Ungkapan Laju Reaksi, Model Soal Terstruktur dan Pembahasannya

Ungkapan laju reaksi adalah representasi matematis hubungan antara laju reaksi dan konsentrasi reaktannya. Penulisannya penting untuk memahami mekanisme reaksi dan memprediksi perilaku sistem kimia.

Soal-soal ini melatih kemampuan menulis ungkapan laju reaksi berdasarkan data eksperimen maupun grafik. Melalui model soal terstruktur, kita akan mengembangkan pemahaman dalam menyusun persamaan laju reaksi yang akurat sesuai data.

Soal #1

Reaksi antara gas nitrogen dan gas hidrogen untuk membentuk amonia merupakan reaksi bolak-balik (reversibel) yang sangat penting dalam industri. Reaksi ini dapat dituliskan sebagai:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Seorang siswa menyelidiki laju reaksi ini dengan mengukur perubahan jumlah mol dari masing-masing gas dalam sebuah wadah tertutup pada suhu dan tekanan tertentu. Data yang diperoleh digunakan untuk menggambar grafik berikut.

Berdasarkan persamaan reaksi dan grafik di atas:
1. Identifikasi kurva mana yang mewakili hidrogen (H₂). Berikan alasan untuk jawabanmu.
2. Identifikasi kurva mana yang mewakili amonia (NH₃). Berikan alasan untuk jawabanmu.
1. Pada waktu berapa detikkah laju reaksi pembentukan amonia (NH₃) sama dengan nol? Jelaskan jawabanmu.
2. Mengapa kurva untuk semua reaktan dan produk menjadi datar (tidak berubah) setelah waktu tertentu?
Hitunglah laju reaksi rata-rata pembentukan amonia (NH₃) antara t = 0 detik dan t = 20 detik. Tunjukkanlah langkah-langkah perhitunganmu. Gunakan data dari grafik yang telah kamu identifikasi.
Asumsikan dari grafik: Pada t=0s, mol NH₃ = 0 mol; Pada t=20s, mol NH₃ = 0.8 mol
Laju reaksi dapat dinyatakan terhadap reaktan atau produk.
1. Tuliskan persamaan untuk menghitung laju pengurangan gas nitrogen (N₂).
2. Berdasarkan stoikiometri reaksi, bandingkan nilai numerik dari laju pengurangan hidrogen dengan laju pembentukan amonia. Manakah yang lebih besar? Jelaskan jawabanmu dengan perhitungan sederhana.
Reaksi ini dilakukan dalam wadah tertutup. Jelaskan apa yang akan terjadi pada laju reaksi pembentukan amonia dan laju reaksi pengurangan nitrogen jika reaksi dilakukan dalam wadah terbuka pada kondisi yang sama. Berikan alasan untuk jawabanmu.

Pembahasan Soal #1

1. Kurva A adalah H₂.
  Alasan: H₂ memiliki koefisien stoikiometri terbesar (3), sehingga jumlah mol yang bereaksi paling banyak dan perubahannya paling curam.
2. Kurva C adalah NH₃.
  Alasan: NH₃ adalah produk, sehingga kurvanya meningkat dari nol.
1. Laju pembentukan NH₃ sama dengan nol setelah kurva menjadi datar, misalnya setelah t = 60 detik.
  Alasan: Setelah waktu tersebut, jumlah mol NH₃ tidak berubah lagi terhadap waktu.
2. Kurva menjadi datar karena reaksi telah mencapai keadaan setimbang (dynamic equilibrium).
  Pada keadaan ini, laju reaksi maju (pembentukan NH₃) sama dengan laju reaksi balik (penguraian NH₃), sehingga tidak ada perubahan bersih dalam jumlah mol zat.
Perhitungan laju rata-rata pembentukan NH₃:
Perubahan jumlah mol NH₃ = 0,8 mol - 0 mol = 0,8 mol
Perubahan waktu = 20 s - 0 s = 20 s
Laju rata-rata pembentukan NH₃ = |Perubahan mol//Perubahan waktu|
= |0,8 mol//20 s| = 0,04 mol/s
1. Laju pengurangan N₂ = -|Δ[N_2]//Δt|
2. Laju pengurangan H₂ lebih besar.
  Penjelasan:
  Dari persamaan: Laju pengurangan H₂ : Laju pembentukan NH₃ = 3 : 2
  Jadi, untuk setiap 2 mol NH₃ yang terbentuk, 3 mol H₂ harus bereaksi.
  Misalkan Laju pembentukan NH₃ = 2x mol/s, maka Laju pengurangan H₂ = 3x mol/s.
  Karena 3x > 2x, maka laju pengurangan H₂ secara numerik lebih besar.
Dalam wadah terbuka, laju reaksi pembentukan amonia akan berkurang (sangat kecil/tidak signifikan) dan laju reaksi pengurangan nitrogen akan berkurang (sangat kecil/tidak signifikan).

Alasan: Dalam wadah terbuka, gas-gas reaktan (N₂ dan H₂) dapat keluar dari sistem atau tercampur dengan udara, sehingga konsentrasi efektifnya untuk bertumbukan dan bereaksi menjadi sangat rendah. Akibatnya, laju reaksi maju menjadi sangat lambat.

Soal #2

Perhatikan reaksi berikut:

CaCO₃(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Sebuah eksperimen dilakukan untuk mempelajari laju reaksi antara kalsium karbonat (CaCO₃) dan asam klorida (HCl). Sebongkah CaCO₃ dengan massa tertentu direaksikan dengan HCl berlebih. Gas CO₂ yang dihasilkan dibiarkan lepas ke udara, sehingga massa campuran reaksi berkurang seiring waktu. Data pengurangan massa terhadap waktu dicatat dan diplot dalam grafik berikut:

Data dari grafik:

Waktu (detik)	0	50	100	150	200	250	300
Massa (gram)	25,0	22,5	20,0	18,0	16,5	15,5	15,0

Informasi tambahan:

Massa akhir setelah reaksi selesai = 15,0 gram
Massa yang hilang seluruhnya berasal dari gas CO₂ yang dilepaskan
Massa molar: C = 12 g/mol, O = 16 g/mol, Ca = 40 g/mol

Berikan penjelasan, mengapa massa campuran berkurang terhadap waktu.
Berapakah massa CaCO₃ yang digunakan pada awal reaksi?
Bagaimanakah hubungan kemiringan kurva dengan kelajuan reaksi? Mengapa kurva semakin lama semakin melandai?
Tentukan laju rerata reaksi selama:
1. 100 detik pertama
2. 200 detik pertama
Tentukan laju rerata reaksi keseluruhan.

Pembahasan Soal #2

Massa campuran berkurang terhadap waktu karena:
Dalam reaksi ini dihasilkan gas CO₂ yang dilepaskan ke udara. Berdasarkan hukum kekekalan massa, massa zat sebelum dan sesudah reaksi seharusnya sama. Namun, karena CO₂ berupa gas dan tidak tertampung dalam sistem, massanya "hilang" dari pengukuran, sehingga massa campuran yang terukur berkurang.
Massa CaCO₃ yang digunakan pada awal reaksi:
Massa yang hilang selama reaksi = massa awal - massa akhir = 25,0 g - 15,0 g = 10,0 g

Massa yang hilang ini adalah massa CO₂ yang dihasilkan. Mari kita hitung massa CaCO₃ yang bereaksi:

Mr CO₂ = 12 + (2 × 16) = 44 g/mol
Mr CaCO₃ = 40 + 12 + (3 × 16) = 100 g/mol

Dari persamaan reaksi: CaCO₃ → CO₂
Perbandingan mol = 1 : 1
Perbandingan massa = 100 : 44

Massa CaCO₃ yang bereaksi = |100//44| × 10,0 g = 22,73 g

Karena pada akhir reaksi masih tersisa CaCO₃ (massa akhir 15,0 g), maka massa CaCO₃ awal = massa yang bereaksi + massa sisa = 22,73 g + 15,0 g = 37,73 g
Hubungan kemiringan kurva dengan kelajuan reaksi:
Kemiringan kurva (gradien) berbanding lurus dengan kelajuan reaksi. Semakin curam kemiringan kurva, semakin tinggi kelajuan reaksi.

Kurva semakin melandai karena:
- Konsentrasi pereaksi (CaCO₃) semakin berkurang
- Luas permukaan sentuh CaCO₃ berkurang seiring berkurangnya ukuran partikel
- Konsentrasi HCl mungkin berkurang (meskipun digunakan berlebih, di sekitar permukaan CaCO₃ bisa terjadi penurunan konsentrasi lokal)
Laju rerata reaksi:
Laju rerata reaksi = |Δmassa//Δwaktu|

i. 100 detik pertama:
Δmassa = 25,0 g - 20,0 g = 5,0 g
Δwaktu = 100 detik
Laju rerata = |5,0 g//100 detik| = 0,05 g/detik

ii. 200 detik pertama:
Δmassa = 25,0 g - 16,5 g = 8,5 g
Δwaktu = 200 detik
Laju rerata = |8,5 g//200 detik| = 0,0425 g/detik
Laju rerata reaksi keseluruhan:
Δmassa total = 25,0 g - 15,0 g = 10,0 g
Δwaktu total = 300 detik
Laju rerata keseluruhan = |10,0 g//300 detik| = 0,033 g/detik

Soal #3

Perhatikan reaksi dekomposisi berikut:

2N₂O₅(g) → 4NO₂(g) + O₂(g)

Sebuah penelitian dilakukan untuk mempelajari laju dekomposisi N₂O₅ pada suhu 65°C. Data konsentrasi N₂O₅ yang diperoleh setiap selang waktu tertentu ditunjukkan dalam grafik berikut:

Berdasarkan data tersebut, hitunglah laju rata-rata pengurangan N₂O₅ selama:
1. 20 menit pertama
2. Selang waktu 40-60 menit
Berdasarkan stoikiometri reaksi, tentukan hubungan antara:
1. Laju pengurangan N₂O₅ dengan laju pembentukan NO₂
2. Laju pengurangan N₂O₅ dengan laju pembentukan O₂
Tuliskan persamaan matematis untuk masing-masing hubungan.
Jika pada menit ke-50, laju pengurangan N₂O₅ adalah 1,25 × 10^-3 mol/L.menit, berapakah:
1. Laju pembentukan NO₂ pada saat itu?
2. Laju pembentukan O₂ pada saat itu?
Mengapa laju reaksi dekomposisi N₂O₅ semakin lambat seiring berjalannya waktu? Jelaskan berdasarkan teori tumbukan.
Jika volume wadah reaksi diperbesar dua kali lipat pada menit ke-30, prediksikan pengaruhnya terhadap:
1. Laju reaksi sesaat setelah volume diperbesar
2. Laju reaksi beberapa menit setelah volume diperbesar
Jelaskan alasan jawabanmu.

Pembahasan Soal #3

Laju rata-rata pengurangan N₂O₅:
Laju = -|Δ[N_2O_5]//Δt|
1. 20 menit pertama:
  Δ[N₂O₅] = 0,160 - 0,113 = 0,047 mol/L
  Δt = 20 menit
  Laju = -|-0,047//20| = 0,00235 mol/L.menit
2. Selang waktu 40-60 menit:
  Δ[N₂O₅] = 0,080 - 0,056 = 0,024 mol/L
  Δt = 20 menit
  Laju = -|-0,024//20| = 0,0012 mol/L.menit
Hubungan stoikiometri laju reaksi:
Dari persamaan: 2N₂O₅ → 4NO₂ + O₂
1. N₂O₅ dengan NO₂:
  Perbandingan koefisien = 2 : 4 = 1 : 2
  -|1//2||Δ[N_2O_5]//Δt| = |1//4||Δ[NO_2]//Δt|
  atau |Δ[NO_2]//Δt| = -2|Δ[N_2O_5]//Δt|
2. N₂O₅ dengan O₂:
  Perbandingan koefisien = 2 : 1
  -|1//2||Δ[N_2O_5]//Δt| = |Δ[O_2]//Δt|
  atau |Δ[O_2]//Δt| = -|1//2||Δ[N_2O_5]//Δt|
Laju pembentukan produk pada menit ke-50:
Diketahui: -|Δ[N_2O_5]//Δt| = 1,25 × 10^-3 mol/L.menit
1. Laju pembentukan NO₂:
  |Δ[NO_2]//Δt| = 2 × (1,25 × 10^-3) = 2,50 × 10^-3 mol/L.menit
2. Laju pembentukan O₂:
  |Δ[O_2]//Δt| = ½ × (1,25 × 10^-3) = 6,25 × 10^-4 mol/L.menit
3. Penurunan laju reaksi berdasarkan teori tumbukan:
  Laju reaksi dekomposisi N₂O₅ semakin lambat karena konsentrasi N₂O₅ semakin berkurang seiring berjalannya waktu. Menurut teori tumbukan, frekuensi tumbukan efektif antara molekul-molekul N₂O₅ berkurang ketika konsentrasinya menurun, sehingga laju reaksi menjadi lebih lambat.
Pengaruh perubahan volume:
1. Sesaat setelah volume diperbesar:
  Laju reaksi akan menurun secara drastis karena konsentrasi N₂O₅ berkurang setengahnya (volume diperbesar 2x, jumlah molekul tetap).
2. Beberapa menit setelah volume diperbesar:
  Laju reaksi akan terus menurun seiring waktu karena konsentrasi N₂O₅ semakin berkurang akibat reaksi dekomposisi yang berlanjut, namun dengan laju yang lebih lambat dibandingkan sebelum volume diperbesar.

Soal #4

Perhatikan reaksi redoks berikut:

S₂O₈^2-(aq) + 2I^-(aq) → 2SO₄^2-(aq) + I₂(aq)

Sebuah eksperimen dilakukan untuk mempelajari laju reaksi antara ion peroksodisulfat (S₂O₈^2-) dan ion iodida (I^-). Reaksi dilakukan dengan mencampurkan larutan yang mengandung ion-ion tersebut dan mengukur waktu yang dibutuhkan untuk terbentuknya iod (I₂) dalam jumlah tertentu.

Data percobaan:

Percobaan	[S₂O₈^2-] awal (mol/L)	[I^-] awal (mol/L)	Waktu (detik)
1	0,040	0,080	45
2	0,040	0,040	90
3	0,020	0,080	90

Berdasarkan data percobaan di atas, tentukan orde reaksi terhadap:
1. Ion S₂O₈^2-
2. Ion I^-
Tunjukkan perhitungan untuk mendukung jawabanmu.
Tuliskan persamaan laju reaksi untuk reaksi tersebut.
Hitung nilai tetapan laju (k) beserta satuannya.
Jika konsentrasi awal S₂O₈^2- = 0,030 mol/L dan I^- = 0,060 mol/L, berapakah waktu yang dibutuhkan untuk reaksi tersebut?
Berdasarkan stoikiometri reaksi, nyatakan hubungan antara:
1. Laju pengurangan [S₂O₈^2-] dengan laju pengurangan [I^-]
2. Laju pengurangan [S₂O₈^2-] dengan laju pembentukan [I₂]

Pembahasan Soal #4

Menentukan orde reaksi:
Laju reaksi berbanding terbalik dengan waktu: v ≈ 1/t
1. Orde terhadap S₂O₈^2-:
  Bandingkan percobaan 1 dan 3:
  [I^-] tetap = 0,080 M
  [S₂O₈^2-] berubah dari 0,040 → 0,020 (½ kali)
  Waktu dari 45 → 90 detik (2 kali)
  Laju dari 1/45 → 1/90 (½ kali)
  (½)^x = ½ → x = 1
  Orde terhadap S₂O₈^2- = 1
2. Orde terhadap I^-:
  Bandingkan percobaan 1 dan 2:
  [S₂O₈^2-] tetap = 0,040 M
  [I^-] berubah dari 0,080 → 0,040 (½ kali)
  Waktu dari 45 → 90 detik (2 kali)
  Laju dari 1/45 → 1/90 (½ kali)
  (½)^y = ½ → y = 1
  Orde terhadap I^- = 1
Persamaan laju reaksi:
v = k[S₂O₈^2-][I^-]
Menghitung tetapan laju (k):
Gunakan data percobaan 1:
v = 1/45 detik^-1
[S₂O₈^2-] = 0,040 mol/L
[I^-] = 0,080 mol/L

1/45 = k × 0,040 × 0,080
k = |1/45//0,040 × 0,080|
k = |0,0222//0,0032| = 6,94 L/mol.detik
Waktu untuk konsentrasi baru:
[S₂O₈^2-] = 0,030 mol/L
[I^-] = 0,060 mol/L

v = k[S₂O₈^2-][I^-]
v = 6,94 × 0,030 × 0,060 = 0,0125 detik^-1
t = |1//v| = |1//0,0125| = 80 detik
Hubungan stoikiometri laju:
Dari persamaan: S₂O₈^2- + 2I^- → 2SO₄^2- + I₂
1. S₂O₈^2- dengan I^-:
  -|Δ[S_2O_8^2-]//Δt| = -|1//2||Δ[I^-]//Δt|
2. S₂O₈^2- dengan I₂:
  -|Δ[S_2O_8^2-]//Δt| = |Δ[I_2]//Δt|

Pages