DINAMIKA REAKSI MOLEKUL
Ilham Fatkhulhimam
0906638080
Lauditta Indahdewi
1006703976
Muhammad Rizaldi Hadzami
1006704101
Nur Andriyani Permatasari
1006704133
Paulus Andryanto Pane
1006704152
Sri Nurwulan
1006704285
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia 2012
Kata Pengantar
Segala puji dan syukur kepada Allah SWT, atas rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis masih diberi kesehatan dan kesempatan untuk menyusun makalah tentang dinamika reaksi molekul ini. Makalah ini dibuat untuk memahami secara lebih mendalam tentang dinamika reaksi molekul dan pengaruhnya, sehingga penulis dan juga pembaca dapat memahami apa yang terjadi pada molekul saat klimaks reaksi berlangsung. Makalah dinamika reaksi molekul ini disusun dari berbagai sumber, baik dari buku maupun dari artikel – artikel guna memperjelas lagi materi yang bersangkutan. Makalah ini berisi tentang uraian – uraian yang berhubungan dengan dinamika reaksi molekul serta hal-hal yang mempengaruhinya. Semoga makalah ini bermanfaat bagi yang semua pihak. Terwujudnya makalah ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak yang telah mendorong dan membimbing penulis, baik ide-ide maupun pemikiran. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Dr. Helmiyati M.Si, selaku dosen mata kuliah Kinetika dan Mekanisme Reaksi yang telah memberikan berbagai informasi terkait pembuatan makalah. 2. Teman-teman penulis yang telah mendukung baik mental maupun materi sehingga karya tulis ini dapat terselesaikan. Semoga segala bantuan yang tidak ternilai harganya ini mendapat imbalan di sisi Allah SWT sebagai amal ibadah, Amin. Penulis merasa makalah yang dibuat ini jauh dari kesempurnaan karena didalamnya masih terdapat banyak kesalahan dan kekurangan karena penulis masih dalam tahap pembelajaran, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran bagi pembaca demi kesempurnaan dalam penyusunan makalah ini.
Penulis,
Mei 2012
Daftar Isi Kata Pengantar
i
Daftar Isi
ii
Bab I Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Perumusan Masalah
2
1.3 Tujuan Penulisan 1.4 Manfaat Penulisan 1.5 Metode Penelitian 1.6 Sistematika Penulisan Bab II Isi
2.1 Teori tumbukan
3
2.2 Reaksi terkontrol oleh difusi
4
2.3 Persamaan keseimbangan material
7
2.4 Koordinat reaksi dan keadaam transisi
8
2.5 Persamaan Eyring
9
2.6 Aspek termodinamika
12
2.7 Permukaan energi potensial Bab III Penutup
3.1 Kesimpulan 3.2 Referensi Lampiran
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam makalah ini akan dibahas mengenai dinamika molekul. Sebagaimana kita ketahui bahwa molekul merupakan jantung dalam ilmu kimia yaitu bahan utama yang di pelajari dalam ilmu kimia. Molekul merupakan suatu benda yang merupakan konsep dasar yang di pelajari dalam kimia. Sehingga pada makalah ini akan dijelaskan secara rinci tentang apa yang dapat terjadi pada molekul pada saat klimaks reaksi (keadaan yang mana akan mulai membentuk produk dalam suatu reaksi). Ketika terjadi suatu reaksi molekul akan mengalami perubahan struktur secara besar-besaran dan perubahan energi yang besar sebesar energi disosiasi distribusi ulang di antara ikatan-ikatan molekul tersebut. Ikatan molekul lama akan terbuka dan terbentuk ikatan molekul yang baru dengan struktur yang berbeda. Dinamika reaksi molekul akan membahas dua pendekatan dasar untuk menghitung laju reaksi. Keduanya berdasarkan pandangan bahwa molekul reaktan harus saling bertumbukan, dan reaksi hanya akan terjadi jika reaktan mempunyai energi minimum tertentu. Dalam teori tumbukan, produk hanya terbentuk jika tumbukan cukup berenegi. Jika tumbukan tidak cukup berenergi, maka molekul-molekul reaktan yang bertumbukan akan memisah kembali. Dalam perhitungan kostanta laju reaksi pada reaksi yang terjadi pada molekul sangat sulit dilakukan. Namun segi umum untuk kostanta laju reaksi dapat di tentukan dengan cukup mudah dan kerumitan dapat timbul jika kita memepelajari lebih dalam lagi tentang dinamika molekul saat bereaksi. Dalam penentuan kostanta laju molekul dapat dilakukan dengan 3 tahap prosesnya yaitu pertemuan reaktif, teori kompleks kereaktifkan, dan dinamika tabrakan molekul. Dengan menggunakan tiga proses tersebut dapat di tentukan kostanta laju reaksi bimolekuler dasar.
1.2 Perumusan Masalah
1. Apa yang terjadi pada molekul saat klimaks reaksi? 2. Bagaimana cara perhitungan konstanta laju?
1.3 Tujuan Penulisan
1. Mempelajari keadaan molekul pada saat klimaks reaksi 2. Mengetahui perhitungan konstanta laju dengan menggunakan pendekatan
1.4 Manfaat Penulisan
Laporan akhir ini adalah awal langkah penulis untuk mendapatkan ilmu pengetahuan. Melalui laporan akhir penulis mengharapkan adanya perkembangan ilmu agar masyarakat lebih memahami materi yang disampaikan. 1.5 Metode Penelitian
Penelitian ini mengenai dinamika reaksi molekul membutuhkan suatu kajian yang mendalam mengenai informasi yang diperoleh. Untuk itu, penulis menggunakan metode yang diperoleh melalui studi pustaka. Mencari berbagai data di internet dan beberapa sumber buku referensi.
1.6 Sistematika Penulisan
Makalah ini terdiri dari tiga bab. Bab I adalah bab pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah yang akan dibahas, perumusan masalah, tujuan penulisan, manfaat, metode penelitian yang digunakan, dan sistematika penulisan. Bab II adalah bagian isi yang berisi pembahasan mengenai teori tumbukan, reaksi terkontrol oleh difusi, persamaan keseimbangan material, koordinat reaksi dan keadaan transisi, persamaan Eyring, aspek termodinamika, dan permuakaan energi potensial. Terakhir, Bab III adalah bagian kesimpulan dan referensi.
BAB II ISI 2.1 Teori Tumbukan
Reaksi bimolekul sederhana A+B→P
v = k [A][B]
Bertujuan untuk menghitung konstanta laju orde kedua (k). Berdasarkan teori tumbukan, laju perubahan jumlah molekul A per satuan volume per satuan waktu adalah hasil kali rapatan tumbukan dengan peluang terjadinya tumbukan.
Rapatan tumbukan dapat dituliskan,
( ) penampang lintang tumbukan adalah,
sedangkan massa tereduksi ditulis sebagai berikut,
() sehingga, konstanta laju orde kedua adalah,
( )
Syarat Ruang
Terkadang terdapat ketidaksesuaian antara eksperimen dengan teori, oleh karena itu menggantikan σ dengan penampang lintang reaktif σ*, dimana σ* adalah penampang lintang dikali dengan faktor ruang. σ* = σ P. Maka, kontanta laju menjadi:
( ) ( ) 2.2 Reaksi Terkontrol oleh Difusi
Pertemuan antara reaktan dalam larutan: 1. Frekuensi pertemuannya lebih banyak, karena partikel harus berdesak-desakan melalui pelarut. 2. Karena partikel bergerak lambat, maka pertemuan dua molekul akan berdekatan lebih lama. Sehingga dapat mengumpulkan cukup energi untuk bereaksi 3. Energi pengaktifan reaksi, merupakan kuantitas yang jauh lebih rumit, karena pasangan yang bertemu itu dikelilingi oleh pelarut. Penggolongan reaksi
Jika pasangan pertemuan AB merupakan orde kedua terhadap reaktan A dan B:
ditentukan oleh sifat khas difusi. Jika mengandaikan bahwa ini merupakan orde pseudo-
pertama, maka:
Sehingga dapat mencari konsentrasi keadaan tunak AB
}
Karena
sehingga koefisien laju efektif adalah:
Laju reaksi ditentukan oleh laju difusi partikel reaktan melalui medium. Karena penggabungan radikal berkaitan dengan energi pengaktifan yang sangat kecil, maka reaksi penggabungan ulang radikal dan atom sering kali terkontrol oleh difusi. Reaksi terkontrol oleh pengaktifan akan timbul jika energi pengaktifan cukup besar. Maka
dan
K adalah konstanta keseimbangan. Aliran total permukaan dengan luas
, adalah kuantitas molekul B er satuan waktu yang melawati suatu
adalah:
Berdasarkan persamaan Fick:
∫ ∫
adalah konsentrasi molar molekul B dan
adalah konstanta difusi dalam medium. Maka:
Pada suatu jarak kritis R*, terjadi reaksi, dan B musnah. Maka jarak kritis pendekatan menunjukkan jika r=R*,
. Maka akan diperoleh:
Laju reaksi terkontrol oleh difusi sama dengan aliran rata-rata molekul B pada semua molekul A dalam sampel. Jika jumlah molekul A dalam sampel dengan volume
sehingga aliran total adalah koefisien difusi maka
adalah
,
. Dengan mengganti D B dengan jumlah
. laju perubahan konstrasi A B adalah:
Maka akan didapat konstanta laju terkontrol oleh difusi:
Hubungan konstanta difusi dengan radius hidrodinamik masing-masing molekul R A dan RB
dalam medium dengan viskositas
Apabila dituliskan R A = RB =
, menghasilkan:
Konstanta laju tidak bergantung pada identitas reaktam, dan hanya bergantung pada temperatur dan viskositas pelarut.
2.3 Persamaan Keseimbangan Material
Keseimbangan material merupakan suatu kesetimbangan di dalam suatu reaktor kimia atau suatu sel biologis, Di mana material-material kimia akan mengalami difusi dan konveksi sehingga komponen tersebut akan mencapai suatu keadaan setimbang di dalam reacktor atau tempatnya berada. Kesetimbangan kimia ini biasanya keseimbangan konsentrasi dari komponen-komponennya. Perumusan Persamaan
Didalam keseimbangan material dalam suatu reactor kimia sangat di pengaruhi jika material atau komponen berdifusi, berkonfeksi dan juga komponen akan bertumbukan sehingga mengalami reaksi kimia. Maka perubahan total molekul suatu zat dalam reaktor kimia (J) adalah
Perubahan jumlah molekul J dalam volume = Jumlah molekul yang masuk - Jumlah molekul yang keluar + Jumlah molekul yang terbentuk dari hasil reaksi - Jumlah molekul yang di pakai untuk bereaksi. Laju perubahan kosentrasi merupakan ungkapan dari volume (jumlah molekul) per waktu di berikan kepada molekul. Sehinnga laju perubahan konsentrasi dari molekul akan memiliki persamaan dengan menggabungkan laju difusi, konveksi dan laju perubahan jumlah molekul karena reaksi kimia. Maka persamaan keseimbangan material untuk orde pertama adalah :
Dimana D adalah kecepatan difusi, ⱴ merupakan kecepatan konveksi dan K adalah kostanta laju reaksi yang terjadi. Persamaan ini jika material atau komponen mengalami difusi, konveksi dan reaksi kimia antar molekul yang di sebabkan oleh adanya tunbukan molekul yang terjadi dalam suatu reactor kimia contoh molekul gas O 2 pada sel biologis manusia yang mengalami difusi, konveksi serta reaksi kimia. Namun jika molekul atau material dalam reactor kimia tersebut tidak mengalami gerak konveksi maka persamaanya akan berubah. Persamaan keseimbangan material sendiri merupakan persamaan turunan parsia orde kedua. Persamaanya tandapa tidak ada gerak konveksi oleh molekul :
Maka laju perubahan konsentrasi kimia tersebut tidak di pengaruhi oleh gerak konveksi dari material tersebut. Teori Kompleks Teraktifan
Kompleks teraktifan meruapakan keadaan dimana energy potensial dari 2 reaktan yang mengalami reaksi naik sampai tingkat maksimum dan kumpulan atom tersebut berada dalam keadaan maksimum tersebut. Teori kompleks kereaktifan (ACT) merupakan suatu metode untuk menunjukan hal utama yang menentukan ukuran kostanta laju reaksi yang sesuai dengan model kejadian yang berlangsung selama reaksi. Metode ini mempunyai keuntungan yaitu kuantitas yang bersamgkutan dengan factor ruang , muncul secara otomatis.
2.4 Koordinat Reaksi dan Keadaan Transisi
Reaksi antara reaktan A dan reaktan B akan memiliki energy potensial yang harus di penuhi agar reakan A dan reaktan B dapat bertumbukan dan mengalami reaksi kimia.
E = Energi potensial / energy aktivasi Kp = Bentuk transisi Pada kurva sumbu horizontal menggambarkan jalanya peristiwa reaksi individual (tumbukan biomolekul dalam reaksi gas) ini merupakan yang di sebut dengan koordinat reaksi. Pada mulanya hanya terdapat reaktan A dan B. Saat peristiwa reaksi di mulai terjadilah tumbukan antara A dan B. Bersentuhan mengalami distorsi molekul dan mempertukarkan electron atau atom. Energi potensial pun naik mendekati nilai maksimum dalam reaksi tersebut. Sampai pada titik maksimum dari naik naiknya energy potensial tersebut merupakan klimaks dari reaksi. Karena kedua molekul reaktan telah mencapai suatau derajat kedeketan dan distorsi yang apabila di lanjutkan lagi terbentuk produk hasil reakasi. Keadaan kritis inilah yang di sebut dengan k eadaan transisi. Untuk memahami lebih lanjut tentang keadaan transisi dari suatu reaksi maka dapat di ilustrasika sebagai berikut ini:
Pada reaksi di atas terjadi pemutusan ikatan A-A dan B-B dan pembentukan ikatan baru pada A-B dengan penggambaran reaksi dan keadaan transisi sebagai berikut:
2.5 Persamaan Eyring
adalah tetapan kesetimbangan (dengan dimensi 1/konsentrasi) , maka
Laju Pengurangan Kompleks Teraktifkan
dengan K merupakan koefisien transisi. Pada banyak kasus
Konsentrasi Kompleks Teraktifkan
menyatakan tekanan parsial menghasilkan :
dalam konsentrasi, dengan menggunakan
,
Untuk menghitung konstanta kesetimbangan Kp :
dengan
merupakan pemisahan energi (molar) antara tingkat titik nol C* dengan A + B :
Fungsi partisi untuk vibrasi yaitu :
̅
̅
adalah fungsi partisi untuk semua vibrasi lain dalam kompleks itu. Maka koefisien K* adalah :
dengan
̅ adalah konstanta kesetimbangan, tetapi dengan membuang satu vibrasi C*.
Konstanta Laju
kemudian diperoleh persamaan Eyring :
Tumbukan Partikel Tak Berstruktur
Dua partikel fasa gas tak berstruktur A dan B yang bertumbukan menghasilkan kompleks teraktifkan menyerupai molekul diatom, karena reaktan itu merupakan ‘atom’ tak berstruktur, maka satu-satunya kontribusi pada fungsi partisinya adalah keadaan translasi
dengan :
Kompleks teraktifkan merupakan kumpulan diatom dengan masaa m C = m A + mB dan momen inersia I. Kompleks mempunyai cara vibrasi, tetapi sesuai dengan gerakan sepanjang
̅
garis koordinat reaksi sehingga tidak muncul dalam
. Fungsi molar kompleks teraktifkan itu
adalah :
̅ ( ) ( ) 2
karena momen inersia molekul diatom dengan panjang ikatan R adalah μR , dengan m merupakan massa tereduksi, maka setelah perhitungan didapat :
( )
Dan menyatakan penampang lintang reaktif :
2.6 Aspek Termodinamika 2.7 Permukaan Energi Potensial
Permukaan energi potensial yaitu energi potensial sebagai fungsi dari posisi relatif semua atom yang ikut serta dalam reaksi. Perhitungan terinci menunjukan bahwa pendekatan atom di sepanjang sumbu H-H memerlukan energi untuk reaksi yang lebih kecil daripada pendekatan lain. Untuk menentukan pemisahan inti, diperlukan dua parameter: pemisahan HA-HB adalah R AB dan pemisahan H B-HC adalah R BC. Gerakan melalui Permukaan
Hubungan antara permukaan dan konstanta laju adalah setiap tumbukan individual dapat dibayangkan sebagai sebuah lintasan pada permukaan energi potensial. Berdasarkan eksperimen, yang mempengaruhi adalah:
Arah penyerangan dan pemisahan
Permukaan menarik dan menolak
Lintasan klasik
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Dinamika reaksi molekul mempelajari perubahan yang terjadi pada molekul pada klimaks reaksi. Terjadi perubahan struktur besar-besaran dan energi sebesar energi disosiasi didistribusi ulang di antara ikatan. Ada dua pendekatan dasar untuk menghitung laju reaksi, teori tumbukan dan kompleks teraktifkan. 3.2 Referensi
Atkins. 1999. Kimia Fisika Ed. 4 . Jakarta: Erlangga Sitorus, Marham. 2008. Kimia Organik Fisik . Yogyakarta: Graha Ilmu
LAMPIRAN 27.7 (a) Hitung konstanta laju terkontrol oleh difusi pada 298 K untuk rekombinasi dari 2
atom dalam air, dimana η = 0,89 cP. Asumsikan bahwa konsentrasi reaksinya adalah -3
10
mol/L. Berapa waktu yang dibutuhkan agar konsentrasinya menjadi
setengahnya? Dik :
2
[A] = [B]
v = k [A]
T = 298 K -3
η = 0,89 cP = 0,89 x 10 kg/ m s -3
[A] = 10 mol/L Dit:
k d dan t1/2 ?
Jawab:
η
6
3
= 7,4 x 10 m /mol s 9
= 7,4 x 10 L/mol s
-7
= 1,35 x 10 s 27.7 (b) Hitunglah besar laju difusi terkontrol konstan pada 298K untuk kombinasi 2 atom di
benzena, dimana η= 0,601 cP. Asumsikan konsentrasi spesi yang bereaksi adalah 1,8 -3
x 10 mol/L. Mula-mula berapa lama untuk konsentrasi berubah menjadi setengahnya? Asumsikan reaksi adalah reaksi dasar. Dik :
2
[A] = [B]
v = k [A]
T = 298 K -3
η = 0,601 cP = 0,601 x 10 kg/ m s -3
[A] = 1,8 x 10 mol/L
Dit:
k d dan t1/2 ?
Jawab:
7
3
= 1,10 x 10 m /mol S = 1,10 x 10 V
10
3
dm /mol S
= Kd [A] [B] dengan [A] = [B]
-8
= 5,05 x 10 S
