Meramalkan Arah Pergeseran Kesetimbangan Reaksi Kimia

Beberapa aturan yang berlaku dalam penentuan nilai konstanta kesetimbangan kimia saat reaksi kesetimbangan dimanipulasi (diubah) antara lain :

1.  Jika reaksi dapat dinyatakan dalam bentuk penjumlahan dua atau lebih reaksi, nilai konstanta kesetimbangan reaksi keseluruhan adalah hasil perkalian konstanta kesetimbangan masing-masing reaksi.

A  +  B   <===>   C  +  D                K_c’

C  +  D   <===>   E  +  F                 K_c’’

A  +  B   <===>   E  +  F                 K_c =  K_c’ x K_c’’

2.   Jika reaksi ditulis dalam bentuk kebalikan dari reaksi semula, nilai konstanta kesetimbangan menjadi kebalikan dari nilai konstanta kesetimbangan semula.
A  +  B  <===> C  +  D                  K_c’  =   [C] [D] / [A] [B]

C  +  D   <===> A  +  B                 K_c   =   [A] [B] / [C] [D]   =   1 / K_c’

3.      Jika suatu reaksi kesetimbangan dikalikan dengan faktor n, nilai konstanta kesetimbangan menjadi nilai konstanta kesetimbangan semula dipangkatkan dengan faktor n.

A  +  B   <===>   C  +  D                K_c’  =  [C] [D] / [A] [B]

2 A  +  2 B   <===>   2 C  +  2 D    K_c   =   [C]² [D]² / [A]² [B]² =  {  [C] [D] /  [A] [B] }²

                         =   (K_c’)²

Salah satu kegunaan konstanta kesetimbangan kimia adalah memprediksi arah reaksi. Untuk mempelajari kecenderungan arah reaksi, digunakan besaran Q_c, yaitu hasil perkalian konsentrasi awal produk dibagi hasil perkalian konsentrasi awal reaktan yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya. Jika nilai Q_c dibandingkan dengan nilai K_c, terdapat tiga kemungkinan hubungan yang terjadi, antara lain :

a.   Q_c < K_c, Sistem reaksi reversibel kelebihan reaktan dan kekurangan produk. Untuk mencapai kesetimbangan, sejumlah reaktan diubah menjadi produk. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah produk (ke kanan).

b.   Q_c =  K_c, Sistem berada dalam keadaan kesetimbangan. Laju reaksi, baik ke arah reaktan maupun produk, sama.

c.       Q_c > K_c, Sistem reaksi reversibel kelebihan produk dan kekurangan reaktan. Untuk mencapai kesetimbangan, sejumlah produk diubah menjadi reaktan. Akibatnya, reaksi cenderung ke arah reaktan (ke kiri).

Contoh soal:

Simak reaksi berikut: H_{2 (g)}  +  I_{2 (g)}  <===> 2HI _(g)  K_c = 49,5  (440⁰C). Umpama dalam suatu wadah tertutup terdapat H₂ 0,1 mol; I₂ 0,2 mol; dan HI 0,1 mol. Apakah kesetimbangan telah tercapai?

Solusi:

Hitung kuotion reaksi Q.              

Q = [HI]² / [H₂][I₂] = [0,1 mol]²/ [0,1 mol][0,2 mol] = 0,5

Oleh karena Q < K_c  maka reaksi belum setimbang. Reaksi akan berlangsung ke kanan sampai kesetimbangan diperoleh.

       Kondisi Optimum

Salah satu proses yang sangat berguna dalam industri kimia adalah proses Haber, yaitu sintesis gas amonia dari gas nitrogen dan gas hidrogen. Reaksi kimia yang terjadi dalam proses Haber adalah sebagai berikut :

N_2(g) +  3 H_2(g) → 2 NH_3(g)

Dengan cara penulisan ini, reaksi kimia menunjukkan bahwa gas hidrogen dan gas nitrogen bereaksi untuk menghasilkan gas amonia, dan hal ini akan terus berlangsung sampai salah satu atau kedua reaktannya habis. Tetapi, sesungguhnya, hal ini tidak sepenuhnya benar.

Apabila reaksi ini dilakukan dalam ruang tertutup (sebab reaktan maupun gas sama-sama berbentuk gas), gas nitrogen dan gas hidrogen akan bereaksi membentuk gas amonia. Namun, sebagian dari gas amonia tersebut akan segera terurai menjadi gas nitrogen dan gas hidrogen kembali, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan reaksi berikut :

2 NH_3(g) → N_2(g) +  3 H_2(g)

Oleh sebab itu, di dalam ruang tertutup tersebut, sesungguhnya terjadi dua reaksi yang saling berlawanan, yaitu gas nitrogen dan gas hidrogen bergabung menghasilkan gas amonia dan gas amonia terurai menghasilkan gas nitrogen dan gas hidrogen. Kedua reaksi tersebut dapat dituliskan secara bersamaan dengan menggunakan dua mata anak panah sebagai berikut :

N_2(g) +  3 H_2(g) <===>  2 NH_3(g)

Gas nitrogen dan gas hidrogen diletakkan di sisi kiri karena bahan itulah yang mula-mula dimasukkan ke dalam tempat reaksi. Kedua reaksi tersebut terjadi dengan kecepatan yang berbeda. Namun, cepat atau lambat, kecepatan kedua reaksi tersebut akan sama dan jumlah relatif dari gas nitrogen, gas hidrogen, dan gas amonia menjadi tetap (konstan).

Kesetimbangan kimia dapat diganggu oleh beberapa faktor eksternal. Pada pembahasan proses Haber di atas, diketahui bahwa nilai K_c pada proses Haber adalah 3,5.10⁸ pada suhu kamar. Nilai yang besar ini menunjukkan bahwa pada kesetimbangan, terdapat banyak gas amonia yang dihasilkan dari gas nitrogen dan gas hidrogen. Akan tetapi, masih ada gas nitrogen dan gas hidrogen yang tersisa pada kesetimbangan.

Seorang kimiawan berkebangsaan Perancis, Henri Le Chatelier, menemukan bahwa jika reaksi kimia yang setimbang menerima perubahaan keadaan (menerima aksi dari luar), reaksi tersebut akan menuju pada kesetimbangan baru dengan suatu pergeseran tertentu untuk mengatasi perubahan yang diterima (melakukan reaksi sebagai respon terhadap perubahan yang diterima). Jadi, sebuah sistem dalam kesetimbangan yang mengalami suatu tegangan akan beraksi sedemikian rupa sehingga cenderung melawan pengaruh tersebut. Prinsip ini dikenal dengan nama prinsip Le Chatelier. Untuk mendapatkan produk dalam jumlah yang lebih banyak, maka kesetimbangan dapat dimanipulasi dengan menggunakan prinsip Le Chatelier. (Oxtoby, dkk. 1999)

Contoh soal:

Perhatikan reaksi berikut!  

N_{2 (g)} +  O_{2 (g)}  <===>  2 NO _(g)    ∆H = +181 kJ

Ke arah mana reaksi bergeser jika tekanan diperbesar atau diperkecil?

Solusi:

      Jika tekanan diperbesar atau diperkecil, reaksi tidak bergeser karena jumlah koefisien ruas kiri dan ruas  kanan sama.