Bab 10 Kinetika Kimia

14/11/2011
D
e
p
a
r
t
e
m
e
n
K
i
m
i
a
F
M
I
P
A
I
P
B
Bab 10
Kinetika Kimia
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Ikhtisar
1
Laju Reaksi
2
Teori dalam Kinetika Kimia
3
Hukum Laju Reaksi
4
Mekanisme Reaksi
5
Faktor Penentu Laju Reaksi
4
6
Enzim sebagai Katalis
Sumber: Chang Bab 14
1
14/11/2011
Laju Reaksi
Termodinamika – apakah suatu reaksi dapat terjadi?
Kinetika – Seberapa cepat suatu reaksi berlangsung?
Laju reaksi adalah perubahan konsentrasi reaktan atau
produk terhadap waktu (M/s).
Laju rata-rata
A
B
laju = -
∆[A]
∆t
∆[A] = perubahan konsentrasi A dalam
selang waktu ∆t
laju =
∆[B]
∆t
∆[B] = perubahan konsentrasi B dalam
selang waktu ∆t
Karena [A] menurun terhadap waktu, ∆[A] bernilai negatif.
Laju Reaksi
waktu
A
B
laju = -
∆[A]
∆t
laju =
∆[B]
∆t
2
14/11/2011
Laju Reaksi
2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g)
Br2 (aq) + HCOOH (aq)
waktu
393 nm
cahaya
393 nm
Br2 (aq)
Detektor
[Br2] α Absorbans
Laju Reaksi
Br2 (aq) + HCOOH (aq)
2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g)
Hitunglah laju rata-rata pada:
a) 200 s pertama
b) dari 300 s hingga 350 s
Laju rata-rata = -
[Br2]akhir – [Br2]awal
∆[Br2]
=∆t
takhir - tawal
3
14/11/2011
Laju Reaksi
2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g)
Br2 (aq) + HCOOH (aq)
kemiringan
garis singgung
Kemiringan
garis singgung
Kemiringan
garis singgung
[Br2]akhir – [Br2]awal
∆[Br2]
=∆t
takhir - tawal
Laju sesaat = laju pada saat tertentu
Laju rata-rata = -
Laju Reaksi
Laju Reaksi dan Stoikiometri
2A
B
Dua mol A hilang untuk setiap mol B yang terbentuk.
laju = -
1 ∆[A]
2 ∆t
aA + bB
laju = -
laju =
∆[B]
∆t
cC + dD
1 ∆[A]
1 ∆[B]
1 ∆[C]
1 ∆[D]
==
=
a ∆t
b ∆t
c ∆t
d ∆t
4
14/11/2011
Laju Reaksi
Tulislah persamaan laju untuk reaksi di bawah ini:
CH4 (g) + 2O2 (g)
laju = -
CO2 (g) + 2H2O (g)
∆[CH4]
∆[CO2]
1 ∆[O2]
1 ∆[H2O]
==
=
∆t
∆t
∆t
2 ∆t
2
Jika konsentrasi O2 menurun dengan laju
0,10 M/s, berapakah laju reaksinya?
Berapakah laju terbentuknya CO2?
Teori dalam Kinetika Kimia
Teori Tumbukan
1. Reaksi kimia terjadi sebagai hasil dari tumbukan
antara molekul-molekul yang bereaksi.
2. Agar dapat bereaksi, molekul-molekul yang
bertumbukan harus memiliki
a. arah (orientasi) yang tepat
b. energi kinetik totalnya sama dengan atau lebih
besar daripada energi aktivasi, Ea, yaitu energi
minimum yang dibutuhkan untuk memulai suatu
reaksi kimia.
5
14/11/2011
Teori dalam Kinetika Kimia
Laju reaksi berbanding lurus:
Frekuensi tumbukan (x)
Fraksi molekul teraktifkan (f)
Peluang untuk bertumbukan (p)
Reaksi : A + B
C+D
Laju reaksi = f. p. x = f. p. [A].[B]
= k. [A].[B]
Teori dalam Kinetika Kimia
Teori Keadaan Transisi
Spesi yang terbentuk sementara oleh molekulmolekul reaktan akibat tumbukan sebelum
nantinya akan membentuk produk disebut
keadaan transisi atau kompleks teraktifkan.
Dalam keadaan transisi, ikatan-ikatan yang lama
sedang mengalami proses pemutusan dan ikatanikatan yang baru mulai terbentuk. Energi
aktivasi adalah energi yang dibutuhkan untuk
mencapai keadaan transisi.
6
14/11/2011
Teori dalam Kinetika Kimia
A+B
Reaksi Eksotermik
C+D
Reaksi Endotermik
Energi aktivasi (Ea) adalah energi minimum yang
dibutuhkan untuk memulai reaksi kimia.
Teori dalam Kinetika Kimia
7
14/11/2011
Hukum Laju Reaksi
Hukum laju menyatakan hubungan laju reaksi dengan konstanta
laju dan pangkat dari konsentrasi reaktan.
aA + bB
cC + dD
Laju = k [A]x[B]y
Reaksi orde ke-x dalam A
Reaksi orde ke-y dalam B
Orde keseluruhannya adalah (x + y)
Hukum Laju Reaksi
•
Hukum laju selalu ditentukan lewat percobaan.
•
Orde reaksi selalu dinyatakan dalam konsentrasi
reaktan (bukan produk).
•
Orde reaktan tidak terkait dengan koefisien reaksi dari
reaktan dalam persamaan reaksi setimbang.
F2 (g) + 2ClO2 (g)
2FClO2 (g)
laju = k [F2][ClO2] 1
8
14/11/2011
Hukum Laju Reaksi
Menentukan hukum laju dan menghitung konstanta laju
reaksi dari data berikut ini:
S2O82- (aq) + 3I- (aq)
2SO42- (aq) + I3- (aq)
Percobaan
[S2O82-]
[I-]
Laju Awal
(M/s)
1
0,08
0,034
2,2 x 10-4
2
0,08
0,017
1,1 x 10-4
3
0,16
0,017
2,2 x 10-4
laju = k [S2O82-]x[I-]y
y=1
x=1
laju = k [S2O82-][I-]
[I-] meningkat dua kali, laju menjadi dua kali (percobaan 1 & 2)
[S2O82-] meningkat dua kali, laju menjadi dua kali (percobaan 2 & 3)
k=
2,2 x 10-4 M/s
laju
=
= 0,08/M•s
[S2O82-][I-] (0,08 M)(0,034 M)
Hukum Laju Reaksi
Menentukan Orde Reaksi dengan Percobaan
Jika diketahui reaksi:
O2 (g) + 2 NO(g)
2 NO2 (g)
Hujum laju untuk reaksi ini adalah: laju = k [O2]m[NO]n
Untuk mencari orde reaksi, kita lakukan beberapa percobaan, masingmasing dengan konsentrasi-konsentrasi reaktan yang berbeda, dan
menentukan laju reaksi awal
Percobaan
Konsentrasi Reaktan Awal (mol/l)
Laju Awal
O2
NO
(mol/L·s)
-2
-2
1
<1,10 x 10 *
1,30 x 10 *
>3,21 x 10-3
2
<2,20 x 10-2
1,30 x 10-2
>6,40 x 10-3
-2
-2
3
1,10 x 10 *
2,60 x 10
*12,8 x 10-3
4
3,30 x 10-2
1,30 x 10-2
9,60 x 10-3
-2
-2
5
1,10 x 10
3,90 x 10
28,8 x 10-3
9
14/11/2011
Hukum Laju Reaksi
Reaksi Orde Nol
aA → Produk
Laju = k [A]n......n = orde reaksi
(tidak berkaitan langsung dengan
[A]
koefisien a)
[A]0
-d[A] = k [A]0
dt
d[A] = -kdt
Waktu (t)
[A] – [A]0 = -kt
Laju = k (orde nol)
Hukum Laju Reaksi
Reaksi Orde-Pertama
A
produk
laju = -
laju
M/s
=
= 1/s atau s-1
k=
M
[A]
∆[A]
∆t
laju = k [A]
-
∆[A]
= k [A]
∆t
[A] adalah konsentrasi A pada waktu t
[A]0 adalah konsentrasi A pada t=0
[A] = [A]0exp(-kt)
ln[A] = ln[A]0 - kt
10
14/11/2011
Hukum Laju Reaksi
Reaksi 2A
B adalah reaksi orde pertama dalam
A dengan konstanta laju 2,8 x 10-2 s-1 at 800C.
Berapa lamakah konsentrasi A berkurang dari 0.88 M
sehingga menjadi 0.14 M ?
[A]0 = 0.88 M
[A] = 0.14 M
Berapakah konsentrasi A setelah 100 s?
Hukum Laju Reaksi
Waktu-paruh suatu reaksi, t1/2, adalah waktu
yang diperlukan agar konsentrasi reaktan
turun menjadi setengah dari konsentrasi
awalnya.
Hanya untuk reaksi orde pertama, waktu
paruhnya tidak bergantung pada konsentrasi
awal.
t1/2 = (1/k) ln 2
11
14/11/2011
Hukum Laju Reaksi
Reaksi Orde Pertama
Waktu-paruh, t½, adalah waktu yang diperlukan agar
konsentrasi reaktan turun menjadi setengah dari konsentrasi
awalnya.
t½ = t ketika [A] = [A]0/2
t½ = ln2 = 0,693
k
k
Berapakah waktu-paruh dari N2O5 jika terurai dengan
konstanta laju 5,7 x 10-4 s-1?
0,693
t½ = ln2 =
= 1200 s = 20 menit
5,7 x 10-4 s-1
k
Reaksi penguraian tadi adalah reaksi orde pertama, mengapa?
satuan k (s-1)
Hukum Laju Reaksi
Reaksi Orde Kedua:
Untuk reaksi
2NO2(g) → 2NO(g) + O2(g)
-d[NO2] = k[NO2]2
dt
d[NO2] = -kdt
[NO2]2
1
(L mol-1)
[NO2]
Hukum lajunya = k [NO2]2
Slope = 2 k
Bila diintegrasikan
1
1 + 2 kt
=
[NO2]t [NO2]0
Waktu (t)
2 = koefisien stoikiometri dari NO2
12
14/11/2011
Hukum Laju Reaksi
Ringkasan Kinetika Reaksi Orde-Pertama, Orde-kedua,
dan Orde-Ketiga
Orde
Hukum Laju
Persamaan
Konsentrasi-waktu
0
laju = k
[A] = [A]0 - kt
1
laju = k [A]
ln[A] = ln[A]0 - kt
2
laju = k [A]2
1
1
=
+ kt
[A]
[A]0
Waktu-paruh
t½ =
[A]0
2k
t½ = ln2
k
t½ =
1
k[A]0
Mekanisme Reaksi
Urutan tahap-tahap elementer yang mengarah pada
pembentukan produk disebut mekanisme reaksi.
2NO (g) + O2 (g)
2NO2 (g)
Tahap elementer:
NO + NO
N2O2
Tahap elementer:
N2O2 + O2
2NO2
Reaksi keseluruhan:
2NO + O2
2NO2
Reaksi elementer adalah reaksi sederhana yang hanya
berlangsung dalam satu tahap
Hanya untuk reaksi elementer, pangkat-pangkat dalam hukum
laju harus berkorespons dengan koefisien-koefisien dalam
persamaan setimbang
13
14/11/2011
Mekanisme Reaksi
Zat-antara adalah spesi yang muncul dalam mekanisme
reaksi tetapi tidak ada dalam persamaan setimbang.
Zat-antara selalu terbentuk dalam tahap elementer awal dan
hilang dalam tahap elementer berikutnya.
Tahap elementer:
NO + NO
N2O2
+ Tahap elementer:
N2O2 + O2
2NO2
2NO + O2
2NO2
Reaksi keseluruhan:
Molekularitas suatu reaksi banyaknya molekul yang bereaksi
dalam tahap elementer.
•
Reaksi unimolekular – tahap elementer dengan I molekul
•
Reaksi bimolekular – tahap elementer dengan 2 molekul
•
Reaksi termolekular – tahap elementer dengan 3 molekul
Mekanisme Reaksi
Reaksi unimolekular
A
produk
laju = k [A]
Reaksi bimolekular
A+B
produk
laju = k [A][B]
Reaksi bimolekular
A+A
produk
laju = k [A]2
Menulis mekanisme reaksi yang benar:
•
Jumlah tahap elementer harus menghasilkan
persamaan setara keseluruhan untuk reksi tersebut.
•
Tahap penentu-laju harus menyatakan hukum laju yang
sama dengan yang diperoleh dari percobaan.
Tahap penentu-laju adalah tahap paling lambat dari
keseluruhan tahap pembentukan produk.
14
14/11/2011
Mekanisme Reaksi
Hukum laju untuk reaksi antara NO2 and CO untuk
menghasilkan NO and CO2 adalah laju = k[NO2]2. reaksi
tersebut diketahui melalui dua tahap:
Tahap 1:
NO2 + NO2
NO + NO3
Tahap 2:
NO3 + CO
NO2 + CO2
Tulislah persamaan reaksi keseuruhan?
NO2+ CO
NO + CO2
Apakah zat-antaranya?
NO
3
Apa pendapat anda tentang laju relatif pada
tahap 1 and 2?
laju = k[NO2]2 adalah hukum laju untuk tahap 1 maka
tahap1 pasti lebih lambat daripada tahap 2
Faktor Penentu Laju Reaksi
1. Macam zat yang bereaksi
2. Konsentrasi zat yang bereaksi
Konsentrasi pereaksi berbanding lurus dengan laju reaksi
3. Tekanan
untuk reaksi yang melibatkan gas, karena konsentrasi gas
berhubungan dengan tekanan
4. Luas permukaan
semakin halus bentuk zat yang bereaksi semakin cepat laju
reaksi.
Contoh: laju reaksi Alumunium dalam bentuk serbuk > laju
reaksi alumunium dalam bentuk batangan
15
14/11/2011
Faktor Penentu Laju Reaksi
5. Suhu
semakin tinggi suhu maka energi kinetik molekul meningkat
sehingga frekuensi tumbukan semakin tinggi sehingga laju
reaksi meningkat
k = A • exp( -Ea/RT )
(persamaan Arrhenius)
Ea = energi aktivasi (J/mol)
R = konstanta gas (8,314 J/K•mol)
T = suhu mutlak
A = faktor frekuensi
lnk = -
Ea 1
+ lnA
R T
Faktor Penentu Laju Reaksi
6. Katalis adalah zat yang meningkatkan laju reaksi
tanpa ikut terpakai dalam reaksi.
k = A • exp( -Ea/RT )
Ea
tanpa katalis
lajudgn katalis > lajutanpa katalis
k
dengan katalis
Ea‘ < Ea
16
14/11/2011
Faktor Penentu Laju Reaksi
H2
Fasa gas
Etilena, C2H4
teradsorpsi
Etilena
Fasa gas
C2H5,
Zat antara
Permukaan Pt
Atom H2
teradsorpsi
Etana, C2H6
teradsorpsi
Etana, C2H6
terdesorpsi
Enzim Sebagai Katalis
Enzim merupakan protein globular yang dapat mengkatalisis
reaksi biokimia spesifik
Mekanisme Kerja Enzim
E+S
E–S E–P E+P
S = substrat; P = produk
17
14/11/2011
Enzim Sebagai Katalis
Enzim Sebagai Katalis
tanpa katalis
katalis
enzim
18
14/11/2011
Enzim Sebagai Katalis
Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja enzim
a. pH
muatan enzim bergantung pada pH lingkungannya dan
mempengaruhi keaktifan dari sisi aktif enzim
Enzim Sebagai Katalis
Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja enzim
b. Suhu: dapat merusak struktur tiga dimensi dari enzim (protein)
19
14/11/2011
Enzim Sebagai Katalis
Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja enzim
c. Aktivator
aktivitas enzim dapat meningkat dengan adanya ion-ion
anorganik. Contohnya: ion Cl- pada enzim amilase air liur
Latihan
1. Senyawa A terurai membentuk B dan C pada reaksi yang
mengikuti ordo pertama. Pada suhu 25oC konstanta laju
reaksinya adalah 0,0450 detik-1. Hitunglah waktu paruh zat A
pada suhu 25oC
•
Dimerisasi tetrafluoroetilena (C2F4) menjadi
oktafluorosiklobutana (C4F8) mempunyai orde kedua untuk
pereaksi C2F4 dan pada suhu 450 K konstanta lajunya k =
0,0448 L mol-1 detik-1. Jika konsentrasi awal C2F4 0,100 M,
berapa konsentrasinya sesudah 250 detik
2. Identifikasi setiap reaksi elementer berikut sebagai unimolekular,
bimolekular, atau termolekular, dan tulislah hukum lajunya
a. HCO + O2 HO2 + CO
b. CH3 + O2 + N2 CH3O2N2
c. HO2NO2 HO2 + NO2
20
14/11/2011
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
21