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

pendahuluan dan pengertian
Sumber: appliedcontrol.com

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.

N2O4 (g) ⇌ 2NO2 (g)

konsep kesetimbangan kimia
Sumber: Brown, 2012

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.

Konsentrasi awalKonsentrasi saat kesetimbanganPerbandingan konsentrasi pada saat kesetimbangan
[NO2][N2O4][NO2][N2O4][NO2]/ [N2O4][NO2]2/ [N2O4]
0,000 M0,0670 M0,0547 M0,643 M0,08514,65 x 10-3
0,050 M0,446 M0,0457 M0,448 M0,1024,65 x 10-3
0,030 M0,500 M0,0475 M0,491 M0,09674,65 x 10-3
0,040 M0,600 M0,0523 M0,594 M0,08804,65 x 10-3
0,200 M0,000 M0,0204 M0,0898 M0,2274,65 x 10-3

 

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.

tetapan kesetimbangan kimia

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

aA + bB ⇌ cC + dD

Maka tetapan kesetimbangannya

tetapan kesetimbangan kimia

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 Kc (melibatkan konsentrasi) atau dalam bentuk Kp (melibatkan tekanan parsial).

tetapan kesetimbangan kimia

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:

N2O4 (g) ⇌ 2NO2 (g)

kesetimbangan homogen

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

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

Kp = Kc (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:

CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g)

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

kesetimbangan heterogen

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:

Kc = [CO2] atau Kp = 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 SCNdiperbesar 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)
faktor yang mempengaruhi pergeseran reaksi kesetimbangan
Sumber: R. Chang, 2010

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+.

  1. 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:

3H2 (g) + N2 (g) ⇌ 2NH3 (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).
  1. 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:

3H2 (g) + N2 (g) ⇌ 2NH3 (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).
  1. 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) + O2 (g) ⇌ 2NO2 (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.

3H2 (g) + N2 (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 Kc untuk reaksi

H2 (g) + I2 (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.

H2 (g)       +     I2 (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

contoh soal kesetimbangan kimia

  • [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
  1. Berdasarkan reaksi – reaksi kesetimbangan di bawah ini, prediksikan ke arah manakah kesetimbangan akan bergeser jika volume diperbesar pada suhu tetap.
  • PCl5 (g) PCl3 (g) ⇌ Cl2 (g)
  • 2PbS (s) + O2 (g) ⇌ 2PbO (s)  + 2SO2 (g)
  • H2 (g) + CO2 (g) ⇌ H2O (g) + CO (g)

Jawaban:

  • Untuk reaksi PCl5 (g)  ⇌ PCl3 (g) +Cl2 (g), kesetimbangan bergeser ke arah PCl5
  • Untuk reaksi 2PbS (s) + O2 (g) ⇌ 2PbO (s)  + 2SO2 (g), kesetimbangan bergeser ke arah PbS dan O2
  • Untuk reaksi H2 (g) + CO2 (g) ⇌ H2O (g) + CO (g), kesetimbangan tidak akan bergeser karena jumlah mol produk sama dengan jumlah mol reaktan.

Baca juga: Materi Senyawa Karbon

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


Referensi:

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

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

Artikel Terbaru

Faradisa

Faradisa

Mahasiswi S1 jurusan Pendidikan Kimia di Universitas Pendidikan Indonesia.

Tulis Komentar Anda

Your email address will not be published. Required fields are marked *