14.1 Konsep Kesetimbangan dan Konstanta Kesetimbangan
Beberapa reaksi kimia berlangsung hanya dalam satu arah. Paling tidak, sebagian besar bisa dibalik sampai batas tertentu. Pada awal proses yang dapat dibalik, reaksi berlanjut ke arah pembentukan produk. Segera setelah beberapa molekul produk terbentuk, maka proses sebaliknya mulai berlangsung dan molekul reaktan terbentuk dari molekul produk. Ekuilibrium kimia dicapai ketika laju maju dan reaksi balik adalah sama dan konsentrasi reaktan dan produknya tetap konstan.
Kesetimbangan kimiawi adalah proses dinamis. Dengan demikian, dapat disamakan dengan
pergerakan pemain ski di resor ski yang sibuk, di mana jumlah pemain ski meningkat gunung di lift kursi sama dengan jumlah yang menuruni lereng. Meskipun ada perpindahan pemain ski yang konstan, jumlah orang di atas dan jumlahnya di bagian bawah lereng tidak berubah.
Perhatikan bahwa kesetimbangan kimia melibatkan zat yang berbeda sebagai reaktan dan produk. Keseimbangan antara dua fase zat yang sama disebut fisikekuilibrium karena perubahan yang terjadi adalah proses fisik. Penguapan air dalam wadah tertutup pada suhu tertentu adalah contoh kesetimbangan fisik. Dalam hal ini, jumlah molekul H2O yang keluar dan jumlah yang kembali ke fase cair adalah sama:
H2O (l) ⇋Δ H2O (g)
Air cair dalam kesetimbangan dengan
uap dalam sistem tertutup di kamar
suhu.
Studi tentang kesetimbangan fisik menghasilkan informasi yang berguna, seperti tekanan uap kesetimbangan. Namun, ahli kimia sangat tertarik pada proses kesetimbangan kimia, seperti reaksi yang melibatkan reaksi reversibel nitrogen dioksida (NO2) dan dinitrogen tetroksida (N2O4) (Gambar 14.1). Kemajuannya dari reaksi :
N2O4 (g) ⇋ Δ 2NO2 (g)
Gas NO2 dan N2O4 pada kesetimbangan.
dapat dipantau dengan mudah karena N2O4 merupakan gas yang tidak berwarna, sedangkan NO2 memiliki warna coklat tua yang membuatnya terkadang terlihat di udara yang tercemar. Misalkan N2O4 adalah disuntikkan ke dalam labu evakuasi. Beberapa warna coklat segera muncul, menandakan pembentukan molekul NO2. Warnanya meningkat seiring dengan disosiasi N2O4 berlanjut sampai akhirnya kesetimbangan tercapai. Di luar titik itu, tidak lebih perubahan warna terbukti karena konsentrasi N2O4 dan NO2 tetap konstan. Kita juga dapat mencapai keadaan ekuilibrium dengan memulai dengan NO2 murni.
Karena beberapa molekul NO2 bergabung untuk membentuk N2O4, warnanya memudar. Dan lagi cara untuk menciptakan keadaan kesetimbangan adalah dengan memulai dengan campuran NO2 dan N2O4 dan pantau sistem sampai warna berhenti berubah. Studi ini menunjukkan hal itu reaksi sebelumnya memang dapat dibalik, karena komponen murni (N2O4 atau NO2) bereaksi menghasilkan gas lainnya. Hal penting yang harus diingat adalah pada kesetimbangan, konversi N2O4 menjadi NO2 dan NO2 menjadi N2O4 masih berlangsung. Kami tidak melihat perubahan warna karena kedua kecepatannya sama — penghapusan molekul NO2 berlangsung secepat produksi molekul NO2, dan N2O4 molekul terbentuk secepat mereka berdisosiasi.
Gambar 14.1 Reaksi reversibel antara molekul N2O4 dan NO2.
Konstanta Kesetimbangan
Tabel 14.1 menunjukkan beberapa data eksperimen untuk reaksi yang baru saja dijelaskan pada 25 ° C. Itu konsentrasi gas dinyatakan dalam molaritas, yang dapat dihitung dari jumlahnya mol gas hadir pada awalnya dan pada kesetimbangan dan volume labu dalam liter. Perhatikan bahwa konsentrasi kesetimbangan NO2 dan N2O4 bervariasi,tergantung pada konsentrasi awal. Kita bisa mencari hubungan antara [NO2] dan [N2O4] hadir pada kesetimbangan dengan membandingkan rasio konsentrasi mereka. Itu rasio paling sederhana, yaitu, [NO2] / [N2O4], memberikan nilai yang tersebar. Tetapi jika kita memeriksa yang lain kemungkinan hubungan matematis, kita menemukan bahwa rasio [NO2] 2 / [N2O4] pada kesetimbangan memberikan nilai yang hampir konstan yaitu rata-rata 4.63🗙 10^-3, terlepas dari awalnya konsentrasi hadir :
Gambar 14.2 Perubahan konsentrasi NO2 dan N2O4 dengan waktu, dalam tiga situasi. (a) Awalnya hanya ada NO2. (b) Awalnya hanya N2O4 yang ada. (c) Awalnya ada campuran NO2 dan N2O4. Dalam setiap kasus, ekuilibrium ditetapkan di sebelah kanan garis vertikal
dimana K adalah konstanta. Perhatikan bahwa eksponen 2 untuk [NO2] dalam ekspresi ini adalah
sama dengan koefisien stoikiometri untuk NO2 dalam reaksi reversibel. Kita dapat menggeneralisasi fenomena ini dengan reaksi berikut pada kesetimbangan :
dengan a, b, c, dan d adalah koefisien stoikiometri untuk spesies yang bereaksi A, B,
C, dan D. Untuk reaksi pada suhu tertentu.
Keterangan
K = tetapan kesetimbangan
[A] = molaritas zat A .................................. (M)
[B] = molaritas zat B .................................. (M)
[C] = molaritas zat C ...................................(M)
[D] = molaritas zat D .................................. (M)
Tetapan kesetimbangan (K), sering juga dituliskan KC . Pada buku ini digunakan simbol KC untuk harga tetapan kesetimbangan.
dimana K adalah konstanta kesetimbangan. Persamaan (14.2) dirumuskan oleh dua orang Norwegia ahli kimia, Cato Guldberg dan Peter Waage, pada tahun 1864. Ini adalah ekspresi matematika dari hukum aksi massa mereka, yang menyatakan bahwa untuk reaksi reversibel pada kesetimbangan dan suhu konstan, rasio reaktan dan konsentrasi produk tertentu nilai konstanta, K (konstanta kesetimbangan). Perhatikan bahwa meskipun konsentrasinya dapat bervariasi, selama reaksi yang diberikan berada pada kesetimbangan dan suhunya tidak berubah, menurut hukum aksi massa, nilai K tetap konstan.
14.2 Menulis Ekspresi Konstanta Kesetimbangan
◼️ Kesetimbangan Homogen
Istilah kesetimbangan homogen berlaku untuk reaksi di mana semua bereaksi
spesies berada dalam fase yang sama. Contoh kesetimbangan fase gas homogen
adalah disosiasi N2O4.
Perhatikan bahwa subskrip dalam Kc menunjukkan bahwa konsentrasi spesies yang bereaksi
dinyatakan dalam molaritas atau mol per liter. Konsentrasi reaktan dan
produk dalam reaksi gas juga dapat dinyatakan dalam tekanan parsial.
Bisa ditulis :
dimana PNO2 dan PN2O4 adalah tekanan parsial kesetimbangan (dalam atm) dari NO2 dan N2O4,
masing-masing. Subskrip di KP memberitahu kita bahwa konsentrasi kesetimbangan diekspresikan
dalam hal tekanan. Secara umum Kc tidak sama dengan KP, karena tekanan parsial reaktan dan tidak sama dengan konsentrasi yang dinyatakan dalam mol per liter. Sederhana hubungan antara KP dan Kc dapat diturunkan sebagai berikut. Mari kita simak berikut ini kesetimbangan dalam fase gas:
dengan a dan b adalah koefisien stoikiometri. Konstanta kesetimbangan Kc diberikan oleh
dimana PA dan PB adalah tekanan parsial dari A dan B. Dengan asumsi perilaku gas ideal,
di mana V adalah volume wadah dalam liter :
Mengganti hubungan ini menjadi ekspresi KP, didapatkan :
Sekarang baik nA / V dan nB / V memiliki satuan mol / L dan dapat diganti dengan [A] dan [B],
dimana.
Δn = b - a
= mol produk gas - mol reaktan gas
◼️ Kesetimbangan Konstanta dan Satuan
Contoh :
Tuliskan ekspresi Kc, untuk reaksi reversibel berikut pada kesetimbangan:
Jawab :
Karena HF merupakan asam lemah, sehingga jumlah air yang dikonsumsi dalam ionisasi asam
diabaikan, dibandingkan dengan jumlah total air yang ada sebagai pelarut. Jadi kita bisa tulis ulang konstanta kesetimbangan sebagai berikut :
Ringkasan Pedoman Penulisan Ekspresi Konstanta Ekuilibrium
1.
Konsentrasi spesies yang bereaksi dalam fase terkondensasi dinyatakan dalam mol
/ L; dalam fase gas, konsentrasi dapat dinyatakan dalam mol / L atau atm. Kc
dikaitkan dengan KP dengan persamaan sederhana.
2. Konsentrasi padatan murni, cairan murni (dalam kesetimbangan heterogen), dan pelarut (dalam kesetimbangan homogen) tidak muncul dalam ekspresi konstanta kesetimbangan.
3. Konstanta kesetimbangan (Kc atau KP) adalah besaran tak berdimensi.
4. Dalam mengutip nilai konstanta kesetimbangan, kita harus menentukan persamaan setimbang dan suhu.
5. Jika sebuah reaksi dapat dinyatakan sebagai jumlah dari dua atau lebih reaksi, konstanta kesetimbangan untuk keseluruhan reaksi diberikan oleh produk konstanta kesetimbangan dari masing-masing reaksi.
14.3 Hubungan Antar Kimia Kinetika dan Ekuilibrium Kimia
Kita telah melihat bahwa K adalah konstan pada suhu tertentu terlepas dari variasi konsentrasi kesetimbangan individu. Kita dapat mencari tahu mengapa demikian dan pada saat yang sama mendapatkan pemahaman tentang proses kesetimbangan dengan mempertimbangkan kinetika reaksi kimia.Misalkan reaksi yang dapat dibalik berikut ini terjadi melalui mekanisme yang terdiri dari satu langkah dasar baik dalam arah maju maupun mundur:
laju maju diberikan oleh
dan nilai sebaliknya diberikan oleh
dengan kf dan kr adalah konstanta laju untuk arah maju dan mundur. Pada ekuil-librium, ketika tidak ada perubahan bersih yang terjadi, kedua tingkat tersebut harus sama:
Karena kf dan kr adalah konstanta pada suhu tertentu, rasionya juga konstan, yang sama dengan konstanta kesetimbangan Kc.
Jadi Kc selalu konstan tanpa memperhatikan konsentrasi kesetimbangan spesies yang bereaksi karena selalu sama dengan kf / kr, hasil bagi dua kuantitas yang dengan sendirinya konstan pada suhu tertentu. Karena konstanta laju bergantung pada suhu [lihat Persamaan (13.11)], maka konstanta kesetimbangan juga harus berubah dengan suhu. Sekarang anggaplah reaksi yang sama memiliki mekanisme dengan lebih dari satu tahap dasar. Misalkan itu terjadi melalui mekanisme dua langkah sebagai berikut:
Ini adalah contoh beberapa kesetimbangan, Kami menulis ekspresi untuk konstanta kesetimbangan:
Mengalikan Persamaan (14.10) dengan Persamaan (14.11), kita dapatkan
Untuk reaksi keseluruhan, kita bisa tulis
Karena K' dan K" adalah konstanta, Kc juga konstanta. Hasil ini memungkinkan kita menggeneralisasi perlakuan kita terhadap reaksi
Terlepas dari apakah reaksi ini terjadi melalui mekanisme satu langkah atau multistep, kita dapat menulis ekspresi konstanta kesetimbangan menurut hukum aksi massa :
Singkatnya, kita melihat bahwa dalam istilah kinetika
kimia, konstanta kesetimbangan suatu reaksi dapat dinyatakan sebagai rasio
konstanta laju reaksi maju dan mundur. Analisis ini menjelaskan mengapa
konstanta kesetimbangan adalah sebuah konstanta dan mengapa nilainya berubah
seiring dengan suhu.
CONTOH SOAL
2 mol PCl5 dimasukkan ke dalam wadah 2 L dan dipanasi pada suhu 250 °C untuk mencapai keadaan setimbang, ketika 60% PCl5 terurai menjadai PCl3 dan Cl2. Nilai tetapan kesetimbangan, Kc, untuk reaksi PCl5 (g) ⇌ PCl3 (g) + Cl2 (g) adalah ...
Pembahasan Soal Nomor 2:
PCl5 yang terdisosiasi hanya 60% = 60% × 2 mol = 1,20 mol
| Reaksi | : | PCl5 (g) | ⇌ | PCl3 (g) | + | Cl2 (g) |
| Awal | : | 2,00 mol | - | - | ||
| Bereaksi | : | -1,20 mol | +1,20 mol | +1,20 mol | ||
| Kesetimbangan | : | 0,80 mol | 1,20 mol | 1,20 mol | ||
| Konsentrasi Saat Setimbang | : | 0,80 mol/2 L 0,40 M | 1,20 mol/2 L 0,60 M | 1,20 mol/2 L 0,60 M |
Kc =
Tidak ada komentar:
Posting Komentar