Sesi 10.indd

KTSP
&
K-13
kimia
KESETIMBANGAN KIMIA 1
Tujuan Pembelajaran
Setelah mempelajari materi ini, kamu diharapkan memiliki kemampuan berikut.
1.
Memahami definisi reaksi kimia reversible dan irreversible.
2.
Memahami definisi reaksi setimbang dan kesetimbangan dinamis.
3.
Memahami definisi kesetimbangan homogen dan heterogen, serta contoh reaksinya.
4.
Memahami definisi tetapan kesetimbangan (K).
5.
Menyelesaikan persoalan terkait perhitungan nilai tetapan kesetimbangan konsentrasi
(Kc) dan tekanan parsial (Kp).
6.
Memahami hubungan antara tetapan kesetimbangan konsentrasi (Kc) dan tekanan
parsial (Kp).
A. Reaksi Kimia Reversible dan Irreversible
Berdasarkan arah reaksinya, reaksi kimia dikelompokkan menjadi dua, yaitu reaksi reversible
(dapat balik) dan reaksi irreversible (tidak dapat balik). Reaksi reversible adalah reaksi kimia
yang berjalan dua arah (bolak-balik), dari reaktan membentuk produk dan dapat kembali
membentuk reaktan. Sementara itu, reaksi irreversible adalah reaksi kimia yang berjalan
searah, dari reaktan membentuk produk dan tidak dapat kembali membentuk reaktan.
Dari kaidah penulisan reaksi kimia, reaksi irreversible ditulis dengan panah searah ke kanan
(), sedangkan reaksi reversible dituliskan dengan panah bolak-balik ().
K
e
l
a
s
XI
Contoh reaksi kimia reversible adalah reaksi pembentukan NH3 dari gas nitrogen dan
gas hidrogen dalam proses Haber-Bosch, serta reaksi ionisasi asam asetat.
N2 (g) + 3H2 (g)  2NH3 (g)
CH3COOH (aq)  CH3COO- (aq) + H+ (aq)
Contoh reaksi irreversible adalah reaksi pembakaran hidrokarbon, misalnya metana,
dan reaksi ionisasi garam dapur.
CH4 (g) + 2O2 (g)  CO2 (g) + 2H2O (l)
NaCl (aq)  Na+ (aq) + Cl- (aq)
B. Definisi Reaksi Setimbang
Saat mempelajari laju reaksi, kita telah memahami bahwa suatu reaksi kimia berlangsung
dalam kecepatan tertentu, termasuk reaksi reversible. Pada reaksi reversible, reaksi
berlangsung dalam dua arah. Arah pertama adalah pembentukan produk dari reaktan,
yang disebut reaksi maju (forward). Arah kedua adalah pembentukan kembali reaktan dari
produk, yang disebut reaksi balik (backward).
Reaksi maju dan reaksi balik memiliki laju reaksinya masing-masing. Suatu kondisi
saat laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik disebut sebagai kondisi setimbang.
Dengan demikian, reaksi setimbang atau kesetimbangan adalah suatu kondisi pada reaksi
reversible saat laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik.
Dalam reaksi setimbang, konsentrasi setiap komponen dalam reaksi adalah tetap.
Hal ini terjadi karena penguraian suatu komponen berlangsung dalam kecepatan
yang sama dengan pembentukannya kembali. Inilah yang dinamakan sebagai
kesetimbangan dinamis. Dalam kesetimbangan dinamis, tidak tampak perubahan
secara makroskopik (yang dapat diamati dan diukur), tetapi perubahan mikroskopik
sebenarnya terus berlangsung.
C. Kesetimbangan Homogen dan Heterogen
Kesetimbangan homogen adalah kondisi setimbang pada reaksi reversible saat zat-zat yang
terlibat reaksi berada dalam fase (wujud) yang sama. Contoh kesetimbangan homogen
adalah reaksi penguraian gas N2O4 menjadi gas NO2, yang semua komponennya (produk
dan reaktan) berada pada fase gas (g).
N2O4 (g)  2NO2 (g)
2
Kesetimbangan heterogen adalah kondisi setimbang pada reaksi reversible saat zatzat yang terlibat reaksi berada dalam fase (wujud) yang berbeda. Contoh kesetimbangan
heterogen adalah reaksi ionisasi air menghasilkan ion H+ dan OH-. Air (H2O) dalam fase cair (l),
sedangkan H+ dan OH- dalam fase larutan (aq).
H2O (l)  H+ (aq) + OH- (aq)
Pada sistem kesetimbangan heterogen, nilai konstanta kesetimbangan hanya
dipengaruhi oleh zat-zat yang berwujud gas (g) dan larutan (aq).
D. Hukum Kesetimbangan dan Tetapan Kesetimbangan
Kondisi setimbang adalah suatu kondisi pada reaksi reversible saat laju reaksi maju sama
dengan laju reaksi balik. Kondisi setimbang menyatakan kesamaan pada laju reaksi, bukan
kesamaan pada jumlah dan konsentrasi zat-zat yang bereaksi. Dengan kata lain, kondisi
ini tidak menyatakan bahwa konsentrasi produk sama dengan konsentrasi reaktan, dan
tidak juga menyatakan bahwa konsentrasi zat-zat yang bereaksi sama dengan konsentrasi
zat-zat yang terbentuk.
Suatu percobaan untuk mengamati dinamika kesetimbangan reaksi antara N2O4 dan
NO2 menunjukkan hasil sebagai berikut.
Reaksi setimbang:
N2O4 (g)  2NO2 (g)
Hasil Pengamatan Dinamika Kesetimbangan Reaksi antara N2O4 dan NO2
Konsentrasi Awal
Konsentrasi Setimbang
Perbandingan Konsentrasi
Saat Setimbang
[N2O4]
[NO2]
[N2O4]
[NO2]
[NO2 ]
[N2 O4 ]
0,670
0,000
0,643
0,055
0,085
4,65 × 10–3
0,446
0,050
0,448
0,046
0,102
4,66 × 10–3
0,500
0,030
0,491
0,048
0,097
4,60 × 10–3
0,600
0,040
0,594
0,052
0,088
4,60 × 10–3
0,000
0,200
0,090
0,020
0,227
4,63 × 10–3
3
[NO2 ]
[N2 O4 ]
2
Berdasarkan data perhitungan pada kolom paling kanan, diketahui bahwa
perbandingan antara konsentrasi zat-zat saat setimbang menunjukkan nilai yang konstan.
Kondisi tersebut dipenuhi saat konsentrasi gasnya dipangkatkan dengan koefisien
reaksinya, yaitu NO2 dipangkatkan 2 dan N2O4 dipangkatkan 1. Dengan demikian, dapat
disimpulkan bahwa nilai perbandingan konsentrasi zat-zat saat setimbang dipangkatkan
koefisiennya adalah konstan. Nilai konstan inilah yang dinamakan sebagai konstanta
kesetimbangan (K). Hukum yang berkaitan dengan konstanta kesetimbangan disebut
hukum kesetimbangan.
Hukum kesetimbangan menyatakan, "Jika suatu reaksi dalam keadaaan setimbang,
maka nilai perbandingan hasil kali konsentrasi produk dipangkatkan koefisiennya
dengan hasil kali konsentrasi reaktan dipangkatkan koefisiennya adalah konstan."
Secara umum, nilai konstanta kesetimbangan pada suatu reaksi dapat ditentukan
sebagai berikut.
aA (g) + bB (g)  cC (g) + dD (g)
[C] [D]
K=
a
b
[A ] [B]
c
d
Keterangan:
K = konstanta kesetimbangan;
[A], [B], [C], [D] = konsentrasi zat-zat dalam satuan mol/L (M); dan
a, b, c, d = koefisien reaksi.
Oleh karena konstanta kesetimbangan tersebut dihitung dari konsentrasi zat,
maka konstanta ini juga dapat disimbolkan dengan Kc, dengan “c” menunjukkan
konsentrasi (concentration).
Contoh Soal 1
Reaksi pembentukan amonia (NH3) dari gas H2 dan N2 berlangsung dalam reaksi reversible.
Pada kondisi setimbang, terdapat 1 mol H2, 2 mol N2, dan 2 mol NH3 dalam wadah tertutup
bervolume 1 L. Besar konstanta kesetimbangan pada reaksi tersebut adalah ….
4
Pembahasan:
Reaksi pembentukan amonia dari H2 dan N2 dapat dituliskan sebagai berikut.
N2 (g) + 3H2 (g)  2NH3 (g)
Berdasarkan persamaan reaksi tersebut, konstanta kesetimbangan K untuk reaksi
pembentukan amonia adalah sebagai berikut.
[NH3 ]
3
[N2 ][H2 ]
2
K=
Oleh karena [NH3] = 2 mol/L, [N2] = 2 mol/L, dan [H2] = 1 mol/L, maka:
(2)
3
( 2 )(1)
2
K =
=2
Jadi, besar konstanta kesetimbangan pada reaksi tersebut adalah 2.
Contoh Soal 2
Pemanasan padatan CaCO3 yang menghasilkan padatan CaO dan gas CO2 berlangsung
dalam reaksi reversible. Jika pada kondisi setimbang terdapat 3 mol CaCO3, 2 mol CaO,
dan 2 mol CO2 dalam wadah tertutup bervolume 1 L, maka berapakah nilai konstanta
kesetimbangannya (K)?
Pembahasan:
Reaksi pemanasan padatan CaCO3 menghasilkan padatan CaO dan gas CO2 dapat
dituliskan sebagai berikut.
CaCO3 (s)  CaO (s) + CO2 (g)
Berdasarkan persamaan reaksi tersebut, konstanta kesetimbangan K untuk reaksi
pemanasan padatan CaCO3 adalah sebagai berikut.
K = [CO2]
Oleh karena [CO2] = 2 mol/L, maka:
K=2
Jadi, nilai konstanta kesetimbangannya adalah 2.
5
E.
Konstanta Kesetimbangan Tekanan Parsial (Kp)
Untuk sistem kesetimbangan homogen dengan zat-zat berwujud gas, konstanta
kesetimbangannya juga dapat dihitung dengan data tekanan parsial (p). Tekanan parsial
adalah tekanan suatu gas yang menempati ruang bervolume tertentu pada suhu tertentu.
Nilai konstanta kesetimbangan yang dihitung berdasarkan tekanan parsial disimbolkan
dengan Kp.
Cara memperoleh Kp hampir sama dengan Kc. Untuk lebih jelasnya, perhatikan
reaksi berikut.
aA (g) + bB (g)  cC (g) + dD (g)
Dengan memasukkan nilai tekanan parsial masing-masing gas, konstanta
kesetimbangan tekanan parsial dari reaksi tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut.
Kp =
F.
( pC )c ( pD )d
( pA )a ( pB )b
Hubungan Kc dengan Kp
Perhatikan reaksi berikut.
aA (g) + bB (g)  cC (g) + dD (g)
Ingat bahwa nilai konstanta kesetimbangan Kc dari reaksi tersebut dapat dihitung
dengan rumus berikut.
( C ) (D )
a
b
( A ) (B )
c
Kc =
d
Dengan diketahui besarnya volume ruang atau wadah, suhu, dan jumlah mol gasgas dalam reaksi saat setimbang, nilai tekanan parsial masing-masing gas dapat dihitung
dengan rumus gas ideal.
pV=nRT
p=
n
R T = M R T, dengan M = konsentrasi zat
V
6
Dengan memasukkan persamaan di atas ke dalam rumus Kp, maka diperoleh:
KP
([C] ⋅ R ⋅ T ) ([D] ⋅ R ⋅ T )
=
([A ] ⋅ R ⋅ T ) ([B] ⋅ R ⋅ T )
c
d
a
b
[C] [D] R ⋅ T {(
( )
[A ] [B]
= K (R ⋅ T )
=
c
d
a
b
c + d ) − ( a+b )}
∆N
C
Jadi, hubungan Kc dengan Kp adalah sebagai berikut.
Kp = Kc (RT)∆N
Keterangan:
Kp = konstanta kesetimbangan tekanan parsial;
Kc = konstanta kesetimbangan konsentrasi zat;
R
= konstanta gas ideal (8,314 J/mol K atau 0,082 L atm/mol K);
T
= suhu mutlak; dan
∆N = selisih antara jumlah koefisien produk dengan jumlah koefisien reaktan.
Contoh Soal 3
Reaksi penguraian gas sulfur trioksida dalam kesetimbangan dituliskan sebagai berikut.
2SO3 (g)  2SO2 (g) + O2 (g)
Jika pada kondisi setimbang terdapat 2 mol gas SO3, 4 mol gas SO2, dan 2 mol gas O2
dalam wadah tertutup bervolume 1 L, maka nilai Kp pada suhu 27oC adalah …. (R = 0,082
L atm/mol K)
Pembahasan:
Diketahui:
[SO3] = 2 mol/L
[SO2] = 4 mol/L
[O2] = 2 mol/L
T
= 27oC = 27 + 273 = 300 K
R
= 0,082 L atm/mol K
7
Ditanya: Kp = ... ?
Dijawab:
Ada dua cara yang dapat digunakan untuk menyelesaikan soal tersebut.
Cara 1: menghitung tekanan parsial masing-masing gas, kemudian memasukkan nilai
tekanan parsial tersebut ke dalam rumus Kp.
Tekanan parsial dapat dihitung dengan rumus berikut.
p=MRT
pSO3 = (2 mol/L) (0,082) (300) = 49,2 atm
pSO2 = (4 mol/L) (0,082) (300) = 98,4 atm
pO2 = (2 mol/L) (0,082) (300) = 49,2 atm
Dengan demikian, diperoleh:
( pSO ) ( pO )
=
( pSO )
( 98, 4 ) ( 49,2 )
=
( 49,2 )
2
KP
2
2
2
3
2
2
= 196, 8
Cara 2: menghitung Kc terlebih dahulu, kemudian menghitung Kp dengan rumus Kp = Kc (RT)∆N.
Konstanta kesetimbangan konsentrasi dari reaksi tersebut dapat ditentukan dengan
rumus berikut.
[SO ] [O ]
[SO ]
( 4 ) (2)
=
(2)
2
KC =
2
2
2
3
2
2
=8
Dengan demikian, diperoleh:
Kp = Kc (RT)∆N
= 8 (0,082 × 300)(3 − 2)
= 196,8
Jadi, nilai Kp reaksi tersebut pada suhu 27oC adalah 196,8.
8