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, CO2, 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
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
|
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?
Jawaban dari latihan paling bawah ada nda.?
BalasHapus