, dan

konsentrasi SO2Cl2 berubah seiring perubahan waktu, sesuai data di bawah ini.

t, sec 4.0 20.2 40.0 60.0 120.0 180.0

CNOCl, gmol/l 0.0158 0.0152 0.0144 0.0136 0.0116 0.0099

Gunakan data diatas utnuk menguji hukum laju, dan tentukan konstanta laju reaksi k.

Berikan nilai dan unit dari k.

Solusi

(1) Asumsikan bahwa reaksi berorde satu dalam reaktor batch isotermal pada volume

konstan, sehinga persamaan reaksinya menjadi A → Produk, dimana.

−𝑟𝐴 = −1

𝑉

𝑑𝑛𝐴𝑑𝑡

= 𝑘1𝐶𝐴

dimana jumlah mol𝑛𝐴 adalah

𝑛𝐴 = 𝐶𝐴𝑉

dimana 𝐶𝐴 = konsentrasi spesi A

V = volume reaktor batch

Dengan mensubstitusi persamaan 3-310 ke dalam persamaan 3-309.

−𝑟𝐴 = −1

𝑉𝑑(𝑉𝐶𝐴) = 𝑘1𝐶𝐴

= − 𝑑𝐶𝐴𝑑𝑡

= 𝑘1𝐶𝐴

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 36

dimana V bernila konstan.



𝑑𝐶𝐴𝐶𝐴

= − 𝑘1 𝑑𝑡𝑡

0

𝐶𝐴

𝐶𝐴𝑂

dan

ln𝐶𝐴𝐶𝐴𝑂

= 𝑘1𝑡

sehingga,

𝐶𝐴 = 𝐶𝐴𝑂 exp(-𝑘1𝑡)

(2) gunakan persamaan 3-314 pada pemisahan fassa gas dari sulfur klorida, danl

persamaannya dapat dituliskan menjadi.

𝑌 = 𝐴𝑐𝐵𝑋

Persamaan diatas dapat dimodifikasi menjadi.

ln𝑌 = ln𝐴 + 𝐵𝑋

Tabel 3-18 menunjukkan perubahan konsentrasi SO2Cl2, 𝐶𝐴 sebagai fungsi waktu t.

Tabel 3-18

Waktu (min) 𝑪𝑨 mol/l ln 𝑪𝑨, mol/l

4 0.0158 -4.1477

20.2 0.0152 -4.1865

40 0.0144 -4.2405

60 0.0136 -4.2977

120 0.0166 -4.4568

180 0.0099 -4.6152

Grafik ln 𝐶𝐴 terhadap waktu t menghasilkan sebuah garis lurus dengan kemiringan (-

B) sama dengan konstanta laju rekasi. Kontanta dari persamaan 𝑌 = 𝐴𝑐𝐵𝑋 adalah.

(3-313)

(3-312)

(3-314)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 37

A = 0.015999

B = -0.26711 x 10-2

Kofisien korelasi = 0.99991

Kontanta laju reaksi 𝑘1 = -B = 0.00267 sec -1

. Grafik 3-25 menunjukkan perubahan ln

𝐶𝐴 terhadap waktu t (min).

Gambar 3-25. Grafik ln CA terhadap waktu t (min)

-4.7

-4.6

-4.5

-4.4

-4.3

-4.2

-4.1

0 50 100 150 200

ln C

A

Waktu (min)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 38


Reaksi pemisahan gas dengan teori stoikiometri 2A → 2B + C mengikuti hukum laju reaksi

orde dua 𝑟𝑑 𝑚𝑜𝑙

𝑚3. 𝑠 = 𝑘𝐶𝐴

2 , dimana 𝐶𝐴 merupakan konsentrasi reaktan dalam mol/m3.

Konstanta laju reaksi k bergantung dengan suhu dari reaksi tersebut berdasarkan dengan

persamaan Arrhenius.

𝑘 𝑚3

𝑚𝑜𝑙. 𝑠 = 𝑘0 exp

−𝐸

𝑅𝑇

dimana. 𝑘0 𝑚3

𝑚𝑜𝑙 .𝑠 = faktor pre-eksponensial

𝐸 (𝐽

𝑚𝑜𝑙) = energi aktivasi reaksi

𝑅 = konstanta gas

(1) Perkirakan reaksi ini belangsung dalam reaktor batch dengan colume konstan V

(𝑚3) pada temperatur konstan T (K), reaksi diawali dengan spesi A murni pada konsentrasi

𝐶𝐴𝑂 . Tulislah perbedaan kesetimbangan pada spesi A dan gunakan metode integral untuk

memperoleh persamaan untuk 𝐶𝐴 (t) pada 𝐶𝐴𝑂 dan nilai k.

(2) P0 (atm) sebagai variabel tekanan, dan buktikan bahwa t1/2 mewakili pencapaian

hasil konversi sebesar 50% dari spesi A dalam reaktor tersebut, sama dengan RT/kp0.

Asumsikan perilaku gas idealnya.

(3) Pemisahan nitrogen oksida (N2O) menjadi unsur nitrogen dan oksigen berlangsung

pada 5.0 1 reaktor batch pada suhu konstan 1.015K, diawali dengan N2O pada tekanan

tertentu. Tekanan reaktor P(t) dikontrol, dan waktu paruh (t1/2) mewakili pencapaian hasil

konversi sebesar 50% dari spesi N2O didata pada Tabel 3-19. Gunakan hasil data tersebut

untuk membuktikan bahwa pemisahan N2O merupakan reaksi orde dua dan tentukan nilai k

pada suhu 1.015 K.

Tabel 3-19

P0 (atm) 0135 0.286 0.416 0.683

t1/2, (sec) 1060 500 344 209

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 39

(4) Ekperimen yang sama berlangsung pada temperatur berbeda-beda pada tekanan

tunggal 1.0 atm. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3-20. Tentukan parameter persamaan

Arrhenius (k0 dan E) untuk reaksi ini.

Tabel 3-20

P0 (atm) 0135 0.286 0.416 0.683

t1/2, (sec) 1060 500 344 209

Solusi

(1) Karena reaksi berlangsung dalam sistem batch pada volume konstan, persamaan laju

reaksi orde dua adalah sebagai berikut.

−𝑟𝐴 = −1

𝑉

𝑑𝑛𝐴𝑑𝑡

= − 𝑑𝑛𝐴𝑑𝑡

= 𝑘𝐶𝐴2

dimana 𝑘 = 𝑘0 exp −𝐸

𝑅𝑇 .



− 𝑑𝐶𝐴

𝐶𝐴2 = 𝑘 𝑑𝑡

𝑡

0

𝐶𝐴

𝐶𝐴𝑂

Dengan mengntegralkan persmaan 3-318 maka.

1

𝐶𝐴 = 𝑘𝑡

𝐶𝐴𝑂

𝐶𝐴

1

𝐶𝐴−

1

𝐶𝐴𝑂= 𝑘0 exp

−𝐸

𝑅𝑇 𝑡

Jadi, konsentrasi dari spesi A pada variabel 𝐶𝐴𝑂 dan k adalah.

1

𝐶𝐴=

1

𝐶𝐴𝑂+ 𝑘0 exp

−𝐸

𝑅𝑇 𝑡

(2) Persamaan waktu paruh (t1/2) untuk orde ke-n adalah.

(3-317)

(3-318)

(3-319)

(3-320)

(3-321)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 40

𝑡1

2=

2𝑛−1−1

𝑘(𝑛−1)

1

𝐶𝐴𝑂𝑛−1

Karena reaksi ini berode dua, dimana nilai n = 2, dan nilai tersebut disubstitusikan dalam

persamaan 3-322, sehingga persamaannya menjadi.

𝑡1

2= 𝐶𝐴𝑂−1

𝑘=

1

𝑘𝐶𝐴𝑂

dimana,

𝐶𝐴𝑂 = 𝑛𝐴𝑂𝑉

= 𝑝𝐴𝑂𝑉

𝑅𝑇𝑉 = 𝑝𝐴𝑂𝑅𝑇

Substitusikan persamaan 3-324 ke dalam persamaan 3-323 menjadi.

𝑡1

2=

1

𝑘𝑝𝐴𝑂 /𝑅𝑇

= 𝑅𝑇

𝑘𝑝𝐴𝑂

(3) Pemisahan nitrogen oksida (N2O) menjadi nitrogen dan oksigen dinyatakan dalam

persamaan berikut ini.

2 N2O → 2 N2 + O2

Waktu paruh t1/2 untuk orde ke-n adalah.

𝑡1

2=

(2𝑛−1 − 1) 𝐶𝐴𝑂𝑛−1

𝑘(𝑛 − 1)

Jadi, dengan menggunakan 3-324 persamaannya menjadi.

𝑡1

2=

(2𝑛−1 − 1)

𝑘(𝑛 − 1) 𝑝𝐴𝑂𝑅𝑇

1−𝑛

Dengan menggunakan hukum logaritma untuk masing-masing persamaan, 3-327.

ln( 𝑡1

2) = ln

(2𝑛−1 − 1)

𝑘 𝑛 − 1 + 1− 𝑛 ln

𝑝𝐴𝑂𝑅𝑇

Persamaan 3-328 dapat dituliskan setara dengan.

𝑌 = 𝐴𝑋𝐵

(3-322)

(3-323)

(3-324)

(3-325)

(3-326)

(3-327)

(3-328)

(3-329)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 41

Persamaan 3-329 dapat dimodifikasi mengenai.


dimana kemiringan B = 1- n.

Dari Tabel 3-19, kita dapat menentukan variabel bebas 𝑝𝑜

𝑅𝑇 pada temperatur konstan pada

1.015 K dan konstanta gas R = 0.08206 (1.atm / mol . k) (Tabel 3-21). Variabel terikatnya

adalah t1/2.

𝒑𝒐, atm t1/2 (sec) 𝒑𝒐𝑹𝑻

,𝒙 𝟏𝟎−𝟑 t1/2 (estimasi)

0.135 1.060 1.6208 1.059.8

0.286 500 3.4337 501.7

0.416 344 4.9945 342.2

0.683 209 8.2001 209.5

Konstanta dari persamaan 3-330 adalah.

A = 1.7834

B = -0.992


Kemiringan B = -0.9922 = 1 –n. Jadi, nilai dari n = 1.992 ≡ 2 dan reaksi terbukti

berorde dua. Nilai dari konstanta laju reaksi pada suhu T = 1.015 K adalah.

𝑡1

2=

𝑅𝑇

𝑘𝑝𝑂

Jadi,

𝑘 = 𝑅𝑇

𝑝𝑂 𝑡12

= 0.08206 𝑥 1.015

0.135 𝑥 1.060

1.𝑎𝑡𝑚

𝑚𝑜𝑙 − 𝐾.

𝐾

𝑎𝑡𝑚. 𝑠𝑒𝑐

= 0.582 1

𝑚𝑜𝑙. 𝑠𝑒𝑐

(4) Dengan persamaan Arrhenius.

(3-330)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 42

𝑘 𝑚3

𝑚𝑜𝑙. 𝑠 = 𝑘0 exp

−𝐸

𝑅𝑇

Persamaan diatas dimodifikasi mengenai.

ln𝑘𝑇 = ln 𝑘0 −𝐸

𝑅𝑇

Konstanta laju reaksi 𝑘𝑇 dapat ditentukan dengan menentukan variabel suhu T dari

persamaan waktu paruh sebagai berikut ini.

𝑡1

2=

(2𝑛−1 − 1)

𝑘(𝑛 − 1) 𝑅𝑇

𝑝𝐴𝑂

1−𝑛

Jika, tekanan 1 atm, 𝑝𝐴𝑂 = 1 dn n = 2, waktu paruh pada persamaan 3-327 adalah t1/2

= RT/kT dan kT = RT/t1/2. Tabel 3-22 dapat diturunkan dari Tabel 3-20 untuk nilai kT,

variabel terikat, adalah suhu T dan t1/2. Persamaan 3-331 dapat ditulis setara dengan

persamaan.

𝑌 = 𝐴𝑋𝐵

Persamaan 3-333 dapat dimodifikasi mengenai.


dimana konstanta A = kO dan kemiringan B = -E/R. Konstanta pada persamaan laju

reaksi ini anatar lain.

A = 0.3378 x 1013

B = -0.29875 x 105


Konstanta gas R = 0.08206 1.tm/mol.K

𝑻 (𝑲) t1/2 (sec) 𝟏/𝑻 𝒌𝑻 𝑹𝑻

𝒕𝟏𝟐

(𝟏

𝒎𝒐𝒍. 𝒔𝒆𝒄)

900 5.464 0.00111 0.0135

(3-334)

(3-333)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 43

950 1.004 0.00105 0.0776

1000 219 0.001 0.3747

1050 55 0.00095 1.5666

Energi aktivasi = 𝐸

𝑅= 𝐵 = -0.2988 x 10

5

= 0.2988 x 105 x 0.08206

= 2.452 1/mol

Jadi, nilai faktor pre-eksponensial kO = 3.378 x 1012

1/mol.sec

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 44

Contoh Soal 11

(Example 3-12)

Untuk sintesis amonia, 𝑁2 + 3𝐻2 → 2𝑁𝐻3 dengan bantuan katalis besi. Temukan mekanisme

laju dengan reaksi sebagai berikut

𝐻2(𝑔) + 2𝑆 𝑘1 𝑘−1 2𝐻𝑆 (3 − 335)

𝑁2 + 2𝑆𝑘2→ 2𝑁𝑆 (3− 336)

𝑁𝑆 + 3𝐻𝑆 𝑘3 𝑘−3 𝑁𝐻3𝑆 + 3𝑆 (3− 337)

𝑁𝐻3𝑆𝑘4 𝑘−4 𝑁𝐻(𝑔) + 𝑆 (3 − 338)

Solusi

Boudart (1972) memperkenalkan asumsi intermediet yang paling berlimpah (masi). Asumsi

ini menyatakan bahwa, tempat yang terisi oleh seluruh spesi, kecuali intermediet yang paling

berlimpah dianggap tidak sebanding dengan tempat yang terisi oleh intermediet yang paling

berlimpah dan tempat yang kosong.

Ekspresi laju untuk mekanisme ddi atas didasarkan oleh asumsi-asumsi berikut:

1. Intermediet yang paling berlimpah adalah NS, sehingga

𝐶𝑇 = 𝐶𝑆 + 𝐶𝑁𝑆 (3− 339)

2. Langkah 1, 3, dan 4 berada pada kesetimbangan dan langkah 2 adalah langkah

penentu laju.

3. Kondisi di mana reaksi 𝑁2 + 3𝐻2 → 2𝑁𝐻3 berlangsung adalah kondisi yang tidak

memungkinkan untuk adanya laju untuk reaksi sebaliknya.

𝐶𝑇 = total konsentrasi dari beberapa tempat dan didefinisikan sebagai

𝑚𝑜𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑏𝑒𝑟𝑏𝑎𝑔𝑎𝑖 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑎𝑡

𝑢𝑛𝑖𝑡 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑘𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑠

𝐶𝑆 = konsentrasi tempat yang kosong

𝐶𝐻𝑆 = konsentrasi hidrogen teradsorp

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 45

𝑚𝑜𝑙 𝑕𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛 𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑝


𝐶𝑁𝑆 = konsentrasi dari intermediet yang paling berlimpah

𝐶𝑁𝐻3𝑆 = konsentrasi amonia teradsorp

𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑚𝑜𝑛𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑝


𝑝𝑁3 = tekanan parsial nitrogen

𝑝𝑁𝐻3 = tekanan parsial amonia

−𝑟𝑁2 = laju reaksi nitrogen, mol nitrogen terdekomposisi per unit waktu per unit

massa katalis

Karena langkah 2 adalah langkah penentuan laju, maka ekspresi lajunya adalah:

−𝑟𝑁2 = 𝑘2𝑝𝑁2

𝐶𝑆2 (3− 340)

Laju netto dari dekomposisi 𝐻2adalah

−𝑟𝑁2 𝑛𝑒𝑡

= 𝑘1𝑝𝐻2𝐶𝑆

2 − 𝑘−1𝐶𝐻𝑆2 (3− 341)

Dengan basis asumsi pseudo-steady state, laju netto dari dekomposisi adalah nol,

sehingga

𝑘1𝑝𝐻2𝐶𝑆

2 = 𝑘−1𝐶𝐻𝑆2

dan

𝐾1 =𝑘1

𝑘−1=

𝐶𝐻𝑆2

𝑝𝐻3𝐶𝑆

2 (3− 342)

𝐾3 =𝑘3

𝑘−3=𝐶𝑆

3𝐶𝑁𝐻3𝑆

𝐶𝑁𝑆𝐶𝐻𝑆3 (3 − 343)

𝐾4 =𝑘4

𝑘−4=𝐶𝑆𝑝𝑁𝐻3

𝐶𝑁𝐻3𝑆 (3− 344)

Dari persamaan 3-343, konsentrasi intermedietyang paling berlimpah adalah

𝐶𝑁𝑆 =𝐶𝑆

3𝐶𝐻𝑁3𝑆

𝐾3𝐶𝐻𝑆3 (3− 345)

Konsentrasi amonia yang teradsorp dari persamaan 3-344 adalah

𝐶𝑁𝐻3𝑆 =𝐶𝑆𝑝𝑁𝐻3

𝐾4 (3− 346)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 46

Konsentrasi hidrogen yang teradsorp dari persamaan 3-342 adalah

𝐶𝐻𝑆 = 𝑘1𝑝𝐻2𝐶𝑆

2 1 2

(3− 347)

Substitusi persamaan 3-346 dan 3-347 ke dalam persamaan 3-345 menghasilkan

𝐶𝑁𝑆 =𝐶𝑆

3𝐶𝑆𝑝𝑁𝐻3

𝐾3𝐾4 𝑘1𝑝𝐻2𝐶𝑆

2 3 2

3− 348

=𝑝𝑁𝐻3

𝐶𝑆

𝐾𝑝𝐻2

1,5 (3− 349)

di mana 𝐾 = 𝐾11,5𝐾3𝐾4. Substiusi persamaan 3-349 ke dalam persamaan 3-339

menghasilkan

𝐶𝑇 =𝑝𝑁𝐻3

𝐶𝑆

𝐾𝑝𝐻2

1,5 + 𝐶𝑆 (3− 350)

atau

𝐶𝑆 =𝐶𝑇

𝑝𝑁𝐻3𝐶𝑆

𝐾𝑝𝐻2

1,5 + 1

(3− 351)

Substitusi persamaan 3-351 ke dalam ekspresi laju dari persamaan 3-340

menghasilkan

−𝑟𝑁2 = 𝑘2𝑝𝑁2

𝐶𝑇𝑝𝑁𝐻3

𝐶𝑆

𝐾𝑝𝐻2

1,5 + 1

2

(3− 352)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 47

Contoh Soal 12

(Example 3-1)

Reaktan A terdekomposisi dalam suatu reaktor

𝐴 → 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘

Komposisi A dalam reaktor diukur dengan waktu yang berbeda dengan hasil yang

ditunjukkandi kolom 1 dan 2. Cari persamaan laju yang merepresentasikan data.

Kolom 1 Kolom 2 Kolom 3 Kolom 4

Waktu t, detik Konsentrasi CA, mol/Liter ln (CAO/CA) 1/CA

0 CAO = 10 ln (10/10) = 0 0,1

20 8 ln (10/8) = 0,2231 0,125

40 6 0,511 0,167

60 5 0,6931 0,200

120 3 1,204 0,333

180 2 1,609 0,500

300 1 2,303 1,000

Data Eksperimen Data Teoritis

Solusi

Menebak Kinetika Orde Pertama

Mulai dengan menebak bentuk laju yang paling sederhana atau kinetika orde pertama. Hal ini

berarti 𝐶𝐴𝑂 𝐶𝐴 vs t seharusnya menghasilkan garis lurus, lihat persamaan 11 atau 12 atau

gambar 3.1. Sehingga kolom 3 dihitung dan plot dari gambar E3.1a dibuat. Namun, hasilnya

ternyata bukan merupakan garis lurus, sehingga kinetika orde pertama tidak dapat

merepresentasikan data dan kita harus menebak bentuk laju lain.

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 48

Gambar E.3.1a

Menebak Kinetik Orde Kedua.

Persamaan 16 menyatakan bahwa 1/CA vs t seharusnya menghasilkan garis lurus. Jadi hasil

perhitungan kolom 4, plott kolom 1 vs kolom 4, seperti ditunjukkan pada gambar E3.1b.

Ternyata, garis yang dihasilkan bukanlah garis lurus, sehingga bentuk kinetik orde kedua

tidak berlaku.

Gambar E.3.1b

Menebak Kinetik Orde ke-n.

Mari kita tinjau dari metode fractional life dengan F = 80%. Lalu Eq. 33b menjadi

𝑡𝐹 =(0,8)1−𝑛 − 1

𝑘(𝑛 − 1) 𝐶𝐴𝑂

1−𝑛 (𝑖)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 100 200 300 400

ln C

AO

/CA

Waktu t (detik)

Data dari kolom 1 dan 3 tidak menghasilkan garis lurus (bukan reaksi orde pertama)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 100 200 300 400

1/C

A

Waktu t (detik)

Data dari Kolom 1 dan 4 tidak menghasilkan garis lurus (bukan reaksi orde kedua)

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 49

Selanjutnya ambil logaritma

log 𝑡𝐹 = log(0,8)1−𝑛 − 1

𝑘(𝑛 − 1)+ 1− 𝑛 log𝐶𝐴𝑂 (𝑖𝑖)

------- -------------------- ------------------

y a bx

Prosedurnya adalah sebagai berikut, Pertama plot data 𝐶𝐴vs t, gambar kurva yang smooth

untuk merepresentasikan data (yang terpenting) seperti yang terlihatr pada Gambar E.3.1c,

lalu ambil CAO = 10,5 dan 2 dan isi tabel di bawah ini.

CAO CA end (= 0,8 CAO) Waktu yang diperlukan tF, ᵟ log tF log CAO

10 8 0 --> 18,5 = 18,5 log 18,5 = 1,27 1,00

5 4 59 --> 82 = 23 1,36 0,70

2 1,6 180 --> 215 = 35 1,54 0,30

Dari kurva, bukan dari data

Selanjutnya, plot log tF vs log CAO, seperti yang ditunjukkan di Gambar E.3.1d dan mencari

gradiennya.

Gambar E.3.1c dan E.3.1d

Sekarang kita mempunyai orde reaksi. Untuk mengevaluasi konstanta laju, Ambil poin mana

pun pada kurva CA vs t. Ambil nilaki CAO = 10, di mana tF = 18,5 detik. Dengan memasukkan

semua nilai ke dalam persamaan (i) menghasilkan

0

2

4

6

8

10

12

0 200 400

CA

tF (detik)

Kurva smooth tidak perlu melewati semua poin di data 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

0.00 0.50 1.00 1.50

Axi

s Ti

tle

Axis Title

Gradien = 1 – n = -0,4 n = 1,6

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 50

18,5 = 0,8 1−1,4 − 1

𝑘 (1,4− 1) 101−1,4

di mana

𝑘 = 0,05

Sehingga, persamaan laju yang merepresentasikan reaksi adalah

−𝑟𝐴 = 0,005𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟1,4

𝑚𝑜𝑙1,4𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 𝐶𝐴

1,4 𝑚𝑜𝑙

𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘

KIMIA FISIKA

KINETIKA KIMIA 51

DAFTAR PUSTAKA

Chang, Reymond. 2005. Kimia Dasar : Konsep-Konsep Inti Jilid 2, Edisi Ketiga. Jakarta :

Elangga.

Atkins. P.W. 2004. Kimia Fisika Jilid 2. Jakarta Erlangga.

KINETIKA KIMIA

Documents

Transcript of KINETIKA KIMIA