STUDI TERMODINAMIKA STATISTIK TERHADAP TETAPAN LAJU REAKSI

Studi termodinamika statistik terhadap tetapan laju reaksi

                       Rahmat Gunawan¹, Susanto Imam Rahayu²

¹Program Studi Kimia FMIPA Universitas Mulawarman

²Program Studi Kimia FMIPA Institut Teknologi Bandung

Abstrak

Telah dibahas suatu koreksi terhadap tetapan laju reaksi: . Pembahasan bertolak dari hasil penelitian Zewail dan Atkins yang menurunkan data senyawa keadaan transisi. Perhitungan bertolak dari persamaan Polanyi, secara termodinamika statistik, yang telah dimodifikasi dengan memasukkan integral tumbukan reaktif, dan diselesaikan melalui metoda gangguan Chapman-Enskog. Pada tahap Navier-Stokes didapat suatu koreksi terhadap tetapan laju reaksi, yang mengandung suatu faktor koreksi tetapan laju reaksi, z. Faktor koreksi ini penting untuk diaplikasikan pada perhitungan besar efek laju reaksi yang selama ini dikenal. Hasil perhitungan pada konsep kinetika kimia adalah pada harga  menghasilkan koreksi sebesar 8% dari harga tetapan laju raksi semula. Diharapkan masalah ketidak-sempurnaan laju reaksi baik pada skala laboratorium maupun industri dapat pelajari.

Kata kunci:       Persamaan polanyi, metoda Chapman-Enskog, tetapan laju reaksi, faktor koreksi

Abstract

The correction of reaction rate coefficient was developed for reaction type: . This research topic based from the research of Zewail and Atkins who was derivative of the transition state compound. Computed based from Polanyi equation, statistical thermodynamically, have modified with include reactive collusion integral form, and solution with Chapman-Enskog Perturbation Methods. The Navier-Stokes level determinant a correction to coefficient of reaction rate, that contains the correction factor , z. The correction factor very important to applied  for effect of reaction rate. The value of computed for chemical kinetic concept are  for correction about 8% of initial of reaction rate coefficient. It also offers new possibilities for the control of reactivity for reaction rate of industries and laboratories scale.

Word key:         Polanyi equation, Chapman-Enskog Methods, coefficient of reaction rate, correction factor

I. Pendahuluan

Dalam sistem dinamika reaksi kimia, masalah laju reaksi dan tetapan laju reaksi sudah sangat besar peranannya. Banyak permasalahan baik dalam skala laboratorium maupun industri dapat diselesaikan dengan baik. Para peneliti terdahulu mulai dari Arrhenius, Polanyi, Atkins, dan lain sebagainya, hingga Zewail, telah sangat berjasa dalam menjelaskan masalah dinamika kimia atau kinetika kimia terutama masalah laju suatu reksi.

Namun ada sedikit masalah, yaitu kenapa penerapan teori kinetika kimia ini masih mengahsilkan residu yang cukup mengganggu?, misal: munculnya hasil samping yang tidak diharapkan, biaya produksi yang tinggi akibat salah dalam perhitungan temperetur untuk reaksi tertentu? Salah dalam perhitungan konsentrasi reaktan yang harus digunakan? dan lain-lainnya.

Pada topik riset ini, akan diusulkan temuan hipotetik dan pertanyaan hipotetik serta langsung membuat hipotesa baru tentang tetapan laju reaksi. Penulis mencoba menjawab atas pertanyaan di atas, yang walaupun sederhana, diharapkan bisa membuka jalan untuk menyempurnakan teori kinetika kimia

II. Metode

Metoda yang dipakai adalah metoda teori, yaitu: intuisi fisika dan perhitungan matematika:

2.1 Intuisi fisika

Yaitu dengan mempelajari hasil penelitian sebagai berikut:

a.    Atkins,¹ mempelajari adanya vibrasi pada senyawa transisi atau kompleks teraktivasi.

Kurva di atas adalah Kurva Energy vs Reaction Coordinate yang diperbesar pada puncak kurvanya. Terlihat adanya tingkat-tingkat energi vibrasi, n, pada senyawa transisi, yang secara termodinamika statistik dinyatakan dengan fungsi partisi vibrasi, Q_[A---B---C].

b.    Zewail,² melalui femtochemistry mampu mengamati senyawa pada keadaan transisi dan muncul pernyataan bahwa senyawa pada keadaan transisi adalah produk yang dapat diisolasi

Kurva di atas adalah Surface Energy Potential yang menerangkan proses terjadinya tumbukan reaktif:

dan keadaan transisi yang bervibrasi. Tetapan keseimbangan saat keadaan transisi:

c.    Pertanyaan hipotetik

Dari kedua peneliti di atas muncul pertanyaan hipotetik: Apakah ada tetapan laju reaksi dari senyawa keadaan transisi menuju senyawa produk?

2.2 Perhitungan Matematika

Yaitu dengan mempelajari dan mengembangkan persamaan berikut:

a.    Polanyi,² mengembangkan persamaan tetapan laju reaksi Arrhenius, yaitu:

menjadi persamaan tetapan laju reaksi sebagai transition-state theory, yaitu:

b.    Metoda Gangguan Chapman-Enskog,³ yaitu menyelesaikan persamaan Boltzmann dengan tahap pendekatan Euler dan Navier-Stokes. Metoda ini akan mendukung dan menjelaskan fenomena transport baru, yang diusulkan oleh Karplus dan kawan-kawan, untuk menjelaskan aliran tumbukan reaktif yang menghasilkan produk reaksi, yaitu chemical reactive transport yang terdiri dari: chemical reactive flux, J_r , dan reactive transport coefficient, t.⁴

III. Hasil Penelitian

Pada metode perhitungan matematika, persamaan Polanyi dikoreksi melalui metode gangguan Chapman-Enskog dan menghasilkan tahap koreksi sebagai berikut:

1.      Tahap Euler menghasilkan persamaan chemical reactive flux Polanyi:⁵

2.      Tahap Navier-Stokes menghasilkan koreksi persamaan chemical reactive flux Polanyi, yaitu dengan munculnya reactive transport coefficient:⁵

dimana:

Pada tahap ini, dapat disusun koreksi terhadap tetapan laju reaksi:

dimana z adalah faktor koreksi tetapan laju reaksi, yaitu sebesar:⁵

Dari intuisi fisika dan perhitungan di atas, maka didapat bahwa tetapan laju suatu reaksi akan terkoreksi dengan munculnya faktor koreksi tetapan laju reaksi, z. Faktor koreksi ini penting untuk menghitung besar efek laju reaksi yang selama ini dikenal. Sehingga tetapan laju suatu reaksi dan penulisan pada mekanisme reaksi adalah:⁵

2.3 Penerapan faktor koreksi pada konsep kinetika kimia

Koreksi terhadap tetapan laju reaksi kimia, untuk sistem bereaksi dua komponen: , dapat dijelaskan pada tabel 1, yaitu dengan memperhitungkan harga-harga energi aktivasi dan faktor koreksi yang dihasilkan.

Tabel 1. Perhitungan koreksi tetapan laju reaksi untuk setiapharga energi aktovasi

tetapan laju reaksi terkoreksi,
energi aktivasi,	faktor koreksi, , (%)
1	1
2	2
3	4
4	6
5	8
6	6
7	5
8	3

Dari tabel ini dapat dijelaskan bahwa pada, menghasilkan koreksi sebesar 8% dari harga tetapan laju reaksi semula. Harga ini sangat kecil dibandingkan harga tetapan laju reaksi, tetapi secara molekular harga ini sangat penting untuk dipelajari efeknya terutama pada:

1.      laju reaksi

2.      konsentrasi reaktan

3.      temperatur reaksi

IV. Kesimpulan

1. Senyawa pada keadaan transisi adalah produk yang dapat diamati dan dapat diisolasi
2. Adanya Hipotesa tentang mekanisme reaksi baru, yaitu dari zat dalam keadaan transisi menuju produk akhir reaksi

3. Secara total terlihat adanya koreksi terhadap tetapan laju reaksi, dengan munculnya faktor koreksi, z.

4. Penerapan faktor koreksi pada konsep kinetika kimia adalah pada  menghasilkan koreksi sebesar 8% dari harga tetapan laju reaksi semula.

Pustaka

1.         P.W. Atkins, Physical Chemistry, Oxford, 1998

2.         H. Zewail, J. Phys. Chem., 104, 5660-5694, 2000

3.         J. O. Hirschfelder, C. F. Curtiss and R. B. Bird, Molecular Theory of Gases and Liquids, New York, John Wiley, 1964

4.         Shizgal and M. Karplus, J. Chem.Phys.,52, 4262 (1970)

5.         R. Gunawan, Tesis, Program Magister Kimia, Departemen Kimia ITB, 2001