Materi Laju Reaksi Lengkap (Kimia Kelas XI)

Dalam kehidupan sehari-hari kita sering menemukan adanya peristiwa seperti perkaratan besi, pembusukan makanan, pematangan buah di pohon, pembusukan sisa organisme, proses pembakaran sampah serta reaksi kimia yang terjadi di dalam saluran pencernaan sesaat setelah makan, dan lain sebagainya. Semua peristiwa tersebut merupakan contoh dari reaksi kimia.

Reaksi kimia merupakan perubahan suatu zat menjadi zat baru yang ditandai dengan terjadinya perubahan warna, perubahan suhu, terbentuk gas, dan/atau terbentuk endapan sebagai indikasi terbentuknya partikel materi baru dengan struktur dan rumus kimia yang berbeda. Reaksi kimia selalu berkaitan dengan perubahan dari suatu pereaksi (reaktan) menjadi hasil reaksi (produk), dengan demikian maka pereaksi akan berkurang, sedangkan hasil reaksi akan bertambah. 

Reaksi kimia yang terjadi di sekitar kita berlangsung cepat, sedang, dan juga lambat, bahkan sangat lambat. Peristiwa pembakaran kayu juga merupakan salah satu contoh dari reaksi kimia. Coba anda bandingkan pembakaran kayu dengan perkaratan pada mobil yang sebagian besar komponennya terbuat dari besi. Berapa lama waktu yang dibutuhkan hingga bagian besi pada mobil bisa berkarat seperti gambar di bawah ini.

Pengertian Laju Reaksi

Berdasarkan gambar di atas, pada dasarnya laju reaksi dapat dinyatakan sebagai cepat lambat terjadinya suatu reaksi. Apabila perubahan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi dibandingkan dengan banyaknya waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi, maka itulah yang dimaksud dengan laju reaksi, sehingga laju reaksi didefinisikan sebagai berkurangnya konsentrasi pereaksi per satuan waktu atau bertambahnya konsentrasi produk per satuan waktu. Perhatikan gambar diagram berikut ini.

Grafik laju reaksi perubahan konsentrasi produk dan konsentrasi reaktan/Dokpri

Reaksi kimia untuk diagram di atas adalah A  B, dengan demikian laju perubahan zat A menjadi zat B ditentukan melalui jumlah zat A yang bereaksi dan jumlah zat B yang terbentuk per satuan waktu. Ketika konsentrasi zat A berkurang, konsentrasi produk zat B akan bertambah. Sehingga dapat disimpulkan bahwa laju reaksi adalah laju berkurangnya reaktan dan laju bertambahnya produk. Konsep laju reaksi untuk reaksi A  B dapat dirumuskan sebagai berikut. 

Dokpri

Dokpri

Ket.

rA = laju berkurangnya zat A

rB = laju berkurangnya zat B

Persamaan Laju Reaksi

Persamaan laju reaksi dapat dituliskan sebagai berikut.

Dokpri

Keterangan.

x = laju reaksi

k = tetapan laju reaksi

[A] = konsentrasi zat A

[B] = konsentrasi zat B

x, y = orde reaksi

Teori Tumbukan

Teori tumbukan menyatakan bahwa: "Reaksi kimia akan berlangsung apabila terjadi tumbukan-tumbukan antar partikelnya". Dengan kata lain, partikel-partikel reaktan atau pereaksi harus saling bertumbukan terlebih dahulu untuk menghasilkan hasil reaksi (produk). Tidak semua tumbukan dapat menghasilkan reaksi. Tumbukan antar partikel-partikel reaktan yang berhasil menghasilkan reaksi disebut tumbukan efektif, sedangkan tumbukan yang tidak menghasilkan reaksi disebut tumbukan efektif. Tumbukan efektif merupakan tumbukan yang mempunyai energi cukup untuk memutuskan ikatan-ikatan pada zat yang bereaksi. Ada 2 syarat yang menyebabkan terjadinya tumbukan efektif yaitu sebagai berikut.

• Energi Kinetik Partikel

Pada proses tumbukan partikel-partikel reaktan saling mendekat, namun akan terjadi gaya tolak-menolak antar elektron terluar dari masing-masing partikel. Gaya tolak menolak ini dapat diatasi jika energi kinetik dari partikel cukup sehingga dapat terjadi tumbukan yang efektif.

• Arah Partikel yang Bertumbukan

Pada proses tumbukan, partikel-partikel reaktan yang mempunyai orientasi atau arah yang tepat saat bertumbukan akan menghasilkan tumbukan yang efektif. Kedua syarat ini dapat dijelaskan pada contoh berikut, dimana reaksi terjadi antara molekul hidrogen (H2) dan molekul iodin (I2).

Tumbukan antara molekul hidrogen (A) dengan iodin (B) membentuk molekul HI (AB)/Dokpri

Sebelum proses tumbukan terjadi, partikel-partikel reaktan membutuhkan energi minimum untuk dapat bertumbukan efektif yang disebut sebagai energi aktivasi (Ea). Contoh, reaksi antara hidrogen (H2) dengan oksigen (O2) yang menghasilkan air.

Dokpri

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut.

Energi aktivasi untuk reaksi pembentukan air/Dokpri

Pada proses reaksi, terbentuk zat kompleks teraktivasi yang berada pada puncak energi, dan jika reaksi berlangsung dengan baik maka zat kompleks teraktivasi akan terurai membentuk zat hasil reaksi. Hubungan antara energi aktivasi dengan reaksi endoterm dan reaksi eksoterm dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Dokpri

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Laju Reaksi

Teori tumbukan dapat menjelaskan reaksi kimia dapat berlangsung atau tidak. Tumbukan antar partikel akan menghasilkan reaksi apabila memiliki energi yang cukup serta arah tumbukan yang efektif. Semakin banyak tumbukan efektif maka semakin cepat laju reaksinya. Faktor-faktor apa saja yang dapat mempengaruhi laju reaksi? Berdasarkan hasil percobaan, laju reaksi dipengaruhi oleh konsentrasi, luas permukaan, suhu, dan katalis (James E. Brady, 1990).

• Konsentrasi

Faktor utama yang mempengaruhi laju reaksi yang diberikan adalah konsentrasi reaktan. Reaksi dapat terjadi hanya ketika molekul reaktan bertabrakan. Konsentrasi adalah banyaknya partikel per satuan volum. Apabila konsentrasi pereaksi bertambah, maka jumlah partikel pereaksi akan semakin banyak. Bertambahnya jumlah partikel pereaksi akan memudahkan terjadinya tumbukan antar partikel pereaksi sehingga memungkinkan terjadinya reaksi yang semakin besar. Dengan demikian, semakin tinggi konsentrasi pereaksi maka menyebabkan laju reaksinya semakin cepat. Perhatikan gambar berikut ini.

Gambar (a) memiliki konsentrasi reaktan yang lebih rendah dibandingkan dengan gambar (b) yang memiliki konsentrasi reaktan lebih tinggi. Gambar (b) menghasilkan tumbukan yang lebih banyak dibandingkan dengan gambar (a). Dengan demikian laju reaksi pada gambar (b) akan lebih tinggi dibandingkan dengan reaksi yang terjadi pada gambar (a). Suatu zat dengan konsentrasi tinggi mengandung jumlah partikel yang lebih banyak, sehingga partikel-partikelnya tersusun lebih rapat dibandingkan dengan zat yang konsentrasinya rendah. Partikel dengan susunan yang lebih rapat, akan lebih sering bertumbukan dibandingkan dengan partikel yang susunannya lebih renggang, sehingga kemungkinan terjadinya reaksi semakin besar. Larutan dengan konsentrasi tinggi merupakan larutan pekat, sedangkan larutan dengan konsentrasi rendah merupakan larutan encer. Semakin tinggi konsentrasi suatu larutan maka semakin banyak partikel-partikel dalam setiap satuan volume ruangan, dengan demikian tumbukan antar partikel semakin sering terjadi, semakin banyak tumbukan yang terjadi berarti kemungkinan untuk menghasilkan tumbukan efektif semakin besar, sehingga reaksi berlangsung cepat.

• Luas Permukaan

Kecepatan suatu reaksi dipengaruhi oleh ukuran partikel zat, hal ini berlaku untuk reaktan yang terdapat dalam fasa padat. Pernahkah kalian berpikir, mengapa bumbu atau bahan yang digunakan untuk memasak harus dipotong menjadi lebih kecil atau dihaluskan terlebih dahulu? Hal tersebut bertujuan agar rasa serta aroma dari bumbu atau bahan masakan tersebut menjadi lebih meresap dan lebih cepat matang. Luas permukaan bidang sentuh dapat dilakukan dengan cara memperkecil ukuran zat. Reaksi kimia dengan reaktan berbentuk serbuk akan menghasilkan laju reaksi yang lebih cepat dibandingkan reaksi dengan reaktan yang berbentuk kepingan jika menggunakan larutan dengan konsentrasi yang sama. Dengan menggunakan teori tumbukan dapat dijelaskan bahwa pada benda padat dengan massa yang sama, semakin luas permukaan bidang sentuh zat yang bereaksi akan mempermudah terjadinya tumbukan efektif melalui banyaknya tempat yang digunakan untuk bertumbukan sehingga laju reaksi semakin cepat.

• Suhu

Pernahkah kalian memasak air dengan menggunakan kompor? Kompor dengan nyala api bagaimanakah yang dapat membuat air mendidih dengan cepat? Tentu kompor dengan nyala api yang besar bukan? Dalam hal ini, suhu dapat mempengaruhi laju reaksi.

Dalam suatu reaksi, partikel-partikel akan selalu bergerak. Suhu yang dinaikan akan menyebabkan energi gerak atau energi kinetik partikel menjadi semakin cepat, sehingga tumbukan akan lebih sering terjadi. Melalui frekuensi tumbukan yang semakin besar, maka semakin besar pula tumbukan efektif yang mampu dihasilkan oleh suatu reaksi. Suhu atau temperatur juga dapat memperbesar energi potensial suatu zat. Zat-zat dengan energi potensial kecil, jika bertumbukan maka akan sulit menghasilkan tumbukan yang efektif. Hal ini disebebkan karena zat-zat tersebut tidak mampu melampaui energi aktivasi. Namun dengan menaikkan suhu maka energi potensial akan semakin besar, sehingga ketika saling bertumbukan akan menghasilkan reaksi. Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar berikut.

Perbandingan gerak partikel pada suhu tinggi dan rendah/Dokpri

• Katalis

Katalis merupakan suatu zat yang dapat mempengaruhi laju reaksi, tanpa dirinya mengalami perubahan yang kekal. Dengan kata lain, setelah reaksi selesai maka katalis akan diperoleh kembali dalam jumlah yang sama. Katalis yang dapat mempercepat laju reaksi disebut dengan katalis positif atau katalisator, sedangkan katalis yang dapat memperlambat laju reaksi disebut katalis negatif atau inhibitor. Berdasarkan wujud atau fasanya, katalis dibedakan menjadi dua yaitu katalis homogen dan katalis heterogen. Disebut sebagai katalis homogen apabila wujud atau fasanya sama dengan fasa zat pereaksinya, sedangkan disebut sebagai katalis heterogen apabila wujud atau fasanya berbeda dengan zat pereaksinya. Katalis dapat mempercepat laju reaksi karena katalis telah menyediakan jalur alternatif reaksi dengan energi aktivasi yang lebih rendah dibandingkan dengan jalur reaksi tanpa katalis, sehingga reaksi menjadi semakin cepat. Perhatikan gambar berikut.

Perbandingan Besarnya Energi Potensial Reaksi tanpa dan dengan/Dokpri

Rendahnya energi aktivasi akibat dari penggunaan katalis dapat menyebabkan reaksi berlangsung lebih cepat. Hal ini disebabkan karena zat-zat yang bereaksi akan lebih mudah melampaui energi aktivasi.

Makna Orde Reaksi

Besarnya pengaruh konsentrasi pereaksi pada laju reaksi disebut dengan orde reaksi. Orde reaksi pada umumnya diperoleh dalam persamaan reaksi kimia yaitu sebagai berikut.

• Reaksi Orde Nol

Reaksi mempunyai orde nol, apabila laju reaksinya tidak dipengaruhi oleh konsentrasinya. Artinya, sebanyak apapun peningkatan konsentrasi pereaksi maka tidak akan mempengaruhi besarnya laju reaksi. Berikut merupakan grafik reaksi orde nol.

Dokpri

• Reaksi Orde Satu

Reaksi mempunyai orde satu, apabila besarnya laju reaksi sebanding dengan besarnya konsentrasi pereaksi. Artinya, apabila konsentrasi pereaksi dinaikkan dua kali semula, maka laju reaksinya juga akan meningkat sebanyak 2 kali semula. Berikut merupakan grafik reaksi orde satu.

Dokpri

• Reaksi Orde Dua

Reaksi orde dua, apabila besarnya laju reaksinya merupakan pangkat dua dari peningkatan konsentrasi pereaksinya. Artinya, apabila konsentrasi pereaksi dinaikkan 2 kali semula, maka laju reaksinya meningkat 4 kali semula, dan seterusnya. Berikut merupakan grafik reaksi orde dua.

Dokpri

• Reaksi Orde Negatif

Reaksi orde negatif, apabila besarnya laju reaksi berbanding terbalik dengan konsentrasi pereaksi.

Penerapan Laju Reaksi

Laju reaksi banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari, contohnya pada proses industri seperti proses pembuatan ammonia sebagai bahan pembuatan pupuk urea, bahan dasar pembuatan asam nitrat dan bahan peledak. Pembuatan amoniak dilakukan melalui proses Haber-Bosh yang melibatkan faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi dalam proses pembuatannya. Penerapan laju reaksi pada proses pembuatan ammonia bertujuan untuk mengontrol jalannya reaksi kimia agar diperoleh hasil/produk yang maksimum dengan waktu yang lebih cepat.

• Pembuatan Ammonia (NH3) melalui Proses Haber-Bosch

Pembuatan ammonia pada awalnya dilakukan dengan sintesis langsung dari gas hidrogen (H2) dan gas nitrogen (N2). Namun sintesis tersebut menghasilkan ammonia dalam jumlah yang sedikit, sehingga dikenal proses pembuatan ammonia dalam jumlah besar yang disebut Proses Haber-Bosch. Berikut ini adalah reaksi kesetimbangan dari proses pembuatan ammonia.

Dokpri

Pada reaksi tersebut, gas hidrogen diperoleh dari reaksi antara gas alam dan gas metana dengan uap air, sedangkan gas nitrogen diperoleh dari hasil penyulingan udara.

Berikut merupakan tahap-tahap dalam proses pembuatan ammonia

1. Gas hidrogen dan gas nitrogen dimasukkan ke dalam bejana sehingga menghasilkan gas ammonia.

2. Campuran gas yang dihasilkan didinginkan, diubah menjadi cair dan dipisahkan.

3. Gas ammonia yang dihasilkan diambil terus menerus, sedangkan gas hidrogen dan gas nitrogen yang tidak bereaksi dikembalikan ke bejana melalui compressor untuk diproses kembali.  

Untuk memperoduksi gas ammonia agar proses pembuatan berlangsung efektif dan efisien serta tidak membutuhkan biaya yang mahal perlu diperhatikan faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi.

• Suhu

Reaksi pembentukan ammonia bersifat eksoterm, sehingga seharusnya dilakukan pada suhu rendah agar gas NH3 yang dihasilkan semakin banyak. Namun laju reaksi yang berjalan pada suhu rendah berjalan terlalu lambat sehingga proses produksi tidak menjadi efektif dan efisien. Dengan demikian proses pembentukan ammonia dilakukan pada suhu optimum yaitu 400-4500C sehingga dihasilkan produk 10-20%.

• Katalis

Katalis yang digunakan dalam proses pembuatan ammonia adalah katalis serbuk besi yang akan mempercepat laju reaksi.