kesetimbangan reaksi

KesetimbanganReaksi Kimia

Anwar Ma’ruf

Pendahuluan

Reaksi kimia adalah bagian terpenting dalam ilmu teknik kimia, karena mempelajari bagaimana suatu reaktan membentuk suatu produk lain yang lebih bernilai.

Hal penting yang dipelajari dalam reaksi kimia adalah laju reaksi (kecepatan reaksi) dan konversi kesetimbangan. Laju reaksi tidak dikaji dalam termodinamika. Yang dikaji dalam termodinamika adalah konversi kesetimbangan.

Koordinat Reaksi

Merupakan perbandingan antara jumlah mol (reaktan dan produk) yang bereaksi dengan koefisien reaksi reaktan dan produk tersebut.

dni/vi = dε

ni = jumlah mol komponen i mol yang bereaksi

vi = koefisien reaksi komponen i

(positif untuk produk dan negatif untuk rektan)

ε = koordinat reaksi.

Misal ada suatu reaksi :

CH4 + H2O <==> CO + 3H2

Jika mula-mula tedapat CH4 sebanyak 2 gmol, H2O sebanyak 1 gmol, CO sebanyak 1 gmol. Bagaimana fraksi masing-masing komponen pada kesetimbangan.

Persamaan umum :

ddndndndn HCOOHCH

3111224

Reaksi Tunggal

Komponen CH4

2

02

1

4

4

0

4

2

4

4

4

CH

CH

nCH

CH

CH

CH

n

n

ddn

ddn

ddn

Dengan cara yang sama akan diperoleh :

nCH4 = 2 – ε

nH2O = 1 – ε

nCO = 1 + ε

nH2 = 0 + 3ε

ntotal 4 + 2ε Fraksi tiap komponen :

yCH4 = nCH4 / ntotal = (2 – ε)/(4 + 2ε)

yH2O = nH2O / ntotal = (1 – ε)/(4 + 2 ε)

yCO = nCO / ntotal = (1 + ε)/(4 + 2 ε)

yH2 = nH2 / ntotal = 3 ε / (4 + 2 ε)

Cara singkat

CH4 + H2O <==> CO + 3H2

Awal : 2 1 1 0

Reaksi : ε ε ε 3ε

Setimbg: 2- ε 1- ε 1+ ε 3ε

Jadi Kesetimbangan

nCH4 = 2 – ε

nH2O = 1 – ε

nCO = 1 + ε

nH2 = 0 + 3ε

ntotal 4 + 2ε Fraksi tiap komponen :

yCH4 = nCH4 / ntotal = (2 – ε)/(4 + 2ε)

yH2O = nH2O / ntotal = (1 – ε)/(4 + 2 ε)

yCO = nCO / ntotal = (1 + ε)/(4 + 2 ε)

yH2 = nH2 / ntotal = ε / (4 + 2 ε)

Reaksi Lebih dari Satu

Jika dua reaksi atau lebih terjadi secara simultan, maka untuk tiap reaksi mempunyai koordinat reaksi sendiri-sendiri. Untuk reaksi 1 maka koordinat reaksinya ε1 dan koordinat reaksi 2 koordinat reaksinya ε2, dst.

Misal pada suatu reaksi :

CH4 + H2O < == > CO + 3H2 (reaksi 1)

CH4 + 2H2O < == > CO2 + 4H2 (reaksi 2)

Jika mula-mula terdapat CH4 sebanyak 2 mol dan H2O sebanyak 3 mol. Hitung fraksi komponen tiap komponen pada kesetimbangan.

Reaksi CH4 H2O CO CO2 H2

1 -1 -1 1 0 3

2 -1 -2 0 1 4

Koordinat Reaksi

Jumlah mol masing-masing komponen

nCH4 = 2 – ε1 – ε2

nH2O = 1 – ε1 – 2 ε2

nCO = 0 + ε1

nCO2 = 0 + ε2

nH2O = 0 + 3ε1 + 4 ε2

ntotal = 3 + 2 ε1 + 2 ε2

Fraksi masing-masing komponen

yCH4 = nCH4 / ntotal

yH2O = nH2O / ntotal

yCO = nCO / ntotal

yCO2 = nCO2 / ntotal

yH2O = nH2O / ntotal

Latihan

Reaksi :

C4H8 + 6O2 < == > 4CO2 + 4H2O

Jika mula-mula terdapat 10 grmol C4H8 dan 30 gmol O2. Tentukan fraksi komponen tiap komponen pada kesetimbangan

Kriteria Kesetimbangan Reaksi

Energi bebas gibbs pada suatu reaksi sistem tertentu pada T dan P konstan akan turun selama proses irreversibel dan kondisi kesetimbangan reaksi akan tercapai jika :

(dG)T,P = 0

ε

0

G

Perbahan energi bebas gibbs standardan konstanta Kesetimbangan

Energi bebas gibbs pada sistem tertutup phase tunggal dan multikomponen dapat dituliskan ;

dG = -S dT + V dP + Σµi dniµi = potensial kimia komponen i

Karena syarat terjadinya kesetimbangan adalah pada T dan P konstan maka dT = 0 dan dP = 0, sehingga :dG = Σµi dni

Karena

dni = vi dε

maka ;

dG = Σµi vi dε

persamaan ini menunjukkan hubungan antara koordinat reaksi dengan energi bebas gibbs.

Karena syarat terjadinya kesetimbangan adalah pada dG = 0, maka;

Σ(µi vi) = 0

Jika ;

µi = Gio + RT ln ai

Gio = energi bebas gibbs standar komponen i

ai = aktivitas komponen I

Persaman akan menjadi ;

Σvi(Gio + RT ln ai) = 0

Σvi Gio + RT ln aivi = 0

ln aivi = (- Σvi Gio)/RT

Jika ;

K = Π aivi

Maka;

-RT ln K = ΔGo = Σvi.Gio

Gio = besarnya energi bebas gibbs standar komponen i

(dapat dilihat dari data)

vi = koefisien reaksi komponen I

ΔGo = Σvi.Gio = (Gio produk) – (Gio reaktan)

Kesetimbangan reaksi phase gas

Konstanta kesetimbangan adalah fungsi dari aktivitas komponen i

K = Π aivi

-RT ln K = ΔGo

Pada phase gas

ai = fi/fio

fi = fugasitas komponen i

fio = fugasitas komponen murni i pada tekanan 1 atm

untuk gas ideal maka fio = 1 sehingga

ai = fi

Fugasitas komponen I bisa didekati dengan tekanan parsial;

fi = Pi

Sehingga;

K = Π Pivi

Misal pada suatu reaksi pase gas

A + B < == > C + D

maka

K = PA-1 PB

-1 PC1 PD

1 = (PC PD)/(PA PB) Tekanan Parsial

Pi = P. yi atau PA = P.yA

P = tekanan total

yi = fraksi mol komponen i

Kesetimbangan reaksi phase cair

Konstanta kesetimbangan adalah fungsi dari aktivitas komponen i

K = Π aivi

-RT ln K = ΔGo

Pada phase cair

ai = Ci

aktivitas komponen I didekati dengan konsentrasi I Sehingga;

K = Π Civi

Misal pada suatu reaksi pase cair

A + B < == > C + D

maka

K = CA-1 CB

-1 CC1 CD

1 = (CC CD)/(CA CB)

Efek Temperatur pada K

Persamaan yang menghubungkan antara T dan K adalah (Persamaan Van’t Hoff):

1

1

2

1

1

2ln

2211

)(ln

,ln/

)/(

0

2

2

TTR

H

K

K

KdanTkeKdanTdarikandiinetgraljikaRT

H

dT

Kd

makaKRTGkarena

RT

H

dT

RTGd

o

o

oo

ΔGo dan ΔHo adalah energi bebas gibbs standar dan panas reaksi standar pada 25 C atau 298 K, yang dapat dilihat dari data untuk setiap komponen.

Jadi T1 adalah pada 298 K T2 adalah temperatur reaksi yang diinginkan

Langkah Perhitungan

Mencari K pada T tertentu (T2)

1. Hitung ΔGo

ΔGo = (Go produk) – (Goreaktan)

2. Hitung K pada 298 K, ln K = -ΔGo/RT

3. Hitung ΔHo

ΔHo = (Ho produk) – (Horeaktan)

4. Hitung K pada T tertentu

1

1

2

1

1

2ln

0

TTR

H

K

K

Latihan

Lihat diktat