Kesetimbangan Kimia, Keadaan Setimbang, dan Kesetimbangan Dinamis

Di alam alam sekitar kita banyak terjadi reaksi-reaksi kimia, seperti fotosintesis. Fotosintesis adalah proses kimia yang mengubah karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat dan oksigen, di mana reaksi ini berkataliskan klorofil dan menggunakan sinar matahari sebagai energi untuk reaksi.

Reaksi pembakaran bahan bakar bensin menghasilkan energi untuk menjalankan kendaraan.  reaksi perkaratan logam (misal besi) terjadi karena reaksi antara logam dengan oksigen di udara. Dari reaksi-reaksi tersebut, apakah zat hasil reaksi dapat kembali lagi menjadi zat semula? Apakah glukosa dapat kembali menjadi klorofil? Apakah energi yang dihasilkan untuk  menggerakkan kendaraan dapat kembali lagi menjadi bensin? Apakah besi berkarat dapat kembali menjadi besi yang bersih seperti semula? Reaksi-reaksi tersebut merupakan reaksi kimia satu arah (ireversibel), yaitu reaksi kimia di mana zat-zat hasil reaksi tidak dapat kembali lagi menjadi zat-zat semula. Apabila air dalam sebuah tempat tertutup (sistem tertutup atau pada suhu kamar) dipanaskan, beberapa molekul air pada permukaan akan bergerak cukup cepat untuk lepas dari cairan dan menguap. Apabila air berada dalam ruang terbuka, tidak mungkin molekul air akan kembali lagi, sehingga uap yang terbentuk akan habis. Namun, jika air berada pada suatu tempat tertutup seperti berikut maka akan terdapat perbedaan.

Uap yang terbentuk tidak dapat melepaskan diri dan akan bertabrakan dengan air-air di permukaan dan akan kembali pada cairan (dengan kata lain mengembun). Pada awalnya kecepatan pengembunan rendah, saat terdapat sedikit molekul dalam uap. Penguapan akan berlanjut dengan kecepatan yang lebih besar daripada pengembunan. Oleh karena itu, volume air akan menyusut dan molekul-molekul uap akan bertambah. Bertambahnya molekul-molekul uap mengakibatkan molekul-molekul tersebut saling bertabrakan, dan bergabung dengan cairan. Pada akhirnya, kecepatan penguapan dan pengembunan akan sama. Keadaan di mana reaksi berlangsung terus-menerus dan kecepatan membentuk zat produk sama dengan kecepatan menguraikan zat pereaksi disebut kesetimbangan dinamik. Reaksi kimia yang dapat balik (zat- zat produk dapat kembali menjadi zat-zat semula) disebut reaksi reversibel. Ciri-ciri kesetimbangan dinamis adalah:

1. Reaksi berlangsung terus-menerus dengan arah yang berlawanan.
2. Terjadi pada ruang tertutup, suhu, dan tekanan tetap.
3. Kecepatan reaksi ke arah produk (hasil reaksi) sama dengan kecepatan reaksi ke arah reaktan (zat-zat pereaksi).
4. Tidak terjadi perubahan makroskopis, yaitu perubahan yang dapat dilihat, tetapi terjadi perubahan mikroskopis, yaitu perubahan tingkat partikel (tidak dapat dilihat).
5. Setiap komponen tetap ada.

Pada reaksi kesetimbangan peruraian gas N₂O₄ menjadi gas NO₂, tercapai keadaan setimbang saat kecepatan terurainya N₂O₄ sama besarnya dengan kecepatan membentuk kembali N₂O₄.

Tercapainya kesetimbangan dinamis peruraian N₂O₄ dapat dilihat pada gambar berikut.

Ket :

(a) Reaksi dimulai, campuran reaksi terdiri dari N₂O₄ tidak berwarna,

(b) N₂O₄ terurai membentuk NO₂ cokelat kemerahan, warna campuran jadi cokelat,

(c) Kesetimbangan tercapai, konsentrasi NO₂ dan N₂O₄ konstan dan warna campuran mencapai warna final,

(d) Karena reaksi berlangsung terusmenerus dengan kecepatan sama, maka konsentrasi dan warna konstan. Sumber: Chemistry, The Molecular Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, 2000.

A. Keadaan Kesetimbangan

Reaksi yang dapat berlangsung dalam dua arah disebut reaksi dapat balik (reversibel). Apabila dalam suatu reaksi kimia, kecepatan reaksi ke kanan sama dengan kecepatan reaksi ke kiri, maka reaksi dikatakan dalam keadaan setimbang. Secara umum, reaksi kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai:

Pada saat setimbang, ada beberapa kemungkinan yang terjadi dilihat dari konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi pada saat itu.

Pada reaksi di atas, ada 3 kemungkinan yang terjadi yaitu sebagai berikut.

Kemungkinan I

a) Mula-mula konsentrasi A dan B harganya maksimal, kemudian berkurang sampai tidak ada perubahan; b) Konsentrasi C dan D dari nol bertambah terus sampai tidak ada perubahan; c) Pada saat setimbang, konsentrasi C dan D lebih besar daripada A dan B.

Kemungkinan II

Perubahan konsentrasi A dan B menjadi C dan D sama seperti kemungkinan I. Pada saat setimbang, konsentrasi C dan D lebih kecil daripada A dan B

Kemungkinan III

Perubahan konsentrasi A dan B menjadi C dan D sama seperti kemungkinan I dan II, tetapi pada saat setimbang konsentrasi A dan B sama dengan konsentrasi C dan D.

Ada dua macam sistem kesetimbangan, yaitu kesetimbangan dalam sistem homogen dan kesetimbangan dalam sistem heterogen.

A.1 Kesetimbangan dalam Sistem Homogen

- Kesetimbangan dalam sistem gas–gas

contoh:

- Kesetimbangan dalam sistem larutan–larutan

Contoh:

A.2 Kesetimbangan dalam Sistem Heterogen

- Kesetimbangan dalam sistem padat–gas

Contoh:

- Kesetimbangan dalam sistem padat–larutan

Contoh:

- Kesetimbangan dalam sistem larutan–padat–gas

Contoh: