Bab6-Kesetimbangan Kimia

(lihat diktat kuliah KIMIA : Bab 6 dan 7)

KONSEP KESETIMBANGAN KIMIA

1. HUKUM KEKEKALAN ENERGI2. PENGERTIAN KERJA DAN KALOR3. PENGERTIAN SISTEM, LINGKUNGAN, DAN

FUNGSI KEADAAN4. HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA5. HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA6. ENERGI BEBAS DAN KESETIMBANGAN7. KONSEP KESETIMBANGAN8. TETAPAN KESETIMBANGAN9. PENDUGAAN ARAH REAKSI10. FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KESETIMBANGAN KIMIA11. KESETIMBANGAN PENGIONAN

Termodinamika digunakan sebagaialat untuk meramalkan apakah suatuproses yang belum diketahui dapat

dilaksanakan atau tidak.

TERMODINAMIKA DAPAT MENJELASKAN :

• Proses pertumbuhan dan reproduksi sistemhayati

• Mengapa reaksi fotosintesis dapat berlangsung• Mengapa ikan dapat bernafas dalam air• Mengapa O2 menjadi O3 tidak dapat

berlangsung dengan sendirinya

E total = Ek + Ep = tetap ………… JouleEnergi Kinetik (Ek) = ½ mv2 Energi Potensial (Ep) = m.g.h.

Ep = 10 unit energiEk = 0 unit potensial

energikinetik

Ep = 5 unit Ek = 5 unit

6.1 HUKUM KEKEKALAN ENERGI

6.2 PENGERTIAN KERJA DANKALOR

Kerja (w) Hasil kali antara gaya luar pada suatu benda dengan jarak dimanagaya tersebut bekerja

w = F (rf - ri)

Kerja untuk mengangkat benda dalam medan gravitasi w = m g (hf - hi)

Kerja tekanan-volume kerja mekanik yang dihasilkan apabila suatugas ditekan/diekspansi di bawah pengaruhtekanan luar

w = -Fekst (hf - hi) w = -Pekst A∆h

Kalor (q)

● Energi tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan.● Energi hanya ditransformasikan dari satu bentuk ke bentuk lainnya

● Kalor (q): energi yang dipindahkan sebagai akibatadanya perbedaan suhu

q = m.cs.∆T m = Massa (g)cs = Kapasitas kalor spesifik

(kal K-1 g-1) atau kalor jenisT = Suhu (K)

qlogam + qair = 0Q logam = - qair

CONTOH 6.1

Berapa energi kalor yang dibutuhkan untukmenaikkan suhu 735 g air dari 21,0 oC ke 98,0 oC? (anggap kalor jenis air 1,00 kal g-1 oC-1)

Penyelesaian:q = m x kalor jenis x ∆T

= 735 g x 1,00 kal/g oC x (98,0 – 21,0) oC= 5,7 x 104 kal

CONTOH 6.2

Berapakah kalor jenis timbal jika 150 g timbal(100 oC) dimasukkan ke dalam gelas piala terisolasiberisi air 50,0 g (22,0 oC), jika suhu timbal-air 28,8 oC ?

Penyelesaian :q air = 50,0 g x 1,00 kal/g oC x (28,0 - 22,0) oC=

340 kalqtimbal = - qair = -340 kalqtimbal = -340 kal / 150 g x (28,8 – 100) oC

= 3,2 x 10-2 kal g-1 oC-1

6.3 PENGERTIAN SISTEM, LING-KUNGAN, DAN FUNGSI KEADAAN

Sistem:Sejumlah materi ataudaerah dalam ruangyang dijadikan sebagaiobjek studi

Batas: Pemisah sistem & lingkungan (nyata/maya) ● Batas tetap (fixed boundary)● Batas berubah (movable boundary)

Lingkungan: Massa atau daerahyang berada di luarsistem

EMPAT JENIS SISTEM: Terbuka, Tertutup, Terisolasi, dan Adiabatik.

Pertukaran Terbuka Tertutup TerisolasiMassa + - -Kalor + + -

Sistem Adiabatik: tidak memungkinkan kalor keluar darisistem ke lingkungannya

• Besaran Ekstensif:Volume, Massa, Energi, Entalpi,Energi Bebas Gibbs, Energi Dalam,Kapasitas Kalor, Entropi

• Besaran Intensif:Tekanan, Densitas, Suhu, Viskositas,Tegangan permukaan, Kalor Jenis

• Fungsi Keadaan:∆U, ∆H, ∆S, ∆G

6.4 HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

bentuk lain dari Hukum Kekekalan Energi

SISTEM TERISOLASI:

U(awal) – U(akhir) = ∆U = q + wBesaran + -

q (kalor) energi diserapsistem

sistemmelepaskanenergi

w (kerja) sistem dikenaikerja

sistemmelakukan kerja

∆U (energi dalam) + -

Jika diketahui 5000 J energi diserap oleh sistemdan sistem melakukan kerja sebesar 6750 Jterhadap lingkungan. Berapa ∆U sistem?

Penyelesaian:∆U = q + w = (+5000 J) + (-6750 J)

= 5000 J – 6750 J = - 1750 J

CONTOH 6.3

Termokimia

Entalpi Reaksi

Hubungan yang melibatkan ∆H• Eksotermik : Kalor dilepaskan oleh reaksi (∆H negatif)• Endotermik : Kalor diambil oleh reaksi (∆H positif)

∆H akan berubah tanda bila arah reaksi berbalikCO(g) + ½O2(g) → CO2(g) ∆H = -283,0 kJ/molCO2(g) → CO(g) + ½O2(g) ∆H = +283,0 kJ/mol

HUKUM PENJUMLAHAN KALOR

Hukum Hess

C(p) + O2(g)

CO(g) + ½O2(g)

CO2(g)

∆H = -110,5 kJ

∆H = +283,0 kJ

∆H = -393,5 kJ

C(p,gr) + O2(g) → CO2(g) ∆H1 = -393,5 kJ

CO2(g) → CO(g) + ½O2(g) ∆H2 = +283,0 kJ

C(s,gr) + ½O2(g) → CO(g) ∆H = ∆H1 + ∆H2 = -110,5 kJ

Hukum Hess: Jika dua atau lebih persamaan kimia ditambahkan untuk menghasilkanpersamaan kimia lainnya, masing-masing entalpi reaksinya harus ditambahkan

Proses SpontanReaksi kimia

Atau perubahan lainnya

Spontan Setimbang Tidak spontan

Bagaimana?• Mengukur tingkat kespontanan

• Mengukur tingkat ketidakspontanan• Menetapkan keadaan setimbang

Menentukan arahproses/reaksi

Entropi (S)Energi bebas (G)

Entropi (S):● besaran termodinamika seperti halnya U atau H● merupakan fungsi keadaan● ukuran kuantitatif tingkat kespontanan suatu proses yang

dinyatakan dalam ∆S total (+), atau sebaliknya

Energi bebas (G):● besaran termodinamika seperti halnya U, H atau S● merupakan fungsi keadaan● ukuran kuantitatif kespontanan suatu proses yang

dinyatakan dalam ∆G sistem (-), atau sebaliknya

Contoh proses spontan

Keadaan awal Proses Keadaan akhir

Parfum menyebar

Es meleleh

Penguapan air

75o 25o Kalor 50o 50oAg Ag Ag Ag

25oC 25oC

Keadaan awal Proses Keadaan akhir

Parfum menyebar

Es meleleh

Penguapan air

75o 25o Kalor 50o 50oAg Ag Ag Ag

25oC 25oC

6.5 Hukum Kedua Termodinamika

Rumusan matematika entropi:● Ada sistem menerima kalor dari lingkungan

Sistem & lingkungan tersebut berada dalam sistem yang lebih besar yg terisolasi

∆S = ∫f dqrev

i T∆Stotal = ∆Ssis + ∆Slingk > 0dq = CdT

Contoh 6.4:1 g es 0oC dimasukkan ke dalam 4 g air 10oC. Diketahui Cair = 1kal/goCdan kalor lebur es = 80 kal/g. Apakah proses peleburan spontan ?

Q dilepaskan pada pendinginan air = 4 g x 1 kal/g oC x 10 oC = 40 kal

Jumlah es yang melebur dengan 40 kal =40 kal x 1g / 80 kal = 0,5 g

∆Ses = 0,5 x 80 / 273 = 0,1465 kal/K

∆ Sair = ∫C dT/T = -C ln 283/273 = - 0,1439 kal/K

∆ Stotal = ∆ Ses + ∆ Sair = 0,0026 kal/K = 0,0109 J/K

∆ Stotal > 0 proses peleburan es spontan

Penyelesaian

∆Ssis untuk proses isotermal

∆S = = dqrev = ∫ f dqrev

i T ∫ f

Transisi fasa

∆Sfus = =qrev ∆HfusTf Tf

6.6 Energi Bebas (G)

G = H - TS ∆Gsis < 0 Proses spontan∆Gsis = 0 Proses reversibel∆Gsis > 0 Proses tak spontan

● Pendugaan arah perubahan suatu proses reaksi∆G = ∆H – T ∆S < 0

No H S G Hasil Contoh1 - + - Spontan semua T 2H2O(g)→2H2(g)+O2(g)

2 - - -+

Spontan T ↓≠ spontan T ↑

H2O(c) → 2H2O(p)

3 + + +-

≠ Spontan T ↓Spontan T ↑

2NH3(g)→N2(g)+3H2(g)

4 + - + ≠ Spontan semua T 3O2(g) → 2O3(g)

Transisi fasa, ∆G = ∆H – T ∆S = 0

∆Str = =qrev ∆HtrTtr Ttr

Tr = transisi (peleburan, pembekuan, penguapan, kondensasi)

CONTOH 6.5

Sikloheksana, C6H12 memiliki kalor penguapan 360 J/g dengan titik didih81°C. Berapakah perubahan entropi untuk tiap mol penguapansikloheksana

PENYELESAIAN

∆S = = 84 g/mol x 360/354 J/gK

= 85 J /K mol

6.7 KONSEP KESETIMBANGAN

Setimbang akhir reaksi Campuran produk dan reaktan yang tidakbereaksi dalam jumlah relatif tetap

N2O4(g) 2NO2(g)A C

Kons %

∆t1 ∆t2

6.8 TETAPAN KESETIMBANGAN

Hukum Empiris Aksi Massa (Guldberg & Waage)

aA + bB cC + dD

KC =[C]c [D]d

[A]a [B]bTetapan kesetimbangan empiris (KC)

Subskrip C: Reaksi dalam larutan

Reaksi dalam fasa gas ............................. KP =[PC]c [PD]d

[PA]a [PB]b

P = Tekanan parsial

Kesetimbangan Reaksi dalam Fasa Gas3NO(g) N2O(g) + NO2(g)

N2O (P N2O) + NO2 (P NO2)

N2O (Pref) + NO2 (Pref)

3NO (PNO)

3NO (Pref)

∆G = ∆G1 + ∆G° +∆G3

∆G2 = ∆G°

∆G3∆G1

-∆G° = RT ln K

CONTOH 6.6

Tulis persamaan kesetimbangan untuk kesetimbangan kimia fasa gas berikut:

a. 2NOCl(g) 2NO(g) + Cl2(g)b. CO(g) + ½O2(g) CO2(g)

Penyelesaiana. Pangkat 2 berasal dari faktor 2 dalam persamaan

yang balans tersebut

b. Pangkat pecahan muncul pada persamaankesetimbangan setiap kali mereka terdapat dalampersamaan yang balans

(P NO)2 (P Cl2)

(P NOCl)2= K

(P CO2)

(P CO) (P O2)½= K

CONTOH 6.7

Hitunglah tetapan kesetimbangan untuk reaksi

N2O4 (g) 2 NO2 (g)

Jika pada saat kesetimbangan terdapat 0,1 mol N2O4dan 0,06 mol NO2 dalam volume 2 L

Penyelesaian :

K = [NO2]2 / [N2O4] = (0,03)2 / 0,05 = 1,8 x 10-2

6.9 PENDUGAAN ARAH REAKSI

Kuosien Reaksi (Q)

∆G = ∆G° + RT ln Q

∆G = -RT ln K + RT ln Q

∆G = RT ln (Q/K)

Jika Q < K, ∆G < 0 arah reaksi ke kanan

Q > K, ∆G > 0 arah reaksi ke kiri

Kesetimbangan∆G = 0

Reaktan murni Produk murni

Q < K∆G < 0

Q > K∆G > 0

CONTOH 6.8

• Reaksi H2 + I2 2 HI mempunyai nilai K = 49,5 pada suhu 440 oC. Jika pada suhu tersebut kedalam wadah bervolume 2 L dimasukkan 5 mol H2, 2 mol I2 dan 4 mol HI, ke arah manakah reaksiberlangsung dan berapa konsentrasi masing-masing zat pada saat kesetimbangan tercapai?

Penyelesaian:Q = (2)2 / (2,5)(1) = 1,6

Q < K Reaksi berlangsung ke arah kanan

H2 (g) + I2 (g) ⇄ 2 HI (g)

Awal 5 2 4 mol / 2LReaksi -x -x +2x

Kesetimbangan (5-x) (2-x) (4+2x)

5,49}2/)2}{(2/)5{(}2/)24{(

]I[H[]HI[ 2

== −−+

X1 = 1,672 mol x2 = 6,29 (tak mungkin)

[HI] = 3,672 M[H2] = 1,664 M[I2] = 0,164 M

6.10 FAKTOR YANG MEMPENGARUHIKESETIMBANGAN KIMIA

PRINSIP LE CHATELIER :Bila suatu sistem dalam kesetimbangan mendapatgangguan eksternal maka sistem tersebut akan melakukanperubahan yang mengatasi gangguan tersebut.

1. Perubahan Konsentrasi2. Perubahan Volume dan Tekanan3. Perubahan Suhu

mengubah nilai K sehingga Q ≠ K

Pengaruh perubahan konsentrasi

Konsentrasi hasil reaksi Ke arah reaktan

Pengaruh perubahan volumeN2O4 (g) 2NO2 (g)

V → Ke arah reaktanV → Ke arah produk

Pengaruh perubahan suhu, jika suhu

Reaksi eksoterm → Ke arah eksotermReaksi endoterm → Ke arah endoterm

Ketergantungan K Terhadap T

∆H° negatif → eksoterm-∆G° ∆S° ∆H°RT R RT

ln k = = -

-RT ln K = ∆G° = ∆H° - T∆S°

Persamaan van’t Hoff

( )K2 -∆H° 1 1K1 R T2 T1

Ln = -[ ]

Slope = -∆H°/R

Intersep = -∆S°/R

∆H° positif → endoterm

Eksoterm

EndotermProd

1/TT naik

Contoh 6.9

Ke arah manakah reaksi di bawah ini bergeser bilapada suhu yang tetap, tekanan diperbesar (volume diperkecil)a. CaCO3 (p) → CaO (p) + CO2 (g)b. PCl5 (g) → PCl3 (g) + Cl2 (g)c. H2 (g) + CO2 (g) → H2O (g) + CO (g)d. N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g)

Penyelesaian:a. kiri c. tidak terjadib. kiri d. kanan

6.11 KESETIMBANGAN PENGIONAN

• DERAJAT PENGIONAN (α )Zat elektrolit mengion dalam larutan

dengan α yang berbeda

• EFEK ION SENAMA

• HUKUM PENGENCERAN OSTWALDBila suatu elektrolit lemah diencerkan makaderajat ionisasinya meningkat → Bab 7. Konsep Asam Basa.

LATIHAN SOAL-SOAL

• Sebanyak 0,505 g suatu contoh hidrokarbon naftalena C10H8, dibakarsempurna dalam kalorimeter bom. Massa air dalam kalorimeter1215 g. Reaksi mengakibatkan suhu air naik dari 25,62 ke 29,06°C. Kapasitas kalor dari bom 826 J/°C. Berapakah kalor reaksi padavolume tetap, qv, dinyatakan dalam:a. J/g C10H8b. kj/mol C10H8c. kkal/mol C10H8

2. Sebanyak 2 gram es dimasukkan ke dalam 4 gram air yang suhunya8oC. Bila kalor spesifik air 1 kal/g dan kalor lebur es 80 kal/g. Apakahproses tersebut merupakan proses spontan

3. Tuliskan rumus tetapan kesetimbangan Kc dan Kp (bila ada) dan hubungan antaraKc dan Kp untuk reaksi:(a). 2CO2(g) CO(g) + O2(g)(b). 2NO2(g) + 7H2(g) 2NH3(g) + H2O(aq)(c). 2HgO(p) 2Hg(aq) + O2(g)(d). 2ZnS(p) + 3O2(g) 2ZnO(p) + 2SO2(g)(e). 2HCrO4

- (aq) Cr2O72- (aq) + H2O (aq)

4. Suatu campuran terdiri dari 0,5 mol N2O (g) dan 0,5 mol O2 (g) dimasukkan dalamwadah bervolume 4 L dan dibiarkan mencapai kesetimbangan menurut reaksi : 2N2O(g) + 3O2(g) 4NO2(g)Setelah tercapai kesetimbangan jumlah N2O menjadi 0,45 mol/4La. Berapakah konsentrasi N2O, O2, dan NO2 saat kesetimbangan?b. Berapakah nilai Kc reaksi tersebut

5. Pada suhu 25 oC, reaksi HCl(g) H2(g) + Cl2(g) mempunyai K=4,17x10-34. Berapakah K untuk reaksi: ½H2(g) + ½Cl2(g) HCl(g).

6. Fenol pada suhu 298,15 K, ∆H°f = -3054 kJ/mol, ∆S° = 144,0 J/K mol. Berapakah ∆G°f untuk fenol pada suhu tersebut dan tentukan pula berapakonstanta kesetimbangannya.

7. Berapakah nilai ∆G° pada 298 K untuk reaksiC(p) + CO2(g) → 2CO(g)Apakah reaksi tersebut akan berjalan secara spontan ke arah pembentukkanCO pada suhu 298 K? (∆G°f untuk C, CO2, dan CO berturut-turut adalah 0; -394,38; dan -137,28 kJ/mol)

8. Berapakah entropi penguapan molar standar air pada 100°C. Entalpipenguapan molar standar pada suhu 100°C adalah 40,7 kJ/mol.

9. Pada suhu tertentu terdapat kesetimbangan antara 0,4 mol H2, 0,3 mol I2, dan0,2 mol HI dalam wadah bervolume 2 liter. Hitunglah tetapan kesetimbanganreaksi:H2(g) + I2(g) 2HI(g)

10. Reaksi N2O4(g) 2NO2(g)Memiliki nilai K = 4,66 x 10-3, jika 0,80 mol N2O4 dimasukkan ke dalam botol 1 liter. Hitunga. Konsentrasi gas pada kesetimbanganb. Konsentrasi masing-masing gas bila volume menjadi separuhnya

11. Pada suhu 454 K, Al2Cl6(g) bereaksi membentuk Al3Cl9(g) 3 Al2Cl6(g) 2 Al3Cl9(g)Dalam percobaan pada suhu ini, tekanan parsial kesetimbangan untukAl2Cl6(g) dan Al3Cl9(g) berturut-turut adalah 1,00 atm dan 1,02 x 10-2. Hitungtetapan kesetimbangan reaksi tersebut.

Bab6-Kesetimbangan Kimia

Documents

Kesetimbangan Kimia

Kesetimbangan Kimia

Bab6 kesetimbangan kimia

Bab6-Kesetimbangan Kimia