Kesetimbangan Kimia

A.    Pengertian Kesetimbangan Kimia

Kesetimbangan adalah suatu keadaan dimana tidak teramati adanya perubahan selang waktu tertentu. Jika suatu reaksi kimia mencapai kesetimbangan maka konsentrasi reaktan maupun produk adalah tetap. Hal ini tidak menandakan bahwa aktivitas sistem juga dalam keadaan diam akan tetapi tetap terjadi reaksi secara terus menerus dimana molekul-molekul produk menjadi reaktan kembali.

B.    Keadaan Kesetimbangan

    Suatu reaksi dimana zat-zat hasil reaksi (ruas kanan) tidak dapat bereaksi kembali menjadi zat-zat pereaksi (ruas kiri) disebut reaksi berkesudahan atau reaksi irreversibel (tidak dapat balik) disimbolkan dengan sebuah anak panah ke kanan, sebaliknya jika zat-zat di ruas kanan dari persamaan reaksi dapat bereaksi kembali membentuk zat-zat di ruas kiri disebut dengan reaksi kesetimbangan atau reaksi mampu balik (reversibel) dalambangkan dengan dua anak panah berlawanan arah.

Jenis-jenis reaksi kesetimbangan antara lain:

            1.      Reaksi kesetimbangan dalam sistem homogen (serba sama), yang terdiri atas:

·  Kesetimbangan dalam fase antara gas-gas

·  Kesetimbangan dalam fase antara larutan-larutan

            2.      Reaksi kesetimbangan dalam sistem heterogen (serba berbeda), yang terdiri atas:

·  Kesetimbangan dalam fase antara padat – gas

·  Kesetimbangan dalam fase antara padat – larutan

Contoh-contoh reaksi kesetimbangan dalam berbagai fase:

-       

Kondisi reaksi kesetimbangan tercapai jika kecepatan reaksi ke kanan akan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri, dimana pembentukan zat-zat di ruas kanan selalu disertai dengan pembentukan kembali zat-zat di ruas kiri. Dengan demikian pada reaksi kesetimbangan, zat hasil reaksi dapat bertindak sebagai preaksi demikian pula sebaliknya. Kenyataan itu menyebabkan konsentrasi zat dalam reaksi kesetimbangan selaluberubah-ubah, meskipun dalam analisa reaksi dapat dianggap selesai dimana konsentrasi zat adalah tetap.

C. Hukum Kesetimbangan

Persamaan umum sebuah reaksi kesetimbangan dituliskan dalam bentuk:

sehingga keadaan kesetimbangan pada suhu tetap adalah merupakan hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi (produk) dibagi dengan hasil kali konsentrasi zat-zat yang sisa (reaktan) dan masing-masing konsentrasi dipangkatkan dengan koefisien reaksinya atau dalam bentuk persamaan:

Persamaan diatas di kenal dengan persamaan aksi massa (persamaan kesetimbangan) yang harganya tetap selama suhunya tetap. Tetapan kesetimbangan (K_c) memberikan petunjuk benyaknya hasil reaksi yang terbentuk pada suatu reaksi kesetimbangan. Jika pada suhu tertentu harga pada ruas kanan tidak sama dengan ruas kiri persaan tersebut,dan tetapan kesetimbangan adalah:

Persamaan diatas menyatakan satuan yang digunakan untuk persamaan tetapan kesetimbangan, karenanya harga K_c hendak menyatakan kesetimbangan konsentrasi zat-zat dalam reaksi.

D. Kesetimbangan Disosiasi

Dissosiasi adalah penguraian suatu zat menjadi zat lain yang susunannya lebih sederhana. Oleh karena itu dalam suatu zat menjadi zat lain yang susunannya lebih sederhana. Oleh karena dalam suatu reaksi kesetimbangan zat-zat yang kita reaksikan tidak pernah habis tetapi terurai menjadi zat lain sebab reaksi berlangsung dalam dua arah. Proses dissosiasi yang berlangsung dalam ruang tertutup dan berakhir dengan kondisi kesetimbangan disebut dengan kesetimbangan dissosiasi.

Umumnya dissosiasi disertai pertambahan jumlah mol, dan besarnya fraksi zat yang terdossiasi disebut dengan derajat dissosiasi (α), adalah merupakan perbandingan antara jumlah mol zat yang terdossiasi/terurai/bereaksi dengan jumlah mol zat mula-mula; dinyatakan dengan persamaan:

E. Tetapan Kesetimbangan Gas

Tetapan lain yang digunakan untuk menyatakan kesetimbangan gas selain Kc adalah Kp yaitu dengan menggunakan tekanan parsial gas-gas yang terdapat dalam reaksi. Jika persamaan kesetimbangan ditulis dalam bentuk:

maka tetapan kesetimbangan menurut tekanannya (Kp) adalah:

dimana:

pA, pB, pC, dan pD = tekanan parsial gas A, B, C, dan D.

Pada kondisi kesetimbangan gas-gas A, B, C dan D bercampur pada suatu wadah tertentu, maka tekanan yang ditimbulkan adalah tekanan total, yaitu jumlah total dari tekanan parsial dari masing-masing gas. Tekanan parsial gas-gas adalah berbanding lurus dengan jumlah mol gas-gas tersebut, sehingga untuk menentukan tekanan parsial gas A dari suatu campuran gas digunakan persamaan:

dimana: PA= tekanan parsial gas A (atm)

Tekanan kesetimbangan menurut tekanannya hanya dapat dihitung jika zat dalam bentuk gas karena hanya gas yang memiliki tekanan parsial.

F. Manfaat Tetapan Kesetimbangan

Tekanan kesetimbangan dalam sebuah reaksi kesetimbangan dapat berguna untuk:

1.    Mengetahui sejauh mana reaksi berlangsung; besar kecilnya nilai tetapan kesetimbangan akan menandakan ke arah mana kesetimbangan akan bergeser. Jika nilai tetapan kesetimbangan besar maka kesetimbangan bergeser ke arah kanan, sebaliknya jika nilai tetapan kesetimbangan kecil maka kesetimbangan bergeser ke arah kiri sehingga akan banyak produk berubah menjadi reaktan.

2.    Meramalkan arah proses reaksi, untuk menentukan arah pergeseran reaksi untuk mencapai kesetimbangan, maka kita harus membandingkan harga Qc dan Kc, dimana Qc (Quotient) yang disebut sebagai hasil bagi reaksi diperoleh melalui pemasukan harga konsentrasi awal ke dalam persamaan kesetimbangan. Ada tiga kemungkinan yang dapat terjadi dari perbandingan nilai Kc dan Qc yaitu:

a.       Qc > Kc; harga perbandingan konsentrasi awal produk terhadap reaktan adalah cukup besar, sehingga untuk mencapai kesetimbangan maka reaktan harus berubah menjadi produk.

Proses berjalan ke kanan.

b.      Qc = Kc; konsentrasi mula-mula adalah konsentrasi pada kesetimbangan

c.       Qc < Kc; harga perbandingan konsentrasi awal produk terhadap reaktan adalah cukup kecil, sehingga untuk mencapai kesetimbangan maka produk harus berubah menjadi reaktan.

Proses berjalan ke kiri.

Menentukan komposisi zat dalam kesetimbangan ; setiap reaksi kesetimbangan mempunyai harga K tertentu pada suhu tertentu pula. Komposisi kesetimbangan sangat bergantung pada perbandingan awal mol-mol zat yang terlibat dalam reaksi, sehingga dengan mengetahui harga Kc kita dapat menentukan komposisi zat dalam kesetimbangan.

G. Pergeseran Kesetimbangan

Meskipun pada reaksi kesetimbangan reaksinya berlangsung dalam dua arah dan tak berkesudahan, akan tetapi keadaan kesetimbangan pada sebuah reaksi kimia selain ditentukan oleh tetapan kesetimbangannya kondisi kesetimbangannya dapat kita atur melalui tiga tindakan yaitu:

§     Perubahan konsentrasi zat

§     Perubahan volume dan tekanan gas

§     Perubahan suhu

Hal ini dapat dipahami bahwa jika sebuah sistem dalam kondisi setimbang, maka sistem tersebut akan berusaha mempertahankan kondisi kesetimbangannya jika mendapat gangguan dari luar. Dengan demikian yang terjadi adalah sistem tetap pada kondisi setimbang meskipun akan mengalami pergeseran.

1. Perubahan Konsentrasi Zat

Jika sebuah persamaan reaksi dituliskan dalam bentuk:

dan jika zat A kita tambahkan ke dalam campuran dengan sendirinya akan memperbesar konsentrasi zat A sehingga zat C yang terbentuk akan lebih banyak dan kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan dari zat tersebut yaitu ke arah C, sebaliknya jika konsentrasi zat A diperkecil, maka konsentrasi akan bergeser ke arah zat tersebut, atau ke arah zat A. Sehingga dari persamaan kesetimbangan;

dapat diketahui bahwa agar harga K tetap, maka jika zat A diperbesar maka arah kesetimbangan akan bergeser ke C, sebaliknya jika A dikurangi maka arah kesetimbangan akan bergeser ke A.

2. Perubahan Volume dan Tekanan Gas

Pada suhu tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya, sehingga dengan memperbesar tekana berarti akan memperkecil volume gas demikian pula sebaliknya, dan kesetimbangan akan bergeser ke reaksi yang jumlah koefisiennya terkecil. Dengan demikian dari persamaan (5 – 6) untuk reaksi kesetimbangan zat A, B dan C, jika tekanan diperbesar artinya volume diperkecil maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi yang jumlah koefisien reaksinya kecil, yaitu ke C. Jika tekanan diperkecil, maka volume diperbesar dan kesetimbangan bergeser ke arah reaksi yang jumlah koefisien reaksinya besar, yaitu ke A dan B.

3. Perubahan Suhu

Menurut Van’t Hoff:

• Bila pada sistem kesetimbangan subu dinaikkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membutuhkan kalor (ke arah reaksi endoterm). Pada kondisi ini entalpi produk (Hp) lebih besar dari entalpi reaktan (H_p) dan Total entalpi ∆H = H_P – H_R = positif. Pada reaksi endoterm sejumlah kalor masuk dari lingkungan ke dalam sistem.
• Bila pada sistem kesetimbangan suhu diturunkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membebaskan kalor (ke arah reaksi eksoterm). Pada kondisi ini entalpi produk (H_P) lebih kecil dari entalpi reaktan (H_R) dan Total entalpi ∆H = H_P – H_R = negatif. Pada reaksi eksoterm sejumlah kalor keluar dari sistem ke lingkungan.

Perhatikan reaksi:

Reaksi pembuatan SO₃ merupakan reaksi endoterm (menyerap/memerlukan/membutuhkan kalor). Jika suhu dinaikkan maka akan terjadi penambahan sejumlah kalor dan sistem akan menyerap kalor sehingga kesetimbangan akan bergeser ke kanan pada zat yang memerlukan kalor (SO₃) atau endoterm, sebaliknya jika suhu diturunkan maka akan terjadi pelepasan sejumlah kalor sehingga kesetimbangan akan bergeser ke zat yang menghasilkan kalor (SO₂ dan O₂) atau eksoterm.

4. Optimasi Reaksi di Industri

Informasi tentang faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan sangat diperlukan bagi dunia industri kimia untuk menentukan kondisi optimum suatu reaksi dalam membentuk kesetimbangan. Dengan melakukan rekayasa kondisi kesetimbangan suatu reaksi kimia dengan menggeser kesetimbangan ke arah produk yang lebih banyak diharapkan akan menghasilkan produk yang sebesar-besarnya dengan biaya yang semurahnya-murahnya, yaitu:

§     Produksi Amonia (NH₃) dengan metode Haber-Bosch

§     Produksi asam sulfat (H₂SO₄) dengan proses kontak

§     Produksi asam nitrat (HNO₃) dengan metode Ostwald

a. Produksi Amonia dengan metode Haber-Bosch

Amonia merupakan bahan dasar dari pembuatan pupuk, sebagai pelarut, bahan utama dalam refrigerator, bahan pembersih dan lain sebagainya yang pertama kali dilakukan oleh Fritz Haber dan Karl Bosch. Bahan utama pembuatan amonia adalah gas nitrogen yang 79% terdapat di alam dan hodrogen dengan persamaan reaksi:

Proses pembuatan amonia skala industri dilakukan dengan tahapan (lihat gambar 5-1) sebagai berikut:

§     Pencampuran pereaksi dengan skala N2:H2 = 3:1

§     Pemurnian pereaksi dari gas-gas yang tidak berguna

§     Pengkondisian pereaksi dengan mengatur suhu dan tekanan

§     Pemilihan katalis dan pencairan amonia

Amonia dibuat melalui dua perlakuan yaitu rekayasa suhu dan rekayasa tekanan. Untuk meningkatkan produksi amonia dilakukan pada suhu rendah sehingga kesetimbangan akan bergeser ke arah produk, akan tetapi pada suhu yang terlalu rendah reaksinya menjadi sangat lambat. Dengan pertimbangan produk dan hasil maka temperature yang digunakan adalah 500derajat Celcius.

Gambar 5 – 1: Proses pembuatan amonia di industri

Perubahan tekanan dapat dilakukan pada proses pembuatan amonia karena jumlah koefisien reaksi produk dan pereaksi tidak sama. Oleh karena koefisien reaksi produk lebih kecil dan koefisien pereaksi maka dengan kenaikan tekanan akan menggeser posisi kesetimbangan ke arah produk. Besar tekanan ideal yang digunakan pada industri amonia adalah 250 atm. Semakin besar tekanan maka akan semakin besar pula produk yang dihasilkan akan tetapi dengan kenaikan tekanan akan menimbulkan ledakan jika bahan yang digunakan tidak mampu menahan beban.

b.  Produksi asam sulfat (H₂SO₄) dengan proses kontak

Asam sulfat (H2SO4) merupakan bahan baku untuk pembuatan detergen, pupuk, cat, pembuatan besi dan baja, pembuatan pulp, dan kertas dan sebagainya. Pembuatan asam sulfat untuk skala industri dilakukan melalui proses kontak dengan tahap-tahap berikut:

1)      Pembentukan Belerang Dioksida dengan persamaan reaksi:

Pada tahap ini belerang cair disemprotkan ke dalam bejana dengan suhu sekitar 100derajat Celcius, kemudian dibakar lalu membentuk belerang dioksida.

2)      Pembentukan Belerang Trioksida dengan persamaan reaksi:

Belerang dioksida yang dihasilkan selanjutnya dialirkan ke dalam reactor yang berisi katalis V₂O₅ pada suhu dan tekanan yang terkontrol yaitu 400 derajat C -500 dejata C dan 2 – 3 atm, sehingga pada reactor akan terjadi reaksi kesetimbangan.

3)      Pembentukan Asam Sulfat dengan persamaan reaksi:

Gas belerang trioksida selanjutnya diserap oleh asam sulfat encer membentuk asam pirosulfat. Ke dalam asam pirosulfat tersebut ditambahkan air sehingga asam sulfat tersebut terurai kembali menjadi asam sulfat, dengan persamaan reaksi:

c. Produksi asam nitrat (HNO₃) dengan metode Ostwald

Asam nitrit (HNO₂) banyak digunakan untuk pembuatan pupuk, reaksi nitrasi pada pembuatan TNT, plastic celupan, pernis dan sebagainya. Proses Ostwald yaitu pembuatan asam nitrat yang menggunakan bahan mentah amonia dan udara yang banyak terdapat di alam melalui proses sebagai berikut:

1)      Tahap pembentukan Nitrogen Oksida dengan persamaan reaksi:

Campuran amonia dan udara dialirkan melewati katalis Pt-Rh pada temperature 850 dan tekanan 5 atm.

2)      Tahap pembentukan Nitrogen Dioksida dengan persamaan reaksi:

Pada tahap ini nitrogen monoksida yang dihasilkan dioksida kembali dan membentuk gas nitrogen dioksida.

3)      Tahap pembentukan asam nitrat dengan persamaan reaksi:

Pada tahap ini nitrogen dioksida bersama-sama dengan udara berlebih dilarutkan dalam air panas dengan suhu 80 derajat C akan membentuk asam nitrat.

Untuk mempercepat tercapainya kondisi kesetimbangan maka ke dalam reaksi ditambahkan gas inert atau katalis yang tidak ikut bereaksi sehingga tidak akan mempengaruhi kondisi kesetimbangan sebab tidak mengubah tekanan parsial masing-masing gas dengan sendirinya tidak akan mengubah komposisi gas itu sendiri. Penambahan gas inert hanya menaikkan tekanan total dari campuran gas sehingga tekanan total pada reaksi pembentukan asam amonia adalah:

H.    Manipulasi Tetapan Kesetimbangan

Kesetimbangan kimia dapat dimanipulasi sehingga mempengaruhi tetapan kesetimbangannya melalui penjumlahan, pembalikan arah atau perkalian koefisien reaksi dengan bilangan tertentu.

1.      Penggabungan Persamaan Kesetimbangan

Jika dua atau lebih persamaan kimia yang mengandung unsur dalam keadaan setimbang digabungkan, maka tetapan kesetimbangan dari hasil gabungan tersebut adalah perkalian dari tetapan kesetimbangan yang digabungkan. Secara umum manipulasi penggabungan beberapa persamaan kimia dalam kesetimbangan dapat dirumuskan dengan persamaan:

2.      Penggabungan Persamaan Kesetimbangan

Jika penulisan persamaan reaksi dalam kesetimbangan dibalikkan, maka harga tetapan kesetimbangan baru merupakan kebalikan dari tetapan semula. Misalnya perhatikan persamaan kesetimbangan berikut ini:

a.       

Kebalikan dari persamaan tersebut adalah

b.      

Dari kedua persamaan tersebut diatas dapat dilihat bahwa nilai tetapan kesetimbangan persamaan (a) adalah kebalikan dari tetapan kesetimbangan persamaan (b).