Jati HarmokoHukum laju reaksi adalah persamaan lau reaksi yang menyatakan hubungan kuantitatif antara laju reaksi dengan molaritas reaktan. Secara matematis, hukum laju dituliskan sebagai berikut.
Untuk lebih memahami hukum laju reaksi, perhatikan contoh soal hukum laju reaksi berikut.
Soal No. 1
Reaksi dekomposisi N2O5 ke dalam N2O4 dan O2 memiliki laju reaksi yang dapat dijelaskan dengan persamaan laju reaksi berikut:
R = k[N2O5]
Jika konsentrasi awal N2O5 adalah 0,2 mol/L dan konstanta laju reaksi k = 0,1 L/(mol.detik), hitunglah konsentrasi N2O5 setelah 30 detik.
Pembahasan:
Kita memiliki persamaan laju reaksi R = k[N2O5], dan nilai k = 0,1 L/(mol.detik), serta konsentrasi awal [N2O5]0 = 0,2 mol/L dan waktu t = 30 detik.
Konsentrasi N2O5 setelah 30 detik dapat dihitung dengan menggunakan persamaan laju reaksi:
[N2O5] = [N2O5]0 – k*t
[N2O5] = 0,2 mol/L – 0,1 L/(mol.detik) * 30 detik
[N2O5] = 0,2 mol/L – 3 mol/L
[N2O5] = -2,8 mol/L
Namun, nilai konsentrasi tidak dapat bernilai negatif. Oleh karena itu, setelah 30 detik, konsentrasi N2O5 adalah 0 mol/L.
Perlu diingat bahwa dalam soal ini, asumsi yang digunakan adalah reaksi berlangsung pada suhu dan tekanan konstan, serta tidak ada perubahan volume dalam sistem reaksi.
Soal No. 2
Reaksi pembentukan air dari hidrogen dan oksigen memiliki persamaan laju reaksi sebagai berikut:
R = k[H2]2[O2]
Jika konsentrasi awal H2 adalah 0,2 mol/L, konsentrasi awal O2 adalah 0,3 mol/L, dan konstanta laju reaksi k = 0,02 L/(mol.detik), berapa waktu yang dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi H2 sebesar 0,1 mol/L?
Pembahasan:
Kita memiliki persamaan laju reaksi R = k[H2]2[O2], konsentrasi awal [H2]0 = 0,2 mol/L, [O2]0 = 0,3 mol/L, dan nilai k = 0,02 L/(mol.detik). Kita ingin mencari waktu (t) yang dibutuhkan untuk mencapai [H2] = 0,1 mol/L.
Kita tahu bahwa konsentrasi H2 akan berkurang seiring berjalannya reaksi. Jadi, waktu yang dibutuhkan dapat dihitung menggunakan persamaan laju reaksi sebagai berikut:
t = ([H2]0 – [H2]) / (2 * k * [H2]0)
t = (0,2 mol/L – 0,1 mol/L) / (2 * 0,02 L/(mol.detik) * 0,2 mol/L)
t = 0,1 mol/L / (0,04 L/(mol.detik) * 0,2 mol/L)
t = 0,1 mol/L / 0,008 mol/(L.detik)
t = 12,5 detik
Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi H2 sebesar 0,1 mol/L adalah 12,5 detik.
Perlu diingat bahwa dalam soal ini, asumsi yang digunakan adalah reaksi berlangsung pada suhu dan tekanan konstan, serta tidak ada perubahan volume dalam sistem reaksi.
Soal No. 3
Sebuah reaksi A → B memiliki laju reaksi 2 mol/L per detik. Jika konsentrasi awal A adalah 0.4 mol/L, berapa waktu yang dibutuhkan untuk mengkonversi 80% A menjadi B?
Pembahasan:
Dalam reaksi A → B, laju reaksi diwakili oleh persamaan laju reaksi:
R = k[A]n
Di mana R adalah laju reaksi, k adalah konstanta laju reaksi, [A] adalah konsentrasi A, dan n adalah orde reaksi.
Karena kita memiliki orde reaksi yang tidak diketahui (n), dan kita tahu bahwa laju reaksi (R) pada awal reaksi adalah 2 mol/L per detik dan konsentrasi awal A ([A]0) adalah 0.4 mol/L, kita dapat menggunakan data ini untuk menentukan orde reaksi.
Laju reaksi awal (R0) = k[A]0n
2 mol/L per detik = k * 0.4 mol/Ln
Sekarang, kita diberikan bahwa 80% dari A telah dikonversi menjadi B, artinya hanya tersisa 20% A pada saat itu.
Konsentrasi A saat 80% terkonversi = (100% – 80%) * [A]0 = 0.2 * 0.4 mol/L = 0.08 mol/L
Konsentrasi A saat 20% tersisa = 0.4 mol/L – 0.08 mol/L = 0.32 mol/L
Kita juga diberikan laju reaksi (R) pada saat 80% terkonversi adalah 2 mol/L per detik. Kita dapat menggunakan data ini untuk menentukan kembali orde reaksi:
R = k[A]n
2 mol/L per detik = k * 0.08 mol/Ln
Sekarang kita memiliki dua persamaan untuk k dan n. Bagi persamaan kedua dengan persamaan pertama:
(2 mol/L per detik) / (2 mol/L per detik) = (k * 0.08 mol/Ln) / (k * 0.4 mol/Ln)
1 = 0.08 / 0.4 mol/Ln
0.08 = 0.4 mol/Ln
n = log(0.08) / log(0.4) ≈ 0.69897 / (-0.39794) ≈ -1.7588
Karena orde reaksi (n) tidak dapat negatif, kita akan mengambil nilai positif dari -n:
n ≈ 1.7588
Sekarang kita memiliki orde reaksi (n ≈ 1.7588), kita dapat mencari nilai k dari persamaan laju reaksi awal:
2 mol/L per detik = k * 0.4 mol/L1.7588
k = 2 mol/L per detik / 0.4 mol/L1.7588 ≈ 2 / 0.043995 ≈ 45.46
Kini kita memiliki nilai k ≈ 45.46 dan n ≈ 1.7588. Selanjutnya, kita dapat menggunakan nilai-nilai ini untuk menemukan waktu yang dibutuhkan untuk mengkonversi 80% A menjadi B.
Waktu yang dibutuhkan (t) dapat dihitung menggunakan hukum laju reaksi yang sesuai untuk reaksi orde pertama:
t = (1 / k) * ln([A]0 / [A])
t = (1 / 45.46) * ln(0.4 mol/L / 0.08 mol/L)
t ≈ 0.02202 detik
Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk mengkonversi 80% A menjadi B adalah sekitar 0.02202 detik.
Soal No. 4
Tentukan persamaan laju reaksi berdasarkan data eksperimen berikut ini:
| Percobaan | [A] (mol/L) | [B] (mol/L) | Laju Reaksi (M/s) |
| 1 | 0,1 | 0,1 | 2,0 x 10-3 |
| 2 | 0,2 | 0,2 | 4,0 x 10-3 |
| 3 | 0,2 | 0,4 | 8,0 x 10-3 |
Pembahasan:
Pada data eksperimen, kita memiliki dua reagen yang direpresentasikan dengan [A] dan [B]. Laju reaksi dapat dihitung berdasarkan perubahan konsentrasi reagen terhadap waktu. Dalam kasus ini, kita ingin mencari persamaan laju reaksi berdasarkan perubahan konsentrasi [A] dan [B].
Langkah 1: Tentukan perubahan konsentrasi
Dalam setiap percobaan, kita dapat menemukan perubahan konsentrasi [A] dan [B]:
- Percobaan 1: Δ[A] = 0.1 mol/L, Δ[B] = 0.2 mol/L
- Percobaan 2: Δ[A] = 0 mol/L, Δ[B] = 0 mol/L (tidak ada perubahan pada [A] dan [B])
- Percobaan 3: Δ[A] = 0 mol/L, Δ[B] = 0.2 mol/L
Langkah 2: Tentukan orde reaksi terhadap setiap reagen
Pada percobaan 1 dan 2, kita dapat melihat bahwa perubahan konsentrasi [A] tidak berpengaruh pada laju reaksi. Namun, perubahan konsentrasi [B] dari percobaan 1 ke percobaan 3 mengakibatkan dua kali lipat peningkatan laju reaksi. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa laju reaksi bergantung pada [B], dan orde reaksi terhadap [B] adalah 1.
Langkah 3: Tentukan persamaan laju reaksi
Berdasarkan analisis di atas, persamaan laju reaksi akan memiliki bentuk umum sebagai berikut:
Laju reaksi = k [A]m[B]n
Dalam kasus ini, m = 0 karena [A] tidak mempengaruhi laju reaksi, dan n = 1 karena laju reaksi bergantung pada orde pertama terhadap [B]. Maka persamaan laju reaksi menjadi:
Laju reaksi = k [B]
Langkah 4: Tentukan nilai k
Untuk mencari nilai k, kita dapat menggunakan salah satu data percobaan. Kita akan menggunakan percobaan 1:
2,0 x 10-3 M/s = k * 0.2 mol/L
k = (2,0 x 10-3 M/s) / (0.2 mol/L)
k = 1,0 x 10-2 M/s
Jadi, persamaan laju reaksi adalah: Laju reaksi = 1,0 x 10-2 M/s * [B]
Soal No. 5
Sebuah reaksi berorde dua terhadap reagen A. Ketika konsentrasi awal [A] adalah 0.2 mol/L, laju reaksi adalah 4.0 x 10-3 M/s. Jika konsentrasi awal [A] diubah menjadi 0.1 mol/L, dan selain itu semua kondisi reaksi tetap konstan, hitunglah laju reaksi baru!
Pembahasan:
Diketahui bahwa reaksi ini berorde dua terhadap reagen A, jadi persamaan laju reaksi akan memiliki bentuk:
Laju reaksi = k [A]2
Kita memiliki dua kondisi reaksi yang berbeda dengan konsentrasi awal yang berbeda pula.
Pada kondisi pertama (awal): [A] = 0.2 mol/L, laju reaksi = 4.0 x 10-3 M/s
4.0 x 10-3 M/s = k * (0.2 mol/L)2
k = (4.0 x 10-3 M/s) / (0.2 mol/L)2
k = 100 L/mol/s
Sekarang kita akan menghitung laju reaksi baru pada kondisi kedua (awal): [A] = 0.1 mol/L.
Laju reaksi baru = k * (0.1 mol/L)2
Laju reaksi baru = 100 L/mol/s * (0.1 mol/L)2
Laju reaksi baru = 100 L/mol/s * 0.01 mol2/L2
Laju reaksi baru = 1.0 x 10-3 M/s
Jadi, laju reaksi baru pada konsentrasi awal [A] = 0.1 mol/L adalah 1.0 x 10-3 M/s.
Soal No. 6
Sebuah reaksi berikut dijalankan dalam tabung reaksi dengan konsentrasi awal sebagai berikut:
2A + B -> C
[A]0 = 0.2 M
[B]0 = 0.3 M
Berdasarkan eksperimen, diperoleh data laju reaksi sebagai berikut:
Pada t = 0 detik, laju reaksi = 0.5 M/s
Pada t = 10 detik, laju reaksi = 0.2 M/s
Tentukan persamaan laju reaksi dan hitung nilai konstanta laju reaksinya (k).
Pembahasan:
Untuk reaksi orde-1 terhadap A dan orde-0 terhadap B, persamaan laju reaksi dapat dituliskan sebagai berikut:
Laju reaksi = k[A]1[B]0= k[A]
Kita bisa menggunakan data pada t = 0 detik dan t = 10 detik untuk mencari nilai konstanta laju reaksi (k).
Pada t = 0 detik:
0.5 M/s = k * 0.2 M
k = 0.5 M/s / 0.2 M
k = 2.5 s-1
Jadi, persamaan laju reaksinya adalah Laju reaksi = 2.5[A].
Soal No. 7
Diketahui reaksi berikut:
2X + Y -> Z
Eksperimen dilakukan dengan memvariasikan konsentrasi awal X dan Y sebagai berikut:
Kasus 1: [X]0 = 0.1 M, [Y]0 = 0.2 M
Kasus 2: [X]0 = 0.2 M, [Y]0 = 0.2 M
Kasus 3: [X]0 = 0.2 M, [Y]0 = 0.4 M
Berdasarkan data yang diperoleh, tentukan orde reaksi terhadap masing-masing zat (X dan Y) serta nilai konstanta laju reaksi (k) jika laju reaksi pada Kasus 1 adalah 0.5 M/s.
Pembahasan:
Kita perlu mencari orde reaksi terhadap X dan Y, serta nilai k dalam persamaan laju reaksi.
Pertama, mari tentukan orde reaksi terhadap X (a):
Kasus 1: laju reaksi = k[X]a[Y]b = 0.5 M/s
Kasus 2: laju reaksi = k[2X]a[Y]b= 0.5 M/s
Kasus 3: laju reaksi = k[2X]a[2Y]b = 0.5 M/s
Kasus 2 / Kasus 1:
(0.5 M/s) / (0.5 M/s) = [k[2X]a[Y]b] / [k[X]a[Y]b]
1 = (2a) * (0.2b)
Kasus 3 / Kasus 1:
(0.5 M/s) / (0.5 M/s) = [k[2X]a[2Y]b] / [k[X]a[Y]b]
1 = (2a) * (2b) * (0.2b)
Kita bisa membagi persamaan ini untuk mendapatkan nilai a dan b:
(2a) * (0.2b) = 1
(2a) * (2b) * (0.2b) = 1
Dari kedua persamaan tersebut, kita dapatkan:
2a = 1
0.2b = 1
Dari sini, kita bisa simpulkan bahwa a = 0 dan b = 0.
Jadi, orde reaksi terhadap X dan Y adalah 0.
Selanjutnya, kita cari nilai k menggunakan data dari Kasus 1:
0.5 M/s = k * 0.1 M0 * 0.2 M0
0.5 M/s = k * 0.1
k = 0.5 M/s / 0.1 M
k = 5 s-1
Jadi, persamaan laju reaksi adalah: Laju reaksi = 5.
