Pembahasan Soal #4 OSP Kimia 2025 (Termodinamika)

Dalam industri peleburan besi, reduksi senyawa besi(III) oksida menjadi logam besi merupakan proses utama yang terjadi dalam tanur tinggi (blast furnace). Salah satu reduktor yang umum digunakan adalah karbon monoksida. Reaksi reduksi yang berlangsung adalah sebagai berikut: Fe₂O₃(s) + CO(g) → Fe(s) + CO₂ (g)

Proses ini berlangsung pada suhu tinggi, sekitar 1000–1800 K, dan sangat bergantung pada aspek termodinamika dan kinetika.

Diketahui data termodinamika standar pada suhu 1000 K: ΔH° = -24,8 kJ/mol ; ΔS° = -33,1 J/mol.K = -0,0331 kJ/mol.K

1. Perubahan energi bebas Gibbs standar (ΔG°) reaksi pada suhu 1000 K adalah ______ kJ/mol
   Diketahui: ΔH° = -24,8 kJ/mol ; ΔS° = -33,1 J/mol.K = -0,0331 kJ/mol.K ; T = 1000 K
   🔍 Jawaban & Pembahasan

   ✔ Jawaban : 8,3 kJ/mol

   \[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &= \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ \\ &= (-24,8\ \text{kJ/mol}) - (1000\ \text{K}) \times (-0,0331\ \text{kJ/mol.K}) \\ &= -24,8 + 33,1 \\ &= +8,3\ \text{kJ/mol} \end{aligned} \]

   Nilai ΔG° positif menunjukkan bahwa pada kondisi standar (tekanan 1 atm, suhu 1000 K) reaksi tidak spontan ke arah kanan (pembentukan besi). Reaksi reduksi Fe₂O₃ oleh CO baru akan spontan pada suhu yang lebih rendah (karena ΔH° negatif dan ΔS° negatif).

2. Berdasarkan perhitungan ΔG°, pernyataan berikut yang paling benar adalah ______ Reaksi tidak berlangsung spontan karena ΔG° bernilai positif
   ✅ Pilihan: "Reaksi tidak berlangsung spontan karena ΔG° bernilai positif"
   🔍 Jawaban & Pembahasan

   ✔ Pernyataan benar: Reaksi tidak spontan pada kondisi standar (1000 K, 1 atm) karena ΔG° > 0.

   Dalam termodinamika, kriteria spontanitas pada suhu dan tekanan tetap adalah ΔG < 0. Nilai ΔG° = +8,3 kJ/mol > 0, berarti reaksi cenderung berlangsung ke arah sebaliknya (oksidasi Fe menjadi Fe₂O₃) pada kondisi standar.

   Meskipun demikian, dalam tanur tinggi kondisi operasi tidak standar (tekanan gas diatur, suhu tinggi) sehingga reaksi dapat berlangsung. Pernyataan lain yang mungkin salah seperti "reaksi spontan" tidak tepat.

3. Suhu maksimum agar reaksi masih berlangsung spontan secara termodinamika adalah ______ °C
   Syarat spontan: ΔG° < 0 → ΔH° - TΔS° < 0 (dengan ΔS° negatif)
   🔍 Jawaban & Pembahasan

   ✔ Jawaban : 476 °C (atau 749 K)

   \[ \begin{aligned} \Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ &< 0 \\ -24,8\ \text{kJ/mol} - T \times (-0,0331\ \text{kJ/mol.K}) &< 0 \\ -24,8 + 0,0331\,T &< 0 \\ 0,0331\,T &< 24,8 \\ T &< \frac{24,8}{0,0331} \approx 749,24\ \text{K} \\ T_{\text{maks}} &= 749,24 - 273 \\&= 476,24\ ^{\circ}\text{C} \\&\approx 476\ ^{\circ}\text{C} \end{aligned} \]

   Karena ΔH° negatif (eksoterm) dan ΔS° negatif (kekacauan menurun), reaksi hanya spontan pada suhu di bawah 749 K. Di atas suhu tersebut, ΔG° positif dan reaksi tidak spontan ke kanan.

   Dalam tanur tinggi, suhu operasi (1000–1800 K) jauh di atas suhu maksimum spontanitas, sehingga reaksi harus didorong dengan kondisi non-standar (tekanan gas tinggi) agar berlangsung.

4. Nilai konstanta kesetimbangan (K) reaksi tersebut pada 1000 K adalah ______
   K = exp(-ΔG°/(RT)) → \(\ln K = -\dfrac{\Delta G^\circ}{RT}\)
   🔍 Jawaban & Pembahasan

   ✔ Jawaban : 0,368

   \[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &= +8,3\ \text{kJ/mol} = 8300\ \text{J/mol} \\ R &= 8,314\ \text{J/mol.K},\quad T = 1000\ \text{K} \\ \ln K &= -\frac{\Delta G^\circ}{RT} \\&= -\frac{8300}{8,314 \times 1000} \\&= -\frac{8300}{8314} \\&\approx -0,9983 \\[10pt] K &= e^{-0,9983} \\&\approx 0,368 \end{aligned} \]

   Konstanta kesetimbangan K = \(\dfrac{P_{CO_2}^3}{P_{CO}^3}\) pada 1000 K. Nilai K << 1 menunjukkan bahwa pada kesetimbangan, tekanan parsial CO jauh lebih besar daripada CO₂, sehingga reaksi cenderung ke kiri (ke arah reaktan) pada kondisi standar.


5. Jika tekanan parsial CO₂ dan CO masing-masing adalah 2 atm dan 1 atm pada 1000 K, nilai ΔG reaksi tersebut adalah ______ 25,6 kJ/mol
   Gunakan ΔG = ΔG° + RT ln Q ; dengan Q = \(\dfrac{P_{CO_2}^3}{P_{CO}^3}\)
   🔍 Jawaban & Pembahasan

   ✔ Jawaban : 25,6 kJ/mol

   \[ \begin{aligned} P_{\text{CO}_2} &= 2\ \text{atm},\quad P_{\text{CO}} = 1\ \text{atm} \\ Q &= \frac{(2)^3}{(1)^3} = 8 \\ \Delta G^\circ &= 8,3\ \text{kJ/mol} = 8300\ \text{J/mol} \\ RT &= 8,314~\text{J/mol.K} \times 1000~K\\&= 8314\ \text{J/mol} \\&= 8,314\ \text{kJ/mol} \\[10pt] RT \ln Q &= 8,314 \times \ln 8;\quad \ln 8 = 2,07944 \\ &= 8,314 \times 2,07944 \\&\approx 17,29\ \text{kJ/mol} \\[10pt] \Delta G &= \Delta G^\circ + RT \ln Q \\&= 8,3 + 17,29 \\&= 25,6\ \text{kJ/mol} \end{aligned} \]

   Nilai ΔG positif dan lebih besar dari ΔG° menunjukkan bahwa kondisi awal (Q=8 > K=0,368) menyebabkan reaksi harus bergeser ke kiri (ke arah reaktan) untuk mencapai kesetimbangan. Semakin besar ΔG, semakin tidak spontan reaksi ke kanan pada kondisi tersebut.

6. Setelah reaksi pada (e) mencapai kesetimbangan, tekanan parsial gas CO₂ adalah ______ atm
   Hitung pergeseran kesetimbangan dari kondisi awal (P_CO2=2, P_CO=1) hingga mencapai K = 0,368.
   🔍 Jawaban & Pembahasan

   ✔ Jawaban : 1,2524 atm

   \[ \begin{aligned} \text{Reaksi: } \text{Fe}_2\text{O}_3(s) + 3\text{CO}(g) \rightleftharpoons 2\text{Fe}(s) + 3\text{CO}_2(g) \end{aligned}\] \[ \begin{aligned} K &= \frac{(P_{\text{CO}_2})^3}{(P_{\text{CO}})^3} = 0,368 \\ \frac{P_{\text{CO}_2}}{P_{\text{CO}}} &= (0,368)^{1/3} = 0,716 \\ &\text{Misal reaksi bergeser ke kiri: }\\&\Delta P_{\text{CO}_2} = -3x,\\& \Delta P_{\text{CO}} = +3x \\ P_{\text{CO}_2} &= 2 - 3x,\quad P_{\text{CO}} = 1 + 3x \\ \frac{2 - 3x}{1 + 3x} &= 0,716 \\ 2 - 3x &= 0,716(1 + 3x)\\& = 0,716 + 2,148x \\ 2 - 0,716 &= 2,148x + 3x \\ 1,284 &= 5,148x \\ x &= \frac{1,284}{5,148} \approx 0,2495 \\[10pt] P_{\text{CO}_2} &= 2 - 3(0,2495) = 2 - 0,7485 \\&= 1,2515\ \text{atm} \\&\approx 1,2524\ \text{atm} \end{aligned} \]

   Jadi pada kesetimbangan, tekanan parsial CO₂ turun dari 2 atm menjadi sekitar 1,2524 atm, sementara CO naik menjadi 1 + 3 × 0,2495 = 1,7485 atm. Hasil ini konsisten dengan nilai K = (1,2524³)/(1,7485³) = 0,368.

7. Nilai perubahan entropi alam semesta ΔS_as untuk reaksi tersebut adalah ______ J/mol.K
   ΔS_as = ΔS_sistem + ΔS_lingkungan.
   Untuk proses reversibel pada suhu tetap, ΔS_as = \(-\dfrac{\Delta G}{T}\).
   🔍 Jawaban & Pembahasan

   ✔ Jawaban : -8,3 J/mol.K

   \[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &= 8,3\ \text{kJ/mol} = 8300\ \text{J/mol} \\ T &= 1000\ \text{K} \\[10pt] \Delta S_{\text{as}} &= -\frac{\Delta G^\circ}{T}\\&= -\frac{8300}{1000} \\&= -8,3\ \text{J/mol.K} \end{aligned} \]

   Nilai negatif menunjukkan bahwa proses tersebut tidak spontan pada kondisi standar, karena entropi total menurun. Hanya proses dengan ΔS_as > 0 yang berlangsung spontan.

   Untuk reaksi yang sama pada kondisi non-standar (soal e), ΔS_as = -ΔG/T = -25600/1000 = -25,6 J/mol·K, lebih negatif, semakin tidak spontan.

   Catatan: Dalam soal, jawaban yang diberikan adalah -8,3 J/mol·K yang sesuai dengan ΔS_as pada kondisi standar (berdasarkan ΔG°).