Tetapan kesetimbangan Kimia

Tetapan Kesetimbangan

       Pada suhu tetap, dalam suatu reaksi kesetimbangan terdapat hubungan antara konsentrasi pereaksi (reaktan) dengan konsentrasi hasil reaksi (produk) terhadap tetapan kesetimbangan (K).

       Dalam suatu kesetimbangan kimia berlaku hukum Kesetimbangan yang dikenal juga dengan hukum Aksi Massayang dikemukakan oleh Cato Maximillian Guldberg dan Peter Waage.

Dalam keadaan setimbang pada suhu tertentu, hasil kali konsentrasi hasil reaksidibagi dengan hasil kali konsentrasi pereaksi yang ada dalam sistem kesetimbanganyang masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya mempunyai harga tetap.

Hasil bagi tersebut dinamakan tetapan kesetimbangan (K). Jadi harga tetapan kesetimbangan berdasarkan konsentrasi (K_c) adalah hasil kali konsentrasi zat-zat hasil reaksi dibagi dengan hasil kali konsentrasi pereaksi yang masing-masing zat dipangkatkan dengan koefisiennya. Perhitungan harga tetapan kesetimbangan tergantung dari jenis reaksinya.

1.    Kesetimbangan Homogen

Perhatikan reaksi berikut.

         aA   +   bB             cC   +   dD

                           [C]^c.[D]^d

Jadi, harga K_c = ^__________

                           [A]^a.[B]^b

Perhatikan tabel berikut.

Reaksi Kesetimbangan	Harga Kc
N2 (g)   +   3H2 (g)                    2NH3 (g)	[NH3]2 Kc =  ___________          [N2].[H2]3
2NO2 (g)               N2O4 (g)	[N2O4] Kc =  _________           [NO2]2
Fe3+(aq)   +   CNS-(aq)              Fe(CNS)2+(aq)	[Fe(CNS)2+] Kc =  ________________          [Fe3+ ].[CNS-]

2.    Kesetimbangan Heterogen

Pada kesetimbangan heterogen, zat-zat yang berada pada keadaan setimbang memiliki fase yang berbeda. Pada kesetimbangan heterogen, fase zat yang berpengaruh dalam penentuan K_c atau dalam pergeseran kesetimbangan adalah sebagai berikut :

a.         Jika terdapat fase gas (g) dan fase padat (s), yang menentukan harga K_c adalah fase gas (g).

Contoh : CaCO_{3 (s)}                     CaO _(s)   +   CO_{2 (g)}         K_c = [CO₂]

b.        Jika terdapat fase gas (g) dan fase cair (l), yang menentukan harga K_c adalah fase gas (g).

Contoh : H₂O _(l)                  H₂O _(g) K_c = [H₂O]

c.         Jika terdapat fase larutan (aq) dan fase cair (l), yang menentukan harga K_c adalah fase larutan (aq)

Contoh : CH₃COOH _(aq)   +   H₂O _(l)                   CH₃COO^- _(aq)   +   H₃O_(aq)

             [CH₃COO^-].[ H₃O⁺]

 K_c=   ^{________________________}

                 [CH₃COOH]

d.        Jika terdapat fase larutan (aq) dan fase padat (s), yang menentukan harga K_cadalah fase larutan (aq).

Contoh : BaSO_{4 (s)}               Ba²⁺_(aq)   +   SO₄^2-_(aq)

 K_c = [Ba²⁺].[SO₄^2-]

e.         Jika terdapat fase gas (g), fase cair (l) dan fase padat (s), yang menentukan harga K_c adalah fase gas (g).

Contoh : Ca(HCO₃)_{2 (aq)}                   CO_{3 (s)}  +   CO_{2 (g)}   +   H₂O_(l)

                                       K_c = [CO₂]  

A.     Hubungan Kuantitatif Antara Pereaksi dengan Hasil Reaksi

1.      Tetapan Kesetimbangan Berdasarkan Konsentrasi (K_C)

Untuk reaksi kesetimbangan :

aA + bB               cC + dD

maka :

               K_c = [C]^c[D]^d

              [A]^a[B]^b

Contoh soal :

Pada suhu tertentu terdapat reaksi kesetimbangan :

2SO₃(g)               2SO₂(g)   +   O₂(g)

Jika pada keadaan setimbang terdapat 0,04M gas SO₃,  0,02M gas SO₂, dan0,01M gas O₂, tentukan harga K_C!

Penyelesaian :

Diketahui      : Setimbang : [SO₃] = 0,04M

                                        [SO₂] = 0,02M

                                               [O₂]   = 0,01M

Ditanya      : K_C = ..... ?

Jawab          : 

           [SO₂]² [O₂]          (0,02)²(0,01)

K_C =                    =                          = 2,5 x 10^-3

               [SO₃]²                  (0,04)²

Jadi, K_C = 2,5  x  10^-3

Contoh soal :

Ke dalam wadah 1 liter dimasukkan 3 mol gas CO dan 3 mol gas H₂O, sesuai dengan reaksi kesetimbangan :

CO(g)   +   H₂O(g)               CO₂(g)   +   H₂(g)

Jika pada keadaan setimbang terdapat 0,5 mol gas CO₂,  tentukan harga K_C!  

Penyelesaian  :

Diketahui       : Volume = 1 L

Mula-mula : mol CO = 3 mol

mol H₂O = 3 mol

Setimbang : mol CO₂   = 0,5 mol

Ditanya          : K_C= ..... ?

Jawab            : 

	CO(g)       +      H2O(g)                CO2(g)     +        H2(g)
Mula-mula	3 mol	3 mol	-	-
Bereaksi	0,5 mol	0,5 mol	0,5 mol	0,5 mol
Setimbang	2,5 mol	2,5 mol	0,5 mol	0,5 mol

                    2,5 mol                                            2,5 mol

● [CO]_setimbang =            =  2,5M   ● [H₂O]_setimbang =                 =  2,5M

                   1 liter                                                 1 liter

                      0,5 mol                                               0,5 mol

● [CO₂]_setimbang =                  = 0,5M    ● [H₂]_setimbang =                   = 0,5M

                        1 liter                                                 1 liter

    [CO₂] [H₂]              (0,5M)(0,5M)

              K_C =                        =                                  =  0,04

      [CO][H₂O]            (2,5M)(2,5M)                                                       

Jadi, K_C = 0,04

Contoh soal:

Tetapan kesetimbangan reaksi 2HCl(g)              H₂(g)   +   Cl₂(g) adalah 0,16.

Jika 3 mol HCl dibiarkan terurai sampai terjadi kesetimbangan, tentukan jumlah mol gas Cl₂ pada saat kesetimbangan!  

Penyelesaian  :

Diketahui       : K_C = 0,16

Mula-mula       : mol HCl   = 3 mol                         

Ditanya           : Mol HCl _setimbang  = ..... ?

Jawab             : 

	2HCl(g)              H2(g)        +       Cl2(g)
Mula-mula	3 mol	-	-
Bereaksi	2x mol	x mol	x mol
Setimbang	(3 – 2x) mol	x mol	x mol

           [H₂] [Cl₂]                        ( x) (x)                                x ²

K_C =                            0,16  =                        (0,4)²= 

             [HCl]²                                 (3 – 2x)²                                    (3 – 2x)

                             x

               0,4 =                                    x = 1,2 – 0,8x

                          (3 – 2x)

              1,8x = 1,2                             x = 0,67

              Jadi, x =  mol Cl₂  =  0,67 mol

Contoh soal :

Tetapan kesetimbangan reaksi A(g)   +   B(g)               C(g)  adalah ⅛.

Tentukan jumlah mol zat A yang harus dicampur dengan 3 mol zat B dalam volume 1 liter untuk dapat menghasilkan 1 mol zat C pada kesetimbangan!  

Penyelesaian  :

Diketahui       :     K_C = ⅛

                              Mula-mula : mol B  = 3 mol 

                              Volume = 1 L

Ditanya          :   Mol A_mula-mula= ..... ?

Jawab            : 

	A(g)               +           B(g)               C(g)
Mula-mula	x mol	3 mol	-
Bereaksi	1 mol	1 mol	1 mol
Setimbang	(x – 1) mol	2 mol	1 mol

 

            (x – 1) mol

[A] =                         =  (x – 1)M

                1L

              2 mol

[B] =                      = 2 M

              1 L

              1 mol

[C] =                      = 1 M

              1 L

             [C]                                                                                 

K_C  =                                                                    

            [A][B]     

                                                                                

 ⅛   =   

2x - 2 =  8

   x = 5

Jadi, x =  mol A_mula-mula  =  5 mol

2.      Tetapan Kesetimbangan Berdasarkan Tekanan Parsial (K_p)

       Jika tekanan (P) masing-masing gas belum diketahui, maka untuk menghitung tekanan gas tersebut digunakan rumus :

                   koefisien gas A                                            mol gas A

P_{gas A}  =                                 x  P_total   atau    P_{gas A}  =                           x  P_total

                koefisien total gas                                          mol total gas

Menurut persamaan reaksi :

mA_(g)+ n B _{(g )}               p C_(g) + q D_(g)

maka :

               K_p = [P_C]^p[P_D]^q

                         [P_A]^m[P_B]ⁿ

Contoh soal :

Pada reaksi kesetimbangan :

2SO₂(g)   +   O₂(g)               2SO₃(g)

Tekanan parsial masing gas SO₂, O_2, dan SO₃ adalah 2 atm, 3 atm, dan 4 atm. Tentukan harga Kp!

Penyelesaian  :

Diketahui       : Setimbang :

P SO₂ = 2 atm

P O₂  = 3 atm

                            P SO₃ = 4 atm

Ditanya           : Kp = ..... ?

Jawab             : 

             ( PSO₃)²               (4)²                      16

Kp =                           =                  =                =   1,33

        ( PSO₂)²(P O₂)          (2)^2.(3)            12

Jadi Kp = 1,33

Contoh soal :

Pada reaksi kesetimbangan :

N₂(g)    +   3H₂(g)                 2NH₃(g)

Jika pada keadaan setimbang, tekanan total = 12 atm, tentukan harga Kp!

Penyelesaian  :

Diketahui       : Dalam keadaan setimbang :

Karena mol zat tidak diketahui, maka gunakan koefisien zat :

                ● koefisien gas  N₂ = 1

                ● koefisien gas H₂    = 3     koefisien total = 1 + 3 + 2 = 6

                ● koefisien gas NH₃ = 2

                ● P total  = 12 atm

Ditanya           : Kp = ..... ?

Jawab             : 

                       koefisien N₂                             1

● P N₂=                                  x  P total  =           x  12 atm  =  2 atm

                  koefisien total gas                         6

                    koefisien H₂                                      3

● P H₂=                                  x  P total =           x  12 atm  =  6 atm

                  koefisien total gas                     6

                    koefisien NH₃                                2

● P NH₃ =                                  x  P total  =           x  12 atm  =  4 atm

                     koefisien total gas                          6

           ( P NH₃)²                  (4)²               16

Kp =                         =                    =               = 0,037

         ( P N₂)(P H₂)³               ( 2)^.(6)        432

Jadi Kp = 0,037

Contoh soal :

10 mol gas 2SO₃(g) mengalami reaksi kesetimbangan :

2SO₃(g)              2SO₂(g)   +   O₂(g)

Jika pada keadaan setimbang, jumlah mol total gas = 12 mol dan tekanan total = 6 atm, tentukan harga Kp!

Penyelesaian  :

Diketahui       : mula-mula :● mol SO₃ = 10 mol

                dalam keadaan setimbang : ● mol total = 12 mol

                                                           ● tekanan total = 6 atm               

Ditanya           : Kp = ..... ?

Jawab             :

Dimisalkan gas SO₃ yang bereaksi = x mol

	2SO3(g)              2SO2(g)+   O2(g)
Mula-mula	10 mol	-	-
Bereaksi	x mol	x mol	½x mol
Setimbang	(10 – x) mol	x mol	½x mol

mol SO₃  +  mol SO₂  +  mol O₂  =  mol total

  (10 – x)   +      (x)  +      (½x)   =   12

      x = 4

sehingga : mol SO₃ = (10 – x) = (10 – 4) = 6 mol

mol SO₂ =  x  = 4 mol

                   v  mol O₂  = ½x         =    ½  x  4    = 2 mol

                     mol SO₃                                              6

● P SO₃   =                          x  P total  =              x  6 atm  =  3 atm

                     mol total gas                           12

                      mol SO₂                                             4

● P SO₂   =                             x  P total  =           x  6 atm  =  2 atm

                      mol total gas                          12

                      mol O₂                                               2

● P O₂     =                             x  P total  =           x  6 atm  =  1 atm

                    mol total gas                           12

           (P SO₂)²(P O₂)         (2)²(1)            4           

Kp =                           =                      =               

              P(SO₃)²                         (3)²               9

                    4

Jadi,Kp =

                    9

3.      Hubungan K_p dan K_c

P x V = n x R x T

Tekanan suatu gas sangat bergantung pada jumlah gas dan volume yang ditempatinya. Hubungan ini dapat dijelaskan dengan persamaan gas ideal.

Keterangan :

P  = tekanan (atm)

V = volume (L)

n  = jumlah mol gas (mol)

T = suhu (K)

R = 0,082 L atm mol^-1 K^-1

Untuk suatu gas, yang terdapat dalam campuran beberapa gas, tekanan parsial dapat ditentukan dengan rumus berikut.

P =  x R x T

 

           

Dimana nilai   = Kemolaran (konsentrasi gas)

Perhatikan persamaan reaksi kesetimbangan gas secara umum:

aM_(g)    +   bN_(g)   cR_(g)  +  dS_(g)

Tetapan kesetimbangan berdasarkan persamaan ini, yaitu :

K_P     =                                Kc       =

Berdasarkan persamaan gas ideal, tekanan parsial masing-masing gas dapat ditulis sebagai berikut :

P_R      = [R] RT                                  P_M          = [M] RT                                            

P_S        = [s] RT                                   P_N           = [N] RT

Harga-harga tersebut disubstitusikan ke dalam persamaan Kp, sehingga dihasilkan :

K_P       =

          =

             = K_C

K_P       = K_C

Jika c + d = x = jumlah koefisien ruas kanan (hasil reaksi)

        a + b = y = jumlah koefisien ruas kiri (pereaksi)

sehingga dapat diturunkan hubungan K_P dengan K_C sebagai berikut :

K_P       = K_C atau K_P              = K_C

* x-y = n, yaitu selisih jumlah koefisien ruas kanan dengan jumlah koefisien  ruas kiri.

Keterangan :

K_p = tetapan kesetimbangan tekanan gas (atm)

Δn = selisih jumlah koefisien gas kanan dan jumlah koefisien gas kiri

R = tetapan gas = 0,082 L atm mol^–1K^-1

T = suhu (K = °C + 273)

Contoh soal :

Dalam volume 2 L dimasukkan 5 mol gas PCl₅ dan dibiarkan terjadi kesetimbangan dengan persamaan reaksi :

PCl₅(s)                PCl₃(g)   +   Cl₂(g)

Jika pada keadaan setimbang, terdapat 2 mol Cl₂ tentukan harga Kp pada pengukuran suhu 27^oC !

Penyelesaian  :

Diketahui       : Volume = 2 L

dalam keadaan setimbang : ● mol = 2mol               

Ditanya           : Kp = ..... ?

Jawab             :

	PCl5 (g)                    PCl3(g)+         Cl2 (g)
Mula-mula	5 mol	-	-
Bereaksi	2 mol	2 mol	2 mol
Setimbang	3 mol	2 mol	2 mol

            [PCl₃] [Cl₂]       (2 mol/2 L) (2 mol/2 L)              

Kc  =                         =                                          = 2/3

               [PCl₅]                     (3 mol/2 L)

Kp = Kc.(R x T)^{2 – 1}

      = Kc x R x T

      = 2/3  x  0,0823 L.atm.mol^-1.K^-1  x  300K

      = 16,4

Jadi,  Kp = 16,4

4.      Derajat Disosiasi (α)

Disosiasi adalah peristiwa penguraian suatu zat menjadi zat-zat lain  yang lebih sederhana menurut persamaan reaksi kesetimbangan.

          Contoh reaksi disosiasi :

          2SO_3(g)                        2SO_2(g)   +   O_2(g)

          PCl_5(g)                         PCl_3(g)   +   Cl_2(g)

          2NH_3(g)                        N_2(g)   +   3H_2(g)

          N₂O_4(g)                         2NO_2(g)

Derajat  disosiasi adalah perbandingan jumlah zat yang terurai terhadap jumlah zat sebelum terurai (mula-mula).

          Derajat disosiasi (α) dapat berupa :

Angka desimal : nilainya antara 0 < α < 1 atau

                            jumlah mol zat terurai              ●  mula-mula = awal

Rumus :α =                                                              ●  terurai =bereaksi

                          jumlah mol zat mula-mula 

         Persentase        :  nilainya antara 0 < α < 100%

                                    jumlah mol zat terurai

Rumus :α =                                                            x  100%

                                  jumlah mol zat mula-mula

Catatan :               Setimbang = mula-mula  -  bereaksi

Contoh soal :

Diketahui 0,8 mol gas PCl₅ dibiarkan terurai sampai tercapai reaksi kesetimbangan.

Jika pada keadaan setimbang terdapat 0,2 mol gas klor, tentukan nilai derajat disosiasi PCl₅!  Penyelesaian :

  Diketahui      : mula-mula : mol PCl₅ = 0,8 mol

  setimbang  : mol Cl₂   = 0,2 mol

  Ditanya          : α PCl₅= ..... ?

  Jawab            : 

	PCl5 (g)                    PCl3(g)    +         Cl2 (g)
Mula-mula	0,8 mol	-	-
Terurai	0,2 mol	0,2 mol	0,2 mol
Setimbang	0,6 mol	0,2 mol	0,2 mol

                                  jumlah mol zat terurai              0,2 mol

Rumus :α =                                                             =                   =  0,25

                              jumlah mol zat mula-mula           0,8 mol

                                 Jadi, derajat disosiasi PCl₅ = 0,25

5.      Penentuan Nilai Tetapan Kesetimbangan berdasarkan Derajat Disosiasi

Contoh soal :

Di bejana tertutup yang volumenya  2 L dipanaskan 0,1 mol gas NH₃ hingga terurai membentuk reaksi setimbang :

                                            2 NH₃(g)⇄ 2 NH₂(g) + H₂(g)

Jika derajat disosiasinya, α = 0,2 ; hitunglah nilai tetapan kesetimbangannya (K_c)

Penyelesaian :

Diketahui     : V = 2 L

                           Mol gas NH3 mula-mula = 0,1 mol

                           α = 0,2

Ditanya        :  nilai tetapan kesetimbangannya (K_c) = ?

Jawab           :

      (α) = 

     0,2 =     mol zat yang terurai

                   0,1 mol

      mol zat yang terurai = 0,2 x 0,1 mol = 0,02 mol

2 NH₃(g)⇄    2 NH₂(g) +    H₂(g)

            Mula – mula :              0,1 mol                      -                    -

            Bereaksi             :     - 0,02 mol           + 0,02 mol       + 0,01 mol

            Setimbang          :        0,08 mol          0,02 mol             0,01 mol

            Konsentrasi NH₃=  mol NH₃ : volume = 0,08 mol : 1 L = 0,08 M

            Konsentrasi NH₂ =  mol NH₂ : volume = 0,02 mol : 1 L = 0,02 M

            Konsentrasi  H₂ =  mol H₂ : volume = 0,01 mol : 1 L = 0,01 M

            K_c =  [NH₂]² [H₂]

                        [NH₃]²

            K_c =  [0,02]² [0,01]

                        [0,08]²

   K_c =  0,0004 x 0,01

               0,0064

   K_c =  0,000625

            Jadi nilai tetapan kesetimbangannya adalah 0,000625.