Tetapan Kesetimbangan dan Energi Bebas

Pada pembahasan termodinamika telah dijelaskan bahwa Δ G merupakan fungsi keadaan yang fmenentukan arah suatu proses. Jika Δ G > 0 maka proses tidak spontan, sebaliknya jika Δ G < 0 maka proses berlangsung spontan, sedangkan jika Δ G = 0 proses reversible.
Apabila energi bebas diterapkan dalam sistem kimia, ketiga keadaan itu mangandungmakna sebagai berikut.

a.      Jika Δ G negatif, energi sistem reaksi menurun, dan reaksi berlangsung spontan kearah pencapaian kesetimbangan (kearah pembentukan hasil reaksi).

b.      Jika G nol, sistem berada dalam keadaan kesetimbangan dinamis.

c.       Jika Δ positif, reaksi spontan pada arah kebalikannya.

Perubahan Energi Bebas dalam Reaksi Kesetimbangan

            Pada suhu dan tekanan tetap, reaksi kimia akan berlangsung spontan menuju kearah dengan perubahan energi bebas yang lebih rendah, sampai akhirnya mencapai suatu keadaan setimbangan. 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 teknanan atau dengan konsentrasi sistem reaksi.

a.      Energi Bebas dan Tekanan

Untuk memahami hubungan energi bebas dan tekanan, perlu diketahui lebih dulu pengaruh tekanan terhadap fungsi-fungsi termodinamika dalam persamaan energi bebas Gibbs, yakni entalpi dan entropi.

            Entalpi adalah istilah yang ditemukan didalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi internal yang terdapat didalam sebuah sistem termodinamika ditambah dengan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan aktifitas pada suatu materi.

            Entropi adalah sebuah besaran termodinamika yang berfungsi untuk mengukur energi dalam satuan temperatur yang tidak dapat digunakan untuk melakukan usaha.

            Untuk gas ideal, entalpi tidak bergantung pada tekanan, sebeb nilai entalpi ditentukan oleh adanya aliran kalor pada tekanan tetap. Namun demikian, entropi sangat bergantung pada tekanan sebab entropi bergantung pada volume. Contoh, 1 mol gas ideal pada suhu tertentu mengisi volume 10L. Dalam wadah tersebut, gas memiliki banyak keadaan mikro yang tersedia daripada dalam volume 1L, sehingga entropi posisional lebih besar dalam volume yang lebih besar. Jadi dapat dinyatakan bahwa.

S _{volume besar} > S _{volume kecil}

Oleh karena tekanan berbanding terbalik dengan volumenya, maka entropi dapat digunakan dalamkaitannya dengan tekanan sistem sebagai berikut:

                                                            S _{tekanan rendah}  > S _{tekanan tinggi}

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

G = G° + RT in (P)                                                                                                        (5.16)

Dengan G° adalah energi bebas suatu gas pada tekanan 1 atm; G adalah energi bebas gas pada tekanan tertentu; R adalah tetapan gas universal; dan T adalah suhu mutlak.

Untuk mengetahui bagaimana perubahan energi bebas suatu reaksi bergantung pada tekanan, tinjau reaksi sintesis amonia berikut.

N_2(g) + 3NH_3(g)  ⇔ 2NH_3(g)

Perubahan energi bebas untuk sistem reaksi ini:

ΔG =ΣG_produk ΣG_pereaksi

      = 2G_nh3 – G_N2 – 3 G_H2                                                                                                           (5.17)

Dengan G_NH3 = G°_NH3 + RT In (P_NH3); G_N2 = G°_N2 + RT In (P_N2); dan G_H2 = G°_H2 + RT In _(ℓ)

Subtitusi ketiga persamaan tersebut kedalam persamaan (5.17) diperoleh

ΔG = (2G°_NH3 - ΔG°_N2  - 3 ΔG°_H2) + RT [2 In (P_NH3) – In (P_N2) – 3 In (P_H2)]

Bentuk pertama dalam persamaan tersebut menyatakan ΔG° untuk reaksi, sehingga diperoleh

ΔG = ΔG°_reaksi + RT [2 In (P_NH3) – In (P_N) – 3 In (P_H2)]                                                    (5.18)

Bentuk dalam kurung pada persamaan (5.18) tiada lain adalah quotient reaksi, sehingga persamaan dapat ditulis menjadi

ΔG = ΔG° + RT In (Q)                                                                                                   (5.19)

Ket: Q  : quotient reaksi

         T : suhu kelvin

        R  : tetapan gas

      ΔG°            : perubahan energi bebas reaksi pada keadaan standar

      ΔG : perubahan energi bebas reaksi pada tekanan tertentu,

Dengan demikian, persamaan (5.19) dapat digunakan untuk menentukan perubahan energi bebas reaksi pada setiap saat sebelum mencapai keadaan setimbang, sebab Q dapat digunakan untuk menghitung konsentrasi atau tekanan dalam sistem kesetimbangan setiap saat. Jika sistem reaksi mencapai keadaan setimbang, maka Q sama dengan K.

b.      Δ G Reaksi Menuju Kesetimbangan

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

                                                A_(g)       ⇔     B_(g)

Jika satu mol gas A_(g)  dimasukan kedalam tabung pada tekanan tertentu, dimana pada awalnya hanya ada gas A, maka sejalan dengan waktu, A_(g) teriurai menjadi B_(g) dan energi bebas total sistem berubah. Menghasilkan:

            Energi bebas A_(g) = G_A  = G°_A + RT In P_A

                        Energi bebas B_(g) = G_B = G°_B + RT In P_B

Total energi bebas sistem = G = G_A + G_B

Dampak dari perubahan A_(g) menjadi B_(g), G_A akan menurun karena P_A berkurang, sebaliknya G_B mningkat akibat P_B bertambah.

            Reaksi akan menuju ke arah produk selama energi bebas sistem menurun (G_B lebih kecil dari G_A). Pada titik dimana tekanan A dan tekanan B mencapai harga P^e_A dan P^e_B  atau G_A sama dengan G_B, sistem dikatakan mencapai keadaan kesetimbangan.

Oleh karena A_(g) pada tekanan P^e_A dan B_(g) pada tekanan P^E_B memiliki energi bebas sama tetapi berlawanan tanda, maka ΔG nol. Pada keadaan ini sistem mencapai energi bebas manimum. 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.

           

DAFTAR PUSTAKA

-          Sunarya, Yayan. 2010. Kimia Dasar 1. Bandung: Yrama Widya.

-          Anonim. 2016. Pengertian Entalpi dan Entropi. Jakarta: Anonim.