Tetapan Kesetimbangan: Menulis K, Membaca Q, dan Mengubah Kc menjadi Kp

Kesetimbangan dinamis: reaksi maju dan balik dengan laju yang sama

Dalam reaksi reversibel, produk dapat bereaksi membentuk kembali pereaksi. Ketika reaksi maju menghabiskan pereaksi, reaksinya melambat, dan ketika produk menumpuk, reaksi balik makin cepat. Kesetimbangan tercapai ketika kedua laju itu sama. Sejak saat itu, konsentrasi tetap konstan meskipun kedua reaksi terus berlangsung. Itulah sebabnya para kimiawan menyebutnya kesetimbangan dinamis dan menuliskannya dengan panah ganda, ⇌.

Komposisi kesetimbangan yang sama dapat dicapai dari kedua arah. Labu tertutup yang mula-mula berisi NO₂ murni dan labu bervolume sama yang mula-mula berisi N₂O₄ murni dalam jumlah setara berakhir pada campuran yang sama jika dijaga pada suhu yang sama. Kesetimbangan hanya tercapai dalam sistem tertutup; jika suatu produk lepas, seperti CO₂ dari wadah terbuka, reaksinya tidak pernah mencapai keadaan tetap.

Menyusun ungkapan K dari persamaan yang setara

Untuk reaksi umum aA + bB ⇌ cC + dD, hukum aksi massa memberikan tetapan kesetimbangan dalam konsentrasi molar: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). Produk ditempatkan di atas, pereaksi di bawah, dan setiap konsentrasi dipangkatkan dengan koefisiennya. Tidak seperti hukum laju, ungkapan ini langsung berasal dari persamaan yang setara.

Padatan murni dan cairan murni tidak dimasukkan, karena konsentrasi efektifnya tidak berubah selama reaksi berlangsung. Air juga tidak dimasukkan jika menjadi pelarut dalam larutan berair yang encer. Misalnya, penguraian CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) memiliki Kc = [CO₂]. Pada suhu tertentu, tekanan kesetimbangan CO₂ di atas padatan itu tetap, berapa pun jumlah kedua padatan.

Secara ketat, tetapan kesetimbangan disusun dari aktivitas, yang tidak bersatuan, sehingga K dilaporkan tanpa satuan. Memakai konsentrasi dalam mol/L atau tekanan dalam atm atau bar adalah pendekatan yang lazim dalam kimia umum.

Membaca besarnya K

K yang besar berarti pada kesetimbangan produk lebih dominan; K yang kecil berarti pereaksi lebih dominan. Sebagai pedoman kasar, K lebih besar dari sekitar 10³ berarti reaksi hampir tuntas, K lebih kecil dari sekitar 10⁻³ berarti hanya sedikit produk terbentuk, dan nilai di antaranya memberikan campuran dengan jumlah keduanya yang cukup berarti.

Subbab 13.4 OpenStax memberikan Kc = 4.1 × 10⁻⁴ untuk N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g) pada 2000 °C. Bahkan pada suhu itu, udara hanya mengandung sedikit NO pada kesetimbangan. Pada suhu kamar, tetapannya jauh lebih kecil lagi, itulah sebabnya nitrogen dan oksigen dapat berada bersama di atmosfer.

K tidak menyatakan apa pun tentang kecepatan. Reaksi dengan K yang sangat besar tetap dapat berlangsung terlalu lambat untuk diamati. Kinetika, bukan tetapan kesetimbangan, yang menentukan seberapa cepat kesetimbangan tercapai.

Contoh soal: Kc dan Kp untuk nitrogen dioksida dan dinitrogen tetroksida

Untuk reaksi yang melibatkan gas, tetapan kesetimbangan juga dapat ditulis dengan tekanan parsial, sehingga menghasilkan Kp. Keduanya dihubungkan oleh Kp = Kc(RT)^Δn, yang berarti Kc dikalikan RT pangkat Δn, dengan Δn mol produk gas dikurangi mol pereaksi gas, R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹ jika tekanan dalam atm, dan T dalam kelvin. Jika Δn = 0, Kp sama dengan Kc.

Subbab 13.2 OpenStax menggambarkan 0.10 mol NO₂ yang dimasukkan ke dalam labu 1.0 L pada 25 °C, yang mencapai kesetimbangan dengan [NO₂] = 0.016 mol/L dan [N₂O₄] = 0.042 mol/L. Sebagai pemeriksaan, 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L, sehingga seluruh nitrogen terhitung. Untuk N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, sampai dua angka penting.

Di sini Δn = 2 − 1 = 1, dan RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. Jadi Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15, dengan tekanan dalam atm. Nilainya lebih besar daripada Kc karena Δn positif dan RT lebih besar dari 1.

Mengubah persamaan mengubah K

Karena K disusun dari persamaan yang setara, setiap perubahan pada persamaan mengubah K dengan cara yang dapat diramalkan. Aturan-aturan ini adalah padanan kesetimbangan dari aturan memanipulasi ΔH dalam hukum Hess, dengan perkalian sebagai pengganti penjumlahan.

Contoh soal. Mulailah dari N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g), Kc = 4.1 × 10⁻⁴ pada 2000 °C. Membaliknya memberikan 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) dengan Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. Membagi dua persamaan maju memberikan ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g) dengan Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². Melakukan keduanya, NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g) memiliki Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• Balik persamaannya: K yang baru adalah 1/K.
• Kalikan setiap koefisien dengan n: K yang baru adalah Kⁿ. Membagi dua persamaan berarti mengambil akar kuadratnya.
• Jumlahkan dua persamaan: kalikan nilai K-nya. Kedua nilai K harus untuk suhu yang sama.

Membandingkan Q dengan K untuk meramalkan arah

Kuosien reaksi, Q, memiliki bentuk yang persis sama dengan K tetapi memakai konsentrasi yang ada pada saat mana pun, tidak hanya pada kesetimbangan. Membandingkan Q dengan K memberi tahu Anda ke arah mana reaksi harus berjalan. Jika Q < K, produknya terlalu sedikit, dan reaksi berjalan ke arah maju. Jika Q > K, produknya terlalu banyak, dan reaksi berjalan ke arah balik. Jika Q = K, sistem berada dalam kesetimbangan.

Contoh soal. Subbab 13.2 OpenStax memberikan Kc = 0.640 pada 800 °C untuk CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g). Suatu campuran mengandung [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300, dan [H₂] = 0.0600 mol/L. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q lebih besar daripada K, sehingga campuran bergeser ke arah CO dan H₂O.

Campuran kedua memiliki CO dan H₂O yang sama tetapi [CO₂] = 0.0200 dan [H₂] = 0.0250 mol/L. Sekarang Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250, yang lebih kecil dari 0.640, sehingga campuran ini bereaksi ke arah maju dan menghasilkan lebih banyak CO₂ dan H₂.

Contoh soal: K dari campuran kesetimbangan yang diukur

Mengukur satu jumlah zat pada kesetimbangan sering kali cukup untuk menemukan K, karena persamaan yang setara menetapkan bagaimana setiap jumlah lain berubah. Data di sini bersifat ilustratif. Pada satu suhu tetap, 0.500 mol PCl₅ disegel dalam labu kosong 2.00 L dan dibiarkan mencapai PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g). Pada kesetimbangan, labu itu berisi 0.180 mol Cl₂.

Bekerjalah dengan konsentrasi. [PCl₅] awal adalah 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L, dan [Cl₂] pada kesetimbangan adalah 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. Setiap mol Cl₂ yang terbentuk juga membentuk satu mol PCl₃ dan memakai satu mol PCl₅, sehingga [PCl₃] = 0.0900 mol/L dan [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. Maka Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. Pada suhu ini, 36.0 persen PCl₅ terurai. Panduan tabel ICE memperluas pembukuan ini ke soal-soal yang mengharuskan Anda menghitung jumlah zat pada kesetimbangan.

Kesalahan ungkapan kesetimbangan

Daftar periksa singkat menangkap sebagian besar kesalahan dalam menulis dan memakai K.

• Menempatkan pereaksi di atas. K selalu produk per pereaksi untuk persamaan sebagaimana tertulis.
• Tidak memakai koefisien sebagai pangkat, atau malah memakainya sebagai pengali.
• Memasukkan padatan murni, cairan murni, atau air sebagai pelarut ke dalam ungkapan.
• Memakai konsentrasi awal dalam K. Hanya nilai kesetimbangan yang dimasukkan ke dalam K; kumpulan nilai lain memberikan Q.
• Lupa bahwa K bergantung pada suhu. Nilai K tidak bermakna tanpa suhu tempat nilai itu berlaku.
• Mengubah Kc menjadi Kp dengan Δn yang dihitung untuk semua spesi, bukan hanya gas, atau dengan T dalam Celsius.