Kesetimbangan kimia memang terkesan tidak sulit, terutama untuk hal yang berhubungan dengan faktor-faktor yang mempengaruhi kesetimbangan (pergeseran kesetimbangan). Di soal-soal ujian biasanya hanya begitu-begitu saja.
Namun, begitu soal dibuat sedikit berbeda dengan dihadapkan pada beberapa kasus, banyak siswa tidak dapat memberikan jawaban yang meyakinkan. Soal seperti apa?
Baiklah, dimulai dari hal yang umum seperti di buku-buku kimia kebanyakan. Bahwa meningkatkan volume sistem kesetimbangan kimia yang bersifat homogen untuk gas akan membuat pergeseran kesetimbangan ke arah jumlah mol zat yang lebih tinggi.
Sebaliknya, menurunkan volume sistem kesetimbangan gas akan membuat pergeseran kesetimbangan ke arah jumlah mol gas yang lebih sedikit.
Bagaimana jika sistem kesetimbangan itu bersifat heterogen, terdapat zat-zat yang wujudnya berbeda? Di sinilah sering soal "dimainkan" untuk menguji kepahaman siswa.
Dalam mempertimbangkan perubahan volume, kita harus memperhatikan fase zat-zat yang dipengaruhi oleh perubahan tersebut.
Jika ada fase larutan, padat, dan fase gas dalam sebuah wadah, mengubah volume wadah hanya mengubah volume fase gas.
Menambahkan air ke wadah jelas meningkatkan volume fase larutan, tetapi efek pada fase gas ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan, apakah itu terjadi pada volume konstan atau tekanan konstan.
Jika penambahan dilakukan pada tekanan konstan, volume fase gas tidak berubah, tetapi jika volume wadah dipertahankan konstan, volume fase gas menurun karena volume fase larutan meningkat.
Selain itu, penambahan cairan seperti merkuri tidak berpengaruh pada tekanan konstan, tetapi mengurangi volume fase gas jika volume kontainer adalah konstan.
Penambahan gas inert (gas yang tidak bereaksi) tidak berpengaruh jika volume kontainer adalah konstan, tetapi meningkatkan tekanan total jika volume konstan, meskipun tidak mengubah kesetimbangan untuk reaksi gas karena konsentrasi parsial tetap sama.
Namun, jika pada tekanan konstan, penambahan gas inert akan meningkatkan volume fase gas.
Mengubah volume suatu fase akan mengubah konsentrasi semua komponen dalam fase tersebut, baik reaktan maupun produk. Efek bersih ditentukan oleh perbedaan dalam jumlah molekul reaktan dan produk (dari reaksi yang setimbang) di fase itu.
Jika reaksi yang setimbang menunjukkan jumlah mol yang sama antara reaktan dan produk dalam fase yang sedang berubah, tidak ada efek pada kesetimbangan.
Jika reaksi yang setimbang menunjukkan jumlah mol produk lebih banyak dari jumlah mol reaktan dalam fase yang sedang berubah, efek pada produk-lah yang mendominasi.
Oleh karena itu, jika volume fase meningkat, konsentrasi produk akan menurun lebih dari reaktan, dan kesetimbangan akan bergeser untuk meningkatkan jumlah produk dan menurunkan jumlah reaktan. Penurunan volume fase akan memiliki efek sebaliknya.
Situasi sebaliknya, jika jumlah mol reaktan lebih banyak dari jumlah mol produk dalam fase yang sedang berubah, hasilnya adalah peningkatan jumlah reaktan jika volume fase meningkat dan penurunan jumlah reaktan jika volume fase menurun.
Ada beberapa keadaan di mana pengaruh perubahan volume satu fase akan membuat perubahan fase lain menjadi berkurang. Analisis situasi ini membutuhkan pendekatan yang lebih kuantitatif. Pendekatan kuantitatif, yang juga berlaku untuk semua contoh dibahas di atas, didasarkan pada besaran yang disebut Quotient Reaksi.
Tentang Quotient Reaksi, \( Q \).
Quotient Reaksi atau \( Q \) adalah besaran yang mirip dengan konstanta kesetimbangan \( K \), tetapi dihitung menggunakan konsentrasi atau tekanan parsial zat-zat pada saat tertentu, bukan pada kesetimbangan. Untuk reaksi umum \( aA + bB \rightleftharpoons cC + dD \), bentuk \( Q \) adalah:
\[ Q = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b} \]
kurung siku [] menunjukkan konsentrasi molar. Jika reaksi melibatkan gas, kita bisa menggunakan \( Q_p \) dengan tekanan parsial:
\[ Q_p = \frac{(P_C)^c (P_D)^d}{(P_A)^a (P_B)^b} \]
Pada kesetimbangan, \( Q = K \).
Jika \( Q < K \), reaksi bergeser ke arah produk untuk meningkatkan \( Q \).
Sebaliknya, jika \( Q > K \), reaksi bergeser ke arah reaktan.
Pendekatan kuantitatif memberikan kejelasan karena memungkinkan kita menghitung secara tepat bagaimana perubahan volume mempengaruhi \( Q \), sehingga kita bisa memprediksi pergeseran dan bahkan menghitung komposisi kesetimbangan baru.
Contoh sederhana:
Pertimbangkan reaksi homogen gas \( N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g) \), dengan \( K_c = 0.5 \) pada suhu tertentu.
Asumsikan volume awal 1 L, dengan konsentrasi awal [N2] = 1 M, [H2] = 3 M, [NH3] = 0. Setelah mencapai kesetimbangan, kita bisa hitung menggunakan tabel ABS (Awal, Berubah, Setimbang).
Misal perubahan = x, maka kesetimbangan: [N2] = 1 - x, [H2] = 3 - 3x, [NH3] = 2x.
\[ K_c = \frac{(2x)^2}{(1-x)(3-3x)^3} = 0,5 \]
Menyelesaikan persamaan ini (mungkin secara numerik), anggap kita dapat x ≈ 0,4, sehingga [N2] ≈ 0,6 M, [H2] ≈ 1,8 M, [NH3] ≈ 0,8 M.
Sekarang, jika volume tiba-tiba ditingkatkan menjadi 2 L (tekanan menurun, asumsi suhu konstan), konsentrasi langsung menjadi setengah: [N2] = 0,3 M, [H2] = 0,9 M, [NH3] = 0.4 M.
Hitung \( Q \): \[ Q = \frac{(0,4)^2}{(0,3)(0,9)^3} = \frac{0,16}{0,3 \times 0,729} = \frac{0,16}{0,2187} ≈ 0,73 \]
Karena \( Q > K \) (0,73 > 0,5), reaksi bergeser ke arah reaktan (ke kiri) untuk menurunkan \( Q \). Ini sesuai prinsip Le Chatelier, karena sisi reaktan punya lebih banyak mol gas (4 mol vs 2 mol).
Untuk kesetimbangan baru, kita bisa setup ulang ICE dengan volume baru, dan solve untuk x baru.
Untuk sistem heterogen, misal \( CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g) \), \( K_p = P_{CO_2} \). Meningkatkan volume wadah (fase gas) akan menurunkan \( P_{CO_2} \) sementara, sehingga \( Q_p < K_p \), reaksi bergeser ke kanan untuk menghasilkan lebih banyak CO2. Padatan tidak mempengaruhi karena konsentrasinya konstan.
Pendekatan ini memberikan kejelasan karena menghindari asumsi kualitatif yang kadang ambigu, terutama di kasus kompleks seperti penambahan cairan pada sistem dengan fase gas dan larutan.
Dengan demikian, memahami \( Q \) dan perhitungan kuantitatif memastikan jawaban yang akurat dan meyakinkan, bahkan untuk soal-soal yang "dimainkan".
Tidak ada komentar:
Posting Komentar