KINETIKA KIMIAby DIAN NOVIANTI, S.Si., M.Pd.

KINETIKA KIMIA Termodinamika apakah suatu reaksi dapat terjadi Kinetika seberapa cepat suatu reaksi berlangsung Kinetika kimia adalah suatu ilmu yang membahas tentang laju dan mekanisme reaksi.

Perhatikan data berikut!Reaksi: 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g)

LAJU REAKSI DAN KECEPATAN REAKSI Kecepatan reaksi (velocity) adalah perubahan konsentrasi molar zat-zat yang bereaksi pada selang waktu tertentu (laju reaksi rata-rata). v = [N2O5]/t = [N2O5]1 [N2O5]2 t2 t1 Laju reaksi (speed) adalah perubahan konsentrasi molar zat-zat yang bereaksi pada setiap waktu (laju reaksi sesaat). Perubahan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi dapat diukur setiap saat, misalnya setiap detik, setiap menit, setiap jam, dan seterusnya. r = -d[N2O5]/dt

FAKTOR YANG MEMPENGARUHI LAJU REAKSI1. Sifat pereaksi Reaktivitas dari pereaksi 2. Konsentrasi pereaksi Konsentrasi > kerapatan > frekuensi tumbukan > laju > 3. Suhu Suhu > Ek > frekuensi tumbukan > laju > 4. Luas permukaan Semakin halus bentuk zat yang bereaksi luas permukaan > laju > 5. Intensitas radiasi Cahaya atau bentuk energi lainnya yang akan memudahkan tercapainya energi pengaktifan untuk terjadinya reaksi. 6. Katalis Menurunkan energi aktivasi (Ea) 7. Sifat-sifat pelarut Laju reaksi tergantung dari kepolaran pelarut, viskositas, jumlah donor elektron, dan sebagainya. Penambahan suatu elektrolit dapat memperkecil atau menaikkan suatu laju reaksi (pengaruh garam), dan demikian pula adanya buffer.

LAJU REAKSIReaktan Produk

Laju konsumsi reaktan: r = -d[R]/dt

Laju pembentukan produk: r = d[P]/dt

SOALUntuk Reaksi: A + 2 B 3 C + D r = - d[A]/dt = -1/2 d[B]/dt = +1/3 d[C]/dt = + d[D]/dt Jika laju pembentukan C adalah 2,2 M s-1. Nyatakan laju untuk A, B, dan D!

Penyelesaian -d[A]/dt = 1/3 d[C]/dt d[A]/dt = -1/3 d[C]/dt = -1/3 x 2,2 M s-1 = -0,73 M s-1 -1/2 d[B]/dt = 1/3 d[C]/dt d[B]/dt = -2/3 d[C]/dt = -2/3 x 2,2 M s-1 = -1,47 M s-1 d[D]/dt = 1/3 d[C]/dt d[D]/dt = 1/3 d[C]/dt = 1/3 x 2,2 M s-1 = 0,73 M s-1

HUKUM LAJU Hukum laju menyatakan hubungan laju reaksi dengan konstanta laju dan pangkat dari konsentrasi reaktan. Pereaksi tunggal: aA produk Pereaksi dua: aA + bB produk Pereaksi tiga: aA + bB + cC produk dimana : r = laju reaksi k = tetapan laju reaksi m = orde A n = orde B o = orde C r = k[A]m r = k[A]m[B]n r = k[A]m[B]n[C]o

HUKUM LAJU Hukum laju didapatkan melalui eksperimen Orde reaktan tidak terkait dengan koefisien stoikiometri dari reaktan dalam persamaan kimia F2 (g) + 2ClO2 (g) 2FClO2 (g)

r = k [F2][ClO2] 1

TERMINOLOGI ORDE REAKSINO(g) + O3(g) NO2(g) + O2(g) Persamaan laju hasil eksperimen: Laju = k[NO][O3] Reaksi dikatakan orde satu terhadap NO dan orde satu terhadap O3 dan secara overall reaksi berorde dua Apakah yang dimaksud dengan orde reaksi?

ORDE REAKSI Orde reaksi adalah bilangan yang menyatakan derajat kebergantugan laju reaksi pada konsentrasi reaktan Orde reaksi selalu didefinisikan dalam hal konsentrasi reaktan (bukan produk) Diskusikan! Apakah orde reaksi selalu sama dengan koefisien stoikiometri reaksi? Apakah orde reaksi dapat berupa bilangan pecahan?

REAKSI ORDE NOL Pada reaksi orde nol, laju reaksi tidak bergantung pada konsentrasi pereaksi.

REAKSI ORDE SATU Pada reaksi orde satu, laju reaksi berbanding lurus dengan konsentrasi pereaksi.

REAKSI ORDE DUA Pada reaksi orde dua, kenaikan laju reaksi sebanding dengan kenaikan konsentrasi pereaksi pangkat dua.

MOLEKULARITAS REAKSI Molekularitas adalah jumlah molekul yang terlibat dalam suatu reaksi. Ada 3 macam: - unimolekuler - bimolekuler - termolekuler Manakah yang termasuk reaksi unimolekuler, bimolekuler, dan termolekuler? a. N2O4 2 NO2 b. H2 + I2 2 HI c. 2 NO + Cl2 2 NOCl d. 2 NO2 N2O4 e. O + O2 + N2 O3 + N2

PENENTUAN HUKUM LAJUMetode laju awal (metode diferensial) : Digunakan untuk menentukan orde reaksi Laju awal diukur di awal reaksi pada beberapa konsentrasi awal reaktan Metode laju awal (metode diferensial) biasanya digabung dengan metode isolasi Semua pereaksi dibuat berlebih (sehingga jumlahnya tetap selama reaksi terjadi) kecuali hanya satu komponen dibuat bervariasi Untuk reaksi: A + B produk r0 = k[A]0m[B]0n

Laju Awal serangkaian eksperimen pada reaksi O2 dan NOKonsentrasi reaktan awal (mol/L) O2 1 2 3 4 5 1,10 2,20 1,10 3,30 1,10 x x x x x 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 1,30 1,30 2,60 1,30 3,90 NO x x x x x 10-2 10-2 10-2 10-2 10-2 Laju awal (mol/L.s) 3,21 6,40 12,8 9,60 28,8 x x x x x 10-3 10-3 10-3 10-3 10-3

Eksperimen

SOALTentukan persamaan laju dan nilai k dari reaksi: 2A + B C + D Jika data laju awal, r0 sebagai berikut:

PenyelesaianOrde A r1 = [A]1 r2 [A]2 0,01 = 0,025 0,02 0,050 x 1/2 = (1/2) x=1x

x

PenyelesaianOrde B r4 = [B]4 r5 [B]5 0,01 = 0,050 0,0025 0,025 y 1/0,25 = (2) y=2 r = k [A][B]2

y

y

PenyelesaianTetapan laju k dihitung dengan memasukan nilai pada set data yang mana saja dengan menggunakan hukum laju yang sudah ditetapkan. Misalnya, jika kita ambil set data pertama: -1 -1 -1 -1 2 0,01 mol L s = k(0,025 mol L )(0,1 mol L ) -4 -2 -1 k = 40 L mol s

PENENTUAN HUKUM LAJUMetode integrasi: Digunakan untuk mengevaluasi orde reaksi Didasarkan pada pengukuran reaksi setiap saat perubahan konsentrasi terhadap waktu Data dievaluasi dengan persamaan integral yang dimodifikasi ke dalam bentuk grafik

REAKSI ORDE NOLReaksi: aA produk -1/a d[A]/dt = k [A]0 d[A]/dt = - a k [A] t [A] d[A] = - a k 0 dt [A] [A]0 = - a k t [A] = [A]0 - a k t y = b + ax maka Slope = - ak0

REAKSI ORDE SATUReaksi: aA produk -1/a d[A]/dt = k [A] d[A]/dt = - a k [A] [A] t [A] d[A]/[A] = - a k 0 dt ln [A] ln [A]0 = - a k t ln [A] = ln [A]0 - a k t y = b + ax maka Slope = - ak0

REAKSI ORDE DUAReaksi: aA produk -1/a d[A]/dt = k [A]2 d[A]/dt = - a k [A]2 [A] 2 = - a k 0t dt [A] d[A]/[A] (1/[A] 1/[A]0) = - a k t 1/[A] 1/[A]0 = a k t 1/[A] = 1/[A]0 + a k t y = b + ax maka Slope = ak0

REAKSI ORDE DUAReaksi: aA + bB produk -1/a d[A]/dt = -1/b d[B]/dt = k [A] [B]

ln [A]/[B] = ln [A]0/[B]0 + k t (b[A]0 - a[B]0) y = b + ax

REAKSI ORDE ke-n (n 1)Reaksi: aA produk -1/a d[A]/dt = k [A]n

1/[A]n-1 = 1/[A]0n-1 + (n 1) a k t y = b + ax

WAKTU PARUHWaktu paruh (t1/2) adalah waktu yang diperlukan agar konsentrasi reaktan turun menjadi setengah dari konsentrasi awalnya.

REAKSI ORDE NOLReaksi: aA produk t [A] = [A]0/2 [A] [A]0 = - a k t [A]0 - [A]0 = - a k t [A]0 = a k t t = [A]0 2ak

REAKSI ORDE SATUReaksi: aA produk t [A] = [A]0/2 ln [A] ln [A]0 = - a k t ln [A]/[A]0 = - a k t ln [A]0/[A] = a k t ln [A]0/ [A]0 = a k t t = ln 2 ak

REAKSI ORDE DUAReaksi: aA produk t [A] = [A]0/2 1/[A] 1/[A]0 = a k t 1/[A]0 1/[A]0 = a k t 2/[A]0 1/[A]0 = a k t 1/[A]0 = a k t t = 1 [A]0 a k

REAKSI ORDE DUAReaksi: aA + bB produk

t = ln (2 b[A]0/a[B]0) k(a[B]0 b[A]0)

REAKSI ORDE ke-n (n 1)Reaksi: aA produk

t =

2n-1 - 1 ak(n -1) [A]0n-1

SOALBila gas nitrogen pentoksida dilarutkan dalam pelarut karbon tetraklorida (CCl4) pada 45oC maka akan terjadi reaksi dekomposisi dengan persaamaan reaksi: N2O5 = 2NO2 + O2 Konsentrasi N2O5 dihitung dari volume gas oksigen yang dibebaskan pada selang waktu tertentu dan diperoleh data berikut:

a. Tunjukkanlah bahwa reaksi tersebut di atas berorde satu b. Tentukan harga k c. Tentukan waktu t

Penyelesaiant (s) 0 319 867 1198 1877 2315 ln [N2O5] 0.85 0.65 0.31 0.1 -0.33 -0.6

a.

Garis linear pada grafik membuktikan bahwa reaksi adalah orde satu (R2 = 1) b. ln [A] = ln [A]0 - a k t slope = - ak k = 0,0006 c. t = ln 2/ak = 0,693/ 1(0,0006) = 1155 s

MEKANISME REAKSI

Mengukur kecepatan reaksi

Merumuskan Hukum Laju

Menyusun mekanisme reaksi yang mungkin

MEKANISME REAKSI2NO2F(g) Reaksi: 2NO2 + F2 Hukum laju: r = k[NO2] [F2] Mekanisme reaksi yang diajukan:(1) NO2 + F2 (2) F + NO2 NO2F + F NO2F

Reaksi di atas berlangsung melalui mekanisme 2 tahap (two-step mechanism)

MEKANISME REAKSI Reaksi elementer adalah reaksi sederhana yang hanya berlangsung dalam satu tahap. Urutan tahap-tahap elementer yang mengarah pada pembentukan produk. disebut sebagai mekanisme reaksi. Jumlah tahapan reaksi elementer harus memberikan persamaan yang seimbang untuk reaksi keseluruhan.

INTERMEDIET Reaksi: 2NO2 + F2 Mekanisme:(1) NO2 + F2 (2) F + NO2 2NO2F(g)

NO2F + F NO2F 2NO2F(g)

2NO2 + F2

terdeteksi adanya F selama reaksi berlangsung

INTERMEDIET Intermediet (zat antara) adalah spesi yang muncul dalam suatu mekanisme reaksi tetapi tidak muncul di persamaan reaksi total. Intermediet selalu terbentuk di awal tahap reaksi elementer dan habis di tahap reaksi elementer selanjutnya. Intermediet merupakan spesies berenergi rendah dan dapat diisolasi

HUKUM LAJU DAN TAHAP ELEMENTER

Hanya untuk reaksi elementer, pangkat-pangkat dalam hukum laju harus berkorespons dengan koefisienkoefisien dalam persamaan setimbang.

TAHAP PENENTU LAJU Reaksi: 2NO2 + F2 2NO2F(g) Hukum laju: r = k[NO2] [F2] Mekanisme: (1) NO2 + F2 NO2F + F (lambat) (2) F + NO2 NO2F (cepat) Tahap penentu laju (rate determining step) adalah tahap paling lambat dari urutan reaksi elementer yang mengarah pada pembentukan produk Tahap penentu laju harus menyatakan hukum laju yang sama seperti yang diperoleh melalui eksperimen

SOAL Hukum laju yang didapatkan dari eksperimen antara NO2 dan CO yang menghasilkan NO dan CO2 adalah r = k [NO2]2. Reaksi berlangsung dalam 2 tahap: (1) NO2(g) + NO2(g) (2) NO3(g) + CO(g) NO(g) + NO3(g) NO2 + CO2(g)

a. Tuliskan persamaan reaksi total. b. Tentukan intermediet reaksi di atas. c. Tahap mana yang merupakan tahap penentu laju

Penyelesaiana. (1) NO2(g) + NO2(g) (2) NO3(g) + CO(g) NO(g) + NO3(g) NO2(g) + CO2(g)

Reaksi total: NO2(g) + CO(g)b. Intermediet: NO3

NO(g) + CO2(g)

c. Hukum laju yang didapat secara eksperimen adalah r = k[NO2]2 yang mana merupakan hukum laju untuk reaksi elementer tahap 1. Oleh karena itu, tahap 1 lebih lambat daripada tahap 2 dan sekaligus merupakan tahap penentu laju.

PENGUJIAN MEKANISME REAKSI Reaksi: 2 NO(g) + O2(g) 2 NO2(g) memiliki hukum laju: d[NO2]/dt = Kobs [NO]2[O2]Mekanisme yang diajukan::k1 N 2O2 (1) NO NO k2

(2) N 2O2 O2 2 NO2k3

Intermediet: N2O2

PENGUJIAN MEKANISME REAKSIDari mekanisme reaksi (2):Not acceptable !!!!!! d[NO2]/dt = 2k3[N2O2][O2] Hukum laju ini masih mengandung intermediet Untuk menghilangkan [N2O2] dari ungkapan hukum laju maka digunakan pendekatan mantap (steadystate approximation)

Menurut pendekatan ini: d[N2O2]/dt= 0

PENGUJIAN MEKANISME REAKSIdN 2O2 0 k1[ NO]2 k2 [ N 2O2 ] k3[ N 2O2 ][O2 ] dt

k1[ NO]2 N2O2 k2 k3[O2 ]

r 2k3 [ N 2O2 ][O2 ] k1[ NO]2 r 2k3 [O2 ] k2 k3[O2 ] 2k3k1[ NO]2 r [O2 ] Jika k2 >>> k3 k2 k3[O2 ] 2k3k1[ NO]2 [O2 ] d[NO2]/dt = Kobs [NO]2[O2] r k2Hukum laju empirik terpenuhi jika k2 >>> k3

PENGUJIAN MEKANISME REAKSIUntuk reaksi dan mekanisme yang sama, jika tahap 2 merupakan tahap penentu laju maka hukum laju harus diturunkan dari reaksi 2: d[NO2]/dt = 2k3[N2O2][O2] Reaksi 1 merupakan reaksi kesetimbangan maka:

[ N 2O2 ] k1 K 2 [ NO ] k2 [ N 2O2 ] K [ NO]2 sehingga r 2k3 [ N 2O2 ][O2 ]r 2k3 K [ NO]2 [O2 ]d[NO2]/dt = Kobs [NO]2[O2]

Hukum laju empirik terpenuhi