BAB VIII

ENERGI AKTIVASI DAN PERSAMAAN TETAPAN

ARRHENIUS

8.1. Tujuan Percobaan

1. Menentukan bagaimana ketergantungan laju reaksi terhadap suhu.

2. Menghitung energi aktivasi (Ea) dengan menggunakan persamaan

Arrhenius.

8.2. Tinjauan Pustaka

Dalam kimia, Energi aktivasi juga dinamakan energi permulaan, dalam

bentuk ini diperkenalkan pada tahun 1889 oleh Svante Arrhenius yang

didefinisikan bahwa energi bisa menanggulangi untuk reaksi kimia yang terjadi.

Energi aktivasi sebaliknya bisa dinotasikan sebagai energi minimum yang

dibuthkan untuk reaksi kimia spesifik yang terjadi. Reaksi energi aktivasi

biasanya dinotasikan dalam Ea, dan diberikan dalam satuan kilojoule per mole.

Biasanya dapat menganggap salah satunya energi aktivasi sebagai ketinggian

rintangan potensial (kadang-kadang dinamakan energi rintangan) memisahkan

dua energi potensial (reaktan dan reaksi produk). Untuk reaksi kimia mempunyai

laju nyata, sebaiknya sejumlah molekul nyata dengan energi sama atau lebih besar

daripada energi aktivasi.

(http://id.wikipedia.org/wiki/Energi aktivasi, 31 Mei 2009, 19:26)

Tetapan laju bergantung pada suhu dan energi aktivasi seperti yang

ditunjukkan oleh persamaan Arrhenius. Persamaan laju dari suatu reaksi antara

dua senyawa A dan B ditulis seperti dibawah ini:

Dimana, k = rate constant

A, B = concentrations (mol dm-3)

a = order of reaction with respect to A

b = order of reaction with respect to B

Persamaan laju menunjukkan pengaruh dari perubahan konsentrasi reaktan

terhadap laju reaksi. Seluruh faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi seperti

suhu dan katalis termasuk didalamnya tetapan laju, dimana sebenarnya tetap bila

kita hanya mengubah konsentrasi dari reaktan. Ketika kita mengubah suhu

maupun katalis, sebagai contoh, tetapan laju akan berubah. Perubahan

ini

digambarkan secara matematis oleh persamaan Arrhenius :

Keterangan:

- Temperatur atau suhu (T)

Agar berlaku dalam persamaan, suhu harus diukur dalam kelvin (K).

- Konstanta atau tetapan gas (R)

Tetapan ini terbentuk dari persamaan P V = n R T, yang berhubungan

dengan tekanan, volume dan suhu dalam jumlah tertentu dari mol gas.

- Energi aktivasi (Ea)

Merupakan energi minimum yang diperlukan bagi reaksi untuk berlangsung.

Agar berlangsung dalam persamaan, kita harus mengubahnya menjadi satuan

Joule per mol, bukan kJ mol-1.

- Eksponen (e)

Harga dari satuan ini adalah 2,71828 dan ini merupakan satuan matematis

seperti layaknya phi (π).

- Ekspresi (e )

Ekspresi ini menghitung fraksi dari molekul yang berada dalam keadaan gas

dimana memiliki energi yang sama atau lebih dari energi aktivasi pada suhu

tertentu.

- Faktor frekuensi (A)

Kita juga dapat menyebut ini sebagai faktor pre-eksponensial atau faktor

sterik. Merupakan istilah yang meliputi faktor seperti frekuensi tumbukan dan

orientasinya. A sangat bervariasi bergantung pada suhu walau hanya sedikit.

A sering diangap sebagai konstanta pada jarak perbedaan suhu yang kecil.

Persamaan Arrhenius dapat dikalikan kedua sisinya dengan “ln” sehingga

menjadi persamaan:

Ln k = ln A -

Faktor-faktor yang mempengaruhi Energi aktivasi (Ea):

1. Suhu

Kita dapat menggunakan persamaan Arrhenius untuk menggambarkan

pengaruh dari perubahan suhu pada tetapan reaksi dan tentunya laju reaksi.

Jika misalkan tetapan laju berlipat ganda, maka juga laju reaksi akan berlipat

ganda juga. Fraksi molekul-molekul mampu untuk bereaksi dua kali lipat

dengan peningkatan suhu sebesar 10ºC. Hal ini menyebabkan laju reaksi

hampir menjadi berlipat ganda.

2. Faktor frekuensi (A)

Dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk perubahan suhu yang kecil.

Kita perlu melihat bagaimana perubahan e atau energi dari fraksi

molekul sama atau lebih dengan aktivasi energi.

3. Katalis

Katalis akan menyediakan rute agar reaksi berlangsung dengan energi

aktivasi yang lebih rendah.

(www.chem-is-try-org, 31 Mei 2009, 19:56)

Suatu reaksi yang terjadi pada molekul-molekul akan mengalami perubahan

kimia dimana perubahan tersebut molekul akan bertabrakan atau bertumbukan

secara acak. Tetapi untuk banyak reaksi eksoterm pada temperatur kamar

kebanyakan molekul sekedar terpental setelah bertabrakan tanpa reaksi. Dalam

suatu sistem kimia molekul-molekul tidak dapat bereaksi kecuali jika mereka

cukup memiliki energi untuk membentuk keadaan transisi. Energi yang

ditambahkan yang harus dipunyai oleh zat-zat yang bereaksi untuk membentuk

kompleks teraktifkan disebut energi pengaktifan (Ea).

(Keenan, Kimia Untuk Universitas, hal. 519)

Salah satu faktor yang mempengaruhi tumbukan adalah temperatur, dengan

naiknya temperatur, maka laju reaksi kimia semakin bertambah. Biasanya

kenaikan sebesar 10ºC akan melipatkan dua atau laju suatu reaksi antara molekul-

molekul. Kenaikan laju reaksi ini dapat diterangkan sebagian sebagai lebih

cepatnya molekul-molekul bergerak pada temperatur yang lebih tinggi dan makin

seringnya molekul-molekul tersebut bertabrakan satu sama lain. Pada temperatur

yang dinaikkan maka presentase tabrakan yang mengakibatkan reaksi kimia akan

lebih besar karena memiliki banyak molekul yang memiliki kecepatan lebih besar

dan karena memiliki energi yang cukup untuk bereaksi.

(Keenan, Kimia Untuk Universitas, hal. 521)

Umumnya reaksi menjadi lebih cepat bila dipanaskan, jadi harga k semakin

besar. Hanya reaksi:

2 NO + O2 2 NO2

Yang mempunyai koefisien temperatur negatif.

Menurut Arrhenius, pengaruh temperatur terhadap k dapat dinyatakan

sebagai berikut:

=

(persamaan Arrhenius)

= tenaga aktivasi

( Soekarjo, Kimia Fisika, hal : 342-343)

Laju atau kecepatan reaksi adalah perubahan konsentrasi pereaksi ataupun

produk dalam satu satuan waktu. Laju suatu reaksi dapat dinyatakan sebagai laju

berkurangnya konsentrasi suatu pereaksi, atau laju bertambahnya konsentrasi

suatu produk.

(Keenan, Kimia Untuk Universitas, hal. 516)

Konstanta laju reaksi didefinisikan sebagai laju reaksi bila konsentrasi dai

masing-masing jenis adalah satu. Satuannya tergantung pada orde reaksi.

(Dogra. Kimia Fisika dan Soal-soal. Hal. 623)

Faktor - faktor yang mempengaruhi laju reaksi:

1. Sifat dasar pereaksi.

Zat-zat berbeda secara nyata, dalam lajunya mereka mengalami perubahan

kimia. Molekul hidrogen dan flour bereaksi secara meledak, bahkan pada

temperatur kamar, dengan menghasilkan molekul hidrogen flourida.

H2 + F2 2HF (sangat cepat pada temperatur kamar)

Pada kondisi serupa, molekul hidrogen dan oksigen bereaksi begitu lambat,

sehinga ttidak nampak suatu perubahan kimia:

2H2 + O2 2H2O (sangat lambat pada temperatur kamar).

2. Temperatur

Laju suatu reaksi kimia bertambah dengan naiknya temperatur. Biasanya

kenaikan sebesar 10 C akan melipatkan dua atau tiga laju suatu reaksi antara

molekul-molekul. Kenaikan laju reaksi ini dapat diterangkan sebagian

sebagai lebih cepatnya molekul-molekul bergerak kian-kemari pada

temperature yang lebih tinggi dan karenanya bertabrakan satu sama lain lebih

sering.

3. Katalis

Sebuah katalis adalah suatu zat yang meningkatkan kecepatan suatu reaksi

kimia tanpa dirinya mengalami perubahan kimia yang permanen. Proses ini

disebut katalisis.

Suatu katalis diduga mempengaruhi kecepatan reaksi dengan salah satu jalan:

a. dengan pembentukkan senyawa antara (katalis homogen)

b. dengan adsorpsi (katalis heterogen).

4. Konsentrasi

Laju suatu reaksi dapat dinyatakan sebagai laju berkurangnya konsentrasi

suatu pereaksi, atau sebagai laju bertambahnya konsentrasi suatu produk.

(Keenan, Kimia Untuk Universitas, hal: 518-524)

Kalau molekul bereaksi, mula-mula molekul ini bertumbukan terlebih

dahulu. Jadi, kecepatan reaksi sebanding dengan jumlah tumbukan molekul. Dari

hitungan ternyata jumlah tumbukan molekul yang diperoleh dari percobaan lebih

kecil daripada teori. Ini berarti bahwa setiap tumbukan molekul menghasilkan

molekul baru untuk dapat bereaksi, molekul-molekul harus mempunyai tenaga

tertentu. Kalau A = tenaga rata-rata pereaksi, dan C = tenaga rata-rata hasil reaksi,

maka agar A dapat menjadi C, molekul-molekulnya harus melewati tenaga

penghalang ΔE1°. Tenaga ini disebut tenaga aktivasi untuk reaksi ke kanan.

Untuk reaksi ke kiri dibutuhkan tenaga aktivasi ΔE2°.

Selisih keduanya merupakan selisih tenaga dalam atau panas reaksi pada V

tetap.

ΔE = ΔE1° – ΔE2°

= (EB – EA) – (EB – EC)

= EC – EA

(Prof. Dr. Sukardjo, Kimia Fisika, Hal. 343)

Aktivasi energi adalah energi minimum yang diperlukan untuk

melangsungkan terjadinya suatu reaksi. Contoh yang sederhana reaksi eksotermal

yang di gambarkan dibawah ini :

8. 2.1 Gambar Kurva EA (Energi Aktivasi)

Jika partikel-partikel bertumbukkan dengan energi yang lebih rendah dari

energi aktivasi, maka tidak akan terjadi reaksi. Mereka akan kembali dalam

keadaan semula, dapat dibayangkan energi aktivasi sebagai tembok dari reaksi.

Hanya tumbukan yang memiliki energi sama atau lebih besar dari energi aktivasi

yang dapat menghasilkan terjadinya reaksi.

(www.chem-is-try-org. materi_kimia/kimia fisika.htm, 27/05/2009, 18.16)

Hubungan konstanta kecepatan reaksi dengan temperatur dalam Kelvin dan

energi aktivasi adalah sebagai berikut :

ln k = ln A -

dimana A adalah factor pre-eksponensial atau faktor frekwensi. Jadi, semakin

besar temperatur T maka konstanta kecepatan reaksi K juga akan semakin besar,

artinya reaksinya juga semakin cepat.

EnergiEnergi Aktivasi : EA

Laju Reaksi

Produk

PanasReaksi

(www.xyzbloggers.blogspot.com. 04/2009, 18.34)

Bentuk lain persamaan Arrhenius :

ln k = (-Ea/R) (1/T) + ln A

Jika ln k diplot terhadap 1/T maka akan didapat garis lurus dengan nilai

tangensial –Ea/R.

Bila temperatur meningkat, fraksi molekul yang memiliki energi kinetik pun

meningkat sehingga meningkatkan energi aktivasinya.

8.2.2. Grafik laju pada dua suhu

Keterangan :

(http://chem.-is-try.org, 27 April 2009, 18:29)

Konsentrasi A pada waktu t1 dinyatakan sebagai [A1] dan konsentrasi pada

pada t1 sebagai [A2], dengan tanda kurung siku berarti konsentrasi dalam mol/liter.

Laju rata-rata berkurangnya konsentrasi A dinyatakan sebagai :

Fra

ksi m

ol

Energi Kinetik

T1

T2

Ea

T3

Fraksi mol saat T1

Fraksi mol saat T2

Fraksi mol saat T3

T1 > T2 > T3

Laju rata-rata berkurangnya [A] =

Laju rata-rata bertambahnya konsentrasi B dan C dinyatakan sebagai :

Laju rata-rata bertambahnya konsentrasi [B] dan [C]

Dalam pernyataan untuk laju rata-rata berkurangnya [A], kuantitas (Δ[A]/Δt)

adalah negatif karena [A2] lebih besar daripada [A2]. Karena laju dinyatakan

sebagai berharga positif menurut perjanjian, maka ditaruh tanda minus didepam

kuantitas ini sehingga –(–) = +.

Hubungan satu sama lain ketiga rumus itu adalah :

(Keenan, Kimia Untuk Universitas, hal : 524-525)

8.3. Alat dan Bahan

A. Alat-alat yang digunakan :

- batang pengaduk

- beakerglass

- botol aquadest

- botol gelap

- corong kaca

- Erlenmeyer

- karet penghisap

- neraca analitik

- neraca digital

- pipet tetes

- pipet volume

- rak tabung reaksi

- stopwatch

- tabung reaksi

- thermometer

B. Bahan-bahan yang digunakan :

- Kaliumperokdisulfat (K2S2O8)

- Larutan kanji 3 %

- Kaliumiodida (KI)

- Natriumtiosulfat pentahydrat (Na2S2O3. 5H2O)

- Aquadest (H2O)

- Es batu

8.4. Prosedur percobaan

1. Menyediakan 2 buah tabung reaksi yang berisi

Tabung I Tabung II

S2O82-

(0,04 M)

H2O I-

(0,1 M)

H2O S2O32-

(0,001 M)

Kanji

(3 %)

5 mL 5 mL 10 mL - 1 mL 1 mL

2. Mendinginkan kedua tabung reaksi tersebut dalam beakergelas

yang berisi air dan es (tinggi cairan dalam tabung harus lebih rendah dari

cairan dalam beakergelas) sampai suhu kedua larutan sama,mencatat

suhunya (T1)

3. Mencampurkan larutan dalam tabung II ke dalam tabung I dan

pada saat bersamaan menyalakan stopwatch sampai timbul warna biru.

4. Mematikan stopwatch pada saat timbul warna biru dan mencatat

waktunya (t) dan suhu larutan (T2).

5. Mengulangi langkah 1-4 di atas sebanyak 5 kali dengan suhu

awal (T1) yang berbeda.

8.5. Data Pengamatan

Tabel 8.5.1. Data Pengamatan Hasil Percobaan Energi Aktivasi pada T (oC).

No. T1 (oC) T2 (oC) Trata-rata

(oC)

Waktu

(s)

ln = ln k

1.

2.

3.

4.

5.

5

10

15

20

25

12

16

19

24

27

8,5

13

17

22

26

0,1176

0,0769

0,0588

0,0454

0,0384

156

134

106

81

61

0,0064

0,0074

0,0094

0,0123

0,0163

-5,0514

-4,9063

-4,6670

-4,3981

-4,1165

Tabel 8.5.2. Data Pengamatan Hasil Percobaan Energi Aktivasi pada T (K).

No T1

(K)

T2

(K)

T rata-rata

(K)

Waktu

(s)

ln = ln k

1.

2.

3.

4.

5.

278,15

283,15

288,15

293,15

298,15

285,15

289,15

292,15

297,15

300,15

281,15

286,65

290,65

295,65

299,15

0,0035

0,0034

0,0034

0,00338

0,00334

156

134

106

81

61

0,0064

0,0074

0,0094

0,0123

0,0163

-5,0514

-4,9063

-4,6670

-4,3981

-4,1165

8.6. Hasil Perhitungan

1. Membuat larutan KI 0,1 M sebanyak 100 mL

M =

0,1 =

W = 1,659 gram

Jadi untuk membuat larutan KI 0,1 M sebanyak 100 mL dengan menimbang

KI sebanyak 1,659 gram dan melarutkannya dengan aquadest, pada labu

ukur 100 mL sampai tanda batas.

2. Membuat larutan K2S2O8 0,004 M sebanyak 50 mL

M =

0,04 =

W = 0,5406 gram

Jadi untuk membuat larutan K2S2O8 0,004 M sebanyak 50 mL dengan

menimbang S2O82- sebanyak 0,5406 gram dan melarutkannya dengan

aquadest, pada labu ukur 50 mL sampai tanda batas.

3. Membuat larutan Na2S2O3.5H2O sebanyak 50 mL

M =

0,001 =

W = 0,0124 gram

Jadi untuk membuat larutan Na2S2O3.5H2O sebanyak 50 mL dengan

menimbang S2O32- sebanyak 0,0124 gram dan melarutkannya dengan

aquadest, pada labu ukur 50 mL sampai tanda batas.

Tabel 8.6.1. Persamaan Linear.

No. 1/Trata-rata (x) ln k (y) x.y x2

1.

2.

3.

4.

5.

0,0035

0,0034

0,0034

0,00338

0,00334

-5,0514

-4,9063

-4,6670

-4,3981

-4,1165

-0,0177

-0,0167

-0,0159

-0,0149

-0,0137

0,00001225

0,00001156

0,00001156

1,14244.10-5

1,11556.10-5

∑ 0,01702 -23,1392 -0,07884 0,00005795

Rumus : y = a + bx

a =

=

= 14,35611

b =

=

= -5576,954

Jadi, persamaan garisnya adalah :

y = a + bx

y = 14,35611 - 5576,954x

Persamaan Arrhenius dari perhitungan :

Rumus : ln k =

b = slope = =

-5576,954 =

Ea = -11.082,52 kal/mol

Ea = -11,08252 kkal/mol

a = intersep = ln A = 14,35611

A = 1717035,817

8.7. Grafik

y = -5576,9x + 14,356

-5,5

-5

-4,5

-4

-3,5

3,30E-03 3,35E-03 3,40E-03 3,45E-03 3,50E-03 3,55E-03

ln K

1/T

rat

a-ra

ta

Grafik 8.7.1. Hubungan antara 1/T rata-rata (0C) dengan ln k

8.8. Pembahasan

A. Memperlihatkan ketergantungan laju reaksi pada suhu

Secara teoritis jika suhu dinaikkan akan mempercepat laju reaksi. Dari data

hasil percobaan suhu dinaikkan dari 5-25 oC dan waktu yang diperlukan

adalah 156-61 detik. Jadi, laju reaksi semakin cepat apabila suhu dinaika,

hal ini sesuai dengan teori yang ada.

B. Menentukan energi aktivasi

Pada percobaan ini, makin tinggi suhunya maka makin kecil energi

aktivasinya, sehinga harga aktivasinya tergantung pada temperatur. Grafik

8.7.1 menunjukan bahwa harga ln k berbanding terbalik dengan harga 1/T

rata-rata. Semakin kecil ln k maka haga 1/T rata-rata semakin besar. Ini

membuktikan bahwa semakin tinggi temperatur maka energi aktivasinya

akan semakin kecil, semakin sedikit waktu yang diperlukan sehingga akan

memperbesar harga laju reaksi. Hal ini sesuai dengan teori dimana energi

aktivasi berbanding terbalik dengan laju reaksi.

8.9. Kesimpulan

1. Semakin tinggi suhu maka laju reaksi akan semakin cepat.

2. Dari perhitungan diperoleh harga Ea sebesar -11,08252 kkal/mol

dan

A sebesar 1717035,817.