SISTEM KESETIMBANGAN KIMIA

 A.    Jenis-Jenis Kesetimbangan Kimia

Reaksi yang dapat berlangsung dalam dua arah disebut reaksi dapat balik. Apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri maka, reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. 

Berdasarkan fasa spesi kimia yang terlibat dalam reaksi, sistem kesetimbangan dapat dibedakan menjadi dua, antara lain :

1.      Kesetimbangan Homogen

Semua spesi kimia berada dalam fasa yang sama. Salah satu contoh kesetimbangan homogen fasa gas adalah sistem kesetimbangan N₂O₄/NO­₂. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

N₂O_4(g) ----> 2 NO_2(g)

K_c =   [NO₂]² / [N₂O₄]

Konsentrasi reaktan dan produk dalam reaksi gas dapat dinyatakan dalam bentuk tekanan parsial masing-masing gas (ingat persamaan gas ideal, PV=nRT). Dengan demikian, satuan konsentrasi yang diganti dengan tekanan parsial gas akan mengubah persamaan K_c menjadi K_p sebagai berikut :

K_p =   (P_NO2)² / (P_N2O4)

P_NO2 dan P_N2O4 adalah tekanan parsial masing-masing gas pada saat kesetimbangan tercapai. Nilai K_p menunjukkan konstanta kesetimbangan yang dinyatakan dalam satuan tekanan (atm). K_p hanya dimiliki oleh sistem kesetimbangan yang melibatkan fasa gas saja.

Secara umum, nilai K_c tidak sama dengan nilai K_p, sebab besarnya konsentrasi reaktan dan produk tidak sama dengan tekanan parsial masing-masing gas saat kesetimbangan. Dengan demikian, terdapat hubungan sederhana antara K_c dan K_p yang dapat dinyatakan dalam persamaan matematis berikut :

K_p =  K_c (RT)^∆n

K_p =  konstanta kesetimbangan tekanan parsial gas

K_c =  konstanta kesetimbangan konsentrasi gas

R  =  konstanta universal gas ideal (0,0821 L.atm/mol.K)

T  =  temperatur reaksi (K)

∆n  =  Σ koefisien gas produk -  Σ koefisien gas reaktan

Selain kesetimbangan homogen fasa gas, terdapat pula sejumlah kesetimbangan homogen fasa larutan. Salah satu contoh kesetimbangan homogen fasa larutan adalah kesetimbangan ionisasi asam asetat (asam cuka) dalam air. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

CH₃COOH_(aq) ------->  CH₃COO^-_(aq) +  H⁺_(aq)

K_c =   [CH₃COO^-] [H⁺] / [CH₃COOH]

2. Kesetimbangan Heterogen

Kesetimbangan ini melibatkan reaktan dan produk dalam fasa yang berbeda. Sebagai contoh, saat padatan kalsium karbonat dipanaskan dalam wadah tertutup, akan terjadi reaksi berikut :

CaCO_3(s)  ------->  CaO_(s) +  CO_2(g)

Dalam reaksi penguraian padatan kalsium karbonat, terdapat tiga fasa yang berbeda, yaitu padatan kalsium karbonat, padatan kalsium oksida, dan gas karbon dioksida. Dalam kesetimbangan kimia, konsentrasi padatan dan cairan relatif konstan, sehingga tidak disertakan dalam persamaan konstanta kesetimbangan kimia. Dengan demikian, persamaan konstanta kesetimbangan reaksi penguraian padatan kalsium karbonat menjadi sebagai berikut :

K_c =  [CO₂]

K_p =  P_CO2

Baik nilai K_c maupun K_p tidak dipengaruhi oleh jumlah CaCO₃ dan CaO (jumlah padatan).

B.     Hukum Aksi Massa

Kesetimbangan kimia dinamis tercapai pada saat dua reaksi kimia yang berlawanan terjadi pada tempat dan waktu yang sama dengan laju reaksi yang sama. Ketika sistem mencapai kesetimbangan, jumlah masing-masing spesi kimia menjadi konstan (tidak perlu sama). Kadang-kadang, terdapat banyak produk (spesi kimia yang ada di sisi kanan tanda panah bolak-balik) ketika reaksi mencapai kesetimbangan. Tetapi, kadang-kadang, produknya justru sangat sedikit. Jumlah relatif dari produk dan reaktan dalam kesetimbangan dapat ditentukan dengan menggunakan konstanta kesetimbangan kimia (K) untuk reaksi tersebut.
Secara umum, untuk reaksi kesetimbangan hipotetis berikut :

a A  +  b B  ------->  c C  +  d D

Huruf besar menunjukkan spesi kimia dalam kesetimbangan kimia dan huruf kecil menyatakan koefisien reaksi pada reaksi kimia setara. Konstanta kesetimbangan kimia (K_eq) secara matematis dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

K_eq =  [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b

Persamaan K_eq dirumuskan oleh dua ahli kimia berkebangsaan Norwegia, yaitu Cato Guldberg dan Peter Waage, pada tahun 1864. Persamaan ini merupakan pernyataan matematis dari hukum aksi massa (law of mass action), yang menyatakan bahwa pada reaksi reversibel (bolak-balik, dua arah) yang mencapai keadaan kesetimbangan pada temperatur tertentu, perbandingan konsentrasi reaktan dan produk memiliki nilai tertentu (konstan), yaitu K_eq (konstanta kesetimbangan kimia). Bagian pembilang mengandung produk dari kedua spesi kimia yang berada di sisi kanan persamaan dengan masing-masing spesi kimia dipangkatkan dengan koefisien reaksinya dalam persamaan reaksi berimbang. Penyebutnya juga sama, tetapi digunakan spesi kimia yang berada di sebelah kiri persamaan reaksi. Oleh karena satuan yang digunakan dalam konstanta kesetimbangan kimia adalah konsentrasi (molaritas), para ahli kimia menggunakan notasi  K_c sebagai pengganti K_eq.

Nilai angka dari konstanta kesetimbangan kimia memberikan petunjuk tentang jumlah relatif dari produk dan reaktan. Nilai K_c juga memberikan petunjuk apakah kesetimbangan cenderung ke arah reaktan atau produk. Apabila nilai K_c jauh melebihi satu (K_c >> 1), kesetimbangan akan cenderung ke kanan (produk), sehingga jumlah produk lebih besar dibandingkan reaktan. Sebaliknya, apabila nilai K_c jauh di bawah satu (K_c << 1), kesetimbangan akan cenderung ke kiri (reaktan), sehingga jumlah reaktan lebih besar dibandingkan reaktan. (Oxtoby, dkk. 1999).

C.    Azas Le Chatelier

Bila pada sistem kesetimbangan diadakan aksi, maka sistem akan mengadakan reaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi itu menjadi sekecil-kecilnya.

Perubahan dari keadaan kesetimbangan semula ke keadaan kesetimbangan yang baru akibat adanya aksi atau pengaruh dari luar itu dikenal dengan pergeseran kesetimbangan.

Bagi reaksi: 

A  +  B   ------->   C  +  D

Kemungkinan terjadinya pergeseran:

1.      Dari kiri ke kanan, berarti A bereaksi dengan B membentuk C dan D, sehingga jumlah mol A dan B berkurang, sedangkan C dan D bertambah.

2.      Dari kanan ke kiri, berarti C dan D bereaksi membentuk A dan B, sehingga jumlah mol C dan D berkurang, sedangkan A dan B bertambah.

D.    Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Arah Kesetimbangan

1.      Perubahan Konsentrasi Salah Satu Zat

Apabila dalam sistem kesetimbangan homogen, konsentrasi salah satu zat diperbesar, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah yang berlawanan dari zat tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu zat diperkecil, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak zat tersebut.

Contoh: 2SO₂(g) + O₂(g)   ------->   2SO₃(g)

·         Bila pada sistem kesetimbangan ini ditambahkan gas SO₂, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

·         Bila pada sistem kesetimbangan ini dikurangi gas O₂, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

2.      Perubahan Volume Atau Tekanan

Jika dalam suatu sistem kesetimbangan dilakukan aksi yang menyebabkan perubahan volume (bersamaan dengan perubahan tekanan), maka dalam sistem akan mengadakan berupa pergeseran kesetimbangan. Jika tekanan diperbesar sama dengan volume diperkecil, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah koefisien reaksi kecil. Jika tekanan diperkecil sama dengan volume diperbesar, kesetimbangan akan bergeser ke arah jumlah koefisien reaksi besar.

Pada sistem kesetimbangan dimana jumlah koefisien reaksi sebelah kiri sama dengan jumlah koefisien sebelah kanan, maka perubahan tekanan/volume tidak menggeser letak kesetimbangan.

Contoh: 

N₂(g) + 3H₂(g)  ------->   2NH₃(g)

Koefisien reaksi di kanan = 2 dan koefisien reaksi di kiri = 4. Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperbesar (= volume diperkecil), maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan. Bila pada sistem kesetimbangan tekanan diperkecil (= volume diperbesar), maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri.

3.      Perubahan Suhu

Menurut Van't Hoff:

Bila pada sistem kesetimbangan subu dinaikkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membutuhkan kalor (ke arah reaksi endoterm).  Bila pada sistem kesetimbangan suhu diturunkan, maka kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah yang membebaskan kalor (ke arah reaksi eksoterm).

Contoh:

2NO(g) + O₂(g)  ------->   2NO₂(g) ; ΔH = -216 kJ

Jika suhu dinaikkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kiri. Jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke kanan.

4.      Pengaruh Katalisator Terhadap Kesetimbangan

Fungsi katalisator dalam reaksi kesetimbangan adalah mempercepat tercapainya kesetimbangan dan tidak merubah letak kesetimbangan (harga tetapan kesetimbangan K_c tetap), hal ini disebabkan katalisator mempercepat reaksi ke kanan dan ke kiri sama besar.

E.     Hubungan Antara Harga K_c Dengan K_p
Untuk reaksi umum:

a A(g) + b B(g)   ------->   c C(g) + d D(g)

Harga tetapan kesetimbangan:

K_c = [(C)^c . (D)^d] / [(A)^a . (B)^b]

K_p = (P_C^c x P_D^d) / (P_A^a x P_B^b)

di mana:

P_A, P_B, P_C dan P_D merupakan tekanan parsial masing-masing gas A, B, C dan D. Secara matematis, hubungan antara K_c dan K_p dapat diturunkan sebagai:

K_p = K_c (RT) Δⁿ

di mana Δn adalah selisih (jumlah koefisien gas kanan) dan (jumlah koefisien gas kiri).

Konsep kesetimbangan kimia sangat berguna dalam ilmu kimia. Konstanta kesetimbangan kimia digunakan dalam menyelesaikan berbagai permasalahan stoikiometri yang melibatkan sistem kesetimbangan. Dalam menggunakan K_c, konsentrasi reaktan dan produk saat kesetimbangan dilibatkan.