KIMIA FISIK 2 KONSTANTA KESETIMBANGAN

BAB I
PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang
Pemikiran mengenai kereversibelan reaksi kimia mula-mula dinyatakan secara
jelas dalam 1799 oleh C. Berthollet yang menyatakan adanya deposit natrium karbonat
dalam danau garam tertentu dan menarik kesimpulan bahwa deposit itu dihasilkan oleh
konsentrasi natrium khlorida yang tinggi dan kalsium karbonat yang terlarut, kebalikan
dari percobaan laboratorium yang mana natrium karbonat bereaksi dengan kalsium
khlorida untuk mengendapkan kalsium karbonat. Dalam 1863 pengaruh yang dimiliki
konsentrasi etil alcohol dan asam asetat terhadap konsentrasi etil asetat telah dilaporkan
oleh M. berthollet dan Saint-Gilles.
Dalam 1864 Guldberg dan Waage menunjukkan secara eksperimental bahwa dalam
reaksi kimia akan dicapai kesetimbangan tertentu yang dapat didekati dari dua arah.
Mereka yang pertama menyadari bahwa ada hubungan matematis antara konsentrasi
pereaksi dan hasil reaksi pada kesetimbangan. Dalam 1877 Van’t Hoff mengusulkan
bahwa dalam ungkapan kesetimbangan untuk hidrolisis etil asetat, konsentrasi dari setiap
pereaksi harus tampak sebagai pangkat pertama, setiap pereaksi memiliki koefisien satu
dalam persamaan kimia yang disetarakan.
I.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan Fungsi Energi Bebas (Definisi)?

2. Apa yang dimaksud dengan Potensial Kimia?
3. Apa hubungan energy bebas dengan konstanta kesetimbangan kimia?
I.3 Tujuan
1. Menjelaskan definisi fungsi energy bebas Helmholtz dan energy bebas Gibbs.
2. Menjelaskan mengenai potensial kimia
3. Menjelaskan hubungan antara energy bebas dengan konstanta kesetimbangan kimia.

1

BAB II
PEMBAHASAN

II.1 Fungsi Energi Bebas (Definisi)
1. Energy Bebas Helmholtz
Energy bebas Helmholtz ditunjukkan oleh symbol A dan dikenal juga sebagai
“Fungsi Kerja Total”. Energy bebas Helmholtz didefinisikan sebagai :
A=E−T S …(1.1)
dan untuk perubahan kecil :
dA=dE=TdS−SdT …(1.2)
DQrev dE− pdV

Sekarang
(dengan
menggunakan
dS=
=
T
T

hukum

termodinamika I) atau :
dE=TdS− pdV …(1.3)
dA=−pdV −SdT …(1.4)
Dapat juga terlihat bahwa pada temperatur konstan dan volume konstan :
dA=−DW …(1.5)
yaitu perubahan energy bebas Helmholtz membatasi kerja total yang dapat
diperoleh. Kerja total meliputi seluruh jenis kerja.
2. Energy Bebas Gibbs
Energy bebas Gibbs ditunjukkan oleh symbol G dan didefinisikan sebagai :
G=E+ pV −TS …(1.6)

¿ H−TS= A+ pV …(1.7)
dan untuk perubahan kecil :
dG=dE+ pdV +Vdp−TdS−SdT …(1.8)
Dengan menggabungkan persamaan (1.8) dengan (1.3) :
dG=Vdp−SdT

…(1.9)

Dapat dilihat bahwa pada temperature dan tekanan konstan, yaitu hukum
termodinamika II :
dS ≥

D Qrev dE + DW dE+ pdV + DU
=
=
T
T
T

Dimana W adalah kerja total, pdV adalah kerja ekspansi dan U adalah kerja yang

berguna. Sesudah penyusunan kembali :
−dE− pdV +TdS ≥ DU

2

Pada temperatur dan tekanan konstan :
−d [ E+ pV −TS ] =−dG ≥ DU

…(1.10)

Di mana U adalah kerja yang terpisah dari kerja ekspansi yang dapat diperoleh
dengan penurunan energy bebas. Atau U dikenal juga dengan “fungsi kerja
berguna”, yaitu kerja berguna yang dapat diperoleh pada ekspansi penurunan
energy bebas.
II.2 Potensial Kimia
Potensi kimia adalah parsial molar Gibbs energi bebas, didefinisikan sebagai
µi = (G / ni) T, P, nj. Definisi berarti bahwa potensi kimia perubahan energi bebas
Gibbs ketika satu mol zat yang ditambahkan ke jumlah yang sangat besar sampel.
Potensi kimia adalah ukuran dari kimia stabilitas yang dapat digunakan untuk
memprediksi dan menafsirkan perubahan fase dan reaksi kimia. Zat dengan potensi

kimia yang lebih tinggi akan bereaksi atau bergerak dari satu phase lain untuk
menurunkan energi bebas Gibbs keseluruhan sistem. Sebagai contoh, pertimbangkan
campuran es dan air. Jika es mencair, potensi kimia air adalah lebih rendah daripada es.
Jika air membeku, potensi kimia es adalah lebih rendah.
A. Potensial Kimia untuk Gas Ideal Murni
Potensial kimia dari setiap komponen ditetapkan sebagai perubahan dalam
energi bebas sistem jika satu mol komponen ditambahkan pada sistem dengan
jumlah tidak terhingga, sehingga tidak ada perubahan dalam komposisi yang terjadi
dalam sistem. Secara matematik didefinisikan sebagai :
∂G
μi =
∂ ni T , p , nj

( )

Potensial kimia dari gas ideal murni adalah :
μ=μ ° ( T ) + RT ln p

B. Potensial Kimia Gas Ideal dalam Campuran Gas Ideal
Potensial kimia dari gas ideal murni dalam campuran gas adalah

μi=μi (murni) + RT ln x i
μi(murni ) adalah potensial kimia gas murni pada temperatur tekanan sama seperti
dalam campuran, dan xi

adalah fraksi mol. Dari persamaan ini jelas bahwa

potensial kimia dari setiap gas dalam campuran lebih kecil daripada gas murni pada
temperatur dan tekanan yang sama, karena xi lebih kecil daripada satu dan ln xiakan
negatif.

3

II.3 Hubungan Energi Bebas dengan Konstanta Kesetimbangan Kimia
Tetapan Kesetimbangan ( Kc )
Hukum Gulberg – Wooge
Untuk reaksi setimbang :
aA + bB ⇌ cC + dD
berlaku rumus :
Kc=

[C ]c [ D]d
a
b
[ A] [B]

Untuk reaksi heterogen, zat berfasa padat tidak menentukan harga Kc.
Contoh :
CaCO3(S) ⇌ CaO(s) + CO2(g)
Maka rumusan harga Kc :
Kc = [CO2]
PbSO4(s) + 2KI (aq) ⇌ PbI2 (s) + K2SO4
KI
¿
¿
¿
[K 2 SO 4 ]
Kc=
¿

Zat berfasa padat tidak menentukan harga Kc, karena susah untuk bergerak. Karena

kesetimbangan itu merupakan waktu reaksi dinamis ( bergerak ).
Tetapan kesetimbangan tekanan (Kp)
ntot = n1 + n2 + n3 + .....
Dimana :

4

ntot : jumlah mol total gas dalam sistem
n1,2,3 : jumlah mol masing - masing gas dalam sistem
Ptot : P1 + P2 + P3 + ..... ( hukum Dalton )
Ptot : tekanan total gas dalam sistem
P1,2,3 : Tekanan masing – masing gas dalam sistem ( tekanan parsial )
Tetapan Kesetimbangan ( Kp):
Tekanan parsial gas dirumuskan :
P=

n
× P tot :
ntot

Untuk reaksi kesetimbangan gas
2 A(g) + B (g)
Kp=

⇌ 2 C (g), maka :

P(C)2
P( A )2 . P( B)

hubungan tetapan kesetimbangan Kp dengan Kc berdasarkan hukum gas ideal :
pv = nRT
p=

nRT
V

P=MRT
Karena
P(C)2
Kp=

P( A )2 . P( B)
Maka :

5

M
¿
RT
¿c ¿
¿
¿2
¿
M
¿
RT
¿n¿
¿
¿
Kp=¿
2

2
[C]
RT
Kp= 2 ×
2
[ A ] [ B ] RT . RT

Kp=Kc . RT (2−3 )
Kp=Kc . RT

∆n

Penentuan Tetapan Kesetimbangan.
A ⇌ nB
Awal : 1 mol

-

Akhir : 1 – α

nα

n tot : 1 + ( n-1) α
Pi = Xi P
Kp=∏
i

( )

Kp=

α=

Pi
o
P

(

vi

n
α
P n /P on
1+ ( n−1 ) α

)

P/ P
( 1+1−a
( n−1 ) α )

o

M1M2
M 2 Σ vi

6

Kp=

[(
[(

vB

) ]
1−α
P
)
1+ ( n−1 ) α P ]
nα
P
1+ ( n−1 ) α Po

Kp=

VA

o

[(
[(

n

) ]
1−α
P
1+ ( n−1 ) α ) Po ]
nα
P
Po
1+ ( n−1 ) α

1

7

BAB III
SOAL-SOAL
1.

Ozon didapatkan dari oksigen dengan reaksi :
3
o ⇌ o3
2 2
jika ∆ G0 f ozon adalah163,43 kJ mol−1 , hitung K p pada 250 C .
Energi bebas standar reaksi akan menjadi
∆ G0 ( reaksi )=

produk

∑

¿ ∆ G0 f (i)−

i

reaktan

∑

¿ ∆ G0 f ( i )

i

3
¿ 163,43− × 0
2
¿ 163,43 KJ
substitusikan harga−hargaini dalam persamaan:
3
−∆ G0
163,43 ×103 J mol−1
163,43× 10
=
¿
In Kp =
atau
log
Kp
RT
( 8,314 ) ( 298 )( 2,303 )
( 8,314 J mol−1 k −1 ) ( 298 K )
¿−28,69
−28,69
−28
Kp=10
=0,20 × 10
2.

Dalam soal No.1 jika reaksi dilakukan pada 1 atm dan temperature

0

25

c, hitung KX

dan Kc.
Harga Kp yang diperoleh dalam soal No.1 adalah :
Kp= 10−28,69=2,04 × 10−29 sekarang dengan mensubstitusikan masing-masing harga
dalam hubungan :
−∆

K x =K P ( P )

V

−1

=( 2,04 × 10−29) ( 1 atm ) 2 =2,04 × 10−29 atm

Dalam hal yang sama
−∆

K c =K P ( RT )

V

−29

2,04 ×10

=

[ ( 0,0821dm

3

mol k ) ( 298 K ) ]
−1

−30

¿ 4 ,13 ×10

3.

N 2 O 4(g ) ⇌ 2 NO 2(g )
Ungkapkan nilai derajat disosiasinya ?

N 2 O 4(g ) ⇌ 2 NO 2(g )
Mula :

1

Rx

α

:

2α

8

−1

1
2

−1
2

Stb

:

1-α

2α

Mol total = ( 1- α ) + 2α
=1+α
α=

[

Kp
Kp+ 4

( PoP )

2

P
o
P
Kp=
P
X N 2O 4.
Po

(

)

X NO 2.

(

¿

¿

]

1
2

)

2

[( ) ]
[( ) ]
2α P
1+α Po

1−α P
1+α P o

2α
1+ α

2

P
Po
P
Po

2

( )( )
( 1−α
1+α )( )

4 α2
(1+ α ) (1+α ) P
¿
1−α
Po
1+α

(

)

( )

¿

4 α2
1+α P
( 1+α ) (1+α ) 1−α Po

( )

Kp=

4α2
P
( 1+ α ) (1−α ) Po

Kp=

4 α2 P
( 1−α 2 ) Po
Kp ( 1−α 2) =4 a2 .

P
Po

9

Kp−Kp α 2 =4 a2 .

Kp=4 α 2 .

Kp=α 2 .

P
+ Kp α 2
o
P

( PP + Kp)
o

α 2=

Kp
4p
+ Kp
Po

α 2=

Kp
P
4
+ Kp
Po

( )

Kp
P
4
+ Kp
Po

((

α=

4.

P
o
P

)

)

1
2

Hitung tekanan CO2 pada 427oC dalam reaksi dibawah kesetimbangan
CaCO3(S)

CaCo3 ( s) ⇔CaO( s)+CO2( g )

Keadaan jika
o

o

o

ΔG f ( CaCO3 )=−1129 kJ, ΔG f ( CaO)=−604,2 kJ, ΔG f ( CO2 )=−394,6 kJ

Perubahan energi bebas reaksi adalah
ΔG

o
( reaksi )

=(−604,2)+(394,6 )−(−1129)=130,2 kJ

Dengan mensubstitusikan harga ini dalam persamaan

130,2 x 103 J
log K p =log p e (CO 2 )=−
(2,303)(8,314Jmol -1 K -1 )(700K)
=−9,712
Pe (CO2 )=1,94 x 10−10 atm

10

5.

Hitung tekanan parsial NO2(g) pada tekanan total 1 atmosfer dan 25oC dalam reaksi
kesetimbangan berikut ini

N 2 O4 ( g)⇔2NO2 (g )
o

Diketahui ΔG f ( N 2 O4 )=98,286 kJ dan ΔG f ( NO2 )=51,84 dan pada permulaan terdapat
2 mol N 2 O 4

αe

Misalkan

adalah derajat disosiasi N2O4 pada temperatur dan tekanan ini,

kemudian pada kesetimbangan.

n ( N 2 O 4 )=2(1−α e ) dan n (NO 2 )=4α e
n ( N 2 O 4 )+n (NO2 )=2-2αe +4α e =2(1+α e )
2(1−α e ) 1−α e
x N 2 O 4=
=
2(1+α e ) 1+α e
2. 2α e
2α
x NO2 =
= e
2(1+α e ) 1+α e
1−α e
2α
pN O =
P atm dan p NO = e P atm
2 4
2
1+ α e
1+α e
Maka konstanta kesetimbangan akan menjadi
2

NO3

p
Kp=
pN

=

( 2 α e ¿1+ α e )2 P 2 atm 2
2

( 1−α e ¿ 1+α e ) P atm
2
4 xe P
4 x2e
=
atm=
. P=1 atm
1−α 2e
1−α 2e
2 O4

Kp dapat dihitung dari hubungan

ΔG o =−RT ln Kp
ΔG

o
reaksi

Produk

=

∑
i

Reaktan

n i ΔGof −

∑
j

n j ΔG of

=2 x 51,84 - 98,286 = 5,40 kJ
Dengan mensubstitusikan harga ini dalam persamaan

11

−(5,395 x 103 J )
log Kp=
(2,303 )(8,314 Jmol-1 K−1 )(298K)
=−0, 3897
Kp=0,4077=0,408

6.

PCl5( g) ⇌ PCl3 (g) +Cl 2(g)
Ungkapkan nilai Kp-nya ?
PCl5( g) ⇌ PCl3 (g) +Cl 2(g)
Mula :

n

Rx

:

nα

nα

nα

Stb

:

n(1-α)

nα

nα

Mol total = n(1- α) + 2nα
= n + nα
PCl5( g) ⇌ PCl3 (g) +Cl 2(g)

Fraksi mol

1−α
1+α

Tekanan Parsial

1−α
P
1+α

α
1+α
αP
1+α

12

α
1+α
αP
1+α

αP
αP
(
)(
1+α 1+ α )
Kp=
P
(1−α
1+α )
αP
αP (1+α )
Kp=(
1+α )(1+ α ) (1−α) P
α2
Kp=
P
(1+α )(1−α )
α2
Kp=
.P
(1−α )2

13

DAFTAR PUSTAKA

Alberty, Robert A. dan Farrington Daniels.1980. Kimia Fisika Jilid 1. Erlangga. Jakarta.
Dogra, S.K dan S. Dogra. 2009. Kimia Fisik dan Soal-Soal. Penerbit Universitas Indonesia.
Jakarta.
Ir. M.S. Tupamahu. Kimia Fisika. Departemen Teknologi Kimia ITB. Bandung.
http://id.termwiki.com/ID/chemical_potential

14

untuk campuran gas ideal :
P i=

ni RT
=c i RT
V
❑

Kp=∏
i

❑

Kp=∏
i

¿

¿

c i RT

( )
P

0

Pi

[( ) ( ) ]
ci
c0

c 0 RT

c 0 RT
P0

vi

ci
v
c0 i

( )∑ ∏ ( )
P

0

vi

i

c 0 RT

( )∑
P0

Kc=∏
i

i

i

v i Kc

ci
v
c0 i

( )

Kc=Kp .

c 0 RT

( )
P0

∆ vi

15