Kinematika reaksi

Laju reaksi adalah seberapa cepat reaktan berubah menjadi produk. Kita mengukurnya sebagai perubahan konsentrasi (atau jumlah) dalam setiap satuan waktu.

Agar bereaksi, partikel harus bertumbukan. Frekuensi tumbukan adalah seberapa sering particles saling menabrak. Namun, tidak setiap tumbukan menghasilkan reaksi:

• tumbukan efektif memiliki cukup energi dan arah yang benar, sehingga reaksi terjadi.
• tumbukan tidak efektif tidak memiliki cukup energi, atau partikel menabrak pada sudut yang salah, sehingga tidak ada yang terjadi.

Jadi laju bergantung pada frekuensi tumbukan efektif — berapa banyak tumbukan bermanfaat yang terjadi setiap detik.

Konsentrasi dan tekanan

Jika Anda meningkatkan konsentrasi larutan (atau tekanan gas), partikel terkumpul lebih rapat. Mereka bertumbukan lebih sering, sehingga ada lebih banyak tumbukan efektif setiap detik, dan laju meningkat.

Anda dapat menghitung laju dari data eksperimen — misalnya, volume gas yang dihasilkan dibagi dengan waktu yang dibutuhkan.

Contoh terarah. Reaksi menghasilkan karbon dioksida. Dalam $30\ \text{s}$ pertama, $48\ \text{cm}^3$ gas dikumpulkan. Temukan rata-rata laju reaksi selama waktu ini.

Laju paling cepat di awal (grafik paling curam di sana) karena reaktan paling pekat, kemudian melambat saat habis digunakan.

Energi aktivasi ($E_A$) adalah energi minimum yang dibutuhkan sebuah tumbukan agar efektif.

Distribusi Boltzmann adalah grafik yang menunjukkan bagaimana energi molekul tersebar pada satu suhu. Kurva dimulai dari titik asal, naik ke puncak, lalu turun membentuk ekor panjang. Total area di bawah kurva adalah total jumlah molekul. Hanya molekul di sebelah kanan $E_A$ yang memiliki cukup energi untuk bereaksi.

Ketika Anda menaikkan suhu:

• kurva meratakan diri dan melebar ke kanan, sehingga fraksi jauh lebih besar molekul kini memiliki energi lebih besar dari $E_A$.
• molekul juga bergerak lebih cepat dan bertumbukan lebih sering.

Efek pertama adalah yang lebih besar. Ini sebabnya kenaikan kecil suhu memberikan peningkatan besar pada laju.

Katalisator mempercepat reaksi tetapi tidak habis sendiri. Katalisis adalah nama untuk tindakan ini.

Katalisator bekerja dengan memberikan reaksi mekanisme reaksi yang berbeda — rute baru dengan energi aktivasi lebih rendah. Pada distribusi Boltzmann, menurunkan $E_A$ memindahkan garis ke kiri, sehingga lebih banyak molekul kini memiliki cukup energi. Ini berarti lebih banyak tumbukan efektif setiap detik, dan laju lebih cepat.

Pada diagram jalur reaksi, rute yang dikatalisis memiliki "bukit" energi yang lebih rendah. Perubahan entalpi reaksi, $\Delta H$, tidak diubah oleh katalisator.

Ada dua jenis:

• katalisator homogen berada dalam keadaan fisik yang sama dengan reaktan — misalnya, katalisator asam yang dilarutkan dalam larutan cairan.
• katalis heterogen berada dalam keadaan berbeda dari reaktan — misalnya, besi padat yang mempercepat reaksi gas dalam proses Haber.

• Jelaskan perubahan laju dengan teori tumbukan — lebih sering dan/atau lebih energik tumbukan efektif.
• Pada distribusi Boltzmann, tandai $E_A$, arsir ke kanannya, dan tunjukkan kurva memipih dan bergeser ke kanan pada suhu lebih tinggi; kurva dimulai dari titik asal dan tidak pernah menyentuh sumbu.
• Katalis menyediakan jalur alternatif dengan $E_A$ yang lebih rendah dan tidak mengubah $\Delta H$.
• Jelaskan mengapa kenaikan suhu kecil menyebabkan kenaikan laju besar: proporsi molekul yang jauh lebih besar kini melebihi $E_A$ (efek utama).