Kesetimbangan Kimia

Pembahasan kesetimbangan kimia kali ini terdiri atas 3 pokok bahasan utama yaitu reaksi reversibel dan reaksi nonreversibel,  reaksi setimbang, dan kesetimbangan homogen dan heterogen


A. Reaksi Reversible dan Reaksi Nonreversibel

Pada umumnya reaksi-reaksi kimia tersebut berlangsung dalam arah bolak-balik (reversible), dan hanya sebagian kecil saja yang berlangsung satu arah. Pada awal proses bolak-balik, reaksi berlangsung ke arah pembentukan produk, segera setelah terbentuk molekul produk maka terjadi reaksi sebaliknya, yaitu pembentukan molekul reaktan dari molekul produk. Ketika laju reaksi ke kanan dan ke kiri sama dan konsentrasi reaktan dan produk tidak berubah maka kesetimbangan reaksi tercapai.

Ketika suatu reaksi kimia berlangsung, laju reaksi dan konsentrasi pereaksipun berkurang. Beberapa waktu kemudian reaksi dapat berkesudahan, artinya semua pereaksi habis bereaksi. Namun banyak reaksi tidak berkesudahan dan pada seperangkat kondisi tertentu, konsentrasi pereaksi dan produk reaksi menjadi tetap. Reaksi yang demikian disebut reaksi reversibel dan mencapai kesetimbangan. Pada reaksi semacam ini produk reaksi yang terjadi akan bereaksi membentuk kembali pereaksi. ketika reaksi berlangsung laju reaksi ke depan (ke kanan), sedangkan laju reaksi sebaliknya kebelakang (ke kiri) bertambah, sebab konsentrasi pereaksi berkurang dan konsentrasi produk reaksi semakin bertambah.

Contoh :
Jika campuran gas nitrogen dan hidrogen dipanaskan akan menghasilkan amonia, dengan reaksi: N_2(g) + 3H_2(g)  → 2NH_3(g)  Sebaliknya, jika amonia (NH3) dipanaskan akan terurai membentuk nitrogen dan hidrogen, dengan reaksi: 

2NH_3(g) → N_2(g) + 3H_2(g)

Apabila diperhatikan ternyata reaksi pertama merupakan kebalikan dari reaksi kedua. Kedua reaksi itu dapat digabung sebagai berikut :

N_2(g) +  3H_{2(g)  ⇄}2NH_3(g)

Tanda dimaksudkan untuk menyatakan reaksi dapat balik. Reaksi ke kanan disebut reaksi maju, reaksi ke kiri disebut reaksi balik.

B. Reaksi Setimbang

Keadaan kesetimbangan dinamis akan dicapai apabila dua proses yang berlawanan arah berlangsung dengan laju reaksi yang sama dan konsentrasi tidak lagi mengalami perubahan atau tidak ada gangguan dari luar. Sebagai contoh keadaan kesetimbangan dinamis, kita perhatikan reaksi penguraian (dissosiasi) gas N₂O₄ sebagai berikut :

N₂O_{4 (g)       ⇄}      2NO_{2 (g)}

Tak berwarna             merah-coklat

Andaikan sejumlah mol gas N₂O₄ dimasukkan ke dalam suatu bejana tertutup. Mula-mula dengan segera gas N₂O₄ yang tidak berwarna tersebut terdisosiasi menjadi NO₂ yang berwarna merah-coklat. Akan tetapi setiap dua molekul NO₂ dengan mudah bergabung  menjadi molekul zat N₂O₄ kembali. Mula–mula  reaksi pembentukan N₂O₄. Namun laju reaksi pembentukan N₂O₄ juga makin lama makin bertambah besar sesuai dengan pertambahan jumlah NO₂ yang terbentuk. Pada suatu saat laju reaksi disosiasi N₂O₄ sama dengan laju reaksi pembentukan N₂O₄. maka Keadaan inilah yang disebut Keadaan kesetimbangan. Pada keadaan kesetimbangan, jumlah molekul NO₂ dan N₂O₄ tetap. Akan tetapi reaksi penguraian dan pembentukan N₂O₄ tetap berlangsung secara terus menerus tidak kunjung berhenti. Contoh lain dari reaksi kesetimbangan dinamis misalnya dalam dunia industri, amonia dibuat dari gas nitrogen dan gas hidrogen menurut persamaan adalah:

N_2(g) + 3H_2(g)  ⇄ 2NH_3(g)   ∆H = -92 kJ

Stokiometri reaksi menunjukkan bahwa dalam suatu ruangan tertutup 1 mol gas nitrogen dipanaskan bersama 3 mol gas hidrogen. Membentuk 2 mol amonia. Akan tetapi, dari percobaan diketahui bahwa hasil seperti itu tidak pernah dicapai. Pada awalnya, hanya terjadi satu reaksi yaitu pembentukan amonia. Mengapa hal itu terjadi, ternyata reaksi berlangsung tidak tuntas. Reaksi “seperti berhenti“ setelah sebagian nitrogen dan hidrogen bereaksi. Reaksi berakhir dengan suatu campuran yang mengandung NH₃, N₂, dan H₂. Keadaan seperti itu disebut keadaan setimbang.

Seperti telah disebutkan di atas, amonia dapat pula terurai membentuk nitrogen dan hidrogen. Oleh karena itu, segera setelah terbentuk sebagian amonia akan terurai kembali gas nitrogen dan gas hidrogen seperti pada persamaan reaksi:

2NH_3(g) ⇄ N_2(g) +  3H_2(g)

Selanjutnya, kedua reaksi tersebut akan berlangsung secara bersamaan (simultan) menurut reaksi dapat terjadi dua arah sebagai berikut :

N_2(g) + 3H_2(g) ⇄ 2NH_3(g)

Misalkan laju reaksi kekanan v₁ dan laju reaksi balik v₂. Sebagaimana telah dipelajari dalam bab sebelumnya yaitu laju reaksi, bahwa nilai v₁ bergantung pada konsentrasi N₂ dan H₂, sedangkan nilai v₂ bergantung pada konsentrasi NH₃. pada awal reaksi, v₁ mempunyai nilai maksimum, sedangkan v₂ = 0 (karena NH₃ belum ada). Selanjutnya seiring dengan berkurangnya konsentrasi N₂ dan H₂, nilai v₁ makin lama makin kecil. Sebaliknya, dengan bertambahnya konsentrasi NH₃, nilai v₂ makin lama makin besar. Pada suatu saat, laju reaksi maju (v₁) menjadi sama dengan laju reaksi balik (v₂). Hal itu berarti bahwa laju menghilangnya suatu komponen sama dengan laju pembentukan komponen itu. Berarti, sejak v₁ = v₂, jumlah masing-masing komponen tidak berubah terhadap waktu oleh karena itu tidak ada perubahan yang dapat diamati terhadap waktu. Oleh karena itu tidak ada perubahan yang dapat diamati atau diukur (sifat makroskopis tidak berubah), reaksi seolah-olah telah berhenti. Keadaan seperti itu disebut keadaan setimbang (kesetimbangan). Akan tetapi, percobaan menunjukkan bahwa dalam keadaan setimbang reaksi tetap berlangsung pada tingkat molekul (tingkat mikroskopis). Oleh karena itu, keseimbangan kimia disebut Kesetimbangan dinamis. Perubahan v₁ dan v₂ terhadap waktu ditunjukkan. Pada kondisi ini konsentrasi N₂ dan H₂ (pereaksi) turun, konsentrasi NH₃ (hasil reaksi) naik. Pada keadaan setimbang konsentrasi masing-masing zat tetap.

Akan tetapi ada banyak reaksi yang memerlukan waktu lebih lama untuk mencapai keadaan setimbang. Misalnya, reaksi gas nitrogen dengan gas hidrogen membentuk amonia: N_2(g) + 3H_2(g) ⇄ 2NH_3(g) memerlukan waktu berhari-hari untuk mencapai kesetimbangan, meskipun dilakukan pada suhu 500^oC. Cepat lambatnya suatu reaksi mencapai kesetimbangan bergantung pada laju reaksinya. Semakin besar laju reaksi, semakin cepat kesetimbangan tercapai.

1)        Pada awal konsentrasi berubah dengan cepat

2)      Pada waktu t, konsentrasi tidak berubah karena sistem berada dalam keadaan kesetimbangan.

3)      Laju perubahan konsentrasi berkurang ketika reaksi berlangsung sampai mencapai nol, ketika sistem mencapai kesetimbangan.

Secara garis besar Kesetimbangan kimia hanya dapat berlangsung dalam sistem tertutup. Sementara itu, pada umumnya proses alami berlangsung dalam sistem terbuka. Sebagaimana kita saksikan, berbagai proses alami, seperti perkaratan logam, pembusukan, dan pembakaran merupakan reaksi yang berlangsung searah. Akan tetapi, jika sistemnya kita perbesar misalnya mencakup atmosfir secara keseluruhan, kita dapat melihat berbagai keseimbangan. Misalnya kesetimbangan yang mengatur komposisi atmosfir yang relatif konstan dari waktu ke waktu.

C. Kesetimbangan homogen dan Heterogen

Reaksi dapat diibedakan menjadi dua macam yaitu reaksi kesetimbangan homogen dan reaksi kesetimbangan heterogen. Reaksi Kesetimbangan Homogen merupakan reaksi kesetimbangan dimana semua fasa senyawa yang bereaksi sama.

Contoh :

a.  N_2(g) + 3H_2(g) ⇄ 2NH_3(g)

b.  H₂O_(l) ⇄ H⁺_(aq) + OH^-_(aq)

c.  CH₃COOH_(aq) ⇄ CH₃COO^-_(aq) + H⁺_(aq)

Sedangkan reaksi kesetimbangan heterogen dimana reaktan dan produk yang berbeda fasa.

Contoh :

a.  CaCO_3(s) ⇄ CaO_(s) + CO_3(g)

b.  Ag₂CrO_4(s) ⇄ Ag²⁺_(aq) + CrO₄^2-_(aq)

c.  2 C_(s) +  O_2(g)  ⇄ 2CO_(g)

d.  2 NaHCO_3(s)  ⇄ Na₂CO_3(s) + CO_2(g) + H₂O_(g)