01_2_handout review termodinamika

TINJAUAN ULANG
TERMODINAMIKA REAKSI KIMIA
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
o
ΔG < -40
-40 < ΔGo < 0
0 < ΔGo < 40
ΔGo > 40
Sangat layak
Layak
Bisa layak, tetapi sangat bergantung kepada kondisi operasi
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,Ao ΔGf,Bo ΔGf,Po ΔGf,Qo, maka perubahan energi bebas Gibbs reaksi (1) adalah sebesar:
ΔGo = (νA) (ΔGf,Ao) + (νB) (ΔGf,Bo) + (νP) (ΔGf,Po) + (νQ) (ΔGf,Qo)
atau:
ΔG o = ∑ νi ΔG f ,i o
.... (2)
i
dengan: ΔGf,io ≡ perubahan energi bebas Gibbs standar reaksi pembentukan komponen i (pada
umumnya pada suhu 25oC)
≡ koefisien stoikiometri reaksi komponen i
νi
(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:
μi = μi o + R T ln a i atau: μi − μi o = R T ln a i
Kriteria dasar kesetimbangan: ΔG = 0 atau: ΔG = ∑ νi μi = 0
.... (3)
.... (4)
i
Pada keadaan standar: ΔG = ∑ νi μi
o
i
atau:
(
o
ΔG − ΔG o = ∑ νi μi − μi o
.... (5)
)
.... (6)
i
Dengan mensubstitusikan (3) ke (6): ΔG − ΔG o = ∑ νi R T ln a i
i
dy/review termodinamika reaksi kimia/2006/halaman 1 dari 4 halaman
ΔG − ΔG o = R T ∑ νi ln a i
i
ΔG − ΔG = R T ∑ ln a i ν i
o
.... (7)
i
Atau, jika persamaan (7) diterapkan untuk persamaan reaksi (1), maka:
ΔG − ΔG o = R T ln
a P ν P .a Q ν Q
aA
νA
.a B
νB
ΔG − ΔG o = R T ln K a
atau:
.... (9)
a P ν P .a Q ν Q
dengan: K a = K =
a A ν A .a B ν B
yang menyatakan konstanta atau tetapan kesetimbangan reaksi (1).
Karena pada kesetimbangan: ΔG = 0, maka: ΔG o = −R T ln K
−
atau: K = e
Keterangan:
≡ aktivitas komponen i
ai
R
≡ konstanta atau tetapan gas ideal
T
≡ suhu mutlak (absolut) reaksi
.... (8)
ΔG
RT
.... (10)
.... (11)
o
.... (12)
Konstanta Kesetimbangan Reaksi
Untuk reaksi homogen fase gas: aktivitas komponen i (ai) dapat digantikan dengan fugasitasnya (fi).
⎛f ⎞
atau:
Fugasitas komponen i: fi = yi fio
fi = yi ⎜ ⎟ Pt
⎝ P ⎠i
fi = yi φi Pt
.... (13)
fi =φi pi
.... (14)
Substitusikan (13) dan (14) ke (10):
K=
f P ν P .f Q ν Q
f A ν A .f B ν B
=
φP ν P .φQ ν Q y P ν P .yQ ν Q
φA ν A .φB ν B y A ν A .y B ν B
K = K φ K y Pt ν A + ν B + ν P + ν Q
K = K K P ∑ νi
φ
atau:
K=
y
t
i
.... (15)
φP ν P .φQ ν Q p P ν P .p Q ν Q
φA ν A .φB ν B p A ν A .p B ν B
K = Kφ Kp
dengan:
Pt ν A + ν B + ν P + ν Q
.... (16)
K p = K y Pt ∑i ν i
Untuk gas nyata, berlaku:
Untuk gas ideal, berlaku:
K = Kφ Kp
K = Kp
.... (17)
.... (18)
.... (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:
atau:
mol A awal − mol A akhir (sisa )
mol A awal
mol A yang terkonversi (bereaksi)
.... (20)
XA =
mol A awal
dy/review termodinamika reaksi kimia/2006/halaman 2 dari 4 halaman
Konversi reaktan A, X A =
Keterangan:
≡ fugasitas komponen i
fi
o
≡ fugasitas komponen i pada keadaan standar
fi
≡ fraksi mol komponen i pada fase gas
yi
≡ koefisien fugasitas komponen i
φi
≡ tekanan total sistem reaksi (dalam atm)
Pt
≡ tekanan parsial komponen i dalam sistem reaksi
pi
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:
ΔH o = ∑ νi ΔH f ,i o
.... (22)
i
ΔH sebagai fungsi suhu dapat dinyatakan sebagai:
ΔH = ΔH 298 o + ∫
T
298
dengan: Cpi
ΔHf,io
ΔH298o
T
∑ (ν i Cp i ) dT
.... (23)
i
≡ kapasitas panas atau panas spesifik komponen i
Harga Cp bisa:
• Diasumsikan tetap pada rentang suhu tertentu, atau
• Merupakan fungsi suhu, Cp = Cp (T)
≡ perubahan entalpi reaksi pembentukan standar komponen i
≡ perubahan entalpi reaksi (1) pada keadaan standar (pada suhu 25oC atau 298 K)
≡ 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:
d(ln K )
ΔH
=
dT
R T2
Dua kondisi yang dapat ditinjau untuk mengamati pengaruh T terhadap K:
K
1⎞
ΔH ⎛ 1
⎜⎜
• Jika ΔH konstan pada rentang T1 dan T2, maka: ln 2 = −
− ⎟⎟
K1
R ⎝ T2 T1 ⎠
•
.... (25)
.... (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 3 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,298o, dan persamaan Cp sebagai fungsi T disajikan dalam tabel berikut:
Komponen ΔGf,298o (kJ/mol)
C2H6 (g)
-32,886
C2H4 (g)
68,124
H2 (g)
0
ΔHf,298o (kJ/mol)
-84,667
52,3
0
Cp (kJ/mol.K)
0,0096 + 8,37.10-5 T
0,0117 + 12,55.10-5 T
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,298o tiap komponen tersaji sebagai berikut:
Komponen
H2O (g)
C2H4 (g)
C2H5OH (g)
Tc (K)
647,3
283,1
516,3
Pc (atm)
218,2
50,5
63,0
ΔGf,298o (kkal/mol)
-54,6357
16,282
-40,30
ΔHf,298o (kkal/mol)
-57,7979
12,496
-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)
dy/review termodinamika reaksi kimia/2006/halaman 4 dari 4 halaman