Pendekatan Termodinamis dan Kinetis dalam Reaksi Kimia

Pendekatan Termodinamis dan Kinetis dalam Reaksi Kimia

Dalam mengkaji reaksi kimia para ahli kimia melakukan dua pendekatan yaitu pendekatan termodinamis dan pendekatan kinetis. Pendekatan termodinamis disusun berdasarkan keadaan awal dan keadaan akhir reaksi, sedangkan pendekatan kinetis disusun berdasarkan jalannya proses. Dalam pendekatan termodinamis jalannya proses selama reaksi berlangsung tidak menjadi perhatian untuk dikaji. Sehingga kesimpulan yang diambil dalam pendekatan termodinamis hanya bergantung pada struktur dan sifat senyawa pada keadaan awal dan keadaan akhir dan kesimpulan ini dinamakan kesimpulan termodinamis. Misal dalam reaksi di antara reaktan AB dan CD menjadi produk AC dan BD. Dalam reaksi ini terjadi perubahan sifat dan struktur dari AB dan CD menjadi AC dan BD. Pendekatan termodinamis didasarkan atas pendekatan tentang keadaan awal dan keadaan akhir reaksi. Dalam hal ini kajian madya didasarkan atas sifat dan struktur AB dan CD sebagai reaktan dan sifat dan struktur AC dan BD sebagai produk. Perubahan kimia atau reaksi kimia akan terjadi jika sifat dan struktur reaktan tidak sama dengan sifat dan struktur produk. Sifat dan struktur reaktan dan produk ditentukan oleh beberapa besaran fisis, missal temperatur (T), tekanan (P), energi dalam (ΔE), energi panas (ΔH), energi bebas (ΔG), entropi (ΔS), dan tetapan kesetimbangan (K), besaran-besaran tersebut dikenal sebagai besaran termodinamis.

AB   +   CD   →   AC   +   BD

Secara termodinamis syarat reaksi akan berlangsung jika secara kualitatif produk memiliki tingkat kestabilan yang lebih tinggi dibanding dengan tingkat kestabilan reaktannya. Sedangkan secara kuantitatif syarat reaksi akan berlangsung jika energy bebas reaksi (ΔG_reaksi) bernilai negative atau ΔG_r < 0. Harga ΔG_r ditentukan oleh sifat alamiah dari reaktan dan produk (the nature of reactant and product) dimana sifat ini ditentukan oleh energi dalam (ΔE), energi panas (ΔH), dan entropi (ΔS) dari masing-masing senyawa yang terlibat dalam reaksi baik sebagai reaktan maupun sebagai produk. Pendekatan termodinamis dapat dilakukan tanpa melakukan kajian di laboratorium dan biasanya pendekatan ini dilakukan pada awal perancangan suatu reaksi. Para ahli kimia merancang apakah suatu reaksi dapat berlangsung atau tidak berdasarkan sifat-sifat termodinamis dari reaktan yang terlibat dan produk yang akan dihasilkan dalam reaksi. Pendekatan termodinamis dapat menjelaskan mengapa reaksi mudah dilakukan dalam fasa larutan dari pada reaksi dalam fasa padatan. Proses pelarutan reaktan menjadi penting agar reaksi lebih mudah dilakukan, termasuk diperlukannya proses pemanasan dalam reaksi.

Secara termodinamis reaksi kimia digambarkan sebagai reaksi satu tahap yang juga dikenal sebagai reaksi sederhana (simple reaction atau elementary reaction).

Reaksi akan terjadi bila sejumlah energi ditambahkan dalam sistem reaksi. Penambahan energi akan dilakukan sampai tingkat energi tertentu yang disebut dengan barrier energy atau energi teraktivasi (activated energy), yang merupakan energi minimum yang diperlukan untuk berlangsungnya suatu reaksi. Pada tingkat energi ini senyawa reaktan akan mengalami keadaan teraktivasi sebelum berubah menjadi produk. Pada keadaan teraktivasi senyawa dalam keadaan tidak stabil, tidak berstruktur dan tidak dapat diukur atau ditentukan, orang sering menyebut  sebagai senyawa imajiner atau senyawa abstrak tetapi energi aktivasinya secara eksperimental dapat diukur dan ditentukan. Dalam reaksi termodinamis reaksi kimia digambarkan hanya terdiri dari dua spesies, yaitu spesies reaktan dan spesies produk yang memiliki tingkat kestabilan lebih tinggi dari kompleks teraktivasi. Reaktan dan produk memiliki tingkat kestabilan lebih tinggi dari kompleks teraktivasi. Reaktan dan produk memilki waktu kestabilan yang lebih tinggi dari waktu kestabilan kompleks teraktivasi.

Dalam reaksi kimia disamping pendekatan termodinamis dikenal pendekatan lain yaitu pendekatan kinetis. Pendekatan yang didasarkan atas jalannya proses. Dalam pendekatan kinetis yang dikaji tidak hanya sifat dan struktur senyawa pada keadaan awal dan akhir, tetapi juga ditentukan oleh hasil-hasil kajian yang diperoleh selama berlangsungnya proses. Keberhasilan kajian kinetis dalam suatu reaksi ditandai dengan keberhasilan mengisolasi atau mengidentifikasi keberadaan senyawa antara atau madya yang terjadi sebelum senyawa produk terbentuk. Senyawa produk merupakan hasil peruraian dari senyawa madya. Sehingga dalam pengertian reaksi kinetis adalah reaksi yang memiliki spesies tidak hanya reaktan dan produk tetapi juga memiliki spesies lain yang disebut dengan zat antara atau madya. Spesies reaktan dan spesies produk memiliki tingkat kestabilan lebih tinggi dari madya, dimana madya memiliki tingkat kestabilan yang juga lebih tinggi dibanding dengan tingkat kestabilan kompleks teraktivasi. Reaktan dan produk memiliki waktu kestabilan yang lebih tinggi dari waktu kestabilan madya dan kompleks teraktivasi, t_reaktan, t_produk, > t_madya > t_{kompleks teraktivasi}. Reaksi kinetis sering disebut sebagai reaksi yang berlangsung dalam beberapa tahap atau disebut sebagai reaksi rumit (complex reaction).

Zat antara (madya) merupakan senyawa yang terbentuk selama berlangsungnya proses reaksi, senyawa tersebut memiliki waktu kestabilan yang lebih tinggi dari kompleks teraktivasi sehingga dapat diisolasi dan memiliki struktur senyawa yang jelas (riil) bukan abstrak (imajiner) seperti yang terjadi pada kompleks teraktivasi. Walaupun demikian madya akan segera terdissosiasi menjadi senyawa produk. Jumlah tahapan reaksi yang terbentuk selama reaksi tergantung pada jumlah madya yang terbentuk, makin banyak jumlah madya yang mampu terisolasi selama proses reaksi tahapan reaksi yang terjadi juga semakin banyak. Keberhasilan pendekatan kinetis sangat bergantung pada fakta-fakta eksperimental yang diperoleh selama mengkaji suatu reaksi dan ini sangat tergantung pada teknologi isolasi dan teknologi identifikasi dan karakterisasi senyawa madya yang biasanya memiliki waktu stabilitas yang lebih pendek dari senyawa produk. Reaksi kimia yang telah berhasil dikaji secara kinetis diartikan sebagai reaksi yang telah memiliki mekanisme reaksi atau tahapan reaksi dan sering disebut sebagai reaksi lambat, sedangkan reaksi yang belum berhasil dikaji mekanismenya disebut dengan reaksi cepat. Contoh reaksi lambat adalah reaksi penyulihan ligan pada senyawa kompleks logam, contoh reaksi cepat adalah reaksi asam-basa. Dalam kajian dengan melalui pendekatan kinetis akan dihasilkan fakta-fakta eksperimental yang dikenal sebagai besaran kinetis, yaitu r (laju reaksi), k (tetapan laju reaksi), t (waktu reaksi), t_1/2 (waktu paroh reaksi), waktu hidup madya (madya life time). Dengan berkembangnya teknologi identifikasi dan karakterisasi senyawa dari waktu ke waktu memberikan arti pula pada perkembangan keberhasilan para ahli kimia dalam mengungkap mekanisme suatu reaksi, sehingga reaksi yang pada masa-masa lalu dikenal sebagai reaksi cepat akan berubah sebutannya menjadi reaksi lambat karena mekanismenya telah berhasil diungkap.

Dalam kajian dengan pendekatan termodinamis, kesimpulan termodinamis suatu reaksi disusun atas besaran termodinamis yang dimiliki oleh senyawa sebelum dan sesudah reaksi. Sedangkan dalam kajian dengan pendekatan kinetis, kesimpulan kinetis dari suatu reaksi disusun atas besaran kinetis yang dimiliki reaksi dimana besaran-besaran kinetis ini biasanya juga ditentukan oleh besaran-besaran termodinamis yang dimiliki oleh senyawa sebelum dan sesudah reaksi. Karena sifat besaran termodinamis dan kinetis yang berbeda maka kesimpulan-kesimpulan termodinamis yang dimiliki oleh suatu reaksi tidak otomatis berbanding lurus dengan rumusan kesimpulan kinetis begitu pula sebaliknya.

Laju reaksi merupakan besaran kinetis yang dimaknai sebagai cepat atau lambatnya suatu senyawa untuk bereaksi, laju reaksi cepat berarti senyawa tersebut mudah bereaksi atau senyawa tersebut adalah labil (labile) dan jika lambat bereaksi disebut lembam (inert). Istilah labil dan lembam merupakan istilah yang bersifat kinetis atau disebut sebagai besaran kinetis. Labilitas sering juga disebut sebagai stabilitas kinetik. Sedangkan tetapan kesetimbangan yang merupakan besaran termodinamis yang memberikan gambaran tentang sifat stabilitas suatu senyawa. Senyawa stabil (harga K yang besar) adalah senyawa yang tidak mudah bereaksi, dan senyawa tak stabil (harga K yang kecil) adalah senyawa yang mudah untuk bereaksi. Senyawa stabil atau stabilitas suatu senyawa adalah istilah termodinamis, sedangkan derajat kemudahan reaksi atau labilitas adalah istilah kinetis. Kesimpulan kinetis belum tentu tepat hasilnya jika dibangun hanya oleh besaran termodinamis dan sebaliknya. Oleh karena itu, kesimpulan kinetis sebaiknya hanya dibangun oleh besaran-besaran kinetis.

Arryanto, Yateman, 2013, Seri Reaksi Anorganik Mekanisme Reaksi Anorganik, Penerbit Gala Ilmu Semesta, Yogyakarta