KEGIATAN BELAJAR 1: KONSEP LAJU REAKSI , PERSA M AAN LAJU REAKSI DAN ORDE REAKSI Menentukan kemolaran suatu larutan. Mendefinisikan pengertian laju reaksi. Menentukan orde reaksi persamaan laju reaksi berdasarkan data eksperimen. Menentukan tetapan laju reaksi berdasarkan persamaan laju reaksi. Setelah mempelajari Kegiatan Belajar 1, anda diharapkan dapat: 1. 2. 3. 4. Tujuan Pembelajaran
Reaksi kimia berlangsung dengan berbagai kecepatan yang berbeda. Reaksi ledakan bom dan pembakaran kembang api merupakan contoh reaksi yang berlangsung cepat. Proses perkaratan besi dan pengecoran beton merupakan contoh reaksi yang berlangsung lambat. Mengapa demikian? Kandungan kimia yang terdapat dalam bom dan kembang api bersifat eksplosif sehingga dapat bereaksi dengan cepat dalam hitungan detik bahkan sepersekian detik. Reaksi perkaratan besi memerlukan waktu beberapa minggu atau beberapa bulan. Proses terjadinya perkaratan pada besi dapat diperlambat atau dicegah dengan berbagai cara, seperti pengecatan, pelumuran dengan oli, dan galvanisasi. Pengecoran beton membutuhkan waktu berhari-hari agar beton dapat mengeras. Fakta tersebut menunjukkan bahwa reaksi kimia ada yang berlangsung sangat cepat, cepat, lambat, dan sangat lambat. Kecepatan proses reaksi kimia berlangsung inilah yang dinamakan laju reaksi kimia. KONSEP LAJU REAKSI Wilhelm Ostwald Seorang kimiawan Jerman yang menerima penghargaan Nobel Kimia pada tahun 1909 untuk pekerjaannya di bidang katalis, kesetimbangan kimia dan kecepatan reaksi Siapa Dia? 2
Beberapa contoh reaksi kimia di lingkungan sekitar kita dapat dilihat pada Gambar 1.1. Gambar 1.1. (a) Reaksi pembakaran kembang api (b) Reaksi perkaratan besi (c) Ledakan bom (d) Pengecoran beton (a) (b) (c) (d) 3
Pengecatan merupakan salah satu cara untuk memperlambat serta mencegah terjadinya korosi pada besi, Komponen cat terdiri dari bahan pelarut, resin, pigmen, dan zat aditif yang dapat dilihat pada skema Gambar 1.2. Pada zaman dahulu umumnya menggunakan cat berbahan dasar pelarut organik (organic solventborne paints) yang memiliki bau menyengat serta dapat menyebabkan polusi karena mengandung Pada zaman dahulu senyawa beracun. Perkembangan teknologi tentang cat berkembang pesat. Saat ini telah muncul cat berbahan dasar pelarut air (water-bome paints). Produk ini lebih banyak mengandung air untuk keperluan pengencerannya dibandingkan dengan, senyawa beracun, seperti tiner sebagai bahan pelarutnya yang banyak mencemari lingkungan. Cat Ramah Lingkungan TAHUKAH ANDA? Gambar 1.2. Komponen cat. Video https://bit.ly/PerkaratanBesi 4
Menurut Anda, apakah manfaat dari mengetahui laju reaksi? Mengetahui suatu laju reaksi tertentu dapat menjadi hal yang sangat penting pada beberapa bidang. Laju reaksi sangat diperlukan dalam kehidupan seharihari maupun Industri untuk melaksanakan proses reaksi secara efektif, efisien, ekonomis serta berkualitas. Gambar 1.3. Manfaat laju reaksi dalam bidang farmasi Pada bidang farmasi, laju reaksi diperlukan dalam proses meracik kandungan dan dosis obat serta proses pelarutannya. Selain itu, mengetahui laju reaksi suatu obat dapat menjadi dasar dalam menentukan kedaluwarsa obat tersebut. Manfaat dalam bidang lain yaitu penambahan ragi pada adonan roti agar roti mengembang. Ragi ditambahkan ke dalam adonan sehingga glukosa dalam adonan terural menjadi etanol dan gas karbon dioksida. Enzim zimase yang dihasilkan ragi mengkatalis reaksi yang disebut fermentasi: Gambar 1.4. Rongga pada roti adalah tempat gas karbon dioksida mengembang Pada proses ini, gas CO berfungsi mengembangkan adonan roti. Banyaknya rongga kecil yang terdapat pada roti merupakan bukti terdapatnya gelembung gas CO saat peragian. 2 2 5
Dalam memahami laju reaksi yang melibatkan larutan ditentukan satuan konsentrasi. Oleh karena itu, akan diuraikan terlebih dahulu mengenal konsentrasi larutan. KONSENTRASI Dalam kimia, ukuran jumlah zat terlarut dalam suatu larutan disebut) dengan konsentrasi. Satuan konsentrasi larutan yang sering digunakan, yaitu kemolaran, fraksi mol, kemolalan, dan kenormalan. Dalam laju reaksi, satuan konsentrasi yang digunakan adalah kemolaran (molaritas). Video http://bit.ly/Konsen trasiDanPengencan Kemolaran menyatakan hubungan kuantitatif antara jumlah mol zat terlarut dalam setiap liter larutan yang dapat dirumuskan sebagai berikut. Keterangan: M = kemolaran (mol/L) n = jumlah mol zat terlarut (mol) V = volume dalam liter larutan (liter atau L) Larutan dengan konsentrasi 1 M artinya di dalam 1 L larutan tersebut terdapat 1 mol zat terlarut. Jika zat terlarut dinyatakan dalam satuan gram, dan volume larutan dinyatakan dalam ml atau cm³ , kemolaran dapat dirumuskan sebagai berikut. 6
Dalam memahami laju reaksi yang melibatkan larutan ditentukan satuan konsentrasi. Oleh karena itu, akan diuraikan terlebih dahulu mengenal konsentrasi larutan. Keterangan: M = kemolaran (mol/L) g = massa zat terlarut (gram atau g) Mr = massa molekul relatif zat terlarut (g/mol) V = volume larutan (mL atau cm³) CONTOH 1.1 Natrium hidroksida (NaOH) merupakan satu di antara beberapa zat kimla yang digunakan untuk membuat sabun, detergen, dan kertas. Jika 10 g NaOH (Mr = 40 g/mol) dilarutkan dalam air hingga 2 L, tentukan molaritas larutan tersebut! Penyelesaian: Cara 1 7
Cara 2 PENGENCERAN LARUTAN Di laboratorium, larutan tersedia biasanya memiliki konsentrasi tinggi (pekat), misalnya asam asetat 17 M dan asam klorida 12 M. Reaksi-reaksi kimia biasanya menggunakan larutan berkonsentrasi rendah seperti 1 M atau 0,1 M. Untuk keperluan tersebut, larutan yang pekat harus diencerkan dahulu dengan menambahkan zat pelarut. Pengenceran menyebabkan volume dan molaritas berubah, tetapi jumlah mol zat terlarut tidak berubah. Gambar 1.5 Proses pengenceran, (A) Sebelum pengenceran, (B) Setelah pengenceran 8
CONTOH 1.2 Oleh karena pengenceran tidak mengubah jumlah mol zat terlarut, maka: Keterangan: = kemolaran (mol/L) = jumlah mol zat (mol) = volume dalam liter larutan (liter atau L) Berapa volume air yang harus kita tambahkan pada 50 mL. larutan KOH 0,5 M, agar kita memperoleh larutan KOH dengan konsentrasi 0,1 M? Penyelesaian: Agar volume akhir 250 ml, maka air yang harus ditambahkan adalah (250 - 50) mL = 200 mL 9
Dalam suatu reaksi kimia terjadi perubahan dari pereaksi (reaktan) menjadi hasil reaksi (produk). Perubahan itu meliputi perubahan sifat dan perubahan jumlah. Perubahan sifat menyatakan berubahnya reaktan menjadi produk, sedangkan perubahan jumlah menyatakan banyaknya reaktan yang berubah menjadi produk atau banyaknya produk yang terbentuk selama reaksi berlangsung. Jumlah reaktan yang berubah atau jumlah produk yang terbentuk dalam satuan waktu disebut juga laju reaksi. MENYATAKAN LAJU REAKSI Gambar 1.6. Reaksi padatan Seng dengan larutan Asam sulfat. Dari ilustrasi di atas dapat kita lihat pada gambar A terjadi reaksi padatan Seng dengan larutan Asam sulfat menghasilkan gas berupa gas Hidrogen. Pada gambar B, seiring berjalannya waktu, gas tersebut berkurang sedikit demi sedikit hingga akhirnya pada gambar C semua gas hilang yang menandakan bahwa reaksi telah selesai karena semua Asam sulfat telah habis bereaksi dan menyisakan padatan Seng. Persamaan reaksinya: Seng Asam Sulfat Seng Sulfat Hidrogen 11
Gambar 1.7. Gambaran submikroskopik reaksi antara padatan seng dengan larutan asam sulfat (H SO ) yang menghasilkan produk berupa seng sulfat (ZnSO ) dan gas hidrogen, Seng Asam Sulfat Seng Hidrogen 2 4 4 Keterangan: Zn SO4 H 2- 2 Berikut grafik dari reaksi di atas. Gambar 1.8. Grafik reaksi padatan seng dengan larutan asam sulfat 12
Untuk reaksi ini, pengukuran yang mudah dilakukan yaitu mengukur jumlah gas Hidrogen yang terbentuk permenitnya, karena gas yang terbentuk dari reaksi ini hanyalah gas Hidrogen. Pengukuran gas Hidrogen dapat dilakukan melalui pengukuran volume gas yang dihasilkan dengan cara mengumpulkannya dalam suatu alat bernama gas syringe. Pada umumnya untuk mengukur laju reaksi yang harus diukur adalah: Kedua reaktan ini saling bereaksi sehingga membentuk seng sulfat (ZnSO ) dan gas hidrogen. Reaksi kedua zat tersebut dapat diukur melalui pengukuran: 1. Jumlah padatan seng yang bereaksi setiap menitnya. 2. Jumlah asam sulfat yang bereaksi setiap menitnya. 3. Jumlah seng sulfat yang terbentuk setiap menitnya. 4. Jumlah gas hidrogen yang terbentuk setiap menitnya. 4 Video http://bit.ly/Pengukuran Volume Gas Jumlah zat reaktan yang bereaksi per satuan waktu atau jumlah produk yang dihasilkan persatuan waktu 13
Laju merupakan ukuran seberapa cepat atau lambatnya sesuatu. Reaksi kimia merupakan perubahan suatu zat menjadi zat baru. Cepat atau lambatnya reaksi kimia dinyatakan secara kuantitatif dan terukur. Laju reaksi kimia secara kuantitatif dinyatakan melalui besarnya perubahan reaktan atau produk terhadap waktu. Seiring dengan bertambahnya waktu reaksi, maka jumlah zat pereaksi akan semakin sedikit, sedangkan produk semakin banyak. Laju reaksi kimia dapat dinyatakan sebagai berkurangnya konsentrasi pereaksi (reaktan) tiap satuan waktu atau bertambahnya konsentrasi hasil reaksi (produk) tiap satuan waktu. BAGAIMANA CARA MENYATAKAN LAJU DARI SUATU REAKSI? Siapa Dia? Cato Maximillian Guldberg Pada tahun 1864, Peter Waage dan Cato Maximillian Guldberg memeloport perkembangan kinetha kimia dengan merumuskan hukum aksi massa yang menyatakan bahwa laju reaksi pada suatu reaksi kimia sebanding dengan jumlah zat-zat yang bereaksi Laju reaksi biasanya dilambangkan dengan simbol r atau v. Satuan konsentrasi yang digunakan adalah molaritas (M) atau mol per liter (mol/L). Satuan waktu yang digunakan adalah sekon. Oleh karena itu, satuan laju reaksi adalah mol per liter per sekon (mol/L/s) atau M/s. Kita mengetahui bahwa suatu reaksi kimia dapat dinyatakan oleh persamaan umum: A → B 14
Pada persamaan tersebut, A disebut pereaksi (reaktan) sedangkan B disebut hasil reaksi (produk). Ilustrasi proses reaksi perubahan dari molekul A menjadi molekul B terhadap waktu dapat dilihat pada Gambar 1.9. Gambar 1.9. Proses reaksi A→B setiap 10 s selama 60 s. Mula-mula hanya terdapat molekul A (hitam). Seiring berjalannya waktu, molekul B (merah) terbentuk. Untuk lebih jelasnya, perhatikan grafik hubungan jumlah molekul A dan B terhadap waktu pada Gambar 1.10 serta grafik ilustrasi perubahan reaktan menjadi produk pada Gambar 1.11 Gambar 1.10. Grafik hubungan jumlah molekul A dan B terhadap waktu. Gambar 1.11. Grafik ilustrasi perubahan reaktan menjadi produk. 15
Dimana: = laju reaksi berkurangnya zat A = laju reaksi bertambahnya zat B Δ[A] = perubahan konsentrasi (molaritas) zat A selama periode waktu tertentu At Δ[B] = perubahan konsentrasi (molaritas) zat B selama periode waktu tertentu At Perbandingan koefisien reaksi A dan B adalah 1:1 sehingga laju reaksi A sama dengan laju reaksi B dapat dituliskan: Reaksi A→B menunjukkan laju berubahnya molekul A menjadi molekul B ditentukan oleh jumlah molekul A yang bereaksi atau jumlah molekul 8 yang terbentuk per satuan waktu. Pada saat konsentrasi molekul A berkurang, konsentrasi molekul B bertambah. Dengan demikian, laju reaksi kimia untuk reaksi A→B dapat dirumuskan sebagai berikut: Perubahan laju konsentrasi setiap unsur dibagi dengan koefisiennya dalam persamaan yang setara. Laju perubahan reaktan muncul dengan tanda negatif dan laju perubahan produk dengan tanda positif. Tanda negatif (-) menunjukkan konsentrasi reaktan makin berkurang dan tanda positif (+) menunjukkan konsentrasi produk makin bertambah. Untuk reaksi umum: 16
Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa jika dengan mengetahui laju reaksi suatu zat pada suatu reaksi kimia, maka laju reaksi zat lain yang terlibat dalam reaksi tersebut dapat diketahui. CONTOH 1.3 Berdasarkan reaksi: Jika diketahui laju pertambahan NO adalah 0,1 M/s pada suhu T°C tentukan: a. Perbandingan laju reaksi ketiga zat tersebut b. Laju pengurangan NO c. Laju pengurangan O Penyelesaian: a. Laju reaksi dinyatakan sebagai laju berkurangnya konsentrasi reaktan yaitu NO dan O atau laju bertambahnya konsentrasi produk yaitu NO .Berdasarkan perbandingan harga koefisien reaksi maka laju reaksi pembentukan NO dapat dirumuskan: 2 2 2 2 2 2 17
Pada ruangan 2 L, terdapat 4 mol gas HI yang kemudian terurai menjadi gas H dan I .Setelah 5 detik, dalam ruang tersebut terdapat 1 mol gas H .Tentukan laju reaksi pembentukan gas H dan laju reaksi penguraian gas HI! Penyelesaian: Persamaan reaksi: b. Laju pengurangan NO adalah: c. Laju pengurangan O2 adalah: CONTOH 1.4 2 2 2 2 Submikroskopik : Mula-mula : 4 mol - - Setelah 5 detik : 2 mol 1 mol 1 mol a. Laju reaksi pembentukan H Karena mol H yang terbentuk = 1 mol, Jadi, laju pembentukan H = 2 2 2 2 Maka molaritas H = 18
b. Laju reaksi penguraian gas HI 2 mol HI ~ 1 mol H Maka gas HI yang terurai Molaritas HI yang terurai Jadi, laju penguraian HI 2 PERSAMAAN LAJU REAKSI Persamaan laju reaksi menyatakan hubungan antara laju reaksi dengan konsentrasi zat-zat pereaksi yang hanya dapat dinyatakan berdasarkan data percobaan (ekseperimen). Secara umum pada reaksi: Maka, persamaan laju reaksi dapat ditulis sebagai: Persamaan di atas, disebut persamaan laju reaksi atau hukum laju reaksi. Bilangan pangkat pada persamaan di atas disebut orde reaksi atau tingkat reaksi. Jumlah bilangan pangkat konsentrasi pereaksi-pereaksi disebut orde reaksi total. Artinya, reaksi berorde x terhadap pereaksi P dan reaksi berorde y terhadap pereaksi Q, orde reaksi total pada reaksi di atas adalah (x+y). Faktor k yang terdapat pada persamaan disebut tetapan atau konstanta laju reaksi. Perlu diperhatikan bahwa x dan y tidak sama dengan koefisien reaksi (p, q, r, dan s). 19
TETAPAN LAJU REAKSI (k) Tetapan laju reaks! (k) bergantung pada suhu dan jenis pereaksi yang berlangsung. Nilai tetapan laju reaksi berbanding terbalik dengan perubahan waktu. Jika reaksi berjalan cepat, maka nilal k semakin besar. Nilai tetapan laju reaksi berbanding lurus dengan perubahan suhu. Jika suhu suatu reaksi meningkat, maka nilai k semakin besar. Satuan nilai k dapat berubah tergantung pada tingkat orde reaksi totalnya. ORDE REAKSI Orde reaksi merupakan bilangan pangkat yang menyatakan besarnya pengaruh konsentrasi zat pereaksi terhadap laju reaksi. Orde reaksi total merupakan jumlah total dari orde reaksi keseluruhan, sehingga: Berdasarkan besar pengaruh konsentrasi reaktannya, maka orde reaksi dibagi menjadi reaksi orde nol, reaksi orde satu, dan reaksi orde dua. Reaksi Orde Nol Pada reaksi orde nol, laju reaksi tidak dipengaruhi oleh konsentrasi pereaksi. Artinya, berapapun konsentrasi pereaksi yang ditambahkan tidak akan mempercepat atau memperlambat laju reaksi sehingga laju reaksinya akan konstan. Persamaan laju reaksinya ditulis: 20
Jadi, reaksi dengan laju konstan mempunyai orde reaksi nol. Grafik hubungan konsentrasi pereaksi terhadap laju reaksi pada reaksi orde nol digambarkan seperti Gambar 1.12. Tetapan laju reaks! (k) bergantung pada suhu dan jenis pereaksi yang berlangsung. Nilai tetapan laju reaksi berbanding terbalik dengan perubahan waktu. Jika reaksi berjalan cepat, maka nilal k semakin besar. Nilai tetapan laju reaksi berbanding lurus dengan perubahan suhu. Jika suhu suatu reaksi meningkat, maka nilai k semakin besar. Satuan nilai k dapat berubah tergantung pada tingkat orde reaksi totalnya. [pereaksi] Gambar 1.12. Grafik reaksi orde nol. Bilangan dipangkatkan nol sama dengan satu sehingga persamaan laju reaksi menjadi: Reaksi Orde Satu Persamaan laju reaksi untuk reaksi orde satu adalah: Persamaan reaksi orde satu merupakan persamaan linier berarti laju reaksi berbanding lurus terhadap konsentrasi pereaksinya. Misalnya, konsentrasi pereaksi dinaikkan dua kali, maka laju reaksi akan meningkat sebesar dua kalinya. Bila konsentrasi pereaksi dinaikkan tiga kali, maka laju reaksi juga meningkat tiga kalinya. Demikian seterusnya. Grafiknya digambarkan seperi Gambar 1.13. [pereaksi] Gambar 1.13. Grafik reaksi orde satu. 21
Persamaan laju reaksi untuk reaksi orde dua adalah: Reaksi Orde Dua [pereaksi] Gambar 1.14 Grafik reaksi orde dua. Jika suatu reaksi berorde dua terhadap suatu pereaksi berarti laju reaksi itu berubah secara kuadrat terhadap perubahan konsentrasi pereaksinya. Misalnya, konsentrasi pereaksi dinaikkan dua kali, maka laju reaksi akan meningkat sebesar empat kalinya. Bila konsentrasi pereaksi dinaikkan tiga kalinya, maka laju reaksi meningkat sembilan kalinya. Demikian seterusnya. Grafiknya digambarkan seperti Gambar 1.14. PENENTUAN ORDE REAKSI DAN PERSAMAAN LAJU REAKSI BERDASARKAN DATA EKSPERIMEN Orde reaksi dapat ditentukan dengan cara membandingkan data laju reaksi sebagai fungsi dari konsentrasi pereaksi. Sebagai contoh, perhatikan reaksi antara gas nitrogen oksida dan gas klorin berikut! 22
Dimisalkan, persamaan laju reaksi .Cara mencari orde reaksi NO (x) adalah dengan memilih data konsentrasi Cl yang sama, yaitu data 1 dan 3 atau data 1 dan 4. Dengan demikian, faktor Cl dapat dihilangkan dalam perbandingannya. Perhatikan penentuan orde reaksi berdasarkan data nomor 1 dan 3 berikut. Pada eksperimen ini diperoleh data sebagai berikut. Berdasarkan data eksperimen tersebut, Anda dapat menentukan orde reaksi, persamaan laju reaksi, dan harga tetapan laju reaksi dengan langkah-langkah berikut. a. Menentukan Orde Reaksi terhadap NO 2 2 Jadi, orde reaksi terhadap NO = 2 23
Untuk menentukan orde reaksi Cl (y), pilihlah data konsentrasi NO yang sama, yaitu data nomor 1 dan 2. Berdasarkan data nomor 1 dan 2: b. Menentukan Orde Reaksi terhadap Cl 2 Jadi, orde reaksi terhadap Cl = 1 2 2 c. Menentukan Orde Reaksi Total Orde reaksi total = orde reaksi NO orde reaksi Cl = 2+1=3. Jadi, orde reaksi total dari reaksi pembentukan NOCl adalah 3. 2 d. Menentukan Persamaan Laju Reaksi Persamaan laju reaksi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut. e. Menentukan Harga Tetapan Laju Reaksi (k) Untuk menentukan harga k, pilihlah salah satu percobaan. Misal, perhitungan nilai k pada percobaan 2: 24
Jadi, nilai tetapannya adalah http://bit.ly/EksperimenPersamaanLajuReaksi Video Contoh 1.5 Perhatikan reaksi antara gas nitrogen monoksida dan bromin berikut! 25
Tentukan: a. Orde reaksinya! b. Persamaan laju reaksinya! c. Harga tetapan laju reaksinya! Penyelesaian: a. - Dari percobaan 1 dan 2 dapat dilihat bahwa jika [Br ] diperbesar menjadi dua kalinya, sedangkan [NO] tetap, maka laju reaksi akan menjadi dua kali lipat. Dapat dituliskan: Pada suhu 273°C diperoleh data sebagai berikut. 2 Jadi, orde reaksi terhadap Br2 = 1 - Dari percobaan 2 dan 3 dapat dilihat bahwa jika [NO] diperbesar menjadi dua kalinya, sedangkan [Br ] tetap, maka laju reaksi akan menjadi dua kali lipat. Dapat dituliskan: 2 26
b. Dari hasil perhitungan di atas, maka persamaan laju reaksi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut. Jadi, orde reaksi terhadap NO = 1 c. Tetapan laju reaksinya. Perhitungan nilai k pada percobaan 1: Jadi, harga tetapan laju reaksinya adalah 1200 mol L s -1 27