Konsep Kesetimbangan Kimia dan Tetapan Kesetimbangan

Pendahuluan

Reaksi Kimia umumnya tidak 100% menghasilkan produk. Pada saat reaksi berlangsung dan menghasilkan produk, ada sejumlah produk yang bereaksi (terurai) membentuk pereaksi kembali. Derajat suatu reaksi (mis., 20% atau 80%) dapat ditentukan dengan cara mengukur konsentrasi setiap komponen yang terdapat di dalam larutan. Secara umum, derajat reaksi merupakan fungsi dari temperatur, konsentrasi, dan derajat pembentukan (penggabungan). Semua ini ditentukan oleh suatu konstanta kesetimbangan.

Kesetimbangan Kimia adalah keadaan dimana reaksi kimia berjalan ke kanan dan ke kiri pada kecepatan yang sama dan dalam waktu yang bersamaan. Rasio konsentrasi (jumlah) pereaksi dan produk tidak berubah seiring dengan perubahan waktu.

Contoh reaksi kesetimbangan: N₂O₄ (g) <==> 2NO₂ (g)

Keadaan kesetimbangan kimia ini tidak dapat dipengaruhi oleh adanya penambahan katalis meskipun terdapat perbedaan waktu untuk mencapai keadaan yang setimbang. Kesetimbangan juga merupakan proses yang dinamis atau selalu berlangsung tanpa ada henti secara mikroskopis.

Gambar 1. Contoh  Reaksi Kesetimbangan

Konsep Dasar Kesetimbangan Kimia

Pada keadaan kesetimbangan dinamis, kesetimbangan terjadi karena adanya perubahan dari dua arah. Baik arah maju maupun arah mundur dimana disimbolkan sebagai ó. Sebagai contoh, jika ada reaksi:

aA (g) <==> bB (g)

dimana suhu reaksi tetap dan kedua senyawa baik senyawa A dan senyawa B dalam keadaan setimbang. Hal itu berarti bahwa kecepatan atau waktu yang diperlukan untuk senyawa A membentuk 1 mol senyawa B memiliki nilai yang sama dengan waktu yang diperlukan untuk senyawa B dapat membentuk 1 mol senyawa A.

Sifat-sifat keadaan kesetimbangan

Pada prinsipnya semua reaksi kimia bersifat reversibel, artinya hasil reaksi dapat bereaksi kembali membentuk reaktan . Sebagai contoh reaksi reversibel di alam adalah pembentukan kalsium karbonat stalaktit yang menggantung pada langit-langit gua batu kapur dan stalagmit yang tumbuh pada dasar gua.

Contoh pelarutan dan pengendapan kembali batu batu kapur di laboratorium adalah apabila ion Ca²⁺ dan HCO₃^- (misalkan CaCl₂ dan NaHCO₃) ditempatkan dalam beaker terbuka berisi air, maka segera akan terlihat gelembung gas CO₂ dan endapan CaCO₃:

Ca²⁺(aq) + 2HCO₃^-(aq) <==> CaCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(ℓ)

Apabila ke dalam larutan tersebut dimasukkan dry ice (CO₂ padat), maka padatan CaCO₃ akan larut kembali:

CaCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(ℓ) <==> Ca²⁺(aq) + 2 HCO₃^-(aq)

Percobaan ini menggambarkan reaksi kimia yang reversibel.

Bila reaksi kalsium karbonat, air dan karbon dioksida dilakukan dengan cara yang berbeda. Misalkan larutan ion Ca²⁺ dan HCO₃^- ditempatkan dalam wadah tertutup, sehingga CO₂ tidak dapat lolos:

Ca²⁺(aq) + 2HCO₃^-(aq)  CaCO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(ℓ)

Reaksi pembentukan CaCO₃ dan CO₂ tersebut pada awalnya terus berlangsung, tetapi akhirnya tidak didapatkan perubahan lagi. Dari hasil pengujian didapatkan Ca^2+, HCO₃^-, CaCO₃, CO₂, dan H₂O di dalam sistim. Tidak adanya perubahan, bukan berarti reaksi telah berhenti, melainkan reaksi telah mencapai kesetimbangan. Pada awalnya, Ca²⁺ dan HCO₃^- bereaksi membentuk produk dengan kecepatan tertentu. Semakin banyak reaktan yang bereaksi, maka kecepatan reaksi semakin lambat. Sebaliknya kecepatan pembentukan produk (CaCO₃, CO₂ dan H₂O) semakin meningkat dengan semakin bertambahnya konsentrasi. Akhirnya, kecepatan reaksi ke kanan (pembentukan CaCO₃) sama dengan kecepatan reaksi ke kiri (pelarutan kembali CaCO₃).

Gambar 2. Kesetimbangan Dinamis

Pada keadaan ini, secara makroskopik tidak terlihat adanya perubahan. Dikatakan sistim berada pada keadaan kesetimbangan dinamis, artinya reaksi ke kanan maupun ke kiri terus berlangsung tetapi dengan kecepatan yang sama.

Contoh Kesetimbangan dinamis: Reaksi: N₂O₄ (g) <==> 2NO₂ (g)

Untuk membuktikan bahwa kesetimbangan adalah dinamis, dilakukan percobaan reaksi antara ion besi (III) dengan ion tiosianat SCN^- :

Fe(H₂O)₆³⁺(aq)  +  SCN^-(aq)  <==> Fe(H₂O)₅(SCN)²⁺⁽aq) + H₂O(ℓ)

hampir tak berwarna              tidak berwarna                  jingga-merah

Ke dalam larutan ditambahkan setetes larutan ion SCN- radioaktif dan segera dianalisis. Hasilnya, ion SCN^- terdapat di dalam Fe(H₂O)₅(SCN)²⁺. Pengamatan ini dapat diterangkan dengan reaksi:

Fe(H₂O)₅(SCN)²⁺⁽aq) + H₂O(ℓ) <==> Fe(H₂O)₆³⁺(aq)  +  SCN^-(aq)

Fe(H₂O)₆³⁺(aq)  +  S¹⁴CN^-(aq) <==> Fe(H₂O)₅(S¹⁴CN)²⁺⁽aq) + H₂O(ℓ)

Satu-satunya cara agar ion S¹⁴CN^- radioaktif terikat dalam ion Fe(H₂O)₅(S¹⁴CN)²⁺ adalah bila reaksi pertukaran dengan air bersifat dinamis dan reversibel, dan terus berlangsung walaupun telah mencapai kesetimbangan.

Proses kesetimbangan tidak hanya dinamis dan reversibel, tetapi untuk reaksi yang spesifik, sifat keadaan kesetimbangan adalah sama tak perduli pendekatannya dari arah mana pendekatannya.

Contoh: pengukuran konsentrasi asam asetat dan ion asetat pada kesetimbangan.

Percobaan pertama

CH₃COOH (aq) + H₂O (ℓ) <==> CH₃CO₂^- (aq)  +  H₃O⁺ (aq)

asam asetat                                                            ion asetat                          ion hidronium

Oleh karena asam asetat merupakan asam lemah, maka konsentrasi ion asetat dan ion hydronium yang dihasilkan kecil.

Percobaan kedua

NaCH₃CO₂ (aq) + HCl (aq) <==> CH₃CO₂H (aq) + H₂O (ℓ)

natrium asetat                     asam klorida

Oleh karena HCl merupakan asam kuat, maka persamaan reaksi ioniknya:

CH₃CO₂^-(aq) + H₃O⁺(aq) <==> CH₃CO₂H(aq) + H₂O(ℓ)

ion asetat                      ion hidronium                    asam asetat

Jika pada percobaan pertama konsentrasi awal asam asetat 1 mol, dan pada percobaan kedua konsentrasi awal natrium asetat dan HCl masing-masing 1 mol (semuanya dalam volume yang sama), maka konsentrasi asam asetat, ion asetat dan ion hidronium pada kesetimbanga adalah identik.

Tetapan Kesetimbangan (K)

Tetapan kesetimbangan (K) merupakan konstanta (angka/nilai tetap) perbandingan zat ruas kanan dengan ruas kiri pada suatu reaksi kesetimbangan. Dengan kata lain, tetapan kesetimbangan merupakan angka yang menunjukkan perbandingan secara kuantitatif antara produk dengan reaktan.

Tetapan Kesetimbangan Kc dan Kp

Konsentrasi di dalam persamaan konstanta kesetimbangan biasanya dinyatakan dengan mol/L (M), oleh karena itu simbol K seringkali dituliskan dengan Kc (tetapan kesetimbangan konsentrasi). Akan tetapi untuk gas, konsentrasi reaktan atau produk dapat dinyatakan dengan tekanan parsial p, sehingga K dituliskan dengan Kp (tetapan kesetimbangan parsial).

• Tetapan kesetimbangan Kc merupakan perbandingan (hasil bagi) antara konsentrasi molar zat-zat ruas kanan dengan konsentrasi molar zat ruas kiri yang dipangkatkan dengan koefisiennya. Karena fasa padat (s) dan cair (l) tidak memiliki konsentrasi, maka kedua fasa ini tidak dilibatkan dalam rumus tetapan kesetimbangan Kc dan diberi nilai=1.
• Tetapan kesetimbangan Kp merupakan perbandingan (hasil bagi) antara tekanan parsial (Px) zat-zat ruas kanan dengan tekanan parsial zat ruas kiri yang dipangkatkan dengan koefisien masing-masing. Hanya zat yang berfasa gas (g) yang diperhitungkan dalam rumus tetapan kesetimbangan Kp. Zat dengan fasa selain gas (s, l, aq) tidak dicantumkan dalam rumus tetapan kesetimbangan Kp, tetapi diberi nilai = 1.

Tetapan Kesetimbangan Konsentrasi (Kc)

Kesetimbangan Kc dibedakan atas dua, yaitu:

1. Kesetimbangan Homogen

Sesuai dengan namanya yang mengandung kata “homogen”, kesetimbangan ini merupakan jenis kesetimbangan yang terjadi pada saat produk dan juga reaktan-nya berasal dari fase yang sama, yaitu seluruhnya gas (g) atau seluruhnya cairan (aq). Misalnya sebagai berikut:

aA (aq) + bB (aq) <==> cC (aq) + dD (aq)

aA (g) + bB (g) <==> cC (g) + dD (g)

Maka, nilai kesetimbangan disusun sebagai berikut:

Dimana: Kc = tetapan kesetimbangan (molar); [A] = molaritas zat A (M); [B] = molaritas zat B (M); [C] = molaritas zat C (M); [D] = molaritas zat D (M)

2. Kesetimbangan Heterogen

Kesetimbangan heterogen merupakan jenis kesetimbangan yang terjadi pada saat produk dan reaktan memiliki fase yang berbeda. Di mana yang hanya mempengaruhi tetapan kesetimbangan hanya unsur yang berwujud gas (g) dan cairan (aq). Misalnya sebagai berikut:

aA (aq) + bB (s) <==> cC (s) + dD (g)

Maka, nilai kesetimbangan disusun sebagai berikut:

Di mana: Kc = tetapan kesetimbangan; [A] = Molaritas zat A (M); [D] = Molaritas zat D (M). Zat B tidak masuk dalam rumus karena merupakan fase padat (s) yang nilai molaritasnya adalah 1.

Misalnya: pembuatan senyawa padatan amonium klorida pada industri kimia.

NH3 (g)  +  HCl (g) <==> NH₄Cl (s)

Amonium klorida berbentuk padatan, sehingga konsentrasi molaritasnya adalah 1. Maka, tetapan kesetimbangan yang didapatkan adalah:

Selain padatan, zat berwujud cair atau liquid juga memiliki molaritas 1. Hal ini karena senyawa fasa padat dan cair adalah senyawa murni yang tidak diencerkan dengan air ataupun dicampur dengan pelarut lain.

Contoh soal

Satu liter campuran gas pada suhu 100  pada keadaan setimbang mengandung 0,0045 mol dinitrogen tetraoksida dan 0,03 mol nitrogen dioksida. Tuliskan rumus tetapan kesetimbangan gas tersebut, dan hitung tetapan kesetimbangannya.

Penyelesaian: N₂O₄(g) <==> NO₂(g)

Persamaan di atas harus disetarakan dulu menjadi: N₂O₄(g) <==> 2NO₂(g)

• Rumus tetapan kesetimbangan dituliskan sebagai perbandingan molaritas produk (nitrogen dioksida) dengan molaritas reaktan (dinitrogen tetraoksida) yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut:

K = [NO₂]² ÷ [N₂O₄]

• Nilai tetapan kesetimbangan

K = [NO₂]² ÷ [N₂O₄]  

K = (0,03)² ÷ 0,0045 

K = 0,2

Jadi, tetapan kesetimbangannya sebesar 0,2 mol/L

Tetapan Kesetimbangan Tekanan Parsial (Kp)

Berbeda dengan kesetimbangan konsentrasi atau Kc, pada tetapan kesetimbangan kimia tekanan parsial atau Kp hanya fase dalam wujud gas yang diperhitungkan mempengaruhi tetapan keseimbangannya.

Untuk menentukan tekanan parsial suatu zat dari tekanan parsial totalnya digunakan persamaan sebagai berikut:

Sama halnya dengan tetapan kesetimbangan konsentrasi, tetapan kesetimbangan tekanan parsial juga dibagi menjadi 2 (dua) yaitu reaksi homogen dan heterogen.

1. Kp Reaksi Homogen

Misalnya untuk reaksi kesetimbangan berikut:

aA (aq) + bB (aq) <==> cC (aq) + dD (aq)

2. Kp Reaksi Heterogen

Karena reaksi heterogen hanya memperhitungkan fase berwujud gas (g) yang mempengaruhi tetapan kesetimbangan. Misalnya sebagai berikut:

aA (aq) + bB (s) <==> cC (s) + dD (g)

Hubungan Kc dan Kp

Secara matematis, hubungan keduanya tersusun sebagai berikut:

Kp = Kc (RT)^Δn

Di mana: R = konstanta 0,082 L atm/mol K; T = suhu Kelvin (K); Δn = (total mol produk gas) – (total mol reaktan gas). Bila ∆n = 0, maka Kp = Kc.

Latihan Soal

1. Tentukan Rumus tetapan kesetimbangan untuk reaksi:

Fe₂O₃ (s) + 3CO (g) <==> 2Fe (s) + 3CO₂ (g)

Penyelesaian:

Kc = [CO2 ]³ ÷ [CO]³

2. Dalam sebuah bejana yang mempunyai volume 1 liter terdapat 4 mol gas NO₂ membentuk kesetimbangan sebagai berikut:

2NO₂ (g) <==> 2NO (g) + O₂ (g).

Dalam keadaan setimbang pada suhu tetap terbentuk 1 mol O₂. Tentukan tetapan kesetimbangan (Kc)?

Penyelesaian:

2NO₂ (g) <==> 2NO (g)  +  O₂ (g)

 

Kc= [NO]² × [O₂]) ÷ [NO₂]²

Kc = (2² × 1) ÷ 2²

Kc = 1

3. CO (g) + H₂O (g) <==> CO₂ (g) + H₂ (g). Bila 1 mol CO dan 1 mol H₂O direaksikan sampai terjadi kesetimbangan dan pada saat tersebut masih tersisa 0,2 mol CO maka tentukan tetapan kesetimbangan Kc.

Penyelesaian:

CO (g) + H₂O (g) <==> CO₂ (g) +  H₂ (g)

 

Kc = ([CO₂] × [H₂]) ÷ ([CO]×[H₂O])

Kc = (0,8 × 0,8) ÷ (0,2 × 0,2)

Kc = 16

 4. Pada pemanasan 1 mol gas SO₃ dalam ruang bervolume 5 liter diperoleh gas O₂ sebanyak 0,25 mol. Tentukan tetapan kesetimbangan Kc.

Penyelesaian:

2SO₃ (g) <==> 2SO₂ (g) + O₂ (g)

 

Kc = {[SO₂]² × [O₂]} ÷ [SO₃]²

Kc = {(0,5 ÷ 5)² × (0,25 ÷ 5)} ÷ (0,5÷5)²

Kc = 0,25 ÷ 5

Kc = 0,05

5. Pada suhu tertentu tetapan kesetimbangan Kc untuk reaksi: 2AB (g) <===> A₂ (g) + B₂ (g) adalah 49. Jika mula-mula ada a mol AB maka hitunglah banyaknya A₂  yang terbentuk dalam kesetimbangan.

Penyelesaian:

	2SO3 (g)	<==>	2SO2 (g)	+	O2 (g)
Awal:	a		-		-
Reaksi:	x		x		x
Setimbang:	a-x		x		x
49 = x2 ÷ (a-x)2
x2 = 49(a-x)2
x = √(49(a-x)2
x = √(49) × √(a-x)2
x = 7 (a – x)
x = 7a – 7x
7a = x + 7x
7a = 8x
x = 7/8a mol atau 0,875 a mol
Jadi banyaknya A2 yang terbentuk adalah = 0,875 a mol.

6. Diketahui reaksi kesetimbangan: CO (g) + 2H₂ (g) <==> CH₃OH (g). Pada saat setimbang [CO] = 1,03 M dan [CH₃OH] = 1,56 M. Apabila tetapan kesetimbangan Kc adalah 14,5, hitung konsentrasi H₂ pada saat setimbang.

Penyelesaian:

Diketahui: [CO] = 1,03 M, [CH₃OH] = 1,56 M, Kc = 14,5. [H₂] = …?

Kc = [CH₃OH] ÷ {[CO] × [H₂]²}

14,5 = 1,56 ÷ {1,03 × [H₂]²}

[H₂]² = 1,56 ÷ (1,03 × 14,5)

[H₂]² = 0,104

[H₂] = √0,104

[H₂] = 0,322 M

Jadi konsentrasi H₂ adalah 0,322 M

7. Hitung harga Kp untuk reaksi H₂S (g) + I₂ (p) <==> HI (g) + S (p) pada 60℃ jika tekanan HI = 3,65 × 10^-3 atm, tekanan H₂S = 9,96 × 10^-3

Penyelesaian:

Diketahui: P HI = 3,65 × 10^-3 atm, P H₂S = 9,96 × 10^-3, Kp = …?

Perlu diingat bahwa I₂ dan S sesuai persamaan reaksi berbentuk padatan murni (p) sehingga tekanan dianggap bernilai 1 atm dan tidak masuk dalam rumus perhitungan.

Kp = (P HI)² ÷ (P H₂S)

Kp = (3,65 × 10^-3)² ÷ (9,96 × 10^-3)

Kp = (3,65 × 10^-6) ÷ (9,96 × 10^-3)

Kp = 0,366 × 10^-3 atau

Kp = 3,66 × 10^-4

Jadi nilai Kp reaksi tersebut adalah 3,66×10^-4