Home / Kimia / kesetimbangan kimia

Kesetimbangan Kimia

  • 12 min read

Penulis : Allyssa Khairina – Departemen Kimia UI

Ditinjau kembali oleh Yoga Romdoni

Pengertian Kesetimbangan Kimia

Kesetimbangan kimia merupakan keadaan sistem di mana laju pembentukan produk (forward reaction) sama dengan laju reaksi peruraian produk (reverse reaction). Sebagai contoh: reaksi kesetimbangan H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g).

reaksi kesetimbangan

Keseimbangan kimia dapat dicapai baik jika reaksi dimulai dengan semua reaktan dan tanpa produk, semua produk dan tanpa reaktan, atau sebagian dari keduanya. Reaksi dimulai dengan hadirnya H2 dan I2 dan tidak ada HI. Ketika reaksi berlangsung menuju kesetimbangan, konsentrasi H2 dan I2 secara bertahap menurun, sedangkan konsentrasi HI secara bertahap meningkat. Pada waktu tertentu terdapat kekonstanan konsentrasi baik di reaktan maupun di produk. Kondisi dimana konsentrasi semua zat adalah konstan disebut kondisi setimbang.

kondisi setimbang

Reaksi dikatakan setimbang atau mencapai kesetimbangan apabila:

  1. Sistem harus tertutup artinya tidak ada zat yang dapat masuk atau meninggalkan sistem.
  2. Keseimbangan adalah proses yang dinamis. Meskipun kita tidak perlu melihat reaksi, baik reaksi maju (forward reaction) dan mundur (reverse reaction) sedang berlangsung.
  3. Laju reaksi maju dan mundur harus sama.
  4. Jumlah reaktan dan produk tidak harus sama. Namun, setelah keseimbangan tercapai, jumlah reaktan dan produk akan konstan.

Hanya sedikit reaksi kimia yang berlangsung satu arah. Kebanyakan merupakan reaksi bolak-balik (reversibel). Pada awal proses reversibel, reaksi berlangsung maju kearah produk dan beberapa saat setelah molekul produk terbentuk, proses balik mulai berlangsung yaitu pembentukan molekul reaktan dari molekul produk.

Bila laju reaksi maju dan laju reaksi balik sama besar, dan konsentrasi reaktan dan produk tidak lagi berubah seiring berjalannya waktu, maka tercapailah kesetimbangan kimia.

Konstanta kesetimbangan

Konstanta kesetimbangan merupakan persamaan yang menghubungkan konsentrasi reaktan dan produk pada kesetimbangan yang dinyatakan dalam kuantitas.

Pembilangnya merupakan hasil kali antara konsentrasi-konsentrasi kesetimbangan produk yang masing-masing dipangkatkan koefisien stoikiometrinya. Sementara itu, penyebutnya adalah hasil kali antara konsentrasi-konsentrasi kesetimbangan reaktan yang masing-masing dipangkatkan koefisien stoikiometrinya. Perhatikan reaksi reversibel dibawah ini

a A + b B ⇌ d D +e E

Maka, konstanta kesetimbangannya adalah:

konstanta kesetimbangan

Tetapan kesetimbangan (K), sering juga dituliskan Kc. Jika konstanta kesetimbangan jauh lebih besar dari 1 (K ≥ 1), kesetimbangan akan terletak disebelah kanan dan lebih ke arah produk. Sebaliknya, jika konstanta kesetimbangan jauh lebih kecil dari 1 (K ≤ 1), maka kesetimbangan akan terletak di sebelah kiri dan lebih ke arah reaktan.

Tetapan kesetimbangan

Cara untuk menyatakan konstanta kesetimbangan

Kesetimbangan homogen

Kesetimbangan homogen yaitu jika semua spesi dalam suatu reaksi berada dalam fasa yang sama. Contohnya adalah reaksi pembentukan NH3.

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

kesetimbangan kimia 1

Subskrip dalam Kc menyatakan bahwa konsentrasi spesi yang bereaksi dinyatakan dalam mol per liter. Konsentrasi reaktan dan produk juga dapat dinyatakan dalam tekanan parsialnya.

Konsentrasi reaktan

di mana P NH3, P N2, dan P H2 merupakan tekanan parsial kesetimbangan (dalam atmosfer). Subskrip pada Kp menyatakan bahwa konsentrasi kesetimbangan dinyatakan dalam tekanan.

Hubungan antara Kc dan Kp dinyatakan dalam persamaan:

Hubungan antara Kc dan Kp

di mana ∆n adalah mol produk dikurangi mol reaktan, R yang digunakan ialah 0,0821 L.atm/K, dan T dalam Kelvin.

Kesetimbangan heterogen

Reaksi reversibel yang melibatkan reaktan dan produk yang fasanya berbeda menghasilkan kesetimbangan heterogen  yang melibatkan substansi dalam wujud cairan murni atau padatan murni, konsentrasi substansi cair dan padat tersebut diabaikan dan tidak ikut diperhitungkan. Contohnya adalah ketika kalsium karbonat dipanaskan dalam wadah tertutup, reaksinya sebagai berikut:

CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g)

maka Kc dari reaksi tersebut adalah

Kc

dan Kp nya adalah

Kesetimbangan Kimia KP

Aturan penting tentang penulisan konstanta kesetimbangan

  1. Ketika persamaan suatu reaksi reversibel dituliskan dengan arah yang berlawanan, konstanta kesetimbangannya menjadi kebalikan dari konstanta kesetimbangan yang awal. Contohnya ketika diketahui Kc dari suatu reaksi adalah 4, ketika reaksi dibalik maka harga Kc menjadi ¼.
  2. Nilai K tergantung bagaimana persamaan kesetimbangan tersebut disetarakan. Jika kita lipatduakan seluruh bagian persamaan kimia, maka nilai K akan menjadi pangkat 2 dari nilai asal. Jika kita lipattigakan persamaan, maka nilai K akan menjadi pangkat 3 dari nilai asal. Begitupun jika kita membagi dua persamaan tersebut, maka nilai K akan menjadi akar 2 dari nilai asal.

Memprediksi arah reaksi

memprediksi arah reaksi

Kita dapat memprediksi arah reaksi dengan menghitung Qc (reaction quotient), yaitu kuantitas yang diperoleh dengan cara mensubstitusikan konsentrasi awal ke persamaan konstanta kesetimbangan. Untuk menentukan arahnya, kita perlu mebandingkan Qc dengan Kc. Terdapat 3 kemungkinan yaitu:

  1. Qc < Kc, untuk mencapai kesetimbangan, reaktan harus diubah menjadi produk sehingga sistem bergeser dari kiri ke kanan
  2. Qc = Kc, konsentrasi awal adalah konsentrasi kesetimbangan. Sistem berada pada kesetimbangan
  3. Qc > Kc, untuk mencapai kesetimbangan, produk harus diubah menjadi reaktan. Sistem bergeser dari kanan ke kiri

Faktor-faktor yang memengaruhi kesetimbangan

Aturan pergeseran kesetimbangan dikenal sebagai Asas Le Chatelier (diambil dari nama Henri Le Chatelier), menyatakan bahwa jika suatu tekanan eksternal diberikan kepada suatu sistem kesetimbangan, maka sistem ini akan menyesuaikan diri sedemikian rupa untuk mengurangi pengaruh tekanan tersebut. Kata “tekanan” disini berarti perubahan konsentrasi, tekanan, volume, atau suhu.

Perubahan konsentrasi

Penambahan konsentrasi pada suatu spesi menyebabkan pergeseran ke arah yang menjauhi spesi tersebut, sedangkan pengurangan konsentrasi suatu spesi menyebabkan pergeseran ke arah yang mendekati spesi tersebut.

Perubahan tekanan dan volume

Peningkatan tekanan (penurunan volume) membuat kesetimbangan bergeser ke arah jumlah mol spesi yang sedikit, sedangkan pengurangan tekanan (peningkatan volume) membuat kesetimbangan bergeser ke arah jumlah mol spesi yang banyak.

Perubahan suhu

Hanya perubahan suhu yang dapat merubah konstanta kesetimbangan. Peningkatan suhu membuat reaksi bergeser ke arah reaksi endotermik, sedangkan penurunan suhu membuat reaksi bergeser ke arah eksotermik.

Pengaruh katalis

Katalis meningkatkan laju terjadinya reaksi. Keberadaan katalis tidak mengubah konstanta kesetimbangan dan tidak menggeser posisi sistem kesetimbangan.

Penerapan Kesetimbangan Kimia

Pembuatan Amonia menurut Proses Haber-Bosch

Pembuatan amonia dari nitrogen dan hidrogen ditemukan oleh Fritz Haber sedangkan proses industri pembuatan amonia ditemukan oleh Carl Bosch. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah:

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ∆H = -92,4 kJ

Kondisi menguntungkan untuk pembentukan NH3 dapat terpenuhi pada

  1. Suhu tinggi : Kesetimbangan pada dasarnya akan bergeser ke kanan jika suhu rendah. Akan tetapi, katalis hanya bekerja pada suhu tinggi sehingga suhu tidak dibuat rendah.
  2. Tekanan tinggi : Agar reaksi bergeser kearah pembentukan amonia maka tekanan dibuat tinggi.
Pembuatan Amonia menurut Proses Haber-Bosch

Pembuatan Asam Sulfat menurut Proses Kontak

Pembuatan asam sulfat skala besar seperti industri yaitu dikenal dengan proses kontak. Reaksi yang terjadi dapat diringkaskan sebagai berikut.

  1. Belerang dibakar membentuk belerang dioksida.

S(s) + O2(g) → SO2(g)

2. Belerang dioksida dioksidasi lebih lanjut menjadi belerang trioksida.

2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)

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

H2SO4(aq) + SO3(g) → H2S2O7(l)

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

H2S2O7(l) + H2O(l) → H2SO4(aq)

Tahap penting dalam proses ini adalah Reaksi (2). Reaksi ini merupakan reaksi kesetimbangan dan reaksinya eksoterm. Pada proses ini terdapat beberapa kondisi yaitu

  1. Seharusnya suhu dibuat rendah agar kesetimbangan bergeser ke kanan namun pada proses ini proses berlangsung baik pada suhu tinggi. Pada suhu tinggi, katalis V2O5 yang digunakan pada proses ini akan aktif dan mempercepat reaksi pada keadaan setimbang.
  2. Kesetimbangan bergeser ke kanan jika tekanan diperbesar. Namun perbesaran tekanan tidak sebanding dengan produk yang dihasilkan. Oleh karena itu, pada proses ini digunakan tekanan normal 1 atm.

Pertanyaan Umum

Apa yang dimaksud dengan kesetimbangan kimia?

Kesetimbangan kimia adalah keadaan sistem di mana reaksi laju pembentukan produk (forward reaction) sama dengan laju reaksi peruraian produk (reverse reaction).

Apa yang dimaksud dengan kesetimbangan disosiasi?

Kesetimbangan disosiasi adalah reaksi peruraian suatu zat menjadi zat lain yang lebih sederhana dimana berlangsung dalam ruang tertutup dengan suatu kesetimbangan.

Faktor apa saja yang mempengaruhi kesetimbangan reaksi?

Faktor yang mempengaruhi kesetimbangan reaksi adalah konsentrasi, tekanan, volume, suhu dan katalis.

Apa perbedaan reaksi reversible dan reaksi irreversible?

Reaksi reversible adalah reaksi yang terjadi pada dua arah yang berlawanan dalam waktu bersamaan sedangkan reaksi irreversible adalah reaksi yang terjadi pada satu arah dan produknya tidak dapat kembali menjadi reaktan.

Contoh Soal Latihan

  1. Mengapa keseimbangan kimia digambarkan sebagai proses yang dinamis? Jelaskan proses ini dalam konteks larutan jenuh NaCl dalam air. Apa yang terjadi pada tingkat mikroskopis dan makroskopis?

Jawab:

Keseimbangan kimia digambarkan sebagai proses dinamis karena ada gerakan di mana reaksi maju dan mundur terjadi pada tingkat yang sama untuk mencapai jumlah atau konsentrasi reaktan dan produk konstan pada waktu tertentu. Proses keseimbangan kimia dapat dijelaskan dalam larutan jenuh NaCl seperti pada tingkat mikroskopis ion Na+ dan Cl pada permukaan kristal NaCl akan lepas dari kristal untuk membentuk larutan, sementara pada saat yang sama ion Na+ dan Cl dalam larutan akan mengendap di permukaan kristal. Pada tingkat makroskopik, garam dapat terlihat larut atau tidak larut bergantung kesetimbangan kimiawinya.

2. Manakah dari sistem ini yang berada dalam kondisi kesetimbangan kimia?

a. oksigen dan hemoglobin dalam sistem peredaran darah manusia

b. kristal iodium dalam gelas kimia terbuka

c. pembakaran senyawa karbon

Jawab:

a. Reaksi dalam keadaan kesetimbangan ketika reaksi kimianya yaitu

Hb(aq) + 4H2O(l) ⇌ Hb(O2)4(aq).

b. Reaksi dalam keadaan kesetimbangan ketika reaksi kimianya yaitu

H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g)

c. Tidak dalam keadaan kesetimbangan karena ini bukan proses yang dapat dibalik (reversible). Reaksi kimia yang terjadi adalah

C + O2(g) → CO2(g)

3. Hitung K dan Kp untuk setiap reaksi.

a. 2NOBr(g) ⇌ 2NO(g) + Br2(g), pada 727°C, konsentrasi kesetimbangan NO adalah 1,29 M, Br2 adalah 10,52 M, dan NOBr adalah 0,423 M.

b. CO(g) + 2H2(g) ⇌ CH3OH(g): keseimbangan tercapai pada 227°C dalam bejana reaksi 15,5 L dengan tekanan total 6,71×102 atm. Ditemukan mengandung 37,8 g gas hidrogen, 457,7 g karbon monoksida, dan 7.193 g metanol.

Jawab:

1

4. Jika reaksi (1) adalah NH3(g) ⇌ ½N2(g) + 1½ H2(g) dengan Kc = 5,2 x 10-5 pada 298K.

Berapakah harga Kc pada 298K untuk reaksi (2) berikut?

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

Jawab:

Reaksi (2) merupakan kebalikan dari reaksi (1) dengan koefisien dikalikan dua. Oleh karena itu harga Kc reaksi (2) merupakan kuadrat dari kebalikan harga Kc reaksi (1)

2

5. Tentukan kearah mana kesetimbangan bergeser!

PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) ∆H = +92.5 kJ

a. suhu dinaikkan.

b. lebih banyak gas klor ditambahkan ke campuran reaksi.

c. beberapa PCl3 dikeluarkan dari campuran.

d. volume sistem diturunkan.

e. katalis ditambahkan ke campuran reaksi.

Jawab:

a. Pergeseran ke kanan. Kenaikan suhu akan menggeser kesetimbangan kearah reaksi endoterm. Karena reaksi penguraian PCl5 adalah reaksi endoterm, maka akan bergser ke sebelah kanan (kearah PCl3 dan Cl2).

b. Pergeseran ke kiri. Penambahan gas Cl2 akan menyebabkan pergeseran kesetimbangan kearah sebaliknya atau menjauhi spesi. Karena spesi Cl2 yang ditambahkan berada di sebelah kanan maka reaksinya akan bergeser menjauhi spesi tersebut yaitu bergeser ke kiri (kearah spesi PCl5).

c. Pergeseran ke kanan. Pengurangan gas PCl3 akan menyebabkan pergeseran kesetimbangan mendekati spesi tersebut. Karena spesi PCl3 yang ditambahkan berada di sebelah kanan maka reaksinya akan bergeser mendekati spesi tersebut yaitu bergeser ke kanan (kearah PCl3 dan Cl2).

d. Pergeseran ke kiri. Pengurangan jumlah volume sistem akan menggeser kesetimbangan ke arah yang jumlah koefisiennya terkecil. Di sebelah kanan koefisien totalnya 2 sedangkan di sebelah kiri koefisien totalnya 1. Sehingga terjadi pergeseran kesetimbangan ke kiri (kearah spesi PCl5).

e. Tidak terjadi pergeseran. Katalis tidak menggeser posisi kesetimbangan tetapi mempercepat tercapainya keadaan kesetimbangan.

6. Untuk reaksi :

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

Kp adalah 4,3 x 10^-4 pada 375⁰C. Hitunglah Kc untuk reaksi ini

Jawab:

Kesetimbangan Kimia 3

karena T = 375 + 273 = 648K dan ∆n = 2 – 4 = -2, maka

Kc = 4,3 x 10 ^-4

(0,0821×648)^-2

= 1,2

7. Konstanta kesetimbangan Kp untuk penguraian fosfor pentaklorida menjadi fosfor triklorida dan molekul klorin

PCl5(g)↔ PCl3(g) + Cl2(g)

diketahui sebesar 1,05 pada 250⁰C. Jika tekanan parsial kesetimbangan PCl5 dan PCl3 berturut-turut adalah 0,875 atm dan 0,643 atm, berapa tekanan parsial kesetimbangan Cl2 pada 250⁰C.

Jawab:

Kp = P PCl3 . P Cl2

P PCl5

1,05 = (0,463)(P Cl2)

(0,875)

P Cl2 = 1,98 atm

8. Gas A,B, dan C masing-masing 0,4 mol, 0,6 ,mol, dan 0,2 mol dicampurkan dalam ruang tertutup dan terjadi reaksi kesetimbangan:

Kesetimbangan Kimia 2

Pada saat setimbang 0,3 mol gas A telah bereaksi, maka gas B yang ada dalam keadaan setimbang adalah…

jawab:

Dengan menggunakan perbandingan koefisien maka

Kesetimbangan Kimia 1

jawabannya adalah 0,5 mol

Daftar Pustaka

  • Buku Raymond chang jilid 2 edisi ketiga
  • Buku chemistry the central science edisi ketigabelas
  • Brown, T.L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C.J., & Woodward, P. M. (2012). Chemistry: The Central Science. (12th Ed). Upper Saddler River, NJ: Pearson Prentice Hall
  • Chang, Raymond. (2010). Chemistry. (10th Ed). New York: McGraw-Hill.
  • Purba, Michael. (2006). Kimia untuk SMA/MA Kelas XI Semester 1. Jakarta: Penerbit Erlangga
  • Soult, Allison. Chemical Equilibrium. Libretexts. https://chem.libretexts.org/Courses/University_of_Kentucky/UK%3A_CHE_103_-_Chemistry_for_Allied_Health_(Soult)/Chapters/Chapter_8%3A_Properties_of_Solutions/8.2%3A_Chemical_Equilibrium

Baca juga: