Simulasi Grafik Kesetimbangan Kimia ketika Konsentrasi Diubah

Simulasi ini memodelkan reaksi kesetimbangan kimia pembentukan amonia (NH₃) ketika konsentrasi salah satu komponennya diubah berdasarkan reaksi:

\[ \ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3} \]

1. Kesetimbangan Kimia

Reaksi kesetimbangan terjadi ketika laju reaksi maju (pembentukan NH₃) sama dengan laju reaksi balik (dekomposisi NH₃). Konstanta kesetimbangan (\( K \)) didefinisikan sebagai:

\[ K = \frac{k_f}{k_r} = \frac{[\ce{NH3}]^2}{[\ce{N2}][\ce{H2}]^3} \]

\( k_f \) adalah konstanta laju reaksi maju, \( k_r \) adalah konstanta laju reaksi balik, dan \([\ce{N2}]\), \([\ce{H2}]\), \([\ce{NH3}]\) adalah konsentrasi masing-masing spesies pada kesetimbangan (dalam mol/L). Dalam simulasi ini, \( k_f = 0,005 \), \( k_r = 0,002 \), sehingga \( K = \frac{0,005}{0,002} = 2,5 \).

2. Perhitungan Konsentrasi Awal Kesetimbangan

Kondisi awal ditentukan dengan jumlah total spesies sebelum reaksi (\([\ce{N2}]_{\text{total}} = 1,0\), \([\ce{H2}]_{\text{total}} = 3,0\), \([\ce{NH3}]_{\text{total}} = 0,5\) mol/L). Konsentrasi kesetimbangan dihitung dengan menyelesaikan persamaan stoikiometri:

\[ \ce{N2 + 3H2 -> 2NH3} \]

Jika reaksi maju berlangsung sebanyak \( x \) (extent of reaction), konsentrasi kesetimbangan adalah:

\[ [\ce{N2}] = [\ce{N2}]_{\text{total}} - x \] \[ [\ce{H2}] = [\ce{H2}]_{\text{total}} - 3x \] \[ [\ce{NH3}] = [\ce{NH3}]_{\text{total}} + 2x \]

Nilai \( x \) ditemukan dengan menyelesaikan persamaan kesetimbangan:

\[ \frac{([\ce{NH3}]_{\text{total}} + 2x)^2}{([\ce{N2}]_{\text{total}} - x)([\ce{H2}]_{\text{total}} - 3x)^3} = K \]

Persamaan ini diselesaikan secara numerik menggunakan metode scanning dan bisection untuk menemukan \( x \) yang memenuhi batas fisik (\([\ce{N2}] > 0\), \([\ce{H2}] > 0\), \([\ce{NH3}] \geq 0\)).

3. Dinamika Reaksi

Dinamika menuju kesetimbangan dimodelkan dengan persamaan laju reaksi:

\[ \text{Laju maju} = k_f [\ce{N2}][\ce{H2}]^3 \] \[ \text{Laju balik} = k_r [\ce{NH3}]^2 \]

Perubahan konsentrasi per satuan waktu dihitung sebagai:

\[ \frac{d[\ce{N2}]}{dt} = -k_f [\ce{N2}][\ce{H2}]^3 + k_r [\ce{NH3}]^2 \] \[ \frac{d[\ce{H2}]}{dt} = -3k_f [\ce{N2}][\ce{H2}]^3 + 3k_r [\ce{NH3}]^2 \] \[ \frac{d[\ce{NH3}]}{dt} = 2k_f [\ce{N2}][\ce{H2}]^3 - 2k_r [\ce{NH3}]^2 \]

Persamaan diferensial ini diintegrasikan menggunakan metode Runge-Kutta orde 4 (RK4) dengan langkah waktu kecil (\( \Delta t = 0,05 \)) untuk menghitung perubahan konsentrasi setelah gangguan (perturbasi).

4. Gangguan (Perturbasi)

Simulasi memungkinkan gangguan instan pada konsentrasi (misalnya, menambah atau mengurangi \([\ce{N2}]\), \([\ce{H2}]\), atau \([\ce{NH3}]\)). Setelah gangguan, sistem akan bergerak menuju kesetimbangan baru sesuai dengan prinsip Le Chatelier, di mana perubahan konsentrasi mendorong reaksi untuk menyeimbangkan kembali.

Cara Penggunaan Simulasi

Simulasi ini interaktif dan dirancang untuk menunjukkan dinamika kesetimbangan kimia. Berikut adalah langkah-langkah penggunaannya:

• Inisialisasi:
  Saat halaman dimuat, grafik menampilkan konsentrasi kesetimbangan awal untuk N₂, H₂, dan NH₃ sebagai garis datar.
  
  
• Gangguan Konsentrasi:
  • Klik tombol “Tambah N₂” atau “Kurangi N₂” untuk menambah (+1,0 mol/L) atau mengurangi (-0,35 mol/L) konsentrasi N₂.
    
    
  • Klik tombol “Tambah H₂” atau “Kurangi H₂” untuk menambah (+1,0 mol/L) atau mengurangi (-0,8 mol/L) konsentrasi H₂.
    
    
  • Klik tombol “Tambah NH₃” atau “Kurangi NH₃” untuk menambah (+1,0 mol/L) atau mengurangi (-0,8 mol/L) konsentrasi NH₃.
    
    
• Jalankan Simulasi:
  Setelah mengklik tombol gangguan, simulasi akan berjalan secara otomatis, menunjukkan perubahan konsentrasi menuju kesetimbangan baru.
  
  
• Hentikan Simulasi:
  Klik tombol “Stop” untuk menghentikan simulasi bila konsentrasi spesi akhir tidak berubah lagi, selanjut mengamati keadaan kesetimbangan.
  
  
• Reset:
  Klik tombol “Reset” untuk mengembalikan grafik ke kondisi kesetimbangan awal.

Interpretasi Hasil

Grafik menampilkan konsentrasi (mol/L) terhadap waktu (satuan simulasi). Berikut cara menginterpretasikan hasilnya:

• Garis Grafik:
  Tiga garis mewakili konsentrasi N₂ (biru), H₂ (hijau), dan NH₃ (merah).
  
  
• Perturbasi:
  Saat konsentrasi diganggu (misalnya, menambah N₂), garis akan menunjukkan lonjakan atau penurunan instan, diikuti oleh perubahan bertahap menuju kesetimbangan baru.
  
  
• Kesetimbangan:
  Ketika garis menjadi datar, sistem telah mencapai kesetimbangan baru, di mana laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik. Klik “Stop” untuk memastikan keadaan ini jelas terlihat.
  
  
• Prinsip Le Chatelier:
  
  
  • Menambah N₂ atau H₂ mendorong reaksi ke kanan, meningkatkan \([\ce{NH3}]\).
    
    
  • Menambah NH₃ mendorong reaksi ke kiri, meningkatkan \([\ce{N2}]\) dan \([\ce{H2}]\).
    
    
  • Mengurangi salah satu spesies menyebabkan reaksi bergeser untuk menggantikan spesies tersebut.

Dengan simulasi ini, Anda dapat memahami bagaimana sistem kimia bereaksi terhadap gangguan dan kembali ke kesetimbangan, serta mengamati pengaruh stoikiometri dan konstanta laju pada dinamika reaksi.

Simulator Grafik Kesetimbangan Kimia
Efek Perubahan Konsentrasi
Dirancang oleh urip.info

Kesetimbangan: N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃

Keadaan awal, kurva kesetimbangan (menggunakan K = kf/kr & konservasi stoikiometri).
Tambah = menambah konsentrasi langsung; Kurangi = mengambil/mengurangi konsentrasi sebagian.
Lihat dinamika kurva bergerak ke kesetimbangan baru.
Klik Stop (bila kosentrasi baru sudah stabil) untuk menghentikan simulasi dan melihat keadaan setimbang.