Laju Reaksi dan Hukum Laju: Bagaimana Konsentrasi Mengendalikan Kecepatan

Mengukur seberapa cepat reaksi berlangsung

Laju reaksi adalah perubahan konsentrasi pereaksi atau produk per satuan waktu, biasanya dalam mol L⁻¹ s⁻¹. Konsentrasi pereaksi turun selama reaksi berlangsung, sehingga perubahannya negatif. Tanda minus ditempatkan di depan suku pereaksi agar setiap laju dilaporkan sebagai bilangan positif.

Laju rata-rata adalah perubahan konsentrasi selama suatu selang waktu dibagi panjang selang itu. Laju sesaat adalah kemiringan garis singgung kurva konsentrasi–waktu pada satu saat. Laju awal adalah laju sesaat pada waktu nol, sebelum produk menumpuk. Pada sebagian besar reaksi, laju turun seiring berjalannya waktu, karena pereaksi terus terpakai.

Konsentrasi adalah salah satu dari beberapa faktor yang menentukan laju. Suhu, katalis, luas permukaan pereaksi padat, dan sifat kimia pereaksi juga berpengaruh. Panduan ini menjaga suhu tetap dan berfokus pada konsentrasi; pengaruh suhu dibahas dalam panduan energi aktivasi.

Satu reaksi, satu laju: membagi dengan koefisien

Spesi-spesi yang berbeda dalam reaksi yang sama berubah dengan kecepatan berbeda, sebanding dengan koefisiennya. Untuk memberikan satu laju bagi seluruh reaksi, bagi laju perubahan setiap spesi dengan koefisiennya. Untuk aA + bB → cC + dD, laju reaksinya adalah −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt = (1/d)Δ[D]/Δt.

Contoh soal 1. Dalam penguraian 2 N₂O₅(g) → 4 NO₂(g) + O₂(g), nitrogen dioksida terbentuk dengan laju 6.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ pada suatu saat. Laju reaksinya adalah (1/4)(6.0 × 10⁻⁵) = 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. N₂O₅ terpakai dengan laju dua kali laju reaksi, 3.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹, dan O₂ terbentuk dengan laju yang sama dengan laju reaksi, 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. Keempat pernyataan itu menggambarkan peristiwa yang sama.

Pembukuan yang sama berlaku untuk laju rata-rata. Misalkan, sebagai ilustrasi, [N₂O₅] turun dari 0.0200 mol/L menjadi 0.0169 mol/L selama 300 s pertama. Laju rata-rata konsumsi N₂O₅ adalah (0.0200 − 0.0169)/300 s = 1.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. Pengurangan itu hanya menyisakan dua angka penting, sehingga hasilnya memiliki dua angka penting. Dalam selang yang sama, NO₂ terbentuk dengan laju dua kali laju rata-rata yang belum dibulatkan, 2 × 1.03 × 10⁻⁵ = 2.1 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

Menulis hukum laju: tetapan laju dan orde reaksi

Hukum laju menyatakan laju sebagai hasil kali konsentrasi yang dipangkatkan: laju = k[A]ᵐ[B]ⁿ. Tetapan laju k khas untuk satu reaksi pada satu suhu dan tidak bergantung pada konsentrasi. Eksponen m dan n adalah orde reaksi terhadap A dan B, dan jumlahnya adalah orde keseluruhan. Orde biasanya 0, 1, atau 2, tetapi orde pecahan dan negatif juga teramati.

Setiap orde memberi tahu Anda bagaimana laju menanggapi perubahan satu konsentrasi. Jika reaksi berorde nol terhadap A, mengubah [A] tidak berpengaruh pada laju. Jika berorde satu, menggandakan [A] menggandakan laju. Jika berorde dua, menggandakan [A] mengalikan laju dengan 2² = 4. Untuk laju = k[A]²[B], menggandakan [A] sambil membagi dua [B] mengubah laju dengan faktor 2² × ½ = 2.

Orde harus diukur. Subbab 12.3 OpenStax memberikan reaksi NO₂(g) + CO(g) → NO(g) + CO₂(g) sebagai contoh: hukum lajunya adalah laju = k[NO₂]², berorde dua terhadap NO₂ dan berorde nol terhadap CO, meskipun setiap pereaksi memiliki koefisien 1.

Metode laju awal, langkah demi langkah

Metode laju awal menjalankan reaksi yang sama beberapa kali pada satu suhu, dengan mengubah satu konsentrasi awal setiap kali, dan mengukur laju pada saat paling awal setiap percobaan.

Contoh soal 2. Data di sini bersifat ilustratif dan disusun untuk latihan. Untuk A + 2 B → produk, tiga percobaan memberikan: percobaan 1, [A] = 0.0100 mol/L dan [B] = 0.0100 mol/L, laju awal 2.40 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; percobaan 2, [A] = 0.0150 mol/L dan [B] = 0.0100 mol/L, laju 5.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; percobaan 3, [A] = 0.0100 mol/L dan [B] = 0.0300 mol/L, laju 7.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹.

Hanya [A] yang berubah antara percobaan 1 dan 2, dengan faktor 1.50, dan lajunya naik dengan faktor 2.208. Selesaikan 2.208 = 1.50ᵐ dengan logaritma: m = ln 2.208 / ln 1.50 = 1.95. Laju terukur mengandung galat eksperimen, sehingga nilai yang sedekat ini dengan bilangan bulat dibulatkan: m = 2. Hanya [B] yang berubah antara percobaan 1 dan 3, dengan faktor 3.00, dan lajunya naik 3.04 kali, sehingga n = ln 3.04 / ln 3.00 = 1.01, yang dibulatkan menjadi 1. Hukum lajunya adalah laju = k[A]²[B], berorde tiga secara keseluruhan. Perhatikan bahwa B memiliki koefisien 2 dalam persamaan tetapi berorde satu.

Sekarang cari k dari setiap percobaan: k = laju / ([A]²[B]). Ketiga nilainya adalah 2.40, 2.36, dan 2.43 L² mol⁻² s⁻¹, dengan rata-rata 2.40, jadi laporkan k = 2.4 L² mol⁻² s⁻¹. Gunakan untuk meramalkan laju ketika [A] = 0.0200 mol/L dan [B] = 0.0250 mol/L: laju = 2.4 × (0.0200)² × 0.0250 = 2.4 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

• Pilih dua percobaan yang hanya satu konsentrasinya berubah.
• Bagi laju yang lebih besar dengan yang lebih kecil, dan bagi konsentrasi yang bersesuaian dengan cara yang sama. Lalu selesaikan: perbandingan laju = (perbandingan konsentrasi) dipangkatkan ordenya.
• Bulatkan setiap orde ke nilai yang masuk akal (bilangan bulat, atau sesekali ½) dan ulangi untuk pereaksi lainnya.
• Hitung k dari setiap percobaan dan rata-ratakan hasilnya, alih-alih memercayai satu percobaan saja.

Satuan k mengungkap orde keseluruhan

Laju selalu bersatuan konsentrasi per waktu, sehingga satuan k harus membuat hukum laju seimbang. Dengan konsentrasi dalam mol/L dan waktu dalam detik, k bersatuan (mol/L)¹⁻ⁿ s⁻¹, dengan n orde keseluruhan. Membaca satuan suatu tetapan laju adalah cara cepat untuk mengetahui orde keseluruhan suatu reaksi.

• Orde nol: mol L⁻¹ s⁻¹.
• Orde satu: s⁻¹, tanpa satuan konsentrasi sama sekali.
• Orde dua: L mol⁻¹ s⁻¹.
• Orde tiga: L² mol⁻² s⁻¹, seperti pada contoh soal 2.

Mengapa persamaan yang setara tidak dapat memberikan orde

Sebagian besar reaksi berlangsung melalui serangkaian peristiwa yang lebih sederhana yang disebut tahap elementer, yang bersama-sama membentuk mekanisme. Untuk satu tahap elementer, dan hanya untuk itu, hukum laju dapat ditulis dari koefisien tahap tersebut: tahap ketika dua molekul NO₂ bertumbukan berorde dua terhadap NO₂. Jumlah partikel yang bertumbukan dalam suatu tahap adalah molekularitasnya.

Tahap paling lambat dalam suatu mekanisme membatasi laju keseluruhan dan disebut tahap penentu laju. Subbab 12.6 OpenStax menjelaskan hukum laju NO₂ + CO dengan cara ini. Tahap pertama yang lambat, NO₂ + NO₂ → NO₃ + NO, diikuti tahap yang cepat, NO₃ + CO → NO₂ + CO₂. Kedua tahap itu dijumlahkan menjadi persamaan keseluruhan. CO baru masuk setelah tahap lambat, sehingga konsentrasinya tidak muncul dalam hukum laju. Persamaan keseluruhan yang setara menggambarkan apa yang dikonsumsi dan dihasilkan, bukan bagaimana reaksi terjadi, itulah sebabnya orde harus diukur.

Kekeliruan hukum laju dan cara menangkapnya

Sebagian besar kesalahan dalam soal kinetika berasal dari membaca persamaan yang setara seolah-olah itu hukum laju, atau dari memperlakukan laju setiap spesi sebagai angka yang sama.

• Mengambil orde reaksi dari koefisien persamaan keseluruhan. Orde berasal dari data atau dari mekanisme yang diketahui.
• Lupa membagi dengan koefisien ketika mengubah laju satu spesi menjadi laju spesi lain.
• Menghilangkan tanda minus pada laju pereaksi dan melaporkan laju reaksi yang negatif.
• Membandingkan dua percobaan yang lebih dari satu konsentrasinya berubah sekaligus.
• Menghitung k tanpa satuan. Satuannya memastikan apakah orde keseluruhan sudah benar.
• Membulatkan orde terukur 1.95 menjadi 1.9 alih-alih 2. Data dari eksperimen jarang memberikan bilangan bulat yang eksak.