PENENTUAN ENERGI PENGAKTIFAN REAKSI IONIK

Energi aktivasi adalah energi minimum yang dibutuhkan oleh suatu reaksi kimia agar dapat berlangsung. Energi aktivasi memiliki simbol Ea dengan E menotasikan energi dan a yang ditulis subscribe menotasikan aktivasi. Kata aktivasi memiliki makna bahwa suatu reaksi kimia membutuhkan tambahan energi untuk dapat berlangsung.

Dalam reaksi endoterm, energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan dan sebagainya disuplai dari luar sistem. Pada reaksi eksoterm, yang membebaskan energi, ternyata juga membutuhkan suplai energi dari luar untuk mengaktifkan reaksi tersebut.

Dalam kinetika, suatu reaksi berlangsung melalui beberapa tahap. Diawali dengan tumbukan antar partikel reaktan. Setelah reaktan bertumbukan, maka akan terjadi penyusunan ulang ikatan dalam senyawa reaktan menjadi susunan ikatan yang berbeda ( membentuk senyawa produk ). Dalam penyusunan ini, akan ada pemutusan ikatan dan pembentukan ikatan yang baru, yang membutuhkan sejumlah energi. Ketika beberapa ikatan reaktan putus dan beberapa ikatan baru terbentuk, tercapailah suatu keadaan dimana dalam sistem terdapat sejumlah reaktan dan produk. Keadaan ini kita sebut sebagai transisi kompleks.

Dalam keadaan transisi kompleks, memiliki campuran antara produk dan reaktan yang cenderung kurang stabil, karena produk yang terbentuk dapat membentuk reaktan kembali. Keadaan ini memiliki energi yang cukup tinggi, karena sistem tidak stabil.

Proses untuk mencapai keadaan transisi kompleks membutuhkan energi yang disuplai dari luar sistem. Energi inilah yang disebut dengan energi aktivasi. Pada reaksi endoterm ataupun eksoterm, keduanya memiliki energi aktivasi yang positif, karena keadaan transisi kompleks memiliki tingkat energi yang lebih tinggi dari reaktan  (Vogel, 1994).

Pada tahun 1889 Arrhenius mengusulkan sebuah persamaan empirik yang menggambarkan pengaruh suhu terhadap konstanta laju reaksi. Persamaan yang diusulkan adalah : K = A . Ea

K = konstanta laju reaksi

A = faktor freakuensi

Ea = energi aktivasi

Persamaan tersebut dalam bentuk logaritma dapat ditulis :

Dari persamaan di atas terlihat bahwa kurva ln K sebagai fungsi dari 1/T akan berupa garis lurus dengan perpotongan (intersep) ln A dan gradien –Ea/R (Tim Dosen Kimia Fisik, 2012).

Kedua faktor A dan Ea dikenal sebagai parameter Arrhenius. Plot dari log K terhadap T -1 adalah linear untuk sejumlah besar reaksi dan pada temperatur sedang.

Persamaan tersebut analog dengan persamaaan garis lurus, yang sering disimbolkan dengan y = mx +c, maka hubungan antara energi aktivasi suhu dan laju reaksi dapat dianalisis dalam bentuk grafik ln k vs 1/T dengan gradien –(Ea/RT) dan intersep ln A.Jika suatu reaksi memiliki reaktan dengan konsentrasi awal adalah a, dan pada konsentrasi pada waktu t adalah a-x. Setelah reaksi berlangsung 1/n bagian dari sempurna, x=a/n

(Atkins, 1994)

Beberapa faktor yang mempengaruhi energi aktivasi adalah sebagai berikut :

1.   Suhu

Fraksi molekul-molekul mampu untuk bereaksi dua kali lipat dengan peningkatan suhu sebesar 10^oC . hal ini menyebabkan laju reaksi berlipat ganda.

2.   Faktor frekuensi

Dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk perubahan suhu yang kecil. Perlu dilihat bagaimana perubahan energi dari fraksi molekul sama atau lebih dari energi aktivasi

3.   Katalis

Katalis akan menyediakan rute agar reaksi berlangsung dengan energi aktivasi yang lebih rendah (Castellan, 1982).

Energi pengionan adalah energi yang diperlukan untuk melepaskansuatu elektron dari atom, ion, atau molekul energi untuk melepaskanelektron pertama disebut energi pengionan pertama, untuk melepaskanelektron kedua disebut energy pengionan kedua, dan seterusnya. Energi pengionan dihitung elektron volt/atom atau k kal/mole.1 e v = 23,0629 k kal/mole(Alberty, 1997).

Versi termodinamika dari teori kompleks teraktifkan , mempermudah pembahasan reaksi dalam larutan. Teori statistik sangat rumit untuk diterapkan, karena pelarut memegang peranan penting dalam kompleksteraktifkan. Dalam pendekatan termodinamika, kita menggabungkan hukumlaju (Atkins, 1997).

Variasi konstanta laju reaksi antara ion, terhadap kekuatan ion dengan penambahan ion lamban, akan menaikkan koefisien laju. Pembentukan satukompleks ionik bermuatan tinggi dari dua ion yang kurang tinggimuatannya, dipermudah oleh kekuatan ion yang tinggi, karena ion yang baru mempunyai atmosfer ion yang lebih rapat. Sebaliknya, ion denganmuatan berlawanan, bereaksi lebih lambat dalam larutan dengan kekuatanion tinggi. Muatan itu saling menghilangkan, dan antaraksi antara muatankompleks dengan atmosfernya lebih buruk jika ion-ion itu terpisah (Atkins,1997).

Satu cara untuk menganalisis ion dalam larutan adalah denganmemisahkan campuran menjdi komponen-komponennya denganmemanfaatkan perbedaan kelarutan senyawanya yang mengandung ion.Kecepatan reaksi bergantung pada jenis zat pereaksi, temperatur reaksi,konsentrasi zat pereaksi. Tidak semua reaksi kimia dapat dipelajari secarakinetik (Sukarjo, 1989).

Biasanya reaksi kimia tergantung pada konsentrasi pereaksi- pereaksinya. Untuk menentukan tenaga pengaktifan suatu reaksi ionik makadapat dilakukan dengan cara melakukan percobaan reaksi antara persulfatdengan iodida menggunakan persamaan Arrhenius ( Basset, 1994).Ion persulfat direaksikan dengan ion iodida, reaksi yang terjadiadalah:

S₂O₈^2-   +  2I^-     →    2SO₄^2-    +   I₂

Untuk menyelesaikan seluruh bagian reaksi maka ditambahkan larutantiosulfat dan indikator amilum yang berfungsi untuk memberikan warna biruketika tiosulfat telah habis atau pendeteksi titik akhir reaksi, yang nantinyatiosulfat akan mereduksi iod yang kemudian ion yodida yang dihasilkanakan bereaksi kembali dengan persulfat, sehingga nantinya tiosulfat habisdan iod berikatan dengan amilum membentuk kompleks yang memberikanwarna biru pada larutan(Basset, 1994).

Energi aktifasi Ea dapat diperkirakan dari persamaan Arrhenius, jikakonstanta kecepatan reaksi diketahui pada dua suhu atau lebih. Persamaanempiris kecepatan reaksi dianggap memenuhi suhu yang lain sehinggahanya satu suhu yang diperlukan untuk menghitung kecepatan sejumlahkonsentrasi yang diketahui.

 K = Ae-^Ea/RT 

K = konstanta laju reaksiA = faktor frekuensiEa = energi aktivasiUmumnya konstanta laju meningkat dengan meningkatnya temperatur, danharganya kira-kira dua kali untuk tiap kenaikkan 10^oC. Hubungankuantitatif pertama antara k dan temperatur adalah karena persamaanArheniuss : K = Ae^-Ea/RT

Dimana A adalah faktor pra-eksponensial atau faktor frekuensi, Ea adalah energi pengaktifan yakni molekul-molekul harusmempunyai energi sebanyak ini sebelum membentuk produk. Persamaandiatas mensyaratkan bahwa satuan Ea harus merupakan energi/mol(Sukarjo, 1989).

Kecepatan reaksi bergantung pada jenis zat pereaksi, temperatur reaksi, konsentrasi zat pereaksi. Untuk menentukan tenaga pengaktifansuatu reaksi ionik maka dapat dilakukan dengan cara melakukan percobaanreaksi antara persulfat dengan iodida menggunakan persamaan Arrhenius.Ion persulfat direaksikan dengan ion iodida, reaksi yang terjadi adalah :S₂O₈^2-+ 2I^-  → 2SO₄^2-+ I₂

(Basset, 1994)

Teori yang menjelaskan reaksi kimia berdasarkan pada tumbukan molekul tidak cukup kuat sampai dekade awal abad kedua puluh. Teori kinetik molekul yang pertama dikembangkan. Tercatat adanya distribusi energi kinetik dan laju molekul – molekul senyawa gas. Jumlah tumbukan antara molekul – molekul persatuan waktu dapat diturunkan dari teori kinetika molekul. Jumlah tersebut disebut frekuensi tumbukan.

Hanya sebagian tumbukan saja yang menghasilkan reaksi. Hal ini didasarkan pada dua faktor : (1) Hanya molekul – molekul yang lebih energetik dalam campuran reaksi yang akan menghasilkan reaksi sebagai hasil tumbukan. (2) Kemungkinan (probabilitas) suatu tumbukan tertentu untuk menghasilkan reaksi kimia tergantung dari orientasi molekul yang bertumbukan.

Energi yang harus dimiliki oleh molekul untuk dapat bereaksi disebut energi aktivasi. Dengan teori kinetik molekul dapat ditentukan berapa fraksi dari seluruh molekul yang ada yang memiliki energi melebihi nilai tertentu. Pikirkanlah bahwa laju reaksi kimia tergantung pada hasilkali frekuensi tumbukan dengan fraksi dari molekul yang memiliki energi sama atau melebihi energi aktivasi. Karena fraksi dari molekul teraktifkan ini biasanya sangat kecil, laju reaksi jauh lebih kecil dari pada frekuensi tumbukannya sendiri. Tambahan lagi, semakin tinggi nilai energi aktivasi, semakin kecil fraksi molekul yang teraktifkan dan semakin lambat reaksi berlangsung.

Untuk membayangkan reaksi

A₂(g)  +  B₂(g)  → 2 AB(g)

Menurut pengertian teori tumbukan, anggaplaah bahwa selama tumbukan antara molekul A₂ dan B₂, ikatan – ikatan A – A dan B – B putus dan ikatan A – B terbentuk. Hasilnya adalah perubahan pereaksi – preaksi A₂ dan B₂ menjadi hasil reaksi AB. Molekul – molekul harus mempunyai orientasi tertentu bila tumbukan akan efektif untuk menghasilkan reaksi kimia.

Bila dinyatakan frekuensi tumbukan sebagai Z, fraksi molekul teraktifkan sebagai f, dan faktor probabilitas sebagai p, laju reaksi kimia memiliki rumusan

laju reaksi = p. f. Z

Frekuensi tumbukan berbanding lurus dengan konsentrasi molekul – molekul yang terlibat dalam tumbukan (katakanlah A dan B). Dengan demikian, Z dapat diganti dengan [A]  x  [B], dan rumusan laju reaksi yang lebih dikenal ini dapat dituliskan 

Laju reaksi = p.f [A] [B] = k [A] [B]

Teori tumbukan tampaknya membawa kita ke arah persamaan laju reaksi kimia yang umum, tetapi ada beberapa kekurangan pada hasil yang telah dikemukakan. Persamaan di atas menunjukkan sebuah reaksi dengan orde total dua, tetpi telah diketahui bahwa orde – orde reaksi lain mungkin ada.

            Satu alternatif penting tentang teori tumbukan telah dikembangkan oleh ahli kimia Amerika, Henry Eyring (1901 – 81), dan yang lainnya. Toeri ini dipusatkan pada spesies antara (intermediate species) yang disebut kompleks teraktifkan, yang terbentuk selama tumbukan energetik. Spesies ini ada dalam waktu yang sangat singkat, dan kemudian terurai, dapat kembali menjadi pereaksi – pereaksi awal (dalam hal ini tidak ada reaksi) atau menjadi molekul hasil reaksi.

            Pada kompleks teraktifkan terdapat ikatan lama yang meregang mendekati putus, dan ikatan baru hanya terbentuk sebagian. Hanya bila molekul – molekul yang bertumbukan mempunyai jumlah energi kinetik yang besar untuk disimpan dalam spesies tergangkan tersebut maka kompleks teraktifkan akan terbentuk. Energi yang dibutuhkan tersebut dinamakan energi aktivasi.

            Secara praktik telah diketahui bahwa reaksi – reaksi kimia cenderung berlangsung lebih cepat pada suhu yang tinggi. Kita mempercepat reaksi biokimia tertentu dengan meningkatkan suhu, misalnya pada pemasakan makanan. Di lain pihak kita memperlambat beberapa reaksi dengan menurunkan suhu, seperti halnya pendinginan atau pembekuan makanan untuk mencegah pembusukan. Sekarang kita mempunyai penjelasan mengenai pengaruh suhu terhadap laju reaksi : Peningkatan suhu meningkatkan fraksi molekul yang memiliki energi melebihi energi aktivasi (Ralph. H. Petrucci, 1985).