Universitas TarumanagaraPage 20
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Banyak sekali mahasiswa yang harus berhadapan dengan keseimbangan kimia yang merupakan subjudul dari mata kuliah kimia dasar, banyak aspek yang akan kita pelajari dalam keseimbangan kimia ini, sehingga sangat dimungkinkannya untuk mendalami ilmu kesimbangan kimia ini untuk melanjutkan dari mata kuliah yang sebelumnya, hal yang perlu kita sadari adalah dengan mempelajari keseimbangan kimia berarti kita turut andil dalam menjaga keseimbangan alam ini, karena kimia adalah ilmu yang sangat erat hubungannya dengan pengetahuan dan alam, oleh itu sebabnya ilmu kimia juga disebut sebagai sentral sains atau pusat dari segala ilmu pengetahuan yang berhubungan dengan alam maupun tidak secara langsung.
Konsep yang perlu di pahami dalam mempelajari kesetimbangan kimia ini adalah bahwa kesetimbangan kimia ini adalah reaksi bolak balik yang mana memiliki laju yang sama, oleh sebab itu kesetimbangan kimia ini adalah bagian dari keseimbangan kimia dinamis karena yang memiliki laju hanyalah sesuatu yang bergerak bukan statis.4)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pengertian Reaksi Kesetimbangan
Kesetimbangan kimia adalah reaksi kimia yang berlangsung dua arah ( ), yaitu hasil reaksi dapat berubah kembali menjadi pereaksinya hingga konsentrasi reaktan dan produk konstan. Pada suatu reaksi kesetimbangan, ikatan-ikatan akan terputus atau terbentuk di antara molekul reaktan dan produk. Jika konsentrasi awal reaktan besar, maka tumbukan antara molekul-molekulnya akan membentuk molekul-molekul produk. Sesudah konsentrasi produk tersebut cukup banyak, reaksi kebalikannya (pembentukan "reaktan" dari "produk") mulai berlangsung.
Perlu diketahui, reaksi kimia ada yang berlansung satu arah ( ) dan ada yang berlangsung dua arah ( ). Reaksi satu arah disebut juga reaksi irreversible, misalnya CO2 tidak dapat berubah kembali menjadi karbon dan gas oksigen. Sementara reaksi yang berlansung dua arah disebut reaksi reversible, misalnya terumbu karang yang terbentuk dari reaksi antara ion kalsium dan gas CO2 dapat larut kembali menjadi ion kalsium dan gas CO2.1)
Konstanta Kesetimbangan Kimia
Kesetimbangan kimia dapat dinyatakan dengan konstanta kesetimbangan atau ketetapan kesetimbangan, yaitu perbandingan antara konsentrasi pereaksi dengan hasil reaks. Konstanta kesetimbangan untuk setiap reaksi berbeda-beda dan diperoleh melalui percobaan. Salah satu percobaan yang sering dilakukan adalah reaksi kesetimbangan antara peraksi H2 dan I2 menjadi HI.
Tabel berikut menginformasikan hasil percobaan
Data kesetimbangan dari Hasil Percobaan Reaksi H2 dan I2
Percobaan
Kesetimbangan Konsentrasi (mol/L)
[HI]2[H2][I2]
[H2]
[I2]
[HI]
I
0,0222
0,0222
0,156
0,1562/0,02220,0222= 49,4
II
0,0350
0,0450
0,280
0,2802/0,03500,0450= 49,8
III
0,0150
0,0135
0,100
0,1002/0,01500,0135= 49,4
IV
0,0442
0,0442
0,311
0,3112/0,04420,0442= 49,6
Dari percobaan diatas, dapat disimpulkan bahwa hubungan antara konsentrasi pereaksi dengan konsentrasi hasil reaksi adalah perbandingan perkalian konsentrasi hasil reaksi yang dipangkatkan koefisiennya dengan perkalian konsentrasi pereaksi yang dipangkatkan koefisiennya. Hal tersebut dapat dituliskan dalam bentuk persamaan berikut.
K= [HI]2[H2][I2]
Selanjutnya, persamaan tersebut disebut sebagai tetapan kesetimbangan konsentrasi yang dilambangkan dengan Kc. Hubungan itu pertama kali diungkapkan oleh Cato Guldberg dan Peter Waage pada tahun 1864 dan dikenal sebagai hukum aksi-massa.
mA+nB pC+qD
Kc= [C]p[D]q[A]m[B]n
Hasil kali konsentrasi setimbang zat-zat di ruas kanan dibagi hasil kali konsentrasi zat-zat di ruas kiri, masing-masing dipangkatkan koefisien reaksinya, mempunya harta tetap pada suhu tetap.2)
Konstranta kesetimangan bersumber dari ilmu termodinamika. Namun demikian, kita dapat memperoleh sedikit gambaran tentang K dengan mempelajari kinetika reaksi kimia. Kita asumsikan reaksi reversible ini berlangsung lewat mekanika satu tahap elementer baik pada arah maju maupun balik :
A+2B AB2
Laju reaksi majunya adalah
lajuf= kfA[B]2
dan laju reaksi baliknya adalah
lajur= kr[AB2]
di mana kf dan kr masing-masing adalah konstanta laju untuk arah mau dan balik. Pada kesetimbangan, apabila tidak ada perubahan bersih yang terjadi, kedua laju tadi menjadi sama besar :
lajuf= lajur
atau
kfA[B]2= kr[AB2]
kfkr= [AB2]A[B]2
Karena kf dan kr adalah konstanta pada suhu tertentu, maka perbandingannya juga ada suatu konstanta, yang sama dengan konstanta kesetimbangan Kc.
kfkr =Kc= [AB2]A[B]2
Jadi, Kc adalah suatu konstanta, berapa pun konsentrasi kesetimbangan dari spesi-spesi yang beraksi, karena konstanta ini selalu sama dengan kf/kc, hasilbaginya yang masing-masing menang konstan pada suhu tertentu. Karena konstanta laju bergantung pada suhu, maka konstanta kesetimbangan juga harus berubah dengan berubahnya suhu.
Akhirnya, kita lihat bahwa jika konstanta kesetimbangan jauh lebih besar daripada satu (artinya, K > 1), kesetimbangan akan terletak di sebelah kanan tanda panah reaksi dan lebih ke arah produk.
Grafik konsentrasi hasil reaksi (C dan D) lebih besar dibandingkan konsentrasi pereaksi (A dan B) jika Kc > 1.3)
Sebaliknya, jika konstanta kesetimbangan jauh lebih kecil daripada satu (artinya K < 1), kesetimbangan akan terletak di kiri dan lebih ke arah reaktan.1)
Grafik konsentrasi hasil reaksi (C dan D) lebih kecil dibandingkan konsentrasi pereaksi (A dan B) jika Kc < 1.3)
Contoh Soal
Tentukan persamaan tetapan kesetimbangan (Kc) dari sistem kesetimbangan berikut ini:6)
Pembahasan :
Perhatikan rumus untuk kesetimbangan kimia berikut
mA+nB pC+qD
Kc= [C]p[D]q[A]m[B]n
Sehingga :
Dalam suatu ruang 1 liter pada suhu T°C terdapat dalam keadaan setimbang 2 mol NH3, 1 mol O2, dan 2 mol H2 menurut persamaan reaksi:6)
Tentukan harga tetapan kesetimbangan Kc pada suhu tersebut !
Pembahasan :
Tetapan kesetimbangan reaksi diatas
Karena Volumnya adalah satu liter, maka konsentrasinya tinggal masukan molnya masing-masing.
Jenis-Jenis Reaksi Kesetimbangan
Kesetimbangan Homogen
Istilah kesetimbangan homogen (homogeneous equilibrium) berlaku untuk reaksi yang semua spesi bereaksinya berada pada fasa yang sama. Contoh dari kesetimbangan fasa-gas komogen adalah penguraian N2O4. Konstanta kesetimbangannya, sebagaimana diberikan pada persamaan sebelumnya, adalah
Kc= [NO2]²[N2O4]
Perhatikan bahwa subskrip dalam Kc menyatakan bahwa konsentrasi spesi yang beraksi dinyatakan dalam mol per liter. Konsentrasi reaktan dan produk dalam reaksi gas juga dapat dinyatakan dalam tekanan parsialnya. Dari persamaan sebelumnya kita lihat bahwa pada suhu tetap, tekanan P dari suatu gas berbanding lurus dengan konsentrasi dalam mol per liter gas tersebut. Artinya, P = (n/V)RT. Jadi, untuk proses kesetimbangan
N2O4g 2NO2g
kita dapat menuliskan
Kp= PNO22PN2O4
diamana PNO2 dan PN2O4 adalah tekanan parsial kesetimbangan (dalam atmosfer), masing-masing untuk NO2 dan N2O4. Subskrip pada Kp menyatakan bahwa konsentrasi kesetimbangan dinyatakan dalam tekanan.
Secara umum, Kc tidak sama dengan Kp, karena tekanan parsial reaktan dan produk tidak sama dengan konsentrasinya jika dinyatakan dalam mol per liter. Satu hubungan sederhana antara Kp dan Kc dapat diturunkan sebagai berikut. Mari kita lihat kesetimbangan dalam fasa gas :
aAg bBg
dimana a dan b adalah koefisien stoikiometri. Konstanta kesetimbangan Kc adalah
Kc=[B]b[A]a
dan persamaan untuk Kp adalah
Kp= PBbPAa
dimana PA dan PB adalah tekanan parsial A dan B. Dengan asumsi perilaku gas ideal,
PAV= nART
PA= nARTV
dimana V adalah volume wadah yang dinyatakan dalam satuan liter. Selain itu
PBV= nBRT
PB= nBRTV
Dengan mensubstitusikan hubungan ini ke dalam persamaan untuk Kp, kita dapatkan
Kp= [nBRTV]b[nARTV]a= [nBV]b[nAV]a(RT)b-a
Sekarang, nA/V dan nB/V mempunyai satuan mol per liter dan dapat digantikan oleh [A] dan [B], sehingga
Kp= [B]b[A]a(RT) n
Kp= Kc(RT) n
dimana
n = b – a
= mol produk gas – mol reakn gas
Karena tekanan biasanya dinyatakan dalam atmosger, konstanta gas R yang digunakan ialah 0,0821 L .atm /K . mol, dan kita dapat menulis hubungan antara Kp dan Kc sebagai berikut
Kp=Kc(0,08217) n
Umumnya Kp Kc kecuali dalam kasus khusus apabila n = 0. Dalam hal ini, Persamaan sebelumnya dapat ditulis sebagai1)
Kp=Kc(0,08217)0
=Kc
Contoh Soal :
Pada reaksi kesetimbangan :
2NH3 (g) N2 (g) + 3H2 (g)
pada suhu 27ºC mempunyai harga Kp = 2,46 atm. Maka harga Kc reaksi terseubt adalah ? 6)
Pembahasan :
Hubungan tetapan kesetimbangan Kc dan tetapan kesetimbangan Kp sebagai berikut :
Kp= Kc(RT) n
Sehingga :
Kc = 0,004065
Kesetimbangan Heterogen
Reaksi reversible yang melibatkan reaktan dan produk yang fasanya berbeda menghasilkan kesetimbangan heterogen ( heterogeneous equilibrium). Sebagai contoh, ketika kalsium karbonat dipanaskan dalam wadah tertutup, kesetimbangan berikut akan tercapai :
CaCO3s CaOs+ CO2(g)
Dua padatan dan satu gas ini membentuk tiga fasa yang terpisah. Pada kesetimbangan, kita dapat menulis konstanta kesetimbangan sebagai
Kc'= CaO[CO2][CaCO3]
Akan tetapi, "konsentrasi" suatu padatan, seperti halnya kerapatannya, merupakan sifat intensig dan tidak bergantung pada banyaknya zat yang ada. [perhatikan bahwa satuan konsentrasi (mol per liter) dapat diubah menjadi satuan kerapatan (gram per cm 3) dan sebaliknya]. Berdasarkan alasan ini, suku [CaCO3] dan CaO dengan sendirinya adalah konstanta sehingga dapat digabungkan dengan konstanta kesetimbangan. Kita dapat menyederhanakan persamaan kesetimbangan dengan menuliskan
[CaCO3]CaOKc'= Kc= [CO2]
dimana Kc, konstanta kesetimbangan "baru", sekarang dengan mudah dinyatakan dalam satuan kosentrasi, yaitu CO2. Perlu diingat bahwa nilai Kc tidak bergantung pada banyaknya CaCO3 dan CaO yang ada, sepanjang ada sedikit dari masing-masing yang berada dalam kondisi kesetimbangan.
Cara lainnya, kita daoat menyatakan konstanta kesetimbangan sebagai
Kp= PCO2
Konstanta kesetimbangan dalam hal ini memiliki nilai numerik yang sama dengan tekanan gas CO2, suatu kuantitas yang mudah diukur.
Informasi yang telah kita peroleh tentang padatan juga berlaku untuk cairan. Jadi, jika reaktan atau produknya berupa cairan, kita dapat memperlakukan konsentrasinya sebagai konstanta dan kita dapat menghilangkannya dari persamaan konstanta kesetimbangan.1)
Penulisan Konstanta kesetimbangan
Sebelum mengakhiri subbab ini, kita harus mengingat dua aturan penitng tentang penilisan konstanta kesetimbangan :
Ketika persamaan untuk suatu reaksi reversible dituliskan dengan arah yang berlawanan, konstanta kesetimbangannya menjadi kebalikan dari konstanta kesetimbangan asal. Jadi, jika kita tuliskan kesetimbangan NO2-N2O4 pada 25ºC sebagai
N2O4g 2NO2g
maka
Kc= [NO2]2[N2O4]=4,63 x 10-3
Akan tetapi, kita juga dapat menyatakan kesetimbangan ini dengan cara yang sama baiknya yaitu sebagai
2NO2 N2O4g
dan konstanta kesetimbangannya sekarang menjadi
K'c= [N2O4][NO2]2= 1Kc= 14,63 x 10-3=216
Anda dapat menilai bahwa Kc = 1/K'c atau Kc . K'c = 1,00. Baik Kc maupun K'c adalah konstanta kesetimbangan yang valid, tetapi pernyataan bahwa konstanta kesetimbangan untuk sistem NO2-N2O4 adalah 4,63 x 10-3, atau 216, tidak memiliki arti kecuali kita juga menuliskan persamaan kesetimbangannya.
Nilai K juga bergantung pada bagaimana persamaan kesetimbangan tersebut disetarakan. Perhatikan dua cara berikut untuk menjelaskan kesetimbangan yang sama :
12N2O4g 2NO2g K'c= [NO2][N2O4]1/2
N2O4g 2NO2g Kc = [NO2]2N2O4
Dengan melihat pangkatnya, kita mengetahui bahwa K'c = (Kc)1/2. Jika nilai rata-rata Kc = 4,63 x 10-3, maka K'c = 0,0680.
Jadi, jika kita lipatduakan seluruh bagian persamaan kimia, konstanta kesetimbangannya akan menjadi pangkat dua dari nilai kesetimbangan asalnya. Jika persamaan dilipattigakan, konstanta kesetimbangan akan menjadi pangkat tiga dari nilai asalnya, dan seterusnya. Contoh NO2-N2O4 sekali lagi menggambarkan perlunya menuliskan persamaan kimia terkaitnya ketika kita menuliskan nilai numerik suatu konstanta kesetimbangan.1)
Memprediksi Arah Reaksi
Salah satu kegunaan konstanta kesetimbangan kimia adalah memprediksi arah reaksi. Untuk mempelajari kecenderungan arah reaksi, digunakan besaran Qc, yaitu hasil perkalian konsentrasi awal produk dibagi hasil perkalian konsentrasi awal reaktan yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya. Jika nilai Qc dibandingkan dengan nilai Kc, terdapat tiga kemungkinan hubungan yang terjadi, antara lain :
Qc < Kc
Sistem reaksi reversibel kelebihan reaktan dan kekurangan produk. Untuk mencapai kesetimbangan, sejumlah reaktan diubah menjadi produk. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah produk (ke kanan).
Qc = Kc
Sistem berada dalam keadaan kesetimbangan. Laju reaksi, baik ke arah reaktan maupun produk sama.
Qc > Kc
Sistem reaksi reversibel kelebihan produk dan kekurangan reaktan. Untuk mencapai kesetimbangan, sejumlah produk diubah menjadi reaktan. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah reaktan (ke kiri).4)
Faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan kimia
Kesetimbangan kimia merepresentasikan suatu kesetaraan antara reaksi maju dan reaksi balik. Dalam kebanyakan kasus, kesetaraan ini sangat rentan. Perubahan kondisi percobaan dapat menggangu kesetaraan dan menggeser posisi kesetimbangan sehingga produk yang diinginkan bisa terbentuk lebih banyak atau kurang. Bila kita katakan bahwa posisi kesetimbangan bergeser ke kanan, misalnya, yang kita maksudkan ialah bahwa reaksi bersih sekarang adalah dari kiri ke kanan. Berikut ini adalah variabel-variabel percobaan yang dapat diatur : konsentrasi, tekanan, volume, dan suhu. Disini kita akan melihat bagaimana variabel-variabel ini mempengaruhi sistem reaksi pada kesetimbangan. Selain itu, kita akan menguji pengaruh katalis pada kesetimbangan.
Asas Le Chatelier
Ada satu aturan umum yang membantu kita memprediksi ke arah mana reaksi kesetimbangan akan bergeser bila terjadi perubahan konsentrasi, tekanan, volume, dan suhu. Aturan ini, dikenal dengan asa Le Chatelier (Le Chatelier principle) (diambil dari nama kimiawan Prancis Henri Le Chatelier), menyatakan bahwa jika suatu tekanan eksternal diberikan kepada suatu sistem yang setimbang, sistem ini akan menyesuaikan diri sedemikian rupa untuk mengimbangi sebagian tekanan ini pada saat sistem mencoba setimbang kembali. Kata "tekanan" (stress) disini berarti perubahan konsentrasi, tekanan, volume, atau suhu yang mengeser sistem dari keadaan setimbangnya. Kita akan menggunakan asa Le Chatelier untuk menilai pengaruh dari perubahan tersebut.1)
Perubahan Konsentrasi
Besi(III) tiosianat [Fe(SCN)3] mudah larut dalam air dan menghasilkan larutan berwarna merah. Warna merah ini disebabkan oleh adanya ion terhidrasi FeSCN2+. Kesetimbangan antara ion-ion FeSCN2+ yang tidak terurai dan Fe3+ dan SCN- ditulis sebagai
FeSCN2+aq Fe3+aq+ SCN-(aq)
merah kuning pucat tak berwarna
Apa yang terjadi jika kita tambahkan sedikit natrium tiosianat (NaSCN) ke dalam larutan ini? Dalam hal ini, tekanan yang diberikan pada kesetimbangan sistem ialah penambahan konsentrasi SCN- (berasal dari penguraian NaSCN). Untuk mengkompensasi tekanan beberapa ion Fe3+ bereaksi dengan ion SCN- yang ditambahkan, sehingga kesetimbangan bergeser ke kanan ke kiri.
FeSCN2+aq Fe3+aq+ SCN-(aq)
Akibatnya, warna merah larutan bertambah tua. Demikian juga, jika tambahkan besi (III) nitrat [Fe(NO3)3] ke dalam larutan asal, warna merah juga akan bertambah tua karena ion Fe3+ tambahan dari [Fe(NO3)3] akan menggeser kesetimbangan dari kanan ke kiri. Baik Na+ maupun NO3- ialah ion-ion pendamping yang tak berwarna.
Sekarang kita coba tambahkan sedikit asam oksalat (H2C2O4) ke dalam larutan. Asam Oksalat terionisasi dalam air membentuk ion oksalat, C2O42-, yang terikat kuat dengan ion-ion Fe3+. Pembentukan ion stabil berwarna kuningFe(C2O4) 33- mengambil ion Fe3+ larutan. Akibatnya, lebih banyak satuan FeSCN2+ yang terurai dan kesetimbangan bergeser dari kiri ke kanan.
FeSCN2+aq Fe3+aq+ SCN-(aq)
Larutan merah akan berubah menjadi kuning karena terbentuknya ion
Fe(C2O4) 33-.
Percobaan ini menunjukkan bahwa pada kesetimbangan, semua reaktan dan produk berada dalam sistem reaksi. Kedua, peningkatan konsentrasi produk (Fe3+ atau SCN-) akan menggeser kesetimbangan ke kiri, dan penurunan konsentrasi produk Fe3+ akan menggeser kesetimbangan ke kanan. Hasil-hasil ini sama persis sebagaimana yang telah diprediksi oleh asas Le chatelier.1)
Perubahan Tekanan dan Volume
Perubahan tekanan biasanya tidak dipengaruhi konsentrasi spesi yang beraksi dalam fasa terkondensasi (katakanlah, dalam larutan berair) sebab cairan dan padatan pada dasarnya tidak dapat dimampatkan. Sebaliknya, konsentrasi gas sangat dipengaruhi oleh perubahan tekanan. Mari kita lihat persamaan dibawah ini.
PV = nRT
P = nV RT
Jadi, P dan V berbanding terbalik, semakin besar tekanan, semakin kecil volume, dan sebaliknya. Perhatikan juga, bahwa suku (n/V) ialah konsentrasi gas dalam mol per liter, dan konsentrasinya ini berbanding lurus dengan tekanan.
Misalkan sistem kesetimbangan
N2O4g 2NO2g
berada dalam sebuah silinder yang bisa dimasuki dengan pas oleh sebuah piston yang dapat bergerak, apa yang terjadi jika kita naikkan tekanan pada gas dengan menekan piston pada suhu tetap? Karena volume turun, konsentrasi (n/V) NO2 dan N2O naik. Karena konsentrasi NO2 dikuadratkan, naiknya tekanan membuat pembilangnya lebih besar daripada penyebutnya. Sistem tidak lagi pada kesetimbangan, maka kita tuliskan
Qc= [NO2]02[N2O4]0
Jika Qc > Kc, dan reaksi bersihnya akan bergeser ke kiri sampai Qc = Kc. Sebaliknya, penurunan tekanan (peningkatan volume) akan menghasilkan Qc < Kc, reaksi bersihnya akan bergeser ke kanan sampai Qc = Kc.
Pada umumnya, peningkatan tekanan (penurunan volume) menghasilkan reaksi bersama yang menurunkan jumlah total mol gas (reaksi balik, pada kasus yang baru dibahas), dan penurunan tekanan (peningkatan volume) menghasilkan reaksi bersih yang meningkatkan jumlah total mol gas. Untuk reaksi yang tidak menghasilkan perubahan jumlah mol gas, perubahan tekanan atau volume tidak mempengaruhi posisi kesetimbangan.1)
Perubahan Suhu
Perubahan konsentrasi, tekanan, atau volume dapat mengubah posisi kesetimbangan, tetapi tidak mengubah nilai konstanta kesetimbangan. Hanya perubahan suhu yang dapat mengubah konstanta kesetimbangan.
Pembentukan NO2 dari N2O4 adakah proses endotermik :
N2O4g 2NO2g Hº = 58,0 kJ
dan reaksi baliknya adalah proses eksotermik :
2NO2g N2O4g Hº = -58,0 kJ
Pada kesetimbanga, pengaruh kalor adalah nol karena tidak ada reaksi bersih. Apa yang terjadi jika sistem setimbangan
N2O4g 2NO2g
dipanaskan pada volume tetap? Karena proses endotermik menyerap kalor dari lingkungan, proses pemanansan akan menyebabkan terurainya molekul N2O4 menjadi NO2. Akibatnya, konstanta kesetimbangan, yaitu
Kc=[NO2]²[N2O4]
meningkat dengan meningkatnya suhu
Contoh lain, perhatkan kesetimbangan antara ion-ion berikut :
CoCl42-+ 6H2O Co(H2O)62++ 4Cl-
biru merah muda
pembentukan CoCl42- adalah proses endotermik. Jika dipanaskan, kesetimbangan bergeser ke kiri dan larutan menjadi biru. Pendinginan menghasilkan reaksi eksotermik (pembentukan Co(H2O)62+) dan larutan menjadi merah muda.
Ringkasnya, peningkatan suhu menghasilkan reaksi endotermik dan penurunan suhu menghasilkan reaksi eksotermik.1)
Pengaruh Katalis
Katalis meningkatkan laju terjadinya reaksi. Untuk reaksi reversible, katalis mempengaruhi laju reaksi maju sama besar dengan reaksi balik. Jadi, keberadaan katalis tidak mengubah konstanta kesetimbangan, dan tidak menggeser posisi sistem kesetimbangan.
Penambhan katalis pada campuran reaksi yang tidak berada pada kesetimbangan akan mempercepat laju reaksi maju dan reaksi balik, sehingga campuran kesetimbangan tercapai lebih cepat. Campuran kesetimbangan yang sama dapat diperoleh tanpa katalis, tetapi kita mungkin harus menunggu lebih lama agar kesetimbangan terjadi.
Asas Le Chatelier banyak diterapkan dalam proses industri. Perhatikan proses Haber Bosch dalam sintesis amonia
N2g+ 3H2g 2NH3g H = -92,6 J
Karena reaksi maju mengakibatkan penurunan jumlah mol gas, reaksi ini dilangsungkan pada tekanan yang sangat tinggi, antara 500 atm dan 1000 atm, untuk memaksimumkan perolehan. Sifat eksotermik dari pembentukan amonia menyiratkan bahwa proses sebaliknya dilakukan pada suhu yang rendah. Namun, proses ini ternyata dilakukan pada sekitar 500ºC dengan katalis, untuk meningkatkan laju reaksi meskipun konstanta kesetimbangan akan lebih kecil pada suhu tinggi. Dalam praktiknya, reaksi tidak dapat mencapai kesetimbangan karena amonia terus menerus dipindahkan dari campuran reaksi sehingga reaksi selalu bergeser dari kiri ke kanan.1)
Penerapan Kesetimbangan Kimia
Mungkin tanpa kita sadari, reaksi kesetimbangan terjadi dalam tubuh kita. Selain itu, prinsip kesetimbangan kimia dimanfaatkan untuk meningkatkan produksi dalam berbagai industri yang melibatkan reaksi kimia.
Kesetimbangan Kimia dalam Tubuh Manusia
Berikut ini beberapa contoh proses dalam tubuh yang melibatkan kesetimbangan kimia
pH Darah dan Jaringan Tubuh
Darah dan jaringan tubuh kita mempunyai pH sekitar 7,4. Dalam darah dan jaringan tubuh terjadi reaksi kesetimbangan antara asam karbonat dalam darah dengan ion hidrogen karbonat dan ion hidrogen.
H2Ol+ CO2g H2CO3aq HCO3-(aq)+H+(aq)
Jika kita mengonsumsi makanan yang bersifat asam, konsentrasi ion hidrogen bertambah (darah bersifat asam) sehingga reaksi kesetimbangan bergeser ke kiri. Sebaliknya, jika kita mengonsumsi makanan yang bersifat basa, konsentrasi ion hidrogen berkurang (darah bersifat basa), sehingga reaksi kesetimbangan bergeser ke kanan.2)
Metabolisme Karbon Dioksida dalam Tubuh
Ketika oksigen diangkut dari paru-pari ke jaringan tubuh, pada saat yang sama karbon dioksida yang dihasilkan oleh respirasi sel diangkut dari jaringan tubuh ke paru-paru. Dalam jaringan tubuh, karbon dioksida yang konsentrasinya relatif tinggi melarut dalam darah bereaksi dengan air membentuk asam karbonat. Dengan demikian, reaksi bergeser ke arah kanan.
CO2g CO2aq+ H2Ol H2CO3(aq)
Sebaliknya, dalam paru-paru konsentrasi karbon dioksida relatif rendah sehingga karbon dioksida dikeluarkan dari darah ke udara. Oleh karena itu, reaksi bergeser ke kiri.2)
Pengikat Oksigen oleh Darah
Salah satu fungsi darah dalam tubuh adalah mengedarkan oksigen dari paru-paru ke seluruh tubuh. Bagaimana proses peredaran oksigen dalam darah?
Amati gambar berikut !
Gambar : Proses peredaran oksigen dalam darah.5)
Mula-mula, hemoglobin (Hb) mengikat oksigen membentuk oksihemoglobin, kemudian dibawa ke seluruh tubuh melalui sistem peredaran darah. Mekanisme pengikatan oksigen oleh hemoglobin merupakan reaksi kesetimbangan.
Hb+ O2 HbO2
Reaksi pengikatan oksigen oleh Hb terjadi dalam paru-paru. Reaksi tersebut berjalan ke arah kanan karena konsentrasi oksigen bertambah. Ketika oksigen mulai beredar ke dalam jaringan tubuh, konsentrasi oksigen akan berkurang karena digunakan untuk proses pembakaran. Dengan demikian, reaksi di dalam jaringan berjalan ke arah kiri.
Reaksi kesetimbangan dalam peredaran darah ini dapat menjelaskan alasan mengapa mengisap gas karbon monoksida (CO) yang beracun dapat mengganggu kesehatan. Ketika gas CO terisap dan larut dalam peredaran darah, gas CO berikatan dengan Hb. CO dan O2 akan bersaing ketat agar dapat berikatan dengan Hb. Manakah yang akan menjadi pemenangnya? Tetapan kesetimbangan kimia Hb-CO lebih besar daripada tetaan kesetimbangan Hb-O2 sehingga Hb lebih mudah mengikat CO.
HbO2+ CO HbCO+ O2
Jika melihat reaksi tersebut, kamu pasti telah tahu jawaban mengapa gas CO dapat mengganggu kesehatan. Adanya CO dalam tubuh menyebabkan kemampuan darah untuk mengikat oksigen berkurang. Gas CO akan menggantikan oksigen sehingga yang beredar dalam tubuh adalah gas CO yang beracun.2)
Kesetimbangan dalam Mulut
Reaksi kesetimbangan terjadi juga dalam mulut. Email gigimengandung senyawa kalsium hidroksiapatit, Ca5(PO4)3OH. Di dalam mulut zat itu akan mengalami reaksi kesetimbangan sebagai berikut
Ca5(PO4)3OHs 5Ca2+aq+ 3PO43-aq+ OH-(aq)
Reaksi kesetimbangan yang terjadi akan mengalami pergeseran jika kita mengonsumsi makanan yang mengandung asam. Makanan asam mengandung ion H+ sehingga ion tersebut akan mengikat ion PO43- dan OH-. Akibatnya reaksi kesetimbangan akan bergeser ke kanan. (konsentrasi Ca5(PO4)3OH) berkurang. Pergeseran tersebut menyebabkan lapisan email menjadi keropos sehingga timbul sakit gigi.2)
Kesetimbangan Kimia dalam Bidang Industri
Prinsip utama dalam bidang industri adalah bagaimana caranya menghasilkan produk (hasil reaksi) seoptimal mungkin. Hal tersebut dapat dicapai dengan memodifikasi reaksi kimia yang terjadi.
Pada saat kesetimbangan tercapai, produk reaksi yang dihasilkan tidak akan bertambah lagi. Produk reaksi akan kembali dihasilkan jika dilakukan perubahan konsentrasi (produk reaksinya diambil atau pereaksi ditambah), perubahan suhu, atau perubahan tekanan dan volume. Berikut ini beberapa contohnya.
Industri Amonia
Nitrogen sangat diperlukan untuk kelangsungan hidup makluk hidup. Sebelum Perang Dunia I, dunia kekurangan senyawa nitrogen. Setelah itu, Sumber nitrogen dapat diproduksi secara besar-besaran melalui sintesis amonia. Fritz Haber menerapkan asa Le Chatelier untuk merancang industri amonia yang dikenal dengan proses Haber, yaitu dibuat dengan cara mereaksikan nitrogen dan oksigen.
Bahan baku proses Haber berasal dari gas alam, air dan udara. Gas hidrogen diperoleh dari reaksi gas alam (mengandung metana) dengan uap air, sedangkan gas nitrogen diperoleh dari udara.
CH4+ H2O CO+ 3H2
Kemudian, gas CO yang terbentuk direaksikan lagi dengan uap air sehingga menghasilkan gas H2 dan gas CO2
CO+ H2O CO2+ H2
Gas H2, digunakan untuk membuat amonia, sedangkan gas CO2, yang dihasilkan digunakan untuk memproduksi urea CO(NH2)2. Reaksi nitogen dan hidrogen dilakukan pada suhu 450 oC dibantu oleh katalis (besi oksida) dengan reaksi kesetimbangan sebagai berikut.
N2g+ 3H2g 2NH3 H = -92 kJ
Di dunia, 50% amonia yang diproduksi digunakan untuk pupuk. Sisanya digunakan untuk memproduksi granul garam NH4NO3, (NH4)2SO4, dan (NH4)3PO4, asam nitrit, dan senyawa nitrogen lainnya.2)
Industri Asam Sulfat
Asam Sulfat merupakan salah satu bahan kimia yang banyak digunakan, baik di laboratorium maupun industri. Penggunaan utama asam sulfat di industri adalah sebagai bahan baku pembuatan pupuk, di antaranya pupuk superfosfat dan amonium sulfat. Dalam industri asam sulfat digunakan sebagai bahan baku pembuatan asam klorida, asam nitrat, garam sulfat, deterjen, zat pewarna, bom dan obat-obatan.
Bahan baku utama pembuatan asam sulfat adalah belerang trioksida (SO3). SO3 sendiri dihasilkan dari reaksi antara belerang dioksida dan oksigen. Metode pembuatan asam sulfat dengan cara ini dinamakan proses kontak yang teridiri atas 3 tahap, yaitu pembuatan SO2, pembuatan SO3, dan pembuatan H2SO4. Untuk pempercepat reaksi, digunakan katalisator vandium pentaoksida (V2O5).
Tahap 1 : Oksidasi S
Ss+ O2g SO2(g) H = -287 kJ
Tahap 2 : Oksidasi SO2
2SO2g+ O2g 2SO3g H = -190kJ
Tahap 3 : pembentukan H2SO4
Belerang trioksida direaksikan dengan asam sulfat peat menghasilkan asam pirosulfat.
SO3g+ H2SO4aq H2S2O7(l)
Asam sulfat diperloleh kembali dengan cara mereaksikan asam prosulfat dan air. Kadar asam sulfat yang dihasilkan sekitar 98% 2)
H2S2O7l+ H2Ol 2H2SO4(aq)
Tangki Penyimpanan Hidrogen Cair
Hidrogen cair merupakan salah satu bahan bakar alternatif yang kini mulai digunakan. Salah satu masalah dalam penyimpanan bahan bakar hidrogen untuk kendaraan bermotor dapat diatasi dengan pembentukan hidrida. Menurut penelitian, beberapa logam dapat menyimpan hidrogen cair 50% lebih banyak dari wadah yang biasa digunakan untuk menyimpan hidrogen cair. Dengan memberikan tekanan, hidrogen membentuk hidrida dengan serbuk logam.
Tis+ nH2l TiH2n(g)
Jika hidrogen digunakan, tekanan akan berkurang sehingga reaksi akan bergeser ke kiri (menghasilkan hidrogen).2)
Kolam Renang dan Bak Penampungan Air
Untuk mencegah pertumbuhan alga dan bakteri dalam kolam renang atau bak penampungan air, ke dalam kolam atau bak mandinya ditambahkan asam hipoklorit (HclO), Sinar matahari dapat mempercepat penguraian HClO. Untuk memperlambat penguraian HClO, ke dalam kolam renang ditambahkan asam sianurat karena asam triklorosianurat tidak terurai oleh sinar matahari.
H3C3N3O3aq+ 3HClOaq Cl3C3N3O3aq+ 3H2Ol
Asam sianurat Triklorosianurat
Jika asam hipoklorit terurai atau mengoksidasi alga atau bakteri, reaksi akan bergeser ke arah kiri (pembentukan asam hipoklorit). Dengan demikian, penggunaan asam hipoklorit dapat dihemat sekaligus mengurangi biaya produksi.2)
DAFTAR PUSTAKA
Chang, Raymond. 2004. Kimia Dasar Konsep-Konsep Inti. Edisi ke-3. Jakarta: Erlangga.
Justiana, Sandri dan Muchtaridi.2009. Kimia 2 SMA Kelas XI. Jakarta: Yudhistira.
http://wikenovi.wordpress.com/kimia-kelas-xi-2/kesetimbangan-kimia-2/
http://www.chayoy.com/2011/04/makalah-kesetimbangan-kimia.html
http://hendrosmk.files.wordpress.com/2011/08/jantung2.jpg
http://kimiastudycenter.com/kimia-xi/28-kesetimbangan-kimia
