Studi termodinamika statistik terhadap tetapan laju reaksi

I. PendahuluanDalam sistem dinamika reaksi kimia, masalah laju reaksi dan tetapan laju

reaksi sudah sangat besar peranannya. Banyak permasalahan baik dalam skala laboratorium maupun industri dapat diselesaikan dengan baik. Para peneliti terdahulu mulai dari Arrhenius, Polanyi, Atkins, dan lain sebagainya, hingga Zewail, telah sangat berjasa dalam menjelaskan masalah dinamika kimia atau kinetika kimia terutama masalah laju suatu reksi.

Namun ada sedikit masalah, yaitu kenapa penerapan teori kinetika kimia ini masih mengahsilkan residu yang cukup mengganggu?, misal: munculnya hasil samping yang tidak diharapkan, biaya produksi yang tinggi akibat salah dalam perhitungan temperetur untuk reaksi tertentu? Salah dalam perhitungan konsentrasi reaktan yang harus digunakan? dan lain-lainnya.

Pada topik riset ini, akan diusulkan temuan hipotetik dan pertanyaan hipotetik serta langsung membuat hipotesa baru tentang tetapan laju reaksi. Penulis mencoba menjawab atas pertanyaan di atas, yang walaupun sederhana, diharapkan bisa membuka jalan untuk menyempurnakan teori kinetika kimia

II. MetodeMetoda yang dipakai adalah metoda teori, yaitu: intuisi fisika dan perhitungan

matematika:2.1 Intuisi fisika

Yaitu dengan mempelajari hasil penelitian sebagai berikut:a. Atkins,1 mempelajari adanya vibrasi pada senyawa transisi atau

kompleks teraktivasi.

Kurva di atas adalah Kurva Energy vs Reaction Coordinate yang diperbesar pada puncak kurvanya. Terlihat adanya tingkat-tingkat energi vibrasi, , pada senyawa transisi, yang secara termodinamika statistik dinyatakan dengan fungsi partisi vibrasi, Q[A---B---C].

b. Zewail,2 melalui femtochemistry mampu mengamati senyawa pada keadaan transisi dan muncul pernyataan bahwa senyawa pada keadaan transisi adalah produk yang dapat diisolasi

Kurva di atas adalah Surface Energy Potential yang menerangkan proses terjadinya tumbukan reaktif:

dan keadaan transisi yang bervibrasi. Tetapan keseimbangan saat keadaan transisi:

c. Pertanyaan hipotetikDari kedua peneliti di atas muncul pertanyaan hipotetik: Apakah ada tetapan laju reaksi dari senyawa keadaan transisi menuju senyawa produk?

2.2 Perhitungan MatematikaYaitu dengan mempelajari dan mengembangkan persamaan berikut:

a. Polanyi,2 mengembangkan persamaan tetapan laju reaksi Arrhenius, yaitu:

menjadi persamaan tetapan laju reaksi sebagai transition-state theory, yaitu:

b. Metoda Gangguan Chapman-Enskog,3 yaitu menyelesaikan persamaan Boltzmann dengan tahap pendekatan Euler dan Navier-Stokes. Metoda ini akan mendukung dan menjelaskan fenomena transport baru, yang diusulkan oleh Karplus dan kawan-kawan, untuk menjelaskan aliran tumbukan reaktif yang menghasilkan produk reaksi, yaitu chemical reactive transport yang terdiri dari: chemical reactive flux, Jr , dan reactive transport coefficient, .4

III. Hasil PenelitianPada metode perhitungan matematika, persamaan Polanyi dikoreksi melalui

metode gangguan Chapman-Enskog dan menghasilkan tahap koreksi sebagai berikut:

1. Tahap Euler menghasilkan persamaan chemical reactive flux Polanyi:5

2. Tahap Navier-Stokes menghasilkan koreksi persamaan chemical reactive flux Polanyi, yaitu dengan munculnya reactive transport coefficient:5

dimana:

Pada tahap ini, dapat disusun koreksi terhadap tetapan laju reaksi:

dimana adalah faktor koreksi tetapan laju reaksi, yaitu sebesar:5

Dari intuisi fisika dan perhitungan di atas, maka didapat bahwa tetapan laju suatu reaksi akan terkoreksi dengan munculnya faktor koreksi tetapan laju reaksi, . Faktor koreksi ini penting untuk menghitung besar efek laju reaksi yang selama ini dikenal. Sehingga tetapan laju suatu reaksi dan penulisan pada mekanisme reaksi adalah:5

2.3 Penerapan faktor koreksi pada konsep kinetika kimiaKoreksi terhadap tetapan laju reaksi kimia, untuk sistem bereaksi dua

komponen: , dapat dijelaskan pada tabel 1, yaitu dengan memperhitungkan harga-harga energi aktivasi dan faktor koreksi yang dihasilkan.

Tabel 1. Perhitungan koreksi tetapan laju reaksi untuk setiapharga energi aktovasi

tetapan laju reaksi terkoreksi,

energi aktivasi, faktor koreksi, , (%)

1 12 2

3 44 65 86 67 58 3

Dari tabel ini dapat dijelaskan bahwa pada , menghasilkan koreksi

sebesar 8% dari harga tetapan laju reaksi semula. Harga ini sangat kecil dibandingkan harga tetapan laju reaksi, tetapi secara molekular harga ini sangat penting untuk dipelajari efeknya terutama pada:

1. laju reaksi2. konsentrasi reaktan3. temperatur reaksi

IV. Kesimpulan1. Senyawa pada keadaan transisi adalah produk yang dapat diamati dan

dapat diisolasi2. Adanya Hipotesa tentang mekanisme reaksi baru, yaitu dari zat dalam

keadaan transisi menuju produk akhir reaksi

3. Secara total terlihat adanya koreksi terhadap tetapan laju reaksi, dengan munculnya faktor koreksi, .

4. Penerapan faktor koreksi pada konsep kinetika kimia adalah pada

menghasilkan koreksi sebesar 8% dari harga tetapan laju reaksi

semula.

*) Faktor yang mempengaruhi laju reaksiLaju reaksi dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain:Luas permukaan sentuhLuas permukaan sentuh memiliki peranan yang sangat penting dalam banyak, sehingga menyebabkan laju reaksi semakin cepat. Begitu juga, apabila semakin kecil luas permukaan bidang sentuh, maka semakin kecil tumbukan yang terjadi antar partikel, sehingga laju reaksi pun semakin kecil. Karakteristik kepingan yang direaksikan juga turut berpengaruh, yaitu semakin halus kepingan itu, maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi ; sedangkan semakin kasar kepingan itu, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi.SuhuSuhu juga turut berperan dalam mempengaruhi laju reaksi. Apabila suhu pada suatu rekasi yang berlangusng dinaikkan, maka menyebabkan partikel semakin aktif bergerak, sehingga tumbukan yang terjadi semakin sering, menyebabkan laju reaksi semakin besar. Sebaliknya, apabila suhu diturunkan, maka partikel semakin tak aktif, sehingga laju reaksi semakin kecil.KatalisKatalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi ataupun produk. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi. Katalis menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi.Katalis dapat dibedakan ke dalam dua golongan utama: katalis homogen dan katalis heterogen. Katalis heterogen adalah katalis yang ada dalam fase berbeda dengan pereaksi dalam reaksi yang dikatalisinya, sedangkan katalis homogen berada dalam fase yang sama. Satu contoh sederhana untuk katalisis heterogen yaitu bahwa katalis menyediakan suatu permukaan di mana pereaksi-pereaksi (atau substrat) untuk sementara terjerat. Ikatan dalam substrat-substrat menjadi lemah sedemikian sehingga memadai terbentuknya produk baru. Ikatan atara produk dan katalis lebih lemah, sehingga akhirnya terlepas.Katalis homogen umumnya bereaksi dengan satu atau lebih pereaksi untuk membentuk suatu perantara kimia yang selanjutnya bereaksi membentuk produk akhir reaksi, dalam suatu proses yang memulihkan katalisnya. Berikut ini merupakan skema umum reaksi katalitik, di mana C melambangkan katalisnya:

A + C → AC (1) B + AC → AB + C (2)

Meskipun katalis (C) termakan oleh reaksi 1, namun selanjutnya dihasilkan kembali oleh reaksi 2, sehingga untuk reaksi keseluruhannya menjadi :

A + B + C → AB + C

Beberapa katalis yang pernah dikembangkan antara lain berupa katalis Ziegler-

Natta yang digunakan untuk produksi masal polietilen dan polipropilen. Reaksi katalitis yang paling dikenal adalah proses Haber, yaitu sintesis amoniak menggunakan besi biasa sebagai katalis. Konverter katalitik yang dapat menghancurkan produk emisi kendaraan yang paling sulit diatasi, terbuat dari platina dan rodium.MolaritasMolaritas adalah banyaknya mol zat terlarut tiap satuan volum zat pelarut. Hubungannya dengan laju reaksi adalah bahwa semakin besar molaritas suatu zat, maka semakin cepat suatu reaksi berlangsung. Dengan demikian pada molaritas yang rendah suatu reaksi akan berjalan lebih lambat daripada molaritas yang tinggi. Hubungan antara laju reaksi dengan molaritas adalah: V = k [A]m [B]ndengan:V = Laju reaksik = Konstanta kecepatan reaksim = Orde reaksi zat An = Orde reaksi zat B KonsentrasiKarena persamaan laju reaksi didefinisikan dalam bentuk konsentrsi reaktan maka dengan naiknya konsentrasi maka naik pula kecepatan reaksinya. Artinya semakin tinggi konsentrasi maka semakin banyak molekul reaktan yang tersedia denngan demikian kemungkinan bertumbukan akan semakin banyak juga sehingga kecepatan reaksi meningkat.