Kesetimbangan Dinamis

Kesetimbangan Dinamis

Sobat Materi Kimia SMA, apa yang dimaksud dengan kesetimbangan? Apa yang dimaksud kesetimbangan dinamis?
Ada beberapa istilah yang harus sobat pahami sebelum melangkah lebih jauh mempelajari kesetimbangan kimia. Istilah tersebut adalah reaksi satu arah (one way reaction), reaksi dapat balik (two way reaction), dan reaksi kesetimbangan (equilibrium reaction). Jika dalam suatu reaksi, zat-zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi kembali menjadi pereaksi maka disebut reaksi satu arah.
Contoh:
Pembakaran metana berlangsung dalam satu arah. Persamaan reaksinya:
CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(g)
Jika hasil reaksi (CO₂ + H₂O) direaksikan lagi, tidak akan membentuk pereaksi kembali (CH₄ + O2), tetapi menjadi H₂CO₃. Kenyataan ini menunjukkan bahwa reaksi di atas adalah reaksi satu arah atau reaksi yang tidak dapat balik (irreversible).
Jika dalam suatu reaksi hasil-hasil reaksi dapat membentuk pereaksi lagi maka disebut reaksi dapat balik (reversible).
Contoh:
Jika gas N2 dan gas H2 direaksikan dalam reaktor tertutup akan terbentuk gas NH3. Persamaannya:
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
Gas NH₃ yang terbentuk dapat diuraikan kembali membentuk pereaksi. Persamaannya:
2NH₃(g) → N₂(g) + 3H₂(g)
Reaksi semacam ini menunjukkan bahwa reaksi dapat balik (reversible) atau reaksi dua arah.

Suatu reaksi dapat digolongkan ke dalam reaksi kesetimbangan dinamis (equilibrium reaction) jika reaksi yang dapat balik (reversible) berlangsung dengan kecepatan yang sama, baik kecepatan ke arah hasil reaksi maupun kecepatan ke arah pereaksi dan reaksinya tidak bergantung pada waktu (contoh analogi gambar disamping).
Dalam sistem kesetimbangan dinamis, reaksi yang menuju hasil reaksi dan reaksi yang menuju pereaksi berlangsung secara bersamaan dengan laju yang sama sehingga konsentrasi masing-masing zat dalam sistem kesetimbangan tidak berubah.
Jika sobat dapat melihat sistem kesetimbangan dinamis secara molekuler, akan tampak partikel-partikel dalam sistem kesetimbangan tidak tetap sebagai pereaksi atau hasil reaksi, melainkan bereaksi terus dalam dua arah secara dinamis. Pereaksi akan berubah menjadi hasil reaksi diimbangi oleh hasil reaksi berubah menjadi pereaksi. Jadi, kesetimbangan kimia dikatakan dinamis sebab secara molekuler (mikroskopik) zat-zat tersebut berubah setiap saat, tetapi secara keseluruhan (makroskopik) tidak ada perubahan sifat fisik, baik wujud maupun konsentrasi masing-masing zat.
Keadaan kesetimbangan dinamis dapat dianalogikan sebagai seseorang yang berjalan di eskalator, tetapi arahnya berlawanan dengan arah eskalator. Eskalator bergerak ke bawah dan orang tersebut bergerak ke atas dengan kecepatan yang sama. Akibatnya, orang tersebut,

seperti berjalan di tempat. Secara makrokospik, kedudukan orang tersebut tidak berubah sebab tidak bergeser dari posisinya, tetapi secara mikroskopik terjadi perubahan terus menerus, seperti ditunjukkan oleh gerakan eskalator yang diimbangi oleh gerakan orang tersebut dengan kecepatan yang sama (perhatikan gambar berikut).

 

Persamaan kimia untuk reaksi kesetimbangan dinyatakan dengan dua arah anak panah, misalnya pada reaksi pembentukan amonia, persamaan kimianya ditulis sebagai berikut:

Tinjau reaksi pembentukan belerang trioksida berikut.

Jika konsentrasi masing-masing zat dalam sistem kesetimbangan itu diukur. Kemudian hasilnya dituangkan ke dalam bentuk grafik hubungan antara konsentrasi zat dan waktu reaksi maka kurva yang terbentuk seperti pada gambar dibawah ini:
Bagaimanakah cara memahami makna kurva tersebut? Simak dengan saksama. Pada t= 0 detik, hanya terdapat pereaksi (SO₂ dan O₂) dengan konsentrasi awal tertentu. Dengan mengendalikan suhu dan tekanan, pereaksi mulai berubah menjadi hasil reaksi (SO₃). Pada saat SO₃ mulai terbentuk, sebagian SO₃ terurai kembali menjadi pereaksi. Akan tetapi, karena jumlah molekul pereaksi lebih banyak, laju penguraian SO₃ relatif lebih lambat dibandingkan laju pembentukan SO₃ sehingga pembentukan SO₃ masih dominan. Reaksi dalam dua arah berlangsung terus sampai mendekati waktu t₁, laju ke dua arah ini hampir sama. Setelah mencapai waktu t₁, laju pembentukan dan laju penguraian SO₃ sama sehingga konsentrasi pereaksi dan hasil reaksi tidak berubah lagi terhadap waktu. Hal ini ditunjukkan oleh bentuk kurva yang mendatar.
Semua reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan dalam bentuk grafik dengan bentuk yang berbeda bergantung pada sifat reaksinya, seperti ditunjukkan pada kurva dibawah ini:

Itulah uraian tentang kesetimbangan dinamis yang sobat pelajari di kelas XI ini, materi selanjutnya yaitu Hukum Kesetimbangan Kimia

Hukum Kesetimbangan Kimia

Sebelum mempelajari hukum kesetimbangan kimia, tentunya sobatMateri Kimia SMA masih ingat, bahwa dalam reaksi satu arah, konsentrasi molar hasil reaksi ditentukan oleh konsentrasi molar pereaksi dan mengikuti kaidah stoikiometri (koefisien reaksinya). Contohnya 2A → B, jumlah mol B bergantung pada jumlah mol A dan perbandingan koefisien reaksinya.
Dalam sistem reaksi kesetimbangan tidak demikian, mengapa?  Contoh sistem reaksi yang membentuk kesetimbangan:

Ketika kesetimbangan tercapai, konsentrasi NO tidak bergantung pada konsentrasi awal N₂ dan O₂, tetapi mengikuti hukum kesetimbangan kimia atau hukum aksi massa.
Jika ke dalam suatu reaktor tertutup dicampurkan gas N₂, O₂, dan NO (reaksinya dapat balik) maka Anda tidak dapat menentukan mana yang bertindak sebagai pereaksi maupun hasil reaksi. Arah reaksi pun tidak dapat ditentukan secara pasti sebab reaksi dapat balik (reversible), dapat berlangsung dalam dua arah. Untuk mengetahui arah reaksi dalam reaksi dapat balik (reversible) maka didefinisikan perbandingan reaksi (quotient of reaction), dilambangkan dengan Q, yaitu perbandingan konsentrasi zat-zat yang bereaksi.
Andaikan persamaan reaksi untuk campuran gas N₂, O₂, dan NO sobat tuliskan sebagai:

Maka perbandingan reaksinya adalah:

Pada saat reaksi mencapai kesetimbangan, harga Q tidak lagi bergantung pada konsentrasi awal, tetapi hanya bergantung pada suhu sistem reaksi. Agar lebih memahami dan meningkatkan keyakinan sobat, simak tabel berikut yang menyajikan data hasil pengukuran konsentrasi molar dan harga Q setelah kesetimbangan tercapai (Q_Kstb) pada suhu T, untuk reaksi di atas.
Apakah yang dapat sobat simpulkan dari data pada tabel tersebut? Konsentrasi awal masing-masing zat untuk kelima percobaan tidak sama, tetapi setelah kesetimbangan tercapai kelima percobaan memiliki nilai Q yang relatif sama. Besaran Q memiliki makna penting sebab memberikan nilai yang tidak bergantung pada konsentrasi awal pereaksi. Pada saat harga Q tetap, dinamakan tetapan kesetimbangan (dilambangkan dengan Kc).
K_c = Q_Kstb
Tetapan kesetimbangan untuk contoh reaksi

dapat ditulis:

Berdasarkan uraian tersebut maka dapat dikatakan sebagai berikut.

1.            Jika nilai Q lebih besar daripada nilai Kc, reaksi sedang berlangsung ke arah kiri persamaan reaksi.

2.            Jika nilai Q lebih kecil daripada nilai Kc, reaksi sedang menuju ke arah kanan.

3.            Jika nilai Q sama dengan nilai Kc, reaksi dikatakan telah mencapai keadaan setimbang.

Secara umum, tetapan kesetimbangan untuk reaksi hipotetik:

dapat dinyatakan dengan:

Materi kimia kelas XI selanjutnya yang akan sobat pelajari yaitu kesetimbangan sistem homogen dan heterogen

Kesetimbangan Sistem Homogen dan Heterogen

Sobat Materi Kimia SMA, apakah yang dimaksud dengan reaksi kesetimbangan homogen dan heterogen? Istilah ini merujuk kepada fasa zat-zat yang terlibat dalam sistem reaksi kesetimbangan.
Suatu reaksi kesetimbangan dikatakan homogen jika pereaksi dan hasil reaksi memiliki fasa yang sama, sedangkan reaksi dikatakan heterogen jika salah satu zat atau lebih berbeda fasa.

Apakah tetapan kesetimbangan sistem heterogen sama dengan uraian sebelumnya? Berdasarkan penelitian, menunjukkan bahwa tetapan kesetimbangan reaksi heterogen memiliki karakter tertentu. Tinjau reaksi kesetimbangan heterogen pada penguraian termal CaCO₃ berikut.

Bagaimanakah bentuk persamaan tetapan kesetimbangan untuk sistem reaksi heterogen ini? Andaikan tetapan kesetimbangan untuk penguraian termal CaCO₃dituliskan sama seperti untuk reaksi homogen:

Konsentrasi zat dalam sistem kesetimbangan adalah mol per liter. Untuk zat murni, baik padatan maupun zat cair, konsentrasi molar zat tidak berubah walaupun jumlahnya berkurang akibat bereaksi. Mengapa tidak berubah? Untuk zat murni, misalnya air, jika massa air dikurangi maka volume air juga berkurang. Akibatnya, konsentrasi molar air tidak berubah. Dengan kata lain, massa jenis zat murni selalu tetap. Berbeda dengan zat murni, untuk larutan, jika jumlah zat terlarut atau volume pelarut berkurang maka konsentrasi molarnya berubah. Sedangkan zat berupa gas kemolarannya bergantung pada volume wadahnya.
Oleh karena massa jenis zat murni tetap, selama reaksi berlangsung massa CaCO₃ dan CaO per satuan volume zat padatnya selalu tetap. Hal ini menyebabkan konsentrasi kedua zat murni ini tidak memengaruhi nilai tetapan kesetimbangan. Oleh karena itu, konsentrasi CaCO₃ dan CaO dapat dipindahkan ke ruas kiri persamaan dan digabungkan dengan tetapan kesetimbangan (Kc ). Persamaan kesetimbangannya menjadi:

Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa untuk reaksi kesetimbangan yang heterogen, persamaan tetapan kesetimbangan tidak melibatkan konsentrasi zat murninya. Selenjutnya, materi kimia kelas XI yang akan sobat pelajari yaitu faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan

Faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan

Apa saja faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan? SobatMateri Kimia SMA dapat menyimak uraian berikut. Jika ke dalam sistem reaksi yang berada dalam keadaankesetimbangan diberi gangguan, misalnya konsentrasi atau suhunya diubah, apa yang terjadi? Sudah menjadi fenomena alam, setiap ada aksi tentu ada reaksi dan reaksinya beragam.
Henry Louis Le Chatelier, ahli kimia Prancis (1852 – 1911) mengemukakan suatu pernyataan mengenai perubahan yang terjadi pada sistem kesetimbangan jika ada pengaruh dari luar. Pernyataan ini dikenal sebagai Azas Le Chatelier yang berbunyi:

Jika suatu sistem kesetimbangan menerima suatu aksi maka sistem tersebut akan mengadakan reaksi, sehingga pengaruh aksi menjadi sekecil-kecilnya.

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi sistem kesetimbangan adalah perubahan suhu, perubahan konsentrasi, perubahan tekanan, dan perubahan volum.

Pengaruh Perubahan Suhu

Reaksi kesetimbangan dapat merupakan reaksi eksoterm maupun endoterm. Pada reaksi-reaksi ini perubahan suhu sangat berpengaruh. Contohnya pada reaksi kesetimbangan antara gas nitrogen dioksida dan dinitrogen tetraoksida dengan reaksi:

Pada suhu kamar, sistem kesetimbangan tersebut berwarna coklat. Bagaimana jika sistem kesetimbangan ini suhunya diubah?
Perhatikan gambar percobaan berikut ini!

Berdasarkan percobaan di atas diperoleh data sebagai berikut.

·                     Jika suhu dinaikkan, warna coklat bertambah artinya gas NO₂ bertambah.

·                     Jika suhu diturunkan, warna coklat berkurang artinya gas N₂O₄bertambah.

Dengan melihat reaksi eksoterm dan endoterm pada reaksi tersebut, maka dapat disimpulkan:

o                  Jika suhu dinaikkan, kesetimbangan bergeser ke arah reaksi endoterm.

o                  Jika suhu diturunkan, kesetimbangan bergeser ke arah reaksi eksoterm.

Pengaruh Perubahan Konsentrasi

Untuk mempelajari pengaruh perubahan konsentrasi pada kesetimbangan, perhatikan percobaan penambahan ion-ion dan zat lain pada sistem kesetimbangan berikut.

Untuk lebih jelasnya sobat dapat melihat videonya disini:
http://www.youtube.com/watch?v=ZOYyCTvLa9E&noredirect=1
(sumber: youtube, videonya tidak saya embed kesini, supaya loading blog tidak lama)
Sesuai dengan azas Le Chatelier jika salah satu zat konsentrasinya diperbesar, reaksi akan bergeser ke arah yang berlawanan, jika salah satu zat konsentrasinya diperkecil, reaksi akan bergeser kearah zat tersebut.

o                  Jika pada sistem kesetimbangan salah satu komponen ditambah, kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan.

o                  Jika pada sistem kesetimbangan salah satu komponennya dikurangi, kesetimbangan akan bergeser ke arah komponen tersebut.

Pengaruh Perubahan Tekanan/Volume

Untuk sistem kesetimbangan yang melibatkan fasa padat atau cair, gangguan tekanan atau volume tidak berpengaruh, tetapi untuk sistem yang melibatkan fasa gas, gangguan tekanan terhadap sistem kesetimbangan sangat berpengaruh.
Perhatikan sistem reaksi kesetimbangan berikut.

Jika tekanan sistem dinaikkan dengan cara memperkecil volume wadah, sistem akan bereaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh volume sekecil mungkin. Bagaimanakah sistem akan bertindak? Tekanan diperbesar atau volume wadah diperkecil, memacu sistem untuk memperkecil pengaruh tekanan dengan cara mengurangi jumlah molekul. Frekuensi dan jumlah molekul yang bertumbukan dengan dinding wadah makin sedikit sehingga kenaikan tekanan menjadi minimum. Dengan demikian, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah molekulnya paling sedikit.
Pada reaksi pembentukan N₂O₄, ke arah mana posisi kesetimbangan akan bergeser? Ingat, perbandingan koefisien reaksi menyatakan perbandingan jumlah molekul. Oleh karena itu, kesetimbangan akan bergeser ke arah pembentukan N₂O₄sebab jumlah molekulnya setengah dari jumlah molekul NO₂.
Berdasarkan uraian tersebut, jika tekanan sistem meningkat, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah molekul yang lebih sedikit. Bagaimana jika jumlah molekul pereaksi sebanding dengan jumlah molekul hasil reaksi? Misalnya pada reaksi berikut.

Jika jumlah molekul pereaksi sebanding dengan hasil reaksi atau jumlah koefisien pereaksi sama dengan hasil reaksi maka perubahan tekanan atau volume sistem tidak akan berpengaruh terhadap sistem kesetimbangan.
Bagaimana jika ke dalam sistem reaksi yang berada dalam kesetimbangan ditambahkan gas lembam (inert) seperti gas mulia (He, Ne, Ar)? Apakah sistem kesetimbangan terganggu? Jika gas inert seperti He, Ne, atau Ar dimasukkan ke dalam sistem reaksi yang berada dalam kesetimbangan, tekanan total sistem meningkat sebab jumlah molekul bertambah.
Tekanan total sistem merupakan jumlah aljabar dari tekanan parsial masing-masing komponen. Menurut Dalton:
P_total= P₁ + P₂ + P₃ + ….. + P_i
P_total adalah tekanan total sistem. P₁, P₂, ..., P_i adalah tekanan parsial masing-masing komponen gas.
Jika tekanan parsial dari komponen sistem berubah, komposisi gas akan berubah. Akibatnya, sistem kesetimbangan juga turut berubah. Hal ini karena tetapan kesetimbangan ditentukan oleh nilai tekanan parsial masing-masing komponen gas.
Gas inert tidak bereaksi dengan komponen gas yang terdapat dalam sistem kesetimbangan sehingga komposisi dari masing-masing komponen sistem kesetimbangan tidak berubah. Akibatnya, penambahan gas inert tidak memengaruhi keadaan kesetimbangan. Penambahan gas inert ke dalam sistem kesetimbangan hanya menambah satu komponen tekanan parsial, sedangkan komponen parsial gas dalam sistem kesetimbangan tidak berubah.
Materi kimia kelas XI selanjutnya yang akan sobat pelajari yaitu Penentuan Tetapan Kesetimbangan

Penentuan Tetapan Keseimbangan

Masih ingatkah sobat Materi Kimia SMAcara menentukan tetapan kesetimbangan untuk sistem reaksi yang homogen dan heterogen? Perhatikan reaksi
kesetimbangan berikut.

Dapatkah sobat menuliskan persamaan tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut? Berapakah nilai tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut? Untuk dapat menjawab pertanyaan ini, sobat harus mengetahui konsentrasi molar masing-masing zat yang ada dalam keadaan setimbang.

Konsentrasi molar zat-zat dalam sistem kesetimbangan hanya dapat diketahui dari hasil penyelidikan. Oleh karena itu, nilai tetapan kesetimbangan hanya dapat diketahui setelah sobat melakukan penyelidikan ilmiah.

Tinjau reaksi kesetimbangan berikut:

Andaikan sobat mereaksikan Fe³⁺(aq) 0,1 M dan SCN^–(aq) 0,5 M pada suhu tertentu. Setelah reaksi mencapai keadaan setimbang, diketahui bahwa konsentrasi Fe³⁺(aq) dalam sistem menjadi 0,04 M. Apakah makna yang terkandung dalam hasil penyelidikan ini? Untuk memahami makna yang terkandung dalam penyelidikan Anda, simak diagram kesetimbangan disamping. Konsentrasi awal masing-masing pereaksi adalah [Fe³⁺]0 = 0,1 M dan [SCN^–]0 = 0,5 M. Setelah reaksi mencapai kesetimbangan masih tersisa 0,04 M. Artinya, tidak semua Fe³⁺ habis bereaksi. Konsentrasi Fe³⁺sisa tiada lain adalah konsentrasi Fe³⁺ dalam keadaan kesetimbangan: [Fe³⁺]_kstb = 0,04 M, selebihnya telah berubah menjadi hasil reaksi, yaitu sebanyak [Fe³⁺]₀ – [Fe³⁺]_kstb = 0,06 M.

Berapa konsentrasi SCN^– dan konsentrasi Fe(SCN)²⁺ yang berada dalam kesetimbangan? Jawaban ini dapat diketahui berdasarkan koefisien reaksinya. Oleh karena rasio stoikiometri SCN^– terhadap Fe³⁺ = 1:1 maka konsentrasi SCN^– yang bereaksi dengan Fe³⁺ sama, yaitu 0,06 M sehingga konsentrasi SCN^– dalam kesetimbangan [SCN^–]_kstb adalah 0,5 M – 0,06 atau M = 0,44 M.

Konsentrasi Fe(SCN)²⁺ dalam kesetimbangan, juga dapat dihitung berdasarkan rasio stoikiometrinya, hasilnya: [Fe(SCN)²⁺]_kstb = 0,06 M. Data hasil penyelidikan dapat diungkapkan ke dalam bentuk diagram kesetimbangan sebagai berikut.

Untuk memudahkan perhitungan, data konsentrasi masing-masing zat dapat juga ditabulasikan ke dalam tabel seperti berikut.

Untuk menentukan nilai tetapan kesetimbangan, nilai konsentrasi masing-masing spesi dalam keadaan kesetimbangan dimasukkan ke dalam persamaan tetapan kesetimbangan.

Dengan demikian, tetapan kesetimbangan hanya dapat ditentukan berdasarkan hasil penyelidikan yang dilakukan pada suhu tetap.