KESETIMBANGAN KIMIA

KESETIMBANGAN KIMIA

Kedaan stimbang adalah suatu keadaan dimana dua proses yang berlawanan arah berlangsung secara simultan dan terus-menerus, tetapi tidak ada perubahan yang dapat diamati atau diukur.

Pada umumnya reaksi-reaksi kimia tersebut berlangsung dalam arah bolak-balik (reversible), dan hanya sebagian kecil saja yang berlangsung satu arah. Pada awal proses bolak-balik, reaksi

berlangsung ke arah pembentukan produk, segera setelah terbentuk molekul produk maka terjadi reaksi sebaliknya, yaitu pembentukan molekul reaktan dari molekul produk. Ketika laju reaksi ke kanan dan ke kiri sama dan konsentrasi reaktan dan produk tidak berubah maka

kesetimbangan reaksi tercapai.

Ketika suatu reaksi kimia berlangsung, laju reaksi dan konsentrasi pereaksipun berkurang. Beberapa waktu kemudian reaksi dapat berkesudahan, artinya semua pereaksi habis bereaksi. Namun banyak reaksi tidak berkesudahan dan pada seperangkat kondisi tertentu, konsentrasi pereaksi dan produk reaksi menjadi tetap. Reaksi yang demikian disebut reaksi reversibel dan mencapai kesetimbangan. Pada reaksi semacam ini produk reaksi yang terjadi akan bereaksi membentuk kembali pereaksi. ketika reaksi berlangsung laju reaksi ke depan (ke kanan), sedangkan laju reaksi sebaliknya kebelakang (ke kiri) bertambah, sebab konsentrasi pereaksi berkurang dan konsentrasi produk reaksi semakin bertambah.

Pada umumnya suatu reaksi kimia yang berlangsung spontan akan terus berlangsung sampai dicapai keadaan kesetimbangan dinamis. Berbagai hasil percobaan menunjukkan bahwa dalam suatu reaks kimia, perubahan reaktan menjadi produk pada umumnya tidak sempurna, meskipun reaksi dilakukan dalam waktu yang relatif lama. Umumnya pada permulaan reaksi berlangsung, reaktan mempunyai laju reaksi tertentu. Kemudian setelah reaksi berlangsung konsentrasi akan semakin berkurang sampai akhirnya menjadi konstan. Keadaan kesetimbangan dinamis akan dicapai apabila dua proses yang berlawanan arah berlangsung dengan laju reaksi yang sama dan konsentrasi tidak lagi mengalami perubahan atau tidak ada gangguan dari luar.

Sebagai contoh keadaan kesetimbangan dinamis, kita perhatikan reaksi penguraian (dissosiasi) gas N2O4 sebagai berikut :

N₂O4 (g)         2 NO₂ (g)

                                                    Tak berwarna    merah-coklat

Andaikan sejumlah mol gas N₂O₄ dimasukkan ke dalam suatu bejana tertutup. Mula-mula dengan segera gas N₂O₄ yang tidak berwarna tersebut terdisosiasi menjadi NO₂ yang berwarna merah coklat. Akan tetapi setiap dua molekul NO₂ dengan mudah bergabung menjadi molekul zat N₂O₄ kembali. Mula–mula laju reaksi disosiasi N₂O₄ berlangsung relatif lebih cepat daripada laju reaksi pembentukan N₂O₄. Namun laju reaksi pembentukan N₂O₄ juga makin lama makin bertambah besar sesuai dengan pertambahan jumlah NO₂ yang

terbentuk. Pada suatu saat laju reaksi disosiasi N₂O₄ sama dengan laju reaksi pembentukan N₂O₄. maka Keadaan inilah yang disebut Keadaan kesetimbangan. Proses penguraian yang dibahas di atas, secara diagramatis dapat digambarkan sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 1 berikut :

Gambar 1. Pencapaian keadaan kesetimbangan reaksi penguraian N₂O₄

Pada keadaan kesetimbangan, jumlah molekul NO₂ dan N₂O₄ tetap. Oleh karena itu ketika keadaan kesetimbangan tercapai tidak terjadi perubahan sifat makroskopis zat. Akan tetapi reaksi penguraian dan pembentukan N₂O₄ tetap berlangsung secara terus menerus tidak kunjung berhenti. Jadi, pada keadaan kesetimbangan dinamis, sekalipun secara makroskopis tidak terjadi perubahan, tetapi secara mikroskopis tetap terjadi perubahan yang terus menerus.

Contoh lain dari reaksi kesetimbangan dinamis misalnya dalam dunia industri, amonia dibuat dari gas nitrogen dan gas hidrogen menurut persamaan adalah:

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

Stokiometri reaksi menunjukkan bahwa dalam suatu ruangan tertutup 1 mol gas nitrogen dipanaskan bersama 3 mol gas hidrogen. Membentuk 2 mol amonia. Akan tetapi, dari percobaan diketahui bahwa hasil seperti itu tidak pernah dicapai. Pada awalnya, hanya terjadi satu reaksi yaitu pembentukan amonia.

Mengapa hal itu terjadi, ternyata reaksi berlangsung tidak tuntas. Reaksi “seperti berhenti“ setelah sebagian nitrogen dan hidrogen bereaksi. Reaksi berakhir dengan suatu campuran yang mengandung NH₃, N₂, dan H₂. Keadaan seperti itu disebut keadaan setimbang. Seperti telah disebutkan di atas, amonia dapat pula terurai membentuk nitrogen dan hidrogen. Oleh karena itu, segera setelah terbentuk sebagian amonia akan terurai kembali gas nitrogen dan gas hidrogen seperti pada persamaan reaksi:

2NH₃(g)          N₂(g) + 3H₂(g)

Selanjutnya, kedua reaksi tersebut akan berlangsung secara bersamaan (simultan) menurut reaksi dapat terjadi dua arah sebagai berikut :

N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g)

Misalkan laju reaksi kekanan v1 dan laju reaksi balik v2. Sebagaimana telah dipelajari dalam bab sebelumnya yaitu laju reaksi, bahwa nilai v1 bergantung pada konsentrasi N₂ dan H₂, sedangkan nilai v2 bergantung pada konsentrasi NH₃. pada awal reaksi, v1 mempunyai nilai maksimum, sedangkan v2 = 0 (karena NH₃ belum ada). Selanjutnya seiring dengan berkurangnya konsentrasi N₂ dan H₂, nilai v1 makin lama makin kecil. Sebaliknya, dengan bertambahnya konsentrasi NH₃, nilai v2 makin lama makin besar. Pada suatu saat, laju reaksi maju (v1) menjadi sama dengan laju reaksi balik (v2). Hal itu berarti bahwa laju menghilangnya suatu komponen sama dengan laju pembentukan komponen itu. Berarti, sejak v1 = v2, jumlah masingmasing komponen tidak berubah terhadap waktu oleh karena itu tidak

ada perubahan yang dapat diamati terhadap waktu. Oleh karena itu tidak ada perubahan yang dapat diamati atau diukur (sifat makroskopis tidak berubah), reaksi seolah-olah telah berhenti. Keadaan seperti itu disebut keadaan setimbang (kesetimbangan). Akan tetapi, percobaan menunjukkan bahwa dalam keadaan setimbang reaksi tetap berlangsung pada tingkat molekul (tingkat mikroskopis). Oleh karena itu, keseimbangan kimia disebut Kesetimbangan dinamis.

Perubahan v1 dan v2 terhadap waktu ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Grafik perubahan reaksi terhadap waktu pada reaksi bolak-balik:

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

v1 = laju reaksi dari kiri ke kanan

v2 = laju reaksi dari kanan ke kiri

Keadaan setimbang tercapai pada saat v1 = v2

Sedangkan perubahan konsentrasi N2, H2, dan NH3 terhadap

waktu diberikan pada Gambar 3.

Gambar 3. Perubahan konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi menuju keadaan setimbang untuk reaksi: N₂(g) + 3H₂ (g)                        2NH₃(g)

Pada kondisi ini konsentrasi N₂ dan H₂ (pereaksi) turun, konsentrasi NH₃ (hasil reaksi) naik. Pada keadaan setimbang konsentrasi masing-masing zat tetap. Waktu untuk mencapai keadaan setimbanga umumnya berbeda dari suatu reaksi ke reaksi yang lain. Ada reaksi yang mencapai kesetimbangan begitu zat-zat pereaksi dicampurkan, misalnya :

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

2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq)                       Cr₂O₇^2-(aq) + H₂O(l)

Akan tetapi ada banyak reaksi yang memerlukan waktu lebih lama untuk mencapai keadaan setimbang. Misalnya, reaksi gas nitrogen dengan gas hidrogen membentuk amonia: N²(g) + 3H²(g) 2NH³(g) memerlukan waktu berhari-hari untuk mencapai kesetimbangan,\ meskipun dilakukan pada suhu 500^oC. Cepat lambatnya suatu reaksi mencapai kesetimbangan bergantung pada laju reaksinya. Semakin besar laju reaksi, semakin cepat kesetimbangan tercapai. Berdasarkan gambar 4 terlihat bahwa :

1. Pada awal konsentrasi berubah dengan cepat

2. Pada waktu t, konsentrasi tidak berubah karena sistem berada

dalam keadaan kesetimbangan.

3. Laju perubahan konsentrasi berkurang ketika reaksi berlangsung sampai mencapai nol, ketika sistem mencapai kesetimbangan.

Gambar 4. Aluran konsentrasi terhadap waktu

Secara garis besar Kesetimbangan kimia hanya dapat berlangsung dalam sistem tertutup. Sementara itu, pada umumnya proses alami berlangsung dalam sistem terbuka. Sebagaimana kita saksikan, berbagai proses alami, seperti perkaratan logam, pembusukan, dan pembakaran merupakan reaksi yang berlangsung searah. Akan tetapi, jika sistemnya kita perbesar misalnya mencakup atmosfir secara keseluruhan, kita dapat melihat berbagai keseimbangan. Misalnya kesetimbangan yang mengatur komposisi atmosfir yang relatif konstan dari waktu ke waktu. Proses kesetimbangan juga dapat terjadi dalam tubuh makhluk hidup. Darah manusia, sebagi contoh, mempunyai suatu sistem yang mengatur pH tetap sekitar 7,4. Hal itu sangat penting, karena perubahan kecil saja pada pH darah akan mengganggu fungsinya, misalnya dalam kegiatan pengikatan logam.

REAKSI BOLAK-BALIK (reversibel)

Ketika suatu reaksi kimia berlangsung, laju reaksi dan konsentrasi pereaksipun berkurang. Beberapa waktu kemudian reaksi dapat berkesudahan, artinya semua pereaksi habis bereaksi. Namun banyak reaksi tidak berkesudahan dan pada seperangkat kondisi tertentu, konsentrasi pereaksi dan produk reaksi menjadi tetap. Reaksi yang demikian disebut reaksi reversibel dan mencapai kesetimbangan. Pada reaksi semacam ini produk reaksi yang terjadi akan bereaksi membentuk kembali pereaksi. ketika reaksi berlangsung laju reaksi ke depan (ke kanan), sedangkan laju reaksi sebaliknya kebelakang (kekiri) bertambah, sebab konsentrasi pereaksi berkurang dan konsentrasi produk reaksi semakin bertambah.

Pada umumnya suatu reaksi kimia yang berlangsung spontan akan terus berlangsung sampai dicapai keadaan kesetimbangan dinamis.

Berbagai hasil percobaan menunjukkan bahwa dalam suatu reaksi kimia, perubahan reaktan menjadi produk pada umumnya tidak sempurna, meskipun reaksi dilakukan dalam waktu yang relatif lama. Umumnya pada permulaan reaksi berlangsung, reaktan mempunyai laju reaksi tertentu. Kemudian setelah reaksi berlangsung konsentrasi akan semakin berkurang sampai akhirnya menjadi konstan. Keadaan kesetimbangan dinamis akan dicapai apabila dua proses yang berlawanan arah berlangsung dengan laju reaksi yang sama dan konsentrasi tidak lagi mengalami perubahan atau tidak ada gangguan dari luar. Perhatikanlah kertas yang terbakar. Apakah hasil pembakaran kertas dapat diubah menjadi kertas seperi semula? Pengalaman menunjukkan bahwa proses itu tidak dapat dilakukan, bukan? Reaksi seperi itu kita golongkan sebagai reaksi yang berlangsung searah atau reaksi yang tidak dapat balik (Irreversible). Apakah ada reaksi yang dapat balik? dalam kehidupan sehari-hari sulit menemukan reaksi yang dapat balik. Proses-proses alami umumnya berlangsung searah, tidak

dapat balik. Namun, di laboratorium maupun dalam proses industri, banyak reaksi yang dapat balik. Reaksi yang dapat balik kita sebut

reaksi reversible. Dua diantaranya kita sebutkan dalam contoh di bawah

ini :

Contoh 1 :

Jika campuran gas nitrogen dan hidrogen dipanaskan akan menghasilkan amonia, dengan reaksi: N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g) Sebaliknya, jika amonia (NH₃) dipanaskan akan terurai membentuk nitrogen dan hidrogen, dengan reaksi: 2NH₃(g) N₂(g) + 3H₂(g) Apabila diperhatikan ternyata reaksi pertama merupakan kebalikan dari reaksi kedua. Kedua reaksi itu dapat digabung sebagai berikut :

N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g)

Tanda dimaksudkan untuk menyatakan reaksi dapat balik. Reaksi ke kanan disebut reaksi maju, reaksi ke kiri disebut reaksi balik. Reaksi dapat diibedakan menjadi dua macam yaitu reaksi kesetimbangan homogen dan reaksi kesetimbangan heterogen. Reaksi Kesetimbangan Homogen merupakan reaksi kesetimbangan dimana semua fasa senyawa yang bereaksi sama dan umumnya terdiri dari fase gas atau cair.

Contoh :

1. N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g)

2. H2O(l) H+(aq) + OH-(aq)

3. CH₃COOH(aq) CH₃COO-(aq) + H+(aq)

Sedangkan reaksi kesetimbangan dimana reaktan dan produk yang berbeda fasa.

Contoh :

1. CaCO₃(s) CaO(s) + CO₃(g)

2. Ag₂CrO₄(s) Ag2+(aq) + CrO₄^2- (aq)

3. 2 C(s) + O₂(g) 2CO(g)

4. 2 NaHCO₃(s) Na₂CO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(g)