View
286
Download
2
Category
Preview:
DESCRIPTION
riski ega
Citation preview
Disusun oleh : Yelmida A.
1
ENERGI BEBAS GIBBS & KESETIMBANGAN
KIMIA
TOPIK
2
1. Energi Bebas Gibbs & Kesetimbangan Kimia
2. Kesetimbangan Fasa dan Diagram Fasa
3. Larutan Non-Elektrolit & Larutan Elektrolit
1.Pengantar Kimia Koloid &Kimia Permukaan
2. Elektrokimia dan Sel Elektrokimia3. Kinetika Reaksi
2 SKS
Referensi
3
1. Bird, T.,(1987) ,“ Physical Chemistry”, Alih bahasa Kwee Ie Tjien, Cet. I, Gramedia, Jakarta 2. R.A., Alberty dan F. Daniels,
(1983), “ Kimia Fisika “, Erlangga, Jakarta,
3. Sukarjo, (1985), “ Kimia Fisika “, Penerbit Bina Aksara, Yokjakarta
4. S.K Dogra and S.Dogra, “Physical Chem. Through Problems”, Wiley
Eastern Limited 1984
Penilaian :
4
• UTS• UAS • Kuis • Tugas• Pekerjaan rumah• Absen tak
berpengaruh
Termodinamika
Pengetahuan termodinamika sederhana sangat bermanfaat untuk memutuskan
Apakah struktur suatu senyawa akan stabil, Kemungkinan kespontanan reaksi, Perhitungan kalor reaksi, Penentuan mekanisme reaksi dan Pemahaman elektrokimia.
Thermodinamika : suatu ilmu pengetahuan yang mengkaji perubahan energi dari suatu bentuk kebentuk lain.
5
Dalam thermodinamika, dikenal banyak variabel, seperti halnya energi dalam U, kalor Q, kerja W, entropi S, entalpi H, energi bebas Gibbs G, energi bebas Helmholtz A, volume V, tekanan P, dan kapasitas panas CV.
Variabel-variabel ini ada kalanya saling terkait dan kadang saling bebas, bergantung dari sistem yang ditinjau.
Umumnya dapat dibentuk U, A, H dan G sebagai fungsi dari T, S, V dan P yang dapat menghasilkan kumpulan persamaan yang dikenal sebagai Hubungan Maxwell. 6
Hubungan Maxwell
Besaran \ Sistem Gas
Energi Dalam
Entropi
Entalpi
Energi Bebas Gibbs
Kapasitas Panas
Temperatur7
PENGERTIAN SISTEM, LINGKUNGAN, DAN FUNGSI
KEADAAN
8
Sistem: Sejumlah materi atau daerah dalam ruang yang dijadikan sebagai objek studi
Batas: Pemisah sistem &lingkungan (nyata/maya) ●Batas tetap(fixed boundary) ●Batas berubah(movable boundary)
Lingkungan: Massa atau daerah yang berada diluar sistem
EMPAT JENIS SISTEM: Terbuka, Tertutup, Terisolasi, dan Adiabatik.
9
Sistem Adiabatik : tidak memungkinkan kalor keluar dari Sistem ke lingkungannya
Fungsi Keadaan (State Function)
10
Dalam Termodinamika , fungsi keadaan, potensial thermodynamic, merupakan sifat dari system yang tergantung hanya pada keadaan awal dan akhir, tidak pada bagaimana proses terjadinya atau keadaan tersebut tercapai.
Beberapa contoh fungsi keadaan : Temperature, T - Fugacitas, fPressure, P - Gibbs free energy, G Enthalpy, H - Helmholtz free energy, A
Entropy, S
11
Sifat fisik dari sistem :1.Sifat / Besaran Ekstensif:
Volume,Massa,Energi, Entalpi, Energi Bebas Gibbs, Energi Dalam,Kapasitas Kalor, Entropi
2.Sifat / Besaran Intensif:Tekanan, Densitas, Suhu, Viskositas, Tegangan permukaan, Kalor Jenis•
Setiap sistem dalam kesetimbangan termodinamika, hanya tergantung pada keadaan, tidak tergantung pada bagaimana keadaan itu dicapai
Dikenal tiga jenis kesetimbangan termodinamis : 1. Kesetimbangan thermis : temperatur
keseluruhan sistem konstan2. Kesetimbangan kimia : sistem terdiri dari >
1 komponen, tapi komposisi tidak berubah dengan waktu
3. Kesetimbangan mekanis : pada kesetimbangan ini tak terjadi pergerakan dari sistem12
Energi sistem
13
Setiap sistem atau zat mempunyai energi yang tersimpan didalamnya.
Energi potensial berkaitan dengan wujud zat, volume, dan tekanan.
Energi kinetik ditimbulkan karena atom – atom dan molekul molekul dalam zat bergerak secara acak.
Jumlah total dari semua bentuk energi itu disebut entalpi (H) .
Entalpi akan tetap konstan selama tidak ada energi yang masuk atau keluar dari zat.
Energi Bebas Gibbs
14
Energi Bebas Gibbs (G) dapat digunakan untuk menggambarkan perubahan energi sistem
Hal ini menujukkan , bahwa perubahan energi bebas , ΔG, adalah penting
Pada temperatur dan tekanan konstan, ΔG sama dengan :
T = temperatur dalam KelvinH = enthalpi dari sistemS = entropi
ΔG = ΔH - TΔS
Reaksi spontan terjadi bila energi bebas Gibbs reaksi pada suhu dan tekanan tetap bernilai negatif. (-)
Perubahan energi bebas Gibbs standar berhubungan dengan tetapan kesetimbangan , K reaksi A = B melalui:
∆ G0 = -RT ln K.K bernilai lebih besar dari 1 bila ∆G0 negatif, dan reaksi berlangsung spontan ke kanan.
15
Tanda ΔG menunjukkan apakah suatu reaksi akan berlangsung spontan atau tidak
ΔG ReactionNegative Spontaneous
Positive Non-Spontaneous
Zero Equilibrium
16
Pada kenyataannya bahwa efek ΔS akan bervariasi sebagai fungsi temperatur. Ini dapat menyebabkan perubahan tanda dari ΔG
Helmholtz free energy
17
Energi bebas Helmholtz juga merupakan fungsi keadaan dari system, yang didefinisikan sbg :
A = U - TS dimana :A : energi bebas Helmholtz, joule U : energy dalam dari system, joule T : temperature, Kelvin S : entropi, joule per Kelvin
Entropi Entropi adalah fungsi keadaan, dan
merupakan kriteria yang menentukan apakah suatu keadaan dapat dicapai dengan spontan dari keadaan lain.
Hukum ke-2 termodinamika menyatakan bahwa entropi, S, sistem yang terisolasi dalam proses spontan meningkat. Secara matematis dinyatakan sebagai
∆S > 0Proses yang secara termodinamika bersifat
irreversibel akan menghasilkan entropi. Entropi berkaitan dengan ketidakteraturan
sistem 18
19
Entropi – Suatu ukuran “ ketidak teraturan” atau tingkat kebebasan sistem
Keadaan tidak teratur lebih disukai dari pada keadaan teratur, dan dapat menjadikan suatu reaksi dapat berlangsung spontan walaupun endoterm
Dengan meningkatnya entropi, meningkat pula ketidakteraturan sistem.
Entropi
Entropi dan Temperatur
20
Entropi dari gas ideal pada tekanan tetap meningkat dengan meningkatnya temperatur
Hal ini karena volumenya bertambah
Entropi
21
Peningkatan temperatur juga menghasilkan tingkat energi atom-atom dalam molekul menjadi bertambah
Meningkatnya temperatur akan menghasilkan suatu kecepatan distribusi molekul yang lebih besar.
Entropi
22
Untuk molekul-molekul, ini berarti akan dapat berotasi dan vibrasi ikatan-ikatannya
Yang selanjutnya meningkatkan entropi
Entropi
Enthalpy
Entalpi adalah kandungan kalor sistem dalam tekanan tetap,
Perubahan ∆H bernilai negatif untuk reaksi eksoterm, dan positif untuk reaksi endoterm.
Entalpi reaksi standar, ∆H0, adalah perubahan entalpi dari 1 mol reaktan dan produk pada keadaan standar (105 Pa dan 298.15 K).
23
Entalpi pembentukan standar, ∆Hf0, suatu senyawa adalah entalpi reaksi standar untuk pembentukan senyawa dari unsur-unsurnya.
Karena entalpi adalah fungsi keadaan, entalpi reaksi standar dihitung dengan mendefinisikan entalpi pembentukan zat sederhana (unsur) bernilai nol.
24
Enthalpy
Enthalpy
25
Energi yang diserap atau dilepaskan ketika perubahan berlangsung dalam tekanan tetap
Enthalpy dapat didefinisikan dari pers. berikut:
H = U + PV dimana :
H = enthalpy, joule U = internal energy, joule P = tekanan dari sistem, pascalV = volume, meter3
26
Untuk ΔH, subskrips digunakan untuk menunjukkan jenis perubahan yang terjadiΔ Hvap = panas penguapanΔ Hnet = panas netralisasiΔ Hfusion = panas fusiΔ Hsol = panas pelarutanΔ Hrxk = panas reaksi
Enthalpy merupakan fungsi keadaan, dan total enthalpy system tak bisa diukur secara langsung; hanya perubahan enthalpy system yang dapat diukur ΔH = H akhir - H awal
Enthalpy
KESETIMBANGAN KIMIA
27
♣Kesetimbangan dinamis adalah keadaan dimana dua proses yang berlawanan terjadi dengan laju yang sama, akibatnya tidak terjadi lagi perubahan bersih dalam sistem tersebut
♣Uap mengembun dengan laju yang sama dengan air menguap
♣Pelarutan padatan, sampai pada titik laju padatan yang terlarut sama dengan padatan yang mengendap saat konsentrasi larutan jenuh (tidak ada perubahan konsentrasi)
28
Salah satu ciri yang menunjukkan bahwa suatu sistem telah setimbang adalah adanya sifat-sifat tertentu yang menjadi konstan dan dapat diukur.
Gambar berikut memperlihatkan bahwa setelah waktu tertentu, (Te), konsentrasi produk dan reaktan tidak berubah lagi
Gambar 1. Kesetimbangan kimia
x1
x2
waktu (detik)TE
konsentrasimol/ltr
produk
reaktan
29
Keadaan pada gambar 1. dapat dicapai dengan asumsi sistem dibuat tertutup,T dan P dibuat konstan.
Jika kedua besaran ini dibuat tidak tetap, maka waktu untuk mencapai keadaan setimbang,Te, nilai x1 dan x2 akan berbeda
Jika sistem dibuat terbuka, bila produk dalam bentuk gas, maka kesetimbangan tidak akan pernah tercapai
Kesetimbangan adalah suatu keadaan di mana tidak ada perubahan yang terlihat seiring berjalannya waktu.
Kesetimbangan kimia tercapai jika:
a. Laju reaksi maju dan laju reaksi balik sama besar
b. Konsentrasi reaktan dan produk tetap konstan
30
Kesetimbangan fisis
H2O (l) H2O (g)
Kesetimbangan kimia
N2O4 (g) 2NO2 (g)
Kesetimbangan Dinamis
Ini adalah persamaan untuk sebuah reaksi biasa yang telah mencapai kesetimbangan dinamis.
Pada awal reaksi, konsentrasi A dan B ada pada titik maksimum, dan itu berarti kecepatan reaksi juga ada pada titik maksimum.
31
Seiring berjalannya waktu, A dan B bereaksi dan konsentrasinya berkurang.
Jumlah partikelnya berkurang dan kesempatan bagi partikel A dan B untuk saling bertumbukan dan bereaksi berkurang, dan ini menyebabkan kecepatan reaksi juga berangsur-angsur berkurang.
Pada awalnya tidak ada C dan D sama sekali sehingga tidak mungkin ada reaksi di antara keduanya.
Seiring berjalannya waktu, konsentrasi C dan D bertambah banyak dan keduanya menjadi mudah bertumbukan dan bereaksi.
32
Dengan berlangsungnya waktu, kecepatan reaksi antara C dan D pun bertambah.
Akhirnya, kecepatan reaksi antara keduanya mencapai titik yang sama di mana kecepatan reaksi A dan B berubah menjadi C dan D sama dengan kecepatan reaksi C dan D berubah menjadi A dan B kembali.
33
Pada saat ini, tidak akan ada lagi perubahan pada jumlah A, B, C, D di dalam campuran. Begitu ada partikel yang berubah, partikel tersebut terbentuk kembali berkat adanya reaksi timbal balik. Pada saat inilah kita mencapai kesetimbangan kimia.
34
Tahap-tahap dasar
Untuk reaksi yang umum : A + B ↔ C maka reaksi dapat dibagi dalam 3 tahap : pencampuran awal, daerah kinetik dan daerah kesetimbangan
1.Pencampuran awalKetika A dan B mulai bereaksi, produk C belum
terbentuk. Reaksi berlangsung sebagai A + B → C Hal ini terjadi pada tahap awal reaksi
2.Daerah KinetikSetelah C terbentuk , reaksi kebalikan mungkin bisa
terbentuk. Konsentrasi total C mulai bertambah. Ketika kesetimbangan hampir tercapai, laju pembentukan produk makin lambat.35
3. Daerah KesetimbanganSuatu titik akhirnya tercapai, dimana reaksi pembentukan produk dan reaksi kebalikannya terjadi dengan laju yang sama. Pada saat ini tidak ada perubahan dalam konsentrasi setiap spesi. A + B ↔ C
36
Contoh : Grafik Reaksi Kesetimbangan Pembentukan Gas HI
Pada awal reaksi jumlah gas H2 dan gas I2 banyak,
sementara gas HI belum ada.Seiring berjalannya waktu
jumlah gas H2 dan I2 berkurang
dan HI mulai terbentuk .Pada saat tertentu secara makroskopis tidak
terjadi lagi perubahan konsentrasi, dan pada saat itulah reaksi berada dalam keadaan kesetimbangan.37
Berdasarkan fasa zat komponen pereaksi dan produknya kesetimbangan dibagi menjadi :
1.Kesetimbangan Homogen : Kesetimbangan yang hanya melibatkan satu fasa yang sama Contoh : semua spesi berada dalam fasa gas
H2(g) + I2(g) ↔ 2HI (g)
Contoh : semua spesi berada dalam fasa larutanHC2H2O2(aq) ↔ H+(aq) + C2H3O2
- (aq)
2.Kesetimbangan Heterogen : kesetimbangan yang melibatkan lebih dari satu fasa
Contoh : CaCO3 (s) ↔ CaO(s) + CO2 (g)
38
Tetapan Kesetimbangan,Kc
39
cba
hg
KBA
HG
...][][
...][][
Untuk reaksi yang umum,aA + bB + … gG + hH + …
Rumus tetapan kesetimbangan dapat ditulis sbb :
Kc adalah tetapan kesetimbangan untuk reaksi kesetimbangan homogen
Tetapan kesetimbangan untuk sistem heterogen tidak melibatkan konsentrasi zat padat dan zat cair murni, karena aktivitasnya = 1
Kc = [CO2]
40
?]][[
][)(
?][
][][)(
K 1000pada10 x 2,8][][
][)(
2/122
3
23
22
2
2
22
2
23
OSO
SOcK
SO
OSObK
OSO
SOaK
c
c
c
Maka Kc untuk reaksi a, b, c diatas adalah
Misal untuk reaksi - reaksi berikut : a. 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Kc(a) = 2,8 x 102 ,1000o K b. 2SO3(g) 2SO2(g) + O2(g) Kc(b) = ?
c. SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g) Kc(c) = ?
Ikhtisar
41
Persamaan apapun yang digunakanuntuk Kc harus sesuai dengan reaksi kimianya yang setara
Jika persamaannya dibalik, nilai Kc dibalik yaitu persamaan yang baru kebalikan dari persamaan aslinya
Jika koefisien dalam persamaan setara dikalikan dengan faktor yang sama, tetapan kesetimbangan yang baru adalah akar berpangkat faktor tersebut didapat tetapan kesetimbangan yang lama
42
Misalkan kesetimbangan ini tercapai pada 295 K:
Tekanan parsial masing-masing gas adalah 0,265 atm. Hitunglah Kp dan Kc untuk reaksi tersebut?
NH4HS (s) NH3 (g) + H2S (g)
Kp = PNH3 H2S
P= 0,265 x 0,265 = 0,0702
Penggabungan Rumus Tetapan Kesetimbangan
43
Jika diketahui:1. N2(g) + O2(g) 2NO(g) Kc = 4,1 x 10-31
2. N2(g) + ½ O2(g) N2O (g) Kc = 2,4 x 10-18
Bagaimana Kc untuk reaksi berikut ?3. N2O(g) + ½ O2(g) 2NO(g) Kc = ?
Kita dapat menggabungkan persamaan diatas1. N2(g) + O2(g) 2NO(g) Kc = 4,1 x 10-31
2’.N2O(g)N2(g)+½O2(g) Kc=1/(2,4 x10-18)=4,2 x 1017 3. N2O(g) + ½ O2(g) 2NO(g) Kc = ?
44
131731
2/122
2
2
2/122
22
2
107,1102,4101,4)2()1()(
)(]][[
][
][
]][[
]][[
][
xxxxKxKbersihK
netKOON
NO
ON
ONx
ON
NO
ccc
c
Tetapan kesetimbangan untuk reaksi bersih adalah hasil kali tetapan kesetimbangan untuk reaksi-reaksi terpisah yang digabungkan
Bentuk-bentuk Konstanta
Kesetimbangan Kimia
45
Konstanta kesetimbangan kimia, biasanya dinyatakan dalam konsentrasi, disimbolkan dengan : Kc
Untuk reaksi kesetimbangan dalam fasa gas, nilai konstanta kesetimbangan dinyatakan dalam tekanan parsial masing-masing spesi yang berada dalam kesetimbangan : Kp
Untuk menghitung Kp, dianggap gas mengikuti sifat-sifat gas ideal.
Untuk reaksi yang umum : aA(g) + bB(g) + … gG(g) + hH(g) + …
Hubungan antara Kc dan Kp dapat dinyatakan sebagai :
46
n : selisih koefisien stoikiometri dari gas hasil reaksi dan gas pereaksi yaitu :
n = (g+h+…) – (a+b+…)
KKpp = K = Kcc (RT) (RT)ΔΔnn
Contoh 1. : suatu reaksi pada 1000o K2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Kc = 2,8 x 102
maka diperoleh :
][][
][
22
2
23
OSO
SOK c
47
Sesuai dengan hukum gas ideal, PV = nRT maka konsentrasi masing-masing speci dapat dinyatakan :
RT
P
V
nO
RT
P
V
nSO
RT
P
V
nSO OOSOSOSOSO 222233 ][,][,][ 223
48
RTxPP
P
RTPRTP
RTPK
OSO
SO
OSO
SO
c )()(
)(
)/()/(
)/(
22
3
22
3
2
2
2
2
1)( RTKRT
KKdanRTxKK c
cppc
Dengan mengganti suku-suku yang dilingkari dengan konsentrasi maka untuk Kc akan diperoleh rumus :
Terlihat hubungan antara Kc dan Kp untuk contoh reaksi 1. diatas sebagai :
dalam persamaan diatas kita lihat bahwa n = -1
49
Contoh 2. , untuk reaksi berikut pada 25oC :N2(g) + O2(g) 2NO(g) Kc = 4,1 x 10-31
Nyatakan konstanta kesetimbangan dalam Kp !
Penyelesaian :Dari hubungan Kp = Kc (RT)Δn dapat dihitung nilai Kp sbb:
Δn = 2-(1+1) = 0 , maka : Kp = Kc (RT)0
sehingga : Kp = Kc
50
Konsentrasi gas dapat dinyatakan dalam berbagai satuan, karena itu konstanta kesetimbangan gas juga dapat dinyatakan dalam berbagai bentuk
npx
nxp
PKK
PKK
Kx dan Kc = konstanta kesetimbangan bila konsentrasi dinyatakan dalam fraksi mol dan mol dm-3.
P = tekanan total sistem (tidak termasuk gas inert)
Δn = perubahan jumlah mol
npc
ncp
RTKK
RTKK
)(
)(
51
Harga Kc (kesetimbangan) menunjukkan banyaknya hasil reaksi (zat ruas kanan) yang dapat terbentuk pada suatu reaksi kesetimbangan.
Harga Kc jauh melebihi satu (Kc >> 1), kesetimbangan akan cenderung ke kanan (produk), artinya bahwa zat ruas kanan banyak terbentuk.
Harga Kc jauh di bawah satu (Kc << 1), kesetimbangan akan cenderung ke kiri (reaktan), artinya zat diruas kiri sedikit terurai.
5252
1. Untuk reaksi berikut yang berlangsung pada 1000oK2SO3(g) 2SO2(g) + O2(g)
Kc = 3,57 x 10-3
Hitung nilai Kp untuk reaksi ini !R = 0,08206 atm ltr mol-1 K-1
2. Tentukan nilai Kc dari Kp yang diberikana. SO2Cl2(g SO2(g)+Cl2(g) Kp = 2,9x10-2 pd 303Kb. 2NO(g)+ O2(g)2NO2(g) Kp = 1,48x104pd 184oC
LatihanLatihan
53
3. Calculate Kp for the following reaction
a.PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g) Kc = 1,67 (at 500 K)
b.N2O4(g) 2NO2(g); Kc = 6,1 x 10-3 (at 298 K)
c.N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Kc = 2,4 x 10-3 (at 1000 K).
54
Kesetimbangan yang melibatkan cairan dan padatan murni (Reaksi Heterogen)
54
Persamaan tetapan kesetimbangan hanya mengandung suku-suku yang konsentrasi atau tekanan parsialnya berubah selama reaksi berlangsung
Atas dasar ini walaupun ikut bereaksi tapi karena tidak berubah, maka padatan murni dan cairan murni tidak diperhitungkan dalam persamaan tetapan kesetimbangan.
5555
a. C(p) + H2O(g) CO(g) + H2(g) → ][
]][[
2
2
OH
HCOK c
b. CaCO3(c) CaO(c) + CO2(g) → Kc = [CO2(g)]
Atau (untuk b.) jika dituliskan dalam bentuk tekanan parsial menjadi :
Kp = PCO2 Kp = Kc(RT)
Persamaan berikut :
Latihan4. Calculate Kc for the following reaction :CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Kp = 2,1 x 10-4 (at 1000 K)
56
Contoh Diketahui reaksi kesetimbangan:
CO2(g)+C(s)↔2CO(g).
Pada suhu 300o C, harga Kp=16. Hitunglah tekanan parsial CO2, jika tekanan total dalam ruang : 5 atm!
Jawab:Misalkan tekanan parsial gas CO = x atm,
maka tekanan parsial gas CO2 = (5 – x) atm.
Kp = (PCO)2 / PCO2 = x2 / (5 – x) = 16 → x = 4
Jadi tekanan parsial gas CO2 = (5 – 4) = 1 atm56
Aplikasi kesetimbangan kimia
dalam industriProses Haber : sintesis gas NH3 dari gas N2 dan gas H2
Reaksi kimia yang terjadi dalam proses Haber :N2(g) + 3 H2(g) -------> 2 NH3(g) …..(1)
Apabila reaksi dilakukan dalam ruang tertutup (sebab reaktan maupun produk sama-sama berbentuk gas), gas nitrogen dan gas hidrogen akan bereaksi membentuk gas amonia. Namun, sebagian dari gas amonia tersebut akan segera terurai menjadi gas nitrogen dan gas hidrogen kembali
2 NH3(g) -------> N2(g) + 3 H2(g) …..(2)
57
Di dalam ruang tertutup tersebut, sesungguhnya terjadi dua reaksi yang saling berlawanan, yaitu gas nitrogen dan gas hidrogen bergabung menghasilkan gas amonia dan gas amonia terurai menghasilkan gas nitrogen dan gas hidrogen.
N2(g) + 3 H2(g) <------> 2 NH3(g) Kedua reaksi (1 & 2 ) terjadi dengan
kecepatan yang berbeda. Namun, cepat atau lambat, kecepatan kedua reaksi tersebut akan sama dan jumlah relatif dari gas nitrogen, gas hidrogen, dan gas amonia menjadi konstan (tidak perlu sama).
58
59
Arah reaksi dapat diprediksikan dengan melihat harga quotien reaksinya, Q
Untuk reaksiNilai Q
Q
Q mempunyai bentuk sama dengan K, tetapi Q merupakan set konsentrasi pada saat (awal ) sebelum terjadinya kesetimbangan
Quotien Reaksi
60
Dengan data set konsentrasi yang ada, nilai Q dapat ditentukan.
Bila harga Q dan K dibandingkan, maka kita dapat memprediksikan arah reaksinyaQ < K Reaksi ke kanan berlangsung Q = K Reaksi pada kesetimbanganQ > K Reaksi berlangsung ke kiri
61
5. Untuk reaksi
Harga Kc pada 425,4 oC sebesar 54
Bila campuran memiliki konsentrasi sbb, prediksikan arah reaksinya !
LatihanLatihan
Tinjauan TD untuk Kesetimbangan Reaksi
62
Kesetimbangan umumnya ditinjau pada T dan P konstan dG= 0, merupakan kriteria kesetimbangan
Dari hubungan Maxwell (salah satu pers.dasar TD)
dG = - S dT + V dP …..(1)
• Pers.ini berlaku untuk zat murni atau campuran dengan komposisi tetap
• Untuk fasa cair (l) dan padat (s), yang berpengaruh pada reaksi adalah dT dP = 0
• Untuk fasa gas (g), yang berpengaruh pada reaksi adalah dP dT = 0
63
i
k
iidn
1
jnPTin
G
,,
• Pada sistem terbuka, jumlah mol zat : n1, n2 .. dst, maka :
dG = - S dT + V dP + ……(2)
dimana : ni = jumlah mol zat i
μi = potensial kimia zat i
• μi → perubahan energi bebas Gibbs yang terjadi karena adanya perubahan jumlah zat i
μi =
• Dari pers (1), untuk sistem tertutup, bila dT = 0, maka → dG = V dP atau G = ∫ V dP atau :
G2 – G1 = nRT ln (P2/P1) ……
(3)
64
• Bila indeks 0 → keadaan awaltanpa indeks → keadaan akhirmaka pada keadaan standar (n=1), pers (3) dapat ditulis :
G – G0 = RT ln (P/P0) …..(4)
atau G = G0 + RT ln (P/P0)• Untuk sistem terbuka, identik dengan pers (4)
μi – μi0 = RT ln (fi / fi
0)
f → fugasitas → menyatakan fungsi tekanan
• Faktor (fi / fi0) merupakan fungsi tetapan → ai
sehingga : μi – μi0 = RT ln ai (sistem
terbuka)
Hubungan ΔGo dengan
Konstanta Kesetimbangan
65
Keadaan kesetimbangan dapat pula digunakan untuk menurunkan hubungan antara ΔGo dengan konstanta kesetimbangan, K.
Energi bebas pada keadaan standar untuk gas ideal pada p = 1 atm, secara umum ditunjukkan pers :
ΔG = ΔGo + RT ln P ……(a)Untuk reaksi berikut …… …...(b)Perubahan energi bebas reaksi (b) adalah
ΔG = (eGE + fGF) – (aGA + bGB) ….. (c)
Berdasarkan pers. (a) maka untuk tiap individu gas, perubahan energi bebas :aGA = aGA
o + a RT ln PA
bGB = bGBo + b RT ln PB …………(d)
eGE = eGEo + e RT ln PE
fGF = f GFo + f RT ln PF
Substitusikan pers.(d) ke (c) akan diperoleh :
b
f
Ba
A
Fe
Eo
PP
PPRTGG ln
66
67
Pada keadaan setimbang ΔG = 0, maka
Po KRTG ln
b
f
Ba
A
Fe
Eo
PP
PPRTG ln
………(f)
………(e)
Pers.(f) berlaku hanya untuk gas ideal. Jika asumsi gas ideal tak dapat dipenuhi, maka tekanan gas harus diganti fugasitas, f.
68
γ = koef.fugasitas. Untuk gas ideal γ = 1, Untuk gas non ideal,
- pada tekanan rendah γ <1, - pada tekanan tinggi γ >1
f gas = γ Pgas
Fugasitas adalah ukuran energi Gibbs molar dari gas nyata (non ideal) yang mempunyai satuan sama dengan tekanan.
Faktor koreksi yang memperhitungkan ketidak idealan gas : koef.fugasitas.
………(g)
Pengaruh Suhu Pada Kesetimbangan
ooo STHG
21
12
1
2lnTRT
TTH
K
K o
R
S
RT
HK
oo
ln
69
Pengaruh suhu pada kesetimbangan kimia dapat diturunkan dari pers. Energi Gibbs (1). Jika pers (1) disubstitusikan ke pers.(f), diperoleh pers. van’t Hoff (2):
……(2)
………(1)
Dan jika ada dua keadaan yang berbeda kita dapat menghubungkan dengan modifikasi sederhana hingga diperoleh :
Pers. Van Hoff dapat digunakan untuk menentukan perubahan K karena perubahan suhu
………(3)
Keterangan
70
K2 dan K1 adalah tetapan kesetimbangan pada suhu kelvin T2 dan T1. ∆Ho adalah entalpi (kalor) molar standar dari reaksi. Nilai positif dan negatif untuk parameter ini dimungkinkan dan diperlukan asumsi bahwa ∆Ho tidak tergantung pada suhu
Menurut prinsip Le Chatelier, jika ∆Ho > 0 (endoterm) reaksi kedepan terjadi jika suhu ditingkatkan, menyiratkan bahwa nilai K meningkat dengan suhu.
Jika ∆Ho < 0 (eksoterm) reaksi kebalikan terjadi jika suhu ditingkatkan dan nilai K menurun dengan suhu
Persamaan diatas menghasilkan nilai kuantitatif yang sesuai dengan pengamatan kualitatif dari prinsip Le Chatelier.
Bila pers.(3) diplotkan dengan ln K sebagai sumbu y dan 1/T sebagai sumbu x, akan diperoleh sebuah garis lurus dengan slope yang negatif yaitu - ∆Ho /R dan memotong sumbu y pada ∆So/R
71
1/T
slope = - ∆Ho /R
ln K
Perpotongqn =
∆So/R
Plot van’t HoffR
S
RT
HK
oo
ln
72
Untuk reaksi : N2 + O2 <==> 2 NO diberikan data tetapan setimbang pada berbagai suhu sebagai berikut:
)(KT
410/ PK
1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600
2,31 4,08 6,86 11,0 16,9 25,1 36,0 50,3
Jika data ini dialurkan antara ln Kp terhadap 1/T, didapatkan kurva berupa garis lurus dengan:
1
114
182
314,81019,2
kJmol
molJKKxlerengxRH o
(perubahan entalpi standar pada rentang suhu 2000- 2600o K)
Contoh a.Contoh a.
73
Hitung perubahan entalpi untuk reaksi N2 + O2 <==> 2 NO
dari tetapan setimbang yang diberikan untuk 2000 K dan 2500 o K
Penyelesaian, gunakan rumus :Penyelesaian, gunakan rumus :
1
114
3
2000
2500
181
20002500314,8
20002500
1008,4
1060,3lnln
kJmolH
KKmolJK
KKH
x
x
K
K
o
o
K
K
Contoh b.Contoh b.
21
12
1
2lnTRT
TTH
K
K o
7474
Umumnya tetapan kesetimbangan suatu reaksi tergantung pada suhu
Nilai Kp untuk reaksi oksidasi belerang dioksida diperlihatkan pada tabel berikut. Hitunglah nilai ∆Ho dengan memplotkan persamaan van’t Hoff.
Pengaruh Katalis pada Kesetimbangan
75
Katalis dalam reaksi dapat balik, dapat mempercepat reaksi baik kekanan atau kekiri. Keadaan kesetimbangan tercapai lebih cepat tetapi tidak merobah jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi.
Peranan katalis adalah merobah mekanisme reaksi agar tercapai energi aktivasi yang lebih rendah.
Keadaan kesetimbangan tidak bergantung pada mekanisme reaksi
Sehingga tetapan kesetimbangan yang diturunkan secara kinetik tidak dipengaruhi oleh mekanisme yang dipilih.
Prinsip Le Chatelier
76
Usaha untuk mengubah suhu, tekanan atau konsentrasi pereaksi dalam suatu sistem dalam keadaan setimbang merangsang terjadinya reaksi yang mengembalikan kesetimbangan pada sistem tersebut
Bila kesetimbangan diganggu, kesetimbangan akan selalu berpindah sedemikian rupa sehingga melawan perubahan itu.
Bila suhu dari sistem kesetimbangan dinaikkan, kesetimbangan bergeser kearah yang menyebabkan absorpsi kalor.
Apabila dalam sistem kesetimbangan homogen, konsentrasi salah satu zat diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan dari zat tersebut.
Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu zat diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak zat tersebut
Contoh : 2SO2(g) + O2(g) ↔ 2SO3(g) 77
a. Pengaruh perubahan Jumlah spesies yang bereaksi (konsentrasi)
78
Kesetimbangan awal Gangguan Kesetimbangan akhir
KcOSO
SOQ
KcOSO
SOQ
][][
][
][][
][
22
2
23
22
2
23
Bila pada sistem kesetimbangan ini ditambahkan gas SO3, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.
Bila pada sistem kesetimbangan ini ditambahkan gas SO2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.
Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi gas O2, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.
79
b. Pengaruh Perubahan Tekanan
80
Jika tekanan pada campuran kesetimbangan yang melibatkan gas ditingkatkan, reaksi bersih akan berlangsung kearah yang mempunyai jumlah mol gas lebih kecil begitupun sebaliknya
Jika dalam suatu sistem kesetimbangan dilakukan aksi yang menyebabkan perubahan volume (bersamaan dengan perubahan tekanan), maka dalam sistem akan mengadakan berupa pergeseran kesetimbangan.
Jika tekanan diperbesar = volume diperkecil, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah Koefisien Reaksi Kecil.
Jika tekanan diperkecil = volume diperbesar, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah Koefisien reaksi besar.
Pada sistem kesetimbangan dimana jumlah koefisien reaksi sebelah kiri = jumlah koefisien sebelah kanan, maka perubahan tekanan/volume tidak menggeser letak kesetimbangan.81
Contoh : N2(g)+3H2(g) ↔ 2NH3(g)
Koefisien reaksi di kanan = 2 Koefisien reaksi di kiri = 4
Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperbesar (=volume diperkecil), maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.
Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperkecil (=volume diperbesar), maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.
82
c. Pengaruh Gas Lembam (inert)
83
Pengaruh tidaknya gas lembam tergantung pada cara melibatkan gas tersebut
Jika sejumlah gas helium ditambahkan pada keadaan volume tetap, tekanan akan meningkat, sehingga tekanan gas total akan meningkat. Tetapi tekanan parsial gas-gas dalam kesetimbangan tetap
Jika gas ditambahkan pada tekanan tetap, maka volume akan bertambah. Pengaruhnya akan sama dengan peningkatan volume akibat penambahan tekanan eksternal.
Gas lembam mempengaruhi keadaan kesetimbangan hanya jika gas tersebut mengakibatkan perubahan konsentrasi (atau tekanan parsial) dari pereaksi-pereaksinya
d. Pengaruh Suhu
Menurut Van't HoffBila pada sistem kesetimbangan subu dinaikkan,
maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membutuhkan kalor (ke arah reaksi endoterm).
Bila suhu diturunkan, kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membebaskan kalor (ke arah reaksi eksoterm).
Contoh: 2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g) ; ∆H = -216 kJJika suhu dinaikkan, maka kesetimbangan akan
bergeser ke kiri.Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan
bergeser ke kanan.
84
Recommended