KESETIMBANGAN KIMIA

I.          Definisi Kesetimbangan Kimia

Reaksi kimia adalah sebuah proses dimana suatu zat diubah menjadi zat lain.Perubahan ini memenuhi seperangkat hukum termodinamika.Reaksi kimia selalu berjalan kearah zat yang lebih stabil.Keadan yang lebih stabil ini sering di kaitkan dengan nilai energi bebas nya (G).G yang lebih kecil menunjukan keadaan yang lebih stabil.Pertanyaan selanjutnya adalah sampai kapan reaksi ini berlangung.Akankah semua reaktan diubah menjadi produk atau tidak?.Semua pertanyaan ini dapat dijawab dengan tepat ketika pemahaman tentang termodinamika dikuasai dengan baik.

Pada dasarnya reaksi kimia itu dapat di analogikan sebagai peristiwa menuruni bukit.Dalam menuruni bukit,sepeda dengan sendirinya dapat berjalan karena kontur tanah yang miring membuat gaya gravitasi dapat bekerja pada sepeda.Dalam reaksi kimia juga demikian.Reaksi kimia spontan dapat terjadi apabila ia berjalan kearah G yang lebih rendah.Namun demikian meskipun energy bebas (G) dari produk lebih rendah dari reakstan,sebagian produk kemudian ada yang trtap dapat berubah menjadi reaktan (dalam beberapa kasus).

Sebagian reaksi kimia berjalan cepat namun dalam batas tertentu  (konsentrasi tertentu) menjadi melambat.Reaksi macam ini di sebut reaksi kimia kendali termodinamik.Sebaliknya ada reaksi kimia yang berjalan lambat namun seiring bertambahnya produknya maka reaksinya semakin cepat.Reaksi macam ini disebut reaksi kimia kendali kinetik.Dalam sebuh reaksi kimia, ada kalanya setelah reaktan mulai menjadi produk,produk dapat berubah menjadi reaktan kembali.Reaksi macam ini disebut reaksi kimia reverrsibel.Pada dasarnya hampir semua reaksi kimia dapat balik.Namun kadang kuantitas dari pembentukan kembali reaktan oleh produk sangatlah sedikit sehingga tidak dapat teramati.

Grafik dibawah ini menunjukan bagaimana energi bebas (G) menjelaskan reaksi kesetimbangan kimia dapat berlangsung.

Pada gambar disamping,G 1 mol N2O4 ( 1) lebih kecil dari G 2 mol NO2 (2).Namun demikian untuk komposisi berbeda ternyata hal ini berubah seeprti yang digambarkan sebagai kurva bengkok (seperti parabola yang berwarna merah).dalam kurva ini tampak bahwa baik dari sisi N2O4 atau pun NO2 semua ya menunjukan penurunan G.ini berarti kedua reaki yakni NO2 menjadi N2O4 dan sebaliknya dapat berlangsung.Pada titik 3 terjadi kesetimbangn kimia yakni sat delta G=0.

Reaksi timbal balik adalah reaksi yang, tergantung keadaan, dapat mengalir ke dua arah.

Apabila ditiiupkan uap panas ke sebuah besi yang panas, uap panas ini akan bereaksi dengan besi dan membentuk sebuah besi oksida magnetik berwarna hitam yang disebut ferri ferro oksida atau magnetit, Fe₃O₄.

                                     

Hidrogen yang terbentuk oleh reaksi ini tersapu oleh aliran uap.


Dalam keadaan lain, hasil-hasil reaksi ini akan saling bereaksi. Hidrogen yang melewati ferri ferro oksida panas akan mengubahnya menjadi besi, dan uap panas juga akan terbentuk.

                       

Uap panas yang kali ini terbentuk tersapu oleh aliran hidrogen.

Reaksi ini dapat berbalik, tapi dalam keadaan biasa, reaksi ini menjadi reaksi satu arah. Produk dari reaksi satu arah ini berada dalam keadaan terpisah dan tidak dapat bereaksi satu sama lain sehingga reaksi sebaliknya tidak dapat terjadi.Sistem tertutup adalah situasi di mana tidak ada zat yang ditambahkan atau diambil dari sistem tersebut. Tetapi energi dapat ditransfer ke luar maupun ke dalam.Pada contoh yang baru kita bahas tadi, Anda harus membayangkan sebuah besi yang dipanaskan oleh uap dalam sebuah kotak tertutup. Panas ditambahkan ke dalam sistem ini, namun tidak satu zat pun yang terlibat dalam reaksi ini dapat keluar dari kotak. Keadaan demikian disebut sistem tertutup. Pada saat ferri ferro oksida dan hidrogen mulai terbentuk, kedua zat ini akan saling bereaksi kembali untuk membentuk besi dan uap panas yang ada pada mulanya

II.      Proses Terjadinya Reaksi Kesetimbangan

Jika ada reaksi

                                                   H2  + I2 à2HI         ( 1 )

2HI    à H2  + I2 ( 2 )

(A)                                                        (B)

                                    (C)                                                       (D)

Saat reaksi dimulai dengan h2 serta i2 sebagai reaktan mula mula hanya terdapat konsentrasi reaktan saja (garis hijau pada grafik 1).Pada keadaan ini kecepatan reaksi reaktan berada pada level maksimumnya sebab jumlah partikelnya masih banyak (grafik B).Reaksi mulai berjalan.Produk mulai terbentuk dengan konsentrasi yang rendah (Grafik A garis merah).Pada keadaan ini kecepatan reaksi dari produk menjadi reaktan mulai ada namun sangat lambat (grafik C).Reaksi terus berlangsung  konsentrasi reaktan makin menurun artinya kecepatanya juga menurun sebaliknya konsentrasi produk akan makin besar dan kecepatan makin besar.Sehingga suatu saat dicapailah sebuah keadaan , karena peruabahn konsentrasi tadi, kecepatan kedua reaksi sama (grafik D).Pada saat ini jika ada 3 molekul reaktan diubah menjadi produk dalam 1 detik maka saat yang bersamaan terdapat pula 3 molekul produk yang diubah menjadi reaktan (karena kecepatan kedua reaksi ini adalah sama).Jika ini terjadi maka komposisi kedua zat akan tetap sama sepanjang waktu dan tak ada lagi perubahan konsentrasi antara keduanya.Reaksi dalam keadan seeprti dikatan telah mencapai titik kesetimbanganya.

Mari kita tinjau kembali pada titik kesetimbangan (grafik D).Grafk D menunjukan kecepatan reaksi dari kedua reaksi masih ada.Artinya sebenarnya reaksi tidak berhenti hanya saja kecepatanya sama sehingga jika diamati secara biasa (makroskopis) sepertinya sudah tidak ada perubahan lagi.Namun jika kita melihat lebih dalam (mikroskopis)  sebenranya reaksi masih tetap berlangsung.Keadaan inilah yang dsebut sebagai kesetimbangan kimi itu bersifat dinamis.

III.        Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kesetimbangan (Asas Le Chatelier)

Pada tahun 1884,Henri Louis Le Chatelier berhasil menyimpulkan pengaruh faktor luar terhadap kesetimbangan dalam suatu asas yang dikenal dengan asas Le Chatelier sebagai berikut: Bila pada sistem kesetimbangan diadakan aksi, maka sistem akan mengadakan reaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi itu menjadi sekecil-kecilnya. Secara singkat,asas Le Chatelier dapat disimpulkan sebagai berikut: Reaksi = -Aksi.Dalam kimia, prinsip Le Châtelier, juga disebut prinsip Chatelier, dapat digunakan untuk memprediksi pengaruh perubahan dalam kondisi pada kesetimbangan kimia. Prinsip ini dinamai Henry Louis Le Chatelier dan Karl Ferdinand Braun yang menemukannya secara mandiri. Hal ini dapat diringkas sebagai:

Cara sistem bereaksi adalah dengan melakukan pergeseran ke kiri atau ke kanan. marilah kita bahas penerapan asas Le Chatelier terhadap pergeseran kesetimbangan.

a.       Pengaruh Konsentrasi

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.

Tabel . Pengaruh Konsentrasi Terhadap kesetimbangan

No	Aksi	Reaksi	Cara Sistem Bereaksi
1	Menambah konsentrasi perekasi	Mengurangi konsentrasi pereaksi	Bergeser ke kanan
2	Mengurangi konsentrasi perekasi	Menambah konsentrasi perekasi	Bergeser ke kiri
3	Memperbesar konsentrasi produk	Mengurangi konsentrasi produk	Bergeser ke kiri
4	Mengurangi konsentrasi produk	Memperbesar konsentrasi produk	Bergeser ke kanan
5	Mengurangi konsentrasi total	Memperbesar konsentrasi total	Bergeser ke arah yang jumlah molekul terbesar

Hal ini dapat digambarkan oleh keseimbangan karbon monoksida dan gas hidrogen, bereaksi membentuk metanol.

                                                                CO + 2 H₂ ⇌ CH₃OH

Misalkan kita adalah untuk meningkatkan konsentrasi CO dalam sistem. Menggunakan prinsip Le Châtelier, kita bisa memprediksi bahwa jumlah metanol akan meningkat, mengurangi perubahan total dalam CO Jika kita ingin menambahkan zat reaksi secara keseluruhan, reaksi akan mendukung sisi yang berlawanan dengan penambahan zat. Demikian pula, pengurangan zat akan menyebabkan reaksi untuk mengisi "celah" dan mendukung sisi dimana zat ini berkurang. Penelitian ini didukung oleh teori tabrakan. Sebagai konsentrasi CO meningkat, frekuensi tabrakan sukses reaktan yang akan meningkatkan juga, memungkinkan untuk peningkatan reaksi ke depan, dan membentuk produk.

b. Pengaruh Tekanan & Volume

Perubahan tekanan yang diakibatkan oleh perubahan volume. Konsentrasi kesetimbangan dari produk dan reaktan tidak secara langsung tergantung pada tekanan dikenakan ke sistem. Namun, perubahan tekanan akibat perubahan volume sistem akan menggeser kesetimbangan. Jika dalam suatu sistem kesetimbangan dilakukan aksi yang menyebabkan perubahan volume (bersamaan dengan perubahan tekanan), maka dalam sistem akan mengadakan berupa pergeseran kesetimbangan.

Penambahan tekanan dengan cara memperkecil volum akan memperbesar konsentrasi semua komponen. Maka sistem akan bereaksi dengan mengurangi tekanan. Untuk mengurangi tekanan maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah koefisiennya lebih kecil. Jika tekanan dikurangi dengan cara memperbesar volum,maka sistem akan bereaksi dengan menambah tekanan dengan cara menambah jumlah molekul. Reaksi akan bergeser kerah yang jumlah koefisiennya lebih besar

Pada sistem kesetimbangan dimana jumlah koefisien reaksi sebelah kiri = jumlah koefisien sebelah kanan, maka perubahan tekanan/volume tidak menggeser letak kesetimbangan.

Koefisien reaksi di kanan = 2 Koefisien reaksi di kiri = 4

Contoh :

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

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.

c.                       Pengaruh Suhu

Pengaruh perubahan suhu ekuilibrium dapat dibuat jelas dengan memasukkan panas baik sebagai reaktan atau produk. Ketika reaksi eksotermik (ΔH adalah negatif, melepaskan energi), kami menyertakan panas sebagai produk, dan ketika reaksi endoterm (ΔH positif, menyerap energi), kami memasukkannya sebagai suatu reaktan. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan apakah meningkatkan atau menurunkan suhu akan memilih maju atau mundur reaksi dengan menerapkan prinsip yang sama seperti dengan perubahan konsentrasi.

Sebagai contoh, reaksi gas nitrogen dengan gas hidrogen. Ini merupakan reaksi reversibel, di mana dua gas amonia bereaksi membentuk:

                                                 N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃  ΔH = -92 kJ mol^-1

Jika Anda menempatkan panas sebagai produk:

                                                    N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ ΔH = -92kJ

Ini merupakan reaksi eksotermik (maka tanda minus) ketika memproduksi amonia. Jika kita adalah untuk menurunkan suhu, kesetimbangan akan bergeser untuk menghasilkan panas lebih banyak. Karena pembuatan amonia adalah eksotermik, ini akan menambah produksi amoniak lebih. Dalam prakteknya, dalam proses Haber suhu ditetapkan pada nilai kompromi, sehingga amonia dibuat dengan cepat, meskipun kurang akan hadir pada kesetimbangan.

Bila pada sistem kesetimbangan subu dinaikkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membutuhkan kalor (ke arah reaksi endoterm).

Bila pada sistem kesetimbangan suhu diturunkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membebaskan kalor (ke arah reaksi eksoterm).

Pada reaksi eksotermik, kenaikan suhu menurunkan kesetimbangan konstan, K. Sedangkan pada reaksi endotermik, kenaikan temperatur meningkatkan nilai K.

d. Pengaruh Katalisator

Penggunaan Katalisator akan mempercepat tercapainya keadaan setimbang.Fungsi katalisator dalam reaksi kesetimbangan adalah mempercepat tercapainya kesetimbangan dan tidak merubah letak kesetimbangan (harga tetapan kesetimbangan Kc tetap), hal ini disebabkan katalisator mempercepat reaksi ke kanan dan ke kiri sama besar.

IV.    Aplikasi kesetimbangan kimia dalam industri

Dalam dunia industri, kesetimbangan kimia banyak dipergunakan khususnya dalam pembuatan gas maupun produk-produk industri lainnya. Proses Haber, merupakan proses pembuatan amoniak dari gas Nitrogen dan Hidrogen.

                                                N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3 ΔH = -22.13 kkal

Persamaan ini mengindikasikan bahwa 2 mol amoniak terbentuk dari 1 mol gas N2 dan 3 mol gas H2, dari persamaan ini juga mengindikasikan bahwa reaksi adalah eksoterm, sehingga amoniak akan terbentuk dengan baik pada suhu rendah. Namun pada suhu rendah reaksi berjalan lambat. Usaha untuk meningkatkan jumlah dengan kecepatan yang cukup dilakukan dengan mengatur tekanan dan suhu dan menambahkan katalisator.

Untuk proses yang optimal didapat dengan mengatur suhu sebesar 500ºC dan dengan tekanan 350 atm, dengan kondisi ini didapatkan produk amoniak sebesar 30%.

Proses Kontak

Proses kontak dipergunakan oleh industri untuk memproduksi asam sulfat. Proses berlangsung dalam dua tahap reaksi.

Tahap pertama, pembentukan gas belerang trioksida:

                                 2SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g) ΔH = -94.97 kkal

dilanjutkan dengan melarutkan gas belerang trioksida ke dalam air, sesuai dengan reaksi:

                                                SO3(g) + H2O(g) ⇄ H2SO4 (l)

Belerang trioksida merupakan produk yang vital sebagai bahan pembentuk asam sulfat. Dari persamaan reaksi di atas diketahui reaksi bersifat eksoterm. Reaksi lebih baik berlangsung pada suhu rendah, namun reaksi ini berjalan sangat lambat. Untuk mempercepat reaksi pembentukan belerang trioksida dipergunakan katalisator Vanadium oksida (V2O5) dan berlangsung pada suhu 400ºC.

Dalam industri makanan, reaksi kesetimbangan juga berlangsung, seperti pada pembuatan tape, dan minuman beralkohol, perhatikan bagan 9.12.

Bagan 9.12. Pemanfaatan kesetimbangan kimia dalam industri

Pada prinsipnya yang dipergunakan adalah ragi atau jamur, selanjutnya ragi menghasilkan enzim pembongkar karbohidrat membentuk molekul kecil glukosa dan fruktosa. Namun dalam prosesnya juga dihasilkan senyawa-senyawa lain seperti alkohol, aldehid yang menyebabkan aroma minuman atau tape menjadi harum. Selain itu enzim juga dapat mengoksidasi secara sempurna dan dihasilkan asam-asam karboksilat. Sehingga kita juga rasakan tape yang terasa asam. Jika kita coba mencermati, maka kita dapat menemukan bahan makanan atau bumbu masak yang lain yang merupakan produk hasil dari reaksi kesetimbangan dan juga zat-zat yang berfungsi sebagai katalisator.

                         

DAFTAR PUSTAKA

Atkins, P.W.1989. Kimia Fisika Jilid I edisi keempat. Jakarta : Erlangga

Chang, Raymond. 2004. Kimia Dasar : Konsep-Konsep Inti edisi ketiga jilid 1. Jakarta : Erlangga

http://chem-is-try.org/kesetibangan kimia

http://wikia.org/azas le chatelier

Purba, Michael. 2004. Kimia SMA Kelas XI. Jakarta : Erlangga

Sutresna, Nana. 2006. Kimia untuk SMA Kelas XI Sester 2. Bandung :Grafindo Media Pratama