Kesetimbangan Kimia: Konsep, Faktor dan Contoh Soal

Di sekitarmu banyak reaksi yang dapat terjadi. Misalnya reaksi perkaratan pada besi, reaksi pembakaran kayu, dan masih banyak lagi. Apakah produk yang dihasilkan dari reaksi tersebut dapat kembali menjadi zat semula?

Kedua contoh reaksi di atas merupakan reaksi irreversible (reaksi tidak dapat balik/satu arah), dimana produk hasil reaksi tidak dapat kembali menjadi zat semula. Selain reaksi irreversible ada juga reaksi reversible (reaksi dapat balik/dua arah) dimana produk hasil reaksi dapat kembali menjadi zat semula. Pada reaksi reversible, ketika laju dari reaksi pembentukan produk sama dengan laju pembentukan reaktan maka reaksi tersebut merupakan reaksi kesetimbangan.

Kali ini akan dibahas materi mengenai kesetimbangan kimia dimulai dari konsep kesetimbangan kimia, tetapan kesetimbangan kimia, kesetimbangan homogen dan heterogen, faktor – faktor yang mempengaruhi pergeseran reaksi kesetimbangan, kesetimbangan kimia dalam industri, serta contoh soal kesetimbangan kimia. Untuk lebih jelasnya kamu dapat membaca pembahasan berikut ini.

Pendahuluan dan Pengertian

Reaksi kesetimbangan terjadi ketika reaksi maju (reaktan menjadi produk) dan reaksi balik (produk menjadi reaktan) memiliki laju reaksi yang sama. Pada reaksi kesetimbangan, laju pembentukan produk dari reaktan sama dengan laju pembentukan reaktan dari produk serta konsentrasi dari reaktan dan produk tetap.

Reaktan ⇌ Produk

Simbol ⇌ merepresentasikan reaksi yang berjalan dua arah. Kesetimbangan kimia ini terlibat dalam banyak fenomena di alam, serta memiliki peran penting dalam banyak proses industri.

Baca juga: Laju Reaksi

Konsep Kesetimbangan Kimia

Kesetimbangan kimia merupakan proses yang dinamis, dimana konsentrasi dari reaktan dan produk yang tetap bukan berarti reaksinya berhenti, tetapi karena laju pembentukan produk dari reaktan sama dengan laju pembentukan reaktan dari produk. Hal tersebut dapat dianalogikan dengan perpindahan para pemain ski di sebuah resort ski, dimana jumlah pemain ski yang dibawa naik ke atas gunung menggunakan kereta gantung sama dengan jumlah pemain ski yang turun ke lereng. Oleh karena itu perpindahan jumlah pemain ski tetap, dengan kata lain jumlah orang yang di atas dan di bawah tidak berubah.

Sebagai contoh reaksi kesetimbangan yang terjadi antara gas N₂O₄ dan NO₂, dimana N₂O₄ merupakan gas yang tidak berwarna akan terurai menjadi gas NO₂ yang berwarna cokelat. Kesetimbangan tercapai ketika laju terurainya N₂O₄ sama dengan laju pembentukan kembali N₂O₄.

N₂O_{4 (g)} ⇌ 2NO_{2 (g)}

Pada gambar pertama, sebuah wadah berisikan gas tidak berwarna dari N₂O₄ yang dibekukan. Pada gambar kedua, N₂O₄ dalam wadah tersebut suhunya dinaikkan sehingga terjadi reaksi penguraian N₂O₄ menjadi NO₂ yang berwarna coklat. Pada gambar ketiga, kesetimbangan tercapai dimana reaksi terus berlangsung dengan laju reaksi yang sama sehingga tidak terjadi lagi perubahan warna karena konsentrasi N₂O₄ dan NO₂ tetap.

Dari contoh reaksi kesetimbangan di atas, dapat disimpulkan secara umum, bahwa:

• Pada saat kesetimbangan tercapai, perubahan yang terjadi tidak dapat dilihat karena berada pada tingkatan partikel.
• Pada reaksi kesetimbangan, konsentrasi dari reaktan dan produk tidak lagi berubah seiring berjalannya waktu.
• Untuk reaksi kesetimbangan, baik reaktan maupun produk tidak akan pernah habis, sehingga reaksi akan terus berlangsung.

Tetapan Kesetimbangan Kimia

Perhatikan tabel konsentrasi untuk reaksi kesetimbangan antara N₂O₄ dan NO₂.

Terdapat hubungan antara [NO₂] dan [N₂O₄] pada saat kesetimbangan dengan menentukan nilai perbandingan konsentrasinya. Berdasarkan tabel di atas, perbandingan sederhana [NO₂]/ [N₂O₄] menghasilkan nilai yang berbeda – beda, tetapi jika masing – masing konsentrasi dipangkatkan dengan koefisien reaksinya menjadi [NO₂]²/ [N₂O₄] ternyata dihasilkan suatu nilai yang tetap yaitu 4,65 x 10^-3.

Dimana K merupakan tetapan kesetimbangan. Sehingga secara umum, untuk suatu reaksi kesetimbangan dengan persamaan

aA + bB ⇌ cC + dD

Maka tetapan kesetimbangannya

Tetapan kesetimbangan (K) pertama kali dirumuskan oleh ahli kimia Norwegia, yaitu Cato Guldberg dan Peter Waage tahun 1864. Mereka merumuskan persamaan matematik dari hukum aksi massa bahwa “untuk suatu reaksi reversible (dapat balik) pada kesetimbangan dan suhu tetap, maka perbandingan tertentu dari konsentrasi reaktan dan produk memiliki suatu nilai yang tetap”.

Kesetimbangan kimia dapat dinyatakan dalam bentuk K_c (melibatkan konsentrasi) atau dalam bentuk K_p (melibatkan tekanan parsial).

Baca juga: Materi Minyak Bumi

Kesetimbangan Homogen

Kesetimbangan homogen merupakan reaksi kesetimbangan dimana semua reaktan dan produk yang terlibat berada dalam satu fasa yang sama, contoh:

N₂O_{4 (g)} ⇌ 2NO_{2 (g)}

Dimana P NO₂ dan P N₂O₄ merupakan tekanan parsial saat kesetimbangan dari NO₂ dan N₂O_4.

Pada umumnya, nilai dari K_p tidak sama dengan nilai K_c, karena besarnya nilai tekanan parsial reaktan dan produk tidak akan sama dengan nilai konsentrasinya dalam mol/L. Namun terdapat hubungan antara K_p dan K_c, sehingga K_p dapat dinyatakan dalam K_c atau sebaliknya K_c dapat dinyatakan dalam bentuk K_p.

K_p = K_c (RT)^∆n

Dimana R merupakan konstanta gas ideal (0,082 L.atm/mol.K), T merupakan suhu (K), dan ∆n merupakan selisih antara jumlah koefisien produk dengan jumlah koefisien reaktan.

Kesetimbangan Heterogen

Kesetimbangan heterogen adalah reaksi kesetimbangan dimana terdapat fasa yang berbeda di antara reaktan dan produknya. Contoh reaksi dekomposisi dari kalsium karbonat yang dipanaskan:

CaCO_{3 (s)} ⇌ CaO _(s) + CO_{2 (g)}

Dari persamaan reaksi di atas, terdapat dua fasa yaitu padat dan gas. Pada kesetimbangan, kamu mungkin akan menuliskan tetapan kesetimbangannya seperti berikut.

Namun konsentrasi dari suatu padatan sama dengan massa jenisnya, berapapun jumlah padatannya, konsentransinya akan tetap sama dengan massa jenisnya. Hal tersebut juga berlaku untuk zat dengan fasa cair (liquid). Oleh karena itu pada contoh reaksi diatas, [CaCO₃] dan [CaO] akan tetap, sehingga tetapan kesetimbangannya:

K_c = [CO₂] atau K_p = P CO₂

Faktor Yang Mempengaruhi Pergeseran Reaksi Kesetimbangan

Kesetimbangan kimia merepresentasikan keseimbangan antara reaksi maju dan reaksi balik. Jika terdapat perubahan kondisi (konsentrasi, tekanan, volume, dan suhu), maka sistem kesetimbangan akan terganggu dan posisi kesetimbangannya akan bergeser. Sehingga mengakibatkan lebih banyak atau sedikitnya produk yang dihasilkan.

Terdapat aturan yang dapat membantu memprediksikan pergeseran kesetimbangan jika terjadi perubahan kondisi tertentu. Aturan tersebut dikenal sebagai prinsip La Chatelier, “jika suatu sistem kesetimbangan diberi gangguan, maka sistem akan mengimbangi gangguan tersebut dengan cara menggeser posisi kesetimbangan”. Gangguan tersebut merupakan faktor – faktor yang mempengaruhi pergeseran reaksi kesetimbangan.

Berikut faktor – faktor yang mempengaruhi pergeseran reaksi kesetimbangan.

1. Konsentrasi

Jika konsentrasi salah satu spesi diperbesar pada sistem kesetimbangan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan dari spesi tersebut. Jika konsentrasi salah satu spesi diperkecil maka kesetimbangan akan bergeser ke arah spesi tersebut. Sebagai contoh:

FeSCN²⁺ _(aq) ⇌ Fe³⁺ _(aq) + SCN^– _(aq)

                                        Merah             Kuning       Tidak berwarna

• Jika konsentrasi SCN^– diperbesar maka kesetimbangan akan bergeser ke arah FeSCN²⁺ (menghasilkan FeSCN²⁺ lebih banyak)
• Jika konsentrasi Fe³⁺ diperbesar maka kesetimbangan akan bergeser ke arah FeSCN²⁺ (menghasilkan FeSCN²⁺ lebih banyak)
• Jika konsentrasi Fe³⁺ diperkecil maka kesetimbangan akan bergeser ke arah Fe³⁺ (menghasilkan Fe³⁺ lebih banyak)

Gambar a merupakan larutan Fe(SCN)₃, warnanya merupakan campuran dari warna merah FeSCN²⁺ dan kuning Fe³⁺ . Gambar b merupakan kondisi larutan a setelah penambahan konsentrasi SCN^–. Gambar c merupakan kondisi larutan a setelah penambahan konsentrasi Fe³⁺. Gambar d merupakan kondisi larutan a setelah terjadi pengurangan konsentrasi Fe³⁺.

2. Tekanan

Jika tekanan sistem kesetimbangan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah mol yang paling kecil (dilihat dari jumlah koefisien reaksi yang paling kecil). Jika tekanan sistem kesetimbangan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah mol yang paling besar (dilihat dari jumlah koefisien reaksi yang paling besar). Contoh:

3H_{2 (g)} + N_{2 (g)} ⇌ 2NH_{3 (g)}

• Jika tekanan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser kea rah NH₃ (jumlah mol paling kecil).
• Jika tekanan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah H₂ dan N₂ (jumlah mol paling besar).

3. Volume

Jika volume sistem kesetimbangan diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah mol yang paling besar (dilihat dari jumlah koefisien reaksi yang paling besar). Jika tekanan sistem kesetimbangan diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah mol yang paling kecil (dilihat dari jumlah koefisien reaksi yang paling kecil). Contoh:

3H_{2 (g)} + N_{2 (g)} ⇌ 2NH_{3 (g)}

• Jika volume diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah H₂ dan N₂ (jumlah mol paling besar).
• Jika volume diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser kea rah NH₃ (jumlah mol paling kecil).

4. Suhu

Jika suhu sistem kesetimbangan dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi endoterm. Jika suhu sistem kesetimbangan diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah reaksi eksoterm. Tidak seperti pada faktor lainnya, pengaruh suhu ini akan merubah nilai tetapan kesetimbangannya. Contoh:

2NO _(g) + O_{2 (g)} ⇌ 2NO_{2 (g)}      ∆H = -216 kJ

• Jika suhu reaksi dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah kiri (reaksi endoterm).
• Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah kanan (reaksi eksoterm).

Kesetimbangan Kimia Dalam Industri

Salah satu penerapan kesetimbangan kimia dalam industri adalah proses Haber yang merupakan proses untuk sintesis amonia.

3H_{2 (g)} + N_{2 (g)} ⇌ 2NH₃  ∆H = -92,6 kJ/mol

• 3 mol H₂ bereaksi dengan 1 mol N₂ menghasilkan 2 mol NH₃, maka untuk menghasilkan jumlah NH₃ yang lebih banyak kesetimbangan harus bergeser ke arah NH₃ dengan cara memperbesar tekanan.
• Reaksi pembentukan ammonia merupakan reaksi eksoterm, untuk menghasilkan jumlah ammonia yang lebih banyak kesetimbangan harus bergeser ke arah NH₃ dengan cara menurunkan suhu reaksi.

Contoh Soal Kesetimbangan Kimia

Berikut contoh soal kesetimbangan kimia.

1. Campuran 0,5 mol H₂ 0,5 mol I₂ ditempatkan dalam sebuah botol stainless steel 1 L pada suhu 430 ℃. Tetapan kesetimbangan K_c untuk reaksi

H_{2 (g)} + I_{2 (g)} ⇌ 2HI _(g)

adalah 54,3 pada suhu tersebut. Hitunglah konsentrasi H₂, I₂, dan HI pada saat kesetimbangan..

Jawaban:

Misalkan x adalah jumlah konsentrasi yang bereaksi.

H_{2 (g)}       +     I_{2 (g)}   ⇌      2HI

Mula – mula      : 0,5 M            0,5 M           0

Bereaksi            : -x M             -x M           +2x M

Kesetimbangan : (0,5 – x) M     (0,5 – x) M   2x M

• [H₂] = (0,5 – 0,393) M = 0,107 M
• [I₂] = (0,5 – 0,393) M = 0,107 M
• [HI] = 2(0,393 M) = 0,786 M

2. Berdasarkan reaksi – reaksi kesetimbangan di bawah ini, prediksikan ke arah manakah kesetimbangan akan bergeser jika volume diperbesar pada suhu tetap.

• PCl_{5 (g)} PCl_{3 (g)} ⇌ Cl_{2 (g)}
• 2PbS _(s) + O_{2 (g)} ⇌ 2PbO _(s)  + 2SO_{2 (g)}
• H_{2 (g)} + CO_{2 (g)} ⇌ H₂O (g) + CO _(g)

Jawaban:

• Untuk reaksi PCl_{5 (g)}  ⇌ PCl_{3 (g)} +Cl_{2 (g),} kesetimbangan bergeser ke arah PCl₅
• Untuk reaksi 2PbS _(s) + O_{2 (g)} ⇌ 2PbO _(s)  + 2SO_{2 (g),} kesetimbangan bergeser ke arah PbS dan O₂
• Untuk reaksi H_{2 (g)} + CO_{2 (g)} ⇌ H₂O (g) + CO _(g), kesetimbangan tidak akan bergeser karena jumlah mol produk sama dengan jumlah mol reaktan.

Baca juga: Materi Senyawa Karbon

Pemahaman Akhir

Dalam sekitarmu, banyak reaksi kimia yang dapat terjadi, seperti reaksi perkaratan pada besi, reaksi pembakaran kayu, dan lain sebagainya. Dalam reaksi kimia, ada dua jenis reaksi, yaitu reaksi irreversible (tidak dapat balik) dan reaksi reversible (dapat balik). Pada reaksi irreversible, produk yang dihasilkan tidak dapat kembali menjadi zat semula. Sedangkan pada reaksi reversible, produk hasil reaksi dapat kembali menjadi zat semula karena berjalan dua arah.

Kesetimbangan kimia terjadi ketika reaksi maju (reaktan menjadi produk) dan reaksi balik (produk menjadi reaktan) memiliki laju reaksi yang sama. Pada reaksi kesetimbangan, laju pembentukan produk dari reaktan sama dengan laju pembentukan reaktan dari produk, dan konsentrasi dari reaktan dan produk tetap.

Tetapan kesetimbangan (K) digunakan untuk mengukur keseimbangan reaksi kesetimbangan. Terdapat aturan La Chatelier yang menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan, seperti konsentrasi, tekanan, volume, dan suhu. Jika ada gangguan pada sistem kesetimbangan, sistem akan menyesuaikan dengan menggeser posisi kesetimbangan untuk mengimbangi gangguan tersebut.

Kesetimbangan kimia memiliki banyak penerapan dalam industri, salah satunya adalah proses Haber untuk sintesis amonia. Dalam industri, pengetahuan tentang kesetimbangan kimia digunakan untuk memprediksi dan mengontrol kondisi reaksi demi meningkatkan hasil produksi yang diinginkan.

Dalam penyelesaian soal kesetimbangan kimia, perlu memahami persamaan reaksi dan memperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan. Dengan pemahaman ini, dapat menghitung konsentrasi zat-zat pada kesetimbangan dalam suatu sistem reaksi kimia.

Demikian pembahasan mengenai kesetimbangan kimia, semoga pembahasannya dapat bermanfaat dan menambah pengetahuanmu.

Referensi:

Brown, Theodore L. (2011). Chemistry the Central of Science 12^th Edition.Pearson Prentince Hall.

Chang, Raymond. (2010). Chemistry 10^th Edition. New York: McGraw-Hill.