Kesetimbangan Kimia — Prinsip Le Chatelier & Kc, Kp

Kesetimbangan kimia adalah keadaan pada reaksi reversibel ketika laju reaksi maju dan balik sama, sehingga komposisi keseluruhan tidak lagi berubah. Ini tidak berarti jumlah zat di kedua sisi sama. Untuk sebagian besar soal kimia dasar, alat utamanya adalah $Kc$, $Kp$, dan prinsip Le Chatelier.

Jika Anda perlu menentukan apakah produk atau reaktan lebih diunggulkan, tulislah ekspresi kesetimbangannya. Jika Anda perlu memprediksi arah perubahan, gunakan prinsip Le Chatelier atau bandingkan $Q$ dengan $K$.

Kesetimbangan Kimia Berarti Laju Sama, Bukan Jumlah Sama

Perhatikan reaksi reversibel berikut:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

Pada keadaan setimbang, laju reaksi maju sama dengan laju reaksi balik. Itulah sebabnya jumlah $A$, $B$, $C$, dan $D$ berhenti berubah terhadap waktu.

Ini tidak berarti jumlahnya sama. Suatu sistem dapat berada pada kesetimbangan dengan sebagian besar berupa reaktan, sebagian besar berupa produk, atau campuran yang lebih seimbang. Syaratnya adalah laju yang sama, bukan pembagian 50-50.

Cara Menulis Ekspresi $Kc$

$Kc$ adalah konstanta kesetimbangan yang ditulis menggunakan konsentrasi, biasanya dalam $\mathrm{mol/L}$ untuk kimia dasar.

Untuk reaksi umum di atas,

$$Kc = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$

Hanya spesies yang konsentrasinya dapat berubah secara berarti dalam campuran yang dimasukkan ke dalam ekspresi. Dalam pembahasan standar tingkat dasar, padatan murni dan cairan murni dihilangkan karena aktivitasnya dianggap konstan.

Besar kecilnya $Kc$ memberi gambaran cepat tentang letak kesetimbangan:

• Jika $Kc \gg 1$, produk lebih diunggulkan pada kesetimbangan.
• Jika $Kc \ll 1$, reaktan lebih diunggulkan pada kesetimbangan.
• Jika $Kc$ mendekati $1$, tidak ada sisi yang sangat diunggulkan.

Itu hanya kecenderungan umum. Untuk menyelesaikan soal nyata, Anda tetap memerlukan ekspresi yang benar dan pangkat yang benar.

Kapan Menggunakan $Kp$

$Kp$ adalah konstanta kesetimbangan untuk kesetimbangan fase gas yang ditulis dengan tekanan parsial:

$$Kp = \frac{(P_C)^c(P_D)^d}{(P_A)^a(P_B)^b}$$

Gunakan $Kp$ ketika reaksi dinyatakan dalam tekanan parsial gas. Jika suatu reaksi tidak mengandung gas, $Kp$ biasanya bukan pilihan yang paling alami.

Untuk kesetimbangan gas, $Kc$ dan $Kp$ berhubungan melalui

$$Kp = Kc(RT)^{\Delta n_{\mathrm{gas}}}$$

dengan $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ adalah

$$\Delta n_{\mathrm{gas}} = \text{mol produk gas} - \text{mol reaktan gas}$$

Hubungan ini berlaku untuk kesetimbangan fase gas dalam bentuk dasar yang umum. Jika tidak ada gas, $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ bukan hal utama yang perlu difokuskan.

Contoh Soal: Menentukan $Kc$ untuk $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$

Misalkan suatu campuran setimbang pada satu suhu memiliki

$$[N_2O_4] = 0.40 \text{ M}, \qquad [NO_2] = 0.20 \text{ M}$$

Maka

$$Kc = \frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \frac{(0.20)^2}{0.40} = 0.10$$

Jadi kesetimbangan ini lebih mengunggulkan reaktan pada suhu tersebut karena $Kc < 1$. Langkah pentingnya bukan menghafal angkanya. Yang penting adalah menyadari bahwa koefisien $2$ di depan $NO_2$ menjadi pangkat dalam ekspresi kesetimbangan.

Untuk reaksi yang sama, $\Delta n_{\mathrm{gas}} = 2 - 1 = 1$, sehingga

$$Kp = Kc(RT)$$

Ini menunjukkan bagaimana bentuk berbasis konsentrasi dan bentuk berbasis tekanan saling terhubung untuk reaksi gas ini.

Bagaimana Prinsip Le Chatelier Memprediksi Pergeseran

Prinsip Le Chatelier adalah alat untuk menentukan arah. Jika suatu sistem pada keadaan setimbang diganggu, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang sebagian menentang gangguan tersebut.

Prinsip ini menjawab pertanyaan "akan bergerak ke arah mana?" Prinsip ini tidak memberi tahu jumlah baru pada keadaan setimbang secara tepat.

Perubahan Konsentrasi

Menambahkan reaktan cenderung menggeser kesetimbangan ke arah produk. Menambahkan produk cenderung menggesernya ke arah reaktan. Mengurangi suatu spesies cenderung menggeser kesetimbangan ke arah pembentukan kembali sebagian dari yang diambil.

Aturan cepat ini hanya berlaku untuk spesies yang berperan dalam ekspresi kesetimbangan. Mengubah jumlah padatan murni saja tidak menghasilkan aturan pergeseran berbasis konsentrasi yang sama.

Perubahan Tekanan atau Volume

Aturan cepat tentang tekanan biasanya penting untuk kesetimbangan gas. Jika volume berkurang, tekanan meningkat, dan kesetimbangan cenderung bergeser ke sisi dengan mol gas lebih sedikit. Jika volume bertambah, pergeseran cenderung menuju sisi dengan mol gas lebih banyak.

Jika kedua sisi memiliki jumlah mol gas total yang sama, aturan cepat ini memprediksi tidak ada pergeseran hanya karena perubahan volume.

Perubahan Suhu

Suhu berbeda karena dapat mengubah nilai konstanta kesetimbangan itu sendiri.

Anggap kalor sebagai bagian dari reaksi. Untuk reaksi maju eksoterm, kalor bertindak seperti produk. Untuk reaksi maju endoterm, kalor bertindak seperti reaktan. Itulah sebabnya kenaikan suhu dapat menguntungkan arah yang berlawanan pada reaksi yang berbeda.

Katalis

Katalis membantu sistem mencapai kesetimbangan lebih cepat, tetapi tidak mengubah posisi kesetimbangan dengan sendirinya.

Gunakan $Q$ dan $K$ untuk Memprediksi Arah

Jika Anda memasukkan konsentrasi atau tekanan saat ini ke dalam ekspresi yang sama sebelum kesetimbangan tercapai, hasilnya disebut hasil bagi reaksi, $Q$.

• Jika $Q < K$, sistem cenderung bergeser ke kanan.
• Jika $Q > K$, sistem cenderung bergeser ke kiri.
• Jika $Q = K$, sistem berada pada kesetimbangan.

Cara ini sering lebih andal daripada intuisi samar tentang "mengunggulkan produk" atau "mengunggulkan reaktan" karena menggunakan ekspresi yang sebenarnya.

Kesalahan Umum dalam Soal Kesetimbangan Kimia

Tertukar antara Laju Sama dan Jumlah Sama

Pada kesetimbangan, lajunya sama. Konsentrasi tidak harus sama.

Lupa Bahwa Koefisien Menjadi Pangkat

Dalam $Kc$ atau $Kp$, koefisien menjadi pangkat. Jika persamaan setara memiliki $2NO_2$, maka ekspresinya menggunakan $[NO_2]^2$ atau $(P_{NO_2})^2$.

Memasukkan Padatan Murni atau Cairan Murni ke dalam Ekspresi

Untuk ekspresi kesetimbangan standar tingkat dasar, padatan murni dan cairan murni tidak dimasukkan.

Menggunakan Prinsip Le Chatelier sebagai Kalkulator

Prinsip Le Chatelier dapat diandalkan untuk menentukan arah. Namun, prinsip ini tidak memberikan jumlah akhir yang tepat.

Menganggap Setiap Perubahan Mengubah $K$

Pada suhu tetap, perubahan konsentrasi, tekanan, atau volume dapat menggeser posisi kesetimbangan, tetapi tidak mengubah nilai $K$. Perubahan suhu adalah pengecualian utama dalam kimia tingkat pemula.

Di Mana Kesetimbangan Kimia Digunakan

Kesetimbangan kimia muncul di berbagai bidang kimia: reaksi gas, sistem asam-basa, kelarutan, pembentukan ion kompleks, dan perancangan reaksi industri. Konsep ini penting setiap kali reaksi dapat berlangsung ke dua arah dan komposisi akhir bergantung pada kondisi.

Konsep ini juga menghubungkan gagasan yang sering dipelajari siswa secara terpisah. Kinetika menjelaskan seberapa cepat suatu sistem berubah. Kesetimbangan menjelaskan keadaan yang dicapai sistem pada suhu tertentu.

Coba Soal Kesetimbangan Serupa

Coba langkah yang sama pada

$$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$

Pertama, tulis ekspresi untuk $Kc$. Lalu tanyakan apa yang terjadi jika Anda menambahkan lebih banyak $HI$, atau jika Anda memampatkan wadah. Pertanyaan kedua itu berguna sebagai pengecekan karena jumlah mol gas total sama di kedua sisi, sehingga aturan cepat tekanan yang biasa memprediksi tidak ada pergeseran.