kesetimbangan kimia

Pergeseran Kesetimbangan

Dari sebuah eksperimen kesetimbangan air dan uap air dalam bejana tertutup (Gambar 1.0), diketahui bahwa penambahan beban menyebabkan adanya tambahan tekanan yang berdampak pada penurunan volume bejana. Adanya reaksi diikuti oleh sistem kesetimbangan untuk mengembalikan tekanan ke keadaan semula, yakni dengan menambah jumlah molekul yang berubah ke fasa uap. Setelah tercapai kesetimbangan yang baru, jumlah air lebih sedikit dan uap air terdapat lebih banyak. Hal ini mengindikasikan telah terjadi pergeseran kesetimbangan.

Gambar 1.0.

Perubahan tekanan pada kestimbangan air dan uap air dalam system tertutup
Le Cathelier mencoba mencermati proses pergeseran kesetimbangan, dan dia menyatakan; jika suatu sistem berada dalam keadaan setimbang, dan ke dalamnya diberikan sebuah aksi, maka sistem tersebut akan memberikan reaksi. Dalam kesetimbangan reaksi tersebut dilakukan oleh sistem dengan menggeser kesetimbangan.
Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi keadaan kesetimbangan kimia adalah perubahan konsentrasi, volume, tekanan dan suhu.

Pengaruh konsentrasi

Dalam keadaan kesetimbangan, jika konsentrasi salah satu zat ditingkatkan maka kesetimbangan akan bergeser kearah yang berlawanan dari zat tersebut Untuk lebih jelasnya, kita perhatikan contoh reaksi dibawah ini:
N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3
Jika dalam keadaan kesetimbangan konsentrasi gas NH3 kita tambah. Hal ini menyebabkan reaksi peruraian NH3 meningkat atau NH3 berubah menjadi gas N2 dan H2, sehingga mencapai kesetimbangan kembali. Sebaliknya jika gas NH3 kita kurangi, akan menyebabkan gas N2 dan gas H2 bereaksi lagi membentuk NH3 sampai mencapai kesetimbangan.

Pengaruh volume dan tekanan

Untuk reaksi dalam fasa cair perubahan volume menyebabkan perubahan konsentrasi. Peningkatan volume menyebabkan penurunan konsentrasi, ingat satuan konsentrasi zat adalah mol/L, banyaknya zat dibagi berat molekulnya di dalam 1 Liter larutan.
Demikian pula reaksi dalam fasa gas, volume gas berbanding terbalik terhadap tekanan, peningkatan volume menyebabkan penurunan tekanan. Di sisi lain, tekanan berbanding lurus terhadap mol gas, seperti yang ditunjukan dalam persamaan gas ideal :

dimana
p = tekanan,
V = Volume
N = mol gas
R = tetapan gas
T = Suhu dalam K

Dari persamaan di atas akan tampak bahwa dengan memperkecil tekanan sama dengan memperbesar volume, dan perubahan tekanan sama dengan perubahan konsentrasi (n/V).
Sedangkan untuk tekanan gas total

Dalam sistem kesetimbangan peningkatan volume gas tidak mempengaruhi kesetimbangan jika jumlah koofisien reaksi sebelum dan sesudah adalah sama.
H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)
Koofisien gas H2 dan I2 adalah 1 (satu), total sebelah koofisien sebelah kiri adalah 2 (dua). Koofisien untuk gas HI adalah 2 (dua), sehingga koofisien sebelah kiri dan kanan tanda panah adalah sama. Peningkatan volume 2 kali lebih besar tidak memberikan perubahan terhadap rasio konsentrasi antara sebelah kanan dan sebelah kiri tanda panah, mula konsentrasi :

H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)

n/V n/V 2n/V

V diperbesar n/2V n/2V 2n/2V
Oleh karena rasio koefisien tetap sehingga tekananpun memiliki rasio yang tetap.
Untuk lebih mudahnya perhatikan contoh soal dan penyelesaian pada bagan 1.1.

Bagan 1.1

Perhitungan harga Kp untuk pembentukan asam iodida dari H2 dan I2, dimana komposisi konsentrasi adalah 1 mol/L, 1 mol/L dan 2 mol/L, dimana tekanan totalnya 2 atm dan Volume diperbesar menjadi 2 liter.
Dalam kasus yang berbeda, jika dalam kesetimbangan koofisien sebelum dan sesudah reaksi tidak sama, maka penurunan volume dapat menyebabkan reaksi bergeser menuju koofisien yang lebih kecil dan sebaliknya jika volume diperbesar kesetimbangan akan bergerak ke arah jumlah koofisien yang lebih besar sesuai dengan persamaan reaksi di bawah ini:
N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3
Jika volume diperkecil komposisi konsentrasi di sebelah kiri tanda panah menjadi lebih besar sehingga (atau konsentrasi lebih pekat), dan reaksi bergeser ke arah pembentukan gas amoniak. Demikian pula sebaliknya jika volume diperbesar, terjadi reaksi peruraian dari amoniak menghasilkan gas Nitrogen dan Hidrogen atau dengan kata lain reaksi kesetimbangan bergeser ke kiri yaitu penguraian NH3 menjadi N2 dan H2.

Pengaruh Suhu

Secara kualitatif pengaruh suhu dalam kesetimbangan kimia terkait langsung dengan jenis reaksi eksoterm atau reaksi endoterm. Jika pada reaksi kesetimbangan kita naikan suhunya, maka reaksi kimia akan bergeser kearah reaksi yang membutuhkan panas (Bagan1.2.)

Bagan 1.2.

faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan
Kita ambil contoh di bawah ini.
CO + 2 H2 ⇄ CH3OH ΔH = -22 kkal.
Jika pada reaksi kesetimbangan pada pembentukan Metanol, suhu kita naikan, maka reaksi akan berubah ke arah peruraian metanol menjadi gas CO dan gas Hidrogen. Mengingat reaksi peruraian metanol membutuhkan panas atau endoterm.
CH3OH ⇄ CO + 2 H2 ΔH = +22 kkal
Menaikan suhu, sama artinya kita meningkatkan kalor atau menambah energi ke dalam sistem, kondisi ini memaksa kalor yang diterima sistem akan dipergunakan, oleh sebab itu reaksi semakin bergerak menuju arah reaksi endoterm.

Tetapan kesetimbangan kimia

Dalam system tertutup, dimana tekanan dan suhu dijaga, maka energi bebas Gibbs adalah nol.

Dalam keadaan kesetimbangan reaksi berlangsung dalam dua arah yaitu ke arah pembentukan dan ke arah penguraian. Kita ambil contoh reaksi berikut
N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3
Dari persamaan kesetimbangan di atas nampak bahwa gas nitrogen bereaksi dengan gas hidrogen membentuk gas amoniak, ditandai dengan arah reaksi ke kanan. Sedangkan reaksi ke arah kiri merupakan reaksi penguraian dari gas amoniak menjadi gas nitrogen dan gas Hidrogen.
Pada saat kesetimbangan, ke tiga zat ada di dalam campuran, dimana komposisi zat tidak sama atau tidak sesuai dengan persamaan reaksinya.
Komposisi zat yang ada dalam kesetimbangan dicerminkan oleh harga tetapan kesetimbangan, perhatikan Gambar 1.3

Gambar 1.3.

Kesetimbangan gas dari pembentukan senyawa NH3 dari gas N2 dan H2 dalam system tertutup
Reaksi umum dari kesetimbangan;
a A + b B ⇄ c C + d D
dan berlaku energi bebas Gibbs ΔG = 0, dimana

Kp = Tetapan kesetimbangan (dalam fasa gas)
pC = tekanan gas C, dengan koofisien reaksi c
pD = tekanan gas D dengan koofisien reaksi d
pA = tekanan gas A dengan koofisien reaksi a
pB = tekanan gas B dengan koofisien reaksi b.
Selanjutnya, Guldenberg dan Waage, mengembangkan kesetimbangan dalam fasa larutan, dan mereka menemukan bahwa dalam keadaan kesetimbangan pada suhu tetap, maka hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi dibagi dengan hasil kali konsentrasi pereaksi yang sisa dimana masing-masing konsentrasi itu dipangkatkan dengan koefisien reaksinya adalah tetap. Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Guldberg dan Wange, dan disederhanakan ke dalam persamaan

Kc = Tetapan kesetimbangan (dalam fasa gas)
[C] = tekanan gas C, dengan koofisien reaksi c
[D]= tekanan gas D dengan koofisien reaksi d
[A] = tekanan gas A dengan koofisien reaksi a
[B] = tekanan gas B dengan koofisien reaksi b
Persamaan tetapan kesetimbangan di atas, dapat memberikan informasi bahwa harga K kecil menunjukan bahwa zat-zat hasil reaksi (zat C dan D) lebih sedikit dibandingkan dengan zat-zat yang bereaksi (zat A dan B).
Jika kita mengukur harga K dan besarnya belum mencapai harga K pada saat kesetimbangan, berarti reaksi yang dilakukan belum mencapai kesetimbangan.

Jenis Reaksi Kesetimbangan

Reaksi kesetimbangan dapat digolongkan berdasarkan fasa dari zat yang bereaksi dan hasil reaksinya, sehingga dikenal dua jenis reaksi kesetimbangan yaitu reaksi kesetimbangan homogen dan heterogen, perhatikan skema penggolongan reaksi seperti yang diunjukkan pada Bagan 1.4.

Bagan 1.4

 Penggolongan reaksi kesetimbangan berdasarkan fasa senyawa yang beraksi
Reaksi kesetimbangan homogen merupakan reaksi kesetimbangan dimana semua fasa senyawa yang bereaksi sama.
Kesetimbangan dalam fasa gas :
N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g)
2 SO (g) + O (g) ⇄ 2 SO (g)
Kesetimbangan dalam fasa larutan :
CH3COOH(aq) ⇄ CH3COO-(aq) + H+(aq)
NH4OH(aq) ⇄ NH4+ (aq) + OH-(aq)
Reaksi kesetimbangan heterogen terjadi jika fasa dari senyawa yang bereaksi berbeda.
Kesetimbangan dalam sistem padat gas, dengan contoh reaksi :
CaCO3(s) ⇄ CaO (s) + CO2 (g)
Kesetimbangan padat larutan, terjadi pada peruraian Barium sulfat dengan persamaan reaksi :
BaSO4(s) ⇄ Ba2+(aq) + SO42-(aq)
Kesetimbangan padat larutan gas, dengan contoh reaksi :
Ca(HCO3)2(aq) ⇄ CaCO3(s) + H2O (l) + CO2(g)

Disosiasi

Banyak senyawa dalam suhu kamar terurai secara spontan dan menjadi bagian-bagian yang lebih sederhana, peristiwa ini dikenal dengan istilah disosiasi. Reaksi disosiasi merupakan reaksi kesetimbangan, beberapa contoh reaksi disosiasi sebagai berikut:
N2O4 (g) ⇄ 2 NO2 (g
NH4Cl (g) ⇄ NH3 (g) + HCl(g)
Ukuran banyaknya zat yang terurai dalam proses disosiasi dinyatakan dalam notasi D = derajat disosiasi, dengan persamaan :

derajat disosiasi memiliki harga 0 ≤ α ≥ 1.
Untuk lebih mudahnya kita perhatikan contoh seperti pada bagan atau Bagan 1.5

Bagan 1.5 Contoh soal disosiasi untuk sulfur trioksida