KESETIMBANGAN REAKSI

M.Eko Saputro
Universitas Islam Kadiri

KESETIMBANGAN DINAMIS
Mempelajari kesetimbangan dinamis secara visual
Bayangkan sebuah zat yang dapat berada dalam dua bentuk/warna, biru dan merah, masing-masing dapat bereaksi untuk menjadi yang lain (biru menjadi merah, merah menjadi biru). Kitaakan membiarkan mereka bereaksi dalam sistem tertutup, di mana tidak ada satu pun yang dapat keluar dari sistem ini.
Biru dapat berubah menjadi merah jauh lebih cepat daripada merah menjadi biru. Dan berikut adalah peluang (probabilitas) dari perubahan yang dapat terjadi. 3/6 biru berubah menjadi merah, dan 1/6 merah berubah menjadi biru.
Anda dapat mencobanya dengan kertas berwarna yang digunting kecil-kecil (dua warna) dan sebuah dadu.
Berikut adalah hasil dari 'reaksi' (simulasi) yang saya lakukan. Saya mulai dengan 16 potongan kertas biru. Saya melihat potongan-potongan itu satu per satu secara bergantian dan memutuskan apakah kertas yang saya lihat dapat berubah warna dengan melempar dadu.
Kertas biru dapat saya ganti dengan kertas merah apabila angka 4, 5 dan 6 keluar.
Kertas merah dapat saya ganti dengan kertas biru apabila angka 6 keluar pada saat saya melihat sebuah kertas merah.
Ketika saya selesai melihat ke-16 kertas itu, saya mulai lagi dari awal. Tapi tentu saja kali ini saya mulai dengan pola yang berbeda. Diagram di bawah ini menunjukkan hasil yang saya dapat setelah saya mengulang proses ini sebanyak 11 kali (dan saya tambahkan 16 potongan kertas biru yang saya punya pada awal simulasi).
Anda dapat melihat bahwa 'reaksi' berlangsung terus menerus. Pola yang terbentuk dari kertas merah dan biru terus berubah. Tapi, yang mengejutkan ialah, jumlah keseluruhan dari masing-masing kertas warna biru dan merah tetap sama, di mana dalam berbagai situasi, kita dapatkan 12 kertas warna merah dan 4 kertas warna biru.
Catatan : Sejujurnya, hasil akhir ini diperoleh secara kebetulan karena simulasi ini dilakukan dengan jumlah kertas yang sangat sedikit. Apabila Anda melakukan simulasi ini dengan jumlah kertas yang lebih banyak (misalnya beberapa ribu kertas), Andaakan mendapati proporsi yang terbentuk akan mendekati 75% merah dan 25% biru (suatu simulasi yang sangat membosankan, tentunya).
Apabila Anda mempunyai sejumlah besar partikel yang turut ambil bagian dalam sebuah reaksi kimia, proporsinya akan mendekati 75%:25%.
Penjelasan tentang "kesetimbangan dinamis"
Reaksi (simulasi) di atas telah mencapai kesetimbangan dalam arti tidak akan perubahan lebih lanjut dalam jumlah kertas biru dan merah. Namun demikian, reaksi ini masih terus berlangsung. Untuk setiap kertas merah yang berubah warna jadi biru, ada kertas biru yang berubah jadi merah di suatu tempat dalam campuran tersebut.
Inilah yang kita kenal sebagai "kesetimbangan dinamis". Kata "dinamis" menunjukkan bahwa reaksi itu masih terus berlangsung.
Anda dapat menggunakan tanda panah khusus untuk memperlihatkan bahwa ada kesetimbangan dinamis pada persamaan reaksi. Untuk kasus yang kita bahas di atas, Anda dapat menulis seperti demikian :
Yang perlu kita perhatikan di sini ialah, ini tidak hanya berarti bahwa reaksi tersebut merupakan reaksi timbal balik, tapi ini menunjukkan bahwa reaksi ini adalah reaksi timbal balik yang berada dalam kesetimbangan dinamis.
Pergeseran Kesetimbangan
Pergeseran dari kiri ke kanan dalam persamaan (dalam hal ini, dari warna biru ke warna merah) disebut 'pergeseran kesetimbangan ke kanan' dan dari kanan ke kiri disebut 'pergeseran kesetimbangan ke kiri'
Posisi kesetimbangan
Dalam contoh yang kita pakai, campuran kesetimbangan terdiri dari lebih banyak warna merah daripada warna biru. Posisi kesetimbangan dapat menggambarkan situasi ini. Kita dapat mengatakan bahwa:

• Posisi kesetimbangan condong ke merah
• Posisi kesetimbangan condong ke sebelah kanan
Apabila kondisi praktikum berubah (dengan mengubah peluang terjadinya pergeseran kesetimbangan ke kanan maupun ke kiri), komposisi dari campuran kesetimbangan itu sendiri punakan berubah.
Contohnya, apabila dengan mengubah kondisi praktikum kita dapat memproduksi lebih banyak warna biru di dalam campuran kesetimbangan, kita bisa mengatakan bahwa "Posisi kesetimbangan bergeser ke kiri" atau "Posisi kesetimbangan bergeser ke warna biru".
Catatan: Apabila Anda tertarik, cobalah perbesar peluang warna merah berubah menjadi biru dari 1/6 menjadi 2/6 untuk melihat efeknya pada posisi kesetimbangan. Dengan kata lain, biarkanlah warnanya berubah apabila angka 5 atau angka 6 keluar pada saat dadu dilempar.
Mencapai kesetimbangan dari sisi yang lain
Apa yang terjadi bila Anda memulai reaksi dengan warna merah dan bukan warna biru namun tetap memberi kesempatan untuk berubah warna seperti di contoh pertama ? Ini adalah hasil dari percobaan saya.
Sekali lagi Anda dapat melihat konfigurasi yang terjadi sama persis dengan percobaan pertama di mana kita mulai dengan warna biru. Anda akan mendapat konfigurasi kesetimbangan yang sama tanpa dipengaruhi dari sisi mana Anda memulai reaksi.
Ingat: Anda tidak akan mendapat hasil yang sama bila menggunakan jumlah potongan kertas (yang melambangkan jumlah partikel) yang terlalu sedikit. Fluktuasi perubahanakan sangat mudah terlihat. Sekali lagi, apabila Anda menggunakan potongan kertas dalam jumlah besar, proporsi kesetimbangan akan menjadi 75% merah dan 25% biru. Dengan jumlah potongan kertas yang saya gunakan, kita mendapat hasil reaksi yang sangat dekat dengan proporsi rata-rata.
Kesetimbangan Dinamis, lagi, dengan lebih formal
Kecepatan Reaksi
Ini adalah persamaan untuk sebuah reaksi biasa yang telah mencapai kesetimbangan dinamis.
Bagaimana reaksi ini bisa mencapai keadaan tersebut? Anggap saja kita mulai dengan A dan B.
Pada awal reaksi, konsentrasi A dan B pada mula-mula ada pada titik maksimum, dan itu berarti kecepatan reaksi juga ada pada titik maksimum.
Seiring berjalannnya waktu, A dan B bereaksi dan konsentrasinya berkurang. Ini berarti, jumlah partikelnya berkurang dan kesempatan bagi partikel A dan B untuk saling bertumbukan dan bereaksi berkurang, dan ini menyebabkan kecepatan reaksi juga berangsur-angsur berkurang.
Pada awalnya tidak ada C dan D sama sekali sehingga tidak mungkin ada reaksi di antara keduanya. Seiring berjalannya waktu, konsentrasi C dan D bertambah banyak dan keduanya menjadi mudah bertumbukan dan bereaksi.
Dengan berlangsungnya waktu, kecepatan reaksi antara C dan D pun bertambah.
Akhirnya, kecepatan reaksi antara keduanya mencapai titik yang sama di mana kecepatan reaksi A dan B berubah menjadi C dan D sama dengan kecepatan reaksi C dan D berubah menjadi A dan B kembali.
Pada saat ini, tidak akan ada lagi perubahan pada jumlah A, B, C, D di dalam campuran. Begitu ada partikel yang berubah, partikel tersebut terbentuk kembali berkat adanya reaksi timbal balik. Pada saat inilah kita mencapai kesetimbangan kimia.

KESETIMBANGAN REAKSI DALAM INDUSTRI

Tujuan: menunjukkan bagaimana hukum kesetimbangan diaplikasikan, pada kehidupan
sehari-hari atau yang sudah mendunia, untuk memperoleh kondisi yang menguntungkan agar tercapai produksi bahan kimia yang ekonomis.




Banyak aspek-aspek dan prinsip-prinsip yang fundamental yang ditentukan oleh kesetimbangan kimia teraplikasikan di dunia dalam produksi industri amonia. Lebih banyak amonia yang diproduksi daripada bahan kimia lain. Produksi tahunannya berjumlah sekitar 200 juta ton.

Termodinamika

Amonia diproduksi dari H2 dan N2. Entalpi pada reaksi ini adalah -46 kJ/mol NH3. Reaksi kesetimbangannya adalah :





Ini merupakan nilai Kc yang sangat besar, menunjukkan bahwa konversi gas hidrogen dan gas nitrogen menjadi amonia sempurna. Namun, reaksi sangat lambat, dalam praktek, amonia tidak terbentuk. Ini berkaitan dengan karakter inert dari molekul nitrogen yang kedua atomnya terikat oleh ikatan rangkap tiga. Kuantitas termodinamika Kc tidak memberikan indikasi laju reaksi.
Perkembangan proses produksi industri

Bagaimana mempercepat laju reaksinya ? (mesin kesetimbangannya ditunjukkan pada ilustrasi E20).

Salah satu caranya adalah dengan meningkatkan temperatur reaksi. Aturan umum bahwa laju reaksi meningkat oleh, rata-rata, faktor 2 sampai 3 (bergantung pada energi aktivasi) pada setiap kenaikan temperatur sebesar 10°C. Dengan demikian, kenaikan temperatur dari 25 menjadi 100°C memungkinkan kenaikan laju reaksi sampai sekitar 1030.

Temperatur yang tinggi secara alami membutuhkan banyak energi dan instalasi pembangun yang khusus. Namun, peningkatan temperatur tidak menjadi solusi, karena Kc akan menjadi kecil seiring dengan meningkatnya temperatur, disebabkan oleh reaksinya yang eksotermik.

Reaksi mungkin terjadi dengan baik pada temperatur yang lebih tinggi, tetapi kondisi kesetimbangan kurang baik!

Apa yang dapat dilakukan untuk menggeser kesetimbangan reaksi menuju produk yang diinginkan? Salah satu pilihannya adalah dengan meningkatkan jumlah reaktan (dengan meningkatkan konsentrasinya). Dengan cara ini, kondisi kesetimbangan dapat digeser ke arah produk yang diinginkan.

Ini dapat dicapai dengan mengurangi volume reaktan dan meningkatkan tekanan parsialnya, sehingga tekanan total pada reaksi dapat tertingkatkan juga.
Kesetimbangan sintesis selalu digeser ke arah produk dengan meningkatkan tekanan parsial dari masing-masing reaktan. Karena empat molekul reaktan diubah pada sintesis menjadi dua molekul produk, kesetimbangan akan bergeser ke arah produk.

Pada tabel di berikut, pengaruh dari peningkatan tekanan total (dengan meningkatkan tekanan parsial dan konsentrasi awal reaktan [ ]i) terhadap derajat konversi yang diberikan untuk reaksi kesetimbangan pada 400 °C (Kc = 0.41).

Derajat konversi meningkat tajam dengan meningkatnya tekanan dari 1 sampai 630 bar. Ini memberikan solusi logis untuk masalah : temperatur reaksi yang sangat tinggi dilakukan untuk memperoleh laju reaksi yang cepat, kemudian dikombinasikan dengan instalasi tekanan tinggi untuk memperoleh derajat konversi yang besar. Namun, solusi ini tidak menjanjikan, karena instalasi tekanan tinggi harganya mahal dan juga berisiko terjadinya ledakan.

Fritz Haber (1968-1934) dan Carl Bosch (1874-1940), dihadapkan dengan respon yang negatif ini, setelah penelitian intensif, mereka menawarkan kemungkinan metode lain dengan mengajukan penggunaan katalis. Katalis, dengan jumlah yang sedikit pada campuran reaksi, tidak mengubah kondisi kesetimbangan, tetapi dapat mempercepat reaksi.

Setelah penelitian yang intensif, mereka menemukan adanya besi yang tercampur secara baik dengan aluminium, silikon, magnesium, dan kalium oksida. Mereka memperoleh hasil yang diinginkan. Pada tahun 1919, Haber diberi Hadiah Nobel untuk penemuannya ini. Kegunaan katalis ini dapat diaplikasikan pada proses sintesis amonia dengan temperatur dan tekanan yang rendah, hal ini menguntungkan karena dapat mengurangi biaya instalasi dan mengurangi bahaya ledakan dan meningkatkan reabilitas proses.

 Proses Haber – Bosch :

1. Merupakan proses yang sangat penting dalam industri kimia karena amoniak merupakan bahan utama dalam pembuatan berbagai barang misal : pupuk urea, asam nitrat, dan senyawa nitrogen.

2. Bisa dipakai sebagai pelarut karena kepolaran amoniak cair hampir menyamai kepolaran air.

 Proses Kontak :
 Adalah proses pembuatan asam sulfat secara besar-besaran. Digunakan untuk pembuatan pupuk amonium sulfat, pada proses pemurnian minyak tanah, pada industri baja untuk menghilangkan karat besi sebelum bajanya dilapisi timah atau seng, pada pembuatan zat warna, obat-obatan, pada proses pemurnian logam dengan cara elektrolisa, pada industri tekstil dll.

 Pada proses kontak bahan yang dipakai adalah belerang murni yang dibakar di udara :
S + O2 SO2

 SO2 yang terbentuk dioksidasi di udara dengan memakai katalisator :
2 SO2 + O2 2SO3 + 45 kkal

 Katalis yang dipakai adalah vanadium penta-oksida (V2O5).
 Makin rendah suhunya maka makin banyak SO3 yang dihasilkan, tapi reaksi yang berjalan lambat.
 Dengan memperhitungkan faktor waktu dan hasil dipilih suhu 400oC dengan hasil kurang lebih 98%.
 Karena SO3 sukar larut dalam air maka dilarutkan H2SO4 pekat.
 SO3 + H2SO4 H2S2O7 (asam pirosulfat)
 H2S2O7 + H2O 2 H2SO4


Saat ini, 1000 reaktor memproduksi rata-rata 500 ton amonia setiap hari. Komposisi aktual dari katalis telah berganti (rutenium pada substrat grafit), tetapi tekanan dan temperatur secara umum sama : 100 sampai 200 bar dan 350 sampai 500 °C.

Ilustrasi E23 menunjukkan bagaimana sintesis amonia diaplikasikan secara praktis. Secara industri, sintesis tidak terjadi pada wadah yang tertutup. Amonia terbentuk dalam proses yang berkelanjutan yang mana di dalamnya keadaan stasioneri lebih dicapai daripada kesetimbangan nyata. Meskipun demikian, hukum kesetimbangan memperlihatkan bahwa kondisi optimum dapat diprediksi. Penting dicatat bahwa panas reaksi yang dilepaskan selama sintesis akan digunakan untuk memanaskan aliran gas yang masuk. Ini menunjukkan bagaimana suatu industri berhati-hati dalam hal konversi energi.

Bagaimana reaktan dihasilkan ? 78% dari udara di sekitar adalah gas nitrogen, sehingga ini merupakan sumber nitrogen yang siap pakai. Setelah memindahkan gas-gas selain nitrogen, nitrogen murni diperoleh. Metana (CH4) yang diperoleh dari gas alam biasa digunakan sebagai sumber hidrogen (lihat modul petrokimia; steam cracking) :


Reaksi ini dijalankan pada suhu 850 °C (berkaitan dengan sifat alaminya yang endotermik) dengan keberadaan katalis NiO. Konstanta kesetimbagnan adalah sekitar 10 pada 850 °C, sehingga tekanan yang tinggi tidak dibutuhkan.



Langkah-langkah di dalam proses dapat dilihat pada ilustrasi E23 :

gas-gas sintesis memasuki wadah, tekanan meningkat;
gas dipanaskan (T meningkat);
N2 dan H2 dilewatkan melalui permukaan katalis;
konversi parsial dari N2 dan H2 menjadi NH3 terjadi the liberated heat is removed (T and p decrease);
campuran reaksi didinginkan lebih lanjut untuk mengkondensasi amonia (T dan P turun);
amonia dipindahkan;
tekanan digunakan pada N2 and H2 yang tidak bereaksi dan gas-gas ini selanjutnya akan digunakan pada produksi amonia.




KESETIMBANGAN KIMIA DALAM INDUSTRI

Banyak proses industri zat kimia yang didasarkan pada reaksi kesetimbangan. Agar efesien, kondisi reaksi harus menggeser kesetimbangan ke arah produk dan meminimalkan reaksi balik. Misalnya:
1. Pembuatan Amonia menurut proses Haber-Bosch, Nitrogen terdapat melimpah di udara, yaitu sekitar 78% volume. Walaupun demikian, senyawa nitrogen tidak terdapat banyak di alam. Satu-satunya sumber alam yang penting ialah NaNO3 yang disebut Sendawa Chili. Sementara itu, kebutuhan senyawa nitrogen semakin banyak, misalnya untuk industri pupuk, dan bahan peledak. Oleh karena itu, proses sintesis senyawa nitrogen, fiksasi nitrogen buatan, merupakan proses industri yang sangat penting. Metode yang utama adalah mereaksikan nitrogen dengan hidrogen membentuk amonia. Selanjutnya amonia dapat diubah menjadi senyawa nitrogen lain seperti asam nitrat dan garam nitrat.

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah :

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukan NH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dilain pihak, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O. Seiring dengan kemajuan teknologi, digunakanlah tekanan yang jauh lebih besar, bahkan mencapai 700 atm. Untuk mengurangi reaksi balik, maka amonia yang terbentuk segera dipisahkan. Mula-mula campuran gas nitrogen dan hidrogen dikompresi (dimampatkan) hingga mencapai tekanan yang diinginkan. Kemudian campuran gas dipanaskan dalam suatu ruangan yang bersama katalisator sehingga terbentuk amonia. Diagram alur dari proses Haber-bosch untuk sintesis amonia :

2. Pembuatan asam sulfat menurut proses kontak industri lainnya yang berdasarkan reaksi kesetimbangan yaitu pembuatan asam sulfat yang dikenal dengan proses kontak. Reaksi yang terjadi dapat diringkas sebagai berikut:
a. Belerang dibakar dengan udara membentuk belerang dioksida

b. Belerang dioksida dioksidasi lebih lanjut menjadi belerang trioksida.

c. Belerang trioksida dilarutkan dalam asam sulfat pekat membentuk asam pirosulfat.

d. Asam pirosulfat direaksikan dengan air membentuk asam sulfat pekat.

Tahap penting dalam proses ini adalah reaksi (2). Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan dan eksoterm. Sama seperti pada sintesis amonia, reaksi ini hanya berlangsung baik pada suhu tinggi. Akan tetapi pada suhu tinggi justru kesetimbangan bergeser ke kiri. Pada proses kontak digunakan suhu sekitar 500oC dengan katalisator V2O5. Sebenarnya tekanan besar akan menguntungkan produksi SO3, tetapi penambahan tekanan ternyata tidak diimbangi penambahan hasil yang memadai. Oleh karena itu, pada proses kontak tidak digunakan tekanan besar melainkan tekanan normal, 1 atm. Dalam industri kimia, jika campuran reaksi kesetimbangan mencapai kesetimbangan maka produk reaksi tidak bertambah lagi. Akan tetapi produk reaksinya diambil atau disisihkan, maka akan menghasilkan lagi produk reaksi.

Amonia yang terbentuk dipisahkan dari campuran kesetimbangan dengan cara pencarian dari gas nitrogen di daur ulang ke wadah reaksi untuk menghasilkan produk reaksi.
Banyak proses alamiah dalam kehidupan sehari-hari berkaitan dengan perubahan konsentrasi pada sistem kesetimbangan. pH darah dan jaringan badan kira-kira 7,4 . Harga ini diatur dalam darah berada dalam kesetimbangan dengan ion hidrogen karbonat dan ion hidrogen.

Jika konsentrasi ion hidrogen bertambah, ion-ion ini bereaksi dengan ion hidrogen karbonat. Jika konsentrasi ion hidrogen terlampau rendah, asam karbonat bereaksi menghasilkan hidrogen.

Oksigen diangkut dari paru-paru ke sel badan oleh haemoglobin dalam sel darah merah. Dalam paru-paru, konsentrasi oksigen cukup tinggi dan haemoglobin bereaksi dengan oksigen membentuk oksihemoglobin. Reaksi ini dapat ditulis,

Dalam jaringan tubuh, konsentrasi oksigen rendah, sehingga reaksi sebaliknya yang terjadi, yaitu menghasilkan oksigen untuk digunakan dalam sel tubuh. Ketika oksigen diangkut dari paru-paru ke jaringan tubuh, karbon dioksida yang dihasilkan oleh respirasi sel angkut dari jaringan tubuh ke paru-paru.

Dalam jaringan tubuh karbon dioksida yang konsentrasinya relatif tinggi melarut dalam darah bereaksi dengan air membentuk asam karbonat.

Dalam paru-paru di mana konsentrasi karbon dioksida relatif rendah, reaksi sebaliknya yang terjadi dan karbon dikeluarkan dari darah ke udara.

Batu kapur CaCO3 tidak melarut dalam air murni, namun melarut dalam air tanah yang mengandung CO2 terlarut, membentuk kalsium hidrogen karbonat yang melarut.

Reaksi di atas dapat dianggap sebagai jumlah dua reaksi kesetimbangan.

Jika air tanah mengalir melalui daerah berkapur, maka batu kapur melarut. Jika air berjumpa dengan udara yang mengandung sedikit karbondioksida maka karbon dioksida akan dilepaskan dari larutan ke udara, sehingga kalsium karbonat mengendap.