BAB VI ENERGI AKTIVASI DAN PERSAMAAN TETAPAN ARRHENIUS

ENERGI AKTIVASI DAN PERSAMAAN TETAPAN

ARRHENIUS

6.1. Tujuan Percobaan

- Menentukan bagaimana ketergantungan laju reaksi terhadap suhu.

- Menghitung energi aktivasi (Ea) dengan menggunakan persamaan Arrhenius.

6.2. Tinjauan Pustaka

Dalam kimia, energi aktivasi merupakan sebuah istilah yang diperkenalkan oleh Svante Arrhenius, yang didefinisikan sebagai energi yang harus dilampaui agar reaksi kimia dapat terjadi. Energi aktivasi bisa juga diartikan sebagai energi minimum yang dibutuhkan agar reaksi kimia tertentu dapat terjadi. Energi aktivasi sebuah reaksi biasanya dilambangkan sebagai Ea, dengan satuan kilo joule per mol.

Terkadang suatu reaksi kimia membutuhkan energi aktivasi yang sangat besar, maka dari itu dibutuhkan suatu katalis agar reaksi dapat berlangsung dengan pasokan energi yang lebih rendah.[24]

Persamaan laju dari suatu reaksi antara dua senyawa A dan B ditulis seperti dibawah ini:

Rate = k[A]a_[B]b_...(6.2.1)

Dimana: k = tetapan laju reaksi

A, B = konsentrasi (mol dm-3₎

a = orde reaksi terhadap A

b = orde reaksi terhadap B

Persamaan laju menunjukkan pengaruh dari perubahan konsentrasi reaktan terhadap laju reaksi. Seluruh faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi seperti suhu dan katalis termasuk didalamnya tetapan laju, dimana sebenarnya tetap bila kita hanya mengubah konsentrasi dari reaktan. Ketika kita mengubah suhu suhu maupun katalis, sebagai contoh tetapan laju akan berubah. Perubahan ini digambarkan secara matematis oleh persamaan Arrhenius:

k= Ae

−Ea

RT ...

(6.2.2) Dimana : K = Konstanta laju reaksi

A = Faktor frekuensi Ea = Energi aktivasi

Persamaan Arrhenius dapat dikalikan kedua sisinya dengan “ln” sehingga menjadi persamaan:

ln k= ln A-Ea RT 42

Dimana: T = suhu (K) R = tetapan gas

Ea = energi aktivasi (J/mol)

k = konstanta

A = faktor frekuensi

Contoh yang sederhana reaksi eksotermal yang di gambarkan di bawah ini:

Gambar 6.2.1 Kurva EA (Energi Aktivasi)

Menurut Arrhenius, pengaruh temperatur terhadap k dapat dinyatakan sebagai berikut:

d ln k

dt =

∆Eo RT2

ΔEo _{= tenaga aktivasi} [3]

Laju atau kecepatan reaksi adalah perubahan konsentrasi pereaksi ataupun produk dalam satu satuan waktu. Laju suatu reaksi dapat dinyatakan sebagai laju berkurangnya konsentrasi suatu pereaksi, atau laju bertambahnya konsentrasi suatu produk.[4]

Konstanta laju reaksi didefinisikan sebagai laju reaksi bila konsentrasi dari masing-masing jenis adalah satu. Satuannya tergantung pada orde reaksi.[1]

Faktor - faktor yang mempengaruhi laju reaksi: 1. Sifat dasar pereaksi.

Zat-zat berbeda secara nyata, dalam lajunya mereka mengalami perubahan kimia. 2. Temperatur

Laju suatu reaksi kimia bertambah dengan naiknya temperatur. Kenaikan sebesar 10°C akan melipatkan dua atau tiga laju suatu reaksi antaramolekul-molekul.

3. Katalis

...(6.2.5)

Energi Aktivasi (Ea)

Produk

Panas Reaksi

Laju Reaksi En

er gi

Sebuah katalis adalah suatu zat yang meningkatkan kecepatan suatu reaksikimia tanpa dirinya mengalami perubahan kimia yang permanen. Proses inidisebut katalisis.

Suatu katalis diduga mempengaruhi kecepatan reaksi dengan salah satu jalan: a. Dengan pembentukkan senyawa antara (katalis homogen)

b. Dengan adsorpsi (katalis heterogen) 4. Konsentrasi

Laju suatu reaksi dapat dinyatakan sebagai laju berkurangnya konsentrasisuatu pereaksi, atau sebagai laju bertambahnya konsentrasi suatu produk.[4]

Kalau molekul bereaksi, mula-mula molekul ini bertumbukan terlebihdahulu. Jadi, kecepatan reaksi sebanding dengan jumlah tumbukan molekul. Dari hitungan ternyata jumlah tumbukan molekul yang diperoleh dari percobaan lebih kecil daripada teori. Ini berarti bahwa setiap tumbukan molekul menghasilkan molekul baru untuk dapat bereaksi, molekul-molekul harus mempunyai tenaga tertentu. Kalau A = tenaga rata-rata pereaksi, dan C = tenaga rata-rata hasil reaksi, maka agar A dapat menjadi C,

molekul-molekulnya harus melewati tenaga penghalang ΔE1°. Tenaga ini disebut tenaga

aktivasi untuk reaksi ke kanan.Untuk reaksi ke kiri dibutuhkan tenaga aktivasi ΔE2°.

Selisih keduanya merupakan selisih tenaga dalam atau panas reaksi pada Vtetap.

ΔE = ΔE1o – ΔE2o...(6.2.6)

= (EB– EA) – (EB– EC)

= EC– EA [7]

Konsentrasi A pada waktu t1 dinyatakan sebagai [A1] dan konsentrasi pada t1

sebagai [A2], dengan tanda kurung siku berarti konsentrasi dalam mol/liter.

Laju rata-rata berkurangnya konsentrasi A dinyatakan sebagai Laju rata-rata berkurangnya [A] =

[

A

]

2-

[

A

]

1

t₂- t₁ = ∆

[

A

]

∆t

Laju rata-rata bertambahnya konsentrasi B dan C dinyatakan sebagai: Laju rata-rata bertambahnya,

[B] atau [C] =

[

B

]

2-

[

B

]

1 t₂- t₁ =

[

C

]

2-

[

C

]

1

t₂- t₁ = ∆

[

B

]

∆t =

∆

[

C

]

∆t

Dalam pernyataan untuk laju rata-rata berkurangnya [A], kuantitas (Δ[A]/Δt) adalah negatif karena [A2] lebih besar daripada [A2]. Karena laju dinyatakan sebagai

berharga positif menurut perjanjian, maka ditaruh tanda minus didepan kuantitas ini sehingga –(–) = +.

Hubungan satu sama lain ketiga rumus itu adalah: -

(

∆

[

A

]

∆t

)

=

∆

[

B

]

∆t =

∆

[

C

]

∆t Faktor-faktor yang mempengaruhi Energi aktivasi (Ea):

1. Suhu

...(6.2.7)

. ...(6.2.8)

Kita dapat menggunakan persamaan Arrhenius untuk menggambarkan pengaruh dari perubahan suhu pada tetapan reaksi dan tentunya laju reaksi.Jika misalkan tetapan laju berlipat ganda, maka juga laju reaksi akan berlipatganda juga. Fraksi molekul-molekul mampu untuk bereaksi dua kali lipatdengan peningkatan suhu sebesar 10ºC. Hal ini menyebabkan laju reaksihampir menjadi berlipat ganda.

2. Faktor frekuensi (A)

Dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk perubahan suhu yang kecil. Kita perlu melihat bagaimana perubahan e-(EA/RT)_{atau energi dari fraksimolekul sama atau}

lebih dengan aktivasi energi. 3. Katalis

Katalis akan menyediakan rute agar reaksi berlangsung dengan energiaktivasi yang lebih rendah.[22]

6.3. Tinjauan Bahan

a. Aquadest

Densitas : 0.998 g/cm³

Massa molar : 18.0153 g/mol

Penampilan : Tidak berwarna

Rumus kimia : H2O

Titik didih : 100°C

Titik lebur : 0°C

b. Kalium Perokdisulfat

Densitas : 2.477 g/cm³

Massa molar : 270.322 g/mol

Penampilan : Bubuk berwarna putih

Rumus kimia : K2S2O8

Titik lebur : <100°C

c. Kalium Iodida

Densitas : 3.123 g/cm³

Massa molar : 166.0028 g/mol

Penampilan : Kristal padat berwarna putih

Rumus kimia : KI

Titik didih : 1330°C

Titik lebur : 681°C

d. Natrium Tiosulfat Pentrahidrat

Densitas : 2.477 g/cm³

Penampilan : Putih, padat

Rumus kimia : Na2S2O2.5H2O

Titik didih : >100°C

6.4. Alat dan Bahan

A. Alat-alat yang

digunakan

˗ batang

pengaduk

˗ beakerglass

˗ botol

aquadest

˗ corong kaca

˗ Erlenmeyer

˗ gelas arloji

˗ karet

penghisap

˗ labu ukur

˗ neraca

analitik

˗ pipet tetes

˗ pipet volume

˗ stopwatch

˗ tabung reaksi

˗ termometer

B. Bahan-bahan yang digunakan

˗ aquadest (H2O)

˗ es batu

˗ kaliumiodida (KI)

˗ kaliumperoksidisulfat (K2S2O8)

˗ larutan kanji 3 %

˗ natriumtiosulfat

pentahidrat(Na2S2O3.5H2O)

6.5. Prosedur percobaan

A. Preparasi larutan

˗ Membuat larutan kalium iodida 0,1 M sebanyak 50 mL

˗ Membuat larutan kalium perokdisulfat 0,04 M sebanyak 50 mL

˗ Membuat larutan natrium tiosulfat pentahidrat 0,01 M sebanyak 50

mL

˗ Membuat larutan kanji 3% sebanyak 100 mL

B. Pengerjaan contoh

˗ Menyediakan 2 buah tabung reaksi yang berisi :

Tabung I Tabung II

S2O8

2-(0,04 M) H2O I

(0,1 M) S2O3

2-(0,001 M) Kanji (3%)

˗ Mendinginkan kedua tabung reaksi tersebut dalam beakerglass yang berisi air dan es (tinggi cairan dalam tabung harus lebih rendah dari cairan dalam beakerglass) sampai suhu kedua larutan sama, mencatat suhunya (T1)

˗ Mencampurkan larutan dalam tabung II ke dalam tabung I dan pada

saat bersamaan nyalakan stopwatch sampai timbul warna biru

˗ Mematikan stopwatch pada saat timbul warna biru dan mencatat

waktu (t) dan suhu larutan (T2)

˗ Mengulangi langkah 1-4 diatas sebanyak 5 kali dengan suhu awal (T1)

6.6. Data Pengamatan

Tabel 6.6.1 Data pengamatan hasil percobaan energi aktivasi No . T1 (K) T2 (K) Trata-rata (K) 1

T_rata-rata (K) Waktu(s)

1

t ln

1 t = ln k

1. 279 295 287 0,00714 720 0,0013

8

-6,5856

2. 282 293 287,5 0,00689 354 0,0028

2 -5,8710

3. 284 293 288,5 0,00645 251 0,0038

9 -5,52647

4. 287 295 291 0,00555 245 0,0040

8

-5,50165

5. 290 296 293 0,00500 223 0,0044

8

-5,40813 Tabel 6.6.2 Data Perhitungan Dengan Metode Arrhenius

No. _T 1

rata-rata

(x) _{ln k (y) x.y x}2 _k

1 0,00714 -6,5856 -0,0470 5,09 x 10-5 _0,0025

2 0,00689 -5,8710 -0,0404 4,74 x 10-5 _0,0038

3 0,00645 -5,52647 -0,0356 4,160 x 10-5 _0,0038

4 0,00555 -5,50165 -0,0305 3,080 x 10-5 _0,0046

5 0,00500 -5,40813 -0,0270 2,5 x 10-5 _0,0055

∑ 0,03103 -28,89285 -0,1805 19,57 x 10-5 _0,0202

6.7. Grafik

0 0 0 0 0 0 0.01 0.01 0.01

284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294

R² = 0.87

f(x) = 2133.01x + 280.78

T rata-rata

k

-6.8 -6.6 -6.4 -6.2 -6 -5.8 -5.6 -5.4 -5.20 0 0 0 0 0.01 0.01 0.01 0.01 f(x) = - 0x - 0

R² = 0.62

1/T rata-rata

ln

k

Grafik 6.7.2. Hubungan antara ln k dengan 1/Trata-rata

6.8. Pembahasan

Pada grafik 6.7.1 hubungan antara laju reaksi dan T berbanding lurus pada suhu 287 K dibutuhkan waktu 720 detik untuk bereaksi sedangkan pada 293 K membutuhkan waktu yang lebih cepat yaitu 223 detik. Umumnya konstanta laju meningkat dengan meningkatnya temperatur, dan harganya kira-kira 2 kali untuk tiap kenaikan 10ºC.

Pada grafik 6.7.2 menjelaskan hubungan antara ln k dan 1/T berbanding lurus, semakin besar ln k maka nilai 1/T rata-rata semakin besar. Hal ini membuktikan bahwa semakin tinggi suhu maka Ea semakin kecil dan laju reaksi semakin cepat dan waktu yang dibutuhkan semakin sedikit sehingga memperbesar laju reaksi. Dari perhitungan percobaan diperoleh Ea sebesar 17291,37 J/mol.k.

6.9. Kesimpulan

Suatu laju reaksi dipengaruhi oleh suhu, semakin tinggi suhu maka semakin cepat reaksi yang terjadi dan semakin sedikit waktu yang dibutuhkan.

Dengan menggunakan persamaan Arrhenius energi aktivasi yang diperoleh dari hasil percobaan adalah 17291,37 J/mol.k.

VI. Energi Aktivasi Dan Persamaan Tetapan Arrhenius

a. Membuat larutan K2S2O8 0,04 M dalam 50 mL

M =w

BM ×

1000 V

w_K2S2O8

₌

M × BM × V 1000

w_K2S2O8=0,04×270,33×50 1000

w_K2S2O8= 0,54 gram

b. Membuat larutan KI 0,1 M dalam 50 mL

M =w

BM ×

1000 V WKI =₁₀₀₀M×BM×V

w_KI=0,1×165,998×50 1000

w_KI=0,82 gram

c. Membuat larutan Na2S2O3 0,01 M dalam 50 mL

M =w

BM ×

1000 V w_Na2S2O3=M×BM×V

1000

w_Na2S2O3=0,01×248,18×50 1000

w_Na2S2O3=0,12 gram

d. Membuat larutan kanji 3% dalam 100 mL dengan massa jenis air adalah 1 g/mL

% W kanji =

w

w+ w_air ×100%

% W kanji =

w_kanji

wkanji+(V×ρ)

3% =wkanji

wkanji+(100×1)

× 100% w_kanji= 3,09 gram

Rumus

:

y = bx + a

ln K =

-

Ea_R × 1

T

+

ln A

dimana

: y

= ln k

x

= 1_T

rata-rata

b = - Ea_R

a = ln A

Perhitungan:

a = (

(

∑

y

)

(

∑

x

2

₎

_{) -(}

₍

∑

x

)(

∑

xy

)

) n

(

∑

x2

)

-

(

∑

x2

)

= ₅(-28,89285) (0,00001957)-(0,03103) (-0,1805)

(0,00001957)-(0,00001957)

= -0,6823

Jadi nilai a sebesar -0,6823 b = n

(

∑

xy

)

-

(

∑

x

)(

∑

y

)

n

(

_∑

x2

)

-

(

∑

x

)

2

= 5(-0,1805)-(0,0 3103) (-28,89285) 5(0,00001957)-(0,0 3103)2

= -2079,79

Jadi nilai b sebesar -2079,79 Jadi persamaan garis, adalah: y = a+ bx

y = -0,6823 - 2079,79x R= 8,314 J/mol.k

Kemiringan garis b = - Ea_R

-2079,79 = - Ea

8,314

Ea = 17291,37 J/mol.k

Jadi, energi minimum yang harus dilampaui oleh setiap molekul untuk dapat bereaksi adalah 17291,37 J/mol.k

a = ln A

ln A = -0,6823

˗ Mendinginkan kedua tabung reaksi tersebut dalam beakerglass yang berisi air dan es (tinggi cairan dalam tabung harus lebih rendah dari cairan dalam beakerglass) sampai suhu kedua larutan sama, mencatat suhunya (T1)

˗ Mencampurkan larutan dalam tabung II ke dalam tabung I dan pada saat bersamaan nyalakan stopwatch sampai timbul warna biru

˗ Mematikan stopwatch pada saat timbul warna biru dan mencatat waktu (t) dan suhu larutan (T2)

˗ Mengulangi langkah 1-4 diatas sebanyak 5 kali dengan suhu awal (T1)

Tabel 6.6.1 Data pengamatan hasil percobaan energi aktivasi No . T1 (K) T2 (K) Trata-rata (K) 1

T_rata-rata (K) Waktu(s)

1

t ln

1 t = ln k

1. 279 295 287 0,00714 720 0,0013

8

-6,5856

2. 282 293 287,5 0,00689 354 0,0028

2 -5,8710

3. 284 293 288,5 0,00645 251 0,0038

9 -5,52647

4. 287 295 291 0,00555 245 0,0040

8

-5,50165

5. 290 296 293 0,00500 223 0,0044

8

-5,40813 Tabel 6.6.2 Data Perhitungan Dengan Metode Arrhenius

No. _T 1

rata-rata

(x) _{ln k (y) x.y x}2 _k

1 0,00714 -6,5856 -0,0470 5,09 x 10-5 _0,0025

2 0,00689 -5,8710 -0,0404 4,74 x 10-5 _0,0038

3 0,00645 -5,52647 -0,0356 4,160 x 10-5 _0,0038

4 0,00555 -5,50165 -0,0305 3,080 x 10-5 _0,0046

5 0,00500 -5,40813 -0,0270 2,5 x 10-5 _0,0055

∑ 0,03103 -28,89285 -0,1805 19,57 x 10-5 _0,0202

6.7. Grafik

0 0 0 0 0 0 0.01 0.01 0.01

284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294

R² = 0.87

f(x) = 2133.01x + 280.78

T rata-rata

k

-6.8 -6.6 -6.4 -6.2 -6 -5.8 -5.6 -5.4 -5.20 0 0 0 0 0.01 0.01 0.01 0.01 f(x) = - 0x - 0

R² = 0.62

1/T rata-rata

ln

k

Grafik 6.7.2. Hubungan antara ln k dengan 1/Trata-rata

6.8. Pembahasan

Pada grafik 6.7.1 hubungan antara laju reaksi dan T berbanding lurus pada suhu 287 K dibutuhkan waktu 720 detik untuk bereaksi sedangkan pada 293 K membutuhkan waktu yang lebih cepat yaitu 223 detik. Umumnya konstanta laju meningkat dengan meningkatnya temperatur, dan harganya kira-kira 2 kali untuk tiap kenaikan 10ºC.

Pada grafik 6.7.2 menjelaskan hubungan antara ln k dan 1/T berbanding lurus, semakin besar ln k maka nilai 1/T rata-rata semakin besar. Hal ini membuktikan bahwa semakin tinggi suhu maka Ea semakin kecil dan laju reaksi semakin cepat dan waktu yang dibutuhkan semakin sedikit sehingga memperbesar laju reaksi. Dari perhitungan percobaan diperoleh Ea sebesar 17291,37 J/mol.k.

6.9. Kesimpulan

Suatu laju reaksi dipengaruhi oleh suhu, semakin tinggi suhu maka semakin cepat reaksi yang terjadi dan semakin sedikit waktu yang dibutuhkan.

Dengan menggunakan persamaan Arrhenius energi aktivasi yang diperoleh dari hasil percobaan adalah 17291,37 J/mol.k.

a. Membuat larutan K2S2O8 0,04 M dalam 50 mL

M =w

BM × 1000

V

w_K2S2O8

₌

M × BM × V 1000

w_K2S2O8=0,04×270,33×50 1000

w_K2S2O8= 0,54 gram

b. Membuat larutan KI 0,1 M dalam 50 mL

M =w

BM × 1000 V WKI =₁₀₀₀M×BM×V

w_KI=0,1×165,998×50 1000

w_KI=0,82 gram

c. Membuat larutan Na2S2O3 0,01 M dalam 50 mL

M =w BM ×

1000 V w_Na2S2O3=M×BM×V

1000

w_Na2S2O3=0,01×248,18×50 1000

w_Na2S2O3=0,12 gram

d. Membuat larutan kanji 3% dalam 100 mL dengan massa jenis air adalah 1 g/mL

% W kanji =

w

w+ w_air ×100% % W kanji =

w_kanji

wkanji+(V×ρ)

3% =wkanji

wkanji+(100×1)

× 100% w_kanji= 3,09 gram

Rumus

:

y = bx + a ln K =

-

Ea_R × 1

T

+

ln A dimana

: y

= ln k

x

= 1_T

rata-rata

b = - Ea_R a = ln A Perhitungan:

a = (

(

∑

y

)

(

∑

x

2

₎

_{) -(}

₍

∑

x

)(

∑

xy

)

) n

(

∑

x2

)

-

(

∑

x2

)

= ₅(-28,89285) (0,00001957)-(0,03103) (-0,1805) (0,00001957)-(0,00001957)

= -0,6823

Jadi nilai a sebesar -0,6823 b = n

(

∑

xy

)

-

(

∑

x

)(

∑

y

)

n

(

_∑

x2

)

-

(

∑

x

)

2

= 5(-0,1805)-(0,0 3103) (-28,89285) 5(0,00001957)-(0,0 3103)2

= -2079,79

Jadi nilai b sebesar -2079,79 Jadi persamaan garis, adalah: y = a+ bx

y = -0,6823 - 2079,79x R= 8,314 J/mol.k

b = - Ea_R -2079,79 = - Ea

8,314

Ea = 17291,37 J/mol.k

Jadi, energi minimum yang harus dilampaui oleh setiap molekul untuk dapat bereaksi adalah 17291,37 J/mol.k

a = ln A ln A = -0,6823 A = 0,5054