1. Pengertian Kesetimbangan

Kesetimbangan kimia adalah suatu keadaan di mana tidak ada perubahan yang

teramati selama bertambahnya waktu reaksi. Jika suatu kimia telah mencapai keadaan

kesetimbangan maka konsentrasi reaktan dan produk menjadi konstan sehingga tidak ada

perubahan yang teramati dalam sistem. Meskipun demikian, aktivitas molekul tetap berjalan,

molekul-molekul reaktan berubah mnjadi produk secara terus-menerus sambil molekul-

molekul produk berubah menjadi reaktan kembali dengan kecepatan yang sama.

Sedikit sekali reaksi kimia yang berjalan ke satu arah saja, kebanyakan adalah reaksi

dapat balik. Pada awal reaksi dapat balik, reaksi berjalan ke arah pembentukan produk. Sesaat

setelah produk tersebut, pembentukan reaktan produk juga mulai berjalan. Jika kecepatan

reaksi maju dan reaksi balik adalah sama, dan dikatakan bahwa kesetimbangan kimia telah

dicapai. Harus diingat bahwa kesetimbangan kimia melibatkan beberapa zat yang berbeda

sebagai reaktan dan produk. Kesetimbangan antara dua fase zat-zat yang sama disebut

kesetimbangan fisika, perubahan yang terjadi adalah proses fisika. Dalam peristiwa ini,

molekul air yang meninggalkan fase cair adalah sama dengan jumlah molekul yang kembali

ke fase cair.

H2O(C)    ↔                    H2O(g)   

            Perhatian para kimiawi tercurah kepada proses kesetimbangan kimia, misalnya reaksi

dapat dibalik yang melibatkan nitrogen disebut oksida (NO2) dan nitrogen tetraosida (N2O4)

yang dinyatakan sebagai berikut.

N2O4(g)      ↔               2NO2(g)

            Kemajuan reaksi ini mudah dimonitor karena N2O4 adalah suatu gas tak berwarna,

sedangkan NO2 adalah gas berwarna coklat tua. Andaikan sejumah tertentu gas

N2O4 diinjeksikan ke dalam labu tertutup, maka segera tampak warna coklat yang

menunjukkan terbentuknya molekul NO2. Intensitas warna terus meningkat dengan

berlangsungnya peruraian N2O4 terus-menerus sampai kesetimbangan tercapai. Pada keadaan

ini, tidak ada lagi perubahan warna yang diamati.

Ciri-ciri keadaan suatu reaksi bolak-balik dikatakan setimbang sebagai berikut.

Terjadi dalam wadah tertutup, pada suhu dan tekanan tetap.

Reaksinya berlangsung terus-menerus (dinamis) dalam dua arah yang berlawanan.

Laju reaksi ke reaktan sama dengan laju reaksi ke produk.

Konsentrasi produk dan reaktan tetap.

Terjadi secara mikroskopis pada tingkat partikel zat.

2. Kesetimbangan Dinamis

Ada beberapa istilah yang harus dipahami sebelum melangkah lebih jauh mempelajari

kesetimbangan kimia. Istilah tersebut adalah reaksi satu arah (one way reaction), reaksi dapat

balik (two way reaction), dan reaksi kesetimbangan (equilibrium reaction).

Jika dalam suatu reaksi, zat-zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi kembali menjadi

pereaksi maka disebut reaksi satu arah.

Pembakaran metana berlangsung dalam satu arah. Persamaan reaksinya:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

Jika hasil reaksi (CO2 + H2O) direaksikan lagi, tidak akan membentuk pereaksi

kembali (CH4 + O2), tetapi menjadi H2CO3. Kenyataan ini menunjukkan bahwa reaksi

di atas adalah reaksi satu arah atau reaksi yang tidak dapat balik (irreversible).

Jika dalam suatu reaksi hasil-hasil reaksi dapat membentuk pereaksi lagi maka disebut

reaksi dapat balik (reversible).

Contoh: Jika gas N2 dan gas H2 direaksikan dalam reaktor tertutup akan terbentuk gas

NH3. Persamaannya:

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

Gas NH3 yang terbentuk dapat diuraikan kembali membentuk pereaksi. Persamaannya:

2NH3(g) → N2(g) + 3H2(g)

Reaksi semacam ini menunjukkan bahwa reaksi dapat balik (reversible) atau reaksi dua

arah.

Suatu reaksi dapat digolongkan ke dalam reaksi kesetimbangan dinamis (equilibrium

reaction) jika reaksi yang dapat balik (reversible) berlangsung dengan kecepatan yang sama,

baik kecepatan ke arah hasil reaksi maupun kecepatan ke arah pereaksi dan reaksinya tidak

bergantung pada waktu.

Dalam sistem kesetimbangan dinamis, reaksi yang menuju hasil reaksi dan reaksi yang

menuju pereaksi berlangsung secara bersamaan dengan laju yang sama sehingga konsentrasi

masing-masing zat dalam sistem kesetimbangan tidak berubah.

Tinjau reaksi pembentukan belerang trioksida berikut.

Jika konsentrasi masing-masing zat dalam sistem kesetimbangan itu diukur. Kemudian

hasilnya dituangkan ke dalam bentuk grafik hubungan antara konsentrasi zat dan waktu

reaksi maka kurva yang terbentuk seperti pada gambar dibawah ini:

Pada t= 0 detik, hanya terdapat pereaksi (SO2 dan

O2) dengan konsentrasi awal tertentu. Dengan

mengendalikan suhu dan tekanan, pereaksi mulai

berubah menjadi hasil reaksi (SO3). Pada saat

SO3 mulai terbentuk, sebagian SO3 terurai

kembali menjadi pereaksi. Akan tetapi, karena

jumlah molekul pereaksi lebih banyak, laju penguraian SO3 relatif lebih lambat dibandingkan

laju pembentukan SO3 sehingga pembentukan SO3 masih dominan. Reaksi dalam dua arah

berlangsung terus sampai mendekati waktu t1, laju ke dua arah ini hampir sama. Setelah

mencapai waktu t1, laju pembentukan dan laju penguraian SO3 sama sehingga konsentrasi

pereaksi dan hasil reaksi tidak berubah lagi terhadap waktu. Hal ini ditunjukkan oleh bentuk

kurva yang mendatar.

Semua reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan dalam bentuk grafik dengan bentuk

yang berbeda bergantung pada sifat reaksinya, seperti ditunjukkan pada kurva dibawah ini:

3. Kesetimbangan Sistem Homogen dan Heterogen

Suatu reaksi kesetimbangan dikatakan homogen jika pereaksi dan hasil reaksi

memiliki fasa yang sama, sedangkan reaksi dikatakan heterogen jika salah satu zat atau lebih

berbeda fasa.

Apakah tetapan kesetimbangan sistem heterogen sama dengan uraian sebelumnya?

Berdasarkan penelitian, menunjukkan bahwa tetapan kesetimbangan reaksi heterogen

memiliki karakter tertentu. Tinjau reaksi kesetimbangan heterogen pada penguraian termal

CaCO3 berikut.

Persamaan tetapan kesetimbangan untuk sistem reaksi homogen diatas :

Konsentrasi zat dalam sistem kesetimbangan adalah mol per liter. Untuk zat murni,

baik padatan maupun zat cair, konsentrasi molar zat tidak berubah walaupun jumlahnya

berkurang akibat bereaksi. Mengapa tidak berubah? Untuk zat murni, misalnya air, jika

massa air dikurangi maka volume air juga berkurang. Akibatnya, konsentrasi molar air tidak

berubah. Dengan kata lain, massa jenis zat murni selalu tetap. Berbeda dengan zat murni,

untuk larutan, jika jumlah zat terlarut atau volume pelarut berkurang maka konsentrasi

molarnya berubah. Sedangkan zat berupa gas kemolarannya bergantung pada volume

wadahnya.

Oleh karena massa jenis zat murni tetap, selama reaksi berlangsung massa CaCO3 dan

CaO per satuan volume zat padatnya selalu tetap. Hal ini menyebabkan konsentrasi kedua zat

murni ini tidak memengaruhi nilai tetapan kesetimbangan. Oleh karena itu, konsentrasi

CaCO3 dan CaO dapat dipindahkan ke ruas kiri persamaan dan digabungkan dengan tetapan

kesetimbangan (Kc). Persamaan kesetimbangannya menjadi:

4. Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Kesetimbangan

Henry Louis Le Chatelier, ahli kimia Prancis (1852 – 1911) mengemukakan suatu

pernyataan mengenai perubahan yang terjadi pada sistem kesetimbangan jika ada pengaruh

dari luar. Pernyataan ini dikenal sebagai Azas Le Chatelier yang berbunyi: “Jika suatu sistem

kesetimbangan menerima suatu aksi maka sistem tersebut akan mengadakan reaksi, sehingga

pengaruh aksi menjadi sekecil-kecilnya”.

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi sistem kesetimbangan adalah perubahan

suhu, perubahan konsentrasi, perubahan tekanan, dan perubahan volum.

a) Pengaruh Perubahan Suhu

Reaksi kesetimbangan dapat merupakan reaksi eksoterm maupun endoterm. Pada

reaksi-reaksi ini perubahan suhu sangat berpengaruh. Contohnya pada reaksi kesetimbangan

antara gas nitrogen dioksida dan dinitrogen tetraoksida dengan reaksi:

Pada suhu kamar, sistem kesetimbangan tersebut berwarna coklat. Berdasarkan persamaan

reaksi diatas, dilakukan percobaan dan diperoleh data sebagai berikut.

Jika suhu dinaikkan, warna coklat bertambah artinya gas NO2 bertambah.

Jika suhu diturunkan, warna coklat berkurang artinya gas N2O4 bertambah.

Dengan melihat reaksi eksoterm dan endoterm pada reaksi tersebut, maka dapat disimpulkan:

Jika suhu dinaikkan, kesetimbangan bergeser ke arah reaksi endoterm.

Jika suhu diturunkan, kesetimbangan bergeser ke arah reaksi eksoterm.

b) Pengaruh Perubahan Konsentrasi

Untuk mempelajari pengaruh perubahan konsentrasi pada kesetimbangan, perhatikan

percobaan penambahan ion-ion dan zat lain pada sistem kesetimbangan berikut.

Sesuai dengan azas Le Chatelier jika salah satu zat konsentrasinya diperbesar, reaksi akan

bergeser ke arah yang berlawanan, jika salah satu zat konsentrasinya diperkecil, reaksi akan

bergeser kearah zat tersebut.

Jika pada sistem kesetimbangan salah satu komponen ditambah, kesetimbangan akan

bergeser ke arah yang berlawanan.

Jika pada sistem kesetimbangan salah satu komponennya dikurangi, kesetimbangan akan

bergeser ke arah komponen tersebut.

c) Pengaruh Perubahan Tekanan/Volume

Untuk sistem kesetimbangan yang melibatkan fasa padat atau cair, gangguan tekanan

atau volume tidak berpengaruh, tetapi untuk sistem yang melibatkan fasa gas, gangguan

tekanan terhadap sistem kesetimbangan sangat berpengaruh.

Perhatikan sistem reaksi kesetimbangan berikut.

Jika tekanan sistem dinaikkan dengan cara memperkecil volume wadah, sistem akan

bereaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh volume sekecil mungkin. Tekanan diperbesar

atau volume wadah diperkecil, memacu sistem untuk memperkecil pengaruh tekanan dengan

cara mengurangi jumlah molekul. Frekuensi dan jumlah molekul yang bertumbukan dengan

dinding wadah makin sedikit sehingga kenaikan tekanan menjadi minimum. Dengan

demikian, posisi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah molekulnya paling

sedikit.

Pada reaksi pembentukan N2O4, perbandingan koefisien reaksi menyatakan

perbandingan jumlah molekul. Oleh karena itu, kesetimbangan akan bergeser ke arah

pembentukan N2O4 sebab jumlah molekulnya setengah dari jumlah molekul NO2.

Berdasarkan uraian tersebut, jika tekanan sistem meningkat, posisi kesetimbangan akan

bergeser ke arah jumlah molekul yang lebih sedikit. Bagaimana jika jumlah molekul pereaksi

sebanding dengan jumlah molekul hasil reaksi? Misalnya pada reaksi berikut.

Jika jumlah molekul pereaksi sebanding dengan hasil reaksi atau jumlah koefisien

pereaksi sama dengan hasil reaksi maka perubahan tekanan atau volume sistem tidak akan

berpengaruh terhadap sistem kesetimbangan. 

Jika gas inert seperti He, Ne, atau Ar dimasukkan ke dalam sistem reaksi yang berada dalam

kesetimbangan, tekanan total sistem meningkat sebab jumlah molekul bertambah.

Tekanan total sistem merupakan jumlah aljabar dari tekanan parsial masing-masing

komponen. Menurut Dalton:

Ptotal= P1 + P2 + P3 + ….. + Pi

Ptotal adalah tekanan total sistem. P1, P2, ..., Pi adalah tekanan parsial masing-masing

komponen gas.

Jika tekanan parsial dari komponen sistem berubah, komposisi gas akan berubah.

Akibatnya, sistem kesetimbangan juga turut berubah. Hal ini karena tetapan kesetimbangan

ditentukan oleh nilai tekanan parsial masing-masing komponen gas. Gas inert tidak bereaksi

dengan komponen gas yang terdapat dalam sistem kesetimbangan sehingga komposisi dari

masing-masing komponen sistem kesetimbangan tidak berubah. Akibatnya, penambahan gas

inert tidak memengaruhi keadaan kesetimbangan. Penambahan gas inert ke dalam sistem

kesetimbangan hanya menambah satu komponen tekanan parsial, sedangkan komponen

parsial gas dalam sistem kesetimbangan tidak berubah.

5. Pembalikan Arah Reaksi Kesetimbangan

Jika persamaan reaksi kesetimbangan dikaji dari arah yang berlawanan maka nilai

tetapan kesetimbangan yang baru merupakan kebalikkan dari tetapan semula.

Contoh:

Tinjau sistem reaksi kesetimbangan berikut.

Perkalian dengan Faktor Tertentu

Jika persamaan reaksi kesetimbangan dikalikan dengan faktor tertentu, nilai tetapan

kesetimbangan yang baru merupakan pangkat dari faktor pengali. Perhatikan contoh berikut:

6. Tekanan Parsial

Tekanan parsial, yaitu tekanan salah satu komponen sistem yang terdapat dalam

campuran gas. Selain dengan konsentrasi molar, tetapan kesetimbanganuntuk sistem reaksi

yang melibatkan gas dapat dinyatakan dengan tekanan parsial

masing-masing komponen gas. Simak sistem reaksi kesetimbangan berikut:

Pada dasarnya tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan parsial tidak berbeda dengan

tetapan kesetimbangan dalam konsentrasi molar. Dalam bentuk tekanan parsial diungkapkan

sebagai berikut.

Kp adalah tetapan kesetimbangan dalam bentuk tekanan parsial. (PNH3)2, (PN2) , (PH2)

adalah tekanan parsial masing-masing komponen gas dalam kesetimbangan yang

dipangkatkan dengan koefisien reaksinya.

Hubungan Kc dan Kp

Dalam reaksi kesetimbangan yang melibatkan gas, nilai Kp dan Kc dapat sama atau

beda. Tinjau persamaan reaksi hipotetik berikut.

Tetapan kesetimbangan untuk reaksi tersebut dalam bentuk tekanan parsial dan konsentrasi

molar adalah sebagai berikut.

Persamaan tersebut dapat menujukkan hubungan tekanan dan konsentrasi molar gas.

Persamaannya adalah PV = nRT. Persamaan ini dapat diubah menjadi:

Persaman tersebut masih dapat disederhanakan menjadi : Kp = Kc(RT)Δn, Δn adalah selisih

koefisien reaksi.

7) Reaksi yang mendekati keseimbangan

Variasi komposisi terhadap waktu di dekat keseimbangan dapat dibahas suatu reaksi

A ↔ B baik reaksi ke depan maupun reaksi sebaliknya mempunyai orde pertama.

A ⟶ B v = k [A]

B ⟶ A v = k’ [B]

Laju perubahan [A] mempunyai dua pernyataan, yaitu laju ini dihabiskan oleh reaksi ke

depan pada laju k[A], tetapi diisi kembali oleh reaksi sebaliknya pada laju k’[B]. Jadi, laju

perubahan dinyatakan sebagai berikut :

Jika konsentrasi awal A adalah [A]0 dan pada awalnya tidak terdapat B, maka pada setiap

waktu : [A] + [B] = [A]0. Oleh karena itu :

Penyelesaian persamaan orde pertama ini, adalah :

Didapatkan bahwa :

Dengan demikian, konstanta keseimbangan reaksinya adalah :

Persamaan tersebut berguna jika diketahui konstanta keseimbangan, maka satu konstanta laju dapat diukur, sehingga konstanta laju yang lain dapat dihitung.

Perhitungan serupa dapat diketahui untuk jenis keseimbangan yang lain. Untuk reaksi :

A + B ↔ C + D

Yang merupakan reaksi orde kedua dalam dua arah, laju perubahan konsentrasi A sebagai hasil reaksi ke depan dan sebaliknya, adalah :

Reaksi ke depan (ke produk) :

Reaksi sebaliknya ( ke pereaksi) :

Reaksi neto (produk - pereaksi) :

Pada keseimbangan, laju perubahan neto adalah nol. Jadi pada keseimbangan :

Sehingga,