KESETIMBANGAN KIMIA (BAGIAN I)

 

https://kumparan.com/kumparannews/7-manfaat-di-balik-balancing-art/full

Dalam berbagai proses kimia dalam industry, pembentukan produk merupakan suatu hal yang mendapat perhatian terbesar. Upaya-upaya untuk mendapatkan produk dalam jumlah maksimal dengan proses yang lebih ekonomis selalu dilakukan, diantaranya dengan mengatur factor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi. Dengan cara ini dapat diatur agar laju reaksi ke arah produk dapat berjalan lebih cepat, sehingga dalam waktu yang relative singkat dapat diperoleh produk yang lebih banyak.

Namun demikian, dalam kenyataannya pembentukan produk dari pereaksi bukanlah merupakan suatu proses yang berjalan sempurna, karena pada setiap proses tidak semua pereaksinya dapat diubah menjadi produk, melaikan hanya beberapa persennya saja. Sebagi contoh, untuk reaksi:

2 SO₂ (g)   +  O₂ (g)    à   2 SO₃ (g)

Secara teoritis, jika 2 mol SO₂ direaksikan dengan 1 mol O₂, maka kita akan memperoleh 2 mol SO₃ sebagai produk dan dikatakan reaksi berjalan sempurna. Tapi dalam praktiknya, jumlah mol SO₃ yang dihasilkan dari 2 mol SO₂ dan 1 mol O₂ tersebut bukanlah 2 mol, melainkan kurang dari 2 mol. Mengapa bisa demikian?

Dalam kebanyakan proses kimia dalam industry, reaksi kimia biasanya berakhir pada posisi kesetimbangan. Posisi kesetimbangan merupakan suatu keadaan reaksi di mana terdapat campuran antara produk yang dihasilkan dari reaksi dengan pereaksi yang tidak terpakai dan keduanya berada dalam jumlah yang relative tetap. Begitu keadaan ini tercapai, maka tidak ada lagi pereaksi yang berubah menjadi produk, kecuali kondisi reaksinya diubah. Dengan mengetahui komposisi zat-zat pada kesetimbangan dan ketergantungannya pada kondisi reaksi, maka kita dapat mengatur kondisi reaksi tersebut untuk memaksimalkan produk yang dihasilkan.

Bab ini akan menguraikan tentang prinsip-prinsip dasar kesetimbangan kimia, factor-faktor yang mempengaruhinya, dan perannya dalam mengubah hasil reaksi, misal pada proses pembuatan ammonia dan asam sulfat. Hubungan kuantitatif antara pereaksi dan hasil reaksi pada kesetimbangan akan dibahas dalam sub bab tetapan kesetimbangan.

1.       REAKSI TIDAK DAPAT BALIK DAN REAKSI DAPAT BALIK

Seandainya kayu kita bakar, tentu akan dihasilkan arang. Arang yang dihasilkan dari pembakaran kayu tidak dapat berubah lagi menjadi kayu. Demikian pula dengan abu magnesium oksida (MgO) yang dihasilkan dari pembakaran pita Mg, tidak dapat berubah lagi menjadi logam Mg-nya. Reaksi-reaksi seperti ini dinamakan reaksi tidak dapat balik (Irreversibel). Reaksi tidak dapat balik, hanya berlangsung satu arah dan biasanya persamaan reaksinya ditulis dengan satu anak panah(à).

Pembakaran pita Mg merupakan satu contoh reaksi irreversible (tidak dapat balik). Persamaan reaksinya adalah:

 2 Mg (s)   +    O₂ (g)   à    2 MgO (s)

 

https://year9reaction.files.wordpress.com/2008/08/burning-magnesium.jpg

Gambar Pembakaran pita Mg

 Selain reaksi tidak dapat balik, ada juga reaksi yang dapat balik (reversible). Pada reaksi dapat balik, hasil reaksi (produk) dapat diubah kembali menjadi pereaksi (reaktan). Perhatikan gambar di bawah ini!

https://socratic.org/questions/how-do-you-know-when-copper-sulfate-hydrated-water-evaporates

Gambar Perubahan warna pada kristal CuSO₄.5H₂O

 Jika kristal CuSO₄.5H₂O yang berwarna biru kita panaskan, maka molekul-molekul air yang dikandungnya akan menguap sehingga terbentuk kristal CuSO₄ yang berwarna putih. Kemudian, jika pada kristal putih CuSO₄ kita teteskan air, maka kristal CuSO₄. 5 H₂O yang berwarna biru akan terbentuk kembali.

https://www.sciencesource.com/archive/Hydrating-copper-sulfate-SS121562.html

Gambar   penambahan air pada kristal CuSO₄ menyebabkan terbentuknya Kembali CuSO₄. 5 H₂O 

Reaksi penguraian CuSO₄. 5H₂O ditulis sebagai berikut:

 CuSO₄. 5 H₂O (s)  à CuSO₄ (s) + 5 H₂O (l)                ….(a)

       biru                  putih     

Adapun reaksi pembentukan kembali CuSO₄. 5 H₂O adalah:

 CuSO₄ (s) + 5 H₂O (l)  à  CuSO₄. 5 H₂O (s)               ….(b)

  putih                                    biru 

 Bila kita perhatikan, reaksi (b) sebenarnya merupakan kebalikan dari reaksi (a). Penulisan reaksi (a) dan (b) dapat digabung dengan menggunakan dua anak panah yang arahnya berlawanan ().

 CuSO₄. 5 H₂O (s)   CuSO₄ (s) + 5 H₂O (l)               

       biru                  putih     

 

Contoh lain reaksi reversible adalah pada reaksi pembentukan HI dari gas H₂ dan I₂ berikut:

H₂ (g)   +  I₂ (g)    à   2 HI (g)

                ungu

Reaksi ini ditandai dengan semakin hilangnya warna ungu dari gas I₂, sebaliknya bila gas HI dipanaskan akan terbentuk H₂ dan I₂ yang ditandai dengan terbentuknya warna ungu dari I₂ yang semakin pekat:

2 HI (g)      à     H₂ (g)   +    I₂  (g) 

                                          Ungu

 Kedua reaksi di atas dapat digabung penulisannya menjadi:  

H₂ (g)   +  I₂ (g)    à   2 HI (g)

 https://www.sciencephoto.com/media/779928/view/h2-gas-reacting-with-i2-gas-to-form-hi-gas

 Gambar   perubahan warna pada reaksi reversible

2HI (g)       H₂ (g) +  I₂ (g)

 Pada reaksi dapat balik (reversibel), reaksi ke arah kanan (à) disebut reaksi maju, sedangkan reaksi ke arah kiri disebut reaksi balik (ß). Jika reaksi maju dan reaksi balik di atas berlangsung secara serentak, maka disebut reaksi bolak-balik dan ditulis dengan dua anak panah yang berlawanan arahnya.

2.       K2.      KEADAN SETIMBANG DAN KESETIMBANGAN DINAMIS

Apa sebenarnya yang dimaksud dengan keadaan setimbang (kesetimbangan)?

Apa saja yang terjadi pada keadaan setimbang dan bagaimana karakteristiknya?

Coba kalian perhatikan gambar berikut!

Kondisi kesetimbangan (keadaan setimbang) dapat dianalogikan dengan orang yang menggunakan tangga berjalan (escalator) tapi dengan arah yang berlawanan. Jadi, dia akan naik ke lantai berikutnya, tapi tangga yang digunakan adalah tangga yang arahnya turun (ke bawah).

Apa yang akan terjadi jika kecepatan orang tersebut melangkah sama dengan kecepatan tangga tersebut turun?

Tentunya orang tersebut akan berada pada posisi yang sama setiap waktunya. Dengan kata lain posisi orang tersebut  akan tetap di satu titik meskipun dia terus bergerak melangkah naik.

Kondisi orang tersebut, yang tidak berubah posisinya sementara dia terus melangkah naik dan tangga yang terus bergerak turun dengan kecepatan yang sama, merupakan analogi dari keadaan kesetimbangan dinamis.

Bagaimana dengan kesetimbangan dinamis pada reaksi kimia?

Mari kita pelajari system kesetimbangan yang melibatkan gas H₂, I₂ dan HI sesuai reaksi berikut:

H₂ (g) +  I₂ (g)     2 HI  (g)

 

a.   merupakan keadaan awal campuran gas H₂ dan I₂. Molekul apa saja yang terdapat pada gambar (a)?

b.   Kondisi mulai terjadi reaksi. Molekul apa saja yang terdapat pada saat reaksi mulai berlangsung?

c.   dan (d) merupakan campuran gas–gas dalam keadaan setimbang. Zat apa saja yang terdapat pada keadaan setimbang?

Pada awalnya dalam wadah hanya terdapat molekul-molekul H₂ dan I_2,  setelah 15 detik molekul-molekul tersebut mulai bertumbukan hingga terjadi reaksi dan membentuk molekul HI. Akibat reaksi ini, konsentrasi H₂ dan I₂ mulai berkurang sehingga laju reaksi maju makin menurun. Laju reaksi ini berbanding lurus dengan kosentrasi H₂ dan I₂.

H₂ (g) +  I₂ (g)     2 HI  (g)

Laju _(maju) = k₁ [H₂][I₂]

Sebaliknya, molekul HI mulai terbentuk dan konsentrasinya meningkat seiring waktu. Pada saat yang sama, mulai terjadi pula tumbukan antar molekul HI. Tumbukan antarmolekul HI ini menyebabkan terurainya molekul-molekul HI, kembali menjadi H₂ dan I₂ (reaksi balik). Laju reaksi penguraian HI menjadi H₂ dan I₂ ini berbanding lurus dengan kosnetrasi HI.

2 HI  (g)     H₂ (g) +  I₂ (g) 

Laju _(balik) = k₂ [HI]²

Ketika laju reaksi ke arah maju mulai mengalami perlambatan, laju reaksi ke arah balik mengalami percepatan hingga suatu saat laju reaksi kedua arah sama. Dengan kata lain, reaksi mencapai keadaan setimbang ketika laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik.

Laju _(maju) =  Laju _(balik)

Pada saat laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik (keadaan setimbang), reaksi tampak seperti berhenti, tetapi sebenarnya tidak berhenti, walaupun perubahan konsentrasi dari semua komponen reaksi sudah mulai tidak terlihat. Perhatikan video berikut:

Grafik perubahan konsentrasi H₂, I₂ dan HI terhadap waktu dapat dilihat pada Gambar berikut:

 

Gambar Grafik Perubahan Konsentrasi Terhadap Waktu

(Tro, 2010: 518)

Grafik perubahan laju reaksi (v) terhadap waktu (t) dari reaksi kesetimbangan H₂(g) + I₂(g)   2HI (g) dapat dilihat pada Gambar.

Berdasarkan uraian di atas, maka keadaan setimbang dapat dinyatakan sebagai keadaan system yang menunjukkan bahwa laju reaksi maju (ke arah produk/ ke arah kanan) sama dengan laju reaksi balik (ke arah pereaksi/ kearah kiri) dan pada keadaan ini perubahan konsentrasi pereaksi dan produk sudah tidak terlihat.

Beberapa karakteristik yang harus diingat mengenai kesetimbangan dinamis adalah:

1.   Kesetimbangan dinamis terjadi pada reaksi dapat balik (reversible), dalam ruang tertutup pada suhu dan tekanan tetap.

2.   Reaksi berlangsung terus menerus dengan arah yang berlawanan

3.   Laju reaksi maju (ke arah produk/ kanan) sama dengan laju reaksi balik (ke arah pereaksi/ kiri).

4. Tidak terjadi perubahan yang bersifat makroskopis (yang dapat dilihat/ diamati) tetapi perubahannya bersifat mikroskopis tidak dapat dilihat/ diamati (perubahan pada tingkat molekuler).

5.   Setiap komponen (pereaksi dan produk) tetap ada dan perbandingan konsentrasinya bersifat tetap (konstan)

3.       K3.      KESETIMBANGAN HOMOGEN DAN HETEROGEN

Reaksi kesetimbangan dibedakan menjadi dua, yaitu reaksi kesetimbangan homogen dan heterogeny. Perbedaan kedua jenis reaksi kesetimbangan ini adalah pada fasa (wujud) dari zat-zat yang terlibat dalam reaksi di dalamnya.

A.       Reaksi Kesetimbangan Homogen

Reaksi kesetimbangan homogen adalah reaksi kesetimbangan dimana fasa (wujud) zat yang terlibat dalam reaksi kesetimbangan (pereaksi dan produk)nya sama, missal antara gas dengan gas atau larutan dengan larutan. Beberapa contoh reaksi kesetimbangan homogen:

N₂ (g) + 3 H₂ (g)    2 NH₃ (g)

H₂ (g) + I₂ (g)    2 HI (g)

2 SO₃ (g)   2 SO₂ (g) +  O₂ (g)

Fe³⁺ (aq) + SCN^– (aq)     Fe(SCN)²⁺ (aq)

B.       Kesetimbangan Heterogen

Reaksi kesetimbangan heterogen adalah reaksi kesetimbangan dimana fasa (wujud) zat yang terlibat dalam reaksi kesetimbangan (pereaksi dan produk)nya berbeda, misal antara gas dengan zat padat, gas dengan cairan, larutan dengan zat padat atau antara larutan gas, cairan dan padatan. Beberapa contoh reaksi kesetimbangan heterogen:

CO₂ (g)     C (s)  +  O₂ (g)

CaCO₃ (s)    CaO (s)  +  CO₂ (g)

Al³⁺ (aq)  +  H₂O (l)    Al(OH)₃ (s)  + 3 H⁺ (aq)

4.       L4.     LATIHAN PENGUASAAN KONSEP (KUIS 1)

     Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut ini dengan tepat!

    1.        Jelaskan dengan contoh perbedaan reaksi reversible dan irreversible

    2.        Jelaskan kembali apayang dimaksud keadaan setimbang (kesetimbangan)

    3.        Ketika kesetimbangan tercapa

• Zat apa saja yang terdapat dalam system kesetimbangan?
• Bagaimana perubahan konsentrasi pereaksi dan produk pada saat kesetimbangan?  
• Dari grafik konsentrasi vs waktu, diperoleh bahwa pada saat kesetimbangan tercapai, baik konsentrasi pereaksi maupun produk cenderung konstan. Apakah hal ini berarti pada saat tersebut, reaksi benar-benar berhenti? Jelaskan!

4.        Sebutkan beberapa karakteristik dari kesetimbangan dinamis!

5.        Jelaskan pentingnya pengetahuan tentang kesetimbangan kimia!

Referensi:

A. HARIS WATONI, 2014, Kimia Untuk SMA/MA Kelas XI, Kelompok Peminatan Matematikan dan Ilmu-ilmu Alam, Penerbit Yrama Widya, Bandung.

YULIADI, 2008, Memahami Kimia SMK, Untuk Kelas XI Semester 1 dan 2, Penerbit Arfino Raya, Bandung.