Pengertian Kesetimbangan KIMIA kelas 12

1.    Pengertian kesetimbangan

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.

2.    Keadaan Kesetimbangan

Ø Reaksi reversibel pada suhu dan tekanan tertentu dapat mencapai keadaan kesetimbangan

Ø Pada saat mencapai keadaan kesetimbangan selalu :

·       Jumlah setiap komponen reaksi tetap

·       Laju reaksi ke hasil (v2) = laju reaksi ke pereaksi (v1)

·       Kesetimbangan kimia bersifat dinamis artinya reaksi terus berlangsung (tidak berhenti), tetapi tidak terjadi perubahan makroskopis.

·       Perubahan makroskopis adalah perubahan-perubahan yang dapat diamati seperti : perubahan suhu, perubahan warna, perubahan tekanan dan perubahan volume.

3.   Kesetimbangan Homogen dan Kesetimbangan Heterogen

Berdasarkan fase zat-zat yang terlibat dalam kesetimbangan sistem kesetimbangan kimia dibedakan menjadi :

a.     Keetimbangan homogen

Kesetimbangan homogen adalah sistem kesetimbangan yang hanya terdiri dari satu jenis fase

Beberapa reaksi kesetimbangan homogen

1)  N2 (g)   + 3 H2 (g)                 2 NH3 (g)     

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

3)  2 SO3 (g)            2 SO2 (g)   +  O2 (g)

4)  2 NO2 (g)            2 NO (g)   +  O2 (g)

5)  Fe3+(aq) +   SCN- (aq)                FeSCN2+

b.    Kesetimbangan Heterogen

Kesetimbangan heterogen adalah sistem kesetimbangan yang terdiri dari dua atau lebih  jenis fase

Beberapa reaksi kesetimbangan heterogen

a.   CaCO3 (s)                  CaO(s)   + CO2 (g)

b.  Al3+ (aq)  + 3 H2O(l)                Al(OH) (s)   +  3 H+ (aq)

c.   PbSO(s)                 Pb2+ (aq)   +   SO2- (aq)    

4.    Pergeseran Kesetimbangan

Ø Sistem kesetimbangan dapat bergeser kearah hasil reaksi (ke kanan) atau kearah pereaksi (ke kiri).

Azas Le Chetelier

Ø “Jika suatu sistem kesetimbangan diberi aksi, maka sistem kesetimbangan akan berubah (bergeser) sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi sekecil mungkin dan mencapai kesetimbangan yang baru”

Beberapa faktor yang mempengaruhi sistem kesetimbangan

a.     Perubahan Konsentrasi

Reaksi dalam keadaan kesetimbangan :

N2 (g)   + 3 H2 (g)                 2 NH3 (g)              ΔH = - 92 kJ

·       Jika konsentrasi N2 atau H2 diperbesar maka jumlah NH3 akan bertambah (kesetimbangan bergeser ke kanan).

·       Jika konsentrasi N2 atau H2 dikurangi maka jumlah NH3 akan berkurang (kesetimbangan bergeser ke kiri)

Contoh soal

Suatu reaksi  reversible

H2 (g)   +  I2 (g)                 2 HI (g)              ΔH = - 245 kJ

Pada suhu dan tekanan tertentu rekasi mencapai keadaan setimbang.  Jika pada suhu tetap, ditambahkan 0,01 mol I2. Bagaimana jumlah mol HI

Penyelesaian.

Penambahan I2 berarti menaikan konsentrasi I2 (pereaksi) maka kesetimbangan akan bergeser kearah hasil reaksi (HI), akibatnya jumlah mol HI akan bertambah.

b.    Perubahan Suhu

Pada reaksi kesetimbangan :

N2 (g)   + 3 H2 (g)                 2 NH3 (g)        ΔH = - 92 kJ

Melihat ΔH = negatif, artinya reaski ke kanan adalah eksoterm (mengeluarkan panas).maka sebaliknya reaksi ke kiri (penguraian NH3) adalah reaksi endoterm (memerlukan panas)

·        Jika suhu dinaikan maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi endoterm

·        Jika suhu diturunkan kesetimbangan bergeser ke reaksi eksoterm

Contoh soal

Suatu reaksi  reversible

N2O4 (g)                 2 NO2 (g)              ΔH = - 425 kJ

Pada suhu dan tekanan tertentu rekasi mencapai keadaan setimbang.  Jika Bagaimana jumlah mol masing-masing jika suhu dinaikan menjadi 2 x semula.

Penyelesaian.

Reaksi ke kanan (pembentukan gas NO2) : eksoterm

Reaksi ke kiri (pembentukan gas N2O4) : endoterm

Jika suhu dinaikan maka reaksi bergeser ke-arah reaksi endoterm (ke pembentukan N2O4). Maka

Jumlah mol N2O4= bertambah

Jumlah mol NO2= berkurang

c.     Perubahan Volume sistem

Pada reaksi kesetimbangan

2 SO2 (g)   +  O2 (g)              2 SO3 (g)      ΔH = -492 kJ

Ø Dari persamaan reaksi :

koefisien pereaksi = 2 + 1 = 3

koefisien hasil reaksi = 2

Ø Jika volume diperkecil artinya menaikkan konsentrasi semua komponen kesetimbangan secara bersama-sama, maka : Kenaikan konsentrasi pereaksilebih besar dari pada kenaikan konsentrasi hasil reaksi, karena koefisien pereaksi = 2 + 1 = 3 > koefisien hasil reaksi = 2 akibatnya kesetimbangan akan bergeser ke hasil reaksi (koefisien kecil)

Ø Jika volume sistem diperbesar maka kesetimbangan akan bergeser ke jumlahkoefisien besar.

Ø Jika  volume sistem diturukan maka kesetimbangan akan bergeser ke jumlahkoefisien kecil

Contoh soal

Suatu reaksi  reversible

H2 (g)   +  I2 (g)                 2 HI (g)              ΔH = - 245 kJ

Pada suhu dan tekanan tertentu rekasi mencapai keadaan setimbang.  Jika Bagaimana jumlah mol masing-masing jika volume sistem diturunkan menjadi ⅓ x semula.

Penyelesaian.

Koefisien reaksi di kiri (pereaksi) = 1 + 1 = 2

Koefisien reaksi di kanan (hasil reaksi) = 2

Karena koefisien reaksi kiri = koefisien reaksi kanan, maka kesetimbangan tidak bergeser (tetap) , maka :

Jumlah mol maing-masing tetap.

d.    Perubahan Tekanan Sistem

·  Menurut persamaan gas ideal :  PV = nRT  pada suhu tetap

P =  artinya tekanan berbanding terbalik volume

Menaikan tekanan sama dengan menurunkan volume

Ø Jika tekanan diperbesar artinya memperkecil volume (menaikkan konsentrasi semua komponen  kesetimbangan secara bersama-sama),

Ø Jika tekanan diperkecil artinya memperbesar volume (menaikkan konsentrasi semua komponen  kesetimbangan secara bersama-sama)

Pada reaksi kesetimbangan :

N2 (g)   + 3 H2 (g)                 2 NH3 (g)        ΔH = - 92 kJ

Jika tekanan diperbesar = volume diperkecil.

Konsentrasi N2 dan H2 bertambah karena koefisien pereaksi = 1 + 3 = 4,

·       Jika tekanan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser kearah kanan = hasil reaksi  (koefisien lebih kecil)

·       Jika tekanan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser kearah kiri = hasil pereaksi  (koefisien lebih besar)

Ø maka kenaikan konsentrasi pereaksi lebih besar dari pada kenaikan konsentrasi hasil reaksi, hal ini karena koefisien pereaksi = 1 + 3 = 4 > koefisien hasil reaksi = 2 akibatnya kesetimbangan akan bergeser ke hasil reaksi (koefisien kecil)

Ø Jika tekanan sistem diperbesar maka kesetimbangan akan bergeser ke jumlah koefisien kecil

Ø Jika  tekanan sistem diturunkan maka kesetimbangan akan bergeser ke jumlah koefisien besar

Contoh soal

Suatu reaksi  reversibel

N2O4 (g)                 2 NO2 (g)              ΔH = - 425 kJ

Pada suhu dan tekanan tertentu reaksi mencapai keadaan setimbang.  Jika Bagaimana jumlah mol masing-masing jika suhu dinaikan menjadi 2 x semula.

Penyelesaian.

·       Koefisien reaksi di kiri (pereaksi) = 1

·       Koefisien reaksi di kanan (hasil reaksi) = 2

·       Kefisien reaksi kiri < koefisien reaksi kanan

Tekanan diperbesar maka reaksi akan bergeser ke koefisien kecil, yaitu ke pembentukan N2O4maka

Jumlah mol N2O4: bertambah

Jumlah mol NO2 : berkurang

5.    Hukum Kesetimbangan

Hukum kesetimbangan dikemukakan oleh Cato Goldberg dan Peter Wage  : “Untuk setiap sistem kesetimbangan pada suhu tertentu, perbandingan hasil kali konsentrasi zat hasil reaksi pangkat koefisien masing-masing dengan hasil kali konsentrasi zat pereaksi pangkat koefisien masing-masing adalah dan tetap”.

Reaksi kesetimbangan secara umum :

          a P   + b Q                c R   +  d S

Menurut Golberg dan Wage berlaku :

K       : teetappan kesetimbangan

[ P ] : konsentrasi zat P (mol/liter

[ Q ] : konsentrasi zat Q (mol/liter

[ R ] : konsentrasi zat R (mol/liter

[ S ]   : konsentrasi zat S (mol/liter

a, b c dan d : koefisien reaksi

Harga K tetap selam suhu tetap

Harga tetap ini disebut dengan tetapan kesetimbangan (K)

Tetapan kesetimbangan konsentrasi (Kc)

Contoh:

Untuk reaksi dalam keadaan kesetimbangan :

        N2 (g)   + 3 H2 (g)                 2 NH3 (g)  

Tuliskan rumus tetapan kesetimbangan (Kc)

Jawab

Harga Kc tetap selama suhu tetap

a, b c dan d : koefisien reaksi

a.    Perhitungan Tetapan Kesetimbangan

Contoh Soal

Satu mol PCl5 dipanaskan dalam ruang 2 liter pada suhu 100⁰C, dalam keadaan kesetimbangan terdapat 0,6 mol PCl3 menurut reaksi   :  PCl5 (g)                  PCl3 (g) + Cl2 (g)  

Hitung harga tetapan kesetimbangan pada suhu tersebut.

Penyeleasian :

PCl5  mula-mula = 1 mol               volume ruang = 2 liter

Saat setimbang

PCl3  terbentuk =  0,6 mol,  maka Cl2 terbentuk = 0,6 mol karena koefisiennya PCl3 = koefisien Cl2

PCl3 terbentuk berasal dari PCl5 yang terurai, karena koefisien PCl3 = PCl5 maka mol PCl5 terurai = mol PCl3 terbentuk.

PCl5 tersisa = PCl5 mula-mula – PCl5 terurai = 1 – 0,6 = 0,4 mol

Konsentrasi :

Cara lain menentukan jumlah mol komponen setelah keadaan kesetimbangan :

Reaksi	PCl5 (g)              PCl3 (g)    +     Cl2 (g)
Mula-mula	1 mol	0 mol	0 mlo
Terurai/hasil reaksi	0,6 mol	0,6 mol	0,6 mol
Setimbang	0,4 mol	0,6 mol	0,6 mol
Konsentrasi	0,4/2 mol/L = 0,2 mol/L	0,6/2 mol/L = 0,3 mol/L	0,6/2 mol/L = 0,3 mol/L

Untuk baris terurai (perhatikan angka koefisien)

Keadaan setimbang pereaksi berkurang dan hasil reaksi bertambah.

Rumus tetapan Kesetimbangan :

a.     Tetapan Kesetimbangan Gas

Dalam sistem kesetimbangan gas

Ø Rumusan tetapan kesetimbangan dapat dinyatakan dalam bentuk tekanan (KP)

Reaksi kesetimbangan :

      N2 (g)   + 3 H2 (g)                 2 NH3 (g)         

         

: tetanan parsial NH3

: tetanan parsial H2

: tetanan parsial N2

Menurut Avogadro :

Jumlah tekanan pasial gas-gas dalam sistem sebanding dengan jumlah mol sistem dalam volume dan suhu tetap

Ptotal ~ ntotal

P1 + P2 + P3 + ... = Ptotal

n1 + n2 + n3 + ... = ntotal

Contoh Soal

Satu mol PCl5 dipanaskan dalam ruang 2 liter pada suhu 100 ⁰C, dalam keadaan kesetimbangan terdapat 0,4 mol PCl3 menurut reaksi   :  PCl5 (g)                  PCl3 (g) + Cl2 (g)  

Jika tekanan sistem  4 atm, hitunglah tetapan kesetimbangan (Kp)

Penyeleasian :

Menentukan jumlah mol komponen setelah kesetimbangan tercapai

Reaksi	PCl5 (g)              PCl3 (g)    +     Cl2 (g)
Mula-mula	1 mol	0 mol	0 mlo
Terurai/hasil reaksi	0,4 mol	0,4 mol	0,4 mol
Setimbang	0,6mol	0,4 mol	0,4 mol

Jumlah mol setelah mencapai kesetimbangan = mol PCl5 + mol PCl3 + mol Cl2= + 0,6 + 0,4 + 0,4 = 1,4mol.

Menurut Hukum Avogadro. “ tekanan sistem sebanding dengan jumlah mol total dan tekanan parsial gas sebanding dengan jumlah mol masing-masing komponen, pada suhu tetap.

                     

Ø Hubungan antara KP dengan KC

a P (g)   + b Q (g)                c R (g)   +  d S (g)

                    

PP    :  Tekanan parsial gas P

PQ    :  Tekanan parsial gas Q

PR    :  Tekanan parsial gas R

PS     :  Tekanan parsial gas S

KP     :  Tetapan kesetimbangan tekanan

Menurut persamaan gas ideal :

PV = n RT

P    : tekanan

V    : Volume

n    : jumlah mol

R    : Ttapan gas ideal

T    : Suhu ( K)

  Maka :

Pp = [P] RT                         PQ = [Q] RT

PR = [R] RT                         PS = [S] RT

Dengan mensubstitusikan persamaan tekanan mak harga Kp

Lihat rumusan KC :  maka

( c + d) – ( a+b ) = Δn : selisih koefisien hasil reaksi dengan koefisien pereaksi.

Secara umum hubungan antara KP dan KC sebagai berikut :

                   KP = KC (RT)Δn

      R   :  tetapan gas = 0,082 lt.atm/mol.K

      T   :  suhu ( ⁰K = 173 + ⁰C)

      Δn = S koefisien hasil reaksi – S koefisiien hasil reaksi 

6.    Kesetimbangan Heterogen

Ø Kesetimbangan heterogen adalah sistem kesetimbangan yang memiliki 2 fase atau lebih

Dalam kesetimbangan heterogen :

a.        Padatan dan larutan maka yang diperhitungkan dalam rumus tetapan kesetimbangan adalah larutan

b.       Padatan dengan gas maka yang diperhitungkan dalam rumus tetapan kesetimbangan adalah gas

Reaksi kesetimbangan heterogen

CaCO3 (s)                  CaO(s)   + CO2 (g)

KC = [CO]  atau  

Reaksi kesetimbangan :

C(s)   + CO2 (g)                  2 CO(g)

     atau

7.    Kesetimbangan Dissosiasi

Ø Kesetimbangan dissosiasi adalah sistem kesetimbangan dimana satu senyawa terurai menjadi dua atau lebih jenis senyawa lebih sederhana.

Ø Derajat dissosiasi (a) adalah perbandingan antara jumlah zat yang terurai dengan jumlah zat mula-mula

Misal suatu reaksi dissosiasi :

2 NH3 (g)               N2 (g)  + 3 H2 (g)

Pada saat mencapai kesetimbangan derajat dissosiasi NH3 adalah a . Hitunglah jumlah mol masing-masing komponen pada saat setimbang.

Jika NH3 mula-mula = a mol maka

NH3 terurai     =  mula-mula x derajat dissosiasi

                         = a a mol

Pada saat setimbang :

NH3 tersisa  =  mol NH3 mula-mula –  NH3 terurai

NH3 tersisa  =  (a – aa) mol = a(1 – a) mol   

8.    Kesetimbangan dalam Industri

      Industri Amonia (NH3) menurut Proses Haber Bosch

Ø Reaksi :  N2 (g)   + 3 H2 (g)                 2 NH3 (g)    ΔH = -92 kJ

Ø Agar amonia dihasilkan (NH3) maksimum usaha yang dilakukan:     

·       Tekanan optimum  1000 atm pada tekanan tinggi kesetimbangan bergeser ke kanan

·       Suhu optimum 500⁰C, walaupun pada suhu tinggi secara teoritis rekasi bergeser ke kiri, tetapi pada suhu rendah reaksi berjalan lambat.

·       Mengeluarkan gas amonia (NH3) yang dihasilkan sehingga konsentrasi NH3 berkurang maka kesetimbangan bergeser ke kanan.

·       Penggunaan katalisator besi oksida

Industri Asam sulfat (H2SO4) menurut Proses Kontak

Ø Reaksi : 

S(s)   +  O2 (g)                SO2 (g)

SO2 (g)  +  O2 (g)               SO3 (g)     ΔH = -196 kJ

SO3 (g)  +  H2SO4 (aq)              H2S2O7 (aq)

H2S2O7 (aq) +  H2O (l)              H2SO4 (aq) 

Dalam proses ini reaksi :

SO2 (g)  +  O2 (g)               SO3 (g)     ΔH = -196 kJ

Harus mendapat perhatian karena merupakan reaksi kesetimbangan, jumlah H2SO4 yang dihasilkan tergantung pada reaksi ini. Semakin banyak SO3 dihasilkan makin banyak H2SO4 diproduksi

Ø Agar SO3 dihasilkan maksimum usaha yang dilakukan:     

·       Tekanan optimum  450 atm pada tekanan tinggi kesetimbangan bergeser ke kanan

·       Suhu optimum (400 – 500)⁰C , walaupun pada suhu tinggi secara teoritis rekasi bergeser ke kiri, tetapi pada suhu rendah reaksi berjalan lambat.

·       Mengeluarkan SO3 yang dihasilkan sehingga konsentrasi SO3 berkurang maka kesetimbangan bergeser ke kanan.

·       Penggunaan katalisator Vanadium pentaoksida (V2O5)