KESETIMBANGAN KIMIA

Oleh : Moh. Nurwahib, SP.

A. KONSEP KESETIMBANGAN DINAMIS

1. Reaksi berkesudahan dan dapat balik

Berdasarkan arahnya, reaksi dapat dibedakan menjadi reaksi berkesudahan (irreversible/ satu arah) dan reaksi dapat balik (reversibel/ dua arah). Pada reaksi berkesudahan, hasil reaksi tidak dapat diubah lagi menjadi zat pereaksi. Misalnya, pada reaksi pembakaran kayu atau proses pengkaratan besi. Abu atau

arang hasil pembakaran tidak dapat diubah kembali menjadi kayu seperti semula.

Di lain pihak, ada reaksi dapat balik, yaitu reaksi yang berlangsung dalam dua arah. Artinya, zat-zat hasil reaksi dapat bereaksi kembali membentuk zat pereaksi. Sebagai contoh, reaksi antara timbal (II) sulfat dengan natrium iodida.

• Jika serbuk timbal (II) sulfat direaksikan dengan larutan natrium iodida, terbentuk endapan kuning dari timbal (II) iodida:

PbSO4 (s) + 2 NaI (aq) → PbI2 (s) + Na2SO4 (aq)

• Sebaliknya, bila endapan timbal (II) iodida direaksikan dengan larutan natrium sulfat , maka akan terbentuk kembali endapan timbal (II) sulfat yang berwarna putih:

PbI2 (s) + Na2SO4 (aq) → PbSO4 (s) + 2 NaI (aq)

• Kedua reaksi tersebut dapat digabungkan sebagai berikut :

PbSO4 (s) + 2NaI (aq) ↔ PbI2 (s) + Na2SO4 (aq)

Penulisan reaksi bolak balik ditandai dengan dua panah yang arahnya berlawanan. Dengan demikian, pada reaksi tersebut terjadi proses kesetimbangan dinamis, yaitu proses bolak balik yang lajunya sama untuk kedua arah.

2. Keadaan setimbang

Meskipun sebagian besar reaksi bersifat reversibel, akan tetapi tidak semua reaksi dapat balik bisa menjadi reaksi setimbang. Agar suatu reaksi dapat mencapai kondisi setimbang, diperlukan beberapa syarat, antara lain:

a· Berupa reaksi bolak-balik

Suatu reaksi dapat menjadi reaksi kesetimbangan jika reaksi baliknya dapat dengan mudah terjadi secara bersamaan. Terkadang kita memerlukan adanya pengaruh dari luar agar suatu reaksi menjadi dapat balik. Pada umumnya, reaksireaksi homogen (reaksi yang fasa-fasa pereaksi dan hasil reaksinya sama) akan lebih mudah berlangsung bolak balik dibandingkan dengan reaksi yang heterogen.

Contoh:

N2 (g) + 3H2 (g) ↔ 2NH3 (g)

Biasanya, reaksi heterogen hanya dapat berlangsung bolak balik pada suhu tinggi.

Contoh:

CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g)

b. Bersifat dinamis

Suatu reaksi kesetimbangan tidaklah statis, melainkan bersifat dinamis. Artinya, secara makroskopis reaksi berlangsung terus menerus dalam dua arah dengan laju yang sama. Karena laju pembentukan zat ke ruas kanan sama dengan laju pembentukan zat ke ruas kiri, maka pada keadaan setimbang jumlah masingmasing zat tidak lagi berubah, sehingga reaksi tersebut dianggap telah selesai.

Berlangsungnya suatu reaksi secara makroskopis dapat dilihat dari perubahan suhu, tekanan, konsentrasi, atau warnanya; sementara perubahan dalam skala mikroskopis atau molekul tidak dapat teramati.

c. Dilakukan dalam sistem tertutup

Kesetimbangan kimia hanya dapat berlangsung dalam sistem tertutup. Sistem tertutup adalah suatu sistem reaksi dimana baik zat-zat yang bereaksi maupun zatzat hasil reaksi tidak ada yang meninggalkan sistem. Reaksi antara timbal (II) sulfat dengan larutan natrium iodida tidak mungkin berlangsung bolak balik jika timbal (II) iodida yang terbentuk pada reaksi tersebut dibuang atau dihilangkan dari sistem.

B. PERGESERAN KESETIMBANGAN

1. Asas Le Chatelier

Pada dasarnya, suatu reaksi kesetimbangan dapat digeser ke arah yang kita kehendaki dengan cara mengubah konsentrasi salah satu zat, dengan mengubah suhu, dan dengan mengubah tekanan atau volume gas. Seberapa besar pengaruh dari faktor-faktor luar tersebut terhadap kesetimbangan, dapat diramalkan berdasarkan pemahaman terhadap azas Le Chatelier yang dikemukakan oleh Henry Louis Le Chatelier (1850-1936) berikut:

Jika terhadap suatu kesetimbangan dilakukan aksi (tindakan) tertentu, maka sistem itu akan berubah sedemikian rupa  sehingga pengaruh aksi tersebut akan menjadi sekecil mungkin

2. Faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan

• Perubahan konsentrasi

– Jika salah satu konsentrasi zat diperbesar, reaksi akan bergeser dari arah zat tersebut

– Jika salah satu konsentrasi zat diperkecil, reaksi akan bergeser ke arah zat tersebut

• Perubahan suhu

– Jika suhu dinaikkan, reaksi akan bergeser ke arah reaksi endoterm

– Jika suhu diturunkan, reaksi akan bergeser ke arah reaksi eksoterm

• Perubahan tekanan atau volume

–  Jika tekanan diperbesar (volume diperkecil), reaksi akan bergeser ke arah jumlah mol gas yang lebih kecil

–  Jika tekanan diperkecil (volume diperbesar), reaksi akan bergeser ke arah jumlah mol gas yang lebih besar

Penambahan katalisator

Suatu katalis akan mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi. Kehadiran katalis akan menurunkan energi pengaktifan baik untuk reaksi maju maupun untuk reaksi balik, sehingga keduanya mempunyai laju yang lebih besar.

Perlu diperhatikan bahwa dalam reaksi kesetimbangan, adanya katalisator tidak mengakibatkan terjadinya pergeseran kesetimbangan, tetapi hanya mempercepat tercapainya keadaan setimbang. Dengan demikian, penambahan katalis dilakukan pada awal reaksi (sebelum kesetimbangan tercapai) karena penambahan katalis setelah tercapai kesetimbangan tidak akan ada gunanya.

C. TETAPAN KESETIMBANGAN

1. Hukum kesetimbangan

Pada tahun 1864 Cato Maximillian Gulberg dan Peter Wage menemukan adanya suatu hubungan yang tetap antara konsentrasi komponen dalam kesetimbang-an. Hubungan yang tetap ini disebut dengan hukum kesetimbangan atau hukum aksi massa.

Hukum kesetimbangan:

“Hasil kali konsentrasi setimbang zat di ruas kanan dibagi dengan hasil kali konsentrasi setimbang zat di ruas kiri, masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya, mempunyai harga tetap pada suhu tetap.”

2. Persamaan tetapan kesetimbangan

Secara umum, persamaan tetapan kesetimbangan untuk reaksi:

mA + nB → pC + qD adalah:

 [C]^p  [D]^q

Kc = ­------------

[A]^m  [B]ⁿ

Karena konsentrasi zat dinyatakan dalam satuan molar (M), maka satuan Kc adalah:

Kc = M ^{(p+q) – (m+n)}

3. Menentukan Kc untuk reaksi kesetimbangan homogeny

Reaksi kesetimbangan homogen merupakan reaksi kesetimbangan yang terdiri dari zat-zat yang wujudnya sama, yaitu berupa gas.

Perhatikanlah reaksi kesetimgangan berikut:

2H2 (g) + O2 (g) →  2H2O (g)

Maka harga Kc:

[H₂O]²   

Kc = --------------

[H₂]²  [O­₂] 

4. Menentukan Kc untuk reaksi kesetimbangan heterogen

Reaksi kesetimbangan heterogen merupakan reaksi kesetimbangan yang terdiri dari zat-zat yang berbeda wujudnya. Wujud zat tersebut bias berupa padat (s), gas (g), cair (l), dan larutan (aq).

Perhatikan beberapa contoh reaksi kesetimbangan berikut:

a. 2H₂O (l) → 2H₂(g) + O₂ (g), maka harga Kc = [H₂]²[O₂]

b. CaCO₃ (s) → CaO (s) + CO₂ (g), maka harga Kc = [CO₂]

Dari contoh-contoh diatas, yang dapat dimasukkan dalam rumus Kc hanyalah gas (g) dan larutan (aq) saja. Sedangkan padat (s) dan cairan (l) tidak diikutsertakan dalam Kc, karena nilainya 1.

5. Hubungan Kc dengan persamaan kimia yang setara

Persamaan reaksi setara yang dimaksud adalah beberapa persamaan reaksi kesetimbangan yang berasal dari satu persamaan reaksi kesetimbangan. Beberapa persamaan reaksi kesetimbangan tersebut diperoleh dengan mengalikan atau  membalikan persamaan reaksi kesetimbangan tertentu dengan suatu bilangan.  Berikut ini adalah beberapa hal penting mengenai tetapan kesetimbangan (K) :

• Harga K dipengaruhi oleh suhu

Apabila suhu tetap, maka harga K tetap. Jika suhu berubah, maka harga K juga akan berubah.

– Pada reaksi endoterm, K berbanding lurus dengan suhu

– Pada reaksi eksoterm, K berbanding terbalik dengan suhu

• Harga K merupakan ukuran seberapa banyak produk yang terbentuk pada kondisi setimbang

–  Jika K > 1, maka hasil reaksi pada kesetimbangan lebih banyak daripada pereaksi.

–  Jika K < 1, maka hasil reaksi pada kesetimbangan lebih sedikit daripada pereaksi

• Setiap reaksi kesetimbangan mempunyai harga tertentu, yang dapat dibandingkan antara satu dengan yang lainnya.

– Jika reaksi dibalik K menjadi 1/K

– Jika reaksi dibagi x K menjadi

– Jika reaksi dikali x K menjadi Kx

– Jika beberapa reaksi dijumlahkan, semua harga K harus dikalikan

6. Tetapan kesetimbangan tekanan parsial (Kp)

Tetapan kesetimbangan untuk sistem kesetimbangan gas selain dapat dinyatakan berdasarkan konsentrasi, juga dapat dinyatakan berdasarkan tekanan parsial gas. Tetapan kesetimbangan yang berdasarkan tekanan parsial gas disebut tetapan kesetimbangan tekanan parsial gas atau dinyatakan dengan Kp.

7. Tetapan kesetimbangan parsial gas (Kp) untuk reaksi kesetimbangan Heterogen

Sama halnya dengan reaksi kesetimbangan (Kc) heterogen, reaksi kesetimbangan heterogen parsial gas (Kp) juga merupakan reaksi kesetimbangan yang terdiri dari zatzat yang berbeda wujudnya. Ketentuan perhitungan tetapan kesetimbangannya (Kp) sama dengan Kc, yaitu hanya gas (g), dan larutan (aq) yang dimasukkan sedangkan padat (s) dan cairan (l) tidak dimasukkan.

8. Arti tetapan kesetimbangan

a. Memberi petunjuk tentang posisi kesetimbangan

Pada tetapan kesetimbangan, Kc dan Kp merupakan perbandingan konsentrasi atau tekanan parsial dari zat hasil reaksi (ruas kanan) dengan zat pereaksi (ruas kiri) dalam keadaan setimbang.

1) Jika nilai Kc dan Kp sangat besar, menunjukkan bahwa reaksi ke kanan berlangsung sempurna atau hampir sempurna.

2) Jika nilai Kc dan Kp sangat kecil, menunjukkan bahwa reaksi ke kanan tidak berlangsung sempurna atau reaksinya hanya sedikit.

b. Meramalkan arah reaksi

Apabila ke dalam persamaan tetapan kesetimbangan, zat-zat hasil reaksi dan zat-zat pereaksi yang dimasukkan bukan merupakan keadaan setimbang, maka harga yang diperoleh disebut kuotion reaksi (Qc). Kuotion reaksi merupakan perbandingan konsentrasi-konsentrasi yang bentuknya sama dengan persamaan Kc.

Ketentuannya:

1) Jika Qc < Kc, berarti reaksi akan berlangsung dari kiri ke kanan sampai dengan tercapai keadaan setimbang

2) Jika Qc > Kc, berarti reaksi akan berlangsung dari kanan ke kiri sampai dengan tercapai keadaan setimbang

3) Jika Qc = Kc, berarti reaksi dalam keadaan setimbang