Transcript
KesetimbanganReaksi Kimia
Anwar Ma’ruf
Pendahuluan
Reaksi kimia adalah bagian terpenting dalam ilmu teknik kimia, karena mempelajari bagaimana suatu reaktan membentuk suatu produk lain yang lebih bernilai.
Hal penting yang dipelajari dalam reaksi kimia adalah laju reaksi (kecepatan reaksi) dan konversi kesetimbangan. Laju reaksi tidak dikaji dalam termodinamika. Yang dikaji dalam termodinamika adalah konversi kesetimbangan.
Koordinat Reaksi
Merupakan perbandingan antara jumlah mol (reaktan dan produk) yang bereaksi dengan koefisien reaksi reaktan dan produk tersebut.
dni/vi = dε
ni = jumlah mol komponen i mol yang bereaksi
vi = koefisien reaksi komponen i
(positif untuk produk dan negatif untuk rektan)
ε = koordinat reaksi.
Misal ada suatu reaksi :
CH4 + H2O <==> CO + 3H2
Jika mula-mula tedapat CH4 sebanyak 2 gmol, H2O sebanyak 1 gmol, CO sebanyak 1 gmol. Bagaimana fraksi masing-masing komponen pada kesetimbangan.
Persamaan umum :
ddndndndn HCOOHCH
3111224
Reaksi Tunggal
Komponen CH4
2
02
1
4
4
0
4
2
4
4
4
CH
CH
nCH
CH
CH
CH
n
n
ddn
ddn
ddn
Dengan cara yang sama akan diperoleh :
nCH4 = 2 – ε
nH2O = 1 – ε
nCO = 1 + ε
nH2 = 0 + 3ε
ntotal 4 + 2ε Fraksi tiap komponen :
yCH4 = nCH4 / ntotal = (2 – ε)/(4 + 2ε)
yH2O = nH2O / ntotal = (1 – ε)/(4 + 2 ε)
yCO = nCO / ntotal = (1 + ε)/(4 + 2 ε)
yH2 = nH2 / ntotal = 3 ε / (4 + 2 ε)
Cara singkat
CH4 + H2O <==> CO + 3H2
Awal : 2 1 1 0
Reaksi : ε ε ε 3ε
Setimbg: 2- ε 1- ε 1+ ε 3ε
Jadi Kesetimbangan
nCH4 = 2 – ε
nH2O = 1 – ε
nCO = 1 + ε
nH2 = 0 + 3ε
ntotal 4 + 2ε Fraksi tiap komponen :
yCH4 = nCH4 / ntotal = (2 – ε)/(4 + 2ε)
yH2O = nH2O / ntotal = (1 – ε)/(4 + 2 ε)
yCO = nCO / ntotal = (1 + ε)/(4 + 2 ε)
yH2 = nH2 / ntotal = ε / (4 + 2 ε)
Reaksi Lebih dari Satu
Jika dua reaksi atau lebih terjadi secara simultan, maka untuk tiap reaksi mempunyai koordinat reaksi sendiri-sendiri. Untuk reaksi 1 maka koordinat reaksinya ε1 dan koordinat reaksi 2 koordinat reaksinya ε2, dst.
Misal pada suatu reaksi :
CH4 + H2O < == > CO + 3H2 (reaksi 1)
CH4 + 2H2O < == > CO2 + 4H2 (reaksi 2)
Jika mula-mula terdapat CH4 sebanyak 2 mol dan H2O sebanyak 3 mol. Hitung fraksi komponen tiap komponen pada kesetimbangan.
Reaksi CH4 H2O CO CO2 H2
1 -1 -1 1 0 3
2 -1 -2 0 1 4
Koordinat Reaksi
Jumlah mol masing-masing komponen
nCH4 = 2 – ε1 – ε2
nH2O = 1 – ε1 – 2 ε2
nCO = 0 + ε1
nCO2 = 0 + ε2
nH2O = 0 + 3ε1 + 4 ε2
ntotal = 3 + 2 ε1 + 2 ε2
Fraksi masing-masing komponen
yCH4 = nCH4 / ntotal
yH2O = nH2O / ntotal
yCO = nCO / ntotal
yCO2 = nCO2 / ntotal
yH2O = nH2O / ntotal
Latihan
Reaksi :
C4H8 + 6O2 < == > 4CO2 + 4H2O
Jika mula-mula terdapat 10 grmol C4H8 dan 30 gmol O2. Tentukan fraksi komponen tiap komponen pada kesetimbangan
Kriteria Kesetimbangan Reaksi
Energi bebas gibbs pada suatu reaksi sistem tertentu pada T dan P konstan akan turun selama proses irreversibel dan kondisi kesetimbangan reaksi akan tercapai jika :
(dG)T,P = 0
ε
0
G
Perbahan energi bebas gibbs standardan konstanta Kesetimbangan
Energi bebas gibbs pada sistem tertutup phase tunggal dan multikomponen dapat dituliskan ;
dG = -S dT + V dP + Σµi dniµi = potensial kimia komponen i
Karena syarat terjadinya kesetimbangan adalah pada T dan P konstan maka dT = 0 dan dP = 0, sehingga :dG = Σµi dni
Karena
dni = vi dε
maka ;
dG = Σµi vi dε
persamaan ini menunjukkan hubungan antara koordinat reaksi dengan energi bebas gibbs.
Karena syarat terjadinya kesetimbangan adalah pada dG = 0, maka;
Σ(µi vi) = 0
Jika ;
µi = Gio + RT ln ai
Gio = energi bebas gibbs standar komponen i
ai = aktivitas komponen I
Persaman akan menjadi ;
Σvi(Gio + RT ln ai) = 0
Σvi Gio + RT ln aivi = 0
ln aivi = (- Σvi Gio)/RT
Jika ;
K = Π aivi
Maka;
-RT ln K = ΔGo = Σvi.Gio
Gio = besarnya energi bebas gibbs standar komponen i
(dapat dilihat dari data)
vi = koefisien reaksi komponen I
ΔGo = Σvi.Gio = (Gio produk) – (Gio reaktan)
Kesetimbangan reaksi phase gas
Konstanta kesetimbangan adalah fungsi dari aktivitas komponen i
K = Π aivi
-RT ln K = ΔGo
Pada phase gas
ai = fi/fio
fi = fugasitas komponen i
fio = fugasitas komponen murni i pada tekanan 1 atm
untuk gas ideal maka fio = 1 sehingga
ai = fi
Fugasitas komponen I bisa didekati dengan tekanan parsial;
fi = Pi
Sehingga;
K = Π Pivi
Misal pada suatu reaksi pase gas
A + B < == > C + D
maka
K = PA-1 PB
-1 PC1 PD
1 = (PC PD)/(PA PB) Tekanan Parsial
Pi = P. yi atau PA = P.yA
P = tekanan total
yi = fraksi mol komponen i
Kesetimbangan reaksi phase cair
Konstanta kesetimbangan adalah fungsi dari aktivitas komponen i
K = Π aivi
-RT ln K = ΔGo
Pada phase cair
ai = Ci
aktivitas komponen I didekati dengan konsentrasi I Sehingga;
K = Π Civi
Misal pada suatu reaksi pase cair
A + B < == > C + D
maka
K = CA-1 CB
-1 CC1 CD
1 = (CC CD)/(CA CB)
Efek Temperatur pada K
Persamaan yang menghubungkan antara T dan K adalah (Persamaan Van’t Hoff):
1
1
2
1
1
2ln
2211
)(ln
,ln/
)/(
0
2
2
TTR
H
K
K
KdanTkeKdanTdarikandiinetgraljikaRT
H
dT
Kd
makaKRTGkarena
RT
H
dT
RTGd
o
o
oo
ΔGo dan ΔHo adalah energi bebas gibbs standar dan panas reaksi standar pada 25 C atau 298 K, yang dapat dilihat dari data untuk setiap komponen.
Jadi T1 adalah pada 298 K T2 adalah temperatur reaksi yang diinginkan
Langkah Perhitungan
Mencari K pada T tertentu (T2)
1. Hitung ΔGo
ΔGo = (Go produk) – (Goreaktan)
2. Hitung K pada 298 K, ln K = -ΔGo/RT
3. Hitung ΔHo
ΔHo = (Ho produk) – (Horeaktan)
4. Hitung K pada T tertentu
1
1
2
1
1
2ln
0
TTR
H
K
K
Latihan
Lihat diktat
top related