Soal dan Pembahasan Pergeseran Kesetimbangan Secara Kuantitatif

Materi: kimia
Soal #1:
Untuk reaksi berikut ini: A(g) + B(g) ⇌ C(g) + D(g), dalam wadah 1 liter konsentrasi gas-gas ini dalam campuran kesetimbangan adalah: [A] = 0,5 M, [B] = 4,0 M, [C] = 6,0 M, dan [D] = 8,0 M. Berapa mol D harus ditambahkan ke dalam campuran ini untuk mencapai konsentrasi A = 1,0 M?

A. 12,10 mol
B. 10,56 mol
C. 8,034mol
D. 0,50 mol
E. 0,034 mol

Pembahasan soal #1:
Data awal dari soal yang diketahui dapat digunakan menentukan nilai K_c:
\begin{align*}K_c &= \dfrac{[C][D]}{[A][B]}\\
K_c &= \dfrac{(6)(8)}{(0,5)(4)}\\
 &= \dfrac{48}{2}\\
 &= 24\end{align*}
Pada soal ini zat A di ruas kiri jumlahnya bertambah (kesetimbangan mula-mula 0,5 M, kesetimbangan baru menjadi 1 M atau 1 mol/liter) akibat penambahan zat D di ruas kanan sebanyak x. Guna mempertahankan kesetimbangan dalam sistem tersebut (secara kuantitatif K_c tetap), zat D dalam sistem akan “mengurangi diri” sesuai perbandingan koefisien setara. Dengan kata lain reaksi bergeser ke kiri, jumlah zat di kiri bertambah dan jumlah zat di kanan berkurang setelah ditambahi konsentrasinya.

Sesuai azas Le Chatelier bahwa ketika kesetimbangan diganggu, misalnya dengan mengubah konsentrasi, maka sistem kesetimbangan tersebut akan mengurangi gangguan dengan berubah menjadi zat lain untuk mempertahankan kesetimbangannya semula atau membentuk kesetimbangan baru.



Zat A mula-mula 0,5 mol (di soal tertulis 0,5 M dengan volume 1 liter), setelah di ditambah sejumlah x maka zat A menjadi 1 mol. Ini berarti zat A mengalami penambahan sebanyak 0,5 mol (mula-mula 0,5 mol menjadi 1 mol). Karena koefisien B sama dengan A dan keduanya juga di ruas kiri, maka B juga mengalami penambahan sebanyak 0,5 mol. Sementara itu C dan D mengalami pengurangan masing-masing sebanyak 0,5 mol. Ingat perbandingan koefisien setara A, B, C, D = 1 : 1 : 1 : 1.

Setelah penambahan zat D maka diperoleh persamaan seperti dalam tabel berikut.


K_c dalam suatu sistem kesetimbangan tidak berubah selama volume dan temperatur tidak berubah.
Dengan memanfaatkan K_c dari keadaan kesetimbangan awal dapat ditentukan nilai x (jumlah D yang harus ditambahkan itu)
\begin{align*}
K_c &= \dfrac{[C][D]}{[A][B]}\\
24 &= \dfrac{(5,5)(7,5+x)}{(1)(4,5)}\\
24(1)(4,5) &= (5,5)(7,5+x)\\
108 &= 41,25 + 5,5 x\\
5,5 x &= 108 – 41,25\\
5,5 x &= 66,75\\
x &= \dfrac{66,75}{5,5}\\
x &= 12,14 mol
\end{align*}

---

Soal #2:
Dalam suatu wadah tertutup terdapat kesetimbangan 0,30 mol N₂, 0,40 mol H₂, dan 0,1 mol NH₃. Jika suhu dipertahankan (tetap) berapa mol H₂ yang harus ditambahkan ke dalam wadah tersebut agar konsentrasi NH₃ pada kesetimbangan tersebut menjadi 2 kali lipat dari jumlah semula?

Penyelesaian Soal #2:
Hitung nilai K_c sistem kesetimbangan tersebut
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
K_c = [NH₃]² / ( [N₂] [H₂]³ )
K_c = (0,100)² / [ (0,300) (0,400)³ ]
K_c = 0,52

Buat pernyataan K_c baru dengan [NH₃] = 0,20. Gunakan perbandingan stoikiometri untuk mendapatkan [N₂] ketika [NH₃] menjadi 2 kali lipat dari semula.

Reaksi	N2	+	3H2	⇌	2NH3
Awal	0,30		0,40 + x		0,10
Bereaksi	–0,05		–0,15		+0,10
Kesetimbangan	0,25		0,25 + x		0,20

Pada saat setimbang N₂ = 0,25 mol karena 0,05 mol N₂ diperlukan untuk menaikkan jumlah NH₃ sebanyak 0,10 agar menjadi 0,20 (dua kali lipat dari jumlah semula) dan dimisalkan H₂ = x maka,
K_c = [NH₃]² / ( [N₂] [H₂]³ )
0,52 = (0,20)² /{(0,25) (0,25 + x)³}
0,52 × 0,25 × (0,25 + x)³ = 0,04
0,13 × (0,25 + x)³ = 0,04
(0,25 + x)³ = 0,04/0,13
(0,25 + x) (0,25 + x) (0,25 + x) = 0,308
x³ + 3x².0,25 + 3x.0,25² + 0,25³ = 0,308
x³ + 0,75x² + 0,1875x + 0,015625 - 0,308 = 0
x³ + 0,75x² + 0,1875x – 0,292375 = 0
x = 0,425 M atau 0,425 mol

Alternatif penyelesaian untuk jumlah H₂ yang ditambahkan boleh ditempuh dengan cara berikut.
Dimisalkan x = jumlah H₂ yang ditambahkan, dan y = jumlah H₂ saat setimbang.

Reaksi	N2	+	3H2	⇌	2NH3
Awal	0,30		0,40 + x		0,10
Bereaksi	–0,05		–0,15		+0,10
Kesetimbangan	0,25		y		0,20

K_c = [NH₃]² / ( [N₂] [H₂]³ )
0,52 = (0,20)² /{(0,25) (y)³}
0,52 × 0,25 × y³ = 0,04
0,13 × y³ = 0,04
y³ = 0,04/0,13
y³ = 0,308
y = 0,675

y = 0,40 + x – 0,15
0,675 = 0,25 + x
x = 0,675 – 0,25
x = 0,425 mol

---