Teori Tumbukan

Kata Kunci: laju reaksi, tumbukan

Ditulis oleh Jim Clark pada 23-09-2004

Reaksi yang hanya melibatkan satu partikel mekanismenya sederhana dan kita tidak perlu memikirkan tentang orientasi dari tumbukan. Reaksi yang melibatkan tumbukan antara dua atau lebih partikel akan membuat mekanisme reaksi menjadi lebih rumit.
Reaksi yang melibatkan tumbukan antara dua partikel
Sudah merupakan suatu yang tak pelak lagi jika keadaan yang melibatkan dua partikel dapat bereaksi jika mereka melakukan kontak satu dengan yang lain. Mereka pertama harus bertumbukan, dan lalu memungkinkan terjadinya reaksi.
Kenapa “memungkinkan terjadinya reaksi”? Kedua partikel tersebut harus bertumbukan dengan mekanisme yang tepat, dan mereka harus bertumbukan dengan energi yang cukup untuk memutuskan ikatan-ikatan.
Orientasi dari tumbukan
Pertimbangkan suatu reaksi sederhana yang melibatkan tumbukan antara dua molekul etena CH₂=CH₂ dan hidrogen klor, HCl sebagai contoh. Keduanya bereaksi untuk menghasilkan kloroetan.
Sebagai hasil dari tumbukan antara dua molekul, ikatan rangkap diantara dua karbon berubah menjadi ikatan tunggal. Satu hidrogen atom berikatan dengan satu karbon dan atom klor berikatan dengan satu karbon lainnya.
Reaksi hanya dapat terjadi bila hidrogen yang merupakan ujung dari ikatan H-Cl mendekati ikatan rangkap karbon-karbon.Tumbukan selain daripada itu tidak bekerja dikarenakan kedua molekul tersebut akan saling bertolak.
Tumbukan-tumbukan(collisions) yang ditunjukkan di diagram, hanya tumbukan 1 yang memungkinkan terjadinya reaksi.
Jika Anda belum membaca halaman tentang mekanisme reaksi, mungkin Anda bertanya-tanya mengapa tumbukan 2 tidak bekerja dengan baik. Ikatan rangka dikelilingi oleh konsentrasi negatifitas yang tinggi sebagai akibat elektron-elektron yang berada di ikatan tersebut. Pendekatan atom klor yang memiliki negatifitas lebih tinggi ke ikatan rangkap menyebabkan tolakan karena kedua-duanya memiliki negatifitas yang tinggi.
Di dalam tumbukan yang melibatkan partikel-partikel yang tidak simetris, Anda dapat menduga mekanisme melalui bagaimana cara mereka bertumbukan untuk menentukan dapat atau tidaknya suatu reaksi terjadi.

Energi tumbukan

Aktivasi Energi
Walaupun partikel-partikel itu berorientasi dengan baik, Anda tidak akan mendapatkan reaksi jika partikel-partikel tersebut tidak dapat bertumbukan melampui energi minimum yang disebut dengan aktivasi energi reaksi.
Aktivasi energi adalah energi minimum yang diperlukan untuk melangsungkan terjadinya suatu reaksi. Contoh yang sederhana adalah reaksi exotermal yang digambarkan seperti di bawah ini:

Jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang lebih rendah dari energi aktivasi, tidak akan terjadi reaksi. Mereka akan kembali ke keadaan semula. Anda dapat membayangkan energi aktivasi sebagai tembok dari reaksi. Hanya tumbukan yang memiliki energi sama atau lebih besar dari aktivasi energi yang dapat menghasilkan terjadinya reaksi.
Di dalam reaksi kimia, ikatan-ikatan diceraikan (membutuhkan energi) dan membentuk ikatan-ikatan baru (melepaskan energi). Umumnya, ikatan-ikatan harus diceraikan sebelum yang baru terbentuk. Energi aktivasi dilibatkan dalam menceraikan beberapa dari ikatan-ikatan tersebut.
Ketika tumbukan-tumbukan tersebut relatif lemah, dan tidak cukup energi untuk memulai proses penceraian ikatan. mengakibatkan partikel-partikel tersebut tidak bereaksi.
Distribusi Maxwell-Boltzmann
Karena energi aktivasi memegang peranan penting dalam menentukan suatu tumbukan menghasilkan reaksi, hal ini sangat berguna untuk menentukan bagaimana macam bagian partikel berada untuk mendapatkan energi yang cukup ketika mereka bertumbukan.
Di dalam berbagai sistem, keberadaan partikel-partikel akan memiliki berbagai variasi besar energi. Untuk gas, dapat diperlihatkan melalui diagram yang disebut dengan Distrubis Maxwell-Boltzmann dimana setiap kumpulan beberapa partikel memiliki energinya masing-masing.

Luas dibawah kurva merupakan ukuran banyaknya partikel berada.
Distribusi Maxwell-Boltzmann dan energi aktivasi
Ingat bahwa ketika reaksi berlangsung, partikel-partikel harus bertumbukan guna memperoleh energi yang sama atau lebih besar daripada aktivasi energi untuk melangsungkan reaksi. Kita dapat mengetahui dimana energi aktivatisi berlangsung dari distribusi Mazwell-Boltzmann.

Perhatikan bahwa sebagian besar dari partikel-partikel tidak memiliki energi yang cukup untuk bereaksi ketika mereka bertumbukan. Untuk membuat mereka bereaksi kita dapat mengubah bentuk dari kurva atau memindahkan aktivasi energi lebih ke kanan.Hal ini akan dijelaskan lebih lanjut di halaman-halaman berikutnya.

Read More

Efek dari Luas Permukaan

Kata Kunci: luas permukaan

Ditulis oleh Jim Clark pada 23-09-2004

Halaman ini menjelaskan efek dari perubahaan dari luas permukaan zat padat pada laju reaksi. Hal ini berlaku untuk reaksi yang melibatkan zat padat dan gas, atau zat padat dan zat cair. Juga termasuk kasus dimana zat padat berlaku sebagai katalis.
Fakta-fakta
Apa yang sebenarnya terjadi ?
Semakin zat padat terbagi menjadi bagian kecil-kecil, semakin cepat reaksi berlangsung. Bubuk zat padat biasanya menghasilkan reaksi yang lebih cepat dibandingkan sebuah bungkah zat padat dengan massa yang sama. Bubuk padat memiliki luas permukaan yang lebih besar daripada sebuah bungkah zat padat.
Beberapa contoh
Kalsium karbonat dan asam hidroklorida
Di labotarium, bubuk kalsium karbonat bereaksi lebih cepat dengan larutan asam hidroklorida dibandingkan dengan massa yang sama dalam bentuk pualam atau batu gamping.

Katalis perubah
Katalis perubah berupa logam seperti platina, palladium, dan rhodium digunakan untuk merubah zat-zat beracun buangan kendaraan bermotor menjadi zat yang relatif aman. Sebagai contoh, reaksi pengubahaan karbon monooksida dan oksida nitrogen adalah:

Karena gas-gas buangan hanya berinteraksi dengan katalis dalam waktu yang sangat singkat, reaksi harus berlangsung cepat. Logam yang luar biasa mahal digunakan sebagai katalis dengan melapiskan struktur keramik ‘honeycomb’ suatu lapisan yang sangat tipis untuk memaksimalkan luas permukaan.hh
Penjelasan
Anda hanya dapat melangsungkan reaksi jika partikel dalam gas maupun cair bertumbukan dengan partikel padat. Peningkatkan luas permukaan dari zat padat meningkatkan kemungkinan tumbukan bertambah besar.
Bayangkan suatu reaksi antara logam magnesium dengan larutan asam seperti asam hidroklorida. Reaksi melibatkan tumbukan antara atom magnesium dengan ion hidrogen.


Kita dapat menyimpulkan bahwa peningkatan jumlah tumbukan per detik meningkatkan laju reaksi.

Read More

Efek dari Konsentrasi

Kata Kunci: efek konsentrasi

Ditulis oleh Jim Clark pada 23-09-2004

Halaman ini menjelaskan efek dari perubahaan dari konsentrasi larutan pada laju reaksi.
Fakta-fakta
Apa yang sebenarnya terjadi ?
Untuk berbagai reaksi yang melibatkan zat cair dan gas, peningkatan konsentrasi dari pereaksi meningkatkan laju reaksi. Dalam beberapa kasus tertentu, peningkatan salah satu pereaksi memungkinkan terjadinya sedikit efek pada laju reaksi. Kasus-kasus ini akan dibahas di halaman ini lebih lanjut.
Jangan beranggapan apabila Anda melipatgandakan konsentrasi dari satu pereaksi Anda akan melipatgandakan laju reaksi. Hal itu mungkin saja terjadi, tetapi hubungannya akan jauh lebih rumit.

Beberapa contoh
Seng dan asam hidroklorida
Di labotarium, butiran seng beraksi cukup lambat dengan larutan asam hidroklorida, tetapi akan lebih cepat apabila konsentrasi dari asam ditingkatkan.


Dekomposisi katalis pada hidrogen peroxide
Mangan(IV) oksida padat biasa digunakan sebagai katalis dalam reaksi ini. Oksigen dihasilkan jauh lebih cepat apabila hidrogen peroxide dalam konsentrasi pekat daripada dalam konsentrasi encer.

Reaksi antara larutan natrium thiosulfat dan asam hidroklorida
Reaksi ini sering digunakan untuk menyelidiki relasi antara konsentrasi dan laju reaksi. Ketika larutan asam ditambahkan ke dalam larutan natrium thiosulfat, endapan berwarna kuning pucat dari belerang dihasilkan.

Semakin banyak larutan natrium thiosulfate menjadi encer, semakin lama juga endapan terbentuk.
Penjelasan
Kasus ketika perubahaan konsentrasi mempengaruhi laju reaksi
Ini merupakan kasus yang umum dan dengan mudah dijelaskan dengan mudah.
Tumbukan yang melibatkan dua partikel
Argumen yang sama berlaku ketika dua reaksi melibatkan tumbukan antara dua partikel yang berbeda atau dua partikel yang sama.
Supaya suatu reaksi dapat berlangsung, partikel-partikel tersebut pertama-tama haruslah bertumbukan. Hal ini berlaku ketika dua partikel itu larutan atau salah satu larutan dan satunya lagi benda padat. Jika konsentrasinya tinggi, kemungkinan untuk bertumbukan pun semakin besar.

Reaksi yang melibatkan hanya satu partikel
Jika reaksi hanya melibatkan satu partikel tersebar ke berbagai arah, maka tumbukan-tumbukan tidak saling berhubungan. Yang menjadi masalah sekarang adalah bagaimana berbagai partikel memiliki energi yang cukup untuk bereaksi pada waktu yang bersamaan.
Andaikan dalam satu waktu 1 per satu juta partikel memiliki energi yang cukup atau melebihi energi aktivasi. Jika Anda memiliki 100 juta partikel, 100 diantaranya akan bereaksi. Jika Anda memilki 200 juta partikel pada volume yang sama, maka 200 diantaranya akan bereaksi. Laju reaksi akan berlipat ganda dengan menggandakan konsentrasi.
Kasus ketika perubahaan konsentrasi tidak mempengaruhi laju reaksi
Sekilas mungkin hal ini membuat kita agak terkejut.
Ketika katalis telah bekerja sangat cepat
Andaikan Anda menggunakan sedikit jumlah dari katalis padat dalam reaksi, dan direaksikan dengan reaktan dengan larutan konsentrasi yang cukup tinggi, maka permukaan katalis akan seluruhnya diliputi oleh partikel yang bereaksi yang menghalangi terjadinya reaksi yang lebih cepat.
Peningkatan konsentrasi dari larutan terkadang tidak memberikan efek apa-apa karena katalis telah bekerja pada kapasitas maksimumnya.
Dalam beberapa reaksi bertahap tertentu
Andaikan Anda memiliki suatu reaksi yang berlangsung sebagai suatu rentetan dari tahap-tahap kecil. Tahap-tahap ini memilki perbedaan laju yang cukup besar – beberapa cepat, beberapa lambat.
Sebagai contoh, andaikan dua reaksi A dan B bereaksi bersama dalam dua tahap :

Laju total dari seluruh reaksi akan ditentukan dari berapa cepatnya A terpecah membentuk X dan Y. Ini dapat dideskripsikan sebagai rate determining step dari reaksi.
Jika Anda meningkatkan konsentrasi dari A, Anda akan mendapatkan peningkatan laju reaksi pada tahap pertama maupun laju reaksi keseluruhan.
Jika Anda meningkatkan konsentrasi dari B, Anda akan mendapatkan penigkatan laju reaksi pada tahap kedua, namun akan sulit mendapatkan peningkatan laju keseluruhan. Anda dapat membayangkan reaksi tahap kedua akan berlangsung segera setelah X terbentuk sehingga reaksi tahap kedua sebagai ‘reaksi yang menunggu’ yang berlangsung setelah reaksi pertama berlangsung.
Contoh yang paling tepat untuk reaksi ini berada dalam kimia organik. Reaksi yang melibatkan tertier halogenalkana (alkil halida) dan beberapa senyawa yang memungkinkan – termasuk hidroksi ion. Contoh dari reaksi ini adalah subtitusi nukleofil dengan mekanisme S_N1.

Read More

Efek dari Tekanan

Kata Kunci: tekanan

Ditulis oleh Jim Clark pada 23-09-2004

Halaman ini menjelaskan efek dari perubahaan dari konsentrasi larutan pada laju reaksi.
Fakta-fakta
Apa yang sebenarnya terjadi ?
Peningkatan tekanan pada reaksi yang melibatkan gas pereaksi akan meningkatan laju reaksi. Perubahaan tekanan pada suatu reaksi yang melibatkan hanya zat padat maupun zat cair tidak memberikan perubahaan apapun pada laju reaksi
Beberapa contoh
Dalam proses pembuatan amonia dengan proses Haber, laju reaksi antara hidrogen dan nitrogen ditingkatkan dengan menggunakan tekanan yang sangat tinggi.

Sesungguhnya, alasan utama menggunakan tekanan tinggi adalah untuk meningkatkan persentase amonia didalam kesetimbangan campuran, namun hal ini juga memberikan perubahaan yang berarti pada laju reaksi juga.
Penjelasan
Hubungan antara tekanan dan konsentrasi
Peningkatan tekanan dari gas adalah sama dengan peningkatan pada konsentrasi. Jika Anda memilki gas dalam massa tertentu, semakin Anda meningkatkan tekanan semakin kecil juga volumenya. Jika Anda memiliki massa yang sama dengan volume yang lebih kecil, maka semakin tinggi konsentrasinya.
Kita juga dapat menggambarkan relasi matematis apabila keadaan berlangsung dalam keadaan gas ideal :

Karena “RT” merupakan tetapan selama suhu tetap, menunjukkan bahwa tekanan berbanding lurus dengan konsentrasi. Jika Anda melipat gandakannya, Anda juga menggandakan konsentrasinya.
Pengaruh peningkatan tekanan terhadap laju reaksi
Tumbukan yang melibatkan dua partikel
Argumen yang sama berlaku ketika dua reaksi melibatkan tumbukan antara dua partikel yang berbeda atau dua partikel yang sama.
Supaya suatu reaksi dapat berlangsung, partikel-partikel tersebut pertama-tama haruslah bertumbukan. Hal ini berlaku ketika dua partikel itu gas atau salah satu gas dan satunya lagi benda padat. Jika tekanan tinggi, kemungkinan untuk bertumbukan pun semakin besar.

Reaksi yang melibatkan hanya satu partikel
Jika reaksi hanya melibatkan satu partikel tersebar ke berbagai arah, maka tumbukan-tumbukan tidak saling berhubungan. Yang menjadi masalah sekarang adalah bagaimana berbagai partikel memiliki energi yang cukup untuk bereaksi pada waktu yang bersamaan.
Andaikan dalam satu waktu 1 per satu juta partikel memiliki energi yang cukup atau melebihi energi aktivasi. Jika Anda memiliki 100 juta partikel, 100 diantaranya akan bereaksi. Jika Anda memilki 200 juta partikel pada volume yang sama, maka 200 diantaranya akan bereaksi. Laju reaksi akan berlipat ganda dengan menggandakan tekanan.

Read More

Efek dari Suhu

Kata Kunci: boltzmann, energi aktivasi, laju reaksi, maxwell, teori tumbukan

Ditulis oleh Jim Clark pada 23-09-2004

Halaman ini menjelaskan bahwa perubahaan suhu memperngaruhi laju reaksi. Halaman ini mengansumsikan bahwa Anda telah mengerti prinsip dasar dari teori tumbukan dan distribusi energi molekular Maxwell-Bpltzmann pada gas.
Fakta-fakta
Apa yang sebenarnya terjadi ?
Ketika Anda meningkatkan temperatur laju reaksi akan meningkat. Sebagai perkiraan kasar, sebagian reaksi berlangsung dalam temperatur ruangan, laju reaksi akan berlipatganda setiap kenaikan 10^oC suhu.
Perkiraan ini bukan keadaan yang mutlak dan tidak bisa diterapkan pada seluruh reaksi. Bahkan bilapun mendekati benar, laju reaksi akan berlipat ganda tiap 9^oC atau 11^oC atau tiap suhu tertentu. Angka dari derajat suhu yang diperlukan untuk melipatgandakan laju reaksi akan berubah secara bertahap seiring dengan meningkatnya temperatur.

Beberapa contoh
Beberapa reaksi pada hakekatnya sangat cepat – sebagai contoh, reaksi pernafasan melibatkan ion yang terlarut menjadi zat padat yang tidak larut, atau reaksi antara ion hidrogen dengan asam dan ion hidroksi dari alkali di dalam larutan. Sehingga memanaskan salah satu dari contoh ini tidak memperoleh perbedaan laju reaksi yang cukup bereaksi.
Hampir sebagian besar reaksi yang terjadi baik di labotarium maupun industri akan berlangsung lebih cepat apabila kita memanaskannya.
Penjelasan
Peningkatan frekwensi tumbukan
Partikel hanya dapat bereaksi ketika mereka bertumbukan. Jika Anda memanaskan suatu benda, maka partikel-partikelnya akan bergerak lebih cepat sehingga frekwensi tumbukan akan semakin besar. Hal ini mempercepat laju dari reaksi.
Mari kita lihat lebih jauh secara matematis.
Frekwensi dari tumbukan dua partikel gas berbanding lurus dengan akar dari temperatur kelvin. Jika kita meningkatkan suhu dari 293 K ke 303 K (20_oC ke 30_oK)

Kita akan memperoleh 1.7 % peningkatan dari tiap kenaikan 10_o. Laju reaksi akan meningkat kurang lebih dua kali pada tiap kenaikan suhu – dengan kata lain peningkatan sekitar 100%. Efek dari peningkatan frekwensi tumbukan pada laju reaksi sangatlah kecil. Namun efek yang dihasilkannya sangat berbeda.
Pentingnya aktivasi energi
Tumbuka-tumbukan akan menghasilkan reaksi jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang cukup untuk memulai suatu reaksi. Energi minimum yang diperlukan disebut dengan reaksi aktivasi energi.
Kita dapat menggambarkan keadaan dari energi aktivasi pada distribusi Maxwell-Boltzmann seperti ini:

Hanya partikel-partikel yang berada pada area di sebelah kanan dari aktivasi energi yang akan bereaksi ketika mereka bertumbukan. Sebagian besar dari partikel tidak memiliki energi yang cukup dan tidak menghasilkan reaksi.
Untuk mempercepat reaksi, kita perlu untuk meningkatkan jumlah dari partikel-partikel energik – partikel-partikel yang memiliki energi sama atau lebih besar dari aktivasi energi. Peningkatan suhu memberi pengaruh yang tepat – merubah bentuk dari diagram.
Diagram berikut, grafik yang berlabel T merupakan suhu awal. Grafik yang berlabelkan T+t adalah suhu yang lebih tinggi.

Jika kita memperhatikan posisi dari aktivasi energi, kita dapat melihat walaupun kurva tidak bergeser terlalu banyak, ada peningkatan yang cukup berarti pada pertikel-partikel energik untuk bertumbukkan dengan energi yang cukup untuk bereaksi.

Ingat bahwa luas dibawah kurva merupakan jumlah dari partikel-partikel. Diagram diatas menggambarkan luas dibawah kurva pada sebelah kanan energ i aktivasi menjadi kurang lebih dua kali lipat lebih luas, oleh karena itu laju reaksi pun berlipatganda.

Read More

Efek dari Katalis

Ditulis oleh Jim Clark pada 23-09-2004

Halaman ini menjelaskan bahwa penambahan katalis mempengaruhi laju reaksi. Halaman ini mengansumsikan bahwa Anda telah mengerti prinsip dasar dari teori tumbukan dan distribusi energi molekular Maxwell-Boltzmann pada gas.
Fakta-fakta
Apa itu katalis?
Katalis adalah suatu zat yang mempercepat suatu laju reaksi, namun ia sendiri, secara kimiawi, tidak berubah pada akhir reaksi. Ketika reaksi selesai, kita akan mendapatkan massa katalasis yang sama seperti pada awal kita tambahkan.

Beberapa contoh
Beberapa katalis umum yang digunakan :

reaksi	katalis
Dekomposisi hidrogen peroxide	mangan(IV)oksida, MnO2
Nitrasi benzena	asam sulfur pekat
Produksi amonia dengan proses Haber	besi
Konversi dari SO2 ke SO3 melalui proses Kontak untuk memproduksi asam sulfur	vanadium(V)oxida,V2O5
Hidrogenasi C=C ikatan rangkap	@

Penjelasan
Pentingnya aktivasi energi
Tumbukan-tumbukan akan menghasilkan reaksi jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang cukup untuk memulai suatu reaksi. Energi minimum yang diperlukan disebut dengan reaksi aktivasi energi.
Kita dapat menggambarkan keadaan dari energi aktivasi pada distribusi Maxwell-Boltzmann seperti ini:

Hanya partikel-partikel yang berada pada area di sebelah kanan dari aktivasi energi yang akan bereaksi ketika mereka bertumbukan. Sebagian besar dari partikel tidak memiliki energi yang cukup dan tidak menghasilkan reaksi.
Katalis dan aktivasi energi
Untuk meningkatkan laju reaksi kita perlu untuk meningkatkan jumlah tumbukan-tumbukan yang berhasil. Salah satu cara alternatif untuk mewujudkannya adalah dengan menurunkan energi aktivasi.
Dengan kata lain, menggeser energi aktivasi seperti diagram dibawah ini :

Menambahkan katalis memberikan perubahaan yang berarti pada energi aktivasi. Katalis menyediakan satu rute alternatif bagi reaksi. Rute alternatif ini memiliki energi aktivasi yang rendah. Diagram dibawah ini merupakan gambaran keadaan energi.

Ingat, katalais hanya mempengaruhi laju pencapaian kesetimbangan, bukan posisi keseimbangan (misalnya : membalikkan reaksi). Katalis tidak menggangu gugat hasil suatu reaksi kesetimbangan dan konsentrasi atau massanya setelah reaksi selesai sama dengan konsentrasi atau massa reaksi sebelum reaksi dilangsungkan.

Kata Pencarian Artikel ini:

Read More