Kinetika kimia
Kinetika kimia, juga dikenal sebagai kinetika reaksi, adalah cabang kimia fisik yang berkaitan dengan pemahaman laju reaksi kimia. Hal ini berbeda dengan termodinamika kimia, yang berhubungan dengan arah terjadinya reaksi tetapi tidak menjelaskan apa pun tentang lajunya. Kinetika kimia mencakup penyelidikan tentang bagaimana kondisi eksperimental mempengaruhi kecepatan reaksi kimia dan menghasilkan informasi tentang mekanisme reaksi dan keadaan transisi, serta konstruksi model matematika yang juga dapat menggambarkan karakteristik reaksi kimia.
Sejarah
Pekerjaan perintis kinetika kimia dilakukan oleh ahli kimia Jerman Ludwig Wilhelmy pada tahun 1850. Dia secara eksperimental mempelajari laju inversi sukrosa dan dia menggunakan hukum laju terintegrasi untuk penentuan kinetika reaksi reaksi ini. Karyanya diketahui 34 tahun kemudian oleh Wilhelm Ostwald. Setelah Wilhelmy, Peter Waage dan Cato Guldberg mempublikasikan hukum aksi massa pada tahun 1864, yang menyatakan bahwa kecepatan reaksi kimia sebanding dengan kuantitas zat yang bereaksi.
Van 't Hoff mempelajari dinamika kimia dan pada tahun 1884 menerbitkan "Études de dynamique chimique" yang terkenal. Pada tahun 1901 ia dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pertama "sebagai pengakuan atas jasa-jasa luar biasa yang telah diberikannya melalui penemuan hukum-hukum dinamika kimia dan tekanan osmotik dalam larutan."Setelah van 't Hoff, kinetika kimia berkaitan dengan penentuan laju reaksi secara eksperimental yang darinya hukum-hukum laju dan konstanta laju diturunkan. Hukum laju yang relatif sederhana ada untuk reaksi orde nol (di mana laju reaksi tidak bergantung pada konsentrasi), reaksi orde satu, dan reaksi orde dua, dan dapat diturunkan untuk reaksi-reaksi lainnya.
Reaksi elementer mengikuti hukum aksi massa, tetapi hukum laju reaksi bertahap harus diturunkan dengan menggabungkan hukum laju berbagai langkah elementer, dan dapat menjadi agak rumit. Pada reaksi berurutan, langkah penentu laju sering kali menentukan kinetika. Pada reaksi orde pertama yang berurutan, perkiraan keadaan tunak dapat menyederhanakan hukum laju. Energi aktivasi untuk suatu reaksi ditentukan secara eksperimental melalui persamaan Arrhenius dan persamaan Eyring. Faktor utama yang mempengaruhi laju reaksi meliputi: keadaan fisik reaktan, konsentrasi reaktan, suhu saat reaksi terjadi, dan ada tidaknya katalis dalam reaksi.
Gorban dan Yablonsky telah menyarankan bahwa sejarah dinamika kimia dapat dibagi menjadi tiga era. Yang pertama adalah gelombang van 't Hoff yang mencari hukum-hukum umum reaksi kimia dan menghubungkan kinetika dengan termodinamika. Yang kedua dapat disebut gelombang Semenov-Hinshelwood dengan penekanan pada mekanisme reaksi, terutama untuk reaksi berantai. Yang ketiga dikaitkan dengan Aris dan deskripsi matematis yang terperinci dari jaringan reaksi kimia.
Faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi
Sifat-sifat reaktan memainkan peran penting dalam menentukan laju suatu reaksi kimia. Reaksi asam/basa, pembentukan garam, dan pertukaran ion umumnya terjadi dengan cepat, sementara reaksi yang melibatkan pembentukan ikatan kovalen antara molekul atau molekul besar cenderung berlangsung lebih lambat.
Selain itu, keadaan fisik reaktan juga memengaruhi laju reaksi. Reaktan yang berada dalam fase yang sama, seperti dalam larutan air, cenderung berkontak lebih sering karena gerakan termal membawa mereka bersentuhan. Namun, jika reaktan berada dalam fase yang berbeda, reaksi hanya dapat terjadi di antarmuka antara keduanya. Konsentrasi reaktan juga berpengaruh, semakin padat molekulnya, semakin besar kemungkinan tumbukan dan reaksi antar mereka.
Faktor lain yang memengaruhi laju reaksi adalah luas permukaan benda padat. Partikel-partikel yang berada di permukaan suatu padatan yang terlibat dalam reaksi, sehingga menghancurkan padatan menjadi partikel yang lebih kecil dapat meningkatkan frekuensi tumbukan dan mempercepat reaksi.
Konsentrasi reaktan juga memainkan peran penting dalam menentukan laju reaksi, semakin tinggi konsentrasi reaktan, semakin besar kemungkinan tumbukan dan reaksi antar mereka. Suhu juga mempengaruhi laju reaksi, dengan suhu yang lebih tinggi meningkatkan energi kinetik molekul dan meningkatkan kemungkinan tumbukan yang berhasil.
Pada suhu tertentu, laju reaksi bergantung pada nilai faktor pra-eksponensial, energi aktivasi, dan konsentrasi reaktan. Persamaan Arrhenius digunakan untuk menggambarkan hubungan antara suhu dan konstanta laju reaksi.
Kinetika reaksi cepat dapat dipelajari dengan menggunakan metode loncatan suhu, yang melibatkan peningkatan suhu secara tajam dan observasi waktu relaksasi untuk kembali ke keseimbangan. Tabung kejut adalah alat yang sering digunakan untuk penelitian ini, mampu meningkatkan suhu gas secara signifikan dalam waktu singkat.
Katalis merupakan zat yang dapat mengubah laju reaksi kimia tanpa mengalami perubahan kimia pada dirinya sendiri. Katalis bekerja dengan menyediakan jalur reaksi alternatif yang memiliki energi aktivasi lebih rendah, sehingga mempercepat terjadinya reaksi. Dalam autokatalisis, produk reaksi tersebut juga berperan sebagai katalis, menciptakan umpan balik positif. Dalam reaksi biokimia, protein yang bertindak sebagai katalis disebut enzim, yang kinetikanya dapat dijelaskan dengan model Michaelis-Menten. Pentingnya, katalis tidak memengaruhi posisi kesetimbangan dalam reaksi karena hanya mempercepat reaksi maju dan mundur secara seimbang.
Peningkatan tekanan dalam reaksi gas meningkatkan jumlah tumbukan antar reaktan, sehingga meningkatkan laju reaksi. Hal ini mirip dengan efek peningkatan konsentrasi dalam larutan. Namun, selain efek langsung ini, tekanan juga dapat memengaruhi koefisien laju reaksi itu sendiri. Dalam beberapa reaksi gas pada suhu tinggi, penambahan gas inert ke campuran reaksi dapat mengubah koefisien laju dan produk reaksi, fenomena ini dikenal sebagai kejatuhan dan aktivasi kimia.
Pada reaksi fase kondensasi, tekanan juga dapat memengaruhi koefisien laju, namun, efek ini biasanya hanya terlihat pada tekanan yang sangat tinggi karena ion dan molekul memiliki kompresibilitas yang rendah. Pendekatan lompatan tekanan digunakan untuk mempelajari kinetika reaksi dalam kondisi perubahan tekanan yang cepat.
Selain itu, penyerapan cahaya juga dapat memengaruhi laju reaksi kimia dengan memberikan energi aktivasi ketika molekul reaktan menyerap cahaya dan dipromosikan ke keadaan tereksitasi. Studi tentang reaksi yang diprakarsai oleh cahaya dikenal sebagai fotokimia, dan salah satu contoh yang terkenal adalah proses fotosintesis.
Metode eksperimental
Penentuan laju reaksi secara eksperimental melibatkan pengukuran bagaimana konsentrasi reaktan atau produk berubah seiring waktu. Misalnya, konsentrasi suatu reaktan dapat diukur dengan menggunakan spektrofotometri pada panjang gelombang dimana tidak ada reaktan atau produk lain yang menyerap cahaya dalam sistem.
Untuk reaksi yang memakan waktu beberapa menit atau lebih, pengamatan dimulai setelah reaktan dicampur pada suhu yang diinginkan. Namun, untuk reaksi yang lebih cepat, waktu yang diperlukan untuk mencampur reaktan dan membawanya ke suhu tertentu mungkin sama atau lebih lama dari waktu paruh reaksi itu sendiri. Beberapa metode khusus untuk memulai reaksi cepat tanpa langkah pencampuran yang lambat meliputi metode aliran terhenti, relaksasi kimia, dan fotolisis kilat.
Dalam reaksi reversibel, kesetimbangan kimia dicapai ketika laju reaksi maju dan reaksi balik sama. Pada titik ini, konsentrasi reaktan dan produk tidak lagi berubah. Prinsip ini diperlihatkan dalam proses Haber-Bosch yang menghasilkan amonia. Meskipun kinetika menggambarkan seberapa cepat suatu reaksi terjadi, termodinamika menentukan sejauh mana reaksi terjadi.
Perubahan energi bebas (ΔG) suatu reaksi menentukan apakah perubahan kimia akan terjadi, sementara kinetika menjelaskan seberapa cepat reaksi tersebut berlangsung. Prinsip Curtin-Hammett, misalnya, berlaku ketika menentukan rasio produk untuk dua reaktan yang saling berkonversi dengan cepat. Kinetika kimia memberikan informasi tentang waktu tinggal dan perpindahan panas dalam reaktor kimia, serta distribusi massa molar dalam kimia polimer. Hal ini juga berguna dalam rekayasa korosi.
Disadur dari: en.wikipedia.org