Termodinamika 2: Reaksi Kimia dan kesetimbangan

 

TERMODINAMIKA 2: REAKSI KIMIA DAN KESETIMBANGAN 

Aisyah Imelia Wardhani (@Z-09)

Abstrak

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa “setiap proses yang terjadi secara spontan akan selalu menyebabkan peningkatan entropi ( S) alam semesta. Dengan kata sederhana, hukum tersebut menjelaskan bahwa entropi sistem yang terisolasi tidak akan pernah berkurang seiring waktu.” Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan arahnya).

Rumusan masalah

1.      Apa itu hukum ke-2 termodinamika?

2.      Apa hubungan antara energi bebas dan konstanta kesetimbangan?

3.      Apa hukum aksi massa dan konstanta kesetimbangan?

Tujuan

1.      Dapat mengerti hukum ke-2 termodinamika

2.      Dapat mengetahui hubungan antara energi bebas dan konstanta kesetimbangan

3.      Dapat mengetahui hukum aksi massa dan konstanta kesetimbangan

Pendahuluan

Konsep Hukum II Termodinamika bermula dari pendapat Kelvin-Planck, yang menyatakan tidak mungkin membuat mesin yang menyerap kalor dari reservoir panas dan mengubah seluruhnya menjadi kerja. Demikian juga dengan pernyataan Clausius, yang menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin pendingin yang menyerap kalor dari reservoir bersuhu rendah dan membuang ke reservoir bersuhu tinggi tanpa bantuan kerja dari luar.

Pembahasan

Berdasarkan konsep entropi dan spontanitas, hukum kedua termodinamika didefinisikan atas dasar berikut:

1. Semua proses spontan tidak dapat diubah secara termodinamika.
2. Tidak mungkin mengubah panas sepenuhnya menjadi kerja tanpa pemborosan.
3. Entropi alam semesta terus meningkat.
4. Perubahan entropi total, yaitu perubahan entropi sistem + perubahan entropi lingkungan, adalah positif

Konstanta kesetimbangan dari suatu reaksi kimia adalah nilai dari hasil bagi reaksinya pada kesetimbangan kimia, suatu keadaan yang didekati oleh sistem kimia dinamis setelah waktu yang cukup telah berlalu di mana komposisinya tidak memiliki kecenderungan terukur terhadap perubahan lebih lanjut. Untuk satu set kondisi reaksi tertentu, konstanta kesetimbangan tidak bergantung terhadap konsentrasi analitis awal dari spesi reaktan dan produk dalam campuran.

Hubungan antara Energi Bebas dan Konstanta Kesetimbangan

Keseimbangan antara reaktan dan produk dalam suatu reaksi akan ditentukan oleh perbedaan energi bebas antara kedua sisi reaksi. Semakin besar perbedaan energi bebas, semakin besar pula reaksi yang menguntungkan salah satu pihak. Semakin kecil perbedaan energi bebas, semakin dekat campuran tersebut dengan bagian reaktan dan produk yang sama (secara longgar).

Letak keseimbangan dalam reaksi kesetimbangan dijelaskan oleh konstanta kesetimbangan. Konstanta kesetimbangan hanyalah rasio produk terhadap reaktan, setelah reaksi mencapai kesetimbangan. Pada titik itulah reaksi maju dan reaksi balik seimbang, sehingga perbandingan produk terhadap reaktan tidak berubah.

• Suatu reaksi telah mencapai kesetimbangan ketika reaksi berhenti berlangsung (yaitu tidak ada perubahan konsentrasi meskipun pada tingkat mikroskopis terjadi reaksi maju dan mundur), sehingga jumlah reaktan yang berubah menjadi produk tetap, dan jumlah reaktan tersisa tetap konstan.
• Tetapan kesetimbangan adalah perbandingan produk terhadap reaktan ketika reaksi telah mencapai kesetimbangan.

 

Perubahan energi bebas reaksi dalam keadaan apa pun, ΔG (ketika kesetimbangan belum tercapai), berkaitan dengan perubahan energi bebas standar reaksi, ΔG° (yang sama dengan selisih energi bebas pembentukan reaksi). produk dan reaktan, keduanya dalam keadaan standarnya) sesuai dengan persamaan.

ΔG = ΔG° + RT InQ

Dimana Q adalah hasil bagi reaksi.

Dalam reaksi reversibel, energi bebas campuran reaksi lebih rendah dibandingkan energi bebas reaktan dan produk. Oleh karena itu, energi bebas berkurang baik kita memulai dari reaktan atau produk, yaitu, ∆G adalah -ve dalam reaksi mundur maupun maju.

Hukum Aksi Massa dan Konstanta Kesetimbangan  

hukum aksi massa adalah sebuah dalil yang menyatakan bahwa laju dari suatu reaksi kimia berbanding lurus terhadap produk aktivitas dan konsentrasi reaktan. Secara khusus, hukum ini menyiratkan bahwa untuk campuran reaksi kimia yang berada dalam kesetimbangan, rasio antara konsentrasi reaktan dan produk bernilai konstan.  Dua aspek yang terlibat dalam formulasi awal hukum ini diantaranya:

1) aspek kesetimbangan, mengenai komposisi campuran reaksi pada kesetimbangan dan 2) aspek kinetika mengenai persamaan laju bagi reaksi elementer. Kedua aspek tersebut berasal dari penelitian yang dilakukan oleh Cato M. Guldberg dan Peter Waage antara 1864 dan 1879 di mana konstanta kesetimbangan diturunkan dengan menggunakan data kinetika dan persamaan laju yang telah mereka usulkan. Guldberg dan Waage juga mengakui bahwa kesetimbangan kimia adalah proses yang dinamis di mana laju reaksi untuk reaksi maju dan mundur harus sama pada kesetimbangan kimia. Untuk menurunkan ekspresi konstanta kesetimbangan yang menarik bagi kinetika, ekspresi persamaan laju harus digunakan. Ekspresi persamaan laju ditemukan kembali kemudian secara independen oleh Jacobus Henricus van 't Hoff.

Hukum ini merupakan pernyataan mengenai kesetimbangan dan memberikan ekspresi bagi konstanta kesetimbangan, kuantitas yang mencirikan kesetimbangan kimia. Dalam kimia modern hukum ini diturunkan menggunakan termodinamika kesetimbangan. Hukum ini juga dapat diturunkan dengan konsep potensial kimia.^[3]

Pada pertengahan tahun 1860-an, ilmuwan Norwegia CM Guldberg dan P. Waage mencatat adanya hubungan aneh antara jumlah reaktan dan produk dalam kesetimbangan. Tidak peduli berapa banyak reaktan yang mereka gunakan untuk memulai, rasio reaktan dan produk tertentu akan tercapai pada kesetimbangan. Saat ini, kita menyebut pengamatan ini sebagai hukum aksi massa . Ini berkaitan dengan jumlah reaktan dan produk pada kesetimbangan untuk suatu reaksi kimia. Untuk reaksi kimia umum yang terjadi dalam larutan,

aA + bB ⇄ cC + dD

konstanta kesetimbangan , juga dikenal sebagai K _eq , ditentukan oleh ekspresi berikut:

dimana [A] adalah konsentrasi molar spesies A pada kesetimbangan, dan seterusnya. Koefisien a , b , c , dan d dalam persamaan kimia menjadi eksponen dalam persamaan K _eq . K _eq adalah nilai numerik karakteristik untuk reaksi tertentu pada suhu tertentu ; artinya, setiap reaksi kimia mempunyai karakteristiknya masing-masing K _eq . Konsentrasi masing-masing reaktan dan produk dalam suatu reaksi kimia pada kesetimbangan saling berkaitan ; konsentrasi tidak dapat berupa nilai acak, tetapi bergantung satu sama lain. Pembilang persamaan Ke _eq menunjukkan konsentrasi setiap produk (berapa banyak produk yang dihasilkan), sedangkan penyebut persamaan Ke _eq menunjukkan konsentrasi setiap reaktan, sehingga menghasilkan produk yang sama dibandingkan definisi reaktan untuk K _eq .

Kesimpulan

Hubungan antara energi bebas dan konstanta kesetimbangan. Keseimbangan antara reaktan dan produk dalam suatu reaksi akan ditentukan oleh perbedaan energi bebas antara kedua sisi reaksi. Semakin besar perbedaan energi bebas, semakin besar pula reaksi yang menguntungkan salah satu pihak. Semakin kecil perbedaan energi bebas, semakin dekat campuran tersebut dengan bagian reaktan dan produk yang sama. Tidak peduli berapa banyak reaktan yang mereka gunakan untuk memulai, rasio reaktan dan produk tertentu akan tercapai pada kesetimbangan. Saat ini, kita menyebut pengamatan ini sebagai hukum aksi massa . 

Daftar Pustaka

Laidler, KJ (2023, 17 Mei). hukum aksi massa . Ensiklopedia Britannica . https://www.britannica.com/science/law-of-mass-action  

Asep.  2023, Mei 21. Hukum Guldberg Waage – Aksi Massa. Artikel keren. https://artikelkeren.com/hukum-guldberg-waage-aksi-massa.html

Peter Erdi dan JanosToth. (1989). Mathematical Models of Chemical Reactions: Theory and Applications of Deterministic and Stochastic Models. Manchester University Press.

Schaller. C. Energi dan Kesetimbangan Bebas. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Thermodynamics/Fundamentals_of_Thermodynamics/Free_Energy_and_Equilibrium . Universitas Saint John

Nadia. L. Modul 1 Termodinamika. https://pustaka.ut.ac.id/lib/wp-content/uploads/pdfmk/PANG4112-M1.pdf