Soal dan Pembahasan Kesetimbangan Kimia Edisi Akhir Maret 2016

Soal #1:
Pada suhu tertentu dalam ruang 10 liter terdapat dalam kesetimbangan 0,2 mol gas PCl₅ ; 0,3 mol PCl₃; dan 0,1 mol gas Cl₂ ; menurut reaksi kesetimbangan: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂
Pada suhu dan volume tetap dimasukkan x mol gas Cl₂ . Ternyata setelah terjadi kesetimbangan baru didapatkan 0,25 mol gas PCl₅; 0,25 mol pas PCl₃; dan 0,15 mol gas Cl₂ . Hitunglah nilai x.


Pembahasan Soal #1:
Konsentrasi zat mula-mula:
$\mathrm{[PCl_5]=\dfrac{0{,}2~mol}{10~L} =0{,}02~M}$
$\mathrm{[PCl_3]=\dfrac{0{,}3~mol}{10~L}=0{,}03~M}$
$\mathrm{[Cl_2]=\dfrac{0{,}1~mol}{10~L} =0{,}01~M}$
Kesetimbangan awal:
\begin{align}
Kc &= \dfrac{[PCl_3][Cl_2]}{[PCl_5]}\\
& = \dfrac{0{,}03 \times 0{,}01}{0{,}02}\\
& = 0{,}015
\end{align}
Pada kesetimbangan baru tersebut tentu nilai Kc tidak berubah, ini dapat dibuktikan dengan menghitung Kc menggunakan data setelah sejumlah x mol Cl₂ ditambahkan.
\begin{align}
Kc &= \dfrac{[PCl_3][Cl_2]}{[PCl_5]}\\
& = \dfrac{0{,}025 \times 0{,}015}{0{,}025}\\
& = 0{,}015
\end{align}
Dari jumlah zat pada kesetimbangan baru tersebut nampak bahwa jumlah masing-masing zat mengalami perubahan hingga Kc dapat dipertahankan.

• Jumlah  mol PCl₅ meningkat dari 0,2 mol menjadi 0,25 mol (berubah +0,05 mol)
• Jumlah  mol PCl₃ menurun dari 0,3 mol menjadi 0,25 mol (berubah –0,05 mol)

Untuk jumlah Cl₂ mestinya juga akan mengalami penurunan setelah dilakukan penambahan sejumlah x mol yang setara dengan perubahan yang dialami PCl₅ dan PCl₃ karena memiliki perbandingan koefisien yang setara.

• Jumlah  mol Cl₂ menurun dari 0,1 mol + $x$ mol menjadi 0,15 mol (berubah –0,05 mol)

Ketika konsentrasi Cl₂ ditingkatkan sementara nilai Kc tetap maka hal yang mungkin terjadi adalah konsentrasi PCl₅ meningkat sebanyak 0,2 mol + 0,5 mol  dan konsentrasi PCl₃ menurun.

Reaksi	PCl5	⇌	PCl3	+	Cl2
Awal	0,2 mol		0,3 mol		(0,1 + $x$) mol
Berubah	+0,05 mol		–0,05 mol		–0,05 mol
Keset.	0,25 mol		0,25 mol		0,15 mol

Dari tabel tersebut dapat dihitung nilai $x$ mol Cl₂ yang ditambahkan:
\begin{align}(0{,}1 + x)~mol - 0{,}05 ~mol &= 0{,}15~ mol\\
0{,}1 + x &= 0{,}15 ~mol + 0{,}05~ mol\\
x& = 0{,}2 ~mol - 0{,}1 ~mol\\
x &= 0{,}1 ~mol
\end{align}

---

Soal #2
Untuk kesetimbangan PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂
PCl₅ murni ditambahkan ke dalam sistem reaksi. Pada saat kesetimbangan terdapat 0,04 M PCl₅ dan diketahui Kc = 4 pada 228 ^oC . Berapakah konsentrasi PCl₃ dalam sistem tersebut?
A. 0,16 M
B. 0,20 M
C. 0,40 M
D. 0,80 M
E. 1,60 M

Pembahasan Soal #2:

Reaksi	PCl5	⇌	PCl3	+	Cl2
Awal	Sejumlah PCl5		0		0
Berubah	– $x$ M		+ $x$ M		+ $x$ M
Keset.	0,04 M		$x$ M		$x$ M

\begin{align}
Kc &= \dfrac{[PCl_3][Cl_2]}{[PCl_5]}\\
4& = \dfrac{x \times x}{0{,}04}\\
0{,}16& = x^2\\
x&=0{,}4 M
\end{align}

---

Soal #3
Pada suhu tertentu ditempatkan 0,3 mol NO, 0,2 mol Cl₂, dan 0,5 mol ClNO ke dalam wadah dengan volume 25 L. Persamaan reaksi kesetimbangan untuk zat-zat tersebut adalah
2ClNO(g) ⇌ NO(g) + Cl₂(g)
a. Jika pada keadaan setimbang terdapat 0,6 mol ClNO, berapakan jumlah Cl₂ yang ada dalam keadaan setimbang tersebut?
b. Hitunglah nilai Kc untuk sistem kesetimbangan tersebut.

Pembahasan Soal #3:
a.  Penentuan jumlah Cl₂ saat setimbang:

Reaksi	2ClNO(g)	⇌	2NO(g)	+	Cl2(g)
Awal	0,5 mol		0,3 mol		0,2 mol
Berubah	$+2x$mol		$-2x$ mol		$-x$ mol
Keset.	0,6 mol		$(0{,}3-2x)$ mol		$(0{,}2-x)$ mol

Perhatikan bahwa jumlah ClNO pada soal menunjukkan adanya penambahan sebanyak 0,1 mol (0,5 mol menjadi 0,6 mol). Karena perbandingan jumlah masing-masing zat dalam kesetimbangan adalah 2 ClNO : 2 NO : 1 Cl₂, maka penambahan 0,1 mol ClNO tersebut berarti akan setara dengan pengurangan jumlah Cl₂ sebanyak 0,05 mol. Jadi jumlah Cl₂(g) pada keadaan setimbang terdapat (0,2 – 0,05) mol = 0,15 mol.

b. Penentuan nilai Kc:
Jumlah $\mathrm{ClNO}$ saat setimbang $\mathrm{= 0{,}6~mol}$
Jumlah $\mathrm{NO}$ saat setimbang $\mathrm{= 0{,}3-0{,}1~mol=0{,}2~mol}$
Jumlah $\mathrm{Cl_2}$ saat setimbang $\mathrm{= 0{,}2-0{,}05~mol=0{,}15~mol}$

$\mathrm{[ClNO]=\dfrac{0{,}6~mol}{25 L} =0{,}024~M}$
$\mathrm{[NO]=\dfrac{0{,}2~mol}{25 L}=0{,}008~M}$
$\mathrm{[Cl_2]=\dfrac{0{,}15~mol}{25 L} =0{,}006~M}$
\begin{align}
Kc &= \dfrac{[NO]^2[Cl_2]}{[ClNO]^2}\\
& = \dfrac{0{,}008^2 \times 0{,}006}{0{,}024^2}\\
& = 6{,}67 \times 10^{-4}
\end{align}

---

Soal #4
Dalam wadah tertutup bervolume 6 L berlangsung kesetimbangan antara 0,8 mol gas hidrogen, 0,5 mol gas klorin, dan 0,6 mol gas hidrogen klorida pada suhu dan tekanan tertentu. jika pada suhu yang sama ke dalam sistem kesetimbangan tersebut ditambahkan 0,2 mol gas hidrogen, tentukan susunan kesetimbangan gas baru!

Pembahasan Soal #4:
Langkah penyelesaian: 1) Hitung Kc mula-mula, ini akan digunakan sebagai dasar untuk menghitung perubahan komposisi masing-masing gas, karena Kc bersifat tetap selama suhu dan dan tekanan tidak diubah; 2) Membuat persamaan dengan untuk menentukan perubahan setiap gas; 3) Menyelesaikan persamaan untuk menghitung komponen setelah dilakukan penambahan 0,2 mol gas hidrogen.

1) Perhitungan Kc mula-mula:
Persamaan reaksi: H₂(g) + Cl₂(g) ⇌ 2HCl(g)
Karena jumlah koefisien ruas kiri dan jumlah koefisien ruas kanan sama, maka volume menjadi tidak berpengaruh sehingga perhitungan Kc dapat langsung menggunakan jumlah zat (mol).
$\mathrm{K_c = \dfrac{[HCl]^2}{[H_2] [Cl_2]}}\\[10pt]$
$\mathrm{K_c = \dfrac{(0{,}6)^2}{(0{,}8) (0{,}5)}}\\[10pt]$
$\mathrm{K_c = \dfrac{0{,}36}{0{,}40}}\\[10pt]$
$\mathrm{K_c = 0{,}9}\\[10pt]$

2) Persamaan perubahan komposisi

Reaksi	:	H2	+	Cl2	⇌	2HCl
Awal + 0,2 mol H2	:	(0,8 + 0,2) mol		0,5 mol		0,6 mol
Bereaksi	:	-x mol		-x		+2x
Keset.	:	(1-x) mol		(0,5-x) mol		(0,6+2x) mol

$\mathrm{K_c = \dfrac{[HCl]^2}{[H_2] [Cl_2]}}\\[10pt]$
$\mathrm{0{,}9 = \dfrac{(0{,}6+2x)^2}{(1-x) (0{,}5-x)}}\\[10pt]$
$\mathrm{0{,}9 = \dfrac{0{,}36+2{,}4x+4x^2}{0{,}5-1{,}5x+x^2}}\\[10pt]$
$\mathrm{0{,}9 (0{,}5-1{,}5x+x^2 = 0{,}36+2{,}4x+4x^2}$
$\mathrm{0{,}45-1{,}35x+0{,}9x^2 = 0{,}36+2{,}4x+4x^2}$
$\mathrm{4x^2-0{,}9x^2+2{,}4x+1{,}35x+0{,}36-0{,}45= 0}$
$\mathrm{3{,}1x^2+3{,}75x-0{,}09= 0}$

3) Untuk menentukan x dapat menggunakan rumus abc penyelesaian persamaan kuadrat.
a = 3,1; b = 3,75; c = –0,09

$\mathrm{x_{1,2} =\dfrac{-b \pm \sqrt{b^2-4ac}}{2a}}\\[10pt]$
$\mathrm{x_{1,2} =\dfrac{-3{,}75 \pm \sqrt{(3{,}75)^2-4\cdot 3{,}1 \cdot (-0{,}09)}}{2\cdot 3{,}1}}\\[10pt]$
$\mathrm{x_{1{,}2} =\dfrac{-3{,}75 \pm \sqrt{15{,}1785}}{6{,}2}}\\[10pt]$
$\mathrm{x_{1{,}2} =\dfrac{-3{,}75 \pm 3{,}896}{6{,}2}}\\[10pt]$

$\mathrm{x_{1} =\dfrac{-3{,}75 + 3{,}896}{6{,}2}}\\[10pt]$
$\mathrm{x_{1} =\dfrac{0{,}1460}{6{,}2}}\\[10pt]$
$\mathrm{x_{1} =0{,}0235}\\[10pt]$

$\mathrm{x_{2} =\dfrac{-3{,}75 - 3{,}896}{6{,}2}}\\[10pt]$
$\mathrm{x_{2} =\dfrac{-7{,}646}{6{,}2}}\\[10pt]$
$\mathrm{x_{2} =-1{,}233}\\[10pt]$
x₂ menjadi tidak mungkin karena bernilai negatif.

Komposisi saat kesetimbangan setelah ditambah 0,2 mol H₂: dengan menggunakan nilai x₁ = 0,0235
H₂ = (1 – x) mol
H₂ = (1 – 0,0235) mol
H₂ = 0,9765 mol

Cl₂ = (0,5 – x) mol
Cl₂ = (0,5 – 0,0235) mol
Cl₂ = 0,4765 mol

HCl = (0,6 + 2x) mol
HCl = (0,6 + 2.0,0235) mol
HCl = (0,6 + 0,047) mol
HCl = 0,647 mol.