Powered By Blogger

Total Tayangan Halaman

Kamis, 12 Juni 2014

STOIKIOMETRI : PERHITUNGAN DENGAN RUMUS KIMIA DAN PERSAMAAN REAKSI

STOIKIOMETRI:
PERHITUNGAN DENGAN RUMUS KIMIA
DAN PERSAMAAN REAKSI



Pada bab ini, kita akan mulai mempelajari sifat dasar kuantitatif dari rumus kimia dan reaksi kimia. Bahasan semacam ini dikenal sebagai stoikiometri, suatu nama yang diturunkan dari bahasa Yunani stoicheion (“unsur”) dan metron (“mengukur”).
Stoikiometri merupakan suatu aspek yang penting dalam kimia. Masalah-masalah beragam seperti mengukur konsentrasi ozon di atmosfer, menentukan kandungan emas dari suatu ore (batuan), dan menemukan proses yang berbeda untuk mengubah batubara menjadi bahan bakar gas, semuanya melibatkan aspek stoikiometri.
1.   Persamaan Reaksi
Reaksi kimia digambarkan dalam suatu persamaan reaksi. Sebagai contoh, ketika hidrogen, H2, terbakar di udara, hidrogen bereaksi dengan oksigen, O2, membentuk air, H2O. kita menulis persamaan reaksi untuk reaksi tersebut sebagai berikut:
2H2 + O2  2H2O …[1]
tanda + dibaca sebagai “bereaksi dengan “ dan tanda panah sebagai “menghasilkan”. Rumus kimia di sebelah kiri panah menunjukkan bahan awal, yang disebut reaktan. Senyawa yang dihasilkan dari reaksi, disebut produk/hasil, yang ditunjukkan di sebelah kanan panah. Angka di depan rumus kimia merupakan koefisien (seperti di dalam persamaan aljabar, angka 1 biasanya tidak dituliskan).
Suatu persamaan reaksi harus memiliki jumlah atom yang sama untuk setiap unsur pada setiap sisi tanda panah. Ketika kondisi ini tercapai, maka dapat dikatakan bahwa persamaan reaksi tersebut telah setara. Sebagai contoh, pada sisi kanan persamaan 1, ada dua molekul H2O, masing-masing mengandung dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Jadi, 2H2O (dibaca ”dua molekul H2O”) mengandung 2 x 2 = 4 atom H dan 2 x 1 = 2 atom O. Di sisi sebelah kiri persamaan juga terdapat 4 atom H dan 2 atom O, maka persamaannya telah setara.
Dalam menyetarakan suatu persamaan reaksi, penting untuk dimengerti perbedaan antara sebuah koefisien di depan rumus kimia dan sebuah subskrip dalam suatu rumus kimia. Sebagai contoh, mengubah subskrip dalam suatu rumus kimia – dari H2O menjadi H2O2 – akan mengubah identitas dari bahan kimia tersebut. H2O2, hidrogen peroksida, sangat jauh berbeda sifatnya dengan air. Subskrip tidak boleh diubah dalam menyetarakan suatu persamaan reaksi. Sebaliknya, menempatkan suatu koefisien di depan rumus kimia hanya akan mengubah jumlah dan bukan identitas dari zat; 2H2O berarti dua molekul H2O, 3H2O berarti tiga molekul H2O, dan seterusnya.
Contoh lain adalah reaksi pembakaran gas metana, CH4, di udara menghasilkan gas karbon dioksida, CO, dan uap air, H2O. Kedua produk tersebut mengandung atom O yang berasal dari O2 di udara. Kita dapat katakan bahwa reaksi pembakaran di udara “didukung oleh oksigen”, yang berarti bahwa oksigen merupakan suatu reaktan. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O …[2]
Persamaan reaksi yang setara semestinya mengandung angka koefisien terkecil, seperti ditunjukkan pada contoh di atas. Wujud fisik zat dalam persamaan reaksi dituliskan dalam tanda kurung. Kita menggunakan simbol (g), (l), (s), dan (aq) untuk masing-masing gas, cair (liquid), padat (solid), dan larutan berair (aqueous).

2.   Bentuk-Bentuk Reaksi Kimia
Menggunakan Tabel Periodik
Kita dapat memperkirakan apa yang akan terjadi dalam suatu reaksi jika kita telah melihat reaksi yang serupa sebelumnya, dan menggunakan bantuan tabel periodik. Sebagai contoh, jika natrium, Na, bereaksi dengan H2O membentuk natrium hidroksida, NaOH, dan gas hidrogen, H2.
2Na(s) + 2H2O(l)  2NaOH(aq) + H2(g) …[3]
Kita dapat memperkirakan apa yang terjadi ketika kalium, K, direaksikan dengan air menggantikan Na. Dalam tabel periodik, Na dan K berada dalam golongan yang sama, yakni golongan logam alkali IA. Kita mengharapkan bahwa mereka akan bersifat sama, menghasilkan jenis produk yang sama. Dan ternyata benar:
2K(s) + 2H2O(l)  2KOH(aq) + H2(g) …[4]
Faktanya, semua logam alkali bereaksi dengan air membentuk senyawa hidroksidanya dan gas hidrogen. Jika kita misalkan M adalah logam alkali, maka reaksi secara umumnya adalah sebagai berikut:
2M(s) + 2H2O(l)  2MOH(aq) + H2(g)
Reaksi Pembakaran di Udara
Reaksi pembakaran adalah reaksi yang cepat dan menghasilkan api. Kebanyakan reaksi pembakaran yang telah diamati melibatkan O2 dari udara sebagai reaktan. Ketika hidrokarbon dibakar, mereka bereaksi dengan O2 membentuk CO2 dan H2O. Jumlah molekul O2 yang diperlukan dalam reaksi dan jumlah molekul CO2 dan H2O yang terbentuk tergantung dari komposisi hidrokarbon. Sebagai contoh, pembakaran propana, C3H8, gas yang digunakan untuk memasak dan keperluan memanaskan dalam rumah tangga, digambarkan melalui persamaan reaksi berikut:
C3H8 + 5O2  3CO2 + 4H2O …[5]
Pembakaran senyawa yang mengandung atom oksigen selain karbon dan hidrogen (misalnya CH3OH dan C6H12O6) juga menghasilkan CO2 dan H2O. Namun reaksi pembakaran yang tidak sempurna akibat kurangnya jumlah O2 akan menyebabkan terbentuknya karbon monoksida, CO, dan bukan CO2. Banyak senyawa yang digunakan dalam tubuh manusia sebagai sumber energi, seperti glukosa, C6H12O6, bereaksi dalam tubuh dengan O2 menghasilkan CO2 dan H2O.
Reaksi Penggabungan (Kombinasi) dan Penguraian (Dekomposisi)
Dalam reaksi penggabungan, dua atau lebih zat bereaksi membentuk satu produk. Ada banyak contoh reaksi penggabungan, terutama reaksi dimana unsur-unsur yang berbeda bergabung membentuk senyawa. Sebagai contoh, logam magnesium, Mg, terbakar di udara dengan nyala api yang indah menghasilkan magnesium oksida, MgO, seperti ditunjukkan pada persamaan reaksi berikut:
2Mg(s) + O2(g)  2MgO(s) …[6]
Dalam reaksi penguraian, satu zat mengalami suatu reaksi menghasilkan dua atau lebih zat. Banyak senyawa mengalami reaksi penguraian ketika dipanaskan. Sebagai contoh, banyak logam-logam karbonat terurai membentuk oksida logam dan CO2 ketika dipanaskan, seperti reaksi berikut ini:
CaCO3(s)  CaO(s) + CO2(g) …[7]
Penguraian CaCO3 merupakan suatu proses komersial yang penting. Batu kapur (limestone) atau kerang laut (seashells), terutama merupakan CaCO3, dipanaskan untuk membuat CaO, yang dikenal sebagai kapur atau kapur mentah.
3.   Berat Atom dan Berat Molekul
Skala Massa Atom
Meskipun para ilmuwan pada abad ke-19 tidak mengetahui apa-apa tentang partikel sub-atomik, mereka mengetahui bahwa atom unsur yang berbeda memiliki massa yang berbeda. Mereka menemukan, sebagai contoh, 100 g air mengandung 11,1 g hidrogen dan 88,9 g oksigen. Ketika para ilmuwan mengetahui  bahwa air mengandung dua atom hidrogen untuk setiap atom oksigen, mereka menyimpulkan bahwa suatu atom oksigen memiliki berat 2 x 8 = 16 kali dibanding atom hidrogen. Hidrogen yang merupakan atom paling ringan, telah dijadikan sebagai standar massa relatif 1 (tanpa satuan), dan massa atom unsur lain ditentukan secara relatif berdasarkan nilai tersebut. Jadi, massa atom oksigen adalah 16.
Saat ini, kita dapat mengukur massa atom tunggal dengan tingkat keakuratan yang tinggi. Sebagai contoh, kita tahu bahwa atom hidrogen-1 memiliki massa 1,6735 x 10-24 g dan atom oksigen-16 memiliki massa 2,6560 x 10-23 g. Akan sangat baik menggunakan suatu satuan yang disebut satuan massa atom (sma) jika berurusan dengan massa yang luar biasa kecilnya:
1 sma = 1,66054 x 10-24 g dan  1 g = 6,02214 x 1023 sma
Satuan sma ini ditentukan dengan merujuk pada massa isotop karbon 12C yang tepat 12 sma. Dalam satuan ini, massa atom hidrogen-1 adalah 1,0080 sma dan atom oksigen-16 adalah 15,9949 sma.
Massa Atom Rata-Rata
Banyak unsur yang ada di alam sebagai campuran isotop-isotop. Kita dapat menentukan massa atom rata-rata dari berbagai isotop tersebut dan kelimpahan relatifnya. Sebagai contoh, secara alamiah karbon tersusun atas 98,892% 12C dan 1,108% 13C. Massa nuklida-nuklida ini secara berturut-turut adalah 12 sma dan 13,00335 sma. Kita dapat menghitung massa atom rata-rata karbon seperti berikut:
(0,98892)(12 sma) + (0,01108)(13,00335 sma) = 12,011 sma
Massa atom rata-rata tiap unsur (dinyatakan dalam sma) juga dikenal sebagai berat atomnya. Meskipun istilah massa atom rata-rata lebih benar, namun istilah berat atom sudah umum digunakan.


Berat Rumus dan Berat Molekul
Berat rumus suatu zat adalah jumlah berat atom (kita singkat: BA) setiap atom dalam rumus kimianya. Sebagai contoh, H2SO4, asam sulfat, memiliki berat rumus (kita singkat: BR) 98,0 sma.
BR  =  2(BA H) + (BA S) + 4(BA O)
       =  2(1,0 sma) + 32,0 sma + 4(16,0 sma)
       =  98,0 sma
Jika rumus kimia suatu zat adalah rumus molekulnya, maka berat rumus juga disebut berat molekul (kita singkat BM). Sebagai contoh, rumus molekul untuk glukosa (gula yang dibawa oleh darah ke jaringan tubuh untuk menghasilkan energi) adalah C6H12O6. Berat molekul glukosa adalah:
BM =  6(BA C) + 12(BA H) + 6(BA O)
       =  6(12,0 sma) + 12(1,0) sma + 6(16,0 sma)
       =  180,0 sma

Persentase Komposisi Atom dalam Molekul
Adakalanya kita harus menghitung prosentase komposisi suatu senyawa (yaitu prosentase massa setiap unsur dalam senyawa). Sebagai contoh, untuk memastikan kemurnian senyawa, kita dapat membandingkan komposisi zat hasil perhitungan dengan hasil eksperimen. Menghitung persentase komposisi mudah jika rumus kimia senyawa telah diketahui.
Contoh Soal 1.1
Menghitung persentase komposisi dari C12H22O11.
Dengan menggunakan persamaan di atas, persentase unsur-unsur penyusun senyawa dapat ditentukan:

4.   Mol
Mol didefinisikan sebagai jumlah zat yang mengandung banyak partikel (atom, molekul, dll.) sebagai jumlah atom dalam  12 g 12C. Dari eksperimen, ilmuwan menentukan jumlah atom dalam 12C adalah 6,02 x 1023 atom, dimana bilangan ini disebut bilangan Avogadro.
Massa Molar
Suatu atom tunggal 12C memiliki massa 12 sma, tetapi atom tunggal 24Mg dua kali lebih besar, yakni 24 sma. Karena satu mol selalu memiliki jumlah partikel yang sama, maka satu mol 24Mg pasti dua kali lebih banyak dari jumlah mol atom 12C. Karena satu mol 12C memiliki berat 12 g (misalkan), maka satu mol 24Mg beratnya 24 g. Perhatikan bahwa massa suatu atom tunggal suatu unsur (dalam sma) sama jumlahnya dengan massa (dalam gram) 1 mol atom-atom unsur tersebut. Fakta ini benar:
Satu atom 12C beratnya 12 sma; 1 mol 12C beratnya 12 g.
Satu atom 24Mg beratnya 24 sma; 1 mol 24Mg beratnya 24 g.
Massa (dalam gram) 1 mol zat disebut massa molar. Massa molar (dalam gram) suatu zat selalu sama dengan berat rumusnya (dalam sma):
Satu molekul H2O beratnya 18,0 sma; 1 mol H2O beratnya 18,0 g.
Satu ion NO3- beratnya 62,0 sma; 1 mol NO3 beratnya 62,0 g.
Contoh Soal 1.2
Berapa massa dalam gram dari 1 mol glukosa, C6H12O6?
Jawab:
6 atom C    = 6(12,0 sma) = 72,0 sma
12 atom H = 12(1,0 sma) = 12,0 sma
6 atom O    = 6(16,0 sma) = 96,0 sma
Berat rumus                       = 180,0 sma
Karena glukosa memiliki berat rumus180,0 sma, maka 1 mol zat ini memiliki massa 180,0 g. Dengan kata lain, massa molar C6H12O6 adalah 180,0 g.

Interkonversi Massa, Mol, dan Jumlah Partikel
Konversi massa ke mol dan mol ke massa sering ditemui dalam perhitungan yang menggunakan konsep mol. Secara sederhana, konversi massa, mol, dan jumlah partikel dapat dituliskan sebagai berikut:

 




Contoh Soal 1.3
1.    Berapa mol glukosa jika beratnya 5,380 g?
Jawab:
Diketahui 1 mol C6H12O6 setara dengan 180 g, maka
2.    Berapa molekul C6H12O6 dalam 5,23 g glukosa?
Jawab:
 
5.   Rumus Empiris
Rumus empiris suatu zat menunjukkan jumlah relatif atom-atom setiap unsur yang dikandungnya. Rumus H2O mengindikasikan bahwa air mengandung dua atom H untuk tiap atom O. perbandingan ini juga berlaku pada tingkat molar; jadi, 1 mol H2O mengandung 2 mol atom H dan 1 mol atom O. Sebaliknya, perbandingan jumlah mol tiap unsur dalam suatu senyawa ditunjukkan oleh subskrip dalam rumus empiris suatu senyawa. Dengan demikian, konsep mol menyediakan cara menghitung rumus empiris bahan kimia.
Contoh Soal 1.4
Asam askorbat (vitamin C) mengandung 40,92% C, 4,58% H, dan 54,50% O dalam massa. Apakah rumus empiris dari asam askorbat?
Jawab:
Misalkan berat asam askorbat 100 g, maka
Sehingga diperoleh perbandingan jumlah mol ketiga atom, yaitu
mol C : mol H : mol O = 3,407 : 4,54 : 3,406 = 3 : 4 : 3
Jadi, rumus empiris asam askorbat adalah C3H4O3.
Rumus Molekul dari Rumus Empiris
Rumus yang diperoleh dari prosentase komposisi adalah selalu rumus empiris. Kita dapat memperoleh rumus molekul dari rumus empiris jika diketahui berat molekul dari senyawa tersebut. Subskrip dalam rumus molekul suatu zat merupakan jumlah keseluruhan dari kelipatan subskrip dalam rumus empirisnya. Kelipatan tersebut diketahui dengan membandingkan berat rumus dari rumus empiris dengan berat molekul.
Contoh Soal 1.5
Mesitilena, suatu hidrokarbon yang terdapat dalam jumlah kecil dalam minyak mentah, memiliki rumus empiris C3H4. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa berat molekul zat ini adalah 121 sma. Apakah rumus molekul dari mesitilena?
Jawab:
BR C3H4 = 3(BA C) + 4(BA H) = 3(12,0 sma) + 4(1,0 sma) = 40 sma
Rumus molekul: (C3H4)n
BM = (BR)n
121 sma = (40 sma)n
n = 3
Jadi, rumus molekul dari mesitilena adalah (C3H4)3 = C9H12
Analisis Reaksi Pembakaran
Ketika suatu senyawa yang mengandung karbon dan hidrogen terbakar sempurna, maka semua karbon dalam senyawa tersebut akan terkonversi menjadi CO2 dan semua hidrogen menjadi H2O. Sebagai contoh, pembakaran 0,255 g isopropil alkohol menghasilkan 0,561 g CO2 dan 0,306 g H2O. Dari dua informasi tersebut, kita dapat menghitung jumlah C dan H dalam sampel dengan menggunakan konsep mol.

Ø Menghitung massa C
1 mol CO2  1mol C, sehingga jumlah mol C adalah 0,0128 mol.
massa C = mol C  massa molar C = 0,0128 mol C  12,0 g C/mol C = 0,153 g C
Ø Menghitung massa H
1 mol H2O  2 mol H, sehingga jumlah mol H adalah 2  0,017 = 0,034 mol H
massa H = mol H  massa molar H = 0,034 mol H  1,01 g H/mol H = 0,0343 g H
Ø Menghitung massa O
Karena senyawa tersebut mengandung hanya C, H, dan O, maka massa O adalah:
massa O   = massa isopropil alkohol – (massa C + massa H)
                 = 0,255 g – (0,153 g + 0,0343 g)
                 = 0,068 g
Perbandingan mol C : H : O = 0,0128 : 0,034 : 0,0043 = 3 : 8 : 1
Jadi, rumus empiris isopropil alkohol adalah C3H8O.

6.   Pereaksi Pembatas
Reaktan yang habis terpakai dalam suatu reaksi disebut sebagai pereaksi pembatas atau reagen pembatas, karena pereaksi tersebuy menentukan atau membatasi jumlah produk yang dihasilkan. Reaktan lainnya biasanya disebut pereaksi berlebih atau reagen berlebih. Reaksi akan berhenti ketika reaktan/pereaksi pembatas telah habis bereaksi, menyisakan hanya pereaksi berlebih. Sebagai contoh, kita memiliki campuran 10 mol H2 dan 7 mol O2, yang bereaksi membentuk air:
2H2(g) + O2(g)  2H2O(l)
Karena 2 mol H2  1 mol O2, maka jumlah mol O2 yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan semua H2 adalah:
= 5 mol O2
Karena 7 mol O2 tersedia pada awal reaksi, maka 7 mol O2 – 5 mol O2 = 2 mol O2 masih akan tersisa, sementara semua H2 habis terpakai. Dengan demikian, H2 merupakan pereaksi pembatas, sedangkan O2 merupakan pereaksi berlebih yang masih tersisa ketika reaksi telah berhenti. Jadi, kuantitas produk yang dihasilkan selalu ditentukan oleh kuantitas pereaksi pembatas.
Contoh Soal 1.6
Gas SO2 terbentuk di atmosfer sebagai hasil dari pembakaran suatu senyawa yang mengandung sulfurdan akhirnya dikonversi menjadi asam sulfat, H2SO4. Reaksi bersihnya sebagai berikut:
2SO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)  2H2SO4(aq)
Berapa banyak H2SO4 yang terbentuk dari 5,0 mol SO2, 2,0 mol O2, dan H2O berlebih?
Jawab:
Jumlah mol O2 yang dibutuhkan untuk tepat menghabiskan 5,0 mol SO2 adalah
Mol O2 yang tersedia tidak cukup untuk membuat semua SO2 terkonversi menjadi H2SO4, sehingga dapat dikatakan bahwa O2 merupakan pereaksi pembatas. Kuantitas pereaksi pembatas digunakan untuk menghitung kuantitas produk yang terbentuk. Jumlah H2SO4 yang dihasilkan dalam reaksi ini adalah
Hasil Teoritis

Kuantitas produk yang terbentuk yang dihitung ketika semua pereaksi pembatas telah habis bereaksi disebut hasil teoritis. Jumlah produk sebenarnya yang diperoleh dalam reaksi disebut hasil sebenarnya/hasil eksperimen. Hasil sebenarnya hampir selalu kurang (tidak pernah lebih besar) dari hasil teoritis. Banyak alasan untuk perbedaan ini. Sebagai contoh, sebagian reaktan mungkin tidak bereaksi, atau mereka mungkin bereaksi dengan cara yang berbeda dari yang diinginkan (reaksi sampingan). Hampir selalu tidak mungkin untuk memperoleh semua hasil reaksi dari campuran reaksi. Prosen hasil reaksi menghubungkan hasil sebenarnya dengan hasil teoritis:
Contoh Soal 1.7
Asam adipat, H2C6H8O4, suatu material yang digunakan untuk produksi nilon. Senyawa ini dibuat secara komersial melalui reaksi terkontrol antara sikloheksana, C6H12, dan O2:
2C6H12 + 5O2  2H2C6H8O4 + 2H2O
(a) Asumsikan bahwa tersedia 25,0 g sikloheksana, dan sikloheksana tersebut merupakan pereaksi pembatas. Berapa hasil teoritis asam adipat?
(b) Jika diperoleh 33,5 g asam adipat dari reaksi tersebut, berapa prosen hasil asam adipat?
Jawab:
2 mol C6H12  2 mol H2C6H8O4
Mol H2C6H8O4 = 0,298 mol
Massa H2C6H8O4   = 0,298 mol H2C6H8O4  146 g H2C6H8O4/mol H2C6H8O4
                               = 43,5 g H2C6H8O4

Soal-soal Latihan
1.        Setarakan persamaan reaksi berikut:
a.       C2H4 + O2  CO2 + H2O
b.      Al + HCl  AlCl3 + H2
2.        Tuliskan persamaan reaksi yang benar dari peristiwa berikut:
a.       Merkuri(II) sulfida padat terurai menjadi unsur-unsur penyusunnya ketika dipanaskan.
b.      Permukaan logam aluminium mengalami reaksi penggabungan dengan oksigen di udara.
c.       Si2H6 terbakar ketika dibiarkan di udara (Ingat!!Si berada dalam golongan yang sama dengan C dalam tabel periodik).
3.        Tiga isotop silikon terdapat di alam: 28Si (92,21%), massanya 27,97693 sma; 29Si (4,70%), massanya 28,97659 sma; dan 30Si (3,09%), massanya 29,97376 sma. Hitung berat atom silikon!
4.        Hitung berat rumus dari (a) sukrosa, C12H22O11 dan (b) kalsium nitrat, Ca(NO3)2.
5.        Hitung persentase massa nitrogen dalam Ca(NO3)2!
6.        Hitung massa molar Ca(NO3)2!
7.        Hitung jumlah atom oksigen dalam 4,20 g NaHCO3!
8.        Sampel metil benzoat sebanyak 5,325 g, suatu senyawa yang digunakan dalam pembuatan parfum, diketahui mengandung 3,758 g C, 0,316 g H, dan 1,25 g O. Apakah rumus empiris senyawa tersebut?
9.        Etilen glikol, zat yang digunakan sebagai antibeku pada mobil, terdiri atas 38,7% C, 9,7% H, dan 51,6% O. Massa molarnya adalah 62,1 g/mol. Tentukan rumus empiris dan rumus molekul etilen glikol!
10.    Diketahui reaksi: 2Al(s) + 3Cl2(g)  2AlCl3(s)
Suatu campuran mol logam Al dan 3,0 mol Cl2 direaksikan, (a) Sebutkan pereaksi pembatasnya?; (b) berapa mol AlCl3 yang terbentuk?
11.    Diketahui reaksi: Fe2O3(s) + 2CO(g)  2Fe(s) + 2CO2(g)
a.         Jika tersedia 150 g Fe2O3 sebagai pereaksi pembatas, berapa hasil teoritis Fe?

b.         Jika hasil Fe yang sebenarnya adalah 87,9 g, berapa prosen hasilnya?

1 komentar: