KESETIMBANGAN HOMOGEN DAN HETEROGEN PDF

Preview

Summary

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Banyak sekali mahasiswa yang mengambil mata kuliah kimia fisik yang harus berhadapan dengan keseimbangan kimia yang merupakan subjudul dari mata kuliah itu sendiri, banyak aspek yang akan kita pelajari dalam keseimbangan kimia ini, sehingga sangat dimungkinkanny...

Description

BAB I PENDAHULUAN 1.1.

Latar Belakang

Banyak sekali mahasiswa yang mengambil mata kuliah kimia fisik yang harus berhadapan dengan keseimbangan kimia yang merupakan subjudul dari mata kuliah itu sendiri, banyak aspek yang akan kita pelajari dalam keseimbangan kimia ini, sehingga sangat dimungkinkannya untuk mendalami ilmu kesimbangan kimia ini untuk melanjutkan dari mata kuliah yang sebelumnya, hal yang perlu kita sadari adalah dengan mempelajari keseimbangan kimia berarti kita turut ambil dalam menjaga keseimbangan alam ini, karena kimia adalah ilmu yang sangat erat hubungannya dengan pengetahuan dan alam, oleh itu sebabnya ilmu kimia juga disebut sebagai sentral sains atau pusat dari segala ilmu pengetahuan yang berhubungan dengan alam maupun tidak secara langsung. Konsep yang perlu di pahami dalam mempelajari kesetimbangan kimia ini adalah bahwa kesetimbangan kimia ini adalah reaksi bolak balik yang mana memiliki laju yang sama, oleh sebab itu kesetimbangan kimia ini adalah bagian dari keseimbangan kimia dinamis karena yang memiliki laju hanyalah sesuatu yang bergerak bukan statis.

1.2.

Rumusan Masalah 

Apakah yang dimaksud dengan Kesetimbangan Kimia ?



Apakah Kesetimbangan Homogen dan Heterogen ?



Apa sajakah faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan kimia ?



Bagaimana tetapan kesetimbangan Kimia?



Bagaimanakah penerapan kesetimbangan kimia dalam industri ?

1

1.3.

Maksud dan Tujuan 

Sebagai syarat untuk memenuhi nilai tugas mandiri



Untuk mengetahui apakah yang dimaksud dengan Kesetimbangan Homogen dan Heterogen



Untuk mengetahui apakah yang dimaksud dengan kesetimbangan kimia.



Untuk mengetahui faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi kesetimbangan kimia.



Untuk mengetahui seperti apakah tetapan kesetimbangan



Untuk mengetahui penerapan kesetimbangan kimia dalam industri.

2

BAB II PEMBAHASAN

2.1. PENGERTIAN KESETIMBANGAN Keadaan Kesetimbangan kimia adalah suatu keadaaan dimana konsentrasi seluruh zat tidak lagi mengalami perubahan, sebab zat-zat diruas kanan terbentuk dan terurai kembali dengan kecepatan yang sama. Keadaan kesetimbangan ini bersifat dinamis, artinya reaksi terus berlangsung dalam dua arah dengan kecepatan yang sama. Pada keadaan kesetimbangan tidak mengalami perubahan secara mikrokopis (perubahan yang dapat diamati atau diukur). Kesetimbangan kimia dibedakan atas kesetimbangan homogen dan kesetimbangan heterogen. Pada kesetimbangan homogen semua zat yang ada dalam sistem kesetimbangan memiliki fase yang sama ada dalam bentuk gas, larutan. Sedangkan kesetimbangan heterogen semua zat-zat yang ada dalam sistem kesetimbangan memiliki fase yang berbeda dalam bentuk padat-gas, padat-larutan. 2.2.KESETIMBANGAN HOMOGEN DAN HETEROGEN 

Kesetimbangan Homogen Semua spesi kimia berada dalam fasa yang sama. Salah satu contoh

kesetimbangan homogen fasa gas adalah sistem kesetimbangan N2O4/NO2-. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : N2O4(g) 2NO2(g) Kc = [NO2]2 / [N2O4] Konsentrasi reaktan dan produk dalam reaksi gas dapat dinyatakan dalam bentuk tekanan parsial masing-masing gas (ingat persamaan gas ideal, PV=nRT). Dengan demikian, satuan konsentrasi yang diganti dengan tekanan parsial gas akan mengubah persamaan Kc menjadi Kp sebagai berikut : 3

Kp = (PNO2)2 / (PN2O4) PNO2 dan PN2O4 adalah tekanan parsial masing-masing gas pada saat kesetimbangan tercapai. Nilai Kp menunjukkan konstanta kesetimbangan yang dinyatakan dalam satuan tekanan (atm). Kp hanya dimiliki oleh sistem kesetimbangan yang melibatkan fasa gas saja. Secara umum, nilai Kc tidak sama dengan nilai Kp, sebab besarnya konsentrasi reaktan dan produk tidak sama dengan tekanan parsial masingmasing gas saat kesetimbangan. Dengan demikian, terdapat hubungan sederhana antara Kc dan Kp yang dapat dinyatakan dalam persamaan matematis berikut :

Kp = Kc (RT)∆n Kp

= konstanta kesetimbangan tekanan parsial gas

Kc

= konstanta kesetimbangan konsentrasi gas

R

= konstanta universal gas ideal (0,0821 L.atm/mol.K)

T

= temperatur reaksi (K)

∆n

= Σ koefisien gas produk - Σ koefisien gas reaktan

Selain kesetimbangan homogen fasa gas, terdapat pula sejumlah kesetimbangan homogen fasa larutan. Salah satu contoh kesetimbangan homogen fasa larutan adalah kesetimbangan ionisasi asam asetat (asam cuka) dalam air. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : CH3COOH(aq) CH3 COO− (aq) + H + (aq) Kc = [CH3COO-] [H+] / [CH3COOH]



Kesetimbangan Heterogen Kesetimbangan ini melibatkan reaktan dan produk dalam fasa yang

berbeda. Sebagai contoh, saat padatan kalsium karbonat dipanaskan dalam wadah tertutup, akan terjadi reaksi berikut :

4

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Dalam reaksi penguraian padatan kalsium karbonat, terdapat tiga fasa yang berbeda, yaitu padatan kalsium karbonat, padatan kalsium oksida, dan gas karbon dioksida. Dalam kesetimbangan kimia, konsentrasi padatan dan cairan relatif konstan, sehingga tidak disertakan dalam persamaan konstanta kesetimbangan kimia. Dengan demikian, persamaan konstanta kesetimbangan reaksi penguraian padatan kalsium karbonat menjadi sebagai berikut : Kc = [CO2] Kp = PCO2 Baik nilai Kcmaupun Kp tidak dipengaruhi oleh jumlah CaCO3 dan CaO (jumlah padatan).Beberapa aturan yang berlaku dalam penentuan nilai konstanta kesetimbangan kimia saat reaksi kesetimbangan dimanipulasi (diubah) antara lain : 1.

Jika reaksi dapat dinyatakan dalam bentuk penjumlahan dua atau lebih reaksi, nilai konstanta kesetimbangan reaksi keseluruhan adalah hasil perkalian konstanta kesetimbangan masing-masing reaksi. A + B C + D Kc’ C + D E + F Kc’’ A + B E + F Kc = Kc’ x Kc’’

2. Jika reaksi ditulis dalam bentuk kebalikan dari reaksi semula, nilai konstanta kesetimbangan menjadi kebalikan dari nilai konstanta kesetimbangan semula. A + B C + D Kc’ = [C] [D] / [A] [B] C + D A + B Kc = [A] [B] / [C] [D] = 1 / Kc’

5

3. Jika suatu reaksi kesetimbangan dikalikan dengan faktor n, nilai konstanta kesetimbangan menjadi nilai konstanta kesetimbangan semula dipangkatkan dengan faktor n. A + B C + D Kc’ = [C].[D] / [A].[B] 2A + 2BD.2C + 2D; Kc = [C]2.[D]2 / [A]2.[B]2 = {[C].[D]/[A].[B]}2 = (Kc’)2 Salah satu kegunaan konstanta kesetimbangan kimia adalah memprediksi arah reaksi. Untuk mempelajari kecenderungan arah reaksi, digunakan besaran Qc, yaitu hasil perkalian konsentrasi awal produk dibagi hasil perkalian konsentrasi awal reaktan yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya. Jika nilai Qc dibandingkan dengan nilai Kc, terdapat tiga kemungkinan hubungan yang terjadi, antara lain : 1. Qc < Kc Sistem reaksi reversibel kelebihan reaktan dan kekurangan produk. Untuk mencapai kesetimbangan,

sejumlah reaktan diubah menjadi produk.

Akibatnya, reaksi cenderung ke arah produk (ke kanan). 2. Qc = Kc Sistem berada dalam keadaan kesetimbangan. Laju reaksi, baik ke arah reaktan maupun produk, sama. 3. Qc > Kc Sistem reaksi reversibel kelebihan produk dan kekurangan reaktan. Untuk mencapai kesetimbangan,

sejumlah produk diubah menjadi reaktan.

Akibatnya, reaksi cenderung ke arah reaktan (ke kiri).

6

2.3. FAKTOR–FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KESETIMBANGAN Pada reaksi kesetimbangan, jumlah zat-zat pereaksi maupun hasil reaksi tidak berubah terhadap waktu, tetapi pada dasarnya jumlah zat pereaksi maupun zat hasil reaksi dapat ditambah atau dikurangi berdasarkan perlakuan tertentu yang diberikan pada reaksi kesetimbangan tersebut. Berkaitan dengan penambahan atau pengurangan jumlah pereaksi atau hasil reaksi pada reaksi kesetimbangan tersebut, digunakan istilah pergeseran kesetimbangan. Untuk menambah zat hasil reaksi, maka kesetimbangan harus digeser kearah kanan (ke arah zat hasil reaksi), sedangkan untuk mengurangi zat hasil reaksi, maka kesetimbangan harus digeser kearah kiri (kearah pereaksi). Untuk menggeser kesetimbangan tersebut diperlukan perlakuan yang dapat mengganggu keadaan kesetimbangan, yaitu dengan mengubah suhu, konsentrasi, dan volum, dan tekanan zat dalam sistem kesetimbangan tersebut. Dalam kaitannya dengan gangguan yang diberikan pada sistem kesetimbangan tersebut, pada tahun 1888 seorang ahli kimia Prancis Henri Louis Le Chatelier (1850-1936) mengemukakan bahwa ”jika pada sistem kesetimbangan diberikan gangguan dari luar, maka sistem kesetimbangan tersebut akan bergeser untuk menghilangkan atau mengurangi pengaruh gangguan luar tersebut dan mungkin membentuk sistem kesetimbangan baru.” dengan kata lain, pernyataan ini dapat disederhanakan menjadi ”jika sebuah sistem pada keadaan setimbang diberikan perubahan tekanan, suhu, atau konsentrasi, maka akan terdapat kecenderungan pada keseluruhan reaksi dalam arah yang mengurangi pengaruh dan perubahan ini”. Pernyataan diatas dikenal sebagai ”Asas Le Chatelier”. Bagaimana pengaruh perubahan suhu, konsentrasi, tekanan, dan volum terhadap pergeseran kesetimbangan.

7

2.3.1. Pengaruh Suhu Terhadap Pergeseran Kesetimbangan Pada reaksi kesetimbangan, terhadap reaksi endoterm (menyerap kalor) dan reaksi eksoterm (melepaskan kalor). Jika reaksi maju bersifat eksotermik, maka reaksi sebaliknya bersifat endotermik. Perhatikan uraian tentang pengaruh perubahan suhu untuk reaksi pembentukan gas N2O4 dari gas NO2 berikut ini.

Reaksi kesetimbangan : 2NO2(g) ⇋ N2O4(g) 

Reaksi maju (eksoterm) :

2NO2(g) ⇋ N2O4(g)

ΔH = - 58,8 Kj

N2O4(g) ⇋ 2NO2(g)

ΔH = + 58,8 Kj



Reaksi balik (endoterm)

Reaksi pembentukan N2O4 dari gas NO2 dapat membentuk keadaan setimbang. Pada keadaan setimbang tersebut, gas N2O4 dan gas NO2 berwarna coklat muda. Dalam keadaan terpisah, gas NO2 berwarna cokelat kemerahan, sedangkan gas N2O4 tidak berwarna. Jika dalam keadaan setimbang, campuran gas NO2 dan N2O4 tersebut dipanaskan, maka warna cokelat muda dari campuran kedua gas tersebut lama kelamaan akan berubah menjadi cokelat kemerahan, artinya gas NO2 dalam reaksi tersebut bertambah. Berdasarkan uraian diatas, dapat disimpulkan bahwa penurunan suhu dapat menyebabkan kesetimbangan bergeser kearah reaksi eksoterm, sedangkan peningkatan suhu dapat menyebabkan kesetimbangan bergeser kearah reaksi endoterm. Karena reaksi pembentukan gas N2O4 dari gas NO2 merupakan reaksi eksoterm (melepaskan kalor) dan dalam keadaan kesetimbangan, suhu campuran diturunkan dengan mengeluarkan kalor dari sistem, maka menurut Le Chatelier akan mengakibatkan sistem melakukan perubahan dengan cara mengganti kalor yang dikeluarkan sistem dengan

8

menggeser posisi kesetimbangan kearah reaksi yang melepaskan kalor (eksoterm). 2.3.2. Pengaruh Konsentrasi Terhadap Pergeseran Kesetimbangan Pembuatan amonia, NH3(g) dari reaksi gas nitrogen (N2) dengan gas hidrogen (H2) dapat membentuk kesetimbangan yang dinyatakan dengan persamaan reaksi sebagai berikut. N2(g) + 3H2(g)- ⇋ 2NH3(g)

Apabila gas hidrogen (H2) ditambahkan kedalam campuran gas pada reaksi kesetimbangan tersebut, maka konsentrasi H2 dalam campuran meningkat (bertambah). Menurut Le Chatelier, sistem akan berusaha untuk menghilangkan gangguan tersebut (penambahan [H2] ) yaitu dengan mengurangi [H2] yang ditambahkan. Sebagian gas H2 yang ditambahkan akan segera bereaksi dengan gas N2, sehingga gas amonia yang terbentuk lebih banyak. Keadaan ini akan terbalik jika sejumlah gas H2 dikurangi dari sistem kesetimbangan tersebut. Berdasarkan uraian diatas, dapat disimpulkan bahwa untuk penambahan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi kedalam campuran yang berada dalam kesetimbangan akan menggeser kesetimbangan kearah yang berlawanan dengan posisi zat yang ditambahkan, sedangkan untuk pengurangan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi akan menggeser kesetimbangan kearah zat yang dikeluarkan dari sistem kesetimbangan tersebut. 2.3.3. Pengaruh Tekanan dan Volume Terhadap Pergeseran Kesetimbangan Reaksi-reaksi gas sangat dipengaruhi oleh perubahan volume dan tekanan gas. Pada dasarnya, untuk memperbesar tekanan dapat dilakukan dengan memperkecil volume, sedangkan untuk memperkecil tekanan dapt di lakukan dengan memperbesar volume.

9

Jika pada reaksi kesetimbangan gas, tekanan di perbesar, maka menurut Le Chatelier sistem tersebut akan berusaha mengurangi pengaruh kenaikan tekanan tersebut dengan cara menurunkan jumlah molekul atau jumlah mol zat. Pada reaksi kesetimbangan N2(g) + 3H2(g)

⇋

2NH3(g)

jika tekanan di perbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah NH 3, sedangkan jika tekana di kurangi, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah kiri (N2(g) dan H2(g) ). Berdasarkan uraian tersebut di atas, dapat disimpulkan bahwa jika tekanan diperbesar ( volume diperkecil), maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah mol gas yang lebih kecil, sedangkan jika tekanan diperkecil (volume diperbesar), maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah mol gas yang lebih besar. 2.4. KETETAPAN KESETIMBANGAN Berdasarkan harga tetapan kesetimbangan, suatu reaksi dapat diketahui secara kualitatif bagaimana reaksi tersebut berlangsung. 1. Jika KC < 1, maka pada reaksi kesetimbangan tersebut di hasilkan zat hasil reaksi yang cukup banyak, bahkan melebihi jumlah pereaksi,dan suatu reaksi di katakan sempurna apabila reaksi tersebut memiliki Kc yang sangat besar. 2. Jika Kc < 1, maka pada reaksi kesetimbangan tersebut di peroleh zat hasil reaksi yang sedikit, bahkan lebih sedikit di bandingkan dengan jumlah pereaksi,dan apabila harga Kc suatu reaksi sangat kecil, bisa saja tidak terjadi reaksi. Harga Kc hanya di pengaruhi oleh suhu, jika suhu tidak berubah, maka harga Kc selalu teatp. Pada reaksi endoterem, harga Kc berbanding lurus dengan suhu, sedangkan pad reaksi eksoterm, harga Kc berbanding terbalik dengan suhu.

10

2.4.1. Perhitungan Kesetimbangan Jika konsentrasi masing-masing zat sudah diketahui, maka perhitungan harga Kc dapat dilakukan secara langsung dengan memasukan nilai konsentrasi zat pada persamaan sebagai berikut : [ C]c [ D]d Kc = [ A]a [ B]b 2.5. SISTEM KESETIMBANGAN KIMIA DALAM PROSES INDUSTRI Konsep reaksi kesetimbangan banyak di terapkan dalam bidang industri. Beberapa industri yang menerapkan konsep reaksi kesetimbangan adalah industri amonia, asam sulfat, dan asam nitrat. 2.5.1. Industri amonia (NH3) Amonia (NH3) merupakan gas yang tidak berwarna dengan bau menyengat dan sangat mudah larut dalam air. Amonia ini biasanya di gunakan dalam refrigerator dan dalam pembuatan pupuk, bahan peledak, dan plastik serta bahan-bahan kimia lainnya. Selain itu,amonia juga di gunakan sebagai pelarut. Amonia dapat di buat dengan mereaksikan gas nitrogen (N2) Dengan gas hidrogen (H2) melalui proses reaksi eksoteren yang dapat membentuk kesetimbagan sebagai berikut: N2(g)+3H2(g) ⇋ 2NH3(g)

ΔH= -92,2 Kj

Dalam industri, amonia di buat dengan mencampurkan gas N 2 Yang Diperoleh melalui udara dan gas H2 yang di peroleh dari reaksi antara gas metana dan air. Campuran gas N2 dan H2 dengan perbandingan N2:H2 = 3:1 tersebut kemudian di alirkan melaui pompa bertekanan tinggi(250 atm) kedalam tabung pemurnian gas. Dalam tabung inilah kemudian di peroleh gas N 2 dan H2 murni yang di alirkan kedalam reaktor katalisis.

11

Reaksi pembuatan amonia merupakan reaksi eksoterm, sehingga untuk menghasilkan amonia dalam jumlah besar, maka reaksi tersebut harus di lakukan pada suhu yang rendah. Akan tetapi, pada suhu rendah reaksi berlangsung rendah. Oleh karena itu, untuk mengimbangi nya,maka reaksidalam pembuatan amonia di lakukan pada suhu tinggi (500 oC) dan tekanan yang tinggi (200-400 atm). Suhu dan tekanan tersebut memungkinkan reaksi pembuatan amonia dapat berlangsung cepat dan amonia yang di hasilkannya dalam jumlah besar (reaksi bergeser ke kanan). Dapat di simpulkan bahwa pada reaksi kesetimbangan dalam pembuatan amonia, suhu yang tinggi dan katalis berfungsi umtuk mempercepat reaksi, sedangkan tekanan yang tinggi berfungsi untuk menggeser reaksi ke arah hasil reaksi( dalam hal iniamonia) 2.5.2. Pembuatan H2SO4(aq) (Asam sulfat) Proses kontak dilakukan untuk membuat H2SO4(aq) yang dapat digunakan sebagai bahan dasar pembuatan cat, pupuk, zat warna , detergen, dan larutan elektrolit dalam aki. Berikut ini merupakan tahap-tahap membuat H2SO4(aq). 1). Tahap 1 Molekul S yang berwujud padat di bakar di udara untuk membentuk gas SO2. reaksinya sebagai berikut.

2). Tahap 2

S (s) + O2 (g) ⇋ SO2 (g)

Gas tersebut dibersihkan dari pengotor dengan cara partikulat. Campuaran antara gas SO2 dan udara di panaskan hingga suhu 450 oC.dan tekanan 101,3202,6 kPa dengan di tambahkan katalis V2O5 untuk menghasilkan SO3. SO3 yang diperoleh sebanyak 98 % dengan kecepatan reaksi maksimal. Reaksi sebagai berikut.

12

2SO2(g) + O2(g) 3). Tahap 3

⇋

2SO3(g)

SO3 dilarutkan dalam H2SO4 99,5 % (17 M) supaya di hasilkan H2S2O7, lebih di kenal denagn nama “ oleum”. Reaksinya sebagai berikut.

4). Tahap 4

SO3(g) + H2SO4(l) ⇋ H2S2O7(l)

Setelah tahap 3, H2O di tambahkan ke dalam H2S2O7 supaya di hasilkan H2SO4. reaksinya sebagai berikut. H2S2O7(l)+ H2O(l) ⇋ 2H2SO4(l)

Tahapan penting dalam proses pembuatan

H2SO4 ialah tahap 2. pada

tahap 2 terjadi reaksi kesetimbangan dan reaksi itu berlangsung secara eksoteren (reaksi melepaskan kalor) menurut asas Le Chatelier, reaksi kesetimbangan bergeser ke kanan jika tekanan di perbesar. Hal ini terjadi

karena reaksi

kesetimbangan bergeser ke arah zat yang memeliki jumlah koefisien lebih sedikit. Jadi jika tekanan di perbesar, jumlah gas SO3 semakin banyak karena reaksi kesetimbangan bergeser ke arah produk. 2.5.3. Pembuatan HNO3 (Asam Nitrat) Senyawa HNO3 merupakan bahan kimia penting yang digunakan sebagai bahan baku untuk peledak. Bahan peledak yang memakai bahan baku HNO3 dapat menimbulkan ledakan dahsyat. Contoh bahan peledak yang menggunakan HNO3, yaitu TNT. Proses Ostwald merupakan cara yang tepat untuk membuat HNO3. Proses Ostwald dikenalkan pertama kali oleh Wilhelm Ostwald, seorang ahli kimia dari Jerman. Wilhelm Ostwald menemukan proses pembuatan HNO3 yang efektif saat Perang Dunia I berlangsung.

13

Ada 2 metode yang digunakan dalam pembuatan HNO3. metode pertama yang memiliki 2 tahap yaitu oksidasi dan absorpsi. Metode ini akan menghasilkan NHO3 encer. Metode kedua merupakan kombinasi dari dehidrasi, bleaching, kondensasi dan absorpsi. Metode yang kedua akan menghasilkan asam nitrat yang lebih pekat daripada HNO3 yang dihasilkan dari metode pertama.

14

BAB III CONTOH SOAL DAN PEMBAHASAN 1.

Pada reaksi penguraian gas N2O4 menjadi gas NO2 terjadi keadaan setimbang yang dinyatakan dengan persamaan reaksi sebagai berikut : N2O4 (g) ⇋ 2NO4(g)

Jika konsentrasi N2O4- dan NO2 berturut-turut 1,71 M dan 0,58 M, hitunglah harga Kc pada keadaan tersebut.

Penyelesaian : N2O4 (g) ⇋ 2NO4 [ 0,58]2

[ NO2]2 KC =

=

=0,2

[N2O4]

[1,71]

Jadi nilai Kc untuk eraksi tersebut adalah 0,2

2. Jika 0,8 mol HI dimasukkan kedalam wadah 1 liter pada suhu 458 oC, campurkan dalam kesetimbangan di temukan mengandung 0,088 mol gas I2. hitung harga Kc untuk reaksi kesetimbangan : Untuk menentukan konsentrasi masing-masing zat,ikuti langkah-langkah berikut

Kesetimbangan

=

2HI (g)

Awal

=

0,8

Terurai

=

2x

Kesetimbangan

=

0,8-2x