Download - Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Transcript
Page 1: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi

Page 2: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Kinetika Kimia

� Kinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, atau seberapa cepat proses reaksi berlangsung dalam waktu tertentu.

� Kinetika kimia menjelaskan hubungan antara perubahan konsentrasi reaktan (atau produk) sebagai fungsi waktu.

� Untuk reaksi: 2A + B → 3C + 4 Dberlaku: - 1/2d[A]/dt = - d[B]/dt = +1/3 d[C]/dt = +1/4 d[D]/dt, dimana tanda negatif menunjukkan pengurangan jumlah, sedangkan tanda + menunjukkan peningkatan jumlah.

� Secara umum untuk reaksi: eE + fF → gG + hH, berlaku laju reaksi = - 1/ed[E]/dt = - 1/fd[F]/dt = + 1/gd[G]/dt = + 1/hd[H]/dt

Page 3: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Faktor yang Mempengaruhi Laju Reaksi

� Konsentrasi: molekul-molekul harus saling bertumbukan untuk bereaksi. Semakin banyak molekul yang terlibat, kemungkinan terjadi tumbukan makin besar, reaksi terjadi lebih cepat: laju ~ frekuensi tumbukan ~ konsentrasi.

� Wujud fisik: molekul-molekul harus bercampur agar bereaksi. Frekuensi tumbukan antarmolekul bergantung pada wujud fisik reaktan. Semakin besar luas permukaan per satuan volume reaktan, semakin banyak kontak yang terjadi, reaksi akan makin cepat.

Page 4: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Faktor yang Mempengaruhi Laju Reaksi

� Temperatur: molekul-molekul harus bertumbukan dengan energi yang cukup agar bereaksi. Semakin tinggi temperatur, akan lebih banyak tumbukan yang terjadi per satuan waktu karena meningkatkan energi tumbukan: laju ~ energi tumbukan ~ temperatur.

� Pengadukan/mekanik: mempermudah peristiwa tumbukan antarmolekul sehingga reaksi mudah terjadi.

� Cahaya atau bentuk energi lainnya yang akan memudahkan tercapainya energi pengaktifan untuk terjadinya reaksi.

� Katalis: adanya suatu zat yang ketika berinteraksi dengan reaktan akan memberikan jalur baru yang energi pengaktifasnnya lebih rendah dari semula, sehingga reaksi lebih cepat terjadi.

Page 5: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Penulisan Laju Reaksi

� Laju reaksi untuk reaksi: A → B adalah:

Dengan d menunjukkan perubahan keadaan awal dan akhir reaksi.

Contoh: reaksi pembentukan smog fotokimia:

C2H4(g) + O2(g) �C2H4O(g) + O2(g)

Diperoleh data konsentrasi O3 yang bereaksi dengan C2H4 pada 303 K sebagai berikut:

���� ����

�� ��− = +

1,10 x 10-560,0

1,23 x 10-550,0

1,40 x 10-540,0

1,63 x 10-530,0

1,95 x 10-520,0

2,42 x 10-510,0

3,20 x 10-50,0

[O3] (mol/L)Waktu (s)

� �

��� � � � �� � ���� � ����������

�� ����� �����

�������������� � ������� ������ ���! ���

− −

−= − =−

=

Page 6: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Hukum Laju dan Komponennya

� Hukum laju menggambarkan hubungan antara laju sebagai fungsi konsentrasi pereaksi, konsentrasi produk, dan temperatur.

� Laju reaksi hanya bergantung pada konsentrasi pereaksi dan temperatur saja.

� Pertama-tama kita pusatkan perhatian pada pengaruh konsentrasi pereaksi terhadap laju reaksi pada temperatur tetap. Untuk reaksi: aA + bB +…. → cC + dD +….., maka hukum lajunya adalah:

laju = r = k[A]m[B]n….� Nilai k adalah tetapan laju yang bersifat spesifik untuk reaksi

tertentu dan temperatur tertentu, ditentukan dari percobaan.� Nilai m dan n disebut orde reaksi yang ditentukan berdasarkan

percobaan, bukan dari persamaan reaksinya.

Page 7: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Orde Reaksi

� Beberapa contoh: NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g)hukum laju secara percobaan diperoleh: r = k[NO][O3]. Dalam hal ini reaksi berorde pertama terhadap konsentrasi NO maupun O3.

� Reaksi: 2NO(g) + 2H2(g) → N2(g) + 2H2)(g), memiliki hukum laju: r = k[NO]2[H2], yaitu berorde dua terhadap konsentrasi NO dan berorde pertama terhadap H2. Orde reaksi total = 2 + 1 = 3.

� Reaksi: (CH3)3CBr(l) + H2O(l) →(CH3)3COH(l) + H+ (aq)+ Br−

(aq), memiliki hukum laju: r = k [(CH3)3CBr], yang artinya berorde pertama terhadap konsentrasi (CH3)3CBr dan berorde nol terhadap [H2O] sehingga orde reaksi total adalah orde pertama.

� Reaksi: CHCl3 (g) + Cl2(g) → CCl4(g) + HCl(g) memiliki orde reaksi pecahan dengan hukum laju: r = k[CHCl3][Cl2]1/2, sehingga orde reaksi total = 3/2.

Page 8: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Penentuan Orde Reaksi

� Perhatikan contoh berikut, reaksi: O2(g) + 2NO(g) →2NO2(g)diperoleh serangkaian data berikut:

28,8x10-33,90x10-21,10x10-25

9,60x10-31,30x10-23,30x10-24

12,8x10-32,6x10-21,10x10-23

6,40x10-31,30x10-22,20x10-22

3,21x10-31,30x10-21,10x10-21

NOO3

Laju awal (mol/L.s)

Konsentrasi pada laju awal (mol/L)

Exp

Page 9: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Penentuan Orde Reaksi

� Bandingkan percobaan 1 dan 2, akan diperoleh penggandaan laju reaksi seiring dengan penggandaan konsentrasinya, sedangkan konsentrasi NO tidak berubah:

� Bandingkan percobaan 1 dan 3, dimana penggandaan konsentrasi NO menaikkan laju, sedangkan konsentrai O3 tetap.

�� " �

� � � � � � �

� " �

� � �

�! �

#�� ��$�� #�� � �� �������

����� #�� ��$�� #�� � �� �

��%�� � ������� ����� � ����������������

�� � � ������� � �� � �����

�&'("))���(*& ��&'� �++�������������#������

− −

� �= = = � �

� �

� �= � �� �

"� " "

� " "

"! �

"

#�� ��$�� #�$�� �$�������

����� #�� ��$�� #�$�� �$��

��,�� � ������� ����� � ����������������

�� � � ������� ��� � �����

�&'("))���(*& ��&'��++�������������#��"����

− −

� �= = = � �

� �

� �= � �� �

Maka hukum laju: r = k[O3][NO]2

Page 10: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Penentuan Tetapan laju

� Untuk contoh di atas, tetapan laju dapat ditentukan dari salah satu percobaan di atas:

� Satuan tetapan laju dan hubungannya dengan orde reaksi total:

� � � �

� �

���� �� � � �������#

�� ��$�� �� � �� � ��� ��� � ���������

���� �� � �����

− −

− −

= =

L2mol-2s-13

Lmol-1s-12

s-11

molL-1s-10

Satuan k (t dalam s)

Orde Reaksi Total

Page 11: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Hukum Laju Integral: Perubahan Konsentrasi terhadap waktu� Untuk reaksi orde pertama: A → B, berlaku: r = - d[A]/dt = k[A],

kemudian diintegralkan:

� Untuk reaksi orde kedua: A → B, berlaku: r = - d[A]/dt = k[A]2, kemudian diintegralkan:

� Dengan cara yang sama, untuk reaksi orde kenol: A → B, berlaku –d[A]/dt =k[A]0= k, diintegralkan diperoleh: [A]t – [A]0 = - kt.

��

��

���� ����#���� �!� �# ��

�� ���

�&'("))���(*& ��&'-

����" #����"��#� &�#�(�� �&�*& �������

− = � =

=

� �

��

���

� �

���� ����#���� �!� �# ��

�� ���

�&'("))���(*& ��&'-

#����"��#� &�#�(�� �&�#&���

��� ���

− = � =

− =

� �

Page 12: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Penentuan Hukum Laju melalui Grafik Linier konsentrasi vs waktu

ln [At]

Waktu (s)

ln [A0]

Gradien = - k

Reaksi Orde Pertama

1/[At]

Waktu (s)

1/[A0]

Gradien = k

Reaksi Orde Kedua[At]

Waktu (s)

[A0]Gradien = - k

Reaksi Orde Kenol

Page 13: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Waktu Paruh

� Waktu paruh adalah eaktu yang dibutuhkan bagi reaktan sehingga konsentrasinya menjadi berkurang setengahnya dari semula.

� Waktu paruh untuk reaksi orde pertama adalah tetap, tidak bergantung pada konsentrasi pereaksi. Hal ini diperoleh dari hukum laju terintegrasi:

� Dengan cara yang sama bisa diperoleh waktu paruh untuk reaksi orde kedua dan orde kenol:

� �� ��

� � �

��� �" #����&�&��'������ ����"������ �������#���� �

����" #� �������"����#� ����

�"� ���,�&'("))����

# #

=

=

= =

� �

� ��

�� �

� �

.&�#�(�� �&�#&���-

#� ��

��� #�������

.&�#�(�� �&�#&"��-

��� ��� ��� #� ��� �#

− = � =

− = − � =

Page 14: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Pengaruh Temperatur terhadap laju Reaksi� Secara umum, banyak reaksi yang berlangsung sekitar temperatur

kamar, yang setiap kenaikan temperatur sebesar 10oC akan menyebabkan laju reaksi meningkat dua atau tiga kali lipat.

� Temperatur mempengaruhi laju reaksi karena pengaruhnya pada tetapan laju reaksi. Hubungan antara temperatur dan tetapan laju reaksi dipelajari oleh Svante Arrhenius (1889), kimiawan Swedia, melalui persamaan Arrhenius:

Dengan k= tetapan laju reaksi, Ea = energi pengaktifan reaksi, A = tetapan Arrhenius, T = temperatur dalam K, dan R = tetapan gas ideal.

� Energi pengaktifan adalah energi minimum agar molekul-molekul dapat bereaksi. Semakin tinggi temperatur, nilai eksponen negatif semakin kecil, sehingga nilai k semakin besar, yang berarti bahwa laju semakin cepat: T naik /k naik /laju reaksi naik.

�0.1# �&

−=

Page 15: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Pengaruh Temperatur terhadap laju Reaksi� Hubungan Arrhenius dapat dibuat grafik linier antara lnk dengan 1/T (K-1).� Secara matematis dapat disusun ulang sebagai berikut:

��

0 �"# �"�

. 1

�"��#����&��*�"������*�����&�*& ��� �2& 2&��-

0# �"# . 1 1

� �= − � �� �

� �= − −� �

� �

lnk lnA

Gradien = - Ea/R

1/T (K-1)

Page 16: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Contoh Soal

� Reaksi dekomposisi: 2HI(g) → H2(g) + I2(g) memiliki tetapan laju 9,51 x 10-9 L/mol.s pada 500 K dan 1,10 x 10-5 L/mol/s pada 600 K. Hitunglah energi pengaktifan reaksi!

� Jawab:

��

��

+

� �

0# �"# . 1 1

# 0 . �"

# 1 1

� �� � ������� ������!�,� %�3�����4��"

+�� � � ������� ���4 ���4

������� ��� � 3���� ��� � 3����

−−

� �= − −� �

� �

� � � �= − −� �� �

� �� �

� � � �−� �� �� �� �

=

Page 17: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Teori Pengaruh Konsentrasi dan Temperatur

� Teori Tumbukan: reaksi akan terjadi jika 2 hal dipenuhi:� Energi pengaktifan tercapai, hal ini berhubungan erat

dengan temperatur. Pengaruh temperatur terhadap energi tumbukan dapat dilihat pada grafik di slide berikutnya.

� Orientasi molekul tepat, hal ini berhubungan erat dengan konsentrasi, semakin besar konsentrasi, kemungkinan terjadi tumbukan dengan orientasi yang benar semakin besar

� Teori Keadaan Transisi: energi pengaktifan dibutuhkan untuk merenggangkan dan membentuk kembali ikatan-ikatan diantara pereaksi agar dapat mencapai keadaan transisi. Keadaan transisi merupakan keadaan molekul-molekul berenergi tinggi, tidak dapat diisolasi dan tidak stabil.

Page 18: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Grafik Hubungan antara Temperatur, Jumlah Fraksi Tumbukan dan Energi Pengaktifan

Frak

si tu

mbu

kan

deng

an k

ecep

atan

te

rten

tu

Kecepatan molekul (m/s) ~ energi tumbukan

Kecepatan rata-rata ~ energi pengaktifan yang dicapai

Pada 250C

Pada 7000C

Pada 250C

Page 19: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam Reaksi Keseluruhan� Kebanyakan reaksi tidak terjadi melalui satu tahap melainkan

beberapa tahap reaksi elementer. Setiap tahap disebut reaksi antara (intermediet).

� Tahap reaksi elementer dikarakterisasi oleh kemolekulannya. Contoh dalam reaksi total: 2O3(g) → 3O2(g) memiliki dua tahap reaksi elementer:� Tahap elementer pertama adalah reaksi unimolekul, yaitu

yang melibatkan dekomposisi atau penataan ulang suatu partikel tunggal, yaitu: O3(g) → O2(g) + O(g).

� 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.

Page 20: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam Reaksi Keseluruhan� Hukum laju untuk Tahap Elementer Umum:

Laju = k[A]2[B}Termolekul2A + B → produk

Laju = k[A][B]BimolekulA + B → produk

Laju = k[A]2Bimolekul2A → produk

Laju = k[A]UnimolekulA → produk

Hukum LajuKemolekulanTahap Elementer

Page 21: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam Reaksi Keseluruhan� Semua tahap elementer dalam mekanisme reaksi tidak memiliki

laju yang sama. Biasanya terdapat satu tahap yang memiliki lajulebih lambat daripada yang lain, sehingga membatasi kecepatan berlangsungnya reaksi keseluruhan.

� Tahap reaksi elementer yang memiliki laju paling lambat disebuttahap 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:

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

2. NO3(g) + CO(g) →→→→ NO2(g) + CO2(g) (cepat)� Sesuai tahap lambat 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.

Page 22: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Katalis: Mempercepat Laju Reaksi

� Dua hal penting yang menyebabkan adanya katalis dapat mempercepat laju reaksi:� Katalis mempercepat laju reaksi ke arah produk maupun ke arah

pereaksi, sehingga menghasilkan rendemen produk lebih cepat (rendemen produk tidak lebih banyak daripada reaksi yang tanpa katalis)

� Katalis dapat menurunkan energi pengaktifan dengan cara menyediakan mekanisme reaksi yang berbeda yang memiliki jalur energi pengaktifan lebih rendah.

� Katalis terbagi menjadi dua jenis:� Katalis Homogen: yaitu zat berwujud gas, cair atau padat yang

dapat larut dalam campuran reaksi.� Katalis Heterogen: biasanya adalah zat padat yang berinteraksi

dengan pereaksi berwujud gas atau cair. Reaksi berlangsung di permukaan, sehingga semakin luas permukaan katalis, reaksi berlangsung lebih efektif, lebih cepat.

Page 23: Kinetika Kimia dan Mekanisme Reaksi · PDF fileKinetika kimia adalah ilmu yang mempelajari laju reaksi, ... Tahap Kemolekulan Hukum Laju Elementer. Mekanisme Reaksi: Tahap-tahap dalam

Beberapa Penggunaan Katalis dalam Industri

Plastik, serat, resin, produk cetakan

Akrilonitril, High Density Poly Ethylene (HDPE)

Bismut molibdat, organokrom dan titanium halida pada silika

Propilena, NH3, O2, Etilena

Poliester, etilen glikol, pelumas

EtilenoksidaPerak, CsCl pada alumina

Etilena, O2

Heterogen

Plasticizer, PelumasAldehidSenyawa Rh/Pαααα-olefin, CO, H2

Nilon (serat, plastik)AdiponitrilSenyawa Ni/PButadiena, HCN

Pelapisan Poli(vinilasetat); poli(vinilalkohol)

Asam asetat[Rh(CO)2I2]−−−−Metanol, CO

Busa poliuretan; poliester

PropilenoksidaKompleks Mo(VI)Propilena, oksidator

Homogen

KegunaanProdukkatalisPereaksi