Pembahasan Soal tentang Kenaikan Konsentrasi terhadap Laju Reaksi

Dalam mempelajari kinetika kimia (laju reaksi), pemahaman tentang orde reaksi dan persamaan laju menjadi kunci untuk memprediksi perilaku reaksi di laboratorium maupun industri. Serangkaian soal berikut dirancang secara bertahap: dari model dasar dua pereaksi hingga tiga pereaksi, kemudian diterapkan dalam konteks industri nyata seperti proses Haber-Bosch.

Soal-soal ini tidak hanya menguji kemampuan matematis dalam menentukan orde reaksi, tetapi juga literasi ilmiah, analisis data eksperimen, dan penalaran kritis (HOTS) dalam mengaitkan kinetika dengan stoikiometri, mekanisme reaksi, dan optimasi proses.

---

Soal #1

Untuk reaksi: A + B → hasil, diketahui:

1. Jika konsentrasi awal A dinaikkan menjadi dua kali pada konsentrasi B yang tetap, kecepatan reaksi dua kali lebih besar.
2. Jika konsentrasi awal A dan B masing-masing dinaikkan dua kali, kecepatan reaksi menjadi delapan kali lebih besar.

Persamaan laju reaksi tersebut adalah ....

Pembahasan

Pembahasan Soal #1

Diketahui reaksi:

A + B → hasil

Kita cari persamaan laju reaksi:

\( v = k [A]^m [B]^n \)

keterangan: m = orde terhadap A, n = orde terhadap B.

Data Percobaan:

Perc.	[A]	[B]	Laju Reaksi
0	a	b	v
1	2a	b	2v
2	2a	2b	8v

Langkah 1: Tentukan orde terhadap A (m)

Dari data 1:

\[ \begin{aligned} \frac{v_1}{v_0} &= \left( \frac{[A]_1}{[A]_0} \right)^m \\[1em] \frac{2v}{v} &= \left( \frac{2a}{a} \right)^m \\[1em] 2 &= 2^m \\[1em] 2^1 &= 2^m \\[1em] m &= 1 \end{aligned} \]

→ Orde terhadap A = 1

Langkah 2: Tentukan orde terhadap B (n)

Dari data 2:

\[ \begin{aligned} \frac{v_2}{v_1} &= \left( \frac{[A]_2}{[A]_1} \right)^m \cdot \left( \frac{[B]_2}{[B]_1} \right)^n \\[1em] \frac{8v}{2v} &= \left( \frac{2a}{2a} \right)^1 \cdot \left( \frac{2b}{b} \right)^n \\[1em] 4 &= \left( 1 \right)^1 \cdot \left(2 \right)^n \\[1em] 4 &= 1 \cdot 2^n\\&= 2^n \\[1em] 4 &= 2^n \\[1em] 2^2 &= 2^n \\[1em] n &= 2 \end{aligned} \]

→ Orde terhadap B = 2

Kesimpulan: Persamaan Laju Reaksi

\( v = k [A]^1 [B]^2 \)

Atau ditulis:

\( v = k [A][B]^2 \)

Soal #2

Untuk reaksi: A + B → hasil, persamaan laju reaksinya adalah:

\( v = k [A][B]^2 \)

Jika konsentrasi awal A dan B masing-masing diubah, tentukan perubahan kecepatan reaksi dalam kasus berikut:

1. Jika konsentrasi awal A dinaikkan menjadi dua kali sedangkan konsentrasi B tetap, kecepatan reaksi menjadi berapa kali lipat?
2. Jika konsentrasi awal A dan B masing-masing dinaikkan menjadi dua kali, kecepatan reaksi menjadi berapa kali lipat?

Pembahasan

Pembahasan Soal #2

Diketahui persamaan laju reaksi:

\( v = k [A]^1 [B]^2 \)

Orde reaksi: m = 1 (terhadap A), n = 2 (terhadap B).

Kasus 1: [A] × 2, [B] tetap

Laju awal: \( v_1 = k [A]_1 [B]_1^2 \)

Laju baru: \( v_2 = k (2[A]_1) [B]_1^2 = 2k [A]_1 [B]_1^2 \)

\[ \begin{aligned} \frac{v_2}{v_1} &= \frac{2k [A]_1 [B]_1^2}{k [A]_1 [B]_1^2} \\[1em] \frac{v_2}{v_1} &= 2 \\[1em] v_2 &= 2 v_1\end{aligned} \]

→ Kecepatan reaksi menjadi 2 kali lebih besar.

Kasus 2: [A] × 2, [B] × 2

Laju awal: \( v_1 = k [A]_1 [B]_1^2 \)

Laju baru: \( v_3 = k (2[A]_1) (2[B]_1)^2 = k (2[A]_1) (4[B]_1^2) = 8k [A]_1 [B]_1^2 \)

\[ \begin{aligned} \frac{v_3}{v_1} &= \frac{8k [A]_1 [B]_1^2}{k [A]_1 [B]_1^2} \\[1em] \frac{v_3}{v_1} &= 8\\[1em] v_3&= 8v_1 \end{aligned} \]

→ Kecepatan reaksi menjadi 8 kali lebih besar.

Jawaban Akhir:

1. Kecepatan reaksi menjadi 2 kali lipat.
2. Kecepatan reaksi menjadi 8 kali lipat.

Soal #3

Reaksi kimia antara tiga zat pereaksi X, Y, dan Z menghasilkan produk sesuai persamaan: X + Y + Z → hasil. Dalam eksperimen, ditemukan data berikut:

1. Ketika konsentrasi awal X ditingkatkan menjadi dua kali lipat sementara konsentrasi Y dan Z dipertahankan tetap, laju reaksi meningkat menjadi empat kali lipat dari semula.
2. Ketika konsentrasi awal Y saja yang dinaikkan menjadi tiga kali lipat dengan konsentrasi X dan Z tetap, laju reaksi menjadi sembilan kali lipat.
3. Ketika konsentrasi awal Z ditingkatkan menjadi dua kali lipat dengan X dan Y tetap, laju reaksi menjadi dua kali lipat.

Berdasarkan data tersebut, tentukan persamaan laju reaksi dalam bentuk \( v = k [X]^p [Y]^q [Z]^r \).

Pembahasan

Pembahasan Soal #3

Diketahui reaksi:

X + Y + Z → hasil

Bentuk umum laju reaksi:

\( v = k [X]^p [Y]^q [Z]^r \)

Data Percobaan:

Perc.	[X]	[Y]	[Z]	Laju Reaksi
0	a	b	c	v
1	2a	b	c	4v
2	a	3b	c	9v
3	a	b	2c	2v

Langkah 1: Orde terhadap X (p) digunakan dari pada perc. 1 dan perc. 0:

\[ \begin{aligned} \frac{v_1}{v_0} &= \left( \frac{[X]_1}{[X]_0} \right)^p \left( \frac{[Y]_1}{[Y]_0} \right)^q \left( \frac{[Z]_1}{[Z]_0} \right)^r \\[1em] \frac{4v}{v} &= \left( \frac{2a}{a} \right)^p \left( \frac{b}{b} \right)^p \left( \frac{c}{c} \right)^p \\[1em] 4 &= 2^p \times 1^q \times 1^r\\[1em] 2^2 &= 2^p \\ p &= 2 \end{aligned} \]

→ Orde terhadap X = 2

Langkah 2: Orde terhadap Y (q) digunakan dari pada perc. 2 dan perc. 0:

\[ \begin{aligned} \frac{v_2}{v_0} &= \left( \frac{[X]_2}{[X]_0} \right)^p \left( \frac{[Y]_2}{[Y]_0} \right)^q \left( \frac{[Z]_2}{[Z]_0} \right)^r \\[1em] \frac{9v}{v} &= \left( \frac{a}{a} \right)^p \left( \frac{3b}{b} \right)^q \left( \frac{c}{c} \right)^r \\[1em] 9 &= 1^p \times 3^q \times 1^r \\[1em] 3^2 &= 3^q \\[1em] q &= 2 \end{aligned} \]

→ Orde terhadap Y = 2

Langkah 3: Orde terhadap Z (r)

\[ \begin{aligned} \frac{v_3}{v_0} &= \left( \frac{[X]_3}{[X]_0} \right)^p \left( \frac{[Y]_3}{[Y]_0} \right)^q \left( \frac{[Z]_3}{[Z]_0} \right)^r \\[1em] \frac{2v}{v} &= \left( \frac{a}{a} \right)^p \left( \frac{b}{b} \right)^q \left( \frac{2c}{c} \right)^r \\[1em] 2 &= 1^p \times 1^q \times 2^r \\[1em] 2^1 &= 2^r \\[1em] r &= 1 \end{aligned} \]

→ Orde terhadap Z = 1

Kesimpulan: Persamaan Laju Reaksi

\( v = k [X]^2 [Y]^2 [Z]^1 \)

Atau ditulis:

\( v = k [X]^2 [Y]^2 [Z] \)

Soal #4

Diketahui reaksi kimia: X + Y + Z → hasil memiliki persamaan laju reaksi:

\( v = k [X]^2 [Y]^2 [Z] \)

Jika konsentrasi awal ketiga pereaksi diubah secara terpisah atau bersamaan, tentukan perubahan laju reaksi untuk kasus berikut:

1. Konsentrasi X saja dinaikkan menjadi dua kali lipat, sementara Y dan Z tetap.
2. Konsentrasi Y saja dinaikkan menjadi tiga kali lipat, sementara X dan Z tetap.
3. Konsentrasi Z saja dinaikkan menjadi dua kali lipat, sementara X dan Y tetap.
4. Ketiga konsentrasi X, Y, dan Z masing-masing dinaikkan menjadi dua kali lipat secara bersamaan.

Tentukan berapa kali lipat laju reaksi meningkat pada masing-masing kasus.

Pembahasan

Pembahasan Soal #4

Diketahui persamaan laju:

\( v = k [X]^2 [Y]^2 [Z] \)

Orde: p = 2, q = 2, r = 1.

Kasus 1: [X] × 2, [Y] tetap, [Z] tetap

\[ \begin{aligned} v_1 &= k [X]_1^2 [Y]_1^2 [Z]_1 \\ v_2 &= k (2[X]_1)^2 [Y]_1^2 [Z]_1 = k (4[X]_1^2) [Y]_1^2 [Z]_1 = 4v_1 \\[1em] \frac{v_2}{v_1} &= 4\\v_2 &= 4v_1 \end{aligned} \]

→ Laju menjadi 4 kali.

Kasus 2: [Y] × 3, [X] tetap, [Z] tetap

\[ \begin{aligned} v_3 &= k [X]_1^2 (3[Y]_1)^2 [Z]_1 = k [X]_1^2 (9[Y]_1^2) [Z]_1 = 9v_1 \\[1em] \frac{v_3}{v_1} &= 9 \\[1em] v_3 &= 9v_1 \end{aligned} \]

→ Laju menjadi 9 kali.

Kasus 3: [Z] × 2, [X] tetap, [Y] tetap

\[ \begin{aligned} v_4 &= k [X]_1^2 [Y]_1^2 (2[Z]_1) = 2v_1 \\[1em] \frac{v_4}{v_1} &= 2\\[1em] v_4 & = 2v_1 \end{aligned} \]

→ Laju menjadi 2 kali.

Kasus 4: [X] × 2, [Y] × 2, [Z] × 2

\[ \begin{aligned} v_5 &= k (2[X]_1)^2 (2[Y]_1)^2 (2[Z]_1) \\ &= k (4[X]_1^2) (4[Y]_1^2) (2[Z]_1) \\ &= 32 k [X]_1^2 [Y]_1^2 [Z]_1 = 32v_1 \\[1em] \frac{v_5}{v_1} &= 32 \\[1em] v_5 &= 32v_1 \end{aligned} \]

→ Laju menjadi 32 kali.

---

Jawaban Akhir:

1. 4 kali
2. 9 kali
3. 2 kali
4. 32 kali

Soal #5 (HOTS – Konteks Industri & Analisis Kritis)

Dalam proses produksi amonia melalui proses Haber-Bosch di pabrik pupuk, reaksi yang terjadi adalah:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Seorang insinyur kimia melakukan serangkaian eksperimen di laboratorium skala kecil untuk menentukan orde reaksi maju sebelum merancang reaktor industri. Hasil percobaan disajikan dalam tabel berikut (laju reaksi dalam mol/L·detik):

Perc.	[N2]0 (M)	[H2]0 (M)	Laju Awal (×10-5)
1	0,10	0,30	2,00
2	0,20	0,30	8,00
3	0,10	0,90	18,00

Berdasarkan data tersebut:

1. Tentukan orde reaksi terhadap N₂ dan H₂.
2. Tuliskan persamaan laju reaksi maju dalam bentuk \( v = k [\ce{N2}]^m [\ce{H2}]^n \).
3. Jika konsentrasi N₂ di pabrik dijaga konstan pada 0,15 M, dan H₂ ditingkatkan dari 0,45 M menjadi 1,35 M (3 kali lipat), berapa kali lipat laju reaksi akan meningkat?
4. Analisis kritis: Mengapa dalam praktek industri, rasio H₂ : N₂ sering dijaga sekitar 3:1 meskipun stoikiometri reaksi menunjukkan 3:1, tetapi orde reaksi terhadap H₂ bukan 3? Jelaskan berdasarkan hasil eksperimen dan prinsip kinetika.

Pembahasan

Pembahasan Soal #5

Langkah 1: Orde terhadap N₂ (m)

Bandingkan percobaan 1 dan 2: [H₂] tetap, [N₂] ×2

\[ \begin{aligned} \frac{v_2}{v_1} &= \left( \frac{[\ce{N2}]_2}{[\ce{N2}]_1} \right)^m \\[1em] \frac{8{,}00}{2{,}00} &= \left( \frac{0{,}20}{0{,}10} \right)^m \\[1em] 4 &= 2^m \\[1em] 2^2 &= 2^m \\[1em] m &= 2 \end{aligned} \]

→ Orde terhadap N₂ = 2

Langkah 2: Orde terhadap H₂ (n)

Bandingkan percobaan 1 dan 3: [N₂] tetap, [H₂] ×3

\[ \begin{aligned} \frac{v_3}{v_1} &= \left( \frac{[\ce{H2}]_3}{[\ce{H2}]_1} \right)^n \\[1em] \frac{18{,}00}{2{,}00} &= \left( \frac{0{,}90}{0{,}30} \right)^n \\[1em] 9 &= 3^n \\[1em] 3^2 &= 3^n \\[1em] n &= 2 \end{aligned} \]

→ Orde terhadap H₂ = 2

Langkah 3: Persamaan Laju Reaksi Maju

\( v = k [\ce{N2}]^2 [\ce{H2}]^2 \)

Langkah 4: Perubahan Laju ([N₂] = 0,15 M konstan, [H₂] ×3)

\[ \begin{aligned} \frac{v_{\text{baru}}}{v_{\text{lama}}} &= \left( \frac{[\ce{H2}]_{\text{baru}}}{[\ce{H2}]_{\text{lama}}} \right)^2 \\[1em] &= (3)^2 \\[1em] &= 9 \end{aligned} \]

→ Laju reaksi meningkat 9 kali lipat.

Langkah 5: Analisis Kritis (HOTS)

Meskipun stoikiometri reaksi menunjukkan 3 molekul H₂ per 1 molekul N₂, hasil eksperimen menunjukkan orde terhadap H₂ = 2, bukan 3. Hal ini menandakan bahwa:

• Mekanisme reaksi tidak elementer — reaksi terjadi melalui beberapa langkah, dan langkah penentu laju hanya melibatkan 2 molekul H₂ (misalnya adsorpsi disosiatif H₂ pada permukaan katalis Fe).
• Dalam industri, rasio H₂ : N₂ ≈ 3:1 tetap digunakan karena:
  • Memenuhi stoikiometri keseluruhan agar tidak ada pereaksi yang berlebih berlebihan.
  • Menjaga kesetimbangan bergeser ke kanan (prinsip Le Chatelier).
  • Meskipun orde H₂ = 2, peningkatan [H₂] tetap memberikan efek kuadrat pada laju (\( \propto [\ce{H2}]^2 \)), sehingga meningkatkan efisiensi kinetik.

Kesimpulan: Pemilihan rasio 3:1 adalah kompromi optimal antara kinetika, stoikiometri, dan kesetimbangan.

---

Jawaban Akhir:

1. Orde: m = 2, n = 2
2. \( \boxed{v = k [\ce{N2}]^2 [\ce{H2}]^2} \)
3. Laju meningkat 9 kali
4. Penjelasan: Reaksi tidak elementer; orde 2 terhadap H₂ menunjukkan langkah penentu laju melibatkan 2 molekul H₂.
   Rasio 3:1 tetap optimal untuk stoikiometri dan kesetimbangan.