Kesetimbangan dan Katalis Kimia

 

Kesetimbangan dan Katalis kimia

Oleh : Putra Muhammad Fadila

Abstrak

Dalam reaksi kimia, kesetimbangan kimia adalah keadaan saat kedua reaktan dan produk hadir dalam konsentrasi yang tidak memiliki kecenderungan lebih lanjut untuk berubah seiring berjalannya waktu. Biasanya, keadaan ini terjadi ketika reaksi ke depan berlangsung pada laju yang sama dengan reaksi balik. Laju pada reaksi maju dan mundur umumnya tidak nol, tetapi sama. Dengan demikian, tidak ada perubahan bersih dalam konsentrasi reaktan dan produk. Keadaan seperti ini dikenal sebagai kesetimbangan dinamis. Sedangkan Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi kimia pada suhu tertentu, tetapi tidak mengalami perubahan dan pengurangan jumlah. Laju reaksi katalis terjadi di permukaan luas pada fluida padat sehingga diterapkan pada material padat yang berpori. Dalam reaksi kimia, katalis tidak berperan sebagai pereaksi kimia maupun produk. Katalis yang umum digunakan ialah ion logam dengan metode impregnasi untuk menghasilkan valensi nol dan situs-situs asam selama proses reduksi. Peran katalis adalah meningkatkan unjuk kerja katalitik material padat.

Abstract

In chemical reactions, a chemical reaction is a state when both the reaction and the products are present in concentrations that have no further tendency to change over time. Usually, this occurs when the forward reaction proceeds at the same rate as the reverse reaction. The rates of the forward and reverse reactions are generally not zero, but are the same. Thus, there is no net change in the concentrations of the reactants and products. Such a state is known as dynamic. While the catalyst is a substance that speeds up the reaction at a certain temperature, but does not change and reduce the amount. The rate of the catalytic reaction occurs over a large surface area in a solid fluid so that it is applied to a porous solid material. In a chemical reaction, a catalyst does not act as a chemical reactant or product. Commonly used catalysts are metal ions by impregnation method to produce zero valence and acid web sites during the reduction process. The role of the catalyst is to increase the performance of solid catalytic materials.

Pendahuluan

Teori kesetimbangan kimia ditemukan oleh seorang ilmuwan asal Prancis bernama Henry Louis Le Chatelier. Dia lahir pada 8 Oktober 1850 dan meninggal pada 17 September 1936. Teori mengenai kesetimbangan kimia dia temukan dan dirumuskan dalam buku yang berjudul Recherches sur les Equilibre Chimiques (Penelitian Mengenai Kesetimbangan Kimia). Karyanya kini menjadi pedoman dalam salah satu rumus kimia hingga kini. Hal itu disebabkan karena dirinya berhasil merumuskan hubungan antara reaksi yang terjadi pada sistem kesetimbangan kimia dengan aksi atau pengaruh yang diberikan dari luar. Hubungan yang lebih dikenal dengan asas yang diberi nama dengan namanya itulah yang lebih memopulerkan namanya. Asas itu berbunyi bahwa "apabila pada sistem kesetimbangan yang sedang berlangsung dilakukan suatu aksi, timbul reaksi dari system sehingga pengaruh aksi tersebut dapat diperkecil".

Salah satu faktor yang mempengaruhi laju reaksi adalah katalis.Katalis merupakan zat yang dapat mempercepat laju reaksi.Hal ini berlaku juga untuk reaksi kesetimbangan,reaksi kesetimbangan  merupakan reaksi reversible dimana zat-zat hasil reaksi dapat bereaksi Kembali membentuk zat-zat pereaksi ,akan tetapi keberadaan katalia tidak menggeser kesetimbangan.Dengan kata lain,katalis hanya dapat mempercepat tercapainya kesetimbangan,ada atau tidaknya katalis komposisi kesetimbangan akan tetap sama.Katalis mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivitas (Ea).Meskipun menurunkan energi aktivitas reaksi,katalis tidak mempengaruhi tingkat energi/entalpi produk dan pereaksi.Dengan kata lain penggunaan katalis tidak akan mengubah perubahan enalpi reaksi

Pembahasan

{\displaystyle {\mbox{laju reaksi maju}}=k_{+}\mathrm {A} ^{\alpha }\mathrm {B} ^{\beta }\,\!}

{\displaystyle {\mbox{laju reaksi mundur}}=k_{-}\mathrm {S} ^{\sigma }\mathrm {T} ^{\tau }\,\!}

1.        Reaksi Rantai

Reaksi berantai adalah urutan reaksi di mana produk reaktif atau produk sampingan menyebabkan reaksi tambahan terjadi. Reaksi rantai melibatkan radikal dimana atom atau molekul yang mengandung elektron tidak berpasangan. Reaksi rantai dibagi menjadi 3 bagian yaitu :

a.       Inisiasi (bagian awal) à terdapat molekul sehingga menghasilkan radikal

b.      Propagasi (bagian berulang) à terdapat radikal₁ + molekul₁ menjadi radikal lain + molekul yang lain

c.       Terminal (bagian akhir) à terdapat radikal_{1 +} radikal₂ menjadi molekul

 

Contoh reaksi rantai :

a.       Br₂ à 2Br

b.      Br + H₂ à HBr + Br

c.       H + Br₂

d.      2Br à Br₂

 

·         Tahap inisiasi à Br₂ à 2Br

·         Tahap propagasi à Br + H₂ à HBr + Br dan H + Br₂

·         Tahap terminasi à 2Br à Br₂

·         Reaksi eliminasi lain dalam mekanisme adalah H + HBr à H₂ + Br. Apa pengaruhnya pada laju pembentukan HBr ? akan mengurangi HBr

 

Reaksi diatas (a,b,c dan d) tidak boleh di bolak balik penulisannya/tahapnya, misal H + Br₂ terlebih dahulu maka radikal H siapa yang menghasilkan sehingga menyebabkan tidak logis

 

 

a.      Reaksi Rantai Bercabang

Contoh : reaksi pembelahan inti nuklir dimana 1 netron dapat menembak 1 inti nuranium tetapi 1 inti nuranium yang telah ditembak menghasilkan 3 netron baru dan 3 netron tersebut dapat membelah uranium yg lain

 

2.        Katalis

·         Mempercepat reaksi tetapi tidak dikonsumsi oleh reaksi

Dimana reaksi menurunkan energi aktivasi

·         Dapat muncul dalam hukum laju

·         Menurunkan Ea reaksi

·         Dapat berupa katalis heterogen atau homogen

Dimana reaksi katalis homogen terdiri dari semua campuran, jika reaksi cair maka katalis juga cair (1 wujud 1 reaksi) sedangkan reaksi katalis heterogen berbeda wujud dan reaksinya

3.        Kesetimbangan

Kesetimbangan merupakan keadaan akhir reaksi

·         Reaksi berlangsung hingga mencapai kesetimbangan

·         Laju pencapaian kesetimbangan telah dibahas di kinetika kimia

·         Keadaan kesetimbangan adalah keadaan dengan energi bebas minimum

·         Posisi kesetimbangan tergantung reaksinnya

Ø  Ada yang dekat dengan reaktan , K <<

Ø  Ada yang dekat dengan produk, K >>

 

Contoh nilai kesetimbangan :

·       CH₃ COOH (aq) + H₂O (aq) à H₂O (aq) + CH₃ COO^- (aq)

K= 1,8.10^-5 à dekat dengan reaksi

·       Zn +Cu²⁺ (aq) à Zn²⁺ (aq) + Cu

K = 1,4.10³⁷ dekat dengan produk

 

a.      Kesetimbangan Kimia = Kesetimbangan Dinamik

Didalam kesetimbangan reaksi masih berjalan

·       Laju reaksi maju = laju reaksi balik]

·       Akibatnya kosentrasi spesi-spesi dalam kesetimbangannya konstan

·       Mirip dengan kesetimbangan dalam perubahan fasa

b.      Ungkapan Aksi Massa

·         Disebut juga Kuosien (quotient, Q)

-Q = K hanya pada kesetimbangan

·         Untuk reaksi aA + bB à cC +dD

Ungkapannya : Q = 

Contoh :

Cu²⁺ (aq) + 4NH₃ (aq) à [Cu (NH₃)₄²⁺] (aq)

Maka :  

 

c.      Tetapan Kesetimbangan

·         Diberi lambang Kc bila digunakan M sebagai satuan kosentrasi

·         Nilainnya bergantung pada suhu (lihat pada persamaan Van Hoff)

Hm (K1/K2) = ΔH/R (1/T2 – 1/T1)

·         Nilainya khas untuk reaksi dan suhu tertentu

ΔG = -RTInK

K = Al^-Ea/R

 

d.       Tetapan Kesetimbangan

·         Untuk reaksi aA + bB à cC + dD, K :

K = 

Ungkapan K untuk reaksi

Ø  cC + dD à aA + bB

Ø  K aA + K bB à K cC + K dD

Contoh :

N₂ (g) + 3H₂ (g) à 2NH₃ (g) , Kc = 500

Berapa nilai Kc 2NH₃ (g) à N₂ (g) + 3H₂ (g) yaitu 1/500

e.      Posisi Kesetimbangan Unik

Kesetimbangan dapat dicapai dari arah reaktan maupun produk

 

f.       Tetapan Kesetimbangan Gas Kp

Untuk fasa gas kosentrasi dapat diganti dengan tekanan parsial gas

 

g.        Hubungan Kc dan Kp

·         Karena PV = nRT maka P/RT = n/v

·         Molar = P/RT maka Kp = Kc (RT)^Δn

Δn = jumlah mol gas diproduk – jumlah mol yang reaktan

 

Contoh :

Al (g) + 2B (g) à 4C (g)

Bila Kc = 0,99 pada 25̊C berapa nilai Kp?

Kp = Kc (RT)^Δn

      = 0.99 x (0,082 x 298)¹

      = 24

Nilai R tergantung, jika T atmosfer maka nilai R = 0,082

Δn = 4-3 = 1

 

h.      Kesetimbangan Heterogen

·         Dalam reaksi yang melibatkan zat yang fasannya tidak sama

·         Biasanya dinyatakan dalam Kc

·         Kosentrasi padatan dan cairan murni tidak bergantung jumlah, maka satukan dalam konstanta

Contoh :

AgCl (s) à Ag⁺ (ag) + Cl (ag)

Ksp [Ag⁺] [Cl^-]

 

Ungkapan Kesetimbangan

·         Ag⁺ (ag) + Cl^- à Ag Cl (s)

·         H₃PO₄ (ag) + H₂O (l) à H₃O⁺ (ag) + H2 PO₄^- (ag)

Q = [H₃O⁺][ H2 PO₄^-] / [H₃PO₄]

 

i.      Makna Tetapan Kesetimbangan

Bila K besar : reaksinya efisien (menghasilkan banyak produk)

Bila K kecil : reaksinya tidak efisien (reaktan masih mendominasinnya)

Bila 10^-2 > K > 10³ pada kesetimbangan : pereaksi dan hasil reaksi ada dalam jumlah yang signifikan

 

j.        Pergeseran Kesetimbangan

·         Prinsip Le Chatilier

Dimana gangguan sistem pada kesetimbangan {Q=k} karena diganggu {Q#k} akan bersusun untuk mengurangi tekanan itu

·         Bila pada sistem kesetimbangan diganggu dengan adanya perubahan suhu , tekanan atau konsetrasi dari salah satu komponen dalam sistem maka sistem akan untuk melawan pengaruh perubahan untuk kembali ke keadaan kesetimbangan.

·         Bergeser kekanan bila gangguan mengakibatkan Q < k

·         Bergeser kekiri bila gangguan mengakibatkan Q > k

Contoh : Ag⁺ (ag) + Cl^- (ag) à AgCl (s)

Manakah yang akan menggeser kesetimbangan kekanan ?

Penambahan HCl (ag)

Penambahan Ag NO₃

Pengurangan AgCl

 

k.      Katalis dan Kesetimbangan

·         Katalis akan menentukan Ea baik untuk reaksi maju dan reaksi balik

·         Perubahan Ea mempengaruhi Kr (reaksi maju) dan Kl (reaksi balik) sama besar

·         Katalis tidak akan mempengaruhi kesetimbangan

 

l.      Perhitungan Kesetimbangan

Contoh Suatu sistem tertutup mula- mula mengandung 1.000 x 10−3 M H2 and 2.000 x 10−3 M I2 Pada suhu 448 oC reaksi berada dalam keadaan kesetimbangan. Hasil analisis campuran dalam keadaan kesetimbangan mengandung HI sebanyak 1.87 x 10−3 M. Hitunglah harga Kc pada suhu tersebut.

H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g)

Harga konstanta kesetimbangan

Kc = [HI]² / [H₂ ].[I₂]

= (1.87 x 10^-3 )² (6.5 x 10^-5 )/(1.065 x 10^-3 )

= 51

 

Penutup

Kesetimbangan akan terjadi bila suatu reaksi imia dapat berlangsung dua arah.Pada saat kesetimbangan tercapai,kecepatan reaksi ke kiri adalah sama dengan reaksi ke kanan.Sistem kesetimbangan homogen terjadi bila dalam system terdapat satu fasa,sedangkan jika fasa komponen zat lebih dari satu atau berbeda disebut kesetimbangan heterogen.

Peneraapan siistem kesetimbangan dalam proses industry pada kondisi-kondisi tertentu (konsentrasi,tekanan,katalis,dan temperatur) agar proses dapat dilakukan secara ekonomis.Salah satu proses yang menggunnakan prinsip system kesetimbangan dalam reaksi adalah proses Haber-Bosch dalam pembentukan ammonia.

 

Daftar Pustaka

https://mimirbook.com/id/5bba86b265d

https://youtu.be/9XuUic3EklY

https://id.wikipedia.org/wiki/Kesetimbangan_kimia

https://id.wikipedia.org/wiki/Katalis