KESETIMBANGAN KIMIA
BAB 14 (14.4 - 14.5)
- Dapat mengetahui dan memahami apa itu konstanta ekuilibrium
- Dapat mengetahui dan memahami faktor-faktor yang mempengaruhi konstanta ekuilibrium
- Gelas kimia
- Batang Pengaduk
- Hot Plate
Memprediksi Arah Reaksi
Konstanta kesetimbangan Kc untuk pembentukan hidrogen iodida dari molekul hidrogen dan molekul yodium dalam fasa gas
H2 (g) + I2 (g) ↔ 2HI (g)
adalah 54,3 pada 430 ° C. Misalkan dalam percobaan tertentu kita menempatkan 0,243 mol H2, 0,146 mol I2, dan 1,98 mol HI semua dalam wadah 1,00-L pada suhu 430 ° C. Akan ada menjadi reaksi bersih untuk membentuk lebih banyak H2 dan I2 atau lebih HI?
Gambar 14.5 Arah reaksi reversibel untuk mencapai kesetimbangan tergantung pada relatif besaran Qc dan Kc. Catatan bahwa Kc adalah konstanta pada suatu waktu suhu, tetapi Qc bervariasi menurut jumlah relatif reaktan dan produk yang ada.
Memasukkan konsentrasi awal dalam ekspresi konstanta kesetimbangan, kita tulis
dimana subskrip 0 menunjukkan konsentrasi awal (sebelum kesetimbangan tercapai). Karena hasil bagi [HI] 0 2 / [H2] 0 [I2] 0 lebih besar dari Kc, sistem ini tidak berada pada kesetimbangan. Untuk reaksi yang belum mencapai kesetimbangan, seperti pembentukan HI yang disebutkan di atas, kita memperoleh hasil bagi reaksi (Qc), alih-alih konstanta kesetimbangan dengan mengganti konsentrasi awal ke dalam ekspresi konstanta kesetimbangan. Untuk menentukan arah di mana reaksi bersih akan berlanjut untuk mencapai kesetimbangan, kami membandingkan nilai Qc dan Kc. Tiga kemungkinan kasus adalah sebagai berikut:
• Qc < Kc rasio konsentrasi awal produk terhadap reaktan terlalu kecil. Untuk mencapai kesetimbangan, reaktan harus diubah menjadi produk. Sistem bergerak dari kiri ke kanan (mengkonsumsi reaktan, membentuk produk) untuk mencapai kesetimbangan.
• Qc = Kc Konsentrasi awal adalah konsentrasi kesetimbangan. Sistem berada pada kesetimbangan.
• Qc > Kc rasio konsentrasi awal produk terhadap reaktan terlalu besar. Untuk mencapai kesetimbangan, produk harus diubah menjadi reaktan. Sistem berjalan dari kanan ke kiri (mengkonsumsi produk, membentuk reaktan) untuk mencapai keseimbangan. Gambar 14.5 menunjukkan perbandingan Kc dengan Qc.
Menghitung Konsentrasi Ekuilibrium
Jika kita mengetahui konstanta kesetimbangan untuk reaksi tertentu, kita dapat menghitung konsentrasi dalam campuran kesetimbangan dari konsentrasi awal. Biasanya, hanya konsentrasi reaktan awal yang diberikan. Mari kita simak sistem berikut ini melibatkan dua senyawa organik, cis-stilbene dan trans-stilbene, dalam hidrokarbon nonpolar pelarut (Gambar 14.6):
Konstanta kesetimbangan (Kc) untuk sistem ini adalah 24,0 pada 200 ° C. Misalkan awalnya hanya cis-stilbene yang terdapat pada konsentrasi 0.850 mol / L. Bagaimana kami menghitung konsentrasi cis- dan trans-stilbene pada kesetimbangan? Dari stoikiometri
Dari reaksi tersebut kita melihat bahwa untuk setiap mol cis-stilbene yang diubah, 1 mol transstilbene terbentuk. Misalkan x adalah konsentrasi kesetimbangan trans-stilbena dalam mol / L; Oleh karena itu, konsentrasi kesetimbangan cis-stilbene haruslah (0.850 2 x) mol / L. Berguna untuk merangkum perubahan konsentrasi sebagai berikut:
Perubahan positif (1) mewakili peningkatan dan negatif (2) perubahan penurunan dalam konsentrasi pada kesetimbangan. Selanjutnya, kami menyiapkan ekspresi konstanta kesetimbangan
Setelah menyelesaikan x, kami menghitung konsentrasi kesetimbangan dari cis-stilbene dan trans-stilbene sebagai berikut:
Untuk memeriksa hasil kita bisa menggunakan konsentrasi kesetimbangan untuk menghitung Kc. Kami meringkas pendekatan kami untuk memecahkan masalah konstanta kesetimbangan sebagai berikut:
1. Nyatakan konsentrasi kesetimbangan semua spesies dalam konsentrasi awal dan satu x yang tidak diketahui, yang merepresentasikan perubahan konsentrasi.
2. Tuliskan ekspresi konstanta kesetimbangan dalam hal konsentrasi kesetimbangan. Mengetahui nilai konstanta kesetimbangan, selesaikan x.
3. Setelah menyelesaikan x, hitung konsentrasi kesetimbangan dari semua jenis.
Gambar 14.6 Ekuilibrium antara cis-stilbene dan transstilbene. Perhatikan bahwa kedua molekul tersebut memiliki rumus molekul yang sama (C14H12) dan juga jenis yang sama obligasi. Namun, dalam cis-stilbene, cincin benzena berada di satu sisi dari ikatan C=C dan H atom berada di sisi lain sedangkan pada trans-stilbene cincin benzena (dan atom H) berada di seberang ikatan C=C. Senyawa ini memiliki perbedaan titik leleh dan momen dipol.
14.5 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KESETIMBANGAN KIMIA
Keseimbangan kimia merupakan keseimbangan antara reaksi maju
dan mundur. Dalam kebanyakan kasus, keseimbangan ini cukup halus. Perubahan
dalam kondisi eksperimental dapat mengganggu keseimbangan dan menggeser posisi
keseimbangan sehingga lebih atau kurang dari produk yang diinginkan terbentuk.
Ketika kita mengatakan bahwa posisi keseimbangan bergeser ke kanan, misalnya,
kita berarti bahwa reaksi bersih sekarang dari kiri ke kanan. Variabel yang
dapat dikendalikan secara eksperimental adalah konsentrasi, tekanan, volume,
dan suhu. Di sini kita akan memeriksa bagaimana masing-masing variabel ini
mempengaruhi sistem reaksi pada kesetimbangan. Selain itu, kami akan memeriksa
efek katalis pada keseimbangan.
Prinsip Le Châtelier’s
Ada aturan umum yang membantu kita memprediksi arah reaksi kesetimbangan ketika terjadi perubahan konsentrasi, tekanan, volume, atau suhu. Aturan, yang dikenal sebagai prinsip Le Châtelier, menyatakan bahwa jika tekanan eksternal diterapkan pada suatu sistem pada kesetimbangan, sistem menyesuaikan sedemikian rupa sehingga tekanan sebagian diimbangi ketika sistem mencapai posisi keseimbangan baru. Kata "stres" di sini berarti perubahan konsentrasi, tekanan, volume, atau suhu yang menghilangkan sistem dari keadaan setimbang. Kita akan menggunakan prinsip Le Châtelier untuk menilai pengaruh dari perubahan tersebut.
Gambar 14.7 Pengaruh perubahan konsentrasi pada posisi kesetimbangan. (a) aquos Fe (SCN)3 larutan. Warna larutan disebabkan oleh ion FeSCN2+ merah dan Fe3+ kuning.
(b) Setelah penambahan beberapa NaSCN ke larutan di (a), kesetimbangan bergeser ke kiri. (c) Setelah penambahan beberapa Fe(NO3)3 ke larutan di (a), kesetimbangan bergeser ke kiri. (d) Setelah penambahan beberapa H2C2O4 ke larutan di (a), kesetimbangan bergeser ke kanan. Warna kuningnya karena Fe (C2O4) 3-3.
Perubahan Konsentrasi
Besi (III) tiosianat [Fe (SCN) 3] mudah larut dalam air menghasilkan larutan berwarna merah. Itu warna merah disebabkan adanya ion FeSCN21 terhidrasi. Ekuilibrium antara FeSCN2+ yang tidak terdisosiasi dan ion Fe3+ dan SCN- diberikan oleh
Apa yang terjadi jika kita menambahkan beberapa natrium tiosianat (NaSCN) ke larutan ini? Di dalam kasus, tegangan yang diterapkan pada sistem kesetimbangan adalah peningkatan konsentrasi dari SCN- (dari disosiasi NaSCN). Untuk mengimbangi tegangan ini, beberapa ion Fe3+ bereaksi dengan ion SCN2 yang ditambahkan, dan kesetimbangan bergeser dari kanan ke kiri:
Akibatnya, warna merah larutan semakin dalam (Gambar 14.7). Begitu pula jika kita menambahkan besi (III) nitrat [Fe (NO3) 3] ke larutan aslinya, warna merahnya juga memperdalam karena tambahan ion Fe31 [dari Fe (NO3) 3] akan menggeser kesetimbangan dari kanan ke kiri.
Asam oksalat terkadang digunakan untuk lepaskan cincin bak mandi yang terdiri karat, atau Fe2O3.
Larutan berwarna merah akan menguning karena terbentuknya Fe (C2O4)ion. Percobaan ini menunjukkan bahwa semua reaktan dan produk ada di sistem reaksi pada kesetimbangan. Kedua, meningkatkan konsentrasi produk (Fe31 atau SCN2) menggeser kesetimbangan ke kiri, dan menurunkan konsentrasi hasil kali Fe31 menggeser kesetimbangan ke kanan. Hasil ini seperti yang diperkirakan dengan prinsip Le Châtelier.
Gambar 14.8 Perubahan konsentrasi H2, N2, dan NH3 setelah penambahan NH3 ke keseimbangan campuran. Saat baru keseimbangan terbentuk, semua konsentrasi berubah tapi Kc tetap sama karena suhu tetap konstan.
Perubahan Volume dan Tekanan
Perubahan tekanan biasanya tidak mempengaruhi konsentrasi spesies yang bereaksi di fase terkondensasi (katakanlah, dalam larutan air) karena cairan dan padatan sebenarnya mampat. Di sisi lain, konsentrasi gas sangat dipengaruhi perubahan tekanan. Mari kita lihat kembali Persamaan (5.8):
Perhatikan bahwa P dan V terkait satu sama lain secara terbalik: Semakin besar tekanan, maka mengecilkan volume, dan sebaliknya. Perhatikan juga bahwa istilah (n / V) adalah konsentrasi gas dalam mol / L, dan itu bervariasi secara langsung dengan tekanan. Misalkan sistem kesetimbangan
berada dalam silinder yang dilengkapi dengan piston yang dapat digerakkan. Apa yang terjadi jika kita meningkatkan tekanan pada gas dengan menekan piston pada suhu konstan? Karena volume berkurang, konsentrasi (n / V) dari NO2 dan N2O4 meningkat. Catat itu konsentrasi NO2 dikuadratkan dalam persamaan konstanta kesetimbangan, sehingga peningkatan tekanan meningkatkan pembilang lebih dari penyebut. Sistem tidak lagi pada kesetimbangan dan kami menulis
Gambar 14.9 Pengaruh peningkatan tekanan pada N2O4 (g) ↔ 2NO2 (g) kesetimbangan.
Jadi, Qc. Kc dan reaksi total akan bergeser ke kiri sampai Qc 5 Kc (Gambar 14.9).
Sebaliknya, penurunan tekanan (peningkatan volume) akan menghasilkan Qc, Kc, dan reaksi bersih akan bergeser ke kanan sampai Qc 5 Kc. (Kesimpulan ini juga diperkirakan oleh prinsip Le Châtelier.)
Secara umum, peningkatan tekanan (penurunan volume) mendukung reaksi bersih yang menurunkan jumlah mol gas (reaksi sebaliknya, dalam hal ini), dan penurunan tekanan (peningkatan volume) mendukung reaksi bersih yang meningkat jumlah mol gas (di sini, reaksi maju). Untuk reaksi di mana tidak ada perubahan jumlah mol gas, tekanan (atau volume) berubah tidak berpengaruh pada posisi ekuilibrium. Dimungkinkan untuk mengubah tekanan sistem tanpa mengubah volumenya.
Misalkan sistem NO2 – N2O4 terkandung dalam bejana baja tahan karat yang volumenya konstan. Kami dapat meningkatkan tekanan total di kapal dengan menambahkan gas inert (helium, misalnya) ke sistem kesetimbangan. Menambahkan helium ke kesetimbangan campuran pada volume konstan meningkatkan tekanan gas total dan menurunkan fraksi mol NO2 dan N2O4; tetapi tekanan parsial setiap gas, diberikan oleh produk fraksi mol dan tekanan totalnya (lihat Bagian 5.6), tidak berubah. Jadi, tidak adanya gas inert dalam kasus seperti itu mempengaruhi keseimbangan.
Perubahan Suhu
Perubahan konsentrasi, tekanan, atau volume dapat mengubah posisi kesetimbangan, yaitu, jumlah relatif reaktan dan produk, tetapi tidak mengubah nilainya dari konstanta kesetimbangan. Hanya perubahan suhu yang dapat mengubah kesetimbangan konstan. Untuk mengetahui alasannya, mari kita pertimbangkan reaksinya
Reaksi maju adalah endotermik (menyerap panas, ≤H °. 0):
jadi reaksi kebalikannya adalah eksotermik (melepaskan panas, ≤H °, 0):
Pada kesetimbangan pada suhu tertentu, efek panasnya nol karena tidak ada jaring reaksi. Jika kita memperlakukan panas seolah-olah itu adalah reagen kimia, maka suhu akan naik "Menambahkan" panas ke sistem dan penurunan suhu "menghilangkan" panas dari sistem. Seperti halnya perubahan pada parameter lain (konsentrasi, tekanan, atau volume), sistem bergeser untuk mengurangi efek perubahan. Sebab, terjadi peningkatan suhu menyukai arah endotermik reaksi (dari kiri ke kanan kesetimbangan persamaan), yang menurunkan [N2O4] dan meningkatkan [NO2]. Penurunan suhu menguntungkan arah eksotermik reaksi (dari kanan ke kiri persamaan kesetimbangan), yang menurunkan [NO2] dan meningkatkan [N2O4]. Konsekuensinya, konstanta kesetimbangan, diberikan oleh
meningkat saat sistem dipanaskan dan menurun saat sistem didinginkan
Gambar 14.10 (a) Dua lampu mengandung campuran NO2 dan gas N2O4 pada kesetimbangan. (b) Jika salah satu bohlam dibenamkan air es (kiri), warnanya menjadi korek api, menunjukkan formasi gas N2O4 tidak berwarna. Ketika bohlam lainnya direndam dalam panas air, warnanya menjadi gelap, menunjukkan peningkatan NO2.
Sebagai contoh lain, perhatikan kesetimbangan antara ion-ion berikut:
Pembentukan CoCl adalah endotermik. Saat pemanasan, kesetimbangan bergeser ke kiri dan solusinya berubah menjadi biru. Pendinginan mendukung reaksi eksotermik [formasi dari Co (H2O) 21 6] dan larutan berubah menjadi merah muda (Gambar 14.11). Singkatnya, peningkatan suhu mendukung reaksi endotermik, dan suhu penurunan mendukung reaksi eksotermik.
Pengaruh Katalis
Kita tahu bahwa katalis meningkatkan laju reaksi dengan menurunkan reaksi energi aktivasi (Bagian 13.6). Namun, seperti yang ditunjukkan Gambar 13.23, katalis menurun energi aktivasi dari reaksi maju dan reaksi kebalikannya tingkat. Oleh karena itu kita dapat menyimpulkan bahwa keberadaan katalis tidak mengubah kesetimbangan, juga tidak menggeser posisi sistem kesetimbangan. Menambahkan katalis untuk campuran reaksi yang tidak berada pada kesetimbangan akan menyebabkan campuran tersebut untuk mencapai keseimbangan lebih cepat. Campuran kesetimbangan yang sama dapat diperoleh tanpa katalis, tapi kita mungkin harus menunggu lebih lama untuk itu terjadi.
Ringkasan Faktor Yang Mungkin Mempengaruhi Posisi Ekuilibrium
Kami telah mempertimbangkan empat cara untuk mempengaruhi sistem reaksi pada kesetimbangan. Itu penting perlu diingat bahwa, dari keempatnya, hanya perubahan suhu yang mengubah nilainya dari konstanta kesetimbangan. Perubahan konsentrasi, tekanan, dan volume dapat berubah konsentrasi kesetimbangan dari campuran yang bereaksi, tetapi mereka tidak dapat mengubah kesetimbangan konstan selama suhu tidak berubah. Katalis akan mempercepat proses, tetapi tidak berpengaruh pada konstanta kesetimbangan atau pada kesetimbangan konsentrasi spesies yang bereaksi.
4. Percobaan
RANGKAIAN SIMULASI
sebelum di run
setelah di run
VIDEO
Tidak ada komentar:
Posting Komentar