Kesetimbangan Kimia

URAIAN MATERI POKOK

Jika sejumlah belerang dibakar, maka akan dihasilkan gas SO₂, selanjutnya belerang tersebut habis terbakar. Ketika belerang sudah habis, reaksi akan berhenti. Reaksi seperti ini dinamakan reaksi berkesudahan (irreversible= tidak dapat balik). Reaksi ini hanya satu arah, yaitu ke arah produk.

Jika gas SO₂ tersebut dibakar lagi, maka akan dihasilkan gas SO₃. Ketika gas SO₃ terbentuk, pada saat itu terjadi lagi reaksi penguraian (disosiasi) gas SO₃ membentuk gas SO₂ dan gas O₂ sehingga gas SO₃ tidak habis terbakar. Reaksi seperti ini dinamakan reaksi tak berkesudahan atau reaksi bolak-balik (reversible). Reaksi ini berlangsung dua arah, yaitu ke arah produk 

Pengertian dan Prinsip Kesetimbangan Kimia

Reaksi yang dapat berlangsung dalam dua arah disebut reaksi dapat balik (Reversibel). Apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri, maka reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. Secara umum, reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai:

Ada dua macam system kesetimbangan, yaitu kesetimbangan dalam sistem homgen dan kesetimbangan dalam sistem heterogen.

Suatu reaksi mengalami kesetimbangan apabila laju reaksi ke kiri sama dengan laju reaksi ke kanan. Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:                     aA + bB      cC +  dD

Pengertian Kesetimbangan Kimia

 

Pada dasarnya istilah kesetimbangan berhubungan dengan keseimbangan gaya-gaya  (kesetimbangan mekanik ). Contohnya pada kita menimbang benda, Kita membuat benda yang kita timbang sama posisinya  (seimbang) dengan anak timbangan sehingga skala timbangan itulah berat benda. Dalam kesetimbangan mekanik, jika resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol atau benda dalam kesetimbangan mekanik jika benda tersebut tidak sedang mengalami perubahan dalam gerakkannya.

Bagaimana halnya dengan kesetimbangan kimia? Ketika suatu reaksi kimia berlangsung dalam sebuah bejana yang mencegah masuknya atau keluarnya zat-zat yang terlibat dalam reaksi , maka besaran (kuantitas) dari komponen-komponen tersebut berubah ketika beberapa komponen tersebut digunakan dan komponen lain terbentuk. Akhirnya perubahan ini akan berakhir setelah komposisnya tetap selama sistem tersebut tidak terganggu. Secara sederhana dapat dikatakan reaksi kimia dalam kesetimbanagan ketuka tidak ada kecenderungan kuantitas zat-zat pereaksi dan zat-zat hasil reaksi untuk berubah.

1. Reaksi Reversible dan Irreversible

Jika larutan asam klorida (HCl) direaksikan dengan larutan natrium hidroksida (NaOH), maka akan terjadi rekasi netralisasi membentuk garam dapur NaCl dan air. Reaksi tersebut dapat dituliskan dengan persamaan kimia sebagai berikut: 

Jika reaksi dibalik, artinya kita mereaksikan larutan garam dapur (NaCl) dengan air maka tidak terbentuk larutan HCl dan NaOH. Dengan demikian reaksi antara larutan HCl dengan larutan NaOH membentuk larutan garam dapur (NaCl) dengan air merupakan reaksi yang berlangsung satu arah, dan reaksi tidak dapat balik . reaksi-reaksi kimia yang demikian dinamakan reaksi irreversibel (reaksi berkesudahan).

 

Reaksi antara gas nitrogen (N₂) dan gas hidrogen (H₂) membentuk  amonia (NH₃) merupakan reaksi yang berlangsung dua arah yang berlawanan (ke arah zat hasil reaksi dan ke arah zat pereaksi) dan reaksi tersebut dapat balik, yaitu zat hasil reaksi dapat membentuk zat pereaksi. Reaksi – reaksi kimia yang demikian dinamakan reaksi reversibel (reaksi tak berkesudahan).

2. Kesetimbangan Dinamis

Pada reaksi yang berlangsung bolak balik, ada saat dimana laju terbentuknya produk sama dengan laju terurainya kembali produk menjadi reaktan. Pada keadaan ini, biasanya tidak terlihat lagi ada perubahan. Keadaan reaksi dengan laju reaksi maju (ke kanan) sama dengan laju reaksi baliknya (ke kiri) dinamakan keadaan setimbang. Reaksi yang berada dalam keadaan setimbang disebut Sistem Kesetimbangan. 

 

Pada grafik di atas Mula-mula laju reaksi maju ke arah pembentukan produk lambat dari pada laju mundur ke arah reaktan karena sedikit produk yang terbentuk . Namun setelah berlangsung beberapa waktu laju reaksi maju lebih cepat dan akhirnya terdapat kondisi laju reaksi maju = laju reaksi balik. Pada keadaan tersebut, laju reaksi maju dengan reaksi balik berlangsung secara simultan (bersamaan) hingga konsentrasi masing-masing zat tidak berubah terhadap waktu.

  Pada keadaan kesetimbangan, reaksi tidak berhenti, tetapi berlangsung dalam dua arah dengna laju yang sama. Oleh karena itu reaksi tidak bersifat statis tapi bersifat dinamis. Adapun ciri –ciri keseimbangan dinamis adalah :

·            Hanya terjadi dalam wadah tertutup, pada suhu dan tekanan tetap

·            Reaksinya berlangsung terus-menerus (dinamis) dalam dua arah yang berlawanan

·            Laju reaksi maju (ke kanan) sama dengan laju reaksi balik (ke kiri)

·            Semua komponen yang terlibat dalam reaksi tetap ada

·            Tidak terjadi perubahan yang sifatnya dapat diukur maupun diamati.

Contoh kesetimbangan dinamis dalam kehidupan sehari-hari dapat digambarkan pada proses penguapan air. Bila air dipanaskan dalam wadah tertutup rapat, airnya lama kelamaan akan habis berubah menjadi uap air. Tetapi belum sempat habis, uap air yangnaik ke atas mengalami kejenuhan sehingga akan jatuh kembali menjadi embun. Apabila dibiarkan terus-menerus, kecepatan menguapnya air akan sama dengan kecepatan mengembunnya uap air menjadi air. Pada saat itu, tercapai keadaan setimbang dimana tidak nampak lagi adanya perubahan ketinggian air dalam wadah tertutup tersebut.

3. Kesetimbangan Homogen dan Heterogen

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. Contoh :

1. N₂(g) + 3H₂(g)  D 2NH₃(g)

2. H₂O(aq) D H⁺(aq) + OH^-(aq)

3. CH₃COOH(aq) D CH₃COO^-(aq) + H⁺(aq)

Sedangkan reaksi kesetimbangan dimana reaktan dan produk yang berbeda fase. Contoh :

1. CaCO3(s) D CaO(s) + CO3(g)

2. Ag2CrO₄(s) D Ag²⁺(aq) + CrO₄^2-(aq)

3. 2 C(s) + O₂(g) D 2CO(g)

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

4. Tetapan Kesetimbangan

Dalam keadaan setimbang, perbandingan konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi tergantung pada suhu dan jenis reaksi kesetimbangan. Cato Maximilian Guldberg dan Peter Waage, dua ahli kimia dari Norwegia, menyatakan bahwa dalam reaksi kesetimbangan berlaku hukum kesetimbangan.

Sementara itu, tetapan kesetimbangan berdasarkan konsentrasi (Kc) adalah hasil perkalian konsentrasi hasil reaksi dibagi perkalian konsentrasi pereaksi yang masing-masing dipangkatkan koefisiennya. Dalam kesetimbangan homogen, rumusan Kc dihitung dari konsentrasi semua zat yang terlibat dalam reaksi. Perhatikan reaksi berikut.

Untuk menghitung besar Kc pada kesetimbangan homogen, dipergunakan rumus berikut.

Sedangkan untuk kesetimbangan heterogen, rumusan Kc dihitung dari:

1.         Untuk campuran gas dengan padat, yang diperhitungkan hanya zat yang berfasa gas.

2.         Untuk campuran larutan dengan padat, yang diperhitungkan hanya larutan saja.

 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Pergeseran Kesetimbangan

 

Pergeseran Kesetimbangan Suatu sistem dalam keadaan setimbang cendrung mempertahankan kesetimbangannya, sehingga bila ada pengaruh dari luar maka sistem tersebut akan berubah sedemikian rupa agar segera diperoleh keadaan kesetimbangan lagi. Seorang kimiawan berkebangsaan Perancis, Henri Le Chatelier , menemukan bahwa  jika reaksi kimia yang setimbang menerima perubahaan keadaan (menerima aksi dari luar), reaksi tersebut akan menuju pada kesetimbangan baru dengan suatu pergeseran tertentu untuk mengatasi  perubahan yang diterima (melakukan reaksi sebagai respon terhadap perubahan yang diterima) . Hal ini disebut Prinsip Le Chatelier.  Ada empat  faktor yang dapat mengubah kesetimbangan kimia, antara lain :

1. Pengaruh Perubahan Konsentrasi Terhadap Kesetimbangan  

Perhatikan reaksi pembentukan gas amonia berikut : N₂(g)+ 3H₂(g)       2NH₃ (g) H = -92 kJ

Aksi yang diberikan Arah pergeseran  N₂ ditambah N₂dikurangi Ke kanan (produk bertambah) Ke kir (produk berubah menjadi reaktan) H₂d itambah H₂ dikurangi Ke kanan(produk bertambah) Ke kiri (produk berubah menjadi reaktan NH₃ ditambah NH₃ dikurangi Ke kiri (produk berubah menjadi reaktan) Ke kanan(produk bertambah) Jika konsentrasi salah satu zat ditambah, maka sistem akan bergeser dari arah zat tersebut. Jika konsentrasi salah satu zat dikurangi, maka sistem akan bergeser ke arah zat tersebut.

Reaksi pada proses Haber adalah reaksi eksotermis. Reaksi tersebut dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi berikut :

N_2(g) +  3 H_2(g)                 2 NH_3(g) +  Kalor

Jika campuran reaksi tersebut dipanaskan, akan terjadi peningkatan jumlah kalor dalam sistem kesetimbangan. Untuk mengembalikan reaksi ke kondisi setimbang, reaksi akan bergeser dari arah kanan ke kiri. Akibatnya, jumlah reaktan akan meningkat disertai penurunan jumlah produk. Tentu saja hal ini bukanlah sesuatu yang diharapkan. Agar jumlah amonia yang terbentuk meningkat, campuran reaksi harus didinginkan. Dengan demikian, jumlah kalor di sisi kanan akan berkurang sehingga reaksi akan bergeser ke arah kanan.

Secara umum, memanaskan suatu reaksi menyebabkan reaksi tersebut bergeser ke sisi endotermis. Sebaliknya, mendinginkan campuran reaksi menyebabkan kesetimbangan bergeser ke sisi eksotermis.

3.         Pengaruh tekanan dan volume

Mengubah tekanan hanya mempengaruhi kesetimbangan bila terdapat reaktan dan/atau produk yang berwujud gas. Pada proses Haber, semua spesi adalah gas, sehingga tekanan dapat mempengaruhi kesetimbangan. Reaksi pada proses Haber terjadi dalam ruangan tertutup. Tekanan pada ruangan terjadi akibat tumbukan gas hidrogen, gas nitrogen, serta gas amonia terhadap dinding ruangan tersebut. Saat sistem mencapai keadaan setimbang, terdapat sejumlah gas nitrogen, gas hidrogen, dan gas amonia dalam ruangan. Tekanan ruang dapat dinaikkan dengan membuat tempat reaksinya menjadi lebih kecil (dengan memampatkannya, misal dengan piston) atau dengan memasukkan suatu gas yang tidak reaktif, seperti gas neon. Akibatnya, lebih banyak tumbukan akan terjadi pada dinding ruangan bagian dalam, sehingga kesetimbangan terganggu. Untuk mengatasi pengaruh tersebut dan memantapkan kembali kesetimbangan, tekanan harus dikurangi.

Setiap kali terjadi reaksi maju (dari kiri ke kanan), empat molekul gas (satu molekul gas nitrogen dan tiga molekul gas hidrogen) akan membentuk dua molekul gas amonia. Reaksi ini mengurangi jumlah molekul gas dalam ruangan. Sebaliknya, reaksi balik (dari kanan ke kiri), digunakan dua molekul gas amonia untuk mendapatkan empat molekul gas (satu molekul gas nitrogen dan tiga molekul gas hidrogen). Reaksi ini menaikkan jumlah molekul gas dalam ruangan.

Kesetimbangan telah diganggu dengan peningkatan tekanan. Dengan mengurangi tekanan, gangguan tersebut dapat dihilangkan. Mengurangi jumlah molekul gas di dalam ruangan akan mengurangi tekanan (sebab jumlah tumbukan akan berkurang). Oleh sebab itu, reaksi maju (dari kiri ke kanan) lebih disukai, sebab empat molekul gas akan digunakan dan hanya dua molekul gas yang akan terbentuk. Sebagai akibat dari reaksi maju ini, akan dihasilkan gas amonia yang lebih banyak.Secara umum, meningkatkan tekanan (mengurangi volume ruangan) pada campuran yang setimbang menyebabkan reaksinya bergeser ke sisi yang mengandung jumlah molekul gas yang paling sedikit. Sebaliknya, menurunkan tekanan (memperbesar volume ruangan) pada campuran yang setimbang menyebabkan reaksinya bergeser ke sisi yang mengandung jumlah molekul gas yang paling banyak. Sementara untuk reaksi yang tidak mengalami perubahan jumlah molekul gas (mol reaktan = mol produk), faktor tekanan dan volume tidak mempengaruhi kesetimbangan kimia.

Dari beberapa faktor di atas, hanya perubahan temperatur (suhu) reaksi yang dapat mengubah nilai konstanta kesetimbangan (K_c maupun K_p). Perubahan konsentrasi, tekanan, dan volume hanya mengubah konsentrasi spesi kimia saat kesetimbangan, tidak mengubah nilai K. Katalis hanya mempercepat tercapainya keadaan kesetimbangan, tidak dapat menggeser kesetimbangan kimia.

Kesetimbangan Kimia dalam Industri

Banyak proses industri zat kimia yang didasarkan pada reaksi kesetimbangan. Agar efesien, kondisi reaksi harus menggeser kesetimbangan ke arah produk dan meminimalkan reaksi balik. Misalnya:

1. Pembuatan Amonia menurut proses Haber-Bosch, Nitrogen terdapat melimpah di udara, yaitu sekitar 78% volume. Walaupun demikian, senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam. Satu-satunya sumber alam yang penting ialah NaNO₃ yang disebut Sendawa Chili. Sementara itu, kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya untuk industri pupuk, dan bahan peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen, fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode yang utama adalah mereaksikan nitrogen dengan hidrogen membentuk amonia. Selanjutnya amonia dapat diubah menjadi senyawa nitrogen lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh

Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah :

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dilain pihak, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al₂O₃, MgO, CaO, dan K₂O. Seiring dengan kemajuan teknologi, digunakanlah tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia : 

 Kesetimbangan di alam
contoh reaksi kesetimbangan di alam daur air

 
Daur hidrologi sering juga dipakai istilah water cycle atau siklus air. Suatu sirkulasi air yang meliputi gerakan mulai dari laut ke atmosfer, dari atmosfer ke tanah, dan kembali ke laut lagi atau dengan arti lain siklus hidrologi merupakan rangkaian proses berpindahnya air permukaan bumi dari suatu tempat ke tempat lainnya hingga kembali ke tempat asalnya.

Air naik ke udara dari permukaan laut atau dari daratan melalui evaporasi. Air di atmosfer dalam bentuk uap air atau awan bergerak dalam massa yang besar di atas benua dan dipanaskan oleh radiasi tanah. Panas membuat uap air lebih naik lagi sehingga cukup tinggi/dingin untuk terjadi kondensasi. Uap air berubah jadi embun dan seterusnya jadi hujan atau salju. Curahan (precipitation) turun ke bawah, ke daratan atau langsung ke laut. Air yang tiba di daratan kemudian mengalir di atas permukaan sebagai sungai, terus kembali ke laut. Air yang tiba di daratan kemudian mengalir di atas permukaan sebagai sungai, terus kembali ke laut melengkapi siklus air.

Dalam perjalanannya dari atmosfer ke luar, air mengalami banyak interupsi. Sebagian dari air hujan yang turun dari awan menguap sebelum tiba di permukaan bumi, sebagian lagi jatuh di atas daun tumbuh-tumbuhan (intercception) dan menguap dari permukaan daun-daun. Air yang tiba di tanah dapat mengalir terus ke laut, namun ada juga yang meresap dulu ke dalam tanah (infiltration) dan sampai ke lapisan batuan sebagai air tanah.

Sebagian dari air tanah dihisap oleh tumbuh-tumbuhan melalui daun-daunan lalu menguapkan airnya ke udara (transpiration). Air yang mengalir di atas permukaan menuju sungai kemungkinan tertahan di kolam, selokan, dan sebagainya (surface detention), ada juga yang sementara tersimpan di danau, tetapi kemudian menguap atau sebaliknya, sebagian air mengalir di atas permukaan tanah melalui parit, sungai, hingga menuju ke laut ( surface run off ), sebagian lagi infiltrasi ke dasar danau-danau dan bergabung di dalam tanah sebagai air tanah yang pada akhirnya ke luar sebagai mata air.

Contoh reaksi irreversibel (Reaksi tidak dapat balik)di alam

Proses fotosintesis pada terdapat pada tumbuhan hijau yang bersifat autotrof yakni bisa menyusun makanannya sendiri. Melalui daun, tumbuhan menyerap molekul karbondioksida juga air dalam rangka menghasilkan gula dan juga oksigen. Kedua senyawa tersebut kemudian akan digunakan sebagai penyokong pertumbuhannnya. Adapun persamaan rekaksi yang terjadi dalam proses fotosintesis adalah sebagai berikut:

6H2O + 6CO2 + cahaya → C6H12O6 (glukosa) + 6O2

Tumbuhan yang melakukan proses fotosintesis memerlukan bantuan cahaya matahari. Mereka mampu menyerap cahaya tersebut sebab mereka memiliki zat hijau daun atau klorofil. Klorofil ini sendiri ada di dalam bagian organel bernama kloroplast. Pada bagian daun tumbuhan, terdapat dua lapisan sel yang dinamai denegan mesofil. pada bagian ini terdapat kurang lebih setengah juta kloroplast yang tersebar di setiap millimeter persegi. Cahaya matahari selanjutnya akan melewati lapisan epidermis yang tanpa warna kemudian melaju menuju mesofil. Pada bagian inilah sebagian besar kegiatan fotosintesis berlangsung.

Proses fotosintesis ini sendiri cukup kompleks dan masih dalam penelitian beberapa ahli. Masih ada banyak hal yang belum berhasil diungkapkan. Mengapa proses ini kompleks? Sebab ia melibatkan hampir semua cabang ilmu sains, misalnya bilologi, kimia dan juga fisika. Organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis adalah daun tepatnya pada bagian stomata atau mulut daun. Proses fotosintesis ini terdiri atas dua rangkaian reaksi yakni reaksi terang dan juga reaksi gelap. Dinamakan rekasi terang sebab prosesnya membutuhkan cahaya. Sementara itu reakasi gelap adalah proses fotosintesis yang tidak lagi melibatkan cahaya tetapi hanya karbondioksida.