Tetapan Kesetimbangan dan Energi Bebas

Pada Pembahasan Thermodinamika Telah Dijelaskan Bahwa ∆ G  Merupakan Fungsi Keadaan Yang Menentukan Arah Satu Proses . Jika∆  G > 0 Maka Proses Tidak Spontan, Sebaliknya, Jika ∆ G < 0 Maka Proses Berlangsung Spontan, Sedangkan Jika, ∆ G = 0, Proses Revelsible.
Apabila Energi Bebas Di Terapkan Dalam Sistem Kimia , Ketiga Keadaan Itu Akan Mengandung Makna Sebagai Berikut. (A)Jika ∆ G Negative Energi Sistem Menurun, Dan Reaksi Berlangsung Spontan Ke Arah Pencapaian Kesetimbangan (Ke Arah Pembentukan Hasil Reaksi), (B) Jika G Nol, Sistem Berada Dalam Keadaan Kesetimbangan Dinamis, Dan (C) Jika ∆G Positif, Reaksi Spontan Ke Arah Kebalikannya.

PERUBAHANenergi bebas dalam reaksi kesetimbangan

Pada suhu dan tekanan tetap, reaksi kimia akan berlangsung spontan menuju ke arah dengan perubahan energi bebas yang lebih rendah, sampai akhirnya mencapai suatu keadaan setimbang. Jadi, posisi kesetimbangan menyatakan nilai energi bebas paling rendah dalam suatu sistem reaksi. Perubahan energi bebas suatu reaksi merupakan akibat dari perubahan dalam tekanan atau perubahan dalam konsentrasi zat-zat yang terlibat dalam reaksi. Dengan demikian terdapat hubungan antara perubahan energi bebas dan tekanan atau dengan konsentrasi sistem reaksi.

1. Energi bebas dan tekanan

Pengaruh tekanan terhadap fungsi termodinamika dalam persamaan energi bebas gibbs, yakni entalpi dan entropi. 

•  Entalpi

entalpi adalah kemampuan sistem untuk memberikan energi berbentuk kalor(energi panas) dari sistem ke lingkungan. paa tekanan konstan perubahan entalpi suatu sistem menunjukan banyaknya kalor yang diberikan. perubahan ini diukur dengan kalori meter terbuka(tekanan udara sistem = tekanan udara luar).
Dulu entalpi disebut isi kalor(heat content) dengan lambang H. kalor reaksi suatu reaksi kimia yang berlangsung pada tekanan konstan tidak lain adalah perubahan entalpi ∆H itu. untuk benda yang berubah suhunya tanpa mengalami reaksi atau perubahan fase, perubahan entalpi per satuan suhu aadalah kapasitas panas benda itu pada tekanan tetap.

Entalpi gas ideal, solid, dan liquid tidak tergantung pada tekanan. Benda nyata pada temperatur dan tekanan ruang biasanya kurang lebih mengikuti sifat ini, sehingga dapat menyederhanakan perhitungan entalpi.

Contoh :

1 mol gas ideal pada suhu tertentu mengisi volume 10 L. Dalam wadah tersebut, gas memiliki banyak keadaan mikro yang tersedia daripada dalam volume 1 L, sehingga entropi posisional lebih besar dalam volume yang lebih besar.

Jadi dapat dinyatakan bahwa :

Svolumebesar > Svolumekecil

Oleh karena tekanan berbanding terbalik dengan volumenya, maka entropi dapat diungkapkan dalam kaitannya dengan tekanan sistem sebagai berikut :

Stekananrendah > Stekanantinggi

Dampak dari entropi dipengaruhi oleh tekanan, maka energi bebas juga dipengaruhi oleh tekanan. Kebergantungan energi bebas terhadap tekanan dirumuskan dalam bentuk persamaan berikut.

G = G° + RT In (p)

  Keterangan :

  G° = energi bebas suatu gas pada tekanan 1 atm

  G = energi bebas gas pada tekanan tertentu

  R = tetapan gas universal

  T = Suhu mutlak

•  Entropi

Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Mungkin manifestasi yang paling umum dari entropi adalah (mengikuti hukum termodinamika), entropi dari sebuah sistem tertutup selalu naik dan pada kondisi transfer panas, energi panas berpindah dari komponen yang bersuhu lebih tinggi ke komponen yang bersuhu lebih rendah. Pada suatu sistem yang panasnya terisolasi, entropi hanya berjalan satu arah (bukan proses reversibel/bolak-balik). Entropi suatu sistem perlu diukur untuk menentukan bahwa energi tidak dapat dipakai untuk melakukan usaha pada proses-proses termodinamika. Proses-proses ini hanya bisa dilakukan oleh energi yang sudah diubah bentuknya, dan ketika energi diubah menjadi kerja/usaha, maka secara teoritis mempunyai efisiensi maksimum tertentu. Selama kerja/usaha tersebut, entropi akan terkumpul pada sistem, yang lalu terdisipasi dalam bentuk panas buangan.

Pada termodinamika klasik, konsep entropi didefinisikan pada hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi dari sistem yang terisolasi selalu bertambah atau tetap konstan. Maka, entropi juga dapat menjadi ukuran kecenderungan suatu proses, apakah proses tersebut cenderung akan "terentropikan" atau akan berlangsung ke arah tertentu. Entropi juga menunjukkan bahwa energi panas selalu mengalir secara spontan dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang suhunya lebih rendah.

2. ∆G reaksi menuju kesetimbangan

Untuk memahami hubungan perubahan energi bebas selama reaksi menuju keadaan kesetimbangan, tinjau reaksi kesetimbangan berikut.

  A(g) ↔ B(g)

Jika 1 mol gas A dimasukan kedalam tabung pada tekanan tertentu, dimana pada awalnya hanya ada gas A, maka sejalan dengan waktu, A(g) terurai menjadi B(g), dan energi bebas total sistem berubah. Dan menghasilkan :

  Energi bebas A(g) = GA = G°A +RT In PA

  Energi bebas B(g) = GB = G°B = RT In PB

Total energi bebas sistem G = GA + GB

Reaksi akan menuju kearah produk selama energi bebas sistem menurun(GB lebih kecil dari GA). Pada titik dimana tekanan A dan Tekanan B mencapai harga P^e_A dan P^eB atau GA = GB, sistem dikatakan mencapai keadaan kesetimbangan. Oleh karena A(g) pada tekanan P^eA dan B(g) pada tekanan P^eB memiliki energi bebas sama tapi berlawanan tanda, maka ∆G = 0. pada keadaan ini sistem mencapai energi bebas minimum. Pada titik ini tidak ada lagi daya dorong untuk mengubah A(g) menjadi B(g) atau sebaliknya, sehingga sistem tetap pada posisi ini. Dengan kata lain, tekanan A(g) dan B(g) tidak berubah terhadap waktu.

Hubungan antara energi bebas dan tetapan kesetimbangan diperoleh dari persamaan

G = ∆G° + RT In Q

Dimana pada keadaan kesetimbangan nilai Q = K dan ∆G = 0, sehingga :

∆G° = - RT In K

Tetapan kesetimbangan yang ditentukan dari persamaan ini disebut kesetimbangan termodinamik

Contoh 5.12

Meramalkan arah reaksi kesetimbangan

Campuran gas NO₃ dan N₂O₄ bereaksi membentuk keseimbangan menurut persamaan :

2NO_2(g) ­­- N₂O_4(g)

Tentukann arah reaksi menuju kesetimbangan pada suhu 25^oC! Diketahui tekanan parsial NO₂ 0,2atm, tekanan parsial N₂O₄ 0,1atm dan perubahan energi bebas standar, ∆G^o = -5,4 KJ/mol

Penyelesaian:

Dengan menggunakan persamaan

∆G = ∆G⁰ + RT In Q

Arah reaksi dapat ditentukan berdasarkan perubahanenergi bebas dan diandaikan NO₂ sebagai pereaksi.

∆G = (-5400Jmol^-1) + (8,314 Jmol^-1K^-1)(298K) in (0,1/(0,2)²) = -3130J mol ^-1

Oleh karna harga ∆G negatif maka reaksi menuju kearah pembentukan N₂O₄

Contoh 5.13

Menghitung tetapan kesetimbangan termodinamika

Berapa tahapan kesetimbangan untuk reaksi berikut?

2SO_2(g) – O_{2(g) ­–} 2SO_3(g)

Jika diketahui

∆G^o_f(SO₃) = -370KJ/mol ; ∆G^o_f(SO₂) = -300KJ/mol

Penyelesaian

Nilai ∆G^o untuk reaksi diatas adalah :

∆G^o = 2mol (-370 kj/mol) – 2 mol (-300kj/mol) = -140 KJ

Kemudian menentukan nilai K_p menurut persamaan (5.20) yaitu

In K_p = ∆G^o/RT

In K_p = -(-140000Jmol^-1)/ (8,314Jmol^-1K^-1)(298K) = 56,5

Dengan mengkonversi In K_p maka nilai K_p dapat ditentukan, yaitu K_p = 3,4 x

Contoh 5.14

Menghitung tetapan kesetimbangan dari data termodinamika

Diketahui data terakomodasi untuk reaksi berikut :

2NO_2(g) – N₂O_4(g)

∆H^o _298K = -56,8 KJ; ∆S^o _298K = - 175JK^-1

Hitunglah nilai tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan pada suhu100^oC!

Penyelesaian

Untuk menentukan K_p dari data termodinamika, perlu diketahui harga numerik ∆G^o pada suhu 100^oC, sebab data yang diketahui pada 25^oC.

Pada bab termodinamika elah diketahui bahwa :

∆G^o = ∆H^o - T∆S^o

Untuk tujuan perhitungan, diasumsikan bahwa H dan ∆S tidak bergantung pada suhu, sehingga ∆G^o pada 100^oC adalah :

∆G^o ₃₇₃ = 56.800J  - (373K) (-175JK^-1) = +8380J/mol

Tetapan kesetimbangan untuk reaksi diatas adalah :

In K_p = -∆G^o/RT

In K_p = (-8380 J mol^-1)/ (8,314Jmol^-1K^-1)(373K) = -2,7

Jadi, nilai K_p = 6,7 x 10^-2