C. Kesetimbangan dalam Industri

1.   Pembuatan Amonia menurut Proses Haber Bosch

            Nitrogen terdapat melimpah diudara, yaitu sekitar 78 % volume. Walaupun demikian karena nitrogen sangat susah  bereaksi, senyawa nitrogen tidak terdapat dialam dalam jumlah yang banyak. Salah satu sumber alam yang penting adalah sendawa chili NaNO₃. Sementara itu, kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya untuk industri pupuk, mesiu dan bahan peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen , disebut fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat  penting. Metode yang utama adalah mereaksikan nitrogen dan hydrogen membentuk ammonia. Selanjutnya ammonia dapat diubah menjadi senyawa nitrogen lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.

            Dasar teori pembuatan ammonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz Haber(1908) seorang ahli kimia dari Jerman.Sedangkan proses industri pembuatan ammonia untuk produksi secara  besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch dari Negara yang sama.

            Persamaan termokimia reaksi sintetis ammonia adalah :

            N₂(g)   +  3 H₂(g)             2 NH₃(g)            H = -92,4 kJ

Reaksi dilangsungkan dengan suhu dan tekanan tinggi dengan katalisator terdiri atas serbuk besi dengan campuran Al₂O₃, MgO, CaO, dan K₂O. Sebenarnya suhu tinggi tidak menguntungkan karena akan terjadi pergeseran kesetimbangan kekiri. Akan tetapi pada suhu rendah, reaksi berlangsung sangat lambat. Dengan memperhitungkan waktu dan kecepatan reaksi maka dipilih suhu sekitar 550  C. Tekanan yang besar sangat menguntungkan. Makin besar tekanan makin besar fraksi NH₃ yang terbentuk. Pada proses Haber Bosch mula-mula digunakan tekanan sekitar 150 -350 atm.

            Walaupun tidak mempengaruhi kesetimbangan, katalisator sangat penting untuk mempercepat reaksi dan supaya reaksi berlangsung lebih cepat pada suhu yang tidak terlalu tinggi. Disamping itu untuk mengurangi reaksi balik, maka ammonia yang terbentuk segera dipisahkan.

2. Pembuatan Asam Sulfat Menurut Proses Kontak

           

            Satu lagi contoh industri yang diroduksi dengan berdasarkan reaksi kesetimbangan ialah pembuatan asam sulfat.asam sulfat dibuat dari belerang menurut reaksi sebagai berikut :

a.       Belerang dibakar diudara membentuk belerang dioksida

S(s) + O₂(g)              SO₂(g)

b.       Belerang dioksida dioksidasi lebih lanjut menjadi belerang trioksida

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

c.   Belerang trioksida dilarutkan dalam asam sulfat pekat membentuk asam pirosulfat

H₂SO₄(aq)  + SO₃(g)            H₂S₂O₇(l)

d.   Asam pirosulfat direaksikan dengan air membentuk asam sulfat pekat.

H₂S₂O₇(l) + H₂O (l)          H₂SO₄(aq)

            Tahap penting dari reaksi ini adalah tahap b. Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan dan eksoterm. Sama seperti pada sintetis ammonia, reaksi hanya berlangsung baik pada suhu tinggi. Akan tetapi pada suhu tinggi, kesetimbangan  justru bergeser kekiri. Pada proses kontak digunakan suhu sekitar 500 C. Sebenarnya tekanan besar akan menguntungkan produksi SO₃. Tetapi penambahan tekanan tidak sisertai penambahan hasil yang memadai. Karena itu pada proses kontak cukup digunakan tekanan normal 1 atm. Katalisator digunakan V₂O₅.

Soal Latihan

1.   NH₃ dibuat dari gas N₂ dan gas H₂ menurut reaksi kesetimbangan

      N₂(g)   +  3 H₂(g)             2 NH₃(g)            H = -92,4 kJ

a.   menurut proses Haber Bosch, pembuatan ammonia dilakukan dengan tekanan tinggi   ( sekitar 250 atm) dan pada suhu yang relative tinggi 9 sekitar 500 C). Jelaskan digunakannya tekanan dan suhu tinggi tersebut.

b.   apakah ada keuntungan menggunakan katalisator ? Jelaskan

2.   Tahap penting pada pembuatan asam sulfat adalah mengubah SO₂ menjadi SO₃ karena reaksinya merupakan reaksi kesetimbangan.

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

a.   Berdasarkan prinsip kesetimbangan, bagaimanakah pengaturan suhu dan tekanan yang  menguntungkan pembentukan SO₃. Jelaskan.

b.   Pada proses kontak digunakan tekanan normal ( 1 atm ) dan suhu yang relatif tinggi  ( sekitar 500 C). Apakah hal ini sesuai dengan prinsip kesetimbangan ? Jelaskan

D. Tetapan Kesetimbangan

Tetapan Kesetimbangan

Dalam keadaan kesetimbangan pada suhu tetap, maka hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi dibagi dengan hasil kali konsentrasi pereaksi yang sisa dimana masing-masing konsentrasi itu dipangkatkan dengan koefisien reaksinya adalah tetap.

Pernyataan tersebut juga dikenal sebagai hukum kesetimbangan.

Untuk reaksi kesetimbangan :

                                         a A + b B          c C + d D

maka:

Kc = (C)^c x (D)^d / (A)^a x (B)^b

Kc adalah konstanta kesetimbangan yang harganya tetap selama suhu tetap.

Berikut adalah contoh soal tentang pergeseran kimia.

Contoh 1 :

CO_(g) + 3H_2(g)             CH_4(g) + H₂O_(g)

            [CH₄]   [H₂O]

Kc =

            [CO]  [ H₂ ] ³

Contoh 2

2N_2(g) + 3H_2(g)           2NH_3(g)

            [NH₃] ²

Kc =

            [N₂] ² [ H₂] ³

Catatan

Jika zat-zat terdapat dalam kesetimbangan berbentuk padat dan gas, maka yang dimasukkan dalam persamaan kesetimbangan hanya zat-zat yang berbentuk gas saja sebab konsentrasi zat padat adalah tetap dan nilainya telah terhitung dalam harga Kc itu.

Contoh : C_(s) + CO_2(g)                       2CO_(g)

Kc = (CO)² / (CO2)

Jika kesetimbangan antara zat padat dan larutan yang dimasukkan dalam perhitungan Kc hanya konsentrasi zat-zat yang larut saja.

Contoh : Zn_(s) + Cu²⁺ _(aq)                   Zn²⁺ _(aq) + Cu_(s)

Kc = (Zn²⁺) / (Cu²⁺)

Untuk kesetimbangan antara zat-zat dalam larutan jika pelarutnya tergolong salah satu reaktan atau hasil reaksinya maka konsentrasi dari pelarut itu tidak dimasukkan dalam perhitungan Kc.

Contoh : CH₃COO^- _(aq) + H₂O_(l)               CH₃COOH_(aq) + OH^- _(aq)

Kc = (CH₃COOH) x (OH^-) / (CH₃COO^-)

Contoh soal 1

Metana ( CH₄ ) dapat diperoleh dari reaksi gas CO dengan gas H₂ menurut persamaan

            CO(g)   + 3 H₂(g)                   CH₄(g)  + H₂O(g)

Reaksi ini berlangsung pada suhu tinggi dengan suatu katalisator. Kedalam suatu ruangan 10 liter, mula-mula dimasukkan 1 mol gas CO, 3 mol  gas H₂ dan katalisator, kemudian dipanaskan pada suhu 1200 K. Setelah tercapai keadaan setimbang, system dibekukan dan ternyata terdapat 0,387 mol air. Tentukan susunan kesetimbangan pada suhu 1200 K.

Jawab :

Proses diatas dapat digambarkan sebagai berikut :

                                                                                    H₂O = 0,387 mol

            CO = 1 mol                                                     CH₄ = ?

            H₂ = 3 mol                                                       CO   = ?

                                                                                    H₂    = ?

           

            Keadaan awal                                                 keadaan setimbang

Misalkan CO yang bereaksi = x mol, maka

                                          CO(g)    +     3H₂(g)          CH₄(g)    +      H₂O(g)

Keadaan awal                   1 mol            3 mol            0                      0

Reaksi                               -x mol           -3x mol         + x mol            + x mol

Keadaan setimbang           (1 – x )mol    (3- 3x) mol   x mol               x mol

Karena H₂O diketahui = 0,387 mol, berarti x = 0,387

Maka susunan kesetimbangan adalah

            CO         =  1 – 0,387 mol = 0,613 mol

            H₂           =  3 – 3x 0,387 mol = 1,839 mol

            CH₄        =  x mol = 0,387 mol

            H₂O        =  x mol = 0,387 mol

Pada perhitungan diatas, perubahan jumlah mol CO dan H₂ diberi tanda negative karena jumlah kedua zat tersebut berkurang ( bereaksi )

Contoh 2

Satu mol AB direaksikan dengan satu mol CD menurut persamaan reaksi :

AB(g) + CD(g)                AD(g) + BC(g)

Setelah kesetimbangan tercapai ternyata 3/4 mol senyawa CD berubah menjadi AD dan BC. Kalau volume ruangan 1 liter, tentukan tetapan kesetimbangan untuk reaksi ini

Jawab:

Perhatikan reaksi kesetimbangan di atas jika ternyata CD berubah (bereaksi) sebanyak 3/4 mol maka AB yang bereaksi juga 3/4 mol (karena koefsiennya sama).

Dalam keadaan kesetimbangan:

 (AD) = (BC) = 3/4 mol/l           (AB) sisa = (CD) sisa = 1 - 3/4 = 1/4 n mol/l

Maka

Kc =  (AD).(BC)/ (AB).(CD)

      =   (3/4)x(3/4)/ (1/4)x(1/4)

      =   9

 Hubungan Antara Harga Kc Dengan Kp

Untuk kesetimbangan mA(g)  +  nB(g)             pC(g)  + qD,

                                                   (P_C)^p . (P_D)^q

           

Persamaan Kp adalah  Kp =                                   

                                                   (P_A)^m.(P_B)ⁿ

Tekanan  parsial gas tergantung pada konsentrasi. Dari persamaan gas ideal

PV = nRT

Maka tekanan gas

P = (n/v) RT

Besaran n/v = konsentrasi gas.

Maka hubungan antara Kc dan Kp dapat dirumuskan

Kp = Kc(RT) ^Δn

                                                                        Atau 

 Kc = Kp(RT) ^{- Δn}

Nilai n =  Σ koefisien produk - Σ koefisien reaktan

Contoh Soal 3

Sebanyak 10 mol gas N₂ dicampurkan dengan 40 mol gas H₂ dalam suatu ruangan 10 literkemudian dipanaskan pda suhu 427 C, sehingga sebagian bereaksi membentuk NH₃ menurut reaksi kesetimbangan :

            N₂(g)  +    3 H₂(g)               2NH₃(g)                   H = -92 kJ

Apabila tekanan total campuran pada keadaan setimbang adalah 230 atm, tentukanlah harga Kp dan Kc reaksi itu pada 427 C

Jawab

Dengan menggunakan persamaan umum gas ideal, jumlah mol gas dalam campuran dapat dihitung sebagai berikut :

PV = nRT berarti        n = ( PV ) : RT

                                    n = ( 230 x 10 ) : ( 0,082x ( 427 + 273))

                                    n =  40 mol

Misal jumlah NH₃ yang terbentuk  = 2 x mol, maka susunan kesetimbangan dapat dihitung sebagai berikut :

                              N₂(g)        +           3 H₂ (g)                       2 NH₃(g)

Mula-mula             10 ml                     40 mol                         0

Reaksi                   - x mol                   - 3x mol                       + 2 x mol

Setimbang             10 – x mol             40 – 3x mol                 2 x mol

Karena jumlah mol gas pada keadaan setimbang adalah 40 mol, maka

                              ( 10 – x )  +  ( 40 – 3x ) + 2x  = 40

                                     -2x  = 40

                                         x  = 5

Sehingga susunan kesetimbangan adalah :

N₂    = 10 – x mol = 10 – 5 mol = 5 mol

H₂    = 40- 3x mol = 40 – 3.5 mol = 40 – 15 mol = 25 mol

NH₃ = 2 x mol = 2.5 mol = 10 mol

Perbandingan tekanan parsial gas sama dengan  perbandingan mol

               Tekanan N₂ : H₂ : NH₃ = 5 : 25 : 10

                                                      = 1 : 5 : 2

Jadi tekanan parsial N₂    = 1/8 x 230 atm = 28,75 atm

      Tekanan parsial H₂    = 5/8 x 230 atm = 143,75 atm

      Tekanan parsial NH₃ = 2/8 x 230 atm = 57,5 atm

Kp =  P_NH3²

          P_N2   P_H2  ³

      = 57,5 ²

         28,73 x143,75 ³

      = 3,87 x 10 -5

Kp = Kc (RT) ^{Δ n}

Δ n = 2-(1+3)

      = -2

Jadi Kp = Kc (RT) ^-2

Atau Kc = Kp (RT)²

              = 3,87 x 10 ^-5 (0,082x700)²

              = 0,1275

Contoh soal 3

Untuk reaksi kesetimbangan berikut ;

PCl_5(g)                PCl_3(g)     +   Cl_2(g)

Harga Kc pada 191 C = 3,26 x 10 ^-2M. Tentukan harga Kp pada suhu tersebut.

Jawab :

Kp  = Kc.(RT) ^{Δ n}

R = 0,08205 L atm mol ^-1 K^-1

T = (191 + 273) K = 464 K

 Δ n = ( 1+1) -1 =1

Jadi Kp = 3,26 x 10^-2. (0,08205 x 464 ) atm = 1,24 atm

Latihan Soal

1.   Tulislah persamaan tetapan kesetimbangan ( Kp dan Kc ) untuk system kesetimbangan berikut :

a.   2 H₂S _(g) + 3 O_2(g)              2H₂O _(g)  +  2SO_2(g)

b.   4 NH_3(g)  +  3 O_2(g)                 2N_2(g)  +  6 H₂O_(g)

c.   Na₂CO_3(s)  +   SO_2(g) +   ½ O_2(g)                      Na₂SO_4(s)  + CO_{2 (g)}

d.   Ag⁺_(aq)  +   Fe²⁺_(aq)                    Ag_(s)   +    Fe³⁺_(aq)

e.    Ag₂CrO_4(s)                  2 Ag⁺_(aq)  + CrO₄^2-_(aq)    

2.   Dalam suatu ruangan 2 liter pada suhu 127 C terdapat dalam keadaan  setimbang 4 mol gas A, 2 mol gas B₂, dan 1 mol gas AB menurut persamaan

2A_(g)  +  B_2(g)                2AB_(g)

Tentukanlah nilai tetapan kesetimbangan Kc dan Kp reaksi itu pada suhu 127 C

3.   Sebanyak 4 mol gas HI dipanaskan dalam ruangan 5 liter pada 458 C sehingga sebagian terurai dan membentuk kesetimbangan

2 HI_(g)            H_2(g)    + I_2(g)

Apabila pada keadaan setimbang terdapat 0,5 mol I₂, tentukanlah harga tetapan kesetimbangan Kc dan Kp pada suhu 458 C

4.   Dalam suatu ruang pada T C terdapat dalam keadaan setimbang  1 mol N₂, 3 mol H₂ dan  1 mol NH₃ menurut persamaan

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

Apabila tekanan total campuran gas adalah 10 atm, tentukanlah harga Kp dari reaksi diatas  pada suhu tersebut.

readmore...

B. Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Pergeseran Kesetimbangan

readmore...

MODUL KIMIA XII SEMESTER GANJIL

1.       Standart Kompetensi : Memahami konsep kesetimbangan reaksi

      Sub Kompetensi :

A.      Menguasai reaksi kesetimbangan

B.      Menguasai faktor-faktor yang mempengaruhi Pergeseran Kesetimbangan

C.      Menentukan hubungan kuantitatif antara pereaksi dan hasil reaksi dari suatu reaksi kesetimbangan.

2.   Standar Kompetensi : Menjelaskan sistem Klasifikasi dan kegunaan Polimer

Sub Kompetensi

A.      Menjelaskan Kegunaan polimer

B.      Mengklasifikasi Polimer

KEGIATAN BELAJAR 1

1.   Standart Kompetensi : Memahami konsep kesetimbangan reaksi

      Sub Kompetensi :

A.      Menguasai reaksi kesetimbanagn

B.      Menguasai factor-faktor yang mempengaruhi Pergeseran Kesetimbangan

C.      Menentukan hubungan kuantitatif antara pereaksi dan hasil reaksi dari suatu reaksi kesetimbangan.

Tujuan Kegiatan Belajar

Setelah kegiatan belajar peserta didik diharapkan dapat :

1.       membedakan reaksi reversibel dan reaksi reversibel

2.       menyebutkan ciri-ciri kesetimbangan dinamis

3.       membedakan kesetimbangan homogen dan kesetimbangan heterogen

4.       menyebutkan factor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan

5.       menentukan arah pergeseran kesetimbangan karena perubahan konsentrasi zat

6.       menentukan arah pergeseran kesetimbangan karena perubahan suhu

7.       menentukan arah pergeseran kesetimbangan karena perubahan tekanan

8.       menentukan arah pergeseran kesetimbangan karena perubahan volume

9.       menuliskan rumus tetapan kesetimbangan

10.    menuliskan rumus tetapan kesetimbangan parsial

11.    menghitung harga Kc

12.    menghitung harga Kp

A.            Reaksi Kesetimbangan

Reaksi kimia dapat dibedakan  menjadi reaksi reversible ( dapat balik ) dan reaksi irreversible ( reaksi tidak dapat balik). Pada reaksi bolak balik, (reaktan)  direaksikan akan habis dan terbentuk zat baru (produk). Zat baru yang terbentuk dapat dapat direaksikan dengan zat lain menghasilkan zat semula.

Contoh : jika kristal tembaga (II) sulfat yang berwarna biru dipanaskan, akan terbentuk tembaga (II) sulfat yang berwarna putih karena kehilangan air.

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

Biru                                      putih

Jika pada CuSO4 ditambahkan air, maka akan terbentuk kembali kristal tembaga(II) sulfat hidrat menurut reaksi :

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

Reaksi diatas berlangsung dua arah , sehingga dapat dituliskan dengan 2 arah panah sebagai berikut :

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

Hal ini juga bisa digambarkan dengan hal sebagai berikut, yaitu apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri maka, reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. Secara umum reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai :

A + B             C + D

Mula-mula zat A dan zat B sebagai reaktan (tidak harus dalam jumlah yang sama) dicampur dalam suatu tabung reaksi. Konsentrasi A dan B kemudian diukur pada selang waktu tertentu. Bila hasil pengukuran itu digambarkan dalam sebuah grafik konsentrasi sebagai fungsi dari waktu maka akan tampak gambar sebagai berikut

Penurunan konsentrasi A dan B mula-mula terjadi dengan cepat, makin lama semakin lambat sampai pada akhirnya konstan. Sebaliknya yang terjadi pada produk zat C dan D. Pada awal reaksi konsentrasinya = 0, kemudian bertambah dengan cepat tapi makin lama semakin lambat sampai akhirnya menjadi konstan. Pada waktu t = t~ konsentrasi masing-masing zat A, B, C, dan D menjadi konstan, yang berarti bahwa laju reaksi kekiri = laju reaksi kekanan.

Kesetimbangan dinamis adalah keadaan dimana dua proses yang berlawanan terjadi dengan laju yang sama, akibatnya tidak terjadi perubahan bersih dalam sistem pada kesetimbangan.

 Contoh  peristiwa kesetimbangan

Uap mengembun dengan laju yang sama dengan air menguap.

􀀹 Pelarutan padatan, sampai pada titik laju padatan yang terlarut sama dengan padatan yang mengendap saat konsentrasi larutan jenuh (tidak ada perubahan konsentrasi)

Karakteristik keadaan kesetimbangan

Ada empat aspek dasar keadaan kesetimbangan, yaitu :

1.   Keadaan kesetimbangan tidak menunjukkan perubahan makroskopik yang nyata

2.   Keadaan kesetimbangan dicapai melalui proses yang berlangsung spontan

3.   Keadaan kesetimbangan menunjukkan keseimbangan dinamik antara proses maju atau balik

4.   Keadaan kesetimbangan adalah sama walaupun arah pendekatannya berbeda, setiap komponen pada reaksi itu tetap ada.

Macam - macam sistem kesetimbangan, yaitu :

1.   Kesetimbangan dalam sistem homogen

a. Kesetimbangan dalam sistem gas-gas

Contoh : 2SO_2(g) + O_2(g)                2SO_3(g)

b. Kesetimbangan dalam sistem larutan-larutan

Contoh : NH₄OH_(aq)                NH₄⁺ _(aq) + OH^- _(aq)

2.   Kesetimbangan dalam sistem heterogen

a. Kesetimbangan dalam sistem padat gas

Contoh : CaCO_3(s)                  CaO_(s) + CO_2(g)

b. Kesetimbangan sistem padat larutan

Contoh : BaSO_4(s)                 Ba²⁺ _(aq) + SO₄ ^2- _(aq)

c. Kesetimbangan dalam sistem larutan padat gas

Contoh : Ca(HCO₃)_2(aq)                   CaCO_3(s) + H₂O_(l) + CO_2(g)

readmore...